Điều khiển số tốc độ, vị trí động cơ điện một chiều sử dụng vi điều khiển

Luận văn thạc sỹ

-1- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

më ®Çu
1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI

Trong các ngành công nghiệp sản xuất và đời sống,
công tác điều khiển vận hành hiệu quả các thiết bò
nhằm tăng khả năng sản xuất, tăng chất lượng, đồng thời
tiết kiệm được chi phí sản xuất cũng như mọi chi phí cho việc
trùng tu bảo dưỡng thiết bò sản xuất giữ một vò trí quan
trọng.
Điều khiển máy điện là một lónh vực nghiên cứu ứng
dụng các thiết bò, khí cụ và sơ đồ điều khiển để phục vụ
các nhu cầu thay đổi các đại lượng của chuyển động như
mômen, tốc độ hay điều khiển vò trí tuỳ theo các yêu cầu
phát sinh của mỗi loại hình sản xuất.
Động cơ một chiều được sử dụng từ lâu trong các hệ
truyền động có điều khiển tốc độ yêu cầu dải điều
chỉnh lớn, độ ổn đònh tốc độ cao và các hệ thường
xuyên hoạt động ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều.
Nhờ có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt nên được sử dụng
rất phổ biến trong công nghiệp. Một số ứng dụng quan
trọng của động cơ một chiều như truyền động cho xe điện,
máy công cụ, máy nâng vận chuyển, máy cán, máy
nghiền, .v.v…
Truyền động điện tốc độ chiếm phần lớn các ứng
dụng của điều khiển đại lượng chuyển động. Trong các loại
điều khiển như vậy thường gồm có các

động cơ chấp

hành, các bộ biến đổi điện tử công suất và các hệ
thống điều khiển số. Đương nhiên phải có các bộ lọc

Ngành điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-2- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

nguồn đầu vào đạt tiêu chuẩn lọc nhiễu điện từ.
Để thay đổi tốc độ, các động cơ xoay chiều đòi hỏi
phải thay đổi biên độ điện áp và tần số trong khi động cơ
một chiều thì chỉ cần thay đổi mỗi điện áp một chiều thì
bộ chuyển mạch cơ khí của động cơ một chiều làm thay đổi
tần số theo. Các động cơ xoay chiều hầu hết không có
chổi than, chi phí ban đầu và chi phí bảo dưỡng thấp hơn của
động cơ một chiều. Tùy vào các ứng dụng mà việc chọn
lựa loại động cơ nào được sử dụng phụ thuộc vào khách
hàng.
Trong phạm vi luận văn này, em xin trình bày vấn đề về
điều khiển tốc độ và vị trí động cơ một chiều dùng họ vi
điều khiển 8051 bằng phương pháp điều biến độ rộng xung.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Xây dựng hệ thống điều khiển số tốc độ, vò trí động

cơ điện một chiều sử dụng vi điều khiển MCS-51.
3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Tìm hiểu lý thuyết về cấu tạo, các phương pháp điều
khiển tốc độ của động cơ điện một chiều.
Tìm hiểu các bộ điều khiển số PID
Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của vi điều
khiển MCS-51
4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Lý thuyết về động cơ điện một chiều
Lý thuyết về điều khiển lập trình vi điều khiển
Xây dựng phần cứng, phần mềm điều khiển động cơ
DC

Ngành điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-3- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

Mô phỏng hệ thống điều khiển bằng Matlab Simulink
Thiết kế phần cứng và phần mềm điều khiển số
động cơ DC sử dụng
5. CẤU TRÚC CỦA ĐỀ TÀI

Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều

Chương 2: Điều khiển số động cơ một chiều
Chương 3: Giới thiệu về họ vi điều khiển MCS-51
Chương 4: Thiết kế và thi công mạch điều khiển tốc
độ, vò trí động cơ điện một chiều.
Kết luận và hướng phát triển
Tài liệu tham khảo

Ngành điều khiển và tự động hóa


-4- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

Luận văn thạc sỹ

Ch−¬ng I. Tỉng quan vỊ M¸Y ®iƯn mét chiỊu
1.1. CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
Cấu tạo của các bộ phận trong của động cơ điện một
chiều được mô tả trong các hình vẽ:
1.1.1. SƠ ĐỒ NỐI DÂY CỦA MỘT MÁY PHÁT KÍCH TỪ SONG

Cực từ
phụ

Biến trở
hạn
dòng

Hình 1.1.
SONG

1.1.2. MẠCH TỪ CỦA MÁY ĐIỆN HAI CỰC
1.1.3. CUỘN DÂY KÍCH TỪ TRÊN MỘT CỰC TỪ
1.1.4. PHẦN ỨNG
Cổ
ù

Trục

Lõi từ

Cuộn kích
tư
Hình 1.4.
Gông (ách)

Răng
Lõi cực

Đế cực từ

Phần ứng
Từ thông
t û

Cuộn kích
Hình 1.2.
Đầu

Đầu

Hình 1.3.

Ngành điều khiển và tự động hóa


-5- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

Luận văn thạc sỹ

1.1.5. CẤU TRÚC CỔ GÓP
1.1.6. MẠCH ĐIỆN PHẦN ỨNG
Chổi than
Phiến

Vành chữ
“V”
Nêm

Hình 1.6.

Ống lót
của cổ
góp
Hình 1.5.

Các phiến
góp hướng ra
ngoài
Cách điện

Mica
Rãnh gắn các
đầu ra của các
cuộn dây phần
ứng
Các phiến
góp bằng
đồng

Ngành điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-6- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

1.1.7. CẤU TRÚC CHỔI THAN

Điều chỉnh
độ căng lò
xo

Đuôi sam

Chổi than

Lò xo cố
đònh chổi
than

Chổi than

Bộ gá
Hình 1.7.
Máy điện một chiều về cơ bản có hai phần mạch
điện: mạch kích từ và mạch phần ứng. Phần kích từ nằm
ở phần tónh hay stator của máy điện bao gồm các cuộn
dây quấn quanh các cực từ của stator. Các cực từ này
hướng vào trong stator như trên hình 1.1.
Số cực từ là một số chẵn và chúng sắp sếp xen
kẽ theo cực tính nam - bắc. Cuộn kích từ, dòng điện cũng
như thông lượng của các cực từ là như nhau. Các cuộn dây
kích từ được nối nối tiếp. Dòng điện cấp cho cuộn kích từ
nhằm từ hóa các cực từ và tạo ra từ thông trong khe hở
không khí giữa stator và rotor của động cơ. Mạch kích từ
không phải là mạch tiêu thụ công suất nguồn chính trong
máy điện.
Mạch phần ứng tiêu thụ công suất nguồn chính và
nằm trên rotor. Các cuộn dây của phần ứng đặt trong các
rãnh phân bố trên chu vi bề mặt của rotor (hình 1.4). Độ
rộng một cuộn dây gọi là bước cuộn dây, bằng bề rộng

Ngành điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-7- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

vùng dưới một cực từ, được gọi là bước cực. Do đó nếu
một cạnh tác dụng của cuộn dây đang nằm dưới một cực
bắc thì cạnh còn lại sẽ nằm dưới cực nam kế bên. Các
cuộn dây trên mạch phần ứng nối nhau thành mạch kín,
kết thúc của cuộn này sẽ là bắt đầu của cuộn tiếp đó
và kết thúc của cuộn dây cuối cùng sẽ nối vòng đến
điểm bắt đầu của cuộn đầu tiên. Dòng điện một chiều
được đưa vào hay lấy ra từ dây quấn phần ứng thông qua
các chổi than tì lên cổ góp. Cổ góp là một kết cấu hình
trụ trên bề mặt có nhiều phiến góp, số phiến góp bằng
số cuộn dây và chúng được cách điện với nhau bằng mica.
Đầu kết thúc của một cuộn và khởi đầu của một cuộn
ứng khác được nối đến chung một rãnh gắn đầu ra cuộn
dây trên phiến góp (hình 1.5).
Kết nối mạch phần ứng như trên hình 1.6. Dòng điện
đưa vào phần ứng qua chổi than và cổ góp. Chổi than B1
được nối đến phiến góp số 1, và chổi kia nối đến phiến
góp số 13. Dòng điện đến phần ứng từ chổi than B1 phiến
góp số 1 và vòng về ở phiến góp 13 tại chổi than B2 theo
hai đường dẫn song song, mỗi đường dẫn tải một nửa dòng
phần ứng. Mỗi đường gồm mười hai cuộn dây, trên hình 2.6
là hai mạch nhánh có các cuộn: nhánh phải gồm từ cuộn
AA’ đến cuộn WW’ và nhánh kia phần còn lại. Mỗi cuộn
dây trong nhóm mười hai cuộn dây này, giả sử cuộn đầu
tiên nằm dưới một cực bắc thì cuộn cuối trong nhóm sẽ
kết thúc nằm dưới cực nam. Mạch nhánh gồm mười hai
cuộn còn lại sẽ ngược lại, bắt đầu nằm dưới một cực nam

Ngành điều khiển và tự động hóa

-8- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

Luận văn thạc sỹ

và kết thúc cực bắc. Khi rotor quay, dòng điện chảy trong
cuộn dây nằm dưới một cực từ không đổi, tiếp xúc chổi
than-cổ góp thay đổi. Vì chiều dòng điện trong các cuộn
dây ngược nhau và do cách bố trí xen kẽ của cực từ, mô
men tạo ra do các cuộn dây có cùng chiều. Nhờ hệ chổi
than-cổ góp mà máy điện mới có thể làm việc với
nguồn một chiều.
Dòng điện trong các cuộn dây phần ứng thực ra là
xoay chiều vì mỗi lần một cuộn dây dòch chuyển từ vùng
tác động của một cực từ sang vùng tác động của một
cực từ khác, dòng điện trong nó bò đảo chiều. Ta có thể
nói hệ cổ góp và chổi than hoạt động như một bộ biến
_

+

U
Iư

_

+

U

Đ
Iư
Đ
Lkt

Rkt
Lkt

Rkt

Ukt
_
+
Hình 1-8: a-Sơ đồ nguyên lý nối Hình 1-8: b-Sơ đồ nguyên lý nối
dây động cơ một chiều kích từ dây động cơ một chiều kích từ
độc lập
song song
đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều trong
các cuộn dây phần ứng.
1.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU
Khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng

Ngành điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-9- viên: Nguyễn Tiến Phúc

Học

điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực
vào dòng điện (vào dây dẫn) và làm dây dẫn chuyển
động. Chiều của lực từ được xác đònh bằng quy tắc bàn
tay trái.
Từ trường được tạo ra nhờ các cuộn dây có dòng
điện một chiều chạy qua. Các cuộn này gọi là cuộn cảm
(hay cuộn kích từ) và được quấn quanh các cực từ. Thường
thì stato động cơ thường đặt các cuộn cảm nên stator gọi là
phần cảm. Từ trường do cuộn cảm tạo ra sẽ tác dụng một
lực từ vào dây dẫn rotor đặt trong các rãnh của rotor khi có
dòng điện chạy qua. Cuộn dây nay gọi là cuộn ứng. Dòng
điện đưa vào cuộn ứng qua chổi than và cổ góp. Rotor mang
cuộn ứng nên gọi là phần ứng.
Giả sử các dây dẫn cuộn ứng ở nửa trên rotor thì
có dòng điện hướng vào, còn các dây dẫn cuộn ứng ở

Hình 1-9: Từ trường trong động cơ một
chiều
a. Do cuộn cảm sinh ra
b. Do cuộn ứng sinh ra
c. Do hai cuộn tổng hợp
d. Tổng
véc
tơ các
sứcvà
từ tự
động
Ngành

điều
khiển
động hóa


Luận văn thạc sỹ

-10- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

nửa dưới rotor có dòng điện hướng ra như hình vẽ. Lực từ F
tác dụng vào các dây dẫn rotor có chiều xác đònh theo quy
tắc bàn tay trái sẽ tạo ra mômen làm quay rotor ngược chiều
kim đồng hồ.
Khi động cơ làm việc, cuộn cảm tạo ra từ trường Φd
dọc trục cực từ và phân bố đối xứng đối với cực từ. Mặt
phẳng 00’ trên đó có đặt chổi than, vừa là mặt phẳng
trung tính vật lý. Đồng thời, dòng điện trong cuộn ứng cũng
tạo ra từ trường riêng Φn hướng ngang trục cực từ. Từ
trường tổng trong động cơ mất tính chất đối xứng dọc trục
và mặt phẳng trung tính vật lý quay đi một góc β (ngược
chiều quay của rotor) so với mặt phẳng trung tính hình học
(hình 1-9)
Dòng điện cuộn ứng càng lớn thì Φn càng mạnh và
góc quay β càng lớn. Ta nói phản ứng phần ứng càng
mạnh
Phản ứng phần ứng là một trong những nguyên nhân
gây ra tia lửa giữa chổi than và cổ góp cũng như giữa các
là góp trong cổ góp. Có thể hạn chế ảnh hưởng này nhờ
xoay chổi than theo vò trí mặt phẳng trung tính vật lý (tức là

theo góc β). Thông thường trong các động cơ điện một chiều
hiện nay, người ta dùng phương pháp thêm cực từ phụ.

Ngành điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-11- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

Cực từ phụ được đặt
giữa các cực từ chính và
cuộn dây cực từ phụ sẽ tạo
ra từ trường ngang trục so với
từ trường chính và ngược
chiều với từ trường Φn của
cuộn ứng để khử từ trường
Φn. Nhờ vậy, phản ứng phần
ứng bò hạn chế và quá trình
chuyển mạch trong động cơ sẽ
tốt hơn.
Vì từ trường Φn gây ra
phản ứng phần ứng tỉ lệ
với dòng điện phần ứng Iư

Hình 1-10: Phân bố cực từ
phụ trong động cơ điện một
chiều
1. Cực từ phụ

2. Cuộn dây cực từ
(cuộn phụ)
3. Cuộn kích từ (cuộn

nên cuộn dây cực từ phụ được mắc nối tiếp với cuộn dây
phần ứng. Do vậy, khi dòng điện phần ứng tăng lên, phản
ứng phần ứng mạnh lên thì cuộn dây cực từ phụ cũng sinh
ra từ trường ngược mạnh hơn để khử từ trường Φn.
Ngoài ra, biện pháp tăng khe hở không khí giữa startor

Ngành điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-12- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

và rotor cũng được áp dụng. Cách này dẫn tới sự tăng kích
thước động cơ và phải tăng cường thêm cuộn kích từ chính
vì khe hở không khí lớn sẽ làm yếu từ trường chính
Ở các động cơ một chiều công suất trung bình và lớn
biện pháp chính là thêm cuộn dây bù đặt trong rãnh ở
các cực từ chính nhằm tạo ra từ thông Φb ngược chiều với
Φn làm từ trường ở khe hở không khí không bò méo nữa.
Cuộn bù cũng được mắc nối tiếp với cuộn ứng.
1.3. ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.3.1. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP VÀ
KÍCH TỪ SONG SONG

Ở động cơ điện một chiều kích từ độc lập, cuộn kích
từ được cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với
nguồn điện cấp cho rotor (cuộn ứng).
a) Phương trình đặc tính cơ:
Phương trình điện áp ở mạch rotor sẽ là:
U = E + IưRư∑

(1-1)

Trong đó:
U - Điện áp lưới, V;
E - Sức điện động của động cơ, V;
Iư - Dòng điện phần ứng của động cơ, A;
Rư∑ - Điện trở toàn bộ mạch phần ứng, Ω;
Rư∑ = Rư + Rphụï

(1-2)

Rphụ - Điện trở phụ trong mạch phần ứng, Ω;
Rư - Điện trở mạch phần ứng, Ω;
Rư = rư + rct + rcb + rcp
rư - Điện trở cuộn dây phần ứng, Ω;

Ngành điều khiển và tự động hóa

(1-3)


-13- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

Luận văn thạc sỹ

rct - Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến
góp, Ω;
rcb - Điện trở cuộn bù, Ω;
rcp - Điện trở cuộn phụ, Ω;
Sức điện động phần ứng tỉ lệ với tốc độ quay của
rotor:
E = k.Φ.ω

(1-4)

Trong đó:
Φ - Từ thông qua một cực từ, Wb;
ω - Tốc độ góc của rotor, rad/s;
k - hệ số, phụ thuộc vào kết cấu của động
cơ.
k=

p.N
2πa

(1-5)

Với: p - Số đôi cực từ chính;
N - Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng;
a - Số mạch nhánh song song của cuộn ứng
Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng
khi có dòng điện, rotor quay dưới tác dụng của mômen quay:

M = k.Φ.Iư

(1-6)

Từ hệ phương trình (1-1), (1-4) và (1-6) phương trình đặc
tính cơ ω=f(M) như sau:
ω=

R
U
− ư∑ 2 M
k .Φ (k .Φ )

(1-7)

b, Đường đặc tính cơ:
Phương trình đặc tính cơ (1-7) có dạng hàm bậc nhất y =
Ax + B, nên đường biểu diễn trên hệ trục tọa độ M,0,ω là

Ngành điều khiển và tự động hóa


-14- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

Luận văn thạc sỹ

một đường thẳng với độ dốc âm. Đường đặc tính cơ cắt
trục tung 0ω tại điểm có tung độ:
ϖ0 =

U
k .Φ

(1-8)

Tốc độ ω0 là tốc độ ứng với MC = 0, nghóa là khi
không có lực cản nào

ω

cả. Đó là tốc độ lớn

nhất của động cơ mà ϖ = U
0
k .Φ
không thể đạt được ở
chế

độ

động

cơ

vì

không bao giờ xảy ra MC

M

0

= 0 (do lực ma sát luôn
tồn tại khi động cơ quay).

Hình 1-11: Đặc tính cơ của
động cơ điện một chiều kích
từ độc lập

Tốc độ ω0 là tốc độ
không tải lý tưởng.

Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ đònh mức
theo thiết kế (được ghi trên nhãn động cơ) và không mắc
thêm điện trở phụ vào mạch động cơ vì Rư∑ = Rư và
phương trình đặc tính cơ sẽ là:
ω=

Rư ∑
U dm
−
M
k .Φ dm (k .Φ dm ) 2

(1-9)

ω
Đường đặc tính
cơ lúc này gọi là

đường đặc tính cơ tự

ω0
∆ω
ωđm

A

ϖ0 =

U đm
k.Φ đm

nhiên: (hình 1-12)
Khi phụ tải tăng

M
Mnm M
∆đm đm
Ngành điều khiển và tự động hóa
Hình 1-12: Đặc tính cơ tự nhiên của
động cơ điện một chiều kích từ độc
0


-15- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

Luận văn thạc sỹ

dần từ MC = 0 đến MC = Mđm (∆MC = MC - 0) thì tốc độ động cơ
giảm dần từ ω0 đến ωđm (∆ω=ω0 - ωđm) Điểm A (Mđm,ωđm) gọi là
điểm làm việc đònh mức. Phương trình (1-9) có thể viết dưới
dạng:
ω = ω0 - ∆ω

(1-10)

Với độ sụt tốc tỉ lệ với mômen tải:
∆ϖ =

RƯ ∑
(k.Φ đm ) 2

.M

(1-11)

Như vậy, đường thẳng đặc tính cơ có thể vẽ được nhờ
hai điểm ω0 và A. Cũng có thể dùng một trong hai điểm đó
kết hợp với điểm khác thứ ba là điểm cắt của đặc tính cơ
với trục hoành 0M. Điểm này có tung độ ω=0 và hoành độ
suy ra từ (1-9)
M = M nm = k .Φ đm

U đm
= k .Φ đm.I nm
Rư

(1-12)

Trong đó:
I nm =

U đm
Rư

(1-13)

Mô men Mnm và dòng điện Inm gọi là mômen ngắn
mạch và dòng điện ngắn mạch. Đó là mô men lớn nhất
và dòng điện của động cơ khi được cấp điện đầy đủ mà
tốc độ bằng 0. Trường hợp này xảy ra khi mới bắt đầu mở
máy, khi động cơ đang chạy mà bò dừng lại vì kẹt hoặc tải
quá lớn không kéo được. Dòng điện ngắn mạch này lớn
và thường bằng:
Inm = (10÷20)Iđm
Nó có thể gây cháy, hỏng động cơ nếu hiện tượng

Ngành điều khiển và tự động hóa


-16- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

Luận văn thạc sỹ

tồn tại kéo dài.
Do vậy khi mở máy phải thêm điện trở phụ vào mạch
rotor để hạn chế dòng điện mở máy và khi động cơ đang

chạy bò dừng lại thì cần phải nhanh chóng cắt điện.
c. Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính
cơ:
Phương trình (1-7) cho thấy, đường đặc tính cơ bậc nhất
ω=f(M) phụ thuộc vào các hệ số của phương trình, trong đó
có chứa các thông số điện U, Rư∑ và Φ. Ta xét ảnh hưởng
của từng thông số này.
* Trường hợp thay đổi điện áp phần ứng:
U = var; Rư∑ = const; Φ = const.
Vì điện áp đặt vào không thể vượt quá giá trò đònh
mức nên ta chỉ có thể thay đổi về phía giảm. Trường hợp
này, độ dốc (hay độ cứng) của đặc tính cơ không thay đổi
−

Rư ∑
= const
(k .Φ ) 2

còn tốc độ không tải lý tưởng ω0 thay đổi tỉ lệ thuận

ω
ω0

Như vậy, khi

ω01

thay đổi điện áp

ω02

đặt

ω03
ω04

vào

phần

ứng, ta được một

với

nt1
nt3

U1
U2
U3
.. .. <

song

m

nt2

họ đặc tính cơ
song

tn

<

U
= var
k .Φ

<

ϖ0 =

<

với điện áp:

0

M

MC.đm
Hình 1-13: Họ đặc tính cơ của động cơ
điện
một chiều
từ độc
Ngành điều khiển
và tựkích
động
hóalập khi giảm

điện áp phần ứng


-17- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

Luận văn thạc sỹ

đường đặc tính cơ tự nhiên (tn) và thấp hơn đường đặc tính
cơ tự nhiên. Các đường đặc tính cơ này gọi là các đường
đặc tính cơ nhân tạo (nt)

đổi

ω
ω0

điện

tn

trở mạch phần

nt1
nt2

=var;

ứng:RưΣ

U=const; Φ=const

nt3

Vì RưΣ = Rư +

Rư+Rphụ2
.. .. <

0

trở mạch phần
chỉ

Rư+Rphụ1

Rư+Rphụ3

Rphụ nên điện
ứng

Rư
<

thay

hợp

<

Trường

<

*

có

M

MC.đm

Hình 1-14: Họ đặc tính cơ của động cơ
điện một chiều kích từ độc lập khi điện
phía tăng Rphụ.
trở mạch phần ứng
Trường hợp này, tốc độ không tải giữ nguyên:
thể thay đổi về

ϖ0 =

R
U
= const ; − ư ∑ 2 = var
k .Φ
(k .Φ )

Như vậy khi tăng điện trở phụ (Rphụ) trong mạch phần
ứng, ta được một họ các đường đặc tính cơ nhân tạo cùng
đi qua điểm (0,ω)

* Trường hợp thay đổi từ thông kích tư: Φ = var; RưΣ = const;
U=const
Để

thay

đổi

từ thông Φ, phải
thay đổi dòng kích
từ nhờ biến trở Rkt
mắc ở mạch cuộn

Ngành điều khiển và tự động hóa
Hình 1-15: Họ đặc tính cơ của động cơ
điện một chiều kích từ độc lập khi


-18- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

Luận văn thạc sỹ

cảm. Vì chỉ có thể tăng Rkt nên từ thông kích từ chỉ có
thể thay đổi về phía giảm. Trường hợp này, cả tốc độ
không tải lý tưởng và độ dốc đặc tính cơ đều thay đổi
ϖ0 =

R
U

= var ; − ư ∑ 2 = var
k .Φ
(k .Φ )

Khi giảm từ thông, ω0 tăng còn độ dốc thì giảm mạnh
d, Đảo chiều động cơ:
Chiều lực từ tác dụng vào dòng điện xác đònh theo
quy tắc bàn tay trái. Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều
dòng điện thì lực từ có chiều ngược lại. Vậy, muốn đảo
chiều quay của động cơ một chiều có thể thực hiện một
trong hai cách:
- Hoặc đảo chiều từ thông (qua đảo chiều dòng điện
kích từ)
- Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng
Đường đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và khi
quay ngược là đối xứng nhau qua gốc tọa độ.
Phương pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng
vì mạch từ thông có công suất nhỏ hơn mạch phần ứng.
Tuy vậy, vì cuộn kích từ có số vòng dây lớn, hệ số tự
cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên nên phương
pháp này ít dùng. Ngoài ra, dùng phương pháp đảo chiều
từ thông thì khi từ thông qua trò số không có thể làm tốc
độ tăng quá, không tốt.
e. Mở máy động cơ kích từ độc lập:
Lúc đầu mới đóng điện cho động cơ, tốc độ động cơ
còn bằng không nên dòng điện động cơ Inm tính theo (1-13)

Ngành điều khiển và tự động hóa

-19- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

Luận văn thạc sỹ

rất lớn, tạo ra mô men ngắn mạch Mnm tính theo (1-12) cũng
rất lớn và gây ra hậu quả xấu.
Dòng điện mở máy:
Imm = Inm =

U đm
= (10÷20)Iđm
Rư

Đối với động cơ có công suất càng lớn thì Rư thường
có giá trò càng nhỏ và dòng Inm càng lớn. Điều này làm
xấu chế độ chuyển mạch trong động cơ, đốt nóng mạch
động cơ và gây sụt áp lưới điện. Tình trạng càng xấu hơn
nếu hệ truyền động điện thường phải mở máy, đảo
chiều, hãm điện thường xuyên như ở máy trục, máy cán
đảo chiều, thang máy lên xuống v.v …
Mô men mở máy quá lớn sẽ tạo ra các xung lực động
làm hệ truyền động bò giật, lắc, không tốt về mặt cơ học,
hại máy và có thể gây nguy hiểm như: gãy trục, vỡ bánh
răng, đứt cáp, đứt xích v.v…
Mmm = Mnm = k.Φđm.Imm
Vậy để đảm bảo an toàn cho động cơ và các cơ cấu
truyền động cũng như tránh ảnh hưởng xấu đến lưới điện,
phải hạn chế dòng điện khi mở máy không cho vượt quá
giá trò:

Imm = (1,5÷2,5)Iđm
Nghóa là phải thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng
sao cho:
I mm =

U đm
U
= đm = (1,5 ÷ 2,5)I đm
Rư + Rphụï R ư ∑

Công suất động cơ càng lớn thì chọn Imm nhỏ

Ngành điều khiển và tự động hóa


-20- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

Luận văn thạc sỹ

Trong quá trình mở máy, tốc độ động cơ ω tăng dần,
sức điện động của động cơ E =k.Φ.ω cũng tăng dần và
dòng điện động cơ bò giảm:
I=

U −E
Rư + Rphụï

Do đó mômen động cơ cũng giảm. Do vậy khi mômen
giảm đi một mức nào đó thì phải cắt điện trở phụ trong

mạch phần ứng để động cơ trở về làm việc (hay tiếp tục
mở máy) trên đặc tính tự nhiên.
Tóm lại để hạn chế dòng điện quá lớn lúc mở máy
phải thêm điện trở vào mạch phần ứng. Trong quá trình
động cơ tăng tốc phải loại bỏ dần các điện trở mở máy
ra khỏi mạch phần ứng.
1.3.2. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn dây
kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng. Từ thông
của động cơ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng (tức là
phụ thuộc vào tải)
Φ = k’.Iư

(1-14)

Trong đó: k’: Hệ số phụ thuộc cấu tạo của cuộn dây
kích từ

Ngành điều khiển và tự động hóa


-21- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

Luận văn thạc sỹ

Biểu thức 1-14 cho biết: từ thông Φ phụ thuộc tuyến
tính vào dòng điện phần ứng (tức là dòng điện kích từ).
Điều này đúng khi mạch từ không bão hòa từ khi dòng

điện IƯ < (0,8÷0,9)Iđm. Tiếp tục tăng Iư thì tốc độ tăng từ
thông Φ chậm hơn tốc độ tăng Iư rồi sau đó khi tải lớn

Hình 1-16: b-Từ thông động cơ
một chiều kích từ nối tiếp phụ
thuộc vào dòng điện phần ứng
(cũng là dòng kích từ)
(Iư>Iđm), có thể coi Φ = const vì mạch từ đã bò bão hòa.

Hình 1-16: a-Sơ đồ nguyên lý
nối dây động cơ điện một
chiều kích từ nối tiếp

a, Phương trình đặc tính cơ:
Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện
một chiều:
U=E+IưRưΣ

(1-15)

E=k.Φ.ω

(1-16)

M=k.Φ.Iư = k.k’.Iư2

(1-17)

Ta có thể tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ điện
một chiều kích từ nối tiếp:

Từ (1-14), (1-16) và (1-15)

Ngành điều khiển và tự động hóa


-22- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

Luận văn thạc sỹ

ϖ=

U
k .k '.I ư

(1-18)

Rút Iư từ (1-17) thay vào (1-18)
ϖ=

R
U
− ư∑
k .k ' M k.k'

(1-19)

b, Đường đặc tính cơ:
Đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
nối tiếp theo phương trình (1-19) là một đường hyperbol

Thực tế động cơ được thiết kế để làm việc với mạch
từ bão hòa ở vùng tải đònh mức. Do vậy, khi tải nhỏ,
đường đặc tính cơ có dạng hyperbol bậc 2 và mềm. còn khi
tải lớn (trên đònh mức) đặc tính có dạng gần thẳng và
cứng hơn vì mạch từ đã bão hòa (Φ=const)
Khi Mc = 0 (Iư = 0) theo (1-19) thì trò số ω sẽ vô cùng lớn.
Thực tế do luôn có Mc ≠ 0 vì không thể có lực ma sát ở cổ
trục động cơ và mạch từ khi Ikt = 0 vẫn còn có từ dư (Φdư ≠ 0)
nên khi không tải Mc ≈ 0, tốc độ động cơ sẽ là:
ϖ0 =

U
k .Φ dư

Tốc độ này không phải lớn vô cùng nhưng do từ dư
Φdư nhỏ nên ω0 cũng lớn hơn nhiều so với trò số đònh mức
(5÷6)ωđm và có thể gây hại và nguy hiểm cho hệ truyền
động điện. Vì vậy không được để động cơ điện một chiều
kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải hoặc rơi
vào tình trạng không tải. Không dùng động cơ một chiều
kích từ nối tiếp với các bộ truyền đai hoặc ghép nối (ly
hợp ma sát) … Thông thường, tải tối thiểu của động cơ là

Ngành điều khiển và tự động hóa


-23- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

Luận văn thạc sỹ

khoảng (10%÷20%) đònh mức. Chỉ những động cơ công suất
nhỏ (vài chục watt) thì mới có thể cho phép chạy không tải.
Do đường đặc tính cơ mềm nên tốc độ động cơ một
chiều kích từ nối tiếp biến động mạnh theo phụ tải. Ở
vùng tải lớn thì đặc tính cơ lớn hơn, do đó tốc độ ít bò thay
đổi mạnh theo tải.
Phương trình đặc tính cơ tự nhiên suy từ (1-19) với RưΣ = Rư
R
U
− ư∑
k .k ' M k .k '

ϖ=

(1-20)

Đặc tính cơ cắt trục hoành tại điểm Mmm, trò số Mmm suy
ra khi cho ω=0:
2

M mm

⎛U ⎞
2
= k .k ' ⎜⎜ ⎟⎟ = k .k '.I mm
⎝ Rư ⎠

(1-21)

Trong đó:
I mm =

U
Rư

(1-22)

c, Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính
cơ:
Phương trình (1-19) cho thấy đặc tính cơ ω=f(M) của động
cơ điện một chiều kích từ nối tiếp bò ảnh hưởng bởi điện
trở

mạch

động

cơ

(mạch phần ứng cũng là mạch kích từ)
Đặc tính cơ tự nhiên (tn) cao nhất ứng với điện trở phụ
Rphụ = 0. Các đặc tính cơ nhân tạo (nt) ứng với Rphụ≠0. Đặc
tính

càng

thấp

khi

Rphụ

càng lớn.
Ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, dòng

Ngành điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-24- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

điện phần ứng cũng là dòng điện kích từ nên khả năng
tải của động cơ hầu như không bò ảnh hưởng bởi điện áp
d, Đảo chiều quay của động cơ kích từ nối tiếp
Cũng như động cơ một chiều kích từ song song động cơ
kích từ nối tiếp sẽ đảo chiều quay khi đảo chiều dòng điện
phần ứng.
e, Mở máy động cơ kích từ nối tiếp
Lúc mở máy, phải đưa thêm điện trở mở máy vào
mạch động cơ để hạn chế dòng điện mở máy trong giới
hạn không quá 2,5Iđm. Trong quá trình động cơ tăng tốc, phải
cắt dần điện trở mở máy, động cơ sẽ làm việc trên
đường đặc tính cơ tự nhiên không có điện trở mở máy
1.3.3. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ HỖN HP

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp ít gặp hơn
các loại động cơ đã xét ở các mục trên. Trong động cơ loại

này, từ thông được tạo ra do tác dụng đồng thời của hai
cuộn kích từ: một cuộn song song (ktss) một cuộn nối tiếp
(ktnt). Do vậy đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
kích từ hỗn hợp phân bổ giữa đặc tính cơ của động cơ điện
một chiều kích từ song song và đặc tính cơ của động cơ
điện một chiều kích từ nối tiếp.
Nếu từ trường của cuộn song song tạo ra mạnh hơn từ
trường của cuộn nối tiếp thì đặc tính cơ của động cơ điện
kích từ hỗn hợp gần đặc tính cơ của động cơ kích từ song
song hơn.
Nếu từ trường của cuộn nối tiếp ra mạnh hơn từ
trường của cuộn song song thì đặc tính cơ của động cơ điện

Ngành điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-25- viên: Nguyễn Tiến Phúc
Học

kích từ hỗn hợp gần đặc tính cơ của động cơ kích từ nối
tiếp hơn.
Một trong những đặc điểm của động cơ kích từ hỗn
hợp là cơ đặc tính cơ mềm, có thể chạy ở chế độ không
tải vì tốc độ không tải có giá trò giới hạn.

Ngành điều khiển và tự động hóa