Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay

Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu
Trong q trình sản xuất truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các cơng
đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất. Đặc biệt trong dây truyền sản xuất
tự động hiện đại, truyên động điện đóng vài trị quan trọng trong việc nâng cao
năng suất và chất lượng sản phẩm. Vì vậy các hệ truyền động luôn luôn được
quan tâm nghiên cứu và nâng cao chất lượng để đáp ứng với yêu cầu công nghệ
mới.
Ngày nay do ứng dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử, tin học, các hệ truyền động
điện ngày càng phát triển và có những thay đổi đáng kể. Đặc biệt do công nghệ
sẩn xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi
điện tử công suất trong hệ truyện động diện không những đáp ứng được độ
nhanh, độ chính xác cao mà cịn góp phần làm giảm kích thước giá thành của hệ.
Một trong các hệ đó là hệ truyền động của động cơ điện một chiều.
Do ưu điểm của động cơ một chiều về điều chỉnh tốc độ nên hiện nay động
cơ điện một chiều được sử dụng rộng rãi đặc biệt trong các lĩnh vực như giao
thơng vận tải, cơ khí luyện kim… vì vậy việc điều khiển động cơ điện một chiều
là một trong những vấn đề quan trọng trong lĩnh vực truyền động điện. Để điều
khiển động cơ điện thì có rất nhiều hệ như MF- ĐC, Hệ XA- ĐC, CL-ĐC. Đối
với mỗi hệ lại có những ưu nhược điểm riêng. Khí chế tạo các thiết bị điện tử
cơng suất địi hỏi có những kiến thức khơng chỉ mạch động lực mà còn những
kiến thức về mạch điều khiển và tính chọn các thiết bị thế nào cho hợp lý cũng
rất cần thiết.
Vì thế việc tìm hiều một cách tỷ mỷ về lĩnh vực điện tử công suất là việc cần
thiết, nên trong đề tài của em “Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện
một chiều kích từ độc lập khơng đảo chiều quay” được trình bày gồm 4
chương:
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ.
Chương 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực.
Chương 3: Lựa chọn thiết kế mạch điều khiển.
Chương 4: Thiết kế vịng kín theo ngun lý tối ưu hóa module.

Do hạn chế về nhiều mặt nên để tài khơng tránh khỏi những thiếu sót, em rất
mong nhận được sự góp ý, nhận xét của các thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: Nguyễn Vũ Thanh, các thầy cô trong
bộ môn TBĐ - ĐT, khoa SPKT và các bạn cùng khóa đã nhiệt tình, quan tâm,
giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án này.
Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2009.
Sinh viên
Ngô Thị Nguyệt Anh.

Ngô Thị Nguyệt Anh

1

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Đồ án tốt nghiệp
Mục lục
Lời nói đầu .......................................................................................................... 1
Danh sách hình vẽ ............................................................................................... 4
Mở đầu ................................................................................................................. 6
Chương 1 Tổng quan về các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ ... 8
1.1. Động cơ một chiều và các phương trình đặc tính cơ.................................. 8
1.1.1. Động cơ một chiều ............................................................................... 8
1.1.2. Phương trình đặc tính .......................................................................... 9
1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều.................... 12
1.2.1. Thay đổi điện trở phụ........................................................................ 13
1.2.2. Thay đổi từ thông ............................................................................... 14
1.2.3. Thay đổi điện áp phần ứng. ............................................................... 15
1.2.4. Nhận xét chung về các phương pháp ................................................. 16

CHƯƠNG 2 lựa chọn thiết kế mạch động lực .............................................. 18
2.1. Chọn sơ đồ mạch động lực ...................................................................... 18
2.1.1. Điều chỉnh tốc độ truyền động điện/.................................................. 18
2.1.2. Khảo sát hệ truyền động chỉnh lưu _ động cơ ................................... 20
2.1.3. Chọn sơ đồ chỉnh lưu nguồn một chiều ............................................. 24
2.2. tính tốn sơ đồ mạch động lực ................................................................. 34
2.2.1. Tính chọn Thyristor : ........................................................................ 35
2.2.2. Tính tốn máy biến áp chỉnh lưu . ..................................................... 36
2.2.3. Thiết kế cuộn kháng lọc . ................................................................... 49
2.2.4. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực .................................... 57
CHươNG 3: thiết kế mạch điều khiển ............................................................ 62
3.1. Yêu cầu và nhiệm vụ của mạch điều khiển. ............................................. 62
3.1.1. Yêu cầu mạch điều khiển: .................................................................. 62
3.1.2. Chức năng: ........................................................................................ 62
3.2. Nguyên tắc điều khiển. ............................................................................. 63
3.2.1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”: ................................... 63
3.2.2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: ................................. 65
3.3. Sơ đồ khối mạch điều khiển ..................................................................... 65
3.3.1. Khâu đồng pha. .................................................................................. 67
3.3.2. Khâu so sánh...................................................................................... 69
Ngô Thị Nguyệt Anh

2

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Đồ án tốt nghiệp
3.33. Tạo xung chùm điều khiển. ................................................................. 70
3.3.4. Khâu khuếch đại. .............................................................................. 72

3.4. Sơ đồ mạch điều khiển. ............................................................................ 75
3.4.1. Sơ đồ mạch điều khiển của Tiristor.(trang bên). hinh3.11 ............... 75
3.4.2. Nguyên lí hoạt động của mạch điều khiển:....................................... 76
3.5. Tính tốn mạch điều khiển ....................................................................... 76
3.5.1. Tính biến áp xung: ............................................................................ 77
3.5.2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng: ...................................................... 78
3.5.3.
3.5.4.
3.5.5.
3.5.6.
3.5.7.

Chọn cổng AND:............................................................................... 79
Chọn tụ C3 và R9: ............................................................................. 80
Tính chọn bộ tạo xung chùm: ........................................................... 80
Tính chọn tầng so sánh: .................................................................... 81
Tính chọn khâu đồng pha: ................................................................ 82

3.5.8. Tạo nguồn ni: ................................................................................ 83
3.5.9. Tính tốn máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha: ............................. 83
Chương 4: thiết kế mạch vịng kín theo ngun lý tối ưu module. .............. 89
4.1. Khái quát chung về điều khiển tối ưu module. ...................................... 89
4.1.1. Sơ qua về phương pháp dùng bộ khuếch đại tổng:............................ 89
4.1.2. Phương pháp điều khiển tối ưu module:............................................ 90
4.2. Mơ hình hệ thống chỉnh lưu_động cơ đơn giản ...................................... 90
4.2.1 Hàm truyền của động cơ một chiều kích từ độc lập: .......................... 91
4.2 2. Hàm truyền của bộ thyristor. ............................................................. 92
4.3. Nguyên lý điều khiển tối ưu modul. ........................................................ 93
4.4. Hệ thống điều khiển động cơ một chiều hai mạch vòng . ....................... 97
4.5. Cấu trúc cơ bản của hệ tự động điều chỉnh tối ưu module hai mạch vịng

......................................................................................................................... 98
4.6. Mơ phỏng hệ thống động cơ một chiều.................................................... 99
kết luận ............................................................................................................ 109
tài liệu tham khảo .......................................................................................... 110

Ngô Thị Nguyệt Anh

3

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Đồ án tốt nghiệp
Danh sách hình vẽ
H.1.1: Sơ đồ nối dây của động cơ điện kích từ độc lập ........................................ 8
H.1.2: Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. ................ 10
H.1.3: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập......................... 10
H.1.4: Các đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi
thay đổi Rf mạch điện phần ứng ............................................................... 12
H.1.5: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi
giảm từ thơng ...................................................................................................... 14
H.1. 6. Các đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập ......................... 16
H.2.1 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi van ........................................................ 21
H.2-2 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL- Đ ................................................. 23
H.2.3. Chỉnh lưu tia ba pha ................................................................................ 26
H.2.4. Đường cong điện áp tải khi góc mở  = 600........................................... 27
H.2.5. Chỉnh lưu tia sáu pha. .............................................................................. 28
H.2.6 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng ............................................... 29
H.2.7 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng .................................... 31
H.2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực ............................................................... 33

H.2.9 Các bậc thang ghép thành trụ.................................................................... 41
H.2.10 Kết cấu mạch từ cuộn kháng................................................................... 52
H.2.11 .Mạch động lực có các thiết bị bảo vệ . .................................................. 57
H.2.12 .Mạch R_C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch . .................................. 60
H.2.13 .Mạch RC bảo vệ quá điện áp từ lưới . ................................................... 60
H.2.14 Mạch cầu ba pha dùng điôt tải RC bảo vệ do cắt MBA non tải. ............ 61
H.3.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos ................................................ 63
H.3.2 Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu ................................................................ 64
H.3.3 Sơ đồ mạch điều khiển.............................................................................. 65
H.3.4: Hình dạng xung điều khiển Thyristor. ..................................................... 67
H.3.5 Sơ đồ đấu dây biến áp đồng pha ............................................................... 67
H.3.6 Khâu đồng pha dùng KĐTT ..................................................................... 68
H.3.7 Sơ đồ các khâu so sánh thường gặp .......................................................... 70
H.3.8 Một số sơ đồ chùm xung........................................................................... 72
H.3.9 Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm ................................................................. 73
H.3.10 Sơ đố các khâu khuếch đại ..................................................................... 78
H.3.11 Sơ đồ mạch điều khiển............................................................................ 81
H.3.12 .Sơ đồ nguyên lí tạo nguồn nuôi  12V ................................................. 83

Ngô Thị Nguyệt Anh

4

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Đồ án tốt nghiệp
H.3.13 .Kích thước mạch từ biến áp ................................................................... 85

Ngô Thị Nguyệt Anh

5

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Đồ án tốt nghiệp
Mở đầu
1. Tên đề tài.
Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều
kích từ độc lập không đảo chiều quay.
2. Lý do chọn đề tài .
Trong những năm gần đây kỹ thuật điện tử và bán dẫn công suất lớn
phát triển mạnh mẽ, các thiết bị điện tử cơng suất có nhiều ưu điểm: có khả năng
điều khiển rộng, có chỉ tiêu kinh tế cao, kích thước và trọng lượng thấp, độ tin
cậy và độ chính xác cao… ứng dụng của chúng vào việc biến đổi năng lượng là
điều khiển điện áp và dòng điện xoay chiều thành một chiều và ngược lại ngày
càng sâu, rộng.
Khi chế tạo các thiết bị điện tử công suất địi hỏi có những kiến thức khơng
chỉ mạch động lực mà cả kiến thức về mạch điều khiển và tính chọn các thiết bị
thế nào cho hợp lý cũng rất cần thiết
Hiện nay động cơ một chiều được sử dụng rộng rãI trong các lĩnh vực như
giao thông vận tải, cơ khí, ….do có ưu điểm về ổn định tốc độ. Vì vậy việc điều
khiển động cơ một chiều là một trong những vấn đề quan trọng trong truyền
động điện.
Vì vậy trong đồ án này tơi đi nghiên cứu về “ Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu
cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập” để làm rõ hơn về động cơ điện một
chiều kích từ độc lập. Hy vọng đề tài này sẽ giúp ích cho các bạn đang và muốn
nghiên cứu về động cơ một chiều.
3. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu

✓ Đối tượng nghiên cứu:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập khơng đảo chiều quay.
✓ Mục tiêu nghiên cứu:
Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều kích từ độc
lập không đảo chiều quay.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
✓ Thiết kế mạch động lực cho động cơ điện một chiều
✓ Thiết kế mạch điều khiển cho động cơ điện một chiều
✓ Thiết kế mạch vịng kín theo ngun lý tối ưu module ổn định tốc độ
5. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài “ Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều
kích từ độc lập khơng đảo chiều quay” dành cho sinh viên chuyên
ngành điện các trường trung học chuyên nghiệp và cao đẳng, đại học
và các trung tâm đào tạo nghề điện.

Ngô Thị Nguyệt Anh

6

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Đồ án tốt nghiệp
6. Phương pháp nghiên cứu
Tổng hợp và phân tích lý thuyết làm cơ sở thiết kế mạch động lực
và mạch điều khiển phù hợp với thông số u cầu, qua đó thiết kế mạch
vịng kín theo ngun lý tối ưu module điểu khiển để ổn định động cơ.
7. Dự kiến kết cấu nội dung.
Dự kiến kết cấu nội dung của đề tài gồm 4 chương:
Chương 1

Tổng quan về các phương pháp điều
chỉnh tốc độ của động cơ
Chương này trình bày về động cơ một chiều và các phương pháp
điều chỉnh tốc độ của chúng.
Chương 2
Lựa chọn thiết kế mạch động lực
Chương này trình bày về các sơ đồ mạch động lực từ đó lựa
chọn mạch động lực phù hợp, qua đó đi tính tốn sơ đồ mạch.
Chương 3
Thiết kế mạch điều khiển
Chương này trình bày về nhiệm vụ, yêu cầu và nguyên tắc hoạt
động của mạch điều khiển qua đó lựa chọn mạch điều khiển đưa ra các
thơng số để tính tốn mạch phù hợp với u cầu của đề bài.

8.
✓
✓
9.
✓
✓

Chương 4:
Thiết kế mạch vịng kín theo nguyên lý
tối ưu module
Chương này sẽ trả lời cho câu hỏi:
✓
Thế nào là nguyên lý tối ưu module?
✓
Mục đích làm gì?
✓

Xây dựng các hàm truyền thế nào?
✓
Kết quả mơ phỏng matlap ra sao?
Dự kiến kết quả nghiên cứu
Thiết kế mạch động lực, mạch điều khiển phù hợp với yêu cầu đặt ra.
Thiết kế mạch vòng theo nguyên lý tối ưu module để ổn định
động cơ.
Lĩnh vực ứng dụng
Là tài liệu học tập cho sình viên ngành điện tìm được lời giải cần
thiết khi nhận một bài toán thiết kế các bộ nguồi điện tử công suất.
Là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư và các cán bộ nghiên cứu khi thiết kế,
lắp đặt, sửa chữa, vận hành các thiết bị điện tử công suất

Ngô Thị Nguyệt Anh

7

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí
Chương 1
Tổng quan về các phương pháp điều chỉnh tốc độ
của động cơ
1.1. Động cơ một chiều và các phương trình đặc tính cơ
1.1.1. Động cơ một chiều
Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến ở các hệ
thống truyền động chất lượng cao, trong công nghiệp, giao thông vận tải và nói
chung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi
rộng (máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ...)

Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm có các dây quấn phần cảm và
phần ứng. Các dây quấn phần cảm có dịng điện một chiều tạo nên từ trường và
từ thông cực từ  qua phần ứng. Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện
động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng
có bọc cách điện. Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và
nhờ một lị xo tì chặt lên cổ góp. Kết cấu của cổ góp gồm có nhiều phiến đồng
có đi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mi ca và hợp thành một trụ trịn .
Chức năng của vành góp và các chổi điện là để làm khép mạch dòng điện trong
các thanh dẫn phần ứng, dưới một cực nào đó, theo một chiều đã cho, không phụ
thuộc vào tốc độ đã cho .
Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu
việt hơn so với các loại động cơ khác, khơng những nó có khả năng điều chỉnh
tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực , mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời
lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc rộng .

Ngô Thị Nguyệt Anh

8

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí
1.1.2. Phương trình đặc tính
Ikt
KT

U
Rf

U =Eư + (Rư + Rf)Iư

(1-1)

Trong đó :
Uư :

điện áp phần ứng (v)

Eư : sức điện động phần ứng (v)
Rư : điện trở của mạch phần ứng ()
Rf :

điện trở phụ trong mạch phần ứng, ()

Iư : dòng điện mạch phần ứng
Với

Rư = rư + rcf + rb + rct

rư :

điện trở cuộn dây phần ứng

rcf :

điện trở cuộn cực từ phụ

rb :

điện trở cuộn bù

rct :

điện trở tiếp xúc của chổi điện

Sức điện động Eư của phần ứng của động cơ được xác định theo biểu thức:

Eu =

Ngô Thị Nguyệt Anh

pN
.. = K ..
2. .a

9

(1-2)

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí
Trong đó:
p : số đơi cực từ chính
N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
a : số đôi mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng
 : từ thơng kích từ dưới một cực từ (wb)
 : tốc độ góc,(rad/s)

K =

pN
là hệ số cấu tạo của động cơ
2. .a

Từ (1 - 1) và (1 - 2) ta có :

=

Uu
R + Rf
− u
.I u
K .
K .

(1 -3)

Biểu thức (1 -3) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ
Mặt khác mô men điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi :
Mđt= KIư

(1 - 4)

Suy ra:
Thay giá trị Iư vào (1 - 3) ta được:

Iu =

=

M dt
K .

Uu
R + Rf
− u
.M dt
K . (K .)2

(1 - 5)

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất sắt thì mơ men cơ trên trục động
cơ bằng mô men điện từ, ta kí hiệu là M. Nghĩa là Mđt = Mcơ = M
Đây là phưong trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập.

Ngơ Thị Nguyệt Anh

10

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

=

U u Ru + Rf
−
.M
K  (K  )2

(1 - 6)

Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thơng  = const, thì các phương
trình đặc tính cơ điện (1 - 3) và đặc tính cơ (1 - 6) là tuyến tính . Đồ thị của
chúng được biểu diễn trên H. 1-2 và H. 1-3 là những đường thẳng.




0

0

đm

đm

0

Iđm

Inm

I

Hình 1-2. Đặc tính cơ điện của động cơ

Theo
cácmột
đồ thị
trên, kích
khi Iưtừ
= kích
0 hoặcđộc
M =lập
0 ta có :
điện
chiều

0

Mđm

Mnm

M

Hình 1-3. Đặc tính cơ của động cơ
điện một chiều kích từ kích độc lập

Theo các đồ thị trên, khi I u = 0 hoặc M=0 ta có:

=

Uu

= 0
K

(1 - 7)

o - được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ, còn khi  = 0 ta có :
M=KInm

Ngơ Thị Nguyệt Anh

11

(1 - 8)

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Iu =

U
= I nm
Ru + Rf

(1 - 9)

Inm , Mnm : là dòng điện ngắn mạch và mơ men ngắn mạch .
Mặt khác phương trình đặc tính (1- 3) và (1 - 6) cũng có thể được viết ở dạng:

=
Trong đó:

UU
R.M
−
= 0 − 
K  (K . )2

R = R ư + Rf ,

 =
 :

(1-10)

o = Uư / K.

R
R
.I u =
M
K
(K .)2

(1 -11)

là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M

Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương

đối với điều kiện từ thơng là định mức ( = đm).
Trong đó:
* = /o ,

I* = I / Iđm ,

M* = M / Mđm,

R* = R / Rcb ,

(Rcb = Uđm / Iđm- được gọi là điện trở cơ bản)
Từ (1 - 3) và (1 - 6) ta viết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối:
*=1-R*.I*

(1 - 12)

* = 1 - R*. M*

(1 - 13)

1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều
Từ phương trình đặc tính cơ (1 - 6) ta thấy rằng việc điều chỉnh tốc độ
của động cơ điện một chiều có thể thực hiện được bằng cách thay đổi một trong
ba đại lượng sau:
➢

Điện trở phụ trên mạch phần ứng

➢

Thay đổi từ thông

➢

Thay đổi điện áp phần ứng

Ngô Thị Nguyệt Anh

12

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí
1.2.1. Thay đổi điện trở phụ
Giả thiết rằng Uư = Uđm = const và  = đm = const . Muốn thay đổi điện
trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng .
Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:

o =

U dm
= const
K . dm

(1 – 14)

Độ cứng của đặc tính cơ :

(K .dm )2

M
=
=−
= var

Ru + Rf

(1 - 15)

Khi Rf càng lớn ,  càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc, ứng với Rf = 0 ta có
đặc tính cơ tự nhiên .


0
TN

Rf1

Rf2

0

Mnm

M

Rf3

Hình .1 - 4. Các đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi thay đổi
Rf mạch phần ứng

Ngô Thị Nguyệt Anh

13

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

TN

(K .dm )2
=−
Ru

(1 - 16)

TN có giá trị lớn nhất nên đặc cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường
đặc tính cơ có điện trở phụ .
Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tính biến trở có
dạng như H.1 - 4. Ưng với một phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ
động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch cũng
giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện
ngắn mạch khi khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.
Giao điểm của các đường đặc tính trên với đường Mc = f() cho biết trị số tốc
độ xác lập khi điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ Rf .
1.2.2. Thay đổi từ thông
Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm = const. Điện trở phần ứng Rư =
const. Muốn thay đổi từ thông  ta thay đổi dịng điện kích từ Ikt động cơ

Trong trường hợp này :
Tốc độ không tải :

ox = Uđm / K x = var

Độ cứng đặc tính cơ :

 = - (K x)2 / Rư = var

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thơng.
Vì vậy khi từ thơng giảm thì ox tăng, cịn  sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ
với ox tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông như H.1 5

Ngô Thị Nguyệt Anh

14

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí


02
01
2 < 1 < đm

0

2

1

Mc

đm

0
Mnm2

Mnm1 Mnm

M

Hình1 - 5. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
khi giảm từ thơng .
Mnm = K. x. Inm = var
Và

Inm = Uđm / Rư = const

Với dạng mơmen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ
thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên .
Do điều kiện đổi chiều, lực ly tâm, các động cơ thông dụng hiện nay có
thể
điều chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này trong giới hạn 1: 2. Cũng có thể
sản xuất ra những động cơ giới hạn điều chỉnh 1 : 5 thậm chí 1 : 8 nhưng phải
dùng những phương pháp khống chế đặc biệt. Do đó cấu tạo và công nghệ phức
tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên.
1.2.3. Thay đổi điện áp phần ứng.
Phương pháp này thường chỉ áp dụng được đối với động cơ điện một

chiều kích từ nối tiếp hoặc động cơ điện kích từ song song làm việc ở chế độ

Ngô Thị Nguyệt Anh

15

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí
kích từ độc lập. Bởi vì đối với động cơ kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp thì
khi thay đổi điện.
áp phần ứng đặt vào động cơ thì điện áp kích từ cũng thay đổi dẫn đến từ thông
 thay đổi.Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một
họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên Như H.1 - 6.

TN

0

Uđm > U1 > U2 > U3
Uđ

01

m

U1

02

U2
03

U3
M(Iư)

0

Mc

Hình 1 . 6. Các đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập
Chú ý: khi giảm áp đặt vào phần ứng động cơ :Ta thấy rằng khi thay đổi
điện áp (giảm áp) thì mơ men ngắn mạch, dịng điện ngắn mạch của động cơ
giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định.
Nói chung vì khơng cho phép vượt quá điện áp định mức nên việc điều
chỉnh tốc độ trên tốc độ định mức không được áp dụng hoặc chỉ được thực hiện
trong một phạm vi rất hẹp. Phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh
tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện ngắn mạch khi khởi động .
1.2.4. Nhận xét chung về các phương pháp
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng  được áp
dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi được tốc độ liên tục và kinh tế. Trong
quá trình điều chỉnh, hiệu suất  = const vì sự điều chỉnh dựa trên sự tác dụng
lên mạch kích thích có cơng suất rất nhỏ so với cơng suất của động cơ. Cần chú
ý rằng, bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với điện áp định mức
Ngô Thị Nguyệt Anh

16

Sư phạm kỹ thuật điện K50

Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí
và kích thích tối đa ( = max) nên chỉ có thể điều chỉnh theo chiều hướng giảm
, tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức. Hơn nữa việc điều
chỉnh từ thơng khơng hạn chế được dịng điện ngắn mạch khi khởi động (Iư =U \
Rư ). Chính vì điều đó mà giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện
cơ khí và đổi chiều dịng điện của máy điện .
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch
phần ứng để tăng Rư, chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc
độ quay định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm
giảm hiệu suất của động cơ điện, vì vậy phương pháp này chỉ được áp dụng ở
những động cơ điện có cơng suất lớn và trung bình, cụ thể trên thực tế thường
dùng đối với động cơ điện trong cần trục.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi điện áp phần
ứng cũng chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dưới tốc độ định mức vì khơng
thể nâng cao điện áp lớn hơn điện áp định mức của động cơ điện. Ưu điểm của
phương pháp này là không gây thêm tổn hao trong động cơ điện, có thể thay đổi
tốc độ được vô cấp. Tuy nhiên, phương pháp này địi hỏi phải có nguồn riêng có
điện áp điều chỉnh được.
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc tạo ra các loại
nguồn điện một chiều có thể điều khiển được khơng cịn là một vấn đề phức tạp.
Các nguồn điện một chiều như chỉnh lưu, băm áp … ngày càng trở nên thông
dụng. Việc ứng dụng các bộ nguồn này vào lĩnh vực điều khiển động cơ điện
một chiều là rất hợp lý và thuận tiện. Ưu điểm của các bộ nguồn này là có độ tác
động nhanh, kích thước gọn nhẹ, cơng suất lắp đặt nhỏ, giá thành hợp lý. Do
những ưu điểm nổi bật trên và sự phù hợp với yêu cầu đầu bài đã cho nên
phương pháp điều chỉnh tốc độ được dùng ở đây là phương pháp điều chỉnh điện
áp phần ứng đặt vào động cơ.

Ngô Thị Nguyệt Anh

17

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí
CHƯƠNG 2
lựa chọn thiết kế mạch động lực
2.1. Chọn sơ đồ mạch động lực
2.1.1. Điều chỉnh tốc độ truyền động điện
Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động
điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất. Điều chỉnh
tốc độ truyền động điện là dùng các phương pháp thuần tuý điện, tác động lên
bản thân hệ thống truyền động điện (nguồn và động cơ điện ) để thay đổi tốc độ
quay của trục động cơ điện.
Tốc độ làm việc của truyền động điện do công nghệ yêu cầu và được gọi
là tốc độ đặt, hay tốc độ mong muốn. Trong quá trình làm việc, tốc độ của động
cơ thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai
lệch tốc độ thực so với tốc độ đặt. Trong các hệ truyền động điện tự động
thường dùng các phương pháp khác nhau để ổn định tốc độ động cơ.
Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn
cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cơ bản, các chỉ tiêu này cũng được tính
đến khi thiết kế hoặc chỉnh định các hệ thống truyền động điện .
➢ Sai số tốc độ
Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ
đặt và thường được tính theo phần trăm.
S 00 =

trong đó :

d − 
.100 0 0 =   0 0
d

đ- là tốc độ đặt
 - là tốc độ làm việc thực

Ngô Thị Nguyệt Anh

18

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí
➢ Độ trơn của điều chỉnh tốc độ
Độ trơn của điều chỉnh tốc độ được định nghĩa :

 =
Trong đó:

 i +1
i

i :

giá trị tốc độ ổn định đạt được ở cấp i

i+1:

giá trị tốc độ ổn định đạt được ở cấp kế tiếp (i + 1)

Từ chỉ tiêu độ trơn của điều chỉnh tốc độ ta có thể phân loại :
Hệ điều chỉnh vơ cấp nếu  = i+1 / i→1, tức là hệ truyền động có thể
làm việc ổn định ở mọi giá trị trong suốt dải điều chỉnh.
- Hệ điều chỉnh có cấp nếu nó chỉ có thể làm việc ổn định ở một số giá trị
của
tốc độ trong dải điều chỉnh.
➢ Dải điều chỉnh tốc độ
Dải điều chỉnh hay phạm vi điều chỉnh là tỷ số giữa giá trị lớn nhất và
giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mơ men tải đã cho :

D=

max
min

Gía trị tốc độ cực đại max bị hạn chế bởi độ bền cơ học của động cơ và với động
cơ điện một chiều nó cịn bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của vành góp.
Tốc độ nhỏ nhất min bị chặn dưới bởi yêu cầu về mô men khởi động, về khả
năng quá tải và về sai số tốc độ làm việc cho phép.
➢ Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và điều chỉnh tải
Với các động cơ điện một chiều và xoay chiều thì chế độ làm việc tối ưu thường
là chế độ định mức của động cơ. Để sử dụng tốt động cơ khi điều chỉnh tốc độ
cần lưu ý đến các chỉ tiêu như: dòng điện động cơ khơng vượt q dịng điện

Ngơ Thị Nguyệt Anh

19

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí
định mức, đảm bảo khả năng quá tải về mômen (trong khoảng thời gian ngắn),
đảm bảo yêu cầu về ổn định tĩnh khi có nhiễu…trong tồn dải điều chỉnh.
Vì vậy khi thiết kế hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ, người ta thường
chọn hệ truyền động cũng như phương pháp điều chỉnh sao cho đặc tính điều
chỉnh của hệ bám sát yêu cầu đặc tính của tải. Nếu đảm bảo được điều kiện này,
thì tổn thất trong quá trình điều chỉnh sẽ là nhỏ nhất.
➢ Chỉ tiêu kinh tế và các chỉ tiêu khác
Chỉ tiêu kinh tế có ý nghĩa quan trọng, nhiều khi là chỉ tiêu quyết định
cho việc chọn các phương án điều chỉnh. Chỉ tiêu kinh tế thể hiện ở vốn đầu tư,
chi phí vận hành hệ thống và ở hiệu quả do áp dụng phương pháp điều chỉnh
đem lại. Trong chi phí vận hành thì tổn thất năng lượng khi biến đổi và khi điều
chỉnh đóng vai trị quan trọng, ngồi ra hệ số cơng suất cos của hệ thống cũng
góp phần ảnh hưởng khơng nhỏ đến chi phí vận hành.
Ngoài các chỉ tiêu chung đã nêu ở trên, trong từng trường hợp cụ thể
còn dùng các chỉ tiêu khác nữa để đánh giá hệ truyền động điện, ví dụ độ trơn
điều chỉnh, khả năng tự động hoá hệ thống. Việc đánh giá chung hệ truyền động
điện là bài toán tối ưu đa mục tiêu, tuỳ từng trường hợp có thể chọn ra các chỉ
tiêu ưu tiên để quyết định chọn lựa các phương án điêù chỉnh
2.1.2. Khảo sát hệ truyền động chỉnh lưu _ động cơ
➢ Sơ đồ nguyên lý và phương pháp điều chỉnh
Bộ biến đổi van điều khiển là một bộ nguồn điện áp một chiều. Khi nối
vào mạch phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập ta sẽ được một hệ thống
van_động cơ theo sơ đồ sau:

Ngô Thị Nguyệt Anh

20

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Đ

UĐK

E

CKĐ

Iư

ĐK

H.2.1 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi van
Bộ biến đổi van -động cơ trực tiếp biến đổi điện áp xoay chiều thành
điện áp một chiều có thể điều chỉnh được để cung cấp cho mạch phần ứng động
cơ. Một bộ biến đổi van có thể bao gồm: máy biến áp lực, tổ van, kháng lọc,
thiết bị bảo vệ và hệ thống diều khiển. Trong đó máy biến áp điện lực dùng để
biến đổi điện áp lưới cho phù hợp với cấp điện áp của động cơ. Ngồi ra cịn
biến đổi số pha, tạo điểm trung tính khi cần thiết, hạn chế biên độ của dòng ngắn
mạch giảm tốc độ, tăng dòng trong van và cải thiện dạng sóng dịng điện nhận từ
lưới. Kháng lọc có tác dụng lọc thành phần dịng điện xoay chiều, hạn chế vùng

dòng điện gián đoạn và hạn chế vùng dịng điện cân bằng với nhữnh hệ chỉnh
lưu có đảo chiều. Hệ thống điều khiển có tác dụng tạo ra các xung điều khiển
với góc mở  điều khiển được.
Tổ van thường là bộ chỉnh lưu tiristo có điều khiển, có suất điện động Eb
phụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển với thời điểm đặt xung áp điều
khiển
đã chọn t ( t = ) lên các van. Tuỳ theo yêu cầu mà ta có thể dùng nguồn
chỉnh lưu thích hợp như: chỉnh lưu một pha, sáu pha, chỉnh lưu cầu, chỉnh lưu
tia.
Với hệ biến đổi van đơng cơ có một số đặc điểm: về ưu điểm của chỉnh
lưu động cơ là: độ tác động nhanh, cao, không gây ồn và dễ tự động. Do các van
Ngô Thị Nguyệt Anh

21

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí
có hệ số khuếch đại cao nên có thể thiết lập hệ tự động vịng kín để mở rộng dải
điều chỉnh và cải thiện các đặc tính làm việc của hệ.
Bên cạnh đó hệ CL- Đ cịn có những nhược điểm là: do các van bán dẫn
có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao làm gây tổn
thất phụ trong máy điện và ở các truyền động có cơng suất lớn còn làm xấu dạng
điện áp lưới xoay chiều. Ngoài ra khả năng linh hoạt chuyển đổi trạng thái làm
việc không cao, hệ đảo chiều phức tạp, hệ số quá tải về dòng và áp của các van
kém, hệ số cos nói chung là thấp tuy nhiên do những ưu điểm nói trên hệ CLĐ hiện nay trên thực tế dùng rất rộng rãi.
➢ Các chế độ dòng điện
❖ Chế độ dòng liên tục
ở chế độ dòng điện liên tục dựa vào sơ đồ thay thế Hình 2-8 để viết phương

trình đặc tính cơ :

=

Ebm.cos − Uv Rb + Ru + Rkh
−
.Iu
K .dm
K .dm

(2 − 1)

=

Ebm.cos − Uv Rb + Ru + Rkh
−
.M
K .dm
(K .dm)2

(2 − 2)

Đói với van bán dẫn

U  1  2V nên có thể bỏ qua. Từ (2-2) ta thấy

khi thay đổi góc mở  từ 0 đến 1800 suất điện động của bộ biến đổi sẽ biến thiên
từ +Ebm đến -Ebm và ta sẽ được một họ đường thẳng song song có độ cứng 
và tốc độ không tải 0,
(K . dm ) 2

=
Rb + R- + Rkh

Ngô Thị Nguyệt Anh

;

22

0 =
,

Ebm. cos
K . dm

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

w
w
0max

w
02
w
BLT

w

03

0

M

I BLT
- w
0 max

- w
0 max

Hình 2-2 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL- Đ
Nhận thấy đặc tính cơ của hệ CL- Đ mềm hơn đặc tính cơ tự nhiên và
đặc mềm hơn tính cơ của hệ F- Đ bởi thành phần đẳng trị do hiện tượng chuyển
mạch các van R =

p
.Xba khá lớn
2.

❖ Chế độ dòng gián đoạn

=

sin ( 0 −  ) sin ( 0 −  +  ) exp (  cot g )
1
.E 2m .cos .
K .dm

1 − exp (  .cot g )

( 2 − 3)

Phương trình đặc tính cơ ở chế độ dịng gián đoạn
Giới hạn giữa vùng dòng điện gián đoạn và liên tục là đường elíp như
trên Hình 2-8 Toạ độ của điểm biên giữa dòng liên tục và dòng gián đoạn B(Iblt
, blt ) được xác định :

Ngô Thị Nguyệt Anh

23

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

E 2m  p


.
.sin − cos  .sin
.L  2.
p
p

Iblt =
=

Ebm .sin 
p

1 − .cot g 

.L  
p

(2 − 4)

Khi thay đổi góc điều khiển  ta sẽ xác định được đường biên giữa dòng
điện gián đoạn và dòng liên tục. Nhận thấy khi tăng các thông số p, L của mạch
phần ứng sẽ thu hẹp vùng dòng điện gián đoạn.

blt =

Ebm .cos Rb + Rw + Rkh
−
.I blt
K .dm
K .dm



E 2m .cos  − 
p

0 =
K .dm

voi  


p

(2 − 5)

(2 − 6)

Tốc độ không tải lý tưởng thực tế của động cơ ở giá trị lớn hơn giá trị xác
định ở biểu thức

0 =
,

Ebm . cos
do dòng phần ứng Iư = 0 thì đặc tính cơ
K . dm

của hệ chuyển từ liên tục sang vùng gián đoạn. Giá trị của 0 được xác định.
2.1.3. Chọn sơ đồ chỉnh lưu nguồn một chiều
2.1.3.1. Chọn phương án chỉnh lưu
Để cung cấp nguồn 1 chiều cho động cơ một chiều, ta phải sử dụng một
mạch chỉnh lưu biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng
dịng điện 1 chiều. Thực tế có rất nhiều phương án có thể sử dụng được, tuy
nhiên để có
một mạch chỉnh lưu phù hợp với yêu cầu thiết kế ta cần xét một cách tổng quan
về các sơ đồ chỉnh lưu.
Các bộ chỉnh lưu điốt không thể làm thay đổi điện áp ra nên ta chỉ xét
các mạch chỉnh lưu có điều khiển.

Ngơ Thị Nguyệt Anh

24

Sư phạm kỹ thuật điện K50


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí
Vì ta thiêt kế nguồn cung cấp cho cho động cơ một chiều, tải có yều cầu
về việc hồn trả về lưới nên địi hỏi chất lượng khá cao về điện áp, hơn nữa ở
đây nguồn cấp cho bộ chỉnh lưu được lấy trực tiếp từ nguồn (3 pha). Do vậy
dưới đây ta sẽ bỏ qua các phương án chỉnh lưu 1 pha và 2 pha, chỉ xét các
phương án chỉnh lưu từ 3 pha trở lên.
2.1.3.2 Chỉnh lưu tia ba pha
Khi biến áp có ba pha đấu sao (  ) trên mỗi pha A,B,C ta nối một van
như hình 2.9a, ba catod đấu chung cho ta điện áp dương của tải, còn trung tính
biến áp sẽ là điện áp âm. Ba pha điện áp A,B,C dịch pha nhau một góc là 1200
theo các đường cong điện áp pha, chúng ta có điện áp của một pha dương hơn
điện áp của hai pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ ( 1200 ). Từ đó thấy
rằng, tại mỗi thời điểm chỉ có điện áp của một pha dương hơn hai pha kia.
Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van ở đây là khi anod của van
nào dương hơn van đó mới được kích mở. Thời điểm hai điện áp của hai pha
giao nhau được coi là góc thơng tự nhiên của các van bán dẫn. Các Tiristior chỉ
được mở thơng với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thơng tự nhiên (như vậy
trong chỉnh lưu ba pha, góc mở nhỏ nhất  = 00 sẽ dịch pha so với điện áp pha
một góc là 300).

A

T1

B

T2

C

T3

a.
L

Ngơ Thị Nguyệt Anh

R

25

Sư phạm kỹ thuật điện K50