điều khiển động cơ 1 chiều

Họ và tên: Nguyễn Nhân Hùng
Lớp : 54KTĐ
Mã SV : 1251121047
1.Nhiệm vụ: Thiết kế bộ biến đổi DC-DC tần số cao dùng để điều chỉnh tốc động
cơ điện một chiều.
2.Các thông số:
-

Điện áp nguồn(VAC): 380v (sai lệch 10%)
Tần số: 50Hz
Dòng điện định mức: 10 (A)
Điện áp phần ứng: 300 (v)
Phạm vi điều chỉnh tốc độ: 15:1
Chỉnh lưu: tia 3 pha không điều khiển ( STT: 16)

Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

1


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
I. Đặt vấn đề chung
II. Tổng quan về động cơ điện một chiều
III. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
IV. Điều chỉnh từ thông động cơ
V. Các vấn đề khác khi điều chỉnh động cơ 1 chiều
VI. Vấn đề phụ tải
VII. Phân tích phương án tổng thể
CHƯƠNG 2: MẠCH CHỈNH LƯU

I.
II.
III.
IV.

Giới thiệu về băm xung một chiều
Phương pháp thay đổi độ rộng xung
Các sơ đồ băm xung
Kết luận

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH LỰC
I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.
VIII.

Tính toán các thông số cơ bản của động cơ điện một chiều PMĐC
Chọn diode công suất
Tính toán chọn van IGBT
Tính toán chỉnh lưu:
Thiết kế lựa chọn máy biến áp chỉnh lưu
Tính toán chọn Diode
Tính kích thước mạch từ
Tính chọn lọc C

CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Nguyên lý mạch điều khiển:
Tính toán và thiết kế các khâu điều khiển
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
I.
II.

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

2


LỜI MỞ ĐẦU
Ứng dụng điện tử công suất vào trong truyền động điện- điều khiển tốc độ động cơ
điện là một lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển. Các nhà sản xuất không
ngừng cho ra đời các sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất
và các thiết bị điều khiển đi kèm. Do đó khi thực hiện đồ án chúng em đã cố gắng
cập nhập những kiến thức mới nhất, những công nghệ mới trong lĩnh vực điều
khiển các phần tử bán dẫn công suất. Với yêu cầu thiết kế mạch băm xung một
chiều để điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập có yêu cầu đảo chiều
quay theo nguyên tắc đối xứng, chúng em đã cố gắng tìm hiểu kĩ về các phương án
công nghệ sao cho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, yêu cầu kinh tế. Với
hy vọng đồ án điện tử công suất này là một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp dụng
được trong thực tế nên chúng em cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ và tính toán cụ thể các
thông số của các sơ đồ mạch.
Mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi và quyết
tâm cao nhất tuy nhiên đây là lần đầu tiên chúng em làm đồ án, và đặc biệt do trình
độ hiểu biết của chúng em còn nhiều hạn chế nên chúng em không thể tránh khỏi
những sai sót, chúng em mong nhận được sự phê bình góp ý của các thầy để giúp

chúng em hiểu rõ hơn các vấn đề trong đồ án cũng như những ứng dụng thực tế của
nó để bản đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn. Và chúng em hi vọng trong
một tương lại không xa, chúng em có thể áp dụng những kiến thức và hiểu biết thu
được từ chính đồ án đầu tiên trong cuộc đời sinh viên của chúng em vào thực tế
cũng như sẽ phát triển hơn nó trong các đồ án sau này.

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
I.

Đặt vấn đề chung

Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

3


Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả về chiều
rộng lẫn chiều sâu, điện và các máy điện đóng vai trò rất quan trọng, không thể
thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh hoạt của con
người. Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng là mũi nhọn quyết định
sự thành công của cả hệ thống sản xuất công nghiệp. Không một quốc gia nào, một
nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện.
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều : sản xuất dễ, dễ truyền tải..., cả máy
phát và động cơ xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận
hành... mà máy điện( động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và
phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như trong
cong nghiệp giao thông vận tải, và nói chung các thiết bị điều khiển tốc độ quay
liên tục trong phạm vi rộng( như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy
điện..). mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều
cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản

cổ góp phức tạo hơn...nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn
khong thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ hay máy phát điện
trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện
một chiều là điều khiển tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ
không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc đáp ứng được thì phải chi phí các
thiết bị biến đổi đi kèm( như bộ biến tần...) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều
không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều
khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao.
Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75% 85%. ở
động cơ điện công suât trung bình và lớn khoảng 85%-94%. Công suất lớn nhất của
động cơ điện một chiều khoảng 100000kW và điện áp vào khoảng 1000V. Hướng
phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế
tạo những máy công suất lơn hơn đó là cả một vấn đề rộng lớn mà chỉ đề cập đến
vấn đề thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động
cơ một chiều kích từ độc lập theo nguyên tắc đối xứng. Đây là một trong những
phương pháp được dùng phổ biến nhất hiện nay để điều chỉnh động cơ một chiều
kích từ độc lập với yêu cầu đảo chiều quay động cơ theo phương pháp đối xứng.
Đây là một phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao và được sử dụng rộng rãi
Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

4


bởi những tính năng và đặc điểm nổi bật của nó mà chúng em sẽ phân tích và đề
cập sau này.
II.

Tổng quan về động cơ điện một chiều

1. Định nghĩa của động cơ điện một chiều.
Động cơ một chiều dùng dòng điện một chiều để biến đổi điện năng thành cơ năng
hay cơ năng thành điện năng( khi hãm).
2. Nguyên lý của động cơ điện một chiều.
Động cơ điện một chiều là thiết bị điện quay, làm việc theo nguyên lý điện từ, khi
đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ
trường sẽ sinh ra một lực từ tác dụng vào dây dẫn làm dây dẫn chuyển động. động
cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng
3. Phân loại các loại động cơ điện một chiều.
Ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ứng với mỗi cách ta có
các loại động cơ điện sau.
+Kích thích độc lập: phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ.
+Kích từ song song: cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng.
+Kích từ nối tiếp: cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng.
+Kích từ hỗn hợp: gồm hai cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song song với phần
ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng.
4. cấu tạo của động cơ điện một chiều.
Động cơ điện một chiều có hai phần chính là phần động và phần tĩnh.


Phần tĩnh hay stato là bộ phận sinh ra từ trường nó gồm có:

+Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ( nếu động cơ được kích từ bằng
nam châm điện), mạch từ được làm bằng sắt từ( thép đúc, thép đặc). dây quấn kích
từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với
nhau.

Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

5

+Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích
từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay
thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy
nhờ các bulong. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi
cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi
đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp
với nhau.
+) Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của cực từ phụ thường được
làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như
dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulong.
+) Gông từ dùng làm mạch từ nối tiếp các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.
+) Các bộ phận khác:
Nắp máy để bảo vệ máy khởi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an
toàn cho người khởi chạm vào điện
Cơ cấu chổi than để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao
gồm có chổi than đặt trong hộp, chổi than nhờ một lò xo tì chặt lê cổ góp. Hộp chổi
than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Gía chổi than có thể quay
được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng
vít cố định lại.


Phần quay hay roto: bao gồm những bộ phận sau Phần quay hay roto: bao gồm
những bộ phận sau.

+) Phần sinh ra sức điện động gồm có:
Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ xếp lại với nhau. Trên mạch từ có các rãnh
để lồng dây quấn phần ứng.
Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây nối lại với nhau theo một quy luật nhất

định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các
phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và
cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp.

Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

6


+) Lõi thép phần ứng dùng để dẫn từ, thường được dùng những tấm thép kỹ thuật
điện dày 0,5 m Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng
điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện.
+)Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày
từ 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn.
Với mỗi loại động cơ trên thì sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kĩ thuật điều
khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Trong đề tài
này ta chỉ xét đến dộng cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu
nhất để điều khiển loại động cơ này.
III.

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1. Phương trình đặc tính cơ:
- là phương trính biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ ( n) và momen( M) của động cơ
có dạng.
= - .M
Thông qua phương trình này, ta có thể thấy được sự phụ thuộc của tốc độ động cơ
và các thông số khác ( momen, từ thông…), từ đó đưa ra phương án để điều chỉnh
động cơ( tốc độ) với phương án tối ưu nhất.
Với những điều kiện = const, = const thì từ thông của động cơ hầu như không đổi

vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của động cơ là đường thẳng.
Thường dạng của đặc tính là đường thẳng mà giao điểm với trục tung ứng với
momen ngắn mạch còn giao điểm vớ trục tung ứng với tốc độ không tải của động
cơ.
Người ta đưa thêm đại lượng β = để đánh giá tốc độ cứng. Đặc tính càng dốc càng
cứng( β càng lớn) tức là momen biến đổi nhiều nhưng tốc độ biến đổi ít và ngược
lại. Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là momen biến đổi ít nhưng tốc độ biến đổi
nhiều thay đổi.

Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

7


Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta đi
xét đặc tính của động cơ điện. Đó là quan hệ giữa tốc độ quay với momen(hoặc
dòng điện) của động cơ.
Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ: nếu động cơ vận hành ở chế độ định
mức( điện cơ). Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có các điểm làm việc định mức
có giá trị ,

Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham
số nguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng.


Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm đặc tính cơ: β =
( tốc độ biến thiên momen so với vận tốc).
2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập


Sơ đồ kích thích từ độc lập được thể hiện như dưới đây:

Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

8


Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạc điện phần ứng và mạch
kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau: gọi là động cơ điện độc lập.


Phương trình đặc tính cơ xuất phát:
=

Trong đó:+ : điện áp phần ứng
+ : sức điện động phần ứng
+ điện trở phần ứng : =
+ điện trở cuộn dây phần ứng
+ : điện trở cuộn cực từ phụ
+ : điện trở cuộn bù
+ : điện trở tiếp xúc của chổi điện
+ : điện trở phụ trong mạch phần ứng
+ : dòng điện mạch phần ứng
+ : được xác định theo biểu thức sau:
=
Trong đó: + p: số đôi cực từ chính
+ N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
+ a : số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
+ : từ thông kích từ dưới một cực từ
+ : tốc độ góc

K=
Trong đó: +K: hệ số cấu tạo của động cơ

=
Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

9


Vì vậy
= 0.105K
Suy ra

(*)

Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặc khác momen điện từ của động cơ được xác định
Suy ra

Thay vào (*) ta được:

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì momen cơ trên trục động cơ bằng momen
điện từ bằng M.
Ta có

M

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Nhận xét:

+ = 0 hoặc M = 0 ta có

Đây là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ
Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

10


+ thì : dòng điện ngắn mạch
M = K : Momen ngắn mạch
R=

M
Từ đó có thể thấy tốc độ động cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lượng: , R,
I. Như vậy thông qua các đại lượng biến thiên này mà ta có thể điều khiển được tốc
độ động cơ điện một chiều.
3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều là một trong các nội dung chính của
truyền động điện nhằm đáp ứng các yêu cầu công nghệ nào đó của các máy sản
xuất. Điều chỉnh tốc độ là dùng phương pháp thuần túy điện tác động lên bản thân
hệ thống truyền động điện để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện. Tốc độ quay
của động cơ điện thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn hay chế độ
làm việc như: mở máy, hãm máy… Trong các hệ thống truyền động điện thường
căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế, kĩ thuật cơ bản, các chỉ tiêu này được tính khi
thiết kế và điều chỉnh động cơ điện.


Trong thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều :

+Điều chỉnh điện áp cho phần ứng động cơ.

+Điều chỉnh bằng cách thay đổi từ thông phần ứng hay thay đổi điện áp phần ứng
cấp cho mạch kích từ.
+Điều chỉnh bằng thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.


Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng.

Chỉ áp dụng được với động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song song làm
việc ở chế độ kích thích độc lập. Loại này cần có thiết bị như: máy phát điện một
chiều kích từ độc lập, các bô chỉnh lưu điều khiển có chức năng biến năng lượng
Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

11


điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động điều chỉnh nhờ tín hiệu điều
khiển .

Ta có phương trình

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên đặc tính cơ cũng không đổi. Tốc
độ không tải lý tưởng ùy thuộc vào giá trị của hệ thống. Đồ thị tuyến tính do đó
mới nói phương pháp này là triệt để. Để xác định dải điều khiển tốc độ.


Chú ý :

+ Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi
+ Tốc độ không tải lý tưởng tùy thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống do đó có
thể nói phương pháp này điều khiển là triệt để.

+ Giải điều chỉnh tốc độ của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng
với điện áp định mức và từ thông định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều khiển bị
giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và momen khởi động.
+ Với một cơ cấu máy cụ thể có 0max , KM , Mdm xác định vì vậy phạm vi điều chỉnh
D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng

Mnmmin = Mcmax = KMMdm
Để thỏa mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có
momen ngắn mạch là Mnmmin = Mcmax= KMMdm( KM: là hệ số momen quá tải). Đặc
tính cơ là các đườnng song song nên ta có
Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

12


D=
Với , KM , Mdm xác định ở mỗi máy. D phụ thuộc tuyến tính vào β. Khi điều chỉnh
điện áp phần ứng động cơ một chiều bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở
mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động cơ do đó có thể tính sơ bộ
được :

Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ không vượt quá 10. Vậy với yêu cầu của đề bài ta
sẽ điều chỉnh dải điện áp ra trong dải điều chỉnh đã cho. Điều chỉnh tốc độ bằng
phương pháp này rất thích hợp trong những trương hợp Mt= const trong toàn dải
điều chỉnh.
IV.

Điều chỉnh từ thông động cơ

Điều chỉnh từ thông kích thích động cơ điện một chiều chính là điều khiển momen

điện từ của động cơ điện M = K... Do mạch kích từ của động cơ điện một chiều là
phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến.

Từ sơ đồ trên ta được
Iư =
Trong đó: + rk: điện trở dây quấn phần ứng
+ rb: điện trở nguồn điện áp kích thích
+ : số vòng dây cuộn kích từ.
Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

13


Thường thì khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng bằng Uđm do đó các đặc
tính cơ thấp nhất trong vùng điều khiển là từ thông chính là đặc tính cơ bản( đôi khi
là đặc tính cơ tự nhiên).
Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch
của cổ góp điện. Khi giảm từ thông dẫn đến tăng vận tốc góc thì điều kiện chuyển
mạch của cổ góp bị xấu đi mặt khác vẫn phải đảm bải I cho phép. Kết quả là
momen cho phép trong động cơ giảm rất nhanh kể cả khigiữ nguyên I thì momen
cơ cũng giảm đi rất nhanh
1. Thay đổi điện trở phụ Rf.
Từ phương trình đặc tính (*)

Thực tế ngày nay người ta không dùng phương pháp này. Vì phương pháp này chỉ
cho phép điều chỉnh tốc đô quay trong vùng dưới tốc độ định mức, và luôn kèm
theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ và làm giảm hiệu suất của động cơ điện.
Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ và thực tế
thường dùng ở động cơ điện trong cần trục.
2. Kết luận

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng các thay đổi từ thông có nhiều hạn chế so với
phương pháp điều chỉnh phần ứng,phương pháp thay đổi từ thông bị hạn chế bởi
các điều kiện cơ khí : đó chính là điều kiện chuyển mạch của cổ góp điện. Cụ thể
phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu điểm hơn như sau:
Hiệu suất điều chỉnh cao( phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt
để) hơn khi ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao
công suất điều khiển nhỏ.

Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến momen
ngắn mạch giảm, dòng ngắn mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong lúc
điều khiển động cơ.

Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một momen điều
chỉnh xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục.


Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

14


Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải có
nguồn điện áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và ưu điểm
của nó. Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi.
V. Các vấn đề khác khi điều chỉnh động cơ một chiều
1.Các góc phần tư làm việc

Trạng thái hãm và trạng thái động cơ được phân bố trên đặc tính cơ của góc phần
tư tương ứng với chiều momen và tốc độ như hình vẽ.




I,III : trạng thái động cơ( cùng chiều với M)
II, IV: trạng thái hãm( ngược chiều với M)

Công suất cơ Pcơ = Mđ.
Công suất điện của động cơ : Pđ = Pcơ + .
2. Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.


Khởi động

Xuất pháp từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:
Khi khởi động nên Inm = ở động cơ công suất trung bình và lớn thì Rư thường có
giá trị nhỏ nên dòng điện khởi động ban đầu( dòng ngắn mạch) tương đối lớn:
Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

15


Inm= 2 2.5Idm
Với giá trị dòng lớn , sẽ không cho phép về mặt chuyển mạch và phát song của
động cơ cũng như sụt áp trên lưới điện. Tác hại này còn nghiêm trọng hơn đối với
những hệ thống cần khởi động( khi hãm máy cũng xảy ra hiện tượng tương tự).
Vậy quá trình điều khiển tốc độ động cơ cũng phải gắn với chế độ khởi động . Phải
đảm bảo điều kiện tối thiểu:
Inm= 2 2.5Idm
Dễ đi đến một nhận xét là lực chọn phương pháp điều khiển giảm áp phần ứng là
phù hợp hơn cả vì khi khống chế dòng ngắm mạch ở chế độ khởi động còn hạn chế
được điện áp khởi động. Do điều khiển là giảm áp.



Chế độ hãm.

Hãm là trạng thái àm động cơ sinh ra momen quay ngược chiều tốc độ quay. Động
cơ điện một chiều có 3 trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng.
+Hãm tái sinh.
Xảy ra khi tốc độ quay lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng. Khi đó Uư Eư . Động cơ
làm việc như một máy phát điện song song với lưới. So với chế độ động cơ, dòng
điện và momen hãm đã đổi chiều xác định theo biểu thức:
Ih=
Mh = KIh.
Trị số hãm sẽ lớn dần cho đến khi cân bằng với momen phụ tải thì hệ thống làm
việc ổn định với tốc độ . Vì sơ đồ đấu dây của mạch động cơ không đổi nên
phương trình đặc tính cơ tương tự nhưng momen có giá trị âm. Đường đặc tính cơ
nằm trong góc phần tư thứ hai và thứ tư.
Trong hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất được đưa trả về lưới điện
có giá trị P = (E-U)I. Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh năng
lượng hữu ích.
Ví dụ: Cơ cấu nâng hạ cần trục. Khi nâng tải động cơ được đấu vào nguồn theo
cực tính thuận và làm việc trên đặc tính cơ làm trong góc phần tư thứ nhất. Khi
muốn hạ tải phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Lúc này nếu momen
Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

16


do trọng tải gây ra lớn hơn momen ma sát trong các bộ phận chuyển động của
động cơ trạng thái hãm tái sinh. Tốc độ hạ cần trục tăng dần tới .
+Hãm ngược.

Xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích lũy trong các bộ phận
chuyển động hoặc do thế năng quay ngược chiều với momen điện từ của động cơ,
momen của động cơ khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất.
•

Hãm ngược khi đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng(tăng tải).

Đặc tính hãm ngược sưc điện động tác dụng cùng chiều với điện áp lưới. Động cơ
làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện, biến điện năng nhận từ lưới điện
và cơ năng thành nhiệt đốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng, vì vậy tổn thất lớn.
•

Đảo chiều điện áp phấn ứng.

Dòng điện Ih ngược chiều với chiều làm việc của động cơ và có thể khá lớn.
Ih=
Nếu rất nguy hiểm phải có biện pháp hạn chế dòng trong phạm vi cho phép : Inm= 2
2.5Idm


Hãm động năng.

Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động
cơ được tích lũy được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu
tán dưới dang nhiệt.
+Hãm động năng tụ kích từ độc lập
Khi ta cắt phần ứng động cơ điện khỏi lưới điện một chiều và đóng vào điện trở
hãm
Ihd =
Mh = KIhd< 0

Chứng tỏ Ihd và Mhd ngược chiều với tốc độ ban đầu. Năng lượng chủ yếu được tạo
ra do động năng tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ.
+Hãm động năng tự kích.
Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

17


Nhược điểm là nếu mất điện thì không thực hiệ được do cuộn dây kích từ vẫn phải
nối với nguồn. Muốn khắc phục người ta sử dụng phương pháp hãm động năng tự
kích từ. Nó xảy ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ khỏi lưới điện khi động
cơ quay để đóng vào một điện trở hãm. Trong quá trình hãm tốc độ giảm dần,
dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảm dần và là hàm tốc độ vì vậy đặc tính
cơ như đặc tính không tải của máy phát điện tự kích thích và phi tuyến so với
phương pháp hãm ngược. Hãm động năng có hiệu quả kém hơn khi chúng có cùng
tốc độ và momen cản, tuy nhiên hãm động năng ưu việt hơn về mặt năng lượng đặc
biệt hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ năng lượng từ lưới. Sử dụng được kể
cả khi mất điện.
VI.

Vấn đề phụ tải

Đặc tính của phụ tải cũng là vẫn đề được quan tâm khi điều khiển động cơ điện một
chiều. Với các loại khác nhau ta sẽ chọn phương pháp phù hợp và tính toán khác
nhau. Có thể phân ra thành 3 loại cơ bản theo sự thay đổi của momen cản theo tốc
độ. Khi tốc độ động cơ thay đổi, momen phụ tải có thể là:
a) Không đổi: thang máy…
b) Tăng: như trong quạt gió, bơm…
c) Giảm : các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, truyền động quay trục chính máy
cắt gọt kim loại…

Ta thường mong muốn đặc tính này là đặc tính tuyến tính vì vấn đề thiết kế sẽ phức
tạp lên rất nhiều khi sự thay đổi lại là phi tuyến đặc biệt là khi tải biến đổi. Nên ở
đây ta chỉ xét phụ tải có momen là hằng số trong toàn dải điều chỉnh.
Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

18


Qua phân tích trên đây, việc điều khiển điện áp phần ứng là được chọn phù hợp.
Giải pháp mà người ta thường dùng hiện nay là băm xung áp điều khiển nó ra bằng
bộ băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập đến ở vấn đề tiếp theo.
VII.
a)

Phân tích phương án tổng thể
Các chỉ tiêu đánh giá.

Hệ số đập mạch điện áp ra các bộc chỉnh lưu.

Điện áp ra các bộ chỉnh lưu có hệ số đập mạch:
=
Trong đó: : là hệ số đập mạch
: là biên độ sóng hài bậc 1
: là thành phần không đổi

mđm: là số lần đập mạch trong một chu kì điện áp lưới
α: là góc mở
Hệ số đập mạch ở một số sơ đồ chỉnh lưu với các góc mở khác nhau:



b)

Chỉnh lưu tia 3 0.25
0.50
pha
Chỉnh lưu cầu 0.057
0.206
3 pha
Công suất tính toán máy biến áp nguồn Sba

1.32

43

0.597

19.64

Sba
Chỉnh lưu tia 3 pha
1.35Pd
Chỉnh lưu cầu 3 pha
1.05Pd
Dùng một bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển và một bộ băm
xung 1 chiều có đảo chiều.

Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

19


Đặc điểm:
+ Hệ số sử dụng máy biến áp là 1.35, nên công suất thiết kế, khối lượng máy biến
áp giảm đi nhiều
+ Điện áp ra bộ chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển có hệ số đập mạch là 0.25 khá
bằng phẳng nên giảm được kích thước, khối lượng bộ lọc trước khi cấp cho mạch
băm áo một chiều.
+ Mạch băm áp một chiều với tần số bă xung 200- 400 Hz đã có thể cho chất lượng
điện áp ra khá tốt.
+ Ngoài ra bộ băm xung một chiều làm việc tin cậy, độ chính xác cao, dễ điều
chỉnh.
Qua phân tích trên ta thấy với yêu cầu thiết bị gọn nhẹ, chất lượng điện áp tốt thì
chọn sơ đồ băm xung một chiều có đảo chiều là hợp lý.

Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

20


CHƯƠNG 2: MẠCH CHỈNH LƯU
I.

Giới thiệu về băm xung một chiều.

Băm xung một chiều có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưu điểm có
thế thay đổi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao vì tổn
thất của bộ biến đổi chủ yếu trên các phần tử đóng cắt rất nhỏ.
So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ

một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều,
bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điều khiển thì
phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể: điều chỉnh tốc độ
và điều chỉnh dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời
đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ. Cùng với sự phát triển và ứng
dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch
băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí
bảo trì thấp, kích thích nhỏ. Mạch băm xung đặc biệt thích hợp với các động cơ
một chiều công suất nhỏ.
Điện thế trung bình đầu ra được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù điện thế
đầu vào có thể là hằng số( ắc quy, pin) hoặc biến thiên(đầu ra của chỉnh lưu), tải có
thể thay đổi. Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bình đầu ra có
thể điều khiển theo hai cách:
+Thay đổi độ rộng xung
+ Thay đổi tần số băm xung

II.

Phương pháp thay đổi độ rộng xung

Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T. Giá trị trung bình của
điện áp ra khi thay đổi độ rộng xung là:
Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

21


Ud = =
Trong đó đặt là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ.
Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < 1)

a) Phương pháp thay đổi tần số xung.
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1=const. Khi đó:
Ud =
Vậy Ud = U.f1 =
Ngoài ra có thể phối hợp hai phương pháp trên. Thực tế phương pháp biến đổi độ
rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi
kèm.
b) Nhận xét:
Ở đây ta thay đổi độ rộng xung, phương pháp này gọi là PWM( Pulse Width
Modulation). Theo phương pháp này tần số băm xung sẽ là hằng số. Việc điềukhiển
trạng thái đóng mở của van dựa vào việc so sánh một điện áp điều khiển với một
sóng tuần hoàn( thường là dạng tam giác(Sawtooth)) có biên độ đỉnh không đổi. Nó
sẽ thiết lập tần số đóng cắt cho van, tần số đóng cắt này là không đổi với dải tần từ
400Hz đến 200kHz. Khi ucontrol> ust thì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại
khóa van.

III.

Các sơ đồ băm xung

a) Sơ đồ giảm áp.
Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

22




Sơ đồ nguyên lý như sau:

Phần điều chỉnh quy ước là khóa S( van bán dẫn điều khiển).
Đặc điểm của sơ đồ này là khóa S, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải
có tính chất cảm kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc L & C. Đi-ốt mắc ngược
với Ud để thoát dòng tải khi khóa K ngắt.

Hoạt động:


+ S đóng => U được đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tưởng thì ud = U( nếu bỏ qua sụt áp
trên các van trong bộ biến đổi)
+ S mở => hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng id do năng lượng tích
lũy trong cuộn L và Ltải, dòng chạy qua D do đó ud = 0.
Như vậy, Ud U. Tương tự ta có bộ biến đổi ha áp.
Đặc tính truyền đạt: W1 =
b) Biến đổi tăng áp


Sơ đồ như sau:

Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

23


Đặc điểm: L nối tiếp với tải, khóa S mắc song song với tải. Cuộn cảm
L không tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò
này.

Hoạt động:


+ S đóng , dòng điện từ +U qua L đến S đến –U. Khi đó D tắt vì trên tụ có Uc( đã
được tích điện trước đó).
+ S ngắt,dòng điện chạy từ +U qua L đến D đến tải. Vì từ thông trong L không
giảm tức thời về 0 do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm eL= w , có cùng
cực tính U. Do đó tổng điện áp ud = U + eL. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp.
Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục và
năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn.
Đặc tính truyền đạt:
W1 =
c) Sơ đồ băm đảo cực


Sơ đồ mắc như sau:

Tải là động cơ một chiều được thay bởi mạch tương đương R-L-E. L1 chỉ đóng vai
trò tích luyc năng lượng. C đóng vai trò lọc.


Hoạt động:

+S đóng trên L1 có U, dòng chạy từ +U đến S đến L1 đến –U. Năng lượng tích lũy
trong cuộn cảm L1; diot D tắt; Ud = Uc, tụ C phóng điện qua tải.
+S ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng => D
thông =>năng lượng từ trường nạp vào C, tụ C tích điện; ud sẽ ngược chiều với U.
Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

24

Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U. Giá trị tuyệt đối có thể lớn hơn hay nhỏ
hơn U nguồn.
d) Bộ đảo dòng


Sơ đồ nguyên lý

Tải là phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập đã được thay đổi mạch tương
đương R-L-E


Hoạt động:

+ Chế độ động cơ:
Trong khoảng 0 động cơ được nối nguồn qua S1, điện áp đặt lên động cơ là U.
Trong khoảng S1 ngắt, động cơ được nối ngắn mạch qua D2, điện áp đặt lên động
cơ là 0.
+ Chế độ hãm tái sinh:
Trong khoảng 0 S2 ngắn, động cơ được nối nguồn qua D1, điện áp đặt lên động cơ
là U.
Trong khoảng S2 dẫn, động cơ được nối ngắn mạch qua S2, điện áp đặt lên động cơ
là 0.


Biểu đồ dạng sóng dòng và điện áp trên tải.

Nguyễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH

25