Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
MỞ ĐẦU
Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng trong đời sống xã hội. Bất kì ở vị
trí nào, bất cứ làm một công việc gì mỗi chúng ta đều tiếp cận với điều khiển.
Nó là khâu quan trọng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta.
Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhưng
động cơ điện một chiều v
ẫn tồn tại. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều
được sử dụng ở những nơi yêu cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ
bằng phẳng và phạm vi rộng. Vì động cơ điện một chiều có đặc tính làm việc rất
tốt trên các mặt điều chỉnh tốc độ (phạm vi điều chỉ
nh rộng, thậm chí từ tốc độ
bằng 0). Nhưng độ tin cậy khi sử dụng động cơ một chiều lại thấp hơn so với
động cơ không đồng bộ do có hệ thống tiếp xúc chổi than.
Hệ thống điều khiển chỉnh lưu - động cơ một chiều cũng là một ứng dụng
của kỹ thuật điều khiển. Chỉ
nh lưu có điều khiển dùng Tiristo để điều chỉnh điện
áp phần ứng động cơ. Chỉnh lưu cũng có thể dùng làm nguồn điện chỉnh điện áp
kích từ cho động cơ. Hệ thống này thường được dùng cho các động cơ điện
được cấp điện từ lưới xoay chiều. Nhóm chúng em gồm 4 người được giao đồ
án thiết kế hệ
thống điều khiển động cơ điện 1 chiều. Đồ án gồm 3 phần.
Phần I: Tổng quan chung về động cơ điện một chiều,và hệ truyền động
tirstor
Phần II: Tính chọn thiết bị mạch lực mạch điều khiển
Phần III: Tổng hợp mạch vòng dòng điện.
Nội dung đồ án chắc chắn còn rất nhiều vấ
n đề cần bổ xung hoàn thiện.
Em rất mong đươc sự đóng góp ý kiến cuả các thầy cô trong bộ môn để đồ án
của em được hoàn chỉnh. Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Văn Diễn cùng

+ Lõi thép cực từ phụ có thể là một khối hoặc có thể được ghép bởi các lá
thép tùy theo chế độ làm việc.
Xung quanh cực từ phụ được đặt dây quấn cực từ phụ, dây quấn cực từ
phụ được n
ối với dây quấn phần ứng.
Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
Phần quay ( rôto)

Bao gồm các bộ phận chính sau:
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
- Lõi thép phần ứng: dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kĩ thuật
điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao
do dòng điện xoáy gây lên.
Trong máy điện nhỏ, lõi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục.
Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto.
Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức đi
ện động và có dòng điện chạy
qua.
Dây quấn phần ứng thường làm bằng đồng có bọc cách điện.
Trong máy điện công suất nhỏ, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện tròn.
Trong máy điện công suất vừa và lớn, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện
hình chữ nhật.
Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều.
Cơ cấu chổi than: dùng
để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài.
2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng
có dòng điện I
ư

Động cơ điện kích từ độc lập
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ được cấp điện từ
một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho mạch phần ứng.
Động cơ kích từ nối tiếp

Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần
ứng.
Động cơ kích từ hỗn hợp

Động cơ kích từ hỗn hợp gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song
song và dây quấn kích từ nối tiếp trong đó dây quấn kích từ song song là chủ
yếu.
II. KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
1. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Tùy theo cách kích thích từ, động cơ điện một chiều có những tính năng
khác nhau biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc, đặc tính cơ khác nhau.
Trong các đặc tính đó, quan trọng nhất là đặc tính cơ. Đặc tính cơ dùng để xác
định điểm làm việc xác lập hoặc là khảo sát điểm làm việc ổn định trong hệ
thống truyền động điện.
Đặc tính cơ của động c
ơ điện là mặt phẳng tọa độ giữa ω với
momen ω = f(M).
Trong đồ án thiết kế này ta chỉ quan tâm tới loại động cơ một chiều kích
từ độc lập
Phương trình đặc tính cơ

Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn ứng quay
trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng lại
xuất hiện một sức phản điện động có chiều ngược với
điện áp đặt vào phần ứng động cơ.

+ R
f
)
Trong đó: + U
ư
: điện áp phần ứng ( V ) H1. Sơ đồ nối dây của
động
cơ
+ E: sức điện động phần ứng ( V )
+ R
ư
: điện trở của mạch phần ứng (Ω)
+ R
f
: điện trở phụ của mạch phần ứng
+ I
ư
: dòng điện mạch phần ứng.
Sức điện động E
ư
của phần ứng động cơ là tỷ lệ với tốc độ quay của rôto :
E = k.Φ.ω
Trong đó: + k =
a
pN
π
2
hệ số cấu tạo của động cơ
+ Φ: từ thông qua một cực từ (Wb)
+ ω: tốc độ góc của rôto,

thêm điện trở phụ vào mạch điện trở thì phương trình đặc tính cơ là: ()
M
k
RR
k
U
f
2
−
−
.
.
Φ
+
−
Φ
=
ω
()
M
k
R
k
U
2
−−
.

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

Với: Δω =
()
2
−
Φ
k
R
_độ sụt tốc trên đặc tính cơ.

Đặc tính cơGiả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông
Φ = const thì phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc
lập tuyến tính có dạng hàm bậc nhất y = ax + b nên đường biểu diễn trên hệ tọa
độ M0ω là một đường thẳng cắt trục 0ω tại ω
o
với độ dốc âm.
≈ ω
i
: hệ thống điều khiển liên tục
ω
i + 1
≠ ω
i
: hệ thống điều khiển nhảy cấp
Mong muốn γ → 1: hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá
trong suốt dải điều chỉnh.
Dải điều khiển tốc độ
Dải điều khiển tốc độ ( D) là tỉ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất
của tốc độ
làm việc ứng với mômen tải đã cho: Mong muốn D càng lớn càng tốt
Ngoài ra còn các chỉ tiêu khác như: chỉ tiêu kinh tế, kích thước…
b. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Về việc điều chỉnh tốc độ, động cơ một chiều có nhiều ưu điểm so với các
loại động cơ khác: điều chỉnh dễ dàng, chất lượng điều chỉnh cao trong một dải
rộng….
Xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:
100
ω
ωω

Φ
=
ω
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
R
f
= 0
R
f1
R
f2
ω
0

ω
M
0
M
2
M
1
M
c

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

có giá trị lớn nhất nên đặc tính
cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ.
Như vậy, khi ta thay đổi R
f
ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính
cơ tự nhiên.
Đặc điểm của phương pháp
(
)
f
dm
RR
k
M
+
Φ
−=
Δ
Δ
=
−
2
.
ω
β
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính
cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ

= Φ
max
) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên
chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông Φ tức là điều chỉnh tốc độ trong
vùng trên tốc độ định mức.
→ Khi giảm Φ thì tốc độ không tải lý tưởng
Φ
=
k
U
dm
o
ω
tăng, còn độ
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
cứng đặc tính cơ
(
)
u
R
k
2
Φ
−=
β
giảm, ta
thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên.
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và
tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho
dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì
ta phải giảm M
t
theo cùng tỉ lệ.
Đặc điểm của phương pháp
Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng.
Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định
mức.
Việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch.
Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều
khiển với công su
ất không đổi.
Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển
Sai số tốc độ lớn: đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự
nhiên.
Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy. Có thể điều khiển trơn
trong dải điều chỉnh D = 3 :1
Tính liên tục: vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ
nên ta có thể
điều khiển liên tục với Φ ≈ 1
Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên
tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích
từ = (1 – 10)%I
đm
của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp).
→ Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một
chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển.
H5. đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp
Ở phương pháp này: U = var;
Φ
đm
= const; R
f
= 0
Khi thay đổi phần ứng ( thay đổi theo chiều giảm điện áp), vì từ thông của
động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ
không tải lí tưởng ω
o
= U /k.Φ thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng.
Do đó ta thu được họ đặc tính mới song song và thấp hơn đặc tính cơ tự
nhiên tức là vùng điều khiển tốc độ nằm dưới tốc độ định mức.
Đặc điểm của phương pháp
Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng thấp.
Điều chỉnh trơn trong toàn b
ộ dải điều chỉnh.
Độ cứng đặc tính cơ cao và được giữ không đổi trong toàn dải điều chỉnh.
Chỉ thay đổi tốc độ về phía giảm
Rất dễ tự động hóa khi dùng chỉnh lưu có điều khiển.
Phương pháp này điều khiển với mômen không đổi vì Φ và I
ư
đều không
đổi.

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

α.I
kMF

Xét phương trình đặc tính cơ:

()
M

SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH

ω
I
kMFđ
m
I
kMF 2
I
kMF 1
I
kMF
= 0
Đ
C
TS
Đ
N
Đ
C
TS
I
0
ω
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH


+
Φ
=
−
β
thì giữ nguyên.
Do đó các đường đặc tính cơ là một họ đường thẳng song song.
Trong mạch lực của hệ F - Đ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có
những đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc. Hệ
F - Đ có các đặc tính cơ điền đầy cả 4 góc phần tư của mặt phẳng tọa độ.
+ Đặc điểm của hệ
F - Đ
*Ưu điểm
Sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn.
Phạm vi điều chỉnh tăng (cỡ 30:1; chỉ khi dùng trong mạch kín).
Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi điều chỉnh.
Việc điều chỉnh tiến hành trên các mạch kích từ nên tổn hao nhỏ.
Hệ điều chỉnh đơ
n giản.
*Nhược điểm
Dùng nhiều máy điện quay trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều,
gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp 3 lần công suất tải yêu cầu.
Vốn đầu tư cao, cồng kềnh tốn diện tích
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
Hiệu suất của hệ thấp ( không quá 75%)
Điều chỉnh sâu bị hạn chế
Hiện nay người ta có khuynh hướng thay thế hệ F - Đ bằng hệ thống CL - Đ
Hệ thống CL - Đ một chiều


U
CL
= U
do
.cosα .
T

∼
Ư

Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
Chế độ dòng điện gián đoạn
Do mạch của động cơ có điện cảm và điện cảm ấy có tích lũy và xả năng
lượng. Nếu dòng điện nhỏ, lượng tích lũy năng lượng của cuộn dây nhỏ nên xả
năng lượng nhỏ. Vì vậy khi điện áp của lưới nhỏ hơn sức điện động của động
cơ, năng lượng của cuộn dây x
ả ra để đảm bảo anod dương hơn catod không đủ
duy trì tính chất liên tục của dòng điện. Lúc này, dòng điện qua van trở về 0
trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn.
Chế độ biên liên tục

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


Chế độ dòng điện gián đoạn

Phương trình đặc tính cơ:
M
kk
RR
k
U
M
kk
RR
k
U
e
CL
e
do
e
CL
e
CL
.

.
cos.
.

2
−
2

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

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

ω
o1
ω
o2
I
blt

ω
blt

I
α
= 0

α
=
π
/2

Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
Sức điện động của bộ biến đổi có biên độ đập mạch lớn gây tổn hao phụ
trong động cơ và làm xấu điều kiện chuyển mạch trên cổ góp của động cơ làm
xấu điện áp nguồn.
Khi điều chỉnh sâu hệ số công suất cosγ thấp nhất.
HỆ THỐNG BĂM ÁP ĐỘNG CƠ
Bộ băm áp một chiều dùng để biến đổi trị số điện áp,
dòng điện một chiều dựa trên nguyên lý đóng ngắt có chu kì
nguồn điện một chiều.
- Nguyên lý điều khiển

θ
==
V
o

Ư
K
+
-
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
Nếu dòng điện và điện cảm có giá trị nhỏ thì đường cong có dạng gián
đoạn.
Nếu dòng điện và điện cảm có giá trị giới hạn nào đó thì dòng điện có thể
giảm đến 0 đúng vào thời điểm đầu của chu kì tiếp theo. Khi đó ta có dòng biên
liên tục.
Đặc tính cơ của hệ thống
Với dòng điện liên tục:

Phương trình đặc tính cơ



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

.
.
.
.
2
¦
1
2
¦
Φ

Biên giới liên tục là đường có dạng nửa hình elip nằm ở góc phần tư thứ
nhất và có dạng nét đứt trên hình vẽ.
+ Đặc điểm:
* Ưu điểm
Vốn đầu tư nhỏ, hệ đơn giản, chắ
c chắn.
Độ cứng đặc tính cơ cao, xấp xỉ đặc tính cơ tự nhiên.
*Nhược điểm
Điện áp dạng xung gây ra tổn thất phụ lớn trong động cơ
Hệ thống có thể làm việc ở trạng thái dòng gián đoạn với những đặc tính
kém ổn định và tổn thất năng lượng nhiều.
III: HỆ TRUYỀN ĐỘNG (T-Đ)
-Hệ TĐ một chiề
u dùng bộ biến đổi là một loại nguồn điện một chiều khi
nối nó vào mạch phaanf ứng với động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta sẽ
được hệ TĐ .
-Khác với máy phát điện một chiều bộ biến đổi trực tiếp nối biến dòng
xoay chiều thành dòng một chiều không qua một khâu trung gian cơ học nào .
-Hiện nay Tirstor được dùng phổ bi
ến để tạo ra các bộ chỉnh lưu có diều
khiển bởi các tính chất ưu việt của chúng : Gọn nhẹ , tổn hao ít tác động nhanh .
1. Nguyên lý điều khiển động cơ điện một chiều: nhận năng lượng từ lưới
xoay chiều thông qua bộ chỉnh lưu biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều
.Cấp cho phần ứng động cơ điện một chiều.
2. Các chế độ làm việc .
a,Chế độ dòng liên tục .

-Khi mô men tải Mt tăng thì dòng điện động cơ tăng dẫn đến năng lượng
điện từ tăng .Khi điện áp nguồn nhỏ hơn sức điện động thì năng lượng của cuộn
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp

CosU
M
μ
KK
RR
K
U
ω
e
cl
e
do
e
cl
e
cl
.
Φ.
+.
=.
Φ.
+
.
=
−
2
−
Φ
α
Φ

2
®

b, Chế độ dòng gián đoạn

+Phương trình đặc tính cơ
)cotexp(1
)cotexp()+()sin(
.
Φ
1
=
2
®
γλ
g
γ
g
λλγα
Sin
γαγ
CosU
K
ω
oom
m

-Khi làm việc ở chế độ dòng gián đoạn đường đặc tính cơ không là đường
thẳng mà là đường cong có độ cứng thấp hơn .
-Biên giới vùng dòng điện gián đoạn là dòng phân cách giữa vùng dòng