Bộ điều tốc động cơ 1 chiều phản hồi dương dòng điện và âm điện áp. Mô Phỏng trên matlab

Lời nói đầu
Đối với kỹ sư điều khiển - tự động hóa nói riêng và những người nghiên cứu
khoa học - kỹ thuật nói chung, mơ phỏng là cơng cụ quan trọng cho phép khảo
sát các đối tượng, hệ thống hay q trình vật lý, mà khơng nhất thiết phải có đối
tượng hay hệ thống thực. Được trang bị cơng cụ mơ phỏng mạnh và có hiểu biết
về các phương pháp mơ hình hóa, người kỹ 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 được sử dụng khá rộng rãi bởi những
tính năng ưu việt mà nó mang lại như: khơng cần nguồn xoay chiều , thực hiện
việc thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng v.v… Xuất phát từ những vấn đề
liên quan tới hệ truyền động điện một chiều, bản đồ án này sẽ nghiên cứu thiết kế
hệ điều tốc cho động cơ một chiều.Trong phạm vi nhiệm vụ được giao của bản
đồ án, ngồi việc tính tốn các thơng số và giá trị cần thiết cho mạch động lực và
mạch điều khiển, thiết kế mạch điều khiển... Em dành sự quan tâm chủ yếu cho
việc xây dựng cấu trúc điều khiển tổng hợp hệ truyền động, thiết kế các bộ điều
chỉnh cho mạch vòng phản hồi nối cấp, thực hiện mơ phỏng các đặc tính hệ
thống bằng chương trình simulink...
Trong quá trình thiết kế, với sự giúp đỡ của các thầy giáo, cơ giáo trong bộ
mơn, em đã hồn thành được bản đồ án này. Tuy nhiên, do thời gian tương đối
ngắn và trình độ chun mơn cịn hạn chế nên bản đồ án khơng tránh khỏi thiếu
sót. Em mong nhận được sự góp ý của các thầy cơ giáo và các bạn để bản đồ án
này được hoàn thiện hơn.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Xuân Vũ
1


Chương 1: Tổng quan hệ điều tốc máy điện một chiều
1.1. Giới thiệu chung về bộ điều tốc 1 chiều

Mục tiêu cơ bản của hệ điều chỉnh tự động truyền động điện là phải đảm bảo
giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào tác động
của các nhiễu lên hệ điều chỉnh.Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động
phải đạt được yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chất lượng và các yêu cầu về
kinh tế. Hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc chung được
trình bày trên hình 1.1 gồm:
+ Phần lực(mạch lực): từ lưới điện hoặc nguồn điện cung cấp điện năng đến bộ
biến đổi (BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động cho phụ tải(MSX).Các bộ
biến đổi như bộ biến đổi máy điện, bộ biến đổi điện tử, bộ biến đổi bán dẫn.
Động cơ có thể là loại 1 chiều, xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt.
+ Phần điều khiển gồm cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số R và cơng
nghệ RT ; các khí cụ(K), thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ cơng nghệ(K T) và
cho người vận hành(VH).Một số hệ có ghép nối với các thiết bị tự động
khác(GN) hoặc với máy tính điều khiển.

Hình 1.1. Mơ tả cấu trúc chung của hệ tự động truyền động điện.
Bộ điều tốc được chỉ ra trên hình 1.1.Nó có nhiệm vụ đó là điều hịa (giữ ổn
định) tốc độ động cơ. Khi bộ điều tốc hư có các trạng thái sau:
2


+) Độ trễ của điều tốc lớn, tức là có thể đưa về trạng thái tốc độ ổn định nhưng
không kịp thời. Đối với sự thay đổi tải chậm thì triệu chứng này khơng có biểu
hiện rõ nhưng khi tải thay đổi liên tục thì ta thấy tần số của máy thay đổi liên tục.
+)Điều tốc không giữ được tốc độ, tức là khi tải thay đổi, tốc độ của động cơ
cũng thay đổi luôn và thiết lập chế độ làm việc mới.
+)Nếu các máy này hòa mạng động lực với nhau thì tốc độ của các máy vẫn ổn
định, nhưng khi có sự thay đổi về tải thì chế độ làm việc của các máy cũng khác
nhau, máy thì nhiều tải, máy thì ít tải.
Có 3 chế độ chính của động cơ bắt buộc phải lắp điều tốc:

-Động cơ ở chế độ khơng tải: điều tốc một vị trí, lúc này cần động cơ hoạt động
ổn định không chết máy
-Động cơ kéo chân vịt tàu thủy: tránh nguy hiểm trong trường hợp chân vịt bị
nhấc khỏi mặt nước, điều tốc hạn chế tốc độ cực đại động cơ.Điều tốc này cũng
được lắp trên xe đề phòng trường hợp hỏng hệ truyền động( như trục các đăng bị
gãy chẳng hạn).
-Động cơ máy phát điện: điều quan trọng là đảm bảo tần số máy phát.
1.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
1.2.1. Cấu tạo
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).
a.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), dịng 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 bulơng. Ngồi ra máy điện một
chiều cịn có nắp máy, cực từ phụ và cơ cấu chổi than.
3


Hình 1.2. Cực từ chính
b. Phần ứng (rotor)
Phần ứng của máy điện một chiều cịn gọi là rơto, gồm lõi thép, dây quấn phần
ứng, cổ góp và trục máy.

Hình 1.3. Lá thép rơto

Hình 1.4. Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều
a) Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn

1. Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm,
phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ thơng gió và rãnh để đặt
dây quấn phần ứng (hình 1.3).
2. Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các rãnh
của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vịng kín. Phần tử của dây quấn là một
bối dây gồm một hoặc nhiều vịng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của vành
góp (hình 1.4a). hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ
khác tên (hình 1.4b).

4


3.Cổ góp (vành góp) hay cịn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình
đi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện
với trục máy.
Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy…
1.2.2. Nguyên lý làm việc
Trên hình 8 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây
quấn phần ứng có dịng 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 1.5. Mơ tả ngun lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi phần ứng quay được nửa vịng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình
1.5b), nhờ có phiến góp đổi chiều dịng 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 khơng đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm
bảo động cơ có chiều quay khơng đổi.

Ngồi ra cịn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dịng điện kích từ…Cơng
suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện. Đối với máy phát điện đó là
cơng suất đưa ra ở đầu cực máy phát, cịn đối với động cơ đó là công suất đưa ra
trên đầu trục động cơ.

5


1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện 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, Rưf(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư Σ. Sự
thay đổi các thông số này sẽ cho những họ đặc tính cơ khác nhau. Vì vậy, với
cùng một mơmen 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 (hay kích từ song song)
có thể được điều chỉnh tốc độ bằng các phương pháp sau đây:
1.3.1. 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 khơng
tải khác nhau, song song và có cùng độ cứng.
Điện áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (Uchỉ 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.
Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đặc tính cơ 1 ứng với điện áp
U1 trên phần ứng. Khi giảm điện áp từ U1 xuống U2, động cơ thay đổi điểm làm
việc từ điểm A có tốc độ lớn ωA trên đường 1 xuống điểm D có tốc độ nhỏ hơn
6

(ωD<ωA) trên đường 2 (ứng với điện áp U2).

Hình 1.7. Quá trình thay đổi tốc độ khi điều chỉnh điện áp.
Trong khi giảm tốc độ theo cách giảm điện áp phần ứng, nếu giảm mạnh
điện áp, nghĩa là chuyển nhanh từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp thì cùng với q
trình giảm tốc có thể xảy ra q trình hãm tái sinh. Chẳng hạn, cũng trên hình
1.7, động cơ đang làm việc tại điểm A với tốc độ lớn ωA trên đặc tính cơ 1 ứng
với điện áp U1. Ta giảm mạnh điện áp phần ứng từ U1 xuống U3. Lúc này động
cơ chuyển điểm làm việc từ điểm A trên đường 1 sang điểm E trên đường 3
(chuyển ngang với ωA=f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, RưωE). Vì ωE lớn hơn tốc độ khơng tải lý tưởng ω 03 của đặc
tính cơ 3 nên động cơ sẽ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh trên đoạn EC của đặc
tính 3.
Q trình hãm giúp động cơ giảm tốc nhanh. Khi tốc độ xuống thấp hơn ω 03
thì động cơ lại làm việc ở trạng thái động cơ. Lúc này do mômen M Đ =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư 0 nên
động cơ tiếp tục giảm tốc cho tới điểm làm việc mới tại F, vì tại F mơmen động
cơ sinh ra cân bằng với mômen cản MC. Động cơ chạy ổn định tại F với tốc độ
ωF<ωA.
Khi tăng tốc, diễn biến của q trình được giải thích tương tự. Giả sử động
cơ đang làm việc tại điểm I có tốc độ ω I nhỏ trên đặc tính cơ 5, ứng với điện áp
7


U5 trên phần ứng. Tăng điện áp từ U 5 lên U4, động cơ chuyển điểm làm việc từ I
trên đặc tính 5 sang điểm G trên đặc tính 4. Do mômen M G lớn hơn mômen cản
MC nên động cơ tăng tốc theo đường 4 (đoạn GH). Đồng thời với q trình tăng
tốc, mơmen động cơ bị giảm và q trình tăng tốc chậm dần. Tới điểm H thì
mơmen động cơ cân bằng với mômen tải MH =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư MC và động cơ sẽ làm việc ổn
định tại điểm H với tốc độ ωH > ωI.
Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện pháp

thay đổi điện áp phần ứng có các đặc điểm sau:
- Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ.
- Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh.
- Độ cứng đặc tính cơ giữ khơng đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh.
- Độ sụt tốc tuyệt đối trên tồn dải điều chỉnh ứng với một mơmen là như nhau.
Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh. Do
vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhất khơng vượt
q sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh.
- Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể: D ~ 10:1.
-Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với Uư ≤ Uđm).
- Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thay đổi trơn điện áp
ra.
1.3.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dịng 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 dịng điện
kích từ (Ikt ≤ Iktđm) do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thơng. Khi giảm từ
thơng, đặc tính dốc hơn và có tốc độ khơng tải lớn hơn. Họ đặc tính giảm từ
thơng như hình 1.8.

8


Hình 1.8. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ
độc lập bằng phương pháp thay đổi từ thơng kích từ.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thơng có các đặc điểm sau:
- Từ thơng càng giảm thì tốc độ khơng tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc
độ động cơ càng lớn.Chỉ áp dụng cho loại tải có đặc tính mơ men cản tỉ lệ nghịch
với tốc độ
- Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thơng.

- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D ~ 5:1.
- Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng.
- Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thơng nên các đặc tính sẽ cắt nhau
và do đó, với tải khơng lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thơng giảm. Cịn 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 từ
với dịng kích từ là (1÷10)% dịng định mức của phần ứng. Tổn hao điều chỉnh
thấp.

9


Chương 2: Xây dựng mơ hình hệ điều tốc động cơ điện một chiều và các
mạch vòng điều chỉnh tốc độ động cơ
2.1. Cấu trúc hệ thống hệ điều tốc một chiều có phản hồi âm điện áp và
dương dịng điện
2.1.1. Cấu trúc hệ hở của hệ điều tốc động cơ 1 chiều

Hình 2.1. Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập
Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị tốc độ khơng tải max ω 0max, mômen
định mức Mđm , hệ số q tải về mơmen KM là xác định, vì vậy phạm vi điều
chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng β. Khi điều chỉnh điện áp
phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần
ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được
ω0max.|β| / Mβ|β| / M / Mđm

¿

10.

Vì thế với tải có đặc tính mơmen khơng đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ
cũng không vượt quá 10. Đối với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ
chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống hở như trên là
không thỏa mãn được.
Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của truyền động
1 chiều kích từ độc lập là tuyến tính.Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng
các đặc tính cơ trong tồn dải điều chỉnh là như nhau, do đó sụt tốc tương đối sẽ
đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ
10


khơng vượt q giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số
luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh. Sai số tương đối của

tốc độ của đặc tính cơ thấp nhất là :

s=

ω 0 min−ω min
ω 0 min
.

2.1.2. Bộ điều tốc có phản hồi âm điện áp và dương dịng điện
Ổn định hóa tốc độ trong truyền động điện có ý nghĩa rất lớn trong việc cải
thiện các chỉ tiêu chất lượng của truyền động điện.Để hạn chế được những nhược
điểm của hệ truyền động hệ hở đã nêu ở trên thì biện pháp để ổn định tốc độ là
tăng độ cứng của đặc tính cơ bằng điều khiển theo mạch kín.
Các đặc tính cơ của hệ hở có giá trị :β=f(M) phụ thuộc các thơng số điện U, φ, Rư(KΦ)2/R khơng đổi trong tồn dải
điều chỉnh.Ở tốc độ thấp nhất ứng với đặc tính thấp nhất có sđđ E b0 ,nếu cho một

moomen tải Mc =f(M) phụ thuộc các thơng số điện U, φ, RưMđm thì tốc độ làm việc sẽ là ω =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư ω ’min và sai số số tĩnh thường

lớn hơn giá trị cho phép :

S=

M đm
β . ω 0 min

>Scp

.Để cho sai số tĩnh có thể đạt được

S=f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, RưScp cần tìm biện pháp tăng tốc độ đến ω =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư ωmin .Điểm làm việc [ωωmin ,Mđm] đã
nằm trên đặc tính khác của hệ có ω 0 =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư ω01 và Eb1 =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư K.Φđm. ω01 >Eb0. Nối điểm
(ω0min,0) với điểm (ωmin, Mđm) và kéo dài ra ta được đặc tính mong muốn có độ

cứng mong muốn có độ cứng β m và ω =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư ω0min -

M
βm

(1). Các giao điểm của đặc

tính cơ mong muốn với những đặc tính cơ của hệ hở cho biết các giá trị cần
thiết của Eb khi thay đổi momen tải .Đặc tính này được dựng ở góc dưới bên trái
của hình 2.2.

11

Hình 2.2. Đặc tính cơ của hệ thống BĐ –Đ.
a. Điều chỉnh Eb theo dòng điện tải
Việc điểu chỉnh sđđ Eb theo dòng tải là hệ quả trực tiếp của nhận xét đã
nêu.Vấn đè cịn lại là tìm quan hệ giải tích E b =f(M) phụ thuộc các thơng số điện U, φ, Rư f(I).Đặc tính cơ của hệ hở có

dạng :

ω=

Eb
R +R
− b uđ . I u
Kφφ đm
Kφφđm

Tại giao điểm của đặc tính này với đặc tính cơ mong muốn ω =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư ω 0min -

M
βm

thì tốc độ và momen có giá trị như nhau nên có thể viết :
Eb
M
−
Kφφ đm β
→

M
=f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư ω0 - β m

1 1
−
→ Eb =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, RưKΦđm[ωω0 +( β β m )]M

(2)

Eb =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư Eb0 + Kd’.I (3)

1 1
−
Trong đó : Eb0 =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư KΦđm. ω0 ; Kd’=f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư (KΦđm)2. ( β β m )

Nguyên lý điều chỉnh từ công thức (2) thực hiện bằng mạch phản hồi dương
dịng điện phần ứng như hình (2.3a)

12


Hình 2.3. Phản hồi dương dịng điện

Hình 2.4. Đặc tính cơ - điện khi phản hồi dương dòng
Kφ b .u đ R+(1−Kφ b )R d
−
.I
Kφφ đm
Eb =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư Kb(Uđ +Rs.I) ; ω=f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư Kφφđm

Trong đó : Ucđ - điện áp đặt tốc độ ,
Ui =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, RưRs.I – điện áp phản hồi dòng điện,

Rs – điện trở sun trong mạch phần ứng
Eb0 =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư Kb.Uđ , K’d =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, RưKb.Rs .Nếu chọn Kb.Rs =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư R +Rs thì βm =f(M) phụ thuộc các thơng số điện U, φ, Rư ∞ ,được đặc tính cơ
cứng tuyệt đối, nếu Kb.Rs > R +Rs thì đặc tính cơ mong muốn sẽ có độ cứng
dương.Trong trường hợp cụ thể,cho trước β ,βm cần phải tính tốn giá trị Rs và
hệ số khuếch đại tổng Kb .Do đưa thêm điện trở sun vào mạch phần ứng nên có
tổn thất phụ và có liên hẹ về điện giữa mạch lực (điện áp thường cao) với mạch
13


điều khiển (điện áp thấp). Để tránh tổn thất phụ và cách ly về điện giữa các mạch
có thể lấy tín hiệu phản hồi dịng u i qua các biến dòng mắc trong mạch xoay
chiều của bộ biến đổi hoặc dùng các sensor dòng.
b. Điều chỉnh Eb theo điện áp phần ứng
Có thể bù được lượng sụt tốc do sụt áp trên điện trở bộ biến đổi bằng mạch
phản hồi âm điện áp phần ứng động cơ.Dựa vào phương trình đặc tính tải của bộ
I=

1
1 1
( Kφφđm ) ( − )
β βtn
2

biến đổi ta có : Eb =f(M) phụ thuộc các thơng số điện U, φ, RưU + Rb.I vì Rb =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư R – Rư nên:

( E d −U )

Trong đó : βtn =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư (KΦđm)2/Rư là độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên
Thay biểu thức của I ở trên vào công thức (2.10) và đặt :
1 1 1 1

b=( − )( − )
β β m β βtn

1
;E’b0 =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, RưEb0. 1−b

b
, K’a =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư 1−b

Ta thu được biểu thức tính sđđ Eb theo điện áp phần ứng: Eb=f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, RưE’b0 –K’a.U
Luật điều chỉnh này được thực hiện bằng sơ đồ phản hồi âm điện áp phần ứng
như trên hình (2.12a)

Hình 2.5. Sơ đồ hệ TĐĐ có phản hồi âm điện áp động cơ

14


Nếu bỏ qua dòng điện trong các điện trở r 1,r2 và đặt Ka =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư r2 /(r2+r1) thì có quan

hệ như sau: Eb =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư Kb(Ud-Ka.U) ,

ω=

R−

Kφ b . U d
( 1+ Kφ b . Kφ a ) Kφφ đm

=

Kφ b . Kφ a
1+ Kφ b . Kφ a
( Kφφ đm )2

. Rb
.M

Nếu mạch có Kb.Ka >> 1 thì phương trình (1) có dạng sau:
ω=

Ud
Ru
−
.M
Kφ a . Kφφ đm ( Kφφ đm )2

⇔

ω=ω 0 (U d , Kφ a )−

M
β tn

Hình 2.6. Đặc tính cơ điện của hệ điều tốc có phản hồi âm điện áp
1) Đặc tính tự nhiên; 2) Đặc tính hệ kín; 3) Đặc tính hệ thống hở
Khi thay đổi hệ số phản hồi điện áp bằng con trượt trên chiết áp (r 1,r2) thì cả
tốc độ khơng tải lý tưởng lẫn độ cứng đặc tính cơ đều thay đổi theo.Trường hợp
hệ thống có hệ số khuếch đại lớn thì độ cứng có thể đạt giá trị tối đa bằng độ
cứng đặc tính cơ tự nhiên.

2.2. Xây dựng mơ hình đối tượng trong cấu trúc điều khiển hệ hở
2.2.1. Mô hình động cơ một chiều
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 2.2, phần ứng được
biểu diễn bởi vịng trịn bên trong có sức điện động E, ở phần stato có thể có vài
15


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 mơ 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, mơmen quay M, dịng 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.

Hình 2.7. Giản đồ thay thế động cơ một chiề
a.Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều
Khi đặt lên dây quấn kích từ .một điện áp u k nào đó thì trong dây quấn kích
từ sẽ có dịng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thơng Φ. Tiếp đó đặt
một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dịng
điện chạy qua. Tương tác giữa dịng điện phần ứng và từ thơng kích từ tạo thành
mơmen điện từ, giá trị của mơmen điện từ được tính như sau:

p' . N
M=
. Φ. I=kΦIΦI
2π .a

(2.1)

Trong đó: p’ - số đôi cực của động cơ;
N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ;
16


a - số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng;
k =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư p’N/2пa - hệ số kết cấu của máy.a - 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):
'

p .N
E=
. Φ . ω=kΦIΦω
2π .a

(2.2)

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

U −Ru I
kΦIΦ

(2.3)

Trong đó Rư- điện trở mạch phần ứng của động cơ.
Từ các phương trình (2.1) và (2.3) có thể vẽ được họ đặc tính cơ M(ω) của
động cơ một chiều khi từ thơng khơng đổi, hình 2.3.

Hình 2.8. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi.
b. Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều
Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương
trình mơ tả sơ đồ thay thế hình 2.2 như sau:
* Mạch kích từ, có hai biến dịng điện kích từ i k và từ thông Φ là phụ thuộc phi
tuyến bởi đường cong từ hố của lõi sắt:
Uk(p) =f(M) phụ thuộc các thơng số điện U, φ, Rư RkIk(p) + Nk.p.Φ(p)
17


Trong đó: Nk - số vịng dây cuộn kích từ;
Rk - điện trở cuộn dây kích từ.
* Mạch phần ứng:
U(p) =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư Rư.I(p) + Lư.p.I(p) ± NN.p.Φ(p) + E(p)
Hoặc dạng dòng điện:
I( p )=

1 /Ru
1+ pT u

[ U ( p)±N N . p. Φ ( p )−E ( p )]

Trong đó: Lư- điện cảm mạch phần ứng;
NN - số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp;
Tư =f(M) phụ thuộc các thơng số điện U, φ, Rư 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) =f(M) phụ thuộc các thơng số điện U, φ, Rư Jpω
Trong đó: J là mơmen qn 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 2.9. Sơ đồ cấu trúc chung của động cơ một chiều.

18


Ta thấy rằng sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh (có khâu phi tuyến), do
đó trong tính tốn ứng dụng thường dùng mơ hình tuyến tính hố quanh điểm
làm việc (phương pháp số gia).
Trước hết chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hố đoạn đặc tính từ hố
và đặc tính mơmen tải như hình 2.10.

Hình 2.10. Tuyến tính hố đoạn đặc tính từ hố và đặc tính tải.
Độ dốc của đặc tính từ hố và đặc tính cơ mơmen tải tương ứng (bỏ qua hiện
tượng từ trễ) là:

Kφ kΦI= ΔΦ
|
ΔII Φ
kΦI

B=

ΔIM C
ΔIω

0 , I Kφ 0

|M

Cb

, ωB

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 thơng Φ0, dịng điện kích từ Ik0 và mơmen
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=f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư 0), khi đó các phương trình có thể viết
như sau:
- Mạch phần ứng:
U0 + ∆U(p) =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư Rư[ωI0 + ∆I(p)] + pLư[ωI0 + ∆I(p)] + K[ωΦ0 + ∆Φ(p)].[ωωB + ∆ω(p)]
- Mạch kích từ:

19


Uk0 + ∆Uk(p) =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư Rk[ωIk0 + ∆Ik(p)] + pLk[ωIk0 + ∆Ik(p)]
- Phương trình chuyển động cơ học:
K[ωΦ0 + ∆Φ(p)] . [ωI0 + ∆I(p)] - [ωMB + ∆MC(p)] =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư Jpp [ωωB + ∆ω(p)]
Nếu bỏ qua các vơ cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết
được các phương trình của gia số như sau:
∆U(p) =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư Rư∆I(p) + pLư∆I(p) + KΦ0∆ω(p) +K∆Φ(p)ωB
∆Uk(p) =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư Rk∆Ik(p) (1 + pTk)
K∆Φ(p)I0 +KΦ0∆I(p) - ∆MC(p) =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư Jp p∆ω(p)

Từ các phương trình trên ta suy ra sơ đồ cấu trúc chung đã được tuyến tính
hố của động cơ một chiều kích từ độc lập.
B

1

U

R
1  Tu . p

I

Mc

1
J.p

K0

K0

UK

1

RK
1  TK . p

IK

KI0

KB

KK

Hình 2.11. 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.
+) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với Φ =f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư const.

20