TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ LẮP ĐẶT THỬ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình làm đồ án của mình em đã nhận được sự giúp đỡ rất
nhiều từ thầy Th.s Vũ Ngọc Minhcũng như rất nhiều bạn bè.Nhờ sự giúp đỡ
của thầy cô đặc biệt là thầy Vũ Ngọc Minh nên em đã hoàn thành nội dunng
đề tài tốt nghiệp được giao.Tuy nhiên do kiến thức và thời gian còn hạn chế
nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót.Em rất mong được sự chỉ bảo
của các thầy cô giáo trong khoa để đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên
Nguyễn Hữu Anh

1


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................................ 1
MỤC LỤC....................................................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..................................................................................................... 5
PHẦN MỞ ĐẦU........................................................................................................................... 8
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU ....................... 11
1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều ..................... 11
1.1.1.Cấu tạo ............................................................................................................................ 11
1.1.2.Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều........................................ 12
1.2. Đặc tính cơ và các trạng thái làm việc của động cơ điện một chiều ..... 13
1.2.1. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ song song ............ 13
1.2.2. Động cơ một chiều kích từ nối tiếp................................................................. 21
1.3. Cấu trúc và phân loại hệ thống truyền động điện ........................................ 24
1.3.1. Cấu trúc ...................................................................................................................... 24
1.3.2. Phân loại .................................................................................................................... 25
CHƯƠNG 2.TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC .................................................. 27

2.1.Khái niệm,phân loại và ứng dụng của bộ biến đổi DC/DC ............................ 27
2.1.1.Khái niệm ....................................................................................................................... 27
2.1.2.Phân loại......................................................................................................................... 28
2.1.3.Ứng dụng........................................................................................................................ 28
2.2.Bộ biến đổi DC/DC hai chiều ..................................................................................... 29
2.2.1.Mạch công suất bộ biến đổi .................................................................................... 29
2.2.2.Mô phỏng bộ biến đổi DC/DC................................................................................ 37
CHƯƠNG 3.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ LẮP ĐẶT THỬ
NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC.......................................................................................... 48
3.1.Khả năng hoàn lại từ tải .............................................................................................. 48
3.2.Thiết kế mạch công suất.............................................................................................. 49

2


3.2.1.Sơ đồ nguyên lý mạch công suất .......................................................................... 49
3.2.2.Tính chọn phần tử công suất ................................................................................. 50
3.3.2.Bộ điều khiển trung tâm-Vi điều khiển Dspic ................................................ 54
3.3.3.Phản hổi điện áp,dòng và chuẩn hóa tín hiệu ................................................. 55
3.3.4. IC driver TLP250 ....................................................................................................... 57
3.4.Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển ....................................................... 63
3.4.1.Lưu đồ thuật toán chương trình chính .............................................................. 63
KẾT LUẬN ................................................................................................................................. 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 67

3


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

3.1

Quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra qua LED

51

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Cấu tạo động cơ điện một chiều

1

Hình 1.2

Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều

3

Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11

Đặc tính cơ điện của động cơ 1 chiều kích từ độc
lập
Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ 1 chiều kích từ
độc lập
Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ 1 chiều kích
từ độc lập khi giảm điện áp phần ứng
Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ 1 chiều kích
từ độc lập khi tăng điện trở phụ phần ứng
Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ 1 chiều kích
từ độc lập khi giảm từ thông kích từ
Sơ đồ khởi động và đặc tính cơ lúc khởi động của
động cơ 1 chiều kích từ độc lập 3 cấp điện trở
Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ nối
tiếp
Ảnh hưởng của điện trở mạch phần ứng tới đặc
tính cơ động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp
Sơ đồ mở máy động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

qua 2 cấp điện trở phụ

4
4
6
6
8
9
10
11
12

Hình 1.12

Cấu trúc hệ truyền động điện

14

Hình 2.1

Sơ đồ nguyên lý mạch công suất bộ biến đổi

21

Hình 2.2

Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Buck

21

Hình 2.3

Đồ thị dòng điện cuộn kháng trong chế độ dẫn
dòng liên tục bộ Buck

25

5


Hình 2.4
Hình 2.5

Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi boost
Đồ thị dòng điện cuộn kháng trong chế độ dẫn
dòng liên tục CCM bộ boost

25
26

Hình 2.6

Cửa sổ soạn thảo PSIM

29

Hình 2.7

Phần tử nguồn điện trong PSIM

30

Hình 2.8

Khai báo khối nguồn

32

Hình 2.9

Đặt thông số cho diot

33

Hình 2.10

Đặt thông số cho MOSFET

34

Hình 2.11

Sơ đồ mạch công suất điều khiển DC

36

Hình 2.12

Đặt thông số cho tải

36

Hình 2.13

Đặt thông số cho DC

37

Hình 2.14

Sơ đồ mạch ô phỏng hoàn thiện

37

Hình 2.15

Cài đặt thời gian mô phỏng

38

Hình 2.16

Các biểu thức toán học dùng cho mục đích ghép đồ
thị

39

Hình 2.17

Cửa sổ lựa chọn giá trị đo được đưa ra đồ thị

40

Hình 2.18

Đồ thị dòng,áp trên động cơ DC

41

Hình 2.19

Hiển thị nhiều đồ thị trên một màn hình quan sát

42

Hình 2.20

Đồ thị dòng tải

43

Hình 2.21

Đồ thị dòng qua MOSFET

43

Hình 2.22

Đồ thị dòng qua diot

44

Hình 2.23

Đồ thị vận tốc

44

Hình 3.1.

Sơ đồ nguyên lý mạch công suất

48

Hình 3.2

Sơ đồ mạch nguồn điều khiển và biến trở đặt tốc 56

6


độ
Hình 3.3

Vi điều khiển PIC30F4011

57

Hình 3.4

Sơ đồ đấu nối của cảm biến dòng ACS712

59

Hình 3.5

Cấu hình chân của TLP250

61

Hình 3.6

Sơ đồ nguyên lý TLP250

61

Hình 3.7

Mạch driver

63

Hình 3.8

Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển

64

Hình 3.9

Mạch in driver

65

Hình 3.10

Mạch in công suất

65

Hình 3.11

Lưu đồ thuật toán chính

68

7


PHẦN MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
“Ngày nay, truyền động điện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi
trong mọi lĩnh vực nhờ những ưu thế của nó như kết cấu gọn nhẹ, độ bền và
độ tin cậy cao, tương đối sạch nên không gây ra nhiều vấn đề về môi
trường… Chính vì vậy mà truyền động điện một chiều đang chiếm một vị thế
khá quan trọng trong hệ truyền động điện.Trong quá trình phát triển nền
kinh tế, chúng ta đang từng bước đưa ứng dụng của truyền động điện một
chiều vào hầu hết mọi lĩnh vực sản xuất của các nhà máy, các ngành kinh tế
để tạo ra sản phẩm có chất lượng tốt nhất.Để làm được điều này thì có một

hệ thống điều khiển tốt và chất lượng nguồn điện trước khi sử dụng là vô
cùng quan trọng.Khoa học phát triển cũng đã chế tạo ra những vật liệu mới
rất hữu dụng, một trong số đó chính là vật liệu bán dẫn, đã và đang được
ứng dụng rộng rãi trong điện tử tự động.Chúng được sử dụng để thiết kế,
chế tạo các van bán dẫn công suất, thành phần chính của bộ biến đổi công
suất.Một ưu điểm lớn của các bộ biến đổi công suất đó là khả năng tiết kiệm
năng lượng, yêu cầu quan trọng đặt ra trong quá trình sản xuất.Không
những vậy, hiện nay còn có những bộ biến đổi công suất có khả năng hoàn
trả năng lượng dư trong quá trình sản xuất về nguồn cung cấp”.
2. Mục đích của đề tài
“Mục tiêu của đề tài là đi tìm hiểu về truyền động điện một chiều và
nghiên cứu thiết kế bộ biến đổi DC/DC điều khiển động cơ điện một chiều”.
3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu
“Căn cứ vào mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu,đề tài xác định đối tượng
nghiên cứu cụ thể là (1)Tổng quan về hệ truyền động điện một chiều,(2)giới
thiệu về bộ biến đổi DC/DC và phân tích bộ biến đổi DC/DC,(3)Mô phỏng bộ
biến đổi DC/DC”.

8


-Phạm vi nghiên cứu
“Về mặt nội dung :Đề tài nghiên cứu về hệ truyền động điện một
chiều,hãm tái sinh trả năng lượng về nguồn,phương án chọn và tính toán
van công suất cho bộ biến đổi.Thiết kế bộ biến đổi DC/DC điều khiển động
cơ điện một chiều và nâng cao sự tương tác giữa con người và việc điều
khiển các thiết bị được thuận lợi,dễ dàng hơn”.
4.Phương pháp nghiên cứu khoa học
“Khi tiến hành nghiên cứu đề tài, em sử dụng các phương pháp nghiên

cứu phổ biến trong nghiên cứu khoa học đó là: thu thập thông tin. Nghiên
cứu tài liệu hoặc đối thoại trực tiếp với thầy cô, bạn bè; quan sát trên đối
tượng khảo sát; thực nghiệm trực tiếp trên đối tượng khảo sát hoặc trên
những vật mô phỏng. Sau đó sẽ là xử lý các kết quả nghiên cứu và viết kết
quả nghiên cứu”.
5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
“Kết quả nghiên cứu giúp nâng cao tính tự động hóa trong việc điều
khiển hãm tái sinh qua đó giúp tiết kiệm được năng lượng, tăng năng suất,
hiệu quả ứng dụng trong truyền động điện một chiều”

9


10


CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
1.1.1.Cấu tạo
“Động cơ điện một chiều bao gồm các phần chính sau: vỏ,trục,ổ bi,phần
cảm(stato),phần ứng(roto),cổ góp và chổi điện.

Hình 1.1.Cấu tạo động cơ điện một chiều
1. Phần cảm(stator)
Bao gồm các bộ phận như sau:
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 được làm từ các lá thép KTĐ có độ
dày từ 0.5 đến 1mm ghép lại với nhau.Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ
các bulong.Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng và mỗi cuộn dây

được bọc cách điện bằng sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ.
Cực từ phụ
Được đặt trên các cực từ chính và dung để cải thiện đổi chiều.Lõi thép
các cực từ phụ làm bằng thép đúc,mặt cực có khe khí với roto rộng hơn so
với cực từ chính.Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ các bulong.
Gông từ

11


Gông từ dung làm mạch từ nối liền các cực từ,đồng thời làm vỏ
máy.Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn hàn
lại.Trong máy điện lớn người ta thường dùng thép đúc”.
2.Phần ứng(Roto)
“Gồm lõi thép,cổ góp,trục máy và dây quấn phần ứng.
Lõi thép là mạch từ của roto để dẫn từ,được ghép từ các lá thép KTĐ
dày 0.5mm được cách điện với nhau để giảm tổn hao do dòng xoáy.Đối với
động cơ công suất trung bình và lớn người ta tạo ra các rãnh thông gió.lõi
sắt ép chặt vào trục động cơ.
Dây quấn phần ứng là mạch điện roto.Phần tử của dây quấn là một
bối dây gồm 1 hoặc nhiều vòng dây.hai đầu nối với hai phiếu góp của vành
góp
Cổ góp
Cổ góp hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình đuôi
nhạn ghép thành một khối hình trụ cách điện với nhau và trục máy”
1.1.2.Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
“Khi đặt điện áp một chiều vào phần cảm (Stato) thì trong phần cảm
xuất
hiện từ trường ∅kt. Đồng thời đặt điện áp một chiều vào phần ứng thì
trong dây quấn phần ứng (Roto) xuất hiện dòng điện iư. Do đó thanh dẫn

phần ứng chịu một lực tác động F, có chiều được xác định bằng quy tắc bàn
tay trái. F=BLI lực F sẽ tạo ra mômen quay làm quay rô to.
Để chứng minh nguyên lý làm việc trên, đơn giản ta xét cho máy điện
có rôto là khung dây, Stato là một nam châm điện hai cực Bắc – Nam (N-S)
sau đây:

12


B

C



F
I-

IC

A

-

v1 c1
U

v2 c1

D



kt

(h.1)

-

F

I-

+

c2 v2

B

D

F

I-

+



F

U

A

c2 v1



kt

(h.2)

Hình 1.2.Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều
Trên hình 1.2(1) khi mặt phẳng khung dây ABCD trùng với các đường
sức của từ trường ∅kt, nếu điện áp U mạch ngoài có dương ở chổi C1 âm ở
chổi C2 thì chiều dòng điện chạy trong rôto có chiều là: (+) C1V1 ABCDV1C2(). Dùng quy tắc bàn tay trái, ta xác định được chiều của lực F và từ đó suy ra
chiều momen M và .
Trên hình 1.2(2) tương tự khi mặt phẳng ABCD quay đi 180o so với
hình 1.6(1) ta thấy chiều dòng điện chạy trong phần ứng là:
(+)C1.V2DCBAV1.C2(-) và tương tự ta cũng xác định được chiều của F và
chiều của momen M cũng như  có chiều tương tự ở hình 1.2(1).
Kết luận: Điện áp mạch ngoài là một chiều nhưng dòng phần ứng là
xoay chiều, do đó mọi thời điểm chiều của lực mômen là không đổi.
Chổi than và cổ góp đóng vai trò là cái nghịch lưu cơ khí”.
1.2.

Đặc tính cơ và các trạng thái làm việc của động cơ điện một

chiều

1.2.1. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ song song
1.Phương trình đặc tính cơ
“Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Cuộn kích từ được cấp điện từ
nguồn một chiều độc lập với nguồn điện cấp cho rôto.
Nếu cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng được cấp điện bởi cùng một
nguồn điện thì động cơ là loại kích từ song song.Trường hợp này nếu nguồn
điện có công suất rất lớn so với công suất động cơ thì tính chất động cơ sẽ
tương tự như động cơ kích từ độc lập.
13


Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn dây phần ứng quay trong từ
trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng xuất hiện một sức điện động cảm
ứng có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Theo sơ đồ
nguyên lý trên hình 1.8, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của
mạch phần ứng (rôto) như sau”:
Uư = Eư + (Rư + Rp).Iư

(1.1)

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

(1.2)

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

pN
2a

pN
.  K.
2a

(1.3)

là hệ số kết cấu của động cơ

∅ - Từ thông qua mỗi cực từ.
p - Số đôi cực từ chính.
N - Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng.
a - Số mạch nhánh song song của cuộn ứng.
Hoặc ta có thể viết:
Eư = Ke.∅.n

(1.4)

14

Và



2n
n

60 9,55

Vậy: Ke = K/ 9,55 = 0,105K
Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng khi có dòng điện,
rôto quay dưới tác dụng của mômen quay:
M = K.∅.Iư

(1.5)

Từ hệ 2 phương trình (1.1) và (1.3) ta có thể rút ra được phương trình
đặc tính cơ điện biểu thị mối quan hệ ω = f(I) của động cơ điện một chiều
kích từ độc lập như sau:


U - R-  Rp

IK
K

(1.6)

Từ phương trình (1.6) rút ra Iư thay vào phương trình

M ds  M dt .F  k f  f Iu

ta được phương trình đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ ω

= f(M) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau:


U - R-  Rp

M
K K 2

(1.7)

Có thể biểu diễn đặc tính cơ dưới dạng khác:
ω = ω0 - Δω
Trong đó:

(1.8)
0 

UK

 

gọi là tốc độ không tải lý tưởng.

R-  Rp

K 2

M gọi là độ sụt tốc độ

Phương trình đặc tính cơ (1.8) có dạng hàm bậc nhất y = B + Ax, nên
đường biểu diễn trên hệ tọa độ M0ω là một đường thẳng với độ dốc âm.
Đường đặc tính cơ cắt trục tung 0ω tại điểm có tung độ: 0  U - . Tốc độ ω0
K

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

15


ω
ω0
ωđ
m

0

Iđm

Inm

Iư

Hình 1.3.Đặc tính cơ điện của động cơ 1 chiều kích từ độc lập
Khi phụ tải tăng dần từ MC = 0 đến MC = Mđm thì tốc độ động cơ giảm

dần từ ω0 đến ωđm. Điểm A (Mđm,ωđm) gọi là điểm định mức. Rõ ràng đường
đặc tính cơ có thể vẽ được từ 2 điểm ω0 và A. Điểm cắt của đặc tính cơ với
trục hoành 0M có tung độ ω = 0 và có hoành độ suy từ phương trình :
M  M nm  Kdm

U dm
 Kdm.I nm
R-

(1.9)

w
w0
w

A

M
0

M dm

M nm

Hình 1.4.Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ 1 chiều kích từ độc lập
« Mômen Mnm và Inm gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn
mạch.Đó là giá trị mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi
được cấp điện đầy đủ mà tốc độ bằng 0.Trường hợp này xảy ra khi bắt đầu
mở máy và khi động cơ đang chạy mà bị dừng lại vì bị kẹt hoặc tải lớn quá
kéo không được. Dòng điện Inm này lớn và thường bằng » :

Inm = (10 ÷ 20).Iđm
Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tượng tồn tại kéo dài .
2.Ảnh hưởng thông số điện với đặc tính cơ

16


Phương trình đặc tính cơ   Ebm cos   U 
k  dm

R
M
(k  dm )2 cho

ta thấy đường đặc

tính cơ bậc nhất phụ thuộc vào hệ số phương trình,ta sẽ xét các hệ số này.
a.Thay đổi điện áp phần ứng
Vì điện áp phần ứng không vượt giá trị định mức nên ta chỉ thay đổi giảm
đi
Uư biến đổi; Rp = const; ∅= const
Trong phương trình đặc tính cơ,ta thấy độ dốc đường đặc tính không thay
đổi:


R-  R p

K 2

M  const

17


Tốc đọ không tải lý tưởng thay đổi tỉ lệ thuận với điện áp:
0 

U var
K

w
w0
w1
w2

TN
Udm
U1
U2
U3
..
M
.

w3

0

Hình 1.5.Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ 1 chiều kích từ độc lập khi giảm
điện áp phần ứng

“Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng ta được một họ các đường đặc tính
cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên và thấp hơn đường đặc tính cơ tự
nhiên”.
a. Thay đổi điện trở mạch phần ứng
Điện trở mạch phần ứng thay đổi về phía tăng Rưf
Uư = const ;Rưf = var; ∅ = const
w
TN

w0

Ru

0

0 < R p1 < R p2 < R p3

R u + R p1
R u + R p2
M
M c.dm

R u + R p3

Hình 1.6. Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ 1 chiều kích từ độc lập khi tăng
điện trở phụ phần ứng
Trường hợp này, tốc độ không tải giữ nguyên:
0 

U const

K

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

R-  R p

K 2

M  var

18


Như vậy, khi tăng điện trở Rưf trong mạch phần ứng, ta được một họ
các đường đặc tính cơ nhân tạo cùng đi qua điểm (0, ω0)
b. Thay đổi từ thông kích từ
“Để thay đổi từ thông Ф ta sẽ thay đổi dòng kích từ nhờ biến trở mắc ở
kích từ của động cơ.Vì tăng điện trở mạch kích từ nên từ thông kích từ chỉ
thay đổi về phía giảm so với từ thông định mức”

0 

R  Rp
U var  M  var
K
K 2

“Khi giảm từ thông kích từ thì tốc độ không tải lý tưởng tăng,còn độ
cứng đặc tính cơ giảm.Họ đặc tính cơ nhân tạo như hình sau”:

w
w3
w2
w1

ø1

>

ø2

>

ø3

>

...

w0
TN
0

M

ødm

Hình 1.7.Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ 1 chiều kích từ độc lập khi giảm
từ thông kích từ
3.Khởi động động cơ điện kích từ độc lập

“Nếu khởi động động cơ điện một chiều bằng phương pháp đóng trực
tiếp thì ban đầu tốc độ động cơ bằng 0 nên dòng khởi động ban đầu rất
lớn.Như vậy nó đốt nóng mạnh động cơ và gây nên hiện tượng sụt áp lưới
điện hoặc làm cho sự chuyển mạch gặp khó khăn hoặc momen mở máy quá
lớn sẽ tạo ra các xung lực làm hệ truyền động bị giật,rung lắc và có thể gây
nguy hiểm như vỡ bánh răng,đứt cáp,đứt xích……Tình trạng càng xấu hơn
khi hệ TĐĐ thường xuyên phải khởi động,đảo chiều,hãm điện thường xuyên
như ở các loại máy cán có đảo chiều,cần trục,thang máy,máy cắt…
Để đảm bảo an toàn cho máy, thường chọn: Ikđbđ = Inm ≤ Icp = 2,5Iđm

19


Muốn thế,người ta đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng khi bắt
đầu khởi động và sau đó loại dần chúng ra khỏi để đưa tốc độ động cơ xác
lập.
I kdbd  I nm 

U dm
 2  2,5I dm  I cp
R-  R p

(1.10)

Công suất động cơ lớn thì chọn I mở máy nhỏ.Trong quá trình mở
máy,tốc độ động cơ tăng dần,sức điện động của động cơ cũng tăng theo và
dòng điện động cơ giảm:
I

U  ER-  R p

(1.11)

do đó momen động cơ cũng giảm.
Nếu cứ giữ nguyên điện trở phụ trong mạch phần ứng thì khi tốc độ
tăng theo đường đặc tính 1 tới B thì momen động cơ giảm từ momen mở
máy xuống bằng momen cản,động cơ sẽ quay ổn định với tốc độ thấp.Do
vậy,khi momen giảm đi một giá trị nào đó thì phải cắt dần điện trở phụ để
động cơ tiếp tục quá trình mở máy cho đến điểm A trên đường đặc tính cơ
tự nhiên.
Khi bắt đầu cấp điện cho động cơ với toàn bộ điện trở khởi động,
mômen ban đầu của động cơ sẽ có giá trị là Mmm. Mômen này lớn hơn
mômen cản tĩnh Mc do đó động cơ bắt đầu được gia tốc. Tốc độ càng tăng
lên thì mômen động cơ càng giảm xuống. Trong quá trình đó mômen động
(chênh lệch giữa mômen động cơ và mômen cản: ΔM = MĐ - MC) giảm dần
nên hiệu quả gia tốc cũng giảm theo. Đến một tốc độ nào đó, tiếp điểm 1G
đóng lại, một đoạn điện trở khởi động bị nối tắt..Mômen động cơ lại tăng
lên, gia tốc lớn hơn và sau đó gia tốc lại giảm dần khi tốc độ tăng. Tiếp theo
quá trình lại xảy ra tương tự như vậy: sau khi đóng tiếp điểm 2G mômen
động cơ giảm và tiếp điểm 3G đóng lại thì động cơ chuyển sang làm việc
trên đặc tính cơ tự nhiên”.

20


a

b

Hình 1.8.Sơ đồ khởi động và đặc tính cơ lúc khởi động của động cơ điện 1

chiều kích từ độc lập với 3 cấp điện trở
1.2.2. Động cơ một chiều kích từ nối tiếp
1.Phương trình đặc tính cơ
“Với cách mắc nối tiếp, dòng điện kích từ bằng dòng điện phần ứng Ikt =
Iư nên cuộn dây kích từ nối tiếp có tiết diện dây lớn và số vòng dây ít. Từ
thông của động cơ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng, tức là phụ thuộc vào
tải:
∅ = K'.Iư
Trong đó K' là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của cuộn dây kích từ.
Phương trình trên chỉ đúng khi mạch từ không bão hoà từ và khi dòng
điện Iư< (0,8.0,9) Iđm.
Tiếp tục tăng Iư thì tốc độ tăng từ thông ∅ chậm hơn tốc độ tăng Iư rồi
sau đó khi tải lớn (Iư> Iđm) thì có thể coi ∅=const vì mạch từ đã bị bão hòa.
Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều nói
chung:
Uư = Eư + (Rư + Rưf).Iư
Eư = K.∅.ω
M = K.∅.Iư = K.K'. Iư2

(1.12)
(1.13)
(1.14)

Ta có thể tìm được phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một
chiều kích từ nối tiếp:
21




U
'



K .K . M

R- 
K .K '

(1.15)

Thực tế, động cơ thường được thiết kế để làm việc với mạch từ bão hòa
ở vùng tải định mức. Do vậy, khi tải nhỏ đặc tính cơ có dạng đường
hypecbol bậc 2 và mềm, còn khi tải lớn (trên định mức) đặc tính có dạng
gần thẳng và cứng hơn vì mạch từ đã bảo hòa (∅ = const). Khi MC = 0 (Iư =
0), theo phương trình đặc tính cơ (1.15) thì trị số ω sẽ vô cùng lớn. Thực tế
do có lực ma sát ở cổ trục động cơ và mạch từ khi Ikt = 0 vẫn còn có từ dư
(∅dư ≠ 0) nên khi không tải
MC ≈ 0, tốc độ động cơ lúc đó sẽ là.
0 

U
Kd-

Tốc độ này không phải lớn vô cùng nhưng do từ dư

(1.16)
dư

nhỏ nên ω0

cũng lớn hơn nhiều so với trị số định mức (5 ÷ 6) ωđm và có thể gây hại và
nguy hiểm cho hệ TĐĐ. Vì vậy không được để động cơ một chiều kích từ nối
tiếp làm việc ở chế độ không tải hoặc rơi vào tình trạng không tải. Không
dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp với các bộ truyền đai hoặc ly hợp
ma sát... Thông thường,
tải tối thiểu của động cơ là khoảng (10 ÷ 20)% định mức. Chỉ những
động cơ công suất rất nhỏ (vài chục Watt) mới có thể cho phép chạy không
tải”.

Hình 1.9.Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp
2.Ảnh hưởng các thông số với đặc tính cơ
22


“Ở động cơ điện này,dòng phần ứng là dòng kích từ nên tải của động cơ
hầu như không bị ảnh hưởng bởi điện áp.
Phương trình đặc tính cơ (1.15) cho thấy đặc tính cơ bị ảnh hưởng bởi
điện trở mạch động cơ.Đặc tính cơ tự nhiên cao nhất ứng với điện trở phụ
bằng 0”.

Hình 1.10.Ảnh hưởng của điện trở mạch phần ứng tới đặc tính cơ động cơ
điện một chiều kích từ nối tiếp.
Trị số Mmm suy từ phương trình đặc tính cơ khi cho ω = 0
M mm

Trong đó:

U

 K .K 
 R'

I nm 

2


2
  K .K ' .I nm


(1.17)

U
R-

3.Mở máy động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
“Lúc mở máy động cơ,ta phải đưa thêm điện trở vào mạch động cơ để
hạn chế dòng khởi động không vượt quá 2,5 Idm.Trong quá trình động cơ
tăng tốc,phải cắt dần điện trở phụ và khi kết thúc quá trình này,động cơ sẽ
làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên không có điện trở phụ.Khi động cơ
được cấp điện, các tiếp điểm K1 và K2 mở để nối các điện trở R1 và R2 vào
mạch động cơ. Dòng điện qua động cơ được hạn chế trong giới hạn cho
phép ứng với mômen mở máy: Mmm = M1 = (2÷2,5) Mđm
Động cơ bắt đầu tăng tốc theo đặc tính cơ 1 từ điểm a đến điểm b. Cùng
với quá trình tăng tốc, mômen động cơ giảm dần. Tới điểm b, tốc độ động cơ
là ω2 và mômen là M2=(1,1 ÷ 1,3)Mđm thì tiếp điểm K2 đóng, cắt điện trở mở

23

máy R2 ra khỏi mạch động cơ. Động cơ chuyển từ đặc tính cơ 2 sang làm
việc tại điểm c trên đặc tính cơ 1. Thời gian chuyển đặc tính vô cùng ngắn
nên tốc độ động cơ
coi như giữ nguyên. Đoạn bc song song với trục hoành OM. Lúc này
mômen động cơ lại tăng từ M2 lên M1, động cơ tiếp tục tăng tốc nhanh theo
đặc tính cơ 1 Khi mômen động cơ giảm xuống còn M2 thì điện trở mở máy
R1 còn lại được cắt nốt ra khỏi mạch động cơ nhờ đóng tiếp điểm K1. Động
cơ chuyển sang làm việc tại điểm e trên đặc tính cơ tự nhiên và lại tăng tốc
theo đặc tính này tới làm việc tại điểm A. Tại đây, mômen động cơ MĐ cân
bằng với mômen cản MC nên động cơ sẽ quay với tốc độ ổn định ωA”.

Hình 1.11.Sơ đồ mở máy động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp qua 2 cấp
điện trở phụ.
1.3. Cấu trúc và phân loại hệ thống truyền động điện
1.3.1. Cấu trúc
Về cấu trúc chung thì một hệ thống TĐĐ sẽ có cấu trúc chung như hình
sau:

24


BÐ

Ð

TBL

M

ÐK

Hình 1.12.Cấu trúc hệ thống truyền động điện
“BĐ là bộ biến đổi dùng để biến đổi dòng điện,biến đổi loại
nguồn(nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại),biến đổi mức điện áp,số
pha,tần số…các bộ biến đổi thường dùng là bộ biến đổi máy phát động
cơ,chỉnh lưu không điều khiển,có điều khiển”….
“Đ là động cơ điện dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay
ngược lại khi hãm điện xảy ra.Ta có các động cơ điện thường dùng là động
cơ một chiều kích từ song song,nối tiếp,động cơ xoay chiều đồng bộ.
TBL là khâu truyền lực dùng để truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu
sản xuất hoặc làm phù hợp về tốc độ,momen,lực.Để truyền lực ta có thể sử
dụng các bánh răng,thanh răng,xích,dây chuyền,dây curoa,các bộ cơ điện
từ….
M là máy sản xuất hoặc cơ cấu thực thi nhiệm vụ như dịch chuyển,tịnh
tiến,nâng hạ cần,tải trọng,gia công công nghệ….
ĐK là khâu điều khiển là các thiết bị dùng để điều khiển các bộ biến đổi
BĐ,động cơ Đ,thiết bị truyền lực.Khối điều khiển gồm các cơ cấu điều khiển
đóng cắt,đo lường,các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ,thiết bị đóng cắt
rơ le,cảm biến như cảm biến ánh sang,hành trình”...
1.3.2. Phân loại
Người ta phân loại theo cách khác nhau tùy theo đặc điểm của động cơ
điện trong hệ,theo đặc điểm chủng loại,theo mức độ tự động hóa…
25