Xây dựng cấu trúc mô phỏng mạch vòng dòng điện của hệ truyền động sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi tổng hợp bỏ qua sự ảnh hưởng của sức điện động E với nhiễu ngẫu nhiên và dạng tải thế năng

Xây dựng cấu trúc mô phỏng mạch vòng dòng điện của hệ truyền động sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi tổng hợp bỏ qua sự ảnh hưởng của sức điện động E với nhiễu ngẫu nhiên và dạng tải thế năng

Lời giới thiệu

Trong những năm gần đây cả nước ta đang bước vào công cuộc công nghiệphoá hiện đại hoá đất nước, sự giáo dục đóng vai trò quan trọng trong công cuộcnày đặc biệt là đào tạo ra đội ngũ có tay nghề cao biết kết hợp chặt chẽ lý thuyết

và thực tiễn vào lao động sản xuất

Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện điện tử, công nghệ thông tin,ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiều tiến bộmới Tự động hoá quá trình sản xuất đang được phổ biến rộng rĩa trong các hệthống công nghiệp trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Tự độnghoá không những làm giảm nhẹ sức lao động cho con người mà còn góp phầnrất lớn trong việc nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có thêm nhiều

xí nghiệp mới sử dụng kỹ thuật cao, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điệnnhững kiến thức về điện tử công suất, về truyền động điện, điều chỉnh tự độngtruyền động điện, về vi mạch và xử lý trong công tác kỹ thuật hiện tại

Để đáp ứng những nhu cầu khó khăn đó em được giao nhiệm vụ làm đồ án " Xây dựng cấu trúc mô phỏng mạch vòng dòng điện của hệ truyền động sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi tổng hợp bỏ qua sự ảnh hưởng của sức điện động E với nhiễu ngẫu nhiên và dạng tải quạt gió".

Việc làm đồ án đã giúp em ôn lại phần lý thuyết đã được học ở trường, thựchành trên lớp kết hợp với thực tiễn lao động sản xuất đã giúp em hiểu sâu hơn,biết vận dụng được lý thuyết được học ở trường vào thực tiễn

Đồ án của em gồm có 2 chương, giới thiệu về động cơ một chiều, các biểu thức

tính toán, đưa ra phương án chọn công suất động cơ Vấn đề xây dựng cấu trúc

mô phỏng mạch vòng dòng điện động cơ điện một chiều, phân tích, tính toán bộđiều khiển dòng điện Tổng hợp hệ thống truyền động điện động cơ một chiều

và mô phỏng bằng Simulink

CHƯƠNG I :GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU

và máy điện

1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạo giốngnhau Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phần tĩnh) vàphần ứng (phần quay)

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 điện mộtchiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quyđịnh Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi lànhững đại lượng định mức

1 Công suất định mức Pđm (kW hay W)

Chú ý: Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện Đối với máyphát điện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ đó làcông suất đưa ra trên đầu trục động cơ

Phân loại động cơ điện một chiều

Dựa theo cuộn kích từ, động cơ một chiều có các loại như sau:

- Động cơ một chiều kích từ độc lập

- Động cơ một chiều kích từ song song

- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp

Hình 1-0 Cấu tạo động cơ điện một chiều

1.2.1 Phần tĩnh hay 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), dòng điện chạytrong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiênnhau Cực từ chính gắn với vỏ máy nhờ các bulông Ngoài ra máy điện mộtchiều còn có nắp máy, cực từ phụ và cơ cấu chổi than

a) Cực từ chính

Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồngngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện haythép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ có thểdùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấnkích từ được quấn bằng dây đồng, và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ

Dây quấn phần ứngGông từ

Lõi sắtCực từ phụDay quấn cực từ phụDây quấn cực từ chínhCực từ chính

stato

thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dâykích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau như trên (hình 1.2).

Dây quấn cực từ chính

c) Gơng từ

Gơng từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trongđộng cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại Trong máy điệnlớn thường dùng thép đúc Cĩ khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏmáy

d) Các bộ phận khác

Bao gồm:

- Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngồi rơi vào làm hư hỏng dây quấn

và an tồn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máycịn cĩ tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường làmbằng gang

- Cơ cấu chổi than: để đưa dịng điện từ phần quay ra ngồi Cơ cấu chổi thanbao gồm cĩ chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lị xo tì chặt lên cổ gĩp.Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổithan cĩ thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khi điềuchỉnh xong thì dùng vít cố định lại

1.2.2 Phần quay hay phần ứng (rotor)

Phần ứng của máy điện một chiều còn gọi là rôto, gồm lõi thép, dây quấn phầnứng, cổ góp và trục máy

Hình 1.2 Lá thép rôto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều a) Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn

a) Lõi sắt phần ứng

Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủcách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gâynên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào.Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió đểkhi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục

Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạnnhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khi máylàm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto có thểtiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto, hình 1.2

b) 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)

vành gĩp cĩ cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và cácphiến gĩp được dễ dàng như trên (hình 1.4).

CỔ GÓP

Miếng đệm mica

Ê cu Phiến đổi chiều

Mi ca

Ống lõi PHIẾN ĐỔI CHIỀU

Hình 1.4 Cấu tạo cổ gĩp

1.2.3- 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, trongdây quấn phần ứng cĩ dịng điện Các thanh dẫn ab và cd mang dịng điện nằmtrong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mơmen tác dụnglên rơto, làm quay rơto Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn taytrái (hình 1.5a)

Hình 1.4 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 (hình1.5b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổithành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tácdụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảmbảo động cơ có chiều quay không đổi

1.3 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổithì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơđược gọi là động cơ kích từ song song (hình 1- 6)

Hình 1.5a

Hình 1.5b

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phầnứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau (hình 1- 7),lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập.

I

KT

-E I

+

-Hình 1-6 Sơ đồ nối dây của động

cơ kích từ song song

Hình 1-7 Sơ đồ nối dây của động

rct : điện trở tiếp xúc của chổi thanSức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

a 2

N.p

Trong đó: K =

a2

N.p

 - hệ số cấu tạo của động cơ,

p – số đôi 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 thông kích từ dưới một cực từ Wb,

 - tốc độ góc, rad/s Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/ phút) thì:

 =

60

n

2 

a

N p

60



Ke =

a.60

N.p

: Hệ số sức điện động của động cơ,

55,9

RR

Suy ra Iư =

K

K

RR

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động

cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M, nghĩa là Mđt = Mcơ = M

 =

RR

K

U

2 f

Theo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có :

oK

IRR

Hình 1- 7 Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ cơ của động

cơ điện một chiều kích từ độc lập

và M = K Inm = Mnm

Inm, Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch,

Mặt khác, phương trình đặc tính (1 - 4) và (1 - 7) cũng có thể được viết ởdạng:

M.RK

U

2)

Trong đó R = Rư + Rf , o =

KU

)K(

RI

.K

 được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M

1.4 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến trong các hệthống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều (Đ) từvài W đến vài MW Giản đồ kết cấu chung của Đ như hình 1.5, phần ứng đượcbiểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở phần stato có thể có vàidây quấn kích từ: dây quấn kích từ độc lập CKĐ, dây quấn kích từ nối tiếpCKN, dây quấn cực từ phụ CF và dây quấn bù CB Hệ thống các phương trình

mô tả Đ thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điềukhiển) thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ Uk; tín hiệu ra thường làtốc độ góc của động cơ ω, mômen quay M, dòng điện phần ứng I, hoặc trongmột số trường hợp là vị trí của rôto φ Mômen tải Mc là mômen do cơ cấu làmviệc truyền về trục động cơ, mômen tải là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệtruyền điện tự động

Hình 1.8 Giản đồ thay thế động cơ một chiều.

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp uk nào đó thì trong dây quấn kích từ

sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ Tiếp đó đặt mộtgiá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòngđiện chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thànhmômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau:

M = I k I

a

N p





.

2

.

'

 (2.1) Trong đó: p’ - số đôi cực của động cơ;

N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ;

a - số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng;

k = 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 ứngquét qua từ thông và trong các dây dây quấn này cảm ứng sức điện động (sđđ):

E =  

a

N p

2

.

'

(2.2) Trong đó: ω - tốc độ góc của rôto

Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện

U u

 (2.3)Trong đó Rư- điện trở mạch phần ứng của động cơ

Từ các phương trình (1.1) và (1.3) có thể vẽ được họ đặc tính cơ M(ω) củađộng cơ một chiều khi từ thông không đổi, hình 2



Hình 1.9 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

khi từ thông không đổi

1.5 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phươngtrình mô tả sơ đồ thay thế hình 1.5 như sau:

* Mạch kích từ, có hai biến dòng điện kích từ ik và từ thông Φ là phụ thuộcphi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:

Uk(p) = RkIk(p) + Nk.p.Φ(p) (2.4)trong đó: Nk - số vòng dây cuộn kích từ;

Rk - điện trở cuộn dây kích từ

p E p p N p U pT

R

N u

Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ mộtchiều như sau:

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc chung của động cơ một chiều

Ta thấy rằng sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh (có khâu phi tuyến), do đótrong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làmviệc (phương pháp số gia)

Trước hết chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá

và đặc tính mômen tải như hình 2.4

Hình 1.11 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải

Độ dốc của đặc tính từ hoá và đặc tính cơ mômen tải tương ứng (bỏ qua hiệntượng từ trễ) là:

Uk0 + ∆Uk(p) = Rk[Ik0 + ∆Ik(p)] + pLk[Ik0 + ∆Ik(p)] (2.10)

- Phương trình chuyển động cơ học:

K[Φ0 + ∆Φ(p)] [I0 + ∆I(p)] - [MB + ∆MC(p)] = Jpp [ωB + ∆ω(p)] (2.11) Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viếtđược các phương trình của gia số như sau:

∆U(p) = Rư∆I(p) + pLư∆I(p) + KΦ0∆ω(p) +K∆Φ(p)ωB (2.12) ∆Uk(p) = Rk∆Ik(p) (1 + pTk) (2.13) K∆Φ(p)I0 +KΦ0∆I(p) - ∆MC(p) = Jp p∆ω(p) (2.14)

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

R

K

K

.1

1



UK



Sau đây ta xét một sốtrường hợp đặc biệtcủa động cơ một chiều kích từ độc lập trong chế độ quá độ.

a) Động cơ kích từ độc lập khi từ thông Φ = const.

Khi dòng điện từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằngnam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:

Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi

Bằng cách tối thiểu hóa sơ đồ khối ta thu được các sơ đồ cấu trúc thu gọn sauvới:

Hệ số khuếch đại của động cơ: Kđ = 1/Cư ,

Hằng số thời gian cơ học: Tc = RưJ/

/1

Hình 1.14a sơ đồ cấu trúc thu gọn theo tốc độ

Hình 1.14b sơ đồ cấu trúc thu gọn theo dòng điện

1.6 Trường hợp 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 1.12, trong đó tínhiệu điện áp phần ứng ∆U(p) = 0 Hàm truyền của động cơ có dạng:

u c

T p T

T T P T p

U

Mc

J B

T T

J T

B T J

Ưu điểm: Chỉ điều chỉnh phần công suất rất nhỏ so với công suất định mức của

giảm xuống Sự gián đoạn của dòng điện phần ứng gây sự đập mach tốc độđộng cơ, nếu hệ truyền động có mômen quán tính đủ lớn thì đập mạch tốc độ sẽ

là nhỏ và ngược lại Do giá trị đầu và giá trị cuối của mỗi xung dòng trong mộtchu kì đều bằng không nên không có sự gia tăng giá trị trung bình của dòng điệntheo thời gian, nghĩa là điện cảm mạch phần ứng trong chế độ dòng điện giánđoạn không có tác dụng hạn chế giá trị trung bình của dòng điện phần ứng

Từ các phương trình đó và các nhận xét trên ta viết được các phương trình chocác giá trị trung bình trong một chu kì của dòng điện :

=f( )

Thường trong các bộ biến chỉnh lưu góc điều khiển phụ thuộc tuyến tính vàođiện áp điều khiển = Uđk : = a – bUđk Trong đó a,b là các hằng số phụ thuộc vào chu kì điện áp lưới và biên độ xung răng cưa của điện áp tựa.

Hình 1.16: sơ đồ khối của động cơ một chiều tỏng chế độ dòng điện giánđoạn

Có thể tuyến tính hóa khâu phi tuyến f( ) bằng cách tuyến tính hóa quanh điểm làm việc :

a) I =f1(Uđk) ; = const b) I = f2( );Uđk = const

2.1 Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện

Khái quát chung:

Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần đảm bảo hệ thực hiệnđược tất cả các yêu cầu đặt ra, đó là các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chấtlượng và các yêu cầu về kinh tế Chất lượng của hệ được thể hiện trong trạngthái động và trạng thái tĩnh Trong trạng thái tĩnh, yêu cầu quan trọng nhất là độchính xác điều chỉnh Ở trạng thái động lại có các yêu cầu về ổn địnhvà các chỉtiêu chất lượng động là độ quá điều chỉnh, tốc độ điều chỉnh, thời gian điềuchỉnh và số lần giao động Ở cấu trúc tự động điều chỉnh tự động điện, cấu trúcmạch điều khiển và các bộ điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của

hệ Vì vậy khi thiết kế hệ ta phải thực hiện bài toán về phân tích và tổng hợp hệnhằm tìm ra lời giải hợp lý, sao cho đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật và kinh tế đã

đề ra

Trong các hệ truyền động tự động cũng như các hệ chấp hành thì mạch vòngđiều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản Chức năng cơ bản của mạch vòngdòng điện trong các hệ thống truyền động điện là trực tiếp hoặc gián tiếp xácđịnh mô men kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh giatốc vv

Khái niệm: mạch vòng dòng điện là mạch vòng dùng để điều khiển dòngđiện cho động cơ một chiều, có các chức năng sau: