Thiết kế bộ điều khiển để ổn định tốc độ động cơ điện một chiều

TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG
KHOA KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ
-----------------------

LÊ VĂN TRIỂN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỂ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngành: Đại học Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử

NGƢỜI HƢỚNG DẪN: THS. ĐÀO ANH QUÂN

Phú Thọ, 2017
ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


1
LỜI CẢM ƠN
Trong cuộc sống khơng có sự thành cơng nào mà không gắn liền với
những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của ngƣời
khác. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập tại trƣờng đến nay, em đã
nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cơ, gia đình và bạn bè.
Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô ở Khoa Kỹ thuật Công nghệ và đặc biệt các thầy cô trong bộ môn Điện, điện tử - Trƣờng Đại
học Hùng Vƣơng đã dùng tâm huyết, lịng nhiệt tình cùng với kiến thức có
đƣợc của mình để truyền đạt, chỉ bảo cho em những kiến thức quý báu trong
suốt thời gian học tập tại trƣờng. Và đặc biệt, trong học kỳ này. Nếu khơng có
những sự hƣớng dẫn, chỉ bảo tậm tình của các thầy cơ thì bài báo cáo này của
em rất khó có thể hồn thiện đƣợc.
Bài báo cáo đồ án của em đƣợc thực hiện trong khoảng thời gian khoảng

6 tháng. Bƣớc đầu đi vào thực tế nghiên cứu em nhận thấy vốn kiến thức của
bản thân cịn hạn chế và gặp rất nhiều khó khăn. Nhƣng nhờ có sự giúp đỡ,
chỉ bảo của giảng viên hƣớng dẫn là thầy ThS. Đào Anh Quân nên vấn đề của
em đã đƣợc giải quyết. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc
tới Thầy, xin chúc thầy sức khỏe, công tác tốt và cùng với các thầy cô trong
trƣờng đào tạo ra những sinh viên ƣu tú phục vụ cho đất nƣớc.
Trong quá trình nghiên cứu, cũng nhƣ trong quá trình viết bài báo cáo,
khó tránh khỏi những sai sót, vậy nên em rất mong nhận đƣợc sự quan tâm
cùng với những sự chỉ bảo, những ý kiến đóng góp của các thầy cơ và các bạn
sinh viên để cho đề tài của em hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Phú Thọ, ngày 10 tháng 05 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Lê Văn Triển

ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


2
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, sự phát triển của kỹ thuật điều khiển truyền
động điện cho các dây chuyền sản xuất trong công nghiệp đã đạt đƣợc nhiều
thành tựu to lớn. Cùng với sự phát triển đó các phƣơng pháp điều khiển động
cơ cũng đƣợc nghiên cứu phát triển ngày càng tối ƣu. Bên cạnh đó việc đi sâu
tìm hiểu các giải pháp điều khiển cho động cơ một chiều luôn đƣợc nhiều tác
giả quan tâm nghiên cứu. Đã có nhiều tài liệu nghiên cứu về điều khiển động
cơ một chiều. Trong đó nhiều phƣơng pháp nghiên cứu đã đƣợc ứng dụng
trên thực tế và chế tạo thành các sản phẩm thƣơng mại và đƣợc nghiên cứu

rộng rãi trong công nghiệp. Tuy nhiên các phƣơng pháp điều khiển đƣợc ứng
dụng vẫn là các phƣơng pháp truyền thống, dựa trên các phƣơng pháp điều
khiển sử dụng các phần tử bán dẫn thông dụng điều khiển góc mở cho các van
bán dẫn. Trong những năm gần đây có một số cơng trình nghiên cứu sử dụng
vi điều khiển đây là một trong những ứng dụng điều khiển hiện đại. Đã giúp
tối thiểu hóa mạch điều khiển hệ truyền động nâng cao tính linh hoạt trong
điều khiển tự động truyền động điện. Việc điều khiển số động cơ một chiều
rất quan trọng và cần thiết. Vì vậy việc nghiên cứu một bộ điều khiển PID để
điều khiển, ổn định tốc độ động cơ điện một chiều là phù hợp và rất cần thiết.
Trong các dây truyền sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp cơng
nghiệp ln có các máy sản xuất cơng nghiệp địi hỏi phải điều chỉnh trơn tốc
độ theo các yêu cầu công nghệ. Từ đó, điều chỉnh tốc độ động cơ cho phù hợp
với yêu cầu công nghệ đã đặt ra. Để có nhiều cấp tốc độ khác nhau ta có thể
thay đổi cơ cấu truyền động bằng cơ khí của máy nhƣ tỷ số truyền hoặc thay
đổi tốc độ động cơ truyền động. Tuy nhiên, phƣơng pháp này có nhƣợc điểm
là không điều chỉnh trơn đƣợc tốc độ động cơ. Điều chỉnh tốc độ truyền động
điện là thay đổi tốc độ động cơ để phù hợp với yêu cầu sản xuất. Muốn điều
chỉnh đƣợc tốc độ động cơ ta phải dựa vào nhiều yếu tố nguồn điện, tải, trong

ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


3
mỗi một yếu tố này thay đổi thì tốc độ động cơ đều thay đổi ứng với mỗi yếu
tố ta có một phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ tƣơng ứng.
Trong thực tế điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều hiện nay có
ba phƣơng pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ là:
+ Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ (Uƣ).
+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông (  ).
+ Điều chỉnh giá trị của điện trở phụ trên mạch phần ứng (Rf).

Cấu trúc phần động lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ
điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho
mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ trong các nhà máy sản
xuất hiện nay có bốn bộ biến đổi:
+ Bộ biến đổi máy điện gồm: Động cơ sơ cấp kéo máy phát
một chiều hoặc máy điện khuếch đại (KĐM).
+ Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ (KĐT).
+ Bộ biến đổi chỉnh lƣu bán dẫn: Chỉnh lƣu thysistor.
+ Bộ biến đổi xung áp một chiều: Thysistor hoặc transistor.
Trong mọi ngành sản xuất hiện nay, các công nghệ tiên tiến, các dây
truyền thiết bị hiên đại đã và đang thâm nhập vào nƣớc ta. Vớí chính sách mở
cửa của Đảng và Nhà nƣớc, chắc chắn nền kỹ thuật tiên tiến trên thế giới sẽ
ngày càng thâm nhập vào Việt Nam. Tác dụng của các công nghệ mới và
những dây truyền, thiết bị hiện đại đã và đang góp phần tích cực thúc đẩy sự
phát triển nghiệp cơng nghiệp hố, hiện đại hố ở nƣớc ta. Các máy điện hiện
đại trong mọi lĩnh vực đa phần hoạt động nhờ vào điện năng thông qua các
thiết bị chuyển đổi điện năng thành cơ năng, nhiệt năng... Trong các dây
truyền hiện đại, các thiết bị máy móc khác muốn hoạt động, vận hành không
thể không kể đến các động cơ điện, trong đó có động cơ điện một chiều.

ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


4
Trong rất nhiều máy móc cần đến các loại động cơ điện một chiều với
những mức công suất to nhỏ khác nhau phù hợp với chức năng hoạt động
của nó.
Động cơ điện một chiều dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay
cơ năng thành điện năng (khi hãm).
Nói tóm lại động cơ điện một chiều đƣợc sử dụng rộng rãi và phổ biến

trong các dây truyền thiết bị, các cơ cấu vận hành nhƣ thang máy, máy nâng...
Nó có vai trị quan trọng và cần thiết trong q trình cơng nghiệp hố và hiện
đại hố của đất nƣớc ta hiện nay. Với cấu tạo không quá phức tạp và khó khăn
cho chúng ta chế tạo và sửa chữa nó. Góp phần cải thiện cuộc sống, sức lao
động của con ngƣời nói chung và nhân dân Việt Nam ta nói riêng.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Hiện nay động cơ điện một chiều đóng một vai trị quan trọng trong
ngành công nghiệp cũng nhƣ trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ điện một
chiều đƣợc ứng dụng rất phổ biến trong các ngành cơng nghiệp cơ khí, ở các
nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và các cánh tay Robot. Để
thực hiện các nhiệm vụ trong cơng nghiệp điện tử với độ chính xác cao, lắp
ráp trong các dây chuyền sản xuất, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ. Đối với
các phƣơng pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên
các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, vi phân) đƣợc dùng phổ biến trong
các hệ điều khiển công nghiệp. Chất lƣợng của hệ thống phụ thuộc vào các
tham số KP, TI, TD của bộ điều khiển PID. Nhƣng vì các hệ số của bộ điều
khiển PID chỉ đƣợc tính tốn cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do
vậy trong quá trình vận hành luôn phải hiệu chỉnh các hệ số này cho phù hợp
với thực tế. Để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển thì ta phải biết chính
xác các thông số và kiểu của đối tƣợng cần điều khiển. Hơn nữa, bộ điều
khiển này chỉ chính xác trong giai đoạn tuyến tính cịn trong giai đoạn phi
tuyến thì các phƣơng pháp điều khiển kinh điển không thực hiện đƣợc. Mục
tiêu của điều khiển là nâng cao chất lƣợng các hệ thống điều khiển tự động.

ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


5
Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tƣợng điều khiển khác nhau, với các
yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau. Do đó cần phải tiến hành nghiên cứu,

tìm ra các phƣơng pháp điều khiển cụ thể cho từng đối tƣợng. Mục đích cuối
cùng là tìm kiếm các bộ điều khiển cho các hệ truyền động điện ngày càng đạt
đƣợc chất lƣợng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp, và hiệu quả đạt đƣợc là cao
nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hoá truyền động điện và trong các dây
chuyền sản xuất.
Những năm gần đây, khoa học kỹ thuật phát triển rất mạnh mẽ, nhất là
ngành kỹ thuật điều khiển, công nghệ vi xử lý vừa tạo điều kiện thuận lợi, vừa
đặt ra vấn đề đòi hỏi là phải nghiên cứu hoàn thiện các hệ điều khiển, đáp ứng
yêu cầu ngày càng cao của thực tế cuộc sống và phù hợp với xu thế phát triển
khoa học công nghệ. Việc nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển tốc độ cho
động cơ điện một chiều dựa trên các lý thuyết điều khiển hiện đại là một vấn
đề rất cần thiết, trong việc gắn liền giữa nhiệm vụ nghiên cứu và thực tiễn
cuộc sống. Để phục vụ cho công tác nghiên cứu, một phƣơng pháp đƣợc
nhiều nhà khoa học trong và ngồi nƣớc sử dụng rất nhiều đó là phƣơng pháp
điều khiển PID số. Trong đề tài này, tôi sử dụng phƣơng pháp điều khiển PID
số và phần mềm Matlab Simulink, xây dựng mơ hình hố và mơ phỏng hệ
thống điều khiển, đây là công cụ khá đắc lực trợ giúp trong việc nghiên, có
khả năng ứng dụng vào việc nghiên cứu mô phỏng hệ truyền động động cơ
một chiều. Động cơ điện một chiều thƣờng dùng trong các hệ thống truyền
động điện đòi hỏi chất lƣợng cao. Chính vì vậy mà hệ thống điều khiển cho
các hệ truyền động này cũng phải đáp ứng nhiều chỉ tiêu rất chặt chẽ. Đối với
động cơ điện một chiều, các thông số thƣờng bị thay đổi làm ảnh hƣởng chất
lƣợng điều chỉnh cụ thể là: Khi mạch từ của máy điện bị bão hòa làm điện
cảm mạch phần ứng Lƣ của động cơ suy giảm. Điện trở mạch phần ứng Rƣ
của máy điện thay đổi theo nhiệt độ làm việc, do đó hằng số thời gian mạch
phần ứng Tƣ = Lƣ/Rƣ cũng sẽ thay đổi trong quá trình làm việc. Với mạch
kích từ, từ thơng Φ có thể bị thay đổi dẫn đến hằng số thời gian cơ học Tc
cũng thay đổi. Khi xét đến tải của các hệ truyền động thì mơ men qn tính
ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG

6
của tải thƣờng bị thay đổi, làm cho mômen quán tính của hệ quy đổi về trục
của động cơ thay đổi. Nếu bằng các phƣơng pháp điều khiển kinh điển thì
chúng ta gặp rất nhiều khó khăn trong việc tính toán, thiết kế bộ điều khiển
đạt đƣợc chất lƣợng cao. Do vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phƣơng pháp
điều khiển PID số để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều đang là hƣớng
nghiên cứu đƣợc rất nhiều ngƣời quan tâm và là hƣớng nghiên cứu có nhiều
triển vọng, cũng nhƣ có nhiều giá trị ứng dụng trong thực tiễn.
3. Mục tiêu nghiên cứu
Thiết kế chế tạo thành công bộ điều khiển để ổn định tốc độ động cơ
điện một chiều.

ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


7
PHẦN NÔI DUNG
CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1.1. Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều
a. Cấu tạo động cơ điện một chiều
 Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và
phần động.

1. Cổ góp
2. Chổi than
3. Rãnh

4. Cực từ
5. Cuộn dây
6. Stator
7. Rotor
Hình 1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều



Phần tĩnh hay stato hay cịn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh

ra từ trƣờng nó gồm có:
+ Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngồi mạch từ (nếu động cơ đƣợc
kích từ bằng nam châm điện), mạch từ đƣợc làm bằng sắt từ (thép đúc, thép
đặc). Dây quấn kích thích hay cịn gọi là dây quấn kích từ đƣợc làm bằng dây
điện từ, các cuộn dây điện từ này đƣợc mắc nối tiếp với nhau.
+ Cực từ chính:
Là bộ phận sinh ra từ trƣờng gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ
lồng ngồi lõi sắt cực từ.
ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


8

Bu lơng
Vỏ máy

Lõi sắt cực từ

Dây quấn kích từ

Hình 1.2. Cực từ chính

Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày
0,5mm đến 1mm, chúng đƣợc ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể
dùng thép khối. Cực từ đƣợc gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulơng. Dây quấn
kích từ đƣợc quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều đƣợc bọc
cách điện kỹ thành một khối, phủ sơn cách điện trƣớc khi đặt trên các cực từ.
Các cuộn dây kích từ đƣợc đặt trên các cực từ này đƣợc nối tiếp với nhau.
+ Cực từ phụ: Cực từ phụ đƣợc đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của
cực từ phụ thƣờng làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn
mà cấu tạo giống nhƣ dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ đƣợc gắn vào vỏ
máy nhờ những bulông.
+ Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm
vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thƣờng dùng thép dày uốn và hàn lại,
trong máy điện lớn thƣờng dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ
dùng gang làm vỏ máy.
+ Các bộ phận khác:
Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hƣ hỏng dây
ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


9
quấn và an toàn cho ngƣời khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa
nắp máy cịn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trƣờng hợp này nắp máy
thƣờng làm bằng gang.
Cơ cấu chổi than: Để đƣa dịng điện từ phần quay ra ngồi. Cơ cấu chổi
than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lị xo tì chặt lên cổ
góp. Hộp chổi than đƣợc cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá
chổi than có thể quay đƣợc để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau
khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.



Phần quay hay rotor: Bao gồm những bộ phận chính sau.
+ Phần sinh ra sức điện động gồm có:
Mạch từ đƣợc làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kỹ thuật) 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 với nhau theo một quy luật
nhất định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây đƣợc nối
với các phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó đƣợc ghép cách điện
với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp.
Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và đƣợc ghép sát
vào thành cổ góp nhờ lị xo.
+ Lõi sắt phần ứng:
Rãnh

Lỗ đục thơng gió

Hình 1.3. Lõi sắt phần ứng

ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


10
Dùng để dẫn từ, thƣờng dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm
phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện
xốy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây
quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên ngƣời ta cịn dập những lỗ
thơng gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo đƣợc những lỗ thơng gió dọc
trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thƣờng chia thành những

đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thơng gió. Khi
máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng đƣợc ép trực tiếp
vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rotor. Dùng
giá rotor có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lƣợng rotor.
+ Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện
động và có dịng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thƣờng làm bằng dây đồng
có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có cơng suất dƣới vài KW thƣờng dùng
dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thƣờng dùng dây tiết diện chữ
nhật, dây quấn đƣợc cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để
đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit.
+ Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có đƣợc mạ cách điện với nhau
bằng lớp mica dày từ 0,4mm đến 1,2mm và hợp thành một hình trục trịn. Hai
đầu trục trịn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ
trịn cũng cách điện bằng mica. Đi vành góp có cao lên một ít để hàn các
đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp đƣợc dễ dàng.
b. Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều
 Phân loại động cơ điện một chiều: Khi xem xét động cơ điện một chiều
cũng nhƣ máy phát điện một chiều ngƣời ta phân loại theo cách kích thích từ
các động cơ. Theo đó ta có 4 loại động cơ điện một chiều thƣờng sử dụng:
+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ
đƣợc cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ.
ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


11
+ Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ đƣợc
mắc song song với phần ứng.
+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ đƣợc mắc

nối tiếp với phần ứng.
+ Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích
từ, một cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với
phần ứng.
 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của động cơ điện một chiều:
Do tính ƣu việt của hệ thống điện xoay chiều: Để sản xuất, để truyền
tải..., cả máy phát và động cơ điện 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 đƣợc sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều
vẫn giữ một vị trí nhất định trong cơng nghiệp giao thơng vận tải, và nói
chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng
(nhƣ 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 tạp hơn. Nhƣng do những ƣu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn
không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
+ Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện
hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ƣu điểm
lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải.
Nếu nhƣ bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng đƣợc hoặc nếu
đáp ứng đƣợc thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (nhƣ bộ biến tần....)
rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều khơng 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 lƣợng cao.
+ Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ
góp - chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an tồn trong các mơi
ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


12

trƣờng rung chấn, dễ cháy nổ.
1.1.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
a. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện. Các
thanh dẫn có dịng điện nằm trong từ trƣờng sẽ chịu lực tác dụng làm rotor
quay, chiều của lực đƣợc xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
Khi phần ứng quay đƣợc nửa vịng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho
nhau. Do có phiếu góp chiều dịng điện dữ ngun làm cho chiều lực từ tác
dụng không thay đổi. Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trƣờng sẽ cảm ứng với
suất điện động Eƣ chiều của suất điện động đƣợc xác định theo quy tắc bàn
tay phải, ở động cơ chiều sức điện động Eƣ ngƣợc chiều dòng điện Iƣ nên Eƣ
đƣợc gọi là sức phản điện động. Khi đó ta có phƣơng trình: U = Eƣ +Rƣ.Iƣ.
b. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khi nguồn một chiều có cơng suất khơng đủ lớn thì mạch điện phần ứng
và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau. Lúc này động cơ đƣợc
gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Hình 1.4. Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Ta có phƣơng trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng nhƣ sau:
Uƣ = Eƣ + (Rƣ + Rf)Iƣ

(1.1)

ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


13
Trong đó:
Uƣ: Điện áp phần ứng (V)

Eƣ: Sức điện động phần ứng (V)
Rƣ: Điện trở mạch phần ứng (Ω)
Iƣ: Dòng điện của mạch phần ứng (A)
Với:

Rƣ = rƣ + rcf + rb + rct

rƣ: Điện trở cuộn dây phần ứng
rcf: Điện trở cuộn dây cực từ phụ
rct: Điện trở tiếp xúc cuộn bù
Sức điện động Eƣ của phần ứng động cơ đƣợc xác định theo biểu thức:
E

P.N
.  K 
2 a

(1.2)

Trong đó:
P: Số đơi 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 thơng kích từ dƣới một cực từ

 : Tốc độ góc (rad/s)
K

P.N
: Hệ số cấu tạo của động cơ

2 a

Từ (1.1) và (1.2) ta có:



R  Rf
U
 u
.I
K
K

(1.3)

Biểu thức trên là phƣơng trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác, mô men điện từ Mđt của động cơ đƣợc xác định bởi:
Mđt = K  Iƣ

(1.4)

ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


14
Với I =

M đt
: Thay giá trị I vào (1.3), ta có:
K .



R  Rf
U
 u
.M đt
K . ( K .) 2

(1.5)

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mơmen cơ trên trục động cơ
bằng mơ men điện từ, ta ký hiệu là M. Nghĩa là: Mđt = Mcơ = M.



R  Rf
U
 u
.M
K . ( K .)2

(1.6)

Đây là phƣơng tình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập.
Giả thiết phần ứng đƣợc bù đủ, từ thơng = const, thì các phƣơng trình
đặc tính cơ điện (1.3) và phƣơng trình đặc tính cơ (1.6) là tuyến tính. Đồ thị
của chúng đƣợc biểu diễn trên hình 1.2 là những đƣờng thẳng.
Theo các đồ thị, khi Iƣ = 0 hoặc M = 0 ta có:  

U
 0
K .

0 đƣợc gọi là tốc độ không tải lý tƣởng của động cơ điện một chiều kích
từ độc lập.

Hình 1.5. Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Khi   0 ta có:

ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


15

U
 I nm
Ru  R f

(1.7)

M  K ..I nm  M nm

(1.8)

I

Inm và Mnm đƣợc gọi là dòng điện ngắn mạch và mơ men ngắn mạch.

Ngồi ra phƣơng trình đặc tính (1.3) và (1.6) cũng có thể đƣợc viết
dƣới dạng:



U
R

.I  0  
K . K .

(1.9)



U
R

.M  0  
K . ( K .) 2

(1.10)

Trong đó:
R = Rƣ + Rf

 0

U
K .

 

R
R
.I 
.M
K .
( K .) 2

 đƣợc gọi là độ sút tốc độ ứng với giá trị của M. Từ phƣơng trình đặc

tính cơ ta thấy có 3 tham số ảnh hƣởng đến đặc tính cơ: từ thông động cơ  ,
điện áp phần ứng Uƣ, điện trở phần ứng động cơ.
1.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU
 Phƣơng pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng động cơ (Uƣ).
 Phƣơng pháp thay đổi từ thông (  ).
 Phƣơng pháp thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng (Rf).
1.2.1. Phƣơng pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng động cơ
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn
nhƣ máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lƣu điều khiển …
Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lƣợng điện xoay chiều thành

ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


16
một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Vì
nguồn có cơng suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện

trở trong Rb và điện cảm Lb khác không. Để đƣa tốc động cơ với hiệu suất cao
trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa.

Hình 1.6. Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng

Ở chế độ xác lập có thể viết đƣợc phƣơng trình đặc tính của hệ thống
nhƣ sau:
Eb – Eƣ = Iƣ.(Rb + Rƣđ)



Eb
R  Rud
 b
.I u
K . dm
K . dm

  0 .U dk 

M

(1.11)
(1.12)

(1.13)



Vì từ thơng của động cơ đƣợc giữ khơng đổi nên độ cứng đặc tính cơ

cũng khơng đổi, cịn tốc độ khơng tải lý tƣởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp
điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phƣơng pháp điều chỉnh này là
triệt để.
Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ
thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định
mức và từ thông cũng đƣợc giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải
điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mơmen khởi động.
Khi mơmen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

max  0 max 

M dm



(1.14)
ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


17

min  0 min 

M dm

(1.15)



Để thoả mãn khả năng q tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh

phải có mơmen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm
Trong đó KM là hệ số q tải về mơmen. Vì họ đặc tính cơ là các đƣờng
thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ có thể viết:

min  M nm min  M dm .
0 max 
D

(K M  1).M dm





M dm



.K M  1

(1.16)

0 max . 

M dm



1



M dm
KM  1

(1.17)

Hình 1.7. Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp

Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị 0 max , Mđm, KM là xác định, vì
vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc, tuyến tính vào giá trị của độ cứng  . Khi
điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì
điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ.
ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


18
Do đó có thể tính sơ bộ đƣợc:

0 max . 

1
 10
M dm

(1.18)

Vì thế tải có đặc tính mơmen khơng đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc
độ cũng khơng vƣợt q 10. Đối với các máy có u cầu cao về dải điều chỉnh
và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống hở nhƣ

trên là không thoả mãn đƣợc.
Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi đặc tính cơ tĩnh của hệ truyền
động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng
thì độ cứng có đặc tính cơ trong tồn dải là nhƣ nhau, do đó độ sụt tốc tƣơng
đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh. Hay nói
cách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ
không vƣợt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai
số ln nhỏ hơn sai số cho phép trong tồn bộ dải điều chỉnh. Sai số tƣơng đối
của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là:
S
S

0 min  min 

0 min
0 min
M dm

 0 min

 Scp

(1.19)

(1.20)

Vì các giá trị Mđm,  0min, Scp là xác định nên có thể tính đƣợc giá trị tối
thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vƣợt quá giá trị cho phép.
Để làm việc này, trong đa số các trƣờng hợp cần xây dựng các hệ truyền động
điện kiểu vịng kín.

1.2.2. Phƣơng pháp thay đổi từ thông


Nguyên lý điều khiển:
Giả thiết U= Uđm, Rƣ = const. Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay

đổi dịng điện kích từ, thay đổi dịng điện trong mạch kích từ bằng cách nối
nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ.

ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


19
Bình thƣờng khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối
đa (    dm ) mà phƣơng pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích
từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hƣớng giảm từ thông tức là điều chỉnh tốc độ
trong vùng trên tốc độ định mức. Nên khi giảm thì tốc độ khơng tải lý tƣởng
U
( K )
0  dm tăng, cịn độ cứng đặc tính cơ  
giảm, ta thu đƣợc họ đặc
K
Ru
2

tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên.

Hình 1.8. Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông

Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thơng thì dịng điện tăng và

tăng vƣợt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ
cho dịng điện khơng vƣợt q giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ
thông thì ta phải giảm Mt theo cùng tỉ lệ.


Đặc điểm của phƣơng pháp:
+ Phƣơng pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng.

+ Phƣơng pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định
mức, việc thay đổi từ thơng khơng làm thay đổi dịng điện ngắn mạch.
+ Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phƣơng pháp
điều khiển với công suất không đổi.
+ Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển: Sai số tốc độ lớn, đặc tính điều khiển
nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên. Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ
ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


20
của máy. Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 : 1. Vì cơng suất
của cuộn dây kích từ bé, dịng điện kích từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên
tục với   1 .
+ Phƣơng pháp này đƣợc áp dụng tƣơng đối phổ biến, có thể thay đổi
liên tục và kinh tế (vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với
dịng kích từ (1÷10)% Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp).
Đây là phƣơng pháp gần nhƣ là duy nhất đối với động cơ điện một chiều
khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển.
1.2.3. Phƣơng pháp thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng
Đây là phƣơng pháp thƣờng dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện
một chiều.


Nguyên lý điều khiển:
Trong phƣơng pháp này ngƣời ta giữ U = Uđm,    dm và nối thêm

điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng.
Độ cứng của đƣờng đặc tính cơ:



M ( K ) 2

 Ru  R f

(1.21)

- Ta thấy khi điện trở càng lớn thì càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và
do đó càng mềm hơn.

Hình 1.9. Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ

ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


21
Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính
cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đƣờng đặc tính cơ có điện trở phụ.
Nhƣ vậy, khi ta thay đổi Rf ta đƣợc một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự
nhiên.


Đặc điểm của phƣơng pháp:
+ Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc

tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
+ Phƣơng pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dƣới tốc
độ định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).
+ Chỉ áp dụng cho động cơ điện có cơng suất nhỏ, vì tổn hao năng lƣợng
trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thƣờng dùng
ở động cơ điện trong cần trục.
+ Đánh giá các chỉ tiêu: Phƣơng pháp này không thể điều khiển liên tục
đƣợc mà phải điều khiển nhảy cấp. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số
mơmen tải, tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D =  max/  min càng nhỏ.
Phƣơng pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3 : 1
+ Giá thành đầu tƣ ban đầu rẻ nhƣng không kinh tế do tổn hao trên điện
trở phụ lớn, chất lƣợng không cao dù điều khiển rất đơn giản.
Nhận xét: Cả 3 phƣơng pháp trên đều điều chỉnh đƣợc tốc độ động cơ
điện một chiều nhƣng chỉ có phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều bằng cách thay đổi điện áp Uƣ đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất
và hay đƣợc sử dụng nhất vì nó thu đƣợc đặc tính cơ có độ cứng khơng đổi,
điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị tổn hao.

ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


22
1.3. HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU
 Hệ truyền động máy phát – động cơ điện một chiều (F – Đ)
 Hệ truyền động xung áp – động cơ điện một chiều (XA – ĐC)
 Hệ truyền động chỉnh lƣu – động cơ điện một chiều (CL – ĐC)
1.3.1. Hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều (F – Đ)

Cấu trúc hệ F – Đ: Hệ thống máy phát - động cơ (F – Đ) là hệ truyền
động điện mà bộ biến đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập.
Máy phát này thƣờng do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha kéo quay.
Tính chất của máy phát điện đƣợc xác định bởi hai đặc tính:
+ Đặc tính từ hố: Là sự phụ thuộc giữa sức điện động máy phát
vào dòng điện kích từ.
+ Đặc tính tải: Là sự phụ thuộc của điện áp trên hai cực của máy
phát vào dòng điện tải.
Các đặc tính này nói chung là phi tuyến do tính chất của lõi sắt, do các
phản ứng của dịng điện phần ứng,… trong tính tốn gần đúng có thể tuyến
tính hố các đặc tính này:
EF  K F .F .F  K F .F .C.iKF

(1.22)

Trong đó:
KF: Là hệ số kết cấu của máy phát.
C

F
: Là hệ số góc của đặc tính từ hố.
iKF

Nếu dây quấn kích thích của máy phát đƣợc cấp bởi nguồn áp lý tƣởng
UKF thì:

I KF 

U KF
RKF

(1.23)

Sức điện động của máy phát trong trƣờng hợp này sẽ tỷ lệ với điện áp
kích thích bởi hằng số KF nhƣ vậy có thể coi gần đúng máy phát điện một
chiều kích từ độc lập là một bộ khuếch đại tuyến tính:
EF = KF.UKF

(1.24)
ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


23

Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động máy phát động cơ

Nếu đặt R = RƣF + RƣĐ thì có thể viết đƣợc phƣơng trình các đặc tính của
hệ F – Đ nhƣ sau:



KF
RI
.U KF 
K
K

(1.25)



KF
R
.U KF 
.M
2
K
 K

(1.26)

  0 .U KF .U KD 

M
U KD

(1.27)

Các biểu thức trên chứng tỏ rằng, khi điều chỉnh dịng điện kích thích
của máy phát thì điều chỉnh đƣợc tốc độ khơng tải của hệ thống cịn độ cứng
đặc tính cơ thì giữ ngun. Cũng có thể điều chỉnh kích từ của động cơ để có
dải điều chỉnh tốc độ rộng hơn.
Các chế độ làm việc của hệ F – Đ:

ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG


24

Hình 1.11. Các trạng thái làm việc của hệ F – Đ

Trong hệ F – Đ khơng có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc
tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc. Với sơ đồ cơ
bản nhƣ hình 1.10 động cơ chấp hành Đ có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh
đƣợc cả hai phía: Kích thích máy phát F và kích thích động cơ Đ, đảo chiều
quay bằng cách đảo chiều dịng kích thích máy phát, hãm động năng khi dịng
kích thích máy phát bằng khơng, hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc khi đảo
chiều dịng kích từ, hãm ngƣợc ở cuối giai đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều
hoặc khi làm việc ổn định với mômen tải có tính chất thế năng … hệ F – Đ có
đặc tính cơ ở cả bốn góc phần tƣ của mặt phẳng tọa độ [  ;M].
+ Ở góc phần tƣ thứ I và thứ III tốc độ quay và mômen quay của động cơ
luôn cùng chiều nhau, sức điện động máy phát và động cơ có chiều đối nhau
và EF  E , c   . Công suất điện từ của máy phát và động cơ là:
PF = EF.I > 0
PĐ = E.I < 0
Pcơ = M.  > 0
Các biểu thức này nói lên rằng năng lƣợng đƣợc vận chuyển thuận chiều
từ nguồn  máy phát  động cơ  tải.

ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG