Đồ án môn học: Mô phỏng điều khiển động cơ DC kích từ độc lập sử dụng phần mềm matlab với mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KÍCH TỪ ĐỘC LẬP SỬ DỤNG 
PHẦN MỀM MATLAB VỚI MẠCH CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA 
ĐIỀU KHIỂN TOÀN PHẦN

Mã số lớp HP: PRED410945_16_2_04
GVHD : Trần Quang Thọ
Nhóm thực hiện: Minh­Vinh 
Học kỳ 2­ Năm học 2016­ 2017


TP.HCM, tháng 5/ 2017


HỌ TÊN SINH VIÊN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

1. Nguyễn Văn Minh. 16342035
2. Hồ Cát Vinh. 16342072

Điểm:…………

Nhận xét của  GV:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................
GV ký tên


MỤC LỤC


PHẦN MỞ ĐẦU
­Lý do chọn đề tài :
Động cơ  điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ  quay liên tục trong một  
phạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ  đặc biệt, thiết bị 
đơn giản và rẻ tiền hơn các thiết bị điều khiển của động cơ  ba pha. Vì một số 
ưu điểm như  vậy cho nên động cơ  điện một chiều được sử  dụng rất rộng rãi 
trong công nghiệp.

­

Mục tiêu của đề  tài: Trang bị  những kiến thức cơ bản về động cơ  điện một  
chiều kích từ  độc lập, cũng như  vai trò của mạch chỉnh lưu toàn kỳ  trong việc 
điều khiển tốc độ  động cơ. Hiểu được mô hình làm việc của một số mô hình 
Demo trong Matlab về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách thức làm việc của  
động cơ một chiều kích từ độc lập.

­

Phương pháp thực hiện đề tài: Chủ động, tích cực (tìm hiểu và xây dựng mô 
hình mô phỏng động cơ, tham khảo tài liệu,…)
Làm việc theo nhóm (thuyết trình, tranh luận… theo sự  phân công của 
nhóm trưởng)
Liên hệ  chặt chẽ  với giảng viên (trực tiếp trên lớp hoặc gián tiếp qua 

email, điện thoại…)
Gắn học tập với thực hành mọi lúc, mọi nơi.

5


PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1.TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1.1  Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều chia thành 2 phần chính: 
Phần tĩnh ( Stato)
Gồm các bộ phận chính sau: 
Cực từ chính: là bộphận sinh ra từ trường, gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ. 
+ Lõi sắt cực từ làm bằng thép kĩ thuật điện dày ( 0,5 –1) mm ép lại và tán chặt. 
+ Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện. 
Trong  các  máy  công  suất nhỏ, cực từ chính là một nam châm vĩnh cửu. 
Trong các máy công suất trung bình và lớn, cực từ chính là nam châm điện. 
­ Cực từ phụ: đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện điều kiện làm việc của máy 
điện và đổi chiều 
+ Lõi thép cực từphụcó thểlà một khối hoặc có thể được ghép bởi các lá thép tùy theo  
chế độlàm việc. 
Xung quanh cực từ phụ được đặt dây quấn cực từ phụ, dây quấn cực từ phụ được nối  
với dây quấn phần ứng. 
Gông từ: dùng đểlàm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏmáy. 
Phần quay ( roto)
Bao gồm các bộphận chính sau:
6

­ Lõi thép phần  ứng: dùng để  dẫn từ, thường dùng những tấm thép kĩ thuật điện dày  
0,5mm phủ  cách điện mỏng  ở  hai mặt rồi ép chặt lại để  giảm tổn hao do dòng điện  
xoáy gây lên. 
Trong máy điện nhỏ, lõi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục. 
Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá roto. 
Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. 
Dây quấn phần ứng thường làm bằng đồng có bọc cách điện. 
Trong máy điện công suất nhỏ, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện tròn. 
Trong máy điện công suất vừa và lớn, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện hình chữ 
nhật. 
Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. 
Cơ cấu chổi than: dùng để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài.
1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện  
Iư. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực F đt tác dụng làm cho 
rôto quay.
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiến 
góp đổi chiều dòng điện, giữ  cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ  có 
chiều quay không đổi. 
Khi động cơ  quay, các thanh dẫn cắt từ  trường, sẽ  cảm  ứng sức điện động Eư.  Ở 
động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên sức điện  
đông Eư còn được gọi là sức phản diện.
Phương trình  điện áp là

7


1.2 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và 
mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được 

gọi là động cơ kính từ độc lập.
Hình 1.1 Động cơ điện một 

chiều kích từ độc lập

Động cơ  điện một chiều 
từ  được  cấp  điện  từ  nguồn 
nguồn điện cấp cho rôto.

kích từ  độc lập: Cuộn kích 
một   chiều   độc   lập   với 

1.2.1 Đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 
Tùy theo cách kích thích từ, động cơ  điện một chiều có những tính năng khác nhau 
biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc, đặc tính cơ khác nhau. 
Trong các đặc tính đó, quan trọng nhất là đặc tính cơ. Đặc tính cơ  dùng để  xác định  
điểm làm việc xác lập hoặc là khảo sát điểm làm việc  ổn định trong hệthống truyền 
động điện. 
Đặc tính tốc độ của động cơ điện là mặt phẳng tọa độ giữa ω với momen ω= f(I)
Đặc tính cơ của động cơ điện là mặt phẳng tọa độ giữa ω với momen ω= f(M) 
1.2.1.1  Đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
* Phương trình đặc tính tốc độ tự nhiên:

* Phương trình đặc tính tốc độ nhân tạo:

8


*Khi không tải:  Iư = Ic=0      =>  (Tốc độ không tải lý tưởng)
*aTN(tự nhiên)= 

: Hệ số góc (độ dốc)

: độ sụt tốc độ

*

*Eư =  . : sứt điện động 
Với 
Sức điện động  phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của rôto:
                                                                            : là hệ số kết cấu  của động cơ.
P: Số đôi cực từ chính.
N: Số thanh dẫn  tác dụng của cuộn ứng.
a: Số mạch nhánh song song của cuộn ứng. 
 ≡ IKTđm
 ≡ IKT : từ thông kích từ dưới một cực từ
1.2.1.2  Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Phương trình đặc tính cơ nhân tạo:

Phương trình đặc tính cơ tự nhiên:

9


Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông = const, thì các phương trình 
đặc tính tốc độ và phương trình đắc tính cơ là tuyến tính. Đồ thị của chúng được biểu 
diễn trên Hình1.2 và Hình 1.3 là những đường thẳng.

Hình 1.2: Đặc tính tốc độ (cơ điện)

Hình 1.3: Đặc tính cơ

Theo các đồ thị trên, khi I ư=0, M=0 , ta có:
Tốc độ  ωo được gọi là tốc độ  không tải lý tưởng của động cơ  . Đó là tốc độ 
lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ở chế độ  động cơ  vì không bao giờ xảy  
ra trường hợp Mc = 0.
Khi  ω = 0 , ta có 
Mômen Mnm  và Inm  gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch. Đó là giá trị 
mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điện đầy đủ mà tốc 
độ bằng 0. Trường hợp này xảy ra khi bắt đầu mở máy  và khi động cơ đang chạy mà  
bị  dừng lại vì bị  kẹt hoặc tải lớn quá kéo không được. Dòng điện I nm  này lớn và 
thường bằng: Inm = (10 ÷20)Iđm
Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tượng tồn tại kéo dài.

10


1.2.2 Mở máy động cơ kích từ độc lập
* Vấn đề mở máy:

Khi mở máy : n=0  => Eư mm = 0

Thường : 
Thay vào Iư đm = (20 ÷ 25). Iđm
Dòng Imm lớn :
­
­
­
­

Mmm lớn => động cơ dễ mở máy.
Cháy lớp cách điện của dây quấn.
Cháy dây dẫn điện.
Biến dạng rãnh stator.

­
* Cách khắc phục:
Iư mm = (1,8 ÷ 2,5). Iđm = 
Cách 1  :Giảm Uư khi mở máy.
Cách 2 : Giữ Uư = Uư đm thì thêm Rf vào mạch phần ứng.

1.3

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH 
TỪ ĐỘC LẬP

Khi xem xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc 
lập,  ta  đã  biết quan  hệ  ω=f(M)  phụ  thuộc  các  thông  số  điện  U,  φ,  Rư .  Sự  thay  đổi 
Σ
các  thông  số  này  sẽ  cho  những  họ  đặc  tính  cơ  khác  nhau.  Vì  vậy,  với  cùng  một 
mômen  tải  nào  đó,  tốc  độ  động  cơ  sẽ  khác  nhau  ở  các đặc tính cơ khác nhau. Như 
vậy, động cơ điện một chiều kích từ độc lập có thể được điều chỉnh tốc độ bằng các 
phương pháp sau đây:
11


1.3.1  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 
(Ikt ≤ Iktđm) 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 hình1.4:

Hình 1.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ
độc lập bằng phương pháp thay đổi từ thông kích từ
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.
­ Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắt nhau 
và do đó, với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm. Còn ở vùng tải lớn  
(M2) tốc độ  có thể  tăng hoặc giảm tùy theo tải. Thực tế, phương pháp này chỉ  sử 
dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức.
­ Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ  thực hiện ở  mạch kích  
12


từ với dòng kích từ là (1÷10)% dòng định mức của phần ứng. Tổn hao điều chỉnh thấp.
1.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng
Sơ  đồ  nguyên lý nối dây như  Hình1.5. 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 Hình1.5
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 thêm 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.
­ Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số mômen tải. Tải càng nhỏ (M1) thì dải điều 
chỉnh càng nhỏ. Nói chung, phương pháp này cho dải điều chỉnh: D ≈ 5:1.

Hình 1.5: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích
từ độc lập bằng phương pháp thay đổi điện trở phần ứng.
­ Về  nguyên tắc, phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ  thay đổi điện trở 
nhưng vì dòng rotor lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn. Thực tế thường sử 
13


dụng chuyển đổi theo từng cấp điện trở.
1.3.3  Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Sơ đồ nguyên lý được biểu diễn như trên Hình 1.6. Từ thông động cơ được giữ 
không đổi. Điện áp phần ứng được cấp từ một bộ biến đổi.
Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần  ứng, ta có các họ đặc tính cơ  ứng 
với các tốc độ không tải khác nhau, song song và có cùng độ cứng.
Điện áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U
) nên phương pháp này chỉ 
đm

cho phép điều chỉnh giảm tốc độ.

Hình 1.6 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập
bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng.

14