đồ án thiết kế môn học tổng hợp hệ điện cơ thiết kế hệ thống đảm bảo động cơ đồng bộ tốc độ đi thẳng về phía trước

MỤC LỤC
1
CHƯƠNG 1 : KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
1.1.Cấu tạo chung của động cơ một chiều
1.1.1.Định nghĩa
Máy điện một chiều là loại máy điện làm việc với dòng điện một chiều, có
thể sử dụng làm máy phát điện hoặc động cơ điện.
Máy điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ trơn trong khoảng rộng và
momen mở máy lớn vì vậy nó được sử dụng rộng rãi làm động cơ kéo, khi cần
điều chỉnh chính xác tốc độ động cơ trong khoảng rộng, máy điện một chiều còn
được sử dụng rộng rãi làm nguồn nạp ác quy, hàn điện, nguồn cung cấp điện…
1.1.2.Cấu tạo
Động cơ điện một chiều có cấu trúc gồm 3 bộ phận chính: phần cảm, phần
ứng, cổ góp và chổi than .
Phẩn cảm là bộ phận tạo ra từ trường đặt ở stator, thông thường phần cảm là một
nam châm điện gồm có cực từ N-S và cuộn dây kích từ.
Phần ứng có lõi thép đặt ở rotor, có phay rãnh để đặt dây quấn phần ứng. Mỗi
cuộn dây được nối tới hai lá góp của cổ góp điện.

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo động cơ điện một chiều
2
1.2.Nguyên lí làm việc của động cơ điện một chiều
Trong chế độ máy phát, cần cấp điện một chiều cho cuộn kích từ và nối
rotor với động cơ sơ cấp khác để quay rotor (máy lai động cơ). Khi rotor quay
trong từ trường phần cảm, trong cuộn dây sẽ xuất hiện thế điện động, được cổ
góp và chổi than nắn thành sức điện động một chiều.
Trong chế độ động cơ, cần cấp điện một chiều cho cuộn kích từ và cuộn dây
phần ứng. Dòng điện chạy trong phần ứng sẽ tác dụng với từ trường gây bởi
phần cảm tạo thành momen quay rotor.
1.3.Các trị số định mức của động cơ điện một chiều
Chế độ làm việc định mức của máy điện một chiều là chế độ làm việc

trong những điều kiện mà xưởng chế tạo đã quy định . Chế độ đó được đặc trưng
bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy và gọi là đại lượng định mức.
Trên nhãn máy thường ghi những đại lượng sau.
Công suất định mức P
đm
(kW hoặc W)
Điện áp định mức U
đm
(V)
Tốc độ định mức n
đm
(vòng/phút)
Dòng điện định mức I
đm
(A)
Dòng kích từ định mức I
ktđm
(A)
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ và các số liệu về điều
kiện sử dụng.
1.4. Phân loại động cơ điện một chiều
Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kích từ thành những loại sau:
-Kích từ độc lập : Đặc điểm của động cơ là dòng kích từ không phụ thuộc vào
phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ.
3
-Kích từ song song:
-Kích từ nối tiếp: Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ
được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng , vì vậy cuộn kích từ có tiết diện lớn,
số vòng dây nhỏ.
-Kích từ hỗn hợp: Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có hai cuộn kích từ

nên các đặc tính của nó có dạng trung gian giữa động cơ kích từ độc lập và nối
tiếp.
1.5.Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
-Nếu nguồn một chiều có công suất và điện áp không đổi thì mạch kích từ
được mắc song song với mạch phần ứng.
Hình 1.2 Mạch kích từ song song mạch phần ứng [1]
-Nếu nguồn 1 chiều có công suất không đủ lớn thì nguồn kích từ độc lập với
nguồn phần ứng. Ta có sơ đồ nguyên lý:
4

1.5.1.Thành lập phương trình đặc tính
Sức điện động của phần ứng được xác định theo biểu thức sau :
E= ∅ω=k∅ω
Trong đó :
P: số đôi cực từ chính
N: tổng số thanh dẫn của cuộn dây phần ứng
a: số mạch nhánh song song
∅: từ thông kích từ dưới 1 cực
K : hệ số cấu tạo động cơ
M
đt
được xác định theo biểu thức:
m
đt
= ∅I=k∅I
I = m
đt
/k∅
5
Hình 1.3 Nguồn kích từ độc lập với nguồn phần ứng [1]

Thay vào phương trình cơ điện ta được :
1
2
( )
U F
dt
R R
U
m
K K
+
ω = −
∅ ∅
nếu bỏ qua các tổn thất nặng lượng bên trong động cơ khi đó m
dt
= m
cơ
= m và
phương trình đặc tính cơ của động cơ là :
1
2
( )
U F
R R
U
K K
+
ω = −
∅ ∅
-khi I = 0 hoặc M = 0 ta có ω = =ω

o
được gọi là tốc độ không tải lí tưởng của
động cơ
-khi ω=0 ta có
I = = I
nm
M = k∅Inm =M
nm
I
nm
và M
nm
là dòng điện và mômen ngắn mạch
Từ các phương trình trên mối quan hệ ω = f(M) và ω=f(I) được biểu diễn như
sau:
6
1.6. Các phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ :
-Thay đổi điện áp nguồn nạp.
7
Hinh 1.4 mối quan hệ ω =f(M)
Hinh 1.5 Mối quan hệ ω = f(I)
-Thay đổi điện trở mạch rotor.
-Thay đổi từ thông.
1.6.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn nạp
Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nạp thì chỉ thay đổi được theo
chiều tốc độ giảm (vì mỗi cuộn dây đã được thiết kế với U nên không thể tăng
điện áp đặt lên cuộn dây. Ta biểu diễn đặc tính cơ của động cơ khi U =var. )
1.6.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch rotor
Đồ thị này cho thấy những ưu khuyết điểm sau:

-Dễ thực hiện, giá thành rẻ.
-Điều chỉnh tương đối láng.
8
Hình 1.6 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn
nạp

Phạm vi điều chỉnh hẹp và phụ thuộc vào tải (tải càng lớn phạm vi điều
chỉnh càng rộng), không thực hiện được ở vùng tốc độ không tải, điều chỉnh có
tổn hao lớn. Người ta chứng minh rằng để giảm 50% tốc độ định mức thì tổn
hao trên điện trở điều chỉnh chiếm 50% công suất đưa vào.
Điện trở điều chỉnh tốc độ có chế độ làm việc lâu dài nên không dùng điện trở
khởi động (làm việc ở chế độ ngắn hạn), làm điện trở điều chỉnh.
1.6.3 Điều chỉnh bằng từ thông
Khi giảm từ thông dòng điện ở rotor tăng nhưng không làm cho biểu thức
thay đổi vì giảm điện áp ở R chỉ chiếm vài phần trăm của điện áp phần ứng nên
khi giảm từ thông thì tốc độ sẽ tăng, song nếu cứ tiếp tục giảm dòng kích từ thì
tới 1 lúc nào đó tốc độ không tăng được nữa, sở dĩ như vậy là vì momen điện từ
của động cơ giảm. Phương pháp này chỉ thực hiện khi từ thông giảm tốc độ còn
tăng. Phương pháp thay đổi từ thông để điều chỉnh tốc độ rất láng và kinh tế.
Không điều chỉnh tốc độ ở dưới tốc độ định mức.
Chú ý: Không được giảm kích từ tới giá trị không vì lúc này chỉ còn từ dư
khi tải tăng tốc độ tăng quá lớn thường người ta thiết kế bộ điện trở điều chỉnh
để không khi nào mạch từ bị hở.
9
Hình 1.7 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch rotor
1.6.4 Hệ thống máy phát động cơ
Để tăng phạm vi điều chỉnh tốc độ, người ta thường dùng hệ thống máy phát
điện một chiều nạp trực tiếp cho động cơ một chiều, ta gọi nó là hệ thống máy
phát động cơ. Trong hệ thống này cả máy phát và động cơ đều là máy phát một
chiều kích từ độc lập.

Trong hệ thống máy phát động cơ có thể áp dụng phương pháp điều chỉnh
điện áp nguồn nạp (thay đổi kích từ máy phát) thay đổi điện trở mạch rotor động
cơ, từ thông kích từ động cơ, hệ thống cho ta phạm vi điều chỉnh rộng, điều
chỉnh được cả hai chiều tăng và giảm, có độ điều chỉnh láng.
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC
MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH ĐẢM BẢO TỐC ĐỘ GIỮA 2
ĐỘNG CƠ
2.1 Xây dựng mô hình cho động cơ điện 1 chiều.
Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến trong các
hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều (Đ)
từ vài W đến vài MW. Giản đồ kết cấu chung của Đ như hình 1.5, phần ứng
được biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở phần stato có thể
10
Hình 1.8 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
có vài dây quấn kích từ: dây quấn kích từ độc lập CKĐ, dây quấn kích từ nối
tiếp CKN, dây quấn cực từ phụ CF và dây quấn bù CB. Hệ thống các phương
trình mô tả Đ thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều
khiển) thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ U
k
; tín hiệu ra thường là
tốc độ góc của động cơ ω, mômen quay M, dòng điện phần ứng I, hoặc trong
một số trường hợp là vị trí của rôto φ. Mômen tải M
c
là mômen do cơ cấu làm
việc truyền về trục động cơ, mômen tải là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ
truyền điện tự động.

u
u
φ

ω
Hình 2.1 Giản đồ thay thế động cơ một chiều.
2.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp u
k
nào đó thì trong dây quấn
kích từ sẽ có dòng điện i
k
và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp đó
đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có
dòng điện chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo
thành mômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau:
M =
IkI
a
Np
Φ=Φ
.2
.
'
π

Trong đó: p
’
- số đôi cực của động cơ;
N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ;
a - số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng;
k = p
’
N/2пa - hệ số kết cấu của máy.

11
Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần
ứng quét qua từ thông và trong các dây dây quấn này cảm ứng sức điện động
(sđđ):
E =
ωω
π
Φ=Φ
k
a
Np

.2
.
'

Trong đó: ω - tốc độ góc của rôto.
Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng
điện áp phần ứng:

Φ
−
=
k
IRU
u
ω

Trong đó R
ư

- điện trở mạch phần ứng của động cơ.
Từ các phương trình trên có thể vẽ được họ đặc tính cơ M(ω) của động cơ
một chiều khi từ thông không đổi, hình 2.2.
12

2.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện 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 1.5 như sau:
13
Hình 2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi
* Mạch kích từ, có hai biến dòng điện kích từ i
k
và từ thông Φ là phụ thuộc phi
tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:
U
k
(p) = R
k
I
k
(p) + N
k
.p.Φ(p)
Trong đó: N
k
- số vòng dây cuộn kích từ;
R
k
- điện trở cuộn dây kích từ.
* Mạch phần ứng:

U(p) = R
ư
.I(p) + Lư.p.I(p) ± N
N
.p.Φ(p) + E(p)
Hoặc dạng dòng điện:
I(p) =
[ ]
)()( )(
1
/1
pEppNpU
pT
R
N
u
u
−Φ±
+
Trong đó L
ư
- điện cảm mạch phần ứng;
N
N
- số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp;
T
ư
= L
ư
/R

ư
- hằng số thời gian mạch phần ứng.
* Phương trình hệ điện cơ (phương trình chuyển động của hệ thống):
M(p) – M
c
(p) = Jpω
Trong đó J là mômen quán tính của các phần tử 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 sau:
14

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc chung của động cơ một chiều
Ta thấy rằng sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh (có khâu phi tuyến), do
đó trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm
làm việc (phương pháp số gia).
Trước hết chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ
hoá và đặc tính mômen tải như hình 2.4
15

Hình 2.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải.[2]
Độ dốc của đặc tính từ hoá và đặc tính cơ mômen tải tương ứng (bỏ qua
hiện tượng từ trễ) là:
16
k
k
=
00
,
K

I
k
I
Φ
∆
∆Φ

B =
BCb
M
C
M
ω
ω
,
∆
∆

Tại điểm làm việc xác lập ta có: điện áp phần ứng U
0
, dòng điện phần ứng
I
0
, tốc độ quay ω
B
, điện áp kích từ U
k0
, từ thông Φ
0
, dòng điện kích từ I

k0
và
mômen tải M
CB
. Biến thiên nhỏ của các đại lượng trên tương ứng là: ∆U, ∆I, ∆ω,
∆U
k
, ∆I
k
, ∆Φ và ∆M
C
.
Xét cho động cơ kích từ độc lập (N
N
= 0), khi đó các phương trình có thể
viết như sau:
- Mạch phần ứng:
U
ư
+ ∆U = R
ư
[I
ư0
+ ∆Iư] + pL
ư
[I
ư0
+ ∆Iư] + K[Φ
0
+ ∆Φ].[ω

0
+ ∆ω]
- Mạch kích từ:
U
k0
+ ∆U
k
= R
k
[I
k0
+ ∆I
k
] + pN
k
[Φ
0
+ ∆Φ

]
- Phương trình chuyển động cơ học:
K[Φ
0
+ ∆Φ].[I
ư0
+ ∆Iư] - [M
c0
+ ∆M
c
] = J

p
d[ω
0
+ ∆ω]/dt
Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết
được các phương trình của gia số như sau:
∆Uư = R
ư
∆Iư + pL
ư
∆Iư + KΦ
0
∆ω +K∆Φω
0

∆U
k
= R
k
∆I
k
(p) (1 + pT
k
)
K∆ΦI
ư0
+KΦ
0
∆Iư - ∆M
c

= J d∆ω/dt
Từ các phương trình trên ta suy ra sơ đồ cấu trúc chung đã được tuyến
tính hoá của động cơ một chiều kích từ độc lập

17

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa
Sau đây ta xét một số trường hợp đặc biệt của động cơ một chiều kích từ
độc lập trong chế độ quá độ.
a) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với Φ = const.
Khi dòng điện từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằng
nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:
KΦ = const = C
u
Khi đó
- Phương trình mạch phần ứng có dạng:
Uư = R
ư
I
ư
(1+pT
ư
) + C
u
.ω
- Phương trình hệ điện cơ có dạng:
C
u
I – M
c

= Jdω/dt
18
Từ hai phương trình trên ta suy ra sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
được biểu diễn trên hình 2.6

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
b) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với điện áp phần ứng không
đổi
Khi giữ điện áp phần ứng không đổi và điều chỉnh điện áp kích từ thì do
tính chất phi tuyến của mạch từ nên tốt nhất là sử dụng sơ đồ tuyến tính hoá
quanh điểm làm việc. Sơ đồ cấu trúc này được thể hiện trên hình 2.5, trong đó
tín hiệu điện áp phần ứng ∆Uư = 0.
19
Phương pháp này có ưu điểm là: bộ chỉnh lưu có điều khiển trong mạch
kích từ nhỏ gọn hơn, rẻ tiền hơn, với công suất nhỏ hơn dẫn đến kích thước và
trọng lượng nhỏ hơn.
Tuy nhiên nó có những nhược điểm cơ bản đó là:
- Đụng chạm đến tính phi tuyến của động cơ.
- Số vòng dây của cuộn kích từ lớn hơn do đó hằng sô thời gian mạch kích
từ lớn hơn nhiều so với mạch phần ứng (T
k
>>T
u
) dẫn đến thời gian quá
độ của hệ kéo dài.
- Phạm vi điều chỉnh tốc độ quay hẹp và còn bị phụ thuộc nhiều vào giá trị
mômen cản.
Do ảnh hưởng của từ dư sẽ gây ra sai lệch trong quá trình thực hiện đảo
chiều quay động cơ
c).Lựa chọn động cơ và tính toán các thông số mô phỏng:

Chọn động cơ 1 chiều
- Công suất định mức:

đm
P
=11KW
- Điện áp định mức:

đm
U
=220V
- Tốc độ định mức
đm
n
=1500(v/ph)
- Điện cảm phần ứng:
L=0.014(H)
- Điện trở phần ứng:
20
R=0,197(Ω)
- Dòng điện định mức:

đm
I
=59,5(A)

đm
ω
=
60

.2
dm
n
π
=
60
1500.2
π
=
)/(08,157 srad
=
dm
M

dm
dm
P
ω
=
08,157
1100
=
)(03,70 Nm

⇒
φ
K
=
dm
dm

I
M
=
5,59
03,70
=
2,1

)(071,0
197,0
014,0
s
R
L
T
u
u
u
===
Mc=50Nm(chọn)
21
Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
2.2 Cấu trúc điều khiển tốc độ giữa 2 động cơ
22
Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc hệ thống
a) Đo dòng
là sensor dòng điện có thể thực hiện bằng các biến dòng ở mạch xoay
chiều hoặc bằng điện trở sun hoặc các mạch do cách ly trong mạch một chiều .
GđoI =
Trong đó :

:hệ số khuyếch đại khâu đo
: hằng số thời gian đo
b)Đo tốc độ
Hiện nay đo tốc độ trong hệ truyền động người ta sử dụng máy phát tốc
một chiều , máy phát tốc xoay chiều , các bộ đô tốc độ xung và số. Ở đây ta
dùng máy phát tốc một chiều.
Trong đó:
– hệ số tỉ lệ
– hệ số thời gian bộ lọc
23
Đây là phương pháp điều khiển đồng bộ tốc độ động cơ theo động cơ chủ
đạo.
Ưu điểm:
Trong cấu trúc này tốc độ động cơ trước làm tín hiệu đặt cho động cơ sau.
Mỗi động cơ được điều khiển bằng một bộ điều khiển tốc độ riêng. Cấu trúc này
có ưu điểm làm chất lượng đáp ứng tốt hơn trong qúa trình quá độ cũng như
phản ứng với nhiễu.
Nhược điểm:
Nếu hệ có nhiều động cơ thì các động cơ phía sau sẽ bị dao động lớn nên
cấu trúc này thường không được sử dụng khi cần đồng bộ một dây chuyền.
Hình 2.9 Mô tả hệ thống
Hệ thống gồm 2 động cơ 1 chiều kích từ độc lập với yêu cầu là cần đồng
bộ tốc độ giữa 2 động cơ để đảm bảo xe luôn đi thẳng về phía trước .
2.3.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện
24
- Sơ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện:
Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện

Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện thu gọn
SI là hàm truyền của đối tượng cho bộ điều khiển dòng RI

I
S
=
)1()1)(1(
BĐ
pTRpTpT
k
uuwv
+++
=
)1)(1)(1)(1(
.
pTpTpTpTR
kk
Iđkvuu
IBĐ
++++

v
T
= 0.001 (chọn)

10
220
==
dk
N
BĐ
U

U
k
= 22
U
N
điện áp nguồn
U
đk
điện áp mạch điều khiển
25
RI SI