Nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN CÔNG DOANH

NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN – THIẾT BỊ ĐIỆN

Hà Nội – Năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN CÔNG DOANH

NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện – Thiết bị Điện ( KT)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN- THIẾT BỊ ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. NGUYỄN THANH SƠN

Hà Nội – Năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Nội dung luận văn
đúng với tên đề tài đã được đăng ký và phê duyệt theo quyết định số:
2315/QĐĐHBK-ĐT-SĐH ngày 15/08/2018 của Hiệu trưởng trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội.
Hà Nội, ngày 22 tháng 11 năm 2019
Học viên

Nguyễn Công Doanh


Nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều

DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................iii
GIỚI THIỆU ......................................................................................................... 2
1. Giới thiệu ........................................................................................................... 2
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: .................................................................... 2
3. Nội dung nghiên cứu:......................................................................................... 2
4. Bố cục của luận văn: .......................................................................................... 2
Chương I. Những vấn đề chung về truyền động điện một chiều…..……………3
1.1 Khái niệm chung ……………………………………………………………….3
1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập (kích từ song song).3
1.2.1 Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song…3
1.2.2 Phương trình đặc tính cơ…………………………………………………….4
a) Các phương trình chính……………………………………………………….4
b) Đường đặc tính cơ và đặc tính cơ điện………………………………………..6
1.2.3 Đặc tính tự nhiên…………………………………………………………….7

1.2.4 Các đặc tính nhân tạo………………………………………………………..9
a) Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ…9
b)

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng kích từ của
động cơ………………………………………………………………………10

c) Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của
động cơ………………………………………………………………………11
Chương II. Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều
2.1. Khái niệm chung…………………………………………………………..…14
2.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lậ.16
2.2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng…………16
2.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng kích từ…………………..17
2.2.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng…………………18
2.3. Hệ truyền động xung áp-động cơ điện một chiều (XA-Đ)…………………19
2.4 Mơ hình hóa hệ truyền động một chiều………………………………………22

i|Page


Nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều

2.4.1. Mơ hình hóa động cơ khi khơng tải…………………………………..…..23
2.4.2. Mơ hình hóa động cơ khi có tải…………………………………………...25
2.4.3. Mơ hình hóa hệ truyền động một chiều vòng hở………………………….26
2.4.4. Đáp ứng bước đơn vị của hệ truyền động một chiều vòng hở……………27
2.4.5. Hệ truyền động một chiều vịng kín………………………………..……..29
Chương III. Thực nghiệm nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều
3.1. Đặt vấn đề………………………………………………………………..…..34

3.2. Hệ thống truyền động xung áp mạch đơn-động cơ điện một chiều trong
phịng thí nghiệm………………………………………………………...….34
3.3. Phần cứng và phần mềm đo đáp ứng của động cơ……………….……….35
Chương IV. Điều khiển động cơ một chiều sử dụng logic mờ
4.1. Đặt vấn đề…………………………………………………………………....51
4.2. Nhận dạng hàm truyền và điều khiển động cơ một chiều sử dụng
Simulink……………………………………………………………………..51
4.3. Điều khiển động cơ một chiều sử dụng logic mờ…………………………..54
4.3.1. Khái niệm về logic mờ…………………………………………..………....54
4.3.2. Khái niệm về các bộ điều khiển mờ………………………………….……55
4.3.3. Điều khiển mờ động cơ điện một chiều……………………………………58
4.3.4. Mô phỏng điều khiển mờ động cơ điện một chiều……………………….60
4.3.5. Thực nghiệm điều khiển mờ động cơ điện một chiều……………………62
Chương V. Kết luận và hướng phát triển của đề tài trong tương lai……….....64
5.1. Kết luận………………………………………………………………….…..64
5.2. Hướng phát triển của đề tài tương lai……………………………….….....64
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................65

ii | P a g e


Nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.2 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập……………………….6
Hình 1.3 a) Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập………...8
b) Đặc tính cơ điện tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập…...8
Hình 1.4 Họ đặc tính nhân tạo biến trở……………………………………………...10
Hình 1.5 a) Họ đặc tính cơ điện …………………………………………………...11
b) Họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi từ thơng…………………………11

Hình 1.6 Họ đặc tính nhân tạo khi thay đổi điện áp phần ứng……………………...12
Hình 2.1 Điều khiển động cơ một chiều kích từ song song bằng phương pháp
dùng điện trở phụ mạch phần ứng………………………………………………….17
Hình 2.2 a) Sơ đồ nguyên lý và ……………………………………………………20
b) Đồ thị điện áp, dịng điện (b) của hệ XA-Đ……………………………20
Hình 2.3 Đặc tính cơ của hệ XA-Đ………………………………………………...21
Hình 2.4 Sơ đồ mạch phần ứng và sơ đồ vật tự do của rô to động cơ điện một chiều
với kích từ độc lập khơng đổi……………………………………………….23
Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc của động cơ khi có tải……………………………………26
Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động một chiều vịng hở…………………...27
Hình 2.7 Sơ đồ Simulink mơ phỏng đáp ứng bước đơn vị của hệ truyền động một
chiều vịng hở………………………...……………………………………..29
Hình 2.8 Đáp ứng bước đơn vị của hệ truyền động một chiều vịng hở……………29
Hình 2.9 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tốc độ vịng kín…………………….30
Hình 2.10 Sơ đồ Simulink mô phỏng đáp ứng của hệ truyền động một chiều vịng kín
sử dụng bộ điều khiển PI……………………………………………………32
Hình 2.11 Đáp ứng của hệ truyền động một chiều vòng kín sử dụng bộ điều khiển PI
với tốc độ tham chiếu là 600 (vịng/phút) và mơ men tải là 1,5 (N.m)……..33
Hình 3.1. Hệ thống truyền động xung áp mạch đơn-động cơ điện một chiều……...34
Hình 3.3 Hệ thống đo đáp ứng của động cơ………………………………………..36
Hình 3.4 Động cơ một chiều 175W của hãng LabVolt…………………………….37

iii | P a g e


Nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều

Hình 3.5 Tải của động cơ (Model 8960 Prime Mover / Dynamometer)…………...37
Hình 3.6 Giao diện phần mềm CoolTerm đo đáp ứng vịng hở của động cơ………38
Hình 3.7 Cấu hình truyền thơng nối tiếp để thu thập dữ liệu của phần mềm

CoolTerm…………………………………………………………………...39
Hình 3.8 Đáp ứng tốc độ vòng hở của động cơ LabVolt 175W…………………...40
Hình 3.9 Giao diện cơng cụ nhận dạng hệ thống ban đầu…………………………...41
Hình 3.10 Cửa sổ để nhập dữ liệu đầu vào (u) và đầu ra của hệ thống (y)…………...42
Hình 3.11 Giao diện công cụ nhận dạng hệ thống sau khi đã nhập dữ liệu…………..42
Hình 3.12 Giao diện định dạng cho hàm truyền được ước lượng………………….43
Hình 3.13 Cửa sổ hiển thị quá trình nhận dạng…………………………………….44
Hình 3.14 Cửa sổ hiển thị các thông tin dữ liệu và hàm truyền đã được ước lượng…45
Hình 3.15 Đáp ứng tốc độ của động cơ với tốc độ tham chiếu là 500(vịng/phút) và
mơ men tải là 1,5(N.m)…………………………………………………..….49
Hình 3.16 Đáp ứng tốc độ của động cơ với tốc độ tham chiếu là 700(vịng/phút) và
mơ men tải là 1,5(N.m)……………………………………………………...50
Hình 4.1 Mơ hình Simulink đo đáp ứng tốc độ động cơ với kích thích nhảy cấp của
điện áp phần ứng đầu vào…………………………………………………..52
Hình 4.2 Đáp ứng đầu ra tốc động cơ với kích thích nhảy cấp của điện áp phần ứng
đầu vào từ 0V lên 220V khơng tải…………………………………………..52
Hình 4.3 Mơ hình Simulink giao tiếp với vi điều khiển Arduino Uno R3 và điều khiển
động cơ vịng kín sử dụng bộ điều khiển PI số……………………………..53
Hình 4.4 Đáp ứng tốc độ động cơ điều khiển vịng kín sử dụng bộ điều khiển PI số
với tốc độ tham chiếu 500(vịng/phút) và mơ men tải 1(N.m)……………..54
Hình 4.5 Ba hàm ánh xạ của một thang nhiệt độ: Cold (Lạnh), Warm (Ấm) và Hot
(Nóng)……………………………………………………………………....55
Hình 4.6 Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển mờ điển hình…………………….56
Hình 4.7 Mờ hóa biến trong khoảng [0,8] bằng bảy hàm liên thuộc……………….57
Hình 4.8 Mờ hóa sai số tốc độ ( e ) trong khoảng [-10,10] bằng năm hàm liên thuộc:
NB, NS, ZZ, PS, PB………………………………………………………....58

iv | P a g e

Nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều

Hình 4.9 Mờ hóa biến thiên của sai số tốc độ (  e ) trong khoảng [-1,1] bằng năm hàm
liên thuộc: NB, NS, ZZ, PS, PB……………………………………………..58
Hình 4.10 Mờ hóa biến thiên đầu ra điều khiển ( D ) trong khoảng [-1,1] bằng năm
hàm liên thuộc: NB, NS, ZZ, PS, PB……………………………………….58
Hình 4.11 Bảng các quy tắc………………………………………………………...59
Hình 4.12 Sơ đồ mơ phỏng Simulink hệ thống điều khiển mờ động cơ một chiều…..61
Hình 4.13 Đáp ứng tốc độ đầu ra động cơ của hệ thống điều khiển mờ với tốc độ tham
chiếu 500(vòng/phút) và mơ men tải 1(N.m)………………………………..62
Hình 4.14 Mơ hình Simulink của bộ điều khiển logic mờ và truyền thông giữa
Simulink và vi điều khiển Arduino Uno R3……………..………………….63
Hình 4.15 Đáp ứng tốc độ đầu ra động cơ của hệ thống điều khiển mờ với tốc độ tham
chiếu 500(vịng/phút) và mơ men tải 1(N.m)……………………………….63

v|Page


GIỚI THIỆU
1. Giới thiệu
Luận văn sẽ tập trung chính nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển số hệ
truyền động một chiều bằng thực nghiệm và nhận dạng hệ truyền động một chiều
bằng thực nghiệm
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
-

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là phương pháp thực nghiệm để nhận dạng
mơ hình tốn học của động cơ là dựa trên kích thích đầu vào ( điện áp phần ứng)
và đáp ứng đầu ra của động cơ ( tốc độ của roto)

-

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là trình bày quy trình ước lượng hàm truyền của
động cơ một chiều kích từ độc lập cơng suất 175W cua hang Labvolt trong phịng
thí nghiệm với phần mềm MATLAB

3. Nội dung nghiên cứu:
+ Xây dựng mơ hình tổng quát hệ truyền động một chiều
+ Nhận dạng hệ truyền động một chiều bằng thực nghiệm
+ Xây dựng hệ thống điều khiển số hệ truyền động một chiều bằng thực nghiệm
4. Bố cục của luận văn:
Bố cục của luân văn bao gồm:
Chương 1: Những vấn đề chung về truyền động điện một chiều
Chương 2: Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều
Chương 3: Thực nghiệm nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều
Chương 4: Điều khiển động cơ một chiều sử dụng logic mờ
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài trong tương lai

2


Chương I. Những vấn đề chung về truyền động điện một chiều
1.1. Khái niệm chung
Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi số liệu định mức của nó.
Nhiều trường hợp ta coi đặc tính này như loạt số liệu cho trước. Mặt khác , nó có thể
có vơ số các đường đặc tính cơ nhân tạo, nhận được nhờ sự biến đổi của một hoặc vài
thông số nguồn, của mạch điện động cơ, hoặc do dung thêm thiết bị phụ, hoặc do thay
đổi cách nối dây của mạch. Nói một cách tổng quát, các đặc tính cơ nhân tạo được tạo
ra bằng cách làm biến dạng đường đặc tính cơ tự nhiên. Do đó bất kỳ thơng số nào có
ảnh hưởng đến hình dáng và vị trí của đặc tính cơ, đều được gọi là thông số điều khiển

động cơ, và tương ứng là một phương pháp tạo đặc tính cơ nhân tạo.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết ở dạng thuận hay dạng
ngược M=f(ω)hoặc ω = f(M), biểu thị theo hệ đơn vị có tên (M-Nm; ω-rad/s) hoặc hệ
đơn vị tương đối ( M*, ω*). Đại lượng quan trọng để đánh giá dạng của đặc tính cơ là
độ cứng β hoặc độ cứng tương đối β*.
1.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập (kích từ song song)
1.2.1. Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song
Đặc điểm của động cơ kích từ độc lập là dịng điện kích từ và từ thơng động cơ
khơng phụ thuộc dòng điện phần ứng. Sơ đồ nối dây của nó như trên hình 1.1a với
nguồn điện mạch kích từ Ukt riêng biệt so với nguồn điện mạch phần ứng Uư .
Trong động cơ điện một chiều gồm có bốn loại khác nhau và ở chương này chúng
ta đề cập kỹ hơn về hai loại động cơ điện một chiều kích từ độc lập và động cơ điện
một chièu kích từ song song. Trước tiên chúng ta cần hiểu và phân biệt rằng hai động
cơ điện một chiều kích tư độc lập và động cơ điện một chiều kích từ song song. Ở động
cơ điện một chiều kích từ độc lập, cuộn kích từ cấp điện từ nguồn điện ngoài độc lập
với nguồn điện cấp cho rotor (cuộn dây phần ứng). Và khi nguồn điện một chiều có
cơng suất không đủ lớn, mạch điện phần ứng và mạch điện phần kích từ được mắc vào

3


hai nguồn điện một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ điện
một chiều kích từ độc lập.
Nếu cuộn kích từ và cuộn ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn điện thì động
cơ là loại kích từ song song như hình 1.1b . Khi nguồn điện một chiều có cơng suất vơ
cùng lớn và điện áp khơng đổi thì phần ứng và phần kích từ thường mắc song song với
nhau. Trong trường hợp này nếu nguồn điện có cơng suất rất lớn so với cơng suất động
cơ thì tính chất động cơ sẽ tương tự như tích chất của động cơ kích từ độc lập.

a)

b)

Hình 1.1 a) Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập;
b) Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song.
1.2.2. Phương trình đặc tính cơ
a) Các phương trình chính
Khi động cơ làm việc rotor với cuộn dây phần ứng quay trong từ trường của cuộn
cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng (hay còn gọi là sức
phản điện động) có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng của động cơ. Theo sơ đồ
nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập và động cơ một chiều kích từ song song
ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:
Uu  E  Iu Ru

(1.1)

Trong đó:

4


U u : Điện áp nguồn đặt vào phần ứng (V)

E : Sức phản điện động của phần ứng động cơ (V)
I u : Dòng điện phần ứng của động cơ (A)
Ru : Điện trở toàn bộ của mạch phần ứng (  )
Ru  Ru  R fu

Ru : Điện trở mạch phần ứng (  )
R fu : Điện trở phụ trong mạch phần ứng (  )

Ru  ru  rct  rcb  rcp

ru : Điện trở cuộn dây phần ứng

rct : Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp
rcb : Điện trở cuộn bù
rcp : Điện trở cuộn phụ

Sức điện động E của phần ứng động cơ dược xác định theo biểu thức sau:
E

pN
  K  
2 a

(1.2)

Trong đó:
p : Số đơi 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 thơng kích từ dưới một cực từ

 : Tốc độ góc của rotor

K là hệ số tỷ lệ phụ thuộc cấu tạo của động cơ
K

pN
2 a

(1.3)

Thay (1.2) vào (1.1) ta được:

5




U u Ru  R fu

Iu
K
K

(1.4)

Biểu thức (1.4) được gọi là “phương trình đặc tính cơ điện” của động cơ. Nó biểu
thị mối quan hệ giữa đại lượng cơ học  và đại lượng điện I u của động cơ.
Mặt khác, mô men điện từ của động cơ tỷ lệ với từ thơng  và dịng điện phần ứng I u
như sau:
M  K Iu

(1.5)

Rút I u từ (1.5) thay vào (1.4) ta được:


U u Ru  R fu

M
K   K  2

(1.6)

Biểu thức (1.6) được gọi là “phương trình đặc tính cơ” của động cơ. Nó biểu thị
mối quan hệ giữa hai đại lượng cơ học  và M của động cơ.
b) Đường đặc tính cơ và đặc tính cơ điện
Giả sử rằng phần ứng của động cơ dược bù đủ, từ thơng   const , thì phương
trình đặc tính cơ điện (1.4) và phương trình đặc tính cơ (1.6) là tuyến tính. Khi đó đồ
thị của chúng được biểu diễn trên hình vẽ 1.2a và 1.2b là những đường thẳng.

a)

b)

Hình 1.2 a) Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập;
b) Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập.

6


Theo đồ thị trên khi Iu  0 hoặc M  0 ta có:


Uu
 0

K

(1.7)

Khi đó thì 0 được là tốc độ khơng tải lý tưởng của động cơ. Cịn khi   0 ta có
từ phương trình đặc tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một
chiều kích từ độc lập như sau:
Iu 

U
 I nm
Ru  R fu

(1.8)

M nm  K I nm

(1.9)

I nm và M nm được gọi là dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch của động cơ.

Từ (1.6) ta xác định được độ cứng của đặc tính cơ:

 K
dM


d
Ru  R fu
2

(1.10)

1.2.3. Đặc tính tự nhiên
Theo định nghĩa đặc tính cơ tự nhiên sẽ tương ứng với trường hợp R fu  0 ,
U u  U dm ,    dm . Thay các số liệu đó vào phương trình (1-4), (1-6) và các phương

trình dạng khác ta được phương trình đặc tính cơ và cơ tự nhiên:
U dm
Ru

M
K  dm  K  dm 2




U dm
Ru

Iu
K  dm K  dm

(1.11)

(1.12)

Tốc độ không tải lý tưởng và độ cứng đặc tính cơ tự nhiên là :
0 

U dm
K  dm

  K  dm 
tn 
Ru

(1.13)
2

(1.14)

7


Ta có thể vẽ đặc tính cơ và đặc tính cơ tự nhiên nhờ các số liệu của động cơ như
công suất định mức Pdm  kW  , tốc độ dm  rad / s  , điện áp U dm V  , dòng diện I dm  A ,
hiệu suất dm , điện trở phần ứng Ru    .
Vì đặc tính là đường thẳng, nên chỉ cần xác định hai điểm: điểm không tải [0,
0 ] và điểm định mức [ M dm , dm ] hoặc [ I dm , dm ]. Cũng có thể dùng điểm không tải

và điểm ngắn mạch [ M nm , 0] hoặc [ I nm , 0]. Tọa độ các điểm nêu trên được xác định
như sau:
0 

U dm
K  dm

với K  dm 

M dm 

Pdm1000

dm

U dm  Ru I dm

dm

(mômen cơ)

Hoặc M dm  K dm I dm (mômen điện từ)
I nm 

U dm
Ru

M nm  K  dm

U dm
Ru

Thường người ta vẽ đặc tính cơ tự nhiên qua điểm không tải và điểm định mức
như đồ thị trên hình 1.3.

a)

b)

Hình 1.3 a) Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập,
b) Đặc tính cơ điện tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

8


1.2.4. Các đặc tính nhân tạo
Từ phương trình đặc tính cơ (1.6) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến phương
trình đặc tính cơ đó là từ thơng, điện áp phần ứng, điện trở phần ứng của động cơ. Thay
đổi các tham số trên ta thay đổi được tốc độ và mơmen động cơ theo ý muốn. Do
phương trình đặc tính cơ phụ thuộc vào ba tham số trên, tương ứng với đó ta sẽ có ba
phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ.
a) Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ
Giả thiết Uu  U dm  const và   dm  const . Ta có phương trình đặc tính cơ
tổng quát :


Ru  R fu
U dm

M
K  dm  K  dm 2

hay   0  

Tốc độ không tải lý tưởng :
0 

U dm
 const

K  dm

(1.15)

Độ cứng đặc tính cơ :

 K  dm 
dM


d
Ru  R fu

2

(1.16)

Muốn thay đổi tốc độ động cơ thì ta thay điện trở phần ứng bằng cách mắc thêm
điện trở phụ vào mạch phần ứng của động cơ. Khi thay đổi điện trở phụ R fu thì tốc độ
khơng tải lý tưởng 0  const , còn  sẽ thay đổi theo R fu . Như vậy lúc này các
đường đặc tính cơ sẽ thay đổi nhưng vẫn đi qua điểm cố định là 0 . Từ (1-16) ta thấy
khi điện trở phụ R fu  0 thì  có giá trị lớn nhất ứng với đường đặc tính cơ tự nhiên,
cịn khi R fu càng lớn thì  càng nhỏ và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất
định. Như vậy khi thay đổi điện trở phụ của động cơ ta sẽ được một họ đặc tính cơ có
dạng như hình 1.4.

9


Hình 1.4 Họ đặc tính nhân tạo biến trở.

Ta có 0  R fu 2  R fu1  R fu thì dm  1  2 nhưng nếu ta tăng R fu đến một giá trị
nào đó thì sẽ làm cho M  M c dẫn đến động cơ sẽ quay không được và động cơ sẽ làm
việc ở chế độ ngắn mạch   0 , đến bây giờ ta có thay đổi R fu thì động cơ vẫn khơng
khơng quay nữa. Do đó phương pháp này gọi là phương pháp điều chỉnh tốc độ không
triệt để.
Vậy ứng với một phụ tải M c nào đó nếu R fu càng lớn thì tốc độ động cơ càng
giảm, đồng thời dịng điện ngắn mạch I nm và mơmen ngắn mạch M nm càng giảm, cho
nên người ta thường dùng phương pháp này để hạn chế dòng điện khởi động và điều
chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.
b) Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng kích từ của động
cơ
Giả thiết điện áp phần ứng Uu  U dm  const ;
Từ phương trình đặc tính cơ tổng qt:


U dm
Ru

M hay   0  
K   K  2

Trong trường hợp này tốc độ không tải :
0 

U dm
K

Độ cứng đặc tính cơ:

10

( K  )2
 
Ru

Ta thấy rằng thay đổi từ thơng  thì 0 và  đều thay đổi theo dẫn đến 
thay đổi theo. Vì vậy ta sẽ được họ các đường đặc tính điều chỉnh dốc dần (do độ cứng
đặc tính cơ β giảm ) và cao hơn đặc tính cơ tự nhiên khi  càng nhỏ, với tải như nhau
thì tốc độ càng khi giảm từ thơng  như hình 1.5.

a)

b)

Hình 1.5 a) Họ đặc tính cơ điện và b) Họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi từ thông.
Như vậy ứng với dm  1  2 thì 0  1  2 nhưng nếu giảm  q nhỏ thì
ta có thể làm cho tốc độ động cơ quá lớn quá giới hạn cho phép hoặc làm cho điều kiện
chuyển mạch bị xấu đi, do dòng phần ứng tăng cao. Để đảm bảo chuyển mạch bình
thường thì cần phải giảm dịng phần ứng và như vậy sẽ làm cho mô men cho phép trên
trục động cơ giảm nhanh, dẩn đến động cơ bị quá tải.
c) Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của động
cơ
Giả thiết từ thông   dm  const , khi ta thay đổi điện áp phần ứng theo hướng
giảm so với U dm .
Từ phương trình đặc tính cơ tổng qt:

11



Uu
Ru

M
K  dm  K  dm 2

hay   0  

Trong trường hợp này tốc độ không tải :
0 

Uu
K  dm

Độ cứng đặc tính cơ:

 K  dm 
 

2

Ru

Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng U u thì 0 thay đổi cịn
  const , vì vậy ta sẽ được họ các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau

như hình 1.6. Nhưng muốn thay đổi U u thì phải có bộ nguồn một chiều thay đổi đươc
điện áp ra, thường là dùng các bộ biến đổi.

Các bộ biến đổi có thể là:
 Bộ biến đổi máy điện: Dùng máy phát điện một chiều (F), máy điện khếch đại
(MĐKĐ).
 Bộ biến đổi từ: Khuyếch đại từ (KĐT ) một pha, ba pha.
 Bộ biến đổi điện từ - bán dẩn: Các bộ chỉnh lưu (CL), các bộ băm điện áp (BĐA),
dùng transistor và thyristor.

Hình 1.6 Họ đặc tính nhân tạo khi thay đổi điện áp phần ứng.

12


Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp phần ứng (giảm áp) thì mơmen ngắn mạch M nm
và dịng điện ngắn mạch I nm của động cơ giảm và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ
tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động
cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.

13


Chương II. Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều
2.1. Khái niệm chung
Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay đổi do sự biến thiên
của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực với tốc độ đặt, làm giảm năng
suất của máy sản xuất. Chính vì vậy việc điều khiển tốc độ động cơ là một yêu cầu cần
thiết và tất yếu đối với các máy sản xuất.
Như ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đều đòi hỏi có nhiều tốc độ, nhưng
tuỳ theo từng cơng việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau. Muốn
có được các tốc độ khác nhau trên máy, ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy như
tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của động cơ truyền động chính…Nhưng ở đây chúng

ta chỉ khảo sát theo phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ truyền động.
Ở động cơ một chiều, việc điều chỉnh tốc độ động cơ có nhiều ưu việt hơn so
với các loại động cơ khác. Động cơ một chiều khơng những có khả năng điều chỉnh tốc
độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển lại đơn giản hơn các loại động cơ
khác và đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh rộng.
Từ phương trình đặc tính cơ, ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ :
 Mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng
 Thay đổi từ thơng kích từ
 Thay đổi điện áp phần ứng
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng
để tăng Ru chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ quay định mức
và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ
điện. Vì vậy phương pháp này ít dùng và chỉ dùng trong hệ truyền động cần trục.

14


Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách mắc thay đổi từ thông (  ) đựơc sử
dụng trong hệ truyền động có cơng suất lớn hoặc có u cầu về tốc độ làm việc lớn hơn
tốc độ cơ bản. Vì phương pháp này được thực hiện trên mạch kích từ của động cơ
(phần kích từ có cơng suất rất nhỏ so với công súât động cơ) nên dễ dàng thay đổi tốc
độ và đạt hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên, ta chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ
thông, tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức và giới hạn điều chỉnh
bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đổi chiều của máy.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
không gây thêm tổn hao trong động cơ điện nhưng địi hỏi phải có nguồn riêng, có điện
áp điều chỉnh được. Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ quay dưới tốc độ
định mức vì khơng thể nâng cao điện áp hơn điện áp định mức của động cơ điện.
Để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ theo các phương pháp điều chỉnh tốc độ trên
thì cần có các bộ biến đổi. Các bộ biến đổi đó sẽ cấp điện áp cho mạch phần ứng động

cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Các bộ biến đổi được sử dụng phổ biến trong công
nghiệp hiện nay là:
 Bộ biến đổi máy điện: gồm có động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc
máy điện khuyếch đại
 Bộ biến đổi từ: Khuyếch đại từ
 Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: Chỉnh lưu Thysistor
 Bộ biến đổi xung áp một chiều: Thysistor hoặc Tranzitor
Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như sau:
 Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ)
 Hệ truyền động máy điện khuyếch đại - động cơ (MĐKĐ-Đ)
 Hệ truyền động khuyếch đại từ - động cơ (KĐT-Đ)

15


 Hệ truyền động chỉnh lưu thysistor - động cơ (T-Đ)
 Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA-Đ)
2.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Từ phương trình đặc tính cơ  

U u Ru  R fu

M ta thấy tốc độ động cơ phụ
K   K  2

thuộc vào các tham số U u ,  và R fu . Khi ta giữ nguyên mô men tải và thay đổi giá trị
của một trong ba tham số U u ,  và R fu ta sẽ được một đường đặc tính cơ mới tương
ứng với một tốc độ mới.
2.2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R fu . Nếu ta giữ

điện áp phần ứng Uu  U dm  const và từ thông u  dm  const , thay đổi điện trở phần
ứng ta sẽ được:
Tốc độ khơng tải lý tưởng: 0 

Độ cứng đặc tính cơ:

U dm
 const
K  dm

 K  dm 
 

2

Ru  R fu

 var

Sơ đồ nguyên lý và các đặc tính điều chỉnh như trên hình 2.1.

16


a)

b)

Hình 2.1 Điều khiển động cơ một chiều kích từ song song bằng phương pháp dùng
điện trở phụ mạch phần ứng.

Ta thấy khi R fu càng lớn (  càng nhỏ) đặc tính cơ càng dốc. Do vậy phương
pháp này chỉ cho phép giảm tốc độ bằng cách tăng điện trở mạch phần ứng.
Trong thực tế, khi thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng sẽ gây ra một tổn hao
công suất rất lớn và không thể điều chỉnh trơn tốc độ nên phải điều chỉnh theo từng cấp
điện trở. Chính vì vậy, phương pháp này khơng được phổ biến như hai phương pháp
thay đổi điện áp phần ứng và thay đổi từ thơng kích từ.
2.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng kích từ
Giả thiết ta giữ điện áp phần ứng Uu  U dm  const ; điện trở phần Ru  const ; và
thay đổi dịng điện kích từ I kt của động cơ. Điều này tương ứng với việc từ thông của
mạch từ sẽ thay đổi. Ta được:
Tốc độ không tải:

0 

U dm
 var
K

17


Độ cứng đặc tính cơ:

 K
 
Ru

2

 var

Nhận xét:
 Do cấu trúc của máy, nên thực tế chỉ sử điều chỉnh giảm từ thơng. Khi giảm từ
thơng thì 0 tăng dần, độ cứng đặc tính cơ  giảm. Nên phương pháp này
dùng để tăng tốc độ (   0 ).
 Do việc điều chỉnh đựơc thực hiện ở mạch kích từ với dịng kích từ nhỏ hơn rất
nhiều so với mạch lực, nên cơng suất tổn hao ít. Đây là ưu điểm nổi bật của
động cơ điện một chiều (kích từ độc lập) so với các loại động cơ khác.
 Phương pháp này chịu ảnh hưởng của hiện tượng từ dư và các nhiễu, làm ảnh
hưởng xấu đến chất lượng của các hệ truyền động đảo chiều bằng kích từ.
 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 dịng điện phần ứng cho phép, kết quả là
mơ men cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh và do đó giá trị lớn nhất
của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp
điện.
2.2.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Nếu giữ u  dm  const ; Ru  const và thay đổi điện áp theo hướng giảm so
với U dm ta được :
Tốc độ không tải : 0 

Uu
 var
K  dm

18