điều khiển động cơ 1 chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay

Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU
Trong nền công nghiệp hiện đại, động cơ một chiều đang dần dần bị thay thế bởi động
cơ xoay chiều bởi các khuyết điểm của nó. Tuy nhiên động cơ một chiều vẫn có một số
ứng dụng quan trọng đặc thù trong một số trường hợp đặc biệt đòi hỏi khả năng điều
khiển chính xác cao.
“Xây dựng hệ truyền động điện một chiều” là một đề tài cũ nhưng là hệ truyền động
cơ sở để xây dựng lên những hệ truyền động cho động cơ xoay chiều ba pha hiện đại. Là
một sinh viên chuyên ngành tự động hóa, chúng ta cần phải hiểu rõ nhưng nguyên lý cốt
lõi, những nền móng cơ sở sau đó mới có một nền tảng vững chăc để tiếp tục sang tạo
phát triển.
“Xây dựng hệ truyền động điện một chiều” là một đề tài hay, cần kiến thức của nhiều
môn học như: điện tử công suất, điều khiển truyền động điện, điện tử số,… Trong quá
trình tìm hiểu và thực hiện đề tài này cũng là một lần ôn tập và tìm hiểu sang tạo những
kiến thức của các môn học trên, rất cần thiết và bổ ích.
Tuy đã rất cố gắng nhưng đồ án chắc chắn vẫn có nhiều vẫn đề cần bổ sung hoàn
thiện. Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo trong bộ môn để đồ án
của em có được hoàn chỉnh. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo – PGS Võ Minh Chính
đã tận tình chỉ bào hướng dẫn em trong suốt thời gian hoàn thành đồ án này, em xin chân
thành cám ơn!
Sinh viên thực hiện


Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

Trường ĐHBK Hà Nội
1.

Đồ án chuyên ngành

Giới thiệu chung về động cơ một chiều
1.1.
Nguyên lý và phân loại động cơ điện một chiều.
1.1.1. Nguyên lý.
Động cơ điện một chiều gồm 2 thành phần chính:
+ Phần cảm: bố trí ở phần tĩnh có các cuộn dây kích từ sinh ra từ thông Φ.
+ Phần ứng: là phần quay nối với điện áp lưới qua vành góp và chổi than.
Tác động giữa từ thông Φ và dòng điện phần ứng I ư tạo nên mô men quay động cơ.

Khi động cơ quay, các thanh dẫn phần ứng cắt qua từ thông Φ tạo nên sức điện động E ư.
Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều kích thích từ độc lập được biểu diễn như sau:

Hình 1 : đông cơ một chiều kích thích từ độc lập
1.1.2.

Phân loại.

Động cơ điện một chiều được phân thành 4 loại dựa theo cách thiết kế thành phần kích
từ như sau:
-

Động cơ một chiều kích thích từ nối tiếp.
Động cơ một chiều kích thích từ song song.

Động cơ một chiều kích thích từ độc lập.
Đông cơ một chiều kích thích từ hỗn hợp.

1.2.

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.
--3--


Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

Ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng như sau:
Uư = Eư + ( Rư + Rf ) Iư.
Trong đó: Uư: điện áp phần ứng
Eư: sức điện động phần ứng với Eư = K Φ ω.
Rư, Rf : điện trở chính và điện trở phụ trong mạch phần ứng.
Iư: dòng điện mạch phần ứng.
Ta được:

ω=

(1)

Lại có: Mđt = K Φ Iư , thay vào 1 và bỏ qua tổn thất cơ ta sẽ có:

ω=

(2)

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

Hình 2: đồ thị đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập.

1.3.

Các phương án điều khiển tốc độ.
--4--


Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

Từ (1) nhận thấy để điều chỉnh tốc độ động cơ ( tức là ω ) ta cần điều chỉnh điện áp
phần ứng ( Uư ) hoặc từ thông động cơ ( Φ ). Từ đó ta có các phương án điều chỉnh tốc
độ như sau.
1.3.1.

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng.

Trong phương pháp này người ta giữ U = U đm , Φ = Φđm và nối them điện trở phụ
vào mạch phần ứng để tăng điện trở (Rf) phần ứng.
Độ cứng đặc tính cơ: β =
Ta thấy khi điện trở lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng
mềm hơn.

Hình 3: đồ thị đặc tính cơ của pp thay đổi điện trở phần ứng.

1.3.2.

Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng.

--5--


Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều ta cần có thiết bị nguồn như
máy phát điện một chiều, các bộ chỉnh lưu điều khiển… Các thiết bị nguồn này có nhiệm

vụ biến năng lượng xoay chiều thành một chiều có sức điện động E b điều chỉnh được nhờ
tín hiệu điều khiển Uđk. Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến
đổi này có điện trở trong Rb khác không.
Hình 4: sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập
Vì từ thông của động cơ được coi là không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng
không đổi, còn tốc độ không tải phụ thuộc vào giá trị của điện áp điều khiển U đk của hệ
thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là ưu việt.
Vậy khi thay đổi Uđk thì Eb sẽ thay đổi theo dẫn đến ta sẽ có các đường đặc tính
song song với đường đặc tính tự nhiên

Hình 5: đồ thị dải điều khiển của phương án điều chỉnh điện áp phần ứng

--6--


Trường ĐHBK Hà Nội

1.3.3.

Đồ án chuyên ngành

Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ.

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh momen
điện từ của động cơ M = KΦIư và sức điện động quay của động cơ Eư = KΦω. Mạch kích
từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến

Hình 6: đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông và quan hệ Φ(ikt)

--7--


Trường ĐHBK Hà Nội
2.

Đồ án chuyên ngành

Lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
Phân loại và lựa chọn bộ biến đổi.

2.1.

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này này cấp cho mạch phần ứng đọng
cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Cho đến nay, trong công nghiệp sử dụng bốn loại bộ biến
đổi chính như sau:
-

Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện
khuếch đại (MĐKĐ).
Bộ biến đổi điện từ: khuếch đại từ (KĐT).
Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu tiristo (CLT).
Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA).
2.1.1. Hệ truyền động máy phát – động cơ một chiều (F-Đ).

Hệ thống máy phát – động cơ là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi là máy phát
điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba
pha quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi.
Tính chất của máy phát điện được xác định bởi hai đặc tính: đặc tính từ hóa là sự
phụ thuộc giữ sức điện động máy phát vào dòng điện kích từ và đặc tính tải là sự phụ
thuộc của điện áp trên hai cực của máy phát vào dòng điện tải.
Khi điều chỉnh dong điện kích từ của máy phát thì điều chỉnh tốc độ không tải của
hệ thống còn độ cứng của đặc tính thì giữ nguyên. Cũng có thể điều chỉnh dòng kích từ
phần ứng của động cơ để có dải điều chỉnh tốc độ rộng hơn.

Hình 7: hệ truyền động máy phát động cơ.

 Nhận xét chung về hệ F-Đ
--8--


Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

Ưu điểm nổi bật của hệ F-Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả
năng quá tải lớn. Do vậy thường sư dụng hệ truyền động này trong các mỏ khai thác

trong công nghiệp mỏ.
Nhược điểm quan trọng nhất của hệ truyền động F-Đ là dung nhiều máy điện quay,
gây tiếng ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất bằng ba lần công suất động cơ chấp
hành, khó điều chỉnh tốc độ.
2.1.2.

Hệ thống chỉnh lưu - động cơ một chiều.

Trong hệ thống chỉnh lưu - động cơ một chiều bộ biến đổi là các mạch chỉnh lưu
điều khiển có sđđ Ed phụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển (góc điều khiển).
Chỉnh lưu có thể dung làm nguồn điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích từ động cơ. Tùy
theo yêu cầu cụ thể của truyền động mà chúng ta có thể chọn các sơ đồ chỉnh lưu thích
hợp. Để phân biệt chúng ta có thể căn cứ vào các dấu hiệu như sau:
-

Số pha: 1 pha, 3 pha, 6 pha,..
Sơ đồ nối: hình tia, hình cầu, đối xứng và không đối xứng.
Số nhịp: số xung áp đập mạch trong thời gian một chu kỳ điện áp nguồn.
Khoảng điều chỉnh.
Chế độ năng lượng: chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc.
Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn.
Chê độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và các tính
chất của tải.
Hình 8: sơ đồ hệ thống chỉnh lưu - động cơ một chiều.

 Nhận xét chung về hệ thống chỉnh lưu – động cơ điện một chiều.

--9--

Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

Ưu điểm của hệ thống chỉnh lưu – động cơ có độ tác động nhanh, không gây ồn ào và
dễ tự động hóa, do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất cao, vì vậy rất thuận
tiện cho việc thiết lập hệ thống tự động điều chỉnh để nâng cao chất lượng các đặc tính
tĩnh và các đặc tính động của hệ thống. Hơn nữa hệ chỉnh lưu – động cơ có kích thước và
trọng lượng nhỏ gọn.
Nhược điểm của hệ thống chỉnh lưu - động cơ là có các van bán dẫn là các phần tử
phi tuyến, do đó dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, gây nên tổn thất
trong máy điện.
2.2.

Tính toán bộ biến đổi.
2.2.1. Lựa chọn bộ chỉnh lưu.

Qua những tính toán về ưu điểm cũng như nhược điểm của các bộ chỉnh lưu công suất
cùng với yêu cầu công nghệ của hệ truyền động động cơ 1 chiều, ta chọn lựa sử dụng bộ
“chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển”:

Hình 9: sơ đồ và đồ thị các tín hiệu của chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển.
Giá trị điện áp trung bình Udα = Ud0 . cosα
2.2.2.

Tính toán bộ chỉnh lưu.

Động cơ có thông số như sau: Pd = 3kW; Id = 78A; Ud = 48V;nd = 2800rpm;
ɳd = 0,85 ; số đôi cực p = 2.
*Tính toán tiritor

- Điện áp ngược của van :
Ulv = knv . U2

(1)
--10--


Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

với U2 = , thay vào (1) ta được
Ulv = knv .

(2)

Trong đó : Ud, U2 , Ulv lần lượt là điện áp tải, điện áp nguồn thứ cấp và điện áp
ngược cuả van.
Ud = 48 V.
knv = là hệ số điện áp ngược. ở sơ đồ cầu ba pha thì: knv = = 1,414
Ku = là hệ số điện áp tải. ở sơ đồ cầu ba pha thì ku = = 0,9
Thay các số liệu vào (2) ta được :
Ulv =.48 = 75,41 V.
Để có thể chọn van theo điện áp hợp lý, điện áp ngược của van cần lựa chọn phải
lớn hơn điện áp làm việc, qua hệ số dự trữ kdtU, thông thường kdtU = 1,6 – 2, ở đây ta chọn
kdtU = 1,8.
Unv = kdtU . Ulv = 1,8 . 75,41 = 135,74 V.
-

Dòng điện làm việc của van

Dòng điện làm việc của van được chọn thông qua dòng điện hiệu dụng chạy qua
van Ilv = Ihd. Dòng điện hiệu dụng được tính bằng : Ihd = khd . Id
Trong đó:
Id: dòng điện tải hay dòng điện ở đầu ra của chỉnh lưu.
Ihd: dòng điện hiệu dụng chảy qua van.
khd: hệ số xác định dòng điện hiệu dụng.
Với mạch chỉnh lưu cầu 3 pha thì khd = = .
Vậy : Ilv = Ihd = khd . Id = = 55,15 (A).
Để van bán dẫn có thể làm việc an toàn, không bị đánh thủng về nhiệt thì cần phải
có hệ thống toả nhiệt làm mát cho van. Ở đây, ta chọn phương thức làm mát là dùng cánh
tản nhiệt với đủ diện tích bè mặt cho phép, không quạt đối lưu không khí. Với phương
thức này dòng điện làm việc của van :
Ilv = (20 – 30)% Idmvan
Trong đó : Idmvan là dòng điện định mức của van. ở đây ta chọn Ilv = 25% Idmvan.
Idmvan = ki . Ilv = 4.55,15 = 220 (A)
--11--


Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

Dựa trên 2 thông số của van là: Unv = 135,7 V , Idmvan = 220 A ta chọn được tiristor
là loại NLC176M có các thông số như sau:
+ Điện áp ngược max: Unmax= 250 V.
+ Dòng điện định mức: Idm = 200 A.
+ Dòng điện xung điều khiển max: Idkmax = 150 m A
+ Điện áp xung điều khiển max: Udkmax = 3 V.
+ Dòng điện rò max: Irmax = 17 m A.

+ Độ sụt áp của van max: ΔUmax = 3 V.
+ Thời gian chuyển mạch: tcm = 20 µs.
+ Nhiệt độ lớn nhất mà van chịu được: Tmax = 125 °C.
* Tính toán máy biến áp
-

-

3.

Pdmax = Ud0 . Id = 48 . 78 = 3,744 kW
Sba = ks . Pdmax
Sba là công suất biểu kiến của biến áp
ks : hệ số công suất. với sơ đồ cầu ba pha thì ks = 1,23.
Nên Sba = 1,23 . 3,744 = 4,605 kW
Điện áp của cuộn thứ cấp là: U2 = = = 53,3 V
Dòng điện chảy trong cuộn thứ cấp: I2 = = 78 A.
Dòng điện chảy trong cuộn sơ cấp: I1 = kba . I2 = = = 10,94 A.

Thiết kế tính toán mạch điều khiển.
3.1.
Cấu tạo của hệ thống điều khiển.
Hình 10: sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống điều khiển.

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống driver điều khiển cho các bộ biến đổi phụ thuộc theo
nguyên tắc điều khiển dọc chỉ như hình trên. Trong các bộ biến đổi phụ thuộc các tiristo
được điều khiển mở bởi các xung tại các thời điểm, chậm pha so với điểm chuyển mạch
--12--

Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

tự nhiên một góc α, gọi là góc điều khiển. Điểm chuyển mạch tự nhiên của mạch chỉnh
lưu một pha là điểm điện áp nguồn qua không. Vì vậy khâu đầu tiên trong hệ thống điều
khiển là khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa, đồng bộ với điện áp lưới, nghĩa là
cho phép xác định giá trị đầu của góc điều khiển α. Khâu tạo xung và khuyếch đại xung
sẽ tạo ra xung có đủ biên độ, độ rộng để đưa đến các tiristo trong mạch lực. Xung truyền
đến cực điều khiển của tiristo qua các mạch cách ly dung biến áp xung hoặc
photocoupler.

3.2.

Thiết kế tính toán mạch điều khiển.

--13--


Up

Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

R2
-E
Uba2

Hình 11: sơ đồ thiết kế mạch điều khiển.

Uba2’

Hình 12: biểu đồ xung điều khiển.
3.2.1. Lựa chọn các khâu của mạch điều khiển.
3.2.1.1.
Khâu đồng bộ.
u1

0

-

u2
--14--

0
u3
0

Up


Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

-

Hình 13: sơ đồ và đồ thị khâu đồng bộ.
Nguyên lý hoạt động:

+ Điện áp xoay chiều 220 V được đưa vào cuộn sơ cấp máy biến áp đồng pha(sử

dụng máy biến áp điểm giữa) qua mạch chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ. Sụt áp trên
điện trở R2 (U2) chính là điện áp cấp vào cổng đảo của khuyếch đại thuật toán (OA).
Nửa chu kỳ đầu Uba2 >0 và Uba2' < 0  Đ1 dẫn.
Nửa chu kỳ sau Uba2 <0 và Uba2' > 0  Đ2 dẫn.
Ta được điện áp U2 như hình vẽ 4.11
+ Điện áp U2 được đưa vào cổng đảo so sánh với điện áp U0 đưa vào cực không
đảo của khuếch đại thuật toán.
Nếu U2 < Up thì U3 = + Ubh (V)
Nếu U2 > Up thì U3 = -Ubh (V)
+ Điện áp ra U3 là xung đồng bộ có dạng xung chữ nhật.
+ Điều chỉnh Rx1 để thay đổi điện áp U0 đưa vào cực không đảo từ đó thay đổi độ
rộng xung dương của xung đồng bộ. Ta điều chỉnh biến trở Rx1 để độ rộng xung dương là
nhỏ nhất.
3.2.1.2.

Khâu tạo điện áp tựa (xung răng cưa).

Hình 14: sơ đồ và
đồ thị khâu tạo
xung răng cưa.
- Nguyên
lý
hoạt động:
+ Khi U3 < 0 thì D3 dẫn, điện áp ở cổng đảo của khuếch đại thuật toán âm U- < 0
nên U4 = k0 ( U+- U-) > 0 . Do vậy điện áp ra ở cửa ra của khuếch đại thuật toán là bão hoà
dương.Dòng qua tụ là dòng iRx2, dòng vào cổng đảo của khuếch đại thuật toán không đáng
kể.
+ Điện áp ra bằng điện áp tụ C và bằng:

--15--


Trường ĐHBK Hà Nội
U4 = U C =

Đồ án chuyên ngành
=

=

Như vậy điện áp trên tụ C tăng trưởng tuyến tính tạo nên sườn lên của xung răng
cưa. Ta điều chỉnh biến trở Rx2 để thay đổi điện áp ngưỡng từ đó thay đổi độ dốc sườn lên
của xung răng cưa. Transitor có tác dụng khoá không cho dòng điện chạy về phía U 4.
+ Khi U3 > 0 thì D3 khoá, Transitor mở điện áp từ cực dương của tụ (U4) xả nhanh
về cực âm tạo nên độ dốc thẳng đứng của sườn xuống.
3.2.1.3.
Khâu so sánh.

và

Hình 15: sơ
đồ thị

đồ

khâu so sánh.
- Nguyên lý hoạt động:
+Điện áp răng cưa U4 được đưa vào cửa
không đảo của khuếch đại thuật toán, còn điện áp điều khiển Uđk được đưa vào cửa đảo.

Khi đó điện áp ra là:
Ura = k0(U4 - Uđk ).
+ Khi Uđk < U4 thì điện áp ra là dương bão hoà U5 = Ura = +Ubh
+ Khi Uđk > U4 thì điện áp ra là âm bão hoà. U5 = -Ubh do có diode D4 nên lúc này
U5 = 0v
3.2.1.4.
Khâu tạo xung.
- Mạch tạo xung chum.
+ Để đảm bảo Thyristor mở thông trong giai đoạn làm việc, tránh hiện tượng mất
điều khiển cần có xung liên tục từ thời điểm mở Thyristor cho đến khi điện áp đổi dấu.
Việc phát xung điều khiển với độ rộng lớn gần như cả nửa chu kỳ có 2 nhược điểm:
 Dòng điều khiển gần như dài hạn (theo lý thuyết là các dòng ngắn hạn) làm
tăng tổn hao trên biến áp xung và Thyristor.
 Việc thiết kế xung điểu khiển như trên khá phức tạp, nhất là đối với mạch
có nhiều van bán dẫn.
--16--


Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

+ Để giải quyết vấn đề trên, có thể thay xung điều khiển liên tục bằng xung gián
đoạn, cụ thể là: chùm xung liên tiếp, từ thời điểm mở van cho tới cuối bán kỳ. Nguyên lý
để thực hiện là băm xung liên tục thành chùm xung gián đoạn với tần số cao (khoảng
10kHz). Trong kỹ thuật, phương pháp này dễ thực hiện hơn so với phương pháp cấp xung
liên tục.
Hình
16:
sơ đồ

và
đồ thị
khâu
phát xung chùm
+Tần số thích hợp của xung kích mở Thyristor là 10 kHz. Để chuẩn hóa dạng xung
cũng như tần số của xung kích mở ta chọn mạch phát xung chùm dùng vi mạch 555 kết
hợp với mạch logic AND (&)

-

Mạch tách xung.
+ Nhiệm vụ: Tách xung chùm, cấp xung kích mở cho các Thyristor đúng thời điểm
+ Nguyên lý hoạt động:

--17--


Trường ĐHBK Hà Nội
•

Đồ án chuyên ngành

Cặp diode D4, D4’ luôn giữ cho điện áp giữa 2 đầu đảo và không đảo của
khuyếch đại thuật toán là 0,7v.

Hình 17: sơ đồ và đồ thị mạch tách xung.
• Diode D5 , D5’ có nhiệm vụ loại bỏ phần xung âm trước khi cấp tín hiệu
cho cổng AND.
Khâu khuếch đại xung.

3.2.1.5.

-

Hình 18: sơ đồ khâu khuếch đại.
Sơ đồ nối darlington 2 Transitor Tr1 và Tr2 có nhiệm vụ khuếch đại xung điều

-

khiển nhằm đáp ứng đủ yêu cầu về công suất xung điều khiển kích mở Thyristor.
Biến áp xung có nhiệm vụ cách ly mạch điều khiển và mạch lực về điện, đảm

-

bảoan toàn cho các linh kiện điện tử.
Diode D6 và điện trở công suất R14 có nhiệm vụ khép mạch 2 đầu sơ cấp BAX tiêu
tán dòng điện khi Tr1 và Tr2 khóa từ đó bảo vệ cuộn sơ cấp BAX.
--18--


Trường ĐHBK Hà Nội
-

Đồ án chuyên ngành

Um là điện áp đặt vào 2 cực G-K của Thiristor.
3.2.2. Tính toán các phần tử mạch điều khiển.

Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor . Các thông
số cơ bản để tính mạch điều khiển :

+ Điện áp điều khiển Tiristo

: Uđk = 5 V.

+ Dòng điện điều khiển

: Iđk = 200 mA .

+ Điện áp nguồn cấp mạch điều khiển : ± 125V
Khâu đồng pha và tạo điện áp tựa.
Mạch tạo tín hiệu đồng bộ:
3.2.2.1.

-

U2=

15 V

⇔
⇔ R2 ≤ 50R1

+ Chọn : R1= R2= 100k Ω lúc đó : U2=7,65V
+ Vì biến áp đồng pha sử dụng nguồn có tần số f = 50 Hz
+ Chu kỳ điện áp:

T=

= 0,02 (s) = 20ms

+ Trong nửa chu kỳ gọi:
t1

Thời gian có xung đồng bộ âm ( thời gian tụ điện nạp: sườn lên)

t2

Thời gian có xung đồng bộ dương (thời gian tụ xả : sườn xuống)

t1 + t2 = 0,01 s
+ Để dải điều chỉnh góc mở Thyristor là lớn nhất từ 0 ÷ Uđm, điều chỉnh biến trở
RX1 sao cho xung đồng bộ dương có bề rộng là nhỏ nhất(t2<< t1).
+ Chọn
t2 = 0,001 (s) = 1ms
t1 = 0,009 (s) = 9 ms
+ Với t2 = 1 ms ta phải điều chỉnh Rx1 sao cho:
--19--


Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

UR3=Up = uR2=UR2

⇔ UR3 = 7,65.

sin ω t2

.sin ( 2

⇔ UR3 = 7,65 .

.

)

sin 9 0

⇔ UR3 ≈ 1.7 V

+ Chọn R3 = 1 kΩ. Ta có:
UP=UR3=

⇔ Rx1=

+ Chọn Rx1 là biến trở 10kΩ và điều chỉnh
- Mạch tạo xung răng cưa:
+ Chọn Transitor T : C828
Trong mạch này C828 được sử dụng như 1 khóa điện tử làm việc ở chế độ bão hòa
+ IB = 0 : VCE0 = 25V
IC = 2mA
+ IB = 5mA : VCE0 = 0, 14 V
IC = 50mA
R4=

→ chọn R4 là điện trở có giá trị 1,8 kΩ

+ Điện áp ra u4 bằng điện áp tụ C và bằng:
u4 = uC =

--20--


Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

+ Chọn tụ C1 là loại tụ gốm 104 có giá trị điện dung C = 0,1µF
+Chọn điện áp đỉnh răng cưa Urc là 10V.
Trong thời gian tn điện áp trên tụ tăng từ 0 V đến giá trị điện áp ngưỡng Ud = 10 V, nên
trong khoảng thời gian t1 = 9 ms, ta có :
U

bh t = U
1
d
C1 R
x2

=> Rx2 =

kΩ

+ Chọn Rx2 là loại biến trở 200 kΩ và chỉnh biến trở có giá trị 121,5 kΩ.
3.2.2.2.
Khâu so sánh.
Mạch điều khiển sử dụng 5 khuyếch đại thuật toán nên chọn IC TL084 là 1 vi
mạch tích hợp 4 khuyếch đại thuật toán trong 1 vỏ với các thông số sau:
+ Điện áp nguồn cấp: VCC = 18V

Tuy nhiên trong mạch điều khiển sử dụng nguồn cấp cho TL084 là VCC = 15V
+ Dòng điện nguồn cấp : I = 2,5 mA
+ Điện áp tín hiệu vào: UI= 15V
+ Ubh = 13,5 V
+ Chọn R5= R6 = 10 kΩ
+ Nhiệt độ làm việc: -550 C đến 1500 C
+ Công suất: 680mW.

3.2.2.3.

Khâu tạo xung.
--21--


Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

- Chọn cổng AND:
Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng 3 cổng AND nên ta chọn IC : CD 4081 tích
hợp 4 cổng AND có các thông số sau:
-

Điện áp nguồn cấp: Vcc = 3 ÷ 20 V.;
Điện áp đầu vào : VIn = 0 ÷ VCC + 0,5
Dòng điện đầu vào : IIn = ± 10mA
- Nhiệt độ làm việc - 55o ÷ 125o .
- Điện áp ứng với mức logic 1: 15 V
- Công suất tiêu thụ P = 500mW
Chọn Vcc = 15V .

- Mạch phát xung chùm :
+ Chu kì của xung chùm đươc xác định theo công thức :
T = 0,693.(R7 + 2R8). C2
+ Chọn tần số của xung chùm: f = 10 kHz

T=

= = 10-4 (s)

+ Chọn C2 là loại tụ gốm 104 có giá trị điện dung C = 0.1

+ Từ công thức ( 4-2 ):
--22--

F = 10-7 F


Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

R7+ 2R8 = =1,443 kΩ
+ Chọn R7= 1 kΩ
R8= 220 Ω
+ Thời gian điện áp mức cao (có xung):
T1= 0,693 . (R7+ R8). C2 = 0,693.(103+220).10-7
3.2.2.4.

≈ 84,5 ( μs )

Khâu khuếch đại xung.

Chọn loại Transitor TIP 122 là loại Transitor công suất tích hợp 2 Transitor
ghép nối theo sơ đồ darlington :
- Transitor loại NPN, vật liệu: Si
- Điện áp giữa colector và bazo khi hở mạch emitor : UCBO = 100V
- Điện áp giữa emitor và bazo khi hở mạch colector : UEBO= 5V
- Dòng điện lớn nhất ở colector: IC max = 5A
- Công suất tiêu tán ở colector: PC = 65w
- Nhiệt đô lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1= 150 0C
- Dòng làm việc của colector : IC = I1= 100 mA
- Hệ số khuyếch đại: β = 100

Dòng làm việc của bazo : IB=
( mA )
+ Nguồn cấp cho biến áp xung: E = +15 V
+ Điện trở nối tiếp với cuộn sơ cấp biến áp xung:
-

R14 =
+ Tất cả các diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4007 có tham số :
 Dòng điện định mức : Iđm = 1A.
 Điện áp ngược lớn nhất : Ungm= 1000V.
 Điện áp cho diode mở thông : 0,7 V.

4.

Thiết kế bộ điều khiển gồm hai mạch vòng điều khiển.
4.1.

Giới thiệu chung.
--23--


Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

Tốc độ làm việc của truyền động điện do công nghệ yêu cầu và được gọi là tốc độ
đặt, hay tốc độ mong muốn. Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay
đổi do có sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực so với tốc
độ đặt. Một trong những yêu cầu của các hệ truyền động điện tự động là ổn định tốc độ
động cơ. Yêu cầu đó là cần thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm được gia công trên
máy, nâng cao chất lượng kỹ thuật của một quy trình công nghệ mà máy tham gia hoặc
nâng cao năng suất của máy. Mặt khác độ ổn định tốc độ còn ảnh hưởng quan trọng đến
dải điều chỉnh, tốc độ và khả năng quá tải của truyền động điện. Độ ổn định tốc độ càng
cao thì dải điều chỉnh càng có khả năng mở rộng và mômen quá tải càng lớn .
Vì những lý do trên truyền động điện hiện đại thường yêu cầu cao về độ ổn định
tốc độ. Khi điều chỉnh dưới tốc độ cơ bản, độ cứng đặc tính cơ giảm xuống hoặc tốc độ
không tải lý tưởng giảm xuống làm cho sai số tốc độ tăng lên vượt quá giá trị cho phép .
do đó yêu cầu quan trọng khi thiết kế hệ thống là thiết kế những phương pháp ổn định hoá
tốc độ. Trong giới hạn đồ án, chỉ khảo sát tác động ổn định hoá của truyền động điện khi
tải của hệ biến đổi. Biện pháp chủ yếu dùng để ổn định hoá tốc độ là tăng độ cứng đặc
tính cơ bằng điều khiển theo mạch kín: thông số điều chỉnh thay đổi tự động theo giá trị
phụ tải sao cho đủ khả năng bù trừ sai lệch tốc độ do tải gây ra .

Hình 19: sơ đồ hai mạch vòng điều khiển.

--24--

Trường ĐHBK Hà Nội

Đồ án chuyên ngành

Trong các hệ truyền động điện hiện đại, các mạch vòng điều chỉnh được nối theo
cấp, độc lập tương đối với nhau, việc phân vùng tác dụng giữa ổn định tốc độ và hạn chế
dòng điện được thực hiện bằng dạng phi tuyến của đặc tính điều chỉnh.
Sơ đồ trên dùng 2 vòng điều chỉnh: vòng điều chỉnh dòng điện và vòng điều chỉnh
tốc độ. Tính hiệu phản hồi về bộ điều chỉnh là các tính hiệu điện áp
- Vòng điều chỉnh dòng điện: điện áp mang tính hiệu dòng điện là sụt áp trên
điện trở shunt nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ
+ RI : là khâu PI
+Si : khâu khuyếch đại
- Vòng điều chỉnh tốc độ : điện áp mang tín hiệu tốc độ lấy từ máy phát tốc
được nối cứng trục với động cơ
+ RI : là khâu PI
S

+ ω : khâu khuyếch đại
( ε : là các sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi của các vòng )
4.2.
Tính toán các mạch vòng điều khiển.
4.2.1. Mạch vòng điều khiển dòng điện.
- Các thông số của động cơ: Uđm = 48 V, Iđm = 78 A, nđm = 2800 rpm.
- Để phản hồi dòng điện ra sử dụng điển trở Shunt có giá trị Us = 0,75 mV,
Is= 10 A.
Do giá trị US có giá trị nhỏ nên ta phải khuếch đại giá trị US lên giá trị Uđk = 10 (V)
Hệ số khuếch đại:

Từ sơ đồ ta có: K1 =
Chọn R7 = 1 (kΩ)
Suy ra R8 = K1R7 = 133,33.103 (Ω)= 133,33 (kΩ).
Các thông số của động cơ được tính như sau:
ωđm =
--25--