Đồ án Điện tử công suất: Phân tích Cấu tạo và Nguyên lý Động cơ một chiều

Bài mẫu đồ án động cơ một chiều, phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc và phương trình đặc tính cơ. Tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên.

• Trường học: Không có thông tin
• Chuyên ngành: Điện tử công suất
• Đề tài: Động cơ điện một chiều
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: Không có thông tin
• Địa điểm: Không có thông tin

Tóm tắt

I. Hướng dẫn A Z về Đồ án Động cơ một chiều cho sinh viên

Một Đồ án Động cơ một chiều là một trong những đề tài nền tảng và quan trọng nhất đối với sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử và Tự động hóa. Đề tài này không chỉ kiểm tra kiến thức lý thuyết về máy điện và điện tử công suất mà còn đòi hỏi kỹ năng phân tích, thiết kế và tính toán một hệ thống truyền động điện hoàn chỉnh. Nội dung cốt lõi của đồ án thường xoay quanh việc thiết kế một bộ biến đổi công suất để cấp nguồn và điều khiển tốc độ cho một động cơ điện một chiều, thường là loại kích từ độc lập. Động cơ một chiều, dù đã có lịch sử phát triển lâu dài, vẫn giữ vai trò không thể thay thế trong nhiều ứng dụng công nghiệp đòi hỏi khả năng điều chỉnh tốc độ mượt mà trong dải rộng và mô-men khởi động lớn. Các ngành công nghiệp như luyện cán thép, máy công cụ, hệ thống giao thông vận tải điện (đầu máy xe lửa, xe điện) là những minh chứng rõ ràng cho tầm quan trọng của loại động cơ này. Một đồ án thành công yêu cầu sinh viên phải nắm vững từ cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phương trình đặc tính cơ của động cơ cho đến việc lựa chọn phương án mạch lực, thiết kế mạch điều khiển và tính toán các thiết bị bảo vệ. Việc hoàn thành tốt đề tài này sẽ là một bước đệm vững chắc, cung cấp nền tảng kiến thức thực tiễn để giải quyết các bài toán phức tạp hơn trong tương lai.

1.1. Tầm quan trọng và ứng dụng của động cơ điện một chiều

Trong bối cảnh sản xuất hiện đại, động cơ điện một chiều vẫn được xem là một loại máy điện cực kỳ quan trọng. Mặc dù động cơ xoay chiều có nhiều ưu điểm như cấu tạo đơn giản và công suất lớn, chúng không thể thay thế hoàn toàn động cơ một chiều, đặc biệt trong các ứng dụng cần điều chỉnh tốc độ liên tục và phạm vi rộng. Các ví dụ điển hình bao gồm máy cán thép, máy công cụ hạng nặng, và đầu máy điện. Ưu điểm nổi bật của động cơ điện một chiều là khả năng điều chỉnh tốc độ xuất sắc, mô-men khởi động lớn và khả năng quá tải tốt. Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là giá thành cao, chế tạo và bảo trì phức tạp hơn. Hiệu suất của động cơ một chiều công suất nhỏ và vừa dao động từ 75% đến 94%. Hướng phát triển hiện nay tập trung vào việc cải tiến vật liệu và nâng cao các chỉ tiêu kinh tế, chế tạo những máy có công suất lớn hơn.

1.2. Cấu tạo cơ bản và nguyên lý động cơ kích từ độc lập

Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm hai phần chính: phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor). Stator, hay phần cảm, bao gồm các bộ phận như cực từ chính để tạo ra từ thông, cực từ phụ để triệt tiêu từ trường phần ứng và vỏ máy (gông từ) để dẫn từ. Rotor, hay phần ứng, bao gồm lõi thép kỹ thuật điện để giảm tổn hao, dây quấn phần ứng nơi phát sinh suất điện động, và cổ góp dùng để đổi chiều dòng điện. Đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập, mạch điện phần ứng và mạch kích từ được cấp bởi hai nguồn một chiều độc lập. Nguyên lý làm việc dựa trên sự tương tác giữa từ thông do dòng kích từ (ikt) tạo ra và dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng (iư). Sự tương tác này sinh ra một mô-men điện từ làm quay rotor.

1.3. Phân tích đề bài và các thông số kỹ thuật ban đầu

Một Đồ án Động cơ một chiều điển hình bắt đầu với các thông số cho trước của động cơ. Ví dụ, một đề bài cụ thể có thể yêu cầu thiết kế bộ nguồn cấp cho động cơ với các thông số: Điện áp định mức phần ứng Uđm = 600V, Dòng điện định mức phần ứng Iđm = 10A, Điện áp kích từ Ukt = 400V, Dòng điện kích từ Ikt = 0,9A và phạm vi điều chỉnh tốc độ là 25:1. Các thông số này là dữ liệu đầu vào quan trọng để thực hiện các bước tiếp theo, bao gồm việc tính toán thông số cho mạch lực và mạch điều khiển. Việc hiểu rõ ý nghĩa của từng tham số giúp xác định yêu cầu về điện áp ra của bộ biến đổi, khả năng chịu dòng của các van bán dẫn và dải điều khiển cần thiết cho hệ thống.

II. Thách thức khi chọn sơ đồ mạch lực Đồ án Động cơ một chiều

Việc lựa chọn phương án mạch lực là một trong những quyết định quan trọng và thách thức nhất trong một Đồ án Động cơ một chiều. Mạch lực, hay còn gọi là bộ biến đổi công suất, có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ lưới điện xoay chiều thành nguồn một chiều có thể điều chỉnh được để cấp cho phần ứng động cơ. Chất lượng của điện áp một chiều (độ bằng phẳng, thành phần sóng hài) và hiệu suất của bộ biến đổi sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng hoạt động, độ ổn định và tuổi thọ của động cơ. Sinh viên cần phải phân tích và so sánh nhiều phương án khác nhau, phổ biến nhất là các bộ chỉnh lưu dùng Thyristor (SCR). Các sơ đồ như chỉnh lưu tia 3 pha và chỉnh lưu cầu 3 pha đều có những ưu và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn không chỉ dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật như chất lượng điện áp, mà còn phải xem xét các yếu tố như độ phức tạp của mạch điều khiển, số lượng linh kiện, và hiệu suất sử dụng máy biến áp. Một quyết định sai lầm ở giai đoạn này có thể dẫn đến việc hệ thống hoạt động không ổn định, tổn hao năng lượng lớn, hoặc không đáp ứng được yêu cầu về dải điều chỉnh tốc độ của đề bài.

2.1. Phân tích ưu nhược điểm của sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha

Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha là một trong những phương án cơ bản được xem xét. Sơ đồ này sử dụng 3 Thyristor, mỗi Thyristor nối với một pha của biến áp thứ cấp đấu sao (Y). Ưu điểm chính của nó là cấu trúc đơn giản và mạch điều khiển không quá phức tạp do chỉ cần điều khiển 3 van. Tuy nhiên, nhược điểm của sơ đồ này khá lớn. Chất lượng điện áp một chiều ra không cao, với độ đập mạch lớn. Điều này có thể gây ra tổn hao phụ và làm động cơ nóng lên. Một nhược điểm nghiêm trọng khác là sự xuất hiện của thành phần dòng điện một chiều trong cuộn dây thứ cấp của máy biến áp, dẫn đến hiệu suất sử dụng biến áp thấp và có thể gây bão hòa lõi từ. Do đó, sơ đồ này ít được ưu tiên cho các hệ truyền động yêu cầu chất lượng cao.

2.2. So sánh sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng và bán điều khiển

Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha là phương án được sử dụng rộng rãi nhất nhờ chất lượng điện áp vượt trội. Có hai biến thể chính: cầu điều khiển đối xứng (dùng 6 Thyristor) và cầu bán điều khiển (dùng 3 Thyristor và 3 Diode). Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng cho phép hệ thống hoạt động ở cả chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu, rất cần thiết cho các ứng dụng có hãm tái sinh và đảo chiều quay. Chất lượng điện áp đầu ra rất tốt với 6 xung đập mạch trong một chu kỳ, giúp dòng điện phần ứng phẳng hơn. Ngược lại, sơ đồ bán điều khiển đơn giản hơn, rẻ tiền hơn và có hệ số công suất cao hơn ở cùng góc mở, nhưng không thể làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc. Điện áp ra của nó cũng có độ đập mạch cao hơn so với sơ đồ điều khiển hoàn toàn.

2.3. Lý do lựa chọn bộ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng cho đồ án

Dựa trên yêu cầu của đề bài là thiết kế hệ thống có khả năng điều chỉnh tốc độ trơn và đảo chiều quay, phương án chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng (điều khiển hoàn toàn) là lựa chọn tối ưu nhất. Sơ đồ này cung cấp chất lượng điện áp tốt nhất, giúp động cơ hoạt động ổn định và giảm tổn hao. Quan trọng hơn, nó có khả năng làm việc ở chế độ nghịch lưu (góc mở α > 90°), cho phép trả năng lượng về lưới khi hãm động cơ (hãm tái sinh). Để thực hiện đảo chiều, người ta thường sử dụng hai bộ biến đổi cầu 3 pha đấu song song ngược. Cấu hình này cho phép dòng điện phần ứng chảy theo hai chiều, từ đó điều khiển chiều quay của động cơ điện một chiều một cách linh hoạt và nhanh chóng, đáp ứng đầy đủ yêu cầu của một Đồ án Động cơ một chiều chất lượng cao.

III. Cách xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch lực trong Đồ án Động cơ

Sau khi lựa chọn phương án chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng, bước tiếp theo trong Đồ án Động cơ một chiều là xây dựng sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh cho mạch lực. Để đáp ứng yêu cầu đảo chiều quay, sơ đồ phổ biến nhất là sử dụng hai bộ chỉnh lưu cầu 3 pha đấu song song ngược, cấp nguồn cho phần ứng động cơ. Một bộ (BBĐ1) sẽ cấp dòng cho động cơ quay thuận, trong khi bộ còn lại (BBĐ2) cấp dòng cho chiều quay ngược. Nguyên tắc điều khiển chung là tại một thời điểm, cả hai bộ biến đổi đều nhận tín hiệu điều khiển, nhưng chỉ một bộ hoạt động ở chế độ chỉnh lưu cấp dòng, còn bộ kia sẽ ở chế độ chờ hoặc nghịch lưu. Điều này giúp quá trình đảo chiều diễn ra nhanh chóng, không có thời gian chết. Tuy nhiên, cấu hình này tiềm ẩn nguy cơ dòng điện cân bằng (dòng trùng dẫn) chạy vòng giữa hai bộ biến đổi, có thể gây ngắn mạch nguồn. Để hạn chế dòng điện này, các cuộn kháng cân bằng (Lcb) được mắc nối tiếp với mỗi bộ biến đổi. Việc thiết kế và trình bày rõ ràng sơ đồ nguyên lý mạch lực, bao gồm cả máy biến áp, các van công suất (Thyristor), cuộn kháng và động cơ, là một phần cốt lõi của tài liệu thuyết minh đồ án.

3.1. Nguyên tắc điều khiển chung và phối hợp tuyến tính α1 α2 180

Với sơ đồ hai bộ biến đổi đấu song song ngược, nguyên tắc điều khiển phối hợp là cực kỳ quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn. Luật điều khiển phổ biến là phối hợp tuyến tính, trong đó tổng góc mở của hai bộ biến đổi luôn bằng 180 độ (α1 + α2 = 180°). Theo luật này, khi bộ biến đổi 1 (BBĐ1) làm việc ở chế độ chỉnh lưu (ví dụ α1 < 90°), thì bộ biến đổi 2 (BBĐ2) sẽ tự động làm việc ở chế độ nghịch lưu (α2 > 90°). Điện áp trung bình của hai bộ sẽ bằng nhau về độ lớn nhưng ngược dấu (Ud1 = -Ud2). Điều này đảm bảo rằng khi một bộ cấp nguồn cho động cơ, bộ còn lại sẵn sàng cho quá trình hãm tái sinh hoặc đảo chiều ngay lập tức. Ưu điểm của phương pháp này là tốc độ đảo chiều rất nhanh, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu đáp ứng động học cao.

3.2. Sơ đồ nguyên lý hai bộ biến đổi và vai trò cuộn kháng cân bằng

Sơ đồ nguyên lý mạch lực bao gồm nguồn xoay chiều 3 pha, máy biến áp, hai bộ biến đổi cầu 3 pha (mỗi bộ gồm 6 Thyristor) đấu song song ngược, hai cuộn kháng cân bằng và động cơ một chiều. BBĐ1 chịu trách nhiệm cấp dòng điện dương (Id > 0) cho động cơ quay thuận, còn BBĐ2 cấp dòng điện âm (Id < 0) cho động cơ quay ngược. Vai trò của cuộn kháng cân bằng (Lcb) là hạn chế dòng điện vòng chạy giữa hai bộ biến đổi. Dòng điện này xuất hiện do sự chênh lệch tức thời giữa điện áp đầu ra của hai bộ. Nếu không có cuộn kháng, dòng điện vòng có thể rất lớn, gây phá hủy các Thyristor. Thiết kế chính xác cuộn kháng là một phần quan trọng trong việc đảm bảo sự ổn định của hệ thống.

3.3. Hoạt động của hệ thống ở chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu

Giả sử cần cho động cơ quay thuận, mạch điều khiển sẽ cấp xung cho BBĐ1 với góc mở α1 trong khoảng 0° đến 90°. Lúc này, BBĐ1 hoạt động ở chế độ chỉnh lưu, biến đổi điện xoay chiều thành một chiều cấp cho động cơ. Đồng thời, BBĐ2 sẽ có góc mở α2 = 180° - α1 > 90°, hoạt động ở chế độ nghịch lưu. Khi cần giảm tốc hoặc hãm, suất điện động E của động cơ có thể lớn hơn điện áp ra của BBĐ1. Dòng điện phần ứng sẽ đảo chiều, chảy từ động cơ về nguồn thông qua BBĐ2. Lúc này, BBĐ2 thực hiện chế độ nghịch lưu phụ thuộc, biến cơ năng tích lũy của động cơ thành điện năng và trả về lưới. Quá trình này được gọi là hãm tái sinh, giúp giảm tốc độ động cơ một cách hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

IV. Bí quyết thiết kế mạch điều khiển cho Đồ án Động cơ một chiều

Nếu mạch lực là "trái tim" của Đồ án Động cơ một chiều, thì mạch điều khiển chính là "bộ não". Nhiệm vụ của mạch điều khiển là tạo ra và phân phối các xung kích đến cực cổng (Gate) của các Thyristor một cách chính xác về thời điểm và thứ tự. Điều này quyết định góc mở α, từ đó điều chỉnh điện áp ra của bộ biến đổi và kiểm soát tốc độ động cơ. Một mạch điều khiển hiệu quả cần phải đảm bảo tính đồng bộ với điện áp lưới, tạo ra được các xung điều khiển có đủ năng lượng để mở chắc chắn Thyristor, và thực hiện được luật điều khiển phối hợp tuyến tính (α1 + α2 = 180°). Cấu trúc của mạch điều khiển thường bao gồm nhiều khâu chức năng phức tạp như: khâu đồng pha, khâu tạo điện áp tựa (dạng răng cưa), khâu so sánh, khâu tạo xung, và khâu khuếch đại xung. Việc thiết kế, lắp ráp và hiệu chỉnh thành công mạch điều khiển là phần thách thức nhất nhưng cũng thú vị nhất đối với sinh viên, đòi hỏi sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa kiến thức về điện tử tương tự, điện tử số và kỹ thuật xung.

4.1. Cấu trúc và nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Nguyên tắc điều khiển phổ biến nhất được sử dụng là nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Theo nguyên tắc này, thời điểm phát xung điều khiển (xác định góc mở α) được quyết định tại giao điểm của hai tín hiệu: một điện áp điều khiển một chiều (Uđk) có thể thay đổi biên độ và một điện áp tựa tuần hoàn (Ut) có dạng răng cưa, đồng bộ với điện áp lưới. Khi Uđk = Ut, khâu so sánh sẽ lật trạng thái và tạo ra một sườn xung. Sườn xung này kích hoạt các khâu tiếp theo để tạo ra xung điều khiển gửi tới Thyristor. Bằng cách thay đổi giá trị Uđk, ta có thể thay đổi thời điểm giao nhau, từ đó điều chỉnh được góc mở α một cách tuyến tính. Đây là phương pháp đơn giản, hiệu quả và dễ thực hiện.

4.2. Chức năng các khâu đồng pha tạo điện áp răng cưa so sánh

Một mạch điều khiển hoàn chỉnh gồm nhiều khâu. Khâu đồng pha, thường sử dụng biến áp, có nhiệm vụ tạo ra điện áp xoay chiều có giá trị thấp, cùng pha với điện áp lưới để làm cơ sở đồng bộ cho toàn mạch, đồng thời cách ly mạch lực và mạch điều khiển. Khâu tạo điện áp răng cưa nhận tín hiệu từ khâu đồng pha để tạo ra một chuỗi điện áp tựa dạng răng cưa có tần số bằng tần số lưới điện. Khâu so sánh (thường dùng Op-Amp) so sánh điện áp răng cưa này với điện áp điều khiển Uđk. Đầu ra của khâu so sánh sẽ là một chuỗi xung vuông có độ rộng thay đổi theo Uđk. Các khâu tiếp theo như khâu tạo xung chùm (dùng IC 555), cổng logic AND và khâu khuếch đại xung sẽ xử lý tín hiệu này để tạo ra xung kích phù hợp cho Thyristor.

4.3. Sơ đồ chi tiết và vai trò của máy biến áp xung BAX

Sau khi được tạo ra và định dạng, các xung điều khiển cần được khuếch đại công suất và cách ly với mạch lực điện áp cao trước khi đưa đến cực G của Thyristor. Nhiệm vụ này được thực hiện bởi khâu khuếch đại xung, trong đó máy biến áp xung (BAX) đóng vai trò trung tâm. BAX là một loại biến áp nhỏ, được thiết kế để truyền các xung năng lượng trong thời gian ngắn với hiệu suất cao. Nó thực hiện hai chức năng quan trọng: cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch điều khiển điện áp thấp và mạch lực điện áp cao, đảm bảo an toàn cho người vận hành và linh kiện; và phối hợp trở kháng để truyền năng lượng xung một cách hiệu quả nhất. Tầng khuếch đại trước BAX thường sử dụng các Transistor công suất để đảm bảo dòng điện đủ lớn qua cuộn sơ cấp của BAX.

V. Hướng dẫn tính toán thông số cho Đồ án Động cơ một chiều

Phần tính toán là xương sống của mọi Đồ án Động cơ một chiều, biến các sơ đồ nguyên lý thành một thiết kế kỹ thuật có thể thi công được. Quá trình này đòi hỏi sinh viên phải áp dụng các công thức lý thuyết để xác định giá trị cụ thể cho từng linh kiện trong cả mạch lực và mạch điều khiển, dựa trên các thông số ban đầu của động cơ và yêu cầu của đề bài. Các hạng mục tính toán chính bao gồm: lựa chọn van công suất (Thyristor) dựa trên điện áp và dòng điện làm việc; thiết kế máy biến áp động lực để cung cấp đủ công suất và điện áp cho bộ biến đổi; tính toán các thiết bị bảo vệ quá dòng, quá áp để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn; và cuối cùng là tính toán các giá trị điện trở, tụ điện trong các khâu của mạch điều khiển. Mỗi bước tính toán thông số đều cần được trình bày một cách logic, rõ ràng, kèm theo các giả thiết và công thức được sử dụng. Sự chính xác trong khâu tính toán sẽ quyết định sự thành bại của toàn bộ đồ án khi triển khai trên thực tế.

5.1. Quy trình tính chọn Thyristor và các thiết bị bảo vệ mạch lực

Việc lựa chọn Thyristor phải dựa trên hai thông số quan trọng nhất: điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu (Ung_max) và dòng điện trung bình chạy qua van (Itb_v). Từ điện áp định mức của động cơ (Uđm = 600V), ta có thể tính được điện áp thứ cấp của biến áp, từ đó suy ra điện áp ngược đỉnh. Cần nhân thêm một hệ số dự trữ (thường là 1.8-2.5) để đảm bảo an toàn. Tương tự, dòng điện trung bình qua mỗi Thyristor trong sơ đồ cầu 3 pha bằng 1/3 dòng tải định mức. Dòng điện chọn cho Thyristor cũng cần có hệ số dự trữ. Bên cạnh đó, các thiết bị bảo vệ là không thể thiếu. Mạch RC (snubber) được mắc song song với mỗi Thyristor để bảo vệ quá áp do chuyển mạch. Aptomat hoặc cầu chì tác động nhanh được sử dụng để bảo vệ quá dòng và ngắn mạch cho toàn bộ mạch lực.

5.2. Phương pháp tính toán chi tiết máy biến áp động lực 3 pha

Thiết kế máy biến áp là một phần tính toán phức tạp. Đầu tiên, cần xác định công suất biểu kiến của biến áp (Sba) dựa trên công suất của tải và hệ số công suất của sơ đồ chỉnh lưu. Tiếp theo, tính toán điện áp pha thứ cấp (U2) để đảm bảo điện áp một chiều ra của bộ biến đổi ở góc mở nhỏ nhất (αmin) bằng điện áp định mức của động cơ, có tính đến sụt áp trên van và trên biến áp. Sau khi có các thông số cơ bản, tiến hành tính toán thiết kế mạch từ (chọn lõi thép, xác định tiết diện trụ) và dây quấn (tính số vòng dây, tiết diện dây cho cuộn sơ cấp và thứ cấp). Các bước tính toán này cần tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật điện để đảm bảo máy biến áp hoạt động hiệu quả và an toàn.

5.3. Tính toán các linh kiện và khâu trong mạch điều khiển

Phần tính toán thông số cho mạch điều khiển tập trung vào việc xác định giá trị các linh kiện (R, C, Transistor, Op-Amp) để các khâu hoạt động đúng chức năng. Ví dụ, trong khâu tạo dao động xung chùm dùng IC 555, cần tính toán giá trị R và C để tạo ra tần số mong muốn (thường vài kHz). Trong khâu tạo điện áp răng cưa, cần tính toán hằng số thời gian của mạch tích phân để đảm bảo độ tuyến tính. Đối với khâu khuếch đại xung, cần tính toán điện trở hạn dòng cho Transistor và chọn máy biến áp xung (BAX) có tỉ số vòng dây phù hợp. Việc tính toán này đảm bảo các tín hiệu trong mạch có biên độ và dạng sóng chính xác, giúp hệ thống điều khiển hoạt động ổn định và tin cậy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1 TÇm quan träng cña ®éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu Trong nÒn s¶n xuÊt hiÖn ®¹i, ®éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu vÉn ®−îc coi lμ 1 lo¹i m¸y quan träng. MÆc dï ®éng c¬ xoay chiÒu cã tÝnh −u viÖt h¬n nh− cÊu t¹o ®¬n gi¶n h¬n , c«ng suÊt lín. Nh−ng ®éng c¬ ®iÖn xoay chiÒu kh«ng thÓ thay thÕ hoμn toμn ®éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu. §Æc biÖt lμ trong c¸c ngμnh c«ng nghiÖp, giao th«ng vËn t¶i, c¸c thiÕt bÞ cÇn ®iÒu chØnh tèc ®é quay liªn tôc trong ph¹m vi réng nh− m¸y c¸n thÐp, m¸y c«ng cô lín ®Çu m¸y ®iÖn.

V× ®éng c¬ ®iiÖn 1 chiÒu cã nh÷ng −u ®iÓm nh− kh¶ n¨ng ®iÒu chØnh tèc ®é rÊt tèt, kh¶ n¨ng më m¸y lín vμ kh¶ n¨ng qu¸ t¶i. Bªn c¹nh ®ã ®éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu còng cã nh÷ng nh−îc ®iÓm nhÊt ®Þnh nh− gi¸ thμnh ®¾t, chÕ t¹o vμ b¶o qu¶n phøc t¹p. Nh−ng do nh÷ng −u ®iÓm cña nã nªn nã vÉn cã 1 tÇm quan träng nhÊt ®Þnh trong s¶n xuÊt. Ngμy nay hiÖu suÊt cña ®éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu c«ng suÊt nhá vμo kho¶ng 75% - 85%, ë ®éng c¬ ®iÖn c«ng suÊt trung b×nh vμ lín vμo kho¶ng 85% - 94%.

C«ng suÊt lín nhÊt cña ®éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu hiÖn nay vμo kho¶ng 10000KW. §iÖn ¸p vμo kho¶ng vμi tr¨m ®Õn 1000V. H−íng ph¸t triÓn hiÖn nay lμ c¶i tiÕn tÝnh n¨ng vËt liÖu, n©ng cao chØ tiªu kinh tÕ cña ®éng c¬ vμ chÕ t¹o nh÷ng m¸y c«ng suÊt lín. 2 CÊu t¹o cña ®éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu 2.1PhÇn tÜnh ( PhÇn c¶m hay stator) 1 Đồ án điện tử công suất Lμ phÇn ®øng yªn, bao gåm c¸c bé phËn chÝnh: a) Cùc tõ chÝnh : §−îc lμm b»ng thÐp kÜ thuËt d¹ng thÐp khèi hoÆc tÊm, xung quanh cã d©y quÊn cùc tõ chÝnhgäi lμ kÝch tõ.

Nã th−êng ®−îc nèi víi nguån 1 chiÒu. NhiÖm vô lμ t¹o ra tõ th«ng trong m¸y. b) Cùc tõ phô : §−îc ®Æt xen gi÷a c¸c cùc tõ chÝnh, xung quanh cùc tõ phô cã d©y quÊn cùc tõ phô. D©y quÊn cùc tõ phô ®Êu nèi tiÕp víi d©y quÊn roto, NhiÖm vô cña cùc tõ phô lμ triÖt tiªu tõ tr−êng phÇn øng ( Tõ tr−êng do dßng ®iÖn roto sinh ra ).

Trªn vïng trung tÝnh h×nh häc ®Ó h¹n chÕ xuÊt hiÖn tia löa ®iÖn trªn chæi than vμ cæ gãp. c) Vá m¸y ( G«ng tõ ) Ngoμi nhiÖm vô th«ng th−êng nh− c¸c vá m¸y kh¸c, vá m¸y ®iÖn 1 chiÒu cßn tham gia dÉn tõ, v× vËy nã ph¶i ®−îc lμm b»ng thÐp dÉn tõ.2 PhÇn quay ( PhÇn øng hay roto ) a) Lâi thÐp roto Dïng ®Ó dÉn tõ, th−êng dïng nh÷ng tÊm thÐp kÜ thuËt ®iÖn dÇy 0.5mm phñ c¸ch ®iÖn máng ë 2 mÆt råi Ðp chÆt l¹i ®Ó gi¶m tæn hao do dßng ®iÖn xo¸y g©y nªn. Trªn l¸ thÐp cã dËp r·nh ®Ó quÊn d©y b) D©y quÊn phÇn øng Lμ phÇn ph¸t sinh ra suÊt ®iÖn ®éng vμ cã dßng ®iÖn ch¹y qua. D©y quÊn phÇn øng th−êng lμm b»ng d©y ®ång cã s¬n c¸ch ®iÖn c) Cæ gãp Dïng ®Ó ®æi chiÒu dßng ®iÖn xoay chiÒu thμnh 1 chiÒu.

Gåm nhiÒu phiÕn ®ång ghÐp c¸ch ®iÖn víi nhau, bÒ mÆt cæ gãp d−îc gia c«ng víi ®é bãng thÝch hîp ®Ó ®¶m b¶o tiÕp xóc tèt gi÷a chæi than vμ cæ gãp khi quay 2.3 Gíi thiÖu vÒ ®éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu kÝch tõ ®éc lËp Cho ®Õn nay ®éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu vÉn cßn dïng rÊt phæ biÕn trong c¸c hÖ thèng truyÒn ®éng chÊt l−îng cao, d¶i c«ng suÊt ®éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu tõ vμi W ®Õn vμi MW. Gi¶n ®å kÕt cÊu chung cña ®éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu kÝch tõ ®éc lËp ®−îc thÓ hiÖn nh− h×nh vÏ d−íi. PhÇn øng ®−îc biÓu diÔn bëi vßng trßn bªn trong cã søc ®iÖn ®éng E− , ë phÇn stato cã thÓ cã vμi d©yquÊn kÝch tõ : D©y quÊn kÝch tõ ®éc lËp CKD, d©y quÊn kÝch tõ nèi tiÕp, d©y quÊn cùc tõ phô CF, d©y quÊn bï CB. Khi nguån ®iÖn 1 chiÒu cã c«ng suÊt kh«ng dö lín th× m¹ch ®iÖn phÇn øng vμ m¹ch kÝch tõ m¾c vμo 2 nguån 1 chiÒu ®éc lËp nhau, lóc nμy ®éng c¬ d−îc coi lμ ®éng c¬ kÝch tõ ®éc lËp 2 Đồ án điện tử công suất Nguyên lý làm việc Khi đóng động cơ , Rôto quay đến tốc độ n , đặt điện áp Ukt nào đó lên dây quấn kích từ thì trong dây quán kích từ có dòng điện ik và do đó mạch kích từ của máy sẽ có từ thông φ , tiếp đó ở trong mạch phần ứng , trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện i chạy qua tương tác với dòng điện phần ứng.

Tăng từ từ dòng kích từ ( bằng cách thay đổi Rkt ) thì điện áp ở hai đầu động cơ sẽ thay đổi theo qui luật : Edư = (1% ÷ 42% )Uđm Khi dòng ikt còn nhỏ thì Eư hoặc U tăng tỉ lệ thuận với ikt nhưng khi Ukt bắt đầu lớn thì từ thông φ trong lõi thép bắt đầu bão hoà. Cuối cùng khi ikt = iktbh thì U = Eư bão hoà hoàn toàn. 3 Đồ án điện tử công suất 2.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập : Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ phương trình cân bằng điện áp của động cơ : Uư = Eư + (Rư +Rf ). Iư (1) Trong đó : Uư : điện áp phần ứng ( V ) Eư : Sức điện động phần ứng (V) Rư : Điện trở của mạch phần ứng Rf : Điện trở phụ của mạch phần ứng Iư : Dòng điện mạch phần ứng Với Rư = rư + rcf + rb + rct rư : Điện trở cuộn dây phần ứng rcf : Điện trở cuộn cực từ phụ rb : Điện trở cuộn bù rct : Điện trở tiếp xúc của chổi than Sức điện động Eư của phần ứng động cơ xác định theo biểu thức pN Eu Eư = .φ Trong đó : p : Số đôi cực từ chính N : Số thanh dẫn tác dụng của dây quấn phần ứng 4 Đồ án điện tử công suất a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng φ : Từ thông kích từ dưới 1 cực từ ω : Vận tốc góc rad/s pN k= : Hệ số cấu tạo của động cơ 2πa Từ phương trình (1) Ö Eư = Uư - (Rư +Rf ).

Iư Ö Chia cả 2 vế cho k.φ Eu Uu Ru + Rf Ö = - .Iu kφ kφ kφ Uu Ru + Rf Ö ϖ = - .Iu (2 ) kφ kφ Ö ϖ = f (I) : Đặc tính cơ điện Mặt khác mô men điện từ của của cơ điệ được xác định bởi : M dt Mđt = k .φ Uu Ru + Rf Thế vào (2) => ϖ = - .M d t kφ (k φ ) 2 Ö ϖ = f (M) : Đặc tính cơ theo mômen Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mô men cơ trên trục điện cơ bằng mô men điện từ , ta kí hiệu là M nghĩa là Mđt = Mcơ = M Uu Ru + Rf Ö ϖ = - .M (3) kφ (k φ ) 2 Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ , từ thông φ = const thì phương trình đặc tính cơ điện (2) và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính, đồ thị của chúng được thể hiện như sau : ω ω ω0 ω0 ωđm N ωđm 5 Đồ án điện tử công suất I M Iđm Inm Mđm Mnm Uu ϖ = = ϖ0 kφ ϖ0 : Gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ, còn khi ϖ0 = 0 ta có : Uu Iu = = Inm Ru + Rf Inm , Mnm Gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch. Nhận xét : Nếu cho U, Rư + Rf , φ là hằng số thì phương trình (3) sẽ là phương trình bậc nhất : ϖ = ϖ0 + Δϖ Ru + Rf Δϖ = M Độ sùt tốc độ k.5 Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tình cơ. Từ phương trình đặc tính cơ : Uu Ru + Rf ω = - .M kφ (k φ ) 2 ta thấy có 3 tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ đó là : Từ thông động cơ φ , Điện áp phần ứng Uư , và điện trở phần ứng của động cơ. Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó.

a) Ảnh hưởng của điện trở phần ứng : Giả thiết Uư = Uđm = Const Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng. 6 Đồ án điện tử công suất U dm - Tốc độ không tải lý tưởng : ϖ = = con st kφ ΔM kφ - Độ cứng của đặc tính cơ : β = =− =variable Δϖ Ru + Rf Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên Rf càng lớn thì β càng nhỏ dẫn tới đặc tính cơ càng dốc Như vậy khi thay đổi điện trở phụ ta được 1 họ đặc tính cơ như hìng vẽ. ứng với một phụ tải Mc nào đó , nếu Rf càng lớn thì tốc độ càng giảm cho nên người ta sử dụng Phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ Đặc điển : - Tốc độ n bằng phẳng - Phạm vi điều chỉnh rộng - Vùng điều chỉnh tốc độ nđc < nđm - Việc điều chỉnh tốc độ thực hiện trong mạch phần ứng có dòng điện lớn , tổn hao vô ích nhiều , hệ số động cơ giảm b) Ảnh hưởng của điện áp phần ứng Gi¶ thiÕt φ = φ®m = const, ®iÖn ¸p phÇn øng R− = const trong thùc tÕ th−êng gi¶m ®iÖn ¸p. 7 Đồ án điện tử công suất - Tèc ®é kh«ng t¶i lý t−ëng: ϖ0x = = variable, U gi¶m th× ϖ0x gi¶m Ux k.φdm (kφ)2 - §é cøng ®Æc tÝnh c¬: β = − = const Ru ω ω01 ω02 Udm(TN) ω03 U1 ω04 U2 M(I) U3 Nh− vËy khi thay ®æi ®iÖn ¸p ®Æt vμo phÇn øng ®éng c¬ ta ®−îc mét hä ®Æc tÝnh c¬ song song víi ®−êng ®Æc tÝnh c¬ tù nhiªn.

NhËn thÊy r»ng khi thay ®æi ®iÖn ¸p, thùc chÊt lμ gi¶m ¸p th× m« men ng¾n m¹ch, dßng ®iÖn ng¾n m¹ch cña ®éng c¬ gi¶m vμ tèc ®é cña ®éng c¬ còng gi¶m øng víi mét phô t¶i nhÊt ®Þnh. V× vËy ph−¬ng ph¸p nμy còng ®−îc sö dông ®Ó ®iÒu chØnh tèc ®é vμ h¹n chÕ dßng ®iÖn khi khëi ®éng *.§Æc ®iÓm - Tèc ®é ®iÒu chØnh b»ng ph¼ng - Ph¹m vi ®iÒu chØnh réng - Vïng ®iÒu chØnh tèc ®é nđc < nđm - §Ó thùc hiÖn ph−¬ng ph¸p nμy ta cÇn ph¶i cã nguån ®iÖn ¸p thay ®æi ®−îc(bé biÕn ®æi ®iÖn ¸p b»ng ®iÖn tö c«ng suÊt ).