Bài giảng Truyền động điện - Chương 2: Điều khiển tốc độ động cơ DC (Phần 1)

8/24/2014
1
Chương 2
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC
1
Các loại động cơ DC thông dụng
+ +V V
iư
+
A1 F1
- -
Động cơ DC 
kích từ độc lập
kt
-
A2 F2
2
8/24/2014
2
Cấu trúc động cơ DC
Chổi than & dây dẫn
Cổ góp
Phần ứng
Trục 
động cơ
Ký hiệu
3
Vỏ động cơ
Cuộn kích từ
Cấu trúc động cơ DC
Đặc tính động cơ DC
iưRư
+
-
V
+
-
E
Mạch tương đương
động cơ DC kích từ độc lập 
ở chế độ xác lập
4
8/24/2014
3
Đặc tính động cơ DC
Phuơng trình cơ bản của động cơ DC: 
E K ω= Φ 
u uV E R I= + 
uM K I= Φ 
• K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ 
• Φ : từ thông kích từ duới một cực từ (Wb) 
• Iư: dòng phần ứng (A) 
• V: điện áp phần ứng (V)
5
• Rư: điện trở phần ứng (Ω ) 
• M: momen điện từ sinh ra trên trục động cơ (Nm) 
• ω : tốc độ góc trục động cơ (rad/s) 
Đặc tính động cơ DC kích từ độc lập
Phuơng trình đặc tính cơ của động cơ DC: 
u
u
RV I
K K
ω = −Φ Φ 
Hoặc: 
( )2
uRV M
K K
ω = −Φ Φ
6
Với động cơ DC kích từ độc lập: KΦ = const 
Æ Đặc tính cơ là đường thẳng 
8/24/2014
4
Đặc tính động cơ DC kích từ nối tiếp
Nếu động cơ làm việc trong vùng tuyến tính của đặc tính từ hoá: 
( )u kt uI K IΦ = Φ = 
Momen động cơ: 2( ) kM K I I K K I= ⋅Φ ⋅ = ⋅ ⋅ u u t u
Phuơng trình đặc tính cơ: 
1u kt u kt
kt u kt ktkt
R R R RV V
K K I K K K KK K M
ω + += − = −⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅ 
uR : điện trở phần ứng, Rkt : điện trở cuộn kích từ 
7
Đặc tính động cơ DC kích từ nối tiếp
Nếu kể tới tính phi tuyến của quan hệ ( )uIΦ , đặc tính cơ tự nhiên 
của động cơ DC kích từ nối tiếp có thể vẽ được từ: 
• Đặc tính vạn năng * *( )Iω và * *( )M I 
• Đặc tính từ hóa thực nghiệm trên động cơ ( )uE I 
8
8/24/2014
5
Đặc tính động cơ DC kích từ nối tiếp
Động cơ kích từ nối tiếp: 
• Có khả năng quá tải cao về momen: thích hợp với các hệ truyền động thường 
có quá tải lớn và yêu cầu momen khởi động lớn như thiết bị nâng vận chuyển, 
máy cán thép 
• Có từ thông chỉ phụ thuộc dòng phần ứng nên khả năng chịu tải của loại động 
cơ này không bị ảnh hưởng bởi sụt áp của lưới điện: thíich hợp với truyền 
động trong các hệ thống có đường dây cung cấp dài (ví dụ: trong lãnh vực 
giao thông) 
9
• Không dùng trong các ứng dụng có thể hoạt động với tải nhỏ hoặc không tải 
Các chế độ hãm
Các chế độ hãm: 
ƒ Hãm tái sinh: động cơ nhận cơ năng từ tải, biến thành điện năng và trả về 
lưới, 
ƒ Hãm ngược: động cơ nhận năng lượng từ tải và nguồn rồi tiêu tán trên điện 
trở mạch phần ứng. 
ƒ Hãm động năng: động cơ nhận năng lượng từ tải, biến thành điện năng rồi 
tiêu tán trên điện trở mạch phần ứng. 
10
8/24/2014
6
Hãm tái sinh 
động cơ DC kích từ độc lập
Hãm tái sinh: 
• Động cơ nhận năng lượng từ tải, biến thành điện năng và trả về 
lưới điện. 
Ví dụ các trường hợp xảy ra hãm tái sinh: 
• Chuyển trạng thái khi thay đổi tốc độ 
• Hạ tải trọng (hạ hãm) 
11
Hãm tái sinh 
động cơ DC kích từ độc lập
12
8/24/2014
7
Hãm ngược 
động cơ DC kích từ độc lập
Hãm ngược: 
Động cơ nhận cả năng lượng từ lưới điện và từ tải và tiêu tán năng 
l à ê điệ ở h hầ ứượng n y tr n n tr mạc p n ng.
Ví dụ các trường hợp xảy ra hãm tái sinh: 
• Chuyển trạng thái khi thay đảo chiều quay 
• Hạ tải trọng (hạ hãm) 
13
Hãm ngược 
động cơ DC kích từ độc lập
14
8/24/2014
8
Hãm động năng động cơ DC kích từ độc lập
Hãm động năng: 
• Động cơ nhận năng lượng từ tải, biến thành điện năng và tiêu 
tán năng lượng này trên điện trở mạch phần ứng. 
ồCác sơ đ hãm động năng:
• Hãm động năng kích từ độc lập 
• Hãm động năng tự kích từ 
15
Hãm động năng động cơ DC kích từ độc lập
16
8/24/2014
9
Hãm ngược động cơ kích từ nối tiếp
iư
S1 S2
+
-
V
+
-
Rh
Hãm ngược 
động cơ kích từ nối tiếp
17
Hãm động năng động cơ kích từ nối tiếp
iư
A1S1 S2
+
-
A2
Hãm động năng tự kích từ 
động cơ DC kích từ nối tiếp
Rh
18
8/24/2014
10
Sơ lược các phương pháp điều khiển tốc độ 
động cơ DC
• Thay đổi điện trở phần ứng
• Điều khiển điện áp phần ứng 
• Điều khiển từ thông
• Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông
19
Thay đổi điện trở phần ứng
Vd = Vđm, từ thông dmΦ = Φ 
Thay đổi điện trở phụ bằng cách thêm Rp vào mạch phần ứng. 
Phương trình đặc tính cơ lúc này:
( )
dm
2
( )u pR RV M
K K
ω += −Φ Φ 
Trong trường hợp này: 
0
dmVω = = const: tốc độ không tải lý tưởng không đổi
20
KΦ
( )2
u p
K
R R
β Φ= − + : độ cứng đặc tính cơ thay đổi, khi Rp tăng, độ cứng 
đặc tính cơ giảm, nghĩa là đặc tính cơ dốc nhiều hơn. 
8/24/2014
11
Thay đổi điện trở phần ứng
• Phương pháp này có hiệu suất thấp, đặc tính cơ không tốt khi 
cần điều chỉnh ở tốc độ thấp. 
Th ờ hỉ dù ới độ ô ất hỏ h ặ điề hỉ h• ư ng c ng v ng cơ c ng su n , o c u c n 
tốc độ trong một thời gian ngắn. 
21
Điều khiển điện áp phần ứng
Vd = thay đổi và d dmV V< , từ thông dmΦ = Φ . 
Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho phần 
ứng. 
Phương trình đặc tính cơ lúc này:
( )
d
2
uV R M
K K
ω = −Φ Φ 
Đặc tính cơ là những đường thẳng song song, có độ dốc = độ dốc 
đặc tính cơ tự nhiên. 
22
8/24/2014
12
Điều khiển điện áp phần ứng
Thay đổi điện áp cung cấp cho động cơ bằng: 
• Hệ thống Máy phát – Động cơ 
Bộ biế đổi ô ất ( hỉ h lư ó điề khiể bộ biế đổi• n c ng su c n u c u n, n 
DC-DC) 
Phương pháp này hiện được dùng phổ biến vì hiệu suất cao, đặc 
tinh cơ tốt. 
23
Điều khiển điện áp phần ứng
Hệ Máy phát – Động cơ (Hệ F-Đ)
24
8/24/2014
13
Phương trình đặc tính cơ hệ F-Đ: 
( )2
u F u FF F
u
R R R RE EI M
K K K K
ω + += − = −Φ Φ Φ Φ 
Điều khiển điện áp phần ứng
Hệ Máy phát – Động cơ (Hệ F-Đ)
Khuyết điểm: 
• Công suất lắp đặt lớn 
• Từ dư của máy phát ảnh hưởng việc điều chỉnh động cơ xuống tốc độ thấp 
25
Điều khiển từ thông
Vd = Vđm, từ thông Φ thay đổi bằng cách giảm điện áp kích từ 
Phương trình đặc tính cơ lúc này: 
( )
d
2
uV R M
K K
ω = −Φ Φ 
Từ thông giảm Æ tốc độ không tải của động cơ tăng Æ tốc độ 
động cơ càng lớn. 
Từ thông giảmÆ độ cứng đặc tính cơ giảm
26
Thường dùng phối hợp với phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 
để mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống. 
8/24/2014
14
Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông
P
Iư
Iưđm
27
đm max
Điều khiển điện 
áp phần ứng
Điều khiển từ 
thông
Giới hạn momen và tốc độ khi điều 
chỉnh điện áp phần ứng và từ thông
Ví dụ tính toán
Ví dụ 1: 
Động cơ DC kích từ độc lập có thông số: Vđm = 230V, nđm = 500v/ph, 
Iđm = 100A, Rư = 0.1Ω. Tổn hao ma sát và quạt gió có thể bỏ qua. Động cơ 
mang tải định mức momen tải không đổi theo tốc độ , .
Với n < nđm, tốc độ động cơ điều chỉnh bằng phương pháp thay đổi điện áp
phần ứng và giữ kích từ là định mức. Với n>nđm, tốc độ động cơ thay đổi bằng 
cách giữ V=Vđm và giảm dòng kích từ. Tính: 
1. Điện áp cung cấp cần thiết cho phần ứng để động cơ hoạt động ở 400v/ph. 
2. Kích từ động cơ cần giảm bao nhiêu so với định mức để động cơ hoạt động 
28
 với n = 800v/ph. 
8/24/2014
15
Ví dụ tính toán
Ví dụ 2: 
Động cơ ở ví dụ 1 bây giờ hoạt động với tải thế năng có M = 800Nm. Điện áp 
ồ ấ h độ V 230V kí h từ độ iữ bằ đị h ứngu n cung c p c o ng cơ = , c ng cơ g ng n m c. 
Nếu động cơ hoạt động ở chế độ hãm tái sinh, hãy tính tốc độ động cơ khi đó. 
29
Ví dụ tính toán
Ví dụ 3: 
Động cơ DC kích từ nối tiếp có đặc tính từ hóa khi đo ở n = 600v/ph là: 
Ik (A) 20 30 40 50 60 70 80t 
E(V) 215 310 381 437 485 519 550 
Điện trở Rư+Rkt = 1Ω. 
Nếu động cơ hoạt động ở chế độ hãm động năng với tải Mc=400Nm và 
n=500v/ph thì cần thêm điện trở phụ là bao nhiêu vào mạch phần ứng. Giả thiết 
tổn hao cơ không đáng kể và có thể bỏ qua
30
 .
8/24/2014
16
Ví dụ 3 (tt)
Quan hệ KΦ(Iư) và M(Iư) của động cơ: 
Iư (A) 20 30 40 50 60 70 80 
KΦ (Vs/rad) 3.4 4.9 6.06 6.96 7.72 8.26 8.75 
M (Nm) 68 147 243 348 463 578 700 
6
8
10
(V
s/
ra
d)
400
600
800
Tu thong 
3120 30 40 50 60 70 802
4
Tu
 th
on
g 
I (A)
0
200
Momen