ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Điều khiển động cơ
điện một chiều
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU
.
Xét phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng động cơ điện một
chiều:
U = E + R
ư
.I ( I – 1 )
Trong đó:
U – điện áp phần ứng động cơ (V);
E – sức điện động phần ứng động cơ (V);
R
ư
– điện trở của mạch phần ứng (Ω ).
Sức điện động của mạch phần ứng động cơ được xác định như sau:
E =
a.2
N.p
π
.φ.ω = K.φ.ω ( I – 2 )

=ω
( I – 3 )
Phương trình ( I – 3 ) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định theo công thức :
ööñt
I KI
a.2
N.p
M φ=φ
π
=
( I – 4)
Từ phương trình ( I –3 ) và ( I – 4) ta được :
Đồ án tốt nghiệp

ñt
ö
M.
).K(
R
.K
U
2
φ
−
φ
=ω
(I – 5)
Nếu bỏ qua các tổn thất ma sát trong các ổ trục, tổn thất trong thép, tổn
thất trong dây quấn động cơ thì ta có : M

Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông φ.
-
Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần
ứng.
I. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch
phần ứng.
Giả thiết U = U
đm
= const. Muốn thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng,
bằng cách mắc thêm một điện trở phụ R
f
vào mạch phần ứng và thay đổi giá
trị điện trở R
f
thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi theo. Vậy phương trình đặc tính
cơ lúc này sẽ là :
M.
).K(
RR
.K
U
2
f
ñm
ö
ñm
φ
+
−
φ

ư
= R
TN

ω
o

Đồ án tốt nghiệp
Ta có :
ωΔ−ω=
φ
−
φ
=ω
o
2
M
).K(
R
.K
U
ö

Trong đó :

RR
2
2f
3
ñm
ö
φ
+
=ωΔ

Ta giả thiết U, φ, I
ư
, là những hằng số. Do vậy nên mômen M cũng là
hằng số.
Mặt khác, vì R
ư
< R
f1
< R
f2
nên ta có :
321
∆ω∆ω∆ω
<
<

- Độ cứng của đặc tính cơ :
Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên :
ö
ñm

+
φ
=β
ö
ñm2f
2
3
RR
).K(
+
φ
=β
ö
ñm

Vậy
321
βββ >>
.
Ä Nhận xét :
Đồ án tốt nghiệp

-
Nếu ở cùng một giá trị mômen cản M
C
thì độ sụt tốc độ sẽ càng lớn
nếu điện trở của mạch phần ứng càng lớn và làm cho tốc độ động cơ bị suy

3cñmcô3
.ωMP
=

Theo giả thiết ở trên, ta có U, I
ư
, φ, M
c
là những hằng số và là những đại
lượng định mức. Nên ta có:
cons
t
.IUPPP
ñmñmñieän3ñieän2ñieän1
=
=
=
=

Suy ra
321
ηηη >>
, vậy khi điều chỉnh tốc độ theo phương pháp này
sẽ không kinh tế, do có tổn hao trên các điện trở phụ nên làm cho hiệu suất
của thiết bị giảm. Vì vậy nên phương pháp này trong thực tế ít sử dụng.
II. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây
kích từ.

Giả thiết U = U
đm

- Ta có đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi từ thông mạch kích từ như
sau: ω
02ω
01

(2)
ω
02

ω
01ω
đm
ω
ω
Đồ án tốt nghiệp

.K
U
φ
=ω
ñm

- Độ cứng của đăc tính cơ:
var
R
).K(M
d
dM
2
=
φ
=
ωΔ
Δ
≈
ω
=β
ö

Do cấu trúc của máy điện nhất định nên cuộn dây kích từ chỉ chịu được
dòng kích từ định mức, do vậy thực tế chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh
giảm từ thông ( φ <φ
đm
). Khi ta cho giảm từ thông thì lúc đó tốc độ không tải
sẽ tăng lên.
Ä Nhận xét:

Tốc độ không tải và độ sụt tốc :
var
.K
U
i
oi
=
φ
=ω
ñm
;
constM
).K(
R
2
=
φ
=ωΔ
ñm
ö
.
- Đặc tính cơ :
- Độ cứng đặc tính cơ :
const
R
).K(
2


U
1U
2U
3

ω

ω
o

ω
o1ω
o2

ω
o3

M
Đồ án tốt nghiệp


– ( R
bđ
+ R
ư
)I
ư

Suy ra :
M
).K(
)RR(
.K
U
2
b
ñm
ñbñ
ñm
bñ
φ
+
−
φ
=ω
Trong đó :

φ
=ω
.K
U

Đồ án tốt nghiệp

ω.K.E
ñm
φ=
là sức điện động dây quấn phần ứng động cơ.
U
bđ
= K
a
.U
đk

với : K
a
- hệ số khuếch đại của bộ nguồn.
U
đk
– điện áp điều khiển.
Vậy :
)U(f
.K
U.K
a
o
ñk
ñm

I K KE
α
ω
=
ω
Φ
=

Trong đó :
a.2
N.p
K
f
π
=
- là hệ số cấu trúc của máy điện một chiều;
f
Φ
- là từ thông kích từ máy phát;
α - là hệ số góc của đường đặc tính từ hóa máy phát ( ở đọan
tuyến tính);
ktf
f
ktf
f
IdI
d
Δ
Δ
Φ

ktf
ktf
kt
R
U
I =
suy ra : I
ktf
≡ U
ktf

Sức điện động của máy phát trong trường hợp này sẽ tỉ lệ với điện áp
kích thích bởi hệ số tỉ lệ K
u
, vì vậy ta có thể viết :
E
f
= K
u
.U
ktf

Mà điện áp của bộ biến đổi U
bđ
chính là E
f
nên ta có phương trình đặc
tính cơ của động cơ như sau :
M
).K(

)K(
2
DF
+
Φ
=β
−
= const (2)
Từ (1) và (2) chứng tỏ rằng khi thay đổi dòng kích từ từ máy phát thì
tốc độ không tải của động cơ sẽ thay đổi còn độ cứng của đặc tính cơ thì giữ
nguyên. Vì vậy đặc tính cơ điều chỉnh sẽ là họ đường thẳng song song như
sau :
+ Góc phần tư thứ (I) và (III), tốc độ quay ω và mômen quay M của
động cơ quay cùng chiều nhau. Đây là chế độ
động cơ, nói lên rằng năng
lượng được vận chuyển thuận chiều từ nguồn → máy phát → động cơ → tải.
+ Góc phần tư (II) và (IV), tốc độ quay ω và mômen quay M của động
cơ quay ngược chiều nhau. Đây được gọi là chế độ hãm tái sinh của động cơ,
nói lên rằng năng lượng được vận chuyển theo chiều từ tải → động cơ →

máy phát → nguồn, lúc này máy phát và động cơ đổi chức năng cho nhau .
U
ktf
= 0
Để cải thiện dạng sóng của dòng điện phần ứng, ta thêm vào mạch một
van đệm V
0
.
Có thể sử dụng Tiristor hoặc Trănzitor công suất để thay thế cho khóa K
trong mạch trên. Khi đóng cắt khóa K, trên phần ứng động cơ sẽ có điện áp
biến đổi theo dạng xung vuông. Khi ở trạng thái dòng liên tục thì giá trị
trung bình của điện áp ra sẽ là:
∫
γ===
1
t
0
CK
1
CK
d
U.U
T
t
Udt
T
1
U

Trong đó :
t
1


t
2
– thời gian khóa ở trạng thái mở;
T
CK
– thời gian thực hiện một chu kì đóng mở của khóa;
CK
1
T
t
=γ
- là độ rộng của xung áp.
Vậy ta có thể coi bộ biến đổi xung đẳng trị với nguồn liên tục có điện áp
ra U
d
và U
d
có thể thay thay đổi được bằng cách thay đổi độ rộng xung γ.
Mặt khác, thời gian một chu kì đóng cắt của khóa K rất nhỏ so với hằng số
thời gian cơ học của hệ truyền động, nên ta coi tốc độ và sức điện động phần
ứng động cơ không thay đổi trong thời gian T
CK
.
- Đặc tính điều chỉnh của hệ XA - ĐC :
I.
.K
RR
.K
U.

bđ
, khi đó độ cứng của đặc tính cơ của hệ có độ cứng là:
const
R
).K(
2
TN
=
Φ
=β=β
ö
ñm

Tốc độ không tải lí tưởng ω
o
phụ thuộc vào γ chỉ là giá trị giả định. Nó
có thể tồn tại nếu như dòng trong hệ là liên tục kể cả khi giá trị dòng tiến
đến 0. Vì vậy, biểu thức (1) và (2) chỉ đúng với trạng thái dòng liên tục.
Khi dòng điện đủ nhỏ thì hệ sẽ chuyển trang thái từ dòng liên tục sang
trạng thái dòng gián đoạn. Khi đó các phương trình đặc tính điều chỉnh nói
trên không còn đúng nữa mà lúc này đặc tính c
ủa hệ là những đường cong rất
dốc.
γ

định và tổn thất năng lượng nhiều.
4. Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ ( CL – ĐC ).
- Sơ đồ nguyên lí :
Hệ truyền động chỉnh lưu có điều khiển – động cơ ( CL – ĐC ) có bộ
biến đổi là các mạch chỉnh lưu có điều khiển, có sức điện động E
d
phụ thuộc
vào giá trị của xung điều khiển ( tức là phụ thuộc vào góc điều khiển hay góc
mở Tiristor ).
Điện áp chỉnh lưu U
d
( hay E
d
) là điện áp không tải ở đầu ra, có dạng
đập mạch với số lần đập mạch là n trong một chu kì 2π của điện áp thứ cấp
máy biến áp.
+ Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia : n = m, trong đó m là số pha.
+ Với sơ đồ hình cầu : n = 2.m , m là số pha.
+
-
∼
∅
∅
∅

d
t
di
.LR.IEu
d
d2
∑∑
+=−

Suy ra :
d
t
di
.LR.iEsin.U
d
dm2 ∑∑
+=−θ

Trong đó :
R
∑
= R
ba
+ R
ư
+ R
k

L
∑

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu :
E
R
∑
Tiristor
L
∑U
d

~
Đồ án tốt nghiệp

∫∫
π
+α
α
π
+α
α
θθ
π
=
π
=
n
2
m2

−α=α là góc mở của van;
n
sin.U.
n
U
m2do
π
π
=
là điện áp một chiều lớn nhất ở đầu ra
chỉnh lưu ứng với α = 0;
U
2m
là trị biên độ của điện áp thứ cấp máy biến áp;
n – số lần đập mạch trong một chu kì.
+ Bỏ qua sụt áp trên van, ta có phương trình đặc tính cơ như sau :
M
).K(
R
.K
cos.U
2
do
ñm
ñm
Φ
−
Φ
α
=ω

ba
– điện kháng máy biến áp, với
2
1
2
12ba
)
W
W
.(XXX +=
R
v
– điện trở của các van, ( R
v
rất nhỏ có thể bỏ qua );
ba
X.
2
n
π
- điện trở đẳng trị do quá trình chuyển mạch.
+ Độ cứng của đặc tính cơ :
∑
Φ
=
ωΔ
Δ
≈
ω
=β

3
Đồ án tốt nghiệp
b. Trạng thái dòng gián đọan :
Khi điện kháng trong mạch không đủ lớn, nếu sức điện động của động
cơ đủ lớn thì dòng điện tải sẽ trở thành gián đoạn. Ở trạng thái này thì dòng
qua van bất kì sẽ bằng 0 trước khi van kế tiếp mở. Do vậy trong một khoảng
dẫn của van thì sức điện động của chỉnh lưu bằng sức điện động nguồ
n :
e
d
= U
2
, với 0 ≤ θ ≤ λ , trong đó λ là khoảng dẫn.
Khi dòng điện bằng 0 thì sức điện động của chỉnh lưu bằng sức điện
động của động cơ :
e
d
= E , với λ < θ ≤
n
2
π

Vậy ta có điện áp trung bình của chỉnh lưu là :
∫∫∫∫

.(E)cos1.(U.
2
n
m2
λ−
π
+λ−
π
=
Vậy :
)
n
2
.(E)cos1.(U.
2
n
U
m2d
λ−
π
+λ−
π
=

Đặc tính cơ của hệ CL – ĐC khi dòng điện gián đọan :
Trong các hệ truyền động điện dùng phương pháp giảm điện áp phần ứng
để điều chỉnh tốc độ nói trên, ta nhận thấy hệ truyền động CL – ĐC là có
nhiều ưu điểm hơn cả. Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG II
TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU TĨNH CÓ ĐIỀU KHIỂN.

So với chỉnh lưu không điều khiển ( chỉ dùng Diode để chỉnh lưu ), thì
chỉnh lưu có điều khiển ( dùng Tiristor để chỉnh lưu ) có nhiều ưu điểm hơn.
Nhờ có cực điều khiển của Tiristor mà ta có thể điều chỉnh được giá trị điện
áp ra theo yêu cầu bằ
ng cách thay đổi góc mở α của Tiristor. Do vậy rất
thuận tiện trong việc điều khiển.
Mặt khác, với chỉnh lưu có điều khiển thì ta có thể điều khiển công suất
chạy theo cả hai chiều : từ nguồn → tải, hoặc từ tải → nguồn ( nghịch lưu trả
năng lượng về lưới ).
I. Chỉnh lưu một nửa chu kì có điều khiển :
- Sơ đồ nguyên lí :
- Đồ thị dạng sóng :
α
I
d

∅
∅
R
d

BA
L
d

Tiristor
~
Đồ án tốt nghiệp

dd
ddddBA2BA1
BA
I.U.09,3
2
I.U.49,3I.U.69,2
2
SS
S =
+
=
+
=

1
U
222d

Với α là góc mở của Tiristor.
+ Giá trị điện áp ngược đặt trên Tiristor :
max22maxng
U.2U.22U ==
+ Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua Tiristor :
2
I
I
d
tbT
=
+ Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua tải :
R
U
I
d
d
=
+ Công suất máy biến áp :
•
•
L
d

T
2

I.U.48,1
2
I.U.74,1I.U.23,1
2
SS
S =
+
=
+
=

Ä Nhận xét :
So với chỉnh lưu nửa chu kì, thì loại chỉnh lưu này có chất lượng điện
áp tốt hơn, dòng điện chạy qua van không quá lớn, tổng điện áp rơi trên van
nhỏ, việc điều khiển các van đơn giản. Tuy nhiên, việc chế tạo máy biến áp
phải có hai dây quấn thứ cấp giống nhau, với mỗi cuộn chỉ làm việc ở một
nửa chu kì. Chính vì vậy làm cho việ
c chế tạo máy biến áp phức tạp hơn và
khả năng sử dụng máy biến áp thấp.
III. Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển :
- Sơ đồ nguyên lí :

•
∅∅
T
1
U
2

U
1

U
d
U
t
α
Đồ án tốt nghiệp

∫
π+α
α
α=α
π
=ωω
π
= cos.U.9,0cos.U.
22
td.tsin.U.2
1
U
222d

=
=
=

Ä Nhận xét :
Chỉnh lưu cầu một pha có chất lượng điện áp ra tương đương với chất
lượng điện áp ra của chỉnh lưu một pha có biến áp trung tính, nhưng đối với
chỉnh lưu cầu một pha lại có điện áp ngược đặt lên mỗi van chỉ bằng một nữa
so với chỉnh lưu một pha có biến áp trung tính. Khả năng sử dụng máy biến
áp của chỉnh lưu này cao hơn so với chỉnh lưu một pha có biến áp trung tính.
IV. Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển :
- Sơ đồ nguyên lí :

- Đồ thị dạng sóng : T
2
a
b
c
•
•
•

π
α+
π
cos.U.17,1cos.U.
2
63
td.tsin.U.2.
2
3
U
222
6
5
6
d

+ Giá trị điện áp điện áp ngược đặt lên Tiristor :
f2f2ng
U.6U.3.2U ==
+ Giá trị dòng điện trung bình chạy qua tải :
R
U
I
d
d
=
+ Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp :
3
I
I

Dòng điện chạy qua các van bán dẫn nhỏ hơn so với các loại chỉnh lưu
một pha.
Trong các loại chỉnh lưu ba pha, thì chỉnh lưu tia ba pha có số van bán
dẫn ít nhất.
Trong cuộn dây phía thứ cấp máy biến áp có tồn tại dòng điện một chiều,
vì vậy làm cho lõi thép máy bi
ến áp chóng bị bão hòa gây phát nóng lõi thép.
Cuộn dây thứ cấp máy biến áp phải đấu sao, với bốn đầu dây nối ra ngồi
và dây trung tính phải lớn gấp đôi dây pha.
Đồ án tốt nghiệp

V. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng.
- Sơ đồ nguyên lí : - Đồ thị dạng sóng :
=
+ Giá trị dòng điện hiệu dụng qua Tiristor :
•
•
T
1
T
3
T
5
T
6
I
d
•
•
•
T
4
•
•
•
R
d
L
d

c
T
2

ddBA2BA1BA
I.U.05,1SSS
=
=
=

Ä Nhận xét :
+ Hiệu suất sử dụng máy biến áp của chỉnh lưu này cao.
+ Điện áp chỉnh lưu có số lần đập mạch trong một chu kì gấp đôi số lần
đập mạch của chỉnh lưu tia ba pha. Cụ thể, có n = 6 lần đập mạch trong một
chu kì. Dòng điện trong các Tiristor có dạng chữ nhật nhưng dòng điện qua
thứ cấp máy biến áp hồn tồn đối xứng và không có thành ph
ần một chiều nên
ít làm lõi thép bị phát nóng.
+ Có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về nguồn. Cùng
một lúc cần có hai xung điều khiển để điều khiển hai Tiritor đồng thời.
VI. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng.
- Sơ đồ nguyên lí :
- Sơ đồ dạng sóng :
•
T
1
D
1
•

c
b
a
I
d
R
d
L
d
Đồ án tốt nghiệp
+ Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu :
)cos1.(U.17,1td.tsin.U
2
23
td.tsin.U
2
23
U
2
6

I
I
d
tbV
=

+ Giá trị điện áp ngược của van :
22N
U.6U.3.2U ==

+ Công suất máy biến áp :
ddBA2BA1BA
I.U.05,1SSS
=
=
=

Ä Nhận xét :
+ Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt.
+ Việc mở các van điều khiển đơn giản hơn so với chỉnh lưu cầu 3 pha
điều khiển đối xứng, nhưng các sóng điều hòa bậc cao của tải và của nguồn
lớn hơn.
+ Số lần đập mạch trong một chu kì chỉ có 3 lần và thành phần đập mạch
của chỉnh lưu cầ
u 3 pha điều khiển không đối xứng có giá trị lớn hơn giá trị
của thành phần điện áp đập mạch của chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối
xứng.
VII. Chỉnh lưu tia sáu pha.
-
Sơ đồ nguyên lí :

•
•
•

B
-

C
-
T
4

T
5

T
6
•
•
•

A
+
•
•
•

B
+