Thiết kế bộ biến đổi DC DC cho các ứng dụng

Lời cam đoan
Em xin cam đoan luận văn này là do em nghiên cứu, thiết kế dưới sự hướng dẫn
của PGS.TSKH. Trần Hoài Linh. Các số liệu và kết quả trong đề tài là hoàn thành
trung thực.
Để hoàn thành bản đồ án này, em chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã được ghi
trong bảng các tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu nào khác mà không được liệt
kê ở phần tài liệu tham khảo.
Học Viên
Đặng Văn Tuệ
2

MỤC LỤC
Lời cam đoan 2
Học Viên 2
Danh mục các hình vẽ đồ thị 6
Mở đầu 8
Vi c xây d ng các thi t b o có kh n ng phân tích v phát hi n các s ệ ự ế ị đ ả ă à ệ ự
c bên trong c a ng c nhanh, chính xác l r t c n thi t. Nó cho phép ố ủ độ ơ à ấ ầ ế
h tr cho quá trình v n h nh an to n v gi m thi u chi phí s a ch a. ỗ ợ ậ à à à ả ể ử ữ
Gi i quy t b i toán n y trong th c t ã có nhi u công trình nghiên c u sả ế à à ự ế đ ề ứ ử
d ng k thu t nh n d ng s c th nh công. Các mô hình nh n d ng ụ ỹ ậ ậ ạ ự ố à ậ ạ
th ng dùng nh : Mô hình cây quy t nh / b ng quy t nh, mô hình ườ ư ế đị ả ế đị
Bayes, mô hình KNN, mô hình m ng n -rôn MLP, mô hình m ng n rôn ạ ơ ạ ơ
lôgic m RBF Trong ó gi i pháp áp d ng mô hình m ng n rôn lôgíc mờ đ ả ụ ạ ơ ờ
có nhi u u i m v t tr i so v i các gi i pháp khác, nh kh n ng mô ề ư đ ể ượ ộ ớ ả ờ ả ă
hình hoá các h m phi tuy n v i chính xác tu ý, kh n ng d d ng à ế ớ độ ỳ ả ă ễ ạ
thay i u ra thông qua i u ch nh tr ng s khi i u ki n ho t ng đổ đầ đ ề ỉ ọ ố đ ề ệ ạ độ
thay i,…đổ 8
Chương I: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 11
1.1.C u t oấ ạ 11

1.1.1. Ph n t nh hay Statorầ ĩ 11
1.1.2. Ph n quay hay rôtoầ 13
1.2. Nguyên lý l m vi c c a ng c i n m t chi u kích t c l p [2]à ệ ủ độ ơ đ ệ ộ ề ừ độ ậ
14
1.3. ng d ng Ứ ụ 15
1.4. Phân lo i ng c i n m t chi u [2]ạ độ ơ đ ệ ộ ề 15
1.5. Các s c th ng x y ra ng c i n m t chi uự ố ườ ả ở độ ơ đ ệ ộ ề 16
1.5.1. Ch m t t các vòng dây ph n ngạ ắ ầ ứ 16
1.5.2. H m ch ph n ngở ạ ầ ứ 17
1.5.3. M t kích tấ ừ 17
Chương II: MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Ở MỘT SỐ CHẾ ĐỘ
LÀM VIỆC 19
2.1. Khái ni m c b n v mô hình hoá h th ng ệ ơ ả ề ệ ố 19
2.1.1. Phân lo i mô hình h th ng ạ ệ ố 19
Tính ng nh t: Mô hình ph i ng nh t v i i t ng m nó ph n ánh đồ ấ ả đồ ấ ớ đố ượ à ả
theo nh ng tiêu chu n nh tr c.ữ ẩ đị ướ 21
Tính th c d ng: Có kh n ng s d ng mô hình nghiên c u i t ng. ự ụ ả ă ử ụ để ứ đố ượ
Rõ r ng, t ng tính ng nh t trong mô hình ph i a v o nhi u y u à để ă đồ ấ ả đư à ề ế
3

t ph n ánh y các m t c a i t ng. Nh ng nh v y nhi u khi mô ố ả đầ đủ ặ ủ đố ượ ư ư ậ ề
hình tr nên quá ph c t p v c ng k nh n n i không th dùng tính ở ứ ạ à ồ ề đế ỗ ể để
toán c ngh a l m t i tính ch t th c d ng c a mô hình. N u quá chú đượ ĩ à ấ đ ấ ự ụ ủ ế
tr ng tính th c d ng, xây d ng mô hình quá n gi n thì sai l ch gi a môọ ự ụ ự đơ ả ệ ữ
hình v i t ng th c s l n, i u ó s d n n k t qu nghiên c u à đố ượ ự ẽ ớ đ ề đ ẽ ẫ đế ế ả ứ
không chính xác. Vì v y, tu thu c v o m c ích nghiên c u m ng i taậ ỳ ộ à ụ đ ứ à ườ
l a ch n tính ng nh t v tính th c d ng c a mô hình m t cách thích ự ọ đồ ấ à ự ụ ủ ộ
h p.ợ 21
2.1.2. M t s nguyên t c khi xây d ng mô hìnhộ ố ắ ự 22
Nguyên t c xây d ng s kh iắ ự ơ đồ ố 22

Nguyên t c thích h p ắ ợ 22
Nguyên t c v chính xácắ ề độ 22
Nguyên t c t h pắ ổ ợ 22
2.2. Mô hình hoá ng c i n m t chi u [3]độ ơ đ ệ ộ ề 23
2.2.1. Các ph ng trình c b nươ ơ ả 23
Ph ng trình cân b ng i n áp ph n ng:ươ ằ đ ệ ầ ứ 23
S c t ng c m ng:ứ ừ độ ả ứ 23
Ph ng trình chuy n ng: ươ ể độ 23
Mô men quay: 23
H ng s ng c : ằ ố độ ơ 23
H ng s th i gian ph n ng: ằ ố ờ ầ ứ 23
Ph ng trình m ch kích t :ươ ạ ừ 24
2.2.2. Xây d ng mô hình ng c i n m t chi u kích t c l p cácự độ ơ đ ệ ộ ề ừ độ ậ ở
ch l m vi cế độ à ệ 25
Mô t chungả 25
i n áp ph n ng uAĐ ệ ầ ứ 27
i n áp m ch kích t uKĐ ệ ạ ừ 27
Mômen c n mT.ả 27
T c góc ng c ố độ độ ơ ω 27
Mô hình c a ng c i n m t chi u khi t thông kích t không i.ủ độ ơ đ ệ ộ ề ừ ừ đổ 27
Chương III: ỨNG DỤNG LOGIC MỜ NHẬN DẠNG SỰ CỐ TRONG ĐỘNG CƠ
ĐIỆN MỘT CHIỀU 30
3.1. Gi i thi u v Logic m ớ ệ ề ờ 30
3.1.1. Khái ni m lô-gic mệ ờ 30
3.1.2. Bi u th c giá tr m ể ứ ị ờ 31
x nh h n nhi u so v i A: x <<Aỏ ơ ề ớ 32
x x p x b ng A : ấ ỉ ằ 32
x l n h n nhi u so v i A : x >>Aớ ơ ề ớ 32
3.1.3. Quy t c suy lu n m v giá tr c a quy t c suy lu n mắ ậ ờ à ị ủ ắ ậ ờ 36
4

3.1.4. Các phép toán trên t p mậ ờ 38
3.1.5. Các ph ng pháp gi i mươ ả ờ 42
3.1.6. Mô hình m Tagaki-Sugenoờ 45
3.2. Nh n d ng b ng lôgíc m ậ ạ ằ ờ 46
3.2.1. V trí v vai trò c a h th ng nh n d ng:ị à ủ ệ ố ậ ạ 47
a ra k t lu n v i t ng u v o.Đư ế ậ ề đố ượ đầ à 47
K t lu n th ng có các giá tr r i r c: phân lo i, phân nhómế ậ ườ ị ờ ạ ạ 47
Nh n d ng ti ng nóiậ ạ ế 47
Nh n d ng hình nhậ ạ ả 47
Nh n d ng s cậ ạ ự ố 47
… 47
3.2.3. L a ch n mô hình nh n d ng: ự ọ ậ ạ 48
3.3. M ng TSK (Takaga – Sugeno - Kang) ạ 48
3.3.1. Mô hình m ng TSKạ 49
Chương IV: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB 58
4.1. Gi i thi u v ph n m m Matlab + Simulink [5, 6]ớ ệ ề ầ ề 58
4.1.1 Gi i thi u v ph n m m Matlab ớ ệ ề ầ ề 58
4.1.2 Gi i thi u v SIMULINK ớ ệ ề 60
4.2. Mô ph ng ng c trên ph n m m SIMULINKỏ độ ơ ầ ề 61
4.2.1. Mô ph ng ng c khi l m vi c bình th ngỏ độ ơ à ệ ườ 62
4.2.2. Mô ph ng ng c khi ang l m vi c bình th ng x y ra s c ỏ độ ơ đ à ệ ườ ả ự ố
63
- H m ch ph n ng:ở ạ ầ ứ 65
V i m i lo i s c có quá i u ch nh th áp ng t c khác ớ ỗ ạ ự ố độ đ ề ỉ ở đồ ị đ ứ ố độ
nhau 67
Khi x y ra s c , th i gian quá u n m trong kho ng 2 n 2,15 sả ự ố ờ độ đề ằ ả đế 67
4.3. Ph n m m phân tích s li u nh n d ng s cầ ề ố ệ để ậ ạ ự ố 67
4.3.1. T o b s li u v xây d ng mô hình nh n d ng s cạ ộ ố ệ à ự ậ ạ ự ố 67
4.3.2. Phân tích v trích ch n vect c tính i t ngà ọ ơ đặ đố ượ 68

4.3.3. ng d ng mô hình m ng TSK nh n d ng s c trong ng c Ứ ụ ạ ậ ạ ự ố độ ơ
i n m t chi uđ ệ ộ ề 69
Kết luận và hướng phát triển 76
Tài liệu tham khảo 78
5

Danh mục các hình vẽ đồ thị
Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo động cơ điện một chiều 11
Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo lá thép rôto 13
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập 16
Hình 2.1: Sơ đồ phân loại mô hình hệ thống 19
Hình 2.2: Giản đồ thay thế động cơ điện một chiều 23
Hình 2.3: Họ đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi
giảm từ thông
25
Hình 2.4: Sơ đồ khối mô tả toán học động cơ DC kích từ độc lập 27
Hình 2.5: Sơ đồ khối động cơ điện một chiều kích từ độc lập
khi từ thông kích từ không đổi
28
Hình 3.1: Hàm liên thuộc của biểu thức mờ x <<A 32
Hình 3.2: Hàm liên thuộc hình chuông của biểu thức mờ
x A≈
33
Hình 3.3: Hàm liên thuộc của biểu thức mờ x>>A 33
Hình 3.4: Hình dạng của hàm liên thuộc
( )
3
x
µ
≈

với ba độ mở khác nhau 35
Hình 3.5: Hình dạng hàm liên thuộc
( )
3
x
µ
≈
với giá trị khác nhau hệ số b 37
Hình 3.6: Đồ thị hệ thống gồm có 4 quy tắc mờ 37
Hình 3.7: Hàm liên thuộc của hợp hai tập mờ có cùng cơ sở. 38
Hình 3.8: Phép hợp hai tập mờ không cùng cơ sở 39
Hình 3.9: Giao hai tập mờ cùng cơ sở 40
Hình 3.10: Phép giao hai tập mờ không cùng cơ sở 42
Hình 3.11: Tập bù A
C
của tập mờ A. 42
Hình 3.12: Phương pháp cực đại hai tập mờ không cùng cơ sở. 43
Hình 3.13: Mô hình tổng quát của hệ thống nhận dạng 48
Hình 3.14: Mô hình hệ nhiều luật 50
Hình 3.15: Cấu trúc mạng TSK kinh điển 51
Hình 3.16: Cấu trúc mạng TSK cải tiến 54
Hinh 4.1: Hệ thống giao diện của Matlab 59
Hình 4.2: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều kích từ độc lập bình thường khi
tải định mức
61
6

Hình 4.3: Đồ thị đáp ứng tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập làm việc
bình thường khi tải định mức
62

Hình 4.4: Đồ thị đáp ứng tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập làm việc
bình thường khi không tải
63
Hình 4.5: Đồ thị đáp ứng dòng điện phần ứng động cơ điện một chiều kích từ độc
lập làm việc bình thường tải định mức
63
Hình 4.6: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi xảy ra sự cố chạm tắt vòng dây phần ứng
(R
A
, L
A
giảm 2 lần)
64
Hình 4.7: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi xảy ra sự cố chạm tắt vòng dây phần ứng
(R
A
, L
A
giảm 2 lần)
65
Hình 4.8: Đồ thị đáp ứng dòng điện khi xảy ra sự cố hở mạch phần ứng 66
Hình 4.9: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi xảy ra sự cố hở mạch phần ứng 66
Hình 4.10: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi xảy ra sự cố mất kích từ 67
Hình 4.11: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi xảy ra sự cố vừa chạm tắt dây quấn phần
ứng vừa mất kích từ
67
Hình 4.12: Mô hình tạo bộ số liệu 68
Hình 4.13: Mô hình tổng quát nhận dạng sự cố 69
Hình 4.14: Cấu trúc mạng TSK nhận dạng sự cố động cơ điện một chiều 70
Hình 4.15: Kết quả học trên 99 mẫu cho nhận dạng trạng thái của mô-men tải

(biến thiên từ 0 đến 100% mô men max)(a), và sai số học giữa kết quả đầu ra
TSK và giá trị đích (cho mô-men tải)
72
Hình 4.16: Kết quả kiểm tra trên 33 mẫu nhận dạng giá trị mô-men tải (biến thiên
từ 0 đến 100% mô men max)(a) và Sai số học giữa kết quả đầu ra TSK và giá trị
đích (cho mô-men tải )(b).
73
Hình 4.17: Kết quả học trên 99 mẫu cho nhận dạng trạng thái của dòng phần
ứng(a) và sai số học trên 99 mẫu cho nhận dạng trạng thái của dòng phần ứng(b).
74
Hình 4.18: Kết quả kiểm tra trên 33 mẫu cho nhận dạng trạng thái của dòng phần
ứng(a), sai số kiểm tra trên 33 mẫu cho nhận dạng trạng thái của dòng phần ứng
74
Hình 4.19: Kết quả học trên 99 mẫu cho nhận dạng trạng thái của dòng kích từ 75
7

(a), sai số học giữa đầu ra của mạng và giá trị đích trên 99 mẫu cho nhận dạng
trạng thái của dòng kích từ.
Hình 4.20: Kết quả kiểm tra trên 33 mẫu cho nhận dạng trạng thái của dòng
kíchtừ (a), sai số kiểm tra trên 33 mẫu cho nhận dạng trạng thái của dòng kích từ
76

Mở đầu
Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn là một loại máy điện quan
trọng. Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như có mô men mở máy lớn, phạm
vi điều chỉnh tốc độ rộng, khoảng nhảy cấp tốc độ nhỏ phù hợp với hệ thống tự động
điều khiển đòi hỏi chất lượng cao. Tuy nhiên do động cơ điện một chiều có cấu tạo
phức tạp nên hay xảy ra sự cố.
Việc xây dựng các thiết bị đo có khả năng phân tích và phát hiện các sự
cố bên trong của động cơ nhanh, chính xác là rất cần thiết. Nó cho phép

hỗ trợ cho quá trình vận hành an toàn và giảm thiểu chi phí sửa chữa.
Giải quyết bài toán này trong thực tế đã có nhiều công trình nghiên cứu
sử dụng kỹ thuật nhận dạng sự cố thành công. Các mô hình nhận dạng
thường dùng như: Mô hình cây quyết định / bảng quyết định, mô hình
Bayes, mô hình KNN, mô hình mạng nơ-rôn MLP, mô hình mạng nơrôn
lôgic mờ RBF Trong đó giải pháp áp dụng mô hình mạng nơrôn lôgíc
mờ có nhiều ưu điểm vượt trội so với các giải pháp khác, nhờ khả năng
8

mô hình hoá các hàm phi tuyến với độ chính xác tuỳ ý, khả năng dễ dạng
thay đổi đầu ra thông qua điều chỉnh trọng số khi điều kiện hoạt động
thay đổi,…
Đó cũng chính là lý do tác giả lựa chọn đề tài “Ứng dụng logic mờ nhận dạng sự
cố trong động cơ điện một chiều” để nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu:
Mạng nơ rôn logic mờ TSK: Phân tích và đề xuất các giải pháp nhằm thích nghi và
triển khai ứng dụng nhận dạng sự cố trong động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Nội dung bản luận văn này gồm các phần như sau:
Chương I: Lý thuyết chung về động cơ điện một chiều
Giới thiệu về cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại và ứng dụng của động cơ điện
một chiều. Mô tả một số sự cố thường xảy ra trong động cơ điện một chiều, phương
pháp đo, kiểm tra phát hiện các sự cố.
Chương II: Mô hình hóa động cơ điện một chiều ở một số chế độ làm việc
Lý thuyết về mô hình hóa hệ thống, các phương trình cơ bản của động cơ điện một
chiều. Từ đó xây dựng mô hình toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở chế
độ làm việc bình thường, chế độ làm việc không tải, mô hình động cơ điện một chiều
kích từ độc lập khi từ thông không đổi phục vụ quá trình mô phỏng.
Chương III: Ứng dụng lôgíc mờ nhận dạng sự cố trong động cơ điện một chiều
Nghiên cứu về lôgíc mờ, lý thuyết chung về nhận dạng, ứng dụng mô hình mạng nơ-
rôn lôgíc mờ TSK để xây dựng mô hình nhận dạng

Chương IV: Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab
Khảo sát các ý tưởng, xây dựng các mô hình mô phỏng để tạo tín hiệu và các
chương trình để thử nghiệm các thuật toán tính toán, xử lý tín hiệu đo nhằm mục đích
nhận dạng. Toàn bộ các mô hình và hệ thống được mô phỏng trong môi trường Matlab
và sử dụng Toolbox Simulink.
9

Kết luận và hướng phát triển:
Tóm tắt các kết quả đã đạt được, đồng thời phân tích mặt tồn tại và đề xuất hướng phát
triển của luận văn.
Do thời gian và trình độ có hạn nên bản luận văn không tránh khỏi những khiếm
khuyết cần phải hoàn thiện thêm. Tôi rất mong nhận được sự góp ý, chỉ dẫn của các
thầy cô và các bạn đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của PGS – TSKH Trần Hoài Linh,
thầy đã giành cho em thời gian, kiến thức và phương pháp tư duy quí báu.
10

Chương I: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU
Nội dung chương này tập trung giới thiệu về cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại
và ứng dụng của động cơ điện một chiều. Mô tả một số sự cố thường xảy ra trong động
cơ điện một chiều, phương pháp đo, kiểm tra phát hiện các sự cố.
1.1.Cấu tạo
Cấu tạo động cơ điện một chiều gồm hai phần chính: Phần tĩnh hay Stator và Phần
quay hay rôto [2].
Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo động cơ điện một chiều
1.1.1. Phần tĩnh hay Stator
Đây là phần đứng yên của động cơ bao gồm các bộ phận chính sau:
- Cực từ chính
Là bộ phận sinh ra từ trường gồm lõi sắt từ và cuộn dây quấn kích từ. Lõi sắt từ

được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện có bề dầy từ 0,5 đến 1 mm ghép chặt lại tạo
11

thành khối lá thép. Đối với các động cơ điện một chiều có công suất nhỏ có thể được
chế tạo bằng thép khối. Cực từ được gắn chặt với vỏ máy nhờ các bu lông. Dây quấn
kích từ được làm bằng dây đồng có vỏ bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc
cách điện, sơn tẩm tạo thành một khối trước khi đặt lên các cực từ. Các cuộn dây quấn
kích từ được đấu nối tiếp với nhau.
- Cực từ phụ
Cực từ phụ dùng để cải thiện sự đảo chiều và được đặt giữa các cực từ chính. Lõi
thép của cực từ phụ thường được chế tạo bằng thép khối, trên thân có đặt dây quấn có
cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ cũng được gắn chắc chắn vào vỏ
máy nhờ các bu lông.
- Gông từ
Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động
cơ điện cỡ nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong động cơ lớn thường
dùng thép đúc, một số loại dùng gang làm vỏ máy.
- Các bộ phận khác gồm có:
• Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật bên ngoài rơi vào làm hư hỏng dây
quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện. Trong động cơ điện cỡ nhỏ và vừa,
nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này lắp máy thường được
chế tạo bằng gang.
• Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện vào phần ứng, cơ cấu chổi than gồm có
chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than
được đặt cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay
được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng, điều chỉnh xong dùng vít cố định chặt lại.
Chổi than được tạo thành từ khối ép của bột than có pha thêm bột đồng, kích thước
chổi than tùy thuộc vào công suất của động cơ. Tùy theo cấu tạo của động cơ mà có thể
có một đôi chổi than hoặc hai, ba đôi chổi than.
12

1.1.2. Phần quay hay rôto
Phần quay của động cơ bao gồm các bộ phận chính sau:
Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo lá thép rôto
- Lõi sắt phần ứng
Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật dầy từ 0,5
đến 1mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm hao tổn do dòng điện
xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn
vào.
Trong những máy cỡ lớn, người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành
lõi sắt có thể tạo thành những lỗ thông gió dọc trục. Đối với những máy điện cỡ trung
bình thì lõi sắt thường được chia thành từng đoạn nhỏ. Giữa các đoạn ấy có một khe hở
gọi là khe thông gió ngang trục. Khi máy làm việc, gió thổi qua các khe làm nguội dây
quấn và lõi sắt.
Đối với các động cơ điện một chiều cỡ nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào
trục. Trong những máy cỡ lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể
tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.
- Dây quấn phần ứng
Dây quấn phần ứng là thành phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua.
Dây quấn phần ứng thường được làm bằng đồng có vỏ bọc cách điện. Trong máy điện
13

cỡ nhỏ (công suất dưới vài kilôoat) thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong những
máy điện cỡ vừa và lớn, thường dùng dây có tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách
điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi quay bị văng ra do sức ly tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm chèn, chèn
chặt hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm chèn có thể làm bằng tre khô, gỗ hay bakêlit.
- Cổ góp
Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay
chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có đuôi nhạn ghép cách điện với

nhau bằng lớp mica dầy 0,4 đến 1,2 và hợp thành một hình trụ tròn. Hai đầu trụ tròn
dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng được cách điện
bằng mica. Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử
dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng.
- Các bộ phận khác
Các bộ phận khác gồm có:
• Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm mát máy. Động cơ điện một chiều thường
được chế tạo theo kiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt được lắp
trên trục máy. Khi máy quay, cánh quạt hút gió từ ngoài vào máy. Gió đi qua vành góp,
cực từ, lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy. Để bảo vệ cánh
quạt và đảm bảo an toàn, phía ngoài cánh quạt bao giờ cũng có nắp bảo hiểm.
• Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt làm mát, ổ bi. Trục
máy thường được chế tạo bằng thép cácbon tốt.
1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập [2]
Khi cho dòng điện một chiều chạy vào cuộn dây kích từ, trong cuộn dây sẽ sinh ra
từ trường, từ trường này sẽ tạo ra các cực từ tương ứng ở chính bề mặt cuộn dây. Ta có
thể xác định chiều của từ trường này theo quy tắc vặn nút chai. Ta nhận thấy từ trường
này cũng giống như từ trường của nam châm vĩnh cửu, nhưng do dòng điện chạy trong
cuộn dây kích từ sinh ra (I
kt
).
14

Khi cho điện áp U vào hai chổi than, trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra dòng điện
I
ư
. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực F
đt
tác
dụng làm Rôto quay, khi phần ứng quay nửa vòng thì vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho

nhau do đó các phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều tác dụng không đổi đảm
bảo động cơ có chiều quay không đổi khi, khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ
trường sẽ cảm ứng sức điện động E
ư
, chiều quay được xác định theo quy tắc bàn tay
trái.
1.3. Ứng dụng
Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máy quan
trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay
chiều thông dụng. Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như có mô men mở
máy lớn, do vậy kéo được tải nặng khi khởi động. Ngoài ra, phạm vi điều chỉnh tốc độ
rộng, khoảng nhảy cấp tốc độ nhỏ phù hợp với hệ thống tự động hóa khi cần thay đổi
mịn tốc độ. Chính vì vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các nghành
công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận
tải
Bên cạnh đó, động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất định của nó
như so với máy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn chế tạo và bảo quản cổ góp điện
phức tạp hơn (dễ phát sinh tia lửa điện) nhưng do những ưu điểm của nó nên động cơ
điện một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản suất .
Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vào khoảng 10.000 kW,
điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000V. Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính
năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những động cơ có
công suất lớn hơn
1.4. Phân loại động cơ điện một chiều [2]
Động cơ điện một chiều được phân loại theo cách kích từ, bao gồm các loại sau:
• Động cơ điện một chiều kích thích độc lập
15

• Động cơ điện một chiều kích thích song song
• Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp

• Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp
Trên thực tế đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích thích song
song giống nhau nên khi cần công suất lớn người ta thường dùng động cơ kích từ độc
lập để có thể điều chỉnh dòng điện kích thích được thuận tiện, do đó quá trình điều
chỉnh tốc độ dễ dàng và kinh tế hơn mặc dù yêu cầu phải có nguồn kích từ ngoài.
Trong luận văn này ta xét đến động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập
1.5. Các sự cố thường xảy ra ở động cơ điện một chiều
Cũng như các loại động cơ khác trong quá trình vận hành có nhiều các sự cố thường
xảy ra, ở động cơ điện một chiều ta quan tâm một số sự cố chính sau:
1.5.1. Chạm tắt các vòng dây phần ứng
Khi có một số vòng dây ở phần ứng do hư cách điện chạm với nhau, dẫn tới dòng
điện đi qua các vòng dây động cơ tăng cao quá định mức, làm cho điện áp của các
mạch điện song song trong phần ứng không cân bằng nên xuất hiện dòng điện vòng.
Dòng điện này làm cho phần ứng bị quá nhiệt. Mặt khác khi có hiện tượng chạm tắt
các vòng dây phần ứng sẽ phát sinh tia lửa điện và hồ quang nghiêm trọng giữa chổi
than và cổ góp. Đồng thời lúc này điện áp phần ứng cũng giảm xuống. Hiện tượng này
nếu để lâu có thể dẫn tới cháy động cơ.
U
ư
E
ư
R
f
I
kt
R
kt
U

CKT
U
kt
16

Để xác định chính xác sự cố này ta có thể dùng đồng hồ đo dòng điện và điện áp
phần ứng.
1.5.2. Hở mạch phần ứng
Khi dây phần ứng bị đứt, hoặc bong mối hàn … không nối liền dây quấn với cổ góp.
Khi đó xảy ra tình trạng là cứ mỗi lần chổi than quét qua phiến góp này lại làm cho
dòng điện trong mạch phần ứng đột ngột bị cắt, tốc độ động cơ có giảm đi nhưng do
quán tính động cơ vẫn quay.
Để xác định sự cố này ta có thể dùng thiết bị đo dòng điện, điện áp phần ứng, tốc độ
động cơ
1.5.3. Mất kích từ
Xét trường hợp thiếu kích từ, tức điện áp kích từ hoặc dòng kích từ bị giảm, dẫn tới
dòng điện động cơ tăng quá mức cho phép. Khi động cơ đang làm việc mất kích từ, ta
có thể xác định được tốc độ theo phương trình sau:
U R I
A A A
K
ω
ϕ
−
=

(1.2)
Từ công thức trên ta thấy tốc độ động cơ điện một chiều tỷ lệ nghịch với từ thông
φ
.

Nếu từ thông càng nhỏ thì tốc độ động cơ quay càng cao, trường hợp nếu mất kích từ
và tải phù hợp tốc độ động cơ có thể tiến tới vô cùng, nhưng trên thực tế thì không như
vậy. Động cơ được nối với một cơ cấu cơ khí, và cơ cấu đó đang chuyển động với tốc
độ ω tại thời điểm chưa mất kích từ. Cơ cấu này có quán tính cơ học, nên không thể
tăng tốc đến vô cùng được.
Nhưng sự cố xảy ra làm dòng điện phần ứng tăng vọt, đồng thời khi đó
0=
A
E
nên:
AA
A
A
R
U
R
EU
I =
−
=
(1.3)

17

Do U không đổi và R
A
rất nhỏ (điện trở cuộn dây phần ứng) nên I
A
rất lớn làm cháy
dây quấn và vành góp

Để xác định sự cố mất kích từ ta đo dòng điện, đo tốc độ động cơ.
18
Chương II: Mô hình hóa động cơ điện một chiều ở một số chế độ làm việc
Chương II: MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU Ở MỘT SỐ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC
Nội dung chương II học viên sẽ tóm tắt lý thuyết về mô hình hóa hệ thống, mô hình
hóa động cơ điện một chiều dựa trên các phương trình cơ bản của động cơ điện một
chiều. Từ đó tác giả xây dựng mô hình toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập
ở chế độ làm việc bình thường, chế độ làm việc không tải, mô hình động cơ điện một
chiều kích từ độc lập khi từ thông không đổi phục vụ quá trình mô phỏng và nhận dạng
sự cố ở chương sau.
2.1. Khái niệm cơ bản về mô hình hoá hệ thống
2.1.1. Phân loại mô hình hệ thống
Có thể căn cứ vào nhiều dấu hiệu khác nhau để phân loại mô hình. Hình 2.1 biểu
diễn một cách phân loại mô hình điển hình. Theo cách này mô hình được chia thành
hai nhóm chính: mô hình vật lý và mô hình toán học hay còn gọhay còn gọi là mô hình
trừu tượng.
Hình 2.1: Sơ đồ phân loại mô hình hệ thống
19
Chương II: Mô hình hóa động cơ điện một chiều ở một số chế độ làm việc
- Mô hình vật lý: là mô hình được cấu tạo bởi các phần tử vật lý. Các thuộc tính của
đối tượng được phản ánh bởi các định luật vật lý xảy ra trong mô hình. Nhóm mô hình
vật lý được chia thành mô hình thu nhỏ và mô hình tương tự. Mô hình vật lý thu nhỏ có
cấu tạo giống như đối tượng thực nhưng có kích thước nhỏ hơn cho phù hợp với điều
kiện của phòng thí nghiệm. Ví dụ, người ta chế tạo lò hơi của nhà máy nhiệt điện có
kích thước nhỏ đặt trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu quá trình cháy trong lò hơi,
hoặc xây dựng mô hình đập thuỷ điện có kích thước nhỏ trong phòng thí nghiệm để
nghiên cứu các chế độ thuỷ văn của đập thuỷ điện. Ưu điểm của loại mô hình này là
các quá trình vật lý xảy ra trong mô hình giống như trong đối tượng thực, có thể đo
lường quan sát các đại lượng vật lý một cách trực quan với độ chính xác cao. Nhược

điểm của mô hình vật lý thu nhỏ là giá thành đắt, vì vậy chỉ sử dụng khi thực sự cần
thiết.
- Mô hình vật lý tương tự: được cấu tạo bằng các phần tử vật lý không giống với
đối tượng thực nhưng các quá trình xảy ra trong mô hình tương đương với quá trình
xảy ra trong đối tượng thực. Ví dụ, có thể nghiên cứu quá trình dao động của con lắc
đơn bằng mô hình tương tự là mạch dao động R-L-C vì quá trình dao động điều hoà
trong mạch R-L-C hoàn toàn tương tự quá trình dao động điều hoà của con lắc đơn,
hoặc người ta có thể nghiên cứu đường dây tải điện (có thông số phân bố rải) bằng mô
hình tương tự là mạng bốn cực R-L-C (có thông số tập trung). Ưu điểm của loại mô
hình này là giá thành rẻ, cho phép chúng ta nghiên cứu một số đặc tính chủ yếu của đối
tượng thực.
- Mô hình toán học: thuộc loại mô hình trừu tượng. Các thuộc tính được phản ánh
bằng các biểu thức, phương trình toán học. Mô hình toán học được chia thành mô hình
giải tích và mô hình số. Mô hình giải tích được xây dựng bởi các biểu thức giải tích.
Ưu điểm của loại mô hình là cho ta kết quả rõ ràng, tổng quát. Nhược điểm của mô
hình giải tích là thường phải chấp nhận một số giả thiết đơn giản hoá để có thể biểu
20
Chương II: Mô hình hóa động cơ điện một chiều ở một số chế độ làm việc
diễn đối tượng thực bằng các biểu thức giải tích, vì vậy loại mô hình này chủ yếu được
dùng cho các hệ tiền định và tuyến tính.
- Mô hình số: được xây dựng theo phương pháp số tức là bằng các chương trình
chạy trên máy tính số. Ngày nay, nhờ sự phát triển của kỹ thuật máy tính và công nghệ
thông tin, người ta đã xây dựng được các mô hình số có thể mô phỏng được quá trình
hoạt động của đối tượng thực. Những mô hình loại này được gọi là mô hình mô phỏng
này (simulation model). Ưu điểm của mô hình mô phỏng là có thể mô tả các yếu tố
ngẫu nhiên và tính phi tuyến của đối tượng thực, do đó mô hình càng gần với đối tượng
thực. Ngày nay, mô hình mô phỏng được ứng dụng rất rộng rãi.
Có thể căn cứ vào các đặc tính khác nhau để phân loại mô hình như: mô hình tĩnh và
mô hình động, mô hình tiền định và mô hình ngẫu nhiên, mô hình tuyến tính và mô
hình phi tuyến, mô hình có thông số tập trung, mô hình có thông số rải, mô hình liên

tục, mô hình gián đoạn,
Mô hình phải đạt được hai tính chất cơ bản sau:
• Tính đồng nhất: Mô hình phải đồng nhất với đối tượng mà nó phản ánh
theo những tiêu chuẩn định trước.
• Tính thực dụng: Có khả năng sử dụng mô hình để nghiên cứu đối tượng.
Rõ ràng, để tăng tính đồng nhất trong mô hình phải đưa vào nhiều yếu tố phản ánh đầy
đủ các mặt của đối tượng. Nhưng như vậy nhiều khi mô hình trở nên quá phức tạp và
cồng kềnh đến nỗi không thể dùng để tính toán được nghĩa là mất đi tính chất thực
dụng của mô hình. Nếu quá chú trọng tính thực dụng, xây dựng mô hình quá đơn giản
thì sai lệch giữa mô hình và đối tượng thực sẽ lớn, điều đó sẽ dẫn đến kết quả nghiên
cứu không chính xác. Vì vậy, tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu mà người ta lựa chọn
tính đồng nhất và tính thực dụng của mô hình một cách thích hợp.
21
Chương II: Mô hình hóa động cơ điện một chiều ở một số chế độ làm việc
2.1.2. Một số nguyên tắc khi xây dựng mô hình
Việc xây dựng mô hình toán học phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống thực, vì vậy,
khó có thể đưa ra những nguyên tắc chặt chẽ mà chỉ có thể đưa ra những nguyên tắc có
tính định hướng cho việc xây dựng mô hình.
• Nguyên tắc xây dựng sơ đồ khối
Nhìn chung hệ thống thực là một hệ thống lớn phức tạp, vì vậy, người ta tìm cách
phân chúng ra thành nhiều hệ con, mỗi hệ con đảm nhận một số chức năng của hệ lớn.
Như vậy, mỗi hệ con được biểu diễn bằng một khối, tín hiệu ra của khối trước chính là
tín hiệu vào của khối sau.
• Nguyên tắc thích hợp
Tuỳ theo mục đích nghiên cứu mà người ta lựa chọn một cách thích hợp giữa tính
đồng nhất và tính thực dụng của mô hình. Có thể bỏ bớt một số chi tiết không quan
trọng để mô hình bớt phức tạp và việc giải các bài toán trên mô hình dễ dàng hơn.
• Nguyên tắc về độ chính xác
Yêu cầu về độ chính xác phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu. Ở giai đoạn thiết kế
tổng thể độ chính xác không đòi hỏi cao nhưng khi nghiên cứu thiết kế chi tiết những

bộ phận cụ thể thì độ chính xác của mô hình phải đạt được yêu cầu cần thiết.
• Nguyên tắc tổ hợp
Tuỳ theo mục đích nghiên cứu mà người ta có thể phân chia hoặc tổ hợp các bộ
phận của mô hình lại với nhau. Ví dụ, khi mô hình hoá một phân xưởng để nghiên cứu
quá trình sản xuất sản phẩm thì ta coi các máy móc là thực thể của nó. Nhưng khi
nghiên cứu quá trình điều khiển nhà máy thì ta coi tổ hợp phân xưởng như là một thực
thể của nhà máy.
22
Chương II: Mô hình hóa động cơ điện một chiều ở một số chế độ làm việc
2.2. Mô hình hoá động cơ điện một chiều [3]
2.2.1. Các phương trình cơ bản
Xét trường hợp khi dòng điện kích từ của động cơ không đổi, hoặc động cơ được
kích thích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số, đối tượng được mô
tả bởi hệ các phương trình sau:
Hình 2.2: Giản đồ thay thế động cơ điện một chiều
• Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:
( )
dt
tdi
LtiRtetu
A
AAAAA
⋅+⋅+= )()()(
(2.1)
• Sức từ động cảm ứng:
( ) ( )
tktnkte
MeA
ωφφ
⋅⋅=⋅⋅=)(

(2.2)
• Phương trình chuyển động:
( )
TM
mm
Jdt
d
−=
1
ω
(2.3)
• Mô men quay:
( ) ( )
M M A
m t k i t
ϕ
= × ×
(2.4)
• Hằng số động cơ:
2
e M
k k
π
= × ×
(2.5)
• Hằng số thời gian phần ứng:
u
K
L
K

i
K
m
T
e
A
L
A
u
A
R
A
i
A
R
K
m
M,
n
23
Chương II: Mô hình hóa động cơ điện một chiều ở một số chế độ làm việc
A
A
A
R
L
T =
(2.6)
• Phương trình mạch kích từ:
( ) ( )

( )
K
K K K K
di t
u t R i t L
dt
= × + ×
(2.7)
trongđó: u
A
- Điện áp phần ứng
i
A
- Dòng điện phần ứng
R
A
- Điện trở phần ứng
L
A
- Điện cảm phần ứng
φ - Từ thông của rôto
m
M
- là mômen điện từ.
m
T
- là mômen cản của tải.
n - tốc độ quay của rotor
ω
- tốc độ góc của rôto.

J - mômen quán tính của động cơ.
U
K
và i
K
- điện áp và dòng kích từ
R
K
và L
K
- điện trở và điện cảm của mạch kích từ.
Từ các phương trình trên ta xây dựng được phương trình đặc tính cơ và họ đặc tính
cơ thể hiện quan hệ giữa tốc độ góc và mô men của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập khi thay đổi từ thông:
( )
M
K
R
K
U
A
đm
đm
2
φ
φ
ω
−=
(2.8)
24

Chương II: Mô hình hóa động cơ điện một chiều ở một số chế độ làm việc
Hình 2.3: Họ đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi
giảm từ thông
Từ họ đặc tính cơ như hình 2.3, khi giảm từ thông, tốc độ ϖ
0
tăng, còn độ dốc thì
giảm mạnh.
2.2.2. Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở các chế độ làm việc
• Mô tả chung
Từ phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng:
( )
dt
tdi
LtiRtetu
A
AAAAA
⋅+⋅+= )()()(
(2.1)
Biến đổi Laplace ta có:
( ) ( )
pipLpiRpepu
AAAAA
⋅+⋅+= .)()(
Suy ra:
( )
( ) ( )
pLRpepu
pi
AAAA
A

.
1
+
=
−
Suy ra:
( )
( ) ( )
pT
R
pepu
pi
A
A
AA
A
.1
1
+
=
−
(2.9)
Phương trình sức từ động cảm ứng:
25
Chương II: Mô hình hóa động cơ điện một chiều ở một số chế độ làm việc
( )
tkte
MA
ωφ
⋅⋅=)(

(2.2)
Biến đổi Laplace ta có:
( )
pkpe
MA
ωφ
⋅⋅=)(
(2.10)
Phương trình mô men quay:
( ) ( )
M M A
m t k i t
ϕ
= × ×
(2.4)
Biến đổi Laplace ta có:
( ) ( )
pikpm
MM
⋅⋅=
φ
(2.11)
Phương trình chuyển động:
( )
TM
mm
Jdt
d
−=
1

ω
(2.3)
Biến đổi Laplace ta có:
( ) ( ) ( )
M T
m p m p j p p
ω
− = × ×
(2.12)
Phương trình mạch kích từ:
( ) ( )
( )
K
K K K K
di t
u t R i t L
dt
= × + ×
(2.7)
Biến đổi Laplace ta có:
( ) ( ) ( )
K K K K K
u p R i p L p i p= × + × ×
(2.13)
Từ các phương trình (2.9); (2.10); (2.11); (2.12); (2.13) ta xây dựng được sơ đồ
khối mô tả toán học động cơ DC kích từ độc lập như sau:
26