Đồ án Thiết kế hệ thống truyền động hệ t – đ có đảo chiều dùng chỉnh lưu cầu ba pha

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Trường Đại Học Bách Khoa Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ***** ***** NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên : Nguyễn Minh Ánh lớp : 03DTD Ngành : Tự Động Đo Lường Khoa Điện Trường ĐHBK Đà nẵng Giáo viên hướng dẫn : ThS . Khương Công Minh I. ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG HỆ T – Đ CÓ ĐẢO CHIỀU DÙNG CHỈNH LƯU CẦU BA PHA II. SỐ LIỆU CHO TRƯỚC : Động cơ một chiều có các thông số sau : P = 32 Kw ; Uđm = 220 V ; Iđm = 166 A ; Rư = 0,075 Ω ; Jd = 2,7 Kg.m2 ; Rkt = 95,5 Ω ; Wkt = 1600 vòng ; Iktđm = 1,64 A ; nđm = 1500 vòng/phút ; III. NHIỆM VỤ : Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều . Giới thiệu về bộ chỉnh lưu thyristor ba pha và bộ chỉnh lưu thyristor ba pha hình cầu có đảo dòng . Thiết kế mạch động lực và mạch điều khiển hệ T – Đ có đảo chiều dùng chỉnh lưu cầu ba pha . Dùng MATLAB – SIMULINK Kết luận . IV. SỐ BẢN VẼ : V. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18/02/2008 . VI. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/05/2008 . SV hoàn thành thiết kế tốt nghiệp Đà nẵng , ngày … tháng … năm 2008 Đà nẵng , ngày … tháng … năm 2008 Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện ThS. Khương Công Minh Nguyễn Minh Ánh Đà nẵng , ngày … tháng … năm 2008 Đà nẵng , ngày … tháng … năm 2008 Tổ trưởng bộ môn Giáo viên duyệt ThS. Lâm Tăng Đức Nguyễn Kim Ánh Đà nẵng , ngày … tháng … năm 2008 Chủ tịch hội đồng Kết quả bảo vệ : LỜI CẢM ƠN Sau khi được nhận đề tài tốt nghiệp với thời gian hơn ba tháng , dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy Khương Công Minh cùng với sự nổ lực của chính bản thân , em đã hoàn thành xong khối lượng kiến thức mà thầy hướng dẫn đã giao phó cho em để chuẩn bị rời xa cánh cửa của giảng đường đại học và trở thành người kỹ sư tương lai của đất nước sau này . Qua đây em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo của trường Đại học Bách khoa Đà nẵng cũng như các thầy cô giáo trong khoa Điện và đặc biệc là thầy Khương Công Minh là người đã có nhiều giúp đỡ và hướng dẫn trong quá trình làm đồ án , thầy Nguyễn Kim Ánh là giáo viên duyệt đồ án và cùng toàn thể các bạn sinh viên trong lớp 03ĐTĐ cũng như các bạn sinh viên của toàn khoa Điện . Trong quá trình làm đề tài em đã tích luỹ được một số kiến thức để có thể nâng cao kiến thức của mình một cách chắc chắn hơn . Tuy nhiên với thời gian và kiến thức có hạn cho dù em đã có gắng hết mình song khó tránh khỏi những thiếu sót . Em rất mong nhận được sự góp ý xây dựng của các thầy cô để đồ án của em được hoàn thành hơn nữa . Một lần nữa cho em xin cảm ơn đến hai thầy Khương Công Minh và thầy Nguyễn Kim Ánh . Đà nẵng , ngày 29 tháng 5 năm 2008 . Sinh viên thực hiện Nguyễn Minh Ánh TÓM TẮC ĐỒ ÁN Trong thời đại công nghiệp hiện nay thì động cơ điện một chiều chiếm một tỉ lệ khá lớn trong nền sản suất công nghiệp của thế giới và đặc biệt là các hệ thống dây chuyền tự động trong các nhà máy xí nghiệp được sử dụng rất rộng rãi , vận hành có độ tin cậy cao . Vấn đề là quan trọng trong các dây chuyền sản suất là điều khiển để điều chỉnh tốc độ động cơ hay đảo chiều quay để nâng cao năng suất và em đã “ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG HỆ T – Đ CÓ ĐẢO CHIỀU DÙNG CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ” gồm có bốn phần chính sau . Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều . Chương 2 : Giới thiệu về bộ chỉnh lưu thyristor ba pha và bộ chỉnh lưu thyristor ba pha hình cầu có đảo dòng . Chương 3 : Thiết kế mạch động lực và mạch điều khiển hệ T- Đ có đảo chiều dùng chỉnh lưu cầu ba pha . Chương 4 : Dùng MATLAB – SIMULINK mô phỏng hệ thống trên . MỤC LỤCChương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU .  1.1.Tổng quan về động cơ điện một chiều . Trang : 9 1.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều . 9  1.1.2. Các thông số đinh mức . 11 1.1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều . 12 1.2. Phương trình đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của ĐMđl . 12 1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều . 16 1.3.1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi Rf 16 1.3.2. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi Ф . 18 1.3.3. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi Uư. 19 1.4.Các đặc tính cơ khi hãm . 21 1.4.1. Hãm tái sinh . 21 1.4.2. Hãm ngược . 23 1.4.3. Hãm động năng . 25 1.5. Các đặc tính cơ khi đảo chiều quay . 26 1.6. Các chỉ tiêu chất lượng . 27Chương 2 : TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU BA PHA THYRISTOR . 2.1. Hệ chỉnh lưu thyristor động cơ và thyristor . 29 2.1.1. Giới thiệu về thyristor . 29 2.1.2. Hệ chỉnh lưu thyristor . 31 2.1.3. Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng . 31 2.2. Tổng quan về bộ chỉnh lưu cầu ba pha không đảo chiều . 34 2.2.1. Nguyên lý làm việc hệ chỉnh lưu . 34 2.2.2. Hiện tượng trùng dẫn . 36 2.2.3. Nghịch lưu phụ thuộc . 38 2.2.4. Hệ T – Đ không đảo chiều . 40 2.3. Tổng quan về bộ chỉnh lưu cầu ba pha có đảo chiều . 41 2.3.1. Nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ T - Đ đảo chiều . 41 2.3.2. Phương pháp điều khiển chung . 42 2.3.3. Phương điều khiển riêng . 46Chương 3 : TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN . 3.1. Tính chọn mạch động lực . 47  3.1.1. Sơ đồ mạch động lực hệ chỉnh lưu cầu ba pha thyristor . 47 3.1.2. Các thông số của động cơ . 49 3.1.3. Tính chọn thyristor . 49 3.1.4. Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu . 50 3.2. Giới thiệu mạch điều khiển . 57 3.2.1. Sơ đồ nguyên lý . 57 3.2.2. Nguyên tắc điều khiển . 57 3.2.3. Các khâu cơ bản của mạch điều khiển . 59 3.2.4. Sơ đồ mạch điều khiển và nguyên lý hoạt động . 65 3.3. Tính toán các thông số mạch điều khiển . 69 3.4. Tính chọn các thiết bị bảo vệ cho mạch động lực . 76 3.4.1. Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ . 76 3.4.2. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn . 78 3.4.3. Bảo vệ quá dòng cho van . 78 3.4.4. Bảo vệ quá áp cho van . 79 3.5. Thiết kế cuộn kháng lọc . 81Chương 4 : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CHỈNH LƯU THYRISTOR – ĐỘNG CƠ CÓ ĐẢO CHIỀU QUAY TRÊN MATLAB – SIMULINK .  4.1. Các khối có sẵn trong Simulink . 85 4.1.1. Máy điện một chiều . 85 4.1.2.Khối tạo xung điều khiển các thyristor . 89 4.2. Mô phỏng hệ chỉnh lưu cầu ba pha . 93 4.2.1. Mô phỏng hệ chỉnh lưu cầu không đảo chiều . 93 4.2.2. Mô phỏng hệ chỉnh lưu cầu có đảo chiều . 96 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 : Mặt cắt dọc động cơ điện trang : 9 Hình 1-2,3 : Sơ đồ nối dây của ĐMss và ĐMđl 13 Hình 1-4 : Đặc tính cơ điện của ĐMđl 15 Hình 1-5 : Đặc tính cơ của ĐMđl 16Hình 1-6 : Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Rf 17 Hình 1-7 :, Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Rf 18 Hình 1-8,9 : Sơ đồ , đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Ф 19 Hình 1-10 : Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Uư 20 Hình 1-11 : Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Uư 21 Hình 1-12,13,14 : Các đường đặc tính khi hãm tái sinh 22 Hình 1-15 : Sơ đồ khi hãm ngược 24 Hình 1-16 : Đặc tính khi hãm ngược 25 Hình 1-17 : Sơ đồ , đặc tính khi hãm động năng 25 Hình 1-18 : Sơ đồ , đặc tính hãm ngược khi đảo Uư 26 Hình 1-19 : Phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ 27 Hình 2-1 : Ký hiệu và cấu trúc thyristor 30 Hình 2-2 : Sơ đồ khối , sơ đồ thay thế của điều chỉnh Uư 31 Hình 2-3 : Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen 33 Hình 2-4 : Sơ chỉnh lưu cầu ba pha 34 Hình 2-5 : Sơ đồ dạng sóng chỉnh lưu cầu ba pha 35 Hình 2-6 : Sơ đồ chỉnh lưu khi có trùng dẫn 37 Hình 2-7 : Sơ đồ dạng sóng chỉnh lưu khi có trùng dẫn 38 Hình 2-8 : sơ đồ khối của chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu 39 Hình 2-9 : Sơ đồ thay thế , đặc tính điều chỉnh tốc độ hệ T- Đ 41 Hình 2-10 :Sơ đồ phối hợp tuyế tính của α1và α2 42 Hình 2-11 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu dùng phương pháp điều khiển chung 44 Hình 2-12 : Sơ đồ dạng sóng khi α1= 300 , α2 = 1500 45 Hình 2-13 : Sơ đồ phương pháp điều khiển chung kiểu phi tuyến 46 Hình 2-14 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu dùng phương pháp điều khiển riêng 47 Hình 3-1 : Sơ đồ mạch động lực của hệ T- Đ có đảo chiều 48 Hình 3-2 : Sơ đồ khối điều khiển thyristor 57 Hình 3-3 : Nguyên tắc điều khiển tuyến tính 57 Hình 3- 4 : Nguyên tắc điều khiển arcoss 58 Hình 3-5,6 : Khâu đông pha và dạng sóng 60 Hình 3-7,8 : Khâu so sánh và dạng sóng 62 Hình 3- 9 : Khâu khếch đại và phân phối xung 63 Hình 3-10,11,12 : Sơ đồ , dạng sóng khâu tạo xung chùm 64 Hình 3-13 : Sơ đồ nguyên lý điều khiển một kênh 67 Hình 3-14 : Giản đồ các đường cong điều khiển một kênh 68 Hình 3-15 : Sơ đồ chân của IC 4081 71 Hình 3-16 : Sơ đồ chân của IC TL084 72 Hình 3- 17 : Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi 74 Hình 3-18 : Mạch động lực có thiết bị bảo vệ 77 Hình 3-19 : Mạch R – C bảo vệ quá áp 80 Hình 3-20 : Mạch R- C bảo vệ xung điện áp lưới 80 Hình 4-1 : Các khối của động cơ ĐMđl trong Simulink 85 Hình 4-2 : Sơ đồ cấu trúc của ĐMđl 86 Hình 4- 3 : Hộp thoại và thông số của ĐMđl 88 Hình 4-4 : Các khối của khâu phát xung điều khiển 90 Hình 4-5 :Sơ đồ phát xung điều khiển của thyristor 91 Hình 4-7 : Hộp thoại và thông số của khối phát xung điều khiển 92 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU . Trong thời đại ngày nay , hầu hết các dây chuyền sản xuất của công nghiệp đang dần dần được tự động hoá bằng cách áp dụng các khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới . Tuy thế động cơ điện một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng trong các nghành công nghiệp , giao thông vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc quay liên tục trong phạm vi rộng như cán thép , hầm mỏ ….Vì động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt . 1.1.1. Cấu tạo : Động cơ điện một chiều gồm có hai phần : Hình 1-1: Mặt cắt dọc động cơ điện . Cấu tạo: 1- võ máy ( gông từ ) 7- lõi sắt phần ứng 2- cực từ chính 8- rãnh phần ứng 3- dây quấn cực từ chính 9- răng phần ứng 4- cực từ phụ 10- má cực từ 5- dây quấn cực từ phụ 6- dây quấn phần ứng 1.1.1.1. Phần tĩnh ( stator ) : đây là phần đứng yên của máy , nó bao gồm các bộ phận chính sau : - Cực từ chính : là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cự từ và và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ . Lõi sắt cực từ làm bằng nhữnh lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0.5 đến 1mm ép lại và tán chặt . Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ .Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này nối nối tiếp vói nhau . -Cực từ phụ : cực từ phụ đặt giữa các tự từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều .Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính . Cực từ phụ dược gắn vào võ nhờ những bulông . -Gông từ : gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ , đôngf thời làm võ máy . Trong máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại . Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc .Có khi trong máy điện nhỏ dùng gang làm võ máy . -Các bộ phận khác :nó gồm có các bộ phận + Nắp máy : để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện . Trong máy điện nhỏ và vừa , nắp máy còn có tác dụng làm giá đở ổ bi . Trong những trường hợp này nắp thường làm bằng gang . + Cơ cấu chổi than : Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài . Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt kên cổ góp . Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá . Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chổ . Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định chặt lại . 1.1.1.2 . Phần quay ( roto ) : Đây là phần quay ( động ) của động cơ gồm có các bộ phận sau . - Lõi sắt phần ứng : Là lõi sắt dùng để dẫn từ .Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện ( thép hợp kim silic ) dày 0.5mm phủ cách điện mỏng ở hai lớp mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên . Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào . + Trong những máy cỡ trung bình trở lên ,người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thẻ tạo được những lỗ thông gió dọc trục . + Trong những máy hơi lớn thì lõi sắt thường được chia thành từng đoạn nhỏ . Giũa các đoạn ấy có đẻ một khe hở gọi là khe thông gió ngang trục . khi máy làm việc , gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn và lõi sắt . + Trong máy điện nhỏ , lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục . - Dây quấn phần ứng : Là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua . Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện . Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có thiết diện tròn . Trong máy điện vừa và lớn , thường dùng dây có tiết diện chử nhật dây quấn được cách điện cẩn thận vói rãnh của lõi thép . Để tránh khi bị văng ra do lực li tâm , ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn . Nêm có thể làm bằng tre ,gỗ hay bakelit . - Cổ góp : Cổ góp còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều ,dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều . Kết cấu của cổ góp gồm nhiều phiến đồng có hình đuôi nhạn cách điện vói nhau bằng lớp mica dầy 0.4 đến 1.2mm và hợp thành hình trụ tròn . Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp hình chử V ép chặt lại . Giũa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica .Đuôi vành góp có cao hơn lên một tí để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dể dàng . - Các bộ phận khác : Gồm có cánh quạt và trục máy . + Cánh quạt : Dùng để quạt gió làm nguội máy . Máy điện một chiều thường chế theo kiểu bảo vệ . Ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió .Cánh quạt lắp trên trục máy ,khi máy quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào máy . Gió đi qua vành góp , cực từ , lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy . + Trục máy : Là phần trên đó đặt lõi sắt phần ứng , cổ góp , cánh quạt và ổ bi . Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt . 1.1.2. Các thông số định mức . Chế độ làm việc định mức của máy điện là chế độ làm việc trong những điều kiện mà xưỡng chế tạo đã qui định . Chế độ đó được đặt trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy và gọi là những đại lượng định mức .Trên nhãn máy thường ghi những đai lượng sau : Công suất định mức Pdm ( kw hay w ); Điện áp dịnh mức Udm ( V ) ; Dòng điện định mức Idm ( A ) ; Tốc độ định mức ndm ( vg/ph ) ; Ngoài ra còn ghi kiểu máy , phương pháp kích từ , dòng điện kích từ và các số liệu về dòng điện sử dụng …… Cần chú ý là công suất định mức của động cơ ở đây là công suất cơ đưa ra ở đầu trục động cơ . 1.1.3 . Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều ; - Động cơ điện một chiều là một máy điện biến đổi năng lượng điện của dòng một chiều thành cơ năng . Trong quá trình biến đổi đó , một phần năng lượng của dòng xoay chiều bị tiêu tán do các tổn thất trong mạch phần ứng và mạch kích từ , phần còn lại năng lượng được biến thành cơ năng trên trục động cơ . - Khi có dòng điện một chiều chạy vào dây quấn kích thích và dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường ở phần tĩnh . Từ trường này có tác dụng tương hổ lên dòng điện trên dây quấn phần ứng tạo ra mômen tác dụng lên roto làm cho roto quay . Nhờ có vành đổi chiều nên dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành dòng một chiều đưa vào dây quấn phần ứng . Điều này làm cho lực từ tác dụng lên thanh dẫn dây quấn phần ứng không bị đổi chiều và làm động cơ quay theo một hướng . - Công suất ứng vói mômen điện từ đưa ra đối với động cơ gọi là công suất điện từ và bằng : Pdt = M . ω = Eư .Iư ; (1-1) Trong đó : M : là mômen điện từ ; Iư : Dòng điện phần ứng ; Eư : Suất điện động phần ứng ; ω : Tốc độ góc phần ứng ; và ω = ; 1.2 . PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ VÀ ĐẶC TÍNH CƠ ĐIỆN CỦA ĐMĐL ; - Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắt song song vói mạch phần ứng , lúc này động cơ được gọi động cơ kích từ song song . Uư E Iư Rktf – + Ckt Ikt Rf Iư ← Iư ← Hình 1- 2 : Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song ; - Khi nguồn điện một có công suất không đủ lớn thì mạch phần ứng và kích từ mắt vào hai nguồn một chiều độc lập nhau , lúc này động cơ được gọi là kích từ độc lập . Iư ← E Rf _ + Uư Ckt Ikt Rkt _ + Ukt Hình 1-3 : Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập . Do trong thực tế đặc tính của động cơ điện kích thích độc lập và kích thích song song hầu như là giống nhau , nên ta sét chung đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện kích từ độc lập . -Theo sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập hình (2-2) ta viết được phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng ở chế độ xác lập như sau : Uư = E + (Rư + Rf).Iư ; (1-2) Trong đó : Uư :Điện áp phần ứng ( V ) ; E : Suất điện động phần ứng ( V ) ; Rf : Điện trở phụ trong mạch phần ứng ( Ω ) ; Rư :Điện trở của phần ứng (Ω ) ; Với Rư = rư + rcf + rcb + rtx ; Trong đó : rư : Điện trở dây phần ứng (Ω) ; rcf : Điện trở cực từ phụ (Ω) ; rcb : Điện trở cuộn bù (Ω) ; rtx : Điện trở tiếp xúc của chổi điện (Ω) ; Sức điện động E của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức : E = .Φ. ω = KΦ. ω (1-3) Trong đó : P : Số đôi điện cực chính ; N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng , a : Số mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng , ω : Tốc độ góc ( rad/s) ; Φ : Từ thông kích từ chính một cực từ ( Wb ) ; Đặt K = : Hệ số kết cấu của động cơ . Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì E = Kc.Φ.n và ω = = ; Vì vậy : Eư = . Φ.n = Kc.Φ.n = .Φ.n = 0,105K.Φ.n ; Trong đó : Kc : Hệ số sức điện động của động cơ . Từ các phương trình trên ta có : ω = Iư (1-4) Đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều .kích từ độc lập . Mặt khác ta có mômen điện từ của động cơ ở chế độ xác lập được xác định theo biểu thức : Mdt = K.Φ.Iư ; (1-5) Suy ra Iư = , thay Iư vào (1-4) ta có ω = .Mdt ; (1-6) Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất ma sát trong ổ trục thì ta có thể coi mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ và ký hiệu là M : Mdt = Mco = M ; Suy ra : ω = .M ; (1-7) Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập . - Có thể biểu diễn phương trình đặc cơ dưới dạng khác . ω = ω0 - ∆ω ; (1-8) Trong đó : ω0 = ; Gọi là tốc độ không tải lý tưởng . ∆ω = .M = .M :Gọi là độ sụt tốc . Giả thiết phần ứng được bù đủ từ thông của động cơ Φ = const , thì các phương trình đặc tính cơ điện (1-4) và phương trình đặc tính cơ (1-7) là tuyến tính . Đồ thị của chúng được biểu diễn trên đồ thị là những đường thẳng . Iư Inm 0 ω0 Idm ωdm ω Nếu xét đến tất cả các tổn thất thì : M co = Mdt ± ∆M ; Hình 1- 4 : Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập Theo đồ thị trên khi Iư = 0 hoặc M = 0 thì ta có : ω = ω0 = , lúc này động cơ đạt tốc độ không tải lý tưởng . Còn khi ω = 0 thì ta có : Iư = = Inm ; (1-9) Và M = K.Φ.Inm =Mnm ; (1-10) Với Inm , Mnm : Gọi là dòmg điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch . M Mnm 0 ω0 Mdm ωdm ω Hình 1- 5 : Đặc tình cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập . 1.3 . CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ CỦA ĐMĐL ; Từ phương trình đặc tính cơ (1-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến phương trình đặc tính cơ đó là từ thông , điện áp phần ứng , điện trở phần ứng của động cơ .thay đổi các tham số trên ta thay đổi được tốc độ và mômen động cơ theo ý muốn . Do phương trình đặc tính cơ phụ thuộc vào ba tham số trên ,tương ứng với đó ta sẽ có ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ . 1.3.1 . Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐMdl bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf . Giả thiết Uư = Udm = const và Φ = Φdm = const Ta có phương trình đặc tính cơ tổng quát : ω = .M hay ω = ω0 - ∆ω ; Tốc độ không tải lý tưởng : ω0 = = const ; (1-11) Độ cứng đặc tính cơ : β = = – ; (1-12) Muốn thay đổi tốc độ động cơ thì ta thay điện trở phần ứng bằng cách mắt thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng của động cơ . Khi thay đổi điện trở phụ Rf thì tốc độ không tải lý tưởng ω0 = cont , còn ∆ω sẽ thay đổi theo Rf như vậy lúc này các đường đặc tính cơ sẽ thay đổi nhưng vẫn đi qua điểm cố định là ω0 . Từ (1-12) ta thấy khi điện trở phụ Rf = 0 thì β có giá trị lớn nhất ứng với đường đặc tính cơ tự nhiên , còn khi Rf càng lớn thì β càng nhỏ và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định . Như vậy khi thay đổi điện trở phụ của động cơ ta sẽ được một họ đặc tính cơ có dạng như hình 1-6 . Uư E Iư Rktf – + Ckt Ikt Rf Iư ← Iư ← Hình 1- 6 : Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện phụ của mạch phần ứng . Ta có : 0 ω1 > ω2 > ω3 > ….nhưng nếu ta tăng Rf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm cho M ≤ Mc dẫn đến động cơ sẽ quay không được và động cơ sẽ làm việc ở chế độ ngắn mạch ω = 0 , đến bây giờ ta có thay đổi Rf thì động cơ vẫn không không quay nữa . Do đó phương pháp này gọi là phương pháp điều chỉnh tốc độ không triệt để . ω Mnm TN Rf1 Rf2 Mc M 0 ω0 Rf3 Hình 1- 7 : Đặc tình điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện trở phụ phần ứng . Vậy ứng vói một phụ tải Mc nào đó nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm ,đồng thời dòng điện ngắn mạch Inm và mômen ngắn mạch Mnm càng giảm , cho nên người ta thường dùng phương pháp này để hạn chế dòng điện khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản . 1.3.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi từ thông kích từ của động cơ . Giả thiết điện áp phần ứng : Uư = Udm = const ; Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát : ω = .M ; → ω = ω0 - ∆ω ; Trong trường hợp này tốc độ không tải : ω0x = ; Độ cứng đặc tính cơ : β = – ; Ta thấy rằng thay đổi từ thông Φ thì ω0 và ∆ω đều thay đổi theo , Dẩn đến ω thay đổi theo . Vì vậy ta sẽ được họ các đường đặc tính điều chỉnh dốc dần (Do độ cứng đặc tính cơ β giảm ) và cao hơn đặc tính cơ tự nhiên khi Φ càng nhỏ ,với tải như nhau thì tốc độ càng khi giảm tư thông Φ . Như vậy : ứng với Φdm > Φ1 > Φ2>…….thì ωdm < ω1 < ω2 <……, nhưng nếu giảm Φ quá nhỏ thì ta có thể làm cho tốc độ động cơ quá lớn quá giới hạn cho phép , hoạt làm cho điều kiện chuyển mạch bị xấu đi , do dòng phần ứng tăng cao , hoặt để đảm bảo chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho momen cho phép trên trục động cơ giảm nhanh , dẩn đến động cơ bị quá tải . Uư Ckt ← E Iư Ikt Rktf + - Hình : 1-8 : Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cánh thay đổi từ thông Φ . Mc M Mn2 Mn1 ω ω02 ω01 ω0dmm ω2 ω1 ωdm Φ1 Φ2 Φdm Hình :1-9 :Đăc tính điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi từ thông Φ . 1.3.3 . phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của động cơ . Giả thiết từ thông Φ = Φdm = const , khi ta thay đổi điện áp phần ứng theo hướng giảm so với Udm . Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát : ω = . M → ω = ω0 - ∆ω ; Ta có : Tốc độ không tải : ω0x = ; Độ cứng đặc tính cơ : β = = const Udk + - Ckt BBĐ ← ← Uư Iư Ikt Hình 1-10 :Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi Uư Ta thấy rằng khi thay đổi Uư thì ω0 thay đổi còn ∆ω = const , vì vậy ta sẽ được họ các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau . Nhưng muốn thay đổi Uư thì phải có bộ nguồn một chiều thay đổi đươc điện áp ra , thường là dùng các bộ biến đổi . Các bộ biến đổi có thể là : + Bộ biến đổi máy điện : Dùng máy phát điện một chiều ( F ) , máy điện khếch đại ( MĐKĐ ) . + Bộ biến đổi từ : Khếch đại từ ( KĐT ) một pha , ba pha . + Bộ biến đổi điện từ - bán dẩn :Các bộ chỉnh lưu ( CL ) , các bộ băm điện áp ( BĐA ) , dùng transistor và thuyistor . Ta thấy rằng , khi thay đổi điện áp phần ứng ( giảm áp ) thì mômen ngắn mạch Mnm , và dòng điện ngắn mạch Inm của động cơ giảm và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định . Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động . Mc M U2 U3 U1 ω03 ω01 ω02 0 ω Udm ω0 Hình 1-11 :Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi Uư . 1.4. CÁC ĐẶC TÍNH CƠ KHI KHI HÃM ĐMĐL . Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều với tốc độ , hay còn gọi là chế độ máy phát . Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm : 1.4.1. Hãm tái sinh : Hãm tái sinh khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng ( ω > ω0 ) . Khi hãm tái sinh , sức điện động của động cơ lớn hơn điện áp nguồn ( E > Uư ) , động cơ làm việc như một máy phát song song với lưới và trả năng lượng về nguồn , lúc này thì dòng hãm và mômen hãm đã đổi chiều so với chế độ động cơ . Khi hãm tái sinh : Ih = ( 1-13) Mh = KФ.Ih < 0 - Một số trường hợp hãm tái sinh : a ) Hãm tái sinh khi ω > ω0 : Lúc này máy sản suất như là nguồn động lực quay rôto động cơ , làm cho động cơ trở thành máy phát , phát năng lượng trả về nguồn . Vì E > Uư , do đó dòng điện phần ứng sẽ thay đổi chiều so với trạng thái động cơ: Iư