Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều và mô phỏng

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 rãi trong sảnxuất

Lời nói đầu

Đối với kỹ sư điều khiển - tự động hóa nói riêng và những người nghiêncứu khoa học - kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phépkhảo sát các đối tượng hệ thống hay quá trình kỹ thuật - vật lý, mà không nhấtthiết phải có đối tượng hay hệ thống thực Được trang bị một công cụ mô phỏngmạnh và có hiểu biết về các phương pháp mô hình hóa, người kỹ sư sẽ có khảnăng rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sản phẩm mộtcách 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 rãi trong sảnxuất công nghiệp bởi những tính năng mà nó mang lại như: không cần nguồnxoay chiều, thực hiện việc thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng, …Chính

vì những lí do đó mà em đã được giao đề tài về động cơ một chiều là đối tượng

để mô phỏng trong bài làm của mình Em xin cảm ơn thầy Phạm Tâm thành đãhướng dẫn em hoàn thành đồ án này

Chương 1- Khái quát về động cơ một chiều

1.1 – Khái niệm

Động cơ điện một chiều là máy điện quay được dùng để biến đổi nănglượng điện một chiều thành cơ năng Động cơ điện một chiều bao gồm: Động cơđiện 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 tạogiống nhau Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phầntĩnh) 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 quấncực từ chính được đặt trên các cực từ chính và được nối nối tiếp nhau Dây quấncực từ phụ được đặt trên các cực từ phụ, nó tạo ra từ trường phụ

Cực từ chính

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 bằngnam châm điện), mạch từ được làm bằng sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấnkích từ được làm bằng dây điện từ (dây đồng), các cuộn dây điện từ này đượcmắc nối tiếp với nhau

rotor

stator

Nắp máy Nắp máy

Cực từ phụ

+ Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấnkích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuậtđiện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điệnnhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông.Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đềuđược bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên cáccực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp vớinhau.

+ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính Lõi thép của cực từphụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấutạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờnhững bulông

+ Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏmáy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trongmáy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng ganglàm vỏ máy

Hình 1.2 Lá thép rotor + Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong cácrãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín Phần tử của dây quấn làmột bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp củavành góp (hình 1.3a) hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới haicực từ khác tên (hình 1.3b).

1.3 Dây quấn phần ứng máy điện một chiềua) 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 coinhư bộ chỉnh lưu hay nghịch lưu cơ khí Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồngđược ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục (1) Chổi than làm bằngthan graphit (2) Các chổi than tì chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắntrên nắp máy

Hình 1.4 Cấu tạo cổ góp máy điện một chiều

(1)

(2)

b Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ một chiều

- Dựa theo cuộn kích từ, động cơ điện một chiều có các loại sau:+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cungcấp từ hai nguồn riêng rẽ

+ Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc songsong với phần ứng

+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tếpvới phần ứng

+ Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, mộtcuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng

- Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều:

Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải , cảmáy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn,

dễ vận hành mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụngrộng rãi và phổ biến Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhấtđịnh trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điềukhiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máycông cụ lớn, đầu máy điện ) Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạođộng cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loạimàu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn Nhưng do những ưu điểm của

nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.+ Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máyphát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau Song ưu điểm lớn nhất củađộng cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bảnthân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thìphải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động

cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúcmạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao

+ Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp - chổithan nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rungchấn, dễ cháy nổ.

1.3 - Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Trên hình 1.5 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B,trong dây quấn phần ứng có dòng điện Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điệnnằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tácdụng lên rotor, làm quay rotor Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắcbàn tay trái (hình 1.5a)

Hình 1.5 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau(hình 1.5b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiềubiến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiềulực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rotor cũng theo một chiều nhấtđịnh, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

- Các trị số định mức của động cơ điện một chiều

Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điệnmột chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạoquy định Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máygọi là những đại lượng định mức

1 Công suất định mức Pđm (kW hay W)

1.3.1 - Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập

Khi nguồn một chiều có công suất ko đủ lớn thì mạch điện phần ứng vàmạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau Lúc này động cơ được gọi làđộng cơ một chiều kích từ độc lập

Hình 1.6 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:

Uư = Eư + (Rư + Rf)Iư (1.1) Trong đó:

rư: Điện trở cuộn dây phần ứng

rcf: Điện trở cuộn dây cực từ phụ

rct: Điện trở chổi than

p: Số đôi cực từ chính

N: Tổng số thanh dẫn của cuộn dây phần ứng

a: Số mạch nhánh song song

Biểu thức trên là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác, mômen điện từ Mđt được xác định bởi



(1.5) Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơbằng mômen điện từ, ta kí hiệu là M Nghĩa là: Mdt = Mcơ = M



(1.6)Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông  const, thì các phương trình đặctính cơ điện (1.3) và phương trình đặc tính cơ (1.6) là tuyến tính Đồ thị củachúng được biểu diễn trên hình 1.7 là những đường thẳng

- khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có: 1

0

U k

Từ các phương trình trên mối quan hệ  f(M) và  f I( ) được biểu diễn nhưhình sau:

Chương 2 – Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều

2.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều là động cơ sử dụng điện áp một chiều Động cơgồm hai phần riêng biệt là rotor và stator Rotor là phần ứng của động cơ đượccấp nguồn thông qua chổi than và cổ góp, stato là phần tĩnh trên có gắn các cuộndây kích từ Sơ đồ tương đương của động cơ một chiều có thể được mô tả nhưsau:

Hình 2.1 Giản đồ thay thế động cơ một chiều+ CKD: Cuộn kích từ độc lập của động cơ

+ CKN: Cuộn kích từ nối tiếp của động cơ

+ CB: Là cuộn bù

+ CF: Là cuộn phụ

2.1.1 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

a) Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ

Khi thay đổi điện áp phần ứng thì đặc tính cơ của động cơ là các đườngsong song với nhau Tốc độ của động cơ cũng sẽ được thay đổi tuy nhiên giá trịtốc độ chỉ có thể điều khiển được dưới đường đặc tính cơ tự nhiên Phương phápnày hiện nay được sử dụng nhiều trong thực tế do có khả năng điều khiển trơn,mịn và dễ dàng thực hiện được nhờ các bộ biến đổi công suất

Hình 2.1.a Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện ápb) Thay đổi điện trở phụ đặt vào phần ứng của động cơ

Phương pháp này sử dụng điện trở phụ mắc thêm vào mạch phần ứng đểthay đổi tốc độ của động cơ một chiều Giá trị tốc độ thay đổi cũng nằm dướiđường đặc tính cơ tự nhiên Dải thay đổi tốc độ theo điện trở phụ thuộc vàođiểm làm việc, nếu mômen cản trên động cơ càng nhỏ thì dài điều chỉnh tốc độcàng bé

Hình 2.1.b Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ

- Đặc điểm của phương pháp:

0

+ Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượngtrên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng

ở động cơ điện trong cần trục

+ Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trởphụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản

Ngày nay phương pháp này hầu như không được sử dụng

c) Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi từ thông của động cơ

Hình 2.1.c Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông Phương pháp này làm cho đường đặc tính cơ của động cơ trở nên mềm hơn

và nó thường chỉ ứng dụng trong việc điều khiển tốc độ lớn hơn đường đặc tính

cơ tự nhiên Tuy nhiên việc thay đổi giảm từ thông cũng có thể dẫn đến giảm tốc

độ và từ thông cũng phải đảm bảo lớn hơn một giá trị ngưỡng cho trước để động

cơ đảm bảo an toàn

Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục

và kinh tế (vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ(1 ÷ 10)%Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp) Đây là phương phápgần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độlớn hơn tốc độ điều khiển

2.1.2 Cấu trúc điều khiển động cơ một chiều

Ngày nay cấu trúc điều khiển động cơ một chiều thường sử dụng cấu trúcđiều khiển nối tầng (phân tầng hoặc điều khiển casecade), cấu trúc này gồmnhiều vòng điều khiển nồng nhau

M

M c1 M c2 M c3





Hình 2.2 Cấu trúc điều khiển động cơ một chiều sp: giá trị tốc độ đặt

2.2 Xây dựng mô hình của động cơ

2.2.1 Mô hình toán của động cơ điện một chiều

- Xét một động cơ có mô hình như sau:

Hình 2.3 Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Với: Ru = ru + rcf + rcb + rct

ru: điện trở cuộn dậy phần ứng

rcf: điện trở cuộn cực từ phụ

rcb: điện trở cuộn bù

rct: điện trở tiếp xúc chổi điện

Khi đó phương trình toán của động cơ có thể viết được

Me – Mc = J.d

dt



Trong đó:

Me: mômen điện của động cơ

Mc: mômen cản trên trục động cơ

R L R

 (Uu – E) = 1

u u

R T

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc chung của động cơ một chiều

Từ sơ đồ cấu trúc này ta thấy rằng phương trình động cơ một chiều kích từ độc lập là một phương trình phi tuyến do quan hệ giữa từ thông và dòng kích từ

là một quan hệ phi tuyến theo đường cong từ hóa Ngoài ra quan hệ phi tuyến cũng tồn tại giữa mômen cản và tốc độ động cơ, đo đó mô hình của nó cũng là

mô hình phi tuyến

Trong nhiều trường hợp phải tính toán các bộ điều khiển cho động cơ

thường phải tuyến tính hóa các quan hệ phi tuyến này và chuyển mô hình động

cơ về dạng mô hình một chiều tuyến tính hóa

2.2.2 Mô hình tuyến tính hóa động cơ một chiều kích từ độc lập

Ta biết rằng quan hệ giữa từ thông và dòng điện kích từ là một quan hệ phi tuyến nên nó gây khó khăn cho việc thiết kế điều khiển khi cần thay đổi từ thôngcủa động cơ Chính vì vậy trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc (phương pháp gia số)

Trước hết chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hóa đặc tính từ hóa và đặc tính mômen tải như hình 2.5





Hình 2.5 Tuyến tính hóa đoạn đặc tính từ hóa và đặc tính tải

Độ dốc của đặc tính từ hóa và đặc tính cơ mômen tải tương ứng là (bỏ qua hiện tượng từ trễ):

Tại điểm làm việc xác lập ta có: điện áp phần ứng Uu0, dòng điện phần ứng

Iu0, điện áp kích từ Uk0, dòng điện kích từ Ik0, từ thông  0, tốc độ quay  0, mômen cản Mc Những giá trị sai lệch (biến thiên nhỏ) của các đại lượng trên tương ứng là: U u, I u, U k, I k,  ,  , Mc

Ta đã có các phương trình của động cơ khi xem xét mục (2.2.1)

Iu = 1

u u

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa

2.2.3 Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập với từ thông không đổi

(  const)

Đối với động cơ một chiều kích thích vĩnh cửu hay động cơ một chiều kích

từ độc lập mà không điều khiển từ thông thì có thể coi từ thông của động cơ là hằng số Khi đó phương trình mạch kích từ là một giá trị không đổi và ta không

cần xem xét đến nó, các phương trình còn lại của hệ chỉ liên quan đến giá trị củaphần ứng động cơ

Từ đây ta bỏ các chỉ số u và k Và mặc định tất cả các giá trị đều là mạch phần ứng động cơ

- Phương trình mạch phần ứng:

U = I.Ru + Lu.dI

dt + E Trong đó:

R

T s

 (U – E)   1

.

J s (Me – Mc)

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi

2.2.4 Động cơ kích từ độc lập với điện áp phần ứng không đổi



Khi giữ điện áp phần ứng không đổi và điều chỉnh điện áp kích từ thì do tínhchất phi tuyến của mạch từ nên tốt nhất là sử dụng sơ đồ tuyến tính hoá quanhđiểm làm việc Sơ đồ cấu trúc này được thể hiện trên hình 2.4, trong đó tín hiệuđiện áp phần ứng ∆Uu = 0.

Phương pháp này có ưu điểm là: bộ chỉnh lưu có điều khiển trong mạch kích

từ nhỏ gọn hơn, rẻ tiền hơn, với công suất nhỏ hơn dẫn đến kích thước và trọnglượng nhỏ hơn

Tuy nhiên nó có những nhược điểm cơ bản đó là:

- Đụng chạm đến tính phi tuyến của động cơ

- Số vòng dây của cuộn kích từ lớn hơn do đó hằng sô thời gian mạch kích

từ lớn hơn nhiều so với mạch phần ứng (Tk>>Tu) dẫn đến thời gian quá

độ của hệ kéo dài

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ quay hẹp và còn bị phụ thuộc nhiều vào giá trịmômen cản

- Do ảnh hưởng của từ dư sẽ gây ra sai lệch trong quá trình thực hiện đảochiều quay động cơ

Chương 3 – Mô phỏng các đặc tính của động cơ