Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay

Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu
Trong quá trình sản xuất truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công
đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất. Đặc biệt trong dây truyền sản xuất
tự động hiện đại, truyên động điện đóng vài trò quan trọng trong việc nâng cao
năng suất và chất lợng sản phẩm. Vì vậy các hệ truyền động luôn luôn đợc quan
tâm nghiên cứu và nâng cao chất lợng để đáp ứng với yêu cầu công nghệ mới.
Ngày nay do ứng dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử, tin học, các hệ truyền động
điện ngày càng phát triển và có những thay đổi đáng kể. Đặc biệt do công nghệ
sẩn xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi
điện tử công suất trong hệ truyện động diện không những đáp ứng đợc độ nhanh,
độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thớc giá thành của hệ. Một
trong các hệ đó là hệ truyền động của động cơ điện một chiều.
Do u điểm của động cơ một chiều về điều chỉnh tốc độ nên hiện nay động
cơ điện một chiều đợc sử dụng rộng rãi đặc biệt trong các lĩnh vực nh giao thông
vận tải, cơ khí luyện kim vì vậy việc điều khiển động cơ điện một chiều là một
trong những vấn đề quan trọng trong lĩnh vực truyền động điện. Để điều khiển
động cơ điện thì có rất nhiều hệ nh MF- ĐC, Hệ XA- ĐC, CL-ĐC. Đối với mỗi
hệ lại có những u nhợc điểm riêng. Khí chế tạo các thiết bị điện tử công suất đòi
hỏi có những kiến thức không chỉ mạch động lực mà còn những kiến thức về
mạch điều khiển và tính chọn các thiết bị thế nào cho hợp lý cũng rất cần thiết.
Vì thế việc tìm hiều một cách tỷ mỷ về lĩnh vực điện tử công suất là việc cần
thiết, nên trong đề tài của em Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu cho động cơ điện
một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay đợc trình bày gồm 4 chơng:
Chơng 1: Tổng quan về các phơng pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ.
Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực.
Chơng 3: Lựa chọn thiết kế mạch điều khiển.
Chơng 4: Thiết kế vòng kín theo nguyên lý tối u hóa module.
Do hạn chế về nhiều mặt nên để tài không tránh khỏi những thiếu sót, em rất
mong nhận đợc sự góp ý, nhận xét của các thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: Nguyễn Vũ Thanh, các thầy cô trong

bộ môn TBĐ - ĐT, khoa SPKT và các bạn cùng khóa đã nhiệt tình, quan tâm,
giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án này.
Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2009.
Sinh viên
Ngô Thị Nguyệt Anh.

Ngô Thị Nguyệt Anh

1

S phạm kỹ thuật điện K50


Đồ án tốt nghiệp
Mục lục
Lời nói đầu.....................................................................................................1
Mục lục............................................................................................................2
Danh sách hình vẽ.....................................................................................5
Mở đầu..............................................................................................................7
Chơng 1
Tổng quan về các phơng pháp điều chỉnh tốc độ
của động cơ..................................................................................................9
1.1. Động cơ một chiều và các phơng trình đặc tính cơ .....................................9
1.1.1. Động cơ một chiều................................................................................9
1.1.2. Phơng trình đặc tính...........................................................................10
1.2. Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều........................13
1.2.1. Thay đổi điện trở phụ ......................................................................14
1.2.2. Thay đổi từ thông ...............................................................................15
1.2.3. Thay đổi điện áp phần ứng.................................................................16
1.2.4. Nhận xét chung về các phơng pháp ...................................................17

CHƯƠNG 2
lựa chọn thiết kế mạch động lực..............................................19
2.1. Chọn sơ đồ mạch động lực ........................................................................19
2.1.1. Điều chỉnh tốc độ truyền động điện...................................................19
2.1.2. Khảo sát hệ truyền động chỉnh lu _ động cơ......................................21
2.1.3. Chọn sơ đồ chỉnh lu nguồn một chiều................................................25
2.2. tính toán sơ đồ mạch động lực....................................................................35
2.2.1. Tính chọn Thyristor :........................................................................36
2.2.2. Tính toán máy biến áp chỉnh lu .........................................................37
2.2.3. Thiết kế cuộn kháng lọc .....................................................................50
2.2.4. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực ....................................58

Ngô Thị Nguyệt Anh

2

S phạm kỹ thuật điện K50


Đồ án tốt nghiệp
CHơNG 3:
thiết kế mạch điều khiển...................................................................63
3.1. Yêu cầu và nhiệm vụ của mạch điều khiển................................................63
3.1.1. Yêu cu mch iu khin:................................................................63
3.1.2. Chc nng:........................................................................................63
3.2. Nguyên tắc điều khiển.................................................................................64
3.2.1. Nguyên tắc iu khin thng ng arccos:.................................64
3.2.2. Nguyên tc iu khin thẳng ng tuyn tính:..............................66
3.3. Sơ đồ khối mạch điều khiển .......................................................................66
3.3.1. Khâu đồng pha...................................................................................68

3.3.2. Khâu so sánh......................................................................................70
3.33. Tạo xung chùm điều khiển...................................................................71
3.3.4. Khâu khuếch đại................................................................................73
3.4. Sơ đồ mạch điều khiển................................................................................75
3.4.1. Sơ đồ mạch điều khiển của Tiristor.(trang bên). hinh3.11................75
3.4.2. Nguyên lí hoạt động của mạch điều khiển:.......................................76
3.5. Tính toán mạch điều khiển..........................................................................76
3.5.1. Tính biến áp xung:.............................................................................77
3.5.2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng:.......................................................78
3.5.3. Chọn cổng AND:...............................................................................79
3.5.4. Chọn tụ C3 và R9: ...........................................................................80
3.5.5. Tính chọn bộ tạo xung chùm:............................................................80
3.5.6. Tính chọn tầng so sánh:....................................................................81
3.5.7. Tính chọn khâu đồng pha:.................................................................82
3.5.8. Tạo nguồn nuôi:................................................................................82
3.5.9. Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha:..............................83
Chơng 4:
thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối u module..89
4.1. Khái quát chung về điều khiển tối u module............................................89
Ngô Thị Nguyệt Anh

3

S phạm kỹ thuật điện K50


Đồ án tốt nghiệp
4.1.1. Sơ qua về phơng pháp dùng bộ khuếch đại tổng:...............................89
4.1.2. Phơng pháp điều khiển tối u module:.................................................90
4.2. Mô hình hệ thống chỉnh lu_động cơ đơn giản ..........................................90

4.2.1 Hàm truyền của động cơ một chiều kích từ độc lập:...........................91
4.2 2. Hàm truyền của bộ thyristor..............................................................92
4.3. Nguyên lý điều khiển tối u modul.............................................................93
4.4. Hệ thống điều khiển động cơ một chiều hai mạch vòng ..........................97
4.5. Cấu trúc cơ bản của hệ tự động điều chỉnh tối u module hai mạch vòng..97
4.6. Mô phỏng hệ thống động cơ một chiều......................................................99
kết luận......................................................................................................109
tài liệu tham khảo.............................................................................110

Ngô Thị Nguyệt Anh

4

S phạm kỹ thuật điện K50


Đồ án tốt nghiệp
Danh sách hình vẽ
H.1.1: Sơ đồ nối dây của động cơ điện kích từ độc lập.....................................8
H.1.2: Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập............10
H.1.3: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.....................10
H.1.4: Các đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi
thay đổi Rf mạch điện phần ứng............................................................12
H.1.5: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi
giảm từ thông..................................................................................................... 14
Hình 1-2. Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều
kích từ kích độc lập.............................................................................12
Hình 1-3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích
từ kích độc lập.........................................................................................12
Hình .1 - 4. Các đặc tính của động cơ điện một chiều

kích từ độc lập khi thay đổi Rf mạch phần ứng.................14
Hình1 - 5. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích
từ độc lập
khi giảm từ thông .................................................................................16
Hình 1 . 6. Các đặc tính cơ của động cơ một chiều kích
từ độc lập.....................................................................................................17
H.2.1 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi van................................22
Hình 2-2 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL- Đ................24
Hình 2.3. Chỉnh lu tia ba pha.............................................................27
Hình 2.4. Đờng cong điện áp tải khi góc mở = 600 .............28
Hình 2.5. Chỉnh lu tia sáu pha. ..........................................................29
Hình 2.6. Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng. ............31
Hình 2.7 Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng
.............................................................................................................................33

Ngô Thị Nguyệt Anh

5

S phạm kỹ thuật điện K50


Đồ án tốt nghiệp
Hình 2-8 :Sơ đồ nguyên lí mạch động lực..................................35
Hình 2.11 .Mạch động lực có các thiết bị bảo vệ ................58
Hình 2.12 .Mạch R_C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch .
.............................................................................................................................61
Hình 2.13 .Mạch RC bảo vệ quá điện áp từ lới .........................61
Hình 2.14 Mạch cầu ba pha dùng điôt tải RC bảo vệ do cắt
MBA non tải..................................................................................................61

Hình 3.1 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS. .65
Hình 3.2 . Nguyên lý điều khiển chỉnh lu..................................66
Hình 3.4: Hình dạng xung điều khiển Thyristor...................67
Hình 3.5: Sơ đồ đấu dây biến áp đồng pha..................................69
Hình 3.8: Một số sơ đồ chùm xung..................................................72
Hình 3.12 .Sơ đồ nguyên lí tạo nguồn nuôi ..............................83
H3.13 .Kích thớc mạch từ biến áp....................................................85

Ngô Thị Nguyệt Anh

6

S phạm kỹ thuật điện K50


Đồ án tốt nghiệp
Mở đầu
1. Tên đề tài.
Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu cho động cơ điện một chiều
kích từ độc lập không đảo chiều quay.
2. Lý do chọn đề tài .
Trong những năm gần đây kỹ thuật điện tử và bán dẫn công suất lớn
phát triển mạnh mẽ, các thiết bị điện tử công suất có nhiều u điểm: có khả năng
điều khiển rộng, có chỉ tiêu kinh tế cao, kích thớc và trọng lợng thấp, độ tin cậy
và độ chính xác cao ứng dụng của chúng vào việc biến đổi năng l ợng là điều
khiển điện áp và dòng điện xoay chiều thành một chiều và ngợc lại ngày càng
sâu, rộng.
Khi chế tạo các thiết bị điện tử công suất đòi hỏi có những kiến thức không
chỉ mạch động lực mà cả kiến thức về mạch điều khiển và tính chọn các thiết bị
thế nào cho hợp lý cũng rất cần thiết

Hiện nay động cơ một chiều đợc sử dụng rộng rãI trong các lĩnh vực nh giao
thông vận tải, cơ khí, .do có u điểm về ổn định tốc độ. Vì vậy việc điều khiển
động cơ một chiều là một trong những vấn đề quan trọng trong truyền động điện.
Vì vậy trong đồ án này tôi đi nghiên cứu về Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu
cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập để làm rõ hơn về động cơ điện một
chiều kích từ độc lập. Hy vọng đề tài này sẽ giúp ích cho các bạn đang và muốn
nghiên cứu về động cơ một chiều.
3. Đối tợng và mục tiêu nghiên cứu
Đối tợng nghiên cứu:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay.
Mục tiêu nghiên cứu:
Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu cho động cơ điện một chiều kích từ độc
lập không đảo chiều quay.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Thiết kế mạch động lực cho động cơ điện một chiều
Thiết kế mạch điều khiển cho động cơ điện một chiều
Thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối u module ổn định tốc độ
5. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu cho động cơ điện một chiều
kích từ độc lập không đảo chiều quay dành cho sinh viên chuyên
ngành điện các trờng trung học chuyên nghiệp và cao đẳng, đại học và
các trung tâm đào tạo nghề điện.

Ngô Thị Nguyệt Anh

7

S phạm kỹ thuật điện K50

Đồ án tốt nghiệp
6. Phơng pháp nghiên cứu
Tổng hợp và phân tích lý thuyết làm cơ sở thiết kế mạch động lực
và mạch điều khiển phù hợp với thông số yêu cầu, qua đó thiết kế mạch
vòng kín theo nguyên lý tối u module điểu khiển để ổn định động cơ.
7. Dự kiến kết cấu nội dung.
Dự kiến kết cấu nội dung của đề tài gồm 4 chơng:
Chơng 1
Tổng quan về các phơng pháp điều
chỉnh tốc độ của động cơ
Chơng này trình bày về động cơ một chiều và các phơng pháp điều
chỉnh tốc độ của chúng.
Chơng 2
Lựa chọn thiết kế mạch động lực
Chơng này trình bày về các sơ đồ mạch động lực từ đó lựa
chọn mạch động lực phù hợp, qua đó đi tính toán sơ đồ mạch.
Chơng 3
Thiết kế mạch điều khiển
Chơng này trình bày về nhiệm vụ, yêu cầu và nguyên tắc hoạt động
của mạch điều khiển qua đó lựa chọn mạch điều khiển đa ra các thông
số để tính toán mạch phù hợp với yêu cầu của đề bài.

8.


9.



Chơng 4:

Thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý
tối u module
Chơng này sẽ trả lời cho câu hỏi:
Thế nào là nguyên lý tối u module?
Mục đích làm gì?
Xây dựng các hàm truyền thế nào?
Kết quả mô phỏng matlap ra sao?
Dự kiến kết quả nghiên cứu
Thiết kế mạch động lực, mạch điều khiển phù hợp với yêu cầu đặt ra.
Thiết kế mạch vòng theo nguyên lý tối u module để ổn định
động cơ.
Lĩnh vực ứng dụng
Là tài liệu học tập cho sình viên ngành điện tìm đợc lời giải cần
thiết khi nhận một bài toán thiết kế các bộ nguồi điện tử công suất.
Là tài liệu tham khảo cho các kỹ s và các cán bộ nghiên cứu khi thiết kế,
lắp đặt, sửa chữa, vận hành các thiết bị điện tử công suất

Ngô Thị Nguyệt Anh

8

S phạm kỹ thuật điện K50


Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực
Chơng 1
Tổng quan về các phơng pháp điều chỉnh tốc độ
của động cơ
1.1. Động cơ một chiều và các phơng trình đặc tính cơ
1.1.1. Động cơ một chiều

Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến ở các hệ
thống truyền động chất lợng cao, trong công nghiệp, giao thông vận tải và nói
chung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi
rộng (máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ...)
Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm có các dây quấn phần cảm và
phần ứng. Các dây quấn phần cảm có dòng điện một chiều tạo nên từ trờng và từ
thông cực từ qua phần ứng. Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động
và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thờng làm bằng dây đồng có bọc
cách điện. Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ
một lò xo tì chặt lên cổ góp. Kết cấu của cổ góp gồm có nhiều phiến đồng có
đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mi ca và hợp thành một trụ tròn . Chức
năng của vành góp và các chổi điện là để làm khép mạch dòng điện trong các
thanh dẫn phần ứng, dới một cực nào đó, theo một chiều đã cho, không phụ
thuộc vào tốc độ đã cho .
Về phơng diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều u việt
hơn so với các loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ
dễ dàng mà cấu trúc mạch lực , mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt
chất lợng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc rộng .

Ngô Thị Nguyệt Anh

9

S phạm kỹ thuật điện K50


Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực
1.1.2. Phơng trình đặc tính
Ikt
KT

U
Rf

U =E + (R + Rf)I

(1-1)

Trong đó :
U:

điện áp phần ứng (v)

E : sức điện động phần ứng (v)
R : điện trở của mạch phần ứng ()
Rf :

điện trở phụ trong mạch phần ứng, ()

I : dòng điện mạch phần ứng
Với

R = r + rcf + rb + rct

r :

điện trở cuộn dây phần ứng

rcf :

điện trở cuộn cực từ phụ

rb :

điện trở cuộn bù

rct :

điện trở tiếp xúc của chổi điện

Sức điện động E của phần ứng của động cơ đợc xác định theo biểu thức:

Eu =

Ngô Thị Nguyệt Anh

pN
.. = K ..
2. .a

10

(1-2)

S phạm kỹ thuật điện K50


Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực
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 dây quấn phần ứng
: từ thông kích từ dới một cực từ (wb)
: tốc độ góc,(rad/s)
K =

pN
2. .a

là hệ số cấu tạo của động cơ

Từ (1 - 1) và (1 - 2) ta có :

=

Uu
R + Rf
u
.I u
K .
K .

(1 -3)

Biểu thức (1 -3) là phơng trình đặc tính cơ điện của động cơ
Mặt khác mô men điện từ Mđt của động cơ đợc xác định bởi :
Mđt= KI

(1 - 4)

Suy ra:
Thay giá trị I vào (1 - 3) ta đợc:

Iu =

=

M dt
K .

Uu
R + Rf
u
.M dt
K . (K .)2

(1 - 5)

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất sắt thì mô men cơ trên trục động
cơ bằng mô men điện từ, ta kí hiệu là M. Nghĩa là Mđt = Mcơ = M
Đây là phong trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập.

Ngô Thị Nguyệt Anh

11

S phạm kỹ thuật điện K50

Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực

=

U u Ru + R f

.M
K (K )2

(1 - 6)

Giả thiết phản ứng phần ứng đợc bù đủ, từ thông = const, thì các phơng trình
đặc tính cơ điện (1 - 3) và đặc tính cơ (1 - 6) là tuyến tính . Đồ thị của chúng đợc
biểu diễn trên H. 1-2 và H. 1-3 là những đờng thẳng.




0

0

đm

đm

0

Iđm

I

Inm

Hình 1-2. Đặc tính cơ điện của động cơ

điện một chiều kích từ kích độc lập

Theo các đồ thị trên, khi I = 0 hoặc M = 0 ta có :

0

Mđm

Mnm

M

Hình 1-3. Đặc tính cơ của động cơ
điện một chiều kích từ kích độc lập

Theo các đồ thị trên, khi I u = 0 hoặc M=0 ta có:

=

Uu
= 0
K

(1 - 7)

o - đợc gọi là tốc độ không tải lý tởng của động cơ, còn khi = 0 ta có :
M=KInm

Ngô Thị Nguyệt Anh

12

(1 - 8)

S phạm kỹ thuật điện K50


Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực

Iu =

U
= I nm
Ru + R f

(1 - 9)

Inm , Mnm : là dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch .
Mặt khác phơng trình đặc tính (1- 3) và (1 - 6) cũng có thể đợc viết ở dạng:

=
Trong đó:

UU

R .M

= 0
K (K . )2

R = R + Rf ,

=

(1-10)

o = U / K.

R
R
.I u =
M
K
(K . )2

(1 -11)

là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M

:

Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị t ơng
đối với điều kiện từ thông là định mức ( = đm).
Trong đó:
* = /o ,

I* = I / Iđm ,

M* = M / Mđm,

R* = R / Rcb ,

(Rcb = Uđm / Iđm- đợc gọi là điện trở cơ bản)
Từ (1 - 3) và (1 - 6) ta viết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tơng đối:
*=1-R*.I*

(1 - 12)

* = 1 - R*. M*

(1 - 13)

1.2. Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều
Từ phơng trình đặc tính cơ (1 - 6) ta thấy rằng việc điều chỉnh tốc độ của
động cơ điện một chiều có thể thực hiện đợc bằng cách thay đổi một trong ba đại
lợng sau:
Điện trở phụ trên mạch phần ứng
Thay đổi từ thông
Thay đổi điện áp phần ứng
Ngô Thị Nguyệt Anh

13

S phạm kỹ thuật điện K50

Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực
1.2.1. Thay đổi điện trở phụ
Giả thiết rằng U = Uđm = const và = đm = const . Muốn thay đổi điện
trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng .
Trong trờng hợp này tốc độ không tải lý tởng:

o =

U dm
= const
K . dm

(1 14)

Độ cứng của đặc tính cơ :

(K . dm )2
M
=
=
= var

Ru + R f

(1 - 15)

Khi Rf càng lớn , càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc, ứng với R f = 0 ta có
đặc tính cơ tự nhiên .

0
TN

Rf1

Rf2
0

Mnm

M

Rf3

Hình .1 - 4. Các đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi thay đổi
Rf mạch phần ứng

Ngô Thị Nguyệt Anh

14

S phạm kỹ thuật điện K50


Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực

TN

(K . dm )2

=
Ru

(1 - 16)

TN có giá trị lớn nhất nên đặc cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đờng
đặc tính cơ có điện trở phụ .
Nh vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf ta đợc một họ đặc tính biến trở có
dạng nh H.1 - 4. Ưng với một phụ tải M c nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ động
cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch cũng
giảm. Cho nên ngời ta thờng sử dụng phơng pháp này để hạn chế dòng điện ngắn
mạch khi khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dới tốc độ cơ bản. Giao
điểm của các đờng đặc tính trên với đờng Mc = f() cho biết trị số tốc độ xác lập
khi điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ Rf .
1.2.2. Thay đổi từ thông
Giả thiết điện áp phần ứng U = Uđm = const. Điện trở phần ứng R =
const. Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ
Trong trờng hợp này :
Tốc độ không tải :

ox = Uđm / K x = var

Độ cứng đặc tính cơ :

= - (K x)2 / R = var

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thờng điều chỉnh giảm từ thông. Vì
vậy khi từ thông giảm thì ox tăng, còn sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với
ox tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông nh H.1 -5

Ngô Thị Nguyệt Anh

15

S phạm kỹ thuật điện K50


Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực


02
01

2 < 1 < đm

0

2

Mc

1

đm

Hình1 - 5.
0 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
M
M
khi giảm từMthông

. nm1 Mnm
nm2
Mnm = K. x. Inm = var
Và

Inm = Uđm / R = const

Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ
thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên .
Do điều kiện đổi chiều, lực ly tâm, các động cơ thông dụng hiện nay có
thể
điều chỉnh tốc độ quay bằng phơng pháp này trong giới hạn 1: 2. Cũng có thể
sản xuất ra những động cơ giới hạn điều chỉnh 1 : 5 thậm chí 1 : 8 nhng phải
dùng những phơng pháp khống chế đặc biệt. Do đó cấu tạo và công nghệ phức
tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên.
1.2.3. Thay đổi điện áp phần ứng.
Phơng pháp này thờng chỉ áp dụng đợc đối với động cơ điện một chiều
kích từ nối tiếp hoặc động cơ điện kích từ song song làm việc ở chế độ kích từ
độc lập. Bởi vì đối với động cơ kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp thì khi thay
đổi điện.

Ngô Thị Nguyệt Anh

16

S phạm kỹ thuật điện K50


Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực
áp phần ứng đặt vào động cơ thì điện áp kích từ cũng thay đổi dẫn đến từ thông

thay đổi.Nh vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta đợc một họ
đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên Nh H.1 - 6.


Uđm > U1 > U2 > U3

TN

0

Uđ

01

U1

m

02

U2

03

U3
M(I-)

0

Mc

Hình 1 . 6. Các đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập
Chú ý: khi giảm áp đặt vào phần ứng động cơ :Ta thấy rằng khi thay đổi
điện áp (giảm áp) thì mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ
giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định.
Nói chung vì không cho phép vợt quá điện áp định mức nên việc điều
chỉnh tốc độ trên tốc độ định mức không đợc áp dụng hoặc chỉ đợc thực hiện
trong một phạm vi rất hẹp. Phơng pháp này cũng đợc sử dụng để điều chỉnh tốc
độ động cơ và hạn chế dòng điện ngắn mạch khi khởi động .
1.2.4. Nhận xét chung về các phơng pháp
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông đợc áp dụng
tơng đối phổ biến, có thể thay đổi đợc tốc độ liên tục và kinh tế. Trong quá trình
điều chỉnh, hiệu suất = const vì sự điều chỉnh dựa trên sự tác dụng lên mạch
kích thích có công suất rất nhỏ so với công suất của động cơ. Cần chú ý rằng,
bình thờng động cơ làm việc ở chế độ định mức với điện áp định mức và kích
thích tối đa ( = max) nên chỉ có thể điều chỉnh theo chiều hớng giảm , tức là
điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức. Hơn nữa việc điều chỉnh từ
thông không hạn chế đợc dòng điện ngắn mạch khi khởi động (I =U \ R ). Chính
Ngô Thị Nguyệt Anh

17

S phạm kỹ thuật điện K50


Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực
vì điều đó mà giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và
đổi chiều dòng điện của máy điện .
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch
phần ứng để tăng R, chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dới tốc độ

quay định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lợng trên điện trở phụ, làm giảm
hiệu suất của động cơ điện, vì vậy phơng pháp này chỉ đợc áp dụng ở những
động cơ điện có công suất lớn và trung bình, cụ thể trên thực tế thờng dùng đối
với động cơ điện trong cần trục.
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
cũng chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dới tốc độ định mức vì không thể nâng
cao điện áp lớn hơn điện áp định mức của động cơ điện. Ưu điểm của phơng
pháp này là không gây thêm tổn hao trong động cơ điện, có thể thay đổi tốc độ
đợc vô cấp. Tuy nhiên, phơng pháp này đòi hỏi phải có nguồn riêng có điện áp
điều chỉnh đợc.
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc tạo ra các loại
nguồn điện một chiều có thể điều khiển đợc không còn là một vấn đề phức tạp.
Các nguồn điện một chiều nh chỉnh lu, băm áp ngày càng trở nên thông dụng.
Việc ứng dụng các bộ nguồn này vào lĩnh vực điều khiển động cơ điện một chiều
là rất hợp lý và thuận tiện. Ưu điểm của các bộ nguồn này là có độ tác động
nhanh, kích thớc gọn nhẹ, công suất lắp đặt nhỏ, giá thành hợp lý. Do những u
điểm nổi bật trên và sự phù hợp với yêu cầu đầu bài đã cho nên phơng pháp điều
chỉnh tốc độ đợc dùng ở đây là phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng đặt vào
động cơ.

Ngô Thị Nguyệt Anh

18

S phạm kỹ thuật điện K50


Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực
CHƯƠNG 2
lựa chọn thiết kế mạch động lực

2.1. Chọn sơ đồ mạch động lực
2.1.1. Điều chỉnh tốc độ truyền động điện
Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động
điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất. Điều chỉnh
tốc độ truyền động điện là dùng các phơng pháp thuần tuý điện, tác động lên bản
thân hệ thống truyền động điện (nguồn và động cơ điện ) để thay đổi tốc độ quay
của trục động cơ điện.
Tốc độ làm việc của truyền động điện do công nghệ yêu cầu và đợc gọi là
tốc độ đặt, hay tốc độ mong muốn. Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ
thờng bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc
độ thực so với tốc độ đặt. Trong các hệ truyền động điện tự động thờng dùng các
phơng pháp khác nhau để ổn định tốc độ động cơ.
Để đánh giá chất lợng của một hệ thống truyền động điện thờng căn cứ
vào một số chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cơ bản, các chỉ tiêu này cũng đợc tính đến
khi thiết kế hoặc chỉnh định các hệ thống truyền động điện .
Sai số tốc độ
Sai số tĩnh tốc độ là đại lợng đặc trng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt
và thờng đợc tính theo phần trăm.
S 00 =

trong đó :

d
.100 0 0 = 0 0
d

đ- là tốc độ đặt
- là tốc độ làm việc thực

Ngô Thị Nguyệt Anh

19

S phạm kỹ thuật điện K50


Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực
Độ trơn của điều chỉnh tốc độ
Độ trơn của điều chỉnh tốc độ đợc định nghĩa :

=
Trong đó:

i +1
i

i :

giá trị tốc độ ổn định đạt đợc ở cấp i

i+1:

giá trị tốc độ ổn định đạt đợc ở cấp kế tiếp (i + 1)

Từ chỉ tiêu độ trơn của điều chỉnh tốc độ ta có thể phân loại :
Hệ điều chỉnh vô cấp nếu = i+1 / i1, tức là hệ truyền động có
thể làm việc ổn định ở mọi giá trị trong suốt dải điều chỉnh.
- Hệ điều chỉnh có cấp nếu nó chỉ có thể làm việc ổn định ở một số giá trị
của
tốc độ trong dải điều chỉnh.

Dải điều chỉnh tốc độ
Dải điều chỉnh hay phạm vi điều chỉnh là tỷ số giữa giá trị lớn nhất và giá
trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mô men tải đã cho :

D=

max
min

Gía trị tốc độ cực đại max bị hạn chế bởi độ bền cơ học của động cơ và với động
cơ điện một chiều nó còn bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của vành góp.
Tốc độ nhỏ nhất min bị chặn dới bởi yêu cầu về mô men khởi động, về khả năng
quá tải và về sai số tốc độ làm việc cho phép.
Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và điều chỉnh tải
Với các động cơ điện một chiều và xoay chiều thì chế độ làm việc tối u thờng là
chế độ định mức của động cơ. Để sử dụng tốt động cơ khi điều chỉnh tốc độ cần
lu ý đến các chỉ tiêu nh: dòng điện động cơ không vợt quá dòng điện định mức,

Ngô Thị Nguyệt Anh

20

S phạm kỹ thuật điện K50


Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực
đảm bảo khả năng quá tải về mômen (trong khoảng thời gian ngắn), đảm bảo
yêu cầu về ổn định tĩnh khi có nhiễutrong toàn dải điều chỉnh.
Vì vậy khi thiết kế hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ, ngời ta thờng
chọn hệ truyền động cũng nh phơng pháp điều chỉnh sao cho đặc tính điều chỉnh

của hệ bám sát yêu cầu đặc tính của tải. Nếu đảm bảo đợc điều kiện này, thì tổn
thất trong quá trình điều chỉnh sẽ là nhỏ nhất.
Chỉ tiêu kinh tế và các chỉ tiêu khác
Chỉ tiêu kinh tế có ý nghĩa quan trọng, nhiều khi là chỉ tiêu quyết định
cho việc chọn các phơng án điều chỉnh. Chỉ tiêu kinh tế thể hiện ở vốn đầu t, chi
phí vận hành hệ thống và ở hiệu quả do áp dụng phơng pháp điều chỉnh đem lại.
Trong chi phí vận hành thì tổn thất năng lợng khi biến đổi và khi điều chỉnh
đóng vai trò quan trọng, ngoài ra hệ số công suất cos của hệ thống cũng góp
phần ảnh hởng không nhỏ đến chi phí vận hành.
Ngoài các chỉ tiêu chung đã nêu ở trên, trong từng trờng hợp cụ thể còn
dùng các chỉ tiêu khác nữa để đánh giá hệ truyền động điện, ví dụ độ trơn điều
chỉnh, khả năng tự động hoá hệ thống. Việc đánh giá chung hệ truyền động điện
là bài toán tối u đa mục tiêu, tuỳ từng trờng hợp có thể chọn ra các chỉ tiêu u tiên
để quyết định chọn lựa các phơng án điêù chỉnh
2.1.2. Khảo sát hệ truyền động chỉnh lu _ động cơ
Sơ đồ nguyên lý và phơng pháp điều chỉnh
Bộ biến đổi van điều khiển là một bộ nguồn điện áp một chiều. Khi nối
vào mạch phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập ta sẽ đợc một hệ thống
van_động cơ theo sơ đồ sau:

Ngô Thị Nguyệt Anh

21

S phạm kỹ thuật điện K50


Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực

H.2.1 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi van

Bộ biến đổi van -động cơ trực tiếp biến đổi điện áp xoay chiều thành điện
áp một chiều có thể điều chỉnh đợc để cung cấp cho mạch phần ứng động cơ.
Một bộ biến đổi van có thể bao gồm: máy biến áp lực, tổ van, kháng lọc, thiết bị
bảo vệ và hệ thống diều khiển. Trong đó máy biến áp điện lực dùng để biến đổi
điện áp lới cho phù hợp với cấp điện áp của động cơ. Ngoài ra còn biến đổi số
pha, tạo điểm trung tính khi cần thiết, hạn chế biên độ của dòng ngắn mạch giảm
tốc độ, tăng dòng trong van và cải thiện dạng sóng dòng điện nhận từ lới. Kháng
lọc có tác dụng lọc thành phần dòng điện xoay chiều, hạn chế vùng dòng điện
gián đoạn và hạn chế vùng dòng điện cân bằng với nhữnh hệ chỉnh lu có đảo
chiều. Hệ thống điều khiển có tác dụng tạo ra các xung điều khiển với góc mở
điều khiển đợc.
Tổ van thờng là bộ chỉnh lu tiristo có điều khiển, có suất điện động Eb
phụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển với thời điểm đặt xung áp điều
khiển
đã chọn t ( t = ) lên các van. Tuỳ theo yêu cầu mà ta có thể dùng nguồn
chỉnh lu thích hợp nh: chỉnh lu một pha, sáu pha, chỉnh lu cầu, chỉnh lu tia.
Với hệ biến đổi van đông cơ có một số đặc điểm: về u điểm của chỉnh lu
động cơ là: độ tác động nhanh, cao, không gây ồn và dễ tự động. Do các van có
hệ số khuếch đại cao nên có thể thiết lập hệ tự động vòng kín để mở rộng dải
điều chỉnh và cải thiện các đặc tính làm việc của hệ.
Ngô Thị Nguyệt Anh

22

S phạm kỹ thuật điện K50


Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực
Bên cạnh đó hệ CL- Đ còn có những nhợc điểm là: do các van bán dẫn
có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lu có biên độ đập mạch cao làm gây tổn

thất phụ trong máy điện và ở các truyền động có công suất lớn còn làm xấu dạng
điện áp lới xoay chiều. Ngoài ra khả năng linh hoạt chuyển đổi trạng thái làm
việc không cao, hệ đảo chiều phức tạp, hệ số quá tải về dòng và áp của các van
kém, hệ số cos nói chung là thấp tuy nhiên do những u điểm nói trên hệ CL- Đ
hiện nay trên thực tế dùng rất rộng rãi.
Các chế độ dòng điện
Chế độ dòng liên tục
chế độ dòng điện liên tục dựa vào sơ đồ thay thế Hình 2-8 để viết phơng trình
đặc tính cơ :

=

Ebm .cos Uv Rb + Ru + Rkh

.Iu
K .dm
K .dm

(2 1)

=

Ebm .cos Uv Rb + Ru + Rkh

.M
K .dm
(K .dm )2

(2 2)

Đói với van bán dẫn

U 1 ữ 2V nên có thể bỏ qua. Từ (2-2) ta thấy

khi thay đổi góc mở từ 0 đến 1800 suất điện động của bộ biến đổi sẽ biến thiên
từ +Ebm đến -Ebm và ta sẽ đợc một họ đờng thẳng song song có độ cứng và
tốc độ không tải 0,
(K. dm ) 2
=
Rb + R ư + Rkh

Ngô Thị Nguyệt Anh

;

23

0 =
,

Ebm. cos
K. dm

S phạm kỹ thuật điện K50


Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực

0max


02



BLT
03

0

M

I BLT




0 max

0 max

Hình 2-2 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL- Đ
Nhận thấy đặc tính cơ của hệ CL- Đ mềm hơn đặc tính cơ tự nhiên và đặc
mềm hơn tính cơ của hệ F- Đ bởi thành phần đẳng trị do hiện tợng chuyển mạch
các van R =

p
.Xba

2.

khá lớn

Chế độ dòng gián đoạn

=

sin( 0 ) sin( 0 + ) exp( cot g )
1
.E 2m .cos .
K . dm
1 exp( .cot g )

( 2 3)

Phơng trình đặc tính cơ ở chế độ dòng gián đoạn
Giới hạn giữa vùng dòng điện gián đoạn và liên tục là đờng elíp nh trên
Hình 2-8 Toạ độ của điểm biên giữa dòng liên tục và dòng gián đoạn B(Iblt ,
blt ) đợc xác định :

Ngô Thị Nguyệt Anh

24

S phạm kỹ thuật điện K50


Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực

Iblt =
=

E 2m p


.
.sin cos ữ.sin
.L 2.
p
p
E bm .sin
p

1 .cot g ữ

.L
p

(2 4)

Khi thay đổi góc điều khiển ta sẽ xác định đợc đờng biên giữa dòng
điện gián đoạn và dòng liên tục. Nhận thấy khi tăng các thông số p, L của mạch
phần ứng sẽ thu hẹp vùng dòng điện gián đoạn.

blt =

E bm .cos Rb + Rw + Rkh

.I blt

K . dm
K . dm



E 2m .cos ữ
p

0 =
K . dm

voi


p

(2 5)

(2 6)

Tốc độ không tải lý tởng thực tế của động cơ ở giá trị lớn hơn giá trị xác
định ở biểu thức

0 =
,

E bm . cos
do dòng phần ứng I = 0 thì đặc tính cơ
K. dm

của hệ chuyển từ liên tục sang vùng gián đoạn. Giá trị của 0 đợc xác định.
2.1.3. Chọn sơ đồ chỉnh lu nguồn một chiều
2.1.3.1. Chọn phơng án chỉnh lu
Để cung cấp nguồn 1 chiều cho động cơ một chiều, ta phải sử dụng một
mạch chỉnh lu biến đổi năng lợng dòng điện xoay chiều thành năng lợng dòng
điện 1 chiều. Thực tế có rất nhiều phơng án có thể sử dụng đợc, tuy nhiên để có
một mạch chỉnh lu phù hợp với yêu cầu thiết kế ta cần xét một cách tổng quan về
các sơ đồ chỉnh lu.
Các bộ chỉnh lu điốt không thể làm thay đổi điện áp ra nên ta chỉ xét các
mạch chỉnh lu có điều khiển.

Ngô Thị Nguyệt Anh

25

S phạm kỹ thuật điện K50