điều khiển động cơ điện 1 chiều

I.TỔNG QUAN VỀ ĐÔÔNG CƠ ĐIÊÔN 1 CHIỀU... Trong máy điêôn công suất nhỏ, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diêôn tròn.Trong máy điêôn công suất vừa và lớn, dây quấn dùng

CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ ĐÔÔNG CƠ ĐIÊÔN 1

CHIỀU.

I.TỔNG QUAN VỀ ĐÔÔNG CƠ ĐIÊÔN 1 CHIỀU.

1 Cấu tạo đôÔng cơ điêÔn 1 chiều.

Đôông cơ điêôn 1 chiều chia làm 2 phần chính:

Phần tĩnh (Stato)

Gồm các bôô phâôn chính sau:

Cực từ chính: là bôô phâôn sinh ra từ trường, gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ.

+ Lõi sắt cực từ làm bằng lõi thép kĩ thuâôt điêôn dày (0,5 – 1)mm eps lại chăôt.

+ Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điêôn.

Trong các máy công suất nhỏ, cực từ chính là 1 nam châm vĩnh cửu.

Trong các máy công suất trung bình và lớn, cực từ chính là nam châm điêôn.

- Cực từ phụ: Đăôt giữa cực tù chính và dùng để cải thiêôn điều kiêôn làm viêôc của máy điêôn và đảo chiều

+ Lõi thép cực từ phụ có thể là 1 khối hoăôc có thể được ghép bởi các lá thép tùy theo chế đôô làm viêôc

Xung quanh cực từ phụ được đăôt dây quấn cực từ phụ, dây quấn cực từ phụ được nối với dây quấn phần ứng

Gông từ: Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.

Phần quay (roto)

Bao gồm các bôô phâôn chính sau:

Lõi thép phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kĩ thuâôt điêôn dày 0,5mm phủ cách điêôn mỏng ở 2 măôt rồi ép chăôt với nhau đểgiảm tổn hao do dòng điêôn xoáy gây lên

Trong máy điêôn nhỏ, lõi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục.Trong máy điêôn lớn, giữa trục và lõi sắt có đăôt giá rôto

Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điêôn đôông và có dòng điêôn chạy qua

Dây quấn phần ứng thường làm bằng đồng có bọc cách điêôn

Trong máy điêôn công suất nhỏ, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diêôn tròn.Trong máy điêôn công suất vừa và lớn, dây quấn dùng dây tiết diêôn hình chữ nhâôt

Cổ góp: dùng đổi chiều dòng điêôn xoay chiều thành 1 chiều

Cơ cấu chổi than: dùng để đưa dòng điêôn từ phần quay ra ngoài

2 Nguyên lý làm viêÔc của đôÔng cơ điêÔn 1 chiều.

Khi cho cho điêôn áp môôt chiều U vào 2 chổi điêôn, trong dây quấn phần ứng có dòng điêôn Iư Các thanh dẫn có dòng điêôn nằm trong từ

trường, sẽ chịu lực Fđt tác dụng làm roto quay

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dây dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điêôn, giữ cho chiều lực tác đôôngkhông đổi, đàm bảo đôông cơ có chiều quay không đổi

Khi đôông cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điêônđôông Eư Ở đôông cơ điêôn 1 chiều sức điêôn đôông Eư ngược chiều dòng điêôn

Iư nên sức điêôn đôông Eư còn gọi là sức phản điêôn

Phương trình điêôn áp là:

U= Eư + Rư + Iư

3 Phân loại đôÔng cơ điêÔn 1 chiều.

Cũng như máy phát, đôông cơ điêôn được phân loại theo cách kích từ thành các đôông cơ điêôn sau:

Đôông cơ điêôn kích từ đôôc lâôp

Đôông cơ điêôn môôt chiều kích từ đôôc lâôp có cuôôn dây kích từ được cấp điêôn từ môôt nguồn điêôn ngoài đôôc lâôp với nguồn điêôn cấp cho mạch phần ứng

Đôông cơ kích từ nối tiếp

Đôông cơ điêôn môôt chiều kích từ nối tiếp có cuôôn dây kích từ mắc nối tiếp với cuôôn dây phần ứng

Đôông cơ điêôn kích từ hỗn hợp

Đôông cơ điêôn môôt chiều kích từ hỗn hợp gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp trong đó dây quấnkích từ song song là chủ yếu

II ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1 Các thông số đánh giá chất lượng động cơ.

• Độ cứng đặc tính cơ được định nghĩa

β= Λ ω

Λ M

(2.1) với β lớn ta có đặc tính cơ cứng, β nhỏ ta có đặc tính cơ mềm

• Độ ổn định tốc độ: đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt, xácđịnh bởi công thức:

Trong đó: ω đ

là tốc độ đặt ω

là tốc độ thực

• Độ trơn điều chỉnh tốc độ được định nghĩa :

Từ đây ta có thể phân loại :

Hệ truyền động là vô cấp nếu

• Dải điều chỉnh tốc độ

Dải điều chỉnh tốc độ hoặc phạm vi điều chỉnh tốc độ là tỷ số giữa tốc độ

lớn nhất max

thường bị hạn chế bởi độ bền cơ khí và cấu tạo của động

cơ Giá trị ωmin

bị hạn chế bởi yêu cầu về mômen khởi động, khả năng quá tải và sai số tốc độ cho phép Như vậy, đối với truyền động điện, độ

cứng đặc tính cơ ảnh hưởng lớn đến dải điều chỉnh tốc độ Dải điều chỉnh tốc độ càng cao đòi hỏi độ cứng đặc tính cơ của hệ thống bộ biến đổi– động cơ càng lớn.

2 Đặc tính cơ tĩnh của động cơ một chiều.

Với động cơ DC kích từ độc lập, dòng phần ứng và dòng kích từ có thể điều khiển độc lập với nhau Với động cơ kích từ song song, phần ứng và cuộn kích từ được đấu với nguồn cung cấp Vì vậy, với loại động cơ này, dòng phần ứng hoặc dòng kích từ chỉ có thể được điều khiển độc lập bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng hoặc mạch kích từ Tuy nhiên, đây là cách điều khiển có hiệu suất thấp Với động cơ kích từ nối tiếp, dòng phần ứng cũng là dòng kích từ và do đó , từ thông động cơ là một hàm của dòng phần ứng Với động cơ kích từ hỗn hợp, cần đấu nối sao cho sức từ động của cuộn nối tiếp cùng chiều với sức từ động của cuộn song song

Phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều là :

E=K.Φ ω

(2.5) V=E+RƯ.IƯ (2.6)

M=KΦ

IƯ (2.7)

Trong đó:

- Φ

: từ thông mỗi cực (Wb)

- Iư: dòng điện phần ứng(A)

- V: điện áp phần ứng(V)

- Rư: điện trở phần ứng(Ω)

- ω

: tốc độ góc trục động cơ(rad/s)

- M: momen do động cơ sinh ra(N/m).

- K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ

Từ công thức (2.5) và (2.7) ta có :

Với loại động cơ kích từ độc lập, nếu điện áp kích từ được duy trì không đổi, có thể gỉa thiết rằng từ thông động cơ cũng không đổi khi mômen thay đổi Khi đó, ta có :

KΦ

=const (2.9)Như vậy theo ( 2.8), đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập là một đường thẳng, như vẽ trên hình 2.3

Tốc độ không tải của động cơ xác định bởi điện áp cung cấp V và từ thôngkích từ KΦ

Tốc độ động cơ suy giảm khi mômen tải tăng và độ ổn định tốc độ phụ thuộc vào điện trở phần ứng Rư Trong thực tế, do phản ứng phần ứng, từ thông động cơ giảm khi mômen tăng, dẫn đến tốc độ suy giảm ít hơn là tính toán theo công thức (2.8) Với mômen tải lớn, từ thông có thể suy giảm đến mức độ dốc đặc tính cơ trở nên dương dẫn đến hoạt động không ổn định Vì vậy, cuộn bù thường hay được sử dụng để làm giảm hiệu ứng khử từ của phản ứng phần ứng Với động cơ công suất trung bình, độ sụt tốc khi tải định mức so với khi không tải khoảng 5% Với động cơ một chiều kích từ nối tiếp , từ thông Φ

là một hàm của dòng phần ứng Nếu giả thiết động cơ hoạt động trong vùng tuyến tính của đặc tính từ hóa, có thể xem là từ thông tỷ lệ bậc nhất với dòng phần ứng nghĩa là :

kt K K

R I

K K

V

.

K K

V

1

=Φ

Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp được vẽ trên hình 2.4 Có thể thấyrằng tốc độ động cơ suy giảm theo chiều mômen tải Tuy nhiên, trong thực tế, các động cơ tiêu chuẩn thường được thiết kế làm việc tại điểm cánh chỏ của đặc tính từ hóa khi mang tải định mức Với tải trên định mức, mạch từ động cơ bão hòa, khi đó từ thông Φ

không thay đổi nhiều theo

chiều dòng tải u

I

dẫn đến đặc tính cơ tiện cận vối đường thẳng

Động cơ một chiều kích từ nối tiếp thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi mômen khởi động cao và có thể quá tải nặng Với mômen tải tăng, từ thông động cơ cũng tăng theo Như vậy, với cùng một lượng gia tăng của mômen như nhau, dòng phần ứng u

I

của động cơ một chiều kích từ nối tiếp sẽ tăng hơn so với động cơ kích từ độc lập Do đó, trong điều kiện quátải nặng, sự quá tải của nguồn cung cấp và sự quá nhiệt của động cơ cũngít hơn so với khi dùng đôngj cơ kích từ độc lập

Theo công thức (2.4), tốc độ động cơ kích từ nối tiếp tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của mômen Vì vậy, tốc độ động cơ khi không tải có thể tăng lên rấtcao, chỉ bị hạn chế bởi từ dư của động cơ và có thể gấp hàng chục lần tốc

độ định mức Điều này là không cho phép với máy điện thường chỉ cho phép hoạt động gấp hai lần tốc độ định mức Do đó, động cơ kích từ nối tiếp không được dùng với các ứng dụng trong đó mômen tải có thể nhỏ đến mức làm tốc độ động cơ vượt quá mức giới hạn cho phép

Đặc tính của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có dạng như biểu diễn trên hình 2.4 Tốc độ không tải của động cơ phụ thuộc vào dòng kích từ

H.2.4: Đặc tính cở của động cở kích từ nối tiếp và

kích từ hỗn hợp

qua cuộn song song, trong khi độ dốc đặc tính cơ phụ thuộc vào sự phối hợp giữa cuộn song song và cuộn nối tiếp Động cơ kích từ hỗn hợp được sử dụng trong những ứng dụng cần có đặc tính cơ tương tự động cơ kích từ nối tiếp đồng thời cần hạn chế tốc độ không tải ở một giá trị giới hạn thích hợp

Cũng cần lưu ý là các đặc tính cơ trên hình (2.4) là đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nghĩa là các đặc tính này nhận được khi động cơ hoạt động với điện áp cung cấp và từ thông định mức, và không có điện trở phụ nào trong mach phần ứng hoặc kích từ Từ công thức (2.9) biểu diễn quan hệ tốc độ - mômen động cơ, có thể thấy rằng tốc độ động cơ có thể được điềukhiển bằng 3 phương pháp sau :

1- Điều khiển điện áp phần ứng 2- Điều khiển từ thông

3- Điều khiển điện trở phần ứng

• Phương pháp điều khiển điện áp phần ứng

Đặc tính cơ tĩnh của động cơ kích từ độc lập và kích từ nối tiếp khi điều chỉnh điên áp cung cấp cho phần ứng động cơ được vẽ trên hình 2.5a,b Các đặc tính này suy ra từ (2.9) với điện áp V thay đổi Bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, động cơ có thể làm việc tại bất kì tốc độ -mômen nào giữa đường đặc tính cơ tự nhiên và trục mômen Vì điện áp phần ứng chỉ có thể điều chỉnh dưới định mức, phương pháp này chỉ để điều khiển động

cơ hoạt động với các đặc tính thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên

Tính chất quan trọng của phương pháp này là độ cứng đặc tính cơ không thay đổi khi tốc độ động cơ được điều chỉnh Điều này khiến hệ có khả năng đáp ứng với tải có mômen hằng số vì dòng phần ứng cực đại cho

phép umax

I

tươngứng với nó là mômen tải cực đại cho phép của động cơ giữ không đổi với mọi vận tốc

 Điều khiển từ thông.

Điều khiển từ thông được sử dụng khi cần tăng tốc độ làm việc của động

cơ cao hơn tốc độ định mức Phương pháp này có đặc điểm là độ cứng đặc tính cơ giảm nhanh khi thay đổi từ thông

Tốc độ cao nhất của động cơ đạt được khi khi giảm từ thông bị hạn chế :

- Sự không ổn định của động cơ gây ra bởi ảnh hưởng của phản ứng phầnứng

- Giới hạn về mặt cơ khí của động cơ : các động cơ thông thường cho

phép tốc độ đạt đến 1,5-2 lần tốc độ định mức Một số động cơ chế tạo đặcbiệt cho phép tốc độ đạt tới 6 lần định mức

Điện áp phần ứng động cơ có thể được điều khiển bằng cách sử dụng :

-Máy phát DC (Hệ máy phát–Động cơ)

- Bộ chỉnh lưu có điều khiển (AC→ DC)

- Bộ chopper (Bộ biến đổi xung áp ) (AC→ DC) Điện áp phần ứng động cơ có thể được điều khiển bằng cách sử dụng :

-Máy phát DC (Hệ máy phát–Động cơ).

b) a)

Uđm>U3>U2>U1

H 2.5 : Các đặc tính cơ khi điều khiển điện áp phần ứng của

động cơa)Động cơ kích từ độc lập b) Động cơ kích từ nối tiếp

- Đối với động cơ kích từ độc lập và song song , công suất cực đại cho phép của động cơ gần như không đổi với mọi tốc độ khi điều khiển từ thông (xem hình 2.6) Có thể thấy điều này nếu giả thiết là dòng cực đại

cho phép, umax

– là hằng số Vì vậy, công suất điện từ cực đại cho

phép của động cơ là E umax

góp Điều này dẫn đến việc giá trị thực tế của umax

cơ công suất nhỏ, cũng có thể mắc nối tiếp biến trở vào mạch kích từ để điều khiển từ thông

Với động cơ DC kích từ nối tiếp, việc điều khiển từ thông được thực hiện bằng cách mắc điện trở song song với cuộn kích từ Một số động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ nhiều đầu ra, và do đó có thể thay đổi từ thông bằng cách thay đổi số vòng dây cuộn kích từ

 Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông kích từ

Phương pháp này được sử dụng khi cần điều chỉnh tốc độ động cơ trong một dải rộng trên và dưới tốc độ định mức Tốc độ dưới tốc độ định mức

được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp phần ứng trong khi giữ kích từở giá trị định mức Tốc độ trên định mức được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp kích từ.

Giới hạn của mômen và công suất ra khi điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông kích từ được vẽ trên hình 2.6

 Điều khiển điện trở phần ứng

Hình 2.7 biểu diễn đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập và nối tiếp khi điều khiển tốc độ bằng cách them điện trở phụ vào phần ứng

Khuyết điểm chính của phương pháp này là hệ thống rất kém và độ cứng đặc tính cơ thấp, nhất là khi hoạt động ở chế độ thấp Do đó, phương pháp này hiện nay ít khi được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ, trừ các trường hợp :

III HÊÔ TRUYỀN ĐÔÔNG (T – Đ)

Hêô truyền đôông T - Đ môôt chiều dùng bôô biến đổi là nguồn điêôn môôt chiều khi nối nó vào mạch phần ứng với đôông cơ điêôn môôt chiều kích từ đôôc lâôp ta sẽ được hêô T – Đ

Khác với máy điêôn môôt chiều bôô biến đổi trực tiếp nối biến dòng xoaychiều thành dòng môôt chiều không qua 1 khâu trung gian cơ học nào

Hiêôn nay tiristor dùng phổ biến để tạo ra các bôô chỉnh lưu có điều khiển bởi các tính chất ưu viêôt của chúng: gọn nhẹ, tổn hao ít, tác đôông nhanh

1. Nguyên lý điều khiển đôÔng cơ điêÔn 1 chiều.

3 1 (Rph2) (Rph1)

đttn

2 4 6

ω

Mc Mmin Mmax M 0

Hình 2.7 : Đặc tính đông cơ DC khi thêm điện trở phụ vào

phần ứng

a) Động cơ kích từ nối tiếp b)Động cơ kích từ

song song

Nhâôn năng lượng từ lưới xoay chiều thông qua bôô chỉnh lưu biên dòng xoay chiều thành dòng 1 chiều cấp cho phần ứng đôông cơ điêôn môôt chiều.

2. Các chế đôÔ làm viêÔc.

a, Chế đôô dòng liên tục

Khi momen tải Mt tăng thì dòng điêôn đôông cơ tăng dẫn đến năng lượng điêôn từ tăng Khi điêôn áp nguồn nhỏ hơn sức điêôn đôông thì năng lượng của cuôôn dây lón làm cho năng lượng xả ra đủ sức để duy trì dòng điêôn đến thời điểm mở van kế tiếp

+ Khi ở chế đôô dòng liên tục

Ucl = Udo cosα

b, Chế đôô dòng gián đoạn

Do mạch đôông cơ có điêôn cảm và điêôn cảm đấy có tích lũy năng lượng Nếu dòng điêôn nhỏ, lượng tích lũy năng lượng của cuôôn dây nhỏ nên xả năng lượng nhỏ, vì vâôy điêôn áp điêôn áp của lưới nhỏ hơn sức điêôn đôông của đôông cơ năng lượng của cuôôn dây xả ra để đảm bảo anod

dương hơn catod không đủ duy trì tính chất liên tục của dòng điêôn Lúc này dòng điêôn qua van trở về 0 trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn

c, Chế đôô biên liên tục

Khi chuyển từ trạng thái liên tục sang trang thái gián đoạn hêô sẽ phảitrải qua môôt trạng thái giới hạn, đó là trạng thái biên liên tục

3. Đăôc tính cơ của hêô thống

a, Chế đôô dòng liên tục

+ Phương trình trạng thái cơ

Thay đổi góc điều khiển α = (0 – π) điêôn áp cầu chỉnh lưu điều khiển và ta được đăôc tính họ song song nằm ½ bên phải hêô tọa đôô những đăôc tính không thuôôc nửa bên trái là do các van không cho dòng điêôn phản ứng đổi chiều.

b, Chế đôô dòng gián đoạn

+ Phương trình đăôc tính cơ

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN CHỌN SƠ ĐỒ ĐÔÔNG

LỰC

Yêu cầu thiết kế

+ Điêôn áp tải: U = 110 V

+ Dòng điêôn tải: I = 200 A

2.1 CÁC VAL BÁN DẪN

- Cấu tạo từ bốn chất bán dẫn đaetj liên tiếp nhau

-Nếu đăôt điêôn áp ngoài vào trong các tiếp giáp trên có môôt tiếp giáp ngược

- Cả hai trường hợp này đều không có dòng điêôn

- Muốn có dòng điêôn chạy qua pn cần có dòng điêôn điều khiển (xóa đi môôt căôp bán dẫn nào đó)

2 Nguyên lý làm viêôc loại điều khiển từ anod

- Đưa thêm môôt cực G (gate) vào n1

- Khi có điêôn trường UAK>0, có dòng điêôn IAG căôp bán dẫn p1, n1 thành dây dẫn, khi đó A coi như được đạt trực tiếp vào p2, khi đó xuất hiêôn dòng IAK

- Khi đã có dòng, dòng điều khiển không còn ý nghĩa nữa Các chất bán dẫn p,n chỉ trở về trạng thái ban đầu khi ngưng dòng điêôn

3 Nguyên lý làm viêôc loại điều khiển từ Katod

- Đưa thêm môôt cực G (gate) vào p2

- Khi có điêôn trường UAK>0, có dòng điêôn IGK căôp bán dẫn p2, n2 thành dây dẫn, khi đó K coi như được đạt trực tiếp vào n1, khi đó xuất hiêôn dòng IAK

- Khi đã có dòng, dòng điều khiển không còn ý nghĩa nữa Các chất bán dẫn p,n chỉ trở về trạng thái ban đầu khi ngưng dòng điêôn

2.2 CÁC BÔÔ CHỈNH LƯU

1.Sơ đồ chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển

1.1.Tải thuần trở R :

Khi A (+) Phát xung cho tiristor, tirisistor mở, dòng chạy từ A qua E qua R đến B Do tải thuần trở nên dòng điện và điện áp cùng pha.Thông số:

2 1 cos 0,45 .

ng

U I

Khi A(+), phát xung cho tiristor, tiristor mở dòng chạy từ A qua E qua

L qua R về B Do tải cuộn dây sẽ có quá trình nạp xả năng lượng và dòng điện và điện áp lệch nhau góc α Khi xả năng lượng điện áp về

0 cuộn dây bắt đầu xả năng lượng dẫn tới điện áp xuống giá trị âm Khi xả hết năng lượng cuộn dây bắt đầu nạp Chức năng cuộn dây làkhông làm cho điện áp không biến thiên đột ngột