Thiết kế mạch băm xung một chiều để điều chỉnh động cơ một chiều kích từ độc lập

Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học
LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng 1 vai trò rất quan trọng
trong quá trình công nghiệp hoá đất nước. Sự ứng dụng của điện tử công suất trong
các hệ thống truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và
việc dễ dàng tự động hoá cho các quá trình sản xuất. Các hệ thống truyền động điều
khiển bởi điện tử công suất đem lại hiệu suất cao. Kích thước, diện tích lắp đặt
giảm đi rất nhiều so với các hệ truyền động thông thường như: Khuếch đại từ, máy
phát - động cơ ...
Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công
suất chúng em đã được giao thực hiện đề tài:Thiết kế mạch băm xung một chiều
có đảo chiều để điều chỉnh động cơ một chiều kích từ độc lâp.
Với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo: Nguyên Thị Minh Tâm chúng
em đã tiến hành nghiên cứu,thiết kế đề tài và hoàn thành đúng thời hạn được giao.
Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn
chế nên không thể tránh khỏi sai sót kính mong thầy cô, và các bạn đóng góp ý kiến
để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

1


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Chương I: Tổng quan về động cơ điện một chiều kich từ độc lập
1.1 Thị trường động cơ điện một chiều
Cùng với sự phát triển phát ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả
về chiều rộng lẫn chiều sâu, điện và các máy điện đóng vai trò rất quan trọng,
không thể thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh
hoạt con người. Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng là mũi nhọn
quyết định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp. Không một
quốc gia náo, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện.
Do tính ưu việt của hệ thống diện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền tải..., cả
máy phát và động cơ điện xoay chiềucó cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ
vận hành... mà máy điện( động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng
rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất
định như: trong công nghiệp giao thông vận tải, và nối chung ở các thiết bị cần
điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng(như trong cán thép,máy
công cụ lớn, đầu máy điện...) Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo
động cơ điện một chiều cùng cỡ thì gá thành đắt hơn do sư dụng kim loại nhiều
hơn, chế tạo bảo quản cổ góp hức tạp hơn... nhưng do đó nhuwngx ưu điển của
nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
1.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và các phương pháp điều khiển
đảo chiều động cơ
1.2.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động (rôtor)
1.2.1.1 Phần tĩnh (stator)

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

2


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Gồm các phần chính sau:
a. Cực từ chính:
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. Cực từ được gắn chặt vào vỏ nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được quấn
bằng dây đồng bọc cách điện.

b. Cực từ phụ:
Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều
c. Gông từ:
Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
d. Các bộ phận khác
- Nắp máy
- Cơ cấu chổi than.
1.2.1.2 Phần quay (rotor)
Gồm các bộ phận sau:
a. Lõi sắt phần ứng:
Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ. thông thường dùng những lá thép kỹ thuật điện
dày 0,5 mm phủ cách điện ở hai đầu rồi ép chặt lại. Trên lá thép có dập hình dạng
rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào
GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh

Nguyễn Văn Thống

3


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

b. Dây quấn phần ứng:
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua. Thường làm
bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện
tròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn
được cách điện với rãnh của lõi thép.
c. Cổ góp:
Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện
xoay chiều thành một chiều. cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách
điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn.
Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dây
quấn vào các phiến góp được dễ dàng.
d. Các bộ phận khác:
- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy.
- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy
thường làm bằng thép Cacbon tốt.
1.2.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:

b
F®t

A+

I

a
I
c
F
®t

d

BGVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

4

n


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Hình 1:Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều
Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần
ứng có dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu
lực điện từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc
bàn tay trái. Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ
nhau do có phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi

đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi. Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ
trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay
phải.
Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên
Eư còn gọi là sức phản điện động.
Phương trình cân bằng điện áp: U= Eư+Rư.Iư
Trong đó:

Rư: điện trở phần ứng
Iư: dòng điện phần ứng ; Eư: sức điện động

Theo yêu cầu của đề bài ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều kích rừ
độc lập. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dòng điện kích từ không phụ
thuộc vào dòng điện phần ứng nghĩa là từ thông của động cơ không phụ thuộc vào
phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ.

+

-

U-

I

E
KT

IKT
+
GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm

SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

UKT

5

-


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Hình2 : Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
1.2.1.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập

Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (M) của động cơ.
Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông...) động cơ vận hành ở chế độ
định mức với đặc tính cơ tự nhiên (Mđm , wđm).
Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông số
nguồn hay nối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ.
Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ
 được tính như sau  

M


 lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi
 nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng.

   đặc tính cơ tuyệt đối cứng.

1.2.1.5

Sơ đồ nguyên lý:
+

U-

+
CKT

E-

E-

-

Rf

IKT

RKT

CKT
Rf

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh

Nguyễn Văn Thống

-

U-

6

RKT


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều
Khi nguồn điện 1 chiều có công suất lớn và điện áp không đổi thì mạch kích
từ thường mắc song song với mạch phần ứng.
Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng
và mạch kích từ mắc vào 2 nguồn một chiều độc lập.
Trường hợp Rf= 0:
U= E + Iư.Rư

(1)

Trong đó; E= Ke.  .n
Ke =

p.n
60 a

(2)

: hệ số sức điện động của động cơ

a: số mạch nhánh song song của cuộn dây
K=

p.n
: hệ số cấu tạo của động cơ
2 a

 : tốc độ góc tính bằng rad/s

p: số đôi cực chính
N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
Thế (2) vào (1) ta có:  =

Hoặc:

n=

Uu
R
 u Iu
K . K .

Uu
R
 u Iu

K e . K e .

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

(3)

(4)

7


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Phương trình (4) biểu diễn mối quan hệ n= f(Iư) gọi là phương trình đặc tính cơ
điện.
Mặt khác: M= M= K.Ф.Iư (5): là mômen điện từ của động cơ.
Suy ra: n=

Uu
Ru

.M là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều
K e . K e ..K 

kích từ độc lập.
Hoặc:  =

Uu
Ru

M = 0  
K . ( K . ) 2

trong đó:  0 : tốc độ không tải lý tưởng
 : độ sụt tốc độ

1.2.1.6.Ảnh hưởng của các thông số tới tốc độ động cơ:
Từ phương trình đặc tính cơ:  =

U u Ru  R f

M ta nhận thấy muốn thay đổi
K . ( K . ) 2

tốc độ  ta có thể thay đổi  , Rf , U.
 Trường hợp Rf thay đổi (Uư= Uđm= const; Ф= Фđm= const):
Độ cứng đặc tính cơ:  

( K dm ) 2
M
=
giảm. Nếu Rf càng lớn thì tôcf độ động cơ

Ru  R f

càng giảm đồng thời dòng ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên

người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng và điều chỉnh tốc độ
động cơ ở phía dưới tốc độ cơ bản.
 Trường hợp thay đổi U< Uđm

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

8


Khoa:Điện – Điện tử
Tốc độ không tải  0 

Đồ án môn học

( K ) 2
M
U
giảm trong khi độ cứng đặc tính cơ  
=


Ru
K

const. Khi thay đổi điện áp ta thu được 1 họ các đường đặc tính song song. Phương
pháp này được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng khởi động.
 Ảnh hưởng của từ thông:
Muốn thay đổi  ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải  

U dm
tăng.
K

( K ) 2
M
Độ cứng đặc tính cơ:  
=
giảm.

Ru

1.2.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc
lập:
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông
số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông…
Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu
cầu. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:
Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển
tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản suất
Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làmkhảo sát sự điều
chỉnh tốc độ theo phương pháp thứ hai.
Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khi
phụ tải thay đổi của động cơ điện.
Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt
hơn so với các loại động cơ khác. Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh

Nguyễn Văn Thống

9


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại
đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng.
1.2.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng:
Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh
điện áp trên mạch phần ứng thì dòng điện, moment sẽ không thay đổi. Để tránh
những biến động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương pháp
điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được áp
dụng cho động cơ một chiều kích từ độc lập.
Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều
áp như: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ… Các bộ
biến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và
điều chỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu.

n

Ru  R f
U

M
KE K E KM 2

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
Ta có tốc độ không tải lý tưởng: n0 = Uđm/KEđm. Độ cứng của đường đặc tính
cơ:

 

dM
K K 2
 E M
dn
Ru  R f

Khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ thì tốc độ không tải lý
tưởng sẽ thay đổi nhưng độ cứng của đường đặc tính cơ thì không thay đổi.

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

10


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Như vậy: Khi ta thay đổi điện áp thì độ cứng của đường đặc tính cơ không
thay đổi. Họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với đường đặc tính cơ tự
n

nhiên:
n0

TN ( Uđm )
ncb
n1

U1

n2

U2

n3

U3

Uđm > U1 > U2 > U3
ncb > n1 > n2 > n3
M

MC

Hình 4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng thực
chất là giảm áp và cho ra những tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản ncb. Đồng thời điều
chỉnh nhảy cấp hay liên tục tùy thuộc vào bộ nguồn có điện áp thay đổi một cách
liên tục và ngược lại.
Theo lý thuyết thì phạm vi điều chỉnh D = . Nhưng trong thực tế động cơ
điện một chiều kích từ độc lập nếu không có biện pháp đặc biệt chỉ làm việc ở

phạm vi cho phép: Umincp =

U đm
nghĩa là phạm vi điều chỉnh:
10

D = ncb/nmin = 10/1. Nếu điện áp phần ứng U < Umincp thì do phản ứng phần ứng sẽ
làm cho tốc độ động cơ không ổn định.
 Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào
phần ứng động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ nên được
dùng nhiều trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb.

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

11


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

 Ưu điểm: Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể
điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tưởng.
 Nhược điểm: Phải cần có bộ nguồn có điện áp thay đổi được nên vốn đầu tư
cơ bản và chi phí vận hành cao.

1.2.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng các thay đổi từ thông:

+ 



U

-

Iư
Eư


Ckt
+ 

Rkt


Ukt

-

Hình 5: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng
Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh
moment điện từ của động cơ M = KMIư và sức điện động quay của động cơ
Eư = KEn. Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữ
nguyên giá trị định mức.
GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

12


Khoa:in in t

ỏn mụn hc

ụi vi cỏc mỏy in nh v ụi khi c cỏc mỏy in cụng sut trung binh,
ngi ta thng s dng cỏc bin tr t trong mch kớch t thay ụi t thụng
do tụn hao cụng sut nh. ụi vi cỏc mỏy in cụng sut ln thi dung cỏc b bin
ụi c bit nh: mỏy phỏt, khuch i mỏy in, khuch i t, b bin ụi van
Thc cht ca phng phỏp ny l gim t thụng. Nu tng t thụng thi dũng
in kớch t Ikt se tng dn n khi h cun dõy kớch t. Do ú, iu chnh tục
ch cú th gim dũng kớch t tc l gim nh t thụng so vi inh mc. Ta thy
lỳc ny tục tng lờn khi t thụng gim: n =

U
K E .

Mt khỏc ta cú: Moment ngn mch Mn = KM In nờn khi gim se lm cho
Mn gim theo.

cng ca ng c tớnh c:


KE KM 2
R

Khi gim thi cng cung gim, c tớnh c se dục hn. Nờn ta cú h

ng c tớnh c khi thay ụi t thụng nh sau:
n

ủm > 1 > 2
ncb < n1 < n2

1
n1
n2

2

ncb

m

M

0 MC M2 M1 Mn

Hỡnh 6: Hoù ủaởc tớnh cụ khi thay ủoồi tửứ
thoõng.

GVHD: Nguyờn Thi Minh Tõm
SVTH: Nguyờn inh Thinh
Nguyờn Vn Thụng

13

Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh
được tốc độ vô cấp và cho ra những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản.
Theo lý thuyết thì từ thông có thể giảm gần bằng 0, nghĩa là tốc độ tăng đến
vô cùng. Nhưng trên thực tế động cơ chỉ làm việc với tốc độ lớn nhất:
nmax = 3.ncb tức phạm vi điều chỉnh: D =

n max
3
=
1
n cb

Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta có một tốc độ lớn nhất cho phép. Khi điều
chỉnh tốc độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ không thể
đổi chiều dòng điện và chịu được hồ quang điện. Do đó, động cơ không được làm
việc quá tốc độ cho phép.
Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể
điều chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn n cb. Phương pháp này được
dùng để điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là máy bào giường. Do
quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng
lượng ít, mang tính kinh tế.
1.2.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần
ứng:
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch
phần ứng có thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều. Trong phương pháp
này điện trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo sơ đồ

nguyên lý như sau:

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

14


Khoa:Điện – Điện tử
+

Đồ án môn học





U
Iö

-



Rf
E



Ckt Rkt
+

UKT





-

Hình 7: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ
trên mạch phần ứng.
n

Ru  R f
U

M
KE
KE KM 2

Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
Khi thay đổi giá trị điện trở phụ Rf ta nhận thấy tốc độ không tải lý tưởng: và
độ cứng của đường đặc tính cơ:
n0 

U dm
 const
K E  dm

;    KE KM 

2

dm

Ru  R f

sẽ thay đổi khi giá trị Rf thay đổi. Khi Rf càng lớn,  càng nhỏ nghĩa là đường đặc
tính cơ càng dốc. Ứng với giá trị Rf = 0 ta có độ cứng của đường đặc tính cơ tự
nhiên được tính theo công thức sau:

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

15


Khoa:Điện – Điện tử
 TN  

Đồ án môn học
K E K M  2 dm
Ru

Ta nhận thấy TN có giá trị lớn nhất nên đường đặc tính cơ tự nhiên có độ
cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có đóng điện trở phụ trên mạch phần
ứng. Vậy khi thay đổi giá trị Rf ta được họ đặc tính cơ như sau:

n
n0
ncb

TN

0 < Rf1 < Rf2 < Rf3
ncb > n1 > n2 > n3

n1
Rf1
n2
Rf2

n3
0

M, I
MC
Rf3

Hình 8:Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần
ứng được giải thích như sau: Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ n1 ta
đóng thêm Rf vào mạch phần ứng. Khi đó dòng điện phần ứng Iư đột ngột giảm
xuống, còn tốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi. Dòng Iư giảm làm

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh

Nguyễn Văn Thống

16


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

cho moment động cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làm việc xác lập tại
tốc độ n2 với n2 > n1.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ n < ncb.
Trên thực tế không thể dùng biến trở để điều chỉnh nên phương pháp này sẽ cho
những tốc độ nhảy cấp tức độ bằng phẳng  xa 1 tức n1 cách xa n2, n2 cách xa n3…
Khi giá trị nmin càng tiến gần đến 0 thì phạm vi điều chỉnh:
D=

ncb

nmin

Trong thực tế, Rf càng lớn thì tổn thất năng lượng phụ tăng. Khi động cơ làm
việc ở tốc độ n = ncb/2 thì tổn thất này chiếm từ 40% đến 50%. Cho nên, để đảm
bảo tính kinh tế cho hệ thống ta chỉ điều chỉnh sao cho phạm vi điều chỉnh:
D=

( 2  3)
1

Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm. Đồng thời dòng điện

ngắn mạch In và moment ngắn mạch Mn cũng giảm. Do đó, phương pháp này được
dùng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản. Và tuyệt đối
không được dùng cho các động cơ của máy cắt kim loại.
Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên
mạch phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn ncb.
Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho cần
trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép.
Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào
càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụ
GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

17


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

tải thay đổi càng kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn
hao phụ càng tăng.
1.2.2.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng các rẽ mạch phần ứng:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ
mạch phần ứng có sơ đồ nguyên lý như sau:

+

U







E

Cktt
tttT

-

Rn

IS

RS





Iư



In



Rkt

Hình 9: Sơ đồ nguyên lý phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng.

Một hệ thống khi điều chỉnh cần tốc độ nhỏ hơn n cb và điều chỉnh nhảy cấp.
Hệ thống có độ cứng tương đối lớn và thiết bị vận hành đơn giản thì người ta dùng
phương pháp rẽ mạch phần ứng hay còn gọi là phân mạch.
Theo phương pháp rẽ mạch phần ứng thì phần ứng động cơ nối song song
với điện trở và nối nối tiếp với một điện trở khác. Phương pháp này giống với
phương pháp thay đổi điện trở trên mạch phần ứng nhưng điện áp phần ứng lại
không thay đổi. Do đó, phương pháp này đòi hỏi phải:
- Điện áp đặt vào phần ứng động cơ không thay đổi.
- Vì dòng kích từ không thay đổi nên khi điều chỉnh tốc độ, từ thông không đổi
làm cho moment phụ tải cho phép được giữ không đổi và bằng trị số định mức.

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

18


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Ta có phương trình đặc tính cơ:
R S Rn
RS

R S  Rn
U
n

M
K E  R S  Rn
KE KM 2
R S Rn
Ru 
RS
R S  Rn
n  n0

M
R S  Rn
KE K M2
Ru 

 n' 0  n 0

RS
 n0
RS  Rn

Từ phương trình trên, ta nhận thấy tốc độ động cơ nĐ < ncb. Mặt khác ta có:
Ru  Rn  Ru 

RS
 Ru
RS  Rn

 R   R   PM   TN
f

n

Độ cứng của đường đặc tính cơ rẽ mạch phần ứng PM nhỏ hơn độ cứng của
đặc tính cơ tự nhiên TN nhưng lại lớn hơn độ cứng của đặc tính cơ có điện trở phụ
Rf với điện trở phụ chính là Rn.
Để điều chỉnh tốc độ động cơ trong trường hợp này ta tiến hành như sau:
 Giữ nguyên Rn, thay đổi giá trị RS:
- Khi RS = 0: Đây là trạng thái hãm động năng với tốc độ hãm động năng
nHĐN = 0.

Ta có họ đặc tính cơ như sau:

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

19


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

n
n0
RS2

RS1

TN

RS1 < RS2

n3

n1 < n2

n2
n1

IA
MC

I



RS = 0
RS = 

Hình 10: Họ đặc tính cơ khi Rn = const, RS thay đổi.
Như vậy, khi giữ nguyên Rn, thay đổi giá trị RS thì vùng điều chỉnh tốc độ bị
hạn chế và modun độ lớn đặc tính cơ tăng dần khi tốc độ giảm.
 Giữ nguyên RS, thay đổi giá trị Rn:
-

Khi Rn = 0: RS không ảnh hưởng đến đường đặc tính cơ. Lúc này ta

xem RS như là tải nối song song với động cơ. Ta có được đường đặc
tính cơ tự nhiên.

-

Khi Rn = : Động cơ điện bị hở mạch nên không có điện áp rơi trên
phần ứng động cơ. Đây là trạng thái hãm động năng với RHĐN = RS.
Ta có : IB = Uđm/RS. Ta có họ đặc tính cơ như sau:

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

20


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

n
n0
ncb

TN ( RN = 0 )

n1

Rn1

n2

0 n2 < n1 < ncb

Rn2
I

IB

MC

Hình11:Họ đặc tính cơ khi RS = const, Rn thay đổi.

Vậy khi giữ nguyên RS và thay đổi Rn thì phạm vi điều chỉnh không bị
hạn chế như trường hợp trên. Nhưng khi tốc độ giảm xuống thì độ cứng đường
đặc tính cơ lại bị giảm xuống.
 Ngoài ra còn có phương pháp thay đổi đồng thời giá trị của RS và Rn:
Phương pháp này thường được sử dụng trong thực tế. So với phương
pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng ta nhận
thấy: Khi tốc độ và moment động cơ như nhau nghĩa là khi công suất cơ như
nhau dòng điện nhận từ lưới trong sơ đồ rẽ mạch phần ứng luôn luôn lớn hơn
trong sơ đồ điều chỉnh bằng điện trở phụ trên mạch phần ứng một lượng bằng
dòng điện chạy qua RS.
Phương pháp này chỉ dùng cho cần trục, cầu trục, thang máy, máy cán
thép. Đồng thời tuyệt đối không dùng cho máy cắt kim loại.

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

21


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng thì điều
chỉnh tốc độ nhảy cấp và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb.
Ưu điểm:
- Với cùng một tốc độ yêu cầu thì độ cứng của đường đặc tính cơ phân mạch
có độ cứng lớn hơn đặc tính cơ dùng điện trở phụ trên mạch phần ứng.
- Thiết bị vận hành đơn giản.
1.2.3 Kết luận
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có nhiều hạn chế so
với phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng, phương pháp thay đổi thonng bị han
chế bởi các điều kiện cơ khi: đó chính là điều kiện chuyển mạch của cổ góp điện.
Cụ thể phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu điểm hơn như sau:
1– Hiệu suất điều chỉnh cao hơn( phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt
để) hơn, khi ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng tổn thất công
suất điều khiển nhỏ.
2 – Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắn
mạch giảm, dòng điện ngắn mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong lúc
khởi động động cơ.
3– Độ sụt tuyệt đôi trên toàn dải điều chỉnh ứng vơií một mômen điều chỉnh
xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục.
Tuy vậy phương án này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải có nguồn
áp điều chỉnh được song nó là không đáng kể so với vai tro và ưu điểm của nó. Vậy
nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi.

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

22


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Chương II: Các linh kiện bán dẫn cấu thành bộ băm xung một
chiều
2.1_ Mạch cầu H dùng relay
Rờ le là một dạng “công tắc” (switch) cơ điện (electrical mechanical
device, không phải cơ điện tử đâu nhé :) ). Gọi là công tắc cơ điện vì chúng
gồm các tiếp điểm cơ được điều khiển đóng mở bằng dòng điện. Với khả
năng đóng mở các tiếp điểm, rờ le đúng là một lựa chọn tốt để làm khóa cho
mạch cầu H. Thêm nữa chúng lại được điều khiển bằng tín hiệu điện, nghĩa là
chúng ta có thể dùng AVR (hay bất kỳ chip điều khiển nào) để điều khiển rờ
le, qua đó điều khiển mạch cầu H.
Có 3 cực trên rờ le này. Cực C gọi là cực chung (Common), cực NC là tiếp
điểm thường đóng (Normal Closed) và NO là tiếp điểm thường mở (Normal
Open). Trong điều kiện bình thường, khi rờ le không hoạt động, do lực kéo
của lò xo bên trái thanh nam châm sẽ tiếp xúc với tiếp điểm NC tạo thành một
kết nối giữa C và NC, chính vì thế NC được gọi là tiếp điểm thường đóng
(bình thường đã đóng). Khi một điện áp được áp vào 2 đường kích Solenoid
(cuộn dây của nam châm điện), nam châm điện tạo ra 1 lực từ kéo thanh nam
châm xuống, lúc này thanh nam châm không tiếp xúc với tiếp điểm NC nữa

mà chuyển sang tiếp xúc với tiếp điểm NO tạo thành một kết nối giữa C và
NO. Hoạt động này tương tự 1 công tắc chuyển được điều khiển bởi điện áp
kích Solenoid. Một đặc điểm rất quan trọng trong cách hoạt động “đóng –
mở” của rờ le là tính “cách li”. Hai đường kích nam châm điện hoàn toàn
cách li với các tiếp điểm của rờ le, và vì thế sẽ rất an toàn. Có 2 thông số quan
trọng cho 1 rờ le là điện áp kích Solenoid và dòng lớn nhất mà các điểm điểm
chịu được. Điện áp kích solenoid thường là 5V, 12V hoặc 24V, việc kích
solenoid chính là công việc của chip điều khiển (ví dụ AVR). Vì tiếp xúc giữa
cực C và các tiếp điểm là dạng tiếp xúc tạm thời, không cố định nên rất dễ bị
hở mạch. Nếu dòng điện qua tiếp điểm quá lớn, nhiệt có thể sinh ra lớn và
làm hở tiếp xúc. Vì thế chúng ta cần tính toán dòng điện tối đa trong ứng
dụng của mình để chọn rờ le phù hợp.

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

23


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Hình 4. Mạch cầu H dùng rờ le.
Trong mạch cầu H dùng rờ le ở hình 4, 4 diode được dùng để chống hiện
tượng dòng ngược (nhất là khi điều khiển động cơ). Các đường kích solenoid
không được nối trực tiếp với chip điều khiển mà thông qua các transistor, việc
kích các transistor lại được thực hiện qua các điện trở. Tạm thời chúng ta gọi
tổ hợp điện trở + transistor là “mạch kích”, tôi sẽ giải thích rõ hơn hoạt động

của mạch kích trong phần tiếp theo.
Mạch cầu H dùng rờ le có ưu điểm là dễ chế tạo, chịu dòng cao, đặc biệt
nếu thay rờ le bằng các linh kiện tương đương như contactor, dòng điện tải có
thể lên đến hàng trăm ampere. Tuy nhiên, do là thiết bị “cơ khí” nên tốc độ
đóng/mở của rờ le rất chậm, nếu đóng mở quá nhanh có thể dẫn đến hiện
tượng “dính” tiếp điểm và hư hỏng. Vì vậy, mạch cầu H bằng rờ le không
được dùng trong phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM. Trong
phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu các linh điện có thể thay thế rờ le trong
mạch cầu H, gọi là các “khóa điện tử” với khả năng đóng/mở lên đến hàng
nghìn hoặc triệu lần trên mỗi giây.

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

24


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

2.2_Mạch cầu H dùng mosfet
MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect
Transistor tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và oxit bán dẫn.
Hình 11 mô tả cấu tạo của MOSFET kênh n và ký hiệu của 2 loại MOSFET
kênh n và kênh p.

Hình 11. MOSFET.
MOSFET có 3 chân gọi là Gate (G), Drain (D) và Source (S) tương ứng

với B, E và C của BJT. Bạn có thể nguyên lý hoạt động của MOSFET ở các
tài liệu về điện tử, ở đây chỉ mô tả các kích hoạt MOSFET. Cơ bản, đối với
MOSFET kênh N, nếu điện áp chân G lớn hơn chân S khoảng từ 3V thì
MOSFET bão hòa hay dẫn. Khi đó điện trở giữa 2 chân D và S rất nhỏ (gọi là
điện trở dẫn DS), MOSFET tương đương với một khóa đóng. Ngược lại, với
MOSFET kênh P, khi điện áp chân G nhỏ hơn điện áp chân S khoảng 3V thì
MOSFET dẫn, điện trở dẫn cũng rất nhỏ. Vì tính dẫn của MOSFET phụ thuộc
vào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dòng IB),
MOSFET được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện áp, rất lý tưởng cho các
mạch số nơi mà điện áp được dùng làm mức logic (ví dụ 0V là mức 0, 5V là
mức 1).
MOSFET thường được dùng thay các BJT trong các mạch cầu H vì dòng
mà linh kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho các mạch công
suất lớn. Do cách thức hoạt động, có thể hình dung MOSFET kênh N tương
đương một BJT loại npn và MOSFET kênh P tương đương BJT loại pnp.
Thông thường các nhà sản xuất MOSFET thường tạo ra 1 cặp MOSFET gồm
1 linh kiện kênh N và 1 linh kiện kênh P, 2 MOSFET này có thông số tương
đồng nhau và thường được dùng cùng nhau. Một ví dụ dùng 2 MOSFET
GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm
SVTH: Nguyễn Đình Thịnh
Nguyễn Văn Thống

25