Thiết kế mạch chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CƠNG TRÌNH
BỘ MƠN KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài: Thiết kế mạch chỉnh lƣu cầu 3 pha điều khiển
động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Giảng viên hƣớng dẫn : ThS.Nguyễn Thị Phƣợng
Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Cao Cƣờng

MSV

: 1351082088

Lớp

: K58_CĐT

Khóa

: 58

Hà Nội - 2017


NHẬN XÉT
(Của giảng viên phản biện)

………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………

GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
(Chữ ký, họ tên)

MỤC LỤC
NHẬN XÉT....................................................................................................... 2
MỤC LỤC ......................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................. 4
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN .............................................................................. 1
1.1 Tổng quan về động cơ một chiều kích từ độc lập ....................................... 1
1.1.1 Cấu tạo động cơ một chiều....................................................................... 1
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều.......................................... 3
1.1.3. Phân loai động cơ điện một chiều ........................................................... 5
1.1.4. Phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lâp... 7
1.2. Các phƣơng pháp điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập. Tìm hiểu
về bộ chỉnh lƣu cầu 3 pha. .............................................................................. 13
1.2.1. Các phƣơng pháp điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập. ........ 13
1.2.2. Tìm hiều về bộ chỉnh lƣu cầu 3 pha. ..................................................... 19
CHƢƠNG 2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC.... 22
2.1. Sơ đồ mạch động lực ................................................................................ 22
2.2. Tính tốn thiêt kế mạch động lực............................................................. 23
CHƢƠNG 3 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ............... 28
3.1.Sơ đồ mạch điều khiển. ............................................................................. 28
3.1.1. Sơ đồ khối của mạch điều khiển. .......................................................... 28
3.1.2. Sơ đồ mạch điều khiển .......................................................................... 30
3.1.3. Nguyên lý chung của mạch điều khiển ................................................. 34
3.1.4.Sơ đồ mạch điều khiển. .......................................................................... 37


DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cực từ chính .................................................................................................1
Hình 1.2 Lõi sắt phần ứng ...........................................................................................2
Hình 1.3 Nguyên lý làm việc ......................................................................................4

Hình 1.4 Giản đồ một phần tử .....................................................................................5
Hình 1.5 Giản đồ nhiều phần tử ..................................................................................5
Hình 1.6 Vị trí thanh dẫn 1..........................................................................................5
Hình 1.7 Vị trí thanh dẫn 2..........................................................................................5
Hình 1.8 Các loại động cơ điện một chiều ..................................................................6
Hình 1.9 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập .........................7
Hình 1.10 biểu đồ đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập .......9
Hình 1.11 Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập ...........................9
Hình 1.12 Đƣờng đặc tính cơ có tung độ

..............................................................10

Hình 1.13 Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. ..........11
Hình 1.14 Sơ đồ mạch ...............................................................................................12
Hình 1.15 Sơ đồ mạch ...............................................................................................13
Hình 1.16 Đồ thị khi điều chỉnh tốc độ động cơ .......................................................13
Hình 1.17 Sơ đồ nối dây............................................................................................14
Hình 1.18.Đồ thị điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. 15
Hình 1.19.Đồ thị quá trình thay đổi điên áp phần ứng..............................................15
Hình 1.20 Sơ đồ nguyên lý........................................................................................17
Hình 1.21 Sơ đồ nối dây............................................................................................17
Hình 1.22 Sơ đồ cấu trúc của phƣơng pháp ..............................................................18
Hình 1.23 Sơ đồ mạch chỉnh lƣu cầu 3 pha. .............................................................19
Hình 1.24 Dạng sóng mạch chỉnh lƣu cầu 3 pha. .....................................................19
Hình 2.1 Sơ đồ mạch động lực chỉnh lƣu cầu ..........................................................22
Hình 3.1.Cấu trúc hệ thống điều khiên các bộ biến đổi phụ thuộc ..........................28
Hình 3.2. Sơ đồ khâu đồng pha .................................................................................28
Hình 3.3.Mạch so sánh ..............................................................................................29
Hình 3.4 Các thơng số liên quan đến xung điều khiển .............................................31

Hình 3.5.Cách ly mạch lực và mạch điều khiển. ......................................................32
Hình 3.6 Độ lệch pha của tín hiệu điều khiển trong sơ đồ chỉnh lƣu cầu .................32
Hình 3.7. Giới hạn góc điều khiển

. .......................................................................33

Hình 3.8.Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lƣu ................................................................36
Hình 3.9 Sơ đồ mạch điều khiển ..............................................................................37


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về động cơ một chiều kích từ độc lập
1.1.1 Cấu tạo động cơ một chiều.
Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm 2 phần chính là phần tĩnh (Stator) và
phần động (Rotor).
A ) Phần tĩnh-Stator gồm có :
a ) Cực từ chính :
Cực từ chính là phần sinh ra từ trƣờng gồm có lõi sắt và cuộn
Lõi sắt cực từ đƣợc làm từ các lá thép kỹ thuật hoặc thép cacbon dầy: 0,5- 41
mm đƣợc ép lại với nhau và tán chặt thành một khối các cực từ đƣợc gắn vào vỏ
máy bằng các bulông. Một cặp cực từ (đôi cực) gồm hai cực nam - bắc đặt đối xứng
với nhau qua trục động cơ, tuỳ theo động cơ mà động cơ có thể có 1,2,3,... các máy
điện nhỏ cực từ đƣợc làm bằng thép khối.Dây quấn kích từ làm bằng dây đồng có
tiết diện tròn hoặc chữ nhật đƣợc sơn cách điện và đƣợc quấn thành từng cuộn.Các
cuộn dây đƣợc mắc nối tiếp với nhau.Các cuộn dây đƣợc bọc cách điện cẩn thận
trƣớc khi đặt vào các cực từ.

Hình 1.1 Cực từ chính

b ) Cực từ phụ:
Cực từ phụ đƣợc đặt giữa các cực từ chính để cải thiện tình trạng đổi
chiều.Cực từ phụ đƣợc làm bằng thép khối trên đặt các cuộn dây quấn.Dây quấn
cực từ phụ tƣơng tự nhƣ dây quấn cực từ chính.

1


c) Gông từ:
Gông từ là phần nối tiếp các cực từ.Đồng thời gơng từ làm vỏ máy, từ thơng
móc vịng qua các cuộn dây và khép kín sẽ chạy trong mạch từ.Trong máy điện lớn
gông từ làm bằng thép đúc,trong các máy điện nhỏ gông từ làm bằng thép lá đƣợc
uốn lại thành hình trụ trịn rồi hàn.
d) Các bộ phận khác:
Nắp máy: Nắp máy dùng để bảo vệ các chi tiết của máy tránh khơng cho các
vật bên ngồi rơi vào trong máy có thể làm hỏng cuộn dây, mạch từ ...Đồng thời
nắp máy để cách ly ngƣời sử dụng với bộ phận của máy khi động cơ đang quay,
đang có điện.Ngồi ra nắp máy cịn là giá đỡ ổ bi của trục động cơ.
Cơ cấu chổi than: Cơ cấu chổi than để đƣa dịng điện từ ngồi vào nếu máy là
động cơ và đƣa dòng điện ra nếu máy là phát điện.Cơ cấu chổi than gồm có 2 chổi
than làm từ than cacbon thƣờng là hình chữ nhật.Hai chổi than đƣợc đựng trong hộp
chổi than và luôn tỳ lên hai vành góp nhờ 2 lị xo.Hộp chổi than có thể thay đổi
đƣợc vị trí sao cho phù hợp.
B ) Phần động-Rotor.
a ) Lõi sắt phần ứng:
Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thƣờng đƣợc làm bằng tôn Silic dầy 0,5mm
có phủ một lớp cách điện sau đó đƣợc ép lại để giảm tổn hao do dòng điện xốy
Phucơ gây lên.Trên các lá thép có dập các rãnh để khi ép lại tạo thành các rãnh đặt
cuộn dây phần ứng vào.Lõi sắt là hình trụ trịn và đƣợc ép cứng vào với trục tạo

thành một khối thống nhất.
Trong các máy điện cơng suất trung bình trở lên ngƣời ta thƣờng dập các rãnh
để khi ép lại tạo thành các lỗ thơng gió làm mát cuộn dây và mạch từ.

Hình 1.2 Lõi sắt phần ứng

2


b ) Dây quấn phần ứng:
Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và có dịng điện chạy qua.Trong
máy điện nhỏ dây quấn phần ứng có tiết diện trịn, với động cơ có cơng suất vừa và
lớn tiết diện dây là hình chữ nhật.Khi đặt dây quấn phần ứng vào rãnh Rotor ngƣời
ta phải dùng các nêm, chèn lên bề mặt của cuộn dây, các nêm này nằm trong rãnh
đặt các cạnh dây quấn để tránh cho dây không bị văng ra ngoài khi dây chịu lực
điện từ tác động.
c ) Cổ góp:
Cổ góp dùng để đổi chiều dịng điện xoay chiều thành một chiều.Cổ góp gồm
nhiều phiến góp bằng đồng ghép lại thành hình trụ trịn sau đó đƣợc ép chặt vào
trục.Các phiến góp đƣợc cách điện với nhau bằng các tấm mea đặt ở giữa.Đi các
phiến góp nhô cao để hàn đầu dây cuộn dây phần ứng, mỗi phiến góp có đi chỉ
hàn một đầu dây và tạo thành các cuộn dây phần ứng nối tiếp nhau.
d ) Các bộ phận khác:
Cánh quạt dùng để làm mát động cơ.Cánh quạt đƣợc lắp trên trục động cơ để
hút gió từ ngồi qua các khe hở trên nắp máy, khi động cơ làm việc gió từ ngồi vào
qua các khe hở trên nắp máy, khi động cơ làm việc gió hút vào làm nguội dây quấn,
mạch từ.
Trục máy: Trục máy đƣợc làm bằng loại thép cứng nhiều cacbon.Trên trục
máy đặt lõi thép phần ứng và cổ góp.Hai đầu của trục máy đƣợc gối lên 2 vòng bi ở
nắp máy.

1.1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều.
Stator của động cơ điện 1 chiều thƣờng là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh
cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và đƣợc nối với nguồn điện
một chiều, một phần quan trọng khác của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh
lƣu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi nhiệm vụ quay của rotor là
liên tục.Thông thƣờng bộ phận này gồm cổ góp và bộ chổi than tiếp xúc với cổ
phiến.
Máy điện một chiều gồm một khung dây abcd và 2 phiến góp đƣợc quay
quanh trục của nó với tốc độ khơng đổi trong từ trƣờng của hai cực nam châm NS.Các chổi điện A và B đặt cố định và tì sát vào phiến góp.

3


Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt
từ trƣờng của cực từ, cảm ứng các sức điện động.Chiều sức điện động xác định theo
quy tắc bàn tay phải. Ở hình 1.3, từ trƣờng hƣớng từ cực N đến S (từ trên xuống
dƣới), chiều quay phần ứng ngƣợc chiều kim đồng hồ, ở thanh dẫn phía trên sức
điện động có chiều từ b đến a. Ở thanh dẫn phía dƣới, sức điện động có chiều từ d
đến c. Sức điện động của phần tử bằng hai lần sức điện động của thanh dẫn. Nếu nối
chổi điện A và B với tải, trên tải sẽ có dịng điện, điện áp của máy phát điện có cực
dƣơng ở chổi A và cực âm ở chổi B. Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh
dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trƣờng của cực từ, cảm ứng các sức điện động.
Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải.Khi phần ứng quay đƣợc
nửa vịng, vị trí của phần tử thay đổi. Nếu máy chỉ có một phần tử, điện áp đầu cực
sẽ nhƣ hình 1.4.Để điện áp lớn hơn và ít nhấp nhơ nhƣ hình 1.5,dây quấn phải có
nhiều phần tử và nhiều phiến đổi chiều.Ở chế độ máy phát, dòng điện phần ứng
cùng chiều với sức điện động phần ứng Eƣ. Phƣơng trình cân bằng điện áp là:
U=Eƣ + Iƣ.Rƣ
Rƣ là điện trở dây quấn phần ứng.
U là điện áp đầu cực máy.

IƣRƣ là điện áp rơi trên dây quấn phần ứng.
Eƣ là sức điện động phần ứng.

Hình 1.3 Nguyên lý làm việc

4


Hình 1.4 Giản đồ một phần tử

Hình 1.5 Giản đồ nhiều phần tử

Nguyên lý làm việc và phƣơng trình cân bằng điện áp của động cơ điện một
chiều.
Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B (dƣơng ở A và âm ở
B), trong khung dây abcd có dịng điện. Khung dây abcd có điện nằm trong từ
trƣờng sẽ chịu tác dụng của lực điện từ (xác định theo quy tắc bàn tay trái), sinh ra
mômen làm quay khung dây. Khi phần ứng quay đƣợc nửa vịng, vị trí các thanh
dẫn ab,cd đổi chỗ cho nhau, nhƣng do có phiến góp đổi chiều dịng điện, nên chiều
lực tác dụng không đổi, đảm bảo chiều quay của khung dây (tức rotor) không
đổi.Khi rotor quay, các thanh dẫn rotor cắt từ trƣờng sẽ cảm ứng sức điện động
Eƣ.Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải.Ở động cơ, chiều sức
điện đông Eƣ ngƣợc chiều với dòng điện Iƣ nên Eƣ đƣợc gọi là sức phản điện.
Phƣơng trình cân bằng điện áp của động cơ điện một chiều là:
U = Eƣ + IƣRƣ

Hình 1.6 Vị trí thanh dẫn 1

Hình 1.7 Vị trí thanh dẫn 2

1.1.3. Phân loai động cơ điện một chiều
Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng nhƣ máy phát điện một chiều ngƣời
ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ.Theo đó ta có 4 loại động cơ điện
một chiều thƣờng sử dụng:

5


+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dịng điện kích từ đƣợc lấy từ
nguồn riêng biệt so với phần ứng.Trƣờng hợp đặc biệt, khi từ thơng kích từ đƣợc
tạo ra bằng nam châm vĩnh cữu, ngƣời ta gọi là động cơ điện một chiều kích thích
vĩnh cửu.
+ Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ đƣợc mắc
song song với phần ứng.
+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ đƣợc mắc nối
tếp với phần ứng.
+ Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một
cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng.
Hình 1.8 trình bày các loại động cơ điện một chiều

Hình 1.8 Các loại động cơ điện một chiều

a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
b) Động cơ điện một chiều kích từ song song
c) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
- Ƣu nhƣợc điểm của động cơ điện một chiều
Do tính ƣu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải..., cả
máy phát và động cơ điện 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 đƣợc sử dụng rộng rãi

và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong
cơng nghiệp giao thơng vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ
quay liên tục trong phạm vi rộng (nhƣ 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

6


chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo
quản cổ góp phức tạp hơn. Nhƣng do những ƣu điểm của nó mà máy điện một chiều
vẫn khơng thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
+) Ƣu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay
máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau.Song ƣu điểm lớn nhất
của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu nhƣ bản
thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng đƣợc hoặc nếu đáp ứng
đƣợc thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (nhƣ bộ biến tần....) rất đắt tiền
thì động cơ điện một chiều khơng 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 lƣợng cao.
+) Nhƣợc điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp chổi than nên vận hành kém tin cậy và khơng an tồn trong các mơi
trƣờng rung chấn, dễ cháy nổ.
1.1.4. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lâp
Khi động cơ làm việc rotor mang phần ứng quay trong từ trƣờng có cuộn cảm
nên xuất hiện một xuất điện động cảm ứng.Có chiều ngƣợc với điện áp đặt vào
phần ứng của động cơ.

Hình 1.9 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Từ sơ đồ trên ta có phƣơng trình cân bằng điện áp của phần ứng:

Uƣ=Eƣ+(Rƣ+Rf)Iƣ

(1)

Trong đó:
Uƣ: Điện áp đặt lên phần ứng của động cơ (V).
Eƣ: Sức điện động phần ứng (V).
Rƣ: Điện trở mạch phần ứng (Ω).

7


Rf: Điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω).
Iƣ: Dòng điện mạch phần ứng (A).
Với Rƣ= rƣ+rct+rcb+rcp.
rƣ : Điện trở cuộn dây phần ứng.
rct: Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp.
rcb: Điện trở cuộn bù.
rcb: Điện trở cuộn phụ.
Sức điện động Eƣ của phần ứng động cơ đƣợc xác định theo cơng thức:
(2)

ω=k

Eƣ =

Trong đó: P: Số cực từ chính.
N: Thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
a: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng.
: Từ thơng kích từ dƣới cực.
: Tốc độ góc rad/s.

Hệ số cấu tạo của động cơ.

K=

Nếu biểu thức sức điện động theo tốc độ quay n(vịng/phút) thì:
Eƣ=Ke n
Và

=

=

Vì vậy Eƣ =
Với Ke=

: Hệ số sức điện động của động cơ.

Ke =

0.105k

Từ phƣơng trình (1) và (2) ta có
(3)

Biểu thức (3) là phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ.Mặt khác Mômen điện
từ của động cơ đƣợc xác định theo công thức:
Mđt = KΦIƣ
Suy ra I ƣ

8

Thay giá trị Iƣ vào (3) ta có phƣơng trình

Nếu chúng ta bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mơmen trên trục động cơ
bằng mơmen điện từ.Ta ký hiệu là M. Nghĩa là Mđt= Mcơ =M.
(4)

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

ω

𝜔
𝜔

𝑚

0

Iđm

Mnm
I

Hình 1.10 biểu đồ đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
ω
𝜔
𝜔

𝑚

0

M

M

Hình 1.11 Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập

Theo đồ thị trên ta có Iƣ = 0 hoặc M = 0 ta có:

9


Khi đó

đƣợc tốc độ khơng tải lý tƣởng của động cơ.

Khi ω = 0 ta có phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ và phƣơng trinh cơ của
động cở điện một chiều kích từ độc lập.
Ta có:

M = KΦInm = Mnm
Inm: Dịng điện ngắn mạch của động cơ.
Mnm: Mơmen ngắn mạch của động cơ.
Qua đồ thị đặc tính cơ điện, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ta nhân
thấy đồ thì thƣờng có dạng đƣờng thẳng.Nên phƣơng trình đặc tính cơ có dạng:

Là hàm bậc nhất y=Ax+B nên đƣờng biểu diễn đƣợc thể hiện bằng đƣờng
thẳng với độ dốc am. Đƣờng đặc tính cơ cắt trục tung

tại điểm có tung độ:

ω
𝜔

0
M

Hình 1.12 Đƣờng đặc tính cơ có tung độ

Tốc độ động cơ ω0 là tốc độ ứng với góc Mc = 0 tức là khi khơng có lực cản
nào cả. Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt đƣợc ở chế độ động
cơ vì khơng thể xảy ra trƣờng hợp Mc = 0 do lực ma sát luôn tồn tại khi động cơ
quay.Vì vậy ta nói ω0 là tốc độ khơng tải lý tƣởng của động cơ.

10


Khi các thông số điện của động cơ là định mức nhƣ thiết kế không mắc them
điện trở phụ và mạch động cơ thì phƣơng trình đặc tính cơ đƣợc viết

Khi này đƣờng đặc tính cơ là đƣờng đặc tính cơ tự nhiên và đƣợc thể hiện
bằng đồ thị:
ω
𝜔
𝜔

𝑚

0

A

Iđm

Mnm
I

Hình 1.13 Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Với đƣờng đặc tính cơ nhƣ vậy khi đƣờng phụ tải tăng từ Mc=0 đến Mc=Mđm
thì tốc độ động cơ giảm dần xuống Φđm (Δω=ω0-ωđm). Khi đó điểm A(ωđm, Mđm)
đƣợc gọi là điểm làm việc định mức của động cơ.
Phƣơng trinh:

Có thể viết dƣới dạng ω = ω0- Δω với độ sụt dốc tỷ lệ với mơmen tải:

Chúng ta có thể thấy đƣợc đƣờng đặc tính cơ có thể vẽ đƣợc nhờ hai điểm ω0 và A.
Giả thiết Uƣ = Uđm = const và Φ = Φđm = const
Để thay đổi điện trở phần ứng ta nối thêm điện trở phụ vào mạch phần
ứng.Trong trƣờng hợp này tốc độ không tải lý tƣởng.

Độ dốc (độ cứng) tỷ lệ thuận theo điện trở tổng cộng phần ứng:

11


Iƣ
Rf

Hình 1.14 Sơ đồ mạch

càng nhỏ nghĩa là đƣờng đặc tính cơ càng dốc. Ứng với

Khi Rf càng lớn,

già trị Rf = 0 ta có đƣờng đặc tính cơ tự nhiên.

Khi Rf = 0 suy ra:

Từ đó suy ra

có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn

tất cả các đƣờng đặc tính có điện trở phụ.
Từ phƣơng trình lý tƣởng : IU = (Eƣ+IRƣ)I
Ta có cơng suất điện: Pđiện= Pđt +
Trong đó Pđt =IEƣ công suất điện từ
Suy ra tổn hao công suất điện phần ứng:
Trên thực tế Pđiện= Pđt +
Với

0 tổn

ƣ+

I2Rƣ

0

hao do ma sát quay.

Từ biểu thức (3) và (4) ta thấy ω là một hàm phụ thuộc vào R, U và Φ do đó
muốn điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ độc lập có ba cách.
- Điều khiển điện trở phụ phần ứng.
- Điều khiển từ thơng kích từ.
- Điều khiển điện áp phần ứng.

12


1.2. Các phƣơng pháp điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập. Tìm hiểu
về bộ chỉnh lƣu cầu 3 pha.
1.2.1. Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập.
Gồm có 3 phƣơng pháp:
Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng.
Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điên áp phần ứng.
Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi từ thông.
 Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở phần.

KTD

Rf

E

Hình 1.15 Sơ đồ mạch

ω

ωmax
t

ωmin

0

M1

M2

M

Hình 1.16 Đồ thị khi điều chỉnh tốc độ động cơ

13


Khi tăng điện trở mạch phần ứng, đặc tính cơ dốc hơn nhƣng vẫn giữ
nguyên tốc độ không tải lý tƣởng.Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở mạch phần
ứng đƣợc biểu diễn nhƣ trên.
Đặc điểm của phƣơng pháp này là:
- Điện trở mạch phần ứng càng tăng,độ dốc đặc tính cơ càng lớn (càng mềm),
độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
- Phƣơng pháp này cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng
thêm điện trở).
- Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng nên tổn hao
công suất dƣới dạng nhiệt trên điện trở khi điều chỉnh là khá lớn.
- Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số momen tải.Tải càng nhỏ ( M1 ) thì dải điều

chỉnh D càng nhỏ.Nói chung phƣơng pháp này cho:
D~5:1
- Về nguyên tắc phƣơng pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi đều điện trở
nhƣng vì dòng Rotor lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn. Thực tế thƣờng
thực hiện chuyển đổi theo từng cặp điện trở.Với những đặc điểm nhƣ trên lại gây
tổn hao nên phƣơng pháp này it đƣợc sử dụng.


Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng:

KTĐ

E

BBĐ

Hình 1.17 Sơ đồ nối dây

14


ω

0

Mđm

M

Hình 1.18.Đồ thị điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.

Ta có từ thơng đƣợc giữ không đổi.Điện áp phần ứng đƣợc cấp từ bộ biến đổi.
Khi thay đổi điện áp U cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có họ đặc tính cơ ứng với
các tốc độ không tải khác nhau, song song nhau nhƣ hìng vẽ đƣờng đặc tinh cơ
trên.Nhƣ ta biết điện áp chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U < Udm) nên phƣơng
pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ.
Quá trình điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện áp phần ứng đƣợc giải thích nhƣ
sau:
ω
ω
A

A

ωD
𝜔𝐹

D
F

1
2
3

H
I

4

ωH

ωI

5

0

Mc

M

Hình 1.19.Đồ thị quá trình thay đổi điên áp phần ứng

Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đặc tính cơ 1 ứng với điện áp
U1 trên phần ứng. Khi giảm điện áp từ U1 xuống U2, động cơ thay đổi điểm làm

15


việc từ điểm A có tốc độ lơn hơn ϖA trên đƣơng 1 xuống điểm D có tốc độ nhỏ hơn
(ϖA < ϖD) trên đƣờng đặc tính cơ 2 (ứng với điện áp U2).Diễn biến chuyển đổi khi
giảm tốc độ nhƣ ta đã nói ở trên. Trong khi giảm tốc độ theo cách giảm điện áp
phần ứng, nếu giảm mạnh điện áp nghĩa là chuyển nhanh từ tốc độ cao xuống tốc độ
thấp thì cùng với quá trình giảm tốc độ có thể xẳy ra q trình hãm tái sinh. Chẳng
hạn cùng trên hình trên động cơ đang làm việc tại điểm A với tốc độ lớn ϖA trên
đặc tính cơ 1 ứng với điện áp U1.Ta giảm mạnh điện áp phần ứng từ U1 xuống
U3.Lúc này động cơ chuyển điểm làm việc từ điểm A trên đƣờng 1 sang điểm E trên
đƣờng 3 (chuyển ngang với tốc độ ϖA = ϖE) vì ϖE lớn hơn tốc độ khơng tải lý
tƣởng ϖ03 của đặc tính cơ 3 nên động cơ sẽ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh trên
đoạn EC của đặc tính 3.Q trình hãm giúp động cơ giảm tốc nhanh. Khi tốc độ
xuống thấp hơn ϖ03 thì động cơ lại làm việc ở trạng thái động cơ lúc này do momen

ϖD = 0 nên động cơ tiếp tục giảm tốc cho tới điểm làm việc mới F, vì tại F động cơ
sinh ra momen cân bằng với momen tải MC.Động cơ chạy ổn định tại F với tốc độ
ϖf < ϖA. Khi tăng tốc , diễn biến của q trình đƣợc giải thích tƣơng tự.Giả sử động
cơ đang làm việc tại điểm I có tốc độ ϖI nhỏ trên đặc tính cơ 5, ứng với điện áp U5
trên phần ứng.Tăng điện áp U5 lên U4 , động cơ chuyển điểm làm việc từ I trên đặc
tính cơ 5 sang điểm G trên đặc tính cơ 4 . Do momen MG lớn hơn momen tải MC
nên động cơ tăng tốc theo đƣờng 4 (đoạn GH). Đồng thời với quá trình tăng
tốc,momen động cơ bị giảm và quá trình tăng tốc chậm dần. Tới điểm H thì momen
động cơ cân bằng với momen tải (MH = MC) và động cơ sẽ làm việc ổn định tại
điểm H với tốc độ ϖH > ϖI.
Phƣơng pháp này có những đặc điểm sau:
- Điện áp phần ứng càng giảm thì tốc độ động cơ càng nhỏ.
- Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh.
- Độ cứng đặc tính cơ giữ khơng đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh.Độ sụt tốc
tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một momen là nhƣ nhau.Độ sụt tốc tƣơng
đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh .Do vậy sai số tốc độ
tƣơng đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhất khơng vƣợt q sai số cho phép cho
toàn dải điều chỉnh.

16


- Dải điều chỉnh của phƣơng pháp này có thể:
D ~10:1
- Chỉ thay đổi đƣợc tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với Uƣ - Phƣơng pháp này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra.
Sơ đồ cấu trúc của phƣơng pháp:

B

R

Đ

FT

Hình 1.20 Sơ đồ nguyên lý

 Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng

KTĐ

I

Rf

E

Hình 1.21 Sơ đồ nối dây

Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dịng điện kích từ của
động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ.Phƣơng pháp này chỉ cho
phép tăng điện trở vào mạch kích từ nghĩa là chỉ có thể giảm dịng điện kích từ (Ikt
< Iktđm) do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thơng.Khi giảm từ thơng, đặc tính

17


dốc hơn và có tốc độ khơng tải lớn hơn. Ta có họ đặc tính cơ khi khi giảm từ thơng
nhƣ hình vẽ trên.

Phƣơng pháp này cũng có những đặc điểm sau:
- Từ thơng càng giảm thì tốc độ khơng tải lý tƣởng của đặc tính cơ càng tăng,
tốc độ động cơ càng lớn, mềm hơn.
- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh:
D ~ 3:1
- Chỉ thay đổi đƣợc tốc độ về phía tăng theo phƣơng pháp này.
- Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thơng nên các đặc tính cơ sẽ cắt
nhau và do vậy, với tải khơng lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thơng giảm, cịn ở
vùng tải lớn (M2) thì tốc độ có thể tăng hoặc giảm tuỳ theo tải .Thực tế, phƣơng
pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức.
- Phƣơng pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích
từ với dịng kích từ là 1 đến 10% dòng định mức của phần ứng.Tổn hao điều chỉnh
thấp rất kinh tế.
Sơ đồ cấu trúc của phƣơng pháp :

I

R2k

CKT

Hình 1.22 Sơ đồ cấu trúc của phƣơng pháp

18

Ur


1.2.2. Tìm hiều về bộ chỉnh lưu cầu 3 pha.

ud

Hình 1.23 Sơ đồ mạch chỉnh lƣu cầu 3 pha.
D5

uPn

D1
uan

D6
D5
D6

D3

D2
D1
D6

D5

ubn

ucn

D4

D6

uNn

ud

2U LL

Ud0

ia

ib

ic

Hình 1.24 Dạng sóng mạch chỉnh lƣu cầu 3 pha.

Giá trị trung bình điện áp chỉnh lƣu.

√

Khi

thì Ud0 = 2,34.U2

19


Trỉ số trung bình dịng điện qua van:

Điện áp ngƣợc lớn nhất mà van phải chịu khi làm việc:

Unguồn max=√ U2
Cơng suất tính tốn mạch MBA nguồn:
Sba = 1,05.Pd
Hệ sơ đồ mạch cảu điện áp chỉn lƣu Kđm = 0,057 sơ đồ chỉnh lƣu 3 pha( H
gồm 6 thyristor chia than hai nhóm)
+ Nhóm catot chung: T1, T3, T5
+ Nhóm anot chung: T2, T4, T6.
Điện áp pha:
=√
=√
=√
Góc mở α đƣợc tính từ giao điểm của các nửa hình sin(hay thời gian chuyển
mạch tự nhiên).
Hoạt động của sơ đồ.
Giả thiết T5 và T6 đang cho dòng chảy qua VF = U2C,VG = U2b khi
cho xung điều khiển mơ T1.Thyristor mở vì U2a >0.Sự mở của T1 làm
cho T5 bị khóa lại một cách tự nhiên và U2a > U2c, lúc này T6 và T1 cho dòng chạy
qua. Điện áp trên tải Ud = Uab =U2a = U2b.
Khi

cho sung điều khiển mở T2.Thyristor này mở vì khi T6

dẩn dịng, nó đặt U2b nên anot T2 mà U2b > U2c.Sự mở của T2 làm cho T6 bị khóa lại
một cách tự nhiên U2b > U2c.
Các sung điều khiển lệch nhau

đƣợc lần lƣợt đƣa đến cực điều khiển của các

thyristor theo thứ tự 1,2,3,4,5,6,1,2…..
Trong mổi nhóm khi 1 Thyristor mở nó sẻ khóa ngay thyristor dẫn dịng trƣớc

nó.

20