mô phỏng cấu trúc điều khiển động cơ điện một chiều trong vùng suy giảm từ thông

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU..........................................................................................................2
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.......................3
1.1 Khái niệm.......................................................................................................3
1.2 Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều.................................................3
CHƯƠNG 2.XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC MẠCH VÒNG
ĐIỀU CHỈNH...........................................................................................................8
2.1 Xây dựng mô hình động cơ...........................................................................8
2.2 Xây dựng mạch vòng tốc độ và mạch vòng dòng cho động cơ................10
Chương 3: Mô phỏng các đặc tính của động cơ.................................................15
3.1 Lựa chọn các thông số cho mô phỏng........................................................15
3.2 Mô phỏng trong trường hợp cụ thể của động cơ bằng simulink.............15
3.3 Kết luận........................................................................................................21

1


LỜI MỞ ĐẦU
Đối với kỹ sư điều khiển – tự động hóa nói riêng và những người nghiên
cứu khoa học – kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép
khảo sát các đối tượng hệ thống hay quá trình kỹ thuật – vật lí, mà không nhất
thiết phải có đối tượng hay hệ thống thực. Được trang bị một công cụ mô
phỏng mạch và có hiểu biết vè các phương pháp mô hình hóa, người kĩ sư sẽ
có khả năng rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sản
phẩm một cách đáng kể. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ
thống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế lớn
Động cơ điện một chiều ngày nay vẫn đang được sử dụng rộng tãi trong
sản xuất cộng nghiệp bới những tính năng mà nó mang lại như: không cần
nguồn xoay chiều, thực hiện việc thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng, …
Chính vì những lí do đố mà em đã được giao đề tài về động cơ một chiều là đối
tượng để mô phỏng trong bài của mình. Em xin cảm ơn thầy Phạm Tâm Thành

đã hướng dẫn em hoàn thành bài tập lớn này.

2


CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 Khái niệm
Động cơ điện một chiều là máy điện quay được dùng để biến đổi năng lượng điện
một chiều thành cơ năng. Động cơ điện một chiều bao gồm: Động cơ điện một chiều
kích từ độc lập, song song, nối tiếp, hỗn hợp.
1.2 Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều
a. 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. Ngoài ra còn có bộ phận chổi than, cổ góp.
-

Phần cảm Stator)
Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ, vừa là vỏ
máy, mặt trong có gắn các cực từ chính và cực từ phụ (hình 1.1). Dây quấn cực từ
chình được đặt trên các cực từ chính và được nối nối tiếp nhau. Dây quấn cực từ phụ
được đặt trên các cực từ phụ, nó tạo ra từ trường phụ.

Hình 1.1 Hình dạng và mặt cắt ngang máy điện một chiều
+ Mạch từ và dây quấn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ kích từ bằng nam
châm điện), mạch từ được làm bằng sắt từ (thép đúc, thép đặc). Dây quấn kích từ
3


được làm bằng dây điện từ (dây đồn), các cuộn dây điện từ này được mắc nối tiếp

với nhau.
+ Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt và dây quấn kích từ lồng
ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kĩ 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 bu lông. Dây quấn kích từ được
quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kĩ thuật
thành một khối, tấm 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.
+ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chình. Lõi thép của cực từ phụ
thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dân quấn mà cấu tạo giống
như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bu lông.
+ Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nói liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.
Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dây uốn và hàn lại, trong máy điện
lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy.
-Phần ứng (rotor)
Phần ứng của máy điện một chiều còn gọi là rotor, gồm lõi thép, dây quấn
phần ứng.
+ Lõi thép phần ứng: Dùng để dẫn từ thường dùng những tấm thép kĩ thuật điện
(hình 1.2) 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 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 cá khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.

4


Hình 1.2 Lá thép rotor

+ Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong 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).

Hình 1.3 Dây quấn phần ứng
a) Phần tử dây quấn

b) Bố trí phần tử dây quấn

-Cổ góp và chổi than
Cổ góp và chổi than là bộ phận để biến đổi dòng điện rotor. Đây có thể coi như bộ
chỉnh lưu hay nghịch lưu cơ khí. Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghép
cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục. Chổi than làm bằng than graphic. Các
chổi than tì chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy.
b. Phân loại, ưu điểm nhược điển của động cơ một chiều
- Dựa theo cuộn kích từ, động cơ điện một chiều có các loại sau:
5


+Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp
từ hai nguồn riêng rẽ.
+Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song
với phần ứng.
+Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với
phần ứng.
+Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một cuộn
mắc song song với phần vùng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng.
-Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều

c) Cấu trúc điều khiển động cơ điện một chiều trong vùng suy giảm từ thông
Điều chỉnh từ thông kích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men điện từ
của động cơ và sức điện động quay của dộng cơ . Mạch kích từ của dộng cơ là mạch
phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến

Trong đó: rk là điện trở dây quấn kích thích
rb là điện trở của nguồn điện áp kích thích
wk số vòng dây của dây quấn kích thích
Trong chế độ xác lập ta có quan hệ

Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị
định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc
tính có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ
bản (đôi khi chính là đặc tính tự nhiên của động cơ). Tốc độ lớn nhất của dải điều
chỉnh từ thông bị hạn ché bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ
thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ
góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần
phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là mô mem co phép trên trục động
cơ giảm rất nhanh. Ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính
cơ cũng giảm đi rất nhanh khi giảm từ thông kích thích.
hay
6


Hình 1.3: Sơ đồ thay thế
a) Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông động cư
b) Đặc tính quan hệ
c) Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các động cư mà từ
thông định mức nằm ở trễ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính cà vùng bão hào của đặc
tính từ hóa thì có thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và bằng số C phụ thuộc vào

thông số kết cấu của máy điện.

CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC MẠCH
VÒNG ĐIỀU CHỈNH

7


2.1 Xây dựng mô hình động cơ
Mô hình động cơ kích từ động lập được biểu diễn như hình sau:

Hình 2.1: Cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập
Trong đó khối động cơ như sau:

Hình 2.2: Khối động cơ
Tính toán thông số cho động cơ:
Mô hình tĩnh:
Các đại lượng

Các phương trình
8


Từ thông kích từ
Sức điện động
Dòng điện phần ứng
Momen điện từ
Tốc độ động cơ
Bảng 1: Tính toán mô hình tĩnh
Mô hình động:

Các đại lượng
Từ thông kích từ
Sức điện động
Dòng điện phần ứng
Momen điện từ
Tốc độ động cơ

Các phương trình

Biến đổi LapLace
E(S)=

Bảng 2: Tính toán mô hình động
Thông số nhập vào:
Udc=110
Pdm=3200
Iu=37
ndm=1500
Ru=0.255
Lu=11.3
J=1.5
E=Udc-Ru*Iu
W=(2*pi*ndm)/60
KPhi=E/W
MT=Pdm/W

Kết quả mô phỏng của động cơ một chiều kích từ độc lập:

9

Hình 2.3: Mô phỏng hoạt động cơ một chiều kích từ độc lập
Nhận xét: thời gian từ lúc dao động đến lúc ổn định khá lâu.
Momen quay, momen điện từ, tốc độ động cơ sau khoảng 50s bắt đầu ổn định.
2.2 Xây dựng mạch vòng tốc độ và mạch vòng dòng cho động cơ
Các thông số cho trước:
Pđm công suất định mức của động cơ = 3.2(kW)
Uđm điện áp định mức phần ứng =100(V)
nđm tốc độ quay định mức = 1500(v/p)
ꞃđm hiệu suất danh định của động cơ = 90%
Lư điện cảm phần ứng = 0.0113(H)
Ti hằng số thời gian máy biến dòng =
10


Tv hằng số thời gian bộ chỉnh lưu =
Tđk hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lưu
Tw hằng số thời gian máy phát tốc
Các phương trình phản ứng phần ứng trong động cơ điện một chiều:

Uư điện áp phần ứng
Eư suất điện động phần ứng
Rư điện trở mạch phần ứng
Rf điện trở phụ trong mạch phần ứng
Iư dòng điện mạch phần ứng

rư điện trở cuộn dây phần ứng
rcf điện trở cực từ phụ
rb điện trở cuộn bù
rct điện trở tiếp xúc chổi điện

p số đôi cực chình
N số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
O từ thông kích từ dưới một cực từ
w tốc độ góc

Eư = Ke.O n
n: Tốc độ roto

11


Phương trình đặc tính cơ điện:

Phương trình đặc tính cơ:

Trong đó:

Tính momen định mức:

Từ sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tốc độ ta có

Chọn Udk = ta có :
Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:

Chọn

12

Sơ đồ mô phỏng mạch vòng dòng điện có thể lựa chọn một trong 3 sơ đồ sau:

13


Hình 2.4: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng dòng điện có thể dùng một trong 3 mô hình
sau

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động T-Đ

Chương 3: Mô phỏng các đặc tính của động cơ
3.1 Lựa chọn các thông số cho mô phỏng
* Chọn các thông số cho động cơ điện một chiều
-Điện trở phần ứng:
-Mo men quán tính:
-Điện cảm phần ứng:
-Hằng số động cơ:
-Từ thông danh định:
-Công suất định mức:
-Điện áp định mức:
14


-Điện áp định mức:
-Tốc độ định mức:
3.2 Mô phỏng trong trường hợp cụ thể của động cơ bằng simulink
Nhập thông số màn hình:
Pdm=2200
Udm=110
ndm=3000

Idm=25
Lu=0.0083
Ti=0.002
Tt=Tv+Tdk+Ti
J=0.055
Tv=0.0025
Tdk=0.0001
Eu=105
Ru=0.2
Wdm=3000/9.55
Mdm=Pdm/Wdm
Kphi=Mdm/Idm
Tu=Lu/Ru
Udk=10
Kcl=Udm/Udk
Uid=7
Ki=Uid/Idm
Tc=(J*Ru)/(Kphi*Kphi)
Uwd=10
Kw=Uwd/Wdm
Tw=0.001
Tsw=Tw + 2*Ti
Tsi=0.0046

Mô hình cấu trúc điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập được biểu diễn
trong hình 3.1 và 3.2

15

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập

Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập

Trong đó khối điều khiển có thông số như sau:

16


Hình 3.3: Khối điều khiển

Khối BBD có thông số như sau:

Hình 3.4: Khối PID
17


Khối Ri có thông số:

Hình 3.5: Khối Ri

Sau đây là đặc tính tốc độ, đặc tính dòng điện, đặc tính điện áp phản hồi được mô
phỏng như bên trên
Đặc tính tốc độ:

Hình 3.6: Đặc tính tốc độ
18


Nhận xét: độ điều chỉnh tương đối nhỏ nhưng thời gian quá độ tương đối lớn.

Đặc tính dòng điện:

Hình 3.6: Đặc tính dòng điện

Đặc tính điện áp phản hồi:

19


Hình 3.7: Đặc tính điện áp phản hồi
Nhận xét:
+ Khi có nhiễu thì giá trị dòng điện và mo men tăng theo, còn giá trị tốc độ và điện
áp phản hồi thì giảm
+Điện áp phản hồi không còn bám với tín hiệu đặt.

3.3 Kết luận
- Thời gian quá độ tương đối nhỏ nhưng vùng điều chỉnh và hệ sai lệch còn tương
đối lớn vì vậy mô hình này chưa thực sự tốt.
- Việc điều chỉnh dòng để thay đổi momen là tương đối dễ dàng nhưng xong còn gặp
khó khăn trong việc điều chỉnh từ thông để tác động đến momen.

Tài liệu tham khảo:
Matlab & simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động: Tác giả tiến sĩ Nguyễn
Phùng Quang, xuất bản năm 2008, nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật.
/>Điều chỉnh tự động truyền động điện: Tác giả Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễu,
Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghị, xuất bản 2008, nhà xuất bản Khoa học và Kĩ
thuật.
20

/>Lí thuyết điều khiển tự động: tác giả Nguyễn Văn Hòa, xuất bản 2006, nhà xuất
bản Khoa học và kĩ thuật.
/>%9F-L%C3%BD-Thuy%E1%BA%BFt-%C4%90i%E1%BB%81u-Khi%E1%BB
%83n-T%E1%BB%B1-%C4%90%E1%BB%99ng-Nguy%E1%BB%85n-V
%C4%83n-Hoa

21