ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP GHÉP NỐI MÁY TÍNH( Đầy đủ file đính kèm)

§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Chương I

đại cương về mỏy điện một chiều
"Trong nền sản xuất hiện đại, mỏy điện một chiều vẫn được xem là một loại mỏy
quan trọng. Nú cú thể dựng làm động cơ điện, mỏy phỏt hay dựng trong những điều
kiện làm việc khỏc.
Động cơ điện một chiều cú đặc tớnh điều chỉnh tốc độ rất tốt, vỡ vậy mỏy được
dựng nhiều trong những ngành cụng nghiệp cú yờu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như
cỏn thộp, hầm mỏ, giao thụng vận tải.
Tuy vậy mỏy điện một chiều cũng cú những nhược điểm của nú như: so với mỏy
điện xoay chiều thỡ giỏ thành đắt hơn, sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo và
bảo quản cổ gúp phức tạp ... Nhưng do những ưu điểm của nú nờn mỏy điện một
chiều vẫn cú một tầm quan trọng nhất định trong sản xuất.
Cụng suất lớn nhất của mỏy điện một chiều hiện nay vào khoảng 10.000 kW,
điện ỏp vào khoảng vài trăm cho đến 1000 V. Hướng phỏt triển hiện nay là cải tiến
tớnh năng của vật liệu, nõng cao chỉ tiờu kinh tế của mỏy và chế tạo những mỏy cụng
suất lớn hơn."
I. cấu tạo của mỏy điện một chiều
1. Phần tĩnh hay stato
Đõy là một phần đứng yờn của mỏy. Phần tĩnh gồm cỏc bộ phận tĩnh sau:
a. Cực từ chớnh
Cực từ chớnh là bộ phận sinh ra từ trường gồm cú lừi sắt cực từ và dõy quấn
kớch từ lồng ngoài lừi sắt cực từ. Lừi sắt cục từ làm bằng những lỏ thộp kỹ thuật điện
hay thộp cỏc bon dày 0.5 đến 1mm ộp lại và tỏn chặt. Trong mỏy diện nhỏ cú thể làm
bằng thộp khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ mỏy nhờ cỏc bu lụng.
Dõy quấn kớch từ được quấn bằng dõy đồng cỏch điện và mỗi cuộn dõy đều

được bọc cỏch điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cỏch điện trước khi đặt trờn cỏc
cực từ. Cỏc cuộn dõy kớch từ đặt trờn cỏc cực từ này được nối nối tiếp với nhau.
b. Cực từ phụ
Cực từ phụ được đặt giữa cỏc cực từ chớnh và dựng để cải thiện đổi chiều. Lừi
thộp của cực từ phụ thường làm bằng thộp khối và trờn thõn cực từ phụ cú đặt dõy
quấn mà cấu tạo giống như dõy quấn cực từ chớnh. Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờ
những bu lụng.
c. Gụng từ
Gụng từ dựng để làm mạch từ nối liền cỏc cực từ , đồng thời làm vỏ mỏy . trong
mỏy điện nhỏ và vừa thường dựng thộp tấm dày uốn và hàn lại , Trong mỏy điện lớn
thường dựng thộp đỳc . Cú khi trong mỏy điện nhỏ dựng gang làm vỏ mỏy .
b. Cỏc bộ phận khỏc
Cỏc bộ phận khỏc gồm cú :
- Nắp mỏy: để bảo vệ mỏy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dõy
quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện. Trong mỏy điện nhỏ và vừa, nắp
mỏy cũn cú tỏc dụng làm giỏ đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp mỏy thường làm
bằng gang.
- Cơ cấu chổi than: Để đưa dũng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than
gồm cú chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lũ xo tỡ chặt lờn cổ gúp. Hộp
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 1


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

chổi than được cố định trờn giỏ chổi than và cỏch điện với giỏ. Giỏ chổi than cú thể
quay được để điều chỉnh vị trớ chổi than cho đỳng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thỡ

dựng vớt cố định chặt lại.
2. Phần quay rotor :Phần quay gồm cú những bộ phận sau:
a. Lừi sắt phần ứng
Lừi sắt phần ứng dựng để dẫn từ. Thường dựng những tấm thộp kỹ thuật điện
(thộp hợp kim silic) dày 0.5 mm phủ cỏch điện mỏng ở hai mặt rồi ộp chặt lại để
giảm hao tổn do dũng điện xoỏy gõy nờn. Trờn lỏ thộp cú dập hỡnh dạng rónh để sau
khi ộp lại thỡ đặt dõy quấn vào.
b. Dõy quấn phần ứng
Dõy quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động và cú dũng điện chạy qua.
Dõy quấn phần ứng thường làm bằng dõy đồng cú bọc cỏch điện. Trong mỏy điện
nhỏ (cụng suất dưới vài kW) thường dựng dõy cú tiết diện trũn. Trong mỏy điện vừa
và lớn, thường dựng dõy tiết diện hỡnh chữ nhật. Dõy quấn được cỏch điện cẩn thận
với rảnh của lừi thộp.
c. Cổ gúp
Cổ gúp (cũn gọi là vành gúp hay vành đổi chiều ) dựng để đổi chiều dũng điện
xoay chiều thành dũng điện một chiều.
d. Cỏc bộ phận khỏc
- Cỏnh quạt: Dựng để quạt giú làm nguội mỏy.
- Trục mỏy: Trờn đú đặt lừi sắt phần ứng, cổ gúp cỏnh quạt và ổ bi. Truc mỏy
thường làm bằng thộp cỏc bon tốt.
3 . Cỏc trị số định mức
Chế độ làm việc định mức của mỏy điện một chiều là chế độ làm việc trong
những điều kiện mà xưởng chế tạo đó quy định. Chế độ đú được đặc trưng bằng
những đại lượng ghi trờn nhón mỏy và gọi là những đại lượng định mức. Trờn nhón
mỏy thường ghi những đại lượng sau:
Cụng suất định mức Pđm (KW hay W);
Điện ỏp định mức Uđm (V);
Dũng điện định mức Iđm (A);
Tốc độ định mức nđm (vg/ph).
Ngoài ra cũn ghi kiểu mỏy, phương phỏp kớch từ, dũng điện kớch từ và cỏc số

liệu về điều kiện sử dụng.
II. đặc tớnh cơ của động cơ điện một chiều kớch từ độc lập
1. Khỏi niệm chung
Đặc tớnh cơ của động cơ là quan hệ giữa tốc độ và moment của động cơ:
 = f (M) hoặc n = f (M).
Đặc tớnh cơ trờn cú thể biểu diễn ở dạng hàm thuận hoặc hàm ngược, vớ dụ:  =
f (M) hay M = f(  ).
Ngoài đặc tớnh cơ, đối với động cơ điện một chiều người ta cũn sử dụng đặc
tớnh cơ điện. Đặc tớnh cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dũng điện trong
mạch động cơ:  = f (I) hay n = f (I).
Trong cỏc biểu thức trờn:
 - tốc độ gúc, rad/s
n - tốc độ quay, v/p
M - moment, N.m.
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 2


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Trong nhiều trường hợp để đơn giản trong tớnh toỏn hoặc dễ dàng so sỏnh, đỏnh
giỏ cỏc chế độ làm việc của truyền động điện, người ta cú thể dựng hệ đơn vị tương
đối.
Muốn biểu diễn một đại lượng nào đú dưới dạng tương đối ta lấy trị số của nú
chia cho trị số cơ bản của đại lượng đú. Cỏc đại lượng cơ bản thường được chọn là:
U
U

100%
hoặc U *% =
U dm
U dm

U*=

Tương tự cỏc thụng số khỏc:
I =

I
I dm

M

R


,  =
, R =
,  =
hoặc   =
M dm
dm
Rcb
 dm
o

, M=

Việc chọn cỏc đại lượng cơ bản là tuỳ ý, sao cho cỏc biểu thức tớnh toỏn là đơn
giản thuận tiện như:
Tốc độ động cơ điện một chiều kớch từ độc lập và kớch từ hỗn hợp là tốc độ
khụng tải lý tưởng o, với động cơ khụng đồng bộ và động cơ đồng bộ là tốc độ đồng
bộ 1, cũn với động cơ kớch từ nối tiếp tốc độ cơ bản là dm .
Trị số điện trở cơ bản là: Rcb
Với cỏc động cơ điện một chiều: Rcb =

U dm
I dm

2. Đặc tớnh cơ của động cơ điện một chiều kớch từ độc lập
Khi nguồn điện một chiều cú cụng suất vụ cựng lớn và điện ỏp khụng đổi thỡ
mạch kớch từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lỳc này động cơ được gọi là
động cơ kớch từ song song (H1-1).
E
Ckt
Ikt

E

Uư

Rkt
Rf

Hỡnh 1-1 Sơ đồ nối dõy của
động cơ kớch tự song song

Uư

Rf

Ckt

Rkt

Ikt
Ukt
Hỡnh 1-2 Sơ đồ nối dõy của
động cơ kớch từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều cú cụng suất khụng đủ lớn thỡ mạch điện phần ứng
và mạch kớch từ được mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau (H 1-2), lỳc này
động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kớch từ độc lập.
a. Phương trỡnh đặc tớnh cơ
Theo sơ đồ H1-1và H1-2, cú thể viết phương trỡnh cõn bằng điện ỏp của mạch
phần ứng như sau:
Uư = Eư +(Rư +Rf ).Iư ,
(2-1)
Trong đú:
Uư : điện ỏp phần ứng (V)
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 3


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Eư : sức điện động phần ứng (V)
Rư : điện trở của mạch phần ứng (  )
Rf : điện trở phụ trong mạch phần ứng (  )
Iư : dũng điện mạch phần ứng (A).
Với Rư = rư + rcf +rb + rct ,
rư : điện trở cuộn dõy phần ứng,
rcf : điện trở cuộn cực từ phụ ,
rct : điện trở tiếp xỳc của chổi than.
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xỏc định theo biểu thức:
Eư =

pN
   K  ,
2 .a

(2-2)

Trong đú:
p : số đụi cực từ chớnh,
N : số thanh dẫn tỏc dụng của cuộn dõy phần ứng,
a : số đụi mạch nhỏnh song song,
 : từ thụng kớch từ dưới một cực từ, Wb,
 : tốc độ gúc , rad /s ,
K=

pN
: hệ số cấu tạo của động cơ.
2 .a

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vũng/phỳt) thỡ

Eư = Ke  n,
(2-3)
2 .n
n

Và  =
60

9,55
pN
n
Vỡ vậy
Eư =
60a
pN
Đặt Ke =
: Hệ số sức điện động của động cơ,
60a
K
0,105 K .
Ke =
9,55

Từ (2-1) và (2-2 ) ta cú:
=

R  Rf
U

I

K
K

(2-4)

Biểu thức (2-4) là phương trỡnh đặc tớnh cơ điện của động cơ.
Mặt khỏc moment điện từ Mđt của động cơ được xỏc định bởi:
Mđt = K  Iư
(2-5)
Suy ra :

Iư =

M dt
.
K

Thay giỏ trị Iư vào cụng thức (2-4) ta được:
=

R  Rf
U

M dt
K ( K  ) 2

(2-6)

Nếu bỏ qua cỏc tổn thất cơ và tổn thất thộp thỡ moment cơ trờn trục động cơ
bằng moment điện từ, ta ký hiệu M. Nghĩa là Mđt = Mcơ = M.

=

R  Rf
U

M
K ( K ) 2

(2-7)

Đõy là phương trỡnh đặc tớnh cơ của động cơ điện một chiều kớch từ độc lập.
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 4


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Giả thiết phản ứng phần ứng được bự đủ, từ thụng  = const, thỡ cỏc phương
trỡnh đặc tớnh cơ điện (2-4) và phương trỡnh đặc tớnh cơ (2-7) là tuyến tớnh. Đồ thị
của chỳng được biểu diễn trờn hỡnh H1-3 và H1-4 là những đường thẳng.

o



☻
ư

o

đm

đm

M

I
Iđm

Mđ

Inm

Mnm

m

Hỡnh 1-4 Đặc tớnh cơ
Hỡnh 1-3 Đặc tớnh cơ điện
của
động cơ điện
của động cơ điện một chiều
một
kớch
từtrờn,
độckhi
lậpI = 0 hoặc M = 0 ta

Theo cỏc
đồ thị
cú: chiều kớch từ độc
ư
lập
=

U
 o ,
K

(2-8)

o dược gọi là tốc độ khụng tải lý tưởng của động cơ. Cũn khi  =0 ta cú:
U

Iư = R  R  I nm ,
(2-9)
f
Và M = K  Inm = Mnm ,
(2-10)
Inm , Mnm được gọi là dũng điện ngắn mạch và moment ngắn mạch.
Mặt khỏc, phương trỡnh đặc tớnh (2-4), (2-7) cũng cú thể được viết ở dạng:
U
RI

 o   ,
K  K
U
RM


 o   ,
=
K  ( K ) 2

=

Trong đú :

R = Rư +Rf ,
 

(2- 11)
(2-12)
=

U
,
K

R
R
I 
M ,
K
( K ) 2

 được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giỏ trị của M.

Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa

trang 5


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Ta cú thể biểu diễn đặc tớnh cơ điện và đặc tớnh cơ trong hệ đơn vị tương đối,
với điều kiện từ thụng là định mức (  =  đm ),
M

I
R



Trong đú:  =
, I =
, M = M dm , R =
,
o
I dm
Rcb
U dm

(Rcb = I dm được gọi là điện trở cơ bản )
Từ (2-40 và (2-7), ta viết đặc tớnh cơ điện và đặc tớnh cơ ở đơn vị tương đối:
 = 1- R I ,
(2-13)




 = 1- R M ,
(2-14)
b. Xột ảnh hưởng cỏc tham số đến đặc tớnh cơ
Từ phương trỡnh đặc tớnh cơ (2-7) ta thấy cú ba tham số ảnh hưởng đến đặc
tớnh cơ: Từ thụng  , điện ỏp phần ứng ưư và điện trở phần ứng động cơ. Ta lần lượt
xột ảnh hưởng của từng tham số đú.
b1. ảnh hưởng của điện trở phần ứng
Giả thiết Uư = Uđm =const và  ưư  đm = const.
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thờm điện trở phụ R f vào mạch
phần ứng.
Trong trường hợp này tốc độ khụng tải lý tưởng là:
o =

U dm
const .
K *dm

(2-15)

M
( K ) 2

var , (2-16).
Độ cứng của đặc tớnh cơ là:  

R  Rf

Khi Rf càng lớn  càng nhỏ nghĩa là đặc tớnh cơ càng dốc. ứng với R f = 0 ta cú
đặc tớnh cơ tự nhiờn:
 TN

( K dm ) 2

R

(2-17)

TN cú giỏ trị lớn nhất nờn đặc tớnh cơ tự nhiờn cú độ cứng hơn tất cả cỏc đường
đặc tớnh cơ điện trở phụ.
Như vậy khi thay đổi điện trở phụ R f ta được một họ đặc tớnh biến trở cú dạng
như hỡnh H1-4. ứng với một phụ tải Mc nào đú, nếu Rf càng lớn thỡ tốc độ động cơ
o
càng giảm,
đồng thời dũng điện ngắn mạch và moment ngắn mạch cũng giảm. Cho
TNđể
(Rhạn
) chế dũng điện và điều chỉnh
n
nờn người ta thường sử dụng phương phỏp này
tốc độ động cơ phớa dưới tốc độ cơ cơ bản.
Rf1
Rf2
Rf3
Mc
Rf4
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 6

M

Hỡnh 1-5 . Cỏc đặc tớnh của động cơ điện một
chiều kớch từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

b2. ảnh hưởng của điện ỏp phần ứng
Giả thiột từ thụng  =  đm = const, điện trở phần ứng Rư = const. Khi thay đổi
điện ỏp phần ứng theo hướng giảm so với Uđm, ta cú:
Tốc độ khụng tải:  ox 

Ux
var
K dm

Độ cứng đặc tớnh cơ:  

( K ) 2
const .
R

Như vậy khi thay đổi điện ỏp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tớnh
cơ song song với đặc tớnh cơ tự nhiờn như hỡnh H1-6
Ta thấy rằng khi thay đổi điện ỏp (giảm ỏp )thỡ moment ngắn mạch , dũng điện

ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất
định. Do đú phương phỏp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và
hạn chế dũng điện khi khởi động.

o


TN uđm

o1
o2

u1

o3

u2

Mc

u3

M (I)

Hỡnh 1-6. Cỏc đặc tớnh cơ của động cơ điện
một chiều kớch từ độc lập khi giảm ỏp đặt
vào phần ứng động cơ .
b3. ảnh hưởng của từ thụng
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 7

§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Giả thiết điện ỏp của phần ứng U ư =Uđm = const. Điện trở phần ứng Rư = const .
Muốn thay đổi từ thụng ta thay đổi dũng điện kớch từ Ikt của động cơ.
Trong trường hợp này:
- Tốc độ khụng tải: ox =

U dm
 var ,
K x

- Độ cứng đặc tớnh cơ:

= 

( K x ) 2
 var
R

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thụng. Nờn khi
từ thụng giảm thỡ ox tăng, cũn  sẽ giảm. Ta cú một họ đặc tớnh cơ vớ ox tăng dần và
độ cứng của đặc tớnh giảm dần khi giảm từ thụng.





 02
2
 01
 01

 02
 01
0
TN

I

2

MC

I nm

1

dm
M

Mnm2 Mnm1 Mnm

a)

b

)
Hỡnh 1-7 Đặc tớnh cơ điện (a) và đặc tớnh cơ (b)
của động cơ điện một chiều kớch từ độc lập khi giảm
từ thụng
Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thụng:
U dm
const
R
Moment ngắn mạch: Mnm = K.  x.Inm =var

Dũng điện ngắn mạch: Inm =

Cỏc đặc tớnh cơ điện và đặc tớnh cơ của động cơ khi giảm từ thụng được biểu
diễn trờn H1-7a,b.
Với dạng moment phụ tải Mc thớch hợp với chế độ làm việc của động cơ thỡ khi
giảm từ thụng tốc độ động cơ tăng lờn (xem hỡnh H1-7b).
c. Đặc tớnh cơ trong cỏc trạng thỏi hóm.
Hóm là trạng thỏi mà động cơ sinh ra moment quay ngược chiều với tốc độ
quay. Trong tất cả cỏc trạng thỏi hóm, động cơ điện làm việc ở chế độ mỏy phỏt.
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 8


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Động cơ điện một chiều kớch từ độc lập cú ba trạng thỏi hóm: Hóm tỏi sinh,
hóm ngược và hóm động năng.

c1. Hóm tỏi sinh ( hóm trả năng lượng về lưới )
Hóm tỏi sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ khụng tải lý
tưởng. Khi hóm tỏi sinh Eư > ưư , động cơ làm việc như một mỏy phỏt điện song song
với lưới. So với với chế độ động cơ, dũng điện và moment hóm đó đổi chiều và được
xỏc định theo biểu thức:
K o  K
U  E
Ih 

0 ,
(2-38)
R
Mh = K  Ih <0.

R

Trị số hóm lớn dần lờn cho đến khi cõn bằng với moment phụ tải của cơ cấu sản
xuất thỡ hệ thống làm việc ổn định với tốc độ ođ > o .
Vỡ sơ đồ nối dõy của mạch động cơ vẫn khụng thay đổi nờn phương trỡnh đặc
tớnh cơ tương tự như cụng thức (2-7) nhưng moment cú giỏ trị õm.
Đường đặc tớnh cơ ở trạng thỏi hóm tỏi sinh nằm trong gúc phần tư thứ hai và
thứ tư của mặt phẳng toạ độ.
Trong trạng thỏi hóm tỏi sinh, dũng điện hóm đổi chiều và cụng suất được đưa
trả về lưới điện cú giỏ trị P = (E - U)I. Đõy là phương phỏp hóm kinh tế nhất vỡ động
cơ sinh ra điện năng hữu ớch.

U

Ih
E

o


ụđ

U

Mc

I
E

M

- o
o tớnh cơ hóm tỏi sinh của động cơ
Hỡnh 1-8 Đặc
kớch từ độc lập

c2. Hóm ngược
Trạng thỏi hóm ngược của động cơ xảy ra khi phần ứng dưới tỏc dụng của động
năng tớch luỹ trong cỏc bộ phận chuyển động hoặc do moment thế năng quay ngược
chiều với moment điện từ của động cơ. Moment sinh ra bởi động cơ, khi đú chống lại
sự chuyển động của cơ cấu sản xuất.
Ngoài hai cỏch hóm trờn cũn cú hóm động năng.
III. cỏc nguyờn lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 9

§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

1. Khỏi niệm chung
Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều cú nhiều ưu việt hơn
so với cỏc loại động cơ khỏc, khụng những nú cú khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng
mà cấu trỳc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất
lượng điều chỉnh cao trong giải điều chỉnh tốc độ rộng.
Thực tế cú hai phương phỏp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều :

- Điều chỉnh điện ỏp cấp cho phần ứng động cơ.
- Điều chỉnh điện ỏp cấp cho mạch kớch từ động cơ.
Cấu trỳc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
bao giờ cũng cần cú bộ biến đổi. Cỏc bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động
cơ hoặc mạch kớch từ động cơ. Cho đến nay trong cụng nghiệp sử dụng bốn loại bộ
biến đổi chớnh:
- Bộ biến đổi mỏy điện gồm: Động cơ sơ cấp kộo mỏy phỏt một chiều hoặc mỏy
điện khuếch đại (MĐKĐ).
- Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ (KĐT)
- Bộ biến đổi chỉnh lưu bỏn dẫn: Chỉnh lưu Thyristor (CLT)
- Bộ biến đổi xung ỏp một chiều: Thyristor hoặc tranzito (BBĐXA)
Tương ứng với việc sử dụng cỏc bộ biến đổi mà ta cú cỏc hệ truyền động như:
- Hệ truyền động mỏy phỏt - động cơ (F-Đ)
- Hệ truyền động mỏy điện khuếch đại -động cơ (MĐKĐ-Đ)
- Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT - Đ)
- Hệ truyền động chỉnh lưu Thyristor - động cơ (T-Đ)
- Hệ truyền động xung ỏp - động cơ (XA-Đ)

Theo cấu trỳc mạch điều khiển cỏc hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơ
điện một chiều cú loại điều khiển theo mạch kớn (ta cú 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 cú cấu trỳc phức tạp , nhưng cú chất lượng điều chỉnh cao
và giải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động “hở”.
Ngoài ra cỏc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều cũn được
phõn loại theo truyền động cú đảo chiều quay và khụng đảo chiều quay. Đồng thời
tuỳ thuộc vào cỏc phương phỏp hóm, đảo chiều mà ta cú truyền động làm việc ở gúc
phần tư, hai gúc phần tư và bốn gúc phần tư.
Trong phạm vi mục này, chỳng ta nghiờn cứu cỏc tớnh chất tổng quỏt, cũng như
tớnh chất riờng của hệ T-Đ.
2. Nguyờn lý điều chỉnh điện ỏp phần ứng
Để điều chỉnh điện ỏp phần ứng động cơ điện một chiều cần cú thiết bị nguồn
như mỏy phỏt điện một chiều kớch từ độc lập, cỏc bộ chỉnh lưu điều khiển vv... Cỏc
thiết bị nguồn này cú chức năng biến năng lượng nguồn điện xoay chiều thành một
chiều cú sức điện động E b điều chỉnh được nhờ tớn hiệu điều khiển U đk. Và nguồn cú
cụng suất hữu hạn so với động
trở trong R b và
LK cơ, nờn cỏc bộ biến đổi này cú điện
I
điện cảm Lb khỏc khụng.
R
R
ưđ

b

Uđk

BBĐ

Đ

Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
a)
trang 10

Eb (uddk ) U

b)

Hỡnh 1-9 Sơ đồ khối và sơ đồ thay
trế ở chế độ xỏc lập

Eư


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

ở chế độ xỏc lập cú thể viết được phương trỡnh đặc tớnh của hệ thống như sau:
Eb - Eư = Iư(Rb + Rưđ )
Eb
R  Rd
 b
I ,
K dm
K dm

M
  o (U dk ) 
.


=

(3-1)

Vỡ từ thụng của động cơ được giữ khụng đổi nờn độ cứng đặc tớnh cơ cũng
khụng đổi, cũn tốc độ khụng tải lý tưởng thỡ tuỳ thuộc vào giỏ trị điện ỏp điều khiển
Uđk của hệ thống, do đú cú thể núi phương phỏp điều chỉnh này là triệt để.
Để xỏc định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị
chặn bởi đặc tớnh cơ cơ bản, là đặc tớnh ứng với điện ỏp phần ứng định mức và từ
thụng cũng được giữ ở giỏ trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của giải điều chỉnh bị giới
hạn bởi yờu cầu về sai số tốc độ và về moment khởi động. Khi moment tải là định
mức thỡ cỏc giỏ trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:
 max  o max 

M dm
,


 min  o min 

M dm
.


(3-2)

Để thoả món khả năng quỏ tải thỡ đặc tớnh thấp nhất của giải điều chỉnh phải cú
moment ngắn mạch là:
Mnmmin = Mcmax = KMMđm ,
Trong đú KM là hệ số quỏ tải về moment. Vỡ họ đặc tớnh cơ là cỏc đường thẳng
song song nhau, nờn theo định nghĩa về độ cứng đặc tớnh cơ ta cú thể viết:
 min ( M nm min  M dm )

M
1
 dm ( K M  1) ,



M dm


 o max 
1
M dm
D=
,
(3-3)



( K M omax
 1) M dm / 
KM  1
maxmỏy cụ thể thỡ cỏc giỏ trị omax ,đk1

Một cơ cấu
Mđm , MM là xỏc định, vỡ vậy phạm
vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tớnh vào giỏ trị của độ cứng . Khi điều chỉnh điện
đkichỉnh thỡ điện trở tổng mạch phần
ỏp phần ứng động cơ bằng cỏc thiết bị nguồn điều
ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đú cú thể sơ bộ được:
 o max .  / omin
M dm 10
min
M,I
 o max 

M

đm
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng
Hãa
trang 11

Hinh 1-10 : Xỏc định phạm vi
điều chỉnh

Mnmmin


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Vỡ thế với tải cú đặc tớnh moment khụng đổi thỡ giỏ trị phạm vi điều chỉnh tốc
độ cũng khụng vượt quỏ 10. Đối với cỏc mỏy cú yờu cầu cao về giải điều chỉnh và độ
chớnh xỏc duy trỡ tốc độ làm việc thỡ việc sử dụng cỏc hệ thống “hở” như trờn là
khụng thoả món được.
Trong phạm vi phụ tải cho phộp cú thể coi cỏc đặc tớnh cơ tĩnh của truyền động
một chiều kớch từ độc lập là tuyến tớnh. Khi điều chỉnh điện ỏp phần ứng thỡ độ
cứng cỏc đặc tớnh cơ trong toàn giải điều chỉnh là như nhau, do đú độ sụt tốc tương
đối sẽ đạt giỏ trị lớn nhất tại đặc tớnh thấp nhất của giải điều chỉnh, hay núi cỏch
khỏc, nếu tại đặc tớnh cơ thấp nhất của giải điều chỉnh mà sai số tốc độ khụng vượt
quỏ giỏ trị sai số cho phộp trong toàn bộ giải điều chỉnh. Sai số tương đối của tốc độ
ở đặc tớnh cơ thấp nhất là:

  min

s  o min

,
 o min
 o min
s

M dm
 scp.
  o min

(3-4)

Vỡ cỏc giỏ trị Mđm , omin , scp là xỏc định nờn cú thể tớnh được giỏ trị tối thiểu
của độ cứng đặc tớnh cơ sao cho sai số khụng vượt quỏ giỏ trị cho phộp. Để làm việc
này, trong đa số cỏc trường hợp cần xõy dựng cỏc hệ truyền động điện kiểu vũng kớn.

Trong suốt quỏ trỡnh điều chỉnh điện ỏp phần ứng thỡ từ thụng kớch từ được
giữ nguyờn, do đú moment tải cho phộp của hệ sẽ là khụng đổi:
Mc.cp = K  đmIđm = Mđm
Phạm vi điều chỉnh tốc độ và moment nằm trong hỡnh chữ nhật bao bởi cỏc
đường thẳng  = đ , M = Mđm và cỏc trục toạ độ. Tổn hao năng lượng chớnh là tổn hao
trong mạch phần ứng nếu bỏ qua cỏc tổn hao khụng đổi trong hệ.
Eb = Eư + Iư(Rb + Rưđ) ,
IưEb = IưEư = Iư2(Rb + Rưđ) .
Nếu đặt Rb + Rưđ = R thỡ hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ sẽ là:
I E

 

2
I E  I R   MR ,
( K ) 2
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 12


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu
*
  *
.
  M *R*

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Khi làm việc ở chế độ xỏc lập ta cú moment do động cơ sinh ra đỳng bằng

moment tải trờn trục: M = Mc và gần đỳng coi đặc tớnh cơ của phụ tải là: M c = ()x
thỡ:
*
  *
,
(3-5)
  R * ( * ) x  1



1

ođm

M

X=o

X=1

Mđ


1

Hỡnh 1-15m Quan hệ giữa hiệu suất truyền động
và tốc độ với cỏc loại tải khỏc nhau
Hỡnh 1-15 mụ tả quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ làm việc trong cỏc trường hợp
đặc tớnh tải khỏc nhau. Điều chỉnh tốc độ bằng cỏch thay đổi điện ỏp phần ứng là rất
thớch hợp trong cỏc trường hợp moment tải là hằng số trong toàn giải điều chỉnh.

Cũng thấy rằng khụng nờn nối thờm điện trở phụ vào mạch phần ứng vỡ như vậy sẽ
làm giảm đỏng kể hiệu suất của hệ.
3. Nguyờn lý điều chỉnh từ thụng động cơ
Điều chỉnh từ thụng kớch thớch của động cơ điện một chiều là điều chỉnh
moment điện từ của động cơ M = K  Iư và sức điện động quay của động cơ E ư = K
 . Mạch kớch từ của động cơ là mạch phi tuyến, vỡ vậy hệ điều chỉnh từ thụng
cũng là hệ phi tuyến.
e
d
ik  k   k
,
(3-6)
rb  rk

dt

trong đú :

rk - điện trở dõy quấn kớch từ.
rb - điện trở của nguồn điện ỏp kớch từ
k - số vũng dõy của dõy quấn kớch từ .
Trong chế độ xỏc lập ta cú quan hệ
ik 

ek
;  = f[ ik] .
rb  rk

Thường khi điều chỉnh từ thụng thỡ điện ỏp phần ứng được giữ nguyờn bằng giỏ
trị định mức, do đú đặc tớnh cơ thấp nhất trong vựng điều chỉnh từ thụng chớnh là

đặc tớnh cơ điện ỏp phần ứng định mức, từ thụng định mức và được gọi là đặc tớnh
cơ bản ( đụi khi chớnh là đặc tớnh cơ tự nhiờn của động cơ ). Tốc độ lớn nhất của giải
điều chỉnh từ thụng bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ gúp điện. Khi giảm
từ thụng để tăng tốc độ quay của động cơ thỡ đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 13


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

gúp cũng bị xấu đi, vỡ vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bỡnh thường thỡ cần
phải giảm dũng điện phần ứng cho phộp, kết quả là moment cho phộp trờn trục động
cơ giảm rất nhanh, ngay cả khi giữ nguyờn dũng điện phần ứng thỡ độ cứng đặc tớnh
cơ cũng giảm rất nhanh khi giảm từ thụng kớch thớch:
( K ) 2
 
hay = (   )2 .
ư
R
max

Ik
uđ k 

rb
Lk k

I
rk
wk

a)

E
Đặc tớnh cơ
bản
O
ik wk

Lk (uđk  )

b)

Mđ

M

m


0

c)
Hỡnh 1-11 : a ) Sơ đồ thay thế ; b ) Đặc tớnh điều
chỉnh khi điều chỉnh từ thụng động cơ ; c ) Quan hệ 
(ikt) .
Do điều chỉnh tốc độ bằng cỏch giảm từ thụng nờn đối với cỏc động cơ mà từ

thụng định mức nằm ở cổ tiếp giỏp giữa vựng tuyến tớnh và vựng bóo hoà của đặc
tớnh từ hoỏ thỡ cú thể coi việc điều chỉnh là tuyến tớnh và hằng số C phụ thuộc vào
thụng số kết cấu của mỏy điện:
 C.i k 

C
ek
rb  rk

4. truyền động Thyristor - động cơ một chiều (t - Đ) cú đảo chiều quay
Do chỉnh lưu Thyristor dẫn dũng theo một chiều và chỉ điều khiển được khi mở,
cũn khú theo điện ỏp lưới cho nờn truyền động vẫn thực hiện đảo chiều khú khăn và
phức tạp hơn truyền động mỏy phỏt - động cơ. Cũn cấu trỳc mạch lực cũng như cấu
trỳc mạch điều khiển hệ truyền động T-Đ đảo chiều cú yờu cầu an toàn cao và cú
logic điều khiển chặt chẽ.
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 14


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Cú hai nguyờn tắc cơ bản để xõy dựng hệ truyền động T-Đ đảo chiều:
- Giữ nguyờn chiều dũng điện phần ứng và đảo chiều dũng kớch từ động cơ.
- Giữ nguyờn chiều dũng kớch từ và đảo chiều dũng phần ứng.
Trong thực tế, cỏc sơ đồ truyền động T-Đ đảo chiều cú nhiều song đều thực
hiện theo một trong hai nguyờn tắc trờn và được phõn ra làm năm loại sơ đồ
chớnh:

Hỡnh a: Truyền động dựng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều
quay bằng cỏch đảo chiều dũng kớch từ.
Hỡnh b: Truyền động dựng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay
bằng cụng tắc tơ chuyển mạch ở phần ứng ( từ thụng giữ khụng đổi).
Hỡnh c: Truyền động dựng hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riờng .
Hỡnh d: Truyền động dựng hai bộ biến đổi nối song song ngược điều khiển
chung.
Hỡnh e: Truyền động dựng hai bộ biến đổi nối theo sơ đồ chộo điều khiển chung
.
Mỗi loại sơ đồ đều cú ưu nhược điểm riờng và thớch hợp với từng loại tải và
yờu cầu cụng nghệ:
Hỡnh a: Dựng cho cụng suất lớn rất ớt đảo chiều
Hỡnh b: Dựng cho cụng suất nhỏ , tần số đảo chiều thấp .
Hỡnh c: Dựng cho mọi giải cụng suất cú tần số đảo chiều lớn
Hỡnh d và e: Dựng cho giải cụng suất vừa và lớn cú tần số đảo chiều cao , so
với ba loại trờn thỡ nú thực hiện đảo chiều ờm hơn nhưng lại cú kớch thước cồng
kềnh .
Về nguyờn tắc xõy dựng mạch điều khiển, cú thể chia làm hai loại chớnh: Điều
khiển riờng và điều khiển chung (phần này sẽ được trỡnh bày kỹ trong cỏc chương sau ).
Nhận xột chung:
Ưu điểm nổi bật của hệ T-Đ là độ tỏc động nhanh cao, khụng gõy ồn và dễ tự
động hoỏ do cỏc van bỏn dẫn cú hệ số khuếch đại cụng suất rất cao, điều đú rất thuận
tiện cho việc thiết lập cỏc hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vũng để nõng cao chất
lượng cỏc đặc tớnh tớnh tĩnh và cỏc đặc tớnh động của hệ thống.
Nhược điểm của hệ T-Đ là do cỏc van bỏn dẫn cú tớnh phi tuyến , dạng điện ỏp
chỉnh lưu ra cú biờn độ đập mạch cao, gõy tổn thất phụ trong mỏy điện, và ở cỏc
truyền động cú cụng suất lớn cũn làm xấu dạng điện ỏp của nguồn và lưới xoay chiều.
Hệ số cụng suất cos  của hệ núi chung là thấp.

Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa

trang 15


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Đ

a)
T
N
Đ

Đ

N
T

b)

c)

Đ

Đ
d)

e)

Hỡnh 1-12 Cỏc sơ đồ truyền động TĐ đảo chiều

Uđ
R trong hệ điều
BBĐ
Iv. mụ tả toỏn học cỏc khõu
khiển tốc độ t-đĐM
1. Sơ đồ cấu trỳc chung của hệ điều khiển tốc độ t-đ.
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
ĐL
trang 16

Hỡnh 1-13 : Sơ đồ cấu trỳc của hệ T-Đ


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

trong đú:  Đối tượng điều khiển là động cơ điện một chiều (ĐM). Nú nhận năng
lượng từ bộ biến đổi và chuyển thành cơ năng truyền động cho mỏy sản xuất.
 Bộ biến đổi (BBĐ) cú thể là mỏy phỏt điện một chiều hoặc bộ biến đổi
điện tử như bộ chỉnh lưu, bộ biến tần, bộ điều chỉnh xung ỏp...,và nú cú nhiệm vụ:
- Biến đổi năng lượng điện sang dạng năng lượng khỏc cho phự hợp với mỏy
sản xuất
- Truyền tớn hiệu điều khiển để điều khiển cỏc thụng số ra của ĐM như dũng
điện, điện ỏp, cụng suất...
 Bộ điều chỉnh R nhận tớn hiệu đầu vào là sai lệch trạng thỏi thực của

ĐM với tớn hiệu đặt. Tớn hiệu sai lệch này được R khuếch đại và tạo hàm chức năng
điều khiển.
Bộ điều khiển thường là cỏc khõu P, PI, PID... số hoặc tương tự.
 Bộ đo lường ĐL cú tỏc dụng đo lường cỏc đại lượng đầu ra của ĐM như
điện ỏp, tốc độ, dũng điện..., chỳng được phản hồi về so sỏnh với đại lượng đặt, tớn
hiệu phản hồi được chia làm bốn dạng:
- Phản hồi dương là tớn hiệu phản hồi cựng chiều với tớn hiệu chủ đạo.
- Phản hồi õm là tớn hiệu phản hồi ngược chiều với tớn hiệu chủ đạo.
- Phản hồi mềm là tớn hiệu phản hồi tỏc động trong quỏ trỡnh quỏ độ.
- Phản hồi cứng là tớn hiệu phản hồi tỏc động trong quỏ trỡnh quỏ độ cũng như
trong quỏ trỡnh xỏc lập.
2. Mụ tả toỏn học của cỏc khõu động học
Giản đồ thay thế của động cơ điện một chiều như sau:
Uk
ik



Uư
CF

Iư

M

E
Rk , Lk

CKN

CB

Hỡnh 1-14a Giản đồ thay thế
động cơ một chiều

Hỡnh 1-14b Đặc tớnh cơ
động cơ điện một chiều

a. Chế độ xỏc lập của động cơ điện một chiều
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 17


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Khi đặt lờn dõy quấn kớch từ một điện ỏp Uk nào đú thỡ trong dõy quấn kớch từ
sẽ cú dũng điện Ik và do đú mạch từ của mỏy sẽ cú từ thụng  . Tiếp đú đặt một giỏ trị
điện ỏp U lờn mạch phần ứng thỡ trong dõy quấn phần ứng sẽ cú dũng điện I chạy
qua. Tương tỏc giữa dũng điện phần ỳng và từ thụng kớch từ tạo thành moment điện
từ, giỏ trị của moment điện từ được tớnh như sau:
M 

p'N
..I k ..I ,
2 .a

(4-1)

Trong đú :
P’ : số đụi cực của động cơ
N : số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ
a : số mạch nhanh song song của dõy quấn phần ứng
k

pN
: hệ số kết cấu của mỏy
2 .a

Moment điện từ kộo cho phần ứng quay quanh trục, cỏc dõy quấn phần ứng
quột qua từ thụng và trong cỏc dõy quấn này cảm ứng sức điện động:
p'N
E
.. k .. ,
2 .a

(4-20)

Trong đú : tốc độ gúc của rotor
Trong chế độ xỏc lập, cú thể tớnh được tốc độ qua phương trỡnh cõn bằng điện
ỏp phần ứng


U R
k

,

(4-3)

trong đú Rư : điện trở mạch phần ứng của động cơ.
Với cỏc phương trỡnh (4-1) và (4-3) cú thể vẽ được họ đặc tớnh cơ M( ) của
động cơ một chiều từ thụng khụng đổi (hỡnh 4-2b).
b. Chế độ quỏ độ của động cơ điện một chiều
b1. Mụ tả chung
Nếu cỏc thụng số của động cơ là khụng đổi thỡ cú thể viết được cỏc phương
trỡnh mụ tả sơ đồ thay thế hỡnh (4-2a) như sau:
Mạch kớch từ cú hai biến dũng điện kớch từ i k và từ thụng  là phụ thuộc phi
tuyến bởi đường cong từ hoỏ của lừi sắt:
Uk(p) = Rk.Ik(p) + Nk.P.  (p) ,
(4-5)
Trong đú :
Nk : Số vũng dõy cuộn kớch từ ;
Rk : Điện trở cuộn dõy kớch từ .
Mạch phần ứng :
U(p) = Rư.I(p) + LưpI(p)  NN(p)p.  (p) + E(p) ; (4-6).
Hoặc dạng dũng điện :
I ( p) 

1/ R
[U p N N ( p ) p( p )  E ( p )] .
1 pT

Trong đú
Lư : Điện cảm mạch phần ứng
NN : Số vũng dõy cuộn kớch từ nối tiếp ,
Tư = Lư /Rư : Hằng số thời gian mạch phần ứng .
Phương trỡnh chuyển động của hệ thống :

Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 18


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

M(p) - Mc(p) = jp ,
(4-7)
Trong đú j là moment quỏn tớnh của cỏc phần chuyển động quay đối với trục
động cơ .

U

_

1/ R
1 p

1
jp

M
_
Mc

NN
Mk



K

1
pN k

Uk
_



Pk
Nk
Hỡnh 1-15: Sơ đồ cấu trỳc của động cơ
điện một chiều.
Từ cỏc phương trỡnh trờn ta thành lập được sơ đồ cấu trỳc của động cơ một
chiều như hỡnh (1-15). Thấy rằng sơ đồ cấu trỳc này là phi tuyến mạnh, trong tớnh
toỏn ứng dụng thường dựng mụ hỡnh tuyến tớnh hoỏ quanh điểm làm việc: trước hết
chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tớnh hoỏ đoạn đặc tớnh từ hoỏ và đặc tớnh
moment tải như hỡnh (1-16) .


Mc

Kk

MC B

o

ik

O
Iko

Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 19

O

B
c
C B


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Hỡnh 1-16: Tuyến tớnh hoỏ đoạn đặc tớnh từ hoỏ và
đặc tớnh tải.
Độ dốc của đặc tớnh từ hoỏ và đặc tớnh cơ moment tải tương ứng là: (bỏ qua
hiện tượng từ trễ )

kk 

I k

K
B c


O , I ko

M cb , B

Tại điểm làm việc xỏc lập cú: điện ỏp phần ứng U o, dũng điện phần ứng Io, tốc
độ quay B, điện ỏp kớch từ Uko và moment tải MCB. Biến thiờn nhỏ của cỏc đại lượng
trờn tương ứng là : U(p), I(p), (p), Uk(p), Ik(p),   (p), và Mc(p).
Đối với động cơ điện một chiều kớch từ độc lập (N N =0) thỡ cú thể viết cỏc
phương trỡnh sau:
Mạch phần ứng:
Uo+U(p) = Rư[Io + I(p)] + pLư[Io + I(p)] + K[  o +   (p)].[B +
(p) ,
(4-8)
Mạch kớch từ:
Ukto + Ukt(p) = Rkt[Ikto + Ikt(p)] + pLkt[ Ikto + Ikt(p)] ,
(4-9)
Phương trỡnh chuyển động cơ học:
K[  o +   (p)][Io + I(p)] - [MB + Mc(p)] = jp[B + (p)], (4-10)
Nếu bỏ qua vụ cựng bộ bậc cao thỡ từ cỏc phương trỡnh trờn cú thể viết được
cỏc phương trỡnh của gia số:
U(p) - [KB  (p) + Ko (p)] = RưI(p)(1+pTư) ,
(4-11)
Ukt(p) = RktIkt(p)(1 + pTư)
(4-12)
KIo  (p) + K  oI(p) - Mc = jp(p) ,
(413)

Hỡnh 1-17 trỡnh bày sơ đồ cấu trỳc đó được tuyến tớnh hoỏ theo cỏc phương
trỡnh (4-11) (4-13) của động cơ điện một chiều kớch từ độc lập.

MC
U
_

1 / R I
1 pT

K

M

_

o

B

1
jp

Ko

KIo

1 / Rk

KB

I

Khoa ®iÖn - Ngµnh §oKLêng_Tù
§éng Hãa
K

1

pT
trang 20
k

Uk

Hỡnh 1-17: Sơ đồ cấu trỳc tuyến




§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

b2. Trường hợp khi từ thụng kớch từ khụng đổi
Khi dũng điện kớch từ của động cơ khụng đổi, hoặc khi động cơ được kớch
thớch bằng nam chõm vĩnh cửu thỡ từ thụng kớch từ là hằng số:
K  = const = Cu
U(p) = RưI(p)(1 + pTư) + Cu(p) ,

(4-14)
CuI(p) - Mc(p) = jp(p) ,
(4-15)
Sơ đồ cấu trỳc động cơ khi từ thụng khụng đổi được thể hiện trờn hỡnh 1-18.
Cu
U

-E

1/ R
1 pT

I

Cu

_
Mc

1
jp



Hỡnh 1-18: Sơ đồ cấu trỳc khi từ thụng
khụng đổi .
Bằng phương phỏp đại số sơ đồ cấu trỳc ta cú sơ đồ thu gọn hỡnh 1 - 19, trong
đú đặt:
Hệ số khuếch đại động cơ: Kđ =1/Cu ,
Hằng số thời gian cơ học: Tc 

R
Cu

2

j ,

(4-16)

U ( p ) pTc M c ( p )

R
Cu
,
(4-17)
Kd
I ( P) 
T Tc p 2  Tc p  1 T T p 2  T p  1
c
c

Từ biểu thức (6-17) ta cú sơ đồ cấu trỳc thu gọn:
a)

Tc
p
R
T Tc p 2  Tc p  1
b)

(1  T )
2
Cu
T Tc p 2  Tc p  1

Kd
T Tc p 2  Tc p  1

Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 21

R

Hỡnh 1-19 cỏc sơ đồ cõu trỳc
thu gọn


điện
§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Chương ii

Tổng quan về bộ chỉnh lưu - mạch động lực
"Trải qua nhiều giai đoạn lịch sử được đỏnh dấu bằng sự ra đời của Thyratron
vào năm 1902 , do John Fleming , kỹ sư người Anh sỏng chế , Trensistor vào năm
1948 , do hai nhà vật lý người Mỹ John Bardeen và W.H. Brattain, sỏng chế và

Thyristor năm 1956 , do nhúm kỹ sư của hóng Bell - Tộlộphone sỏng chế , đến nay
ngành cụng nghiệp điện tử của cỏc nước phỏt triển đó chế tạo được những thiết bị
bỏn dẫn cụng suất lớn hơn điụt , thyristor, triac transistor chịu được điện ỏp cao và
dũng điện lớn ; và cả những thiết bị bỏn dẫn cực nhỏ như vi mạch , vi mạch đa chức
năng , vi xử lý và những phần tử tham gia trong mạch điều khiển cỏc thiết bị bỏn dẫn
cụng suất núi trờn."
Trong chương này chỳng ta sẽ được tỡm hiểu về cỏc vấn đề sau :
- Tổng quan về phần tử bỏn dẫn Thyristor
- Giới thiệu về bộ chỉnh lưu
- Tớnh chọn mạch động lực
- Tớnh chọn mạch bảo vệ
I . phần tử bỏn dẫn cụng suất Thyristor
1. Cấu trỳc và ký hiệu
A

Ei
A

G

P1

N1
J1

K

P2
J2

N2
G

K

J3

Hỡnh 2-2 Sơ đồ kớ hiệu và sơ đồ cấu trỳc
của Tiristor
Thyristor là một thiết bị gồm 4 lớp bỏn dẫn P1N1P2N2 tạo thành. Cỏc ký hiệu
trờn hỡnh vẽ: A – Anụt; K – Catụt; G – cực điều khiển.
2. Nguyờn lý làm việc
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 22


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Khi đặt Thyristor dưới điện ỏp một chiều, anụt nối vào cực dương, catụt nối vào
cực õm của nguồn điện ỏp, J1 và J3 được phõn cực thuận, J2 bị phõn cực ngược. Gần
như toàn bộ điện ỏp nguồn đặt lờn mặt ghộp J 2. Điện trường nội tại Ei của J2 cú chiều
từ N1 hướng về P2. Điện trường ngoại tỏc động cựng chiều với E i, khụng cú dũng điện
chảy qua Thyristor mặc dự nú được đặt dưới điện ỏp.
- Mở Thyristor :
Nếu cho một xung điện ỏp dương Ug tỏc động vào cực G (dương so với K) , cỏc
điện tử từ N2 chạy qua P2. Đến đõy, một số ớt của chỳng chảy vào nguồn U g và hỡnh
thành dũng điều khiển Ig chảy theo mạch G – J3 – K – G; cũn phần lớn điện tử, chịu

sức hỳt của điện trường tổng hợp của mặt ghộp J 2 lao vào vựng chuyển tiếp này,
chỳng được tăng tốc độ, động năng lớn lờn, bẻ góy cỏc liờn kết nguyờn tử Si, tạo nờn
những điện tử tự do mới. Số điện tử mới được giải phúng này lại tham gia bắn phỏ
cỏc nguyờn tử Si trong vựng chuyển tiếp. Kết quả của phản ứng dõy chuyền này làm
xuất hiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N 1, qua P1 và đến cực dương của nguồn
điện ngoài, gõy nờn hiện tượng dẫn điện ào ạt. J2 trở thành mặt ghộp dẫn điện, bắt đầu
từ một điểm nào đú ở xung quanh cực G rồi phỏt triển ra toàn bộ mặt ghộp với tốc độ
khoảng 1cm / 100s .
Điện trở thuận của Thyristor, khoảng 100 k  khi cũn ở trạng thỏi khoỏ, trở
thành khoảng 0,01  khi Thyristor mở cho dũng chảy qua.
Thời gian mở: ton là thời gian cần để thiết lập dũng điện chớnh chảy trong
Thyristor, tớnh từ thời điểm phúng dũng I g vào cực điều khiển. Thời gian mở của
Thyristor kộo dài khoảng 10 s .
- Khoỏ Thyristor :
Một khi Thyristor đó mở thỡ sự hiện diện của tớn hiệu điều khiển I g khụng cũn
là cần thiết nữa. Để khoỏ Thyristor, cú hai cỏch:
- Làm giảm dũng điện làm việc I xuống dưới giỏ trị dũng duy trỡ I H (Holding
current), hoặc là:
- Đặt một điện ỏp ngược lờn Thyristor (biện phỏp thường dựng ).
Khi đặt điện ỏp ngược lờn Thyristor U AK < 0, hai mặt ghộp J1 và J3 bị phõn cực
ngược, J2 bõy giờ được phõn cực thuận. Những điện tử, trước thời điểm đảo cực tớnh
UAK, đang cú mặt tại P 1, N1, P2, bõy giờ đảo chiều hành trỡnh, tạo nờn dũng điện
ngược chảy từ catụt về anụt, về cực õm của nguồn điện ỏp ngoài.
Buổi đầu của quỏ trỡnh, từ t o đến t1, dũng điện ngược khỏ lớn, sau đú J 1 rồi J3 trở
nờn cỏch điện. Cũn lại một ớt điện tử bị cầm tự giữa hai mặt ghộp J 1 và J3, hiện tượng
khuếch tỏn sẽ làm chỳng ớt dần đi cho đến hết, Bõy giờ J 2 khụi phục lại tớnh chất của
mặt ghộp điều khiển.
Thời gian khoỏ toff tớnh từ khi bắt đầu xuất hiện dũng điện ngược (t o) cho đến
khi dũng điện ngược bằng khụng (t2). Đấy là khoảng thời gian mà ngay sau đú nếu đặt
điện ỏp thuận lờn Thyristor, Thyristor cũng khụng mở. t off kộo dài khoảng vài chục

s . Trong bất kỳ trường hợp nào cũng khụng được đặt Thyristor dưới
Ig3điện ỏp thuận
khi Thyristor chưai bị khoỏ, 3nếu khụng, cú thể cú nguy cơi gõy ngắn mạch nguồn.
Ig2>
Vậy cú cụng thức:
Thyristor mở + UAK < 0 ==>
Thyristor
khoỏ.
0
2
Ig1=
IH
IH
U
1
U
3 . Đặc tớnhzV - A của Thyristor
0
O
O
Ud1
Uch U
4
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 23

Hỡnh 2-3 Đặc tớnh V - A của
Tiristor

§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Đặc tớnh V - A của Thyristor gồm 4 đoạn. Đoạn 1 ứng với trạng thỏi khoỏ của
Thyristor, chỉ cú dũng điện rũ chảy qua Thyristor. Khi tăng U đến U ch (điện ỏp chuyển
trạng thỏi), bắt đầu quỏ trỡnh tăng trưởng nhanh chúng của dũng điện, Thyristor
chuyển sang trạng thỏi mở.
Đoạn 2 ứng với giai đoạn phõn cực thuận của J2. Trong giai đoạn này mỗi một
lượng tăng nhỏ của dũng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện ỏp đặt trờn
Thyristor. Đoạn 2 cũn được gọi là đoạn điện trở õm.
Đoạn 3 ứng với trạng thỏi mở cửa Thyristor. Khi này cả ba mặt ghộp đó trở
thành dẫn điện. Dũng điện chảy qua Thyristor chỉ cũn bị hạn chế bởi điện trở mạch
ngoài . Điện ỏp rơi trờn Thyristor rất nhỏ, khoảng 1V. Thyristor được giữ ở trạng thỏi
mở chừng nào i cũn lớn hơn IH (dũng duy trỡ, holding curent).
Đoạn 4 ứng với trạng thỏi Thyristor bị đặt dưới điện ỏp ngược. Dũng điện
ngược rất nhỏ, khoảng vài chục mA. Nếu tăng U đến U z thỡ dũng điện ngược tăng lờn
mónh liệt, mặt ghộp bị chọc thủng, thyristor bị hỏng.
Bằng cỏch cho những Ig >0 sẽ nhận được một họ đặc tớnh V- A với cỏc U ch nhỏ
dần đi.
II. Tổng quan về một số bộ chỉnh lưu
Trong mục này chủ yếu chỳng ta sẽ nghiờn cứu về một số bộ chỉnh lưu cú điều
khiển, đặc biệt là bộ chỉnh lưu cầu. Nhằm phục vụ cho nội dung chớnh của đề tài.
Cỏc dạng khỏc của bộ chỉnh lưu, chỳng ta cú thể tham khảo ở tài liệu" Điện tử cụng
suất- nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật" để được biết rừ hơn.
1. sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha dựng Thyristor
Ta sẽ xột 3 trường hợp sau đõy của sơ đồ này:
- Khi phụ tải của mạch chỉnh lưu là thuần trở.
- Khi phụ tải của mạch chỉnh lưu cú tớnh chất điện cảm.

- Khi phụ tải của mạch chỉnh lưu là một độngucơ điện một chiều.
A cầu một pha dựng Thyristor với phụ tải thuầnutrở
=
a. Chỉnh lưu
d
i
i ud ='
'
i G1 của mạch
i G và sự biến thiờn của điện uỏp và dũngd điện
a1. Sự hoạt động
u2 chỉnh
2
d
lưu.
iTh2
’
t
iTh1
Th1 1
’
id
u2 sơTh
Trong
đồ1 hỡnh 2-4 ta
dựng 4 Thyristor
ThO1, Thu’1, Th
2, Thu 2 . Cỏc Thyristor
2 '
'

'
này được điều khiển ibằng
cỏc xung
dũng
điện
điều
khiển
tương
ứng
i
i
G1, i G1, ig2, i G2
M
G2
G2
u xung chung
.Thụng thường xung dũng điện này được cung
từ một mỏy
uTh1 phỏt
icấp
R
’
G
Th
Thhỡnh).
(khụng vẽ trong
Ud
2
2
2

'
B
iG1,i
iG2,i'G
O
N
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng
Hãa
t
G2
1
trang 24
a)
b)
Hỡnh 2-4 Sơ dồ chỉnh lưu cầu một pha dựng tiristor với phụ







 


§å ¸n tèt nghiÖp
mét chiÒu

®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Mạch chỉnh lưu được cung cấp từ một nguồn xoay chiều qua mỏy biến ỏp với
điện ỏp thứ cấp: u2 = U2msin t = 2 U2sin  t.
Cỏc xung điều khiển iG1, i'G1, iG2, i'G2 cú cựng chu kỳ với u2 nhưng xuất hiện
khụng đồng thời với u2 (khụng đồng pha).
Cỏc xung iG1, i'G2 xuất hiện sau u2 một gúc  , cũn cỏc xung iG2, i'G1 xuất hiện sau
u2 một gúc  +  (hỡnh 2-4b).
Trong nửa chu kỳ đầu của u 2, (0  t   ), u2  0, cỏc thyristor Th1, Thu’2 được
phõn cực thuận. Do đú tại t =  (cú iG1, i'G2), cỏc thyristor Th1 và Thu’2 mở. Lỳc đú
dũng điện đi từ điểm A qua Th1 đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua Thu’2 về điểm B.
Cỏc Thyristor này mở cho đến khi t =  . Tại t =  , u2 = 0. Dũng điện qua

thyristor cũng bằng khụng (vỡ ở mạch thuần trở dũng điện cựng pha với điện ỏp )và
thyristor tắt một cỏch tự nhiờn.
Trong thời gian cỏc thyristor này mở (   t   ) điện ỏp chỉnh lưu (điện ỏp
giữa hai đầu phụ tải ) là: ud = u2 =U2msin t,
Dũng điện qua Thyristor Th1 và phụ tải là: id iTh1 

u d U 2m

sin t
R
R

Cũn điện ỏp trờn Thyristor Th1 là uTh1 = 0.
Sang nửa chu kỳ hai của u 2 (   t  2  ) u2 < 0, cỏc thyristor Th2, Thu’1 được
phõn cực thuận. Do đú tại gúc  +  (cú iG2 , i'G1) cỏc thyristor Th2, Thu’1 mở, lỳc đú dũng
điện đi từ điểm B qua Th2 đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua Thu’1 về điểm A.
Cỏc Thyristor này mở cho đến khi t = 2  . Tại t = 2  , u2 = 0. Dũng điện qua

thyristor cũng bằng khụng (vỡ ở mạch thuần trở dũng điện cựng pha với điện ỏp )và

thyristor tắt một cỏch tự nhiờn.
Trong thời gian cỏc thyristor TThu,Thu ’1 mở, điện ỏp chỉnh lưu (điện ỏp giữa
hai đầu phụ tải ) là: u d = -u2 =-U2msin t,và dũng điện qua phụ tải và thyristor Th 2 là:
i d iTh2 

ud
U
 2 m sin t
R
R

Với sự mở của Th2 và Thu’1, um = uB và uN = uA. Lỳc đú điện ỏp cỏc thyristor Th1
và Thu’2 sẽ là:
uTh1 u A  u M u A  u B u 2  0

,

uTh '2 u N  u B u A  u B u 2  0 .
Khoa ®iÖn - Ngµnh §o Lêng_Tù §éng Hãa
trang 25