Thiết Kế Hệ Thống Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Điện Một Chiều (Kèm bản vẽ)

§å ¸n tèt nghiƯp

ThiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nhanh như vũ bão thì tự
động hoá là lónh vực rất cần thiết trong cuộc sống và trong công nghiệp. Sự ra
đời và phát triển của dụng cụ bán dẫn công suất như: Triăc, Tranzistor công
suất, Thyrisror cùng với sự hoàn thiện mạch điều khiển chúng tạo nên sự thay
đổi sâu sắc và phát triển vượt bậc của lónh vực tự động. Chính vì vậy mà đi sâu
vào nghiên cứu lónh vực này rất quan trọng và cần thiết đối với sinh viên ngành
điện.
Với nội dung đề tài được giao: “THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ”, đề tài này em trình bày trong bảy
chương:
Chương I,II: Giới thiệu chung về lý thuyết cơ sở.
Chương III,IV,V: Tiến hành tính toán thiết kế.
Chương VI: Đánh giá về chất lượng hệ thống.
Trong 3 tháng thực hiện đồ án, mặc dù gặp nhiều khó khăn về đề tài, tài
liệu tham khảo, thời gian hạn chế, trình độ có hạn, nhưng được sự hướng dẫn và
giúp đỡ tận tình của thầy giáo: Thạc Sỹ Nguyễn Thái Bảo cùng sự nổ lực của
bản thân, đề tài đã được hoàn thành đúng thời hạn.

SVTK : Ngun TÊn §ỵc

Trang 1


§å ¸n tèt nghiƯp

ThiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu

MỤC LỤC

Lời nói đầu.

Trang

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

4
4

I.1. Tổng quát về động cơ điện một chiều.
I.2. Tổng quát về các phương pháp cơ bản để điều chỉnh

14

tốc độ động cơ điện một chiều.

28

I.3. Các bộ chỉnh lưu có điều khiển bằng Thyristor
CHƯƠNG II: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
KÍCH TỪ ĐỘC LẬP NHIỀU MẠCH VÒNG.

38

II.1. Mô hình hệ thống chỉnh lưu động cơ đơn giản

38

II.2.Hàm truyền động cơ điện một chiều kích từ độc lập

39

II.3. Hàm truyền bộ chỉnh lưu Thyristor

40

II.4.Nguyên lý điều khiển tối ưu môdul

41

II.5. Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều
hai mạch vòng
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI VAN THYRISTOR

45
46

III.1.Tính chọn mạch động lực.

46

CHƯƠNG IV: TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN.

67

IV.1. Lý thuyết về mạchđiều khiển.

67

IV.2. Cấu trúc mạch điều khiển.

70

CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ,
MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN.

89

V.1. Tính toán thiết kế mạch vòng dòng điện.

89

VI.2. Tính toán thiết kế mạch vòng tốc độ.

97

CHƯƠNG VI: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯNG HỆ THỐNG.

105

VI.1.Xét tính ổn đònh của hệ thống.

105

VI.2. Xét quá trình quá độ của hệ thống

107

VI.3.Chất lượng của hệ thống

109

SVTK : Ngun TÊn §ỵc

Trang 2


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

TAỉI LIEU THAM KHAO

CHNG I:
SVTK : Nguyễn Tấn Đợc

Trang 3


§å ¸n tèt nghiƯp

ThiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu

LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
I.1. TỔNG QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU:
I.1.1 TÇm quan träng cđa ®éng c¬ ®iƯn 1 chiỊu
Trong nỊn s¶n xt hiƯn ®¹i, ®éng c¬ ®iƯn 1 chiỊu vÉn ®ỵc coi lµ 1 lo¹i m¸y

quan träng. MỈc dï ®éng c¬ xoay chiỊu cã tÝnh u viƯt h¬n nh cÊu t¹o ®¬n gi¶n h¬n ,
c«ng st lín . . . Nhng ®éng c¬ ®iƯn xoay chiỊu kh«ng thĨ thay thÕ hoµn toµn ®éng
c¬ ®iƯn 1 chiỊu. §Ỉc biƯt lµ trong c¸c ngµnh c«ng nghiƯp, giao th«ng vËn t¶i, c¸c
thiÕt bÞ cÇn ®iỊu chØnh tèc ®é quay liªn tơc trong ph¹m vi réng nh m¸y c¸n thÐp,
m¸y c«ng cơ lín ®Çu m¸y ®iƯn . V× ®éng c¬ ®iiƯn 1 chiỊu cã nh÷ng u ®iĨm nh kh¶
n¨ng ®iỊu chØnh tèc ®é rÊt tèt, kh¶ n¨ng më m¸y lín vµ kh¶ n¨ng qu¸ t¶i. Bªn c¹nh
®ã ®éng c¬ ®iƯn 1 chiỊu còng cã nh÷ng nhỵc ®iĨm nhÊt ®Þnh nh gi¸ thµnh ®¾t, chÕ
t¹o vµ b¶o qu¶n phøc t¹p . Nhng do nh÷ng u ®iĨm cđa nã nªn nã vÉn cã 1 tÇm quan
träng nhÊt ®Þnh trong s¶n xt.
Ngµy nay hiƯu st cđa ®éng c¬ ®iƯn 1 chiỊu c«ng st nhá vµo kho¶ng 75% 85%, ë ®éng c¬ ®iƯn c«ng st trung b×nh vµ lín vµo kho¶ng 85% - 94%. C«ng st
lín nhÊt cđa ®éng c¬ ®iƯn 1 chiỊu hiƯn nay vµo kho¶ng 10000KW. §iƯn ¸p vµo
kho¶ng vµi tr¨m ®Õn 1000V. Híng ph¸t triĨn hiƯn nay lµ c¶i tiÕn tÝnh n¨ng vËt liƯu,
n©ng cao chØ tiªu kinh tÕ cđa ®éng c¬ vµ chÕ t¹o nh÷ng m¸y c«ng st lín.

I.1.2 CÊu t¹o cđa ®éng c¬ ®iƯn 1 chiỊu
SVTK : Ngun TÊn §ỵc

Trang 4


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

I.1.2.1 Phần tĩnh ( Phần cảm hay stator)
Là phần đứng yên, bao gồm các bộ phận chính

a) Cực từ chính : Đợc làm bằng thép kĩ thuật dạng thép khối hoặc tấm, xung
quanh có dây quấn cực từ chính gọi là kích từ. Nó thờng đợc nối với nguồn 1 chiều.
Nhiệm vụ là tạo ra từ thông trong máy

b) Cực từ phụ : Đợc đặt xen giữa các cực từ chính, xung quanh cực từ phụ
có dây quấn cực từ phụ. Dây quấn cực từ phụ đấu nối tiếp với dây quấn roto, Nhiệm
vụ của cực từ phụ là triệt tiêu từ trờng phần ứng ( Từ trờng do dòng điện roto sinh ra
). Trên vùng trung tính hình học để hạn chế xuất hiện tia lửa điện trên chổi than và
cổ góp.

c) Vỏ máy ( Gông từ )
Ngoài nhiệm vụ thông thờng nh các vỏ máy khác, vỏ máy điện 1 chiều còn
tham gia dẫn từ, vì vậy nó phải đợc làm bằng thép dẫn từ.

I.1.2.2 Phần quay ( Phần ứng hay roto )
a) Lõi thép roto
Dùng để dẫn từ, thờng dùng những tấm thép kĩ thuật điện dầy 0.5mm phủ
cách điện mỏng ở 2 mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy
gây nên. Trên lá thép có dập rãnh để quấn dây.

b) Dây quấn phần ứng
Là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn
phần ứng thờng làm bằng dây đồng có sơn cách điện

c) Cổ góp
Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành 1 chiều. Gồm nhiều phiến
đồng ghép cách điện với nhau, bề mặt cổ góp dợc gia công với độ bóng thích hợp để
đảm bảomạch
tiếp xúc
quay.
rototốt giữa chổi than và cổ góp khiTrục
Cổ góp

SVTK : Nguyễn Tấn Đợc

Choồi than

Trang 5
Loừi theựp


§å ¸n tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu

I.1.3. Nguyên lý làm việc
Khi đóng động cơ , Rôto quay đến tốc độ n , đặt điện áp U kt nào đó lên dây
quấn kích từ thì trong dây quán kích từ có dòng điện i k và do đó mạch kích từ
của máy sẽ có từ thông φ , tiếp đó ở trong mạch phần ứng , trong dây quấn phần
ứng sẽ có dòng điện i chạy qua tương tác với dòng điện phần ứng. Tăng từ từ
dòng kích từ ( bằng cách thay đổi R kt ) thì điện áp ở hai đầu động cơ sẽ thay đổi
theo qui luật : Edư = (1% ÷ 42% )Uđm
Khi dòng ikt còn nhỏ thì Eư hoặc U tăng tỉ lệ thuận với i kt nhưng khi Ukt bắt đầu
lớn thì từ thông φ trong lõi thép bắt đầu bão hoà . Cuối cùng khi ikt = iktbh
thì U = Eư bão hoà hoàn toàn.
U
Uö
I
Ikt
Iktbh

SVTK : NguyÔn TÊn §îc

Trang 6


§å ¸n tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu

I.1.4 .Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập:
Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
Ikt

I

Uö

KT

Ukt

Rf
Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ phương trình cân bằng
điện áp của động cơ :
Uư = Eư + (Rư +Rf ). Iư = Eư + R. Iư (1)
Trong đó :
Uư : điện áp phần ứng ( V )
Eư : Sức điện động phần ứng (V)
Rư : Điện trở của mạch phần ứng
Rf : Điện trở phụ của mạch phần ứng
Iư : Dòng điện mạch phần ứng

Với Rư = rư + rcf + rb + rct
rư : 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 than
SVTK : NguyÔn TÊn §îc

Trang 7


§å ¸n tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu

Sức điện động Eư của phần ứng động cơ xác định theo biểu thức
Eư =

pN
.φ.ω = k.φ .ω
2πa

⇒ω =

Eö
k.φ

Trong đó :
p : Số đôi cực từ chính
N : Số thanh dẫn tác dụng của dây quấn phần ứng
a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

φ : Từ thông kích từ dưới 1 cực từ
ω : Vận tốc góc rad/s
k=

pN
: Hệ số cấu tạo của động cơ
2πa

Từ phương trình (1)







Eư = Uư - (Rư +Rf ). Iư
Chia cả 2 vế cho k.φ
Eö
Uö R ö + R f
=
.I ö
kφ
kφ
kφ
Uö R ö + R f
ω=
.I ö (2)
kφ
kφ

ω = f (I) : Đặc tính cơ điện

Mặt khác mô men điện từ của của cơ điện được xác định bởi :
Mđt = k .φ. Iư

=> Iư =

Thế vào (2) => ω =

M ñt
K.φ

Uö R ö + R f
.M ñt
kφ
(kφ)2

 ω = f (M) : Đặc tính cơ theo mômen
Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mô men cơ trên trục điện cơ bằng mô
men điện từ , ta kí hiệu là M nghĩa là Mđt = Mcơ = M
SVTK : NguyÔn TÊn §îc

Trang 8


§å ¸n tèt nghiƯp
 ω=

ThiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu

R ư + R f
.M
kφ
(kφ)2

(3)

Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ , từ thơng φ = const thì phương trình đặc
tính cơ điện (2) và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính, đỈc tÝnh c¬ ®iƯn như sau :
ω
ω
ω0

ω0

ωđm

ωđm
Iđm

ω=

In

I

Mđm

Mn

=ω0
kφ

ω0 : Gọi là tốc độ khơng tải lý tưởng của động cơ

Iư =


= Inm
Rư + Rf

Inm , Mnm Gọi là dòng điện ngắn mạch và mơmen ngắn mạch .

∆ω =

Rư + Rf
M
k.φ

Độ sụt tốc độ

I.1.5 . nh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ:

- Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ, ta nhận thấy tốc độ phụ thuộc
vào 3 thông số là : R, φ, U.

I.1.5.1 nh hưởng của điện trở mạch phần ứng.
Giả thiết U = m ; φ = φđm = const. Muốn thay đổi giá trò điện trở mạch phần
ứng, bằng cách mắc thêm một điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng và thay đổi

SVTK : Ngun TÊn §ỵc

Trang 9

M


§å ¸n tèt nghiƯp

ThiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu

giá trò điện trở Rf thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi theo. Vậy phương trình đặc tính
cơ lúc này sẽ là :
ω=

U
K.φđm

−

Rư + Rf
(K.φđm ) 2

.M

Ta thấy rằng khi thay đổi giá trò điện trở Rf thì tốc độ sẽ thay đổi theo.
- Xét đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi mắc R f vào mạch điện
phần ứng như sau :

ωo

ω1= ωđm
ω2
ω3

(1) Rư = RTN
(2) Rf1 > 0
M

MC = Mđm

Ta có :

ω=

U
K.φ

−

Rư
(K.φ) 2

(3) Rf2 > Rf1

M = ω o − ∆ω

Trong đó : ωo – là tốc độ không tải, ωo = const;
∆ω - là độ sụt tốc độ.

- Theo đường đặc tính ta có :
∆ω1 =
∆ω2 =
∆ω3 =

Rư
(K.φ đm ) 2
R ư + R f1
(K.φđm ) 2
Rư + Rf 2
(K.φ đm ) 2

SVTK : Ngun TÊn §ỵc

M

M

M
Trang 10


§å ¸n tèt nghiƯp

ThiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu

Ta giả thiết U, φ, Iư, là những hằng số. Do vậy nên mômen M cũng là hằng
số.
Mặt khác, vì Rư < Rf1 < Rf2 nên ta có : Δω 1 < Δω 2 < Δω 3
- Độ cứng của đặc tính cơ :

Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên : β TN =
β1 = βTN =

(K.φ đm ) 2

; β2 =

Rư

dM
dω

≈

∆M
∆ω

( K.φđm ) 2
R ư + R f1

=

( K.φđm ) 2
Rư
; β3 =

(K.φđm ) 2
Rư + Rf 2

Vậy β 1 > β 2 > β 3 .

-

Nếu ở cùng một giá trò mômen cản M C thì độ sụt tốc độ sẽ càng lớn

nếu điện trở của mạch phần ứng càng lớn và làm cho tốc độ động cơ bò suy
giảm, đồng thời làm cho độ cứng của đặc tính cơ càng giảm, tức là đặc tính cơ
càng dốc. Dựa vào đặc tính cơ ta thấy, tốc độ làm việc ω2, ω3 ở các đường đặc
tính điều chỉnh (2) và (3) nhỏ hơn tốc độ ωđm trên đường đặc tính tự nhiên. Cho
nên người ta thường dùng phương pháp này để hạn chế dòng điện khởi động và
điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.
I.1.5.2 nh hưởng của từ thông của cuộn dây kích từ.
Giả thiết U = m = const và Rư = const. Muốn thay đổi từ thông thì ta phải
thay đổi dòng điện kích từ Ikt. Ta có phương trình đặc tính cơ như sau:
ω=
Trong đó :

U
K.φ

−

Rư
(K.φ) 2

M = ω o − ∆ω

ωo – là tốc độ không tải, ωo = var ;
∆ω - là độ sụt tốc độ, ∆ω = var.

- Ta có đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi từ thông mạch kích từ như sau:

SVTK : Ngun TÊn §ỵc

Trang 11


§å ¸n tèt nghiƯp

ThiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu
ω
ω02

ω
ω02
ω01

Φ2

ω0

Φ1
Φđm

ω01
ω0
I

Iđm

Φ1

Mc

Imax

Theo đường đặc tính cơ ta có :

ω0TN = ω01 =
ω02 =

- Độ cứng của đăc tính cơ:

Φ2

β=

dM
dω

≈

U đm
K.φđm

Mmax1

=

Φđm

M

Mmax2 M
nm

U đm
K.φ1

U đm
K.φ 2
∆M
∆ω

=

(K.φ) 2
Rư

= var

Do cấu trúc của máy điện nhất đònh nên cuộn dây kích từ chỉ chòu được dòng
kích từ đònh mức, do vậy thực tế chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh giảm từ
thông(φ <φđm ). Khi ta cho giảm từ thông thì lúc đó tốc độ không tải sẽ tăng lên.
- Đặc tính điều chỉnh theo từ thông φ có độ cứng càng giảm xuống nếu như
ta càng giảm từ thông, tức là đặc tính cơ càng dốc. Nghóa là tốc độ thì sẽ tăng
vọt còn mômen thì giảm nhanh, làm cho hệ số quá tải giảm. Vì vậy làm cho
động cơ làm việc kém ổn đònh.
- Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm từ thông không
phù hợp với những tải có mômen cản là hằng số ( MC = const ).
Vì MC = KM. φ.I = const . Do vậy khi φ giảm thì làm cho I tăng lên gây phát
nóng động cơ.

SVTK : Ngun TÊn §ỵc

Trang 12


§å ¸n tèt nghiƯp

ThiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu

- Giải điều chỉnh của phương pháp này cũng bò hạn chế bởi tốc độ cao nhất
của động cơ, khi tốc độ cao quá thì có thể làm hỏng phần quay của động cơ do
lực li tâm lớn.
I.1.5.3 nh hưởng của điện áp phần ứng.
Giả thiết φ = φđm = const, khi ta thay đổi giá trò điện áp phần ứng thì ta có tốc
độ không tải lí tưởng cũng thay đổi theo. Do cấu trúc cuộn dây phần ứng chỉ
chòu được điện áp m nên thực tế chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh giảm
điện áp phần ứng.
ωoi =

Tốc độ không tải và độ sụt tốc :

Ui
K.φđm

= var .

- Đặc tính cơ :
ω
ωo

U®m

ωo1

U1

ωo2

U2

ωo3

U3

M

MC

- Độ cứng đặc tính cơ : β =

(K.φ đm ) 2
Rư

= const

Khi giảm điện áp phần ứng động cơ thì ta được một họ đặc tính cơ song song
và nằm về phía dưới đặc tính cơ tự nhiên. Và khi giảm điện áp phần ứng thì tốc
độ động cơ giảm xuống tương ứng với một phụ tải nhất đònh.

SVTK : Ngun TÊn §ỵc

Trang 13


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

I.2. TNG QUT V CC PHNG PHP C BN IU
CHNH TC NG C IN MT CHIU
I.2.1 - Khái niệm chung:
Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều là rất quan trọng nó có
thể giúp ta rễ ràng chọn lựa phơng phù hợp cho từng hệ thống riêng biệt .
Về phơng diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều u việt hơn
so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ roừ ràng
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 độ rộng.
Thực tế có hai phơng pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều:
- Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ.
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.
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 cấp cho mạch phần ứng
động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bốn
biến đổi chính:
- Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy
điện khuếch đại (KĐM).
- Bộ biến đổi điện từ: Khuyếch đại từ (KĐT).
- Bộ biến đổi chỉnh lu bán dẫn: chỉnh lu Thyristor (CLT).

- Bộ biến đổi xung áp một chiều: Thyristor hoặc tranzito (BBĐXA).
Tơng ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động nh:
- Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ).
SVTK : Nguyễn Tấn Đợc

Trang 14


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

- Hệ truyền độngchỉnh lu Thyristor - động cơ (T-Đ).
- Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA-Đ).
Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơ
một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh tự
động) và loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển hở). Hệ điều chỉnh
tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp, nhng có chất lợng điều chỉnh cao và
dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động hở

I.2.2 - Phơng pháp điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ:
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn nh
máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lu điều khiển. Các thiết bị
nguồn này có chức năng biến năng lợng điện xoay chiều thành một chiều có sức
điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển U đk. Vì nguồn có công suất hữu
hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong R b và điện cảm Lb
khác không.
~

UĐk

Rb

I

Eb(Uđk)

BBĐ

Rửđ
U

E

Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập
ở chế độ xác lập có thể viết đợc phơng trình đặc tính của hệ thống nh sau:
Eb - E = I(Rb +Rđ)

=

E
R +R
ửủ .I
b b
ử
K .
K .
ủm
ủm

Hay: =

E
R + Rửủ
b b
.M
K .ủm ( K . )2
ủm

SVTK : Nguyễn Tấn Đợc

Trang 15


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

(

= o U

M

)
ủk

)2
ủm
< TN

=
R +R
ửủ
b
( K

ẹaởc tớnh cụ tửù nhieõn:

01
02



TN
Ubủ1



03

Ubủ2
Ubủ3
M,I
Mđm

I.2.3 - Phơng pháp điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ:
Điều chỉnh từ thông kích thích của dòng điện một chiều là điều chỉnh mômen
điện từ của động cơ M = KIƯ và sức điện động quay của động cơ E=K. Mạch
kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi

tuyến:

e
k + d
i =
k r +r
k dt
b k

Trong đó:

rk - điện trở dây quấn kích thích,
r- điện trở của nguồn điện áp kích thích,
k - số vòng dây của dây quấn kích thích.

SVTK : Nguyễn Tấn Đợc

Trang 16


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Trong chế độ xác lập ta có quan hệ:
ik =

ek
;
rb + rk

=f(ik)

Thờng khi điều chỉnh thì điện áp phần ứng đợc 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 và đợc gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi chính là đặc
tính tự nhiên của động cơ). 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, vì vậy
để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thờng thì cần phải giảm dòng điện phần
ứng cho phép, kết quả là mômen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh. Ngay
cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cũng giảm rất nhanh
khi giảm từ thông kích thích:
2

( K ) hay * = ( *)2
=

Rử

SVTK : Nguyễn Tấn Đợc

Trang 17


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
I

ik
rbk

Uđk

rk

Lk

Wk

+
E
-



ik Wk

Hinh a
max

Lk
o

Đặc tính cơ bản

0

Hinh c
Mđm

Hinh b

a) sơ đồ thay thế; b) Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông động cơ ;
c) Quan hệ (ikt )

Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các động cơ mà từ
thông định mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính và vùng bão hoà vủa đặc
tính từ hoá thì có thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và bằng hằng số C phụ thuộc
vào thông số kết cấu của máy điện.

SVTK : Nguyễn Tấn Đợc

Trang 18


§å ¸n tèt nghiƯp

ThiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu

I.2.4 - HƯ trun ®éng m¸y ph¸t - ®éng c¬ mét chiỊu (F - §)
Sơ đồ nguyên lý:

+

~

§K

+
KTE

F

KTĐ

§

-

-

Sơ đồ thay thế:

RưF

RưĐ

Er

E

Từ sơ đồ trên ta có: EF =KF.φF.ωF =KF.ωF.C.iKF ,
Trong ®ã

KF : lµ hƯ sè kÕt cÊu cđa m¸y ph¸t,
C = ∆φF/∆iKF lµ hƯ sè gãc cđa ®Ỉc tÝnh tõ ho¸.

NÕu d©y qn kÝch thÝch cđa m¸y ph¸t ®ỵc cÊp bëi ngn ¸p lý tëng UKF th×:
IKF =UKF/rKF
Søc ®iƯn ®éng cđa m¸y ph¸t trong trêng hỵp nµy sÏ tû lƯ víi ®iƯn ¸p kÝch thÝch
bëi hƯ sè h»ng KF nh vËy cã thĨ coi gÇn ®óng m¸y ph¸t ®iƯn mét chiỊu kÝch tõ ®éc
lËp lµ mét bé khuch ®¹i tun tÝnh
EF = KF.UKF ;

k w c
f f
Trong đó: KF = r
kf

SVTK : Ngun TÊn §ỵc

Trang 19


§å ¸n tèt nghiƯp

ThiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu

NÕu ®Ỉt R =RF + RưĐ th× cã thĨ viÕt ®ỵc ph¬ng tr×nh c¸c ®Ỉc tÝnh cđa hƯ F-§ nh
sau:
K
RI
ω = F .U KF −
Kφ
Kφ
K

R
ω = F U KF −
M
2
Kφ
( Kφ )
C¸c biĨu thøc trªn chøng tá r»ng, khi ®iỊu chØnh dßng ®iƯn kÝch thÝch cđa m¸y
ph¸t th× ®iỊu chØnh ®ỵc tèc ®é kh«ng t¶i cđa hƯ thèng cßn ®é cøng ®Ỉc tÝnh c¬ th×
gi÷ nguyªn. Còng cã thĨ ®iỊu chØnh kÝch tõ cđa ®éng c¬ ®Ĩ cã d¶i ®iỊu chØnh tèc ®é
réng h¬n.

I.2.5. Hệ truyền động xung áp – động cơ ( XA – ĐC ).
Bộ biến đổi xung áp là một nguồn điện áp dùng để điều chỉnh tốc độ động
cơ điện một chiều.
- Sơ đồ nguyên lí và giản đồ xung áp :
Ud

+∅

•

K
∅

U

Vo

KT§C

§C

t
∅

-

∅

t1

TCK

t2

Để cải thiện dạng sóng của dòng điện phần ứng, ta thêm vào mạch một van
đệm V0 .
Có thể sử dụng Thyristor hoặc Trănzitor công suất để thay thế cho khóa K
trong mạch trên. Khi đóng cắt khóa K, trên phần ứng động cơ sẽ có điện áp biến

SVTK : Ngun TÊn §ỵc

Trang 20


§å ¸n tèt nghiƯp

ThiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu

đổi theo dạng xung vuông. Khi ở trạng thái dòng liên tục thì giá trò trung bình

t
t
1
1 U = γ .U
U =
Udt
=
∫
d T
T
CK 0
CK
1

của điện áp ra sẽ là:

Trong đó :t1 – thời gian khóa ở trạng thái đóng ;
t2 – thời gian khóa ở trạng thái mở;
TCK – thời gian thực hiện một chu kì đóng mở của khóa;
γ=

t1
TCK

- là độ rộng của xung áp.

Vậy ta có thể coi bộ biến đổi xung đẳng trò với nguồn liên tục có điện áp ra
Ud và Ud có thể thay thay đổi được bằng cách thay đổi độ rộng xung γ. Mặt
khác, thời gian một chu kì đóng cắt của khóa K rất nhỏ so với hằng số thời gian
cơ học của hệ truyền động, nên ta coi tốc độ và sức điện động phần ứng động cơ

không thay đổi trong thời gian TCK .
- Đặc tính điều chỉnh của hệ XA - ĐC :
ω=
ω=

γ.U
K.Φ đm
γ.U
K.Φ đm

−
−

R ư + R bđ
K.Φ đm
R ư + R bđ
(K.Φ đm ) 2

.I

(1)

.M

(2)

Khi thay đổi γ ta được họ đường thẳng song song có độ cứng β = const và tốc
độ không tải lí tưởng ωo thay đổi theo γ. Nếu nguồn vô cùng lớn thì ta có thể bỏ
qua Rbđ , khi đó độ cứng của đặc tính cơ của hệ có độ cứng là:
β = βTN =

SVTK : Ngun TÊn §ỵc

(K.Φ đm ) 2
Rư

= const

Trang 21


§å ¸n tèt nghiƯp

ThiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu

Tốc độ không tải lí tưởng ωo phụ thuộc vào γ chỉ là giá trò giả đònh. Nó có
thể tồn tại nếu như dòng trong hệ là liên tục kể cả khi giá trò dòng tiến đến 0.
Vì vậy, biểu thức (1) và (2) chỉ đúng với trạng thái dòng liên tục.
Khi dòng điện đủ nhỏ thì hệ sẽ chuyển trang thái từ dòng liên tục sang trạng
thái dòng gián đoạn. Khi đó các phương trình đặc tính điều chỉnh nói trên không
còn đúng nữa mà lúc này đặc tính của hệ là những đường cong rất dốc.
ω
ωo

γ1
γ2
γ3
γ4

M(I)

γ5

§Ỉc tÝnh ®iỊu chØnh
 Nhận xét :
+ Tất cả đặc tính điều chỉnh của hệ XA – ĐC khi dòng điện gián đoạn
đều có chung một giá trò không tải lí tưởng, chỉ ngoại trừ trường hợp γ = 0.
+ Bộ nguồn xung áp cần ít van dẫn nên vốn đầu tư ít. Hệ đơn giản chắc
chắn.
+ Độ cứng của đặc tính cơ lớn.
+ Điện áp dạng xung nên gây ra tổn thất phụ khá lớn trong động cơ. Khi
làm việc ở trạng thái dòng điện giáng đoạn thì đặc tính làm việc kém ổn đònh
và tổn thất năng lượng nhiều.

SVTK : Ngun TÊn §ỵc

Trang 22


§å ¸n tèt nghiƯp

ThiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu

I.2.6. Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều ( CL – ĐC ):
- Sơ đồ nguyên lí :
§K

∼

∅

+

∅

§C

∅

-

∅

KT

∅

CL

Hệ truyền động chỉnh lưu có điều khiển – động cơ ( CL – ĐC ) có bộ biến
đổi là các mạch chỉnh lưu có điều khiển, có sức điện động E d phụ thuộc vào giá
trò của xung điều khiển ( tức là phụ thuộc vào góc điều khiển hay góc mở
Tiristor ).
Điện áp chỉnh lưu Ud ( hay Ed ) là điện áp không tải ở đầu ra, có dạng đập
mạch với số lần đập mạch là n trong một chu kì 2π của điện áp thứ cấp máy
biến áp.
+ Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia : n = m, trong đó m là số pha.
+ Với sơ đồ hình cầu : n = 2.m , m là lẽ.
n = m , m là chẵn
Giả sử điện áp thứ cấp của máy biến áp có dạng hình sin với biểu thức là :

u2 = U2m.sin ωt = U2m.sin θ ,

( với θ = ωt ).

Trong khoảng θ = ( 0 ÷ 2π ) thì dạng điện áp và dòng điện lặp lại như chu kì
ban đầu nên ta chỉ cần xét trong một chu kì T = 2π.

SVTK : Ngun TÊn §ỵc

Trang 23


§å ¸n tèt nghiƯp

ThiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu

- Sơ đồ thay thế của hệ CL – ĐC.
Thyristor

~

Id

U2

E
L∑

R∑

Khi van dẫn thì ta có phương trình cân bằng điện áp như sau :
u 2 − E = I d .R ∑ + L ∑ .

di d
dt

Dùng phương pháp xếp chồng tác động của hai nguồn u 2 và E ta được:
−θ
2m sin(θ − ϕ ) − E + C.e x R
i = iu2 + iE = Z
RΣ
U

x

Trong đó: Z = R 2 + X 2 , ϕ = arctg
, θ = Ωt
R
a. Trạng thái dòng liên tục :
Ở trạng thái dòng liên tục, khi van này chưa khóa thì van kế tiếp đã mở,
việc mở van kế tiếp là điều kiện cần để khóa van đang dẫn. Do vậy, điện áp
của chỉnh lưu sẽ có dạng đường bao của điện áp thứ cấp máy biến áp.
Giá trò trung bình của điện áp chỉnh lưu :
α+

Ud =

n
.
2π

2π
n

∫

α

α+

u 2 .dt =

n
.
2π

2π
n

∫ U 2m .sin θ.dθ

α

n
π
= .sin .U 2 m . cos α = U do . cos α
π
n

SVTK : Ngun TÊn §ỵc

Trang 24


§å ¸n tèt nghiƯp

ThiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu

Trong đó : θ = ω.t
π π
α = α o − ( − ) là góc mở của van;
2 n
n
π
U do = .U 2 m .sin là điện áp một chiều lớn nhất ở đầu ra chỉnh
π
n
lưu ứng với α = 0;
U2m là trò biên độ của điện áp thứ cấp máy biến áp;
n – số lần đập mạch trong một chu kì:
n = 3: đối với sơ đồ hình tia 3 pha
n = 6: đối với sơ đồ hình cầu 3 pha
+ Bỏ qua sụt áp trên van, ta có phương trình đặc tính cơ như sau :
ω=

U do . cos α
R∑
−
M
K.Φ đm

(K.Φ đm ) 2

Trong đó : R ∑ = R ư + R kh + R ba +

n
.X + R v
2π ba

Rư – điện trở của phần ứng động cơ;
Rkh – điện trở của cuộn kháng lọc;
Rba – điện trở của máy biến áp, với R ba = R 2 + R 1.(
Xba – điện kháng máy biến áp, với X ba = X 2 + X1.(

W2 2
)
W1

W2 2
)
W1

Rv – điện trở của các van, ( Rv rất nhỏ có thể bỏ qua );
n
.X - điện trở đẳng trò do quá trình chuyển mạch.
2π ba

SVTK : Ngun TÊn §ỵc

Trang 25