Khóa luận tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều

LỜI CẢM ƠN
Bài khóa luận được hoàn thành với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáoThs Phạm Khánh Tùng.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Phạm Khánh Tùng đã
hướng dẫn em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy, cô tổ bộ môn Kỹ
thuật điện đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đề tài của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã quan tâm giúp đỡ em
hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 22 tháng 03 năm 2016
Sinh viên thực hiện khóa luận

Trịnh Thị Mỹ Linh


MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU..................................................1
1.1.1 Cấu tạo..............................................................................................................................2
3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng :.........................................22
Chỉnh lưu ba pha.....................................................................................................................28
Chỉnh lưu một pha điều khiển.....................................................................................................32
2.2 Bộ biến đổi DC/DC.................................................................................................................38
2.2.1 Bộ băm xung một chiều..................................................................................................40
2.2.2 Biến đổi giảm áp (Buck Converter)......................................................................................42
2.2.3 Bộ biến đổi tăng áp................................................................................................................47
2.2.4. Bộ biến đổi tăng – giảm áp một chiều..................................................................................49
2.2.4.1 Bộ biến đổi cơ bản..............................................................................................................49


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Trong đời sống sản xuất động cơ điện được sử dụng rất rộng rãi, đặc
biệt là động cơ điện một chiều do có nhiều ưu điểm hơn cả. Đặc biệt là trong
công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng nhiều ở những nơi có yêu
cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng ở phạm vi rộng.
Do đó gắn liền với sử dụng động cơ điện một chiều là cách điều khiển tốc độ
động cơ sao cho phù hợp với nhu cầu của người sử dụng trong thực tế.
Vì động cơ điện một chiều có đặc tính làm việc rất tốt trên các mặt điều
chỉnh tốc độ, phạm vi điều chỉnh rộng . Do đó em lựa chọn đề tài “ Thiết kế,
chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều” nhằm tạo ra mạch điều
khiển tốc độ, chế độ làm việc của động cơ điện một chiều.
2. Mục đích nghiên cứu
Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
3. Đối tượng nghiên cứu
Phương pháp điều khiển động cơ một chiều
4. Phương pháp nghiên cứu
• Nghiên cứu lý thuyết
• Nghiên cứu ứng dụng điện tử công suất
5. Cấu trúc đề tài

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo. Nội dung
chính của khóa luận được chia làm 3 chương :
Chương I : Tổng quan về động cơ điện một chiều
Chương II : Các bộ biến đổi trong điện tử công suất
Chương III: Tính toán và thiết kê bộ biến đổi điều khiển tốc độ
động cơ một chiều
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1


1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.

1.1.1 Cấu tạo
a. Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và
phần động.
- Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, 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 băng sắt từ (thép đúc, thép
đặc). Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây
điện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau.
+) 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. Trong
động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy
nhờ các bulông. 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: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của
cực từ phụ thường 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 bulông.
+) Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời
làm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và
hàn lại, trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện
nhỏ dùng gang làm vỏ máy.
+) Các bộ phận khác:
2

Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng
dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và
vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy
thường làm bằng gang.
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 lên cổ
góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá
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 rôto: Bao gồm những bộ phận chính sau.
+) Phần sinh ra sức điện động gồm có:
Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) 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 với nhau theo một qui 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.
Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát
vào thành cổ góp nhờ lò xo.
+) Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ
thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm
tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau
khi ép lại thì đặt dây quấn vào.
Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông
gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục.
Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những
đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi
máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.

3

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp
vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá
rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.
+) Dây quấn phần ứng: 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. Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài Kw thường
dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết
diện chữ nhật, dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm
để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit.
+) Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với
nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn.
Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và
trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn
các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng.
1.1.2 Nguyên lý hoạt động
Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện. Các
thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto
quay, chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho
nhau. Do có phiếu góp chiều dòng điện giữ nguyên làm cho chiều lực từ tác
dụng không thay đổi. Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với
suất điện động Eư chiều của suất điện động được xác định theo quy tắc bàn
tay phải, ở động cơ đổi chiều sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được
gọi là sức phản điện động. Khi đó ta có phương trình: U = Eư + Rư.Iư
1.1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của
động cơ: ω = f(M)

4


Đặc tính cơ của động cơ điện chia ra đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ
nhân tạo. Dạng đặc tính cơ của mỗi loại động cơ khác nhau thì khác nhau
Đặc tính cơ tự nhiên: Đó là quan hệ ω = f(M) của động cơ điện khi các
thông số như điện áp, dòng điện... của động cơ là định mức theo thông số đã được
thiết kế chế tạo và mạch điện của động cơ không nối thêm điện trở, điện kháng...
Đặc tính cơ nhân tạo: Đó là quan hệ ω = f(M) của động cơ điện khi các
thông số điện không đúng định mức hoặc khi mạch điện có nối thêm điện trở, điện
kháng... hoặc có sự thay đổi mạch nối.
Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ điện một chiều người ta còn sử dụng
đặc tính cơ điện. Đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện
trong mạch động cơ: ω = f(I) hay n = f(I).
Trong hệ TĐĐ bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện - cơ.
Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của động cơ điện.
Người ta định nghĩa như sau: Dòng công suất điện Pđiện có giá trị dương nếu như
nó có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện
thành công suất cơ Pcơ = M.ω cấp cho máy (sau khi đã có tổn thất ΔP).
Công suất cơ Pcơ có giá trị dương nếu mômen động cơ sinh ra cùng chiều
với tốc độ quay, có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động cơ và mômen
động cơ sinh ra ngược chiều tố độ quay.
Công suất điện Pđiện có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn.
Tuỳ thuộc vào biến đổi năng lượng trong hệ mà ta có trạng thái làm việc
của động cơ gồm:
Trạng thái động cơ và trạng thái hãm. Trạng thái hãm và trạng thái động cơ
được phân bố trên đặc tính cơ ω(M) ở 4 góc phần tư như sau:
- Góc phần tư I, III: Trạng thái động cơ.
- Góc phần tư II, IV: Trạng thái hãm.

5


Hình 1.1 - Các trạng thái làm việc của động cơ điện.
1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập và song song
a. Sơ đồ nguyên lý
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Cuộn kích từ được cấp điện từ
nguồn một chiều độc lập với nguồn điện cấp cho rôto

Hình 1.2- Sơ đồ nguyên lý động cơ điện
một chiều kích từ độc lập

Hình 1.3 - Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ song song
6


Nếu cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn
điện thì động cơ là loại kích từ song song. Trường hợp này nếu nguồn điện có
công suất rất lớn so với công suất động cơ thì tính chất động cơ sẽ tương tự như
động cơ kích từ độc lập.
Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn dây phần ứng quay trong từ
trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng xuất hiện một sức điện động cảm
ứng có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ.
b. Phương trình đặc tính cơ
Theo sơ đồ nguyên lý trên hình 1.2 và hình 1.3, có thể viết phương trình
cân bằng điện áp của mạch phần ứng (rôto) như sau:
Uư = Eư + (Rư + Rp).Iư

(2.1)

Trong đó:
Uư - điện áp phần ứng động cơ, (V)
Eư - sức điện động phần ứng động cơ (V).
Rư - điện trở cuộn dây phần ứng
Rp - điện trở phụ mạch phần ứng.
Iư - dòng điện phần ứng động cơ.
Rư = rư + rct + rcb + rcp

(2.2)

Trong đó:
rư - Điện trở cuộn dây phần ứng.
rct - Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp.
rcb - Điện trở cuộn bù.
rcp - Điện trở cuộn phụ.
Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của rôto:
Eu =

P.N
φ .ω = K.φ .ω
2π .a

(2.3)

Trong đó:
K=

P.N
là hệ số kết cấu của động cơ.

2π .a

7


Φ - Từ thông qua mỗi cực từ.
p - Số đôi cực từ chính.
N - Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng.
a - Số mạch nhánh song song của cuộn ứng.
Hoặc ta có thể viết:
E u = K e .φ .n

ω=

Và:
Ke =

(2.4)

2π .n
n
=
60
9,55

K
= 0,105.K
9,55

Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng khi có dòng điện, rôto

quay dưới tác dụng của mômen quay:
M = K.φ .I u

(2.5)

Từ hệ 2 phương trình (2.1) và (2.3) ta có thể rút ra được phương trình đặc
tính cơ điện biểu thị mối quan hệ ф = f(I) của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập như sau:

ω=

Uu R u + R p
−
Iu
K.φ
K.φ

(2.6)

Từ phương trình (2.5) rút ra Iư thay vào phương trình (2.6) ta được phương
trình đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ ω = f(M) của động cơ điện một chiều kích
từ độc lập như sau:

ω=

Uu R u + R p
−
M
K.φ ( K.φ ) 2

(2.7)

Có thể biểu diễn đặc tính cơ dưới dạng khác:

ω = ω0 − ∆ω
Trong đó:

(2.8)

ω0 =

Uu
gọi là tốc độ không tải lý tưởng.
K.φ
∆ω =

Ru + Rp
(K.φ ) 2

M gọi là độ sụt tốc độ

8


Phương trình đặc tính cơ (2.7) có dạng hàm bậc nhất y = B + Ax, nên
đường biểu diễn trên hệ tọa độ (M0ω) là một đường thẳng với độ dốc âm. Đường
đặc tính cơ cắt trục tung 0ω tại điểm có tung độ: ω 0 =

Uu
.

K.φ

Tốc độ ω0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng khi không có lực cản nào
cả. Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ở chế độ động cơ vì
không bao giờ xảy ra trường hợp MC = 0.

Hình 1.4 - Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khi phụ tải tăng dần từ MC = 0 đến MC = Mđm thì tốc độ động cơ giảm dần
từ ω0 đến ωđm. Điểm A(Mđm,ωđm) gọi là điểm định mức.
Rõ ràng đường đặc tính cơ có thể vẽ được từ 2 điểm ω0 và A. Điểm cắt của
đặc tính cơ với trục hoành 0M có tung độ ω = 0 và có hoành độ suy từ phương
trình (2.7):
M = M nm = K.φđm

U đm
= K.φđm .I nm
Ru

(2.9)

Hình 1.5 - Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Mômen Mnm và Inm gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch. Đó
là giá trị mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điện
9


đầy đủ mà tốc độ bằng 0. Trường hợp này xảy ra khi bắt đầu mở máy và khi động
cơ đang chạy mà bị dừng lại vì bị kẹt hoặc tải lớn quá kéo không được. Dòng điện
Inm này lớn và thường bằng: I nm = (10 ÷ 20) I đm
Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tượng tồn tại kéo dài.

Ảnh hưởng của các thông số điện với đặc tính cơ
Phương trình đặc tính cơ (2.7) cho thấy, đường đặc tính cơ bậc nhất ω =
f(M) phụ thuộc vào các hệ số của phương trình, trong đó có chứa các thông số
điện U, Rp và ω. Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng thông số này.
 Trường hợp thay đổi điện áp phần ứng
Vì điện áp phần ứng không thể vượt quá giá trị định mức nên ta chỉ có thể
thay đổi về phía giảm.
Uư biến đổi; Rp = const; ω = const
Trong phương trình đặc tính cơ, ta thấy độ dốc (hay độ cứng) đặc tính cơ
không thay đổi:
−

Ru + Rp
( K.φ ) 2

= const

Tốc độ không tải lý tưởng ω0 thay đổi tỷ lệ thuận với điện áp:

ω0 =

Uu
= var
K.φ

Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng ta được một họ các đường đặc tính
cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên và thấp hơn đường đặc tính cơ tự
nhiên.

Hình 1.6 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

10


khi giảm điện áp phần ứng
 Trường hợp thay đổi điện trở mạch phần ứng
Vì điện trở tổng của mạch phần ứng: RưΣ = Rư + Rưf nên điện trở mạch
phần ứng chỉ có thể thay đổi về phía tăng Rưf.
Uư = const ; Rưf = var; ω = const
Trường hợp này, tốc độ không tải giữ nguyên:

ω0 =

Uu
= const
K.φ

Còn độ dốc (hay độ cứng) của đặc tính cơ thay đổi tỷ lệ thuận theo RưΣ

−

R u + R uf
= var
(K.φ ) 2

Như vậy, khi tăng điện trở Rưf trong mạch phần ứng, ta được một họ các
đường đặc tính cơ nhân tạo cùng đi qua điểm (0,ω0)

Hình 1.7 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập khi tăng điện trở phụ trong mạch phần ứng.

 Trường hợp thay đổi từ thông kích từ
Uư = const ; Rưf = const; ω = var
Để thay đổi từ thông ϕ, ta phải thay đổi dòng điện kích từ nhờ biến trở R kt
mắc ở mạch kích từ của động cơ. Vì chỉ có thể tăng điện trở mạch kích từ nhờ R kt
nên từ thông kích từ chỉ có thể thay đổi về phía giảm so với từ thông định mức.
Trường hợp này, cả tốc độ không tải lý tưởng và độ dốc đặc tính cơ đều
thay đổi.

11


ω0 =
−

Uu
= var
K.φ

R u + R uf
= var
(K.φ ) 2

Khi điều chỉnh giảm từ thông kích từ, tốc độ không tải lý tưởng ω 0 tăng,
còn độ cứng đặc tính cơ thì giảm mạnh. Họ đặc tính cơ nhân tạo thu được như
hình 2.7

Hình 1.8 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập khi giảm từ thông kích từ.
c. Mở máy và đảo chiều quay
 Mở máy

Nếu khởi động động cơ ĐMđl bằng phương pháp đóng trực tiếp thì ban đầu
tốc độ động cơ còn bằng không nên dòng khởi động ban đầu rất lớn (Inm = Uđm/Rư
≈ 10 ÷ 20Iđm).
Như vậy nó đốt nóng mạnh động cơ và gây sụt áp lưới điện. Hoặc làm cho
sự chuyển mạch khó khăn, hoặc mômen mở máy quá lớn sẽ tạo ra các xung lực
động làm hệ truyền động bị giật, lắc, không tốt về mặt cơ học, hại máy và có thể
gây nguy hiểm như: gãy trục, vì bánh răng, đứt cáp, đứt xích... Tình trạng càng
xấu hơn nếu như hệ TĐĐ thường xuyên phải mở máy, đảo chiều, hãm điện
thường xuyên như ở máy cán đảo chiều, cần trục, thang máy...
Để đảm bảo an toàn cho máy, thường chọn:
Ikđbđ = Inm ≤ Icp = 2,5Iđm

12


Muốn thế, người ta thường đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay
khi bắt đầu khởi động, và sau đó thì loại dần chúng ra để đưa tốc độ động cơ lên
xác lập.
I kđđb = I nm =

U đm
= (2 ÷ 2,5)I đm ≤ I cp
R u + R uf

(2.10)

Công suất động cơ lớn thì chọn Imm nhỏ.
Trong quá trình mở máy, tốc độ động cơ ω tăng dần, sức điện động của
động cơ Eư=K.ϕ.ω cũng tăng dần và dòng điện động cơ bị giảm:

I=

U − Eu
Ru + Rp

(2.11)

Do đó mômen động cơ cũng giảm. Động cơ mở máy trên đường đặc tính
cơ như hình 2.8b.
Nếu cứ giữ nguyên Rp trong mạch phần ứng thì khi tốc độ tăng theo đường
đặc tính 1 tới điểm B, mômen động cơ giảm từ mômen Mmm xuống bằng mômen
cản Mc, động cơ sẽ quay ổn định với tốc độ thấp ωb. Do vậy, khi mômen giảm đi
một mức nào đó (chẳng hạn M2) thì phải cắt dần điện trở phụ để động cơ tiếp tục
quá trình mở máy cho đến điểm làm việc A trên đường đặc tính tự nhiên.
Khi bắt đầu cấp điện cho động cơ với toàn bộ điện trở khởi động, mômen
ban đầu của động cơ sẽ có giá trị là M mm. Mômen này lớn hơn mômen cản tĩnh
Mc do đó động cơ bắt đầu được gia tốc.
Tốc độ càng tăng lên thì mômen động cơ càng giảm xuống theo đường
cong ab. Trong quá trình đó mômen động (chênh lệch giữa mômen động cơ và
mômen cản: ΔM = MĐ - MC) giảm dần nên hiệu quả gia tốc cũng giảm theo. Đến
một tốc độ nào đó, ứng với điểm b, tiếp điểm 1G đóng lại, một đoạn điện trở khởi
động bị nối tắt. Và ngay tại tốc độ đó, động cơ chuyển sang làm việc ở điểm c trên
đường đặc tính cơ thứ 2. Mômen động cơ lại tăng lên, gia tốc lớn hơn và sau đó
gia tốc lại giảm dần khi tốc độ tăng, mômen động cơ giảm dần theo đường cong
cd. Tiếp theo quá trình lại xảy ra tương tự như vậy: sau khi đóng tiếp điểm 2G

13


mômen động cơ giảm theo đường ef và đến điểm f tiếp điểm 3G đóng lại thì

động cơ chuyển sang làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên

Hình 1.9a - Sơ đồ mở máy động cơ điện một chiều kích
từ độc lập qua 3 cấp điện trở

Hình 1.9b,c - Đặc tính cơ lúc mở máy động cơ điện một chiều kích từ độc lập
qua 3 cấp điện trở.
 Đảo chiều quay
Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện được xác định theo quy tắc bàn tay
trái. Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điện thì từ lực có chiều ngược lại.
Vậy muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều ta có thể thực hiện một
trong hai cách:
- Hoặc đảo chiều từ thông (bằng cách đảo chiều dòng điện kích từ).
- Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng

14


Hình 1.10 - Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập
khi đảo chiều từ thông hoặc khi đảo chiều dòng điện phần ứng
Đường đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và quay ngược là đối xứng
nhau qua gốc tọa độ.

Hình 1.11 - Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập
khi đảo chiều quay
Phương pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng vì mạch từ thông
có công suất nhỏ hơn mạch phần ứng. Tuy vậy, vì cuộn kích từ có số vòng
dây lớn, hệ số tự cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên. Ngoài ra, dùng
phương pháp đảo chiều từ thông thì từ thông qua trị số 0 có thể làm tốc độ
động cơ tăng quá cao.

1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Sơ đồ nguyên lý

15


Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với
cuộn dây phần ứng như sơ đồ nguyên lý ở hình 1.11.

Hình 1.11 - Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
a. Phương trình đặc tính cơ
Với cách mắc nối tiếp, dòng điện kích từ bằng dòng điện phần ứng Ikt = Iư
nên cuộn dây kích từ nối tiếp có tiết diện dây lớn và số vòng dây ít. Từ thông của
động cơ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng, tức là phụ thuộc vào tải:
ϕ = K'.Iư
Trong đó K' là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của cuộn dây kích từ. Phương
trình trên chỉ đúng khi mạch từ không bão hoà từ và khi dòng điện I ư < (0,8 ÷
0,9)Iđm. Tiếp tục tăng Iư thì tốc độ tăng từ thông ϕ chậm hơn tốc độ tăng I ư rồi sau
đó khi tải lớn (Iư > Iđm) thì có thể coi ϕ = const vì mạch từ đã bị bão hòa.

Hình 1.12 - Sự phụ thuộc giữa từ thông và dòng phần ứng (cũng là
dòng kích từ) động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều nói
chung:
U u = E u + ( R u + R uf ).I u ; E u = K.φ .ω

M = K.φ .I u = K.K ' .I 2u

(2.12)

16


Ta có thể tìm được phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
kích từ nối tiếp:

ω=

U
K.K ' M

−

R uΣ
K.K '

(2.13)

Đồ thị đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp là
một đường hyperbol.

Hình 1.13 - Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.
Thực tế, động cơ thường được thiết kế để làm việc với mạch từ bảo hòa ở
vùng tải định mức. Do vậy, khi tải nhỏ, đặc tính cơ có dạng đường hypecbol bậc 2
và mềm, còn khi tải lớn (trên định mức) đặc tính có dạng gần thẳng và cứng hơn
vì mạch từ đã bão hòa (ϕ = const).
Khi MC = 0 (Iư = 0), theo phương trình đặc tính cơ (2.13) thì trị số ω sẽ vô
cùng lớn. Thực tế do có lực ma sát ở cổ trục động cơ và mạch từ khi I kt = 0 vẫn
còn có từ dư (ϕdư ≠ 0) nên khi không tải MC ≈ 0, tốc độ động cơ lúc đó sẽ là:

ω0 =

U
K.φdu

(2.14)

Tốc độ này không phải lớn vô cùng nhưng do từ dư ϕ dư nhỏ nên ω0 cũng
lớn hơn nhiều so với trị số dịnh mức (5 ÷ 6)ω đm và có thể gây hại và nguy hiểm
cho hệ TĐĐ. Vì vậy không được để động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở
chế độ không tải hoặc rơi vào tình trạng không tải. Không dùng động cơ một
chiều kích từ nối tiếp với các bộ truyền đai hoặc ly hợp ma sát... Thông thường, tải
tối thiểu của động cơ là khoảng (10 ÷ 20)% định mức. Chỉ những động cơ công
suất rất nhỏ (vài chục Watt) mới có thể cho phép chạy không tải.
b. Ảnh hưởng của thông số điện đối với đặc tính cơ
17


Ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, dòng điện phần ứng cũng là
dòng điện kích từ nên khả năng tải của động cơ hầu như không bị ảnh hưởng bởi
điện áp.
Phương trình đặc tính cơ ω = f(M) (2.13) của động cơ điện một chiều kích
từ nối tiếp cho thấy đặc tích cơ bị ảnh hưởng bởi điện trở mạch động cơ (mạch
phần ứng và cũng là mạch kích từ).
Đặc tính cơ tự nhiên cao nhất ứng với điện trở phụ Rưf = 0. Các đặc tính cơ
nhân tạo ứng với Rưf ≠ 0. Đặc tính càng thấp khi Rưf càng lớn.

Hình 1.14 - ảnh hưởng của điện trở mạch phần ứng tới đặc
tính cơ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.
Trị số Mmm suy từ phương trình đặc tính cơ khi cho ω = 0

M mm

 U
= K.K 
 Ru
'

2


 = K.K ' I 2nm


(2.15)

U

Trong đó: I mm = R
u
c. Mở máy và đảo chiều quay
Mở máy
Lúc mở máy động cơ, phải đưa thêm điện trở mở máy vào mạch động cơ
để hạn chế dòng điện mở máy không được vượt quá giới hạn 2,5I đm. Trong quá
trình động cơ tăng tốc, phải cắt dần điện trở mở máy và khi kết thúc quá trình mở
máy, động cơ sẽ làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên không có điện trở mở
máy.

18

Hình 1.15 - Sơ đồ mở máy động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp qua 2 cấp
điện trở phụ.
Khi động cơ được cấp điện, các tiếp điểm K1 và K2 mở để nối các điện trở
R1 và R2 vào mạch động cơ. Dòng điện qua động cơ được hạn chế trong giới hạn
cho phép ứng với mômen mở máy:
Mmm = M1 = (2 ÷ 2,5)Mđm
Động cơ bắt đầu tăng tốc theo đặc tính cơ 1 từ điểm a đến điểm b. Cùng
với quá trình tăng tốc, mômen động cơ giảm dần. Tới điểm b, tốc độ động cơ là ω2
và mômen là M2 = (1,1 ÷ 1,3)Mđm thì tiếp điểm K2 đóng, cắt điện trở mở máy R2
ra khỏi mạch động cơ. Động cơ chuyển từ đặc tính cơ 2 sang làm việc tại điểm c
trên đặc tính cơ 1. Thời gian chuyển đặc tính vô cùng ngắn nên tốc độ động cơ coi
như giữ nguyên. Đoạn bc song song với trục hoành OM. Lúc này mômen động cơ
lại tăng từ M2 lên M1, động cơ tiếp tục tăng tốc nhanh theo đặc tính cơ 1. Khi
mômen động cơ giảm xuống còn M2 (ứng với tốc độ ω1) thì điện trở mở máy R1
còn lại được cắt nốt ra khỏi mạch động cơ nhờ đóng tiếp điểm K 1. Động cơ
chuyển sang làm việc tại điểm e trên đặc tính cơ tự nhiên và lại tăng tốc theo đặc
tính này tới làm việc tại điểm A. Tại đây, mômen động cơ MĐ cân bằng với
mômen cản MC nên động cơ sẽ quay với tốc độ ổn định ωA.
Đảo chiều quay
Cũng như động cơ điện một chiều kích từ song song, động cơ một chiều
kích từ nối tiếp sẽ đảo chiều quay khi đảo chiều dòng điện phần ứng

19


Hình 2.16 - Đảo chiều quay động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.
1.4 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập
Từ phương trình:

ω=

Uu R u + R p
−
Iu
K.φ
K.φ

=> Có 3 cách điều chỉnh dựa vào các thông số của phương trình
như : U, Φ, Rư
Do vậy ta có các cách sau :
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng .
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng .
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông .
Sau đây ta sẽ tìm hiểu các phương pháp
 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Vì điện áp phần ứng không thể vượt quá giá trị định mức nên ta chỉ có thể
thay đổi về phía giảm.
Uư biến đổi; Rp = const; ω = const
Trong phương trình đặc tính cơ, ta thấy độ dốc (hay độ cứng) đặc tính cơ
không thay đổi:
−

Ru + Rp
( K.φ ) 2

= const

Tốc độ không tải lý tưởng ω0 thay đổi tỷ lệ thuận với điện áp:

ω0 =

Uu
= var
K.φ
20


Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng ta được một họ các đường đặc tính
cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên và thấp hơn đường đặc tính cơ tự
nhiên.

Phương pháp này có những đặc điểm sau :
- Điện áp phần ứng càng giảm thì tốc độ động cơ càng nhỏ .
- Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh.
- Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh .
- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một momen là
như nhau . Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải
điều chỉnh .Do vậy sai số tốc độ tương đối ( sai số tĩnh ) của đặc tính cơ thấp
nhất không vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh .
- Phương pháp này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra.
1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông :
Uư = const ; Rưf = const; ω = var
Để thay đổi từ thông ϕ, ta phải thay đổi dòng điện kích từ nhờ biến trở R kt
mắc ở mạch kích từ của động cơ. Vì chỉ có thể tăng điện trở mạch kích từ nhờ R kt
nên ( Ikt < Iktđm ) do đó từ thông kích từ chỉ có thể thay đổi về phía giảm so
với từ thông định mức.
Trường hợp này, cả tốc độ không tải lý tưởng và độ dốc đặc tính cơ đều
thay đổi.

Uu

= var
K.φ
R + R uf
− u
= var
(K.φ ) 2

ω0 =

21


Khi điều chỉnh giảm từ thông kích từ, tốc độ không tải lý tưởng ω 0 tăng,
còn độ cứng đặc tính cơ thì giảm mạnh. Họ đặc tính cơ nhân tạo thu được như
hình dưới:

Phương pháp này cũng có những đặc điểm sau :
- Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ
càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn, mềm hơn .
- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh :
D~3:1
- Chỉ thay đổi được tốc độ về phía tăng theo phương pháp này .
- Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính cơ sẽ
cắt nhau và do vậy , với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm ,
còn ở vùng tải lớn (M2) thì tốc độ có thể tăng hoặc giảm tuỳ theo tải . Thực tế ,
phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức .
3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng :
Vì điện trở tổng của mạch phần ứng: RưΣ = Rư + Rưf nên điện trở mạch
phần ứng chỉ có thể thay đổi về phía tăng Rưf.
Uư = const ; Rưf = var; ω = const

Trường hợp này, tốc độ không tải giữ nguyên:

ω0 =

Uu
= const
K.φ

Còn độ dốc (hay độ cứng) của đặc tính cơ thay đổi tỷ lệ thuận theo RưΣ

22


−

R u + R uf
= var
(K.φ ) 2

Như vậy, khi tăng điện trở Rưf trong mạch phần ứng, ta được một họ các
đường đặc tính cơ nhân tạo cùng đi qua điểm (0,ω0)

Khi tăng điện trở mạch phần ứng , đặc tính cơ dốc hơn nhưng
vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng . Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện
trở mạch phần ứng được biểu diễn như trên.
Đặc điểm của phương pháp này là:
-

Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng

lớn ( càng mềm), độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
- Phương pháp này cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm ( do chỉ có
thể tăng thêm điện trở ).
- Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng nên
tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở khi điều chỉnh là khá lớn .
- Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số momen tải . Tải càng nhỏ ( M1 ) thì
dải điều chỉnh D càng nhỏ.
- Về nguyên tắc phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi
đều điện trở nhưng vì dòng Rotor lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó
khăn. Thực tế thường thực hiện chuyển đổi theo từng cặp điện trở .
23