Đồ án tốt nghiệp

Điều chỉnh tốc độ động cơ một
chiều kích từ độc lập

u
U
u
R
f
I
kt
U
kt
R
kt
C
kt

Hình 1. Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập
Theo hình 1 ta viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng
U
ư
=E
ư
+ ( R
ư
+ R
f
)I
ư
(1)
Trong đó: U
ư
: Điện áp đặt lên phần ứng động cơ (V).

ư
điện trở cuộn dây phần ứng (
Ω
)
r
cf
: Điện trở cuộn cực từ phụ (
Ω
)
r
b
: Điện trở cuộn bù (
Ω
)
r
ct
: Điện trở tiép xúc chổi điện (
Ω
)
•
Sức điện động E
ư
của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thưc sau
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 2
E
ư
=
a

60
2 n
π
=
55,9
n

vì vậy E
ư
=
a
PN
60
n
φ

với k
e
=
a
PN
60
: Hệ số sức điện động của động cơ
k
e
=
55,9
k
≈ 0,105 k
Thay (1) vào (2) và biến đổi ta được

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
lập
Nếu không xét đến ảnh hưởng của phản ứng phần ứng ngang trục làm giảm từ
thông φ của động cơ tức là xem φ=const thì quan hệ ω=f(M,I) là tuyến tính.
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 3

ω
0
ω
dm
ω
Δ
IM

RR
fu
U
+
=I
nm
(8)
Và M =k
φ
I
nm
=M
nm
(9)
I
nm
, M
nm
: được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch. Mặt khác
phương thình đặc tính (4) và (6) cũng có thể viết dưới dạng
ω =
φ
k
U
u
-
φ
k
R
I

ta suy ra từ (5)
trong đó R = R
ư
+ R
f
, ω
0
=
φ
K
U
u

Δω=
φ
K
R
I
ư
=
)(
2
φ
k
R
M (12)
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 4
Δω : được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M (hay I) , ta có thể biểu diễn đặc

/ 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 vị 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
∑
)
2
(
φ
(15)
• Công suất (năng lượng điện)
Từ phương trình lý tưởng : IU =(E
ư
+IR
ư

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 ph
ương 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
Ta đã phân tích ở trên nên ta có ω= f〈 R
f
, φ
kt
, U ®, giả thiết rằng :
Nếu giữ φ=φ
đm

2
φ
K
RR
dm
fu
+
M
Từ phương trình trên ta thấy : khi tăng giá trị của R
f
thì tốc độ của động cơ giảm,
khi giảm giá trị 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
K
fu
dm
+
)

• 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 bằ
ng từ thông kích từ:
• 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
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 6

I
kt
U

vào mạch kích từ, khi điều chỉnh φ
kt

ta phải tuân theo điều kiện sau.
Không thể tăng dòng kích từ I
kt
lớn hơn dòng định mức của cuộn dây kích
từ vì nó phá hỏng cuộn kích từ và khi φ
kt
= φ
đm
đã bảo hồ 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

φ
dm
φ
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

>M
nm2
)
Từ đồ thị 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
)(

-
)(
2
φ
k
RR
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

3
U
i

Với U
đm
>U
1
>U
2
>U
3
>……….>U
i

Hình 1-6 : Đồ thị 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
+ dả
i điều chỉnh rộng D ≈10 : 1
+độ cứng đặc tính cơ không đổi trong tồn dải điều chỉnh
+ dễ tự động hố
- Nhược điểm : + phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn có thể thay
đổi trơn điện áp ra
Đ
ồ án tốt nghiệp

cơ xấp xỉ bằng nhau nên R
bđ
cũng có giá trị đáng kể so với R
ư
của động cơ.
Từ sơ đồ nguyên lý ta có sơ đồ thay thế

E
bd
E
u
R
bd
R
ud
U

Hình 1-8 : Sơ đồ thay thế nguyên lý điều chỉnh động cơ
Từ sơ đồ thay thế ta có phương trình cân bằng điện áp.
E
ư
= U
bđ
– (R
bđ
+ R
ư
)I
ư
(20)

dm
ubd
K
RR
+
I
ư
(23)
Phương trình đặc tính cơ
ω =
φ
dm
bd
K
U
-
)(
2
φ
dm
K
RR
ubd
+
M (24)
Với M =kφ
đm
I
ư


= k
a
U
đk

Trong đó : k
a
là hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi
U
đk
là điện áp điều khiển
Từ đó suy ra : ω
0
=
φ
dm
dka
K
Uk
= f(U
đk
)
Từ phương trình (23) và (24) ta có đồ thị đặc tính được biểu diễn như sau. ω
U
dk 2
U
dk 1

pháp dùng biến tr
ở và thay đổi φ
kt

- Tốc độ lớn nhất ω
max
= ω
0
-
β
M
dm

- Điều khiển phước tạp, vốn đầu tư lớn nhưng nó là phương pháp tốt hơn so
với hai phương pháp trên
• Kết luận : Sau khi phân tích ba phương pháp điều khiển nêu trên thì phương pháp
điều khiển bằng thay đổi điện áp phần ứng là tốt hơn cả . Cho nên em chọn phương
pháp làm phương pháp nguyên cứu cho đề tài của em.
3. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU CHỈNH TỐ
C 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 vi
ệc 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 )

φ
f
ω
f
= k
f
φ
f
αI
ktf
(25)
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 12
Trong đó : k
f
=
a
PN
π
2
: Hệ số cấu trúc của máy phát
φ
f
: Từ thông kích từ máy phát
α =
I
ktf
f
Δ

ω =
φ
d
d
f
k
k
U
kf
-
φ
k
R
I
ư
(26)
- Phương trình đặc tính cơ:
ω =
φ
d
d
f
k
k
U
kf
-
)(
2
φ

- Độ cứng đặc tính cơ:
β =
RR
k
uduf
d
d
+
)
(
2
φ
= const
Những biểu thức trên chứng toả rằng khi thay đổi dòng điện kích từ của máy thì
điều chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống, còn độ cứng của đặc tính cơ thì giữ
nguyên, do đó đặc tính cơ điều chỉnh là một họ các đường thẳng song song nhau
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 13

ω
ω< 0
KF®m
ω
ω
ω
§TTN Hình 1-11 : Đồ thị đặc tính cơ của hệ F – Đ ứng với U

• Nhận xét :
- Ưu điểm : Hệ truyền động F – Đ có sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh
ho
ạt, khả năng quá tải lớn, chi phí điều khiển nhỏ và điều khiển dễ dàng, cho
phép động cơ làm việc được ở cả 4 góc phần tư của mặt phẳng đặc tính cơ.
- Nhược điểm : Hệ F – Đ dùng nhiều máy điện quay, gây ồn , công suất lắp đặt
máy ít nhất gấp ba lần công suất của động cơ chấp hành , với đề tài c
ủa em
cho công suất động cơ là 6 kw thì công suất lắp đặ ≥18 kw. Khó điều chỉnh
tốc độ sâu vì máy phát một chiều có từ dư và dặc tính từ hố có từ trễ . Mặt
khác hệ thống cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích đặt ( không kinh tế), hiệu
suất của hệ thống thấp η=
P
P
vao
ra
=
codc
dckdb
dc mf
P
P
PP
++
= 0,3 . Vốn đầu tư ban đầu
cao
3.2. Hệ truyền động điều chỉnh xung áp – động cơ:
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 khố điều khiển.
Sơ đồ nguyên lý và điện áp :

-
t
+

Hình 1-12 : Sơ đồ nguyên lý và điện áp của hệ xung áp – động cơ
Để cải thiện dòng điện phần ứng, người ta mắc thêm van đệm D
0
. Giả thiết van
đệm D
0
là van lý tưởng, nghĩa là van có sụt áp thuận ΔU =0 và dòng điện ngược I
ng

=0 , khố k có thể là Tiristor hoặc Transistor. Đối với động cơ công suất lớn thì phải
dùng Tiristor.
Khi đóng, cắt khố k trên phần ứng động cơ sẽ có điện áp biến đổi theo dạng xung
vuông.
Khi ở trạng thái dòng liên tục, giá trị trung bình của điện áp đặt lên phần ứng của
động cơ là :
U
d
=
Τ
1
∫
t
Udt
1
0
=

bdu
K
RR
+
I
- Đặc tính cơ :
ω =
φ
γ
dm
K
U
-
)(
2
φ
K
RR
dm
bdu
+
M
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 15
Khi thay đổi độ rộng xung γ ta được họ đường thẳng song song với tốc độ không tải
lý tưởng ω
0i
=
φ

γ
2
γ
3
γ
4
0
ω
γ
=0
M,(I)
γ
=1
Bieân lieân tuïc

Hình 1-13: Đồ thị đặc tính cơ của hệ xung áp – động cơ.
Vậy đặc tính sẽ không còn đúng khi dòng điện đủ nhỏ, hệ sẽ chuyển từ trạng thái
dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn .
• Nhận xét:
- Ưu điểm: + Bộ nguồn điều áp xung thường cần ít van điều khiển nên vốn đầu tư
nhỏ, hệ đơn giản, chắc chắ
n , dễ điều khiển
+ Độ cứng đặc tính cơ lớn
+ Khi thay khố k bằng van có điều khiển thì có thể thiết lập
hệ tự động vòng kín
- Nhược điểm : Vì điện áp dạng xung gây tổn thất phụ khá lớn trong động cơ do
thành phần xoay chiều của dòng điện, nằm trong dải công suất nhỏ.
3.2. Hệ biến đổi van Tiristor – Động cơ (T – Đ):
Đ
ồ án tốt nghiệp

chu kỳ là đủ, coi điện trở van R
v
=0
• Sơ đồ thay thế của mạch .
Mợt bộ biến đổi van có thể bao gồm : Máy biến áp lực, tổ van , kháng lọc, thiết bị
bảo vệ và hệ thống điều khiển.
Sơ đồ thay thế có dạng sau

U
2
I
u
VAN
∼
E
R
L
Σ
Σ

Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 17
Hình 1-15: Sơ đồ thay thế chỉnh lưu Tiristor – Động cơ một chiều
Khi van dẫn ta có phương trình
U
2
– E = IR
Σ
+ L

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 k
ế 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 định, nhưng xét về
ưu điểm thì h
ệ này có nhiều ưu điểm hơn, cho nên ta sẽ nghiên cứu về các bộ nguồn
chỉnh lưu Tiristor.
4. GIỚI THIỆU VỀ CÁC BỘ NGUỒN CHỈNH LƯU VÀ ĐẢO CHIỀU QUAY
TIRISTOR ĐẶC TRƯNG
4.1. Chỉnh lưu cầu một pha:
• Sơ đồ mạch điện:
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 18

L
d
U
T
1
I
d
I
TT
31
;

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 cho
T
1
và T
3
ta có dòng điện chạy từ A →T
1
→E→L
d
→R
d
→F→T
3
→B. Nửa chu kỳ
sau, khi B(+), A(-) cấp xung điều khiển cho T
2
và T
4

U
nv
=
2
U
2
- Công suất máy biến áp :
S
ba
= 1,23I
d
U
d

• Nhận xét : các sơ đồ chỉnh lưu một pha cho ta điện áp với chất lượng chưa cao,
biên độ đập mạch điện áp quá lớn, thành phần sóng hài bậc cao lớn điều này không
đáp ứng được cho nhiều loại tải. Muốn có chất lượng điện áp tốt hơn chúng ta phải
sử dụng các sơ đồ có số pha nhiều hơn
4.2. Chỉnh lưu tia ba pha:
• Sơ
đồ mạch điện :
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 19
T
1
T
2
T
3

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

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 chịu :
U
nv
=
6
U
2f

- Giá trị dòng điện hiệu dụng chay qua van :
I
vhd
=
3
I
d
(với I
d
=
R
U
d
)

1
2
F
56
d
R
L
d
T
4
T
T
3
T
A
CB
0
E
d
U
t
U
d
2
0
θ
1
θ
U
A

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 trị đ
iện áp trung bình của chỉnh lưu:
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 21
U
d
= 2,34 U
2f
cosα
- Điện áp ngược đặt lên van :
U
nv
=
6
U
2f
với U
f
=
3
U

ộc 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 th
ực 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 . Ngồi ra, dùng phương pháp đảo chiều từ thông thì
khi từ thông qua trị số không có thể làm tốc dộ tăng quá, không tốt.
Ta có đặc tính cơ của động cơ khi đảo chiều quay :
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 22

0
M
ω
ω
0
ω
ω

T
2
Ñ
b
c
T
CB

Hình 1-20 : Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu đảo chiều mắc song song ngươc
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 23
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 đượ
c cấp xung điều khiển
- Ưu điểm : Làm việc an tồn, 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:
• Nguyên lý : Xung điều khiển được cấp đồng th
ời 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
nghịch 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

và CK
cbII

• Kết luận : Sau khi đã phân tích hai phương pháp điều khiển trên, trong mỗi
phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Vì vậy em chọn phương pháp điều
khiển chung làm phương pháp cho đề tài nghiên cứu của em.
Đ
ồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 24

CHƯƠNG II
THIẾT KẾ TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC

I. Chọn mạch động lực:
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

đã chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc.
-
Các thông số cơ bản của van động lực được tính như sau:
1.1. Điện áp ngược của van được tính:
+ Điện áp ngược lớn nhất mà Tiristor phải chịu