Tài liệu Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế hệ điều khiển CL - Đ doc

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế hệ điều khiển CL - Đ





Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

1

Thiết kế hệ điều khiển CL - Đ

LỜI MỞ ĐẦU
Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng trong đời sống xã hội. Bất kì ở vị
trí nào, bất cứ làm một công việc gì mỗi chúng ta đều tiếp cận với điều khiển.
Nó là khâu quan trọng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta.
Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhưng
động cơ điện một chiều v
ẫn tồn tại. Trong công nghiệp, động cơ điện một
chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh
tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng. Vì động cơ điện một chiều có đặc tính
làm việc rất tốt trên các mặt điều chỉnh tốc độ (phạm vi điều ch

ỉnh rộng, thậm
chí từ tốc độ bằng 0). Nhưng độ tin cậy khi sử dụng động cơ một chiều lại
thấp hơn so với động cơ không đồng bộ do có hệ thống tiếp xúc chổi than.
Hệ thống điều khiển chỉnh lưu - động cơ một chiều cũng là một ứng
dụng của kỹ thuật điều khiể
n. Chỉnh lưu có điều khiển dùng Tiristo để điều
chỉnh điện áp phần ứng động cơ. Chỉnh lưu cũng có thể dùng làm nguồn điện
chỉnh điện áp kích từ cho động cơ. Hệ thống này thường được dùng cho các
động cơ điện được cấp điện từ lưới xoay chiều.
Đồ án thiết kế hệ điều khi
ển CL - Đ một chiều gồm 6 chương:
Chương1: Khái quát về điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Chương 2: Khái quát về nguồn chỉnh lưu.
Chương 3: Thiết kế nguồn chỉnh lưu động lực.
Chương 4: Tính toán đặc tính điều khiển của động cơ.
Chương 5: Thiết kế mạch điều khiển.
Chươ
ng 6: Hệ thống điều khiển với phản hồi.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

2
Nội dung đồ án chắc chắn còn rất nhiều vấn đề cần bổ xung hoàn thiện,
em rất mong ý kiến đánh giá và nhận xét của các thầy cô cùng các bạn sinh
viên.

Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

3
CHƯƠNG I
KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.

1.1 Đại cương về động cơ điện một chiều
1. Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều chia thành 2 phần chính:
a. Phần tĩnh ( stato)

Gồm các bộ phận chính sau:
- Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm lõi sắt cực từ và dây
quấn kích từ.
+ Lõi sắt cực từ làm bằng thép kĩ thuật điện dày ( 0,5 –1)mm ép lại và tán
chặt.
+ Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện.
Trong các máy công suất nhỏ, cực từ chính là một nam châm vĩnh cửu.
Trong các máy công suất trung bình và lớn, c
ực từ chính là nam châm điện.
- Cực từ phụ: đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện điều kiện làm
việc của máy điện và đổi chiều
+ Lõi thép cực từ phụ có thể là một khối hoặc có thể được ghép bởi các lá
thép tùy theo chế độ làm việc.
+ Xung quanh cực từ phụ được đặt dây quấn cực từ phụ, dây qu
ấn cực từ
phụ được nối với dây quấn phần ứng.
- Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ
máy.
b. Phần quay ( rôto)

Bao gồm các bộ phận chính sau:
- Lõi thép phần ứng: dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kĩ
thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để
giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây lên.
Trong máy điện nhỏ, lõi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục.

Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto.
-
Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy
qua.
Dây quấn phần ứng thường làm bằng đồng có bọc cách điện.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

4
Trong máy điện công suất nhỏ, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện
tròn. Trong máy điện công suất vừa và lớn, dây quấn phần ứng dùng
dây tiết diện hình chữ nhật.
- Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều.
- Cơ cấu chổi than: dùng để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài.
2. Nguyên lý làm việc của động cơ điệ
n một chiều
Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần
ứng có dòng điện I
ư
. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ
chịu lực F
đt
tác dụng làm cho rôto quay.
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho
nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng
không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi.
Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện
động E
ư
.. Ở động cơ điện một chiều sức điện động E
ư

ngược chiều với
dòng điện I
ư
nên sức điện đông E
ư
còn được gọi là sức phản diện
Phương trình điện áp là:

3. Phân loại động cơ điện một chiều
Cũng như máy phát, động cơ điện được phân loại theo cách kích thích
từ thành các động cơ điện sau:
a. Động cơ điện kích từ độc lập
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ
được cấp
điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho mạch
phần ứng.
b. Động cơ kích từ nối tiếp
Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn
dây phần ứng.
c. Động cơ kích từ hỗn hợp
Động cơ kích từ hỗn h
ợp gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích
từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp trong đó dây quấn kích từ
song song là chủ yếu.
−−−
.
IREU
+=
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

5
2.1 Khái quát về điều khiển động cơ một chiều
1. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Tùy theo cách kích thích từ, động cơ điện một chiều có những tính
năng khác nhau biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc, đặc tính cơ
khác nhau. Trong các đặc tính đó, quan trọng nhất là đặc tính cơ. Đặc tính
cơ dùng để xác định điểm làm việc xác lập hoặc là khảo sát điểm làm việc
ổn định trong hệ thống truyền động điện.
Đặc tính cơ của động c
ơ điện là mặt phẳng tọa độ giữa ω với
momen ω = f(M).
Trong đồ án thiết kế này ta chỉ quan tâm tới loại động cơ một chiều
kích từ độc lập
a. Phương trình đặc tính cơ

Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn
ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên
trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức phản điện
động có chiều ngược với điện áp đặt vào phần
ứng động cơ.
Phương trình điện áp ở mạch phần ứng động cơ:
U = E + I
ư
( R
ư
+ R
f
)
Trong đó: + U
ư

: điện áp phần ứng ( V )
+ E: sức điện động phần ứng ( V )
+ R
ư
: điện trở của mạch phần ứng (Ω)
+ R
f
: điện trở phụ của mạch phần ứng
+ I
ư
: dòng điện mạch phần ứng.
Sức điện động E
ư
của phần ứng động cơ là tỷ lệ với tốc độ quay của
rôto : E = k.Φ.ω

Trong đó: + k =
a
pN
π
2
hệ số cấu tạo của động cơ
+ Φ: từ thông qua một cực từ (Wb)
+ ω: tốc độ góc của rôto,
55,9
n
=ω
( rad/s)
+ p: số đôi cực từ chính
+ N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

+ a: số đôi mạch nhánh song song
I
-



R
f


KT

R
KT
I
KT
-
+
+-
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

6
+ n: tốc độ quay (vòng/phút)
Mặt khác, mômen điện từ của động cơ:
M
đt
= k.Φ.I
ư

Φ

=→
k
M
I
dt
−

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì M
cơ
= M
đt
= M
Từ các phương trình trên ta có: đặc tính cơ của động cơ điện một chiều


Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức và không mắc
thêm điện trở phụ vào mạch điện trở thì phương trình đặc tính cơ là:



Đặc tính cơ của phương trình này gọi là đặc tính cơ tự nhiên.
Tốc độ ω
o
= U
ư
/k.Φ là tốc độ không tải lý tưởng.
Khi phụ tải tăng dần từ M
c
= 0 đến M
c

= M
đm
thì tốc độ động cơ giảm
dần từ ω
o
xuống ω
đm
nên phương trình đặc tính cơ có dạng:

Với: Δω =
()
2
−
Φ
k
R
_độ sụt tốc trên đặc tính cơ.
b. Đặc tính cơ
Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông
Φ = const thì phương trình đặc tính cơ của
động cơ một chiều kích từ độc lập tuyến
tính có dạng hàm bậc nhất y = ax + b nên
đường biểu diễn trên hệ tọa độ M0ω là một
đường thẳng cắt trục 0ω tại ω
o
với độ dốc
âm.
2. Điều khiển tốc độ động cơ một chiều
a. Chỉ tiêu điều khiển tốc độ
Điều khiển 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. Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường
căn cứ vào một số chỉ tiêu sau:
()
M
k
RR
k
U
f
2
−
−
.
.
Φ
+
−
Φ
=
ω
()
M
k
R
k
U
2
−−
.

.
Φ
−
Φ
=
ω
ωωω
Δ−=
o
M
M
đ
m

ω
ω
đ
m
ω
o

Δω
ĐTT
N
0
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

7
- Sai số tốc độ
Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì

tốc độ đặt và được đánh giá thông qua:


Mong muốn: sai số ω
đ
= ω
s% càng nhỏ càng tốt.
- Tính liên tục ( độ trơn của dải điều chỉnh)


ω
i + 1
≈ ω
i
: hệ thống điều khiển liên tục
ω
i + 1
≠ ω
i
: hệ thống điều khiển nhảy cấp
Mong muốn γ → 1: hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá
trong suốt dải điều chỉnh.
- Dải điều khiển tốc độ
Dải điều khiển tốc độ ( D) là tỉ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị
nhỏ nhất của tố
c độ làm việc ứng với mômen tải đã cho:


Mong muốn D càng lớn càng tốt
- Ngoài ra còn các chỉ tiêu khác như: chỉ tiêu kinh tế, kích thước…

b. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Về việc điều chỉnh tốc độ, động cơ một chiều có nhiều ưu điểm
so với các loại động cơ khác: điề
u chỉnh dễ dàng, chất lượng điều chỉnh
cao trong một dải rộng….
Xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:



Ta thấy rằng việc điều chỉnh động cơ điện một chiều có thể thực hiện
được bằng cách thay đổi các đại lượng: R
ư
, Φ, U
ư

Thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:
100
ω
ωω
×
−
=
d
d
s%
i
i
ω
ω
γ

1+
=
min
max
ω
ω
=D
()
M
k
R
k
U
2
−−
.
.
Φ
−
Φ
=
ω
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

8
R
f
= 0
R
f1

R
f2
ω
0
ω
M
0
M
2
M
1
M
c
∗ Phương pháp 1: Thay đổi điện trở phần ứng
Đây là phương pháp kinh điển dùng để điều khiển tốc độ động cơ
trong nhiều năm.
- Nguyên lý điều khiển
Trong phương pháp này người ta giữ U = U
đm
; Φ = Φ
đm
và nối
thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng.
Độ cứng của đường đặc tính cơ:


Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng
nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó
càng mềm hơn.

Ứng với R
f
= 0 ta có độ cứng tự nhiên β
TN
có giá trị lớn nhất nên đặc tính
cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở
phụ.
Như vậy, khi ta thay đổi R
f
ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính
cơ tự nhiên.
- Đặc điểm của phương pháp
+ Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính
cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
+ Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dướ
i tốc độ
định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).
+ Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng
trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường
dùng ở động cơ điện trong cần trục.
- Đánh giá các chỉ tiêu
+ Tính liên tục: phương pháp này không th
ể điều khiển liên tục được mà
phải điều khiển nhảy cấp.
+ Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải. Tải càng nhỏ thì dải
điều chỉnh D = ω
max
/ ω
min
càng nhỏ. Phương pháp này có thể điều chỉnh

trong dải D = 3 : 1
( )
f
dm
RR
k
M
+
Φ
−=
Δ
Δ
=
−
2
.
ω
β
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

9
+ Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện
trở phụ lớn.
+ Chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản.
∗ Phương pháp 2: Thay đổi từ thông Φ
- Nguyên lý điều khiển
Giả thiết U= U
đm
; R
ư

= const . Muốn thay đổi từ thông động cơ ta
thay đổi dòng điện kích từ.
Thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp
biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ.
Bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích
tối đa (Φ = Φ
max
) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào
mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông Φ tức
là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức.
→ Khi giảm Φ thì tốc độ không tải lý tưởng
Φ
=
k
U
dm
o
ω
tăng, còn độ
cứng đặc tính cơ
( )
u
R
k
2
Φ
−=
β
giảm, ta
thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc

tính cơ tự nhiên.
Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách
giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng
vượt quá mức giá trị cho phép nếu
mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho
dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ
thông thì ta phải giảm M
t
theo cùng tỉ lệ.
- Đặc điểm của phương pháp
+ Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng.
+ Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định
mức.
+ Việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch.
+ Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phươ
ng pháp điều
khiển với công suất không đổi.
M
Φ
đ
m
Φ
2
Φ
1
ω
o
ω
o1
ω

o2
ω
0
M
c1
M
c2

Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

10
- Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển
+ Sai số tốc độ lớn: đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự
nhiên.
+ Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy. Có thể điều khiển trơn
trong dải điều chỉnh D = 3 :1
+ Tính liên tục: vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ
nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với Φ ≈ 1
+ Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên
tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với
dòng kích từ = (1 – 10)%I
đm
của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp).
→ Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều
khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển.
∗ Phương pháp 3: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.
- Nguyên lý làm việc
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị
nguồn (máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều
khiển…)

Ở phương pháp này: U = var;
Φ
đm
= const; R
f
= 0
Khi thay đổi phần ứng ( thay đổi
theo chiều giảm điện áp), vì từ thông của
động cơ được giữ không đổi nên độ cứng
đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ
không tải lí tưởng ω
o
= U /k.Φ thay đổi
tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng.
Do đó ta thu được họ đặc tính mới
song song và thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên tức là vùng điều khiển tốc
độ nằm dưới tốc độ định mức.
- Đặc điểm của phương pháp
+ Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng thấp.
+ Đ
iều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh.
+ Độ cứng đặc tính cơ cao và được giữ không đổi trong toàn dải điều
chỉnh.
ĐTT
N
ω
0
ω
02
ω

01
ω
M
U
1
U
2
0
M
c

Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

11
+ Chỉ thay đổi tốc độ về phía giảm
+ Rất dễ tự động hóa khi dùng chỉnh lưu có điều khiển.
+ Phương pháp này điều khiển với mômen không đổi vì Φ và I
ư
đều
không đổi.
- Đánh giá chi tiêu điều khiển
+ Sai số tốc độ lớn ( sai số tốc độ bằng sai số tốc độ của đặc tính cơ tự
nhiên)
+ Tính liên tục: điện áp của động cơ được điều khiển bằng bộ biến đổi.
Các bộ biến đổi hiện nay đều có công suất bé nên có thể điều chỉ
nh liên
tục.
+ Dải điều chỉnh có thể đạt được D = 10:1
→ Đây là phương pháp duy nhất có thể điều chỉnh liên tục tốc độ động
cơ trong vùng tốc độ thấp hơn tốc độ định mức đối với động cơ một

chiều.
⇒ Qua việc xét ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ta thấy
phươ
ng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là triệt để và có nhiều ưu
điểm hơn cả nên ta chọn phương pháp này để điều khiển tốc độ động cơ
điện một chiều.
ª Các bộ biến đổi để điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ
∗ Hệ thống F - Đ ( máy phát - động cơ
)
Hệ thống F - Đ là một trong các phương án điều chỉnh tốc độ
động cơ một chiều bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng.
- Nguyên lý điều khiển





Theo sơ đồ thì động cơ Đ
1
biến đổi điện năng xoay chiều của lưới
thành cơ năng trên trục của nó rồi truyền sang trục của máy phát F, máy
phát F biến đổi cơ năng đó thành điện năng một chiều để cung cấp cho
động cơ Đ, động cơ một chiều chuyển thành cơ năng trên trục làm quay
máy sản xuất.

F
Đ
MF ĐC
MSX
Đ

∼
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

12
Để điều khiển tốc độ động cơ cần điều khiển điện áp đặt trên hai
đầu động cơ, thông qua sức điện động của máy phát: E = k
MF
.Φ.ω
MF
.
Khi máy phát F được quay với tốc độ ω
MF
cố định, sức điện động
của máy phát E
MF
phụ thuộc vào dòng kích từ I
kMF
theo luật đường cong
từ hóa: E
MF
= k
MF
.ω
MF
.

α.I
kMF

Xét phương trình đặc tính cơ:

()
M
k
RR
I
k
k
DD
DMF
kMF
DD
MFMF
.
2
−−
Φ
+
−
Φ
=
αω
ω

Ta thấy khi điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát ta điều
chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống:
kMF
DD
MFMF
o

I
k
k
.
Φ
=
αω
ω
còn độ cứng
đặc tính cơ:
()
FD
DD
DF
RR
k
−−
2
+
Φ
=
−
β
thì giữ nguyên.
Do đó các đường đặc tính cơ
là một họ đường thẳng song song.
Trong mạch lực của hệ
F - Đ không có phần tử phi
tuyến nào nên hệ có những
đặc tính động rất tốt, rất linh

hoạt khi chuyển các trạng thái
làm việc. Hệ F - Đ có các đặc
tính cơ điền đầy cả 4 góc phần
tư của mặt phẳng tọa độ.
- Đặc đ
iểm của hệ F - Đ
+ Ưu điểm
Sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn.
Phạm vi điều chỉnh tăng (cỡ 30:1; chỉ khi dùng trong mạch kín).
Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi điều chỉnh.
Việc điều chỉnh tiến hành trên các mạch kích từ nên tổn hao nhỏ.
Hệ
điều chỉnh đơn giản.
+ Nhược điểm
Dùng nhiều máy điện quay trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều,
gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp 3 lần công suất tải yêu cầu.
Vốn đầu tư cao, cồng kềnh tốn diện tích
ω
I
kMFđ
m
I
kMF 2
I
kMF 1
I
kMF
= 0
Đ
C

TS
Đ
N
Đ
C
TS
I
0
ω
o
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

13
Hiệu suất của hệ thấp ( không quá 75%)
Điều chỉnh sâu bị hạn chế
Hiện nay người ta có khuynh hướng thay thế hệ F - Đ bằng hệ thống CL - Đ
∗ Hệ thống CL - Đ một chiều

Hệ thống CL - Đ một chiều dùng bộ biến đổi là một loại nguồn
điều áp một chiều. Khi nối nó vào mạch phần ứng
với động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta sẽ
được hệ thống CL - Đ.
Khác với máy phát điện một chiều, bộ biến
đổi trực tiếp biến dòng xoay chiều thành dòng một
chiều không qua m
ột khâu trung gian cơ học nào.
Hiện nay các Tiristo được dùng phổ biến để
tạo ra các bộ chỉnh lưu có điều khiển bởi các tính chất ưu việt của
chúng: gọn nhẹ, tổn hao ít, tác động nhanh…
- Nguyên lý điều khiển

Động cơ điện một chiều nhận năng lượng từ lưới xoay chiều thông qua
bộ chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu biến đổi
điện lưới xoay chiều thành điện một chiều
cấp điện cho phần ứng của động cơ điện một chiều.
Khi điều khiển góc mở của các Tiristo ( tức là Tirito chỉ được mở khi
điện áp anod dương hơn catod) ta điều khiển được điện áp phần ứng tức là
điều khiển tốc độ động cơ đ
iện một chiều.
- Các chế độ làm việc
Chế độ dòng điện liên tục

Khi mômen tải tăng M
t
↑ thì dòng điện I
đc
↑ dẫn đến năng lượng
điện từ tăng. Khi điện áp nguồn nhỏ hơn sức điện động thì năng lượng
của cuộn dây lớn làm cho năng lượng xả ra đủ sức để duy trì dòng điện
đến thời điểm mở van kế tiếp.
Khi ở chế độ dòng điện liên tục, điện áp chỉnh lưu
U
CL
= U
do
.cosα .
Chế độ dòng điện gián đoạn

Do mạch của động cơ có điện cảm và điện cảm ấy có tích lũy và
xả năng lượng. Nếu dòng điện nhỏ, lượng tích lũy năng lượng của cuộn
dây nhỏ nên xả năng lượng nhỏ. Vì vậy khi điện áp của lưới nhỏ hơn

T





∼

Ư

Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

14
sức điện động của động cơ, năng lượng của cuộn dây xả ra để đảm bảo
anod dương hơn catod không đủ duy trì tính chất liên tục của dòng điện.
Lúc này, dòng điện qua van trở về 0 trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn.
Chế độ biên liên tục

Khi chuyển từ trạng thái dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn,
hệ sẽ phải qua một trạng thái giới hạn, đó là trạng thái biên liên tục.
+ Đặc tính cơ của hệ thống
Chế độ dòng điện liên tục

Phương trình đặc tính cơ:



Thay đổi góc điều khiển α = ( 0 - π),điện áp của chỉnh lưu biến thiên từ
U
do

– ( - U
do
) và ta được họ đặc tính song song nằm ở nửa bên phải của hệ
trục tọa độ {M, ω}. Những đặc tính đó không tồn tại ở nửa mặt bên trái là do
các van không cho dòng điện phần ứng đổi chiều.
Khi đó tốc độ không tải lí tưởng tùy thuộc vào góc điều khiển α


Và độ cứng đặc tính cơ:
( )
CL
dm
RR
k
+
Φ
=
¦
2
β
là không đổi.
→ Các đường đặc tính của hệ CL - Đ mềm hơn các đặc tính cơ của hệ F - Đ
Chế độ dòng điện gián đoạn

Phương trình đặc tính cơ:

( ) ( ) ( )
()
γλ
γλλγαγαγ

ω
g
gU
k
oom
dm
cotexp1
cotexpsinsin.cos
1
2
−
+−−
Φ
=

Khi làm việc ở chế độ dòng điện gián
đoạn, đường đặc tính cơ không là đường thẳng,
là đường cong có độ cứng thấp hơn.
Biên giới vùng dòng điện gián đoạn là
đường phân cách giữa vùng dòng điện liên tục
và vùng dòng điện gián đoạn chính là tập hợp
các đường trạng thái biên {M
blt
; ω
blt
} khi thay
M
kk
RR
k

U
M
kk
RR
k
U
e
CL
e
do
e
CL
e
CL
.
..
.
cos.
.
..
2
−
2
−
Φ
+
−
Φ
=
Φ

+
−
Φ
=
μμ
α
ω
dme
do
o
k
U
Φ
=
.
cos.
α
ω
0
Biên liên tục

ω
ω
o
1
ω
o
2
I
bl

t
ω
bl
t
I
α = 0
α =
π/2
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

15
đổi góc α = ( 0 - π ) gần đúng là đường elip có các trục chính là các trục tọa
độ - đường cong nét đứt trên hình vẽ.
- Đặc điểm của hệ CL - Đ
+ Ưu điểm:
Độ tác động nhanh cao, tổn thất ít, giảm tiếng ồn, hiệu suất lớn.
Có khả năng điều chỉnh trơn (γ ∼ 1) với phạm vi điều chỉnh rộng
( D ∼ 10
2
– 10
3
)
Có thể thiết lập hệ tự động vòng kín để mở rộng dải điều chỉnh và cải thiện
điều kiện làm việc của hệ.
+ Nhược điểm:
Khả năng linh hoạt khi chuyển đổi trạng thái làm việc không cao, khả năng
quá tải về dòng và áp của các van kém.
Sức điện động của bộ biến đổi có biên độ đập mạ
ch lớn gây tổn hao phụ
trong động cơ và làm xấu điều kiện chuyển mạch trên cổ góp của động cơ

làm xấu điện áp nguồn.
Khi điều chỉnh sâu hệ số công suất cosγ thấp nhất.
∗ Hệ thống băm áp động cơ

Bộ băm áp một chiều dùng để biến đổi trị số điện
áp, dòng điện một chiều dựa trên nguyên lý đóng ngắt có
chu kì nguồn điện một chiều.
- Nguyên lý điều khiển
Khi khóa K đóng dòng điện tăng làm tăng tốc độ
động cơ và tích lũy năng lượng điện từ cho điện cảm
trong mạch. Trong thời gian khóa c
ắt, năng lượng điện từ đã tích lũy sẽ
phóng qua V
o
để duy trì dòng điện phần ứng.
- Các chế độ làm việc
Chế độ dòng điện liên tục

Khi dòng và điện cảm trong mạch đủ lớn thì nănsg lượng điện từ đủ
duy trì dòng điện cho đến khi bắt đầu chu kì mới. Khi đó dòng phần ứng có
dạng liên tục.
Điện áp một chiều được điều chỉnh bằng bộ băm áp cung cấp cho
phần ứng của động cơ.
Điện áp môt chiều được băm với điệ
n áp trung bình:


11
.UU
T

U
TB
γ
θ
==

V
o

Ư
K
+
-
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

16
Ta điều chỉnh thông qua chu kì T. Chu kì càng nhỏ ( tần số càng lớn
f = 1 /T) thì vùng gián đoạn càng nhỏ, chất lượng điều khiển càng cao.
→ Điều khiển băm áp có chất lượng tốt hơn điều khiển chỉnh lưu khi
tần số f cao.
Chế độ dòng điện gián đoạn

Nếu dòng điện và điện cảm có giá trị nhỏ thì đường cong có dạng gián
đoạn.
Nếu dòng điện và điện cảm có giá trị giới hạn nào đó thì dòng điện có
thể giảm đến 0 đúng vào thời điểm đầu của chu kì tiếp theo. Khi đó ta có dòng
biên liên tục.
- Đặc tính cơ của hệ thống
Với dòng điện liên tục:

Phương trình đặc tính cơ

Để điều khiển tốc độ ta điều khiển
hệ số γ tức là điều khiển độ rộng xung điện
áp θ trong chu kì điện áp.
Trong vùng liên tục, đặc tính cơ là
tập hợp các đường thẳng song song với tốc
độ không tải lý tưởng
dm
o
k
U
Φ
=
γ
ω
và độ cứng đặc tính cơ:
()
ba
RR
k
+
Φ
=
¦
2
β

Với dòng điện gián đoạn

Đặc tính cơ là các đường cong. Cũng như trong hệ CL - Đ, ở chế độ
này do mômen điện từ gián đoạn mà đặc tính cơ trở nên rất mềm.
Biên giới liên tục là đường có dạng nửa hình elip nằm ở góc phần tư
thứ nhất và có dạng nét đứt trên hình vẽ.
- Đặc điểm:
+ Ưu điểm
Vốn đầu tư nhỏ, hệ đơn gi
ản, chắc chắn.
Độ cứng đặc tính cơ cao, xấp xỉ đặc tính cơ tự nhiên.
+ Nhược điểm
Điện áp dạng xung gây ra tổn thất phụ lớn trong động cơ
Hệ thống có thể làm việc ở trạng thái dòng gián đoạn với những đặc
tính kém ổn định và tổn thất năng lượng nhiều.

M
kk
RR
k
U
M
kk
RR
k
U
e
ba
e
e
ba
e

ba
.
..
.
.
.
.
2
¦
1
2
¦
Φ
+
−
Φ
=
Φ
+
−
Φ
=
μμ
γ
ω
ω
γ = 0
γ = 1
I, M
ω

o
I
blt
ω
blt
0
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

17
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

18
CHƯƠNG II
KHÁI QUÁT VỀ NGUỒN CHỈNH LƯU
Bộ chỉnh lưu là bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một
chiều. Bộ biến đổi này có thể là chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh
lưu có điều khiển. Các bộ chỉnh lưu có điều khiển có thể trao đổi năng
lượng theo 2 phía: khi năng lượng truyền từ lưới xoay chiều sang tải bộ
nguồn làm việc ở ch
ế độ chỉnh lưu, khi năng lượng truyền theo chiều
ngược lại từ tải một chiều về lưới xoay chiều thì bộ nguồn làm việc ở
chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới. Dưới đây ta xét một số sơ đồ
chỉnh lưu thường gặp:
1. Chỉnh lưu cả chu kì với biến áp trung tính
a. Sơ
đồ động lực
Theo hình dạng sơ đồ thì biến
áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với
thông số giống hệt nhau, mỗi cuộn
làm việc ở nửa chu kì.

b. Đường cong






c. Nguyên lý

+ Để điều khiển được điện áp và dòng điện tải ta điều khiển góc mở α của
Tiristo hay thời điểm mở. Tiristo muốn mở được phải có 2 điều kiện:
điện áp anod dương hơn so với catod và có dòng điện điều khiển.
+ Khi Tiristo T
1
được mở sẽ có dòng điện chạy qua tải và duy trì T
1
ở
trạng thái dẫn tới lúc dòng điện bằng không, lúc đó điện áp đổi dấu và
kích mở T
2
ngay lập tức, T
2
chuyển sang dẫn.

0
α
1
α
2

α
3
Ud Id
t
Tải điện cảm lớn
T2
U1
R
U2
U2
T1
L
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

19
+ Đối với tải thuần trở thì dòng điện gián đoạn còn khi tải có điện cảm thì
dòng điện gián đoạn hay liên tục là do năng lượng điện từ tích lũy trong
cuộn dây lớn hay bé W
đt
= L.i
2
/2 phụ thuộc vào L, i do α quyết định (
Nếu α càng lớn thì i
2
càng lớn , vùng gián đoạn nhỏ đi). Khi tải điện
cảm lớn tới mức dòng điện của van đang dẫn bằng 0 đã mở van kế tiếp
thì đường cong điện áp, dòng điện là liên tục.
d. Nhận xét

+ Trong sơ đồ này, điện áp tải đập mạch trong cả hai nửa chu kì với tần số

đập mạch bằng hai lần tần số điện áp xoay chiều.
+ Việc điều khiển các van bán dẫn ở đây tương đối đơn giản.
+ Việc chế tạo biến áp phức tạp hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn.
+
Điện áp ngược của các van bán dẫn phải chịu có trị số lớn nhất trong
các sơ đồ chỉnh lưu:
2
22 UU
nv
=

+ Trong chỉnh lưu một pha nếu tải có dòng điện lớn và điện áp thấp thì sơ
đồ một pha chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính có ưu điểm hơn
cả.
2. Chỉnh lưu cầu một pha
a. Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển có đối xứng








- Nguyên lý hoạt động:
Trong 1/2 chu kì điện áp anod của Tiristo T
1
dương (khi đó catod T
2

âm), nếu cấp xung điều khiển dồng thuận với điều kiện phải cả hai xung
cùng một lúc thì T
1
, T
2
sẽ dẫn. Đến 1/2 chu kì sau điện áp đổi dấu, anod
của T
3
dương, catod của T
4
âm, nếu có xung điều khiển đồng thời cho
cả 2 van thì các van sẽ được mở thông.

0
α
1
α
2
α
3
Ud Id
t
Tải điện cảm lớn
T4 T1
U2
T3
L
T2
R
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

20
- Nhận xét
Chỉnh lưu cầu một pha có chất lượng điện áp ra hoàn toàn giống như
chỉnh lưu cả chu kì với biến áp trung tính nhưng điện áp ngược phải chịu nhỏ
hơn:

Sơ đồ này được dùng với loại tải làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng
lượng về lưới.
b. Chỉnh lưu cầu mộ
t pha điều khiển không đối xứng
Chỉnh lưu này được thực hiện bằng hai phương pháp khác nhau:







Đường cong:
Hình dạng đường cong điện áp của hai sơ đồ giống nhau và
không có phần âm điện áp




+ Sơ đồ cùng cực tính
Các van bán dẫn được dẫn thông trong một nửa chu kì: các diod
dẫn từ đầu đến cuối bán kì điện áp âm catod còn các Tiristo được dẫn
thông tại thời điểm có xung mở và bị khóa b

ởi việc mở Tiristo ở một
nửa chu kì kế tiếp.
Với sơ đồ cùng cực tính thì điện áp tải là gián đoạn dù điện cảm
bằng hoặc khác không. Khi L
d
≠ 0 thí ở sơ đồ này Tiristo và Diod còn
đóng vai trò xả năng lượng của cuộn dây thông qua nguồn. Vì vậy cho
nên không có phần âm điện áp và không có trả năng lượng về lưới mặc
dù điện áp vô cùng lớn.
2
2UU
nv
=
U
R
T1
T2
L
D2
D1
D1 D2
T2 T1
R
L
Sơ đồ cùng cực tính Sơ đồ không cùng cực tính
0
U
d
t
2π

α
2
α
3
α
1
π 3π
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

21
Dòng điện chạy qua Tiristo và Diod là bằng nhau nên lựa chọn
van bán dẫn và Diod bán dẫn thì cùng thông số dòng điện.
+ Sơ đồ không cùng cực tính
Khi điện áp lưới đặt vào anod và catod của các van bán dẫn thuận
chiều và có xung điều khiển thì việc dẫn thông các van hoàn toàn giống
như sơ đồ trên. Khi điện áp đổi dấu, năng lượng của cuộn dây được xả
ra qua các diod D
1
, D
2
_ các van này đóng vai trò của diod ngược, do đó
mà các Tiristo sẽ tự động khóa khi điện áp đổi dấu.
Hình dạng đường cong điện áp của sơ đồ cầu một pha không
cùng cực tính trùng với đường cong điện áp của sơ đồ cầu một pha cùng
cực tính và không có phần âm điện áp ( không có trả năng lượng về
lưới)
Dòng điện của Diod và Tiristo không bằng nhau được thể hiện
bằ
ng khoảng dẫn của Diod và Tiristo khi tải điện cảm: I
D

> I
T

c. Nhận xét
- Sơ đồ cầu điều khiển không đối xứng có ưu điểm hơn so với sơ đồ cầu
điều khiển đối xứng:
Tại một thời điểm mở Tiristo chỉ cần một xung điều khiển hay chỉ
cần một xung dẫn.
Sơ đồ điều khiển đơn giản hơ
n, giá thành thiết bị giảm.
- Sơ đồ cầu một pha có chất lượng điện áp tương đương với chỉnh lưu cả
chu kì với biến áp trung tính nhưng có ưu điểm ở chỗ: điện áp ngược
trên van bé hơn, biến áp dễ chế tạo, có hiệu suất cao hơn, dù vậy giá
thành cao hơn gấp 2 lần.
- Nếu tải có điện áp cao, dòng điệ
n nhỏ thì việc chọn sơ đồ cầu là hợp lý,
thường dùng sơ đồ điều khiển không đối xứng, chỉ khi nào tải làm việc
ở chế độ trả năng lượng về lưới thì mới dùng sơ đồ cầu điều khiển đối
xứng.
⇒ Tóm lại, các sơ đồ chỉnh lưu một pha cho ta điện áp với chất lượng chưa
cao, biên độ
đập mạch quá lớn, thành phần hài bậc cao lớn, điều này không
đáp ứng cho nhiều loại tải. Muốn có chất lượng điện áp tốt hơn chúng ta phải
sử dụng các sơ đồ có số pha lớn hơn.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

22
3. Chỉnh lưu tia 3 pha
a. Sơ đồ

Biến áp ba pha với thứ cấp 3 cuộn dây
đấu Y có trung tính. Các van bán dẫn nối
cùng cực tính, cực tính còn lại nối với 3
pha. Tải được nối từ đầu nối cực tính của
van bán dẫn với dây trung tính.

b. Nguyên lý

Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van: khi anod của van
nào dương hơn thì van đó mới được kích mở, thời điểm hai điện áp của
hai pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn.
Còn các Tiristo chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm
góc mở tự nhiên( như vậy trong chỉnh lưu tia 3 pha, góc mở nhỏ nhất
α = 0 sẽ dịch pha so với điệ
n áp pha một góc là 30
o
)
Chỉnh lưu tia 3 pha được phân biệt bởi hai vùng mở khác nhau:
Khi α < π/6 thì việc mở van bán dẫn không phụ thuộc vào tải
dạng gì. Trong vùng mở điện áp dương các Tiristo dẫn liên tục: có sự
chuyển mạch từ van này sang van kia,
không có sự hoàn trả năng lượng về
lưới. Các đường cong U
d
, I
d
liên tục.
Khi α > π/6 thì Tiristo sẽ được
mở trong khoảng nào tùy thuộc vào
tích chất của tải: nếu tải thuần trở thì

đường cong điện áp và dòng điện là gián đoạn còn nếu tải điện cảm
(nhất là điện cảm lớn) thì đường cong dòng điện và điện áp là các
đường cong liên tục nhờ năng lượng dự trữ trong cuộn dây đủ lớn để
duy trì dòng điện khi điện áp đổi dấu. Với tải điện cảm, Tiristo được dẫn
có phần âm điện áp nên có sự trả năng lượng về lưới.



Ud

Id
t
0
α
1
α
2
α
4
α
3
T1
B
T2
C
T3
A
R
L
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

23
t
α
2
A
BC
A
α
1
α
3
α
4
Tải thuần trở
t
A
BCA
Tải điện cảm lớn








c. Nhận xét

+ So với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp

tốt hơn, biên độ đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé
hơn.
+ Khi làm việc dòng điện chỉ chạy qua một pha với dây quấn thứ cấp nên
hiệu suất sử dụng biến áp thấp do đó phải thiết kế biến áp có công suất
lớn hơn làm giảm hi
ệu suất chung của hệ thống.
+ Khi chế tạo biến áp động lực các cuộn dây thứ cấp phải được đấu Y với
dây trung tính phải lớn hơn dây pha ( vì dây trung tính chịu dòng tải)
+ Mặc dù chỉnh lưu tia 3 pha có ưu điểm là điều khiển các van bán dẫn
tương đối đơn giản nhưng nó cũng có nhược điểm là điện áp chỉnh lưu
có nhiều sóng
điều hòa bậc cao biên độ lớn. Do đó để nâng cao chất
lượng dòng điện phần ứng ta phải thiết kế cuộn lọc với điện cảm lớn và
phức tạp.
+ Chỉnh lưu tia 3 pha thường được chọn khi: công suất tải không quá lớn
so với biến áp nguồn cấp, tải có yêu cầu không quá cao về chất lượng
điện áp một chiều. Đối vớ
i loại tải có điện áp một chiều định mức là
220V thì sơ đồ tia 3 pha có ưu điểm hơn cả
4. Chỉnh lưu cầu 3 pha
a. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng

+ Sơ đồ:
Sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối
xứng có thể coi như hai sơ đồ chỉnh lưu
tia 3 pha mắc ngược chiều nhau: 3
R
T1
T3
T5

L
T6
T4
T2
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

24


A
B
CA
α
1
α
2
α
3
α
4
α
5
α
6
t
Uf
0
α
7
Tiristo T

1
, T
3
, T
5
tạo thành một chỉnh lưu tia 3 pha cho điện áp dương
tạo thành nhóm anod, còn T
2
, T
4
, T
6
là một chỉnh lưu tia 3 pha cho điện
áp âm tạo thành nhóm catod, hai chỉnh lưu này ghép lại thành cầu 3 pha.
+ Nguyên lý
Theo hoạt động của chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng, dòng điện
chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời
điểm cần mở Tiristo chúng ta cần cấp 2 xung điều khiển đồng thời (1
xung ở nhóm anod, 1 xung ở
nhóm catod). Hai xung điều khiển có: một
xung chính quyết định góc mở, 1 xung đêm để có dòng điện. Với đường
cong điện áp gián đoạn xung đệm chỉ có tác dụng mồi.Cần chú ý rằng
thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ đúng thứ tự pha.
Thứ tự các xung điều khiển:

Thời
điểm
Xung
chính
Xung

đếm
Điều khiển ở nhóm A
α
1
T
1
T
4

α
3
T
3
T
6

α
5
T
5
T
2

Điều khiển ở nhóm K
α
4
T
2
T
3

α
6
T
4
T
5

α
2
T
6
T
1


Khi chúng ta cấp đúng xung điều khiển, dòng điện chạy từ pha có điện
áp dương hơn đến pha có điện áp âm hơn.






Khi góc mở các Tiristo lớn lên tới góc α > 60
o
và thành phần điện cảm
của tải nhỏ thì điện áp tải sẽ bị gián đoạn.