THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG t đ CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ đảo CHIỀU SỬ DỤNG CHỈNH LƯU CẦU BA PHA

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

BÁO CÁO MÔN HỌC
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHO ĐỘNG CƠ
ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU SỬ DỤNG CHỈNH LƯU
CẦU BA PHA

Sinh viên thực hiện
Lớp
Giáo viên hướng dẫn

: ĐỖ VĂN DOANH
: KTĐ ĐT – K17A
: PHẠM THỊ HỒNG ANH

THÁI NGUYÊN - 2021


MỤC LỤC
MỤC LỤC.....................................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH ẢNH.............................................................................................4
LỜI MỞ ĐẦU...............................................................................................................6
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU................................8
1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều..................................................................8
1.1.1 Cấu tạo...........................................................................................................8
1.1.2. Các thông số định mức................................................................................10
1.1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.........................................10

1.2. Phương trình đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều........11
1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập.....15
1.3.1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ................15
1.3.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng kích từ của động cơ....17
1.3.3. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của
động cơ.................................................................................................................. 18
1.3.4. Nhận xét về ưu nhược điểm từng phương pháp...........................................19
1.4. Các đặc tính cơ khi hãm động cơ một chiều kích từ độc lập..............................20
1.4.1. Hãm tái sinh................................................................................................20
1.4.2. Hãm ngược..................................................................................................22
1.4.3. Hãm động năng...........................................................................................24
CHƯƠNG 2: CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1
CHIỀU......................................................................................................................... 25
2.1 Tổng quan về các hệ truyền động.......................................................................25
2.1.1 Hệ truyền động F-Đ.....................................................................................25
2.1.2 Hệ truyền động T-Đ.....................................................................................27
2.1.3 Hệ truyền động xung động cơ......................................................................29
2.1.4 Phân tích và lựa chọn phương án truyền động..............................................30
2.2 Các hệ chỉnh lưu Thyritor thường dc sử dụng để thay đổi tốc độ động cơ điện..30
2.2.1 Chỉnh lưu cầu 1 pha.....................................................................................30
2.2.2 Chỉnh lưu tia 3 pha.......................................................................................33

1


2.2.3 Chỉnh lưu hình cầu 3 pha.............................................................................37
2.2.4. Hiện tượng trùng dẫn..................................................................................39
2.2.5. Nghịch lưu phụ thuộc..................................................................................41
2.2.6 Phân tích và lựa chọn phương án điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều......42
CHƯƠNG III: XÁC ĐỊNH VÀ CHỌN CÁC THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC..........44

3.1. Phân tích, lựa chọn mạch động lực...................................................................44
3.1.1. Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha khơng có điơt không..................................44
3.1.2. Sơ đồ mạch động lực...................................................................................44
3.1.3. Các thông số cơ bản động cơ truyền động hệ thống được chọn với các thơng
số sau:...................................................................................................................45
3.1.4. Máy biến áp động lực..................................................................................45
3.1.5.Tính chọn thyristor :.....................................................................................47
3.2. Tính chọn các thiết bị mạch bảo vệ mạch động lực...........................................48
3.2.1. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn.........................................................48
3.2.2. Bảo vệ quá dòng cho van............................................................................49
CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN.................51
4.1.Giới thiệu mạch điều khiển.................................................................................51
4.1.1Sơ đồ nguyên lý :..........................................................................................51
4.1.2.Nguyên tắc điều khiển:.................................................................................51
4.1.3.Các khâu cơ bản của mạch điều khiển:.........................................................53
4.2. Sơ đồ mạch điều khiển và ngun lý hoạt động................................................59
4.3. Tính tốn các thơng số mạch điều khiển............................................................60
4.3.1. Tính biến áp xung........................................................................................61
4.3.2. Tính chọn khâu đồng pha............................................................................61
4.3.3. Tính chọn khâu so sánh...............................................................................62
4.3.4. Khâu phản hồi.............................................................................................62
4.3.5. Tính chọn bộ tạo xung chùm.......................................................................63
4.3.6. Tính tầng khếch đại cuối cùng.....................................................................64
4.3.7. Tính nguồn ni..........................................................................................65
4.3.8. Tính tốn máy biến áp nguồn ni và đồng pha..........................................65
4.3.9. Tính chọn điơt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi...............................................66

2

4.4. Thiết kế cuộn kháng lọc.....................................................................................67
4.4.1. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại...........................................................67
4.4.2. Xác định các thành phần sóng hài...............................................................68
4.4.3. Xác định điện cảm cuộn kháng lọc..............................................................69
4.4.4. Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc..................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................73

3


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Mặt cắt dọc động cơ điện................................................................................8
Hình 1.2 Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song...............................................11
Hình 1.3 Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập....................................................12
Hình 1.4 Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập...............................14
Hình 1.5 Sơ đồ điều chỉnh tốc ĐCĐMCKTĐL bằng cách thay đổi điện phụ của mạch
phần ứng......................................................................................................................16
Hình 1.6 Đặc tình điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện
trở phụ phần ứng..........................................................................................................17
Hình 1.7 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cánh thay đổi từ thơng Φ.......................18
Hình 1.8 Đăc tính điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi từ thơng Φ...................18
Hình 1.9 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Uư.............................................19
Hình 1.10 Hãm tái sinh khi có động lực quay động cơ................................................21
Hình 1.11 Hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách giảm điện áp phần ứng.................22
Hình 1.12 a) Sơ đồ hãm ngược bằng cách thêm R ưf. b) Đặc tính cơ khi hãm ngược
bằng cách thêm Rưf.......................................................................................................23
Hình 1.13 a, Sơ đồ hãm ngược bằng cách đảo chiều U ư. b, Đặc tính cơ khi hãm ngược
bằng cách đảo chiều Uư ...............................................................................................23
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Máy phát - Động cơ.............................................25
Hình 2.2 Họ đường đặc tính cơ khi khi thay đổi UKF...................................................26

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hệ T-Đ................................................................................27
Hình 2.4. Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha có điều khiển..........................................31
Hình 2.5.dạng sóng chỉnh lưu hình cầu một pha có điều khiển....................................31
Hình 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha có điều khiển................................................33
Hình 2.7 Dạng sóng chỉnh lưu hình tia 3 pha có điều khiển........................................34
Hình 2.8 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có đảo chiều........................................................37
Hình 2.9 Sơ đồ dạng sóng chỉnh lưu cầu ba pha .........................................................37
Hình 2.10 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có hiện tượng trùng dẫn..................................40
Hình 2.11 Sơ đồ dạng sóng chỉnh lưu cầu ba pha có trùng dẫn...................................40
Hình 2.12 a) Chế độ chỉnh lưu ; b) Chế độ nghịch lưu................................................42

4


Hình 3.1 Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha....................................................................44
Hình 3.2 Giản đồ điện áp.............................................................................................45
Hình 4.1 Sơ đồ khối điều khiển thyristor.....................................................................51
Hình 4.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính...............................................51
Hình 4.3 Ngun tắc điều khiển thẳng đứng arcoss.....................................................52
Hình 4.4 Các khâu đồng pha........................................................................................53
Hình 4.5 Các khâu so sánh thường gặp........................................................................55
Hình 4.6 Sơ đồ so sánh hai tín hiệu khác dấu..............................................................56
Hình 4.7 Sơ đồ các khâu khếch đại và phân phối xung :..............................................57
Hình 4.8 Sơ đồ tạo xung chùm dùng khuếch đại thuật tốn.........................................57
Hình 4.9 Đồ thị dạng sóng của khâu tạo xung chùm....................................................58
Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý 2 kênh mạch điều khiển....................................................59
Hình 4.11 Giản đồ các đường cong mạch điều khiển...................................................60
Hình 4.13 Sơ đồ chân IC TL084..................................................................................64
Hình 4.14 Sơ đồ nguồn ni........................................................................................65
Hình 4.15 Sơ đồ hệ thống truyền động điện cho động cơ điện một chiều có đảo chiều

quay, sử dụng bộ biến đổi cầu ba pha..........................................................................72

5


LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả về
chiều rộng lẫn chiều sâu, điện và các máy điện đóng một vai trị rất quan trọng, khơng thể
thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh hoạt của con người.
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền tải..., cả
máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận
hành...Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như 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 (Như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện...).
Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì
giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức
tạp hơn ...
Sau gần 4 năm học tập và nghiên cứu ở trường, em đã được làm quen với các
môn học thuộc ngành . Để áp dụng lý thuyết với thực tế trong học kỳ này chúng em
được giao đồ án môn học truyền động điện với yêu cầu “ Thiết kế hệ thống truyền
động điện cho động cơ điện một chiều không đảo chiều quay, sử dụng bộ biến đổi cầu
ba pha với thông số :
- Công suất định mức của động cơ: Pđm=2,2 (KW).
- Điện áp địmh mức mạch phần ứng: Uđm= 220 (V).
- Dòng điện định mức mạch phần ứng: Iđm=10 (A).
- Tốc độ định mức của động cơ: nđm=2000 (v/p).
- Điện trở cuộn dây phần ứng: Rư = 2.775 ().
- Điện cảm cuộn dây phần ứng : Lư = 0.0961 (H).”
Bản đồ án của em gồm 4 phần chính :
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Chương 2: CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
ĐIỆN 1 CHIỀU
Chương 3: XÁC ĐỊNH VÀ CHỌN CÁC THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC
Chương 4: XÂY DỰNG VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN

6


Trong q trình làm đề tài tốt nghiệp, em ln nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo
tận tình và cung cấp những tài liệu cần thiết của cô giáo Phạm Thị Hồng Anh .Em xin
gửi tới cô lời cảm ơn chân thành. Tuy nhiên, do thời gian và giới hạn của đồ án cùng
với phạm vi nghiên cứu tài liệu với kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế nên bản đồ
án này khơng tránh khỏi những thiếu sót rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cơ để
bản đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Sinh viên thực hiện

7


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều.
Trong thời đại ngày nay, hầu hết các dây chuyền sản xuất của cơng nghiệp đang
dần dần được tự động hố bằng cách áp dụng các khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế
giới. Tuy thế động cơ điện một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng trong
các nghành công nghiệp, giao thơng vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều
chỉnh tốc quay liên tục trong phạm vi rộng như cán thép, hầm mỏ …. Vì động cơ điện
một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt.
1.1.1 Cấu tạo.
Động cơ điện một chiều gồm có hai phần
1

2
3
4
5
6

8
9
10

7

Hình 1.1 Mặt cắt dọc động cơ điện.
Cấu tạo:
1- Vỏ máy (Gông từ)

7- lõi sắt phần ứng

2- Cực từ chính

8- rãnh phần ứng

3- Dây quấn cực từ chính

9- răng phần ứng

4- Cực từ phụ

10- má cực từ

5- Dây quấn cực từ phụ
6- Dây quấn phần ứng
*Phần tĩnh (Stator): Đây là phần đứng yên của máy, nó bao gồm các bộ phận
chính sau:
- Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cự từ và dây quấn
kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện
hay thép cacbon dày 0.5mm đến 1mm ép lại và tán chặt.

8


- Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt giữa các tự từ chính và dùng để cải thiện đổi
chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có
đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính.
- Gơng từ: Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ
máy. Trong máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại. Trong máy
điện lớn thường dùng thép đúc.
- Các bộ phận khác:
+ Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây
quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện. Trong máy điện nhỏ và vừa, nắp
máy cịn có tác dụng làm giá đở ổ bi.
+ Cơ cấu chổi than: Để đưa dịng điện từ phần quay ra ngồi. Cơ cấu chổi than
gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lị xo tì chặt kên cổ góp. Hộp
chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể
quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chổ. Sau khi điều chỉnh xong thì
dùng vít cố định chặt lại.
*Phần quay (Roto): Đây là phần quay (Động) của động cơ gồm có các bộ phận sau.
- Lõi sắt phần ứng: Là lõi sắt dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ
thuật điện (Thép hợp kim silic) dày 0.5mm phủ cách điện mỏng ở hai lớp mặt rồi ép

chặt lại để giảm tổn hao do dịng điện xốy gây nên.
+ Trong những máy cỡ trung bình trở lên, người ta cịn dập những lỗ thơng gió
để khi ép lại thành lõi sắt có thẻ tạo được những lỗ thơng gió dọc trục.
+ Trong những máy hơi lớn thì lõi sắt thường được chia thành từng đoạn nhỏ.
Giũa các đoạn ấy có đẻ một khe hở gọi là khe thơng gió ngang trục
+ Trong máy điện nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.
- Dây quấn phần ứng: Là phần sinh ra suất điện động và có dịng điện chạy qua.
Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ
thường dùng dây có thiết diện trịn.
- Cổ góp: Cổ góp cịn gọi là vành góp hay vành đổi chiều, dùng để đổi chiều
dòng điện xoay chiều thành một chiều.

9


Kết cấu của cổ góp gồm nhiều phiến đồng có hình đi nhạn cách điện vói nhau
bằng lớp mica dầy 0.4 đến 1. 2mm và hợp thành hình trụ trịn. Hai đầu trụ trịn dùng
hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giũa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica.
- Các bộ phận khác.
+ Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế
theo kiểu bảo vệ. Ở hai đầu nắp máy có lỗ thơng gió. Cánh quạt lắp trên trục máy, khi
máy quay cánh quạt hút gió từ ngồi vào máy.
+ Trục máy: Là phần trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi.
Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt.
1.1.2. Các thông số định mức.
Chế độ làm việc định mức của máy điện là chế độ làm việc trong những điều
kiện mà xưỡng chế tạo đã qui định. Chế độ đó được đặt trưng bằng những đại lượng
ghi trên nhãn máy và gọi là những đại lượng định mức. Trên nhãn máy thường ghi
những đại lượng sau:
+ Công suất định mức Pđm (KW hay W);

+ Điện áp dịnh mức Uđm (V);
+ Dòng điện định mức Iđm (A);
+ Tốc độ định mức nđm (vg/ph);
Ngoài ra cịn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ, dịng điện kích từ và các số
liệu về dịng điện sử dụng …
Cần chú ý là công suất định mức của động cơ ở đây là công suất cơ đưa ra ở
đầu trục động cơ.
1.1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.
- Động cơ điện một chiều là một máy điện biến đổi năng lượng điện của dòng
một chiều thành cơ năng. Trong q trình biến đổi đó, một phần năng lượng của dòng
xoay chiều bị tiêu tán do các tổn thất trong mạch phần ứng và mạch kích từ, phần còn
lại năng lượng được biến thành cơ năng trên trục động cơ.
- Khi có dịng điện một chiều chạy vào dây quấn kích thích và dây quấn phần
ứng sẽ sinh ra từ trường ở phần tĩnh. Từ trường này có tác dụng tương hổ lên dịng
điện trên dây quấn phần ứng tạo ra mômen tác dụng lên roto làm cho roto quay. Nhờ
có vành đổi chiều nên dịng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành dòng một chiều đưa

10


vào dây quấn phần ứng. Điều này làm cho lực từ tác dụng lên thanh dẫn dây quấn phần
ứng không bị đổi chiều và làm động cơ quay theo một hướng.
- Cơng suất ứng vói mơmen điện từ đưa ra đối với động cơ gọi là công suất điện
từ và bằng:
Pđt = M. ω = Eư. Iư

Trong đó:

(1-1)

M: là mơmen điện từ;
Iư: Dòng điện phần ứng;
Eư: Suất điện động phần ứng;
ω

: Tốc độ góc phần ứng;

ω=

2.π .n
60

1.2. Phương trình đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều.
- Khi nguồn điện một chiều có cơng suất vơ cùng lớn và điện áp khơng đổi thì
mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi
động cơ kích từ song song.

+

–
Uư
Ikt

Ckt

R
ktf

Hình 1.2 Sơ đồ nối
dây của động cơ kích từ song song.

Iư E
Rf
- Khi nguồn điện một có ←
cơng suất khơng đủ lớn thì mạch phần ứng và kích từ
mắt vào hai nguồn một chiều độc lập nhau, lúc này động cơ được gọi là kích từ độc lập.

11


+

_

Uư
Iư
Ikt

E

Rf

←
Ckt

Rkt

Ukt

+

_

Hình 1.3 Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập.
Do trong thực tế đặc tính của động cơ điện kích thích độc lập và kích thích song
song hầu như là giống nhau, nên ta xét chung đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động
cơ điện kích từ độc lập.
- Theo sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập hình (1-2) ta
viết được phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng ở chế độ xác lập như sau:
Uư = E + (Rư + Rf). Iư;
Trong đó: Uư: Điện áp phần ứng (V);

(1-2)

E: Suất điện động phần ứng (V);
Rf: Điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω);
Rư: Điện trở ủa phần ứng (Ω);
Với Rư = rư + rcf + rcb + rtx ;
Trong đó: rư: Điện trở dây phần ứng (Ω);
rcf: Điện trở cực từ phụ (Ω) ;
rcb: Điện trở cuộn bù (Ω) ;
rtx: Điện trở tiếp xúc của chổi điện (Ω);
Sức điện động E của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:
E=

P .N
.
2.π .a Φ. ω = KΦ.

ω
Trong đó: p: Số đơi cực từ chính ;

N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng;

12

(1-3)


a: Số mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng;
ω: Tốc độ góc (rad/s) ;
Φ: Từ thơng kích từ chính một cực từ (Wb);
Đặt

K=

P. N
2 . π . a : Hệ số kết cấu của động cơ.

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vịng/phút) thì:

ω=

E=K C .φ .n và
Eư =

Vì vậy:

2 .π .n n
=
60
9, 55 ;

P.N
K
. ϕ . n=K c . ϕ . n=
.ϕ . n=0,105. K . ϕ . nTrong đó: Kc: Hệ số
60 α
9,55

sức điện động của động cơ.
Từ các phương trình trên ta có:
ω=

U ư Rư −R f
−
Iư
K.ϕ
Kϕ

(1-4)

Đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều. kích từ độc lập.
Mặt khác ta có mơmen điện từ của động cơ ở chế độ xác lập được xác định theo
biểu thức:
Mdt = K. Φ. Iư ;

(1-5)

U ư Rư + R f
−
. M dt

K . ϕ ( K . ϕ )2

(1-6)

M dt
Suy ra Iư = K .φ , thay Iư vào (1-4) ta có
ω=

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất ma sát trong ổ trục thì ta có thể coi mômen cơ
trên trục động cơ bằng mômen điện từ và ký hiệu là M: Mdt = Mcơ = M ;
Suy ra:

ω=

Uư
R +R
− ư f2 . M
K . ϕ (K .ϕ)

(1-7)

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
- Có thể biểu diễn phương trình đặc cơ dưới dạng khác.
ω = ω0 - ∆ω ;

Trong đó: ω0 ¿

Uư
; Gọi ω0 là tốc độ không tải lý tưởng.
K .ϕ

∆ω =

R ư + Rf
2

(K . ϕ)

.M=

Rư

Σ

(K . ϕ)2

. M; Gọi ∆ω là độ sụt tốc.

13

(1-8)


Giả thiết phần ứng được bù đủ từ thông của động cơ Φ = const, thì các phương
trình đặc tính cơ điện (1-4) và phương trình đặc tính cơ (1-7) là tuyến tính. Đồ thị của
chúng được biểu diễn trên đồ thị là những đường thẳng.
Nếu xét đến tất cả các tổn thất thì: M cơ = Mdt ± ∆M;

Hình 1.4 Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập.
Theo đồ thị trên khi Iư = 0 hoặc M = 0 thì ta có: ω = ω0 =

Uư
, lúc này động cơ đạt
K.ϕ

tốc độ không tải lý tưởng.
Cịn khi ω = 0 thì ta có:
Uư
= Inm ;
Rư + Rf

(1-9)

M = K. Φ. Inm =Mnm;

(1-10)

Iư =
Và

Với Inm, Mnm: Gọi là dịng điện ngắn mạch và mơmen ngắn mạch.

14


Hình 1.2.4: Đặc tình cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập.
Từ phương trình đặc tính cơ (1-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến phương
trình đặc tính cơ đó là từ thơng, điện áp phần ứng, điện trở phần ứng của động cơ. thay
đổi các tham số trên ta thay đổi được tốc độ và mômen động cơ theo ý muốn. Do

phương trình đặc tính cơ phụ thuộc vào ba tham số trên, tương ứng với đó ta sẽ có ba
phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ.
1.3.1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ.
Giả thiết Uư = Udm = const và Φ = Φđm = const
Ta có phương trình đặc tính cơ tổng quát:
ω=

U ư R ư + R ưf
−
. M hay ω = ω0 - ∆ω;
K . ϕ ( K . ϕ )2

Tốc độ không tải lý tưởng: ω0 =

Độ cứng đặc tính cơ:

β =

Uư
= const;
K.ϕ

ΔM
Δω

−(K . ϕdm )2
R ư + Rf ;
=

(1-11)

(1-12)

Muốn thay đổi tốc độ động cơ thì ta thay điện trở phần ứng bằng cách mắt thêm
điện trở phụ vào mạch phần ứng của động cơ. Khi thay đổi điện trở phụ R f thì tốc độ
khơng tải lý tưởng ω0 = const, còn ∆ω sẽ thay đổi theo Rf như vậy lúc này các đường
đặc tính cơ sẽ thay đổi nhưng vẫn đi qua điểm cố định là ω 0. Từ (1-12) ta thấy khi điện
trở phụ Rf = 0 thì β có giá trị lớn nhất ứng với đường đặc tính cơ tự nhiên, cịn khi R f

15


càng lớn thì β càng nhỏ và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Như vậy
khi thay đổi điện trở phụ của động cơ ta sẽ được một họ đặc tính cơ có dạng như hình 1-6.
Độ cứng đặc tính cơ:

β =

ΔM
Δω

−(K . ϕdm )2
= R ư + Rf ;

(1-13)

Muốn thay đổi tốc độ động cơ thì ta thay điện trở phần ứng bằng cách mắt thêm
điện trở phụ vào mạch phần ứng của động cơ. Khi thay đổi điện trở phụ R f thì tốc độ
khơng tải lý tưởng ω0 = cont, cịn ∆ω sẽ thay đổi theo R f như vậy lúc này các đường
đặc tính cơ sẽ thay đổi nhưng vẫn đi qua điểm cố định là ω 0. Từ (1-12) ta thấy khi điện

trở phụ Rf = 0 thì β có giá trị lớn nhất ứng với đường đặc tính cơ tự nhiên, cịn khi R f
càng lớn thì β càng nhỏ và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Như vậy
khi thay đổi điện trở phụ của động cơ ta sẽ được một họ đặc tính cơ có dạng như hình 1-6.

Hình 1.5 Sơ đồ điều chỉnh tốc ĐCĐMCKTĐL bằng cách thay đổi điện phụ của mạch
phần ứng.
Ta có: 0 < Rf1 < Rf2 < Rf3 < …. . thì ωdm > ω1 > ω2 > ω3 > …. nhưng nếu ta tăng
Rf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm cho M ≤ M c dẫn đến động cơ sẽ quay không được
và động cơ sẽ làm việc ở chế độ ngắn mạch ω = 0, đến bây giờ ta có thay đổi R f thì
động cơ vẫn khơng khơng quay nữa. Do đó phương pháp này gọi là phương pháp điều
chỉnh tốc độ không triệt để.

16


Hình 1.6 Đặc tình điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện
trở phụ phần ứng.
Vậy ứng với một phụ tải Mc nào đó nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng
giảm, đồng thời dịng điện ngắn mạch Inm và mơmen ngắn mạch Mnm càng giảm
1.3.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng kích từ của động cơ.
Giả thiết điện áp phần ứng: Uư = Udm = const;
Từ phương trình đặc tính cơ tổng qt:
ω=

Uư
Rư Σ
−
.M ; → ω = ω0 - ∆ω ;
K . ϕ ( K . ϕ)2

Trong trường hợp này tốc độ không tải: ω0x =

Uư
;
K.ϕ

(K . ϕ x )2
Độ cứng đặc tính cơ: β = –
;
Rư

Ta thấy rằng thay đổi từ thơng Φ thì ω0 và ∆ω đều thay đổi theo, Dẩn đến ω
thay đổi theo. Vì vậy ta sẽ được họ các đường đặc tính điều chỉnh dốc dần (Do độ
cứng đặc tính cơ β giảm) và cao hơn đặc tính cơ tự nhiên khi Φ càng nhỏ, với tải như
nhau thì tốc độ càng khi giảm tư thông Φ.
Như vậy: ứng với Φdm > Φ1 > Φ2>……. thì ωdm < ω1 < ω2 <……, nhưng nếu
giảm Φ q nhỏ thì ta có thể làm cho tốc độ động cơ quá lớn quá giới hạn cho phép,
hoạt làm cho điều kiện chuyển mạch bị xấu đi, do dòng phần ứng tăng cao, hoặc để
đảm bảo chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ
làm cho momen cho phép trên trục động cơ giảm nhanh, dẫn đến động cơ bị quá tải.

17


Hình 1.7 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cánh thay đổi từ thơng Φ.

Hình 1.8 Đăc tính điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi từ thông Φ.
1.3.3. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của
động cơ.
Giả thiết từ thông Φ = Φdm = const, khi ta thay đổi điện áp phần ứng theo hướng

giảm so với Uđm.
Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát:
ω=

Uư
Rư
−
.M
K . ϕ ( K . ϕ)2

→ ω = ω0 - ∆ω;

Ta có:
Tốc độ khơng tải:

ω 0 x=

Ux
K . φdm ;

Độ cứng đặc tính cơ: β=

( K . ϕdm )2
=const
Rư

18


Hình 1.9 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Uư

Ta thấy rằng khi thay đổi U ư thì ω0 thay đổi cịn ∆ω = const, vì vậy ta sẽ được
họ các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau. Nhưng muốn thay đổi U ư thì
phải có bộ nguồn một chiều thay đổi đươc điện áp ra, thường là dùng các bộ biến đổi.
Các bộ biến đổi có thể là:
+ Bộ biến đổi máy điện: Dùng máy phát điện một chiều (F), máy điện khếch đại
(MĐKĐ).
+ Bộ biến đổi từ: Khếch đại từ (KĐT) một pha, ba pha.
+ Bộ biến đổi điện từ - bán dẫn: Các bộ chỉnh lưu (CL), các bộ băm điện áp
(BĐA), dùng transistor và thyistor.
Ta thấy rằng, khi thay đổi điện áp phần ứng (Giảm áp) thì mơmen ngắn mạch
Mnm, và dòng điện ngắn mạch Inm của động cơ giảm và tốc độ cũng giảm ứng với một
phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ
động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.
1.3.4. Nhận xét về ưu nhược điểm từng phương pháp.
*Phương pháp thay đổi tốc đồ bằng cách thay đổi điện trở phụ.
Ưu điểm: Phương pháp thay đổi điện trở phụ lắp vào phần ứng động cơ có ưu
điểm là đơn giản, rẻ tiền, dễ điều chỉnh tốc độ động cơ. Hay dùng điều chỉnh tốc độ
động cơ cho các phụ tải là thế năng.
Nhược điểm: Phương pháp này điều chỉnh tốc độ không triệt để. Khi điều chỉnh
càng sâu thì sai số tĩnh càng lớn; phạm vi điều chỉnh hẹp, dịng phần ứng lớn, cơng

19


suất điều chỉnh lớn, tổn hao trong quá trình điều khiển lớn. Phương pháp này thường
được sử dụng cho các máy nâng – vận chuyển có yêu cầu điều chỉnh tốc độ không cao.
* Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi từ thơng
kích từ.
Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ này có thể điều chỉnh vô cấp và cho
tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản. Tổn thất năng lượng ít.

Nhược điểm: Việc điều chỉnh từ thơng phi tuyến là khó khăn, dịng điện thay
đổi khó tính tốn chính xác dịng điều khiển và momen tải vậy nên phương pháp này
cũng ít dùng.
*Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp phần
ứng động cơ
Ưu điểm: Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để vơ cấp có nghĩa là có thể điều
chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tưởng.
Nhược điểm: Phải cần có bộ nguồn có điện áp thay đổi được nên vốn đầu tư cơ
bản và chi phí vận hành cao.
Dựa vào các ưu nhược điểm của nhận xét trên nên trong đồ án em sử dụng
phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ động lập bằng phương pháp
thay đổi điện áp mạch phần ứng sử dụng hệ T-Đ nó có ưu điểm là: Độ tác động nhanh,
dễ dàng tự động hóa, van có hệ số khuếch đại công suất lớn nâng caao chất lượng đặc
tính tĩnh và động của hệ thống.
1.4. Các đặc tính cơ khi hãm động cơ một chiều kích từ độc lập.
Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mơmen quay ngược chiều với tốc độ, hay
cịn gọi là chế độ máy phát. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm:
1.4.1. Hãm tái sinh.
Hãm tái sinh khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (ω
> ω0). Khi hãm tái sinh, sức điện động của động cơ lớn hơn điện áp nguồn (E > U ư),
động cơ làm việc như một máy phát song song với lưới và trả năng lượng về nguồn,
lúc này thì dịng hãm và mômen hãm đã đổi chiều so với chế độ động cơ.
Khi hãm tái sinh:
I h=

U ư −E ư Kϕω0−Kϕω
=
R
R

20


M h=K . ϕ . I h <0

(1-14)

- Một số trường hợp hãm tái sinh:
a, Hãm tái sinh khi ω > ω 0: Lúc này máy sản suất như là nguồn động lực quay
rôto động cơ, làm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả về nguồn.
Vì E > Uư, do đó dịng điện phần ứng sẽ thay đổi chiều so với trạng thái động cơ:
Iư = Ih =

U ư −E
<0 ;
Rư Σ

Mh = KФ. Ih < 0 ;
Mômen động cơ đổi chiều (M < 0) và trở nên ngược chiều với tốc độ và trở
thành mômen hãm (Mh).

Hình 1.10 Hãm tái sinh khi có động lực quay động cơ.
b) Hãm tái sinh khi giảm điện áp phần ứng (Uư2mômen thế năng (Mc = Mtn). Khi giảm điện áp nguồn đột ngột, nghĩa là tốc độ ω 0 giảm
đột ngột trong khi tốc độ ω chưa kịp giảm, do đó làm cho tốc độ trên trục động cơ lớn
hơn tốc độ không tải lý tưởng (ω > ω 02). Về mặt năng lượng, do động năng tích luỹ ở
tốc độ cao lớn sẽ tuôn vào trục động cơ làm cho động cơ trở thành máy phát phát năng
lượng trả lại nguồn (hay còn gọi là hãm tái sinh).

21

Hình 1.11 Hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách giảm điện áp phần ứng.
c) Hãm tái sinh khi đảo chiều điện áp phần ứng (+Uư → - Uư):
Lúc này Mc là dạng mômen thế năng (M c = Mtn). Khi đảo chiều điện áp phần
ứng, nghĩa là đảo chiều tốc độ + ω0 → - ω0, động cơ sẽ dần chuyển sang đường đặc
tính có – Uư, và sẽ làm việc tại điểm B (

|ω B|>|−ω0| ). Về mặt năng lượng, do thế

năng tích luỹ ở trên cao lớn sẽ tuôn vào động cơ, làm cho động cơ trở thành máy phát
và phát năng lượng trả lại về nguồn.
1.4.2. Hãm ngược.
Hãm ngược là khi mômen hãm của động cơ ngược chiều với tốc độ quay của
động cơ (M ↑↓ ω). Hãm ngược có hai trường hợp:
a, Đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng:
Động cơ đang làm việc ở điển A ta đưa thêm R ưf lớn vào mạch phần ứng thì
động cơ sẽ chuyển sang điểm B, D làm việc ổn định ở điểm E (ω = ω E và ωơđ ↑↓ ωA)
trên trên đặc tính cơ có thêm R ưf lớn, và doạn DE là đoạn hãm ngược, động cơ làm
việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện, lúc này sức điện động của động cơ đảo
dấu nên:

Ih =

U ư + Eư R ư + Kϕω
=
;
R ư + Rưf
Rư + R ưf

(1-15)

Mh = KФ. Ih ;
Tại thời điểm chuyển đổi mạch điện thì mômen động cơ nhỏ hơn mômen cản
(MB < Mc) nên tốc độ động cơ giảm dần. Khi ω = 0, động cơ ở chế độ ngắn mạch

22


Hình 1.12 a) Sơ đồ hãm ngược bằng cách thêm Rưf.
b) Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách thêm Rưf.
b, Hãm ngược bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng:
Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đổi chiều điện áp phần ứng (vì dịng đảo
chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để hạn chế) thì động cơ sẽ
chuyển sang làm việc tại điểm B, C và sẽ làm việc xác lập ở D nếu phụ tải ma sát.
Đoạn BC là đoạn hãm ngược, lúc này dịng hảm và mơmen hãm của động cơ:
Ih =

U ư −E ư U ư + Kϕω
=
< 0;
R ư + Rưf
R ư + Rưf

(1-16)

Mh = KФ. Ih < 0 ;
Phương trình đặc tính cơ:
ω=

−U ư Rư + R ưf
−
.M
2
Kϕ
( Kϕ)

Hình 1.13 a, Sơ đồ hãm ngược bằng cách đảo chiều Uư.

23

(1-17)


b, Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách đảo chiều Uư .
1.4.3. Hãm động năng.
Ở đây ta chỉ xét hãm động năng kích từ độc lập. Động cơ đang làm việc với
lưới điện (Điểm A), thực hiện cắt phần ứng động cơ ra khỏi lưới điện và đóng vào một
điện trở hãm Rh, do động năng tích luỹ trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó
làm việc như một máy phát biến cơ năng thành nhiệt năng trên điện trở hãm và điện
trở phần ứng.
Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng:
ω =

−Rư + Rh
(Kϕ)2

.M

(1-18)

Tại thời điểm hãm ban đầu, tốc độ hãm ban đầu ωhđ nên sức điện động ban đầu,
dòng điện hãm ban đầu và mômen hãm ban đầu.
Ehđ = KФωhđ ;
Ihđ =

−Ehđ −Kϕωhđ
=
< 0;
R ư + Rh Rư + Rh

(1-19)

Mhđ = KФ. Ihđ < 0 ;
Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng nếu mômen cản là phản
kháng thì động cơ sẽ dừng hẵn (Các đoạn B 10 hoặc B20), cịn nếu mơmen cản là thế
năng thì dưới tác dụng của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại (ω ôđ1 hoặc
ωôđ2).

24