Tính toán, thiết kế chế tạo mạch điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song

Đồ án môn học
VI XỬ LÍ TRONG ĐIỀU KHIỂN
Sinh viên thực hiện :

Phạm Quang Quyết 576215

Lớp

: K57-TDHB

Khoá học

: 57

Ngành đào tạo

: Tự Động Hóa

Tên đề tài: Tính toán, thiết kế chế tạo mạch điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
kích từ song song.
 Số liệu cho trước:

- Các trang thiết bị đo, kiểm tra tại xưởng thực tập, thí nghiệm ĐTCS- TNMĐ
- Các tài liệu, giáo trình chuyên môn.
 Nội dung cần hoàn thành:
1 Lập kế hoạch thực hiện
2 Giới thiệu động cơ điện một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ.
3 Thiết kế, chế tạo mạch điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều đảm bảo yêu

cầu: P = 370W; U = 220DCV
Kiểm tra, thử nghiệm sản phẩm tại phòng 203B5.

4
5
6

Khảo sát, phân tích kết quả đạt được.
Sản phẩm của đề tài đảm bảo tính công nghiệp và có tính khả thi trong thực tiễn.
Trình bày quyển thuyết minh theo yêu cầu: font – times new roman; lề phải 2.5cm;
lề trái 3cm; cách trên 2cm, cách dưới 2cm; đề mục các chương (phần) chữ viết
hoa cỡ 13, các đề mục chính chữ thường in đậm, nội dung chính chữ 13. Cấu trúc
thuyết minh theo yêu cầu hiện hành của bộ môn.

7
Giáo viên hướng dẫn:
Lại Văn Song

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Page 1


................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................

................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................

Page 2


MỤC LỤC

Page 3


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây cả nước ta đang bước vào công cuộc công nghiệp hoáhiện đại hoá đất nước, sự giáo dục đóng vai trò quan trọng trong công cuộc này,đặc biệt
là đào tạo ra đội ngũ có tay nghề cao biết kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và thực tiễn vào
lao động sản xuất. Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện-điện tử, công nghệ
thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiều tiến bộ
mới. Tự động hoá quá trình sản xuất đang được phổ biến rộng rãi trong các hệ
thống công nghiệp trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Tự động hoá không
những làm giảm nhẹ sức lao động cho con người mà còn góp phần rất lớn trong việc
nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm.
Với mục tiêu công nghiệp hoá-hiện đại hoá đất nước, ngày càng có thêm nhiều xí
nghiệp mới sử dụng kỹ thuật cao, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức
về điện tử công suất, về truyền động điện, về vi mạch và xử lý trong công tác kỹ thuật
hiện tại. Trong đó điện tử công suất đã và đang đóng một 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 em được giao nhiệm vụ làm đồ án môn điện tử công suất và truyền động
điện với đề tài: “Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ
song song” nhằm củng cố về mặt kiến thức trong quá trình thực tế.
Với sự hướng dẫn của cô ‘‘LẠI VĂN SONG ’’ chúng em đã tiến hành
nghiên
cứu và thiết kế đề tài.Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có
hạn nên không thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cô đóng góp ý kiến để đề tài hoàn
thiện hơn.

Chúng em xin trân thành cảm ơn.!

Page 4


CHƯƠNG I : TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Như ta đã biết máy phát điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện hoặc động
cơ điện. Động cơ điện một chiều là thiết bị quay biến đổi điện năng thành cơ năng.
Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Động cơ điện một chiều được
sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải. Động cơ điện một chiều
gồm những loại sau đây:

- Động cơ điện một chiều kích từ song song
- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
1.1.Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động (rôtor)
1.1.1. Phần tĩnh (stator)
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.

Page 5


1.1.2. 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
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. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:

Hình 1.1:Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều
Page 6


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 F đt
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 E ư ngược chiều với dòng điện I ư 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
+

UKT

-

Hình1.2 : Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
1.3. Phương trình đặc tính cơ của động cơ
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).

Page 7


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

∆β =

β

được tính như sau

β

∆M
∆ω

lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi

β

nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng.

β →∞

đặc tính cơ tuyệt đối cứng.
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.
1.3.1.Phương trình đặc tính cơ:
Trường hợp Rf= 0:
U= E + Iư.Rư

(1)

Trong đó; E= Ke.

Ke =

p.n
60a

Φ

.n

(2)

: hệ số sức điện động của động cơ

a: số mạch nhánh song song của cuộn dây

K=
ω

p.n
2 aπ

: hệ số cấu tạo của động cơ

: tốc độ góc tính bằng rad/s
Page 8


p: số đôi cực chính
N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.

Thế (2) vào (1) ta có:

ω

Hoặc:

=

n=

Uu
R
− u Iu
K .φ K .φ

Uu
R
− u Iu
K e .φ K e .φ

(3)

(4)

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=
từ độc lập.

Hoặc:

ω

trong đó:

Uu
Ru
−
.M
K e .φ K e .φ .K Φ

Uu
Ru
−
M
K .φ ( K .φ ) 2

=

=

ω
0

∆ω

là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích

ω 0 − ∆ω

: tốc độ không tải lý tưởng
: độ sụt tốc độ

1.3.2.Ảnh hưởng của các thông số tới tốc độ động cơ:

Từ phương trình đặc tính cơ:
ω

ta có thể thay đổi
•

φ

ω

U u Ru + R f
−
M
K .φ ( K .φ ) 2

=

ta nhận thấy muốn thay đổi tốc độ

, Rf , U.

Trường hợp Rf thay đổi (Uư= Uđm= const; Ф= Фđm= const):

Page 9

∆M
β=
∆ω

( Kφ dm ) 2
−
Ru + R f

Độ cứng đặc tính cơ:
=
giảm. Nếu Rf càng lớn thì tôcf độ động cơ
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
ω0 =

∆M
β=
∆ω

U
Kφ

−

( Kφ ) 2
=
Ru

Tốc độ không tải
giảm trong khi độ cứng đặc tính cơ
=
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

Φ

ω=

ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải

β=
cứng đặc tính cơ:

∆M
∆ω

−

=

( Kφ ) 2
Ru

U dm
Kφ

tăng. Độ

giảm.

1.4. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều:
1.4.1. Khái niệm chung:
1.4.1.1. Định nghĩa:
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.

Page 10


Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức tạp
của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh. Vì vậy, ta khảo 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 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.
1.4.1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ:
Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào
các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện:
a. Hướng điều chỉnh tốc độ:
Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơn hay bé
hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trên đường đặc tính cơ tự
nhiên.
b.Phạm vi điều chỉnh tốc độ (dãy điều chỉnh):
Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất n max và tốc độ bé nhất nmin mà
người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức: D = nmax/nmin.
Trong đó:
- nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học.
- nmin: Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thường người ta chọn
nmin làm đơn vị.
Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng hệ thống,
khả năng từng phương pháp điều chỉnh.
c. Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ:

Page 11


Độ cứng: β = ∆M/∆n. Khi β càng lớn tức ∆M càng lớn và ∆n nhỏ nghĩa là độ ổn định
tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều. Phương pháp điều chỉnh tốc độ tốt nhất là
phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc tính cơ. Hay nói cách
khác β càng lớn thì càng tốt.
d. Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ:
Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ. Độ liên tục khi điều chỉnh tốc

độ γ được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:

γ=

ni
ni +1

Trong đó: ni : Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i.
ni + 1: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 ).
Với ni và ni + 1 đều lấy tại một giá trị moment nào đó.
γ tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục. Lúc này hai cấp
tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vô cấp.
γ ≠ 1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp.
e. Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ:
Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làm việc
của động cơ η là cao nhất khi tổn hao năng lượng ∆Pphụ ở mức thấp nhất.
f. Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ:
Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một hệ thống
điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Đồng thời hệ thống
phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết bị phổ
thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau.
1.4.2. 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
Page 12


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
K EΦ KE KM Φ2

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích

từ độc lập:
β =

dM
K K Φ2
=− E M
dn
Ru + R f

Ta có tốc độ không tải lý tưởng: n 0 = Uđm/KEΦđm. Độ cứng của

đường đặc tính cơ:
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.
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 nhiên:

n
n0
ncb
n1
n2
n3

TN ( Uđm )

MC

U1
U2
U3

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

Hình 1.3: Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ
Page 13


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 n cb. 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
10

nghĩa là phạm vi điều chỉnh:

D = ncb/nmin = 10/1. Nếu điện áp phần ứng U < U mincp 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.

•

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.
1.4.3. Điều chỉnh tốc độ bằng các thay đổi từ thông:
•

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh moment điện
từ của động cơ M = KMφIư và sức điện động quay của động cơ
Eư = KEφn. Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên
giá trị định mức.
Page 14

Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các máy điện công suất trung bình, người ta
thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từ thông do tổn hao công
suất nhỏ. Đối với các máy điện công suất lớn thì dùng các bộ biến đổi đặc biệt như: máy
phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, bộ biến đổi van…
Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông. Nếu tăng từ thông thì dòng điện
kích từ Ikt sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ. Do đó, để điều chỉnh tốc độ chỉ có thể
giảm dòng kích từ tức là giảm nhỏ từ thông so với định mức. Ta thấy lúc này tốc độ tăng

lên khi từ thông giảm: n =

U
K E .Φ

KE KM Φ2
β =−
R

Mặt khác ta có: Moment ngắn mạch Mn = KM
làm cho Mn giảm theo.

Φ

In nên khi

Φ

giảm sẽ

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Φ
Khi
giảm thì độ cứng β cũng giảm, đặc tính cơ sẽ dốc hơn. Nên ta có họ đường
đặc tính cơ khi thay đổi từ thông như sau:

Hình 1.5: họ đặc tính cơ khi thay đổi từ thông
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.
Page 15


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 =

nmax
ncb

=

3
1

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 ncb. 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.
1.4.4. 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:

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ
trên mạch phần ứng.

Page 16


n=

Ru + R f
U
−
M
KEΦ
KE KM Φ2

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 Φ dm

;

β =−

K E K M Φ 2 dm
Ru + R f

sẽ thay đổi khi giá trị Rf thay đổi. Khi Rf càng lớn, β 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:

β TN = −

K E K M Φ 2 dm
Ru

Ta nhận thấy βTN 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:

Page 17


Hình 1.7: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 n 1 ta đóng thêm
Rf vào mạch phần ứng. Khi đó dòng điện phần ứng I ư đột ngột giảm xuống, còn tốc độ
động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi. Dòng I ư giảm làm 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 < n cb. 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 γ 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
n min ≈ ∞

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.

Page 18


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 tải thay đổi càng
kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng tăng.
1.4.5. 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:

Hình 1.8: 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 ncb 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.
Ta có phương trình đặc tính cơ:

Page 19


R S Rn

RS
R S + Rn
U
n=
−
M
K E Φ R S + Rn
KE KM Φ2
R S Rn
Ru +
RS
R S + Rn
n = n0
−
M
R S + Rn
KE K MΦ2
Ru +

⇒ n' 0 = n0

Ru + Rn > Ru +

RS
< n0
R S + Rn

RS
> Ru
RS + Rn

β R f = β Rn < β PM < β TN
Từ phương trình trên, ta nhận thấy tốc độ động cơ n Đ <
ncb. Mặt khác ta có:

Độ cứng của đường đặc tính cơ rẽ mạch phần ứng βPM nhỏ hơn độ cứng của đặc tính cơ
tự nhiên βTN nhưng lại lớn hơn độ cứng của đặc tính cơ có điện trở phụ βRf 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.
Page 20


Hình 1.9: 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 R HĐN = RS. Ta có : IB =
Uđm/RS.

Ta có họ đặc tính cơ như sau:
n
n0
ncb
n1

TN
Rf1

n2

Rf2

n3
0

0 < Rf1 < Rf2 < Rf3
3

MC

M, I

Rf3
Page 21

Hình 1.10: Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.

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.
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.

Page 22


CHƯƠNG II : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG.

2.1. Sơ đồ khối.

Khối nguồn

Khối điều khiển

Khối công suất

Động cơ

2.2.khái quát chung :
Như ta đã biết để điều chỉnh được động cơ điện thì ta phải chọn mạch lực để điều
khiển động cơ. Tùy thuộc vào yêu cầu điều chỉnh, công suất động cơ mà ta đưa ra
phương án chọn mạch lực điều khiển động cơ hợp lý, tối ưu với yêu cầu đề ra. Sau đây
chúng em giới thiệu một số mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều chỉnh động cơ điện 1 chiều
dùng Thyristor như sau:
2.3. Chọn sơ đồ chỉnh lưu
2.3.1 Sơ đồ cầu chỉnh lưu 1 pha:
Ưu điểm:
- Sơ đồ mạch lực, mạch điều khiển đơn giản
- Không cần sử dụng bộ đổi nguồn 3 pha.
- Điện áp ra sau chỉnh lưu tương đối ổn định, có tính liên tục.
Nhược điểm:
Page 23


- Điện áp sau khi chỉnh lưu nhỏ (U1/Ud lớn)
- Sử dụng không hiệu quả công suất MBA
- Sử dụng các mạch chỉnh lưu công suất nhỏ.

a. Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.1;Sơ đồ mạch bán điều khiển
b. Nguyên lý làm việc:
∞

2

ω

Giả sử Ld = điện áp phía thứ cấp u2 =
U2 .sin t với góc điều khiển
mạch đang làm việc ở chế độ xác lập. Khi van dẫn sụt áp trên nó bằng 0.
Trước thời điểm

ω

α

. Xét

t= v1 cặp van T1 và T3 dẫn điện khi đó ta có:

uT2 = uT3 = 0; utải = - u2 ; uT1 = uT4 = u2; iT2 = iT3 = itải ; iT1 = iT4 = 0.
ω

Đến thời điểm t= v1 cấp xung điều khiển mở cặp van T 1 và T4 lúc này cặp van
T1 và T4 sẽ dẫn điện, cặp van T1 và T3 bị phân cực ngược nên không dẫn điện, khi đó ta
có: uT1 = uT4 = 0; utải = u2; uT2 = uT3 = - u2; iT1= iT4= itải; iT2 = iT3 = 0.
ω

Đến thời điểm t = π, u2 = 0 có xu hướng âm dần và - u 2 = 0 có xu hướng dương
dần. Tuy nhiên điện áp nguồn lúc này tác động ngược chiều với chiều dẫn dòng của dòng
điện qua tải, cho nên suất điện động cảm ứng do L d tạo ra cho cặp van T1 và T4 tiếp tục

Page 24


dẫn điện, còn cặp van T1 và T3 chưa dẫn do chưa có xung điều khiển kích mở. Lúc này ta
có:
uT1= uT4= 0; utải = u2 < 0; uT2 = uT3 = - u2 > 0; iT1 = iT4= itải; iT2 = iT3= 0.
ω

α

Đến thời điểm t =π+ phát xung điều khiển mở cặp van T 2 và T3, lúc này cặp
van T2 và T3 sẽ dẫn điện còn cặp van T1 và T4 bị phân cực ngược nên không dẫn điện. Ta
có: uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4 = u2 < 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0.
ω

Đến thời điểm t =2π, u2= 0 và có xu hướng dương dần, còn - u 2 = 0 có xu hướng
âm dần, tuy nhiên cặp van T2 và T3 sẽ tiếp tục dẫn do suất điện động của cuộn cảm tải tạo
ra để chống lại sự biến thiên của dòng điện. Cặp van T 1 và T4 chưa dẫn điện do chưa có
xung điều khiển kích mở ta có:
uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4= u2 > 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0.
Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự như trên.
c.Ứng dụng
Mạch này có thể dung được với nhiều loại phụ tải khác nhau, với nhiều ưu tiên
riêng (các cặp van luôn phiên nhau dẫn, có thể điều chỉnh được trơn điện áp đầu ra)
2.3.2 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển:

a. sơ đồ nguyên lý
U2

U2
D2

T
2

T1
A

F

T
2

D
1
B
Rd

E

F

T1
A

D

1

D2
B
Rd

Ld

Hình 2.2: a: sơ đồ nối cùng cực tính

Ld

b:sơ đồ nối ngược cực tính

Page 25

E