TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hóa – hiện đại hóa đã
mang lại rất nhiều thay đổi cho đất nước. Đặc biệt là trong ngành điện có nhiều
tiêm năng lớn trong lĩnh vực của cuộc sống. Ngành điện mang lại nhiều lợi ích
cho con người như tăng năng suất lao động, giảm công nhân đặc biệt là trong
môi trường lao động độc hại.
Trong phần lớn các nhà máy xí nghiệp, phân xưởng đều có sự góp mặt
của ngành điện. Trong các dây truyền sản suất, máy móc sử dụng truyền động
điện bằng xung áp một chiều rất nhiều bởi vì sử dụng hệ thống này có độ an
toàn cao.
Đồ án đề cập đến nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển hệ truyền động
điện DC có một mạch vòng điều chỉnh tốc độ với bộ biến đổi là mạch xung áp
không đảo chiều.
Nội dung đồ án được chia làm 4 chương:
Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động xung áp động cơ một chiều.
Chương 2: Tính toán mạch lực và mạch điều khiển cho bộ xung áp.
Chương 3: Tổng hợp và mô phỏng hệ điều chỉnh.
Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống.
Đồ án này được thực hiện với sự giúp đỡ của thầy Nguyễn Đăng Toàn
cùng các thầy cô trong bộ môn. Trong quá trình làm chắc chắn không thể chánh
được một số thiếu sót nên em rất mong các thầy cô đóng góp ý kiến bổ xung để
đồ án được hoàn thiện hơn.

Tổng hợp hệ thống điện cơ

1


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU

1.1. Đặc tính cơ của động cơ một chiều.
1.1.1. Khái niệm đặc tính cơ
Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và momen của
động cơ. ta có đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nếu động cơ vận hành chế độ
định mức. 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 vào động cơ.
Để đánh giá về đặc tính cơ và so sánh nó người ta đưa ra khái niệm độ cứng
đặc tính cơ β.

Tổng hợp hệ thống điện cơ

2


1.1.2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập
Sơ đồ nguyên lý hình 1.2

Khi ω = 0

I =

U
= I nm (1.7)
Ru + R f

Ta có
và

M = Kφ .I nm = M nm (1.8)

Inm, Mnm : dòng và momen ngắn mạch
Tổng hợp hệ thống điện cơ

3


1.2. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều.
Có hai phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều.
a. Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng của động cơ
b. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ
1.2.1. Điều chỉnh điện áp phần ứng.
Điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn máy
phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển…. Cácthiết bị
nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành mộtchiều.

Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệthống như sau:

Eb − Eu = I u .( Rb − Rud )

ω=

Eb
R + Rud
− b
.I u
Kφdm
Kφdm

ω = ω0 (U dk ) −

M
β

Để xác định dải điều chỉnh tốc độ. Ta thấy tốc độ lớn nhất của hệ thống bị
chặn bởi đặc tính cơ cơ bản. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi
yêu cầu về sai số tốc độ và về momen khởi động. Khi momen tải là định mức
Tổng hợp hệ thống điện cơ

4


thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của hệ thống là:

ωmax = ω0 max −
ωmin

M dm
β

M dm
= ω0 min −
β
Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của điều chỉnh phải

có momen ngắn mạch.
Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm
Đồ thị đặc tính cơ là đường thẳng song song như hình 1.6.

Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ được giữ
nguyên, Mômen cho phép động cơ được tính:

M cp = Kφdm .I dm = M dm

Tổng hợp hệ thống điện cơ

5


1.2.2. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.
Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh
momen điện từ của động cơ

M = Kφdm .I dm

. Mạch kích từ của động cơ là mạch

phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến.

ik =

ek
dφ
+ ωk
rb + rk
dt

Trong đó:

rk - điện trở dây quấn kích thích
rb- điện trở nguông điện áp kích thích

ωk-số vòng dây cả dây quấn kích thích.
Ở chế độ xác lập ta có:

ik =

ek
rb + rk

φ = f [ik ]
Thường khi điều chỉnh thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá
trị định mức , do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính
là đặc tính có điện áp phần ứng định mức từ thông dịnh múc và được gọi là đặc
tính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính 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 để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch
của cổ góp cũng bị xấu đi.Để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì
cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là momen trên trục động

Tổng hợp hệ thống điện cơ

6


cơ giảm rất nhanh ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc
tính cơ cũng giảm nhanh khi giảm từ thông kích thích.

1.3. Các hệ truyền động điện động cơ một chiều.
1.3.1. Hệ truyền động F – Đ.
Hệ thống máy phát động cơ F - Đ là một hệ truyền động điện mà bộ biến
đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập, máy phát này thường do

động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha điều khiển quay máy phát được xác định
bởi hai đặc tính:
Đặc tính từ hoá.
Đặc tính tải.
Trong tính toán có thể tuyến tính hoá các đặc tính này

EF = K F .φF .ωF = K F .ωF .C.iKF
Trong đó:
KF là hệ số kết cấu của máy phát
C là hệ số góc của đặc tính từ hoá
Sơ đồ của hệ F – Đ

Tổng hợp hệ thống điện cơ

7


Nếu đặt R = RưF + RưĐ
Ta có thể viết được phương trình của đặc tính của hệ F – Đ

KF
RM
.U KF −
Kφ
( Kφ ) 2
K
RI
ω = F .U KF −
Kφ
Kφ

M
ω = ω0 (U KF ) −
β (U KF )

ω=

Từ các biểu thức ta thấy, khi điều chỉnh dòng điện kích thích của máy
phát thì điều chỉnh tốc độ không tải của hệ thống.
* Chế độ làm việc.
Trong hệ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính động
rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc.
Với sơ đồ H1.7 động cơ chấp hành Đ có thể làm việc ở chế độ điềuchỉnh
cả hai chiều, kích thích máy phát và kích thích động cơ. Đảo chiều quay bằng
cách đảo chiều dòng kích thích máy phát.
Tổng hợp hệ thống điện cơ

8


* Đặc điểm của hệ F – Đ.
Ưu điểm nổi bật của hệ F - Đ là sự chuyển đổi trạng thái rất linh hoạt, khả
năng quá tải lớn. Nó thường được dùng ở các máy khai thác công nghiệp mỏ.
Nhược điểm quan trọng của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay. Gây ra
tiếng ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần công suất động cơ chấp
hành. Ngoài ra do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên
khó điều chỉnh sâu tốc độ.
1.3.2. Hệ truyền động T – Đ.
1.3.2.1. Khái quát chung.
Hệ truyền động T - Đ:
+ Nguyên lý chung.

+ Sơ đồ thay thế.
+ Đặc tính cơ.
+ Đảo chiều.
Do chỉnh lưu Tiristo dẫn dòng theo một chiều và chỉ điều khiển khi mở,
còn khóa theo điện áp lưới dẫn đến truyền động van thực hiện đảo chiều khó
khăn và phức tạp hơn truyền động F – Đ. Có hai nguyên tắc cơ bản để xây dựng
hệ truyền động T – Đ đảo chiều. Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo
chiều dòng kích từ động cơ.
1.3.2.2. Sơ đồ và nguyên lý làm việc.

Tổng hợp hệ thống điện cơ

9


α1 <

Giả thiết

π

,α 2 >

2

π
2

sao cho

Ed1 ≥ Ed 2

thì dòng chỉ có thể chạy

từ BĐ1 sang động cơ mà không thể chạy từ BĐ1 sang BĐ2 được. Để đạt được
trạng thái này cần có góc điều khiển phải thoả mãn điều khiển.

Nếu tính đến góc chuyển mạch µ và góc khoá δ thì giá trị lớn nhất của góc điều
khiển của bộ biến đổi đang ở chế độ nghịch lưu là:
αmax =π - (µmax +δ)
Nếu chọn

Ed1 ≥ Ed 2

thì:

α1 +α2 =π
Ta có phương phát điều khiển chung đối xứng, dòng điện trung bình chảy vòng
qua hai bộ biến đổi là.
I cb =

Ed1 + Ed 2
=0
Rcb

Tổng hợp hệ thống điện cơ

10

1.3.2.3. Đặc điểm.
Ưu điểm nổi bật của hệ T - Đ là độ tác động nhanh cao không gây ồn và
dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất lớn. Điều
đó rất thuận tiện trong việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng
để nâng cao chất lượng.
Nhược điểm của hệ thống T-Đ là các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng
điện áp ra có biên độ đập mạnh cao, gây tổn thất phụ trong máy điện, còn làm
xấu điện áp nguồn và lưới xoay chiều.
1.4. Nguyên tắc điều chỉnh động cơ bằng xung áp một chiều.
Điều chỉnh xung áp mạch đơn.
1.4.1.1. Sơ đồ nguyên lý.
1.4.1.

Trên hình 2.1: Điện áp và dòng điện của động cơ U Đ, i chỉ có giá trị dương. Khi
khoá S thông ta có.
UĐ = UN
i = iN
Khi khoá S ngắt
iN = 0
Tổng hợp hệ thống điện cơ

11


UĐ = 0
Do tác dụng duy trì dòng điện của điện cảm L ta có.
i = iDo
Các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện phần ứng là UĐ, I và do đó
sức điện động E của động cơ khi đóng và ngắt liên tục khoá S, sẽ được xác định
khi biết luật đóng ngắt khoá và các thông số của mạch. Nếu đóng ngắt khoá S

với tần số không đổi thì hoạt động của mạch tương tự như của chỉnh lưu một
pha nửa chu kỳ.

Trên hình 2.2 mô tả qúa trình dòng điện và điện áp trong chế độ dòngđiện liên
tục.
Phương trình điện áp khi S thông.
UĐ = E +∆UL +∆UR

U −E
di R
+ i= Ð
dt L
L
Tổng hợp hệ thống điện cơ

12


Tại thời điểm t = 0+ khoá S bắt đầu thông.
UĐ = UN ,

i = Imin

Nếu coi Sđđ E không đổi trong một chu kỳ đóng ngắt của khoá S thì nghiệm
của phương trình (2.2) là:

(0 ≤ t ≤ tð )

Tư = L/R hằng số thời gian

Tại thời điểm t = tđ khoá S bắt đầu ngắt.

Lúc này UĐ = 0; dòng điện động cơ khép mạch qua D 0, nhận được phương trình
sau:.

Trong đó t’= t - tđ
Tại: t=0+
i=Imax
nghiệm của (2.5) là:

Tại t’ = T- tđ tức là tại t = T, i = Imin.
Tổng hợp hệ thống điện cơ

13


Từ (2.6) ta có:

Kết hợp (2.4) và (2.7) ta có:

Nếu S thông liên tục tại t đ = T thì dòng điện trong mạch phần ứng sẽ không đổi
và bằng.

Nếu thời gian thông của khoá S giảm đến một giá trị tới hạn nào đó t đ=tđgh
thì dòng điện Imin = 0 và hệ thống sẽ làm việc ở trạng thái biên giới chuyển từchế
độ dòng điện liên tục sang chế độ dòng điện gián đoạn.

Tổng hợp hệ thống điện cơ

14

Với các điều kiện biên của chế độ này từ (2.7) ta có.

Ta có thể rút gọn như sau:

m=
Trong đó:

t
E
T
; ρ = ð ;σ =
UN
T
Tu

Tại trạng thái biên liên tục và trong vùng dòng điện gián đoạn do I min=0 nên từ
(2.8) và (2.9) ta có:

Tổng hợp hệ thống điện cơ

15


Từ (2.6) và (2.1) ta có:

Dòng điện này xẽ bằng không tại thời điểm t = t x hoặc t’ = tx - tđ thay các
điều

kiện

vào

(2.11)

ta

có:

Trạng thái biên giới là trạng thái t x = T như vậy với mỗi thông số của
mạch và các giá trị UN, E tương ứng ta có thể tìm được tđgh.
1.4.1.2. Đặc tính cơ.
Để xây dựng đặc tính cơ cần tìm giá trị trung bình của điện áp và dòng
điện của động cơ.

Trong chế độ dòng điện liên tục vì tx = T nên
Tổng hợp hệ thống điện cơ

16


Giống như trong hệ U - Đ, trong hệ thống ĐX - Đ khi tx < T thì xảy ra
chế độ dòng điện gián đoạn, trong chế độ này do mômen điện từ gián đoạn mà
đặc tính cơ trở nên rất mềm. Để xác định đặc biên giới giữa vùng dòng điện
gián đoạn và vùng dòng liên tục.

Dòng điện ở chế độ biên liên tục là:

Vì chế độ biên liên tục thuộc vùng dòng điện liên tục tức là phương trình đặc

tính (2.17) vẫn thoả mãn. Thay (2.17) vào (2.18) ta có:
Tổng hợp hệ thống điện cơ

17


Sử dụng (2.17) và (2.19) xác định được biên giới liên tục, chính là đường có
dạng nửa elíp vẽ bằng nét đứt ở hình H2.5 giá trị cực tiểu của Iblt là:

I blt = 0

tại

ω =0

và tại

ω = ωmax

Các giá trị khác của Iblt phụ thuộc vào ρ và δ và UN và đạt giá trị cực đại.

Tại giá trị tới hạn của ρ:

1.4.2. Điều chỉnh xung áp mạch kép
1.4.2.1. Sơ đồ nguyên lý

Để hệ truyền động có thể làm việc ở chế độ hãm tái sinh, có thể dung sơ
đồ điều chỉnh trên. Trong đó dòng điện phần ứng có thể đảo dấu, xong Sđđ
động cơ chỉ có chiều dương. Khi khoá S1 và van D1 vận hành dòng điện phần
ứng luôn dương. Công suất điện từ của động cơ là:

Tổng hợp hệ thống điện cơ

18


Pđt = I. E < 0
Máy điện làm việc ở chế độ động cơ, quá trình dòng điện và điện áp được
mô tả như ở phần mạch đơn.
Để đảo chiều dòng điện ta đưa khoá S 2 và van D2 vào vận hành còn khoá
S1 bị ngắt. Nếu E > 0 thì sẽ có dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầudo trong
mạch chỉ có một nguồn duy nhất cấp là Sđđ E.
Công suất điện từ của động cơ là:
Pđt = I. E > 0
Công suất điện từ được tích vào điện cảm L. Khi S2 ngắt trên điện cảm L
sinh ra Sđđ này trở lên lớn hơn điện áp nguồn U N làm van D2 dẫn dòng ngược
về nguồn và trả lại nguồn phần năng lượng đã tích lũy trong điện cảm L trước
đó.
Nếu các tín hiệu điều khiển các khoá như hình (2.7) sao cho giá trị trung
bình của dòng điện phần ứng là dương thì máy điện làm việc ở chế độ động cơ
ở góc phần tư thứ nhất của mặt phẳng toạ độ [ω, I]. Một đặc điểm của bộ băng
xung loại như trên là do dòng điện phần ứng có phần âm nên giá trị trung bình
của nó có thể nhỏ bỏ kỳ, thậm chí bằng không và truyền động không có chế độ
dòng điện gián đoạn. Dòng điện phần ứng của ĐX - Đ loại B bao gồm 4 đoạn
ứng với góc dẫn của 4 phần tử bán dẫn đó là: S1, D1 và S2, D2.
1.4.2.2. Phương trình đồ thị dòng điện và điện áp

Tổng hợp hệ thống điện cơ

19

Từ các phương trình (2.1) và (2.4) với các điều kiện đầu tương ứng có thể
tìm lại được các giá trị Imax, Imin giống như các biểu thức (2.6) và (2.7). Nếu như
Imax> 0 và Imin< 0 như trên hình (Hình 2.6) thì truyền động sẽ làm ở góc phần tư
thứ nhất. Nếu dòng trung bình I > 0 và ở góc phần tư thứ II nếu dòng trung
bình I < 0 khi điều chỉnh ρ sao cho I max< 0 và do đó dòng điện phần ứng của
động cơ I < 0 thì hệ thống làm việc ở góc thứ III khoá S 1 và van D1 không dẫn
dòng. Quá trình đó được mô tả ở hình dưới như sau:

Tổng hợp hệ thống điện cơ

20


1.4.2.3. Đặc tính cơ.

Hình 2.8
Đặc tính cơ của động cơ trong hệ thống này là các đường thẳng lien tục, chạy
song song nhau từ góc thứ I sang góc thứ II của mặt phẳng [ω, I].
1.4.3. Điều khiển đối xứng.
Tổng hợp hệ thống điện cơ

21


1.4.3.1. Sơ đồ nguyên lý.

Trong phương pháp điều chỉnh này các cặp van lẻ và chẵn thay nhau
đóng cắt. Điện áp ra tải có 2 dấu +E và -E do đó giá trị trung bình của nó là:

1.4.3.2. Đồ thị dòng điện và điện áp

Tổng hợp hệ thống điện cơ

22


Giá trị cực đại của dòng :

Giá trị trung bình qua diốt:

Dòng qua tải:
Tổng hợp hệ thống điện cơ

23


1.4.3.3. Đặc tính của động cơ.

I
n
= 2γ − 1 − t
n0
I0
n0 =

Trong đó:

EN
EN

; I0 =
K eφ
R

1.4.4. Điều khiển không đối xứng.
Trong sơ đồ này với mỗi chiều dòng điện, chỉ có một cặp van mắc thẳng
hàng, làm việc đóng cắt ngược pha nhau, còn 2 van kia sẽ có 1 van khoá hoàn
toàn và 1 van luôn luôn sẵn sàng mở.
Các biểu thức tính toán tương tự như mạch không đảo chiều. Đồ thị dòng
và điện áp.

Tổng hợp hệ thống điện cơ

24


Tổng hợp hệ thống điện cơ

25