Thiết kế bộ điều khiển AC DC điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, điều khiển tốc độ động cơ một chiều là một yêu cầu tất yếu của các
máy sản xuất. Ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất địi hỏi có tốc độ, tùy theo từng
cơng việc, điều kiện làm việc mà ta chọn tốc độ làm việc khác nhau để tối ưu hóa q
trình sản xuất. Muốn có được tốc độ khác nhau trên từng máy ta có thể thay đổi cấu
trúc cơ học của máy như tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của chính động cơ truyền
động. Ở đây chúng ta khảo sát theo phương pháp thay đổi tốc độ chuyển động của
động cơ.
Ngày nay, điện tử cơng suất đã và đang đóng một vai trị rất quan trọng trong
q trình cơng nghiệp hố đất nước. Sự ứng dụng của điện tử cơng suất trong các hệ
thống truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc dễ
dàng tự động hố cho các q trình sản xuất. Các hệ thống truyền động điều khiển bởi
điện tử cơng suất đem lại hiệu suất cao. Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều
so với các hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - động cơ... Việc
ứng dụng điện tử công suất để điều khiển tốc độ của động cơ một chiều hết sức có ý
nghĩa nên tơi thực hiện đề tài: “Thiết kế bộ điều khiển AC-DC điều chỉnh tốc độ
động cơ một chiều”
Bố cục khóa luận gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Thiết kế mạch động lực
Chương 3: Tính toán và thiết kế mạch điều khiển.
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp được sự quan tâm của các thầy cô trong
khoa, đặc biệt là giáo viên hướng dẫn Th .N

ỄN T

P

N

đã giúp đ em

nhiệt tình trong suốt thời gian tìm hiểu và nghiên cứu để đồ án của em hoàn thành
đúng thời gian. Tuy nhiên, khi thực hiện đề tài do thời gian, nguồn tài liệu và trình độ
cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi nh ng sai sót. Kính mong nhận được sự chỉ dẫn và
đóng góp của thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày …. tháng …. năm 2017
inh viên thực hiện
Nguyễn

oàng Anh


NHẬN XÉT
(Của giảng viên hướng dẫn)

…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………...................................
………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………….......................................

IẢN

VIÊN

ỚN

(Chữ ký, họ tên)

DẪN


NHẬN XÉT
(Của giảng viên phản biện)

………………………………………………………………………………………………....
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………........................................
………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………...................................
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………….......

IẢN

VIÊN P ẢN BIỆN
(Chữ ký, họ tên)


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ............................................................... Error! Bookmark not defined.
Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 1
1.1. Tổng quan về động cơ một chiều .............................................................................1
1.1.1. Cấu tạo động cơ một chiều ....................................................................................1
1.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều ..................................................3
1.1.3. Phân loại động cơ một chiều .................................................................................4
1.1.4. Phương trình đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập ........................5
1.1.5. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập .....................8
1.2. Khái quát về một số bộ chỉnh lưu ...........................................................................13

1.2.1. Khái quát chung ...................................................................................................13
1.2.2. Sơ đồ cầu chỉnh lưu 1 pha ...................................................................................13
1.2.3. Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển ........................................................... 16
Chương 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC ................................................................ 18
2.1. Lựa chọn sơ đồ thiết kế .......................................................................................... 18
2.2. Thiết kế mạch động lực .......................................................................................... 18
2.2.1. Tính chọn thyristor .............................................................................................. 18
2.2.2. Thiết kế cuộn kháng san bằng lD ........................................................................20
2.2.3. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực ......................................................25
2.3. Tính chọn sơ đồ cho mạch kích từ động cơ............................................................ 28
Chương 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN .................................31
3.1. Nguyên lý, chức năng và yêu cầu mạch điều khiển ...............................................31
3.1.1.Nguyên lý .............................................................................................................31
3.1.2. Chức năng của mạch điều khiển ..........................................................................32
3.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển ..................................................................33
3.2.1. Khối đồng bộ .......................................................................................................33
3.2.2. Khối tạo điện áp răng cưa ....................................................................................34
3.2.3. Khối so sánh ........................................................................................................34
3.2.4. Khối tạo xung ......................................................................................................34
3.2.5. Khuếch đại xung ..................................................................................................35
3.2.6. Biến áp xung ........................................................................................................36
3.3. Thiết kế mạch điều khiển .......................................................................................36


3.3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển .......................................................................37
3.3.2. Nguyên lý làm việc .............................................................................................. 38
3.3.3. Tính tốn các khối trong mạch điều khiển .......................................................... 40
KẾT LUẬN ...................................................................................................................53
Tài liệu tham khảo

DAN

MỤC CÁC

ÌN

Hình 1.1: Động cơ điện một chiều ..................................................................................1
Hình 1.2:Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều ........................................3
Hình 1.3: Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập .......................................3
Hình 1.4: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.........................................................4
Hình 1.5: Động cơ điện một chiều kích từ song song .....................................................4
Hình 1.6: Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp .........................................................5
Hình 1.7: Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp ........................................................5
Hình 1.8: Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập .......................................6
Hình 1.9: Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ......................9
Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng ..................9
Hình 1.11: Họ đặc tính cơ khi thay đổi từ thơng ........................................................... 10
Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ
trên mạch phần ứng. ......................................................................................................11
Hình 1.13: Sơ đồ ngun lí mạch chỉnh lưu cầu 1 pha ................................................14
Hình 1.14: Giản đồ dịng điện và điên áp ......................................................................15
Hình 1.15:Điện áp của tải và các van bán dẫn sơ đồ điều khiển ...................................16
Hình 2.5: Mạch RC bảo vệ quá điện áp từ lưới . ........................................................... 28
Hình 3.1: Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu. ..................................................................31
Hình 3.2: Sơ đồ khối mạch điều khiển ..........................................................................33
Hình 3.3: Mạch khuếch đại xung ..................................................................................35
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển .................................................................37
Hình 3.5: Dạng điện áp ..................................................................................................39
Hình 3.6: Sơ đồ tạo điện áp đồng pha ..........................................................................40

Hình 3.7: Sơ đồ tạo điện áp tựa .....................................................................................41
Hình 3.8: Sơ đồ khâu so sánh ........................................................................................42
Hình 3.9: Sơ đồ khâu tạo xung ......................................................................................43
Hình 3.10: Sơ đồ tạo điện áp UD ...................................................................................44
Hình 3.11: Sơ đồ ngun lí tạo nguồn nuôi  12V ......................................................49


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về động cơ một chiều
Động cơ điện một chiều vẫn gi một vị trí nhất định như trong công nghiệp
giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần 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 c thì giá thành
đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn.. nhưng
do nh ng ưu điểm của nó mà máy phát điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền
sản xuất hiện đại.
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể làm động cơ điện hay máy phát
điện trong nh ng điều kiện làm việc khác nhau. Ưu điểm lớn nhất của động cơ điện
một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ không
đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì chi phí của các thiết bị đi
kèm (như bộ biến tần...) sẽ rất đắt tiền thì động cơ một chiều khơng nh ng có thể điều
chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản hơn đồng
thời lại đạt chất lượng cao.
Ngày nay, hiệu suất của động cơ một chiều công suất nhỏ khoảng 70% ÷ 85%, ở
động cơ điện cơng suất trung bình và lớn khoảng 85% ÷ 94%. Cơng suất lớn nhất của
động cơ điện một chiều vào khoảng 10000kW, điện áp vào khoảng vài trăm đến
1000V.
1.1.1. Cấu tạo động cơ một chiều
Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động (rơtor)

Hình 1.1: Động cơ điện một chiều

1


a. Phần tĩnh (Stato)
- Cực từ chính: Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây
quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng nh ng lá thép kỹ thuật
điện. Cực từ được gắn chặt vào vỏ nhờ các bulơng. Dây quấn kích từ được quấn bằng
dây đồng bọc cách điện.
- Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt gi a các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều
- Gông từ: Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
- Các bộ phận khác:
+ Nắp máy.
+ Cơ cấu chổi than.
b. Phần quay (rotor)
Gồm các bộ phận sau:
- Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ. Thông thường dùng nh ng lá
thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm phủ cách điện ở hai đầu rồi ép chặt lại. Trên lá thép có
dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào
- Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dịng điện chạy
qua. Thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ thường dùng
dây có tiết diện trịn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình ch
nhật. Dây quấn được cách điện với rãnh của lõi thép.
- Cổ góp: Cổ góp hay cịn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dịng
điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đi nhạn
cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ trịn.
Đi vành góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn
vào các phiến góp được dễ dàng.
- Các bộ phận khác:

+ Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy.
+ Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy thường
làm bằng thép Cacbon tốt.

2


1.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
b
F® t

n

I

+
a

A

I
c

U

F

®t

d

B

-

Hình 1.2:Sơ đồ ngun lý làm việc của động cơ điện 1 chiều
Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng
có dịng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dịng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện
từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay
trái. Khi phần ứng quay được nửa vịng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do có
phiến góp đổi chiều dòng điện gi cho chiều lực tác dụng khơng đổi đảm bảo động cơ
có chiều quay khơng đổi. Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng
sức điện động Eư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên
Eư còn gọi là sức phản điện động.
Phương trình cân bằng điện áp: U= Eư+Rư.Iư
Trong đó:

Rư: điện trở phần ứng
Iư: dòng điện phần ứng
Eư: sức điện động

Theo yêu cầu của đề bài ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
kích từ độc lập. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dịng điện kích từ khơng
phụ thuộc vào dịng điện phần ứng nghĩa là từ thông của động cơ không phụ thuộc vào
phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ.
+

U-

-

E

I

KT
IKT
UKT

+

-

Hình 1.3: Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
3


1.1.3. Phân loại động cơ một chiều
Như ta đã biết máy phát điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện hoặc
động cơ điện. Động cơ điện một chiều là thiết bị quay biến đổi điện năng thành cơ
năng. Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Động cơ điện một
chiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải. Động cơ điện
một chiều gồm nh ng loại sau đây:
+Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Hình 1.4: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

+ Động cơ điện một chiều kích từ song song.

Hình 1.5: Động cơ điện một chiều kích từ song song
+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

4


Hình 1.6: Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
+ Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp.

Hình 1.7: Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
1.1.4. Phương trình đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Đặc tính cơ là quan hệ gi a tốc độ quay và mômen (M) của động cơ.
Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông...) động cơ vận hành ở chế độ
định mức với đặc tính cơ tự nhiên (Mđm, wđm).
Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông số nguồn
hay nối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ.
Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính
cơ  được tính như sau:
 

M


(1-1)

 lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi
 nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng, đặc tính cơ tuyệt đối cứng
5

+

-

U-

E

I

KT
IKT
UKT

+

-

Hình 1.8: Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
Trường hợp Rf= 0:
U= E + Iu.Ru

(1-2)

E= Ke.  .n

(1-3)

Trong đó:

Ke =

(1-4)

p.n
60a

Ke: hệ số sức điện động của động cơ
a: số mạch nhánh song song của cuộn dây
K=

p.n
: hệ số cấu tạo của động cơ
2 a

p: số đơi cực chính
N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
Thế (1-3) vào (1-2) ta có:

=

Uu
R
 u Iu
K . K .

(1-5)

n=

Uu
R
 u Iu
K e . K e .

(1-6)

Hoặc:

Phương trình (1-6) biểu diễn mối quan hệ n= f(Iư) gọi là phương trình đặc tính cơ điện.
Mặt khác:
M= K.Ф.Iư
M: là mômen điện từ của động cơ.
Suy ra:

6

(1-7)


n=

(1-8)

Uu
Ru

.M
K e . K e ..K 

(1-7) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập.
Hoặc:

=

(1-9)

Uu
Ru

M = 0  
K . ( K . ) 2

Trong đó:

 0 : tốc độ khơng tải lý tưởng
 : độ sụt tốc độ

* Ảnh hưởng của các thơng số tới tốc độ động cơ
Từ phương trình đặc tính cơ

=

U u Ru  R f

M
K . ( K . ) 2

(1-10)

ta nhận thấy muốn thay đổi tốc độ  ta có thể thay đổi  , Rf , U.
- Trường hợp Rf thay đổi (Uư= Uđm= const; Ф= Фđm= const):
Độ cứng đặc tính cơ giảm



M
( K dm ) 2
=

Ru  R f

(1-11)

Nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm đồng thời dòng ngắn mạch và mômen
ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế
dòng và điều chỉnh tốc độ động cơ ở phía dưới tốc độ cơ bản.
- Trường hợp thay đổi U< Uđm
Tốc độ không tải ω0giảm trong khi độ cứng đặc tính cơ β = const
0 

(1-12)

U
K

Độ cứng
M
( K ) 2


 const
=
Ru


(1-13)

Khi thay đổi điện áp ta thu được một họ các đường đặc tính song song. Phương
pháp này được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng khởi động.
- Ảnh hưởng của từ thông:
Muốn thay đổi  ta thay đổi dịng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải tăng

7


U dm
K

(1-14)

M
( K ) 2
=
Ru


(1-15)

0 

Độ cứng đặc tính cơ giảm



1.1.5. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông
số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thơng… Từ
đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có nh ng tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu.
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 nh ng nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng
mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt chất
lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng.
a. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Đối với các máy điện một chiều, khi gi từ thông không đổi và điều chỉnh điện
áp trên mạch phần ứng thì dịng điện, moment sẽ khơng thay đổi. Để tránh nh ng biến
động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương pháp điều chỉnh tốc
độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được áp dụng cho động cơ
một chiều kích từ độc lập.
Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều áp như:
máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ… Các bộ biến đổi
trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và điều chỉnh
giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu. Phương trình đặc tính cơ của
động cơ điện một chiều kích từ độc lập
n

Ru  R f
U

M
KE KE KM 2

(1-16)

U đm
K E . đm

(1-17)

Tốc độ không tải lý tưởng:
n0 =
Độ cứng của đường đặc tính cơ:

8


(1-18)

dM
K K 2
 
 E M
dn
Ru  R f

Khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ thì tốc độ khơng tải lý tưởng
sẽ thay đổi nhưng độ cứng của đường đặc tính cơ thì khơng thay đổi.
Như vậy, khi ta thay đổi điện áp thì độ cứng của đường đặc tính cơ khơng thay
đổi. Họ đặc tính cơ là nh ng đường thẳng song song với đường đặc tính cơ tự nhiên
n
n0

ncb
n1
n2
n3

TN ( Uđm)

Uđm > U1> U2> U3
ncb> n1> n2> n3

U1
U2
U3

M
MC
Hình 1.9: Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ
b. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng
+

-

U
Iư
Eư

Ckt
+

Rkt

Ukt

-

Hình 1.10: Sơ đồ ngun lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng
Điều chỉnh từ thơng kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh moment điện
từ của động cơ M = KM  Iư và sức điện động quay của động cơ Eư = KE  n. Thơng
thường, khi thay đổi từ thơng thì điện áp phần ứng được gi nguyên giá trị định mức.
Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các máy điện cơng suất trung bình,
người ta thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từ thông do
tổn hao công suất nhỏ. Đối với các máy điện cơng suất lớn thì dùng các bộ biến đổi
đặc biệt như: máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, bộ biến đổi van…
9


Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông. Nếu tăng từ thơng thì dịng
điện kích từ Ikt sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ. Do đó, để điều chỉnh tốc độ
chỉ có thể giảm dịng kích từ tức là giảm nhỏ từ thơng so với định mức. Ta thấy lúc
này tốc độ tăng lên khi từ thơng giảm
n=

(1-19)

U
K E .

Mặt khác ta có: Moment ngắn mạch Mn = KM  In nên khi  giảm sẽ làm cho Mn giảm
theo.
Độ cứng của đường đặc tính cơ:

(1-20)

K K 2
  E M
R

Khi  giảm thì độ cứng  cũng giảm, đặc tính cơ sẽ dốc hơn. Nên ta có họ đường đặc
tính cơ khi thay đổi từ thơng như sau:
n

n1

đm>1>2

1
2
đm

ncb< n1< n2

ncb
0

MC M2

M
M1

Hình 1.11: Họ đặc tính cơ khi thay đổi từ thơng
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng có thể điều chỉnh

được tốc độ vô cấp và cho ra nh ng tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản. Theo lý thuyết thì từ
thơng có thể giảm gần bằng 0, nghĩa là tốc độ tăng đến vô cùng. Nhưng trên thực tế
động cơ chỉ làm việc với tốc độ lớn nhất:
nmax = 3.ncb
Tức phạm vi điều chỉnh:

D=

3
nmax
=
1
ncb

Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta có một tốc độ lớn nhất cho phép. Khi điều chỉnh
tốc độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ khơng thể đổi chiều

10


dịng điện và chịu được hồ quang điện. Do đó, động cơ không được làm việc quá tốc
độ cho phép.
Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng có thể điều
chỉnh tốc độ vơ cấp và cho nh ng tốc độ lớn hơn ncb. Phương pháp này được dùng để
điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là máy bào giường. Do quá trình
điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng lượng ít, mang
tính kinh tế.
c. Thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần
ứng có thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều. Trong phương pháp này điện

trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo sơ đồ nguyên lý như
sau:

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở
phụ trên mạch phần ứng.
Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
n

(1-21)

Ru  R f
U

M
KE
K E KM 2

Khi thay đổi giá trị điện trở phụ Rf ta nhận thấy tốc độ không tải lý tưởng và độ
cứng của đường đặc tính cơ:
Sẽ thay đổi khi giá trị Rf thay đổi. Khi Rf càng lớn,  càng nhỏ nghĩa là đường
đặc tính cơ càng dốc. Ứng với giá trị Rf = 0 ta có độ cứng của đường đặc tính cơ tự
nhiên được tính theo cơng thức sau:
n0 

U dm
K E  dm

 const

;    KE KM 

2

Ru  R f

11

dm

(1-22)


 TN  

K E K M  2 dm
Ru

(1-23)

Ta nhận thấy TN có giá trị lớn nhất nên đường đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng
lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có đóng điện trở phụ trên mạch phần ứng.
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng
được giải thích như sau: Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ n1 ta đóng
thêm Rf vào mạch phần ứng. Khi đó dịng điện phần ứng Iư đột ngột giảm xuống, còn
tốc độ động cơ do qn tính nên chưa kịp biến đổi. Dịng Iư giảm làm cho moment
động cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làm việc xác lập tại tốc độ n 2 với
n2> n1.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ n < n cb. Trên
thực tế không thể dùng biến trở để điều chỉnh nên phương pháp này sẽ cho nh ng tốc
độ nhảy cấp tức độ bằng phẳng  xa 1 tức n1 cách xa n2, n2 cách xa n3…

Khi giá trị nmin càng tiến gần đến 0 thì phạm vi điều chỉnh:
D=

ncb

n min

(1-24)

Trong thực tế, Rf càng lớn thì tổn thất năng lượng phụ tăng. Khi động cơ làm
việc ở tốc độ n = ncb/2 thì tổn thất này chiếm từ 40% đến 50%. Cho nên, để đảm bảo
tính kinh tế cho hệ thống ta chỉ điều chỉnh sao cho phạm vi điều chỉnh:
D=

(2  3)
1

(1-25)

Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm. Đồng thời dòng điện ngắn
mạch In và moment ngắn mạch Mn cũng giảm. Do đó, phương pháp này được dùng để
hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản. Và tuyệt đối không được
dùng cho các động cơ của máy cắt kim loại.
Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên
mạch phần ứng chỉ cho nh ng tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn ncb.
Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho cần
trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép.
Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào càng
lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay

12


đổi càng kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ
càng tăng.
1.2. Khái quát về một số bộ chỉnh lưu
1.2.1. Khái quát chung
Để cung cấp cho tải một chiều, chúng ta cần thiết kế các bộ chỉnh lưu mục đích
biến đổi năng lượng xoay chiều thành một chiều. Các loại bộ biến đổi này có thể chỉnh
lưu khơng điều khiển và chỉnh lưu có điều khiển. Với mục đích giảm cơng suất vô
công, người ta thường mắc song song ngược với tải một chiều một điôt (loại sơ đồ này
được gọi là sơ đồ điôt ngược). Trong các sơ đồ chỉnh lưu có điơt ngược, khi có và
khơng điều khiển, năng lượng được chuyền từ phía lưới xoay chiều sang một chiều,
nghĩa là các loại chỉnh lưu đó chỉ làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Các bộ chỉnh lưu có
điều khiển khơng điơt ngược có thể trao đổi năng lượng theo cả hai chiều. Khi năng
lượng được truyền từ lưới xoay chiều sang tải một chiều, bộ nguồn làm việc ở chế độ
chỉnh lưu, khi năng lượng chuyền theo chiều ngược lại (từ tải một chiều về lưới xoay
chiều) thì bộ làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới.
Theo dạng nguồn cấp xoay chiều chúng ta có thể chia chỉnh lưu thành một hay
ba pha. Các thông số quan trọng của chỉnh lưu là: dòng điện và điện áp tải, dòng điện
chạy trong cuộn thứ cấp biến áp, số lần đập mạch trong một chu kì. Dịng điện chạy
trong cuộn thứ cấp biến áp có thể là một chiều hay xoay chiều. Số lần đập mạch trong
một chu kì là quan hệ của tần số sóng hài thấp nhất của điện áp chỉnh lưu với tần số
điện áp xoay chiều.Trong đồ án này ta chỉ xét hai loại là: chỉnh lưu cầu 1 pha và chỉnh
lưu cầu 1 pha bán điều khiển.
1.2.2. Sơ đồ cầu chỉnh lưu 1 pha
Ưu điểm :
+ Sơ đồ mạch lực, mạch điều khiển đơn giản
+ Không cần sử dụng bộ đổi nguồn 3 pha.
+ Điện áp ra sau chỉnh lưu tương đối ổn định, có tính liên tục.

Nhược điểm:
+ Điện áp sau khi chỉnh lưu nhỏ (U1/Ud lớn)
+ Sử dụng không hiệu quả công suất MBA
+ Sử dụng các mạch chỉnh lưu công suất nhỏ.
a. Sơ đồ nguyên lý
13


i1

A
u1

i2

uT1

T1 uT2

itải
T2

R

u2

utải

Ld

B
uT3

uT4
T3

T4

Hình 1.13: Sơ đồ ngun lí mạch chỉnh lưu cầu 1 pha
b. Nguyên lý làm việc
Giả sử Ld =  điện áp phía thứ cấp u2 = 2 U2 .sin  t với góc điều khiển  . Xét
mạch đang làm việc ở chế độ xác lập. Khi van dẫn sụt áp trên nó bằng 0.
Trước thời điểm  t= v1 cặp van T1 vàT3 dẫn điện khi đó ta có: uT2 = uT3 = 0;
utải=-u2 ; uT1 = uT4 = u2; iT2 = iT3 = itải ; iT1 = iT4 = 0.Đến thời điểm  t= v1 cấp xung điều
khiển mở cặp van T1 và T4 lúc này cặp van T1 và T4 sẽ dẫn điện, cặp van T2 vàT3 bị
phân cực ngược nên không dẫn điện, khi đó ta có: uT1 = uT4 = 0; utải = u2; uT2 = uT3 = u2; iT1= iT4= itải; iT2 = iT3 = 0.
Đến thời điểm  t = , u2 = 0 có xu hướng âm dần và - u2 = 0 có xu hướng dương
dần. Tuy nhiên điện áp nguồn lúc này tác động ngược chiều với chiều dẫn dòng của
dòng điện qua tải, cho nên suất điện động cảm ứng do Ld tạo ra cho cặp van T1 và T4
tiếp tục dẫn điện, còn cặp van T2 vàT3 chưa dẫn do chưa có xung điều khiển kích mở.
Lúc này ta có: uT1= uT4= 0; utải = u2 < 0; uT2 = uT3 = - u2> 0; iT1 = iT4= itải; iT2 = iT3=
0.Đến thời điểm  t =+  phát xung điều khiển mở cặp van T2 và T3, lúc này cặp van
T2 và T3 sẽ dẫn điện còn cặp van T1 và T4 bị phân cực ngược nên khơng dẫn điện. Ta
có: uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4 = u2 < 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0.
Đến thời điểm  t =2, u2= 0 và có xu hướng dương dần, cịn - u2 = 0 có xu
hướng âm dần, tuy nhiên cặp van T2 và T3 sẽ tiếp tục dẫn do suất điện động của cuộn
cảm tải tạo ra để chống lại sự biến thiên của dòng điện. Cặp van T1 và T4 chưa dẫn
điện do chưa có xung điều khiển kích mở ta có:
uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4= u2 > 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0.
Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự như trên.

c. Giản đồ dòng điện, điện áp
14


Hình 1.14: Giản đồ dịng điện và điên áp
d. Một số biểu thức tính tốn
Điện áp trung bình trên tải:
1
Utải = 2.
2

 



2 U2 sin  t.d  t =



2 2



U 2 cos 

(1-26)

Dịng điện trung bình qua Thyristor:
 

IT =



Itải .d  t =



I tai
2

(1-27)

Điện áp thuận, điện áp ngược trên thyristor:
uT(thuận) = uT(ngược) = 2 U2.

(1-28)

Ưu điểm :
+ Sơ đồ mạch lực, mạch điều khiển đơn giản
+ Không cần sử dụng bộ đổi nguồn 3 pha.
+ Điện áp ra sau chỉnh lưu tương đối ổn định, có tính liên tục.
Nhược điểm:
+ Điện áp sau khi chỉnh lưu nhỏ (U1/Ud lớn)
+ Sử dụng không hiệu quả công suất MBA
+ Sử dụng các mạch chỉnh lưu công suất nhỏ.
Ứng dụng:Mạch này có thể dung được với nhiều loại phụ tải khác nhau, với nhiều ưu
tiên riêng (các cặp van luôn phiên nhau dẫn, có thể điều chỉnh được trơn điện áp đầu
ra)
15

1.2.3. Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển
a. Sơ đồ ngun lý
U2

U2
D2

A

A
T
2

D
1

F

F

D
1

Hình b:Sơ đồ ngược cực tính

U
d

0

1

1

U
d






2


2

2 3
3
I (L=0)
d

2 3

I (L=
d

)

1



2

0 1
2 3

1



2

1


2




2




2

1

2

2 3

3

2 3

3

2 3

3

D1
0 1




2

2 3

D2
0

2 3
3
I (L=0)
d

3

T2
0

2

T1
0 1

2 3



3

D1
0

0 1

3

T1
0

E

Ld

Rd

Ld

Hình a:Sơ đồ cùng cực tính

0

D2
B

E

B
Rd

T1

T
2

T1

0 1

2 3

Hình c: cùng cực tính

2

D2

T2

2 3

Hình d: ngược cực tính

Hình 1.15:Điện áp của tải và các van bán dẫn sơ đồ điều khiển
b. Nguyên lý làm việc
* Sơ đồ nối cùng cực tính
Tại 1 cấp xung điều khiển T1, T1 sẽ mở cho dòng điện chạy qua từ A qua T1
qua tải về D1 về B.
Đến  điện áp đổi dấu (A âm, B dương) ,T1 khóa. Nếu tải điện cảm dòng điện
tải là đường thẳng. Năng lượng của cuộn dây sẽ được tích lũy xả qua D2 tới D1 điện
áp tải trong vùng 2 là bằng 0.

16

I (L=
d

)

Đến 2 cấp xung điều khiển T2, T2 dẫn. Từ 2  2 dòng tải là dòng điện của 2
van T2 và D2. Đến 2 điện áp đổi dấu (B âm, A dương) D2 khóa, D1 mở để năng
lượng của cuộn dây xả qua D1 về T2.
23 mở thông D1, T2 điện áp tải bằng 0. Kết quả là chuyển mạch các van
bán dẫn có điều khiển được thực hiện bằng việc mở các van kế tiếp. Các van được dẫn
thơng trong nửa chu kỳ.
Ta có đường cong dịng điện và điện áp tải như trên
* Sơ đồ nối ngược cực tính
Tại 1 cấp xung điều khiển T1 với A dương, T1 sẽ mở cho dòng điện chạy qua
từ A qua T1 qua tải về D1 về B. T1 và D1 dẫn từ (1 ).
Đến  điện áp đổi dấu (A âm, B dương) ,D2dẫn làm khóa T1 năng lượng của
cuộn dây sẽ được tích lũy xả qua D1 và D2.
Đến 2 cấp xung điều khiển T2 với A âm, T2phân cực thuận nên t2 mở làm
khóa D1 cho dịng điện chạy từ B qua D2 qua tải về T2 về A.. Đến 2 điện áp đổi dấu
(B âm, A dương) T2 phân cực ngược nên T2 bị khóa.Ta có đường cong dịng điện và
điện áp tải như hình trên
* Biểu thức tính tốn
Điện áp trung bình trên tải:
Utải=2.

1
2





2 U2 .sin (  t) d  t =

2 U2



1 cos 

(1-29)



Điện áp thuận và ngược đặt lên Thyristor và Diode
uD(thuận)= uD(ngược) =

2 U2.

uT(thuận)= uT(ngược) =

2 U2

(1-30)

Kết luận: Từ yêu cầu thực tiễn ta chọn mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn
toàn.

17


Chương 2: T IẾT KẾ MẠC

ĐỘNG LỰC

2.1. Lựa chọn sơ đồ thiết kế
- Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu một chiều cấp điện cho động cơ điện
một chiều. Thông số cơ bản của động cơ điện một chiều:
2,2KV,

Iưđm =10A ,

nđm =1500 v/p,

U ưđm =240V,

Pđm =

Ukt =110V.

- Lựa chọn sơ đồ thiết kế


C

R

R
2CC

T1

T4

2CC

C

R

2CC

R

C

T3

T2

3CC

C
2CC

LD

3CC

Đ
CK
Hình 2.1: Mạch lực có các thiết bị bảo vệ
2.2. Thiết kế mạch động lực
2.2.1. Tính chọn thyristor

Tính chọn van dựa vào các yếu tố cơ bản như điện áp ngược cực đại của van,
dòng điện định mức của van. Từ sơ đồ thiết kế cầu một pha và các thơng số động cơ ta
có:
- Điện áp ngược của van là:
Ulv = knv . U2
18

(2-1)


Với U2 = Ud/ kư = 266,67 thay vào (2-1) ta có:

U lv  k nv .

Ud

k-

240
 377V )
0,9

2.

(2-2)

Trong đó:
Ud, U2, Ulv - điện áp phần ứng động cơ điện, điện áp nguồn xoay chiều, điện áp ngược
của van.
knv , kư - các hệ số điện áp ngược, điện áp phần ứng động cơ điện.

Để chọn van theo điện áp hợp lý thì điện áp ngược của van cần chọn phải lớn
hơn điện áp làm việc tức điện áp ngược cực đại: (với kdtU - hệ số dự tr )
Unv = kdtU . Ulv= 1,8 . 377 = 678,6 (V)

(2-3)

- Dòng điện làm việc của van là:
Ilv= Ihd = khd . Id = 10/ 2 = 7.1 (A)

(2-4)

Trong đó:
Ihd ,Id - Dòng điện hiệu dụng của van và dòng điện tải.
khd - Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng.
Để thyristor có thể làm việc an tồn, khơng bị chọc thủng về nhiệt chúng ta phải
chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý tức có cánh toả nhiệt với đầy đủ diện tích toả
nhiệt, khơng quạt đối lưu khơng khí. Theo điều kiện toả nhiệt đã chọn tiến hành tính
thơng số dịng điện định mức của van cần có:
Iđmv = ki . Ilv = 4 . 7,1 = 28,4 (A)

(2-5)

Với các thông số định mức cơ bản đã chọn ở trên, tra bảng thông số các van
thyristor chọn các van có thơng số điện áp ngược max (Unv), dịng điện định mức (Iđmv)
lớn hơn gần nhất với thơng số đã tính được ở trên.
Tra bảng ta được thyristor loại: HT40/08OJ4 có các thơng số định mức:
Dịng điện định mức của van

:

Iđmv = 40 (A)

Điện áp ngược cực đại của van

:

Unv= 800 (V)

Độ sụt áp trên van

:

Umax = 1,65 (V)
19