THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIÊN MỘT CHIỀU

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA KỸ THUẬT & CÔNG NGHỆ

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : TRẦN VĂN TRỌNG
Ngành : Điện kỹ thuật

Khóa : 37


1. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều (PL2).
2. Các số liệu thiết kế:
Pđm = 15(KW); Uđm = 220(V); nđm = 1560(vòng/phút); ηđm = 0,83; J = 0,4(Kgm2)
3. Nhiệm vụ thiết kế:
- Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập và các phương

pháp điều chỉnh tốc độ.
- Chương 2: Tính chọn bộ chỉnh lưu
+ Bộ chỉnh lưu cầu một pha đối xứng
+ Bộ chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng
+ Bộ chỉnh lưu hình tia ba pha
+ Bộ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng
+ Bộ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng.
- Chương 3: Mô hình hóa động cơ điện một chiều và phương pháp điều chỉnh
modul tối ưu.
- Chương 4: Tính toán mạch vòng dòng điện.
- Chương 5: Tính toán mạch vòng tốc độ.
- Chương 6: Kiểm tra chất lượng hệ thống.

4. Các bản vẽ A0:
Gồm có 02 bản vẽ A0:
- Bản vẽ sơ đồ tổng lắp ráp
- Bản vẽ sơ đồ mạch động lực
5. Cán bộ hướng dẫn: Th.S Nguyễn Thái Bảo
Ngày giao đề tài: 24/09/2018
Ngày hoàn thành: 24/12/2018
Ngày tháng năm 2018
TRƯỞNG KHOA
(Ký và ghi rõ họ tên)

TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Thái Bảo
Sinh viên đã hoàn thành
(nộp toàn bộ bản thiết kế cho Khoa)
(Ký và ghi rõ họ tên)



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại hiện nay, truyền động điện đang ngày càng được ứng dụng rộng
rãi trong mọi lĩnh vực của cuộc sống nhờ những ưu thế của nó như kết cấu gọn nhẹ,
độ bền và độ tin cậy cao, đảm bảo vệ sinh môi trường. Bên cạnh đó truyền động
điện còn có một ưu thế rất nổi bật đặc biệt đối với truyền động một chiều, khả năng
điều khiển linh hoạt, dễ dàng. Chính vì vậy mà truyền động điện một chiều có vai
trò quan trọng trong các dạng truyền động đang dùng, nhất là trong các lĩnh vực đòi
hỏi khả năng điều khiển tốc độ cao như trong các máy sản xuất.
Tuy nhiên, truyền động điện một chiều đòi hỏi phải có nguồn điện một chiều với

các cấp điện áp khác nhau là loại nguồn điện phi tuyến tiêu chuẩn trong sản xuất
điện năng. Ngày này với sự phát triển của ngành kỹ thuật linh kiện bán dẫn, các bộ
nguồn dùng chỉnh lưu bán dẫn ngày càng chiếm ưu thế hơn nhờ kết cấu gọn nhẹ,
hiệu suất và độ tin cậy cao, giá thành hợp lí, không gây tiếng ồn. Cũng chính nhờ bộ
nguồn dùng chỉnh lưu bán dẫn này mà truyền động điện một chiều ngày càng trở
nên tiện lợi và được ứng dụng rộng rãi hơn.
Với đề tài: “Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều”. Đây là đề tài có tính thực tiễn cao vì máy điện một chiều được sử dụng rất
nhiều trong thực tiễn cuộc sống. Trong quá trình làm đồ án với sự hướng dẫn, giúp
đỡ nhiệt tình của các thầy trong khoa Kỹ thuật và công nghệ trường đại học Quy
Nhơn, đặc biệt là thầy ThS. Nguyễn Thái Bảo. Thầy đã chỉ bảo tận tình và giúp em
hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời hạn.

Vì thời gian và sự hiểu biết có hạn nên chắc chắn không thể tránh khỏi các sai
sót.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn các thầy trong khoa và đặc biệt là thầy
Nguyễn Thái Bảo đã tận tình hướng dẫn và giúp em hoàn thành đồ án này.
Quy Nhơn, ngày 24 tháng 12 năm 2018

Trần Văn Trọng

SVTH: Trần Văn Trọng

4

Kỹ thuật điện – điện tử K37B


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
1.1. Tổng quan về động cơ điện một chiều
1.1.1. Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều
Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ điện một chiều vẫn được coi là một loại

máy quan trọng. Mặc dù động cơ xoay chiều có tính ưu việt hơn như cấu tạo đơn
giản, công suất lớn…Nhưng động cơ điện xoay chiều không thể thay thế hoàn toàn
động cơ điện một chiều. Đặc biệt là trong các ngành công nghiệp, giao thông vận
tải, các thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng như máy cán
thép, máy công cụ lớn. Vì động cơ điện một chiều có những ưu điểm như khả năng
điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn và khả năng quá tải. Bên cạnh đó
động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất định như giá thành đắt, chế
tạo và bảo quản phức tạp. Nhưng do những ưu điểm của nó nên nó vẫn có một tầm
quan trọng nhất định trong sản xuất.
Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ vào khoảng 75% 85%, ở động cơ có công suất trung bình và lớn vào khoảng 85% - 94%. Công suất
lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vào khoảng 10000KW. Điện áp vào
khoảng vài trăm đến 1000V. Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng vật liệu,

nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn.
1.1.2. Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Hình 1. 1: Mặt cắt dọc động cơ điện một chiều
1.1.2.1. Phần tĩnh (Phần cảm hay stator)
SVTH: Trần Văn Trọng

5

Kỹ thuật điện – điện tử K37B

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

a) Cực từ chính
Được làm bằng thép kỹ thuật dạng thép khối hoặc tấm, xung quanh có dây quấn
cực từ chính gọi là dây quấn kích từ. Nó thường được nối với nguồn một chiều,
nhiệm vụ là tạo ra từ thông trong máy.
b) Cực từ phụ
Được đặt xen giữa các cực từ chính, xung quanh cực từ chính, xung quanh cực từ
phụ có dây quấn cực từ phụ. Dây quấn cực tù phụ đấu nối tiếp với dây quấn roto.
Nhiệm vụ của cực từ phụ là triệt tiêu từ trường phần ứng. Trên vùng trung tính hình

học để hạn chế xuất hiện tia lửa điện trên chổi than và cổ góp.
c) Vỏ máy (Gông từ)
Ngoài nhiệm vụ thông thường là bảo vệ máy, vỏ máy động cơ điện một chiều còn
tham gia dẫn từ, vì vậy nó phải được làm bằng thép dẫn từ.
d) Các bộ phận khác
− Nắp máy: Để bảo vệ máy tránh khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn
và an toàn cho người tránh tiếp xúc trực tiếp với điện.
− Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cấu tạo bao gồm chổi
than đặt trong hộp nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp.
1.1.2.2. Phần quay (Phần ứng hay roto)
a) Lõi thép roto
Dùng để dẫn từ, thường được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0.5mm phủ

một lớp cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy
gây nên. Trên lá thép có dập rãnh để quấn dây.
b) Dây quấn phần ứng
Là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần
ứng thường làm bằng dây đồng có sơn cách điện.
c) Cổ góp
Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Gồm nhiều phiến đồng
ghép cách điện với nhau, bề mặt cổ góp được gia công với độ bóng thích hợp để
đảm bảo tiếp xúc tốt giữa chổi than và cổ góp khi quay.
1.1.3. Nguyên lý làm việc
Nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều dựa trên định luật lực điện từ:
Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường, thanh dẫn sẽ

F = B.i.l

chịu một lực điện từ tác dụng có trị số là: dt
Trong đó:
B: Là từ cảm (T)
i: Là dòng điện (A)
l: Là chiều dài hiệu dụng thanh dẫn (m)
Fđt: Là lực điện từ (N).
SVTH: Trần Văn Trọng

6

Kỹ thuật điện – điện tử K37B


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

Để hiểu rõ nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều, ta giả sử động cơ
điện một chiều được mô phỏng một cách đơn giản qua việc làm quay khung dẫn
abcd theo một chiều duy nhất.

Hình 1. 2: Mô hình đơn giản của động cơ điện một chiều
− Nếu ta đặt điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B thì trong dây quấn phần
ứng sẽ có một dòng điện Iư chạy qua. Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong
từ trường sẽ tạo ra các lực F đt ngược chiều nhau, tác dụng làm cho roto quay (hình
1.2a).
− Khi phần ứng quay được nữa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau, tuy
nhiên do có phiến góp đổi chiều dòng điện nên chiều lực từ tác dụng không đổi,
đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi (hình 1.2b). Khi quay các thanh dẫn cắt
từ trường sẽ cảm ứng với sức điện động Eư, ở động cơ chiều sức điện động Eư
ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động và cứ như vậy, ta
thấy năng lượng điện đã biến thành năng lượng cơ làm cho động cơ quay theo một
chiều duy nhất. Khi đó ta có phương trình: U = Eu + Ru .I u .

1.1.4. Phương trình đặc tính của ĐCĐ một chiều kích từ độc lập

Hình 1. 3: Sơ đồ nguyên lí động cơ điện một chiều kích từ độc lập

SVTH: Trần Văn Trọng

7

Kỹ thuật điện – điện tử K37B


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ phương trình cân bằng điện
áp của động cơ:

U u = Eu + ( Ru + R f ).I u = Eu + R.I u

(1)

Trong đó:

Uu

: điện áp phần ứng (V)

Eu

: Sức điện động phần ứng (V)

Ru

: Điện trở của mạch phần ứng

Rf

: Điện trở phụ trong mạch phần ứng

Iu

: Dòng điện mạch phần ứng.

Eu

Sức điện động

của phần ứng động cơ xác định theo biểu thức

Eu =

Trong đó:

K=

E
pN
.Φ.ω = K .Φ.ω ⇒ ω = u
2π a

K .Φ

pN
:
2π a Hệ số cấu tạo của động cơ.

⇒ Eu = U u − ( Ru + R f ).I u

R + Rf
Eu
U
= u − u

.I u
K .Φ K .Φ
K .Φ
R + Rf
U
⇒ω = u − u
.I u
K .Φ
K .Φ
⇒

(2)

⇒ ω = f ( I ) : Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều.

Mặc khác momen điện từ của động cơ điện được xác định bởi:
M
M dt = K .Φ.I u ⇒ I u = dt
K .Φ
Ru + R f
U
⇒ω = u −
.M dt
K .Φ ( K .Φ )2

Thế vào (2)
Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì momen cơ trên trục động cơ bằng
momen điện từ, ta kí hiệu là M nghĩa là

M dt = M co = M

. Đây là phương trình đặc

tính cơ.
⇒ω =

U u Ru + R f

−
.M ⇒ ω = f ( M )
K .Φ ( K .Φ) 2

(3)

Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông Φ = const thì phương trình đặc
tính cơ điện (2) và phương trình đặc tính cơ (3) là tuyến tính, có đồ thị như hình vẽ:

SVTH: Trần Văn Trọng

8

Kỹ thuật điện – điện tử K37B


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

Hình 1. 4: Đặc tính cơ điện và đăc tính cơ của động cơ
Theo các đồ thị trên, khi Iư=0 hoặc M=0 ta có:

ω=

Uu
= ω0
K .Φ

ω0 : Tốc độ không tải lý tưởng của động cơ.
Iu =

Khi ω=0:

Uu
= I nm

Ru + R f

M = K ΦI nm = M nm .
∆ω =

R
R
.I u =
.M
K .Φ
( K Φ ) 2 : Độ sụt tốc độ.

1.1.5. Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ
Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ, ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến

R , Φ, U .

u
đặc tính cơ của động cơ là:
1.1.5.1. Ảnh hưởng của điện trở phần ứng

Giả thuyết

U = U dm = const; Φ = Φ dm = const.

phẩn ứng ta nối thêm một điện trở phụ

Rf

Muốn thay đổi giá trị điện trở mạch

vào mạch phần ứng. Vậy phương trình

đặc tính cơ lúc này sẽ là:
ω=

R + Rf
U
− u
.M
K .Φ dm ( K .Φ dm )2

Ta thấy rằng khi thay đổi giá trị điện trở

SVTH: Trần Văn Trọng

Rf

9

thì tốc độ sẽ thay đổi theo.

Kỹ thuật điện – điện tử K37B


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

Khi đó đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi mắc thêm

Rf

vào mạch điện

phần ứng như sau:

Hình 1. 5: Đặc tính cơ khi mắc thêm Rf

ω=

Ta có:

Ru
U
−
.M = ω0 − ∆ω.
K .Φ ( K .Φ )2

Theo đường đặc tính ta có:
∆ω1 =

Ta giả thiết

Ru
.M
( K .Φ dm ) 2 ;

U , Φ, I u

∆ω2 =

Ru + R f 1
( K .Φ dm )

2

.M

;

∆ω3 =

Ru + R f 2
( K .Φ dm ) 2

.M

là những hằng số. Do vậy nên momen M cũng là hằng số.

R < Rf 1 < Rf 2
∆ω < ∆ω2 < ∆ω3 .
Mặt khác vì u
nên ta có 1
Độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên:
βTN
β1 = βTN

Vậy nên

(k .Φ dm )2
dM ∆M
=
≈
=−
dω ∆ω
Ru

(k .Φ dm ) 2
( k .Φ dm ) 2
(k .Φ dm ) 2
β

=
−
β
=
−
=−
2
3
Ru + R f 1
Ru + R f 2
Ru
;

;

β1 > β 2 > β3
M

Vậy ứng với phụ tải c nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ cơ càng giảm, đồng
thời dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta dụng
phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc
độ cơ bản.
1.1.5.2. Ảnh hưởng của từ thông
SVTH: Trần Văn Trọng

10

Kỹ thuật điện – điện tử K37B


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Giả thiết

U = U dm = const

đổi dòng điện kích từ

I kt

và

Ru = const

. Muốn thay đổi từ thông thì ta phải thay

. Ta có phương trình đặc tính cơ như sau:

ω=
Trong đó:

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

Ru
U
−
.M = ω0 − ∆ω
K .Φ ( K .Φ) 2

ω0 : tốc độ không tải lý tưởng.
∆ω : độ sụt tốc độ.

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

Hình 1. 6: Đặc tính cơ điện khi giảm từ thông mạch kích từ

Theo đưởng đặc tính cơ ta có:

ω0TN = ω01 =

ω02 =

Độ cứng của đặc tính cơ:

β=

U dm
U
= dm
K .Φ dm K .Φ1

U dm
K .Φ 2

dM ∆M
( K .Φ ) 2

≈
=−
d ω ∆ω
Ru

Do cấu trúc của máy điện nhất định nên cuộn dây kích từ chỉ chịu được dòng
kích từ định mức, do vây trong thực tế chỉ nên sử dụng phương pháp điều chỉnh
giảm từ thông (

Φ < Φ dm

). Khi ta giảm từ thông thì lúc đó tốc độ không tải sẽ tăng

lên. Đặc tính điều chỉnh theo Φ có độ cứng β càng giảm xuống nếu như ta càng
giảm Φ nghĩa là tốc độ sẽ tăng vọt còn momen thì giảm nhanh, làm cho hệ số quá
tải giảm. Vì vậy làm cho động cơ làm việc kém ổn định.

SVTH: Trần Văn Trọng

11

Kỹ thuật điện – điện tử K37B

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm từ thông phù hợp với
những tải có momen cản là hằng số (

M C = const

). Vì

M C = K M .Φ.I = const.

Do vậy

khi từ thông giảm thì làm cho I tăng lên gây phát nóng động cơ. Giải điều chỉnh
của phương pháp này cũng bị hạn chế bởi tốc độ cao nhất của động cơ, khi tốc độ
cao quá thì có thể làm hỏng phần quay của động cơ do lực li tâm lớn.
1.1.5.3. Ảnh hưởng của điện áp phần ứng
Giả thuyết

Φ = Φ dm = const , Ru = const

, khi ta thay đổi giá trị điện áp phần ứng thì

ta có tốc độ không tải lý thưởng cũng thay đổi theo. Do cấu trúc cuộn dây phần ứng
chỉ chịu được điện áp

U dm

nên chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh giảm điện áp

phần ứng.

Hình 1. 7: Đặc tính cơ khi giảm điện áp phần ứng

Tốc độ không tải của động cơ:
Độ cứng đặc tính cơ:

ω0 i =

Ui
K .Φ dm

( K .Φ dm )2
β =−
= const
Ru

Khi giảm điện áp phần ứng động cơ thì ta được một họ đặc tính cơ song song và
nằm về phía dưới đặc tính cơ tự nhiên. Và khi giảm điện áp phần ứng thì tốc độ
động cơ giảm xuống ứng với một phụ tải nhất định.
1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
1.2.1. Khái niệm chung
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 có khả năng điều chỉnh tốc độ rõ ràng

SVTH: Trần Văn Trọng

12

Kỹ thuật điện – điện tử K37B


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

mà về cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển cũng đơn giản hơn đồng thời lại đạt được
chất lượng điều chỉnh cao trong dãi điều chỉnh tốc độ rộng. Thực tế có hai phương
pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều:
− Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ.

− Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.
Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động
cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Cho đến nay công nghiệp sử dụng bốn bộ biến đổi
chính:
− Bộ biến đổi máy điện gồm: Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc
máy điện khuếch đại (KĐM)
− Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ (KĐT)
− Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: Chỉnh lưu Thyristor (CLT)
− Bộ biến đổi xung áp một chiều: Thyristor hoặc Tranzitor (BBĐXA).
Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như
sau:

−
−
−
−
−

Hệ truyền động máy phát – động cơ (F-Đ)
Hệ truyền động máy 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 áp – động cơ (XA-Đ).

Theo cấu trúc mạch điện điều khiển của hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động
cơ điện một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh
tự động) và loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển “hở”). Hệ truyền
động điện điều chỉnh tự động có cấu trúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều chỉnh
cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động “hở”.
1.2.2. Phương pháp điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như
máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển…Các thiết bị
nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức
điện động

Eb

điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển

U dk

. Vì là nguồn có công

suất hữu hạn so

SVTH: Trần Văn Trọng

13

Kỹ thuật điện – điện tử K37B


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong

Rb

và điện cảm

Lb

khác

không. Ta có sơ đồ tổng quát của phương pháp này như sau:

Hình 1. 8: Phương pháp điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ
Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:

Eb − Eu = I u .( Rb + Rud )

ω=

Eb
R + Rud
M
− b
.I u ⇔ ω = ω0 (U dk ) −
K .Φ dm K .Φ dm
β

( K .Φ dm )2

β=
< βTN
Rb + Rud

Hình 1. 9: Đặc tính cơ của phương pháp điều chỉnh điện áp
1.2.3. Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều (CL – ĐC)
Hệ truyền động chỉnh lưu có điều khiển – động cơ (CL – ĐC) có bộ biến đổi là
các mạch chỉnh lưu có điều khiển, có sức điện động E d phụ thuộc vào giá trị của
xung điều khiển (có nghĩa là phụ thuộc vào góc điều khiển hay góc mở của
Thyristor).
Điện áp chỉnh lưu Ud (hay Ed) là điện áp không tải ở đầu ra, có dạng dập mạch
với số lần dập mạch là n trong một chu kỳ 2π của điện áp thứ cấp máy biến áp.

SVTH: Trần Văn Trọng

14

Kỹ thuật điện – điện tử K37B


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

Hình 1. 10: Sơ đồ nguyên lí hệ CL - ĐC
− Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia: n=m, trong đó m là số pha.
− Với sơ đồ chỉnh lưu hình cầu: n=2m khi m là số lẽ
n=m khi m là số chẵn.
Giả sử điện áp thứ cấp của máy biến áp có dạng hình sin với biểu thức là:

u2 = U 2 m .sin ωt = U 2 m .sin θ
Trong khoảng θ = (0 ÷ 2π ) thì dạng điện áp và dòng điện lặp lại như chu kì ban
đầu nếu ta chỉ cần xét trong một chu kì T = 2π .

Hình 1. 11: Sơ đồ thay thế của hệ CL - ĐC
Khi van dẫn thì ta có phương trình điện áp như sau:

u2 − E = I d .RΣ + LΣ .

did
dt

Dùng phương pháp xếp chồng tác động của hai nguồn

u2

và E ta được:

−θ

U 2m
E
i = iu 2 + iE =
sin(θ − ϕ ) −
+ C.e x
Z
RΣ

Z = R2 + X 2

Trong đó:
a) Trạng thái dòng điện liên tục:

SVTH: Trần Văn Trọng

ϕ = arctg

x
R và θ = Ωt.

15

Kỹ thuật điện – điện tử K37B

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

Ở trạng thái dòng điện liên tục khi van này chưa khóa thì van kế tiếp đã mở, việc
mở van kế tiếp là điều kiện cần để khóa van đang dẫn. Do vậy, điện áp của chỉnh
lưu sẽ có dạng đường bao của điện áp thứ cấp máy biến áp.
Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:
α+

Ud =

=

Trong đó:

θ = ω.t

n
.
2π

2π
n

∫
α

α+

u2 dt =

n
.
2π

2π
n

∫

U 2 m .sin θ .dθ

α

n
π
.sin .U 2 m .cosα = U d 0 .cosα

π
n

π π
− )
2 n : Góc mở của van
n
π
= .U 2 m .sin
π
n : Điện áp một chiều lớn nhất ở đầu ra ứng với α = 0

α = α0 − (
Ud 0

U 2m

: Trị biên độ của điện áp thứ cấp máy biến áp
n: Số lần đập mạch trong một chu kì.
Bỏ qua sụt áp trên van, ta có phương trình đặc tính cơ như sau:
U .cosα
RΣ
ω = d0
−

M
K .Φ dm
( K .Φ dm ) 2
RΣ = Ru + Rkl + Rba +

Trong đó:
Độ cứng đặc tính cơ:

n
. X ba + Rv
2π

β=

dM ∆M ( K .Φ dm ) 2
≈
=
d ω ∆ω
RΣ

Hình 1. 12: Độ cứng đặc tính cơ hệ CL - ĐC
b) Trạng thái dòng gián đoạn:
Khi điện kháng trong mạch không đủ lớn, nếu sức điện động của động cơ đủ lớn
thì dòng điện tải sẽ trở thành gián đoạn. Ở trạng thái này thì dòng qua van bất kì sẽ

bằng 0 trước khi van kế tiếp mở. Do vậy trong một khoảng dẫn của van thì sức điện
động của chỉnh lưu bằng sức điện động nguồn:
SVTH: Trần Văn Trọng

16

Kỹ thuật điện – điện tử K37B


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

ed = U 2

với 0 ≤ θ ≤ λ , trong đó λ là khoảng dẫn.
Khi dòng điện là 0 thì sức điện động của chỉnh lưu bằng sức điện động của động cơ:
λ ≤θ ≤

ed = E

2π
n

, với
Vậy ta có điện áp trung bình của chỉnh lưu là:
2π
n

λ

n
n
u2 dθ + ∫ Edθ =
U 2 m .sin θ .dθ +
∫

2π 0
2π ∫0
λ
n
2π
=
.U 2 m .(1 − cosλ ) + E.(
− λ)
2π
n
n
2π

Ud =
.U 2 m .(1 − cosλ ) + E.(
− λ)
2π
n
Ud =

Vậy:

λ

2π

n

∫ E.dθ
λ

Nhận xét:
− Ưu điểm: Hệ truyền động CL – ĐC có độ tác động nhanh cao, không gây ồn và dễ
tự động hóa, do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao, vì vậy rất
thuận tiện cho việc thiết lập hệ thống tự động điều chỉnh để nâng cao chất lượng các
đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống. Mặt khác, việc dùng hệ CL – ĐC có
kích thước và trọng lượng nhỏ gọn.
− Nhược điểm: Hệ truyền động CL – ĐC có các van bán dẫn là các phần tử phi tuyến

tính, do đó dạng điện áp ra của chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao, gây nên tổn thất
phụ trong máy điện một chiều.
1.2.4. Kết luận
Trong các hệ truyền động dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng để
điều chỉnh tốc độ động cơ, ta nhận thấy rằng hệ truyền động CL – ĐC là hệ truyền
động có nhiều ưu điểm hơn cả.

SVTH: Trần Văn Trọng

17

Kỹ thuật điện – điện tử K37B

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

2.1.

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN BỘ CHỈNH LƯU
Sơ lược về Thyristor
Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp
giáp p-n: J1, J2, J3. Thyristor có ba cực Anode (A), Cathode (K), cực điều khiển (G

– Gate).

Hình 2. 1: Hình dạng và cấu tạo của Thyristor
2.1.1. Đặc tính Vôn-Ampe của Thyristor
Đặc tính Vôn-Ampe của một Thyristor gồm hai phần. Phần thứ nhất nằm trong
góc phần tư thứ I là đặc tính thuận (U AK > 0); phần thứ hai nằm trong góc phần tư
thứ III là đặc tính ngược (UAK < 0).
Khi dòng vào cực điều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực điều
khiển Thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực U AK. Khi
UAK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor, hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngược,
lớp J2 phân cực thuận, như vậy Thyristor sẽ giống như hai diode mắc nối tiếp bị

SVTH: Trần Văn Trọng

18

Kỹ thuật điện – điện tử K37B


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

phân cực ngược. Qua Thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là

dòng rò. Khi UAK tăng đạt đến giá trị Ungmax sẽ xảy ra hiện tượng Thyristor bị đánh
thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn. Lúc này nếu có giảm U AK xuống dưới mức
Ungmax thì dòng điện cũng không giảm được về mức dòng rò. Thyristor đã bị hỏng.
Khi tăng UAK theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất
nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch A-K vẫn có giá trị rất lớn.
Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược. Cho đến khi UAK tăng đạt
đến giá trị Uthmax, sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch A-K đột ngột
giảm, dòng điện chạy qua Thyristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài. Nếu
khi đó dòng qua Thyristor lớn hơn một mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì I dt,
thì khi đó Thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận. Đoạn đặc tính thuận
được đặc trưng bởi tính chất dẫn dòng và phụ thuộc vào giá trị của phụ tải nhưng
điện áp rơi trên Anode- Cathode nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của

dòng điện.
2.1.2. Mở - khóa Thyristor
a) Mở Thyristor
Đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực G và K. Xung dòng
điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của Thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng
thấp ở mức UAK nhỏ. Khi đó IAK > Idt thì Thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở
dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung điều khiển. Điều này nghĩa là có thể
điều khiển mở các Thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó
công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ so với công suất của mạch lực mà
Thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện.
b) Khoá Thyristor
Một Thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa nếu dòng điện giảm về

không. Tuy nhiên để Thyristor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi U AK > 0
thì cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính
chất cản trở dòng điện của Thyristor.
Khi Thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, hai lớp tiếp giáp J 1, J3 phân cực thuận,
các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J 2 đang bị phân cực
ngược. Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J 1, J2, J3. Để khóa

SVTH: Trần Văn Trọng

19

Kỹ thuật điện – điện tử K37B

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

Thyristor lại cần giảm IAK về không bằng cách là đổi chiều dòng điện hoặc đặt một
điện áp ngược lên giữa A và K của Thyristor. Sau khi dòng về bằng không phải đặt
UAK < 0 trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian khóa lúc này Thyristor
sẽ khóa. Trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa K và A. Thời
gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của Thyristor. Thời gian phục
hồi xác định dải tần số làm việc của Thyristor. Thời gian phục hồi có giá trị cỡ 5 ÷

10µs đối với các Thyristor tần số cao và cỡ 50 ÷ 200µs đối với các Thyristor tần số
thấp.

2.2.

Các bộ chỉnh lưu Thyristor
2.2.1. Bộ chỉnh lưu cầu một pha đối xứng
− Sơ đồ nguyên lí:

Hình 2. 2: Sơ đồ nguyên lí chỉnh lưu cầu một pha đối xứng
− Đồ thị dạng sóng:

SVTH: Trần Văn Trọng

20

Kỹ thuật điện – điện tử K37B


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

Hình 2. 3: Đồ thị dạng sóng sơ đồ cầu một pha đối xứng

− Giá trị trung bình của điện áp tải:

Ud =

2 2
U 2 .cosα
π

U dmax =

− Giá trị điện áp cực đại trên tải:

2 2
U2
π

− Giá trị điện áp ngược đặt lên mỗi van Thyristor:

U ngmax = 2U 2

− Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp:
− Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua mỗi van:

I2 = Id =
I tbV =

Ud
R

Id
2 .

Nhận xét: Chỉnh lưu cầu một pha đối xứng có chất lượng điện áp ra đảm bảo và
có điên áp ngược đặt lên mỗi van chỉ bằng một nữa so với chỉnh lưu một pha có
biến áp trung tính. Khả năng sử dụng máy biến áp cao. Thế nhưng chỉnh lưu này có

số lượng van nhiều gấp hai lần, sụt áp lớn gấp hai lần, điều khiển phức tạp hơn.
2.2.2. Bộ chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng
− Sơ đồ nguyên lí:

SVTH: Trần Văn Trọng

21

Kỹ thuật điện – điện tử K37B


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

Hình 2. 4: Sơ đồ nguyên lí chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng
− Đồ thị điện áp và dòng điện tải, dòng điện các van dẫn:

Hình 2. 5: Các dạng đồ thị của sơ đồ cầu một pha không đối xứng
− Góc dẫn của Diot là:
− Góc dẫn của Thyristor:

λD = π + α

λT = π − α

− Giá trị trung bình điện áp tải:

Ud =

Ud0 =

− Giá trị điện áp cực đại trên tải:

2U 2
(1 + cosα )

π

2 2U 2
π

U ngmax = 2U 2

− Giá trị điện áp ngược lớn nhất:

SVTH: Trần Văn Trọng

π

1
2U 2* sin θ dθ =
∫
πα

22

Kỹ thuật điện – điện tử K37B


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

− Nhận xét: Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng có cấu tạo đơn
giản, gọn nhẹ, dễ điều khiển, tiết kiệm van thích hợp cho các máy có công
suất nhỏ.
2.2.3. Bộ chỉnh lưu hình tia ba pha
− Sơ đồ nguyên lí:

Hình 2. 6: Sơ đồ nguyên lí bộ chỉnh lưu hình tia ba pha
Ud =

− Giá trị trung bình của điện áp tải:

− Giá trị điện áp ngược đặt lên Thyristor:
− Giá trị dòng điện trung bình chạy qua tải:

3 6
.U 2 .cosα
2π
U ng = 2. 3.U 2 f = 6.U 2 f
Id =

Ud

R

− Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp:
− Giá trị dòng điện trung bình của từng van:

I tbV =

I2 =

Id
3

Id
3

S BA = 1, 35.U d .I d
− Công suất máy biến áp:
− Đồ thị điện áp và dòng điện tải, dòng điện các van dẫn:

SVTH: Trần Văn Trọng

23

Kỹ thuật điện – điện tử K37B

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

Hình 2. 7: Các dạng đồ thị của chỉnh lưu hình tia ba pha
− Nhận xét:
Chỉnh lưu hình tia ba pha có chất lượng điện áp tốt hơn so với tất cả các loại
chỉnh lưu một pha. Dòng điện chạy qua các van bán dẫn nhỏ hơn, biên độ điện áp
đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn so với chỉnh lưu một pha.
Trong các loại chỉnh lưu ba pha, thì chỉnh lưu hình tia ba pha có số van bán dẫn

thấp nhất. Trong cuộn dây thứ cấp máy biến áp có tồn tại dòng điện một chiều, vì
vậy làm cho lõi thép máy biến áp nhanh bị bão hòa gây phát nóng lõi thép. Cuộn
dây thứ cấp máy biến áp phải đấu Y, với bốn đầu dây nối ra ngoài và dây trung tính
phải lớn gấp đôi dây pha vì nó chịu dòng điện tải.
2.2.4. Bộ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng
− Sơ đồ nguyên lí:

SVTH: Trần Văn Trọng

24

Kỹ thuật điện – điện tử K37B

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GVHD: ThS. NGUYỄN THÁI BẢO

Hình 2. 8: Sơ đồ nguyên lí chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng
− Đồ thị biểu diễn:

Hình 2. 9: Các dạng đồ thị của chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng
− Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
Ud =

6
2π

5π
+α
6

∫

2U 2 .sin θ dθ =

π
+α
6

3 6U 2
cosα
π

− Giá trị trung bình của dòng điện qua Thyristor:
− Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp:
− Giá trị điện áp ngược lớn nhất của Thyristor:

I tbT =
I2 =

Id
3
2
.I d
3

U ng max = 6.U 2

S BA = S1BA = S 2 BA =

π
.U d .I d
3

− Công suất máy biến áp:
− Nhận xét:
+ Điện áp chỉnh lưu của nó có số lần đập mạch trong một chu kì gấp đôi số
lần đập mạch của chỉnh lưu tia ba pha. Dòng điện qua thứ cấp máy biến áp
SVTH: Trần Văn Trọng

25

Kỹ thuật điện – điện tử K37B