Thiết kế bộ biến đổi DC-DC tần số cao dùng để điều chỉnh tốc động cơ điện một chiều.

1.Nhiệm vụ: Thiết kế bộ biến đổi DC-DC tần số cao dùng để điều
chỉnh tốc động cơ điện một chiều.
2.Các thơng số:
-

Điện áp nguồn (VAC): 380v
Tần số: 50Hz
Dịng điện định mức: 60 (A)
Điện áp phần ứng: 180 (v)
Phạm vi điều chỉnh tốc độ: 1:5
Chỉnh lưu: tia 3 pha
Sdđ bộ điều khiển E= 14v
Tần số cao: 1800 Hz

1


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: Giới thiệu về động cơ điện 1 chiều

Trang

I. Đặt vấn đề chung……………………………………………………5
II. Tổng quan về động cơ điện một chiều…………………………….7
III. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập………………………..…9
IV. Điều chỉnh từ thơng động cơ……………………….…...……….17
V. Các vấn đề khác khi điều chỉnh động cơ 1 chiều…………….……19
VI. Vấn đề phụ tải…………………………………………….……..23
VII. Phân tích phương án tổng thể………………………………...…24
CHƯƠNG 2: Mạch chỉnh lưu

I. Giới thiệu về mạch chỉnh lưu…………………………………………….……..25
II. Mạch chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển……………………….……26
CHƯƠNG 3: Thiết kế mạch lực
I.

Máy biến áp………………………………………………………………..…………….29

II.

Thiết kế lựa chọn máy biến áp chỉnh lưu………………………….….…………30

III.

Chọn diode cơng suất…………………………………………….……………..……32

IV.

Tính tốn mạch bảo vệ quá áp………………………………………………………35

V.
VI.

Tụ san phẳng ………………………………………………………………………….…36
Chọn van bán dẫn…………………………………………………………………...…36

VII.

Tìm Dải Điều Khiển………………………………………………………………….…36

CHƯƠNG 4 : Thiết kế mạch điều khiển

I.
II.

Nguyên lý mạch điều
khiển……………………………………………………………………………..…….…39
Tạo nguồn cho mạch điều khiển……………………………………….………….39

III.

Tính tốn các khâu của mạch điều khiển…………………………….…………41

2


LỜI MỞ ĐẦU
Ứng dụng điện tử công suất vào trong truyền động điện- điều khiển
tốc độ động cơ điện là một lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát
triển. Các nhà sản xuất không ngừng cho ra đời các sản phẩm và công
nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất và các thiết bị điều khiển
đi kèm. Do đó khi thực hiện đồ án chúng em đã cố gắng cập nhập
những kiến thức mới nhất, những công nghệ mới trong lĩnh vực điều
khiển các phần tử bán dẫn công suất. Với yêu cầu thiết kế mạch băm
xung một chiều để điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập
có yêu cầu đảo chiều quay theo nguyên tắc đối xứng, chúng em đã cố
gắng tìm hiểu kĩ về các phương án công nghệ sao cho bản thiết kế vừa
đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, yêu cầu kinh tế. Với hy vọng đồ án điện tử
công suất này là một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp dụng được trong
thực tế nên chúng em cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ và tính tốn cụ thể
các thông số của các sơ đồ mạch.
Mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học

hỏi và quyết tâm cao nhất tuy nhiên đây là lần đầu tiên chúng em làm
đồ án, và đặc biệt do trình độ hiểu biết của chúng em cịn nhiều hạn
chế nên chúng em khơng thể tránh khỏi những sai sót, chúng em
mong nhận được sự phê bình góp ý của các thầy để giúp chúng em
hiểu rõ hơn các vấn đề trong đồ án cũng như những ứng dụng thực tế
của nó để bản đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn. Và chúng em
hi vọng trong một tương lại khơng xa, chúng em có thể áp dụng
những kiến thức và hiểu biết thu được từ chính đồ án đầu tiên trong
cuộc đời sinh viên của chúng em vào thực tế cũng như sẽ phát triển
hơn nó trong các đồ án sau này.

3


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
I.

Đặt vấn đề chung

Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công
nghiệp cả về chiều rộng lẫn chiều sâu, điện và các máy điện đóng vai
trị rất quan trọng, không thể thiếu được trong phần lớn các ngành
công nghiệp và đời sống sinh hoạt của con người. Nó ln đi trước
một bước làm tiền đề nhưng cũng là mũi nhọn quyết định sự thành
công của cả hệ thống sản xuất công nghiệp. Không một quốc gia nào,
một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện.
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều : sản xuất dễ, dễ truyền
tải..., cả máy phát và động cơ xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và
công suất lớn, dễ vận hành... mà máy điện( động cơ điện) xoay chiều
ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện

một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như trong cong nghiệp giao
thơng vận tải, và nói chung các thiết bị điều khiển tốc độ quay liên tục
trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu
máy điện..). mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ
điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim
loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạo hơn...nhưng do
những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn khong thể thiếu
trong nền sản xuất hiện đại.
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ hay
máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu
điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều khiển tốc độ và khả
năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp
ứng được hoặc đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi
kèm( như bộ biến tần...) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không
4


những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực,
mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao.
Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều cơng suất nhỏ khoảng
75% ÷85%. ở động cơ điện cơng st trung bình và lớn khoảng 85%94%. Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều khoảng
100000kW và điện áp vào khoảng 1000V. Hướng phát triển là cải tiến
tính nâng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo
những máy cơng suất lơn hơn đó là cả một vấn đề rộng lớn mà chỉ đề
cập đến vấn đề thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ
có đảo chiều của động cơ một chiều kích từ độc lập theo nguyên tắc
đối xứng. Đây là một trong những phương pháp được dùng phổ biến
nhất hiện nay để điều chỉnh động cơ một chiều kích từ độc lập với yêu
cầu đảo chiều quay động cơ theo phương pháp đối xứng. Đây là một
phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao và được sử dụng rộng rãi

bởi những tính năng và đặc điểm nổi bật của nó mà chúng em sẽ phân
tích và đề cập sau này.

5


II.

Tổng quan về động cơ điện một chiều

1. Định nghĩa của động cơ điện một chiều.
Động cơ một chiều dùng dòng điện một chiều để biến đổi điện năng
thành cơ năng hay cơ năng thành điện năng( khi hãm).
2. Nguyên lý của động cơ điện một chiều.
Động cơ điện một chiều là thiết bị điện quay, làm việc theo nguyên lý
điện từ, khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dịng điện
chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ sinh ra một lực từ tác dụng vào dây
dẫn làm dây dẫn chuyển động. động cơ điện biến đổi điện năng thành
cơ năng
3. Phân loại các loại động cơ điện một chiều.
Ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ứng với
mỗi cách ta có các loại động cơ điện sau.
+Kích thích độc lập: phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai
nguồn riêng rẽ.
+Kích từ song song: cuộn dây kích từ được mắc song song với phần
ứng.
+Kích từ nối tiếp: cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng.
+Kích từ hỗn hợp: gồm hai cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song
song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng.
4. Cấu tạo của động cơ điện một chiều.

Động cơ điện một chiều có hai phần chính là phần động và phần tĩnh.
❖ Phần tĩnh hay stato là bộ phận sinh ra từ trường nó gồm có:

6


+Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngồi mạch từ ( nếu động cơ được
kích từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm bằng sắt từ( thép
đúc, thép đặc). dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn
dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau.
+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 cực từ làm bằng
những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại
và tán chặt. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulong. Dây
quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn
dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện
trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các
cực từ này được nối tiếp với nhau.
+) Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của cực từ phụ
thường được làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây
quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được
gắn vào vỏ máy nhờ những bulong.
+) Gông từ dùng làm mạch từ nối tiếp các cực từ, đồng thời làm vỏ
máy.
+) Các bộ phận khác:
Nắp máy để bảo vệ máy khởi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng
dây quấn và an toàn cho người khởi chạm vào điện
Cơ cấu chổi than để đưa dòng điện từ phần quay ra ngồi. Cơ cấu chổi
than bao gồm có chổi than đặt trong hộp, chổi than nhờ một lò xo tì
chặt lê cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách

điện với giá. Gía chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi
than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.
❖ Phần quay hay roto: bao gồm những bộ phận sau Phần quay hay
roto: bao gồm những bộ phận sau.

7


+) Phần sinh ra sức điện động gồm có:
Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ xếp lại với nhau. Trên mạch từ
có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng.
Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây nối lại với nhau theo một quy
luật nhất định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối
dây được nối với các phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó
được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay
vành góp.
+) Lõi thép phần ứng dùng để dẫn từ, thường được dùng những tấm
thép kỹ thuật điện dày 0,5 m Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra
suất điện động và có dịng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường
làm bằng dây đồng có bọc cách điện.
+)Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng
lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ trịn.
Với mỗi loại động cơ trên thì sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm
kĩ thuật điều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào
nhiều yếu tố. Trong đề tài này ta chỉ xét đến dộng cơ điện một chiều
kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu nhất để điều khiển loại động cơ
này.
III.

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1. Phương trình đặc tính cơ:
- là phương trính biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ ( n) và momen( M)
của động cơ có dạng.
𝜔

=

𝑈ư
𝐾𝛷

-

𝑅ư+ 𝑅𝑓
(𝐾𝛷)

2

.M

Thơng qua phương trình này, ta có thể thấy được sự phụ thuộc của tốc
độ động cơ và các thông số khác ( momen, từ thơng…), từ đó đưa ra
phương án để điều chỉnh động cơ( tốc độ) với phương án tối ưu nhất.
8


Với những điều kiện 𝑈ư = const, 𝐼𝑡 = const thì từ thơng của động cơ
hầu như khơng đổi vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính
cơ của động cơ là đường thẳng.
Thường dạng của đặc tính là đường thẳng mà giao điểm với trục tung

ứng với momen ngắn mạch còn giao điểm vớ trục tung ứng với tốc độ
không tải của động cơ.
Người ta đưa thêm đại lượng β =

∆𝑀
∆𝜔

để đánh giá tốc độ cứng. Đặc

tính càng dốc càng cứng( β càng lớn) tức là momen biến đổi nhiều
nhưng tốc độ biến đổi ít và ngược lại. Đặc tính càng ít dốc càng mềm
tức là momen biến đổi ít nhưng tốc độ biến đổi nhiều thay đổi.

Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu,
trước hết ta đi xét đặc tính của động cơ điện. Đó là quan hệ giữa tốc
độ quay với momen(hoặc dòng điện) của động cơ.
❖ Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ: nếu động cơ vận hành ở
chế độ định mức( điện cơ). Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có các
điểm làm việc định mức có giá trị 𝑀đ𝑚 , 𝜔đ𝑚
❖ Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay
đổi các tham số nguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng.

9


Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm đặc
tính cơ: β =

∆𝑀
∆𝜔

( tốc độ biến thiên momen so với vận tốc).

2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
❖

Sơ đồ kích thích từ độc lập được thể hiện như dưới đây:

Khi nguồn một chiều có cơng suất khơng đủ lớn thì mạc điện phần
ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau:
gọi là động cơ điện độc lập.
❖

Phương trình đặc tính cơ xuất phát:
𝑈ư = 𝐸ư + (𝑅ư + 𝑅𝑓 )𝐼ư

Trong đó:
●
●
●
●
●

𝑈ư : điện áp phần ứng
𝐸ư : sức điện động phần ứng
𝑅ư : điện trở phần ứng : 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

● 𝑅𝑓 : điện trở phụ trong mạch phần ứng
● 𝐼ư : dòng điện mạch phần ứng
● 𝐸ư : được xác định theo biểu thức sau:
10


𝑝𝑁

𝐸ư =

2𝜋𝑎

𝜔. 𝛷

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 cuộn dây phần
ứng
● 𝛷: từ thơng kích từ dưới một cực từ
● 𝜔: tốc độ góc
K=

𝑝𝑁
2𝜋𝑎

Trong đó: +K: hệ số cấu tạo của động cơ
𝐸ư = 𝐾𝑒 𝛷𝑛
𝜔=
Vì vậy 𝐸ư =

2𝜋𝑛

𝑝𝑁
60𝑎

𝐾𝑒 =
Suy ra

60

𝛷=

=

𝑛
9.55

𝛷𝑛
𝐾
9.55

𝑈ư
𝐾𝛷

= 0.105K

−

𝑅ư +𝑅𝑓

𝐾𝛷

𝐼ư (*)

Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặc khác momen điện từ của động cơ được xác định 𝑀đ𝑡 = 𝐾∅𝐼ư
Suy ra
𝐼ư =

𝑀đ𝑡
𝐾∅

Thay vào (*) ta được:

11


𝜔=

𝑈 ư 𝑅 ư + 𝑅𝑓
−
𝑀
𝐾∅ (𝐾∅)2 đ𝑡

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì momen cơ trên trục động cơ
bằng momen điện từ bằng M.
𝜔=

Ta có

𝑅ư+𝑅𝑓
𝑈ư
−
2M
𝐾∅
(𝐾∅)

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập.

Nhận xét:
+ 𝐼ư = 0 hoặc M = 0 ta có
𝜔=

𝑈ư
= 𝜔0
𝑅ư + 𝑅𝑓

Đây là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ
+ 𝜔 = 0 thì 𝐼ư =

𝑈
𝑅ư +𝑅𝑓

: dịng điện ngắn mạch

M = K∅𝐼𝑛𝑚 = 𝑀𝑛𝑚 : Momen ngắn mạch
𝜔=

𝑈ư

𝐾∅

-

𝑅𝐼
𝐾∅

= 𝜔0 − ∆𝜔

𝜔=

𝑅ư + 𝑅𝑓
𝑈ư
−
𝑀 = 𝜔0 − ∆𝜔
𝐾∅
(𝐾∅)2
12


R = 𝑅ư + 𝑅𝑓
𝜔0

∆𝜔 =

𝑅
𝐾∅

𝐼ư =

𝑅
(𝐾∅)2

=

𝑈ư
𝐾∅

M

Từ đó có thể thấy tốc độ động cơ điện một chiều phụ thuộc vào các
đại lượng: 𝑈ư , R, I. Như vậy thông qua các đại lượng biến thiên này
mà ta có thể điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều.

3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều là một trong các nội dung
chính của truyền động điện nhằm đáp ứng các u cầu cơng nghệ nào
đó của các máy sản xuất. Điều chỉnh tốc độ là dùng phương pháp
thuần túy điện tác động lên bản thân hệ thống truyền động điện để
thay đổi tốc độ quay của động cơ điện. Tốc độ quay của động cơ điện
thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn hay chế độ làm
việc như: mở máy, hãm máy… Trong các hệ thống truyền động điện
thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế, kĩ thuật cơ bản, các chỉ tiêu
này được tính khi thiết kế và điều chỉnh động cơ điện.
❖ Trong thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện
một chiều :
+Điều chỉnh điện áp cho phần ứng động cơ.
+Điều chỉnh bằng cách thay đổi từ thông phần ứng hay thay đổi điện
áp phần ứng cấp cho mạch kích từ.
+Điều chỉnh bằng thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.

❖ Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng.
13


Chỉ áp dụng được với động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc
song song làm việc ở chế độ kích thích độc lập. Loại này cần có thiết
bị như: máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bơ chỉnh lưu
điều khiển có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một
chiều có sức điện động 𝐸𝑏 điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển 𝑈đ𝑘 .

Ta có phương trình
𝐸𝑏 − 𝐸ư = 𝐼ư (𝑅𝑏 + 𝑅𝑢𝑑 )
𝜔=

𝐸𝑏
𝑅𝑏 + 𝑅𝑢𝑑
−
𝑅𝑢𝑑 𝐾𝑑𝑚 𝐼𝑢
𝐾∅𝑑𝑚
𝐾∅𝐾𝑚
𝜔 = 𝜔0 (𝑈𝑑𝑘 ) −

𝑀
𝛽

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên đặc tính cơ cũng
khơng đổi. Tốc độ khơng tải lý tưởng ùy thuộc vào giá trị 𝑈đ𝑘 của hệ
thống. Đồ thị tuyến tính do đó mới nói phương pháp này là triệt để.
Để xác định dải điều khiển tốc độ.
❖ Chú ý :

+ Phương pháp này có từ thơng khơng đổi nên đặc tính cơ có độ cứng
khơng đổi
+ Tốc độ không tải lý tưởng tùy thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ
thống do đó có thể nói phương pháp này điều khiển là triệt để.
+ Giải điều chỉnh tốc độ của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là
đặc tính ứng với điện áp định mức và từ thông định mức. Tốc độ nhỏ
14


nhất của dải điều khiển bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và
momen khởi động.
+ Với một cơ cấu máy cụ thể có 𝜔0max , KM , Mdm xác định vì vậy
phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng
𝜔𝑚𝑎𝑥

= 𝜔𝑜𝑚𝑎𝑥 −

𝑀𝑑𝑚
𝛽

𝜔𝑚𝑖𝑛

= 𝜔0𝑚𝑖𝑛 −

𝑀𝑑𝑚
𝛽

Mnmmin = Mcmax = KMMdm
Để thỏa mãn khả năng q tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh
phải có momen ngắn mạch là Mnmmin = Mcmax= KMMdm( KM: là hệ số

momen quá tải). Đặc tính cơ là các đườnng song song nên ta có
𝜔𝑚𝑖𝑛

= (𝑀𝑛𝑚 − 𝑀𝑑𝑚 )

D=

𝑀𝑑𝑚
𝛽
𝑀𝑑𝑚
(𝐾𝑀 −1) 𝛽
𝜔𝑜𝑚𝑎𝑥 −

1
𝑀𝑑𝑚
=
(𝐾𝑀 − 1)
𝛽
𝛽

𝜔0𝑚𝑎𝑥.𝛽

=

𝑀𝑑𝑚

−1

𝐾𝑀 −1

Với 𝜔𝑜𝑚𝑎𝑥 , KM , Mdm xác định ở mỗi máy. D phụ thuộc tuyến tính vào
β. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều bằng các thiết
bị nguồn điều chỉnh thì điện trở mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện
trở phần ứng động cơ do đó có thể tính sơ bộ được :
𝜔𝑜𝑚𝑎𝑥 𝛽/𝑀𝑑𝑚

≤ 10

Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ không vượt quá 10. Vậy với yêu cầu
của đề bài ta sẽ điều chỉnh dải điện áp ra trong dải điều chỉnh đã cho.
Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp này rất thích hợp trong những
trương hợp Mt= const trong toàn dải điều chỉnh.

15


IV.

Điều chỉnh từ thơng động cơ

Điều chỉnh từ thơng kích thích động cơ điện một chiều chính là điều
khiển momen điện từ của động cơ điện M = K.∅.𝐼ư . Do mạch kích từ
của động cơ điện một chiều là phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thơng
cũng là phi tuyến.

Từ sơ đồ trên ta được
Iư =

𝑒𝑘
𝑟𝑏 +𝑟𝑘

+ 𝜔𝑘

𝑑∅
𝑑𝑡

Trong đó: + rk: điện trở dây quấn phần ứng
+ rb: điện trở nguồn điện áp kích thích
+ 𝜔𝑘 : số vịng dây cuộn kích từ.
Thường thì khi điều chỉnh từ thơng thì điện áp phần ứng bằng Uđm do
đó các đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều khiển là từ thơng chính
là đặc tính cơ bản( đơi khi là đặc tính cơ tự nhiên).
Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng
chuyển mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ thơng dẫn đến tăng vận
tốc góc thì điều kiện chuyển mạch của cổ góp bị xấu đi mặt khác vẫn
phải đảm bải I cho phép. Kết quả là momen cho phép trong động cơ
giảm rất nhanh kể cả khigiữ nguyên I thì momen cơ cũng giảm đi rất
nhanh

16


1. Thay đổi điện trở phụ Rf.
Từ phương trình đặc tính (*)
∅=

𝑈ư 𝑅ư + 𝑅𝑓
−
𝐼ư (∗)
𝐾∅

𝐾∅

Thực tế ngày nay người ta khơng dùng phương pháp này. Vì phương
pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc đô quay trong vùng dưới tốc độ
định mức, và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ và
làm giảm hiệu suất của động cơ điện. Vì vậy phương pháp này chỉ áp
dụng ở động cơ điện có cơng suất nhỏ và thực tế thường dùng ở động
cơ điện trong cần trục.
2. Kết luận
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng các thay đổi từ thơng có nhiều
hạn chế so với phương pháp điều chỉnh phần ứng,phương pháp thay
đổi từ thông bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí : đó chính là điều
kiện chuyển mạch của cổ góp điện. Cụ thể phương pháp điều chỉnh
điện áp phần ứng có các ưu điểm hơn như sau:
❖ Hiệu suất điều chỉnh cao( phương trình điều khiển là tuyến
tính, triệt để) hơn khi ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp
phần ứng nên tổn hao công suất điều khiển nhỏ.
❖ Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn
đến momen ngắn mạch giảm, dịng ngắn mạch giảm. Điều này
rất có ý nghĩa trong lúc điều khiển động cơ.
❖
Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một
momen điều chỉnh xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều,
trơn, liên tục.
Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi cơng suất điều chỉnh cao và địi hỏi
phải có nguồn điện áp điều chỉnh được xong nó là khơng đáng kể so
với vai trị và ưu điểm của nó. Vậy nên phương pháp này được sử
dụng rộng rãi.
17

V. Các vấn đề khác khi điều chỉnh động cơ một chiều

1.Các góc phần tư làm việc

Trạng thái hãm và trạng thái động cơ được phân bố trên đặc tính cơ
của góc phần tư tương ứng với chiều momen và tốc độ như hình vẽ.
❖
❖

I,III : trạng thái động cơ( 𝜔 cùng chiều với M)
II, IV: trạng thái hãm(𝜔 ngược chiều với M)

Công suất cơ Pcơ = Mđ 𝜔.
Công suất điện của động cơ : Pđ = Pcơ + ∆𝑃.
2. Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
❖

Khởi động

Xuất pháp từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:
𝛷=

𝑈ư
𝐾𝛷

−

𝑅ư +𝑅𝑓
𝐾𝛷

𝐼ư (∗)

18


Khi khởi động nên Inm =

𝑈𝑑𝑚
𝑅

ở động cơ công suất trung bình và lớn

thì Rư thường có giá trị nhỏ nên dòng điện khởi động ban đầu( dòng
ngắn mạch) tương đối lớn:
Inm= 2 ÷2.5Idm
Với giá trị dịng lớn , sẽ không cho phép về mặt chuyển mạch và phát
song của động cơ cũng như sụt áp trên lưới điện. Tác hại này còn
nghiêm trọng hơn đối với những hệ thống cần khởi động( khi hãm
máy cũng xảy ra hiện tượng tương tự).
Vậy quá trình điều khiển tốc độ động cơ cũng phải gắn với chế độ
khởi động . Phải đảm bảo điều kiện tối thiểu:
Inm= 2 ÷2.5Idm
Dễ đi đến một nhận xét là lực chọn phương pháp điều khiển giảm áp
phần ứng là phù hợp hơn cả vì khi khống chế dòng ngắm mạch ở chế
độ khởi động còn hạn chế được điện áp khởi động. Do điều khiển là
giảm áp.
❖

Chế độ hãm.

Hãm là trạng thái àm động cơ sinh ra momen quay ngược chiều tốc độ
quay. Động cơ điện một chiều có 3 trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm
ngược, hãm động năng.
+Hãm tái sinh.
Xảy ra khi tốc độ quay lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng. Khi đó Uư>
Eư . Động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới. So
với chế độ động cơ, dòng điện và momen hãm đã đổi chiều xác định
theo biểu thức:
Ih=

𝑈ư −𝐸ư
𝑅

=

𝐾𝛷𝜔0 −𝐾𝛷𝜔
𝑅

<0

Mh = K𝛷Ih.

19


Trị số hãm sẽ lớn dần cho đến khi cân bằng với momen phụ tải thì hệ
thống làm việc ổn định với tốc độ 𝜔0𝑑 > 𝜔𝑜 . Vì sơ đồ đấu dây của
mạch động cơ không đổi nên phương trình đặc tính cơ tương tự nhưng
momen có giá trị âm. Đường đặc tính cơ nằm trong góc phần tư thứ

hai và thứ tư.
Trong hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất được đưa
trả về lưới điện có giá trị P = (E-U)I. Đây là phương pháp hãm kinh tế
nhất vì động cơ sinh năng lượng hữu ích.
Ví dụ: Cơ cấu nâng hạ cần trục. Khi nâng tải động cơ được đấu vào
nguồn theo cực tính thuận và làm việc trên đặc tính cơ làm trong góc
phần tư thứ nhất. Khi muốn hạ tải phải đảo chiều điện áp đặt vào phần
ứng động cơ. Lúc này nếu momen do trọng tải gây ra lớn hơn momen
ma sát trong các bộ phận chuyển động của động cơ trạng thái hãm tái
sinh. Tốc độ hạ cần trục tăng dần tới 𝜔0𝑑 > 𝜔𝑜 .
+Hãm ngược.
Xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích lũy trong các
bộ phận chuyển động hoặc do thế năng quay ngược chiều với momen
điện từ của động cơ, momen của động cơ khi đó chống lại sự chuyển
động của cơ cấu sản xuất.
●
Hãm ngược khi đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng(tăng
tải).
Đặc tính hãm ngược sưc điện động tác dụng cùng chiều với điện áp
lưới. Động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện, biến
điện năng nhận từ lưới điện và cơ năng thành nhiệt đốt nóng điện trở
tổng mạch phần ứng, vì vậy tổn thất lớn.
●

Đảo chiều điện áp phấn ứng.

Dòng điện Ih ngược chiều với chiều làm việc của động cơ và có thể
khá lớn.
20

Ih=

−𝑈ư −𝐸ư
𝑅ư +𝑅𝑓

Nếu rất nguy hiểm phải có biện pháp hạn chế dòng trong phạm vi cho
phép : Inm= 2 ÷2.5Idm
❖

Hãm động năng.

Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ
học của động cơ được tích lũy được trong q trình làm việc trước đó
biến thành điện năng tiêu tán dưới dang nhiệt.
+Hãm động năng tụ kích từ độc lập
Khi ta cắt phần ứng động cơ điện khỏi lưới điện một chiều và đóng
vào điện trở hãm
Ihd =

−𝐸ư
𝑅ư +𝑅ℎ

=

𝐾𝛷𝜔ℎ𝑑
𝑅ư + 𝑅ℎ

Mh = K𝛷Ihd< 0
Chứng tỏ Ihd và Mhd ngược chiều với tốc độ ban đầu. Năng lượng chủ

yếu được tạo ra do động năng tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ.
+Hãm động năng tự kích.
Nhược điểm là nếu mất điện thì khơng thực hiệ được do cuộn dây
kích từ vẫn phải nối với nguồn. Muốn khắc phục người ta sử dụng
phương pháp hãm động năng tự kích từ. Nó xảy ra khi ta cắt cả phần
ứng lẫn cuộn kích từ khỏi lưới điện khi động cơ quay để đóng vào
một điện trở hãm. Trong q trình hãm tốc độ giảm dần, dịng kích từ
giảm dần và do đó từ thơng giảm dần và là hàm tốc độ vì vậy đặc tính
cơ như đặc tính khơng tải của máy phát điện tự kích thích và phi
tuyến so với phương pháp hãm ngược. Hãm động năng có hiệu quả
kém hơn khi chúng có cùng tốc độ và momen cản, tuy nhiên hãm
động năng ưu việt hơn về mặt năng lượng đặc biệt hãm động năng tự
kích vì khơng tiêu thụ năng lượng từ lưới. Sử dụng được kể cả khi
mất điện.
21


VI.

Vấn đề phụ tải

Đặc tính của phụ tải cũng là vẫn đề được quan tâm khi điều khiển
động cơ điện một chiều. Với các loại khác nhau ta sẽ chọn phương
pháp phù hợp và tính tốn khác nhau. Có thể phân ra thành 3 loại cơ
bản theo sự thay đổi của momen cản theo tốc độ. Khi tốc độ động cơ
thay đổi, momen phụ tải có thể là:
a) Khơng đổi: thang máy…
b) Tăng: như trong quạt gió, bơm…
c) Giảm : các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, truyền động quay trục
chính máy cắt gọt kim loại…

Ta thường mong muốn đặc tính này là đặc tính tuyến tính vì vấn đề
thiết kế sẽ phức tạp lên rất nhiều khi sự thay đổi lại là phi tuyến đặc
biệt là khi tải biến đổi. Nên ở đây ta chỉ xét phụ tải có momen là hằng
số trong tồn dải điều chỉnh.
Qua phân tích trên đây, việc điều khiển điện áp phần ứng là được
chọn phù hợp. Giải pháp mà người ta thường dùng hiện nay là băm
xung áp điều khiển nó ra bằng bộ băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề
cập đến ở vấn đề tiếp theo.

22


VII.

Phân tích phương án tổng thể
a) Các chỉ tiêu đánh giá.
❖ Hệ số đập mạch điện áp ra các bộc chỉnh lưu.

Điện áp ra các bộ chỉnh lưu có hệ số đập mạch:
𝑈

𝑘 đ𝑚 = 𝑈𝑑1
𝑑𝑜

Trong đó: 𝑘 đ𝑚 : là hệ số đập mạch
𝑈𝑑1 : là biên độ sóng hài bậc 1
𝑈𝑑𝑜 : là thành phần không đổi
𝑘 đ𝑚 =

2
2
𝑚đ𝑚

−1

√(𝑚đ𝑚 𝑡𝑎𝑛 𝑡𝑎𝑛 𝛼) 2 + 1

mđm: là số lần đập mạch trong một chu kì điện áp lưới
α: là góc mở
Hệ số đập mạch 𝑘 đ𝑚 ở một số sơ đồ chỉnh lưu với các góc mở khác
nhau:
𝛼

Chỉnh lưu tia 3 pha

00
0.25

Chỉnh lưu cầu 3 pha 0.057
❖

300
0.50

600
1.32

890
43

0.206

0.597

19.64

Cơng suất tính toán máy biến áp nguồn Sba
Sba
Chỉnh lưu tia 3 pha

1.35Pd

Chỉnh lưu cầu 3 pha

1.05Pd

23


CHƯƠNG 2: Mạch chỉnh lưu
I.

Giới thiệu về mạch chỉnh lưu

- Chỉnh lưu là q trình biến đổi dịng điện xoay (AC) chiều thành
dòng điện một chiều (DC). Mạch chỉnh lưu được sử dụng vô cùng
rộng rãi trong thực tế. Vô số những thiết bị điện tử hiện nay sử dụng
dòng điện một chiều, tuy nhiên sử dụng trực tiếp dòng một chiều vơ
cùng tốn kém. Do đó, mạch chỉnh lưu được sử dụng để chuyển đổi

điện từ mạng lưới điện thành dòng điện một chiều cung cấp cho các
thiết bị điện tử.

- Cấu trúc của một mạch chỉnh lưu bao gồm:
● Máy biến áp ( MBA): Máy biến áp được sử dụng chủ yếu là
máy hạ áp, được sử dụng nhằm mục đích hạ mức điện áp từ
lưới xuống mức điện áp phù hợp cho mục đích sử dụng.
● Chỉnh lưu: Là sơ đồ chỉnh lưu thực hiện chức năng biến đổi
điện xoay chiều thành điện một chiều.
● Mạch lọc: Gồm những phần tử như tụ điện, cuộn cảm có chức
năng lọc nhiễu và làm san phẳng điện áp sau chỉnh lưu. Giúp
cho điện áp ổn định hơn.
● Mạch phản hồi: Làm chức năng đo lường tín hiệu như dịng
điện, điện áp ở lối ra mạch chỉnh lưu đưa đến mạch điều khiển.
● Mạch điều khiển: Có chức năng điều khiển các thyristor trong
mạch chỉnh lưu có điều khiển.

II.

Mạch chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển
24


Có áp nguồn đầu vào 3 pha:

25