Đồ án Điện tử Công suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 1



GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : NGUYỄN MẠNH HÀ
SINH VIÊN THỰC HIỆN : LÊ VĂN NGHĨA
MÃ SINH VIÊN : 105110055
NHÓM : 40
ĐÀ NẴNG 5/2012

ỏn in t Cụng sut GVHD: NGUYN MNH H

SVTH: Lấ VN NGHA Trang: 2

GII THIU
Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của
khoa học kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp
điện - điện tử thì các thiết bị điện tử có công suất lớn cũng đợc chế
tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các
ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang đợc
phát triển hết sức mạnh mẽ.

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 3
Phần I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH

I. KHÁI NIỆM CHUNG:
1. Đònh nghóa:
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi
các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ,
thay đổi từ thông… Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm
việc mới phù hợp với yêu cầu. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ
động cơ:
 Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền
chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản suất.
 Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm
tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh. Vì
vậy, ta khảo sát sự điều chỉnh tốc độ theo phương pháp thứ hai.
Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ
khi phụ tải thay đổi của động cơ điện.
Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu
việt hơn so với các loại động cơ khác. Không những nó có khả năng điều
chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn
giản hơn, đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh
tốc độ rộng.

2. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ:
Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và
căn cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền
động điện:

: được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ,
thông thường người ta chọn n
min
làm đơn vò.
Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu
của từng hệ thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh.
c) Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ:
Độ cứng:  = M/n. Khi  càng lớn tức M càng lớn và n nhỏ
nghóa là độ ổn đònh tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều. Phương
pháp điều chỉnh tốc độ tốt nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc
nâng cao độ cứng của đường đặc tính cơ. Hay nói cách khác  càng lớn
thì càng tốt.
d) Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ:
Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ. Độ liên tục
khi điều chỉnh tốc độ  được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề
nhau:
 = n
i
/n
i+1

trong đó:
- n
i
: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i.
- n
i + 1
: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 ).
Với n
i

CKT
RKT
Rf
I
IKT
E
Sơ đồ nối dây của động cơ Sơ đồ nối dây của động cơ
kích từ song song kích từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện
phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau,
lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập.
a) Phương trình đặc tính cơ:
Theo sơ đồ trên có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch
phần ứng như sau:
U
ư
= E
ư
+ (R
ư

+ r
i
+ r
ct

r
ư
_ điện trở cuộn dây phần ứng.
r
cf
_ điện trở cuộn cực từ phụ.
r
b
_ điện trở cuộn bù.
r
ct
_ điện trở tiếp xúc của chổi điện.
Sức điện động E
ư
của phần ứng động cơ được xác đònh theo biểu thức:



 K
a
2
pN
E
ư
(1-2)

và
55
.
9
n
60
n
2




Vì vậy
n
a
60
pN
E
ư
a
60
pN
K
c
 : Hệ số sức điện động của động cơ,

K105.0


I
ư
(1-5)

suy ra


K
M
I
đt
ư

thay giá trò I
ư
vào (1-4) ta được:  
đt
2
fưư
M.
K
R
R
K
U


const


, thì
các phương trình đặc tính cơ điện (1-4) và phương trình đặc tính cơ (1-7)
là tuyến tính. Đồ thò của chúng được biểu diễn trên hình là những
đường thẳng.
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 7
Iâm Inm I
Mâm Mnm M

 o

o


đm



I
RR
U
I 


(1-9)

và
nmnm
M
I
K
M

(1-
10)
I
nm
, M
nm
được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch.
Mặt khác, phương trình đặc tính (1-4), (1-7) cũng có thể được viết ở
dạng:







K
U
.RRR
ư
ofưĐồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 8

 
M.
K
R
I.
K
R
2
ư







được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trò của M.
Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vò
tương đối, với điều kiện từ thông là đònh mức

được gọi là điện trở cơ bản).
Từ (1-4), (1-7) ta viết được đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vò
tương đối:


 IR1
(1-
13)

 MR1
(1-14)

2. Xét ảnh hưởng các tham số đến đặc tính cơ:
Từ phương trình đặc tính cơ (1-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến
đặc tính cơ: từ thông động cơ

, điện áp phần ứng U
ư
và điện trở phần ứng
động cơ. Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó.
a) Ảnh hưởng của điện trở phần ứng:
Giả thiết U
ư
= U
đm
= const và
const
đm
 .
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R



Khi R
t
càng lớn,

càng nhỏ nghóa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với
R
f
= 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên: 

ư
2
đm
TN
R
K

(1-
17)
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 9
TN(Rn)
Rf1
Rf2
Rf3
Hình vẽ: Các đặc tính của động cơ một chiều
kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng

Ứng với một phụ tải M
c
nào đó, nếu R
f
càng lớn thì tốc độ cơ càng
giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm.
Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng
điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.
b) Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:
Giả thiết từ thông
const
đm

, điện trở phần ứng R
ư
= const.
Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với U
đm
, ta có:

Tốc độ không tải:
var
K
U
đm

Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 10 01

02

03
04


Hình vẽ: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi
giảm áp đặt vào phần ứng động cơ.

Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch,
dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ cũng giảm ứng với

K
ư
2
x



.
Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ
thông. Nên khi từ thông giảm thì
ox
 tăng, còn

sẽ giảm. Ta có một
họ đặc tính cơ với
ox
 tăng dần và độ của đặc tính giảm dần khi giảm
từ thông.
Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:

Dòng điện ngắn mạch:
const
R
U
I
ư
đm
nm



02


2
01


2


01
0

1

0

1


đm

pháp:
. Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ
. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 12
 Đối với máy điện nhiều khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện
áp trên phần ứng thì mômen sẽ thay đổi. Do đó đó tốc độ sẽ thay đổi.
 Để điều chỉnh điện áp phần ứng ta phải dùng những bộ nguồn điện áp
như máy phát 1 chiều, bộ biến đổi van hay khuếch đại từ.
 Bộ biến đổi BD dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều của lưới thành
dòng 1 chiều và điều chỉnh giá trò suất điện động E
b
của nó theo yêu
cầu về các chỉ tiêu kó thuật và năng lượng, phương pháp điều áp được
đánh giá tốt. Trước hết nó là phương pháp điều chỉnh triệt để, nghóa là
nó có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào, kể cả khi không
tải lý tưởng. Phương pháp này đảm bảo được sai số tốc độ nhỏ, khả
năng quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và tổn năng lượng ít.
 Mặt khác, vì phần tử điều chỉnh đặt trong mạch điều khiển của bộ biến
đổi và mạch có công suất nhỏ nên tính điều khiển cao, thao tác nhẹ
nhàng và có khả năng cải thiện hệ thành tự động vòng kín.
 Nhược điểm lớn nhất của phương pháp điều áp là phải dùng bộ biến đổi
điều khiển khá phức tạp nên vốn đầu tư cơ bản cao và vận hành phí cao.
 Tuy nhiên, nhờ những ưu điểm đã nêu, phương pháp này tạo ra cho
máy sản xuất một năng suất cao, đồng thời tổn thất năng lượng ít nên
thời gian hoàn vốn nhanh. Do đó phương pháp điều áp được sử dụng
rộng rãi, chính vì vậy nó đem lại cho động cơ 1 chiều một vò trí quan
trọng trong thực tế mà máy điện xoay chiều rất khó cạnh tranh.
 Cấu trúc mạch động lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ

E
ỉ
nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ
truyền động “hở”.
Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều còn
được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều
quay. Đồng thời tùy thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có
truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần
tư.
Trong phần này, chúng ta nghiên cứu các tính chất tổng quát, cũng như
tính chất riêng của từng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một
chiều.

1. Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng:
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bò
nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều
khiển v.v Các thiết bò nguồn này có chức năng biến năng lượng điện
xoay chiều thành một chiều có sức điện động E
b
điều chỉnh được nhờ tín
hiệu điều khiển U
đk
. Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên
các bộ biến đổi này có điện trở trong R
b
và điện cảm L
c
khác không.
M
U
I.
.K
R
R
.K
E
đko
ư
đm
ưđb
đm
b

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ
cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trò điện
áp điều khiển U
đk
của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh
này là triệt để.
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 14
Mâm
Mnm min
M,I
0
Để xác đònh giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ
thống bò chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng

là hệ số quá tải về mômen. Vì họ đặc tính cơ là các đường
thẳng song song nhau, nên đònh nghóa về độ cứng đặc tính cơ có thể viết:    
1K
M
1
MM
M
đm
đmminnmmin




  
1K
1
M
.
/M1K
M
D
M
đm
maxo

đki


Hình: Xác đònh phạm vi điều chỉnh
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 15

Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trò
maxo
 , M
đm
, K
M
là xác đònh, vì
vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trò của độ cứng

.
Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bò nguồn điều
chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần
ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được:

10M/.
đmmaxo




 Vì các giá trò M
đm
,
mino
 , s
cp
là xác đònh nên có thể tính được giá trò tối
thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá giá trò cho
phép. Để làm việc này, trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ
truyền động điện kiểu vòng kín.
Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ
được giữ nguyên, do đó mômen tải cho phép của hệ sẽ là không đổi: đmđmđmcp.c
M
I
.
K
M

Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen nằm trong hình chữ nhật bao bởi
các đường thẳng
đmđm

E
b
= I
ư
E
ư
+ I
ư
2
(R
b
+ R
ưđ
).
Nếu đặt R
b
+ R
ưđ
= R thì hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ sẽ là:  









c
M


thì  
1x
ư
.R








đm


K
E
ư
. Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ
điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến:

dt
d
.
rr
e
i
k
kb
k
k



 ,
trong đó r
k
_ điện trở dây quấn kích thích,
r
b
_ điện trở của nguồn điện áp kích thích,

k
 _ số vòng dây của dây quấn kích thích.
Trong chế độ xác lập ta có quan hệ:

K


hay


2



 .
Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các động cơ
mà từ thông đònh mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng chuyển tính và vùng
bão hòa của đặc tính từ hoá thì có thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và
hằng số C phụ thuộc vào thông số kết cấu của máy điện: k
kb
k
e
rr
C
i.C

3. Hệ truyền động MF-DC: (F – Đ)
Phần ứng của động cơ điện 1 chiều được cung cấp từ 1 máy phát điện


4. Hệ truyền động khuếch đại từ động cơ:

A B C

Sơ đồ nguyên lý:
 Khuếch đại từ được dùng rộng rãi trong kỹ thuật để điều chỉnh dòng
điện và điện áp. Trong trường hợp này người ta dùng nó để điều chỉnh
điện áp đặt vào phần ứng động cơ 1 chiều ĐM.
 Phần tử điều chỉnh chủ yếu là KĐT là cuộn kháng bão hòa được nối
theo sơ đồ trên. Trong mạch làm việc người ta nối các điốt làm nhiệm
vụ chỉnh lưu cho phụ tải và tạo ra thành phần dòng từ hoá KĐT.
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 19
 Điện áp chỉnh lưu trên đầu ra của khuếch đại từ được điều chỉnh bằng
các biến đổi dòng trong cuộn dây điều khiển của nó. Cuộn đó có thể
quấn bao tất cả các lõi của KĐT như bằng cách biến đổi dòng điều
khiển ta sẽ biến đổi được mật độ từ thông trong lõi từ ở nửa cuối chu kì
điều khiển ( tức nửa chu kì làm việc). Chính mật độ từ thông này quyết
đònh góc bão hòa
s

. Đối với khuếch đại từ lý tưởng trò số của suất điện
ĐM

5. Hệ truyền động T – Đ:
Hiện nay người ta sử dụng rộng rãi các bộ biến đổi van điều khiển để
biến năng lượng điện xoay chiều thành điện 1 chiều để cung cấp cho các
động cơ điện 1 chiều. Tốc độ động cơ điều chỉnh bằng cách thay đổi điện
áp chỉnh lưu bằng cách thay đổi thời điểm thông van.
 Ưu điểm: ưu điểm nổi bật của hệ T – Đ là độ tác động nhanh không
gây ồn và dễ tự động hóa, do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công
suất rất cao, điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập cho hệ thống tự
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 20
động điều chỉnh nhiều vùng để nâng cao chất lượng đặc tính tónh và các
đặc tính động của hệ thống.
 Nhược điểm: chủ yếu do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng chỉnh
lưu của điện áp có biên độ đập mạch gây tổn hao phụ trong máy điện.
Hệ số công suất cos

của hệ nói chung là thấp. Tính dẫn điện 1 chiều
của van buộc ta phải sử dụng 2 bộ biến đổi để cấp điện cho động cơ có đảo
chiều quay.

6. Chọn phương án:
 Trong thực tế truyền động nào có ưu điểm thì cũng có nhược điểm khác.
Do đó tùy trường hợp thực tế cụ thể người ta chọn phương án truyền
động cho phù hợp và trên nguyên tắc nhược điểm là ít nhất.
 Trong phần đồ án này ta dùng hệ truyền động T – Đ.

. Truyền động dùng 2 bộ biến đổi nối song song ngược điều khiển
chung
Tuy nhiên, mỗi loại sơ đồ đều có ưu nhược điểm riêng và thích hợp với
từng loại tải và công nghệ.
Ta chọn bộ truyền động dùng 2 bộ biến đổi nối song song ngược điều khiển
chung, bởi nó dùng cho dãi công suất vừa và lớn có tần số đảo chiều cao và
thực hiện đảo chiều êm hơn.

1. Sơ đồ nguyên lý làm việc:
Sơ đồ gồm 2 bộ biến đổi G
1
và G
2
, đấu song song ngược với các cuộn
kháng cân bằng L
c
. Từng bộ biến đổi có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu
hoặc nghòch lưu.
Cả 2 bộ biến đổi G
1
và G
2
đều nhận được xung mở tại mọi thời điểm.
Ta gọi
1
 là góc mở đối với G
1
,
2
 là góc mở đối với G

< 0 bấy giờ
2

>
o
90
U
d1
= U
o
cos
1

> 0
U
i2
= U
o
cos
2
 < 0
Cả 2 điện áp U
d1
và U
i2
đều đặt lên phần ứng của động cơ. Động cơ chỉ
tuân theo U
d1
và quay thuận. Động cơ không thể quay ngược theo U
i2

c
L
c L
c
L
c

Sơ đồ mạch hệ T-D có đảo chiều



0


0

Giả sử U
c
là điện áp điều khiển ở bộ điều khiển cần khởi động ĐM
quay thuận ta cho U
c
= U
c11
 =
o
30
,
o
1
o
2
150180 
U
d1
=
o
U
2
3
, U
i2
=
o

1
U 

,
o2i
U
2
1
U 

. Lúc này do quán
tính, nên sức điện động E của động cơ vẫn còn giữ nguyên trò số ứng với
trạng thái trước đó,
1d
UE



> bộ biến đổi G
1
bò khoá lại.
Mặt khác,
2i
UE

 nên bộ biến đổi G
2
làm việc ở chế độ nghòch lưu phụ
thuộc, trả năng lượng tích luỹ trong động cơ về nguồn điện xoay chiều.
Dòng điện phần ứng đổi dấu, chảy từ M vào G

Giá trò trung bình của dòng tuần hoàn:
)cos(sin
X
U63
I
111
c
*
2
cc



Đặt
ccm
cc
*
cc
I
I
I 
: gọi là giá trò tương đối của dòng điện tuần hoàn
Trong đó:
c
*
2
ccm
X
U6
I  : giá trò cực đại của dòng tuần hoàn


SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 24
0
0.1
0.2
0.3
0.9
30 60
90 120 150
180
o o o
o
oo
o
1
30

2

Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 25
Phần III: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC

A B C

U
U
U

