Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

5

M
K
RR
K
U
fu
u
.
)(
2







Thông qua phương trình này, ta có thể thấy được sự phụ thuộc của tốc độ động
cơ vào mômen động cơ và các thông số khác (mômen, từ thông ), từ đó đưa ra
phương án để điều chỉnh động cơ (tốc độ) với phương án tối ưu nhất.
Với những điều kiện U
ư
= const, I
t
= const thì từ thông của động cơ hầu như
không đổi, vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của động cơ là
đường thẳng.
Thường dạng của đặc tính là đường thẳng mà giao điểm với trục tung ứng với
mômen ngắn mạch còn giao điểm với trục tung ứng với tốc độ không tải của
động cơ
Người ta đưa thêm đại lượng





M
để đánh giá độ cứng. Đặc tính càng dốc
càng cứng (

càng lớn) tức là mômen biến đổi nhiều nhưng tốc độ biến đổi ít và
ngược lại. Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là mômen biến đổi ít nhưng tốc độ
biến đổi nhiều thay đổi.











Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta
đi xét đặc tính của động cơ điện. Đó là quan hệ giữa tốc độ quay với mômen
(hoặc dòng điện) của động cơ.
+Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ: nếu động cơ vận hành ở chế độ định mức
(điện áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện kháng, điện trở
vào động cơ). Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có các điểm làm việc định mức có giá
trị M
đm
,
đm
.
+Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn
hoạc nối thêm các đIện trở, điện kháng.
Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm độ cứng của đặc
tính cơ: / (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc).

a) Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Sơ đồ kích từ độc lập được thể hiện như dưới đây:




M
Mnm
Mt

t
0

6

Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và
mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau: gọi là động cơ điện
kích từ độc lập.
Phương trình đặc tính cơ xuất phát:
ufuuu
IRREU )(

+U
ư
: điện áp phần ứng.
+E
ư
: sức điện động phần ứng.
+R
ư
: điện trở mạch phần ứng : R
ư
=r
ư
+r
cf
+r
b
+r
ct

+r
ư
: điện trở cuộn dây phần ứng.
+r
cf
: điện trở cuộn cực từ phụ.
+r
i
: điện trở cuộn bù.
+r
ct
: điện trở tiếp xúc của chổi điện.
+R
f
: điện trở phụ trong mạch phần ứng.
+I
ư
: dòng điện mạch phần ứng.
+E
ư
được xác định theo biểu thức sau:




a
pN
Eu
2

+ p: số đôi cực từ chính.
+ N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
+ A: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng.
+

: từ thông kích từ dưới một cực từ.
+: tốc độ góc.

a
pN
K

2


Trong đó K là hệ số cấu tạo của động cơ.

nKE
eu



55,9/60/2 nn


Vì vậy

n
a
pN
E
u

60


7

K
K
K
e
105,0
55,9


Suy ra

u
fu
u
I
K
RR
K
U






Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định
udt
IKM

Suy ra

KMI
dtu
/

Thay vào (*) ta được

dt
fu
u
M
K
RR
K
U
2
)(






Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng
mômen điện từ bằng M.
Ta có

M
K
RR
K
U
fu
u
2
)(






Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập. Đồ thị hình vẽ:











Nhận xét :
+ I
ư
=0 hoặc M=O ta có

0




fu
u
RR
U

Đây là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ

+ = 0 thì
fu
u
RR
U
I


: Dòng điện ngắn mạch.
nmnm
MIKM
: Mômen ngắn mạch.




M
Mnm
Mt

t
0

8







0
K
RI
K
U
u









0
2
)(
M
K
RR
K
U
fu
u


M
K
R
I
K
R
K
U
RRR
u
u
fu
2
0
)(









Từ đó có thể tốc độ đông cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lượng là: U
ư
,
R, I. Như vậy thông qua các đại lượng biến thiên này mà ta có thể điều khiển
được tốc độ động cơ điện một chiều.

b) Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều là một trong các nội dung chính
của truyền động điện nhằm đáp ứng các yêu cầu công nghệ nào đó của các máy
sản xuất.Điều chỉnh tốc độ là dùng phương pháp thuần tuý điện tác động lên
bản thân hệ thống truyền động điện để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện.
Tốc độ quay của động cơ điện thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải ,của
nguồn hay chế độ làm việc như mở máy ,hãm máy và do đó gây ra các sai số
so với tốc độ ,kĩ thuật mong muốn Trong các hệ thống truyền động điện
thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế ,kĩ thuật cơ bản ,các chỉ tiêu này
được tính khi thiết kế và điều chỉnh động cơ điện
Trong thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
+ Điều chỉnh điện áp cho phần ứng động cơ.
+ Điều chỉnh bằng cách thay đổi từ thông phần ứng hay thay đổi điện áp phần
ứng cấp cho mạch kích từ.
+ Điều chỉnh bằng thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.
b.1) Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng
Chỉ áp dụng được với động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc
song làm việc ở chế độ kích thích độc lâp. Loại này cần có thiết bị nguồn như:
máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển có chức
năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sđđ E
b
điều chỉnh nhờ
tín hiệu điều khiển Uđk.


9

Ta có phương trình



M
U
IKR
K
RR
K
E
RRIEE
dk
udmud
Km
udb
dm
b
udbuub








)(
)(
0

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên đặc tính cơ cũng không đổi.
Tốc độ không tải lí tưởng tuỳ thuộc giá trị U
đk
của hệ thống. Đồ thị tuyến tính do
đó mới nói phương pháp này là triệt để. Để xác định dải điều chỉnh tốc độ.
Chú ý:
+ Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi
+ Tốc độ không tải lý tưởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp U
đk
của hệ thống do đó
có thể nói phương pháp này điều khiển là triệt để.
+ Giải điều chỉnh tốc độ của hệ tthống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính
ứng với điện áp định mức và từ thông định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều
khiển bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mô men khởi động.
+Với một cơ cấu máy cụ thể có
dmM
MK ,,
max0

xác định vì vậy phạm vi điều
chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng




dm
dm
M
M


min0min
max0max


dmMcnm
MKMM
maxmin

Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có
môn men ngắn mạch là
dmMcnm
MKMM .
maxmin

(K
M
: là hế số mômen quá tải).
Họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nên ta có

1
1
/)1(
)1(
1
)(
max0
max0
minmin







M
dm
dmM
dm
M
dm
dmnm
K
M
MK
M
D
K
M
MM








10
Với
dmM
MK ,,
max0

xác định ở mỗi máy. D phụ thuộc tuyến tính vào . Khi
điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều bằng các thiết bị nguồn
điều chỉnh thì điện trở mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động
cơ do đó có thể tính sơ bộ được:

10/
max0

dm
M

.
Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ không vượt quá 10, Vậy với yêu cầu của để bài
ta sẽ điều chỉnh dải điện áp ra trong dải điều chỉnh đã cho.
Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp này rất thích hợp trong những trường hợp
M
t
=const trong toàn dải điều chỉnh.
b.2) Điều chỉnh từ thông động cơ
Điều chỉnh từ thông kích thích động cơ điện một chiều chính là điều khiển
mômen điện từ của động cơ điện
u
IKM
. Do mạch kích từ của động cơ điện
một chiều là phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến.

Từ sơ đồ trên ta được

dt
d
rr
e
i
k
kb
k
u







r
k
: điện trở dây quấn phần ứng.
r
b
: điện trở nguồn đIện áp kích thích.
k

: số vòng dây cuộn kích từ.
Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng bằng U
đm
do đó các đặc
tính cơ thấp nhất trong vùng điều khiển là từ thông chính là đặc tính có điện áp
phần ứng định mức, từ thông định mức và gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi là đặc
tính cơ tự nhiên).
Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển
mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ thông dẫn đến tăng vận tốc góc thì điều kiện
chuyển mạch của cổ góp bị xấu đi mặt khác vẫn phải bảo đảm I cho phép. Kết
quả là mômen cho phép trong động cơ giảm rất nhanh kể cả khi giữ nguyên I thì
momen cơ cũng giảm đi rất nhanh.
b.3) Thay đổi điện trở phụ Rf
Từ phương trình đặc tính (*)

11

u
fu
u
I
K
RR
K
U





(*)
Thực tế ngày nay người ta không dùng phương pháp này . Vì phương pháp này
chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ định mức, và luôn
kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ
điện. Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ và
thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục.

c) Kết luận
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có nhiều hạn
chế so với phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phương pháp thay đổi từ
thông bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí: đó chính là điều kiện chuyển mạch
của cổ góp điện. Cụ thể phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu
điểm hơn như sau
1 - Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để) hơn
khi ta ding phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao công suất điêù
khiển nhỏ.
2 - Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắn
mạch giảm, dòng ngán mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động
động cơ.
3 - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnh
xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục.
Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi
phải có nguồn áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và ưu
đIểm của nó. Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi.
1.3 Các vấn đề khác khi điều động cơ điện một chiều.
1.3.1 Các góc phần tư làm việc

















II:Hãm II: Động cơ
II: Hãm
II:Động cơ
P
c
=M
d
<0
P
c
=M
d
>0

P
c
=M
d
>0

P
c
=M
d
<0



M
M
c
M
c

M
c
M
c

12

Trạng thái hãm và trạng thaí động cơ được phân bố trên đặc tính cơ ở góc phần
tư tương ứng với chiều mômen và tốc độ như hình vẽ.
+ I, III: trạng thái động cơ (


cùng chiều với M).
+ II, IV: trạng thái hãm (

ngược chiều với M).
Công suất cơ P
cơ
=M
đ
.


Công suất điện của động cơ P
đ
=P
cơ
+

P (

P: tổn hao công suất)

1.3.2 Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
a) Khởi động
Xuất phát từ phương trình đặ tính cơ của động cơ điện một chiều

u
fu
u
I
K
RR
K
U





(*)
Khi khởi động nên
R
U
I
dm
nm

.ở động cơ công suất trung bình và lớn thì R
ư

thường có giá trị nhỏ nên dòng điện khởi động ban đầu (dòng ngắn mạch) tương
đối lớn

dmnm
II 5,22

Với giá trị dòng lớn, sẽ không cho phép về mặt chuyển mạch và phát nóng
của động cơ cũng như sụt áp trên lưới đIện.tác hại này còn nghiêm trọng hơn đối
với những hệ thống cần khởi động (Khi hãm máy cũng xảy ra hiện tượng tương
tự).
Vậy quá trình điều khiển tốc độ động cơ cũng phải gắn với chế độ khởi động.
Phải đảm bảo điều kiện tối thiểu

dmnm
II 5,22

Dễ đi đến một nhận xét là lựa chọn phương pháp điều khiển giảm áp phần
ứng là phù hợp hơn cả vì khi khống chế dòng ngắn mạch o chế độ khởi động còn
hạn chế được điện áp khởi đông. Do điều khiển là làm giảm áp.
b) Chế độ hãm.
Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều tốc độ
quay, Động cơ điện một chiều có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược, và
hãm động năng.
b.1) Hãm tái sinh
Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng.
Khi đó U
ư
> E
ư
. Động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới. So
với chế độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều xác định theo biểu
thức

0
0





R
KK
R
EU
I
uu
h



hh
IKM
. Trị số hãm sẽ lớn dần cho đến khi cân bằng với mômen phụ
tải thì hệ thống làm việc ổn định với tốc độ
00


d
. Vì sơ đồ đấu dây của mạch

13
động cơ không đổi nên phương trình đặc tính cơ tương tự nhưng mômen có giá
trị âm. Đường đặc tính cơ nằm trong góc phần tư thứ hai và thứ tư (hình 2-14 ttđ)
Trong hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất được đưa trả về lưới
điện có giá trị P = (E-U) I. Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh
năng lượng hữu ích.
Ví dụ: cơ cấu nâng hạ cần trục. Khi nâng tải động cơ được đấu vào nguồn
theo cực tính thuận và làm việc trên đặc tính cư làm trong góc phần tư thứ nhất.
Khi muốn hạ tải phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Lúc này nếu
mômen do trọng tải gây ra lớn hơn mômen ma sát trong các bộ phận chuyển
động của động cơ xh trạng thái hãm tái sinh. Tốc độ hạ cần trục tăng dần tới
0


od

b.2) Hãm ngược
Xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ
phận chuyển động hoặc do thée năng quay ngượcchiều với mô men điện từ của
động cơ, mômen của động cơ khi đó chóng lại sự chuyển động của cơ cấu sản
xuất.
b.2.1) Hãm ngược khi đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng (tăng tải)
Đặc tính hãm ngược sđđ tác dụng cùng chiều với điện áp lưới, Động cơ
làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện, biến điện năng nhận từ lưới
điện và cơ năng thành nhiệt đốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng, vì vậy tổn
thất lớn.
b.2.2) Đảo chiều điện áp phần ứng
Dòng điện Ih ngược chiều với chiều làm việc của đọng cơ và có thể khá lớn

fu
uu
h
RR
EU
I




Nên rất nguy hiểm phải có biện pháp hạn chế dòng trong phạm vi cho phép:

dmnm
II 5,22

c) Hãm động năng
Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học
của động cơ được tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành
điện năng tiêu tán dưới dạng nhiệt
c.1) Hãm động năng tụ kích từ độc lập
Khi ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều và đóng vào một điện trở
hãm

hu
hd
hu
u
hd
RR
K
RR
E
I









0
hdh
IKM

Chứng tỏ I
hd
và M
hd
ngược chiều với tốc độ ban đầu. Năng lượng chủ yếu được
tạo ra do động năng tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ.
c.2) Hãm động năng tự kích
Nhược điểm là nếu mất điện thì không thực hiện hãm được do cuộn dây
kích từ vẫn phải nối với nguồn.muốn khắc phục người ta sử dụng phường pháp
hãm động năng tự kích từ. Nó xảy ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ ra

14
khỏi lưới điện khi đông cơ quay để đóng vào một điện trở hãm. Trong quá trình
hãm tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảm dần và là
hàm tốc độ vì vậy đặc tính cơ như đặc tính không tải của máy phát điện tự kích
thích và phi tuyến.so với phương pháp hãm ngược. Hãm động năng có hiệu quả
kém hơn khi chúng có cùng tốc độ và mômen cản, tuy nhiên hãm động năng ưu
việt hơn về mặt năng lượng đặc biệt hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ
năng lượng từ lưới. Sử dụng được kể cả khi mất điện.

1.3.3 Vấn dề phụ tải
Đặc tính của phụ tải cũng là vấn đề cần phải quan tâm khi điều khiển
động cơ điện một chiều. Với các loại khác nhau ta sẽ chọn phương pháp phù hợp
và tính toán khác nhau.có thể phân ra thành 3 loại cơ bản theo sự thay đổi của
mômen cản theo tốc độ. Khi tốc độ động cơ thay đổi, mômen phụ tải có thể là
+ Không đổi: thang máy (1)
+ Tăng: như trong quạt gió, bơm
+ Giảm: các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, truyền động quay trục chính máy
cắt gọt kim loại

Ta thường mong muốn đặc tính này là tuyến tính (4) vì vấn đề thiết kế sẽ
phức tạp lên rất nhiều khi sự thay đổi lại là phi tuyến đặc biệt là khi tải biến đổi.
Nên ở đây ta sẽ chỉ xét trường hợp phụ tải có mômen là hằng số trong toàn dải
điều chỉnh.
Qua phân tích trên đây, việc điều khiển điện áp phần ứng được chọn là phù
hợp. giải pháp mà người ta thường dùng hiện nay là băm xung áp điều khiển dó
ra bằng bộ băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập ở vấn đề tiếp theo.




1
2
3
4

Xem chi tiết: Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều