Thiết kế và chế tạo mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 3

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1
chiều
Sinh viên thực hiện: Vũ Trọng Dân
Lớp : 112183.1
Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thùy Dung

Hưng Yên 2020


NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
...........................................................

Hưng Yên, Ngày.....Tháng....Năm 2020
Giáo viên hướng dẫn


MỤC LỤC
MỤC LỤC..............................................................................................................3
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................9
CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ..........10
1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều..............................................10
1.0.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều .....................................................11
1.0.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều...............................12
1.0.1.3 Phương trình đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập.....................13
1.0.1.4 Phương trình đặc tính cơ..................................................................13
1.0.1.5 Ảnh hưởng của các thông số tới động cơ..........................................14
1.0.1.6 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCĐ một chiều kích từ độc lập.....15
1.1.1 Các linh kiện bán dẫn...........................................................................22
1.1.1.1 Diode..................................................................................................22
1.1.1.2 Thyristor.............................................................................................24
1.2 IC TCA785..................................................................................................29

1.2.1 Giới thiệu về IC TCA 785....................................................................29
1.2.2 Sơ đồ nguyên lý....................................................................................31
1.2.3 Nguyên lí làm việc của TCA 785.........................................................34
1.3 MOC2030...................................................................................................35
1.3.1 Giới thiệu về MOC3020.......................................................................35
1.3.2 Nguyên lý hoạt động của MOC3020...................................................36
1.4 Kết luận chương 1.......................................................................................36
CHƯƠNG 2 : PHÂN TÍCH VỀ CÁC MẠCH CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA.......37
2.1 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển..............................................37
2.1.1 Sơ đồ nguyên lý....................................................................................37
2.1.2 Nguyên lý làm việc...............................................................................38
2.1.3 Các cơng thức tính tốn trong mạch...................................................38
2.2 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha có điều khiển........................................39


2.2.1 Sơ đồ nguyên lý....................................................................................39
2.2.2 Nguyên lý làm việc...............................................................................40
2.2.3 Các biểu thức tính tốn trong mạch....................................................40
2.3 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển hai SCR mắc K chung.............41
2.3.1 Sơ đồ nguyên lý....................................................................................41
2.3.2 Nguyên lý làm việc...............................................................................41
2.3.3 Các biểu thức tính tốn trong mạch....................................................42
2.4 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha BĐK hai SCR mắc thẳng hàng........................42
2.4.1 Sơ đồ nguyên lý....................................................................................42
2.4.2 Nguyên lý làm việc...............................................................................43
2.5 Kết luận chương 2.......................................................................................44
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHỈNH LƯU BÁN ĐIỀU KHIỂN
..............................................................................................................................45
3.1 Sơ đồ khối...................................................................................................45
3.2 Sơ đồ nguyên lý...........................................................................................45

3.2.1 Thiết kế, tính tốn mạch lực................................................................45
3.2.2 Lựa chọn, thiết kế, tính tốn mạch điều khiển....................................47
3.2.3 Tính tốn mạch nguồn........................................................................49
3.2.4 Tính chọn phần tử cách ly...................................................................50
3.3 Nguyên lý hoạt động toàn mạch.................................................................52
3.3.1..............................................................................................................52
A- Sơ đồ nguyên lý toàn mạch......................................................................52
B- Sơ đồ mạch board....................................................................................53
3.3.2 Nguyên lý toàn mạch...........................................................................53
3.4 Kết luận chương 3.......................................................................................59
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI............................................60
1. Kết luận chung..............................................................................................60
2.Hướng phát triển của đề tài...........................................................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................63


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1: Cấu tạo và ký hiệu diode........................................................................9
Hình 1. 2: Phân cực diode.....................................................................................10
Hình 1. 3: Đặc tính vơn-ampe của diode..............................................................10
Hình 1. 4: Cấu tạo và ký hiệu của thyristor..........................................................11
Hình 1. 5: Mở thyristor.........................................................................................12
Hình 1. 6: Khóa thyristor......................................................................................12
Hình 1. 7: Đặc tính vơn-ampe của Thysistor........................................................14
Hình 1. 8: Sơ đồ chân của IC TCA785.................................................................16
Hình 1. 9: Sơ đồ cấu tạo của IC TCA785.............................................................17
Hình 1. 10: Dạng sóng dịng điện của IC TCA785...............................................18
Hình 1. 11: Nguyên lý hoạt động của khâu tạo xung điều khiển..........................20
Hình 1. 12: Sơ đồ nguyên lý MOC3020...............................................................21

Hình 2. 1: Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha khơng điều khiển.......................................22
Hình 2. 2: Dạng sóng dịng và áp trong mạch chỉnh lưu......................................22
cầu 1 pha khơng điều khiển...................................................................................22
Hình 2. 3: Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hồn tồn..................................24
Hình 2. 4: Dạng sóng dịng và áp trong mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiểnhồn tồn
...............................................................................................................................24
Hình 2. 5: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu BĐK hai SCR mắc K chung.....25
Hình 2. 6: Dạng sóng dịng và áp trong mạch chỉnh lưu cầu 1 pha BĐK 2 SCR mắc K
chung.....................................................................................................................26
Hình 2. 7: Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển hai SCR mắc thắng hàng...27
Hình 2. 8: Dạng sóng dịng điện và điện áp mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển
hai SCR mắc thằng hàng.......................................................................................28

Hình 3. 1: Sơ đồ khối............................................................................................30
Hình 3. 2: Mạch R-C bảo vệ cho van....................................................................32
Hình 3. 3: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển........................................................34
Hình 3. 4: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn...............................................................35
Hình 3. 5: Một số sơ đồ kết nối MOC3020...........................................................36
Hình 3. 6: Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của MOC3020....................................36
Hình 3. 7: Sơ đồ ngun lý tồn mạch..................................................................37


Hình 3. 8: Sơ đồ mạch board................................................................................38
PHIẾU ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN

STT
1

Điểm ĐG

Nội dung nhận xét
Năng lực chung (Ý thức thực hiện và khả năng làm việc
nhóm)
……………………………………………………..
……………………………………….
……………………………………………………..
……………………………………….
……………………………………………………..
……………………………………….
……………………………………………………………
……………………………………………………………

2

………………………..
Năng lực chuyên môn( Kiến thức lý thuyết, khả năng thực
hành)
……………………………………………………..
……………………………………….
……………………………………………………..
……………………………………………………………..
……………………………………….
……………………………………………………..
……………………………………………………………..
……………………………………….
………………………

Điểm kết luận:…

Hưng yên, ngày ….. tháng …. năm 2020

NGƯỜI ĐÁNH GIÁ


LỜI NĨI ĐẦU
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 công 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 hoá cho các quá trình sản xuất. Các hệ thống truyền động điều khiển bởi điện tử
công 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 ...
Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung mơn học Điện tử công suất chúng
em đã được giao thực hiện đề tài: “Thiết kế và chế tạo mạch chỉnh lưu cầu một pha
bán điều khiển
Với sự hướng dẫn của Thầy(cô)....................., chúng em đã tiến hành nghiên cứu
và thưc hiện đề tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn nên
khơng tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cơ đóng góp ý kiến để đề tài của chúng em
được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Nhóm sinh viên thực hiện


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
1.1.Giới thiệu chung về động cơ điện 1 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 những loại sau đây:

- Động cơ điện một chiều kích từ song song
- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
1.1.1.Cấu tạo động cơ điện 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
Gồm các phần chính sau:
 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 những 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 giữa 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.


1.1.1.1. Phần quay (rotor)
 Gồm các bộ phận sau:
 Lõi sắt phần ứng:
Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ. thông thường dùng những 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 chữ 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 dòng điện
xoay chiều thành một chiều. cỏ 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.
1.0.1.2.Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
b

A

F ®t

+

n

I

a
I
c
F

d

®t

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 dịng điện giữ cho chiều lực tác dụng không 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 cịn gọi là sức phản điện
động.
 Phương trình cân bằng điện áp: U= Eư+Rư.Iư
Trong đó:

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

Theo yêu cầu của đề bài ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều kích rừ
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

I

E
KT

IKT
+

UKT

-

Hình 1.3 : Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
1.0.1.3. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập
Đặc tính cơ là quan hệ giữa 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 thơng 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 β
được tính như sau
Δβ=

ΔM
Δω

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


1.0.1.4. Phương trình đặc tính cơ
 Trường hợp Rf= 0:
U= E + Iư.Rư
E= Ke. Φ .n

(1)
(2)

 Trong đó
p.n
Ke = 60a
: hệ số sức điện động của động cơ
a: số mạch nhánh song song của cuộn dây
p.n
K= 2 aπ : hệ số cấu tạo của động cơ
ω : tốc độ góc tính bằng rad/s
p: số đơi cực chính
N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
Uu
R
− u Iu
ω = K .φ K .φ
Thế (2) vào (1) ta có:
(3)
Uu
R

− u Iu
K e. φ Ke . φ

Hoặc:
n=
(4)
Phương trình (4) biểu diễn mối quan hệ n= f(Iư) gọi là phương trình đặc tính cơ điện.
Mặt khác: M= M= K.Ф.Iư (5) :là mơmen điện từ của động cơ.
Uu
Ru
−
.M
Suy ra: n= K e . φ K e . φ . K Φ

:là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều

kích từ độc lập.
Hoặc:
trong đó:

Uu
Ru
−
M
2
ω = K . φ ( K . φ)
ω

0

= ω 0− Δω

: tốc độ không tải lý tưởng
Δω : độ sụt tốc độ

1.0.1.5.Ảnh hưởng của các thông số tới tốc độ động cơ
U u Ru +R f
−
M
2
K
.
φ
(
K
.
φ)
Từ phương trình đặc tính cơ: ω =

ta nhận thấy muốn thay đổi

tốc độ ω ta có thể thay đổi φ , Rf , U.
Trường hợp Rf thay đổi (Uư= Uđm= const; Ф= Фđm= const):
Độ cứng đặc tính cơ:

2
( Kφ dm )
ΔM
−
β=

R u +R f giảm. Nếu R càng lớn thì tốc độ động
Δω =
f

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
U
ω 0=
Kφ giảm trong khi độ cứng đặc tính cơ
Tốc độ khơng tải
2

( Kφ)
ΔM
−
=
β=
Ru
Δω =

const

Khi thay đổi điện áp ta thu được 1 họ các đường đặc tính song song. Phương pháp này
được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dịng khởi động.
Ảnh hưởng của từ thơng:
Muốn thay đổi Φ

ta thay đổi dịng kích từ Ikt khi đó tốc độ khơng tải

ω=

U dm
Kφ

2

( Kφ)
ΔM
−
β=
Ru
Δω =
tăng. Độ cứng đặc tính cơ:

giảm.

1.0.1.6. Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCĐ một chiều kích từ độc lập
 Khái niệm chung:
 Định nghĩa:
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 những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu.
Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:
Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ
trục động cơ đến cơ cấu máy sản suất.
Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của

cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh. Vì vậy, ta khảo sát sự điều chỉnh tốc độ
theo phương pháp thứ hai.
Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khi phụ tải
thay đổi của động cơ điện.
Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so
với các loại động cơ khác. Khơng những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà
cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt chất lượng
điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng.
 Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ:
Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào các
chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện:
 Hướng điều chỉnh tốc độ:


Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơn hay bé
hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trên đường đặc tính cơ tự
nhiên.
Phạm vi điều chỉnh tốc độ (dãy điều chỉnh):
Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất n max và tốc độ bé nhất nmin
mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức: D = nmax/nmin.
Trong đó:
nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học.
nmin: Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thường người ta chọn
nmin làm đơn vị.
Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng hệ
thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh.
Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ:
Độ cứng:  = M/n. Khi  càng lớn tức M càng lớn và n nhỏ nghĩa là độ
ổn định tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều. Phương pháp điều chỉnh tốc độ tốt
nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc tính cơ. Hay

nói cách khác  càng lớn thì càng tốt.
 Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ:
Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ. Độ liên tục khi điều chỉnh tốc độ
 được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:
ni
ni+1

=
Trong đó: ni: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i.
ni + 1: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 ).
Với ni và ni + 1 đều lấy tại một giá trị moment nào đó.
 tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục. Lúc này hai
cấp tốc độ bằng nhau, khơng có nhảy cấp hay cịn gọi là điều chỉnh tốc độ vơ cấp.
  1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp.
 Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ:
Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làm việc
của động cơ  là cao nhất khi tổn hao năng lượng Pphụ ở mức thấp nhất.
 Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ:
Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một hệ thống
điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Đồng thời hệ thống
phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết bị phổ
thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau.
 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng:


Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áp
trên mạch phần ứng thì dịng điện, moment sẽ khơng thay đổi. Để tránh những 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.
n=

R u+ R f
U
−
M
K E Φ K E K M Φ2

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
Ta có tốc độ không tải lý tưởng:
n0 =

U đm
K E .Φ đm

Độ cứng của đường đặc tính cơ:
KE KMΦ
dM
β=
=−
dn
Ru + Rf

2

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 những đường thẳngn song song với đường đặc tính cơ tự nhiên:
n0
ncb
n1
n2
n3

TN ( Uđm
)

Uđm > U1 > U2 >
U3
ncb > n1 > n2 > n3

U
1

U
2

M

Hình 1.4: Họ đặc tính cơ khi thayMđổi điện U
áp đặt vào phần ứng động cơ
3
 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổiC từ thông:
+

-

U
Iư


Ckt
+

Rkt

-

Ukt

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên 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 Φ Iư và sức điện động quay của động cơ Eư = KE Φ n.
Thơng thường, khi thay đổi từ thơng thì điện áp phần ứng được giữ 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…
Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông. Nếu tăng từ thông 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 thông so với định mức. Ta thấy lúc này tốc độ
U
tăng lên khi từ thông giảm: n = K E .Φ

Mặt khác ta có: Moment ngắn mạch M n = KM Φ In nên khi Φ giảm sẽ làm cho Mn
K K Φ
β=− E M
R

2

giảm theo.
 Độ cứng của đường đặc tính cơ:
n
Khi Φ 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:
1
2

n1
đm
ncb
0

đm > 1 > 2
ncb < n 1 <
n
M2

MC M2

M1 Mn

Hình 1.6: Họ đặc tính cơ khi thay đổi từ thông

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng có thể điều chỉnh được
tốc độ vô cấp và cho ra những 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: n max = 3.ncb tức phạm vi

điều chỉnh: D =

nmax
ncb =

3
1

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 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 những tốc độ lớn hơn n cb. 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.
 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:

+
I
ư

-

U
E

R

ư

+

Ckt
Rkt U
K

f

-

T
Hình 1.7: 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=

R u+ R f
U
−
M
K EΦ
K E K M Φ2


Khi thay đổi giá trị điện trở phụ R f ta nhận thấy tốc độ không tải lý tưởng: và độ
cứng của đường đặc tính cơ:

2
U
dm
KK
dm
; 
n

const
E M
0
K

R
R
E
dm
u

f

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 công thức sau:
K K Φ
β TN =− E M
Ru

2

dm

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 n 1 ta đóng
thêm Rf vào mạch phần ứng. Khi đó dịng điện phần ứng I ư 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 n2 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 những 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:
ncb
D= nmin

¿∞

Trong thực tế, Rf càng lớn thì tổn thất năng lượng phụ tăng. Khi động cơ làm việc ở
tốc 5độ 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:
(2÷3 )
1
D=

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 dịng 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 những 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 đổi
càng kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng
tăng.
Đảo chiều quay động cơ điện một chiều:
Chiều quay của động cơ điện một chiều phụ thuộc vào chiều của mô men, để thay
đổi chiều của mô men ta có thể dùng hai phương pháp sau:
Đổi chiều quay bằng cách đổi chiều dòng điện trong phần ứng
Đổi chiều quay bằng cách đổi chiều từ thông, cụ thể là chiều dịng kích từ.
Đổi chiều quay của động cơ điện lúc đang quay về nguyên tắc cũng có thể thực hiện
được bằng cả hai phương pháp trên, tuy nhiên trên thực tế chỉ được dùng phương pháp

đổi chiều dòng điện phần ứng Iư , còn phương pháp đổi chiều quay động cơ bằng cách
đổi chiều dịng kích từ khơng được sử dụng vì cuộn kích từ có nhiều vịng dây do đó hệ
số tự cảm Lt rất lớn và việc thay đổi chiều dịng điện kích từ dẫn đến sự xuất hiện sức
điện động tự cảm rất cao, gây quá điện áp đánh thủng cách điện của dây quấn kích thích
. Ngồi ra, dùng phương pháp đảo chiều từ thơng thì khi từ thơng qua trị số khơng có
thể làm tốc dộ tăng quá, không tốt.

1.1.1 Các linh kiện bán dẫn
1.1.1.1 Diode
a) Cấu tạo
Diode gồm hai lớp bán dẫn loại P và N dược ghép tĩnh điện với nhau, thông
thường diode được tạo bởi hai lớp bán dẫn Silic loại P và N, bán dẫn loại P là loại bán
dẫn dẫn điện bởi các hạt lỗ trống mang điện tích dương. Bán dẫn loại N dẫn điện bởi
các hạt mang điện tích âm.


Kí hiệu của diode:

Hình 1. 1: Cấu tạo và ký hiệu diode

b) Nguyên lý hoạt động
Khi ghép hai bán dẫn loại P và N lại với nhau thì tại mặt ghép sẽ hình thành một
lớp tiếp xúc P-N kí hiệu là J. Tại lớp tiếp xúc các điện tử âm tự do từ lớp bán dẫn loại N
chuyển sang lớp bán dẫn loại P chúng tái hợp với các lỗ trống trở nên trung hịa về điện.
Phía lớp bán dẫn loại P do mất lỗ trống nên trở thành điện tích âm. Phía bán dẫn loại N
do mất các điện tử nên mang điện tích dương. Do vậy một điện trường ở lớp tiếp xúc PN được hình thành và hướng từ P sang N. Điện trường này giống như một bức rào ngăn
không cho lỗ trống từ P sang N và từ N sang P.
Khi nối P sang N một nguồn điện một chiều để tạo sự phân cực, cực dương của
nguồn nối vào lớp bán dẫn P, cực âm nối vào lớp N thì sẽ có một điện trường ngoài
hướng từ P sang N. Điện trường này mạnh hơn điện trường lớp tiếp xúc và ngược chiều

điện trường lớp tiếp xúc. Chính điện trường này giúp lỗ trống tiếp tục từ P sang N và
điện tử từ N sang P tạo thành dòng điện thuận qua lớp tiếp xúc P sang N.
Nếu nối với nguồn điện một chiều để phân cực ngược tức là dương nguồn nối với
bán dẫn N, âm nguồn nối với Anơt thì sẽ có một điện trường ngoài hướng từ N sang P
cùng chiều với điện trường lớp tiếp xúc, sẽ cản trở sự chuyển dịch của lỗ trống từ P
sang N và điện tử từ N sang P, vùng cách điện càng rộng ra, khơng có dịng điện nào
chạy qua được các mặt ghép P-N. Ta nói mặt ghép bị phân cực ngược.

Phân cực thuận

Phân cực ngược
Hình 1. 2: Phân cực diode


c) Đặc tính vơn-ampe
Đặc tính vơn-ampe của diode biểu thị quan hệ f(u,i) giữa dòng điện qua diode và
điện áp đặt vào hai cực của diode.

Hình 1. 3: Đặc tính vôn-ampe của diode

Khi đặt giữa A và K một điện áp U AK> 0 thì diode cho dịng đi qua và gọi là phân
cực thuận. Ngược lại nếu đặt điện áp UAK< 0 thì diode khóa gọi là phân cực ngược
dịng ln nhỏ hơn nhiều so với dịng thuận.
Khi thay đổi điện áp đặt vào diode thì dịng qua nó cũng thay đổi theo. Đường biểu
diễn sự phụ thuộc của dịng điện qua diode vào điện thế ngồi gọi là đường đặc trưng
Von-Ampe của diode.
Đường đặc trưng gồm có 3 vùng:
Vùng 1 là vùng phân cực thuận, vùng 2 là vùng phân cực ngược, vùng 3 là vùng
đánh thủng. Cơ chế tạo thành dòng điện ở vùng 1 và vùng 2 là cơ chế tạo thành dòng
khuếch tán các hạt đa số IKT và dịng trơi cảu các hật tiểu số ITr.

Cơ chế đánh thủng ở vùng 3: Khi U AK< 0 và có giá trị đủ lớn, dịng điện ngược
tăng lên đột ngột trong khi điện áp U AK gần như khơng tăng. Khi đó tính chất van của
diode bị phá hủy và có thể làm hỏng lớp tiếp xúc P-N. Có hai cơ chế đánh thủng là đánh
thủng vì nhiệt và đánh thủng vì điện (hiệu ứng Zener và Tunel).


1.1.1.2 Thyristor
a) Cấu tạo, ký hiệu
Cấu tạo: Thysistor là thiết bị gồm 4 lớp bán dẫn P 1,N1,P2,N2 ghép lại tạo ra ba lớp
tiếp xúc J1,J2,J3
Ký hiệu:

Hình 1. 4: Cấu tạo và ký hiệu của thyristor


b) Ngun lý làm việc

Hình 1. 5: Mở thyristor
 Có 2 phương pháp kích mở thyristor:
Phương pháp thứ nhất: tăng UAK> Uth,max khi đó điện trở tương đương trongmạch
A – K giảm đột ngột, dịng điện qua thyristor lúc đó chỉ phụ thuộc vào điệntrở mạch
ngồi. Phương pháp này ít được sử dụng trong thực tế.
Phương pháp thứ hai là: phân cực cho UAK>0, sau đó thực hiện đưa một dịngđiện
có giá trị nhất định vào cực G. Khi đó thyristor sẽ chuyển từ trạng thái trởkháng cao
sang thấp, nên có dịng điện đi qua thyristor.
Nếu dịng qua thyristor lớn hơn dịng duy trì thì thyristor tiếp tục duy trì dẫn dịng
mà khơng cần xung điều khiển nữa. Phương pháp này chỉ cần mạch điều khiển có
cơng suất rất nhỏ so với mạch lực.

Hình 1. 6: Khóa thyristor

Để khóa thyristor lại cần phải giảm dòng qua A-K về dưới mức dịng duy trì
(Idt),thường sử dụng bằng cách đặt một điện áp ngược lên thyristor trong thời gian
tốithiểu gọi là khoảng thời gian phục hồi. Trong thời gian phục hồi có một dòng
điệnngược chạy giữa Katot và Anot. Dòng điện này di chuyển các điện tích ra khỏi
tiếpgiáp J2 và nạp cho tụ điện tương đương tại tiếp giáp J 1 và J3. Thời gian phục hồiphụ


thuộc vào lượng điện tích di chuyển ngồi cấu trúc bán dẫn và thời gian nạpđiện cho tụ
tương đương tại J1 và J3. Như vậy q trình khóa một thyristor có dạnggần giống như
khóa diode. Thời gian phục hồi của thyritstor là một thơng số quantrọng nó quyết định
tần số làm việc của thyristor. Thơng thường thời gian phục hồicó giá trị: t r = 5 -50s đối
với thyritstor tần số cao và tr = 50 -200s đối vớithyritstor tần số thấp.
c) Đặc tính vơn-ampe của Thysistor

Hình 1. 7: Đặc tính vơn-ampe của Thysistor
 Trường hợp IG=0:
Khi UAK< 0 thì tiếp giáp J1 và J3 bị phân cực ngược còn J2 phân cực thuận, khiđó
dịng điện qua thyristor rất nhỏ. Gọi là dòng điện rò ngược.
Nếu thực hiện tăng UAK đến giá trị nhỏ hơn Ung,max thì dịng điện qua thyristor
cũng vẫn rất nhỏ. Nếu cứ tiếp tục tăng đến giá trị U AK> Ung,max thì sẽ xảy ra hiện
tượng thyristor bị đánh thủng, dòng điện qua thyristor xẽ tăng lên rất lớn, q trìnhnày
khơng đảo ngược lại được gây phá hỏng thyristor.
Khi UAK> 0 khi đó tiếp giáp J1 và J3 được phân cực thuận còn J2 bị phân cực
ngược, lúc này dòng điện qua thyristor cũng rất nhỏ, gọi là dòng điện rò thuận.
Nếu ta thực hiện tăng UAK đến giá trị lớn hơn điện áp thuận lớn nhất U th,max thì sẽ
xảy ra hiện tượng điện trở tương đương A- K đột ngột giảm xuống và đòng điện dễdàng
chảy qua thyristor, và giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào điện trở mạch ngồi.
Nếu khi đó dịng qua thyristor lớn hơn dịng đuy trì Idt thì thyristor xẽ dẫn
dịngtrênđường đặc tính thuận (giống như diode). Đặc tính thuận được đặc trưng bởi

tính chất dịng điện có thể thay đổi lớn nhưng điện áp rơi trên thyristor gần như
khôngđổi.


Trường hợp IG>0:
Khi UAK> 0 nếu đặt vào cực điều khiển dịng I G> 0 thì q trình chuyển điểm
làmviệc lên đường đặc tính thuận sẽ sớm hơn. Nếu dịng điều khiển càng lớn thì
quátrình chuyển điểm làm việc lên đường đặc tính thuận sẽ càng sớm hơn với U AK
nhỏhơn. Tuy nhiên dòng IG được giới hạn bởi nhà sản xuất.
Khi UAK< 0 với IG> 0 thì tiếp giáp J1 và J3 bị phân cực ngược còn J2 được phâncực
thuận nên dòng điện qua thyristor cũng rất nhỏ, gọi là dòng điện rò ngược.
1.2IC TCA785
1.2.1 Giới thiệu về IC TCA 785
IC TCA 785 (có tích hợp các khâu đồng pha, so sánh, tạo xung, sửa xung,
khuyếch đại) tạo ra 2 xung điều khiển đến kích mở cho Thyristor BT151 ( T1 và T2).
Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch điều
khiển: Tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa, so sánh và tạo xung ra. TCA 785 do
hãng Simen chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiêt bị điều
chỉnh dòng xoay chiều.
 Đặc trưng:



-

Dễ phát hiện việc chuyển qua điểm không.

-

Phạm vi ứng dụng rộng rãi.

-

Có thể dung làm chuyển mạch điểm khơng.

-

Tương thích LSL.

-

Có thể hoạt động 3 pha (3 IC).

-

Dịng điện ra 250 mA.

-

Miền dốc dòng lớn.

-

Dải nhiệt độ rộng.
Nhiệm vụ: Tạo ra xung điều khiển mở thyristor với góc mở α giảm dần để tăng

điện áp tải đến điện áp phóng điện.
1.2.2 Sơ đồ nguyên lý
a) Ký hiệu

Hình 1. 8: Sơ đồ chân của IC TCA785
b) Chức năng các chân của IC TCA785
Chân
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

Kí hiệu
GND
Q2
QU
Q1
VSYNC
I
QZ
VREF
R9
C10
V11
C12

13

L

14
15
16

Q1
Q2
VS

Chức năng
Chân nối đất
Đầu ra 2 đảo
Dầu ra U
Đầu ra 1 đảo
Tín hiệu đồng bộ
Tín hiệu cấm
Đầu ra z
Điện áp chuẩn
Điện áp tạo xung răng cưa
Tụ tạo xung răng cưa
Điện áp điều khiển
Tụ tạo độ rộng xung
Tín hiệu điều khiển xung ngắn,
xung rộng
Đầu ra 1
Đầu ra 2

Điện áp nguồn nuôi

c) Sơ
đồ
cấu
tạo