Mô phỏng mạch vòng dòng sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập và bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động E với ngẫu nhiên và dạng tải quạt gió

MỤC LỤC
LỜI GIỚI THIỆU.......................................................................................................................2
CHƯƠNG I :GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU...............................................................3
1.1 Đặt vấn đề............................................................................................................................3
1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều....................................................................................3
1.2.1 Phần tĩnh hay phần cảm (stator).....................................................................................4
1.2.2 Phần quay hay phần ứng (rotor).....................................................................................6
1.2.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều..........................................................7
1.4 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều kích từ độc lập...........................................12
1.5 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập............................................13
1.6 Trường hợp điện áp phần ứng không đổi.........................................................................18
1.7 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập trong vùng gián đoạn của điện áp phần ứng...19
CHƯƠNG II : TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN.....................................................22
2.1. KHÁI NIỆM MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN.............................................22
2.1.1. Khái quát chung:..........................................................................................................22
2.2 Xây dựng bộ điều khiển dòng điện khi bỏ qua sức điện động của động cơ.......................24
2.2.1 Cấu trúc điều khiển:......................................................................................................24
2.2.2 Mô hình động cơ...........................................................................................................25
2.2.3 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện...............................................................................27
CHƯƠNG III : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.................................................................................31

1


LỜI GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây cả nước ta đang bước vào công cuộc công
nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, sự giáo dục đóng vai trò quan trọng trong
công cuộc này đặc biệt là đào tạo ra đội ngũ có tay nghề cao biết kết hợp chặt
chẽ lý thuyết và thực tiễn vào lao động sản xuất.
Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện điện tử, công nghệ
thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiều

tiến bộ mới. Tự động hoá quá trình sản xuất đang được phổ biến rộng rĩa trong
các hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Tự
động hoá không những làm giảm nhẹ sức lao động cho con người mà còn góp
phần rất lớn trong việc nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản
phẩm.
Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có thêm
nhiều xí nghiệp mới sử dụng kỹ thuật cao, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện
những kiến thức về điện tử công suất, về truyền động điện, điều chỉnh tự động
truyền động điện, về vi mạch và xử lý trong công tác kỹ thuật hiện tại.
Để đáp ứng những nhu cầu khó khăn đó em được giao nhiệm vụ làm đồ
án "Xây dựng cấu trúc mô phỏng mạch vòng dòng điện của hệ truyền động
sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi tổng hợp bỏ qua sự ảnh
hưởng của sức điện động E với nhiễu ngẫu nhiên và dạng tải quạt gió".
Việc làm đồ án đã giúp em ôn lại phần lý thuyết đã được học ở trường,
thực hành trên lớp kết hợp với thực tiễn lao động sản xuất đã giúp em hiểu sâu
hơn, biết vận dụng được lý thuyết được học ở trường vào thực tiễn.
Đồ án của em gồm có 3 chương, giới thiệu về động cơ một chiều, các
biểu thức tính toán, đưa ra phương án chọn công suất động cơ. Vấn đề xây dựng
cấu trúc mô phỏng mạch vòng dòng điện động cơ điện một chiều, phân tích, tính
toán bộ điều khiển dòng điện. Tổng hợp hệ thống truyền động điện động cơ một
chiều và mô phỏng bằng Simulink.

2


CHƯƠNG I :GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU
1.1 Đặt vấn đề
Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn chiếm một vị trí quan trọng
trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện , nó được sử dụng rộng trong
hệ thống đòi hỏi có độ chính xác cao vùng điều chỉnh rộng và qui luật điều

chỉnh phức tạp. Cùng với sự tiến bộ của văn minh nhân loại chúng ta có thể
chưng kiến sự phát triển rầm rộ kể cả về qui mô lẫn trình độ của nền sản xuất
hiện đại .Trong sự phát triển đó ta cũng có thể rễ ràng nhận ra và khẳng định
rằng điện năng và máy tiêu thụ điện năng đóng vai trò quan trọng không thể
thiếu được .Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng làm 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.
1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạo
giống nhau. Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phần
tĩnh) và phần ứng (phần quay).
Các trị số định mức của động cơ điện một chiều
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.
1. Công suất định mức Pđm (kW hay W).
2. Điện áp định mức Uđm (V).
3. Dòng điện định mức Iđm (A).
4. 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
3


Phân loại động cơ điện một chiều
Dựa theo cuộn kích từ, động cơ một chiều có các loại như sau:

- Động cơ một chiều kích từ độc lập.
- Động cơ một chiều kích từ song song.
- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp.
- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp.
stato

Cực từ chính
Dây quấn cực từ chính
Day quấn cực từ phụ
Cực từ phụ
Lõi sắt
Gông từ
Dây quấn phần ứng

Hình 1-0. Cấu tạo động cơ điện một chiều
1.2.1 Phần tĩnh hay 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.
a) Cực từ chính
Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ
lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện
hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có
thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn
kích từ được quấn bằng dây đồng, và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ
thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây
kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau như trên (hình 1.1).

4


Hình 1.1 Cực từ chính
b) Cực từ phụ
Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều.
Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có
đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn
vào vỏ máy nhờ những bulông.
c) Gông từ
Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.
Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy
điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm
vỏ máy.
d) Các bộ phận khác
Bao gồm:
- Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn
và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy
còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm
bằng gang.
- Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than
bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp.
Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi
than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều
chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.

5


1.2.2 Phần quay hay phần ứng (rotor)

Phần ứng của máy điện một chiều còn gọi là 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
a) Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn

a) Lõi sắt phần ứng
Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ 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 nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn
vào.
Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông
gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục.
Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những
đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi
máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào
trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto
có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto, hình 1.2.
b) 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).
c) Cổ góp
Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm
nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến
1,2 mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình

chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi
6


vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các
phiến góp được dễ dàng như trên (hình 1.4).

Hình 1.4 Cấu tạo cổ góp
1.2.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Trên hình 1.5 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 1.5a).

Hình 1.5a

7

Hình 1.5b


Hình1.5b
Hình 1.5 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
1.5b), 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.
1.3 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi
thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ
được gọi là động cơ kích từ song song (hình 1- 6).
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 (hình 1- 7),
lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập.

+

-

U
CKT

U

+

Rf

E

RKT

I

IKT

RKT

CKT
E

Rf

I

Hình 1-6. Sơ đồ nối dây của động
cơ kích từ song song

-

+

IKT

UKT

-

Hình 1-7. Sơ đồ nối dây của động
cơ kích từ độc lập
8


Phương trình đặc tính cơ
Theo sơ đồ (hình 1- 7), có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch
phần ứng như sau:
Uư = Eư + (Rư + Rf).Iư

(1-1)

Trong đó:
Uư : điện áp phần ứng (V),
Eư : sức điện động phần ứng (V),
Rư : điện trở của mạch phần ứng (),
Rf : điện trở phụ trong mạch phần ứng (),
Iư : dòng điện mạch phần (A).
Với: Rư = rư + rcf + rb + rct
rư : điện trở cuộn dây phần ứng,
rcf : điện trở cuộn cực từ phụ,
rb : điện trở của cuộn bù
rct : điện trở tiếp xúc của chổi than
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

Trong đó:

Eư =

p.N
. K .
2.π.a

K=

p.N
- hệ số cấu tạo của động cơ,
2a

(1 - 2)

p – số đôi cực từ chính,
N – số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng,
a – số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng,
 - từ thông kích từ dưới một cực từ Wb,
 - tốc độ góc, rad/s .
9


Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/ phút) thì:
Eư = Ke. n

Vì vậy

=

2..n
60

Eư =

p.N
..n
60.a

Ke =

p.N
: Hệ số sức điện động của động cơ,
60.a

Ke =

K
0,105
K
9,55

(1 - 3)

Từ công thức (1 - 1) và (1 - 2) ta có:
=

U
R  Rf

.I
K
K

(1–4)

Biểu thức (1 - 4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác,
mômen điện từ Mđt của đcộng cơ được xác định bởi:
Mđt = K . Iư
Suy ra

Iư =

(1–5)

M dt
K

Thay giá trị Iư vào (1-4) ta được:
=

U
R  Rf

M dt
K
 K .  2

(1–6)

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động
cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M, nghĩa là Mđt = Mcơ = M.
=

U
R  Rf

M
K
 K  2

(1–7)

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc

lập.

10






o

o

Inm

I®

I

m

M®

Mn

m

m

M

Hình 1- 7. Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ cơ của động
cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Giả thiết phản ứng được bù đủ, từ thông  = const, thì các phương trình đặc tính
cơ điện (1 - 4 ) và phương trình đặc tính cơ (1 - 7) là tuyến tính. Đồ thị của
chúng được biểu diễn trên (hình 1 - 7).
Theo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có :


U
o
K

o được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. Còn khi  = 0 ta có:
I 

và

U
 I nm
R  Rf

M = K . Inm = Mnm

Inm, Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch,
Mặt khác, phương trình đặc tính (1 - 4) và (1 - 7) cũng có thể được viết ở
dạng:
=

U
R.I

o   ,
K K



U
R.M

o  
K  (K  ) 2
11


Trong đó

R = Rư + Rf ,
 =

o =

U
K

R
R
.I 
.M

K
(K  )2

 được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M.
1.4 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến trong các
hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều (Đ)
từ vài W đến vài MW. Giản đồ kết cấu chung của Đ như hình 1.5, phần ứng
được biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở phần stato có thể
có vài dây quấn kích từ: dây quấn kích từ độc lập CKĐ, dây quấn kích từ nối
tiếp CKN, dây quấn cực từ phụ CF và dây quấn bù CB. Hệ thống các phương
trình mô tả Đ thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều
khiển) thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ U k; tín hiệu ra thường là
tốc độ góc của động cơ ω, mômen quay M, dòng điện phần ứng I, hoặc trong
một số trường hợp là vị trí của rôto φ. Mômen tải Mc là mômen do cơ cấu làm
việc truyền về trục động cơ, mômen tải là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ
truyền điện tự động.




u
u

Hình 1.8 Giản đồ thay thế động cơ một chiều.
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp u k nào đó thì trong dây quấn
kích từ sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp đó
đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có
dòng điện chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo
thành mômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau:

M=

p ' .N
..I kI
2 .a

(2.1)

Trong đó: p’ - số đôi cực của động cơ;
N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ;
12


a - số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng;
k = p’N/2пa - hệ số kết cấu của máy.
Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần
ứng quét qua từ thông và trong các dây dây quấn này cảm ứng sức điện động
(sđđ):
E=

p ' .N
.. k
2 .a

(2.2)

Trong đó: ω - tốc độ góc của rôto.
Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng
điện áp phần ứng:


U  Ru I
k

(2.3)

Trong đó Rư- điện trở mạch phần ứng của động cơ.
Từ các phương trình (1.1) và (1.3) có thể vẽ được họ đặc tính cơ M(ω)
của động cơ một chiều khi từ thông không đổi, hình 2.


Hình 1.9 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
khi từ thông không đổi.
1.5 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các
phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 1.5 như sau:
* Mạch kích từ, có hai biến dòng điện kích từ i k và từ thông Φ là phụ thuộc phi
tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:
Uk(p) = RkIk(p) + Nk.p.Φ(p)
(2.4)
trong đó: Nk - số vòng dây cuộn kích từ;
Rk - điện trở cuộn dây kích từ.
* Mạch phần ứng:
U(p) = Rư.I(p) + Lư.p.I(p) ± NN.p.Φ(p) + E(p)
(2.5)
Hoặc dạng dòng điện:
13


1/ R

u
I(p) = 1  pT U ( p) N N . p.( p)  E ( p)
u

trong đó Lư- điện cảm mạch phần ứng;
NN - số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp;
Tư = Lư/Rư - hằng số thời gian mạch phần ứng.
* Phương trình hệ điện cơ (phương trình chuyển động của hệ thống):
M(p) – Mc(p) = Jpω
(2.6)
trong đó J là mômen quán tính của các phần tử chuyển động quy đổi về trục
động cơ.
Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ một
chiều như sau:

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc chung của động cơ một chiều
Ta thấy rằng sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh (có khâu phi tuyến), do
đó trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm
làm việc (phương pháp số gia).
Trước hết chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ
hoá và đặc tính mômen tải như hình 2.4

14





0

cb
c

Hình 1.11 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải.
Độ dốc của đặc tính từ hoá và đặc tính cơ mômen tải tương ứng (bỏ qua
hiện tượng từ trễ) là:


kk = I
k
B=

M C


0 ,I K 0

M Cb , B

(2.7)
(2.8)

Tại điểm làm việc xác lập ta có: điện áp phần ứng U 0, dòng điện phần ứng
I0, tốc độ quay ωB, điện áp kích từ Uk0, từ thông Φ0, dòng điện kích từ Ik0 và
mômen tải MCB. Biến thiên nhỏ của các đại lượng trên tương ứng là: ∆U(p),
∆I(p), ∆ω(p), ∆Uk(p), ∆Ik(p), ∆Φ(p) và ∆MC(p).
Xét cho động cơ kích từ độc lập (N N= 0), khi đó các phương trình có thể
viết như sau:
- Mạch phần ứng:

U0 + ∆U(p) = Rư[I0 + ∆I(p)] + pLư[I0 + ∆I(p)] +
+ K[Φ0 + ∆Φ(p)].[ωB + ∆ω(p)]
(2.9)
- Mạch kích từ:
Uk0 + ∆Uk(p) = Rk[Ik0 + ∆Ik(p)] + pLk[Ik0 + ∆Ik(p)]
(2.10)
- Phương trình chuyển động cơ học:
K[Φ0 + ∆Φ(p)] . [I0 + ∆I(p)] - [MB + ∆MC(p)] = Jpp [ωB + ∆ω(p)] (2.11)
Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết
được các phương trình của gia số như sau:
∆U(p) = Rư∆I(p) + pLư∆I(p) + KΦ0∆ω(p) +K∆Φ(p)ωB
(2.12)
∆Uk(p) = Rk∆Ik(p) (1 + pTk)
(2.13)
K∆Φ(p)I0 +KΦ0∆I(p) - ∆MC(p) = Jp p∆ω(p)
(2.14)
Từ các phương trình trên ta suy ra sơ đồ cấu trúc chung đã được tuyến
tính hoá của động cơ một chiều kích từ độc lập

15


B

1

U

Ru
1  Tu . p

I

K

M

1
J.p

c

0

K

0

U

K

1

RK
1  TK . p

I

K

KK



K

KI0

B

Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá
Sau đây ta xét một số trường hợp đặc biệt của động cơ một chiều kích từ
độc lập trong chế độ quá độ.
a) Động cơ kích từ độc lập khi từ thông Φ = const.
Khi dòng điện từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích
bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:
KΦ = const = Cu
Khi đó: - Phương trình mạch phần ứng có dạng:
U(p) = RuI(p)(1+pTu) + Cu.ω(p)
(2.15)
- Phương trình hệ điện cơ có dạng:
CuI(p) – Mc(p) = Jpω(p)
(2.16)
Từ hai phương trình (2.15) và (2.16) ta suy ra sơ đồ cấu trúc khi từ thông
không đổi được biểu diễn trên hình 2.6

Up

U

 E

1 / Ru
1  pTu

Iu

M
K .

 Mc

1
Jp



K .

16


Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
Bằng cách tối thiểu hóa sơ đồ khối ta thu được các sơ đồ cấu trúc thu gọn
sau với:
Hệ số khuếch đại của động cơ: Kđ = 1/Cư ,
Hằng số thời gian cơ học: Tc = RưJ/
U ( p ). p.Tc M c ( p )


Ru
Cu2
I ( p) 
2
Tu .Tc. p  Tc p  1

Hình 1.14a sơ đồ cấu trúc thu gọn theo tốc độ

Tu
p
Tc
TuTc P 2  Tc p  1

I

Iđg

 

U

Mc
17


Hình 1.14b sơ đồ cấu trúc thu gọn theo dòng điện
1.6 Trường hợp điện áp phần ứng không đổi
Khi giữ điện áp phần ứng không đổi và điều chỉnh điện áp kích từ thì do
tính chất phi tuyến của mạch từ nên tốt nhất là sử dụng sơ đồ tuyến tính hoá
quanh điểm làm việc. Sơ đồ cấu trúc này được thể hiện trên hình 1.12, trong đó

tín hiệu điện áp phần ứng ∆U(p) = 0. Hàm truyền của động cơ có dạng:
 ( p )
K1 (1  pTu )  K 2

U ( p ) (1  pTk )(T1T2 p 2  T3 p  1)

Trong đó:
I0 R u K k
,
B
2
Rk K0 (1  Tc )
J
B K K
K2 
,
B
RK (1  Tc )
J
TT
JRu
T1T2  u c , Tc 
,
B
( K0 )2
1  Tc
J
� B �
Tc �
1  Tu �

J �
�
T3 
.
B
1  Tc
J
K1

Phương pháp này có những ưu và nhược điểm sau:
Ưu điểm: Chỉ điều chỉnh phần công suất rất nhỏ so với công suất định mức của
hệ truyền động.
Nhược điểm: Hằng số thời gian cuộn dây kích từ T K lớn, đặc tính từ hóa là phi
tuyến mạnh, phạm vi điều chỉnh hẹp và bị ảnh hưởng rất lớn của nhiễu phụ tải
Mc, mặt khác từ dư của động cơ có ảnh hưởng rất xấu đến chất lượng truyền
động của hệ truyền động đảo chiều bằng kích từ.
1.7 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập trong vùng gián đoạn của điện
áp phần ứng

18


Khi nối động cơ một chiều kích từ độc lập với các bộ biến đổi bán dẫn thì
trong các điều kiện nhất định của tốc độ và mô men và của góc điều khiển sẽ
xảy ra hiện tượng dòng điện phần ứng bị gián đoạn. Khi này các đặc tĩnh và
động của động cơ sẽ khác biệt so với chế độ dòng điện liên tục, mặc dù các
phương trình
KΦ = const = Cu
Phương trình mạch phần ứng:
U(p) = RuI(p)(1+pTu) + Cu.ω(p)

Phương trình hệ điện cơ:
CuI(p) – Mc(p) = Jpω(p)
Đối với các giá trị tức thời vẫn đúng trong vùng làm vùng làm việc gián
đoạn.
Trong khoảng thời gian tồn tại xung dòng điện, tốc độ động cơ tăng lên do
có xung momen điện từ khi dòng điện (và mômen) bằng không thì tốc độ động
cơ giảm xuống. Sự gián đoạn của dòng điện phần ứng gây sự đập mach tốc độ
động cơ, nếu hệ truyền động có mômen quán tính đủ lớn thì đập mạch tốc độ sẽ
là nhỏ và ngược lại. Do giá trị đầu và giá trị cuối của mỗi xung dòng trong một
chu kì đều bằng không nên không có sự gia tăng giá trị trung bình của dòng điện
theo thời gian, nghĩa là điện cảm mạch phần ứng trong chế độ dòng điện gián
đoạn không có tác dụng hạn chế giá trị trung bình của dòng điện phần ứng.
Từ các phương trình đó và các nhận xét trên ta viết được các phương
trình cho các giá trị trung bình trong một chu kì của dòng điện :
U = RuI + Cu
CuI – MC = J

.

19


Hình 1.15. Các giá trị tức thời của điện áp và dòng điện phần ứng trong chế độ
gián đoạn của mạch chỉnh lưu một pha, một nửa chu kì.
Điện áp U là hàm số của độ rộng xung dòng
biến đổi chuyển mạch tự nhiên, độ rộng =

và góc điều khiển

phụ thuộc vào góc điều khiển =

và vào suất điện động động cơ (cũng là tốc độ động cơ

). Do đó giá trị trung

bình trong một chu kì xung sẽ là hàm số của góc điều khiển
I =f(

của bộ

và tốc độ quay

:

).
Thường trong các bộ biến chỉnh lưu góc điều khiển

tính vào điện áp điều khiển = Uđk :

phụ thuộc tuyến

= a – bUđk. Trong đó a,b là các hằng số

phụ thuộc vào chu kì điện áp lưới và biên độ xung răng cưa của điện áp tựa.

Hình 1.16: Sơ đồ khối của động cơ một chiều tỏng chế độ dòng điện gián
đoạn
20

Có thể tuyến tính hóa khâu phi tuyến f(
điểm làm việc :
I 

Nên suy ra : I = K1

- K2

) bằng cách tuyến tính hóa quanh

�
I
�
I
.  
.
�

�


trong đó :
K1 

�
Ig
;
�
U dk

K2  

g�
I
�


Giá trị trung bình của dòng điện trong vùng gián đoạn và đặc tính biên
liên tục tùy thuộc vào từng bộ chỉnh lưu khác nhau thì khác nhau. Các giá trị
trung bình này có thể tính bằng tính toán hoặc thực nghiệm. Các dạng đặc tính :

a) I =f1(Uđk) ; = const
b) I = f2( );Uđk = const
Hình 1.17 : Đồ thị để xác định các hàm riêng
Từ đó ta có mô hình tuyến tính hóa của động cơ một chiều trong vùng I ư bị gián
đoạn( = KUđk):

Hình 1.18: Cấu trúc tuyến tính của động cơ một chiều từ thông không đổi
trong vùng dòng điện gián đoạn.

21


CHƯƠNG II : TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN
2.1. KHÁI NIỆM MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN
2.1.1. Khái quát chung:
Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần đảm bảo hệ thực
hiện được tất cả các yêu cầu đặt ra, đó là các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu
chất lượng và các yêu cầu về kinh tế. Chất lượng của hệ được thể hiện trong
trạng thái động và trạng thái tĩnh. Trong trạng thái tĩnh, yêu cầu quan trọng nhất

là độ chính xác điều chỉnh. Ở trạng thái động lại có các yêu cầu về ổn địnhvà
các chỉ tiêu chất lượng động là độ quá điều chỉnh, tốc độ điều chỉnh, thời gian
điều chỉnh và số lần giao động. Ở cấu trúc tự động điều chỉnh tự động điện, cấu
trúc mạch điều khiển và các bộ điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng
của hệ. Vì vậy khi thiết kế hệ ta phải thực hiện bài toán về phân tích và tổng hợp
hệ nhằm tìm ra lời giải hợp lý, sao cho đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật và kinh tế
đã đề ra.
Trong các hệ truyền động tự động cũng như các hệ chấp hành thì mạch
vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch
vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động điện là trực tiếp hoặc gián tiếp
xác định mô men kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh
gia tốc vv...
Khái niệm: mạch vòng dòng điện là mạch vòng dùng để điều khiển dòng
điện cho động cơ một chiều, có các chức năng sau:
+ Điều khiển dòng điện không vượt quá giá trị cho phép làm cháy ( chức
năng bảo vệ).
+ dòng điện liên quan trực tiếp đến momen nên điều khiển dòng điện
chính là điều khiển mô men của động cơ.
+ Việc điều khiển sẽ cho phép điều khiển gia tốc trên trục động cơ như
mômen.

a) Gia tốc động cơ khi có mạch b) Gia tốc động cơ khi không có
mạch vòng dòng điện
vòng dòng điện
22


Hình 2.1. Đồ thị miêu tả dạng gia tốc của động cơ

a) Phương pháp thay đổi tốc

độ kinhh điển

b) Phương pháp thay đổi
tốc độ mới

Hình 2.2. Đặc tính thay đổi tốc độ của động cơ một chiều
Có ba cấu trúc điều khiển dòng điện được đưa ra:
Cấu trúc thứ nhất: cấu trúc này dùng bộ điều chỉnh tốc độ hoặc điện áp R
có dạng bộ khuếch đại tổng và mạch phản hồi dòng điện phi tuyến P. Khi tín
hiệu dòng điện chưa đủ lớn để khâu phi tuyến ra khỏi vùng kém nhạy thì bộ điều
chỉnh làm việc như bộ điều chỉnh tốc độ( hay điện áp) mà không có sư tham gia
của mạch vòng phản hồi dòng điện. Khi dòng điện đủ lớn, khâu P sẽ làm việc ở
vùng tuyến tính của đặc tính và phát huy tác dụng hạn chế dòng của bộ điều
chỉnh R. Tuy nhiên trong thực tế cấu trúc này ít được sử dụng. Cấu trúc được thể
hiện trên hình 2.3.

Hình 2.3.
Cấu trúc thứ hai được mô tả trên hình 2.4, có hai mạch vòng với hai
bộ điều khiển riêng biệt R và RI cấu trúc này cho phép điều chỉnh độc lập từng
mạch vòng.
Tuy nhiên trong thực tế cấu trúc này ít được sử dụng.
23


Hình 2.4.
Cấu trúc thứ ba trên hình 2.5 là cấu trúc được sử dụng rộng rãi nhất trong
truyền động điện tự động trong đó R I là bộ điều khiển dòng điện, R là bộ điều
khiển tốc độ. Mỗi mạch vòng có bộ điều khiển riêng được tổng hợp từ đối tượng
riêng và theo các tiêu chuẩn riêng.

Hình 2.5.
2.2 Xây dựng bộ điều khiển dòng điện khi bỏ qua sức điện động của động
cơ
2.2.1 Cấu trúc điều khiển:

Hình 2.6: sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện
Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện như hình 2.6, trong đó F là mạch lọc
tín hiệu, Ri là bộ điều chỉnh dòng điện, BĐ là bộ biến đổi một chiều, S i là sensor
dòng điện. Sensor dòng điện có thể thực hiện bằng các biến dòng ở mạch xoay
chiều hoặc bằng điện trở sun hoặc các mạch đo cách ly trong mạch một chiều.
24


Trong đó:
Tf , Tđk , Tv0 , Tư , Ti –các hằng số thời gian của mạch lọc, mạch điều khiển
chỉnh lưu, sự chuyển mạch chỉnh lưu, phần ứng và sensor dòng điện.
Rư - điện trở mạch phần ứng.
�
Ud
- hệ số khuếch đại của chỉnh lưu.
�


Trong trường hợp hệ thống truyền động điện có hằng số thời gian cơ học
rất lớn, lớn hơn hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng thì ta có thể coi
sức điện động của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch
vòng đòng điện ( tức là coi E = 0 hoặc E = 0).
2.2.2 Mô hình động cơ
Giản đồ chung của động cơ điện một chiều:

Hình 2.7. Giản đồ chung động cơ điện một chiều

B

1

U

I

Ru
K
0
1  Tu . p
Hình 2.8 Mô hình động cơ một chiều

M

1
J.p

c

Trường hợp điện áp phần ứng không đổi:
0 đồ tuyến
- Do tính chất phi tuyến của mạch từ nên ta sử dụngKsơ
tính hoá quanh điểm làm việc
U

K

1

RK
1  TK . p

I

K

KK



KI0

K

B

25