Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều có moomen quán tính thay đổi

Header Page 1 of 133.
1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN THỊ MỸ DUNG

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2011

Footer Page 1 of 133.


Header Page 2 of 133.
2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN THỊ MỸ DUNG

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI

Chuyên ngành : Tự ñộng hóa
Mã số ngành : 60.52.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HOÀNG MAI

Đà Nẵng – Năm 2011

Footer Page 2 of 133.


Header Page 3 of 133.
3

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

NGUYỄN THỊ MỸ DUNG

Footer Page 3 of 133.


Header Page 4 of 133.
4

MỤC LỤC

Trang
Trang phụ bìa
Lời cam ñoan ................................................................................................... i
Mục lục ............................................................................................................ ii
Danh mục các kí hiệu ....................................................................................... v
Danh mục các bảng .......................................................................................... vi
Danh mục các hình vẽ ...................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 01
1. Lý do chọn ñề ñề tài ..................................................................................... 01
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................. 03
3. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 03
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài ...................................................... 04
5. Cấu trúc luận văn ......................................................................................... 04
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ..................... 06

1.1. KHÁI QUÁT ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ........................................... 06

1.1.1. Nguyên lý cấu tạo ñộng cơ ñiện một chiều ............................................. 06
1.1.2. Phân loại ñộng cơ ñiện một chiều ........................................................... 07
1.1.3.Điều khiển ñộng cơ ñiện một chiều ......................................................... 08
1.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP...........09
1.2.1. Chế ñộ xác lập ñộng cơ ñiện một chiều .................................................. 09
1.2.2. Chế ñộ quá ñộ ñộng cơ ñiện một chiều ................................................... 10
1.2.2.1. Mô tả chung......................................................................................... 10
1.2.2.2. Trường hợp khi từ thông kích từ không ñổi ......................................... 12

Footer Page 4 of 133.

Header Page 5 of 133.
5

1.3. MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN ................................... 14
1.4. MÔ PHỎNG.............................................................................................. 16
CHƯƠNG 2

TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

DÙNG PID...................................................................................................................................18
2.1. THAM SỐ ĐỘNG CƠ ............................................................................... 18
2.2.1. Khái quát về bộ ñiều khiển PID ............................................................................18

2.2.2. Các phương pháp xác ñịnh tham số bộ ñiều khiển PID............................................20
2.2.2.1. Phương pháp Ziegler-Nichols .............................................................. 20
2.2.2.2. Phương pháp Chien-Hrones -Reswick ................................................. 22
2.2.2.3.Phương pháp tối ưu modul.................................................................... 24
2.2.2.4. Phương pháp tối ưu ñối xứng............................................................... 28
2.2. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU......... 29
2.2.1. Tổng hợp mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện ............................................ 29
2.2.2. Tổng hợp mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ .................................................. 32
2.3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ............... 37
CHƯƠNG 3

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI............................................... 42

3.1. GIỚI THIỆU CHUNG .............................................................................. 42
3.2. HỆ THỐNG THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS)................. 42
3.3. LUẬT THÍCH NGHI ................................................................................ 45

3.3.1.Phương pháp ñộ nhạy (MIT ) .................................................................. 46
3.3.2.Gradient và phương pháp bình phương bé nhất dựa trên tiêu chí ñánh giá
hàm chi phí sai số............................................................................................. 47
3.3.3. Hàm Lyapunov....................................................................................... 48
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI CHO ĐỘNG
CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI....................53

Footer Page 5 of 133.


Header Page 6 of 133.
6

4.1. BỘ CHỈNH LƯU ...................................................................................... 50
4.2. ĐO LƯỜNG TỐC ĐỘ .............................................................................. 51
4.3. BIẾN DÒNG............................................................................................. 51
4.4. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN ............................................... 52
4.5. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ ...................................................... 54
4.6. GIẢI THUẬT............................................................................................ 56
4.7. SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG ................................................................................. 58
CHƯƠNG 5

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ......................................................... 61

5.1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ...................... 61
5.2. SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
TRONG TRƯỜNG HỢPMÔ MEN QUÁN TÍNH TẢI J1= 0.01 kg.m2.............63
5.3. SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
TRONG TRƯỜNG HỢPMÔ MEN QUÁN TÍNH TẢI J1= 0.05 kg.m2.............64
5.4. SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

TRONG TRƯỜNG HỢPMÔ MEN QUÁN TÍNH TẢI J1= [0:0.5] kg.m2.........64
5.5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KHI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
THAY ĐỔI..........................................................................................................65
5.5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI KHI TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI.......................................................................................65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 67
1. Những ñóng góp của luận văn ...................................................................... 67
2. Những kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo .......................................... 68
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................... 69
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
PHỤ LỤC

Footer Page 6 of 133.


Header Page 7 of 133.
7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
f

Tần số dòng ñiện

Pñm

Công suất danh ñịnh

nñm

Tốc ñộ ñịnh mức

Uñm

Điện áp ñịnh mức

Iñm

Dòng ñiện ñịnh mức

J

Mô men quán tính

Kb

Hằng số sức phản ñiện ñộng

Ka

Hằng số từ thông ñộng cơ

Ra

Điện trở phần ứng

La

Điện cảm phần ứng

Ia

Dòng ñiện phần ứng

Ua

Điện áp phần ứng

eb

Sức phản ñiện ñộng

Vdk

Điện áp ñiều khiển

Lkt

Điện cảm cuộn kích từ

Rkt

Điện trở cuộn kích từ

Ukt

Điện áp kích từ

ikt

Dòng ñiện kích từ

M

Mô men quay trên trục ñộng cơ

Mc

Mô men tải

Footer Page 7 of 133.


Header Page 8 of 133.
8

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng
2.1

Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất

21

2.2

Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai

22

2.3

Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1

23

2.4

Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2

23

2.5

Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 3

24

2.6

Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 4

24

Footer Page 8 of 133.

Tên bảng

Trang

Header Page 9 of 133.
9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình

Nội dung

Trang

1.1

Các loại ñộng cơ ñiện một chiều

8

1.2

Sơ ñồ cấu trúc ñộng cơ ñiện một chiều

11

1.3

Sơ ñồ cấu trúc tuyến tính hoá ñộng cơ ñiện một chiều

12

1.4

Sơ ñồ cấu trúc khi từ thông không ñổi

13

1.5

Các sơ ñồ cấu trúc gọn

13

1.6

Mạch thay thế chỉnh lưu

15

1.7

Hàm truyền của chỉnh lưu tiristo

16

2.1

Cấu trúc bộ ñiều khiển PID

18

2.2

Điều khiển hồi tiếp với bộ ñiều khiển PID

19

2.3

Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S

20

2.4

Xác ñịnh hằng số khuếch ñại tới hạn

21

2.5

Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth

22

2.6

Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phương pháp Chien-

23

Hrones-Reswick
2.7

Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển kín.

25

2.8

Cấu trúc mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện.

31

2.9

Sơ ñồ khối của mạch vòng dòng ñiện.

31

2.10

Sơ ñồ khối

33

2.11

Sơ ñồ khối của hệ ñiều chỉnh tốc ñộ

34

2.12

Quá trình dòng ñiện và tốc ñộ khi có nhiễu tải

35

2.13

Mô hình mô phỏng hệ thống với hai vòng ñiều chỉnh

37

Footer Page 9 of 133.


Header Page 10 of 133.
10

3.1

Sơ ñồ khối của hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu

43

3.2

Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp

44

3.3

Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp

45

3.4

Mô hình sai số

46

3.5

Các trạng thái cân bằng

48

4.1

Cấu trúc mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện ĐMñl

52

4.2

Cấu trúc mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ có mạch vòng ñiều

54

chỉnh dòng ñiện ĐMñl
4.3

Cấu trúc thu gọn mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ có mạch vòng
ñiều chỉnh dòng ñiện ĐMñl

Footer Page 10 of 133.

54


Header Page 11 of 133.
1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn ñề tài
Cho ñến nay ñộng cơ ñiện một chiều ñóng một vai trò quan trọng trong
nghành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ ñiện một
chiều ñược ứng dụng rất phổ biến trong các nghành công nghiệp cơ khí, ở các
nhà máy cán thép,nhà máy xi măng, tàu ñiện ngầm và các cánh tay Robot. Để
thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp ñiện tử với ñộ chính xác cao, lắp ráp
trong các dây chuyền sản xuất, yêu cầu có bộ ñiều khiển tốc ñộ.
Đối với các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển, do cấu trúc ñơn giản và
bền vững nên các bộ ñiều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, ñạo hàm) ñược dùng phổ
biến trong các hệ ñiều khiển công nghiệp. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc
vào các tham số KP, TI, TD của bộ ñiều khiển PID. Nhưng vì các hệ số của bộ
ñiều khiển PID chỉ ñược tính toán cho một chế ñộ làm việc cụ thể của hệ thống,
do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh ñịnh các hệ số này cho phù hợp
với thực tế ñể phát huy tốt hiệu quả của bộ ñiều khiển. thì ta phải biết chính xác

các thông số và kiểu của ñối tượng cần ñiều khiển. Hơn nữa, bộ ñiều khiển này
chỉ chính xác trong giai ñoạn tuyến tính còn trong giai ñoạn phi tuyến thì các
phương pháp ñiều khiển kinh ñiển không thực hiện ñược.
Mục tiêu của ñiều khiển là nâng cao chất lượng các hệ thống ñiều khiển tự
ñộng. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều ñối tượng ñiều khiển khác nhau, với
các yêu cầu và ñặc tính phức tạp khác nhau. Do ñó cần phải tiến hành nghiên
cứu, tìm ra các phương pháp ñiều khiển cụ thể cho từng ñối tượng. Mục ñích
cuối cùng là tìm kiếm các bộ ñiều khiển cho các hệ truyền ñộng ñiện ngày càng
ñạt ñược chất lượng ñiều chỉnh cao, mức chi phí thấp, và hiệu quả ñạt ñược là

Footer Page 11 of 133.


Header Page 12 of 133.
2

cao nhất, ñáp ứng các yêu cầu tự ñộng hoá truyền ñộng ñiện và trong các dây
chuyền sản xuất.
Những năm gần ñây, khoa học kỹ thuật phát triển rất mạnh mẽ, nhất là
ngành ñiện tử học ñiều khiển, công nghệ vi xử lý vừa tạo ñiều kiện thuận lợi, vừa
ñặt ra vấn ñề ñòi hỏi là phải nghiên cứu hoàn thiện các hệ ñiều khiển, ñáp ứng
yêu cầu ngày càng cao của thực tế cuộc sống và phù hợp với xu thế phát triển
khoa học công nghệ. Việc nghiên cứu xây dựng bộ ñiều khiển tốc ñộ cho ñộng
cơ ñiện một chiều dựa trên các lý thuyết ñiều khiển hiện ñại là một vấn ñề rất cần
thiết, trong việc gắn liền giữa nhiệm vụ nghiên cứu và thực tiễn cuộc sống.
Để phục vụ cho công tác nghiên cứu, một phương pháp ñược nhiều nhà
khoa học trong và ngoài nước sử dụng rất nhiều ñó là phương pháp ñiều khiển
thích nghi.Trong luận văn tác giả sử dụng phuơng pháp ñiều khiển thích nghi và
phần mềm Matlab Simulink, xây dựng mô hình hoá và mô phỏng hệ thống ñiều
khiển, ñây là công cụ khá ñắc lực trợ giúp trong việc nghiên, có khả năng ứng

dụng vào việc nghiên cứu mô phỏng hệ truyền ñộng ñộng cơ một chiều.
Động cơ ñiện một chiều thường dùng trong các hệ thống truyền ñộng ñiện
ñòi hỏi chất lượng cao. Chính vì vậy mà hệ thống ñiều khiển cho các hệ truyền
ñộng này cũng phải ñáp ứng nhiều chỉ tiêu rất chặt chẽ. Và nói chung, phần lớn
các hệ thống truyền ñộng trong thực tế ñều có cấu trúc và tham số không cố ñịnh
hoặc không thể biết trước.
Đối với ñộng cơ ñiện một chiều, các thông số thường bị thay ñổi làm ảnh
hưởng chất lượng ñiều chỉnh cụ thể là: Khi mạch từ của máy ñiện bị bão hòa làm
ñiện cảm mạch phần ứng Lu của ñộng cơ suy giảm. Điện trở mạch phần ứng Ru
của máy ñiện thay ñổi theo nhiệt ñộ làm việc, do ñó hằng số thời gian mạch phần
ứng Tu = Lu/Ru cũng sẽ thay ñổi trong quá trình làm việc. Với mạch kích từ, từ

Footer Page 12 of 133.


Header Page 13 of 133.
3

thông Φ có thể bị thay ñổi dẫn ñến hằng số thời gian cơ học Tc cũng thay ñổi.
Khi xét ñến tải của các hệ truyền ñộng thì mô men quán tính của tải thường bị
thay ñổi, làm cho mômen quán tính của hệ qui ñổi về trục của ñộng cơ thay ñổi.
Nếu bằng các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển thì chúng ta gặp rất nhiều
khó khăn trong việc tính toán, thiết kế bộ ñiều khiển ñạt ñược chất lượng cao. Do
vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp ñiều khiển thích nghi ñể ñiều
khiển tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều ñang là hướng nghiên cứu ñược rất nhiều
người quan tâm và là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng, cũng như có nhiều
giá trị ứng dụng trong thực tiển.
Với các lý do trên, tác giả ñã lựa chọn việc nghiên cứu mô hình và thiết kế
bộ ñiều khiển thích nghi cho ñộng cơ ñiện một chiều có mômen quán tính thay
ñổi làm ñề tài nghiên cứu với mong muốn ñạt ñược ñáp ứng ngõ ra và các ñặc

tính của hệ thống ñiều khiển thỏa mãn các yêu cầu ñã ñề ra.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là ñộng cơ ñiện một chiều có mômen quán tính thay ñổi.
Phạm vi nghiên cứu của ñề tài là nghiên cứu phương pháp ñiều khiển thích
nghi ñể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều.
3. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện nghiên cứu ñề tài khoa học này, thì cần phải kết hợp 2
phương pháp sau:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các vấn ñề về ứng dụng
ñiều khiển thích nghi, các mô hình ñộng cơ ñiện một chiều, các hàm tối ưu trong
Matlab và các tính toán hỗ trợ các hàm tối ưu.
- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng công cụ tính toán tìm tối ưu trong
phần mềm Matlab, tạo dữ liệu mô phỏng, mô phỏng kiểm

Footer Page 13 of 133.


Header Page 14 of 133.
4

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài
Kết quả nghiên cứu của ñề tài sẽ góp phần hoàn thiện một phương pháp ñiều
khiển mới khắc phục ñược một số nhược ñiểm của các phương pháp ĐK kinh ñiển, từ
ñó mở ra một tiềm năng áp dụng cài ñặt vào các thiết bị ñiều khiển trong công nghiệp
làm nâng cao hơn nữa chất lượng ñiều khiển cho ñộng cơ ñiện một chiều.
5. Cấu trúc luận văn
Ngoài chương mở ñầu, trong luận văn còn có các phần và chương kế tiếp như sau:
Mở ñầu
Chương 1. Tổng quan về ñộng cơ ñiện một chiều
Mô tả toán học ñộng cơ ñiện một chiều

Mô tả toán học mạch ñộng lực.
Chương 2.Tổng hợp bộ ñiều khiển ñộng cơ diện một chiều.
Các phương pháp xác ñịnh bộ ñiều khiển PID
Cấu trúc ñiều khiển ñộng cơ ñiện một chiều
Chương 3. Điều khiển thích nghi.
Giới thiệu tổng quan về lý thuyết ñiều khiển thích nghi.
Các phương pháp thiết kế luật thích nghi.
Chương 4. Tổng hợp bộ ñiều khiển PID thích nghi .
Thiết kế bộ ñiều khiển thích nghi cho ñộng cỏ ñiện một chiều với tham số
mômen quán tính không xác ñịnh.
Lựa chọn hàm Lyapunov dự kiến, xác ñịnh thuật toán ñiều khiển, xây
dựng luật thích nghi ñể chỉnh ñịnh tham số bộ ñiều khiển và phân tích sự ổn ñịnh
của hệ thống ñiều khiển.

Footer Page 14 of 133.


Header Page 15 of 133.
5

Dựa vào kết quả thiết kế bộ ñiều khiển ở chương 4, áp dụng ñể mô phỏng
hệ thống ñiều khiển thích nghi cho ñộng cơ ñiện một chiều trên phần mềm
Matlab.
So sánh và bàn luận về các ñặc tính của 2 bộ ñiều khiển: PID kinh ñiển và
thích nghi.
Chương 5. Kết quả mô phỏng
Kết luận và kiến nghị

Footer Page 15 of 133.

Header Page 16 of 133.
6

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Hiện nay ñộng cơ ñiện một chiều vẫn ñược dùng rất phổ biến trong các hệ
thống truyền ñộng ñiện chất lượng cao, dải công suất ñộng cơ một chiều từ vài
W ñến hàng MW. Đây là loại ñộng cơ ña dạng và linh hoạt, có thể ñáp ứng yêu
cầu mômen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng. Động cơ ñiện một chiều cũng
dễ dàng ñáp ứng với các truyền ñộng trong khoảng ñiều khiển tốc ñộ rộng và ñảo
chiều nhanh với nhiều ñặc tuyến quan hệ mômen – tốc ñộ.
Trong Động cơ ñiện một chiều, bộ biến ñổi ñiện chính là các mạch chỉnh
lưu ñiều khiển. Chỉnh lưu ñược dùng làm nguồn ñiều chỉnh ñiện áp phần ứng
ñộng cơ. Chỉnh lưu ở ñây sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha.
1.1.1. Nguyên lý cấu tạo ñộng cơ ñiện một chiều
Giống như các loại ñộng cơ ñiện khác, ñộng cơ ñiện một chiều cũng gồm có
stator và rotor….Động cơ ñiện một chiều gồm có stator, rotor, cổ góp và chổi ñiện.

Mặt cắt ngang trục máy ñiện một chiều
Stator: còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích ñược quấn tập trung
trên các cực từ stator. Các cực từ stator ñược ghép cách ñiện từ các lá thép kỹ

Footer Page 16 of 133.


Header Page 17 of 133.

7

thuật ñiện ñược dập ñịnh hình sẵn có bề dày 0,5-1mm, và ñược gắn trên gông từ
bằng thép ñúc, cũng chính là vỏ máy.
Rotor: còn ñược gọi là phần ứng, gồm lõi thép phần ứng và dây quấn phần
ứng. lõi thép phần ứng có hình trụ, ñược ghép từ các lá thép kỹ thuật ñiện ghép
cách ñiện với nhau. Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, ñược ñặt vào các
rãnh trên lõi thép rotor. Các phần tử dây quấn rotor ñược nối tiếp nhau thông qua
các lá góp trên cổ góp. Lõi thép phần ứng và cổ góp ñược cố ñịnh trên trục rotor.
Cổ góp và chổi ñiện: làm nhiệm vụ ñảo chiều dòng ñiện trong dây quấn
phần ứng.
1.1.2. Phân loại ñộng cơ ñiện một chiều
Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia ñộng cơ ñiện một chiều thành các
loại sau:
Động cơ ñiện một chiều kích từ ñộc lập: Dòng ñiện kích từ ñược lấy từ
nguồn riêng biệt so với phần ứng. Trường hợp ñặc biệt, khi từ thông kích từ
ñược tạo ra bằng nam châm vĩnh cữu, người ta gọi là ñộng cơ ñiện một chiều
kích thích vĩnh cửu.
Động cơ ñiện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ ñược nối
song song với mạch phần ứng.
Động cơ ñiện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ ñược mắc nối
tiếp với mạch phần ứng.
Động cơ ñiện một chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn, dây
quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp. Trong ñó, cuộn kích từ song
song thường là cuộn chủ ñạo. Hình 1.1 trình bày các loại ñộng cơ ñiện một chiều.

Footer Page 17 of 133.


Header Page 18 of 133.

8

Hình 1.1: Các loại ñộng cơ ñiện một chiều
a) Động cơ ñiện một chiều kích từ ñộc lập
b) Động cơ ñiện một chiều kích từ song song
c) Động cơ ñiện một chiều kích từ nối tiếp
d) Động cơ ñiện một chiều kích từ hỗn hợp
1.1.3. Điều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều
Ưu ñiểm cơ bản của ñộng cơ ñiện một chiều so với các loại ñộng cơ ñiện
khác là khả năng ñiều chỉnh tốc ñộ dễ dàng, các bộ ñiều chỉnh tốc ñộ ñơn giản,
dễ chế tạo. Do ñó, trong ñiều kiện bình thường, ñối với các cơ cấu có yêu cầu
chất lượng ñiều chỉnh tốc ñộ cao, phạm vi ñiều chỉnh tốc ñộ rộng, người ta
thường sử dụng ñộng cơ ñiện một chiều.
Đối với các hệ thống truyền ñộng ñiện một chiều có yêu cầu ñiều chỉnh
tốc ñộ cao thường sử dụng ñộng cơ ñiện một chiều kích từ ñộc lập. Trong phạm
vi luận văn này, xét khả năng ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều kích từ
ñộc lập.

Footer Page 18 of 133.


Header Page 19 of 133.
9

1.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
1.2.1. Chế ñộ xác lập ñộng cơ ñiện một chiều
Khi ñặt lên dây quấn kích từ một ñiện áp uk nào ñó thì trong dây quấn kích
từ sẽ có dòng ñiện ik và do ñó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp ñó ñặt
một giá trị ñiện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng
ñiện I chạy qua. Tương tác giữa dòng ñiện phần ứng và từ thông kích từ tạo

thành mômen ñiện từ , giá trị của mômen ñiện từ ñược tính như sau:
M =

Trong ñó:

p '.N
.Φ I = kΦ I
2π .a

(1.1)

p' - số ñôi cực của ñộng cơ.

N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ.
a - số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng.
k = pN/2π.a - hệ số kết cấu của máy.
Mômen ñiện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phấn ứng
quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức ñiện ñộng:
E=

Trong ñó:

p' N
Φ.ω = kΦω
2πa

(1.2)

ω - tốc ñộ góc của rôto.

Trong chế ñộ xác lập, có thể tính ñược tốc ñộ qua phương trình cân bằng
ñiện áp phần ứng:
ω=

Trong ñó:

Footer Page 19 of 133.

U − Ru I
kΦ

Ru - ñiện trở mạch phần ứng của ñộng cơ.

(1.3)


Header Page 20 of 133.
10

1.2.2. Chế ñộ quá ñộ của ñộng cơ ñiện một chiều
1.2.2.1. Mô tả chung
Nếu các thông số của ñộng cơ là không ñổi thì có thể viết ñược phương
trình mô tả sơ ñồ thay thế như sau:
Mạch kích từ có hai biến dòng ñiện kích từ ik và từ thông máy Φ là phụ
thuộc phi tuyến bởi ñường cong từ hoá của lõi sắt:
Uk(p) = RkIk(p) +Nk.P.Φ(p)
Trong ñó

(1.4)

Nk- số vòng dây cuộn kích từ;
Rk- ñiện trở cuộn dây kích từ.

Mạch phần ứng:
U(p)= Ru.I(p)+ Lu p I(p) ± NN p Φ(p) + E(p)

(1.5)

Hoặc dạng dòng ñiện:
I ( p) =

1 Ru
[U ( p ) ± N N p Φ ( p ) − E ( p )]
1 + pTu

Trong ñó

Lu - ñiện cảm mạch phần ứng;
NN - số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp;
Tu - Lu/Ru - hằng số thời gian mạch phần ứng.

Phương trình chuyển ñộng của hệ thống:
M ( p) − M c ( p) = Jpω

(1.6)

Trong ñó J là mômen quán tính của các phần chuyển ñộng quy ñổi về trục
ñộng cơ.
Từ các phương trình trên thành lập ñược sơ ñồ cấu trúc của ñộng cơ một
chiều (hình 1.2). Thấy rằng sơ ñồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh, trong tính toán

ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh ñiểm làm việc.

Footer Page 20 of 133.


Header Page 21 of 133.
11

-

U

M

1 / Ru
1 + pτ u

Mc

NN
NK

UK

1
JP

ω

K

1
PN K

-

Φ

F

RK
NK

φ

Hình 1.2: Sơ ñồ cấu trúc của ñộng cơ một chiều
Đối với ñộng cơ một chiều kích từ ñộc lập (NN = 0) thì có thể viết các
phương trình sau:
Mạch phần ứng:
U o + ∆U ( p ) = Ru [ I o + ∆I ( p )] + p Lu [ I o + ∆I ( p )] +
+ K [Φ o + ∆Φ ( p )].[ω B + ∆ω ( p )]

(1.7)

Mạch kích từ:
U ko + ∆U k ( p) = Rk [ I ko + ∆I k ( p)] + pLk [ I ko + ∆I k ( p)]

(1.8)

Phương trình chuyển ñộng cơ học:
K [Φ o + ∆Φ( p)].[I o + ∆I ( p)] − [ M B + ∆M c ( p)]

= J p [ω B + ∆ω ( B)]

(1.9)

Nếu bỏ qua các giá trị vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có
thể viết ñược các phương trình của gia số:
∆U ( p) − [ K.ωB .∆Φ( p) + K.Φ o .∆ω( p)] = Ru .∆I ( p).(1 + pTu )

Footer Page 21 of 133.

(1.10)


Header Page 22 of 133.
12

∆U k = Rk ∆I k ( p).(1 + pTk )

(1.11)

K .I o .∆Φ( p) + K.Φo ∆I ( p) − ∆M c = J . p∆ω( p)

(1.12)

Hình 1.3 trình bày sơ ñồ cấu trúc ñã ñược tuyến tính hoá theo các phương
trình (1.10), (1.12) của ñộng cơ một chiều kích từ ñộc lập.
B
∆U
-

1 Ru ∆I
KΦ o
1 + pTu

∆M

∆MC
-

1
Jp

∆ω

KΦ o

KI o

∆Uk

1 Rk ∆Ik K
k
1 + pTk

Kω B

∆Φ

Hình 1.3: Sơ ñồ cấu trúc tuyến tính hoá ñộng cơ ñiện một chiều
1.2.2.2. Trường hợp khi từ thông kích từ không ñổi

Khi dòng ñiện kích từ ñộng cơ không ñổi, hoặc khi ñộng cơ ñược kích
thích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:
KΦ = const = Cu
U(p) = Ru.I(p).(1+pTu) +Cu.ω(p)

(1.13)

Cu.I(p) - Mc(p) = Jp.ω(p)

(1.14)

Sơ ñồ cấu trúc ñộng cơ khi từ thông không ñổi ñược thể hiện trên hình 1.4.
Bằng phương pháp ñại số sơ ñồ cấu trúc ta có sơ ñồ thu gọn hình 1.5.
Trong ñó ñặt: hệ số khuyếch ñại ñộng cơ: Kñ = 1/Cu , hằng số thời gian cơ học:
R J
Tc = u
Cu2

Footer Page 22 of 133.

(1.15)


Header Page 23 of 133.
13

U ( p ) p.Tc M c ( p )
+
Ru
Cu

I ( p) =
TuTc p 2 + Tc p + 1

(1.16)
Cu

U

-E

1 Ru
1 + pTu

I

1
Jp

Cu

MC

ω

Hình 1.4: Sơ ñồ cấu trúc khi từ thông không ñổi

U

ω

Kñ
Tu Tc p 2 + Tc p + 1

Ru
Cu2

(1 + Tu p)

Tu Tc p 2 + Tc p + 1

a)

U

Tc
.p
Ru

Iñg

I

Tu Tc p 2 + Tc p + 1

It
Kñ
2

Tu Tc p + Tc p + 1

b)

Mc

Hình 1.5: Các sơ ñồ cấu trúc gọn
a) Theo tốc ñộ; b) Theo dòng ñiện.

Footer Page 23 of 133.


Header Page 24 of 133.
14

1.3. MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN
Bộ biến ñổi Thyristor với chuyển mạch tự nhiên và có ñiện áp (dòng ñiện) ra
là một chiều là các thiết bị ñiện, biến nguồn ñiện xoay chiều ba pha thành ñiện áp
một chiều ñiều khiển ñược. Hoạt ñộng của mạch, do nguồn xoay chiều quyết ñịnh
vì nhờ ñó mà có thể thực hiện ñược chuyển mạch dòng ñiện giữa các phần tử lực.
Phần mạch quan trọng của chỉnh lưu là phần ñiều khiển, tại ñó các xung
mở Thyristor ñược phát ra theo một trật tự ñã ñịnh. Quy luật hoạt ñộng của mạch
ñiều khiển ñược xác ñịnh bởi loại chỉnh lưu (ñảo chiều, không ñảo chiều) và bởi
ñặc tính phụ tải.
Trong thực tế truyền ñộng ñiện hay dùng nhất là hệ thống phát xung ñồng bộ
nhiều kênh, trong ñó việc ñồng bộ ñược thực hiện nhờ việc ñồng bộ hoá ñiện áp tựa
với lưới. Điện áp tựa thường có dạng răng cưa quét ngược hoặc là hình sin.
Các hệ thống làm việc với ñiện áp tựa kiểu răng cưa là bất biến khi biên
ñộ ñiện áp nguồn thay ñổi. Xung ñiều khiển xuất hiện tại thời ñiểm mà ñiện áp
tựa bằng ñiện áp ñiều khiển.
Phần mạch lực của chỉnh lưu thường ñược phân thành hai nhóm chính,
chỉnh lưu hình tia và hình cầu. Trong sơ ñồ chỉnh lưu hình tia (anôt chung hoặc

catôt chung) mỗi pha của nguồn xoay chiều chỉ dẫn dòng trong một nữa chu kỳ.
Sơ ñồ chỉnh lưu cầu bao gồm hai chỉnh lưu hình tia. Các van Thyristor có thể
ñược nối theo kiểu ñiều khiển ñối xứng hoặc không ñối xứng.
Trong truyền ñộng ñiện, ña số các trường hợp chỉnh lưu ñược ñiều khiển
bằng tín hiệu biến thiên chậm. Trong trường hợp này ảnh hưởng của tính chất
xung và tính bán ñiều khiển ñến quá trình quá ñộ là nhỏ và do ñó, gần ñúng có
thể coi chỉnh lưu là mạch ñiều chỉnh liên tục với sơ ñồ thay thế như hình 1.7.

Footer Page 24 of 133.


Header Page 25 of 133.
15

Rb
Ed

Lb

Id

Hình 1.6: Mạch thay thế chỉnh lưu
Trong ñó

Rb = R f (1 −

µm
m
)+
ωe L f .

4π
2π

Lb = L f

m - số xung áp ñầu ra;
µ - góc chuyển mạch cực ñại;

Lf, Rf - ñiện cảm và ñiện trở của một pha xoay chiều.
Trong trường hợp biến thiên nhỏ của tín hiệu, khi hiện tượng chuyển mạch
không có ảnh hưởng ñến giá trị trung bình của ñiện áp thì ñiện trở Rb=Rf.
Do tính chất xung và tính chất bán ñiều khiển của chỉnh lưu nên thời ñiểm
của tín hiệu ñiều khiển thay ñổi không trùng với thời ñiểm thay ñổi góc ñiều
khiển α. Độ dài của khoảng thời gian trễ này có ñặc tính ngẫu nhiên. Theo kinh
nghiệm, nên chọn giá trị của thời gian trễ là:
Tvo =

π
.
mω e

(1.17)

Khi tần số ñiện áp xoay chiều ñủ lớn, có thể dùng biểu diễn gần ñúng bởi
khai triển Mc.Laurin:
e − pTvo =

1
1
2

1 + pTvo + p 2Tvo
+L
2!

và khi này có thể thay thế hàm trễ bởi một khâu quán tính.

Footer Page 25 of 133.

(1.18)