Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 KHÁI QUÁT ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
* Cấu tạo.
Động cơ điện một chiều gồm có: stator, rotor, cổ góp và chổi than.
Hình 1.1: Cấu tạo của rôto và stato
- Stator ( phần cảm ) : gồm các cuộc dây được quấn tập trung trên các cực từ
của stator. Các cực từ của stator được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện được dập
hình sẵn có bề dày từ 0.5 đến 1mm, ghép cách điện với nhau thành một khối và
được gắn trên gông từ làm bằng thép đúc, cũng chính là vỏ máy.
- Rotor ( phần ứng ) : gồm lõi thép, dây quấn và trục roto. Lõi thép phần ứng
được ghép từ các là thép kỹ thuật điện, ghép cách điện với nhau. Dây quấn phần
ứng gồm nhiều phần tử được đặt vào cách rãnh trên lõi thép rotor. Các phần tử dây
quấn rotor được nối tiếp nhau thông qua các lá góp trên cổ góp.Lõi thép phần ứng
và cổ góp được cố định trên trục rotor. Ngoài ra, rotor còn có cổ góp, cánh quạt
làm mát.
- Cổ góp và chổi than: đóng vai trò là bộ chỉnh lưu cơ khí.
+ Cổ góp: hay còn gọi là vành góp, có cấu tạo bởi nhiều phiến góp bằng đồng,
các phiến góp được cánh điện với nhau. Các đầu dây của các mobin dây được nối
đến các phiến góp.
+ Chổi than: có cấu tạo bởi than granit vừa có độ bền cơ chống được mài mòn,
vừa có độ dẫn điện cao. Chổi than đặt trong hộp chổi than là bộ phận giữ chổi than.
1

* Nguyên lý hoạt động.
- Đầu tiên, cấp điện áp một chiều vào dây quấn phần cảm để tạo ra từ trường
kích từ Φ
kt
. Đồng thời, cấp nguồn áp một chiều vào hai đầu phần ứng để tạo dòng
I

ư
qua các thanh dẫn trên phần ứng.
- Các thanh dẫn phần ứng mang dòng điện I
ư
và đặt trong từ trường kích thích
sẽ chịu tác động của lực điện từ F (h1.2a) tạo thành momen làm quay phần ứng.
Khi phần ứng quay, các thanh dẫn trên phần ứng cùng di chuyển cắt đường sức từ
trường phần cảm nên trên các thanh dẫn hình thành các sức phản điện e (h1.2b).
(a) (b)
Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
1.1.2 Phân loại
Dựa vào phương pháp kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành các
loại sau:
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập :Dòng điện kích từ được lấy từ nguồn
riêng biệt so với phần ứng.
- Động cơ điện một chiều kích từ song song : Dây quấn kích từ được nối song
song với mạch phần ứng.
- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp : Dây quấn kích từ được mắc nối tiếp
với mạch phần ứng.
- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp : Dây quấn kích từ có hai cuộn dây,
dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp.
2

Hình 1.3 : Các loại động cơ điện một chiều
a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
b) Động cơ điện một chiều kích từ song song
c) Động cơ điện một chiều nối tiếp
d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ.
Ưu điểm của động cơ một chiều so với các động cơ điện khác là khả năng điều

chỉnh tốc độ dễ dàng, các bộ điều chỉnh tốc độ đơn giản, dễ chế tạo. Do đó, trong
điều kiện bình thường, đối cới các cơ cấu có yêu cầu chất lượng điều chỉnh tốc độ
cao, phạm vi điều chỉnh rộng, người ta thường sử dụng động cơ điện một chiều.
- Có các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều như sau:
+ Thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng.
+ Thay đổi từ thông.
+ Thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.
1.2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
1.2.1 Kết cấu chung
Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện 1 chiều được biểu diễn như hình sau:
trong đó:
3
Hình 1.4: Sơ đồ thay thế của động cơ điện một chiều

+ CKĐ: dây quấn kích từ độc lập
+ CKN: dây quấn kích từ nối tiếp
+ CB: dây quấn bù
+ CF: dây quấn cực từ phụ
+ UK : điện áp kích thích
+ U: điện áp phần ứng
+ N, p’,a, Lư, Rư :số thanh dẫn td, số đôi cực, số đôi mạch nhánh, hệ số tự
cảm, điện trở phần ứng.
+ R
K
, L
K :
điện trở và điện cảm cuộn kích từ độc lập
+ i
K
: dòng điện phần kích từ.

+ I : dòng điện phần ứng.
+ ω , M, MC là tốc độ góc, mômen điện từ và mômen cản của động cơ
1.2.2 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều.
- Khi đặt lên cuộn dây quấn kích từ một điện áp UK nào đó, thì trong dây quấn
kích từ sẽ có dòng điện ik ,và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ . Tiếp đó lại
đặt giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng
điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông mạch kích từ sẽ
tạo ra mômen điện từ có giá trị:

'.
.
2 .
p N
M I k I
a
π
= Φ = Φ
trong đó: p’ là số đôi cực của động cơ
N là số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ
a là số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng
k = (p’N/2
π
a) hệ số kết cấu của máy.
- Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục. Các dây quấn phần ứng
quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức từ động :

'.
.
2 .
p N

E k
a
ω ω
π
= Φ = Φ
(
ω

là tốc độ góc của roto).
- Trong chế độ xác lập ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng:
4
(1.1)
(1.2)

U = I.R
ư
+ E
trong đó : E = kΦω là sức điện động.
R
ư
là điện trở mạch phần ứng của động cơ.
=>
Φ
−
=
k
IRU
u
ω
1.2.3 Chế độ quá độ động cơ một chiều.

Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương
trình mô tả sơ đồ thay thế hình 1.3 như sau:
- Mạch kích từ có hai biến:
+ i
k
là dòng điện kích từ.
+
Φ
là từ thông máy phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hóa của lõi sắt.
- Phương trình điện áp mạch kích từ:

( ) ( )
. .
k t k k t k
d
U R i N
dt
φ
= +
trong đó: Nk là số vòng dây cuộn kích từ
Rk là điện trở cuộn dây kích từ
+ Biến đổi laplace ta được :
U
K(P)
= R
K
.I
K(p)
+ N
K

.P.Φ
(P)
(1.4)
- Phương trình điện áp mạch phần ứng:
U
(t)
= R
ư
.i
(t)
+ L
ư
.
dt
di
± N
N
.
dt
d
Φ
+e
(t)
N
N
là số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp.
+ Biến đổi laplace ta được :
U
(P)
= R

ư
.I
(P)
+ L
ư
.P.I
(P)
± N
N
.P.Φ
(P)
+ E
(P)
(1.5)
- Phương trình dòng điện mạch phần ứng sau khi biến đổi laplace:
I
(P)
=
.
.1
/1
P
R
u
u
τ
+
[U
(P)
± N

N
.P.Φ
(P)
+ E
(P)
] (1.6)
trong đó: L
ư
điện cảm mạch phần ứng ;
N
N
số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp
τ
ư
= L
ư
/R
ư
hằng số thời gian mạch phần ứng
5
(1.3)

- Phương trình chuyển động của hệ thống :
M(p) – M
c
(p) = Jp
ω
J : momen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ.
- Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ một
chiều như hình ở trang bên :

- Sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến, trong tính toán ứng dụng thường dùng mô
hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc.
Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều
- Khi ta chọn điểm làm việc ổn định, tuyến tính hóa đặc tính từ hóa và đặc tính
momen tải như sau:
Hình 1.6: Tuyến tính hóa đặc tính từ hóa Tuyến tính hóa đặc tính momen tải
- Độ dốc của đặc tính từ hóa và đặc tính momen tải lần lượt là:
k
K
=
K
I∆
∆Φ
với K (I
Ko
, Φ
0
)
k
B
=
ω
∆
∆
c
M
với B (ω
CB
, M
c

)
6
(1.7)

- Tại điểm làm việc xác lập có: điện áp phần ứng U
0
, dòng phần ứng I
0
, tốc độ
B
ω
,điện áp kích từ U
ko
, từ thông Φ
o
, dòng kích từ I
ko
và mômen tải M
c
. Độ biến
thiên của các đại lượng trên lần lượt là: ΔU
(P)
, ΔI
(P)
, Δω
(P)
, ΔU
K(P)
, ΔI
K(P)

, ΔΦ
(P),
ΔM
c(P)
.
Hình 1.7: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa động cơ điện một chiều
- Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập thì N
N
= 0, ta có:
+ Phương trình điện áp mạch phần ứng:

( ) ( )
di
U t RI t L e
dt
= + +
+ Biến đổi sang laplace ta được:
U
0
+ ΔU
(P)
= R
ư
[I
0
+ ΔI
P
] + P.L
ư
[I

0
+ΔI
(P)
] + [ Φ
0
+ ΔΦ
(P)
][ω
B
+ Δω
(P)
] (1.8)
+ Phương trình điện áp mạch kích từ khi đã biến đổi laplace:

( ) ( ) ( )
ko k ko k ko
k P k P k P
U U R I I PL I I
   
+ ∆ = + ∆ + + ∆
   
(1.9)
+ Phương trình chuyển động cơ học:
K[Φ0 + ΔΦ(P) ][I0 + ΔI(P)] - [MB + ΔMC(P)] - f.[ωB + Δω(P)] = J.P[ωB +
Δω(P)]
7

(1.10)
- Từ các phương trình trên, nếu bỏ qua các thành phần bậc cao có giá trị vô
cùng nhỏ,ta sẽ được:

+ Phương trình mạch phần ứng:

( ) ( ) ( )
. . . .
B O
U p K p K p
ω ω
 
∆ − ∆Φ + Φ ∆
 
=R
ư
.∆I(p).(1+pτ
ư
) (1.11)
+ Phương trình mạch kích từ:
∆U
k
(p) = R
k
.∆I
k
(p)(1+pτ
k
) (1.12)
+ Phương trình chuyển động cơ học:
K.I
o
.∆Φ(p) +K.Φ
o

.∆I(p) - ∆M
c
(p) = J.p∆ω(p) (1.13)
- Trong trường hợp: từ thông kích từ (dòng điện kích từ) không đổi,khi động cơ
được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu,ta được các phương trình cho động cơ
như sau:(KΦ = const = Cu)
- Phương trình mạch phần ứng:
U(p) = R
ư
I(p)(1 + pτ
ư
) + C
u
.ω(p) (1.14)
- Phương trình động lực học:
C
u
.I(p) – M
c
(p) = Jpω(p) (1.15)
Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
- Ta thấy rằng, các quan hệ của động cơ một chiều với từ thông không đổi đều
tuyến tính, hay mô hình động cơ một chiều khi = const là mô hình tuyến tính. Từ
8
I
R
BBĐ
Động cơ
-
Đo I

mô hình này hoặc từ các phương trình mô tả động cơ ta có thể biến đổi để tìm được
các mô hình rút gọn với đầu ra là dòng điện, tốc độ theo giá trị đầu vào là U
u
và M
c
.
CHƯƠNG 2 : TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
2.1 CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ KHI CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG
2.1.1 Cấu trúc cơ bản mạch vòng điều khiển dòng
Hình 2.1: Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện
Mạch vòng điều khiển dòng có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện động cơ 1
chiều. Nó cũng hạn chế dòng của động cơ khi không vượt qua ngưỡng cho phép.
Một mặt khác nhiệm vụ của bộ điều khiển là thiết lập dòng phần ứng bằng giá trị
đặt trước các sự thay đổi của nhiễu.
Đối với động cơ 1 chiều bộ điều khiển dòng có thể được tổng hợp theo 2 cách:
- Tổng hợp bộ điều khiển RI khi bỏ qua sức điện động phần ứng.
- Tổng hợp bộ điều khiển RI khi có tính đến sức điện động phần ứng.
Trong những trường hợp quán tính cơ của động cơ lớn hơn nhiều so với quán
tính phần điện, nghĩa là tại 1 thời điểm có thể xem sự thay đổi của dòng điện lớn
9

hơn nhiều lần so với sự thay đổi của tốc độ và tại những điểm đó xem như tốc độ
không đổi.
Khi cần điều khiển chính xác thì cần tính đến sức điện động của động cơ.
2.1.2 Cấu trúc bộ điều khiển tốc độ khi có vòng điều khiển dòng
Phương án điều chỉnh dòng điện được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền động
điện, tự động điện là sử dụng 2 vòng phân cấp, trong đó RI là bộ điều chỉnh dòng
điện, R
ω

là bộ điều chỉnh tốc độ. Mỗi mạch vòng có bộ điều chỉnh riêng, được tổng
hợp từ đối tượng riêng và theo các chuẩn riêng.
Để thực hiện hai loại phản hồi âm là tốc độ quay và dòng điện gây tác dụng
I
d
dt
FX
-
BD
FT
Đ
ω
+
-
I
R
ω
ph
ω
sp
ω
R
ω
Isp
-Iph
GHD
r
iêng rẽ, trong hệ thống bố trí hai bộ điều chỉnh, một dùng cho tốc độ quay và một
dùng cho dòng điện. Hai bộ này ghép nối tiếp nhau, đầu ra của bộ điều chỉnh tốc
độ quay làm đầu vào của bộ điều chỉnh dòng điện, đầu ra của bộ điều chỉnh dòng

điện đi khống chế thiết bị phát xung của bộ chỉnh lưu bán dẫn thyristor.
10
I
R
kbd
(1+Tdk.p)(Tv.p+1)
1/
1
u
u
R
T p+
-
kI
1+TIp

Hình 2.2: Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ
khi có mạch vòng điều khiển dòng
trong đó: R
ω
, R
I
là bộ điều chỉnh tốc độ quay và bộ điều chỉnh dòng điện.
FX, FT là thiết bị phát xung và là máy phát xung đo tốc độ.
CL, GHD là chỉnh lưu, là khâu giới hạn dòng.

d
dt
khâu giới hạn tốc độ tăng của tín hiệu
sp

ω
.
2.2 CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG
ω
ω
FT
Đ
ph
ω
d
dt
sp
ω
R
ω
Trong trường hợp động cơ công
suất nhỏ và bộ biến đổi cho phép chịu quá tải lớn thì người ta có thể bỏ qua mạch
vòng dòng điện, khi đó ta có sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển như sau:
Hình 2.3: Cấu trúc mạch điều khiển tốc độ
khi không có mạch vòng điều khiển dòng
2.3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN KHI CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG
2.3.1 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện khi bỏ qua sức điện động của động cơ
Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện khi bỏ qua sức điện động như
hình sau :
11
ph
I
R
-
I

R

Hình 2.4: Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện
trong đó: k
db
hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi.
T
dk
hệ số thời gian mạch điều khiển.
T
v
hệ số thời gian van.
k
I
hệ số khuyếch đại mạch đo dòng.
T
I
hệ số thời gian mạch đo dòng.
- Để tổng hợp bộ RI ta đưa về mô hình dạng chuẩn :
- Trong đó
I
S
làm mô hình đối tượng của bộ điều khiển dòng.
S
I
=
pT
k
pTpT
k

pT
R
I
I
vdk
bd
u
u
++++ 1
.
)1)(1(
.
1
/1

(2.1)

- Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có bộ điều khiển dòng
I
R
RI =
)1(2
1
ppS
I
ττ
+
- Ta thấy trong mô hình đối tượng
I
S

, các hằng số thời gianT
dk
, T
v
, T
I
là rất nhỏ
so với thời gian điện từ T
ư
. Đặt T
∑
= T
dk
+ T
v
+ T
I
thì có thể viết lại (2.1) ở dạng gần
đúng như sau :
S
I
≈
)1)(1(
1
.
.
pTpTR
kk
uu
Ibd

Σ
++

(2.2)
- Thay giá trị của S
I
ta được:
R
I
=
)1)(1(
)1(2
.
.
1
pTpT
pp
R
kk
uu
Ibd
Σ
++
+
ττ
(2.3)
- Chọn τ = T
∑
thay vào phương trình trên ta được:
12

Hình 2.5: Sơ đồ khối rút gọn mạch vòng dòng điện
ω
Cu
Cu
-
R
p
I
T
k
.
21
/1
Σ
+
Đo
-
Mc
1
.J p

R
I
=
)
1
.(
2
)1)(1(
)1(2

.
.
1
u
Ibd
u
uu
Ibd
T
pTkk
R
pTpT
pTpT
R
kk
+=
++
+
Σ
Σ
ΣΣ
(2.4)
- Vậy bộ điều khiển dòng tổng hợp theo tiêu chuẩn modul tối ưu là 1 bộ điều
khiển PI. Theo tiêu chuẩn này hàm truyền kín của mạch vòng có dạng :

2
2
221
/1
pTpT

k
I
I
F
I
sp
u
I
ΣΣ
++
==
(2.5)
( Do T
I
rất nhỏ nên có thể bỏ qua).
2.3.2 Tổng hợp mạch điều khiển tốc độ khi có vòng điều khiển dòng
- Tổng hợp bộ điều khiển dòng theo tiêu chuẩn modul tối ưu (khi bỏ qua E) ta
sẽ được hàm truyền của mạch vòng như sau :

2
2
221
/1
pTpT
k
I
I
F
I
sp

u
I
ΣΣ
++
==
- Cấu trúc này khi triển khai cho động cơ 1 chiều có mô hình như sau:
Hình 2.5: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi có mạch vòng điều khiển dòng
- Do T
∑
là giá trị nhỏ nên có thể lấy xấp xỉ hàm truyền kín của mạch vòng là:
F
I
=
p
I
T
k
.
21
/1
Σ
+
(2.6)
- Khi đó sơ đồ điều có thể rút lại:
13
Cu
Cu

Hình 2.6: Sơ đồ rút gọn mạch vòng điều chỉnh tốc độ
- Như vậy đối tượng cho bộ điều khiển tốc độ có thể tính được :

S
ω
=
pJpT
k
Cu
pT
k
I
.
1
.
.1

.21
/1
ω
ω
++
Σ
(2.7)
+ Với hàm truyền khâu đo ω có dạng:
pT
k
ω
ω
+1
- Xấp xỉ hàm truyền đối tượng S
ω
ta được:

S
ω
=
)'21(
1
.
.
.
pTpJk
Cuk
I Σ
+
ω
với 2T
Σ
’ = 2T
Σ
+ T
ω
(2.8)

⇒

Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ là một khâu P.
- Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có:
R
ω
=
)1.(2.
)'.21(

1
.
.
.
1
)1(2.
1
pp
pTpkJ
kCu
ppS
I
ττ
ττ
ω
ω
+
+
=
+
Σ
- Chọn τ = 2T
Σ
’ :
⇒
R
ω
=
'4
.

Σ
TkCu
kJ
I
ω
(2.9)

⇒

Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ là 1 bộ PI.
- Áp dụng tiêu chuẩn modul đối xứng ta có:
R
ω
=
)1.(8.
)'.21(
1
.
.
.
.41
)1.(.8.
.41
22
22
pp
pTpkJ
kCu
p
ppS

p
I
ττ
τ
ττ
τ
ω
ω
+
+
+
=
+
+
Σ
- Chọn τ = 2T
Σ
’ :
⇒
R
ω
=









+=
+
ΣΣ
Σ
Σ
pTTkCu
kJ
pTkCu
kJpT
II
'.8
1
1
' 4
.
.'.32
.).'81(
2
ω
ω
(2.10)
2.4 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN KHI KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG.
Khi cả bộ biến đổi và động cơ đều có khả năng chịu quá dòng lớn, lại không có
yêu cầu cao về điều chỉnh gia tốc, hoặc khi sử dụng các truyền động công suất nhỏ
14

dùng bộ băm xung áp có tần số làm việc lớn đến mức không xuất hiện xung dòng
điện gián đoạn thì có thể không sử dụng mạch vòng điều chỉnh dòng điện.
+ Trong trường hợp T
c

> 4T
ư
thì hàm truyền của đối tượng sẽ là:
S
ω
=
)1)(1)(1)(1(
21
pTpTpTpT
k
dk
s
++++
ω
trong đó: ks = kbd . kd . kω
Tư.Tc.p2 + Tc.p + 1 = (1 + T1.p)(1+T2p).
K
d
=
Cu
1
là hệ số khuyếch đại.
T
c
=
2
.
Cu
JR
u

là hằng số thời gian cơ học.
Hình 2.7: Sơ đồ mạch điều khiển tốc độ khi không có vòng điều khiển dòng.
- Giả thiết rằng T
2
> T
1
và T
1
, T
2
lớn hơn nhiều so với T
dk
và T
ω
thì theo tiêu
chuẩn modul tối ưu, ta được bộ điều chỉnh tốc độ PID có hàm truyền như sau:

apkT
pTpT
pR
ss
2
).1)(.1(
)(
21
++
=
ω
(2.11)
với T

s
= T
dk
+ T
ω.
+ Nếu hệ số a bằng 1 thì hàm truyền của hệ kín là:

1).21.(2
1
)(
)(
++
=
pTpTpU
pU
ssd
ω
ω
15

- Hệ thống đạt vô sai cấp 1 đối với tín hiệu điều khiển. Nếu hệ thống có hằng
số thời gian cơ học T
c
nhỏ thì tương ứng nên giảm hệ số khuyếch đại của mạch
vòng điều chỉnh, nghĩa là nên chịn hằng số a lớn hơn 1.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
3.1 TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU KHIỂN
Tham số động cơ Л-11 đã cho là:
16

+ Công suất định mức : P
đm
= 0,7 (kW).
+ Điện áp định mức : U
đm
= 220 (V).
+ Dòng điện định mức : I
đm
= 4,3 (A).
+ Tốc đô định mức : n
đm
= 3000 (v/p).
+ Điện trở phần ứng : R
ư
= 5,340 (Ω).
+ Điện cảm phần ứng : L
ư
= 0,0972 (H).
+ Mômen quán tính : J = 0,012 (kg.m
2
).
- Hàm truyền đạt của bộ biến đổi (BBĐ):
W
bd
(p) =
.
1+pT
k
dk
bd

trong đó: k
bd
=
22
10
220
10
==
dm
U
là hệ số khuếch đại của bộ biến đổi.
T
dk
= 0.002
- Hàm truyền đạt của máy phát tốc ( đo ω).
W
ω
(p) =
.
1+pT
k
ω
ω
trong đó: kω = 1, là hệ số khuyếch đại của máy phát tốc.
Tω = 0.004 là hằng số thời gian của máy phát tốc.
- Hàm truyền đạt của máy biến dòng:
W
I
(p) =
.

1+pT
k
I
I
trong đó : k
I
= 1 là hệ số khuếch đại của biến dòng.
TI = Tv = 0.001 là hằng số thời gian của cảm biến dòng.
- Tốc độ định mức.

dm
2 2.3,14.3000
314
60 60
n
π
ω
= = =
- Cu = KΦ.

.
220 4,3.5.34
0,63
314
dm dm u
dm
U I R
Cu
ω
−

−
= = =
- Momen định mức.

dm
0,7.1000
2,3
314
dm
dm
P
M
ω
= = ≈
17

- Bộ điều khiển dòng.
R
I
=
)
1
.(
2
u
Ibd
u
T
pTkk
R

+
Σ
= k
p
.(
+
p
1
T
u
)
trong đó:

0.0972
0.018
5.340
u
u
u
L
T
R
= = =
T∑ = Tv + TI + Tdk = 0,004

34,30
004,0.2.1.22
34,5
2.
.

===
Σ
Tkk
R
k
Ibd
u
P
- Hàm truyền của bộ điều khiển mạch vòng dòng điện.









+
=
p
p
R
I
1018,0
.34,30
- Tính bộ điều khiển tốc độ ( theo phương pháp modul tối ưu ) :
+ Khi có mạch vòng dòng điện.
R
ω

=








+
ΣΣ
pTTkCu
kJ
I
'.8
1
1
' 4
.
ω

794,0
006,0.63,0.1.4
1.012,0
' 4
.
==
Σ
TCuk
kJ

I
ω
trong đó: T
Σ
‘=
006,0
2
004,0004,0.2
2
2
=
+
=
+
Σ
ω
TT
+ Khi không có mạch vòng dòng điện.
kd = 1 / Cu = 1/0,63 = 1,59

162,0
63,0
34,5.012,0
.
22
===
Cu
RJ
T
u

c
Với Tư.Tc.p2 + Tc.p + 1 = (1 + T1.p)(1+T2p)

⇒
T1 = 0,02; T2 = 0,142.
Ts = Tdk + Tω = 0,002 + 0,004 = 0,006.
Ks = kbd . kd . kω = 22.1,59.1 = 34,98.


p
pp
pkTa
pTpT
pR
ss
98,34.006,0.5,1.2
)142,01)(02,01(
2
).1)(.1(
)(
21
++
=
++
=
ω
18


⇒

p
pp
R
63,0
)142,01)(02,01( ++
=
ω
( chọn a = 1,5)

)142,01)(02,01(
).018,01.(45,13
)1)(1(
).1(
)(
1
).1(
)(
21
2
2
2
pp
p
pTpT
pT
Cu
R
pTTpT
pT

Cu
R
u
u
cuc
u
u
++
+
=
++
+
=
++
+
3.2 MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
3.2.1 Mô phỏng tốc độ động cơ khi có vòng điều khiển dòng.
- Mô phỏng mạch vòng dòng điện.
Hình 3.1: Mô hình mạch vòng điều khiển dòng
Hình 3.2: Kết quả mô phỏng mạch vòng dòng điện khi tín hiệu đặt thay đổi
Nhận xét: giá trị dòng điện I ở đầu ra luôn bám sát theo sự thay đổi của giá
trị đầu vào I
sp
.
Kết luận: mạch vòng dòng điện xây dựng ở trên đã điều khiển được giá trị
dòng điện theo yêu cầu đề ra.
- Mô phỏng mạch vòng tốc độ khi có gắn mạch vòng dòng điện.
19

trong đó : Khối 1 + khối 2 là R

ω

với khối 1 là
' 4
.
Σ
TCuk
kJ
I
ω
, khối 2 là








+
Σ
pT '.8
1
1
Khối F
I
là
p
I
T

k
.
21
/1
Σ
+
Hình 3.3:Mô hình mạch vòng tốc độ khi có gắn mạch vòng điều khiển dòng.
Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi thay đổi tín hiệu đặt với Mc = 0.
Hình 3.4: Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi ω
sp
=vart, Mc = const.
Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi dữ nguyên tín hiệu đặt và thay đổi Mc
20

Hình 3.5: Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi ω
sp
= const, Mc = var.
3.2.2 Mô phỏng tốc độ động cơ khi không có vòng điều khiển dòng.
- Mô phỏng mạch vòng tốc độ khi không gắn mạch vòng dòng điện.
Hình 3.6:Mô hình mạch vòng tốc độ khi không có vòng điều khiển dòng.
trong đó : khối 1+ khối 2 là R
ω
/p.
khối 3 + khối 4 là
)2.)(1.(
21
++ pTpT
k
d
Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi thay đổi tín hiệu đặt (ω

sp
).
Hình 3.7: Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi thay đổi tín hiệu đặt.
21

Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi thay đổi mômen cản (Mc).
Hình 3.8: Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi thay đổi mô men cản.
3.3 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG.
- Với động cơ khi có gắn vòng điều khiển dòng (hình 3.4 và 3.5), tốc độ của
động cơ (ω) sẽ không ổn định (quá độ) trong một thời gian ngắn, độ quá điều chỉnh
tương đối lớn khi thay đổi tín hiệu đặt (ωsp) hoặc thay đổi mômen cản (Mc), sau
đó ổn định ở một giá trị xác lập, bằng với tín hiệu đặt.
- Với động cơ không gắn vòng điều khiển dòng (hình 3.7 và 3.8 ),khi thay đổi
tín hiệu đặt hoặc thay đổi mô men cản, tốc độ động cơ (ω) cũng mất một thời gian
để ổn định bám sát tín hiệu đặt (ωsp) nhưng ngắn hơn, độ quá điều chỉnh cũng nhỏ
hơn so với bộ điều khiển khi có vòng điều khiển dòng.
- Từ đó, ta có thể thấy việc điều khiển ổn định tốc độ ở cả hai trường hợp cho
kết quả gần giống nhau, tuy nhiên ở trường hợp có gắn thêm vòng điều khiển dòng
có kết cấu phức tạp hơn, độ quá điều chỉnh lớn hơn. Vì vậy, ta chỉ nên sử dụng
vòng điều khiển dòng để điều khiển tốc độ động cơ trong những trường hợp yêu
cầu cao về dòng lớn, điều chỉnh gia tốc
Kết quả mô phỏng ở trên hoàn toàn phù hợp với kết quả nghiên cứu lý thuyết,
điều này chứng tỏ rằng thuật toán và cách thức xây dựng bộ điều khiển tốc độ ở
trên là đúng.
22

Kết luận
Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, với sự hướng dẫn của thầy giáo Trần Tiến
Lương, đến nay đồ án của em cơ bản đã hoàn thành. Nội dung của đồ án nêu nên
những vấn đề chính sau:

- Tổng quan về động cơ điện một chiều.
- Tổng hợp hệ thống điều khiển.
- Tính toán mô phỏng bộ điều khiển.
Mặc dù đã hết sức cố gắng, nhưng trình độ kiến thức còn hạn chế nên không
tránh khỏi những sai sót nhất định. Vì vậy, em xin tiếp thu ý kiến đóng góp của
thầy cô để bài đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Tài liệu tham khảo :
1. Bài giảng Tổng hợp hệ điện cơ – Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.
2. Matlab & simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động.
Tác giả: Nguyễn Phùng Quang – Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật.
3. Điều chỉnh tự động truyền động điện - Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật
Tác giả: Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn.
23