Tài liệu Chương 1: Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều pdf

Chơng 1
Các phơng pháp điều khiển động cơ một
chiều
1.1

Khái niệm chung
Điều khiển tốc độ là một yêu cầu cần thiết tất yếu của các máy sản xuất. Ta biết rằng
hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo từng công việc, điều kiện làm
việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau để tối u hoá quá trình sản xuất. Muốn có đợc
các tốc độ khác nhau trên máy ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy nh tỉ số truyền
hoặc thay đổi tốc độ của chính động cơ truyền động. ở đây chúng tôi chỉ khảo sát theo
phơng pháp thay đổi tốc độ động cơ truyền động.
Tốc độ làm việc của động cơ do ngời điều khiển quy định đợc gọi là tốc độ đặt. Trong
quá trình làm việc, tốc độ động cơ có thể bị thay đổi vì tốc độ của động cơ phụ thuộc rất
nhiều vào các thông số nguồn, mạch và tải nên khi các thông số thay đổi thì tốc độ của
động cơ sẽ bị thay đổi theo. Tình trạng đó gây ra sai số về tốc độ và có thể không cho phép.
Để khắc phục ngời ta dùng những phơng pháp ổn định tốc độ.
Độ ổn định tốc độ còn ảnh hởng quan trọng đến giải điều chỉnh (phạm vi điều chỉnh
tốc độ) và khả năng quá tải của động cơ. Độ ổn định càng cao thì giải điều chỉnh càng có
khả năng mở rộng và mômen quá tải càng lớn.
Có rất nhiều phơng pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ nh:
ã

Điều chỉnh tham số.

ã

Điều chỉnh điện áp nguồn.

ã

Điều chỉnh cấu trúc sơ đồ.

ở đây chúng tôi chỉ đề cập đến các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều.

1.2

Cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại và phơng trình cơ bản của
động cơ một chiều
Hà Ngọc Thắng




Cấu tạo

1.2.1

Cấu tạo của động cơ điện gồm stator, rotor vµ hƯ thèng chỉi than - vµnh gãp. Stator bao
gåm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích) gồm các
bối dây đặt trong rÃnh của lõi sắt. Số lợng cực từ chính phụ thuộc tốc độ quay. Đối với
động cơ công suất nhá ng−êi ta cã thĨ kÝch tõ b»ng nam ch©m vĩnh cửu.
Rôtor (còn gọi là phần ứng) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có rÃnh để đặt các
phần tử của dây quấn phần ứng. Điện áp một chiều đợc đa vào phần ứng qua hệ thống
chổi than - vành góp. Kết cấu của giá đỡ chổi than có khả năng điều chỉnh áp lực tiếp xúc
và tự động duy trì áp lực tuỳ theo độ mòn của chổi than.
Chức năng của chổi than - vành góp là để đa điện áp một chiều vào cuộn dây phần ứng
và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Sè l−ỵng chỉi than b»ng sè l−ỵng cùc tõ (
mét nửa có cực tính dơng và một nửa có cực tính âm).

1.2.2

Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ
xuất hiện dòng kích từ ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông . Tiếp đó đặt một giá
trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có một dòng điện i chạy
qua. Tơng tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành mômen điện từ.
Giá trị của mômen điện từ đợc tính nh sau:

m=

p.n
I = kI
2 a

Trong đó các p: số đôi cực của động
n: số thanh dẫn phần ứng dới một cực từ.
a: số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng.
k: hệ số kết cấu của máy.
Và mômen điện từ này kéo cho phần ứng quay quanh trục.

1.2.3

Phân loại động cơ một chiều.
Căn cứ vào phơng pháp kích từ ngời ta chia động cơ điện một chiều ra các loại nh
sau:
-

Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.

Hà Ngọc Thắng



-

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phần kích từ đợc

cung cấp bởi hai nguồn riêng rẽ.

Hình 1.1

-

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích thích đợc mắc nối tiếp

với phần ứng.

-

Động cơ điện một chiều kích từ song song: cuộn dây kích thích đợc mắc song

song với phần ứng.

-

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: gồm có hai cuộn dây kích thích,

một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn còn lại mắc song song với phần ứng.

Hà Ngọc Thắng




1.2.4

Các phơng trình cơ bản của máy điện một chiều

Điện áp phần ứng:

E=K

Sức điện động phần ứng:
Mômen phần ứng:
Công suất điện từ.
Từ thông kích từ:
Trong đó các đại lợng:
I , I t : là dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ.

U: điện áp của lới điện một chiều.
E: Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây rôtor khi nã quay trong tõ tr−êng do cuén d©y
kÝch tõ tạo ra.
R : điện trở phần ứng của động cơ điện một chiều.
[ Wb] : từ thông kích thích của động cơ.

M [ Nm ] : mômen phần ứng của động cơ.

n(vòng/phút): tốc độ quay của động cơ.

K1 , K 2 , K 3 : là các hằng số tỷ lệ.

1.3 Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Từ phơng trình cơ bản ta thấy có rất nhiều phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ điện
một chiều.

Hà Ngọc Thắng



ở đây chúng tôi chỉ để cập đến các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều bằng cách điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng của động cơ điện.
Về nguyên tắc, phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp
nguồn cung cấp có thể sử dụng cho các động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ. Tuy
nhiên trong thực tế nó đợc sử dụng chủ yếu cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Điều đó đợc rút ra từ phơng trình đặc tính cơ của động cơ ®iƯn mét chiỊu kÝch tõ ®éc
lËp.

ω=

U R − + R p

.M
2
k
(k )

Trong đó:

Rvà Rp :

là điện trở phần ứng và điện trở phụ mắc nối tiếp trong phần ứng.
k :

là hằn

M :

là mô

:

là từ t

U :

điện á

Từ phơng trình trên ta thấy khi R, Rp, M, k, không ®ỉi, nÕu ta thay ®ỉi U th× tèc ®é
gãc ω của động cơ sẽ thay đổi.

1.3.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng các bộ chỉnh lu bán dẫn
Để thực hiện phơng pháp điều chỉnh này, cần phải có một nguồn cung cấp mà điện áp
của nó có thể thay đổi đợc để cung cấp cho phần ứng của động cơ. Các nguồn điện áp này
thờng đợc tạo ra bởi một bộ chỉnh lu bán dẫn có điều khiển (Thysistor) hoặc không có
điều khiển (điôt).
Điểu chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ điều chỉnh điện áp và bộ chỉnh lu điôt.

Hà Ngọc Thắng

Hình 1.5
Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh lu có điều khiển.

Hình 1.6
Sơ đồ 1.5 muốn thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ ta phải sử dụng bộ điều chỉnh
điện áp.
Sơ đồ 1.6 điện áp đặt lên phần ứng động cơ phụ thuộc góc mở của Thysistor của bộ
chỉnh lu có điều khiển.

1.3.2

Điều chỉnh tốc độ động cơ khi sử dụng thiết bị điều chỉnh xung áp
Phơng pháp điều chỉnh này là đóng ngắt động cơ vào nguồn cung cấp một cách có chu
kỳ. Khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, năng lợng đợc đa từ nguồn vào động cơ.
Năng lợng này phần chủ yếu đợc truyền qua trục của động cơ, phần còn lại đợc tích ở
dạng động năng và năng lợng điện từ. Khi ngắt động cơ ra khỏi nguồn thì hệ truyền động
vẫn tiếp tục làm việc nhờ năng lợng tích luỹ đó.

Sơ đồ điều chỉnh xung áp của ĐCMC kích từ độc lập.

Hà Ngọc Thắng




Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ tơng đơng của bộ điều chỉnh xung áp.

Hình 1.8: Biểu đồ thời gian điện áp và dòng điện.

Trong hệ thống này nhờ một khoá chuyển đổi K (có thể là chuyển mạch cơ khí hay
chuyển mạch điện từ). Mà phần ứng động cơ đợc đóng, ngắt một cách có chu kỳ vào
nguồn điện một chiều có điện áp không đổi. Trong khoảng thời gian t1 khoá K đóng, động
cơ đợc cấp nguồn, nếu bỏ qua sụt áp trên khoá K thì Ut = U.
Trong khoảng thời gian t2 khoá K ngắt. Do ảnh hởng của các điện cảm phía một
chiều (điện cảm phần ứng động cơ và điện cảm phần lọc nếu có) dòng điện iu tiếp tục chảy
qua điôt D. Điện áp Ut ở giai đoạn này bằng sụt áp thuận trên điôt nhng ngợc dấu Ut =
UD.

Hà Ngọc Thắng



Từ đồ thị hình 1.8 ta thấy rằng trị số trung bình của dòng điện trong phần ứng itb quyết
định tốc độ động cơ. Do đó, để thay đổi tốc độ động cơ chỉ cần thay đổi trị số của dòng
điện trung bình trong phần ứng itb. Để thay đổi dòng điện trung bình itb có thể thay đổi t1
hoặc thay đổi t2 hoặc thay đổi cả t1 và t2. Nếu giữ nguyên chu kì đóng ngắt của khoá (Tck =
const) thay đổi t1 thì ta có phơng pháp điều chỉnh xung theo độ rộng. Nếu giữ nguyên thời
gian đóng khoá (t1= const) và thay đổi t2 thì ta có phơng pháp điều chỉnh tần số xung.
Phơng pháp biến đổi độ rộng xung đợc sử dụng phổ biến hơn vì nó cho phạm vi điều
chỉnh rộng hơn. Phơng pháp điều chỉnh tần số xung có sơ đồ đơn giản hơn nhng phạm vi
điều chỉnh hẹp vì nếu tăng t2 quá lớn thì Tck nghĩa là về thực chất ý nghĩa điều chỉnh
xung không còn nữa.

1.3.3 Phơng pháp điều chỉnh điện áp một chiều có đổi chiều quay
Khi điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, ngời ta thực hiện đổi chiều quay của nó
theo nhiều cách khác nhau. Nếu chiều của dòng điện kích từ cố định để đổi chiều quay của
động cơ phải đổi cực tính của điện áp nguồn đặt vào phần ứng. Cũng có thể giữ nguyên
điện áp cực tính phần ứng nhng đổi chiều dòng kích từ.
Sơ đồ nguyên lý thực hiện đảo chiều động cơ điện một chiều kích từ độc lập theo phơng

pháp thay đổi cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ.

Hà Ngọc Thắng




Hình 1.9
Trong phơng pháp điều khiển này các cặp van K1 và K3, K2 và K4 thay nhau đóng
ngắt. Thực hiện đảo chiều bằng cách : trong thời gian t1 cho K1 và K3 đóng(K2 và K4 ngắt)
đầu A của phần ứng đợc nối với dơng nguồn, đầu B đợc nối với âm nguồn. Trong
khoảng thời gian t2 cho K2 và K4 đóng (K1 và K3 ngắt) thì đầu B của phần ứng đợc nối
với dơng nguồn còn đầu A của phần ứng đợc nối với âm nguồn. Khi đó điện áp trung
bình trên phần ứng động cơ là:
U tb =

U(t 1 t 2 )
Tck

t1
=
Tck

Đặt:

Ut

Nh vậy ta thấy bằng cách biến đổi ( thực chất là biến đổi t1 và t2) ta thấy không những
biến đổi đợc trị số của Utb mà còn thay đổi đợc dấu của nó và nh vậy ta chẳng những
điều chỉnh đợc tốc độ động cơ mà còn thực hiện đảo chiều quay.

1.4

Một số phơng pháp điều khiển tốc độ dùng Transistor và Thyristor

1.4.1

Phơng án điều khiển dùng Transistor
Khi điều khiển tốc độ động cơ công suất nhỏ và điện áp phần ứng nhỏ ngời ta thờng
dùng sơ đồ điều khiển bằng Transistor vì việc điều khiển Transistor rất dễ dàng tiện lợi,
mạch điều khiển đơn giản, độ tin cậy cao, đặc biệt khi sử dụng phơng pháp điều khiển
xung.

Hà Ngọc Thắng




1.4.1.1

Phơng án điều khiển tốc độ động cơ một chiều không đảo chiều
quay dùng Transistor.

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều không đảo chiều
quay dùng Transistor
T1 đóng vai trò tầng khuếch đại sơ bộ mắc theo kiểu Colletor chung (mạch lặp Emitor)
T2 và T3 là tầng khuếch đại công suất mắc theo kiểu Darlington để có công suất ra lớn.
Chức năng của mạch do T2 quyết định còn T3 có tác dụng khuếch đại dòng điện ra.
Nguyên lý hoạt động: khi có xung có điều khiển Uv đa vào bazơ của T1 sẽ tạo thiên áp
cho T1 do đó T1 mở. Tín hiệu ra trên emitor của T1 đa vào bazơ của T2 làm cho T2 và T3

làm việc dẫn đến điện áp phần ứng của động cơ đợc khuếch đại lên. Xung điều khiển có
thể thay đổi bằng cách điều chỉnh tần số xung (độ rộng xung) dẫn đến Ube của T1 thay đổi
làm cho Uce của T1 thay đổi theo, qua khuếch đại công suất T2 và T3 làm cho điện áp đặt
vào phần ứng của động cơ một chiều thay đổi, do đó tốc độ động cơ thay đổi.

1.4.1.2

Phơng án điều khiển có đảo chiều quay
Nguyên lý làm việc:
ở chÕ ®é quay thn: Ng−êi ta ®−a xung ®iỊu khiĨn Udk1 vào cực bazơ của T1 và T4 lúc
này cả 2 Transistor T1 và T4 đều mở do đó có dòng điện đi từ dơng nguồn qua T1 đến
phần ứng động cơ rồi qua T4 về âm nguồn, động cơ quay theo chiều thuận.

Hà Ngọc Thắng



Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều có đảo chiều quay
ở chế độ quay ngợc: khi cả 4 Transistor đều khoá, để động cơ quay ngợc lại ngời ta
đa xung điều khiển Udk2 vào cực bazơ của T2 và T3 dẫn đến cả hai Transistor T2 và T3
đều mở, dòng điện đi từ dơng nguồn qua T2 đến phần ứng động cơ rồi qua T3 về âm
nguồn. Động cơ quay theo chiều ngợc lại.

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý mạch đảo chiều động cơ dùng Transistor và khuếch đại thuật
toán
Hình 1.12 mô tả mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều có đảo chiều quay dùng
khuếch đại thuật toán và đèn bán dẫn công suất.
Mạch gồm 2 tầng khuếch đại.
ã

Tầng 1 là tầng khuếch đại điện áp đầu vào sử dụng bộ khuếch đại thuật

toán 741.
ã

Tầng 2 là tầng khuếch đại công suất dùng T1, T2, T3, T4 ghép kiểu

Darlington. Điện áp cung cấp cho tầng khuếch đại công suất là 12 V. Mạch phản hồi âm
đợc báo từ đầu ra cuối cùng của khuếch đại thuật toán. D1, D2 là 2 điôt ổn định điện áp
cho khuếch đại thuật toán. Tụ C1và C2 cùng với R10 có tác dụng lọc thành phần xoay
chiều do động cơ làm việc ở chế độ máy phát phát ra khi ta đổi chiều quay. Rf là điện trở
mạch phản hồi.
Nguyên lý hoạt động:

Hà Ngäc Th¾ng



Khi Udk có cực tính dơng thì ở chân 6 của bộ khuếch đại thuật toán có điện áp âm đặt
vào bazơ của T1 và T2 do T1 là loại npn và T2 là loại pnp do đó T1 khoá còn T2 dẫn. Khi
T2 dẫn thì âm nguồn (-12V) qua R5, qua T2 ( lúc này dẫn) đặt vào bazơ của T3 và T4.
Cũng do T3 là loại npn, T4 là loại pnp do đó T3 bị khoá còn T4 dẫn. Do T2 và T4 dẫn nên
có dòng điện đi từ 0 qua động cơ qua T4 rồi về âm nguồn (-12V) động cơ quay theo một
chiều nhất định. Đây là sơ đồ mạch phản hồi âm điện áp.
Nguyên tắc giữ ổn định tốc độ nh sau: Giả sử tốc độ động cơ giảm dòng điện Id tăng
làm điện áp tại đầu ra là UR giảm. Thông qua điện trở phản hồi Rf điện thế ở đầu vào chân 2
của khuếch đại thuật toán tăng lên vì U2 = Udk - UR mà Udk = cosnt nên UR giảm thì U2 tăng.
Khi điện áp ở đầu vào 2 của khuếch đại thuật toán tăng thì điện áp ở đầu ra 6 cũng tăng
theo làm cho UR tăng. UR tăng làm cho tốc độ động cơ tăng lên.
Ngợc lại khi Udk có cực tính âm thì đầu ra 6 có điện áp dơng đặt vào bazơ của T1 và

T2. Lúc này T1 và T3 dẫn còn T2 va T4 khoá, do đó sẽ có dòng đi từ dơng nguồn (+12V)
qua T3 qua động cơ rồi về 0 làm cho động cơ quay theo chiều ngợc lại. Quá trình tự động
giữ ổn định tốc độ động cơ giống nh trên.

1.4.2

Phơng án điều chỉnh dùng Thyristor
Khi điều khiển động cơ có công suất lớn và điện áp phần ứng cao ngời ta cũng có thể
dùng Transistor nhng phải sử dụng các Transistor đặc biệt có thể dùng với điện áp cao và
dòng điện lớn. Tuy nhiên phơng án dùng Thyristor bị hạn chế vì giá thành linh kiện rất
đắt. Khi điều khiển động cơ có điện áp phần ứng lớn lúc đó dùng Transistor là không hợp lý
ta phải sử dụng phơng pháp ®iỊu khiĨn dïng Thyristor.
S¬ ®å ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng cơ một chiều kích từ độc lập quay theo một chiều cố định
dùng điôt và Thyristor.

Hà Ngọc Thắng




Hình1.13 - Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều dùng điôt và Thyristor
Trong đó:
D1, D2, D3, D4 làm thành mạch chỉnh lu hai nửa chu kì.
L và D5 có tác dụng san bằng dòng điện.
Thyristor T có tác dụng điều chỉnh điện áp ra của bộ chỉnh lu.

Hà Ngọc Thắng