Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
Chơng 4
Điều chỉnh tốc độ truyền động điện
Các hệ thống bộ biến đổi - động cơ
Đ 4.1. Hệ bộ biến đổi - động cơ một chiều:
4.1.1. Hệ Máy phát - Động cơ một chiều (F-Đ):
Trớc đây, hệ thống Máy phát - Động cơ một chiều là một hệ
truyền động điện điều chỉnh tốt nhất. Điều chỉnh tốc động động cơ rất
linh hoạt và thuận tiện. Tuy nhiên hệ thống dùng nhiều máy điện quay
nên cồng kềnh, khi làm việc gây ồn, rung, nên đòi hỏi phải có nền
móng vững chắc. Sơ đồ nguyên lý nh hình 4-1.
Coi mạch từ máy phát cha bảo hoà, nên ta có:
E
F
= K
F
.
F
.
F
= K
F

Phơng trình đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ dùng máy phát:







=-
=-
E
R

K.U
R

F
FKF
K
K
M
K
K
M
Đ
Đ
Đ
Đ
()
()

= 0) là chế
độ hãm tái sinh hay chế độ máy phát ( >
0
) của động cơ;
Trang 129
~
ĐK
F Đ
U
KĐ
U
đk

U
đkU
i
KĐ
i
KF

F

Đ
M
MSX
U
KF
H
ình 4-1: Điều chỉnh tốc độ động cơ ĐM
đl

Fđm
E
F1
>0
E
F
= 0
E

F1
<0
U

I

e
Đ
e
F
ĐS
C
ktF
I
ktF
+
-
C
ktĐ
I
ktĐ

= const) thì động cơ sẽ chuyển
dần từ chế độ động cơ thuận (A) sang hãm tái sinh, hãm ngợc, khởi
động ngợc và sẽ làm việc xác lập ở điểm B (chế độ hãm tái sinh).
Khi điều chỉnh E
F
thì sẽ thay đổi đợc tốc độ động cơ
cb
;
khi đảo chiều i
ktF
thì đảo chiều đợc E
F
và nh vậy đảo chiều đợc .
Nếu kết hợp điều chỉnh và đảo chiều từ thông của động cơ thì sẽ
điều chỉnh và đảo chiều đợc tốc độ của động cơ
cb
.
Nh vậy, kết hợp điều chỉnh i
ktF
và i
ktĐ
thì sẽ điều chỉnh đợc tốc
độ động cơ
cb
và
cb
(cả 2 vùng tốc độ).
4.1.2. Hệ Chỉnh lu - Động cơ một chiều (CL-ĐM):
Khi ta dùng các bộ chỉnh lu có điều khiển - hay là các bộ chỉnh
lu dùng thyristor để làm bộ nguồn một chiều cung cấp cho phần ứng

+
=-
+
=-
E
E
đm
cl
đm
đm
cl
đm
'
d
d
K
RR
K
I
K
RR
K
M
0
0
2
0
.cos
.
.cos


E
d

0đm Trang 131
~
ĐM
U
KĐ
U
đk

i
KĐ

Đ
M
MSX

cl
R


đm
I
c
I
d
b)
E
d0

1
E
d
>0
E
d
<0
E
d
=0
G
iới hạn

max




X+2fL
1-
m
cotg
m
d.blt
d0
BA l u










(4-5)
Trong đó: X
BA
- điện kháng máy biến áp.
L


- Điện cảm tổng mạch phần ứng.
f
l
- tần số lới.
m - số pha chỉnh lu.

EU
K
EmU
K
mv
mv


đm
đm
0
m

m

.cos( / )
(4-6)
Trong đó: E
2m
- biên độ sức điện động thứ cấp máy biến áp CL.
Đờng giới hạn tốc độ cực đại:




gh
du
dblt
E
K

khiển riêng.
* Phơng pháp điều khiển chung: tín hiệu điều khiển đợc đa
vào cả 2 nhóm van sao cho thoả mãn (4-8). Đối với phơng pháp này,
có thể xuất hiện dòng điện cân bằng chạy qua 2 bộ chỉnh lu, không
qua tải, gây quá tải cho các van và máy biến áp, cho nên cần hạn chế
dòng cân bằng, thờng dùng các cuộn kháng cân bằng CK để hạn chế
dòng cân bằng.
Trong phơng pháp điều khiển chung, khi
phối hợp điều khiển
kiểu tuyến tính:

1
+
2
= (4-9)
Khi đó, các đặc tính cơ của hệ T - ĐM sẽ gần giống hệ F - Đ
(hình 4-5a).
Khi
phối hợp điều khiển kiểu phi tuyến (phối hợp không hoàn
toàn) thì sẽ có thêm hệ số phi tuyến :

1
+
2
= + (4-
10)
Góc phụ thuộc vào các giá trị của
1
và
2

điều chỉnh tốc độ.
Nếu kết hợp điều chỉnh và đảo chiều từ thông của động cơ thì sẽ
điều chỉnh và đảo chiều đợc tốc độ của động cơ
cb
.

Trang 134
Nh vậy, kết hợp điều chỉnh i
ktF
và i
ktĐ
thì sẽ điều chỉnh đợc tốc
độ động cơ
cb
và
cb
(cả 2 vùng tốc độ).
4.1.3. Hệ Khuếch đại từ - Động cơ một chiều (KĐT - ĐM):
Sơ đồ nguyên lý: Để điều chỉnh tốc độ động cơ dùng khuếch đại từ, ta thay đổi
dòng điều khiển khuếch đại từ (thay đổi góc từ hoá
s

U
đk

i
KĐ

Đ
M
MSX
H
ình 4-6: Sơ đồ Khuếch đại từ - Động cơ điện một chiều
U
KĐT
= U

~
U
KĐT1
U
KĐT2
ĐK
I
KĐT
= I

H
ình 4-5: a) Điều khiển chung phối hợp kiểu tuyến tính.
b) Điều khiển chung phối hợp kiểu phi tuyến.

a)


2min

1max

1
=/2

1
=/2
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
Trang 135
4.1.4. Hệ Băm điện áp - Động cơ một chiều (ĐAX - ĐM):
Sơ đồ nguyên lý:
Sơ đồ hình 4-7 giới thiệu một sơ đồ đơn giản của hệ ĐAX - ĐM
dùng khóa đóng/cắt bằng thyristor. Trong đó, bộ nguồn một chiều là
bộ chỉnh lu cầu diot ba pha CL, táo ra điện áp U
d
tơng đối bằng
phẳng, giúp cho việc duy trì chế độ dòng điện liên tục đợc dễ dàng.
Điều khiển thyristor T

T
t
=== - là tỷ số chu kỳ băm,
Với T
x
và f
x
là chu kỳ xung và tần số xung của bộ BĐK.

Trang 136
Dòng điện trung bình mạch phần ứng sẽ là:
I

= I
tb
=





=

u
d
u
b
R
KU
R


=

(4-15)
Đặc tính cơ theo phơng trình (4-15) ở vùng dòng điện liên tục
là những đờng thẳng song song nhau nh hình 4-8, trong đó tốc độ
không tải lý tởng phụ thuộc vào tỉ số chu kỳ :
0
= U
d
/K.

Xung điều khiển các thyristor T
1
và T
2
đợc tạo ra nhờ bộ BĐK
với tần số xung f
x
= 1/T
x

dùng bộ Băm ĐA
U
d

~ u
1
CL
T
1

BĐK
I

T
2

C
+
-
L D
V
0
U
b
=U

Đ
AX
I
d

Động cơ ĐK, đợc sử dụng rộng rãi trong thực tế. Ưu điểm nổi
bật của nó là: cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, vốn đầu t ít, giá
thành hạ, trọng lợng, kích thớc nhỏ hơn khi dùng công suất định
mức so với động cơ một chiều.
Sử dụng trực tiếp lới điện xoay chiều 3 pha

Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình
quá độ khó khăn hơn, các động cơ ĐK lồng sóc có các chỉ tiêu khởi
động xấu, (dòng khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ).
Trong thời gian gần đây, do phát triển công nghiệp chế tạo bán
dẫn công suất và kỹ thuật điện tin học, động cơ ĐK mới đợc khai
thác các u điểm của chúng. Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh
có hiệu quả so với hệ Thyristor - Động cơ điện một chiều.
Qua phơng trình đặc tính cơ của động cơ ĐK:

th
th
th
thth
as2
s
s
s
s
)asI(M2
M
++
+
=
(4-16)

= (4-18)
2
nm
2
1
'
2
th
XR
R
s
+
=

(4-19) Trang 138
Qua biểu thức (4-16), (4-17), (4-18), (4-19) ta thấy rằng khi
dùng các bộ biến đổi:
xung điện trở mạch rôto, điều áp xoay chiều
stato, biến tần mạch stato, thì sẽ thay đổi đợc s
th
, M
th
và sẽ điều
chỉnh đợc tốc độ của động cơ ĐK.
4.2.2. Phơng pháp xung điện trở mạch rôto:
ình 4-9: a, b) Sơ đồ và đặc tính điều chỉnh bằng xung R
rôto
đ/c ĐK
c, d) Các đặc tính cơ điều chỉnh xung điện trở rôto ĐK.
u
r
C
CL
L
R
0
T
1
T
2
L
c
D
c
1/2R
0
R
0
1/4R
0
t
t
I
d
t

Khóa T
1
đợc điều khiển đóng ngắt một cách chu kì. Hoạt động
của khóa T
1
tơng tự nh mạch điều chỉnh xung áp một chiều. Khi
khóa T
1
đóng điện trở R
o
bị ngắn mạch (bị loại ra khỏi mạch), dòng
rôto tăng lên, khi T
1
ngắt, điện trở R
o
đợc đa vào mạch, dòng rôto
giảm xuống. Với chu kì đóng-ngắt nhất định (T = const), ta sẽ có một
giá trị điện trở tơng đơng (R
tđ
) trong mạch rôto. Hình 4-9b: thời
gian đóng t
đ
= T - t
n
, nếu điều chỉnh trơn tỷ số chu kì = (t
đ
/T), thì ta
sẽ điều chỉnh trơn đợc giá trị giá trị điện trở trong mạch rôto:
R
tđ

Với sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha thì: , nên:
2
2
2
d
I5,1I =

2
R).1(
2
R
R
ot
f2

==
(4-24)
Khi đã có điện trở tính đổi sẽ dễ dàng dựng đợc các đặc tính cơ
theo phơng pháp thông thờng, họ các đặc tính cơ này sẽ quét kín
phần mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ có
điện trở phụ R
2f
= R
o
/2 nh hình 4-9c.
Trang 140
Để mở rộng phạm vi điều chỉnh mômen thì có thể mắc nối tiếp
điện trở R
o
với một tụ điện có điện dung đủ lớn (hình 4-9d). Việc xây

tỉ lệ với bình phơng điện áp, còn s
th.u
= const:






==
=








=
constss
u.M
u
u
MM
gh.thth.u
2*
bth
2
1

đm
M
c
()
0 M
th2
M
th1
M
th
M
b)

TN

2

đ/tGH, u
đm
, R
2f
0
ĐAXC
u
b2
< u
b1
f
1
, u

(4-26)
Trong đó: M
th.gh
, s
th.gh
là mômen và hệ số trợt tới hạn của đặc
tính giới hạn (đ/tGH).
M
th
, s
th
là mômen và hệ số trợt tới hạn của đặc tính tự nhiên.
Dựa vào đặc tính giới hạn M
gh
(s), và nếu = const, ta suy ra đặc
tính điều chỉnh ứng với giá trị u
b
cho trớc nhờ quan hệ:

gh
u
*
u
2*
b
*
u
M
M
M ;uM ==







+
=
2
q
1*
1
*
1
fu ;(với q = -1, 0, 1, 2) (4-29)
Trang 142
Hình 4-11 có các khối chức năng: nguồn xoay chiều có u
1.đm
,
f
1.đm
qua bộ chỉnh lu (CL) biến đổi thành điện áp một chiều U
đ
cấp
cho bộ biến tần: Bộ nghịch lu áp ba pha (NL) gồm 6 thyristor
(T
1
ữ
T
6

* Các đặc điểm của việc điều chỉnh tần số:
Điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng cách biến đổi điện áp và tần
số trên đầu nối stato là một trong những phơng pháp đợc chú ý và
có nhiều triển vọng.
Bằng phơng pháp điều chỉnh này, ta nhận đợc những đặc tính
cơ ứng. Khi đó tổn thất công suất không lớn. Thực vậy, từ biểu thức:

P
2điện
= M
o
s (4-30)
CL
~ u
1đm
f
1đm
U
đk.u
L
d
B
iến tần nguồn áp
I

D
6
D
2

CL
ng
NL
U
đk.f
H
ình 4-11: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần nguồn áp
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
Trang 143
Ta thấy, nếu coi động cơ làm việc trên đoạn đờng thẳng của đặc
tính cơ khi điều chỉnh tần số thì s có trị số nhỏ, nên P
2điên
cũng nhỏ.
Khi s dụng các bộ biến tần thích hợp, ta có thể điều chỉnh đợc tốc độ
với độ trơn tùy ý.
Quan trọng hơn nữa là các u điểm trên đều đợc thể hiện cả với
khi điều chỉnh động cơ không đồng bộ lồng sóc là loại động cơ đơn
giản, chắc chắn và rẻ tiền.
Nhợc điểm chủ yếu của các hệ thống truyền động điện này là
hiện nay bộ biến tần còn tơng đối phức tạp và đắt tiền. Vì vậy đã hạn
chế phạm vi ứng dụng của truyền động điện có điều khiển tần số.
Nhng những u điểm của chúng vẫn là cơ bản. Nếu tạo ra đợc
những bộ biến tần với mức độ phức tạp và giá thành vừa phải, thì
truyền động điện điều khiển tần số dùng động cơ ĐK lồng sóc sẽ đợc
ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và sinh hoạt.

.E
2nm
.s (4-31)
Trong đó:
K
u
= 2,34 - hệ số của chỉnh lu cầu ba pha.
E
2nm
- s.đ.đ. ngắn mạch rôto (giá trị pha).
S.đ.đ. này đợc nối vào phần ứng của một động cơ điện một
chiều ĐM
đl
đóng vai trò thiết bị biến đổi (TBBĐ) nh hình 4-12. Động
cơ này sẽ nhận năng lợng trợt từ bộ chỉnh lu dới dạng điện năng
một chiều, và biến đổi thành cơ năng trên trục. Trục của nó đợc nối
đợc nối chung với trục động cơ ĐK, do đó nó truyền phần năng
lợng trợt về trục động cơ của máy sản xuất. S.đ.đ. phần ứng của
ĐM
đl
nh đã biết, nó phụ thuộc vào tốc độ và từ thông của nó:
E
bđ
= K = K.a.I
kt
. (4-32)
Trong đó, từ thông phụ thuộc dòng kích từ:
= a.I
kt
Dòng điện phần ứng của động cơ I

- điện trở tổng trong mạch CL - ĐM
đl
:
R

= R
CL
+ R
bđ

Giả sử động cơ đang làm việc tại một điểm xác lập nào đó với
tốc độ , độ trợt s và dòng điện I
2
xác lập, nếu ta thay đổi dòng kích
từ của ĐM
đl
, s.đ.đ. E
bđ
của nó sẽ thay đổi (xem biểu thức 4-29), dòng
điện I
2
thay đổi theo biểu thức (4-33), do đó mômen động cơ thay đổi,
và hệ sẽ chuyển sang làm việc ở một điểm xác lập mới với tốc độ làm
việc khác. Đó là nguyên tắc điều chỉnh tốc độ trong tầng điện cơ.
ĐK
I
kt
R
đch
I
Hình 4-13 giới thiệu một sơ đồ nguyên lý hệ điều chỉnh nối tầng
điện. Trong này, năng lợng trợt trong mạch rôto của động cơ ĐK
(đợc biểu thị bởi các thông số s.đ.đ. xoay chiều E
2
, dòng xoay chiều
I
2
và tần số mạch rôto f
2
= f
1
.s) cũng đợc chỉnh lu thành dạng một
chiều (với các thông số E
2d
, I
d
) nhờ cầu diot CL rồi đợc truyền vào
bộ nghịch lu NL (với chức năng là thiết bị biến đổi trong hình 4-12).
Với bộ nghịch lu này, việc chuyển mạch các thyristor đợc thực hiện
nhờ điện áp lới (u
l
), do đó năng lợng trợt dạng một chiều sẽ đợc
biến đổi thành xoay chiều có tần số của điện áp lới, cuối cùng qua
máy biến áp BA, năng lợng trợt đợc trả về lới điện.
Trong sơ đồ nối tầng điện hình 4-13, dòng điện rôto I
2
của động
cơ ĐK hoặc dòng điện trong mạch một chiều I

(từ 0 đến U
d0
), thì dòng điện I
d
và I
2
sẽ
thay đổi, nhờ đó mômen và tốc độ của động cơ sẽ đợc điều chỉnh.
Câu hỏi ôn tập
1. Làm thế nào để thay đổi và đảo chiều đợc tốc độ động cơ
trong phơng pháp điều chỉnh dùng hệ thống Máy phát - Động cơ
điện một chiều ?
2. Làm thế nào để thay đổi đợc điện áp chỉnh lu ? Đặc điểm
của phơng pháp điều chỉnh tốc độ dùng hệ Chỉnh lu - Động cơ
điện một chiều không đảo chiều ? Các phơng pháp điều khiển các
bộ chỉnh lu trong hệ truyền động T - Đ có đảo chiều ? Cách phối hợp
góc điều khiển trong các phơng pháp điều khiển các bộ chỉnh lu ?
3. Làm thế nào để thay đổi tốc độ động cơ trong phơng pháp
điều chỉnh dùng hệ thống Băm điện áp - Động cơ điện một chiều ?
4. Phân tích phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng
bộ bằng cách dùng bộ băm điện trở mạch rôto ? So sánh chỉ tiêu chất
lợng với phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng cách dùng
các cấp điện trở phụ mạch rôto ?
5. Phân tích phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng
cách thay đổi tần số dòng điện stato (hệ :BT - ĐK) ? Tại sao khi thay
đổi tần số ngời ta thờng kết hợp điều chỉnh điện áp stato ?
5. Phân tích các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK
bằng các hệ nối tầng điện cơ và nối tầng điện ? Ưu, nhợc điểm
của các phơng pháp đó ?
~ u