Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập công suất 1 HP được cấp nguồn bởi bộ băm xung nối tiếp.

Trong các hệ thống điều khiển hiện đại, động cơ điện một chiều (DC) kích từ độc lập được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng kiểm soát tốc độ và mô-men dễ dàng. Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ DC yêu cầu độ chính xác cao trong các hệ thống tải thay đổi. Dự án này tập trung vào thiết kế một bộ điều khiển phản hồi trạng thái, nhằm nâng cao độ ổn định và hiệu suất vận hành của động cơ khi được cấp nguồn từ bộ băm xung nối tiếp.

TRƯỜNG ĐẠI ABC KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN

TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH

TỪ ĐỘC LẬP CÔNG SUẤT 1 HP ĐƯỢC CẤP NGUỒN BỞI BỘ BĂM XUNG NỐI TIẾP

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn A Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

Lớp: KTD01

Mã số sinh viên: 112345

Hà Nội, 5-2024

TRƯỜNG ĐH ABC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên :Nguyễn Văn B Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Lớp: ABC Ngành: Điện công nghiệp Khoa: Điện - Điện Tử

2 Danh mục tài liệu tham khảo

[1] Nguyễn Thanh Sơn, Bùi Đức Hùng, Phạm Văn Tuấn, Phạm Minh Tú, Hoàng Anh;

“Mô hình hóa, mô phỏng và điều khiển các hệ truyền động điện thông dụng”; Nhàxuất bản Bách Khoa Hà Nội, 2023

[2] Miroslav Chomat, New Applications of Electric Drives; Hà Nội: ISBN-13: 953-51-2233-3, 2015

978-[3] B.K.Bose, “Modern Power Electronics and AC Drives.” Prentice Hall PTR, p

[4] A Emadi, Advanced Electric Drive Vehicles 2014 doi: 10.1201/9781315215570

3 Nội dung phần thuyết minh

1 CHƯƠNG 1: Khái quát chung về động cơ điện một chiều …….%

3

CHƯƠNG 3: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho

động cơ điện một chiều kích từ độc lập được cấp nguồn bởi

bộ băm xung nối tiếp

…….%

Kế hoạch thực hiện

1 CHƯƠNG 1: Khái quát chung về động cơ điện một chiều …/…/2023

3

CHƯƠNG 3: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho

động cơ điện một chiều kích từ độc lập được cấp nguồn bởi

bộ băm xung nối tiếp

…/…./2023

4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI …/.…/2023

Ngày giao nhiệm vụ Đồ án tốt nghiệp: Ngày … tháng … năm 2024

TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Bản nhiệm vụ Đồ án tốt nghiệp đã được Hội đồng khoa học của Khoa Điện thông qua ngày tháng năm 20…

TRƯỞNG KHOA

Sinh viên hoàn thành và nộp bản Đồ án tốt nghiệp, bản vẽ cho Hội đồng khoa học của Khoa Điện ngày … tháng …… năm 20…

SINH VIÊN THỰC HIỆN

ĐÁNH GIÁ QUYỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP/TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP

(Dùng cho giảng viên hướng dẫn)

Tên giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: MSSV:

Tên đồ án:

Nhận xét về nội dung và trình bày của Đồ án:

Nhận xét khác (về thái độ và tinh thần làm việc của sinh viên)

Nghệ An, ngày: … / … / 20…

Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

ĐÁNH GIÁ QUYỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP/TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP

(Dùng cho cán bộ phản biện)

Tên giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Văn B MSSV:

Tên đồ án: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập công suất 1 HP được cấp nguồn bởi bộ băm xung nối tiếp Nhận xét về nội dung và trình bày của Đồ án :

Nhận xét khác

Hà Nội, ngày: … / … / 20 …

Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của các lĩnh vực khoa học vàứng dụng công nghệ vào ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành điện, đã tạo ra nhiều thiết

bị điện thông minh và tiện lợi hơn cho người dùng và người vận hành Một trong nhữnglĩnh vực quan trọng phát triển nhanh chóng là ứng dụng điện tử công suất trong truyềnđộng điện, đặc biệt là trong việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ Các nhà sản xuấtliên tục cho ra đời các sản phẩm công nghệ mới, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thịtrường Vì vậy, kiến thức và kỹ năng thiết kế các thiết bị này trở nên cực kỳ cần thiết đốivới sinh viên và kỹ sư ngành điện Hiện nay, động cơ một chiều vẫn được ứng dụng rộngrãi, và hệ thống băm áp - động cơ điện một chiều đang được sử dụng phổ biến để khắc

phục một số nhược điểm của loại động cơ này Đề tài của em là: “Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập công suất 1

HP được cấp nguồn bởi bộ băm xung nối tiếp.”

Bao gồm các chương sau:

Chương 1: Khái quát chung về động cơ điện một chiều

Chương 2: : Bộ băm xung áp một chiều

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho động cơ điện một chiềukích từ độc lập được cấp nguồn bởi bộ băm xung nối tiếp

Mặc dù em đã nỗ lực và cố gắng làm việc để đạt được kết quả tốt nhất Tuy nhiêntrong quá trình làm đề tài còn nhiều vướng mắc và đặc biệt là trình độ hiểu biết của emcòn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót, em mong nhận được sự phêbình góp ý của các thầy để giúp em hiểu rõ hơn các vấn đề trong đề tài cũng như nhữngứng dụng thực tế của nó để bản đồ án em được hoàn thiện hơn

Trong quá trình làm đồ án em nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo rất tận tình của thầy

cô trong khoa và đặc biệt là TS Nguyễn Văn A Em xin chân thành cảm ơn thầy (cô) và

hy vọng sẽ giúp đỡ em nhiều hơn trong học tập và công việc của em sau này

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1

1.1 Giới thiệu động cơ một chiều 1

1.2Nguyên lý cấu tạo động cơ điện 1 chiều 1

1.2.1 Cấu tạo 1

1.2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 3

1.3 Mô hình hóa động cơ điện một chiều 4

1.3.1 Động lực học của động cơ điên một chiều kích từ độc lập ( kích từ song song) .4

1.3.2 Đường đặc tính cơ 9

1.3.3 Vậy, để đảm bảo an toàn cho động cơ và các cơ cấu truyền động cũng như tránh ảnh hưởng xấu tới lưới điện, phải hạn chế dòng điện khi mở máy, không cho vượt quá giá trị: 17

1.3.4 Nghĩa là cần phải thêm điện trở phụ R p (hình 1.10a) vào mạch phần ứng sao cho: 17

1.3.5 Công suất động cơ lớn thì chọn I nm nhỏ 17

1.4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập .18 1.4.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập (song song) 18

1.4.2 Các cấu trúc điều khiển động cơ một chiều: 24

Kết luận chương 1 29

CHƯƠNG 2 BỘ BĂM XUNG ÁP MỘT CHIỀU 30

2.1.Giới thiệu chung về hệ xung áp - động cơ 30

2.1.1 Nguyên lí chung của bộ biến đổi xung áp một chiều 30

2.3.Tính chọn các phần tử trong mạch 38

2.3.1 Tính chọn điện cảm 39

2.3.2 Tính chọn van 39

2.3.3 Tính chọn mạch bảo vệ 40

2.4 Kết luận chương 2 40

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP ĐƯỢC CẤP NGUỒN BỞI BỘ BĂM XUNG NỐI TIẾP 42

3.1 Thông số động cơ 42

3.2 Tính chọn mạch điều khiển 42

3.2.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển 42

3.2.2 Thiết kế các khâu chủ đạo trong mạch điều khiển 44

3.3.Thiết kế bộ điều khiển trạng thái cho hệ truyền động động cơ DC 48

3.3.1 Khái quát hóa cấu trúc hệ điều khiển động cơ một chiều 48

3.3.2 Xây dựng mô hình không gian trạng thái động cơ một chiều 48

3.3.3 Thiết kế bộ điều khiển trạng thái cho động cơ một chiều 49

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 60

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 cấu tạo động cơ DC 2 Hình 1 2 Kết cấu lõi sắt phần ứng động cơ DC 2 Hình 1 3 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 4 Hình 1 4 Sơ đồ mô phỏng động lực học của động cơ điện một chiều kích từ song song trong matlap simulink 7 Hình 1 5 Điện áp đặt vào phần ứng, dòng điện phần ứng, mô men điện từ và tốc độ rô to động

cơ một chiều 7 Hình 1 6 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích tư độc lập 9

Hình 1 7 Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 10

Hình 1 8 Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ một chiều kích từ độc lâp khi giảm điện áp phần ứng 12 Hình 1 9 Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện kích từ độc lập khi tăng điện trở trong mạch phần ứng 13 Hình 1 10 Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện kích từ độc lập khi giảm từ thông kích từ13 Hình 1 11 Sơ đồ đấu dây động cơ quay thuận (a) và quay ngược khi đảo chiều từ thông (b) hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng (c) 14 Hình 1 12 Đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập khi đảo chiều 15 Hình 1 13 Sơ đồ mở máy động cơ một chiều kích từ độc lập qua 1 cấp điện trở phụ (a) và đặc tính cơ lúc mở máy (b) 16 Hình 1 14 Sơ đồ mở máy động cơ điện kích từ độc lập qua 3 cấp điện trở (a) và đặc tính cơ lúc

mở máy (b) 18 Hình 1 15 Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 19 Hình 1 16 Quá trình thay đổi tốc độ khi điều chỉnh 20 Hình 1 17 Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay đổi từ thông kích từ 22 Hình 1 18 Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay đổi điện trở mạch phần ứng 23

Hình 1 20 Sơ đồ cấu trúc một HT TĐĐ có bộ khuếch đại tổng 27

Hình 1 21 Sơ đồ cấu trúc một HT TĐĐ điều chỉnh độc lập các đại lượng 27

Hình 1 22 Sơ đồ cấu trúc một HT TĐĐ có điều chỉnh các đại lượng nối theo cấp 27

Hình 1 23 Sơ đồ chức năng một hệ ổn định tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập với bộ khuếch đại tổng 28

Hình 2 1 Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC) 30

Hình 2 2 Sơ đồ băm xung áp nối tiếp 32

Hình 2 3 Dạng dòng điện, điện áp của các phần tử trong sơ đồ XADC nối tiếp 33

Hình 2 5 Dạng dòng điện điện áp của các phần tử trên sơ đồ XADC, tải có sức phản điện động .35

Hình 2 6 Băm xung một chiều song song 37

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều 43

Hình 3.2 Sơ đồ mạch lặp điện áp 44

Hình 3.3 Khâu tạo xung vuông và xung răng cưa 45

Hình 3.4 Mạch so sánh điện áp 46

Hình 3.5 Mạch khuếch đại điện áp 47

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý của hệ phản hồi trạng thái đủ 51

Hình 3.7 Hệ điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển phản hồi trạng thái đủ có khử sai số xác lập của ví dụ 3.16 52

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Giới thiệu động cơ một chiều

Hiện nay động cơ điện một chiều vẫn được dùng rất phổ biến trong các hệ thốngtruyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều từ vài W đến hàng

MW Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có thể đáp yêu cầu momen, tăng tốc, vàhãm với trọng tải nặng Động cơ điện một chiều cũng dễ dàng đáp ứng với các truyềnđộng trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan

Động cơ điện một chiều có hai phần chính là phần động và phần tĩnh

 Phần tĩnh hay stato là bộ phận sinh ra từ trường nó gồm có:

Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ ( nếu động cơ được kích từ bằngnam châm điện) Mạch từ được làm bằng sắt từ( thép đúc, thép đặc) dây quấn kích từđược làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau

Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từlồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thépcacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ cácbulong Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đềuđược 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

Hình 1 1 cấu tạo động cơ DC

Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính Lõi thép của cực từ phụ thường đượclàm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dâyquấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulong

Gông từ dùng làm mạch từ nối tiếp các cực từ, đồng thời làm vỏ máy

Hình 1 2 Kết cấu lõi sắt phần ứng động cơ DC

Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thường được làm bằng thép kĩ thuật điện hoặctôn Silic dầy 0,5mm có phủ một lớp cách điện sau đó được ép lại để giảm tổn hao dodòng điện xoáy Phucô gây lên Trên các lá thép có dập các rãnh để khi ép lại tạo thànhcác rãnh đặt cuộn dây phần ứng vào Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điệnđộng và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọccách điện Lõi sắt là hình trụ tròn và được ép cứng vào với trục tạo thành một khối thốngnhất Trong các máy điện công suất trung bình trở lên người ta thường dập các rãnh đểkhi ép lại tạo thành các lỗ thông gió làm mát cuộn dây và mạch từ.

Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây nối lại với nhau theo một quy luật nhấtđịnh Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiếnđồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện vớitrục gọi là cổ góp hay vành góp

Cổ góp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều Cổ góp gồmnhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2 mm

và ghép lại thành hình trụ tròn sau đó được ép chặt vào trục Đuôi các phiến góp nhô cao

để hàn đầu dây cuộn dây phần ứng, mỗi phiến góp có đuôi chỉ hàn một đầu dây và tạothành các cuộn dây phần ứng nối tiếp nhau

Cánh quạt: Cánh quạt dùng để làm mát động cơ Cánh quạt được lắp trên trụcđộng cơ để hút gió từ ngoài qua các khe hở trên nắp máy, khi động cơ làm việc gió từngoài vào qua các khe hở trên nắp máy, khi động cơ làm việc gió hút vào làm nguội dâyquấn, mạch từ

Trục máy : Trục máy được làm bằng loại thép cứng nhiều cacbon Trên trục máyđặt lõi thép phần ứng và cổ góp Hai đầu của trục máy được gối lên 2 vòng bi và nắpmáy

.2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Trên hình 1.3 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dâyquấn phần ứng có dòng điện Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từtrường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụng lên rôto, làmquay rôto Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1.3)

Hình 1 3 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 (hình1.3b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thànhdòng 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 chiềuquay không đổi

Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện một chiềunói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy định Chế độ đóđược đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là những đại lượng địnhmức

- Công suất định mức Pđm (kW hay W)

- Điện áp định mức Uđm (V)

- Dòng điện định mức Iđm (A)

- 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 phátđiện 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 Mô hình hóa động cơ điện một chiều

.3.1 Động lực học của động cơ điên một chiều kích từ độc lập ( kích từ song song)

Động lực học của động cơ điện một chiều kích từ độc lập (kích từ song song) baogồm hai phương trình sau:111Equation Chapter 1 Section 1

- Phương trình cân bằng điện áp sử dụng định luật Kirchhoff trong mạch điện phầnứng:

AT (.)Trong đó:

 M là mô men động cơ, N m.

 M L là mô men tải, N m.

  là tốc độ góc của rô to, rad s/

Biến đổi Laplace của phương trình (1.1) và (1.2) có dạng như sau:

MERGEF

    L   

MERGEFORM

AT (.)Phương trình (1.5) và (1.6) được sử dụng để khảo sát động lực học của động cơ mộtchiều kích từ độc lập (kích từ song song)

Sử dụng Matlab/Simulink để khảo sát động lực học của động cơ một chiều kích từsong song Động cơ có các thông số như sau:

clc; % Xoa thong tin Command Window

clear; % Xoa thong tin Workspace

Pr = 750; % Cong suat dong co (W)

Rư = 7.55; % Dien tro phan ung (Ohm)

Lư = 0.1114; % Dien cam phan ung (H)

K = 1.6504; % He so dong co (V/rad/s)

J = 0.01287; % Momen quan tinh (kg.m^2)

B = 0.0001; % He so ma sat (N.m.s)

Va = 220; % Dien ap phan ung (V)

nđm = 1500; % Toc do dinh muc (vong/phut)

ML = 5; % Momen tai dinh muc (N.m)

Hình 1.4 là sơ đồ mô phỏng động lực học của động cơ một chiều kích từ song songtrong Simulink Hình 1.5 là kết quả mô phỏng bao gồm điện áp đặt vào phần ứng, dòngđiện phần ứng, mô men điện từ và tốc độ rô to Ta có nhận xét như sau: Bằng cách môphỏng động lực học của động cơ, ta có thể khảo sát quá trình quá độ của động cơ như quátrình khởi động với các thông số như tốc độ và dòng điện phần ứng Trong ví dụ này,

dòng điện phần ứng lớn nhất khi khởi động động cơ là 24, 6996 A  và dòng điện phần

ứng định mức là 4,1392 A  Do đó, dòng điện phần ứng khi khởi động bằng 5,9674 lầndòng điện phần ứng định mức Trong thực tế, người ta phải hạn chế dòng điện phần ứngkhi khởi động không được lớn hơn 2,5 lần dòng điện phần ứng định mức bằng mắc

Hình 1 4 Sơ đồ mô phỏng động lực học của động cơ điện một chiều kích từ song song

trong matlap simulink

Mô phỏng động lực học của động cơ một chiều trong Simulink

Thoi gian (s) 0

100

200

Thoi gian (s) 0

10 20

Thoi gian (s) 0

20 40

Thoi gian (s) 0

50 100

Hình 1 5 Điện áp đặt vào phần ứng, dòng điện phần ứng, mô men điện từ và tốc độ rô to

động cơ một chiều

.3.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi động cơ làm việc, rotor mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nêntrong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng (hay còn gọi là sức phản điệnđộng) có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ Phương trình điện áp ởmạch rotor sẽ là:

U=E+I R ö ö 818\*

MERGEFORM

AT (.)Trong đó:

T (.)Trong đó:

-từ thông qua một cực từ, Wb

-tốc độ góc của rotor,

rad s

k- hệ số, phụ thuộc vào kết cấu của động cơ

k=2

pN a



12112\*MERGEFORMA

T (.)với:

p- số đôi cức từ chính

N- số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng

a-Số mạch nhánh song song của cuộn ứng

Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng khi có dòng điện, rotor quay dướitác dụng của momen quay:

113\*MERGEFO

Từ hệ 3 phương trình (1.1), (1.4) và (1.6) có thể tìm được phương trình biểu thị mối

quan hệ  f M .

Rút I ö từ (1.6) rồi thay vào (1.1) cùng với (1.4), ta có:

2( )ö

R U

T (.)Phương trình (1.7) biểu thị quan hệ tốc độ  là hàm của momen M gọi là phươngtrình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Đường đặc tính cơ

Phương trình đặc tính cơ (1.7) có dạng hàm bậc nhất y=B+Ax, nên đường biểu diễntrên hệ tọa độ MO( hình 1.3) là một đường thẳng với độ dốc âm Đường đặc tính cơ cắttrục tung O tại điểm có tung độ:

Hình 1 6 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích tư độc lập

Tốc độ o là tốc độ ứng với M  c 0, nghĩa là: khi không có lực cản nào cả Đó làtốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ở chế độ động cơ vì không bao giờ

xảy ra M  c 0 (do lực ma sát luôn tồn tại khi động cơ quay) Tốc độ  được gọi là tốco

độ không tải lý tưởng

Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức như thiết kế (được ghi trên

nhãn động cơ) và không mắc thêm điện trở phụ vào mạch động cơ thìR ö R ö và phươngtrình đặc tính cơ sẽ là:

đmö m đmö đmö m

T (.)Đường đặc tính cơ lúc này gọi là đường đặc tính cơ tự nhiên Đường biểu diễn đặctính cơ tự nhiên như trên hình 1.5

Hình 1 7 Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi phụ tải tăng dần từ M  c 0 đến M c M đm(M c M đm 0) thì tốc độ động cơ giảm

dần từ 0 xuống đm(0-đm) Điểm A gọi là điểm làm việc định mức Phươngtrình (1.7) hay (1.7)’ có thể viết dưới dạng:

0

116\*MER

với độ sụt tốc tỷ lệ với mômen tải:



 =  2

ö m đmö

R M k

117\*MERGEFORMA

T (.)

Rõ ràng, đường thẳng đặc tính cơ có thể vẽ được nhờ 2 điểm  và A Cũng có thể dùng0

1 trong 2 điểm đố kết hợp với điểm khác thứ 3 là điểm cắt của đặc tính cơ với trục hoành

OM Điểm này có tung độ 0 và hoành độ suy từ (1.7)’

T (.)Trong đó:

nm

m đmö ö

U

R

19119\*MERGEFORMA

T (.)Mômen M nm và dòng điện I nm gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch Đó làgiá trị mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điện đầy đủ mà

tốc độ bằng 0 Trường hợp nẫyỷ ra khi bắt đầu mở máy và khi động cơ đang chạy mà bị

đứng lại vì bị kẹt hoặc tải quá lớn không kéo được Dòng điện I nm này lớn và thường bằng:

Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tượng tồn tại kéo dài

Do vậy, khi mở máy phải thêm điện trở phụ R P vào mạch rotor để hạn chế dòng điện mởmáy và khi động cơ đang chạy bị dừng lại cần phải nhanh chóng cắt điện

Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ

Phương trình (1.7)’ cho thấy, đường đặc tính cơ bậc nhất  f M  phụ thuộc vào các hệ

số phương trình, trong đó có chứa các thông số điện U, R ö và  Ta xét ảnh hưởng của

từng thông số này

Trường hợp thay đổi điện áp phần ứng

120\*MERGEFORMA

T (.)

Vì điện áp đặt vào phần ứng không thể vượt quá giá trị định mức nên ta chỉ có thể thayđổi điện áp về phía giảm Trường hợp này, độ dốc (hay độ cứng) của đặc tính cơ khôngthay đổi:

 ( )

ö

R invar k

21121\*MERGEFORMA

T (.)

còn tốc độ không tải lý tưởng  thay đổi tỷ lệ thuận với điện áp:0

0

U k

T (.)Như vậy, khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng, ta được một họ các đường đặc tính cơsong song với đường đặc tính cơ tự nhiên(tn) và thấp hơn đường đặc tính cơ tự nhiên(hình 1.12) Các đường đặc tính cơ này gọi là các đường đặc tính cơ nhân tạo(nt)

Trường hợp thay đổi điện trở mạch phần ứng

ö

123\*MERGEFORMA

T (.)

Hình 1 8 Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ một chiều kích từ độc lâp khi giảm điện

áp phần ứng

Như vậy, khi tăng điện trở R ñm theo mạch phần ứng, ta được một họ các đường đặc tính

cơ nhân tạo cùng đi qua điểm (0, 0)

Hình 1 9 Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện kích từ độc lập khi tăng điện trở

trong mạch phần ứng

Hình 1 10 Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện kích từ độc lập khi giảm từ thông

kích từ

Để thay đổi từ thông  phải thay đổi dòng kích từ nhờ biến trở R kt mắc ở cuộn cảm Vì

chỉ có thể tăng R kt nên từ thông kích từ chỉ có thể thay đổi về phía giảm Trường hợpnày, cả tốc độ không tải lý tưởng và độ dốc đặc tính cơ đều thay đổi

0

U k

Hình 1 11 Sơ đồ đấu dây động cơ quay thuận (a) và quay ngược khi đảo chiều từ thông

(b) hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng (c).

Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện được xác định theo quy tắc bàn tay trái Khiđảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điện thì từ lực có chiều quay ngược lại Vậy,muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều có thể thực hiện một trong 2 cách Hoặc đảo chiều từ thông (qua đảo chiều dòng điện kích từ)

Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng

Đường đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và quay ngược là đối xứng nhau quagốc tọa độ

Hình 1 12 Đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập khi đảo chiều.

Phương pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng vì mạch từ thông có công suấtnhỏ hơn mạch phần ứng Tuy vậy, vì cuộn kích từ có số vòng dây lớn, hệ số tự cảm lớn,

do đó thời gian đảo chiều tăng lên nên phương pháp này ít dùng Ngoài ra, dùng phươngpháp đảo chiều từ thông thì khi từ thông qua trị số 0 có thể làm tốc độ tăng quá, khôngtốt

Mở máy (khởi động) động cơ kích từ độc lập

Lúc bắt đầu đóng điện cho động cơ, tốc độ động cơ còn bằng 0 nên dòng điện động

cơ I nm tính theo rất lớn, tạo ra mômen ngắn mạch tính theo (cũng rất lớn và có thể gây racác hậu quả xấu

Dòng điện lúc mở máy:

10 20

m đmö

Đối với động cơ có công suất càng lớn thì thường có giá trị càng nhỏ và dòng I nm

càng lớn Điều này làm xấu chế độ chuyển mạch trong động cơ, đốt nóng mạnh động cơ

và gây sụt áp lưới điện Tình trạng càng xấu hơn nếu hệ Truyền Động Điện thường phải

mở máy, đảo chiều, hàm điện thường xuyên như ở máy trục, máy cán đảo chiều, thangmáy lên xuống…

Hình 1 13 Sơ đồ mở máy động cơ một chiều kích từ độc lập qua 1 cấp điện trở phụ (a)

và đặc tính cơ lúc mở máy (b).

Mômen mở máy quá lớn sẽ tạo ra các xung lực động làm hệ truyền động bị giật, lắc,không tốt về mặt cơ học, hại máy và có thể gây ra nguy hiểm như: gãy trục, vỡ bánhrăng, đứt cáp, đứt xích…

_ _ _ _

Vậy, để đảm bảo an toàn cho động cơ và các cơ cấu truyền động cũng như tránh ảnh hưởng xấu tới lưới điện, phải hạn chế dòng điện khi mở máy, không cho vượt quá giá trị:

Công suất động cơ lớn thì chọn I nm nhỏ.

Trong quá trình mở máy, tốc độ dòng động cơ  tăng dần, sức điện động củađộng cơ E=k cũng tăng dần và dòng điện động cơ bị giảm:

do đó mômen động cơ cũng giảm Động cơ mở máy theo mũi tên trên đường đặc

tính cơ 1 (hình 1.10b) Nếu giữ nguyên R ñm trong mạch phần ứng thì khi tốc độ tăng theo

đặc tính 1 tới điểm B, mômen động cơ giảm từ M mm xuống bằng mômen cản M c, động

cơ sẽ quay ổn định với tốc độ thấp B Do vậy, khi mômen giảm đi một mức nào đó

(chẳng hạn M D) thì phải cắt điện trở phụ R ñm trong mạch phần ứng nhờ đóng tiếp điểm K

để động cơ trở về làm việc (hay tiếp tục mở máy) trên đặc tính tự nhiên tại điểm E Lúc

này mômen động cơ M E lại lớn hơn nhiều mômen tải M c nên động cơ tiếp tục tăng tốc

nhanh Tới điểm A thì M d M c và động cơ sẽ chạy ổn định với tốc độ A trên đường

Lưu ý rằng, khi đóng tiếp điểm K để cắt điện trở phụ R ñm ra khỏi mạch rotor thì ngay lập

tức, động cơ chuyển từ điểm làm việc D trên đặc tính cơ nhân tạo 1 sang làm việc trênđặc tính cơ tự nhiên 2 Do quán tính cơ, khi chuyển đặc tính, tốc độ động cơ không kịpthay đổi trong một thời gian quá ngắn nên đoạn chuyển đổi DE là nằm ngang

Mở máy động cơ theo sơ đồ gọi là mở máy động cơ qua 1 cấp điện trở

Thực tế, để giảm bớt sự biến động mômen và thời gian lúc mở máy, động cơ thườngđược mở máy qua vài cấp điện trở phụ là sơ đồ mở máy qua 3 cấp điện trở với các đặctính cơ tương ứng Các điện trở phụ được tính chọn sao cho các đặc tính cơ mở máy cócác điểm chuyển đổi tương ứng với các mômen:

Hình 1 14 Sơ đồ mở máy động cơ điện kích từ độc lập qua 3 cấp điện trở (a) và đặc tính

cơ lúc mở máy (b).

.4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

.4.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập (song song)

Khi xem xét phương trình đặc tính cơ (1.7) ta đã biết quan hệ  f M  phụ thuộc các

thông số điện U, ,R ö Sự thay đổi các thông số này sẽ cho những họ đặc tính cơ khác

nhau Vì vậy, với một mômen tải nào đó, tốc độ động cơ sẽ khác nhau ở các đặc tính cơkhác nhau

Vậy, động cơ điện một chiều kích từ độc lập (hay kích từ song song) có thể điều

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng:

Sơ đồ nguyên lý nối dây như hình 2.1a Từ thông động cơ được giữ không đổi.Điện áp phần ứng được cấp từ một bộ biến đổi

Khi thay đổi điện áp U cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có họ các đặc tính cơ ứng vớicác tốc độ không tải khác nhau, song song nhau (cùng độ cứng) như ở hình 2.1b

Điện áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (UU đm) nên phương pháp này chỉ chophép điều chỉnh giảm tốc độ

Hình 1 15 Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay

đổi điện áp phần ứng.

Quá trình điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện áp phần ứng được giải thích trên hình 1.14

Hình 1 16 Quá trình thay đổi tốc độ khi điều chỉnh

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  trên đường 1 xuống điểm D có tốc độ nhỏ hơn (A D A) trên đường 2

(ứng với điện áp U2)

Trong khi giảm tốc độ theo cách giảm điện áp phần ứng, nếu giảm mạnh điện ápnghĩa là chuyển nhanh từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp thì cùng với quá trình giảm tốc cóthể xảy ra quá trình hãm tái sinh Chẳng hạn, cũng trên hình 2.2, động cơ đang làm việc

tại điểm A với tốc độ lớn A trên đặc đặc tính cơ 1 ứng với điện áp U1 Ta giảm mạnhđiện áp phần ứng từ U1 xuống U3 Lúc này động cơ chuyển điểm từ điểm A trên đường 1

sang điểm E trên đường 3 (chuyển ngang với tốc độ A E) Vì E lớn hơn tốc độ

không tải lý tưởng 03 của đặc tính cơ 3 nên động cơ sẽ làm việc ở trạng thái hãm tái sinhtrên đoạn EC của đặc tính 3 Quá trình hãm giúp động cơ giảm tốc nhanh Khi tốc độ

xuống thấp hơn 03 thì động cơ lại làm việc ở trạng thái động cơ Lúc này, do mômen

0

Đ

  nên động cơ tiếp tục giảm tốc cho tới điểm làm việc mới F vì tại F động cơ sinh

mômen cân bằng với mômen tải M C Động cơ chạy ổn định tại F với tốc độ F A.Khi tăng tốc, diễn biến của quá trình được giải thích tương tự Giả sử động cơ đang

làm việc tại điểm I có tốc độ  nhỏ trên đặc tính cơ 5, ứng với điện áp 1 U5 trên phần

ứng Tăng điện áp U lên U 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 M C nên động cơ tăng tốc theođường 4 (đoạn GH) Đồng thời với quá trình tăng tốc, mômen động cơ bị giảm và quátrình tăng tốc chậm dần Tới điểm H thì mômen động cơ cân bằng với mômen tải (

)

M M và động cơ sẽ làm việc ổn định tại điểm H với tốc độ H 1

Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng biện pháp thay đổi điện

áp phần ứng có các đặc điểm:

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 không đổi trong toàn dải điều chỉnh

Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau Độsụt tốc độ 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 không được vượt quá sai số chophép cho toàn dải điều chỉnh

Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể:

D~ 10 :1

Chỉ thay đổi được tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi ới U ö U đmö m)

Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông:

Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng điện kích từ của động

cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ (hình 1.14a) Rõ ràng phương pháp nàychỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nghĩa là chỉ có thể giảm dòng điện kích từ (

kt ktđm

I I ) do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông Khi giảm từ thông, đặc tínhdốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn Họ đặc tính cơ khi giảm từ thông như hình1.14b Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông có đặc điểm:

Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc đôjđộng cơ càng lớn

Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông

Hình 1 17 Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay

đổi từ thông kích từ

Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh:

D 3 :1

Chỉ thay đổi được tốc độ về phía tăng theo phương pháp này

Khi giảm từ thông độ dốc đặc tính cơ tăng lên vì vậy các đặc tính sẽ cắt nhau do đó,

với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm (hình 2.4b), còn ở vùng tải lớn (

2)

M tốc độ có thể tăng hoặc giảm tùy theo dòng kích từ 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 vớidòng kích từ là (110)% dòng định mức của phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng:

Sơ đồ nguyên lý nối dây Khi tăng điện trở mạch phần ứng, đặc tính cơ dốc hơnnhưng vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trởmạch phần ứng

Hình 1 18 Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay