Đồ án tốt nghiệp - Điều khiển động cơ điện một chiều

Đồ án tốt nghiệp
Điều khiển động cơ điện
một chiều












Đ
ồ án tốt nghiệp



CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU

.
Xét phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng động cơ điện một
chiều:
U = E + R
ư
.I ( I – 1 )
Trong đó:
U – điện áp phần ứng động cơ (V);
E – sức điện động phần ứng động cơ (V);
R
ư
– điện trở của mạch phần ứng (Ω ).
Sức điện động của mạch phần ứng động cơ được xác định như sau:
E =
a.2
N.p
π
.φ.ω = K.φ.ω ( I – 2 )
Trong đó:
K =
a.2
N.p
π
là hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ;
a - số mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng;
p – là số đôi cực từ chính;
N – tổng số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng;
φ - từ thông kích từ;
ω - tốc độ góc ( rad/s ).
ω =

60
n.2
π
=
55,9
n

Từ ( I – 1 ) và ( I – 2 ) suy ra :
ö
ö
K.
I.
R
.K
U
φ
−
φ
=ω
( I – 3 )
Phương trình ( I – 3 ) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định theo công thức :
ööñt
I..KI..
a.2
N.p
M φ=φ
π
=
( I – 4)

Từ phương trình ( I –3 ) và ( I – 4) ta được :
Đ
ồ án tốt nghiệp

ñt
ö
M.
).K(
R
.K
U
2
φ
−
φ
=ω
(I – 5)
Nếu bỏ qua các tổn thất ma sát trong các ổ trục, tổn thất trong thép, tổn
thất trong dây quấn động cơ thì ta có : M
cơ
= M
đt

Để đơn giản ta kí hiệu : M
cơ
= M
đt
= M , lúc đó ta có :
M.
).K(

R
.K
U
2
φ
−
φ
=ω
ö
( I - 6)
Phương trình ( I-6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một
chiều.
Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ, ta nhận thấy tốc độ phụ thuộc
vào 3 thông số là : R, φ, U. Do vậy có 3 phương pháp điều khiển động cơ
điện một chiều như sau :
-

Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch
phần ứng của động cơ.
-

Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông φ.
-

Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần
ứng.
I. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch
phần ứng.
Giả thiết U = U
đm

= const. Muốn thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng,
bằng cách mắc thêm một điện trở phụ R
f
vào mạch phần ứng và thay đổi giá
trị điện trở R
f
thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi theo. Vậy phương trình đặc tính
cơ lúc này sẽ là :
M.
).K(
RR
.K
U
2
f
ñm
ö
ñm
φ
+
−
φ
=ω
Ta thấy rằng khi thay đổi giá trị điện trở R
f
thì tốc độ sẽ thay đổi theo.
- Xét đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi mắc R
f
vào mạch điện
phần ứng như sau :

ω
1
= ω
đm

ω
2


ω
3

(2) R >0
(
1
)

R
ư
= R
TN

ω
o

Đ
ồ án tốt nghiệp






Ta có :
ωΔ−ω=
φ
−
φ
=ω
o
2
M
).K(
R
.K
U
ö

Trong đó :
ω
o
– là tốc độ không tải, ω
o
= const;
ωΔ - là độ sụt tốc độ.

- Theo đường đặc tính ta có :
M
).K(
R
2
1
ñm
ö
φ
=ωΔ
M
).K(
RR
2
1f
2
ñm
ö
φ
+
=ωΔ
M
).K(
RR
2
2f
3
ñm
ö
φ

+
=ωΔ

Ta giả thiết U, φ, I
ư
, là những hằng số. Do vậy nên mômen M cũng là
hằng số.
Mặt khác, vì R
ư
< R
f1
< R
f2
nên ta có :
321
∆ω∆ω∆ω <<

- Độ cứng của đặc tính cơ :
Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên :
ö
ñm
R
).K(M
d
dM
2
TN
φ
=
ωΔ

Δ
≈
ω
=β


ö
ñm
R
).K(
2
TN1
φ
=β=β


1f
2
2
RR
).K(
+
φ
=β
ö
ñm


2f
2

3
RR
).K(
+
φ
=β
ö
ñm

Vậy
321
βββ >>
.
Ä
Nhận xét :
Đ
ồ án tốt nghiệp

-

Nếu ở cùng một giá trị mômen cản M
C
thì độ sụt tốc độ sẽ càng lớn
nếu điện trở của mạch phần ứng càng lớn và làm cho tốc độ động cơ bị suy
giảm, đồng thời làm cho độ cứng của đặc tính cơ càng giảm, tức là đặc tính
cơ càng dốc. Dựa vào đặc tính cơ ta thấy, tốc độ làm việc ω
2
, ω
3
ở các đường

đặc tính điều chỉnh
(2)
và
(3)
nhỏ hơn tốc độ ω
đm
trên đường đặc tính tự
nhiên. Vậy tốc độ truyền động chỉ được điều chỉnh về phía dưới, tức là tốc
độ điều chỉnh nhỏ hơn tốc độ định mức.
-

Hiệu suất của phương pháp này thấp.
Ta có :
ñieän
cô
P
P
=η

Mặt khác ta có :
ñmcñmcô1
.ωMP =

2cñmcô2
.ωMP =

3cñmcô3
.ωMP =

Theo giả thiết ở trên, ta có U, I

ư
, φ, M
c
là những hằng số và là những đại
lượng định mức. Nên ta có:
cons
t.IUPPP
ñmñmñieän3ñieän2ñieän1
====
Suy ra
321
ηηη >>
, vậy khi điều chỉnh tốc độ theo phương pháp này
sẽ không kinh tế, do có tổn hao trên các điện trở phụ nên làm cho hiệu suất
của thiết bị giảm. Vì vậy nên phương pháp này trong thực tế ít sử dụng.
II. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây
kích từ.

Giả thiết U = U
đm
= const và R
ư
= const. Muốn thay đổi từ thông thì ta
phải thay đổi dòng điện kích từ I
kt
. Ta có phương trình đặc tính cơ như sau:
ωΔ−ω=
φ
−
φ

=ω
o
2
M
).K(
R
.K
U
ö

Trong đó :
ω
o
– là tốc độ không tải, ω
o
= var ;
ωΔ - là độ sụt tốc độ,
ωΔ = var.
- Ta có đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi từ thông mạch kích từ như
sau:


ω
02


ω
01

(2)

ω
02

ω
01


ω
đm
ω
ω
Đ
ồ án tốt nghiệp






Đường (1) là đường ứng với khi φ
1
= φ
đm
;
Đường (2) là đường ứng với khi φ
2
< φ
1
= φ
đm

.
Theo đường đặc tính cơ ta có :
1
ñm
ñm
ñm
φ
=
φ
=ω=ω
.K
U
.K
U
01TN0


2
02
.K
U
φ
=ω
ñm

- Độ cứng của đăc tính cơ:
var
R
).K(M
d

dM
2
=
φ
=
ωΔ
Δ
≈
ω
=β
ö

Do cấu trúc của máy điện nhất định nên cuộn dây kích từ chỉ chịu được
dòng kích từ định mức, do vậy thực tế chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh
giảm từ thông ( φ <φ
đm
). Khi ta cho giảm từ thông thì lúc đó tốc độ không tải
sẽ tăng lên.
Ä
Nhận xét:
- Đặc tính điều chỉnh theo từ thông φ có độ cứng càng giảm xuống nếu
như ta càng giảm từ thông, tức là đặc tính cơ càng dốc. Nghĩa là tốc độ thì sẽ
tăng vọt còn mômen thì giảm nhanh, làm cho hệ số quá tải giảm. Vì vậy làm
cho động cơ làm việc kém ổn định.
- Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm từ thông không
phù h
ợp với những tải có mômen cản là hằng số ( M
C
= const ). Vì M
C

= K
M
.
φ.I = const . Do vậy khi φ 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.
III. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị
điện áp phần ứng
.
Đ
ồ án tốt nghiệp

Giả thiết φ = φ
đm
= const, khi ta thay đổi giá trị điện áp phần ứng thì ta có
tốc độ không tải lí tưởng cũng thay đổi theo. Do cấu trúc cuộn dây phần ứng
chỉ chịu được điện áp U
đm
nên thực tế chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh
giảm điện áp phần ứng.
Tốc độ không tải và độ sụt tốc :
var
.K
U
i
oi
=
φ
=ω

ñm
;
constM
).K(
R
2
=
φ
=ωΔ
ñm
ö
.
- Đặc tính cơ :



- Độ cứng đặc tính cơ :
const
R
).K(
2
=
φ
=β
ö
ñm

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 tương ứng với một phụ tải nhất định.

Ä
Nhận xét:
- Các đặc tính cơ nhân tạo có độ dốc không đổi ( tức là β = const ), nên
tốc độ điều chỉnh được ổn định tương đối.
- Phương pháp này có thể điều chỉnh được vô cấp tốc độ.
- Dải điều chỉnh tốc độ của phương pháp này rất lớn.
- Phương pháp này có thể tự động hóa mạch điều khiển và mạch động
l
ực và có thể làm việc ở cả 4 góc phần tư của đồ thị đặc tính cơ.
- Hiệu suất của phương pháp này tương đối cao và giống nhau ở các
đường đặc tính do không có tổn hao trên điện trở.
IV.

Kết luận

chọn phương pháp điều khiển :

Trong ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ nói trên thì ta nhận
thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm điện
áp phần ứng là hiệu quả hơn cả vì những ưu điểm nói trên. Vậy ta chọn
phương pháp giảm điện áp phần ứng động cơ để điều chỉnh tốc
độ động cơ.
V. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện
áp phần ứng.

U
đm

U
1

U
2


U
3

ω

ω
o

ω
o1


ω
o2

ω
o3

M
Đ
ồ án tốt nghiệp

1. Nguyên lý điều chỉnh
:

Để điều chỉnh điện áp phần ứng ta dùng một bộ biến đổi điều chỉnh được
điện áp đầu vào cấp cho mạch phần ứng động cơ.




Bộ biến đổi BBĐ dùng để biến đổi điện xoay chiều của lưới thành điện
một chiều và điều chỉnh điện áp ra của nó theo yêu cầu. Hiệ
n nay thường
dùng ba loại bộ biến đổi sau đây :
- Bộ biến đổi máy phát điện một chiều.
- Bộ biến đổi xung áp một chiều.
- Bộ chỉnh lưu bán dẫn.
Tương ứng với việc sử dụng bộ biến đổi, ta có các hệ truyền động như
sau :
- Hệ truyền động máy phát – động cơ ( hệ F – Đ ).
- Hệ truyền động xung áp – động c
ơ điện một chiều ( hệ XA – Đ ).
- Hệ truyền động chỉnh lưu Tiristor – động cơ ( hệ T – Đ ).
Từ sơ đồ nguyên lí nói trên, ta có sơ đồ khối như sau :






Ta có phương trình cân bằng điện áp như sau :
E = U
bđ
– ( R

bđ
+ R
ư
)I
ư

Suy ra :
M
).K(
)RR(
.K
U
2
b
ñm
ñbñ
ñm
bñ
φ
+
−
φ
=ω
Trong đó :

φ
=ω
.K
U
bñ

o
là tốc độ không tải lí tưởng;
∅



∅
~
∅

∅

∅

KT


BBĐ

I
R
bđ
R
ư

U
bđ

E

Đ
ồ án tốt nghiệp

ω.K.E
ñm
φ=
là sức điện động dây quấn phần ứng động cơ.
U
bđ
= K
a
.U
đk

với : K
a
- hệ số khuếch đại của bộ nguồn.
U
đk
– điện áp điều khiển.
Vậy :
)U(f
.K
U.K
a
o

ñk
ñm
ñk
=
φ
=ω


2. Hệ truyền động máy phát – động cơ ( MF – ĐC ).
- Sơ đồ nguyên lí :







Giả thiết tốc độ của máy phát MF là ω
F
= const, sức điện động của máy
phát E
F
= f( I
kt
) theo qui luật đường cong từ hóa. Nếu coi mạch từ của máy
phát không bão hòa thì đặc tính E
F
= f( I
kt
) có dạng đường thẳng.

Ta có :
ktfffffff
I...K..KE αω=ωΦ=

Trong đó :
a.2
N.p
K
f
π
=
- là hệ số cấu trúc của máy điện một chiều;
f
Φ
-
là từ thông kích từ máy phát;
α - là hệ số góc của đường đặc tính từ hóa máy phát ( ở đọan
tuyến tính);
ktf
f
ktf
f
IdI
d
Δ
ΔΦ
≈
Φ
=α

Vì dây quấn kích thích của máy phát được cấp bởi nguồn áp U
ktf
nên lúc
này ta có :
∅ —
∅
+

KTĐC
R
f

KTF
ĐCSC
~

∅ ∅ ∅





∅

∅


F
Đ
Đ

ồ án tốt nghiệp

ktf
ktf
kt
R
U
I =
suy ra : I
ktf
≡ U
ktf

Sức điện động của máy phát trong trường hợp này sẽ tỉ lệ với điện áp
kích thích bởi hệ số tỉ lệ K
u
, vì vậy ta có thể viết :
E
f
= K
u
.U
ktf

Mà điện áp của bộ biến đổi U
bđ
chính là E
f
nên ta có phương trình đặc
tính cơ của động cơ như sau :

M
).K(
)RR(
.K
U.K
2
ktfu
ññ
öföñ
ññ
Φ
+
−
Φ
=ω

- Tốc độ không tải lí tưởng của động cơ :
)U(f
.K
U.K
ktf
ktfu
o
=
Φ
=ω
ññ
(1)
- Độ cứng của đặc tính cơ :
öñöf

ññ
RR
)K(
2
DF
+
Φ
=β
−
= const (2)
Từ (1) và (2) chứng tỏ rằng khi thay đổi dòng kích từ từ máy phát thì
tốc độ không tải của động cơ sẽ thay đổi còn độ cứng của đặc tính cơ thì giữ
nguyên. Vì vậy đặc tính cơ điều chỉnh sẽ là họ đường thẳng song song như
sau :






+ Góc phần tư thứ (I) và (III), tốc độ quay ω và mômen quay M của
động cơ quay cùng chiều nhau. Đây là chế độ
động cơ, nói lên rằng năng
lượng được vận chuyển thuận chiều từ nguồn → máy phát → động cơ → tải.
+ Góc phần tư (II) và (IV), tốc độ quay ω và mômen quay M của động
cơ quay ngược chiều nhau. Đây được gọi là chế độ hãm tái sinh của động cơ,
nói lên rằng năng lượng được vận chuyển theo chiều từ tải → động cơ →

máy phát → nguồn, lúc này máy phát và động cơ đổi chức năng cho nhau .
U

ktf
= 0
(III)
(IV)
(I)
(II)
o
ω

M
Đ
ồ án tốt nghiệp

Hãm tái sinh trong hệ F – Đ được khai thác triệt để khi giảm tốc độ, hãm để
đảo chiều quay và hãm khi làm việc ổn định với tải
có tính thế năng.
Ä
Nhận xét :
Hệ truyền động F – Đ có đặc tính động rất tốt và linh hoạt khi chuyển
đổi trạng thái làm việc, khả năng quá tải lớn. Tuy nhiên, hệ F – Đ dùng nhiều
máy điện quay, trong đó sẽ có ít nhất là 2 máy điện một chiều, vì vậy nên sẽ
gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy phát lớn ít nhất gấp 3 lần công suất động
cơ, cho nên hiệu suất của hệ truy
ền động này không cao. Ngồi ra, do máy
phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trễ nên khó điều chỉnh tốc độ
theo ý muốn.
3. Hệ truyền động xung áp – động cơ ( XA – ĐC ).
Bộ biến đổi xung áp là một nguồn điện áp dùng để điều chỉnh tốc độ
động cơ điện một chiều.
- Sơ đồ nguyên lí và giản đồ xung áp :

Để cải thiện dạng sóng của dòng điện phần ứng, ta thêm vào mạch một
van đệm V
0
.
Có thể sử dụng Tiristor hoặc Trănzitor công suất để thay thế cho khóa K
trong mạch trên. Khi đóng cắt khóa K, trên phần ứng động cơ sẽ có điện áp
biến đổi theo dạng xung vuông. Khi ở trạng thái dòng liên tục thì giá trị
trung bình của điện áp ra sẽ là:
∫
γ===
1
t
0
CK
1
CK
d
U.U
T
t
Udt
T
1

U

Trong đó :
t
1
– thời gian khóa ở trạng thái đóng ;

+
∅

V
o


-
∅

KTĐC
•
K


∅
∅
ĐC
U
T
CK

t

2

t
1

t
U
d


Đ
ồ án tốt nghiệp

t
2
– thời gian khóa ở trạng thái mở;
T
CK
– thời gian thực hiện một chu kì đóng mở của khóa;
CK
1
T
t
=γ
- là độ rộng của xung áp.
Vậy ta có thể coi bộ biến đổi xung đẳng trị với nguồn liên tục có điện áp
ra U
d
và U
d

có thể thay thay đổi được bằng cách thay đổi độ rộng xung γ.
Mặt khác, thời gian một chu kì đóng cắt của khóa K rất nhỏ so với hằng số
thời gian cơ học của hệ truyền động, nên ta coi tốc độ và sức điện động phần
ứng động cơ không thay đổi trong thời gian T
CK
.
- Đặc tính điều chỉnh của hệ XA - ĐC :
I.
.K
RR
.K
U.
ñm
bñö
ñm
Φ
+
−
Φ
γ
=ω
(1)
M.
).K(
RR
.K
U.
2
ñm
bñö

ñm
Φ
+
−
Φ
γ
=ω (2)
Khi thay đổi γ ta được họ đường thẳng song song có độ cứng β = const
và tốc độ không tải lí tưởng ω
o
thay đổi theo γ. Nếu nguồn vô cùng lớn thì ta
có thể bỏ qua R
bđ
, khi đó độ cứng của đặc tính cơ của hệ có độ cứng là:
const
R
).K(
2
TN
=
Φ
=β=β
ö
ñm

Tốc độ không tải lí tưởng ω
o
phụ thuộc vào γ chỉ là giá trị giả định. Nó
có thể tồn tại nếu như dòng trong hệ là liên tục kể cả khi giá trị dòng tiến
đến 0. Vì vậy, biểu thức (1) và (2) chỉ đúng với trạng thái dòng liên tục.

Khi dòng điện đủ nhỏ thì hệ sẽ chuyển trang thái từ dòng liên tục sang
trạng thái dòng gián đoạn. Khi đó các phương trình đặc tính điều chỉnh nói
trên không còn đúng nữa mà lúc này đặc tính c
ủa hệ là những đường cong rất
dốc.






γ
1


γ
2



ω

ω
o
Đ
ồ án tốt nghiệp

Ä
Nhận xét :
+ Tất cả đặc tính điều chỉnh của hệ XA – ĐC khi dòng điện gián đoạn
đều có chung một giá trị không tải lí tưởng, chỉ ngoại trừ trường hợp γ = 0.
+ Bộ nguồn xung áp cần ít van dẫn nên vốn đầu tư ít. Hệ đơn giản
chắc chắn.
+ Độ cứng của đặc tính cơ lớn.
+ Điện áp dạng xung nên gây ra tổn thấ
t phụ khá lớn trong động cơ.
Khi làm việc ở trạng thái dòng điện giáng đoạn thì đặc tính làm việc kém ổn
định và tổn thất năng lượng nhiều.
4. Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ ( CL – ĐC ).
- Sơ đồ nguyên lí :






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 ( tức là phụ thuộc vào góc điều khiển hay góc
mở Tiristor ).
Điện áp chỉnh lưu U

d
( hay E
d
) là điện áp không tải ở đầu ra, có dạng
đập mạch với số lần đập mạch là n trong một chu kì 2π của điện áp thứ cấp
máy biến áp.
+ Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia : n = m, trong đó m là số pha.
+ Với sơ đồ hình cầu : n = 2.m , m là số pha.
+
-
∼

∅

∅

∅

CL

ĐK

ĐC
∅

∅


KT

Đ
ồ án tốt nghiệp

Giả sử điện áp thứ cấp của máy biến áp có dạng hình sin với biểu thức là
:
u
2
= U
2m
.sin ωt = U
2m
.sin θ , ( với θ = ωt ).
Trong khoảng θ = ( 0 ÷ 2π ) thì dạng điện áp và dòng điện lặp lại như
chu kì ban đầu nên ta chỉ cần xét trong một chu kì T = 2π.
- Sơ đồ thay thế của hệ CL – ĐC.






Khi van dẫn thì ta có phương trình cân bằng điện áp như sau :
dt
di
.LR.IEu
d
d2
∑∑
+=−

Suy ra :
dt
di
.LR.iEsin.U
d
dm2 ∑∑
+=−θ

Trong đó :
R
∑
= R
ba
+ R
ư
+ R
k

L
∑
= L
ba
+ L
ư
+ L
k

Với :
2
1

2
12ba
)
W
W
.(RRR +=

2
1
2
12ba
)
W
W
.(LLL +=

a. Trạng thái dòng liên tục :
Ở trạng thái dòng 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 :
E
R
∑
Tiristor
L
∑


U

d

~
Đ
ồ án tốt nghiệp

∫∫
π
+α
α
π
+α
α
θθ
π
=
π
=
n
2
m2
n
2
2d
d.sin.U.
2
n
dt.u.
2
n

U

α=α
π
π
= cos.Ucos.U.
n
sin.
n
dom2

Trong đó :
t.ω=θ
)
n2
(
o
π
−
π
−α=α là góc mở của van;
n
sin.U.
n
U
m2do
π
π
=
là điện áp một chiều lớn nhất ở đầu ra

chỉnh lưu ứng với α = 0;
U
2m
là 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 :
M
).K(
R
.K
cos.U
2
do
ñm
ñm
Φ
−
Φ
α
=ω
∑

Trong đó :
vbabakh
RX.
2
n
RRRR +
π
+++=

∑ ö

R
ư
– điện trở của phần ứng động cơ;
R
kh
– điện trở của cuộn kháng lọc;
R
ba
– điện trở của máy biến áp, với
2
1
2
12ba
)
W
W
.(RRR +=
X
ba
– điện kháng máy biến áp, với
2
1
2
12ba
)
W
W
.(XXX +=

R
v
– điện trở của các van, ( R
v
rất nhỏ có thể bỏ qua );
ba
X.
2
n
π
- điện trở đẳng trị do quá trình chuyển mạch.
+ Độ cứng của đặc tính cơ :
∑
Φ
=
ωΔ
Δ
≈
ω
=β
R
).K(M
d
dM
2
ñm


U
do

U
d1


U
d2
ω

ω
o

ω
o1


ω
o2

ω
3
Đ
ồ án tốt nghiệp






b. Trạng thái dòng gián đọan :

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 nguồ
n :
e
d
= U
2
, với 0 ≤ θ ≤ λ , trong đó λ là khoảng dẫn.
Khi dòng điện bằng 0 thì sức điện động của chỉnh lưu bằng sức điện
động của động cơ :
e
d
= E , với λ < θ ≤
n
2
π

Vậy ta có điện áp trung bình của chỉnh lưu là :
∫∫∫∫
λ
π
λ
λ
π
λ
θ+θθ
π
=θ+θ

π
=
0
n
2
m2
0
n
2
2d
d.Ed.sin.U.
2
n
d.Ed.u.
2
n
U

)
n
2
.(E)cos1.(U.
2
n
m2
λ−
π
+λ−
π
=

Vậy :
)
n
2
.(E)cos1.(U.
2
n
U
m2d
λ−
π
+λ−
π
=

Đặc tính cơ của hệ CL – ĐC khi dòng điện gián đọan :









ω

M( I )

α

= 0
2
π
=α



ω
o

Đ
ồ án tốt nghiệp

Ä
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 chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch
cao, gây nên tổn thất phụ trong máy điện một chiều.

5. Kết luận :
Trong các hệ truyền động điện dùng phương pháp giảm điện áp phần ứng
để điều chỉnh tốc độ nói trên, ta nhận thấy hệ truyền động CL – ĐC là có
nhiều ưu điểm hơn cả.

Đ
ồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG II
TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU TĨNH CÓ ĐIỀU KHIỂN.

So với chỉnh lưu không điều khiển ( chỉ dùng Diode để chỉnh lưu ), thì
chỉnh lưu có điều khiển ( dùng Tiristor để chỉnh lưu ) có nhiều ưu điểm hơn.
Nhờ có cực điều khiển của Tiristor mà ta có thể điều chỉnh được giá trị điện
áp ra theo yêu cầu bằ
ng cách thay đổi góc mở
α
của Tiristor. Do vậy rất
thuận tiện trong việc điều khiển.
Mặt khác, với chỉnh lưu có điều khiển thì ta có thể điều khiển công suất
chạy theo cả hai chiều : từ nguồn → tải, hoặc từ tải → nguồn ( nghịch lưu trả
năng lượng về lưới ).
I. Chỉnh lưu một nửa chu kì có điều khiển
:
- Sơ đồ nguyên lí :






- Đồ thị dạng sóng :

Dạng điện áp một chiều ở đầu ra của chỉnh lưu sẽ bị gián đoạn trong một
nửa chu kì khi điện áp ở Anốt của Tiristor bị âm. Do vậy, chất lượng điện áp
một chiều của loại chỉnh lưu này rất xấu.
- Trị số điện áp trung bình l
ớn nhất được tính như sau :
U
d
=
≈
π
=ωω
π
∫
π
0
2
2
td.tsin.U.2
2
1
0,45.U
2

Vì chất lượng điện áp ra xấu cho nên hệ số sử dụng biến áp cũng thấp:
U
d

U
t
α
I
d

∅

∅

R
d

BA
L
d

Tiristor
~

Đ
ồ án tốt nghiệp

dd
ddddBA2BA1
BA
I.U.09,3
2
I.U.49,3I.U.69,2
2

SS
S =
+
=
+
=

Ä
Nhận xét :
Chỉnh lưu một nửa chu kì là loại chỉnh lưu cơ bản, có sơ đồ nguyên lí
đơn giản. Chất lượng điện áp một chiều ở đầu ra xấu, dòng điện gián đoạn.
Do vậy, loại chỉnh lưu này ít dùng trong thực tế.
II. Chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính
.
- Sơ đồ nguyên lí :







- Đồ thị dạng sóng:




+ Giá trị trung bình của điện áp tải :
∫
π+α

α
α=α
π
=ωω
π
= cos.U.9,0cos.U.
22
td.tsin.U.2
1
U
222d

Với α là góc mở của Tiristor.
+ Giá trị điện áp ngược đặt trên Tiristor :
max22maxng
U.2U.22U ==
+ Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua Tiristor :
2
I
I
d
tbT
=
+ Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua tải :
R
U
I
d
d
=

+ Công suất máy biến áp :
• •

L
d

T
2

I
d
BA

R
d

∅

∅

T
1
U
1


U
2
U
2

U
d
U
t
α
Đ
ồ án tốt nghiệp

dd
ddddBA2BA1
BA
I.U.48,1
2
I.U.74,1I.U.23,1
2
SS
S =
+
=
+
=

Ä
Nhận xét :
So với chỉnh lưu nửa chu kì, thì loại chỉnh lưu này có chất lượng điện
áp tốt hơn, dòng điện chạy qua van không quá lớn, tổng điện áp rơi trên van
nhỏ, việc điều khiển các van đơn giản. Tuy nhiên, việc chế tạo máy biến áp
phải có hai dây quấn thứ cấp giống nhau, với mỗi cuộn chỉ làm việc ở một
nửa chu kì. Chính vì vậy làm cho việ
c chế tạo máy biến áp phức tạp hơn và

khả năng sử dụng máy biến áp thấp.
III. Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển
:
- Sơ đồ nguyên lí :














- Đồ thị dạng sóng :






+ Giá trị trung bình của điện áp tải :
I
d
L
d

T
4
T
2
T
3
R
d

BA
•

•
•
•
∅∅
T
1
U
2

U
1

U
d
U

t
α

Đ
ồ án tốt nghiệp

∫
π+α
α
α=α
π
=ωω
π
= cos.U.9,0cos.U.
22
td.tsin.U.2
1
U
222d

+ Giá trị điện áp cực đại trên tải :
π
==
22
UU
domaxd

+ Giá trị điện áp ngược đặt lên mỗi van Tiristor :
2max2maxng
U.22U.2U ==
+ Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp :
R
U

II
d
d2
==

+ Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua mỗi van :
2
I
I
d
tbV
=

+ Công suất của máy biến áp :
dd2BA1BABA
I.U.23,1SSS ===

Ä
Nhận xét :
Chỉnh lưu cầu một pha có chất lượng điện áp ra tương đương với chất
lượng điện áp ra của chỉnh lưu một pha có biến áp trung tính, nhưng đối với
chỉnh lưu cầu một pha lại có điện 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 của chỉnh lưu này cao hơn so với chỉnh lưu một pha có biến áp trung tính.
IV. Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển
:
- Sơ đồ nguyên lí :

- Đồ thị dạng sóng :


T
2
a
b
c
•
•
•

•

R
d
I
d
L
d
T
1
T
3
U
d

t

U
α

Đ
ồ án tốt nghiệp





+ Giá trị trung bình của điện áp tải :
α=α
π
=ωω
π
=
∫
α+
π
α+
π
cos.U.17,1cos.U.
2
63
td.tsin.U.2.
2
3
U

222
6
5
6
d

+ Giá trị điện áp điện áp ngược đặt lên Tiristor :
f2f2ng
U.6U.3.2U ==
+ Giá trị dòng điện trung bình chạy qua tải :
R
U
I
d
d
=
+ Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp :
3
I
I
d
2
=

+ Giá trị dòng điện trung bình của từng van :
3
I
I
d
tbV

=

+ Công suất máy biến áp :
dd
ddddBABA
BA
I.U.35,1
2
I.U.48,1I.U.23,1
2
SS
S =
+
=
+
=

Ä
Nhận xét :
Chỉnh lưu 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 so với các loại chỉnh lưu
một pha.
Trong các loại chỉnh lưu ba pha, thì chỉnh lưu tia ba pha có số van bán
dẫn ít nhất.
Trong cuộn dây phía thứ cấp máy biến áp có tồn tại dòng điện một chiều,
vì vậy làm cho lõi thép máy bi
ến áp chóng bị bão hòa gây phát nóng lõi thép.
Cuộn dây thứ cấp máy biến áp phải đấu sao, với bốn đầu dây nối ra ngồi
và dây trung tính phải lớn gấp đôi dây pha.

Đ
ồ án tốt nghiệp

V. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng.
- Sơ đồ nguyên lí :











- Đồ thị dạng sóng :











+ Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu :
∫

α+
π
α+
π
α=α=ωω
π
=
6
5
6
222d
cos.U.34,2cos.U.17,1.2td.tsin.U.23
2
2
U

+ Giá trị trung bình của dòng điện qua Tiristor :
3
I
I
d
tbT
=
+ Giá trị dòng điện hiệu dụng qua Tiristor :
•
•
T
1
T
3

T
5
T
6
I
d
•
•
•

T
4
•

•

•

R
d
L
d

c
T
2
b

a
t

U
d
U
T
U
T

U

t
α

α

Đ
ồ án tốt nghiệp

3
I
I
d
THD
=

+ Giá trị điện áp ngược lớn nhất của Tirisror :
22maxN
U.6U.3.2U ==

+ Công suất máy biến áp :
ddBA2BA1BA

I.U.05,1SSS ===

Ä
Nhận xét :
+ Hiệu suất sử dụng máy biến áp của chỉnh lưu này cao.
+ Điện áp chỉnh lưu có số lần đập mạch trong một chu kì gấp đôi số lần
đập mạch của chỉnh lưu tia ba pha. Cụ thể, có n = 6 lần đập mạch trong một
chu kì. Dòng điện trong các Tiristor có dạng chữ nhật nhưng dòng điện qua
thứ cấp máy biến áp hồn tồn đối xứng và không có thành ph
ần một chiều nên
ít làm lõi thép bị phát nóng.
+ Có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về nguồn. Cùng
một lúc cần có hai xung điều khiển để điều khiển hai Tiritor đồng thời.
VI. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng.
- Sơ đồ nguyên lí :









- Sơ đồ dạng sóng :

U

U
D
U
T
t
α
t
U
d

•
T
2
T
3
D
3
•
•
•

D
2
•

•

•

T
1
D
1
•

c
b
a
I
d
R
d
L
d
Đ
ồ án tốt nghiệp



+ Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu :
)cos1.(U.17,1td.tsin.U
2
23
td.tsin.U
2
23

U
2
6
5
6
2
6
5
6
2tb
α+=ωω
π
+ωω
π
=
∫∫
π
π
α+
π
α+
π

+ Giá trị trung bình của dòng tải :
R
U
I
d
d
=

+ Giá trị dòng điện trung bình chạy qua mỗi van :
3
I
I
d
tbV
=

+ Giá trị điện áp ngược của van :
22N
U.6U.3.2U ==

+ Công suất máy biến áp :
ddBA2BA1BA
I.U.05,1SSS ===

Ä
Nhận xét :
+ Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt.
+ Việc mở các van điều khiển đơn giản hơn so với chỉnh lưu cầu 3 pha
điều khiển đối xứng, nhưng các sóng điều hòa bậc cao của tải và của nguồn
lớn hơn.
+ Số lần đập mạch trong một chu kì chỉ có 3 lần và thành phần đập mạch
của chỉnh lưu cầ
u 3 pha điều khiển không đối xứng có giá trị lớn hơn giá trị
của thành phần điện áp đập mạch của chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối
xứng.
VII. Chỉnh lưu tia sáu pha.
-

Sơ đồ nguyên lí :







•
R
d
∅

∅

•
•
A

B

C
L
d

∅

•
•
•

A
-
•

•

•

•

B
-

C
-
T
4

T
5

T
6
•

•

•

A
+
•
•
•

B
+

C
+
T
1
T
2
T
3
•
I
d