Đồ án tốt nghiệp - Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập

Đồ án tốt nghiệp

Điều chỉnh tốc độ động cơ một
chiều kích từ độc lập

.
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 1
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

1.1. khái quát chung:
Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trọng một phạm
vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị đơn giản hơn
và rẻ tiền hơn các thiết bị điều khiển của động cơ ba pha.Vì một số ưu điểm như
vậy cho nên động cơ
điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp,
trong giao thông vận tải….
2.1. Phương trình đặc tính cơ:
Để điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì ta phải phân
tích, tìm các mối quan hệ giữa tốc độ với các thông số khác của động cơ để từ đó
đưa ra phương pháp đ
iều khiển. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì dòng
kích từ độc lập với dòng phần ứng. Vì được nuôi bởi hai nguồn một chiều độc lập
với nhau.

E
u
I

u
U
u
R
f
I
kt
U
kt
R
kt
C
kt

Hình 1. Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập
Theo hình 1 ta viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng
U
ư
=E
ư
+ ( R
ư
+ R
f
)I
ư
(1)
Trong đó: U
ư
: Điện áp đặt lên phần ứng động cơ (V).

E
ư
: Sức điện động phần ứng (V)
R
ư
: Điện trở của mạch phần ứng (
Ω
)
R
f
: Điện trở phụ trong mạch phần ứng (
Ω
)
I
ư
: Dòng điện mạch phần ứng (
Α
)
Với R
ư
= r
ư
+ r
cf
+r
b
+ r
ct

Trong đó : r

ư
điện trở cuộn dây phần ứng (
Ω
)
r
cf
: Điện trở cuộn cực từ phụ (
Ω
)
r
b
: Điện trở cuộn bù (
Ω
)
r
ct
: Điện trở tiép xúc chổi điện (
Ω
)
•
Sức điện động E
ư
của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thưc sau
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 2
E
ư
=
a

PN
π
2
φω
=
κφω
(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 mỗi cực từ (wb)
ω : Tốc độ góc (rad/s)
k =
a
PN
π
2
: Hệ số cấu tạo của động cơ
Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/ phút) thì
E
ư
=
e
k
φ
n ( 3)

ω =

60
2 n
π
=
55,9
n

vì vậy E
ư
=
a
PN
60
n
φ

với k
e
=
a
PN
60
: Hệ số sức điện động của động cơ
k
e
=
55,9
k
≈ 0,105 k
Thay (1) vào (2) và biến đổi ta được

ω =
u
U
K
φ
-
()
+
uf
K
RR
φ
I
ư
(4)
Biểu thức (4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.Mặt khác, mômen điện
từ M
đt
=
u
kI
φ
(5)
Nếu bỏ qua tổn thất trong các ổ trục, tổn thất tự quạt mát và tổn thất trong thép thì
mômen cơ trên trục của động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M, tức là M
đt
=
M
cơ
=M

Vậy phương trình đặc tính cơ của động cơ là
ω =
u
k
U
φ
-
2
)(
φ
k
RR
fu
+
M (6)
Biểu thức (6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập
Nếu không xét đến ảnh hưởng của phản ứng phần ứng ngang trục làm giảm từ
thông φ của động cơ tức là xem φ=const thì quan hệ ω=f(M,I) là tuyến tính.
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 3

ω
0
ω
dm
ω
Δ
IM

dmdm,
IM
nmnm ,
IM ,
0
ω

Hình 2 đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Từ đồ thị ta có : khi I
ư
= 0 hoặc M =0 ta có

ω
=
φ
k
U
=ω
0
(7)
ω
0
:

được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ , khi ω=ω
0
ta có
I
ư
=

RR
fu
U
+
=I
nm
(8)
Và M =k
φ
I
nm
=M
nm
(9)
I
nm
, M
nm
: được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch. Mặt khác
phương thình đặc tính (4) và (6) cũng có thể viết dưới dạng
ω =
φ
k
U
u
-
φ
k
R
I

ư
=ω
0
-
ω
Δ
(10)
ω =
φ
K
U
u
-
)(
2
φ
k
R
M = ω
0
-
ω
Δ
(11)
vì I
ư
=
φ
K
M

ta suy ra từ (5)
trong đó R = R
ư
+ R
f
, ω
0
=
φ
K
U
u

Δω=
φ
K
R
I
ư
=
)(
2
φ
k
R
M (12)
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 4
Δω : được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M (hay I) , ta có thể biểu diễn đặc

tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối với điều kiện từ thông là định
mức (
φ
=
φ
dm
)
Trong đó ω*=
0
ω
ω
, I* =
dm
I
I
,M
∗
=
dm
M
M
, R* =
R
cb
R

( R
cb
=U
đm

/ I
đm
được gọi là điện trở cơ bản )
Từ (4) và (6) ta viết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối
ω*=1- R*I* (13)
ω
∗
= 1- R*M
∗
(14)
• Độ cứng của đặc tính cơ :
β=
ω
d
dM
=
R
k
nm
∑
)
2
(
φ
(15)
• Công suất (năng lượng điện)
Từ phương trình lý tưởng : IU =(E
ư
+IR
ư

)I (16)
Ta có P
điện
=P
đt
+
ΔΡ

Trong đó P
đt
=IE
ư
công suất điện từ

Δ
P =I
2
R
ư
tổn hao công suất cơ trên điện trở phần ứng
Thực tế P
điện
=P
đt
+ ΔP
ư
+ ΔP
0
(17)
Với ΔP

0
tổn hao ma sát do sự quay
Từ biểu thức (4) hoặc (6) ta thấy
ω
là một hàm phụ thuộc R,
φ
, U :
〈ω=f(R,Φ,U)® do đó để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập
có ba phương pháp điều khiển sau :
- Điều khiển điện trở phụ phần ứng
- Điều khiển từ thông kích từ
- Điều khiển điện áp phần ứng
Sau đây ta xem xét từng ph
ương pháp điều khiển một
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH
TỪ ĐỘC LẬP
2.1 Phương pháp điều khiển bằng điện trở phụ phần ứng (R
f
):
•Nguyên lý điều chỉnh:
Nối thêm điện trở phụ R
f
vào mạch phần ứng
Ta đã phân tích ở trên nên ta có ω= f〈 R
f
, φ
kt
, U ®, giả thiết rằng :
Nếu giữ φ=φ
đm

=const ; U= U
đm
= const; R
ư
=const thì ω=f(R
f
)
Muốn thay đổi được giá trị R
f
của mạch phần ứng bằng cách nối tiếp một điện trở
phụ (R
f
) thay đổi được giá trị vào mạch phần ứng.
Lúc này ta có : R = R
ư
+ R
f

Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 5
Từ phương trình đặc tính cơ : ω=
φ
dm
dm
K
U
-
)
(

2
φ
K
RR
dm
fu
+
M
Từ phương trình trên ta thấy : khi tăng giá trị của R
f
thì tốc độ của động cơ giảm,
khi giảm giá trị của R
f
thì tốc độ của động cơ tăng .
Lúc này ta có tốc độ không tải lý tưởng: ω
0
=
φ
dm
dm
K
U
= const (18)
Còn độ cứng của đặc tính cơ : β =
RR
K
fu
dm
+
)

2
(
φ
= var (19)
Như vậy khi thay đổi R
f
cho ta một họ đặc tính như sau:

ω
0
ω
M
dm
M
dm
2
0=
R
f
R
f 1
R
f 2
R
f 3
0
M

Hình 1-3 : Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở những
điện trở phụ khác nhau

• Nhận xét: Nếu R
f
càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời I
nm
và M
nm

cũng giảm. Phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện động cơ khi khởi
động.
- Ưu điểm : Đơn giản , dễ thực hiện
- Nhược điểm : + Độ cứng đặc tính cơ thấp
+ Tổn thất năng lượng trên điện trở lớn
+ Phạm vi điều chỉnh hẹp
2.2. Phương pháp điều chỉnh bằ
ng từ thông kích từ:
• Nguyên lý điều chỉnh:
Điều chỉnh từ thông kích từ của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men điện
từ của động cơ M = kφI
ư
và sức điện động quay của động cơ
E
ư
=kφω
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 6

I
kt
U

kt
E
U
I
C
kt

Hình 1-4 :Sơ đồ nối dây điều chỉnh kích từ của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập.
Từ biểu thức (4) và (6) ta thấy ω= f(U, φ
kt
, R
f
), nếu giữ U=U
đm
=const và điện trở
phần ứng R
ư
= const (R
f
=0 ) lúc này ω= f(φ
kt
). Để thay đổi được tốc độ ω ta cần
thay đổi φ
kt
, mà từ thông kích từ do dòng kích từ sinh ra.
Vậy để điều chỉnh φ
kt
ta mắc thêm biến trở R
v

vào mạch kích từ, khi điều chỉnh φ
kt

ta phải tuân theo điều kiện sau.
Không thể tăng dòng kích từ I
kt
lớn hơn dòng định mức của cuộn dây kích
từ vì nó phá hỏng cuộn kích từ và khi φ
kt
= φ
đm
đã bảo hồ rồi, nếu muốn tăng I
kt
thì
φ
kt
cũng không tăng đáng kể nên ta điều chỉnh bằng cách giảm φ
kt
.
• Trong trường hợp này ta có:
- Tốc độ không tải lý tưởng
ω
0
=
φ
x
dm
K
U
= var

- Độ cứng của đặc tính cơ
β =
R
u
X
K
2
)(
φ
= var
Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ
thông giảm thì ω
x
tăng, còn β sẽ giảm. Ta có đồ thị đặc tính cơ với ω
x
tăng dần và
độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông.
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 7

ω
I
ω
ω
0
ω
1
ω
2

φ
dm
φ
1
φ
2
Ι
nm
Ι
dm
0
ω
2
ω
1
ω
0
φ
2
φ
1
φ
dm
0
Μ
dm
Μ
2nm
Μ
1nm

Μ
nm
Μ
Hình 1-5 : Đặc tính cơ và cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
khi giảm từ thông.
Từ đồ thị ta nhận thấy khi từ thông thay đổi vơi φ
đm
> φ
1
>φ
2
ta có:
- Dòng điện ngắn mạch : I
nm
=
R
U
u
dm
=const
- Mô men ngắn mạch : M
nm
=kφ
x
I
nm
=var (M
nm
> M
nm1

>M
nm2
)
Từ đồ thị đặc tính ta thấy ω
0
<ω
1
<ω
2
. Vậy phương pháp điều chỉnh từ thông là
phương pháp điều chỉnh trên tốc độ cơ bản.
• Các chỉ tiêu chất lượng khi giảm từ thông φ
kt

- Tốc độ không tải lý tưởng ω
x
=
φ
x
dm
K
U
tăng
- Độ cứng đặc tính cơ β =
R
u
x
K
2
)(

φ
giảm
- Dải điều chỉnh không rộng D =
max
min
ω
ω
= 1:2
+ Tốc độ nhỏ nhất bị chặn bởi đặc tính tự nhiên (φ=φ
đm
)
+ Tốc độ lớn nhất ω
max
bị giới hạn bởi độ bền cơ khí và điều kiện chuyển mạch
của động cơ
- Ưu điểm : Công suất mạch điều chỉnh nhỏ, tổn thâùt năng lượng nhỏ
- Cũng có thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 1:5 thậm chí đến 1:8
nhưng phải dùng những phương pháp khống chế
đặc biệt, do đó cấu tạo và cộng
nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên.
2.3. Phương pháp điều khiển động cơ điện mợt chiều kích từ độc lập bằng thay
đổi điện áp phần ứng:
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 8
Từ phương trình đặc tính cơ (6) ω =
φ
K
U
u

-
)(
2
φ
k
RR
fu
+
M
Giả thiết φ = φ
đm
=const; R
ư
=const,(R
f
=0), M = const. Lúc này ω = f(U
ư
)
Khi thay đổi điện áp phần ứng ta có:
- Tốc độ không tải lý tưởng ω
0
=
φ
K
U
u
= var
- Độ cứng của đặc tính cơ β =
R
k

u
)(
2
φ
= const
Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng cho ta một họ các đặc tính sau.
ω
ω
0
ω
1
ω
2
ω
3
ω
i
0
IM ,
IM
dmdm
,
TN
U
dm
U
1
U
2
U

3
U
i

Với U
đm
>U
1
>U
2
>U
3
>……….>U
i

Hình 1-6 : Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi
điện áp phần ứng thay đổi
Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song
song với đặc tính tự nhiên.
• Nhận xét :
- Ưu điểm : + không gây ồn
+ không gây tổn hao phụ trong động cơ
+ dả
i điều chỉnh rộng D ≈10 : 1
+độ cứng đặc tính cơ không đổi trong tồn dải điều chỉnh
+ dễ tự động hố
- Nhược điểm : + phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn có thể thay
đổi trơn điện áp ra
Đ
ồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 9
+ điều khiển phức tạp
• Kết luận : Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật như hiện nay thì phương pháp
này càng được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong các lĩnh vực khác.
2.4. Nuyên lý điều chỉnh:
• Đặc tính điều chỉnh :
Để điều chỉnh điện áp phần ứng, ta phải sử dụng một b
ộ biến đổi, điều chỉnh được
điện áp đầu ra cấp cho mach phần ứng của động cơ.

U
U
dk
C
kt
var=
U
ra
+
−
BBÑ
∼
E

Hình 1-7 : Sơ đồ ngyên lý điều chỉnh động cơ
Bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện thành một chiều và
điều chỉnh được giá trị điện áp đầu ra theo yêu cầu. Điện trở trong của bộ biến đổi
R
bđ
phụ thuộc vào loại thiết bị, vì thông thường công suất của bộ bến đổi và động

cơ xấp xỉ bằng nhau nên R
bđ
cũng có giá trị đáng kể so với R
ư
của động cơ.
Từ sơ đồ nguyên lý ta có sơ đồ thay thế

E
bd
E
u
R
bd
R
ud
U

Hình 1-8 : Sơ đồ thay thế nguyên lý điều chỉnh động cơ
Từ sơ đồ thay thế ta có phương trình cân bằng điện áp.
E
ư
= U
bđ
– (R
bđ
+ R
ư
)I
ư
(20)

Sức điện động của động cơ
E
ư
= kφ
đm
ω (21)
Từ biểu thức (20) và (21) ta có
kφ
đm
ω = U
bđ
– ( R
bđ
+ R
ư
)I
ư
(22)
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 10
Từ phương trình (22) ta có phương trình đặc tính cơ điện.
ω =
φ
dm
bd
K
U
-
φ

dm
ubd
K
RR
+
I
ư
(23)
Phương trình đặc tính cơ
ω =
φ
dm
bd
K
U
-
)(
2
φ
dm
K
RR
ubd
+
M (24)
Với M =kφ
đm
I
ư

Trong đó φ
đm
là từ thông định mức của động cơ, φ
đm
= const.
Tốc độ không tải lý tưởng
ω
0
=
φ
dm
bd
U

Độ cứng của đặc tính cơ
β =
RR
k
ubd
dm
+
)(
2
φ

Ta thấy tốc độ không tải lý tưởng không phụ thuộc vào M, I mà phụ thuộc vào U
bđ
.
U
bđ

= k
a
U
đk

Trong đó : k
a
là hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi
U
đk
là điện áp điều khiển
Từ đó suy ra : ω
0
=
φ
dm
dka
K
Uk
= f(U
đk
)
Từ phương trình (23) và (24) ta có đồ thị đặc tính được biểu diễn như sau.


ω
U
dk 2
U
dk 1

U
dk 3
U
dk 4
ω
01
ω
02
ω
03
ω
04
0
M,I
ÑTTN

Hình 1-9 : Đồ thị đặc tính cơ điện khi U
bđ
thay đổi
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 11
Từ đồ thị ta thấy, khi U
bđ
thay đổi thì ta có những tốc độ không tải lý tưởng khác
nhau, còn độ cứng đặc tính cơ không đổi và đặc tính điều chỉnh dốc hơn đặc tính tự
nhiên.
• Nhận xét :
- Điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào, kể cả không tải lý tưởng , đặc
tính cơ điều chỉnh tuy mềm hơn đặc tính tự nhiên nhưng cứng hơn phương

pháp dùng biến tr
ở và thay đổi φ
kt

- Tốc độ lớn nhất ω
max
= ω
0
-
β
M
dm

- Điều khiển phước tạp, vốn đầu tư lớn nhưng nó là phương pháp tốt hơn so
với hai phương pháp trên
• Kết luận : Sau khi phân tích ba phương pháp điều khiển nêu trên thì phương pháp
điều khiển bằng thay đổi điện áp phần ứng là tốt hơn cả . Cho nên em chọn phương
pháp làm phương pháp nguyên cứu cho đề tài của em.
3. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU CHỈNH TỐ
C ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH
TỪ ĐỘC LẬP BẰNG THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG .
- Hiện nay trong công nghiệp người ta thường sư dụng ba loại bộ biến đổi sau:
+ Bộ biến đổi máy phát điện một chiều
+ Bộ biến đổi xung áp một chiều
+ Bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển
- Tương ứng với vi
ệc sử dụng các bộ biến đổi đó ta có các hệ truyền động sau:
+ Hệ máy phát – động cơ ( F – Đ )
+ Hệ điều chỉnh xung áp – động cơ ( XA – Đ )
+ Hệ chỉnh lưu Tiristo – động cơ ( T – Đ )

3.1. Hệ thống máy phát - động cơ ( F – Đ ):
- Sơ đồ nguyên lý:

KT
F
KT
D
R
F
ÑCSC
U
∼
F
- -
Ñ
+ +

Hình 1-10 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống F – Đ
Giả thiết ω
f
= const, sức điện động của máy phát E
f
= f( I
ktf
) theo qui luật đường
cong từ hố, nếu coi máy phát không bão hồ thì đường đó thẳng nên.
E
f
= k
f

φ
f
ω
f
= k
f
φ
f
αI
ktf
(25)
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 12
Trong đó : k
f
=
a
PN
π
2
: Hệ số cấu trúc của máy phát
φ
f
: Từ thông kích từ máy phát
α =
I
ktf
f
Δ

Δ
φ
: Hệ số góc của đường đặc tính từ hố ( xem là đường thẳng)
I
ktf
: Dòng kích từ của máy phát
Nếu dây quấn kích từ của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng U
kf
thì :
I
kf
=
r
U
kf
kf

Như vậy sức điện động lúc này tỷ lệ với điện áp kích thích bởi hệ số hằng số là k
f
.
Lúc này có thể coi gần đúng máy phát điện một chiều kích từ độc lập là một bộ
khuyếch đại tuyến tính.
E
f
= k
f
U
kf

- Phương trình đặc tính cơ điện:

ω =
φ
d
d
f
k
k
U
kf
-
φ
k
R
I
ư
(26)
- Phương trình đặc tính cơ:
ω =
φ
d
d
f
k
k
U
kf
-
)(
2
φ

d
d
R
k
M (27)

Với R = R
ưf
+ R
ưđ

Trong đó R
ưf
: Điện trở phần ứng của máy phát
R
ưđ
: Điện trở phần ứng của động cơ
- Tốc độ không tải lý tưởng :
ω
0
=
φ
d
d
kff
k
Uk
= var = f(U
đk
)

- Độ cứng đặc tính cơ:
β =
RR
k
uduf
d
d
+
)
(
2
φ
= const
Những biểu thức trên chứng toả rằng khi thay đổi dòng điện kích từ của máy thì
điều chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống, còn độ cứng của đặc tính cơ thì giữ
nguyên, do đó đặc tính cơ điều chỉnh là một họ các đường thẳng song song nhau
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 13

ω
ω< 0
KF®m
ω
ω
ω
§TTN


Hình 1-11 : Đồ thị đặc tính cơ của hệ F – Đ ứng với U

kf
thay đổi
Thông thường R
ưf
≈ R
ưđ
nên β =
2
1
β
tn

- Nếu cho máy phát kích từ thuận U
kt
>0 thì đặc tính ở nửa trục ω>0
- Nếu cho máy phát kích từ nghịch U
kf
<0 (đảo kích từ) thì E
f
<0 thì đặc tính ở
phía trục ω <0
- Mỗi đặc tính cho ta một tốc độ làm việc
- Trường hợp U
kf
=0 thì E
f
=0 động cơ làm việc ở chế độ hãm động năng.
- Hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc khi đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược ở
cuối giai đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc ổn định với mô
men tải có tính chất thế năng

• Nhận xét :
- Ưu điểm : Hệ truyền động F – Đ có sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh
ho
ạt, khả năng quá tải lớn, chi phí điều khiển nhỏ và điều khiển dễ dàng, cho
phép động cơ làm việc được ở cả 4 góc phần tư của mặt phẳng đặc tính cơ.
- Nhược điểm : Hệ F – Đ dùng nhiều máy điện quay, gây ồn , công suất lắp đặt
máy ít nhất gấp ba lần công suất của động cơ chấp hành , với đề tài c
ủa em
cho công suất động cơ là 6 kw thì công suất lắp đặ ≥18 kw. Khó điều chỉnh
tốc độ sâu vì máy phát một chiều có từ dư và dặc tính từ hố có từ trễ . Mặt
khác hệ thống cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích đặt ( không kinh tế), hiệu
suất của hệ thống thấp η=
P
P
vao
ra
=
codc
dckdb
dc mf
P
P
PP
++
= 0,3 . Vốn đầu tư ban đầu
cao
3.2. Hệ truyền động điều chỉnh xung áp – động cơ:
Bộ biến đổi xung áp là bộ nguồn điện áp dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện
một chiều, phần chủ yếu của nó là bộ nguồn áp và bộ khố điều khiển.
Sơ đồ nguyên lý và điện áp :

Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 14

D
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
U
d
U
t
1
t
2
E
-
+
k I
KT
T
0

-
t
+

Hình 1-12 : Sơ đồ nguyên lý và điện áp của hệ xung áp – động cơ
Để cải thiện dòng điện phần ứng, người ta mắc thêm van đệm D
0
. Giả thiết van
đệm D
0
là van lý tưởng, nghĩa là van có sụt áp thuận ΔU =0 và dòng điện ngược I
ng

=0 , khố k có thể là Tiristor hoặc Transistor. Đối với động cơ công suất lớn thì phải
dùng Tiristor.
Khi đóng, cắt khố k trên phần ứng động cơ sẽ có điện áp biến đổi theo dạng xung
vuông.
Khi ở trạng thái dòng liên tục, giá trị trung bình của điện áp đặt lên phần ứng của
động cơ là :
U
d
=
Τ
1
∫
t
Udt
1
0
=

Τ
t
1
U =γU
Trong đó: t
1
là thời gian khố k đóng
γ =
Τ
t
1
là độ rộng của xung áp
Như vậy, có thể coi bộ biến đổi xung đẳng trị với nguồn liên tục, có điện áp ra U
d
=
var bằng cách thay đổi độ rộng của xung áp γ. Vì thời gian một chu kỳ đóng cắt khố
k rất nhỏ so vơi hằng số thời gian cơ học của hệ truyền động nên ta có thể coi tốc độ
và sức điện động phần ứng động cơ là không đổi trong khoảng thời gian T
• Đặc tính của hệ điều chỉnh xung áp – động cơ.
- Đặ
c tính cơ điện :
ω =
φ
γ
dm
K
U
-
φ
dm

bdu
K
RR
+
I
- Đặc tính cơ :
ω =
φ
γ
dm
K
U
-
)(
2
φ
K
RR
dm
bdu
+
M
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 15
Khi thay đổi độ rộng xung γ ta được họ đường thẳng song song với tốc độ không tải
lý tưởng ω
0i
=
φ

γ
dm
K
U
= var và độ cứng β =
RR
bdu
dm
K
+
)
2
(
φ
= const, đồ thị đặc tính cơ gồm
hai đoạn thẳng ứng với hai chế độ dòng điện liên tục và dòng điện gián đoạn.


ω
0
ω
01
ω
02
ω
03
ω
04
γ
1

γ
2
γ
3
γ
4
0
ω
γ
=0
M,(I)
γ
=1
Bieân lieân tuïc

Hình 1-13: Đồ thị đặc tính cơ của hệ xung áp – động cơ.
Vậy đặc tính sẽ không còn đúng khi dòng điện đủ nhỏ, hệ sẽ chuyển từ trạng thái
dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn .
• Nhận xét:
- Ưu điểm: + Bộ nguồn điều áp xung thường cần ít van điều khiển nên vốn đầu tư
nhỏ, hệ đơn giản, chắc chắ
n , dễ điều khiển
+ Độ cứng đặc tính cơ lớn
+ Khi thay khố k bằng van có điều khiển thì có thể thiết lập
hệ tự động vòng kín
- Nhược điểm : Vì điện áp dạng xung gây tổn thất phụ khá lớn trong động cơ do
thành phần xoay chiều của dòng điện, nằm trong dải công suất nhỏ.
3.2. Hệ biến đổi van Tiristor – Động cơ (T – Đ):
Đ
ồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 16
• Sơ đồ nguyên lý :
U=var
U
∼
-
+
-
+
ÑK
KT
Ñ

Hình 1-14 : Sơ đồ nguyên lý của hệ T – Đ
Bộ biến đổi van Tiristor là một loại nguồn điện áp một chiều, nó trực tiếp biến đổi
dòng xoay chiều thành dòng một chiều. Việc điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ biến
đổi, được thực hiện bằng cách điều chỉnh góc mở α của van.
Điện áp chỉnh lưu U
d0
(điên áp không tải ở đầu ra) có dạng đập mạch với số lần đập
mạch là n trong một chu kỳ 2π của điện áp sơ cấp của máy biến áp lực.
Sơ đồ hình tia n=m với m là số pha
Sơ đồ hình cầu n=2m
Giả sử điện áp cấp cho bộ biến đổi van có dạng
U
2
= U
2m
sinωt
Ta đã biết sau một chu kỳ dòng điện và điện áp lặp lại nên ta chỉ cần xét cho một

chu kỳ là đủ, coi điện trở van R
v
=0
• Sơ đồ thay thế của mạch .
Mợt bộ biến đổi van có thể bao gồm : Máy biến áp lực, tổ van , kháng lọc, thiết bị
bảo vệ và hệ thống điều khiển.
Sơ đồ thay thế có dạng sau

U
2
I
u
VAN
∼
E
R
L
Σ
Σ

Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 17
Hình 1-15: Sơ đồ thay thế chỉnh lưu Tiristor – Động cơ một chiều
Khi van dẫn ta có phương trình
U
2
– E = IR
Σ
+ L

Σ
dt
dI
(28)
Với R
Σ
= R
ba
+ R
ư
+ R
kt

L
Σ
= L
ba
+ L
ư
+ L
kt

• Nhận xét :
- Ưu điểm : Hệ (T – Đ) tác động nhanh,tổn thất năng lượng ít, kích thước và
trọng lượng nhỏ, không gây ồn và dễ tự động hóa do các van bán dẫn có hệ
số khuyếch đại lớn, điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự
động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lương các đặc tính tĩnh và các
đặc tính động của hệ thống
- Nhược điểm : Do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu
ra có biên độ đập mạch cao, khả năng linh hoạt và chuyển trạng thái làm việc

không cao, khả năng quá tải về dòng và áp của van kém, chất lượng điện áp
ra không cao, gây tổn thất phụ và làm sấu điều kiện chuyển mạch trên cổ góp
- Khắc phục : Thiết k
ế truyền động van cố gắng làm hẹp vùng dòng gián
đoạn bằng cách nối kháng lọc đủ lớn, tăng số lần đập mạch, nối van đệm
• Kết luận :
Sau khi phân tích các hệ truyền động , ta nhận thấy sử dụng hệ điều chỉnh Tiristor –
Động cơ là hợp lý nhất. Tuy hệ này có những nhược điểm nhất định, nhưng xét về
ưu điểm thì h
ệ này có nhiều ưu điểm hơn, cho nên ta sẽ nghiên cứu về các bộ nguồn
chỉnh lưu Tiristor.
4. GIỚI THIỆU VỀ CÁC BỘ NGUỒN CHỈNH LƯU VÀ ĐẢO CHIỀU QUAY
TIRISTOR ĐẶC TRƯNG
4.1. Chỉnh lưu cầu một pha:
• Sơ đồ mạch điện:
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 18

L
d
U
T
1
I
d
I
TT
31
;

I
TT
42
;
F
R
d
T
3
B
T
2
T
4
A
T
1
1
∼
U
I
0
I
E
0
0
t
t
t
I

α
0
2π
π
U
3π
t
d
U

Hình 1-16: Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp, dòng điện tải
• Hoạt động của sơ đồ:
Nửa chu kỳ đầu khi A(+), B(-) trên T có phân cực thuận, cấp xung điều khiển cho
T
1
và T
3
ta có dòng điện chạy từ A →T
1
→E→L
d
→R
d
→F→T
3
→B. Nửa chu kỳ
sau, khi B(+), A(-) cấp xung điều khiển cho T
2
và T
4

có dòng chạy từ
B→T
2
→E→L
d
→R
d
→F→T
4
→A. Vậy ta có dòng một chiều chạy qua tải.
- Điện áp trung bình trên tải :
U
d
=0,9 U
2

2
cos1
α
+

- Dòng điện chạy qua van :
I
vtb
=
2
I
d

- Điện áp ngược của van :

U
nv
=
2
U
2
- Công suất máy biến áp :
S
ba
= 1,23I
d
U
d

• Nhận xét : các sơ đồ chỉnh lưu một pha cho ta điện áp với chất lượng chưa cao,
biên độ đập mạch điện áp quá lớn, thành phần sóng hài bậc cao lớn điều này không
đáp ứng được cho nhiều loại tải. Muốn có chất lượng điện áp tốt hơn chúng ta phải
sử dụng các sơ đồ có số pha nhiều hơn
4.2. Chỉnh lưu tia ba pha:
• Sơ
đồ mạch điện :
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 19
T
1
T
2
T
3

E
d
L
a b
c
d
R
F
B
A
C
t
A
3
T
0
U
1
T
U
AC
U
AB
I
A
I
0
0
T
I

3
B
C
I
t
BC
t
A
α
1
2
3
0
0
I
I
I
T
I
1
I
T
2
U
0
α
A
α
B
α

C
4
5
6
I
d
t
t
α
α
B
α
C
t

Hình 1-17: Sơ đồ động lực và dạng dòng, điện áp tải, dòng điện qua các van
và điện áp van phải chịu
• Hoạt động : Điện áp pha a, b, c dịch pha nhau một góc 120
0

, theo các đường cong
điện áp pha, chúng ta có điện của một pha nào dương hơn hai pha kia trong khoảng
thời gian 1/3 chu kỳ thì van đó dẫn.
Khi anode của một van nào đó dương hơn, ta cấp xung điều khiển cho van đó. Thời
điểm hai điện áp của hai pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của các van
bán dẫn. Các Tiristor chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm giao
nhau của hai điện áp ( góc thông t
ư nhiên).
Vậy ta sẽ nhận được điện áp tải lớn nhất khi các van mở ở góc thông tự nhiên.
- Trị số điện áp trung bình :

U
d
= 1,17 U
2f
cosα
Với U
2f
là điện áp pha thứ cấp máy biến áp
- Điện áp ngược mà van phải chịu :
U
nv
=
6
U
2f

- Giá trị dòng điện hiệu dụng chay qua van :
I
vhd
=
3
I
d
(với I
d
=
R
U
d
)

- Công suất máy biến áp :
S
ba
= 1,35 U
d
I
d

• Nhận xét :
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 20
- So với chỉnh lưu cầu một pha, thì chỉnh lưu tia ba pha có chất lượng điện áp
một chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài
bậc cao bé hơn, việc điều khiển các van bán dẫn trong trường hợp này cũng
đơn giản hơn.
- Phía thứ cấp máy biến áp tồn tại dòng một chiều, nhờ có biến áp ba pha ba
trụ mà t
ừ thông lõi thép biến áp là từ thông xoay chiều không đối xứng làm
cho công suất máy biến áp phải lớn.
- Phía thứ cấp máy biến áp phải đấu sao có trung tính (Y
0
) và dây trung tính
phải có tiết diện lớn hơn dây pha . Vì dây trung tính chịu dòng điện tải
4.3. Chỉnh lưu cầu ba pha:
• Sơ đồ mạch điện .

ab
c
TT

1
2
F
56
d
R
L
d
T
4
T
T
3
T
A
CB
0
E
d
U
t
U
d
2
0
θ
1
θ
U
A

5
θ
3
θθ
4
6
θθ
7
BC
θθ
89
A
BC
t

Hình 1-18: Sơ đồ động lực và đường cong điện áp tải khi góc mở α=30
0

• Hoạt động : Dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do
đó tại mỗi thời điểm cần mở Tiristor, ta đồng thời cấp hai xung điều khiển ( một
xung ở nhóm anode (+) theo sơ đồ là (T
1
,T
3
,T
5
) còn xung ở nhóm catode (-) theo
sơ đồ là ( T
2
,T

4
,T
6
)), thứ tự cấp xung điều khiển phải đúng thứ tự pha. Khi cấp
đúng xung điều khiển dòng điện sẽ chạy từ pha có điện áp dương hơn về pha có
điện áp âm hơn. Khi góc mở van nhỏ hoặc tải điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn
của một van của nhóm này (Anode hay Catode ) thì sẽ có hai van của nhóm kia (
Catode hay Anode ) đổi chỗ cho nhau.
- Giá trị đ
iện áp trung bình của chỉnh lưu:
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 21
U
d
= 2,34 U
2f
cosα
- Điện áp ngược đặt lên van :
U
nv
=
6
U
2f
với U
f
=
3
U

d

- Giá trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua mỗi van :
I
vhd
=
3
d
I

- Công suất máy biến áp :
S
ba
= 1,05 U
d
I
d

• Nhận xét : Chỉnh lưu cầu ba pha là sơ đồ có chất lượng điện áp tốt hơn, hiệu suất
sử dụng máy biến áp cao hơn. Tuy nhiên đây cũng là sơ đồ phức tạp hơn.
• Kết luận : Sau khi đã phân tích các dạng sơ đồ chỉnh lưu như trên. Với tải là động
cơ điện một chiều kích từ độc lập công suất P
đm
= 6 (kw) không đòi hỏi cao về chất
lượng điện áp đặt vào động cơ. Cho nên để điều khiển dễ dàng và hiệu quả kinh tế
cũng như chi phí cho thiết bị điều khiển hợp lý thì em chọn sơ đồ chỉnh lưu tia ba
pha cho đề tài nghiên cứu của em.
4.4. CHỈNH LƯU ĐẢO CHIỀU QUAY
4.4.1. Khái quát chung:
Chiều quay của động cơ điện một chiều phụ thu

ộc vào chiều của mô men, để thay
đổi chiều của mô men ta có thể dùng hai phương pháp sau.
- Đổi chiều quay bằng cách đổi chiều dòng điện trong phần ứng
- Đổi chiều quay bằng cách đổi chiều từ thông, cụ thể là chiều dòng điện kích
từ.
Đổi chiều quay của động cơ điện lúc đang quay về nguyên tắc cũng có thể thực hiện
được bằng cả hai phương pháp trên, tuy nhiên trên th
ực tế chỉ được dùng phương
pháp đổi chiều dòng điện phần ứng I
ư
, còn phương pháp đổi chiều quay động cơ
bằng cách đổi chiều dòng kích từ không được sử dụng vì cuộn kích từ có nhiều
vòng dây do đó hệ số tự cảm L
t
rất lớn và việc thay đổi chiều dòng điện kích từ dẫn
đến sự xuất hiện sức điện động tự cảm rất cao, gây quá điện áp đánh thủng cách
điện của dây quấn kích thích . Ngồi ra, dùng phương pháp đảo chiều từ thông thì
khi từ thông qua trị số không có thể làm tốc dộ tăng quá, không tốt.
Ta có đặc tính cơ của động cơ khi đảo chiều quay :
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 22

0
M
ω
ω
0
ω
ω

0
ω
-

Hình1-19 : Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi đảo chiều
quay
4.4.2. Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu đảo chiều quay:
Các bộ chỉnh lưu đảo chiều quay là các bộ chỉnh lưu dùng cho các động cơ điện
một chiều có đảo chiều quay vì hệ truyền động T – Đ đảo chiều có yêu cầu an tồn
cao và có lôgíc điều khi
ển chặt chẽ. Như đã phân tích ở trên, trong thực tế đảo chiều
quay của động cơ chỉ được dùng phương pháp đổi chiều dòng điện phần ứng bằng
cách ghép hai bộ chỉnh lưu theo sơ đồ mắc song song ngược cực tính.
Sơ đồ mạch điện :

cb2
CK
T
6
T
5
T
4
a
A
1
CK
cb1
T
3

T
2
Ñ
b
c
T
CB

Hình 1-20 : Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu đảo chiều mắc song song ngươc
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 23
Vì sơ đồ có sử dụng hai bộ chỉnh lưu Tiristor có điều khiển nên để điều khiển hai bộ
chỉnh lưu này, có thể dùng phương pháp điều khiển chung hoặc dùng phương pháp
điều khiển riêng. Sau đây ta nghiên cứu từng phương pháp một.
a. Phương pháp điều khiển riêng:
• Nguyên lý : Trong phương pháp này, khi xung điều khiển được cấp cho bộ chỉnh
lưu này thì bộ kia không đượ
c cấp xung điều khiển
- Ưu điểm : Làm việc an tồn, không có dòng điện cân bằng chạy qua các van.
- Nhược điểm : Có thời gian trễ khi điều khiển bộ này sang bộ kia do đó dòng
điện động cơ bằng không, mạch điều khiển phức tạp hơn
b. Phương pháp điều khiển chung:
• Nguyên lý : Xung điều khiển được cấp đồng th
ời cho cả hai bộ chỉnh lưu nhưng
phải đảm bảo một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ kia làm việc ở chế độ
nghịch lưu và điện áp chỉnh lưu trung bình của của hai bộ chỉnh lưu là như nhau.
Do vậy, với các cuộn dây động cơ có tính chất cảm kháng lớn thì dòng điện tải là
liên tục, ta có.
U

0
cosα
I
= -U
0
cosα
II

Từ đó suy ra quy luật của góc điều khiển của phương pháp điều khiển chung là phải
đảm bảo:
cosα
I
= - cosα
II

hay α
I
+ α
II
= 180
0
= π
• Nhận xét :
- Ưu điểm : Tác động nhanh, không cần thời gian trễ, mạch điều khiển đơn
giản hơn.
- Nhược điểm : Có những khoảng thời gian ngắn, trong đó Tiristos của hai
nhóm cùng thông dẫn đến ngắn mạch giữa hai pha tương ứng .
- Để hạn chế ảnh hưởng của dòng điện này ta phải dùng thêm cuộn kháng cân
bằng CK
cbI

và CK
cbII

• Kết luận : Sau khi đã phân tích hai phương pháp điều khiển trên, trong mỗi
phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Vì vậy em chọn phương pháp điều
khiển chung làm phương pháp cho đề tài nghiên cứu của em.









Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 24




CHƯƠNG II
THIẾT KẾ TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC

I. Chọn mạch động lực:
Sau khi đã phân tích và so sánh các mạch điều khiển cũng như các phương pháp
điều khiển đã nói ở phần trước thì em chọn mạch động lực là chỉnh lưu tia ba pha
mắc song song ngược cực tính và đảo chiều quay động cơ dùng phương pháp điều
khiển chung làm sơ đồ nghiên cứu cho đề tài mà em thiết kế. Sơ đồ dược mô tả như

sau:

cb2
CK
T
6
T
5
T
4
a
A
1
CK
cb1
T
3
T
2
Ñ
b
c
T
CB

Hình 1-21: Sơ đồ nguyên lý điều khiển đảo chiều quay động cơ một
chiều kích từ độc lập
II. Tính chọn các thông số cơ bản của mạch lực:
1. Tính chọn van động lực:
- Các van động lực được chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là : Dòng tải, sơ đồ

đã chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc.
-
Các thông số cơ bản của van động lực được tính như sau:
1.1. Điện áp ngược của van được tính:
+ Điện áp ngược lớn nhất mà Tiristor phải chịu