Tài liệu Thiết kế bộ biến đổi DC-DC tần số cao dùng để điều chỉnh tốc động cơ điện một chiều.

Họ và tên: Nguyễn Nhân Hùng Lớp : 54KTĐ Mã SV : 1251121047 1.Nhiệm vụ: Thiết kế bộ biến đổi DC-DC tần số cao dùng để điều chỉnh tốc động cơ điện một chiều. 2.Các thông số: - Điện áp nguồn(VAC): 380v (sai lệch 10%) Tần số: 50Hz Dòng điện định mức: 10 (A) Điện áp phần ứng: 300 (v) Phạm vi điều chỉnh tốc độ: 15:1 Chỉnh lưu: tia 3 pha không điều khiển ( STT: 16) Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 1 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I. Đặt vấn đề chung II. Tổng quan về động cơ điện một chiều III. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập IV. Điều chỉnh từ thông động cơ V. Các vấn đề khác khi điều chỉnh động cơ 1 chiều VI. Vấn đề phụ tải VII. Phân tích phương án tổng thể CHƯƠNG 2: MẠCH CHỈNH LƯU I. II. III. IV. Giới thiệu về băm xung một chiều Phương pháp thay đổi độ rộng xung Các sơ đồ băm xung Kết luận CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH LỰC I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. Tính toán các thông số cơ bản của động cơ điện một chiều PMĐC Chọn diode công suất Tính toán chọn van IGBT Tính toán chỉnh lưu: Thiết kế lựa chọn máy biến áp chỉnh lưu Tính toán chọn Diode Tính kích thước mạch từ Tính chọn lọc C CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN I. Nguyên lý mạch điều khiển: II. Tính toán và thiết kế các khâu điều khiển CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 2 LỜI MỞ ĐẦU Ứng dụng điện tử công suất vào trong truyền động điện- điều khiển tốc độ động cơ điện là một lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển. Các nhà sản xuất không ngừng cho ra đời các sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất và các thiết bị điều khiển đi kèm. Do đó khi thực hiện đồ án chúng em đã cố gắng cập nhập những kiến thức mới nhất, những công nghệ mới trong lĩnh vực điều khiển các phần tử bán dẫn công suất. Với yêu cầu thiết kế mạch băm xung một chiều để điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập có yêu cầu đảo chiều quay theo nguyên tắc đối xứng, chúng em đã cố gắng tìm hiểu kĩ về các phương án công nghệ sao cho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, yêu cầu kinh tế. Với hy vọng đồ án điện tử công suất này là một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp dụng được trong thực tế nên chúng em cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ và tính toán cụ thể các thông số của các sơ đồ mạch. Mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi và quyết tâm cao nhất tuy nhiên đây là lần đầu tiên chúng em làm đồ án, và đặc biệt do trình độ hiểu biết của chúng em còn nhiều hạn chế nên chúng em không thể tránh khỏi những sai sót, chúng em mong nhận được sự phê bình góp ý của các thầy để giúp chúng em hiểu rõ hơn các vấn đề trong đồ án cũng như những ứng dụng thực tế của nó để bản đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn. Và chúng em hi vọng trong một tương lại không xa, chúng em có thể áp dụng những kiến thức và hiểu biết thu được từ chính đồ án đầu tiên trong cuộc đời sinh viên của chúng em vào thực tế cũng như sẽ phát triển hơn nó trong các đồ án sau này. CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I. Đặt vấn đề chung Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 3 Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả về chiều rộng lẫn chiều sâu, điện và các máy điện đóng vai trò rất quan trọng, không thể thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh hoạt của con người. Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng là mũi nhọn quyết định sự thành công của cả hệ thống sản xuất công nghiệp. Không một quốc gia nào, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện. Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều : sản xuất dễ, dễ truyền tải..., cả máy phát và động cơ xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành... mà máy điện( động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như trong cong nghiệp giao thông vận tải, và nói chung các thiết bị điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng( như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện..). mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạo hơn...nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn khong thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại. Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều khiển tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm( như bộ biến tần...) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao. Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75% ÷ 85%. ở động cơ điện công suât trung bình và lớn khoảng 85%-94%. Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều khoảng 100000kW và điện áp vào khoảng 1000V. Hướng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lơn hơn đó là cả một vấn đề rộng lớn mà chỉ đề cập đến vấn đề thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ một chiều kích từ độc lập theo nguyên tắc đối xứng. Đây là một trong những phương pháp được dùng phổ biến nhất hiện nay để điều chỉnh động cơ một chiều kích từ độc lập với yêu cầu đảo chiều quay động cơ theo phương pháp đối xứng. Đây là một phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao và được sử dụng rộng Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 4 rãi bởi những tính năng và đặc điểm nổi bật của nó mà chúng em sẽ phân tích và đề cập sau này. II. Tổng quan về động cơ điện một chiều 1. Định nghĩa của động cơ điện một chiều. Động cơ một chiều dùng dòng điện một chiều để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành điện năng( khi hãm). 2. Nguyên lý của động cơ điện một chiều. Động cơ điện một chiều là thiết bị điện quay, làm việc theo nguyên lý điện từ, khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ sinh ra một lực từ tác dụng vào dây dẫn làm dây dẫn chuyển động. động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng 3. Phân loại các loại động cơ điện một chiều. Ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ứng với mỗi cách ta có các loại động cơ điện sau. +Kích thích độc lập: phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ. +Kích từ song song: cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng. +Kích từ nối tiếp: cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng. +Kích từ hỗn hợp: gồm hai cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng. 4. cấu tạo của động cơ điện một chiều. Động cơ điện một chiều có hai phần chính là phần động và phần tĩnh.  Phần tĩnh hay stato là bộ phận sinh ra từ trường nó gồm có: +Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ( nếu động cơ được kích từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm bằng sắt từ( thép đúc, thép đặc). dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau. Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 5 +Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulong. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau. +) Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của cực từ phụ thường được 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 được gắn vào vỏ máy nhờ những bulong. +) Gông từ dùng làm mạch từ nối tiếp các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. +) Các bộ phận khác: Nắp máy để bảo vệ máy khởi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khởi chạm vào điện Cơ cấu chổi than để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp, chổi than nhờ một lò xo tì chặt lê cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Gía chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.  Phần quay hay roto: bao gồm những bộ phận sau Phần quay hay roto: bao gồm những bộ phận sau. +) Phần sinh ra sức điện động gồm có: Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ xếp lại với nhau. Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng. Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây nối lại với nhau theo một quy luật nhất định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp. Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 6 +) Lõi thép phần ứng dùng để dẫn từ, thường được dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5 m Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. +)Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn. Với mỗi loại động cơ trên thì sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kĩ thuật điều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Trong đề tài này ta chỉ xét đến dộng cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu nhất để điều khiển loại động cơ này. III. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 1. Phương trình đặc tính cơ: - là phương trính biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ ( n) và momen( M) của động cơ có dạng. ω = Uư KΦ R ư  R - f  KΦ 2 .M  Thông qua phương trình này, ta có thể thấy được sự phụ thuộc của tốc độ động cơ và các thông số khác ( momen, 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 Uư = const, It = 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 momen ngắn mạch còn giao điểm vớ trục tung ứng với tốc độ không tải của động cơ. Người ta đưa thêm đại lượng β = ∆M ∆ω để đánh giá tốc độ cứng. Đặc tính càng dốc càng cứng( β càng lớn) tức là momen biến đổi nhiều nhưng tốc độ biến đổi ít và ngược lại. Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là momen biến đổi ít nhưng tốc độ biến đổi nhiều thay đổi. Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 7 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 momen(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 cơ). Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có các điểm làm việc định mức M ω đm đm có giá trị ,  Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng. Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm đặc tính cơ: β = ∆M ∆ω ( tốc độ biến thiên momen so với vận tốc). 2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập  Sơ đồ kích thích từ độc lập được thể hiện như dưới đây: Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 8 Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạc điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau: gọi là động cơ điện độc lập. Phương trình đặc tính cơ xuất phát: Uư = E ư   Rư  R f  I ư  Trong đó:+ Uư : điện áp phần ứng + Eư + Rư : + rư: điện trở cuộn dây phần ứng + r cf : điện trở cuộn cực từ phụ : sức điện động phần ứng điện trở phần ứng : Rư = r ư  r cf  r b  r ct + rb : điện trở cuộn bù + r ct : điện trở tiếp xúc của chổi điện + Rf : điện trở phụ trong mạch phần ứng + Iư : dòng điện mạch phần ứng + Eư : được xác định theo biểu thức sau: Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 9 Eư = pN ω.Φ 2 πa Trong đó: + 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 + Φ : từ thông kích từ dưới một cực từ + ω : tốc độ góc K= pN 2 πa Trong đó: +K: hệ số cấu tạo của động cơ E ư  K e Φn ω Vì vậy Eư  2 πn 60 pN Φn 60 a K e Suy ra = n 9.55 Φ K 9.55 = 0.105K U ư Rư  R f − Iư KΦ KΦ (*) Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặc khác momen điện từ của động cơ được xác định Suy ra I ư M đt K∅ Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 10 M đt  K ∅ I ư Thay vào (*) ta được: ω Uư R Rf − ư M K ∅  K ∅ 2 đ t Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì momen cơ trên trục động cơ bằng momen điện từ bằng M. ω Ta có Uư R Rf − ư K ∅  K ∅ 2 M Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Nhận xét: + Iư = 0 hoặc M = 0 ta có ω Uư ω0 Rư  R f Đây là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ + ω 0 thì U Rư  R f : dòng điện ngắn mạch ∅ I nm M nm : Momen ngắn mạch I ư M=K Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 11 ω Uư K∅ ω Uư R  Rf − ư M ω0 −∆ ω K ∅  K ∅ 2 R= ω0  - RI ω −∆ ω K∅ 0 Rư  R f Uư K∅ ∆ ω R R Iư 2 K∅  K ∅ M Từ đó có thể thấy tốc độ động cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lượng: Uư , 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. 3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều Điều khiển 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 túy 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… 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.  Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng. Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 12 Chỉ áp dụng được với động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song song làm việc ở chế độ kích thích độc lập. Loại này cần có thiết bị như: máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bô chỉnh lưu điều khiển có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động điều khiển U đk Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu . Ta có phương trình  E b− E ư  I ư Rb  Rud ω  Eb R  Rud − b R K I K ∅ dm K ∅ Km ud dm u   ω ω0 U dk − M β Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên đặc tính cơ cũng không đổi. Tốc độ không tải lý tưởng ùy thuộc vào 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 khiển 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 tùy thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống do đó có thể nói phương pháp này điều khiển là triệt để. + Giải điều chỉnh tốc độ của hệ thống 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 momen khởi động. Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 13 + Với một cơ cấu máy cụ thể có ω 0max , KM , Mdm xác định vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng ω max ω omax− M dm β ω min ω 0 min − M dm β Mnmmin = Mcmax = KMMdm Để thỏa mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có momen ngắn mạch là Mnmmin = Mcmax= KMMdm( KM: là hệ số momen quá tải). Đặc tính cơ là các đườnng song song nên ta có ω min  M nm− M dm  1 M dm  K M −1 β β ω 0 max . β −1 M dm M dm  K −1  β K M −1 M ωomax − dm β  M D= Với ω omax , KM , Mdm xác định ở mỗi máy. D phụ thuộc tuyến tính vào β. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ 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 : ω omax β  M dm ≤ 10 Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ không vượt quá 10. Vậy với yêu cầu của đề 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 trương hợp Mt= const trong toàn dải điều chỉnh. IV. Điều chỉnh từ thông động cơ Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 14 Điều chỉnh từ thông kích thích động cơ điện một chiều chính là điều khiển momen I điện từ của động cơ điện M = K. ∅ . ư . 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 Iư = ek d∅  ωk rb  r k dt Trong đó: + rk: điện trở dây quấn phần ứng + rb: điện trở nguồn điện áp kích thích + ωk : số vòng dây cuộn kích từ. Thường thì khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng bằng Uđm do đó các đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều khiển là từ thông chính 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 đảm bải I cho phép. Kết quả là momen cho phép trong động cơ giảm rất nhanh kể cả khigiữ nguyên I thì momen cơ cũng giảm đi rất nhanh 1. Thay đổi điện trở phụ Rf. Từ phương trình đặc tính (*) Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 15 ∅ U ư Rư  R f − I ư  K∅ K∅ Thực tế ngày nay người ta không dùng phương pháp này. Vì phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc đô quay trong vùng dưới tốc độ định mức, và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ và 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. 2. Kết luận Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng các thay đổi từ thông có nhiều hạn chế so với phương pháp điều chỉnh 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:  Hiệu suất điều chỉnh cao( phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để) hơn khi ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao công suất điều khiển nhỏ.  Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến momen ngắn mạch giảm, dòng ngắn mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong lúc điều khiển động cơ.  Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một momen 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 điện 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. V. Các vấn đề khác khi điều chỉnh động cơ một chiều 1.Các góc phần tư làm việc Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 16 Trạng thái hãm và trạng thái động cơ được phân bố trên đặc tính cơ của góc phần tư tương ứng với chiều momen và tốc độ như hình vẽ.  I,III : trạng thái động cơ( ω cùng chiều với M)  II, IV: trạng thái hãm( ω ngược chiều với M) Công suất cơ Pcơ = Mđ ω . Công suất điện của động cơ : Pđ = Pcơ + ∆ P . 2. Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.  Khởi động Xuất pháp từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều: Φ U ư Rư  R f − I ư  KΦ KΦ Khi khởi động nên Inm = U dm R ở động cơ công suất trung bình và lớn thì Rư thường có giá trị nhỏ nên dòng điện khởi động ban đầu( dòng ngắn mạch) tương đối lớn: Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 17 Inm= 2 ÷ 2.5Idm Với giá trị dòng lớn , sẽ không cho phép về mặt chuyển mạch và phát song 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: Inm= 2 ÷ 2.5Idm Dễ đi đến một nhận xét là lực chọn phương pháp điều khiển giảm áp phần ứng là phù hợp hơn cả vì khi khống chế dòng ngắm mạch ở chế độ khởi động còn hạn chế được điện áp khởi động. Do điều khiển là giảm áp.  Chế độ hãm. Hãm là trạng thái àm động cơ sinh ra momen quay ngược chiều tốc độ quay. Động cơ điện một chiều có 3 trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng. +Hãm tái sinh. Xảy ra khi tốc độ quay lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng. Khi đó Uư  Eư . Động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới. So với chế độ động cơ, dòng điện và momen hãm đã đổi chiều xác định theo biểu thức: Ih= U ư − E ư KΦ ω 0− KΦω  0 R R Mh = K Φ Ih. Trị số hãm sẽ lớn dần cho đến khi cân bằng với momen phụ tải thì hệ thống làm việc ổn định với tốc độ ω0 d  ωo . Vì sơ đồ đấu dây của mạch động cơ không đổi nên phương trình đặc tính cơ tương tự nhưng momen có giá trị âm. Đường đặc tính cơ nằm trong góc phần tư thứ hai và thứ tư. 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. Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 18 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 cơ 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 momen do trọng tải gây ra lớn hơn momen ma sát trong các bộ phận chuyển động của động cơ trạng thái hãm tái sinh. Tốc độ hạ cần trục tăng dần tới ω0 d  ωo . +Hãm ngược. Xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích lũy trong các bộ phận chuyển động hoặc do thế năng quay ngược chiều với momen điện từ của động cơ, momen của động cơ khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất.  Hãm ngược khi đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng(tăng tải). Đặc tính hãm ngược sưc điện động 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.  Đảo chiều điện áp phấn ứng. Dòng điện Ih ngược chiều với chiều làm việc của động cơ và có thể khá lớn. Ih= −U ư − E ư Rư  R f Nếu rất nguy hiểm phải có biện pháp hạn chế dòng trong phạm vi cho phép : Inm= 2 ÷ 2.5Idm  Hãm động năng. Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động cơ được tích lũy được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán dưới dang nhiệt. +Hãm động năng tụ kích từ độc lập Khi ta cắt phần ứng động cơ điện khỏi lưới điện một chiều và đóng vào điện trở hãm Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 19 Ihd = − Eư KΦ ω hd  R ư  Rh R ư  R h Mh = K Φ Ihd< 0 Chứng tỏ Ihd và Mhd 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. +Hãm động năng tự kích. Nhược điểm là nếu mất điện thì không thực hiệ được do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn. Muốn khắc phục người ta sử dụng phương pháp hãm động năng tự kích từ. Nó xảy ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ khỏi lưới điện khi động 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 momen 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. VI. Vấn đề phụ tải Đặc tính của phụ tải cũng là vẫn đề được 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 momen cản theo tốc độ. Khi tốc độ động cơ thay đổi, momen phụ tải có thể là: a) Không đổi: thang máy… b) Tăng: như trong quạt gió, bơm… c) Giảm : các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, truyền động quay trục chính máy cắt gọt kim loại… Nguyễễn Nhân Hùng 54KTĐ-TĐH 20