§å ¸n tèt nghiƯp
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
1.1. khái quát chung:
Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trọng một
phạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bò đơn
giản hơn và rẻ tiền hơn các thiết bò điều khiển của động cơ ba pha.Vì một số ưu
điểm như vậy cho nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong
công nghiệp, trong giao thông vận tải….
2.1. Phương trình đặc tính cơ:
Để điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì ta phải
phân tích, tìm các mối quan hệ giữa tốc độ với các thông số khác của động cơ để
từ đó đưa ra phương pháp điều khiển. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì
dòng kích từ độc lập với dòng phần ứng. Vì được nuôi bởi hai nguồn một chiều
độc lập với nhau.

E
u
I
u
U
u
R
f
I
kt
U
kt
R
kt

Ω
)
I
ư
: Dòng điện mạch phần ứng (
Α
)
Với R
ư
= r
ư
+ r
cf
+r
b
+ r
ct

Trong đó : r
ư
điện trở cuộn dây phần ứng (
Ω
)
r
cf
: Điện trở cuộn cực từ phụ (
Ω
)
Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 1
§å ¸n tèt nghiƯp

ω : Tốc độ góc (rad/s)
k =
a
PN
π
2
: Hệ số cấu tạo của động cơ
Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/ phút) thì
E
ư
=
e
k
φ
n ( 3)
ω =
60
2 n
π
=
55,9
n
vì vậy E
ư
=
a
PN
60
n
φ

điện từ M
đt
=
u
k I
φ
(5)
Nếu bỏ qua tổn thất trong các ổ trục, tổn thất tự quạt mát và tổn thất trong thép
thì mômen cơ trên trục của động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M, tức là
M
đt
= M
cơ
=M
Vậy phương trình đặc tính cơ của động cơ là
ω =
u
k
U
φ
-
2
)(
φ
k
RR
fu
+
M (6)
Biểu thức (6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc

0
(7)
ω
0
:

được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ , khi ω=ω
0
ta có
I
ư
=
RR
fu
U
+
=I
nm
(8)
Và M =k
φ
I
nm
=M
nm
(9)
I
nm
, M
nm

M = ω
0
-
ω
∆
(11)
vì I
ư
=
φ
K
M
ta suy ra từ (5)
trong đó R = R
ư
+ R
f
, ω
0
=
φ
K
U
u

Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 3
§å ¸n tèt nghiƯp
∆ω=
φ
K

M
M
, R* =
R
cb
R
( R
cb
=U
đm
/ I
đm
được gọi là điện trở cơ bản )
Từ (4) và (6) ta viết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vò tương đối
ω*=1- R*I* (13)
ω
∗
= 1- R*M
∗
(14)
• Độ cứng của đặc tính cơ :
β=
ω
d
dM
=
R
k
nm
∑

=P
đt
+ ∆P
ư
+ ∆P
0
(17)
Với ∆P
0
tổn hao ma sát do sự quay
Từ biểu thức (4) hoặc (6) ta thấy
ω
là một hàm phụ thuộc R,
φ
, U :
ω=f(R,Φ,U) do đó để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập
có ba phương pháp điều khiển sau :
- Điều khiển điện trở phụ phần ứng
- Điều khiển từ thông kích từ
- Điều khiển điện áp phần ứng
Sau đây ta xem xét từng phương pháp điều khiển một
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH
TỪ ĐỘC LẬP
2.1 Phương pháp điều khiển bằng điện trở phụ phần ứng (R
f
):
•Nguyên lý điều chỉnh:
Nối thêm điện trở phụ R
f
vào mạch phần ứng

K
U
-
)
(
2
φ
K
RR
dm
fu
+
M
Từ phương trình trên ta thấy : khi tăng giá trò của R
f
thì tốc độ của động cơ giảm,
khi giảm giá trò của R
f
thì tốc độ của động cơ tăng .
Lúc này ta có tốc độ không tải lý tưởng: ω
0
=
φ
dm
dm
K
U
= const (18)
Còn độ cứng của đặc tính cơ : β =
RR

0
M
Hình 1-3 : Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở những
điện trở phụ khác nhau
• Nhận xét: Nếu R
f
càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời I
nm
và M
nm
cũng giảm. Phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện động cơ khi khởi
động.
- Ưu điểm : Đơn giản , dễ thực hiện
- Nhược điểm : + Độ cứng đặc tính cơ thấp
+ Tổn thất năng lượng trên điện trở lớn
+ Phạm vi điều chỉnh hẹp
2.2. Phương pháp điều chỉnh bằng từ thông kích từ:
Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 5
§å ¸n tèt nghiƯp
• Nguyên lý điều chỉnh:
Điều chỉnh từ thông kích từ của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men
điện từ của động cơ M = kφI
ư
và sức điện động quay của động cơ
E
ư
=kφω
I
kt
U

φ
kt
ta phải tuân theo điều kiện sau.
Không thể tăng dòng kích từ I
kt
lớn hơn dòng đònh mức của cuộn dây kích
từ vì nó phá hỏng cuộn kích từ và khi φ
kt
= φ
đm
đã bảo hoà rồi, nếu muốn tăng I
kt
thì φ
kt
cũng không tăng đáng kể nên ta điều chỉnh bằng cách giảm φ
kt
.
• Trong trường hợp này ta có:
- Tốc độ không tải lý tưởng
ω
0
=
φ
x
dm
K
U
= var
- Độ cứng của đặc tính cơ
β =

1
φ
2
Ι
nm
Ι
dm
0
ω
2
ω
1
ω
0
φ
2
φ
1
φ
dm
0
Μ
dm
Μ
2nm
Μ
1nm
Μ
nm
Μ

Từ đồ thò đặc tính ta thấy ω
0
<ω
1
<ω
2
. Vậy phương pháp điều chỉnh từ thông là
phương pháp điều chỉnh trên tốc độ cơ bản.
• Các chỉ tiêu chất lượng khi giảm từ thông φ
kt
- Tốc độ không tải lý tưởng ω
x
=
φ
x
dm
K
U
tăng
- Độ cứng đặc tính cơ β =
R
u
x
K
2
)(
φ
giảm
- Dải điều chỉnh không rộng D =
max

fu
+
M
Giả thiết φ = φ
đm
=const; R
ư
=const,(R
f
=0), M = const. Lúc này ω = f(U
ư
)
Khi thay đổi điện áp phần ứng ta có:
- Tốc độ không tải lý tưởng ω
0
=
φ
K
U
u
= var
- Độ cứng của đặc tính cơ β =
R
k
u
)(
2
φ
= const
Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng cho ta một họ các đặc tính sau.

1
>U
2
>U
3
>……….>U
i

Hình 1-6 : Đồ thò đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi
điện áp phần ứng thay đổi
Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song
song với đặc tính tự nhiên.
• Nhận xét :
- Ưu điểm : + không gây ồn
+ không gây tổn hao phụ trong động cơ
+ dải điều chỉnh rộng D ≈10 : 1
+độ cứng đặc tính cơ không đổi trong toàn dải điều chỉnh
+ dễ tự động hoá
Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 8
§å ¸n tèt nghiƯp
- Nhược điểm : + phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn có thể
thay đổi trơn điện áp ra
+ điều khiển phức tạp
• Kết luận : Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật như hiện nay thì phương
pháp này càng được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong các lónh
vực khác.
2.4. Nuyên lý điều chỉnh:
• Đặc tính điều chỉnh :
Để điều chỉnh điện áp phần ứng, ta phải sử dụng một bộ biến đổi, điều chỉnh
được điện áp đầu ra cấp cho mach phần ứng của động cơ.

bd
E
u
R
bd
R
ud
U
Hình 1-8 : Sơ đồ thay thế nguyên lý điều chỉnh động cơ
Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 9
§å ¸n tèt nghiƯp
Từ sơ đồ thay thế ta có phương trình cân bằng điện áp.
E
ư
= U
bđ
– (R
bđ
+ R
ư
)I
ư
(20)
Sức điện động của động cơ
E
ư
= kφ
đm
ω (21)
Từ biểu thức (20) và (21) ta có

φ
dm
bd
K
U
-
)(
2
φ
dm
K
RR
ubd
+
M (24)
Với M =kφ
đm
I
ư

Trong đó φ
đm
là từ thông đònh mức của động cơ, φ
đm
= const.
Tốc độ không tải lý tưởng
ω
0
=
φ

0
=
φ
dm
dka
K
Uk
= f(U
đk
)
Từ phương trình (23) và (24) ta có đồ thò đặc tính được biểu diễn như sau.
Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 10
§å ¸n tèt nghiƯp

ω
U
dk 2
U
dk1
U
dk 3
U
dk 4
ω
01
ω
02
ω
03
ω

3. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH
TỪ ĐỘC LẬP BẰNG THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG .
- Hiện nay trong công nghiệp người ta thường sư dụng ba loại bộ biến đổi sau:
+ Bộ biến đổi máy phát điện một chiều
+ Bộ biến đổi xung áp một chiều
+ Bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển
- Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi đó ta có các hệ truyền động sau:
+ Hệ máy phát – động cơ ( F – Đ )
+ Hệ điều chỉnh xung áp – động cơ ( XA – Đ )
+ Hệ chỉnh lưu Tiristo – động cơ ( T – Đ )
3.1. Hệ thống máy phát - động cơ ( F – Đ ):
Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 11
§å ¸n tèt nghiƯp
- Sơ đồ nguyên lý:

KT
F
KT
D
R
F
ĐCSC
U
∼
F
- -
Đ
+ +
Hình 1-10 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống F – Đ
Giả thiết ω

φ
f
: Từ thông kích từ máy phát
α =
I
ktf
f
∆
∆
φ
: Hệ số góc của đường đặc tính từ hoá ( xem là đường
thẳng)
I
ktf
: Dòng kích từ của máy phát
Nếu dây quấn kích từ của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng U
kf
thì :
I
kf
=
r
U
kf
kf
Như vậy sức điện động lúc này tỷ lệ với điện áp kích thích bởi hệ số hằng số là
k
f
. Lúc này có thể coi gần đúng máy phát điện một chiều kích từ độc lập là một
bộ khuyếch đại tuyến tính.

k
U
kf
-
)(
2
φ
d
d
R
k
M (27)
Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 12
§å ¸n tèt nghiƯp
Với R = R
ưf
+ R
ưđ
Trong đó R
ưf
: Điện trở phần ứng của máy phát
R
ưđ
: Điện trở phần ứng của động cơ
- Tốc độ không tải lý tưởng :
ω
0
=
φ
d

§TTN

Hình 1-11 : Đồ thò đặc tính cơ của hệ F – Đ ứng với U
kf
thay đổi
Thông thường R
ưf
≈ R
ưđ
nên β =
2
1
β
tn
- Nếu cho máy phát kích từ thuận U
kt
>0 thì đặc tính ở nửa trục ω>0
- Nếu cho máy phát kích từ nghòch U
kf
<0 (đảo kích từ) thì E
f
<0 thì đặc tính
ở phía trục ω <0
- Mỗi đặc tính cho ta một tốc độ làm việc
- Trường hợp U
kf
=0 thì E
f
=0 động cơ làm việc ở chế độ hãm động năng.
- Hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc khi đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược

Bộ biến đổi xung áp là bộ nguồn điện áp dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ
điện một chiều, phần chủ yếu của nó là bộ nguồn áp và bộ khoá điều khiển.
Sơ đồ nguyên lý và điện áp :

D
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
U
d
U
t
1
t
2
E
-
+
k I
KT
T
0

=
Τ
t
1
U =γU
Trong đó: t
1
là thời gian khoá k đóng
γ =
Τ
t
1
là độ rộng của xung áp
Như vậy, có thể coi bộ biến đổi xung đẳng trò với nguồn liên tục, có điện áp ra
U
d
= var bằng cách thay đổi độ rộng của xung áp γ. Vì thời gian một chu kỳ
đóng cắt khoá k rất nhỏ so vơi hằng số thời gian cơ học của hệ truyền động nên
ta có thể coi tốc độ và sức điện động phần ứng động cơ là không đổi trong
khoảng thời gian T
• Đặc tính của hệ điều chỉnh xung áp – động cơ.
- Đặc tính cơ điện :
ω =
φ
γ
dm
K
U
-
φ

K
U
= var và độ cứng β =
RR
bdu
dm
K
+
)
2
(
φ
= const, đồ thò đặc tính cơ
gồm hai đoạn thẳng ứng với hai chế độ dòng điện liên tục và dòng điện gián
đoạn.
Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 15
§å ¸n tèt nghiƯp

ω
0
ω
01
ω
02
ω
03
ω
04
γ
1

-
+
-
+
ĐK
KT
Đ
Hình 1-14 : Sơ đồ nguyên lý của hệ T – Đ
Bộ biến đổi van Tiristor là một loại nguồn điện áp một chiều, nó trực tiếp biến
Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 16
§å ¸n tèt nghiƯp
đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều. Việc điều chỉnh điện áp đầu ra của
bộ biến đổi, được thực hiện bằng cách điều chỉnh góc mở α của van.
Điện áp chỉnh lưu U
d0
(điên áp không tải ở đầu ra) có dạng đập mạch với số lần
đập mạch là n trong một chu kỳ 2π của điện áp sơ cấp của máy biến áp lực.
Sơ đồ hình tia n=m với m là số pha
Sơ đồ hình cầu n=2m
Giả sử điện áp cấp cho bộ biến đổi van có dạng
U
2
= U
2m
sinωt
Ta đã biết sau một chu kỳ dòng điện và điện áp lặp lại nên ta chỉ cần xét cho
một chu kỳ là đủ, coi điện trở van R
v
=0
• Sơ đồ thay thế của mạch .

+ R
ư
+ R
kt
L
Σ
= L
ba
+ L
ư
+ L
kt
• Nhận xét :
- Ưu điểm : Hệ (T – Đ) tác động nhanh,tổn thất năng lượng ít, kích thước và
trọng lượng nhỏ, không gây ồn và dễ tự động hóa do các van bán dẫn có
hệ số khuyếch đại lớn, điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ
thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lương các đặc tính
tónh và các đặc tính động của hệ thống
Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 17
§å ¸n tèt nghiƯp
- Nhược điểm : Do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh
lưu ra có biên độ đập mạch cao, khả năng linh hoạt và chuyển trạng thái
làm việc không cao, khả năng quá tải về dòng và áp của van kém, chất
lượng điện áp ra không cao, gây tổn thất phụ và làm sấu điều kiện chuyển
mạch trên cổ góp
- Khắc phục : Thiết kế truyền động van cố gắng làm hẹp vùng dòng gián
đoạn bằng cách nối kháng lọc đủ lớn, tăng số lần đập mạch, nối van đệm
• Kết luận :
Sau khi phân tích các hệ truyền động , ta nhận thấy sử dụng hệ điều chỉnh
Tiristor – Động cơ là hợp lý nhất. Tuy hệ này có những nhược điểm nhất đònh,

T
4
A
T
1
1
∼
U
I
0
I
E
0
0
t
t
t
I
α
0
2π
π
U
3π
t
d
U
Hình 1-16: Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp, dòng điện tải
• Hoạt động của sơ đồ:
Nửa chu kỳ đầu khi A(+), B(-) trên T có phân cực thuận, cấp xung điều khiển

U
d
=0,9 U
2

2
cos1
α
+

- Dòng điện chạy qua van :
I
vtb
=
2
I
d
- Điện áp ngược của van :
U
nv
=
2
U
2
- Công suất máy biến áp :
S
ba
= 1,23I
d
U

1
T
U
AC
U
AB
I
A
I
0
0
T
I
3
B C
I
t
B C
t
A
α
1
2
3
0
0
I
I
I
T


, theo các đường
cong điện áp pha, chúng ta có điện của một pha nào dương hơn hai pha kia trong
khoảng thời gian 1/3 chu kỳ thì van đó dẫn.
Khi anode của một van nào đó dương hơn, ta cấp xung điều khiển cho van đó.
Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 19
§å ¸n tèt nghiƯp
Thời điểm hai điện áp của hai pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của
các van bán dẫn. Các Tiristor chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời
điểm giao nhau của hai điện áp ( góc thông tư nhiên).
Vậy ta sẽ nhận được điện áp tải lớn nhất khi các van mở ở góc thông tự nhiên.
- Trò số điện áp trung bình :
U
d
= 1,17 U
2f
cosα
Với U
2f
là điện áp pha thứ cấp máy biến áp
- Điện áp ngược mà van phải chòu :
U
nv
=
6
U
2f
- Giá trò dòng điện hiệu dụng chay qua van :
I
vhd

4.3. Chỉnh lưu cầu ba pha:
• Sơ đồ mạch điện .
Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 20
§å ¸n tèt nghiƯp

a b
c
TT
1
2
F
56
d
R
L
d
T
4
T
T
3
T
A
CB
0
E
d
U
t
U

,T
5
) còn xung ở nhóm catode
(-) theo sơ đồ là ( T
2
,T
4
,T
6
)), thứ tự cấp xung điều khiển phải đúng thứ tự pha.
Khi cấp đúng xung điều khiển dòng điện sẽ chạy từ pha có điện áp dương hơn
về pha có điện áp âm hơn. Khi góc mở van nhỏ hoặc tải điện cảm lớn, trong mỗi
khoảng dẫn của một van của nhóm này (Anode hay Catode ) thì sẽ có hai van
của nhóm kia ( Catode hay Anode ) đổi chỗ cho nhau.
- Giá trò điện áp trung bình của chỉnh lưu:
U
d
= 2,34 U
2f
cosα
- Điện áp ngược đặt lên van :
U
nv
=
6
U
2f
với U
f
=

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 dòng điện
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 I
ư
, còn phương pháp đổi chiều quay
động cơ bằng cách đổi chiều dòng kích từ không được sử dụng vì cuộn kích từ
có nhiều vòng dây do đó hệ số tự cảm L
t
rất lớn và việc thay đổi chiều dòng
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 . Ngoài ra, dùng phương pháp đảo
chiều từ thông thì khi từ thông qua trò số không có thể làm tốc dộ tăng quá,
không tốt.
Ta có đặc tính cơ của động cơ khi đảo chiều quay :

0
M
ω
ω
0
ω
ω
0
ω
-

b
c
T
CB
Hình 1-20 : Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu đảo chiều mắc song song ngươc
Vì sơ đồ có sử dụng hai bộ chỉnh lưu Tiristor có điều khiển nên để điều khiển
hai bộ chỉnh lưu này, có thể dùng phương pháp điều khiển chung hoặc dùng
phương pháp điều khiển riêng. Sau đây ta nghiên cứu từng phương pháp một.
a. Phương pháp điều khiển riêng:
• Nguyên lý : Trong phương pháp này, khi xung điều khiển được cấp cho bộ
chỉnh lưu này thì bộ kia không được cấp xung điều khiển
- Ưu điểm : Làm việc an toàn, không có dòng điện cân bằng chạy qua các
van.
- Nhược điểm : Có thời gian trễ khi điều khiển bộ này sang bộ kia do đó
dòng điện động cơ bằng không, mạch điều khiển phức tạp hơn
b. Phương pháp điều khiển chung:
Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 23
§å ¸n tèt nghiƯp
• Nguyên lý : Xung điều khiển được cấp đồng thời cho cả hai bộ chỉnh lưu
nhưng phải đảm bảo một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ kia làm việc ở
chế độ nghòch lưu và điện áp chỉnh lưu trung bình của của hai bộ chỉnh lưu là
như nhau. Do vậy, với các cuộn dây động cơ có tính chất cảm kháng lớn thì dòng
điện tải là liên tục, ta có.
U
0
cosα
I
= -U
0
cosα

CHƯƠNG II
THIẾT KẾ TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC
I. Chọn mạch động lực:
Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 24
§å ¸n tèt nghiƯp
Sau khi đã phân tích và so sánh các mạch điều khiển cũng như các phương pháp
điều khiển đã nói ở phần trước thì em chọn mạch động lực là chỉnh lưu tia ba
pha mắc song song ngược cực tính và đảo chiều quay động cơ dùng phương pháp
điều khiển chung làm sơ đồ nghiên cứu cho đề tài mà em thiết kế. Sơ đồ dược
mô tả như sau:

cb2
CK
T
6
T
5
T
4
a
A
1
CK
cb1
T
3
T
2
Đ
b