Thiết kế mạch điều khiển cho động cơ điện một chiều
I. Giới thiệu chung
Như ta đó biết, để cho cỏc van mở tại những thời điểm mong muốn ta cần
phải cú cỏc mạch điện phỏt ra cỏc xung điều khiển đưa đến mở cỏc tiristo tại cỏc.
Xung điều khiển phải đỏp ứng đủ cỏc yờu cầu như: biờn độ , cụng suất và thời
gian tồn tại để mở chắc chắn cỏc van với mọi loại tải mà sơ đồ gặp phải khi làm
việc. thụng thường đối với cỏc bộ chỉnh lưu thỡ độ rộng xung nằm trong khoảng
từ (200 - 600 ) µs là đảm bảo mở chắc cắn cỏc tiristo. mạch điện phỏt ra cỏc xung
như vậy gọi là mạch điều khiển.
Hiện nay cỏc hệ thống phỏt xung điều khiển được chia làm hai nhúm:
+ Nhúm cỏc hệ thống điều khiển đồng bộ: là nhúm mà cỏc hệ thống điều
khiển đưa ra cỏc xung xuất hiện trờn cực điều khiển của cỏc Tiristo đỳng thời
điểm cần mở và lặp đi lặp lại với chu kỡ thường bằng chu kỡ nguồn xoay chiều
cấp cho bộ chỉnh lưu ( ngoài ra trong một số trường hợp chu kỡ xung cú thể bằng
1/2 chu kỡ nguồn).
Nhúm hệ thống này được sử dụng rất phổ biến.
+ Nhúm cỏc hệ thống điều khiển khụng đồng bộ: nhúm này tạo ra cỏc chuỗi
xung điều khiển với tần số thường cao hơn nhiều tần số nuồn cung cấp và trong
quỏ trỡnh làm việc tần số xung được tự động thay đổi để đảm bảo một lượng ra
nào đú (U
d
, I
d
) khụng thay đổi. Để đạt được điều này thỡ tần số xung phải được
khống chế theo sai lệch giữ tớn hiệu đặt và tớn hiệu ra của đại lượng cần ổn định.
Cỏc hệ thống điều khiển theo nguyờn tắc này khỏ phức tạp nờn ớt được dựng, ở
đõy ta chỉ nghiờn cứu hệ thống thứ nhất.
1
II. Thiết kế mạch phỏt xung
1. Lựa chọn phương phỏp phỏt xung
Cỏc hệ thống điều khiển đồng bộ hiện nay thường sử dụng ba phương phỏp

động là khoảng điều chỉnh rất rộng, độ sụt tốc độ nhỏ nờn phải sử dụng cỏc phản
hồi - tức là cần phải tổng hợp nhiều tớn hiệu điều khiển. Do vậy, phương phỏp
điều khiển theo nguyờn tắc pha đứng là phự hợp hơn cả, ta chọn phương phỏp này.
2. Sơ đồ khối mạch điều khiển theo pha đứng
3
u
1
ĐBH
&
FSRC
SS
TX
u
rc
u
đ
k
XĐK
Khối 1 Khối 2 Khối 3
Khối 1: khối đồng bộ hoỏ và phỏt súng răng cưa. Khối này cú nhiệm vụ lấy
tớn hiệu đồng bộ hoỏ và phỏt ra súng điện ỏp hỡnh răng cưa để đưa vào khối so
sỏnh.
Khối 2: khối so sỏnh, cú nhiệm vụ so sỏnh giữa tớn hiệu điện ỏp tựa hỡnh
răng cưa với điện ỏp điều khiển U
đk
để phỏt ra tớn hiệu xung điện ỏp đưa tới mạch
tạo xung.
Khối 3: khối tạo xung, cú nhiệm vụ tạo ra cỏc xung điều khiển đưa tới chõn
điều khiển của Tiristo.
a. Mạch đồng bộ hoỏ

Mục đớch của việc dịch pha tớn hiệu đồng bộ chậm đi một gúc 30
0
là nhằm thống
nhất trị số gúc điều khiển của Tiristor ứng với điện ỏp nguồn trờn mạch động lực
và gúc điều khiển
α
ở mạch phỏt xung và như vậy cú thể điều khiển cỏc Tiristor
với gúc điều khiển nhỏ .Ta biết rằng gúc mở tự nhiờn của Tiristor được tớnh tại vị
trớ giao nhau của hai điện ỏp pha kề nhau và gúc điều khiển được tớnh từ thời
điểm đú trở đi . Mặt khỏc gúc điều khiển
α
ở mạch phỏt xung được tớnh từ điểm
bắt đầu của điện ỏp tựa răng cưa ( cũng là điểm bắt đầu của cỏc nửa chu kỳ điện
ỏp đồng bộ hoỏ ) đến vị trớ mà U
rc
+ U
đk
= 0 .Do đú việc dịch pha điện ỏp đồng bộ
5
r1 r2
c1
u
dba1
u
db
u
dbd
hoỏ U
đb
chậm đi gúc 30

r2r1
*
u
®b
u
C2
i
C2
i
v-
i
v+
u
rc
*Nguyờn lý hoạt động:
- Ở nửa chu kỳ dương Tr1 khoỏ , điện ỏp õm qua R
3
,R
4
dẫn tới đầu vào đảo
của IC khiến điện ỏp ra của IC cú giỏ trị dương và tụ C2 được nạp bởi điện ỏp
đầu ra này. Dũng nạp cho tụ được xỏc định là: i
c
= i
v-
– i
C2

Nếu IC là lý tưởng thỡ i
v

IC nhỏ nờn dạng điện ỏp ra hầu như khụng phụ thuộc vào điện trở tải mắc ở đầu ra
của IC . Điện ỏp ra cú dạng gần lý tưởng.
c. Mạch so sỏnh
Việc so sỏnh điện ỏp răng cưa và điện ỏp điều khiển cú thể thực hiện bằng
Tranrito hay vi mạch điện tử. Việc ghộp nối cỏc tớn hiệu cú thể là nối tiếp hay
song song miễn là đảm bảo tớn hiệu răng cưa và tớn hiệu điều khiển cú tỏc dụng
ngược chiều nhau. Phương phỏp so sỏnh nối tiếp cú ưu điểm là chớnh xỏc nhưng
khi tớn hiệu răng cưa cú dạng xoay chiều thỡ việc so sỏnh gặp nhiều khú khăn .
Do đú ta chỉ nghiờn cứu phương phỏp so sỏnh song song .
8
r6
r7
+u
cc
-u
cc
ic2
U
ss
U
rc
U
®k
* Nguyờn lý làm việc :
Khõu so sỏnh gồm 2 tớn hiệu điện ỏp đưa vào đầu vào. Điện ỏp U
đk
là tớn hiệu ra
của mạch khuếch đại trung gian Điện ỏp U
rc
là điện răng cưa U

õm .Cỏc xung điện ỏp này được đưa tới đầu vào của khõu tạo xung.
d. Khõu tạo xung
Để đảm bảo độ chớnh xỏc của thời điểm xuất hiện xung và tớnh đối xứng
của cỏc xung ở cỏc kờnh khỏc nhau, khõu so sỏnh thường cho cụng suất xung ra
nhỏ nú chưa đảm bảo cỏc thụng số yờu cầu vỡ vậy cần cú mạch tạo xung. Mạch
tạo xung gồm nhiều khõu như: truyền xung, khuyếch đại xung , sửa xung.
+ Mạch truyền xung
Để truyền xung điều khiển đến cỏc chõn điều khiển của cỏc tiristo tốt nhất
là dung biến ỏp xung, vừa cú thể cỏch ly giữa mạch động lực với mạch điều
khiển ,vừa cú thể đồng thời đưa nhiều xung đến mở cỏc Tiristor nối tiếp hay song
song.
+ Mạch khuyếch đại xung
10
*
*
d5
tr3
tr4
d6
d7
u
®k
t
bax
+u
cc
+u
rc
Để khuyếch đại ta cú thể dựng Tranrito hay Tiristor . Cỏc mạch dựng Tiristor
thường được dựng trong những trường hợp cú đũi hỏi cụng suất xung điều khiển

r8
c3
tr2
r10
r9
d4
+u
cc
u
rc
u
®k
+u
cc
Nguyờn lý hoạt động:
KĐTT IC2 làm việc ở chế độ bóo hoà
+ Khi điện ỏp đầu ra khõu so sỏnh cú giỏ trị dương, tụ C3 sẽ được nạp từ
đầu ra của IC2 +C3 - C3 R8 TR2 mỏt
TR2 mở dẫn đến Ura=0 Tụ C3 nạp đầy thỡ TR2 vẫn mở nhờ điện trở định
thiờn R7
+ Khi điện ỏp đầu ra IC cú giỏ trị õm , tụ C3 sẽ phúng +C3 IC2 D4
- C3 TR2 mở ra, Ura=0
12
π 2
π
π
ω
t
ω
t

®k
3
π
4
π
2
π
3
π
4
π
0
0
0
0
0
0
0

+ Mạch phõn chia xung
Trong một số hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu để đảm bảo tớnh đối xứng của
13
tớn hiệu điều khiển trờn cỏc van của sơ đồ chỉnh lưu ,người ta thường sử dụng
một mạch đồng bộ hoỏ - phỏt súng răng cưa chung và khõu so sỏnh chung. Xung
ra khõu so sỏnh cú tần số gấp n lần tần số nguồn ( n là số van chỉnh lưu cần được
cấp tớn hiệu điều khiển từ hệ thống phỏp xung này ).
Trong sơ đồ hỡnh tia ba pha ta sử dụng 3 hệ thống phỏt xung điều khiển riờng biệt
nờn khụng cần cú mạch chia xung.
e. Một số mạch khỏc
+ Mạch tạo nguồn nuụi

lớn khiến cho ta chỉ cần chọn cỏc Tranrito khuyếch đại cụng suất cú dũng nhỏ.
+ Khối tạo điện ỏp chủ đạo
Khối tạo điện ỏp chủ đạo chỉ yờu cầu cụng suất nhỏ nờn ta lấy trực tiếp từ
nguồn +15V và -15V . "Đảo chiều điện ỏp chủ đạo nhờ cặp tiếp điểm T - N .
+ Phản hồi õm tốc độ
15
+15V
- 15V
T
N
R
1
R
2
U
cđ
NLLV
-
+
wr2
rh
®c
k
ft
n
γ

Khi động cơ làm việc sẽ quay mỏy phỏt tốc và mỏy phỏt tốc này sẽ phỏt ra điện ỏp
một chiều trờn đầu ra, tớn hiệu này được trớch một phần trờn biến trở WR2 và đưa
tới mạch khuếch đại trung gian làm tớn hiệu phản hồi

và được so
sỏnh với tỡn hiệu tốc độ
γ
n ở đầu vào đảo của IC3
Giả sử tốc độ ĐC đang giảm 
γ
n giảm, vậy U
vIC3
= (U
cđ
-
γ
n) tăng  Đầu ra
IC3 tăng õm thụng qua một lần đảo tớn hiệu nữa thỡ U
đk
sẽ tăng dương làm cho
gúc điều khiển
α
giảm  Điệ ỏp đặt vào động cơ U
d
=f(cos(
α
)) tăng  ĐCsẽ tăng
17
tốc độ lờn tốc độ định mức. Khi ĐC tăng tốc thỡ
γ
n tăng, vậy U
vIC3
= (U
cđ

Uđm
(KW)
Iđm
(v/ph)
nđm
(%)
R
ư
(Ω)
L
ư
(H)
GD
2
(H)
∏42
4.5 220 25.4 1500 0.795 0.0329 0.18
18
Hệ số khuyếch đại của động cơ được tớnh:
uuu
D
RIU
n
K
−
=
⇒
)(693,7
795.0.4,25220
1500

u
.K
R
.K
α
.K
a
.U
đm
a. Điện ỏp thứ cấp được chọn theo biểu thức:
U
2fđm
≥ K
u
.K
R
.K
α
.K
a
.U
đm
Trong đú :
+ U
đm
là điện ỏp định mức động cơ( U
đm
=220V)
+ K
u

0
=>
α
max
= 150
0
 K
α
=
min
1
α
Cos
=
3
2
+ K
a
là hệ số phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưu
K
a
=
0
2
d
fdm
U
U
=
2fdm

I
1đm
=
m
I
dm2

Với K
I
=
2
1
U
U
=
273
220
= 0.8 là hệ số MBA
=> I
1đm
=
8,0
6647,14
= 18,3309(A)
c. Cụng suất MBA:
S =
2
21
SS +


u
.
6
.U
2
21
a. Chọn theo điều kiện dũng điện : I
Ttb
≥ K
i
.I
Ttbmax
Trong đú:
K
i
: là hệ số dự trữ dũng điện, ta lấy K
i
= 3
I
Ttbmax
= I
đm
/ 3=25,4/3
Như vậy ta cú: I
Ttb
≥ 8.4667
b. Chọn theo điều kiện điện ỏp
Sơ đồ mạch chỉnh lưu của ta là hỡnh tia do đú điện ỏp mà cỏc van phải chịu
là điện ỏp dõy cú giỏ trị bằng
3

(V)
I
g
(A)
U
g
(V)
du/dt
(V/µs)
di/dt
(A/µs)
T - 10 10 1000 1,2 2,5 100 100
4.Tớnh chọn cuộn khỏng san bằng
22
Cuộn khỏng san bằng cú tỏc dụng lọc thành phần xoay chiều của dũng
điện .
Điện cảm tổng mạch chỉnh lưu:
L∑=
12

2
U
Iom
ω
=Lư + Lck
U12: Thành phần súng hài bậc cơ bản của điện ỏp chỉnh lưu
m: Số pha của điện ỏp nguồn m=3
ω=2πf=314 rad/s là tần số gúc của song hài cơ bản
Io=5%Iđm=0.05*25,4=1,27(A) là dũng khụng tải lý tưởng
Lư= 0.0329(H) là điện cảm của mạch phần ứng

∫
Utdttu
π
ωωω
π
π
=174.5223(V)
L∑=
5223,174
27,1.314.3
2
=0,2063(H)
Lck=L∑ - Lư =0,2063-0.0329=0,1734(H)
Rck = 2%
Idm
Udm
=0.02
4,25
220
=0,1732(Ω)
5 . Tớnh chọn điện trở hóm :
Muốn hóm động năng kớch từ độc lập ta cắt phần ứng động cơ ra khỏi lưới đồng
thời đúng thờm điện trở hóm vào mạch phần ứng
Tại thời điểm đúng cắt ban đầu do quỏn tớnh cơ nờn tốc độ chưa kịp thay đổi nờn
E
hbđ=
Kφω
bđ
=E
d

dt
du
. Cỏc nguyờn nhõn gõy ra những hiện tượng này bao gồm:
+ Quỏ gia tốc dũng, ỏp do quỏ trỡnh chuyển mạch
+ Quỏ gia tốc dũng, ỏp do cộng hưởng
+ Quỏ gia tốc dũng, ỏp do cắt MBA ở chế độ khụng tải hay tải nhỏ
Để bảo vệ an toàn cho cỏc van trước những tỏc nhõn trờn ta dựng cỏc phần tử
R – C mắc song song với cỏc Tiristo như hỡnh vẽ :
Trị số của R , C cú thể tra theo đường cong được
xõy dựng bằng mỏy tớnh .
C=10.I
To
/Ungmax(µF)
R=10.Ungmax/I
Tđm
(Ω)
Trong đú:
I
To
:Dũng điện qua cỏc van trước chuyển đổi
I
To
=Kqt.K
I
.Kd.Iđm
Kqt=1,13 hệ số quỏ tải cho phộp
Kd=1,05 hệ số dự trữ về dũng
K
I
=0,8 hệ số dũng phụ thuộc vào sơ đồ

=18,3309(A)
Vậy:
U
TAMđm
≥380(V)
I
TAMđm
≥1,13.1,05.18,3309=21.75(A)
Chọn ATM cú thụng số như sau:
Kiểu Uđm(V) Iđm(A) ixk(KA) tcắt(s)
AB-4 400 400 42 0.06
III .Tớnh chọn thiết bị mạch điờự khiển
1. Tớnh chọn mỏy phỏt tốc
Căn cứ vào tốc độ định mức của động cơ và sai lệch tĩnh của hệ thống ta
chọn mỏy phỏt tốc cú cỏc thụng số sau:
Kiểu U
đm
(V) I
đm
( A) n
đm
(v/ph)
R
ư
( Ω)
πT32/IY4
230 0.5 1000 7.34
25