Đồ án Điện Tử Công Suất Chỉnh lưu hình tia 3 pha

CHƯƠNG I:
GIỚI THIỆU SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU HÌNH TIA
BA PHA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
A. TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU 3 PHA HÌNH TIA:
1. Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha:
A
B
C

T1

a

T2

b

T3

c
R

E

L

Hình 1.1: Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha

Hình1.2: Sơ đồ dạng sóng tia 3 pha
Trang 1

Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha: Gồm 1 máy biến áp 3 pha có thứ cấp n ối Y o, 3 pha
Thyristor nối với tải như hình 1.1.
- Điều kiện khi cấp xung điều khiển chỉnh lưu:

• Thời điểm cấp xung điện áp pha tương ứng phải dương hơn so với trung tính.
• Khi biến áp đấu hình sao (Y)trên mỗi pha A,B,C n ối một van.3 catod đ ấu chung

cho điện áp dương của tải ,còn trung tính biến áp, sẽ là đi ện áp âm. Ba pha này
dịch góc 120o theo các đường cong điện áp pha ,có đi ện áp của 1 pha dương
hơn điện áp của 2 pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kì .
• Nếu có các Thyristor khác đang dẫn thì đi ện áp pha t ương ứng ph ải d ương h ơn
pha kia. Vì thế phải xét đến thời gian cấp xung đầu tiên.
• Góc mở tự nhiên:
α
• Góc mở được xác định từ lúc điện áp đặt lên van tương ứng chuy ển từ âm đ ến
0 (từ đóng sang khoá) cho đến khi bắt đầu đặt xung điều khi ển vào.
• Điện áp gây nên quá trình chuyển mạch: điện áp dây.

0 ≤α <π −γ − µ

•

Trong đó: γ: góc dẫn
µ: góc chuyển mạch
2. Nguyên lý hoạt động:
a. Xét khi góc mở α = 0:
u
Vc

Vb

Va
E

i1
E
i2
E
i3
E
id
1

2

3

4
Trang 2


Điện áp pha thứ cấp máy biến áp
v a = 2u 2 sin θ
vb = 2u2 sin ( θ − 2π / 3)
vc = 2u2 sin ( θ + 2π / 3 )

Qua hình trên ta thấy:
• Lúc

θ1 < θ < θ 2

→

i1 =

qua T2; T3 khoá
• Lúc

θ 2 < θ < θ3

qua T1; T3 khoá

• Lúc

.

có giá trị lớn nhất nên T1 mở cho dòng chạy

va − E
R

→

i2 =

va > vb > vc va

vb > vc > va vb

.

có giá trị lớn nhất nên T2 mở cho dòng chạy

vb − E
R

θ 3 < θ < θ1 v c > v a > v b

.

i3 =

, T3 mở; T1, T2 khoá;

vc − E
R

Trong đó: R: điện trở của động cơ.
E: suất điện động phản kháng của động c ơ.
Id =

ud − E
R

Dòng trung bình:
I1 = I 2 = I 3 =

1
2π

5π 6

∫π

6

I d .dθ =

Id
3

b. Xét khi góc mở α≠0:
Giả thiết tải: R, L,Eu , chuyển mạch tức thời.
Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:

u1 = U m sinθ
Trang 3


u 2 = U m sin(θ −
u3 = U m sin(θ +

-

2π
)
3

2π

)
3

Nhịp V1: khoảng thời gian từ

θ1 → θ 2

. T ại

θ1

điện áp đặt lên u1> 0, có xung kích

khởi: T1 mở, khi đó:

u v1 = 0

u v 2 = u 2 − u1 < 0
u = u − u < 0
3
1
 v3
T1 mở, T2, T3đóng, lúc này:
•
•
•

Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u1 :
ud = u1
Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van 1: id = Id = i1

Dòng điện qua T2, T3 bằng 0:
i 2 = i3 = 0
Trong nhịp V1: uV2 từ âm chuyển lên 0, khi uV2 = 0 thì T2 mở, lúc này:
uV1 = u1 – u2 = 0 và bắt đầu âm nên T1đóng, kết thúc nhịp V1, bắt đầu nhịp V2.

-

Nhịp V2: từ

θ 2 → θ3

u v 2 = 0

u v1 = u1 − u 2
u = u − u
3
2
 v3
T2 mở, T1, T3 đóng:
• Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u2:
ud = u2
• Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 2: i d = Id = i2
• Dòng điện qua T1, T3 bằng 0:
i 1 = i3 = 0

Trong nhịp V2: uV3 từ âm chuyển lên 0, khi uV3 = 0 thì T3 mở, lúc này:
uV2 = u2 – u3 = 0 và bắt đầu âm nên T2đóng, kết thúc nhịp V2, bắt đầu nhịp V3.
Trang 4

- Nhịp V3: từ

θ3 → θ 4

uv 3 = 0

uv1 = u1 − u3
u = u − u
2
3
 v2

T3 mở, T1, T2 đóng:
• Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u3:
u d = u3
• Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 3: i d = Id =

i3
• Dòng điện qua T1, T2 bằng 0:

i 1 = i2 = 0

Trong nhịp V3: uV1 từ âm chuyển lên 0, khi uV1 = 0 thì T1 mở, lúc này uV3 = u3 –
u1 = 0 và bắt đầu âm nên T3đóng, kết thúc nhịp V3, bắt đầu nhịp V1.
Trong mạch ,dạng sóng của dòng điện phụ thuộc vào tải, tải thu ần tr ở
dòng điện id cùng dạng sóng ud ,khi điện kháng tải tăng lên ,dòng điện càng trở
nên bằng phẳng hơn, khi Ld tiến tới vô cùng dòng điện id sẽ không đổi, id = Id.
Trị trung bình của điện áp tải:

Ud =

2
3π

5π
+α
6

∫

2.U 2 .sin θ .dθ =

π
+α
6

3 6U 2
.cos α = 1,17U 2 cosα .
2π

Trong đó: α: Góc mở Thyristor.
Trùng dẫn:

e a = 2 .U 2 . sinθ
eb = 2 .U 2 . sin(θ −

2π
)
3
Trang 5

ec = 2.U 2 .sin(θ +

2π
)
3

Giả sử T1đang cho dòng chạy qua, iT1 = Id. Khi

θ =θ2

cho xung điều khiển

mở T2. Cả 2 Thyristor T1 và T2đều cho dòng chảy qua làm ngắn mạch 2 nguồn e a
và eb. Nếu chuyển gốc toạ độ từ

θ

sang

e a = 2 .U 2 . sin(θ +

5π
+ α)
6

eb = 2 .U 2 . sin(θ +

π

+α)
6

θ2

ta có:

Điện áp ngắn mạch:

U c = eb − e a = 2 .U 2 . sin(θ + α )

Dòng điện ngắn mạch được xác định bởi phương trình:

6 .U 2 . sin(θ + α ) = 2. X c .

di c
dt

Do đó:

ic =

6 .U 2
.[ cos α − cos(θ + α )]
2. X c

Nguyên tắc điều khiển các Thyristor : Khi anod của Thyristor nào d ương
hơn Thyristor đó mới được kích mở. Thời đi ểm của 2 pha giao nhau được coi là
góc thông tự nhiên của các Thyristor. Các Thyristor chỉ được mở v ới góc m ở nh ỏ
nhất .

Tại mỗi thời điểm nào đó chỉ có 1 Thyristor dẫn ,như vậy dòng điện qua tải
liên tục, mỗi t dẫn trong 1/3 chu kì.còn nếu đi ện áp tải gián đo ạn thì th ời gian
dẫn của các Thyristor nhỏ hơn .Tuy nhiên, trong cả 2 TH dòng đi ện trung bình
của các Thyristor đều bằng 1/3 I d .trong khoảng thời gian Thyristor dẫn dòng
Trang 6


điện của Thyristor bằng dòng điện tải. Dòng điện Thyristor khoá = 0. Đi ện áp
Thyristor phải chịu bằng điện dây giữa pha có Thyristor khoá với pha có
Thyristor đang dẫn.
Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thu ộc
vào góc mở Thyristor:
• Nếu α≤ 30 →Ud , Id liên tục.
• Nếu α> 30 →Ud , Id gián đoạn.
Ud
α
Id

Id

Ud

T2

0

t
t1

I1

t2

t3

t4

Hình 1.3: Giản đồ đường
cong
khi α = 30otải thuần trở

t
I2
t
I3
t
UT1
t

Ud

Ud

Id

T2

Id
0

t
α

I1
t
I2
t
I3
t
UT1
t

Trang 7

Hình1.4: Giản đồ đường cong khi góc mở = 60o


Hình 1.5

+
+
+

Nhận xét: So với chỉnh lưu 1 pha:
•
•
•
•

Chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện một chiều tốt hơn.

Biên độ điện áp đập mạch tốt hơn.
+
Thành phần sóng hài bậc cao bé hơn .
+
Việc điều khiển các van bán dẫn cũng tương đối đơn giản hơn.
+

+
+
mà từ thông lõi thép biến+áp là từ thông xoay chiều không đối xứng làm cho công
N2
J1
Ei lực, các J2J3
suất biến áp phải lớn. Khi chế tạo biến áp động
cuộn dây thứ cấp ph ải

Dòng điện mỗi cuộn thứ cấp là dòng điện 1 chiều ,do biến áp 3 pha 3 trụ

G

đấu sao(Y) ,có dây trung tính phải lớn hơn dây pha vì dây trung tính ch ịu dòng
tải.

K

N1

3. Tổng quan về Thyristor:

P2

a. Cấu tạo:

Là dụng cụ bán dẫn gồm 4 lớp bán đẫn loại P và N ghép xen kẽ nhau vàP1có 3
cực anốt, catốt và cực điều khiển riêng G.

Kí hiệu :

A

b. Nguyên lý hoạt động:

A

K
G

Khi Thyristor được nối với nguồn một chiều E > 0 tức cực dương đặt vào
anốt cực âm đặt vào catốt, thì tiêp giáp J 1, J3 được phân cực thuận còn miền J2
phân cực ngược, gần như toàn bộ điện áp được đặt lên mặt ghép J 2, điện trường
nội tại E1 của J2 có chiều từ N1 hướng tới P2. Điện trường ngoài tác động cùng
Trang 8


R1
Rt

Hình 1-6a

T

K

+E

chiều với E1, vùng chuyển tiếp là vùng cách điện càng được mở rộng ra, không
có dòng điện chạy qua R2
tiristor mặc dù nó được đặt dưới 1 điện áp d ương.

•

Mở Thyristor : Nếu cho một xung điện áp dương U g tác động vào cực G (dương
so với K ) thì các electron từ N 2 chạy sang P2. Đến đây một số ít trong chúng chảy
về nguồn Ug và hình thành dòng điều khiển I g chảy theo mạch G1 - J3 - K - G , còn
-E

phần lớn điện tử dưới sức hút cuả điện trường tổng hợp của mặt J 2 lao vào
vùng chuyển tiếp này chúng được tăng tốc do đó có động năng rất l ớn sẽ b ẻ g ảy
các liên kết giữa các nguyên tử Si, tạo nên các đi ện tử t ự do m ới. S ố đi ện t ử này
lại tham gia bắn phá các nguyên tử Si khác trong vùng chuy ển ti ếp. K ết qu ả c ủa
các phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện càng nhi ều đi ện twr ch ạy vào vung
N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây nên hiện tượng đẫn đi ện
ào ạt làm cho J2 trở thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ một diểm nào đó ở
sung quanh cực rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép v ới tốc độ lan truy ền kho ảng
1m/100 µs.

Trang 9


Một trong những biện pháp đơn giản nhất
để mở Thyristor được trình bày trên hình vẽ.

Khi đóng mở K, nếu Ig > Igst thì T mở ( Ig≈
(1,1 ÷1,2 ). Igst )
G=

E
(1,1 − 1,2) I gst

Ig: Giá trị dòng điều khiển ghi trong sổ tay tra
cứu Thyristor
R2 = 100÷ 1000(Ω)

Trang 10


Có thể hình dung như sau : Khi dặt Thyristor ở UAK> 0 thì Thyristor ở tình
trạng sẵn sàn mở cho dòng chảy qua, nhưng nó còn đợi tín hiệu I g ở cực điều
khiển, nếu Ig > Igst thì Thyristor mở.

Trang 11


•

Khoá Thyristor :

Trang 12


Một khi Thyristor đã mở thì tín hiệu thì tín hi ệu I g không còn tác dụng nữa.
Để khoá Thyristor có 2 cách:

Trang 13


o Giảmdòng điện làm việc I xuống giá trị dòng duy trì Idt.

Trang 14


A
B

Hình 1-6b
Hình 1-6c

T1

K
o Đặt một điện áp ngược lên Thyristor U AK< 0, hai mặt J1, J3 phân cực ngược, J2

phân cực thuận. Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính U AK < 0 đang có
mặt tại P1, N1,P2, bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chảy từ
Catốt về Anốt và về cực âm của nguồn điện áp ngoài.
Lúc đầu quá trình từ t0→ t1, dòng điện ngược khá lớn, sau đó J1, J3 trở nên
cách điện. Còn một ít điện tử được giủ lại giữa hai mặt ghép, hiện tượng khuếch
tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đến hết và J 2 khôi phục lại tính chất của mặt ghép
điều khiển.
Thời gian khoá toff được tính từ khi bắt đầu xuất hiên dong điện ngược
bằng 0 (t2) đây là thời gian mà sau đó nếu đặt đi ện áp thu ận lên Thyristor thì
Thyristor vẫn không mở, toff kéo dài khoảng vài chục αs. Trong bất kỳ trường

hợp nào cũng không được đặt tiristor dưới điện áp thuận khi Thyristor chưa bị
khoá nếu không sẽ có nguy cơ gây ngắn mạch nguồn. Trên s ơ đồ hình (b), vi ệc
khoá Thyristor bằng điện áp ngược được thực hiện bằng cách đong khoá K. còn
sơ đồ (c) cho phép khóa Thyristor một cách tự đ ộng. Trong m ạch hình (c) khi
mở Thyristor này thì tiristor kia sẽ khoá lại. Giả thuyết cho một xung đi ện áp
dương đặt vào G1→T1 mở dẫn đến xuất hiện 2 dòng điện : Dòng thứ nhất chảy
theo mạch : +E - R1-T1 - -E, còn dòng thứ 2 chảy theo mạch +E - R2 -T1- -E.
Tụ C được nạp điện đến giá trị E, bản cực dương ở B, bản cực âm ở A. Bây
giờ nếu cho một xung điện áp dương tác động vào G 2→T2 mở nó sẽ đặt điện thế
điểm B vào catốt của T1. Như vậy là T1 bị đặt dưới điện áp Uc = -E và T1 bị khoá
lại.
T2 mở lại xuất hiện 2 dòng điện : Dòng thứ nhất chảy theo mạch : + E - R 1-C
- T2 - -E, còn dòng thứ hai chảy theo mạch : +E - R2 - T2 - -E.
Tụ C được nạp ngược lại đến giá trị E, chuẩn bị khoá T2 khi cho xung mở T1.
c. Điện dung của tụ điện chuyển mạch:
Trong sơ đồ hình (b), (c) một câu hỏi được đặt ra là : Tụ điện C ph ải có giá
trị bằng bao nhiêu thì có thể khoá được Thyristor ?

Trang 15


→ Như đã nói ở trên khi T1 mở cho dòng chảy qua thì C được nạp điện đến
giá trị E. bản cực “+” ở phía điểm B. tại th ời đi ểm cho xung m ở T 2 (cả 2 Thyristor
điều mở), ta có phương trình mạch điện.
E = i.R1 + U c

E = C.R1

Nên

i=C

với

du c
dt

du c
+Uc
dt

Viết dưới dạng toán tử Laplace :

P
= C.R1 { P.[U c ( p ) − U c ( 0 ) ]} + U c ( p )
E

Vì

U c ( 0) = − E

U c ( p) =
nên

Từ đó ta có :

Q.E
p( p + a )

(

a=

với

1
R1 .C

)

U c ( t ) = E 1 − 2.e − at = U T 1

.

Thời gian toff là khoảng thời

gian kể từ khi mở T2 cho đến khi UT1 bắt đầu trở thành dương, vậy ta có :

(

E 1 − 2.e
E
R1 =
I

− a .toff

)=0→t

C=

= 0,693.R1C

off

hoặc

C=

t off
0,693.R1

1,44.I .t off
E

sẽ nhận được

toff :µ ; I : Ampe ; E : Volt ; C : µF
d. Đặt tính Volt - Ampe của Thyristor:
Ia
III
II
IH
Ung
IV

I0
Ing

I

Uth Uch

Hình 1-7

U

Trang 16


Đoạn 1: Ứng với trạng thái khoá của Thyristor, chỉ có dòng điện rò chảy
qua Thyristor khi tăng U lên đến Uch (điện áp chuyển trạng thái), bắt đầu quá
trình tăng nhanh chống của dòng điện. Thyristor chuyển sang trạng thái mở.
Đoạn 2: Ứng với giai đoạn phân cực thuận của J 2. Trong giai đoạn này mỗi
lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với mọt lượng giảm lớn của điện áp đặt lên
Thyristor, đoạn này gọi là đoạn điện trở âm.
Đoạn 3: Ứng với trạng thái mở của Thyristor. Khi này cả 3 mặt ghép đã trở
thàng đẫn điện. Dòng chảy qua Thyristor chỉ còn bị hạn chế bởi điện trở mạch
ngoài. Điện áp rãi trên Thyristor rất lớn khoảng 1V. Thyristor được giử ở trạng
thái mở chừng nào I còn lớn hơn dòng duy trì IH.
Đoạn 4: Ứng với trạng thái Thyristor bị đặt dưới điện áp ngược. Dòng
điện rất lớn, khoảng vài chục mA. Nếu tăng U đên U ng thì dòng điện ngược tăng
lên nhanh chống, mặt ghép bị chọc thủng, Thyristor bị hỏng. Bằng cách cho I g
lớn hơn 0 sẽ nhận được đặt tính Volt - Ampe với các Uch nhỏ dần đi.

B. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
I. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU :
Động cơ điện một chiều được dùng rất phổ biến trong công nghi ệp,giao
thông vận tải và nói chung trong các thiết bị cần đi ều ch ỉnh t ốc đ ộ quay liên t ục
trong một phạm vi rộng. Máy điện một chiều có thể làm việc cả hai ch ế đ ộ máy
phát và động cơ. Khi máy làm việc ở chế độ máy phát công su ất đ ầu vào là công

suất cơ còn công suất đầu ra là công suất đi ện. Động cơ quay roto máy phát
điện một chiều có thể là turbine gas, động cơ điesel hoặc là động c ơ đi ện. Khi
Trang 17


máy điện một chiều làm việc ở chế độ động cơ, công su ất đầu vào là công su ất
điện còn công suất đầu ra là công suất cơ.
Cả hai chế độ làm việc, dây quấn đông cơ điện một chiều đều quay trong
từ trường và có dòng điện chạy qua.
SĐĐ phần ứng động cơ điện một chiều tính theo công thức:
Eư = kE

Φ

n = kM

Φω

Mômen điện từ tính theo công thức
M = kM

Φ

Iư

Phương trình cân bằng điện áp của động cơ :
U = Eư + Rư * Iư
II. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU :
1. Phần tĩnh (hay stato):
Đây là một phần đứng yên của máy. Phần tĩnh gồm các bộ phận tĩnh sau:

a. Cực từ chính:
Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn
kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ . Lõi sắt cục từ làm bằng những lá thép kỹ thu ật
điện hay thép cácbon dày 0.5 đến 1mm ép lại và tán ch ặt . Trong máy đi ện nh ỏ
có thể làm bằng thép khối . Cực từ được gắn chặt vào v ỏ máy nh ờ các bulông
.Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng cách điện và mỗi cuộn dây đều
được bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách đi ện tr ước khi đ ặt trên
các cực từ . Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này được nối nối ti ếp v ới
nhau.
b. Cực từ phụ:
Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thi ện đổi chi ều .
Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có
đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính .C ực từ ph ụ được
gắn vào vỏ nhờ những bulông.
c. Gông từ:
Trang 18


Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ , đồng th ời làm v ỏ máy .
trong máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn l ại , Trong
máy điện lớn thường dùng thép đúc . Có khi trong máy đi ện nh ỏ dùng gang làm
vỏ máy.
d. Các bộ phận khác :
-

Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn
hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện . Trong máy đi ện nhỏ và vừa , n ắp
máy còn có tác dụng làm giá đở ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy th ường làm
bằng gang.

-

Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than
gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì ch ặt lên c ổ góp.
Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách đi ện v ới giá. Giá ch ổi than
có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chổ. Sau khi đi ều ch ỉnh
xong thì dùng vít cố định chặt lại.
2. Phần quay (hay rotor):
a. Lõi sắt phần ứng:
Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ .Thường dùng những tấm thép kỷ thu ật
điện (thép hợp kim silic) dày 0.5 mm phủ cách đi ện m ỏng ở hai m ặt r ồi ép ch ặt
lại để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên .Trên lá thép có dập hình d ạng
rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào.
b. Dây quấn phần ứng:
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động và có dòng đi ện ch ạy
qua .Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có b ọc cách đi ện . Trong
máy điện nhỏ (công suất dưới vài kW ) thường dùng dây có tiết di ện tròn .
Trong máy điện vừa và lớn , thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật . Dây quấn
được cách điện cẩn thận với rảnh của lõi thép .
c. Cổ góp:
Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chi ều) dùng đ ể đ ổi chi ều dòng
điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
d. Các bộ phận khác :
- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy .
Trang 19


- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp cánh quạt và ổ bi. Trục
máy thường làm bằng thép cacbon tốt .
3. Các trị số định mức:

Chế độ làm việc định mức của máy điện một chiều là chế độ làm việc
trong những điều kiện mà xưởng chế tạo đã quy định.Chế độ đó đươc đặc
trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy và gọi là những đại lượng đ ịnh
mức . Trên nhãn máy thường ghi những đại lượng sau:
-

Công suất định mức: Pđm (KW hay W)
Điện áp định mức: Uđm (V)
Dòng điện định mức: Iđm (A)
Tốc độ định mức: nđm (vg/ph).
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ , dòng đi ện kích từ và các
số liệu về điều kiện sử dụng.
III. PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU :
Quan hệ giửa tốc độ và mômen động cơ gọi là đặc tính cơ của động c ơ:
ω = f(M) hoặc n = f(M).
Quan hệ giửa tốc độ và mômen của máy sản xuất gọi là đặc tính c ơ của
máy sản xuất: ωc= f(Mc) hoặc nc= f(Mc).
Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ điện một chiều người ta còn s ử dụng
đặc tính cơ điện. đặc tính cơ điện bi ểu diễn quan hệ gi ửa tốc đ ộ và dòng đi ện
trong mạch động cơ: ω = f(I) hoặc n = f(I).
Trong phạm vi của đề tài này chỉ xét đến đặc tính cơ của động cơ đi ện
một chiều kích từ độc lập.

Trang 20


1. Phương trình đặc tính cơ:
Theo sơ đồ hình (1-5) ta có thể viết phương trình cân bằng đi ện áp c ủa
Uư

mạch phần ứng như sau:
Uư = Eư + (Rư +Rf)Iư

Rf

( 1-1)
E

Trong đó: Uư - điện áp phần ứng (V)

CKT

Eư - sức điện động phần ứng (V)
Rư - điện trở của mạch phần ứng (Ω)

IKT

Rf - điện trở phụ trong của mạch phần ứng (Ω)
Với:

RKT

Rư = rư + rcf + rb + rct

UKT
Hình 1-1

Trong đó: rư - điện trở cuộn dây phần ứng.
rcf - điện trở cuộn cực từ phụ.
rb- điện trở cuộn bù.

rct- điện trở tiếp xúc chổi than.
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

Eư =

pN
φω = kφω
2πa

(1-2)

Trong đó: p - số đôi cực từ chính.
N - số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
A - số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng.
φ - từ thông kích từ dưới một cực từ.
ω - tốc độ góc,rad/s.

k=

pN
2πa

- hệ số cấu tạo của động cơ.

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:
Eư = Ke.φn

Với:

ω=

Vì vậy:

(1-3)

2π n
n
=
60
9,55

Eư =

pN
φn
60a

Trang 21


Ke =

pN
60a

là hệ số sức điện động của động cơ (Ke =

K
9,55

≈ 0.105K)

Từ (2-1) và (2-2) ta có:

=

R + Rf
U­
− ­
I­
KΦ
KΦ

(1-4)

Biểu thức (1-4) là phương trình đặc tính cơ điện của đông cơ.
Mặt khác, mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:
Mđt= Kφ Iư

Suy ra: Iư =

M dt
KΦ

(1-5)

.

Thay giá trị Iư vào (1-4) ta được:

=

R­ + R f
U­
−
M dt
KΦ ( KΦ ) 2

(1- 6)

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen c ơ trên trục động
cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M. Nghĩa là Mđt= Me= M. Khi đó ta được:

=

R­ + R f
U­
−
M
KΦ ( KΦ ) 2

(1-7)

(Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích t ừ độc l ập)
Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông φ = const, thì cá
phương trình đặc tính cơ điện (1- 4) và phương tình đặc tính c ơ (1-7) là tuy ến
tính. Đồ thị của chúng được biểu điển trên hình (1-2) là những đường thẳng.
Theo các đồ thị trên, khi Iư= 0 hoặc M = 0 ta có:

=

U­
= ωo
KΦ

(1-8)

ω0: tốc độ không tải lý tưởng của động cơ.

Còn khi ω = 0 ta có: Iư =

U
= I nm
R­ + R f

(1-9)
Trang 22


Và M = KφInm = Mnm Inm.
0
đm

0
đm
I
Iđm

I
Mđm Mnm

Inm

a. Đặc tính cơ điện của động cơ điện mộtb.chiều
kíchcơ
từcủa
độcđộng
lập cơ điện một chiều kích từ độc lập
Đặc tính
Hình 1-2

Inm, Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch.
Mặt khác từ phương trình đặc tính (1-4) và (1-7) cũng có thể được vi ết dưới dạng:

=

=

=

U­
RI
−
= ω o − ∆ω
K Φ KΦ

(1-10)

U­
RM

−
= ω o − ∆ω
K Φ ( KΦ ) 2
U­
KΦ

∆ω =

(

R
R
I­ =
M
KΦ
( KΦ ) 2

: độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M)

2. Xét các ảnh hưởng các tham số đến đặc tính cơ:
Từ phương trình đặc tính cơ (2-7) ta thấy có ba tham s ố ảnh hưởng đ ến
đặc tính cơ: Từ thông động cơ φ, điện áp phần ứng Uư, và điện trở phần ứng
động cơ.Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó:
a. Ảnh hưởng của điện trở phần ứng:
Giả thiết rằng Uư=Uđm= Const và φ = φđm=const.
Muốn thay đôi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R f vào
mạch phần ứng.

0
TN(Rn)

Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:

o =

Rf1

U dm
= const
KΦ *dm

Rf2
Mc

Độ cứng đặc tính cơ:
Hình 1-2

Rf3 M

Rf423
Trang


β=

∆M
( KΦ ) 2
=−
= var
∆ω

R­ + R f

Khi Rf càng lớn β càng nhở nghĩa là đặc tính cơ càng dốc.
Ứng với Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên:
β TN = −

( KΦ dm ) 2
R­

(1-11)

βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có đ ộ cứng h ơn tất c ả cá
đường đặc tính có điện trở phụ. Như vậy khi thay đổi điện trở R f ta được một
họ đặc tính biến trở như hình (2-5) ứng với mổi phụ tải M c nào đó, nếu Rf càng
lớn thì tốc độ cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ng ắn
mạch củng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này đ ể hạn
chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.
b. Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:
Giả thiết từ thông φ = φđm= const, điện trở phần ứng Rư = const. Khi thay đổi
điện áp theo hướng giảm so với Uđm, ta có: 0
Tốc độ không tải:
ω ox =

Ux
= var
KΦ dm

01
02
03

04

Độ cứng đặc tính cơ:
β =−

Uđm

Mc
Hình 1-8

U1
U2
U3
M(I)
U4

( KΦ ) 2
= const
R­

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một h ọ
đặc tính cơ song song như trên (Hình 2-4).
Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn m ạch, dòng
điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ củng giảm ứng v ới một
phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này củng được sử dụng để điều chỉnh tốc
độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.
c. Ảnh hưởng của từ thông :
Trang 24

Giả thiết điện áp phần ứng Uư= Uđm= const. Điện trở phần ứng Rư = const.
Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ I kt động cơ. Trong trường
hợp này:

Tốc độ không tải:

ox =
−

Độ cứng đặc tính cơ: β =

02
01
0

U dm
= var
KΦ x
( KΦ x ) 2
= var
R­

02
01

2
1
đm

Mc

0

0

2
1
đm
M

Inm
b. Đặc
của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm tư thôn
a. Đặc tính cơ điện của động
cơtính
điêncơ
một
chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông
Hình 1-9

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông.
Nên khi từ thông giảm thì ω0x tăng, còn β giảm ta có một họ đặc tính cơ với ω0x
tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. Ta nhận th ấy
rằng khi thay đổi từ thông:
U dm
= const
R­

Dòng điên ngắn mạch:

Inm =

Mômen ngắn mạch:

Mnm=KφxInm=Var

Các đặc tính cơ điện và đặc tính của động cơ khi gi ảm từ thông được bi ểu
diễn ở hình (1-9)a. Với dạng mômen phụ tải M c thích hợp với chế độ làm việc
của động cơ khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên, như ở hình (1-9)b.
IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ
ĐỘC LẬP:
Trang 25