BTL điện cơ thiết bộ điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều KTĐL dùng bộ băm xung

Lời nói đầu
Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả
về chiều rộng lẫn chiều sâu,điện và các máy điện đóng một vai trò rất quan trọng
,
không thể thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh
hoạt
của con người. Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng là mũi nhọn
quyết định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp. Không một
quốc gia nào, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện.
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ 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 được sử
dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí
nhất định như trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị
cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như 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 ... nhưng do những ưu
điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện
đại.
Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75%
÷85%, ở động cơ điện công suất trung bình và lớn khoảng 85% ÷ 94% .Công
suấtlớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào
khoảngvài trăm cho đến 1000v. vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của mình
em thực hiện đề tài này. “Thiết kế bộ điều khiển ổn định tốc độ động cơ một
chiều kích từ độc lập sử dụng mạch động lực là bộ băm xung”
Để thực hiện mục tiêu trên, được sự chỉ bảo của thầy giáo hướng dẫn
Trần Tiến Lương, cùng với sự nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành bản đồ
án với ba chương có nội dung chính như sau:
Chương 1: Tổng quan về truyền động điện một chiều.
Chương 2: Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển.

Chương 3: Tổng hợp các bộ điều khiển và mô phỏng.
Dù có nhiều cố gắng nhưng do kiến thức của em còn nhiều mặt hạn chế
vì vậy nội dung của quyển đồ án này còn nhiều thiếu sót. Rất mong được sự
giúp đỡ, chỉ bảo của các thầy cô để em hoàn thiện đồ án cũng như kiến thức của
mình được tốt hơn.
Em xin chân thành cảm
Giáo viên hướng dẫn

Sinh viên thực hiện

1


Mục lục

2


CHƯƠNG 1 : NHỮNG LÝ THUYẾT CẦN TÌM HIỂU
1.1.Khái quát đông cơ điện một chiều kích từ đôc lập
1.1.1- Cấu tạo và đặc tính cơ của động cơ một chiều
Động cơ một chiều bao gồm 2 phần phần cảm (phần tĩnh) và phần ứng
(phần quay).
* Phần cảm (stator)
Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ
vừa là vỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng điện
chạy trong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân
phiên nhau. Cực từ chính gắn với vỏ máy nhờ các bulông. Ngoài ra máy điện
một chiều còn có nắp máy, cực từ phụ và cơ cấu chổi than.

Hình 1.1 Cực từ chính
* Phần ứng (rotor)
Rôto gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy.

Hình 1.2 Lá thép rôto

Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều

1. Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5
3


mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh
để đặt dây quấn phần ứng (hình 1.2).
2. Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong
các rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Phần tử của dây quấn
là một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của
vành góp (hình 1.3a). hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai
cực từ khác tên (hình 1.3b).
3. Cổ góp (vành góp) hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng
hình đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách
điện với trục máy.
Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy…
1.1.2- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Trên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong
dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm
trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụng
lên rôto, làm quay rôto. Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay
trái (hình 1.4a).

Hình 1.4 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau
(hình 1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều
biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều
lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất
định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi.
Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện
một chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo
quy định. Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy
gọi là những đại lượng định mức.
Công suất định mức Pđm (kW hay W).
4


Điện áp định mức Uđm (V).
Dòng điện định mức Iđm (A).
Tốc độ định mức nđm (vòng/ph).
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ…
Chú ý: Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện. Đối với
máy phát điện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ
đó là công suất đưa ra trên đầu trục động cơ.
1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc
lập
Về phương diện điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều có nhiều ưu
việt hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc
độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại
đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.
Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều nói chung và động cơ một chiều kích từ độc lập nói riêng :
Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ.

Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.
Cấu trúc phần 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 công nghiệp thường sử dụng
bốn loại bộ biến đổi chính:
•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 lưu bán dẫn: Chỉnh lưu tiristo (CLT)
•Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA)
Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động
như:
•Hệ truyền động máy phát-động cơ (F-Đ)
•Hệ truyền động máy điện khuếch đại - động cơ (MĐKĐ-Đ)
•Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT-Đ)
5


•Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor-động cơ (T-Đ)
•Hệ truyền động xung áp-động cơ (XA-Đ)
Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ
động cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều
chỉnh tự động) và loại điều khiển theo mạch hở (hệ truyền động điều khiển hở).
Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp, nhưng có chất
lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động hở.
Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
còn được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều
quay. Đồng thời tuỳ thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền
động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư.
Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng:

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn
như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển vv...
Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một
chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk.

Lk
Rb
U®k

BB§

§

I

Eb(Udk)

Ru®
U

Eu

Hình 1.5. Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập.
Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này
có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không.
Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như
sau:
Eb - Eư = Iư.Rb + RưđIư

ω=

Eb
R +R
− b ud I u
KΦ dm KΦ dm

(1.1)
6


ω = ω 0 (U dk ) −

M
β

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ
cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp
điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương 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 bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định
mức và từ thông cũng được 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 mô men khởi động. Khi mô
men tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ

ω max = ω 0 max −

M dm
β

ω min = ω 0 min −

(1.2)

M dm
β

Để thoả mãn khả khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều
chỉnh phải có mô men ngắn mạch là:
Mnmmin = Mcmax = KM.Mdm
Trong đó KM là hệ số quá tải về mô men. Vì họ đặc tính cơ là các đường
thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết:

ω min = ( M nm min − M dm )

1 M dm
=
( K M − 1)
β
β

M dm ω 0 max . β
−1
β
M dm
D=
=
M dm
KM − 1
( K M − 1)

β

ω 0 max −

(1.3)

7


W

Wo max
Wmax

W®k1
W®k1

Wo min

M,I

Wmin
0

M®m

Mnm min

Hình 1.6. Xác định phạm vi điều chỉnh
Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ω0max, 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 cac thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện
trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có
thể tính sơ bộ được:

ω o max β / M dm ≤ 10
Vì thế với tải có đặc tính mô men không đổi thì có giá trị phạm vi diều
chỉnh tốc độ cững không vượt quá 10. Đói với các máy có yêu cầu cao về dải
điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống
“hở” như trên là không thoả mãn được.
Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của truyền
động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng
thì độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh là như nhau, do đó độ sụt
tốc tương đối 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 vượt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số
luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh. Sai số tương đối của
tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là:

s=

ω o min − ω min ∆ ω
=
ω o min
ω o min

(1.4)

8

s=

M dm
≤ s cp
β ω o min

Vì các giá trị Mdm, ωmin, Scp la xác định nên có thể tính được giá trị tối
thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá giá trị cho phép. Để
làm việc này, trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ thống truyền động
điện kiểu vòng kín.
Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích
từ được giữ nguyên, do đó mô men tải cho phép của hệ sẽ là không đổi:
Mc.cp=Kφđm.Iđm=Mđm.
Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mô men nằm trong hình chữ nhật bao bởi
các đường thẳng ω = ωđm , M = Mđm và các trục toạ độ. Tổn hao năng lượng
chính là tổn hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong
hệ.
E = Eư + Iư(Rb + Rưđ)
IưEb = Iư Eư + Iư2(Rb + Rưđ)
Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mô men do động cơ sinh ra đúng bằng
mô men tải trên trục: M = Mc và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là
Mc = ()x thì

ηu =

ω * + R * (ω * )

x −1

(1.5)

ω

ω
ω ®m

1

Μ ®m

Μ

x=
-1

x=
0

ω

ω*

1

ηu

Hình 1.7.Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ với các loại tải khác
9

nhau
Hình 1.7 mô tả quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ làm việc trong các trường
hợp đặc tính tải khác nhau. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần
ứng là rất thích hợp trong trường hợp mô men tải là hằng số trong toàn dải điều
chỉnh. Cũng thấy rằng không nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng vì
như vậy sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ.
Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ:
Điều chỉnh từ thông kích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô
men điện từ của động cơ M = KφIư và sức điện động quay của động cơ Eư =
Kφω. Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ
thôngcũng là hệ phi tuyến:

ik =

ek
dΦ
+ ωk
rb + rk
dt

(1.6)

Trong đó: rk - điện trở dây quấn kích thích,
rb - điện trở của nguồn điện áp kích thích,
ωk – số vòng dây của dây quấn kích thích,

Trong chế độ xác lập ta có quan hệ:
φ = f [ik]
Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên

bằng giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ
thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức,từ thông định mức và
được gọi là đạc tính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính tự nhiên của động cơ). Tốc
độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch
của cổ góp điện. Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng
thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều
kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép,
kết qủa là mô men cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh. Ngay cả khi giữ
nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cững giảm rất nhanh khi
giảm từ thông kích thích:

βΦ

2
(
KΦ )
=

Ru

hay

β = (φ
*
φ

)

* 2

10



ik
Uđk

I

rbk
Lk

rk
k
a,

max

E

0
ikk

Lk(Uđk)

Đặc tính cơ bản

đm

b,


0
c,

Hỡnh 1.8.S thay th (a) c tớnh iu chnh khi iu chnh t thụng ng c
(b) Quan h v (ikt) (c)
Do iu chnh tc bng cỏch gim t thụng nờn i vi cỏc ng c m
t thụng nh mc nm ch tip giỏp gia vựng tuyn tớnh v vựng bo ho
ca c tớnh t hoỏ thỡ cú th coi vic iu chnh l tuyn tớnh v hng s C ph
thuc vo thụng s kt cu ca mỏy in
Kt Lun
Phng phỏp iu chnh tc bng cỏch thay i t thụng cú nhiu hn
ch so vi phng phỏp iu chnh in ỏp phn ng phng phỏp thay i t
thụng b
hn ch bi cỏc iu kin c khớ: ú chớnh l iu kin chuyn mch ca c gúp
in. C th phng phỏp iu chnh in ỏp phn ng cú cỏc u im hn nh
sau :
1 - Hiu sut iu chnh cao (phng trỡnh iu khin l tuyn tớnh, trit
) hn khi ta dựng phng phỏp iu chnh in ỏp phn ng nờn tn hao cụng
sut iu khin nh.
2 - Vic thay i in ỏp phn ng c th l lm gim U dn n mụmen
ngn mch gim, dũng ngỏn mch gim. iu ny rt cú ý ngha trong lỳc khi
ng ng c.
11


3 - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều

chỉnh xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục.
Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi
phải có nguồn áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và
ưu đIểm của nó. Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi.
1.3 . Tổng quan về bộ biến đổi xung áp
Cấu trúc và phân loại bộ biến đổi xung áp
* Bộ biến đổi xung áp giảm áp
Sơ đồ nguyên lý :

Nguyên lý hoạt động :
Phần tử điều chỉnh quy ước là khóa S ( van bán dẫn điều khiển được )
Đặc điểm của sơ đồ này là khóa S, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có
tính chất cảm kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc L & C. Điôt mắc ngược với Ud để
thoát dòng tải khi ngắt khóa K.
+ S đóng thì U được đặt vào đầu của bộ lọc. Nếu bỏ qua tổn thất trong các van
và các phần tử thì Ud=U
+ S mở thì hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng id do năng lượng tích
lũy trong cuộn L và cảm kháng của tải, dòng khép kín qua D, do vậy Ud=0
Như vậy, Ud ≤ U. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
* Bộ biến đổi xung áp tăng áp
Sơ đồ nguyên lý :

12


Đặc điểm:
L nối tiếp với tải, khoá S mắc song song với tải. Cuộn cảm L không tham
gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này.
+ S đóng, dòng điện từ +U qua L → S → -U. Khi đó D tắt vì trên tụ có
UC (đã

được tích điện trước đó).
+ S ngắt, dòng điện chạy từ +U qua L → D → Tải. Vì từ thông trong L
không giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm có
cùng cực tính với U. Do đó tổng điện áp: ud =U + eL. Vậy ta có bộ biến đổi tăng
áp.
Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên
tục và năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn.
* Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp
Sơ đồ nguyên lý:

13


Tải là động cơ mmột chiều được thay bởi mạch tương đương R-L-E. L1
chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lượng. C đóng vai trò lọc.
Nguyên lý hoạt động :
+ S đóng, trên L1 có U, dòng chạy từ +U → S → L1 → -U. Năng lượng
tích luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Ud =UC, tụ C phóng điện qua tải.
+ S ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp
đóng
⇒ D thông ⇒ năng lượng từ trường nạp và C, tụ C tích điện; ud sẽ ngược chiều
với U.
Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U. Giá trị tuyệt đối |Ud| có thể lớn
hơn hay nhỏ hơn U nguồn.

* Bộ băm xung một chiều có đảo chiều

14

Ở đây ta sử dụn van bán dẫn IGBT Bộ BXM dùng van điều khiển hoàn
toàn IGBT có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện tải
Trong các hệ trngruyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do đó
bộ biến đổi này tthường hay dùng để cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ
độc lập có nhu cầu đảo chiều quay.
Các van IGBT làm nhiệm vụ khoá không tiếp điểm .Các Điôt
Đ1,Đ2,Đ3,Đ4 dùng để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện quá
trình hãm tái sinh.
Có các phhương pháp điều khiển khác nhau như : Điều khiển độc lập,
điều khiển không đối xứng và điều khiển đối xứng
+ IGBT là phần tử đóng cắt với dòng áp lớn, nó đang dần thay thế
transistor BJT nó ngày càng thông dụng hơn do đó việc mua thiết bị cũng đơn
giản hơn.Cùng với sự phát triển của IGBT thì các IC chuyên dụng điều khiển
chúng (IGBT Driver) ngày càng phát triển và hoàn thiện do đó việc điều khiển
cũng chuẩn xác và việc thiết kế các mạch điều khiển cũng đơn giản, gọn nhẹ.

15


CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN
2.1.Đề xuất cấu trúc bộ điều khiển
Trong quá trình làm việc tốc độ của động cơ điện thường bị thay đổi do sự
biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sự sai lệch về tốc độ thực so với
tốc độ đặt hay tốc độ mong muốn. Bởi vậy, việc ổn định tốc độ là một trong
những vấn đề quan trọng của hệ truyền động tự động.
Một yêu cầu đặt ra khi thiết kế truyền động và sự phù hợp giữa đặc tính
điều chỉnh của động cơ điện và đặc tính tải. Người ta thường chọn hệ truyền
động sao cho đặc tính điều chỉnh bám sát yêu cầu tải. Mặt khác, vẫn luôn đảm
bảo được tính ổn định công tác trong chế độ làm việc xác lập cũng như quá trình
quá độ

Đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập, về phương diện điều
chỉnh tốc độ có nhiều ưu việt do khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, cấu trúc
mạch lạc, mạch điều khiển đơn giản, chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều
chỉnh tốc độ rộng, từ những phân tích về ưu nhược điểm các phương pháp điều
chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta sử dụng phương pháp
điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng động cơ thông qua bộ
băm xung một chiều.
2.2.Cấu trúc trong bộ điều khiển

I

-U
Udω

FT
RI

R
Ui

KI

K

BĐ
Udk
Đ

CK

-Ui
Si

16


Hình 2.1. Mô hình điều khiển truyền động của hệ

Trong đó
Rω: bộ điều chỉnh tốc độ có hệ số khếch đại Kω
RI: bộ điều chỉnh dòng điện có hệ số khếch đại KI
BĐ: bộ biến đổi
FT: máy phát tốc
Đ: động cơ
Si: cảm biến dòng
Nguyên lý hoạt động : Điện áp đầu ra của R ω là điện áp đặt dòng điện
phần ứng Uiđ, giá trị bão hoà uiđmax chính là giá trị đạt cực đại của dòng điện
phần ứng. Bộ điều chỉnh dòng điện R I trong mạch vòng có nhiệm vụ duy trì
dòng điện phần ứng luôn bằng giá trị đặt (U iđ), bất kể hệ thống đang làm việc
ổn định hay đang trong quá trình quá độ. Như vậy, mạch vòng điện được điều
khiển bởi tín hiệu Uiđ. Vì dòng điện là đại lượng biến thiên nhanh nên sai lệch δ
i luôn nhỏ, bộ điều chỉnh RI luôn làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính điều
chỉnh.
Khi bắt đầu quá trình thay đổi tốc độ, giả sử xét khi khởi động động cơ.
Do có sự thay đổi đột ngột của Uωđ trong khi chưa thay đổi kịp do quán tính cơ
học của hệ, nên sai lệch đầu vào δ ω = U ωđ - Uω có giá trị lớn. Điểm làm việc
của R sẽ ở rất sâu trong vùng bão hoà của đặc tính điều chỉnh, tín hiệu ra của R
sẽ là Uiđ = Uiđmax = const, mạch vòng tốc độ bị “ngắt” ra khỏi sơ đồ. Do hoạt
động của mạch vòng dòng điện mà dòng điện phần ứng được duy trì ở giá trị I =
Iđmax tương ứng tín hiệu vào của mạch vòng là U iđmax, điểm bắt đầu khởi động là

điểm A trên hình 3 - 1,c. động cơ bắt đầu được tăng tốc độ với gia tốc :
(K.Φđm. Iđmax - Mc)/ J
Quá trình quá độ khi hãm, điều chỉnh tốc độ và khi quá tải lớn cũng xảy
ra tương tự như trên.
Về cấu trúc hệ thống, ta chấp nhận cấu trúc hệ điều khiển phân cấp với
các bộ điều khiển RI, Rω theo luật PI số
Về giá trị các tham số của các bộ điều khiển R I, R có thể xác định nhờ các
phương pháp nghiên cứu thông thường: phương pháp môđun tối ưu, hoặc
phương pháp môđun đối xứng

17


2.3.Thiết bị thực
Cảm biến dòng HALL 500A

Máy phát tốc DC TACHOMETER SANYO DENKI Model104-8006
Hình 2.2.Cảm biến dòng điện

18


Hình 2.3.Máy phát tốc

19


Chương 3. Tổng hợp các bộ điều khiển
3.1.Tổng hợp bộ điều khiển
3.1.1.Sơ đồ động cơ điện 1 chiều

Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng phổ biến trong các hệ
thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều từ vài
W đến hàng MW.

Hình .3.1 : Sơ đồ thay thế động cơ một chiều
Trong đó :
+ 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
+ ω , M, MC là tốc độ góc, mômen điện từ và mômen cản của động
20


Hệ thống các phương trình mô tả động cơ một chiều thường là phi tuyến,
trong đó tín hiệu đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường là điện áp phần ứng Uư,
điện áp kích từ Uk, tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động cơ ω, mô men
quay M, dòng điện phần ứng Iư, hoặc trong một số trường hợp là vị trí của rô to
φ. Mô men tải Mc là mô men do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mô
men tải là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền động điện.
Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau:
u=iuRư+L+kФω

(3.1)

E=kФω

(3.2)

Ukt=ikt+Lkt

(3.3)

M=.ФI= kФI

(3.4)

M - Mc= J

(3.5)

Cu=kφ
Trong đó:
Uk, Ik: điện áp và dòng điện kích từ.
Uư, Iư: điện áp và dòng điện phần ứng.
Rư, Lư: điện trở và điện cảm phần ứng.
M: mô men của động cơ một chiều.
Mc: mô men tải (mô men cản).
’
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 - hệ số kết cấu của máy.
Rư - điện trở mạch phần ứng của động cơ
Dạng phương trình cân bằng điện áp khi chuyển sang toán tử Laplace
U=RưLư +pLư.Iư+E

→ Iư = = (U-E)

(3.6)

- Phương trình momen điện từ
Mdt = KφIư

(3.7)

- Phương trình động học
M = Mc + J

(3.8)

- Phương trình động học khi chuyển sang toán tử Laplace
M = Mc + J.sω

(3.9)
21


→ω=

(3.10)

Vậy ta có được sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều kích từ độc lập khi
dòng điện kích từ động cơ không đổi tức là động cơ được kích thích bằng nam
châm vĩnh cửu như sau :
ω

I

U

ω

Cu

Cu

Hình 3.2 : Sơ đồ của động cơ một chiều kích từ độc lập .φ=const
3.1.2.Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động
Trong quá trình điều chỉnh tốc độ quay của động cơ ta có thể coi sự ảnh
hưởng của sức điện động E của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều
chỉnh khi tốc độ quay thay đổi chậm và ít (hệ có mômen quán tính lớn, hằng số
thời gian cơ học Tc >> Tư - hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng).
Khi đó ta có sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện như sau:
Isp

Ri

BBD

I

Hình 3.3.Mô hình mạch vòng dòng điện
Chuyển mô hình về dạng tổng quát ta được

22

RI

SI

Trong đó:
SI – hàm truyền đối tượng của BĐK RI
RI - bộ điều chỉnh dòng điện,
BĐ - bộ biến đổi một chiều, có hàm truyền
→ Ta đi xác định RI:
Hàm truyền của mạch dòng điện (hàm truyền của đối tượng điều chỉnh) là
như sau:
Si=

(3.11)

Tdk, Tv, Ti là hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lưu,sự chuyển mạch
chỉnh lưu, xenxo dòng điện
Trong đó các hằng số thời gian Tdk, TV, Ti là rất nhỏ so với hằng số thời
gian điện từ Tư . Đặt TΣ = Tdk+ TV+ Ti thì có thể viết lại (3.11) ở dạng gần đúng
như sau:
Si=, trong đó Ts<Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môdun ta có:
Ri(s) = = .(1+ ) (chọn τ= Ts). Đây là khâu PI
Suy ra hàm truyền kín của dòng điện đối với tín hiệu đặt là:
23


FI = =.
3.1.3 Tổng hợp mạch vòng tốc độ

Hệ có dạng nối cấp: mạch vòng dòng điện bên trong và mạch vòng tốc độ
ở bên ngoài, nó được sử dụng khi:
Hệ không có khả năng về quá dòng hoặc có yêu cầu cao về điều chỉnh gia
tốc hoặc rơi vào dòng gián đoạn phần ứng.
Số mạch vòng dòng điện thường là một đối với hệ không đảo chiều, là hai
đối với hệ có đảo chiều.
Muốn thay đổi chiều quay của hệ thì phải thay đổi dấu của tín hiệu đặt.
Cần phải lắp thêm bộ hạn chế dòng điện sau bộ điều khiển tốc độ để giảm
tín hiệu đặt cho mạch vòng dòng điện.
Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh tốc độ có mạch vòng dòng điện:
.

ωsp
Rω

ω
Cu

Hình 3.4. Mô hình mạch vòng tốc độ
Chuyển mô hình về dạng

Rω

Sω

Sω: hàm truyền đối tượng của bộ điều khiển tốc độ
Sω =
24

Do TΣ và Tω đều là hằng số thời gian nhỏ nên có thể sấp sỉ
Sω =
Áp dụng tiêu chuẩn môdun tối ưu đối xứng có
Rω =
Chọn τ = TΣ’
→ Rω = . (1+)
Vậy bộ điều khiển tốc độ Rω là bộ PI
3.2.Mô phỏng trên matlab-Simulink
Thông số động cơ :
M
Pđ
à HIỆU m
đm
(k
W)
V)
Л
4
-82
2.0
20

U

Iđ
m

(

nd

m

(
/p)
2
17

ư

(

J
(k

1

H)
0.

0508

g.m2)

(

Ω)

500

L

ư

(v

A)
2

R

0.
0038

3.
2

3.2.1. Tính toán
Từ các thông số ta tính được :

n 1500
2π n
ωdm = 60 = 9,55 = 9,55 = 157 rad/s

Pdm 42000
Mdm= ω dm = 157 = 267.5 N.m
M dm 267,5
Cu=Kφ= I dm = 217 = 1,23 Wb
Lu 0,0038
Tu= Ru = 0,0508 = 0,075 (s)
Chọn Ti= 0,002s ,Tv=0,001s Tdk= 0,001s, Tω= 0,002s
→ TΣ= Tv+Tdk+Ti= 0,001+0,001+0,002= 0,004 (s)

25