Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng phần ứng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập trong hệ truyền động thyristor – động cơ điện một chiều mô phỏng bằng phần mềm matlab

BÀI TẬP LỚN
ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ
Họ và tên: NGUYỄN QUỐC HOÀNG
Lớp: ĐTĐ54-ĐH1
Tên đề tài: "Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng phần ứng của động cơ
điện một chiều kích từ độc lập trong hệ truyền động Thyristor – Động cơ điện
một chiều. Mô phỏng bằng phần mềm Matlab"
Nội dung đề cương
Mục lục
Lời nói đầu
Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều
1.1.Tổng quan về động cơ điện một chiều
1.2.Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều
1.3.Cấu trúc hệ truyền động động cơ một chiều
Chương 2: Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo các phương pháp
2.1.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo phương pháp module tối ưu
2.2.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo phương pháp tối ưu đối xứng
Chương 3: Mô phỏng đáp ứng trên Matlab & Simulink
3.1.Chương trình mô phỏng
3.2.Kết quả mô phỏng
Kết luận
Tài liệu tham khảo
Hải Phòng, ngày 4 tháng 5 năm 2016
Giáo viên hướng dẫn

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Quốc Hoàng

1

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khoa học kĩ thuật phát triển nhất là trong lĩnh vực điện – điện tử tin học. Ngày càng có nhiều phát minh khoa học ứng dụng vào thực tế để thay
thế sức lao động cho con người . Động cơ điện một chiều là một trong rất nhiều
phát minh đó.Ngày nay, động cơ điện một chiều đã rất quen thuộc với chúng
ta.Em xin trình bày. Đề tài bài tập lớn”Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng
phần ứng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập trong hệ truyền động
Thyristor – Động cơ điện một chiều. Mô phỏng bằng phần mềm Matlab”.
Khi làm bài tập lớn môn học này có điều gì sai sót mong thầy giáo chỉ dạy cho
em để em được sửa chữa.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo và các bạn trong lớp đã giúp em hoàn
thành bài tập lớn này.

2


3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều
1.1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều
Trong mọi ngành sản xuất hiện nay,các công nghệ tiên tiến,các dây truyền
thiết bị hiện đại .Rất nhiều máy móc cần đến các loại động cơ điện một chiều
vói các công suất khác nhau phù hợp với chức năng hoạt động của nó.Động cơ
điện một chiều dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành
điện năng (khi hãm).
Động cơ điện một chiều có những loại:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều kích từ song song
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
1.1.2 Nguyên lý và cấu tạo của động cơ điện một chiều
Khi đặt vào từ trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì
từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào dây dẫn và làm dây dẫn chuyển động.Chiều
tác dụng của lực từ được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
Cấu tạo: gồm 2 phần chính: phần tĩnh (stator) và phần động (Rôtor)
Phần tĩnh gồm có:
- Cực từ chính là phần sinh ra từ trường gồm có lõi sắt là cuộn dây.Một cặp cực
từ gồm 2 cực nam bắc đặt đối xứng nhau qua trục động cơ.
- Cực từ phụ được đặt giữa cực từ chính để cải thiện tình trạng đổi chiều.
- Gông từ là phần nối tiếp các cực từ. Đồng thời làm vỏ máy.
- Nắp máy dung để bảo vệ các chi tiết máy không cho các vật bên ngoài rơi vào.
4


- Cơ cấu chổi than để đưa dòng điện từ bên ngoài vào nếu máy là động cơ và
đưa dòng điện ra nếu là máy phát
Phần động gồm có:
- Lói sắt phần ứng dùng để dẫn từ
- Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua.
- Cổ góp dùng để đổi chiều dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều.
- Trục máy làm bằng lõi thép để đặt phần ứng và cổ góp
1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Sơ đồ nguyên lý được biểu diễn như trên hình 1.1. Từ thông động cơ
được giữ không đổi. Điện áp phần ứng được cấp từ một bộ biến đổi.
Điện áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (Unày chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ.

H ình 1.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện
pháp thay đổi điện áp phần ứng có các đặc điểm sau:
Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ.
5


Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh.
Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh.
Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như
nhau. Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều
chỉnh. Do vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhất
không vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh.
Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể: D ~ 10:1.
Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với
.
Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thay đổi trơn
điện áp ra.
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng điện kích từ của
động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ. Rõ ràng phương pháp
này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa là chỉ có thể giảm
dòng điện kích từ

do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông.

Khi giảm từ thông, đặc tính dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn. Họ đặc
tính giảm từ thông như hình 1.2.

H ình 1.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
6


Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông có các đặc điểm sau:
Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng
tăng, tốc độ động cơ càng lớn.
Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông.
Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D ~ 3:1.
Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng.
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng
Sơ đồ nguyên lý nối dây như hình 1.3. Khi tăng điện trở phần ứng, đặc
tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng. Họ đặc tính
cơ khi thay đổi điện trở mạch phần ứng như hình 1.3.
Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở
ở mạch phần ứng:
- Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính
cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn.
- Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm (do
chỉ có thể tăng thế điện trở).
- Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng cho nên tổn
hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở càng lớn.

H ình 1.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng
7


1.2. Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều
1.2.1.Phương trình cân bằng điện áp:
U = R.I + L

U

: Điện áp phần ứng

E

: Suất điện động phần ứng

R

: Điện trở mạch phần ứng

L

I

di
+E
dt

: Điện cảm phần ứng
: Dòng điện mạch phần ứng

Chuyển sang toán tử Laplace ta được:
⇒ U = R.I + Lp.I + E

⇒

I = (U − E ).

1/ R
1 + pTU

(1.1)
TU =

L
R

: Hằng số thời gian điện từ mạch phần ứng

E = Kφω =

pN
φω
2a

(1.2)
p

N

: Số đôi cực từ chính
: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

8


φ

ω

K

: Từ thông kích từ dưới một cực từ
: Tốc độ góc

=

pN
2π .a

: Hệ số cấu tạo của động cơ

1.2.2.Phương trình mômen điện từ của động cơ:
M = Kφω

(1.3)
M

: Mômen điện từ của động cơ

1.2.3.Phương trình cơ học của động cơ:
M = MC + J

MC

J

dω
dt

: Mômen cản của động cơ

: Mômen quán tính của động cơ

Chuyển sang Laplace ta được :
⇒ M = M C + Jpω

⇒ω

ω

=

=

M − MC
Jp

(1.4)

dθ
dt

Chuyển sang toán tử Laplace ta được :

9

⇒ ω θ.p

=

(1.5)

Từ các phương trình (1.1), (1.2), (1.3), (1.4), (1.5) ta có sơ đồ cấu trúc của động
cơ điện một chiều:

Hình 1.4 :Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều
1.3 Cấu trúc hệ truyền động động cơ một chiều
Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
bao giờ cũng cần một bộ biến đổi.Các bộ biến đổi náy cấp cho mạch phần ứng
động cơ hoặc mạch kích từ động cơ.Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bốn
loại bộ biến đỏi chính:
- Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều máy diện
khuếch đại (MDKD)
- Bộ biến đổi điện từ : khuếch đại từ (KĐT)
- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : chỉnh lưu thyristor (CLT)
- Bộ biến đổi xung áp một chiều : thyristor và tranzitor (BBĐXA)
1.3.1 Hệ truyền động máy phát - động cơ (F - Đ)
Hệ thống máy phát - động cơ (F-Đ) là hệ truyền động điện mà BBĐ
điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát này thường do
động cơ sơ cấp không đồng bộ 3 pha quay và coi tốc độ quay của máy phát là
không đổi.
10


Hình 1.5 - Hệ truyền động F-Đ đơn giản.

Trong sơ đồ:
Đ : Là động cơ điện một chiều kéo cơ cấu sản xuất, cần phải điều chỉnh tốc độ.
F : Là máy phát điện một chiều, đóng vai trò là BBĐ cấp điện cho động cơ Đ
Đảo chiều: Cặp tiếp điểm T đóng hoặc N đóng, dòng điện kích từ máy phát
ICKF đảo chiều, do đó đảo chiều từ thông , do đó UF đảo dấu, dẫn đến W đảo
chiều.
- Ưu điểm:
+ Điều chỉnh tốc độ đơn giản, ít tốn năng lượng vì chỉ thực hiện trong mạch
kích từ.
- Nhược điểm:
+ Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay, trong
đó ít nhất là 2 máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất
gấp 3 lần công suật động cơ chấp hành, dẫn đến giá thành tăng, hiệu suất thấp.
+ Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trễ nên
khó điều chỉnh sâu tốc độ.
1.3.2 Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT - Đ)
Khuếch đại từ là khí cụ điện mà tín hiệu đầu ra được khuếch đại nhờ sự
11


thay đổi điện kháng bằng cách thay đổi dòng điều khiển. Sơ đồ nguyên lý
của một khuếch đại từ đơn giản được trình bày ở hình 1.6.

Hình 1.6 - Khuếch đại từ.
1.3.3 Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ
Các bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều thực chất là các bộ
chỉnh lưu (hay các bộ nắn điện) dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành
dòng điện một chiều.
Có rất nhiều sơ đồ chỉnh lưu khác nhau được phân loại như sau:
-

Theo số pha có: Chỉnh lưu 1 pha, chỉnh lưu 3 pha...

-

Chỉnh lưu hình tia,chỉnh lưu cầu

Hình 1.7 - sơ đồ hệ truyền động T-Đ không đảo chiều.
12


Trong thực tế không thể lọc hết hoàn toàn các thành phần sóng hài bậc cao, do
đó còn tồn tại thành phần dòng điện xoay chiều chạy qua động cơ làm động cơ
nóng hơn so với trường hợp làm việc trong hệ F-Đ

CHƯƠNG 2. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG THEO
CÁC PHƯƠNG PHÁP
Tổng hợp mạch vòng dòng điện
Sơ đồ cấu trúc:

Trong đó:

T=

LU
RU

: Hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng
13

Sơ đồ tương ứng:

Từ sơ đồ trên ta có hàm truyền của đối tượng :

Soi(p) =

U i ( p)
K cl .K i / Ru
=
U dk ( p ) (1 + pTdk )(1 + Ti p )(1 + pTV )(1 + pTu )

ứng với điều kiện
Tsi = Ti + TV +Tdk <Bỏ qua các thành phần bậc cao ta có

Soi(p) =

K cl .K i / Ru
(1 + Tsi p )(1 + pTu )

2.1. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo phương pháp module tối ưu
Theo tiêu chuẩn Modul tối ưu ta có hàm truyền hệ kín như sau:

FMoi =

1
1 + 2τ σ . p + 2τ σ2 . p 2

Mặt khác ta có:

FMoi(p) =

Ri ( p ).Soi
1 + Ri ( p ).Soi

14


=> Ri(p) =

=> Ri(p) =

=> Ri(p) =
Chọn

τσ

FMoi
Soi (1 − FMoi )

1
2τ σ p(1 + 2τ σ p).S Oi

(1 + pTsi )(1 + pTu )
(2τ σ pK cl K i / Ru )(1 + 2τ σ p)

= min(Tsi,Tu) = Tsi

Rút gọn ta được hàm truyền

Ri(p) =

1 + pTu
Ru .Tu
1
=
(1 +
)
2 pK cl .Ki .Tsi / Ru 2 K cl .Ki .Tsi
pTu

Vậy Ri(p) là khâu tỉ lệ tích phân (PI)

2.2.Phương pháp tổng hợp hệ theo tiêu chuẩn modul tối ưu đối xứng:

F0 Mi ( p) =

1 + 4τP
1 + 4τp + 8τ 2 . p 2 + 8τ 3 . p 3

Ta có :
C0=0 : Hệ vô sai
C1=0 : Sai lệch về tốc độ
C2≠0 : Đặc trưng cho gia tốc thay đổi
Đặc điểm :
a12 = 2a0.a2
a22 = 2a1.a3
15

Mặt khác ta có

FMoi(p) =

Ri ( p ).Soi
1 + Ri ( p ).Soi

=> Ri(p) =

FMoi
Soi (1 − FMoi )

1 + 4τ σ p
8τ σ p 2 (1 + τ σ p).Soi
2

=> Ri(p) =

=> Ri(p) =
Chọn

τσ

(1 + pTsi )(1 + pTu )(1 + 4τ σ p)
(8τ 2σ p 2 K cl Ki / Ru )(1 + τ σ p )

= min(Tsi,Tu) = Tsi

Rút gọn ta được hàm truyền

Cho

1 + 4τ σ p

=> Ri(p) =

=

4τ σ p

1 + Tu p
2T 2 Si p K cl K i / Ru

Vậy Ri(p) là khâu tỉ lệ tích phân (PI)

CHƯƠNG 3.MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG TRÊN MATLAB & SIMULINK
3.1.Chương trình mô phỏng
Các thông số cho trước:
Công suất định mức:
16


Điện áp định mức:
Tốc độ định mức:
Điện trở phần ứng:
Mômen quán tính:
Điện cảm phần ứng:
Hằng số động cơ: ;
Từ thông danh định:
Hằng số thời gian của khâu chỉnh lưu:

Ta có:

Hằng số thời gian phần ứng:

Mặt khác ta có:

Chọn ta có:
-

Hàm truyền của bộ điều chỉnh phương pháp modul tối ưu:

Ri(p) =

Ru .Tu
1
(1 +
)
2 K cl .K i .Tsi
pTu

17


Chọn:

Chọn

-

Hàm truyền của bộ điều chỉnh phương pháp tối ưu đối xứng:

Chọn:

Chọn

3.2.Kết quả mô phỏng
3.2.1.Kết quả mô phỏng theo phương pháp tối ưu modul

18


3.2.2.Kết quả mô phỏng theo phương pháp tối ưu đối xứng:

19


3.2.3 Đánh giá kết quả
Phương pháp modul toi ưu cho đồ thị ổn định hơn phương pháp tối ưu đối xứng
Tiêu chuẩn modul tối ưu thường áp dụng để tổng hợp các bộ điều chỉnh trong
mạch có yêu cầu vô sai cấp cao,nó cũng áp dụng có hiệu quả để tổng
hợp các bộ điều chỉnh theo quan điểm nhiễu loạn.

20


KẾT LUẬN
Qua thời gian thực hiện, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm Tâm
Thành cùng sự giúp đỡ rất nhiệt tình của các bạn trong lớp, em đã cố gắng hoàn
thành bài tập lớn theo yêu cầu và thời gian quy định. Trong bài tập lớn em đã
thực hiện được những công việc sau :

Tổng quan về động cơ điện một chiều
Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo các phương pháp
Mô phỏng đáp ứng trên Simulink
Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên có
những phần em chưa làm được. Em cũng không tránh khỏi những điều thiếu sót,
nhầm lẫn khác, em rất mong nhận được sự chỉ bảo của thầy.

21


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Bài giảng: "Tổng hợp hệ điện cơ"
[2]. Phạm Tâm Thành, Lưu Kim Thành, Giáo trình: "Tổng hợp hệ điện cơ",
NXB Hàng Hải, 2015
[3]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi, Phạm Quốc Hải,
"Điều chỉnh tự động truyền động điện", NXB – Khoa học kỹ thuật, Năm 2004
[4]. Nguyễn Phùng Quang, "Truyền động điện thông minh", NXB – Khoa học
kỹ thuật, Năm 2002
[5]. Nguyễn Phùng Quang, "Matlab và Simulink" dành cho kỹ sư ĐKTĐ, NXB
– Khoa học kỹ thuật, Năm 2002.

22


23