KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện khóa luận: “Điều khiển động cơ điện một
chiều dùng vi điều khiển 8051”.
Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Th.S Vũ Mạnh Quang,
người đã giúp đỡ, chỉ bảo tận tình, có hiệu quả, tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho tôi học hỏi, tìm hiểu và nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển tự động.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Vật lý đã hết
lòng dạy dỗ, chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và
hoàn thiện bài khóa luận này.
Qua đây, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn giúp đỡ,
cổ vũ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bài khóa luận
này.
Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 05 năm 2011
Người thực hiện

Triệu Văn Hiếu

TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

1


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung mà tôi đã trình bày trong khóa
luận này là kết quả của quá trình nghiên cứu của bản thân, dưới sự hướng

dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo Th.S Vũ Mạnh Quang và các thầy cô
giáo trong khoa Vật lý, Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2.
Những nội dung này chưa từng được công bố trong bất kỳ khóa luận
tốt nghiệp nào khác.

Hà Nội, tháng 05 năm 2011
Người thực hiện

Triệu Văn Hiếu

TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

2


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

MỤC LỤC
A. MỞ ĐẦU .................................................................................................. 1
B. NỘI DUNG............................................................................................... 3
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1. Cấu tạo của động cơ điện một chiều ........................................................ 3
1.2. Nguyên lý làm việc.................................................................................. 4
1.3. Sức điện động phần ứng trong dây quấn phần ứng,công suất điện từ và
mômen điện từ ............................................................................................... 6
1.4. Phản ứng phần ứng trong động cơ điện một chiều ................................... 8
1.5. Đổi chiều dòng điện, tia lửa điện trên vành cổ góp .................................. 9
1.6. Mở máy động cơ điện một chiều ........................................................... 10
1.7. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều............................................. 12
1.8. Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều....................................... 21

1.9. Động cơ vạn năng.................................................................................. 23
Chương 2. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU DÙNG
VI ĐIỀU KHIỂN 8051
2.1. Tổng quan về vi điều khiển 8051........................................................... 24
2.2. Điều chế PWM để điều khiển động cơ điện một chiều .......................... 35
2.3. Thiết kế chương trình điều khiển ........................................................... 43
C. KẾT LUẬN ............................................................................................ 52
D. TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................... 53

TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

3


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

A. MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong các ngành công nghiệp sản xuất và đời sống, công tác điều khiển,
vận hành hiệu quả các thiết bị nhằm tăng khả năng sản xuất, tăng chất lượng,
đồng thời tiết kiệm được chi phí sản xuất cũng như mọi chi phí cho việc trùng
tu, bảo dưỡng thiết bị sản xuất, giữ một vị trí quan trọng.
Điều khiển máy điện là một lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng các thiết bị
và sơ đồ điều khiển để phục vụ các nhu cầu thay đổi các đại lượng của chuyển
động như mô men, tốc độ hay điều khiển vị trí tùy theo các yêu cầu của mỗi
loại hình sản xuất.
Động cơ điện một chiều được sử dụng từ lâu trong các hệ truyền động
có điều khiển tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc độ cao và các
hệ thường xuyên hoạt động ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều. Nhờ có đặc
tính điều chỉnh tốc độ tốt nên được sử dụng rất phổ biến. Chính vì thế mà công

tác điều khiển, vận hành giữ một vị trí quan trọng.
Để thay đổi tốc độ, các động cơ xoay chiều đòi hỏi phải thay đổi biên độ
điện áp và tần số trong khi động cơ điện một chiều thì chỉ cần thay đổi điện áp
một chiều.
Là một sinh viên nghành kỹ thuật, muốn nâng cao hiểu biết về kỹ thuật
nói chung và kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng, tôi đã chọn đề tài: “Điều
khiển động cơ điện một chiều dùng vi điều khiển 8051”.

TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

4


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

2. Mục đích nghiên cứu
Tìm hiểu về động cơ điện môt chiều.
Tìm hiểu về cách điều khiển động cơ điện một chiều dùng vi điều khiển.
3. Nhiệm vụ của đề tài
Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về động cơ điện một chiều.
Nghiên cứu vi điều khiển 8051 để ứng dụng vào việc điều khiển động
cơ điện một chiều.
4. Đối tượng nghiên cứu
Động cơ điện một chiều và vi điều khiển 8051.
5. Phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và thực tế.
6. Cấu trúc luận văn
Chương 1. Tổng quan về động cơ điện một chiều
Chương này tôi tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các hiện
tượng vật lý, các đường đặc tính trong động cơ điện một chiều.

Chương 2. Điều khiển động cơ điện một chiều dùng vi điều khiển
Chương này tôi tìm hiểu về vi điều khiển 8051 và cách điều khiển động
cơ điện một chiều dùng vi điều khiển 8051.

TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

5


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

B. NỘI DUNG
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1. Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều gồm stator với cực từ, rotor với dây quấn và cổ
góp với chổi điện (hình 1.1).

Hình 1.1. Cấu tạo của động cơ điện một chiều
1.1.1. Stator
Còn gọi là phần cảm, gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa
là vỏ máy. Các cực từ chính có dây quấn kích từ.
1.1.2. Rotor
Còn gọi là phần ứng gồm lõi thép, dây quấn phần ứng.
 Lõi thép rotor

TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

6



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Dạng hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ
thuật dày 0,5 mm phủ sơn cách điện ghép lại để
giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây ra. Các lá
thép được rập có lỗ thông gió và rãnh để đặt
dây quấn phần ứng (hình 1.2).
 Dây quấn phần ứng
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức
điện động cảm ứng và có dòng điện chạy qua.

Hình 1.2. Lá thép rotor

Dây quấn phần ứng làm bằng đồng có bọc cách
điện, có tiết diện hình tròn (đối với máy có công suất bé) hay hình chữ nhật
(đối với máy công suất lớn) được đặt trong các rãnh của lõi thép theo một sơ
đồ cụ thể và được cách điện với rãnh. Để tránh dây quấn bị văng ra khi rotor
quay (lực ly tâm), ở miệng rãnh có dùng nêm bằng tre.
1.1.3. Cổ góp và chổi điện
 Cổ góp
Gồm có các phiến góp bằng đồng
được ghép cách điện có dạng hình trụ, gắn
ở đầu trục rotor (hình 1.3).
 Chổi than
Chổi than làm bằng than gra-phít,
đôi khi ta trộn thêm bột đồng để làm tăng

Hình 1.3. Cổ góp và chổi

độ dẫn điện. Chổi than có nhiệm vụ đưa dòng điện từ phần ứng ra ngoài hay

ngược lại. Các chổi tỳ chặt nên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp
máy (hình 1.3).
1.2. Nguyên lý làm việc
Động cơ điện một chiều hoạt động dựa vào nguyên lý cảm ứng điện từ.
Hình 1.4 mô tả nguyên lý làm việc của động cơ một chiều. Khi cho điện áp
TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

7


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

một chiều U vào 2 chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện.
Dưới tác dụng của nam châm lên các thanh dẫn ab, cd có dòng điện, sẽ sinh ra
lực điện từ tác dụng làm cho rotor quay.

Hình 1.4. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
Chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái và có độ lớn:
F = Btbl.i

(1.1)

Btb: cảm ứng từ trung bình trong khe hở
i: dòng điện chạy trong thanh dẫn; l: chiều dài thanh dẫn
Khi phần ứng quay được

vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho

nhau. Do có phiến góp đổi chiều, dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không
đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi. Khi động cơ quay các thanh

dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư. Chiều sức điện động sẽ xác
định theo quy tắc bàn tay phải. Ở động cơ, chiều sức điện động Eư ngược
chiều với dòng điện Iư nên Eư còn được gọi là sức phản điện. Phương trình
cân bằng điện áp là:
U = Eư+IưRư

TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

(1.2)

8


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

1.3. Sức điện động phần ứng trong dây ứng trong dây quấn phần ứng, mô
men điện từ và công suất từ
1.3.1. Sức điện động phần ứng trong dây quấn phần ứng
Cho dòng điện kích thích vào dây quấn kích thích thì trong khe hở
không khí sẽ sinh ra từ thông. Khi phần ứng quay với một tốc độ nhất định
nào đó thì trong dây quấn phần ứng sẽ cảm ứng nên một sức điện động. Sức
điện động đó phụ thuộc vào từ thông dưới mỗi cực từ, tốc độ quay của máy,
số thanh dẫn của dây quấn và kiểu dây quấn.
Sức điện động trung bình cảm ứng trong thanh dẫn có chiều dài tác
dụng l, chuyển động với tốc độ v trong từ trường bằng:
etb = Btblv

(1.3)

Trong đó Btb là cảm ứng từ trung bình trong khe hở.

Do tốc độ quay:

(1.4)

Và

(1.5)

Btb =
Trong đó: D là đường kính ngoài phần ứng.

Thay vào ta có: etb = 2p

(1.6)

Gọi N là tổng số thanh dẫn của dây quấn thì mỗi mạch nhánh song song
sẽ có

thanh dẫn nối tiếp nhau, trong đó 2a là số mạch nhánh ghép song

song, và như vậy sức điện động của máy:
Eư =
Với:

=

2p

=


n=

n

(1.7)

là hệ số phụ thuộc vào kết cấu của máy và dây quấn.

Chiều của Eư phụ thuộc vào chiều

và n và được xác định theo qui tắc bàn

tay phải.
TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

9


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

1.3.2. Công suất điện từ và mô men điện từ
Công suất điện từ của động cơ điện một chiều
Pđt = EưIư

(1.8)

Thay giá trị Eư trong (1.7) vào (1.8) ta có:
Pđt =

n Iư


(1.9)

Mômen điện từ là: Mđt =
r

(1.10)

là tần số góc quay của rotor được tính theo tốc độ quay n:
r

=

(1.11)

Thay các giá trị của các biểu thức (1.9), (1.11), vào (1.10) ta có:
Mđt =

Iư

Trong đó: CM =

= CMIư

(Nm)

là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn.

Nhận xét: Mômen điện từ tỷ lệ với dòng điện phần ứng Iư và từ thông.
Muốn thay đổi mômen điện từ ta phải thay đổi dòng điện phần ứng hoặc thay

đổi dòng kích từ. Muốn đổi chiều mômen điện từ ta phải đổi chiều dòng điện
phần ứng hay dòng kích từ.

TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

10


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

1.4. Phản ứng phần ứng trong động cơ điện một chiều

Hình 1.5. Từ trường trong động cơ điện một chiều
1.4.1. Từ trường cực từ
Khi máy điện một chiều không tải, từ trường trong máy chỉ do dòng
điện kích từ gây ra gọi là từ trường cực từ. Các cực từ có cực tính khác nhau
được bố trí xen kẽ nhau dọc theo chu vi phía trong thân vỏ máy, từ thông đi từ
cực bắc N qua khe hở và phần ứng rồi trở về cực nam S nằm bên cạnh. Sự
phân bố đường sức từ của từ trường cực từ như hình 1.5a.
1.4.2. Từ trường phần ứng
Khi máy điện có tải, dòng điện Iư trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ
trường phần ứng (hình 1.5b). Từ trường phần ứng hướng vuông góc với từ
trường cực từ. Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là
phản ứng phần ứng, từ trường trong máy là từ trường tổng hợp của từ trường
cực từ và từ trường phần ứng (1.5c). Ở một mỏm cực, từ trường được tăng
TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

11



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

cường (tại đó từ trường phần ứng trùng chiều với từ trường cực từ) trong khi
đó ở mỏm cực kia, từ trường bị yếu đi (tại đó từ trường phần ứng ngược chiều
với từ trường cực từ). Hậu quả của phản ứng phần ứng là:
Từ trường trong máy bị biến dạng: Điểm có từ cảm B = 0 dịch chuyển
từ trung tính hình học mn đến vị trí mới gọi là trung tính vật lý m’n’. Góc lệch
thường nhỏ và lệch ngược chiều quay rotor. Ở vị trí trung tính hình học, từ
cảm B ≠ 0 thanh dẫn chuyển động qua đó sẽ cảm ứng sức điện động gây ảnh
hưởng xấu đến việc đổi chiều.
Khi tải lớn dòng điện phần ứng lớn: Từ trường phần ứng lớn phần
mỏm cực từ trường được tăng cường bị bão hòa, từ cảm B tại đó được tăng
lên rất ít, trong khi đó mỏm cực kia từ trường giảm đi nhiều, kết quả là từ
thông của máy bị giảm đi nhiều. Từ thông giảm kéo theo sức điện động phần
ứng giảm làm cho điện áp đầu cực máy phát điện U giảm xuống. Ở chế độ
động cơ từ thông giảm làm cho mômen quay giảm và tốc độ động cơ thay đổi.
Để khắc phục hậu quả trên người ta dùng cực từ phụ và dây quấn bù.
Từ trường của cực từ phụ và dây quấn bù ngược chiều với từ trường phần
ứng. Để khắc phục việc từ trường phần ứng khi tải thay đổi, dây quấn cực từ
phụ và dây quấn bù đấu nối tiếp với mạch phần ứng.
1.5. Đổi chiều dòng điện, tia lửa điện trên cổ vành góp
1.5.1. Nguyên nhân phát sinh tia lửa điện
Khi máy điện làm việc, quá trình đổi chiều thường gây ra tia lửa giữa
chổi điện và cổ góp. Tia lửa lớn có thể gây nên vành lửa xung quanh cổ góp,
phá hỏng chổi điện và cổ góp, gây tổn hao năng lượng, ảnh hưởng xấu đến
môi trường và gây nhiễu đến sự làm việc của các thiết bị điện tử. Nguyên
nhân gây ra tia lửa trên cổ góp gồm:
+ Nguyên nhân cơ khí

TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT


12


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi điện không tốt do cổ góp không tròn,
không nhẵn, chổi than không đủ, đúng quy cách, rung động của chổi than cố
định không tốt hoặc lực lò xo tỳ yếu.
+ Nguyên nhân điện từ
Khi rotor quay liên tiếp có phần tử chuyển mạch nhánh này sang mạch
nhánh khác. Ta gọi các phần tử ấy là phần tử đổi chiều. Trong phần tử đổi
chiều xuất hiện các sức điện động sau.
 Sức điện động tự cảm do sự biến thiên dòng điện trong phần tử đổi
chiều.
 Sức điện động hỗ cảm do sự biến thiên dòng điện của các phần tử đổi
chiều khác lân cận.
 Sức điện động do từ trường phần ứng gây ra
Ở thời điểm chổi điện ngắn mạch phần tử đổi chiều, các sức điện động
trên sinh ra dòng điện i chạy quẩn trong phần tử ấy, tích lũy năng lượng và
phóng ra dưới dạng tia lửa khi vành góp chuyển động.
1.5.2. Các biện pháp cải thiện đổi chiều
Để khắc phục tia lửa, ngoài việc loại trừ nguyên nhân cơ khí ta phải tìm
cách giảm trị số các sức điện động trên và dùng cực từ phụ và dây quấn bù để
tạo nên trong phần tử đổi chiều các sức điện động nhằm bù hay triệt tiêu tổng
ba sức điện động ở trên.
Từ trường của dây quấn bù và cực từ phụ phải ngược chiều với từ
trường phần ứng. Đối với máy công suất nhỏ người ta không dùng cực từ phụ
mà đôi khi chuyển chổi than đến trung tính vật lý.
1.6. Mở máy động cơ điện một chiều

Các yêu cầu đặt ra cho việc mở máy động cơ điện một chiều là:
 Mômen mở máy Mmm phải lớn nhất để có thể hoàn thành quá trình mở
máy trong thời gian ngắn nhất.
TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

13


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

 Dòng điện mở máy Imm phải nhỏ nhất để khỏi cháy dây quấn hay ảnh
hưởng xấu đến đổi chiều.
Cần chú ý rằng để mômen mở máy lớn, lúc mở máy phải có từ thông
lớn nhất vì thế các thông số mạch kích từ phải điều chỉnh sao cho dòng điện
kích từ lúc mở máy lớn nhất. Do đó ta thường chỉnh biến trở điều chỉnh dòng
kích thích ở vị trí nhỏ nhất để sau khi đóng động cơ vào nguồn thì động cơ
được kích thích tối đa và như vậy mômen ứng với mỗi trị số Iư luôn lớn nhất.
Các phương pháp mở máy động cơ điện một chiều bao gồm (Để giảm
dòng điện mở máy đạt Imm = (1,5 - 2) Iđm ).
1.6.1. Mở máy trực tiếp
Ta đóng thẳng động cơ vào lưới điện. Phương pháp này có đặc điểm
sau:
 Ưu điểm: Đơn giản, thao tác dễ dàng, không tốn kém.
 Khuyết điểm: Dòng điện mở máy lớn.
Do khi mở máy tốc độ n = 0, sức phản điện Eư = CEn
điện phần ứng lúc mở máy là: Iư =

= 0 nên dòng

. Vì điện trở Rư rất nhỏ, nên dòng điện


phần ứng lúc mở máy rất lớn khoảng (20 - 30)Iđm làm hỏng cổ góp và chổi
than. Dòng điện phần ứng lớn kéo theo dòng điện mở máy Imm lớn, làm ảnh
hưởng đến lưới điện. Do đó phương pháp mở máy này chỉ áp dụng cho các
động cơ điện một chiều có công suất vài kw.

TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

14


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

1.6.2. Dùng biến trở mở máy
Ta mắc thêm biến trở mở máy Rmở
vào mạch phần ứng (hình 1.6). Dòng điện
mở máy phần ứng lúc có biến trở mở máy
là: Iư mở =
Lúc đầu ta để biến trở Rmở ở vị trí có
giá trị lớn nhất, trong quá trình mở máy tốc
độ tăng lên, sức điện động Eư tăng và điện Hình 1.6. Sơ đồ mở máy bằng
biến trở
trở mở máy giảm dần đến 0, máy làm việc
đúng điện áp định mức.


Ưu điểm: Giảm được dòng điện mở máy.




Khuyết điểm: Tổn hao năng lượng trên điện trở mở máy.

1.6.3. Giảm điện áp đặt vào phần ứng
Trong trường hợp này, điện áp đặt vào động cơ lúc mở máy nhỏ hơn
điện áp định mức nên giới hạn được dòng điện mở máy. Phương pháp này
được sử dụng khi có nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh điện áp ví dụ
trong hệ thống máy phát - động cơ hay nguồn một chiều chỉnh lưu.
Phương pháp này thường sử dụng cho việc khởi động các động cơ một
chiều có công suất lớn. Ngoài việc mở máy nó còn kết hợp để điều chỉnh tốc
độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp.
1.7. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Ta có: Eư = U - RưIư . Thay trị số Eư = CEn , ta có phương trình tốc độ
là :
n=

TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

15


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Vì M = CM  Iư nên ta có: n =

-

. Do đó muốn điều chỉnh

tốc độ ta có thể:
+ Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng: Khi thêm điện trở vào mạch

phần ứng, tốc độ giảm. Vì dòng điện phần ứng lớn, nên tổn hao công suất trên
điện trở điều chỉnh lớn, phương pháp này chỉ sử dụng ở động cơ công suất
nhỏ.
+ Thay đổi điện áp U: Dùng nguồn một chiều điều chỉnh điện áp cung cấp
điện cho động cơ. Phương pháp này rất phổ biến.
+ Thay đổi từ thông: Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng kích từ. Khi
điều chỉnh tốc độ ta kết hợp các phương pháp. Ví dụ phương pháp thay đổi từ
thông, kết hợp với phương pháp thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh rất
rộng, đây là ưu điểm lớn của động cơ một chiều.
Sau đây ta sẽ xét cụ thể từng loại động cơ điện một chiều.
1.7.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ kích
thích độc lập hay song song
Sơ đồ nối dây như hình 1.7 trong
đó đã vẽ chiều dòng điện vào động cơ I,
dòng điện phần ứng Iư và dòng điện kích
từ Ikt. Với những điều kiện U = const và It
= const, khi M hay Iư thay đổi, từ thông
của động cơ hầu như không đổi vì ảnh
hưởng làm giảm của phản ứng phần ứng
ngang trục rất nhỏ, nên biểu thức trên có
thể viết dưới dạng: n = no -

. Trong đó:

TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

Hình 1.7. Sơ đồ nối dây trong
động cơ điện kích từ song song

16



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

no =

là tốc độ của động cơ khi M = 0, gọi là tốc độ không tải lý tưởng.
Còn k =

biểu thị độ cứng của đặc tính cơ, k càng lớn đặc

tính cơ càng cứng.
Đường đặc tính cơ ứng với U = Uđm và

=

đm

trên mạch phần ứng

không có điện trở phụ gọi là đặc tính cơ tự nhiên. Do Rư rất nhỏ nên khi tải
thay đổi từ không đến định mức thì tốc độ giảm rất ít (khoảng 2 - 8% tốc độ
định mức) cho nên đặc tính cơ của động cơ kích thích song song rất cứng. Với
đặc tính cơ như vậy động cơ một chiều kích thích song song được dùng trong
trường hợp tốc độ hầu như không đổi khi
tải thay đổi (quạt, máy cắt gọt kim
loại…).
Để mở máy ta dùng biến trở mở
máy Rmở, để điều chỉnh tốc độ ta dùng Rđc
để thay đổi Ikt do đó thay đổi từ thông  .

Phương pháp này sử dụng rất rộng rãi
song cần chú ý khi giảm từ thông, có thể dòng điện phần ứng tăng quá trị số
cho phép vì thế cần có bộ phận bảo vệ, cắt điện không cho động cơ làm việc
khi từ thông giảm quá nhiều.
Hình 1.8. Đặc tính cơ của động
cơ một chiều kích thích song song

TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

17


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC



Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch
phần ứng
Khi gắn thêm điện trở

vào mạch phần ứng thì tốc độ
của động cơ là biểu thức sau:
n = no –
Ta thấy rằng nếu Rf càng
lớn thì đặc tính cơ có độ cứng
càng thấp và do đó đặc tính
càng mềm, nghĩa là tốc độ sẽ
thay đổi nhiều khi tải thay đổi.
Hình 1.9 trình bày các đặc tính
cơ ứng với các trị số khác nhau

của Rf trong đo đường ứng với

Hình 1.9. Đặc tính cơ của động cơ một chiều
kích thích song song với những điện trở phụ
khác nhau

Rf = 0 gọi là đặc tính cơ tự nhiên. Giao điểm của đặc tính cơ tự nhiên trên với
đường mômen cản của tải Mc = f(n) cho biết trị số tốc độ xác lập khi điều
chỉnh tốc độ bằng các thay đổi các giá trị của Rf.
 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp
Phương pháp này chỉ áp dụng được đối với động cơ một chiều kích
thích độc lập hay động cơ điện kích thích song song làm việc ở chế độ kích
thích độc lập. Ta dùng một nguồn điện áp độc lập để cung cấp điện áp điều
chỉnh cho động cơ, theo sơ đồ nguyên lý của tổ máy phát điện – động cơ như
hình.
Khi thay đổi điện áp U ta có một họ đặc tính cơ có cùng độ dốc, đường
1 ứng với Uđm, đường 2, 3 ứng với U2 < U3 < Uđm và đường 4 ứng với U4 >
Uđm.
TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

18


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Vì thường không cho phép
U > Uđm, cho nên phương pháp

n04


này chỉ cho phép điều chỉnh tốc

n01

độ nhỏ hơn tốc độ định mức, còn

n02

việc điều chỉnh trên tốc độ định

n03

n

4
1 Udm

mức rất ít được áp dụng.

2

Đặc điểm của phương

3

pháp điều chỉnh tốc độ này là khi

M(I)

thay đổi tốc độ thì mômen không

đổi vì cả và Iư đều không đổi. Sở Hình 1.10. Đặc tính cơ của động cơ một
dĩ I không đổi là vì khi giảm tốc chiều kích thích độc lập ở những điện áp
ư

độ n ta cũng làm cho E giảm theo khác nhau
nên: Iư =

= const. Phương pháp này không gây tổn hao thêm trong

động cơ điện nhưng nó đòi hỏi phải có nguồn điện riêng có điện áp điều chỉnh
được.
Hiện nay các tổ máy phát điện – động cơ thường dùng trong các máy
cắt kim loại và máy cán thép lớn để điều chỉnh tốc độ động cơ với hiệu suất
cao, phạm vi điều chỉnh rộng 1:10 hay hơn nữa.
 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Nếu ta thay đổi điện trở Rđc ở mạch kích thích thì ứng với mỗi trị số
khác nhau của điện trở mạch kích thích ta có một giá trị của It, do đó có một
giá trị của  và một đặc tính cơ tương ứng.
Trên hình vẽ các đặc tính cơ ứng với các trị số khác nhau của từ thông.
Các đường đó có n0 > n0đm và có độ dốc khác nhau, chúng gặp nhau trên trục
hoành tại điểm ứng với n = 0 và dòng điện Iư =

. Chú ý rằng bình thường

động cơ làm việc ở chế độ định mức với dòng điện kích từ định mức nên chỉ
TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

19



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

có thể điều chỉnh dòng điện kích từ theo hướng giảm, nghĩa là điều chỉnh tốc
độ trên vùng tốc độ định mức. Ở hình đường thấp nhất ứng với

. Giao

điểm của đường đặc tính mômen cản Mc với các đường đặc tính cơ cho biết
tốc độ xác lập ứng với các trị số khác nhau của từ thông.
Do hạn chế bởi các điều kiện về cơ khí và điều kiện đổi chiều của máy
nên các động cơ thông dụng hiện nay có thể điều chỉnh tốc độ bằng phương
pháp này trong giới hạn 1:2.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông được áp
dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi tốc độ liên tục và kinh tế. Trong quá
trình điều chỉnh hiệu suất không đổi vì phần điều khiển nằm trên mạch kích từ
có công suất nhỏ so với công suất động cơ.

Hình 1.11. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích thích độc lập ở những It
khác nhau

1.7.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp
TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

20


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Sơ đồ nối dây vẽ trên hình 1.12
Đối với động cơ một chiều kích thích nối

tiếp thì dòng điện kích thích chính là dòng điện
phần ứng I = Iư = It. Dòng điện phần ứng Iư và từ
thông

tỉ lệ với nhau, nghĩa là: Iư =

Ci

Trong đó Ci là hệ số tỉ lệ và không đổi
trong vùng I < 0,8Iđm. Khi I > 0,8Iđm thì Ci hơi
giảm xuống do ảnh hưởng của bão hòa mạch từ.
Như vậy biểu thức mômen có thể viết: M
=

=

Vậy ta có: n =

= C2
-

Hình 1.12. Sơ đồ nối dây
của động cơ điện một
chiều kích thích nối tiếp
. Như vậy khi mạch

từ chưa bão hòa, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có
dạng của hypecbôn bậc 2 như hình 1.13.
Ở loại động cơ này, tốc độ n
giảm rất nhanh khi tải tăng đặc

biệt là khi mất tải (I = 0, M = 0)
tốc độ có trị số rất lớn. Cũng chính
vì lý do đó mà không cho phép
động cơ này làm việc ở chế độ mất
tải (chẳng hạn như đứt dây
truyền…). Thông thường cho phép
động cơ loại này làm việc với tải
Hình 1.13. Đường đặc tính cơ của động
cơ kích từ nối tiếp

tối thiểu P = (0,2 - 0,5)Pđm.
Trên thực tế do ảnh hưởng

TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

21


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

của việc bão hòa mạch từ khi tải tăng nên tốc độ động cơ giảm ít hơn (đường
nét đứt).
Động cơ loại này thích hợp ở những nơi cần điều kiện mở máy nặng nề
và cần điều chỉnh tốc độ động cơ trong một phạm vi rộng như ở các đầu máy
kéo tải.


Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Ta thay đổi từ thông của động cơ loại này bằng 3 cách.


+ Rẽ mạch dây quấn kích thích bằng một điện trở.
+ Thay đổi số vòng dây của dây quấn kích thích.
Hai phương pháp điều chỉnh đầu chỉ chỉnh được và tốc độ sẽ thay đổi
trong vùng trên định mức, đường đặc tính cơ sẽ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên.
+ Rẽ mạch dây quấn phần ứng: Lúc này điện trở tổng toàn mạch sẽ giảm
xuống, dòng điện It = I sẽ tăng lên, từ thông tăng và do đó tốc độ quay của
động cơ giảm xuống. Phương pháp này chỉ điều chỉnh tốc độ dưới vùng định
mức và đường đặc tính cơ nằm dưới đường đặc tính cơ tự nhiên. Vì điện trở
cuộn kích thích rất bé nên hầu như toàn bộ điện áp mạng được đặt vào Rsư, do
đó tổn hao rất lớn và hiệu suất của máy giảm đi nhiều. Ngoài ra việc tăng từ
thông còn bị hạn chế bởi sự bão hòa của mạch từ nên phương pháp ít thông
dụng.


Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch
phần ứng
Khi ghép thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng thì chỉ điều chỉnh tốc

độ ở vùng dưới tốc độ định mức và do tổn hao trên điện trở phụ lớn nên làm
giảm hiệu suất của động cơ nên phương pháp này không thông dụng.


Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp
Vì điện áp đặt vào động cơ U < Uđm nên phương pháp này chỉ điều

chỉnh tốc độ động cơ ở vùng dưới tốc độ định mức. Phương pháp này có hiệu
TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

22



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

suất cao vì không gây tổn hao thêm khi điều chỉnh cho nên nó được áp dụng
rộng rãi trong giao thông vận tải và được thực hiện bằng cách đổi nối từ song
song sang nối tiếp 2 động cơ. Khi làm việc song song, các động cơ sẽ làm
việc với U = Uđm còn khi chuyển sang đấu nối tiếp thì điện áp đặt vào động cơ
là U =

.

1.7.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp
Sơ đồ nối dây vẽ trên hình 1.14
Các dây quấn kích từ có thể nối thuận (từ trường 2 dây quấn cùng
chiều) làm tăng từ thông hay nối ngược làm giảm từ thông. Đặc tính cơ của
động cơ kích từ hỗn hợp là khi nối thuận (đường 1) sẽ là trung bình giữa đặc
tính cơ của động cơ kích từ song song (đường 2) và nối tiếp (đường 3) (hình
1.15).
Ở các động cơ làm việc nặng nề, dây quấn
kích từ nối tiếp là dây quấn chính, còn dây quấn
kích từ song song là dây quấn phụ và được nối
thuận. Dây quấn kích từ song song bảo đảm tốc độ
động cơ không tăng quá lớn khi mômen nhỏ.
Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích
từ nối tiếp là kích từ phụ và nối ngược, có đặc Hình 1.14. Sơ đồ nối dây của
tính cơ rất cứng đường 4 hình 1.15, nghĩa là tốc động cơ điện một chiều kích
từ hỗn hợp

độ quay hầu như không đổi khi mômen thay đổi,
thật vậy khi mômen quay tăng dòng điện phần ứng tăng, dây quấn kích từ

song song làm tốc độ giảm đi một ít nhưng vì dây quấn kích từ nối tiếp được
nối ngược làm giảm từ thông trong máy sẽ tăng tốc độ động cơ lên như cũ.
Ngược lại khi nối thuận, sẽ làm cho đặc tính cơ mềm hơn, mômen mở máy
lớn hơn thích hợp với máy ép, máy bơm…

TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

23


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ
một chiều kích thích hỗn hợp thực hiện
giống như ở trường hợp kích thích song
song mặc dù về nguyên tắc có thể áp
dụng các phương pháp như của động cơ
một chiều kích thích nối tiếp.
Động cơ loại này được dùng ở

Hình 1.15. Đặc tính cơ của
động cơ kích tư hỗn hợp

những nơi cần điều kiện mômen mở
máy lớn, gia tốc quay khi mở máy lớn, tốc độ biến đổi theo tải trong vùng
rộng như trong máy ép, máy bào...
1.8. Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều
Đặc tính làm việc của động cơ một chiều bao gồm các quan hệ n, M =
f(Iư) khi U = Uđm = const.
Từ các biểu ta thấy về cơ bản

đặc tính tốc độ n = f(Iư) có dạng
Hình 1.14. Đường đặc tính làm

giống đặc tính cơ n = f(M). Các đặc

việc của động cơ điện một chiều

tính tốc độ các loại động cơ biểu thị
theo đơn vị tương đối được trình bày
ở hình
Đường 1 là ứng với động cơ
kích thích song song
Đường 2, 3 là ứng với động cơ
kích thích hỗn hợp

Đường 4 là ứng với động cơ kích thích nối tiếp.
Đặc tính mômen M = f(Iư) là quan hệ M = CM  Iư. Ở động cơ kích
thích song song

= const nên M phụ thuộc vào Iư theo quan hệ bậc nhất

(đường I). Ở động cơ một chiều kích thích nối tiếp thì
TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT

Iư nên đặc tính
24


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC


mômen có dạng parabôn. Còn ở động cơ kích thích hỗn hợp, khi Iư tăng thì
 cũng tăng nhưng với tốc độ chậm hơn sự tăng của động cơ kích thích nối

tiếp nên đặc tính mômen có tính trung gian giữa đường I, IV đường (II, III).
Đặc tính hiệu suất

f(Iư) khi U = Uđm = const của các loại động cơ

một chiều nói chung có dạng như hình. Hiệu suất cực đại của động cơ một
chiều thường được tính với dòng điện tải I = 0,75Iđm và lúc đó tổn hao không
đổi trong động cơ (tổn hao cơ và sắt) bằng tổn hao biến đổi phụ thuộc vào
điện trở của các dây quấn và tỷ lệ với bình phương của dòng điện Iư. Hiệu
suất của động cơ một chiều khoảng (0,75 - 0,85) đối với động cơ có công suất
nhỏ và (0,75 - 0,94) đối với động cơ có công suất trung bình và lớn.



 max

Iu*

Hình 1.15. Đặc tính hiệu suất của các động cơ điện một chiều
1.9. Động cơ vạn năng
Trong công nghiệp cũng như các thiết bị sinh hoạt, người ta sử dụng
rộng rãi loại động cơ có vành góp dùng được với các dòng điện một chiều và
xoay chiều nên gọi là động cơ vạn năng. Động cơ vạn năng thường có hai cực
từ với dây quấn kích từ nối tiếp, dòng kích từ là dòng phần ứng nên từ thông
và dòng điện phần ứng sẽ biến thiên đồng thời với nhau, bảo đảm chiều
mômen quay động cơ không đổi. Động cơ vạn năng thích hợp với chế độ làm
TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT


25