ĐỘNG cơ KÍCH từ độc lập 1 CHIỀU

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, tự động hóa là một lĩnh vực rất cần thiết trong đời sống và công nghiệp. Hiện nay, mặc dù động cơ AC được sử dụng rộng rãi, nhưng động cơ DC vẫn còn tồn tại. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu khe hở lớn hoặc yêu cầu phạm vi lớn và điều chỉnh tốc độ phẳng. Vì động cơ điện một chiều có đặc tính làm việc tốt về khả năng điều tốc (dải điều chỉnh rộng, kể cả khởi động từ tốc độ 0), đặc biệt là khả năng quá tải. Theo chế độ kích từ, động cơ điện một chiều được chia thành động cơ kích từ độc lập, động cơ kích từ song song, động cơ kích từ nối tiếp và động cơ kích từ hỗn hợp. Trên thực tế, khi cần công suất lớn người ta thường dùng động cơ điện kích từ độc lập để điều chỉnh dòng điện kích thích được thuận lợi và kinh tế hơn. Để hiểu rõ hơn về ứng dụng, ưu và nhược điểm mà động cơ kích từ độc lập mang lại cho cuộc sống con người nói chung và trong ngành học của chúng em nói riêng thì nhóm chúng em đã quyết định lựa chọn đề tài: ( Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập)

GVHD:Lê Văn Chương 1 SVTH: Trương Bảo Long

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

- -

VIỆN KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN HỌC PHẦN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

ĐỀ TÀI:

Xây dựng mô hình động học động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Giảng viên HD : Lê Văn Chương

Nhóm : 2

Sinh viên thực hiện : Trương Bảo Long

Lớp : LTĐKTĐ (121)_02

NGHỆ AN, THÁNG 1 NĂM 2022

GVHD:Lê Văn Chương 2 SVTH: Trương Bảo Long

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ĐỘC LẬP- TỰ DO- HẠNH PHÚC

Mục Lục

LỜI CẢM ƠN 5

LỜI MỞ ĐẦU 6

PHẦN I: 7

TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 7

1 Động cơ điện một chiều 7

1.1 Cấu tạo và phân loại 7

1.1.1 Cấu tạo 7

1.1.2 Phân loại 9

1.2 Nguyên lý hoạt đông của đông cơ điện một chiều 9

1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 12

PHẦN II 15

MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 15

HÀM TRUYỀN, HÀM QUÁ ĐỘ VÀ HÀM TRỌNG LƯỢNG 15

2 Mô tả toán học của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập bằng phương pháp lý thuyết 15

2.1 Mô tả động cơ điện 1 chiều bằng phương trình vi phân 15

2.2 Mô hình toán học động cơ điện 1 chiều trong miền ảnh laplace 16

2.3 Hàm truyền của hệ thống 17

2.4 Hàm truyền đạt 18

2.4.1 Hàm truyền đạt dạng ảnh lapLace: 18

2.4.2 Hàm truyền tần số: 19

2.5 Hàm quá độ và hàm trọng lượng 19

2.5.1 Hàm quá độ h(t) 19

2.5.3 Hàm trọng lượng W(t) 21

PHẦN III: 23

ĐỒ THỊ HÀM QUÁ ĐỘ VÀ HÀM TRỌNG LƯỢNG THEO PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH 23

3 Đồ thị hàm quá độ và hàm trọng lượng theo phương pháp giải tích 23

3.1 Đồ thị hàm quá độ theo phương pháp giải tích 23

3.2 Đồ thị hàm trọng lượng theo phương pháp giải tích 25

PHẦN IV 27

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK 27

4.1 Giới thiệu chung về phần mềm matlab-simulink: 27

4.2 Mô phỏng hàm quá độ và hàm trọng lượng bằng phần mền MATLAB: 27

KẾT LUẬN 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

LỜI CẢM ƠN

Trong những năm gần đây, xã hội ngày càng phát triển, chúng ta đang sống, học tập và làm việc dưới môi trường ngày càng hiện đại; cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đã giúp nâng cao chất lượng đời sống cũng như trong công việc Với việc áp dụng các thành tự khoa học kĩ thuật, chúng ta đã tiết kiệm được thời gian, chi phí cũng như đạt năng suất cao nhất bởi những dây chuyền, ứng dụng thay thế con người Để hiểu rõ được những điều ấy, các môn học đã được ra đời nhằm cung cấp cho người học các kiến thức cần có về lĩnh vực ấy, trong đó có môn học: “Lý thuyết điều khiển tự động”

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hoa Lư đã trực tiếp

giảng dạy chúng em trong thời gian vừa qua

Để hiểu rõ vễ những lợi ích mà môn học mang lại, chúng em xin phép được trình

bày đồ án: “Phân tích mô hình động cơ DC kích từ độc lập”

Do thời gian và trình độ có hạn nên bản đồ án này không tránh khỏi sai sót và còn nhiều ván đề cần bổ sung hoàn thiện Chúng em rất mong sự góp ý của các thầy cô

và các bạn sinh viên Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Lê Văn Chương trong suốt thời gian làm đồ án cùng các thầy giáo khác trong viện Kỹ thuật và công nghệ, đặc biệt là thầy giáo ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hoá Trường Đại học Vinh đã giúp đỡ em hoàn thành

đồ án này

Vinh, tháng 12 năm 2021

kể cả khởi động từ tốc độ 0), đặc biệt là khả năng quá tải Theo chế độ kích từ, động cơ điện một chiều được chia thành động cơ kích từ độc lập, động cơ kích từ song song, động cơ kích từ nối tiếp và động cơ kích từ hỗn hợp Trên thực tế, khi cần công suất lớn người ta thường dùng động cơ điện kích từ độc lập để điều chỉnh dòng điện kích thích được thuận lợi và kinh tế hơn Để hiểu rõ hơn về ứng dụng, ưu và nhược điểm mà động cơ kích từ độc lập mang lại cho cuộc sống con người nói chung và trong ngành học của chúng em nói riêng thì nhóm chúng em

đã quyết định lựa chọn đề tài: ( Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện

một chiều kích từ độc lập)

Nội dung đồ án hẳn còn nhiều thiếu sót cần được lấp đầy Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô trong bộ môn để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Xin cảm ơn thầy giáo Lê Văn Chương và toàn thể các thầy cô giáo trong bộ môn này, cảm ơn các thầy cô đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này Xin cảm ơn từ tận đáy lòng!

PHẦN I:

TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

ĐIỆN MỘT CHIỀU

1 Động cơ điện một chiều

1.1 Cấu tạo và phân loại

1.1.1 Cấu tạo

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và Phần động

➢ Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận

sinh ra từ trường Bao gồm các bộ phận sau

+) Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ ( nếu động cơ được

kích từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm bằng sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp nhau

+) Cực từ chính Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây

quấn kích từ lòng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5÷1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ 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 đều được 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 nối tiếp với nhau

+) Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm

vỏ máy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại , trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ nhỏ dùng gang làm vỏ máy

➢ Các bộ phận khác

Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây

quấn và an toàn cho người tránh chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi, trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang

Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi

than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá, giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại

➢ Phần quay hay rôto Bao gồm những bộ phận chính sau

+) Phần sinh ra sức điện động gồm có:

Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kỹ thuật) xếp lại với nhau

Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng

Cuộn dây phần ứng Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một quy luật

nhất định, mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp

Tỳ trên cổ góp là cặp chổi than làm bằng graphit và được ghép sát vào thành

cổ góp nhờ lò xo

+) Lõi sắt phần ứng Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ

thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi 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 đoạn nhỏ, giữa những đoạn

ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khi máy làm 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 thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto

+) Dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng phần phát sinh ra suất điện

động và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường không làm bằng dây đồng có bọc cách

điện Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài KW thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật, dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng niêm để

đè chặt hoặc đai chặt dây quấn, niêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit

+) Cổ góp Cổ góp gồm nhiều phiến đồng được mạ cách điện với nhau

bằng lớp mica dày từ 0,4÷1,2mm và hợp thành một hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp chữ nhật V ép chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôi vành góp có cao lên một tí để hàn các đầu dây của các phần

tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng

1.1.2 Phân loại

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ Từ đó có bốn loại động cơ điện một chiều thường được sử dụng đó là:

+) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ

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

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

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

1.2 Nguyên lý hoạt đông của đông cơ điện một chiều

Từ trường của động cơ được tạo ra nhờ các cuộn dây 5 có dòng điện 1 chiều chạy qua Các cuộn dây này gọi là cuộn cảm (hay cuộn kích từ) và được quấn quanh các cực từ 4 Trên hình vẽ động cơ điện 1 chiều, stator 6 của động cơ có dặt các cuộn cảm nên stator còn gọi là phần cảm Từ trường do cuộn cảm tạo ra

sẽ tác dụng 1 lực vào các dây dẫn rotor 7 đặt trong các rãnh của rotor 3 khi có dòng điện đi qua Cuộn dây này gọi là cuộn ứng Dòng điện đưa vào cuộn ứng qua các chổi than 2 và cổ góp 1 Rotor mang cuộn ứng nên gọi là phần ứng của động cơ

- Trong hình vẽ các dây dẫn cuộn ứng của nửa trên rotor cos dòng điện hướng vào, còn các dây dẫn ở nửa dưới của rotor có dòng điện hướng ra khỏi hình vẽ Từ lực F tác dụng vào các dây dẫn rotor có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái sẽ tạo ra mômen làm quay rotor ngược chiều kim đồng hồ, động cơ trên có 2 cực từ hay một đôi cực (1 cặp cực, P=1)

-

- Trong thời gian động cơ làm việc, cuộn cảm tạo ra từ trường dọc trục cực

từ và phân bố đối xứng với cực từ Mặt phẳng OO trên đó có đặt chổi than, vừa

là mặt phẳng chung tính vật lý Đồng thời dòng điện trong cuộn ứng cũng tạo ra

từ trường riêngn hướng ngang trục cực từ Từ trường tổng cộng trong động cơ mất tính chất đối xứng dọc trục (hình c) và mặt phẳng trung tính vật lý quay đi một góc ( ược chiều quay của rotor) so với mặt phẳng trung tính hình học

- Khi mà dòng điện trung tính càng mạnh thì càng mạnh vàgóc quay β càng lớn Khi đó ta có thể nói phản ứng phần ứng càng mạnh

- Phản ứng phần ứng là một trong những nguyên nhân gây ra tia lửa điện giữa chổi than và cổ góp cũng như giữa các lá góp trong cốp góp Chúng ta có thể hạn chế ảnh hưởng này nhờ xoay chổi than theo vị trí mặt phẳng trung tính vật lý (tức là theo góc

β) Thông thường trong các động cơ điện một chiều hiện nay, người ta thường thêm cực từ phụ

- Cực từ phụ được đặt giưa các cực từ chính và cuộn dây cực từ phụ sẽ tạo ra từ trường ngang trục so với từ trường chính và ngược chiều với từ trường Фn của cuộn ứng để khử từ trường Фn Nhờ vậy phản ứng phần ứng bị hạn chế

và quá trình chuyển mạch trong động cơ sẽ tốt hơn

- Bởi vì rằng từ trường Фn gây ra phản ứng phần ứng tỷ lệ với dòng điện phần ứng Iu nên cuộn dây cực từ phụ được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng

Do vậy khi dòng điện phần ứng tăng lên thì cuộn dây cực tù phụ cũng sinh ra

từ trường ngược mạnh hơn để khử từ trường Фn

- Ngoài ra, biện pháp tăng khe hở không khí giữa stator và rotor cũng được áp dụng Cách này dẫn đến sự tăng kích thước động cơ và phải tăng cường thêm cuộn kích từ chính vì khe hở không khí lớn sẽ làm yếu từ trường chính

- Còn đối với các loại động cơ điện một chiều có công suất trung bình và lớn thì biện pháp chính là thêm cuộn dây bù đặt trong rãnh ở các cực từ chính ( như hình vẽ) nhằm tạo ra từ thông Фb ngược chiều với Фn làm từ thông ở khe hở không khí không bị méo nữa và cuộn bù cũng được mắc nối tiếp với cuộn ứng

- Đây là nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều

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

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

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Ta có : Phương trình cân bằng điện

áp: Uư = Eư + (Rư + Rf).Iư

Trong đó: Uư _ điện áp phần ứng

Eư _ sức diện động phần ứng

Rf _ điện trở phụ mạch phần ứng Rư _ điện trở phần ứng

Rư = rư + rcf + rb + rcl

rư _ điện trở cuộn dây phần

rb _ điện trở cuộn bù

rcl _điện trở tiếp xúc của chổi điện

Sức điện động của phần ứng động cơ tính như sau:

Eu

Trong đó 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

: tốc độ góc

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và thép thì momen ở trục động cơ M bằng Mđt:

= - M Đây chính là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một

chiều Nếu =const thì đặc tính cơ của động cơ có dạng như

sau:

Khi thay đổi điện áp phần ứng (giảm áp) thì momen mở máy, dòng điện khởi động của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định Do đó phương pháp này hay được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ

và hạn chế dòng điện khi khởi động

Hình 2.5 Đặc tính của động cơ khi điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng

dm

PHẦN II

MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

HÀM TRUYỀN, HÀM QUÁ ĐỘ VÀ HÀM TRỌNG LƯỢNG

2 Mô tả toán học của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập bằng phương pháp lý thuyết

Trong đó:

𝑒𝑚 = 𝑘𝑚∅𝑚𝜔 suất điện động phản

R,L là điện trở tổng và điện kháng của mạch stator

Phương trình moment động cơ 𝑀𝑚 = 𝑀𝑡+ 𝑏𝜔 + 𝑗𝑑𝜔

𝑑𝑡 Với:

𝑀𝑚là moment trên trục động cơ 𝑀𝑚 = 𝑘𝑚∅𝑚𝑖𝑚

𝑀𝑡 là moment tải của động cơ (là nhiễu do ta chưa biết tải)

J là momen quán tính của phụ tải

b la hệ số ma sát của động cơ (do ta xét ở điều kiện lý tưởng => b = 0)

Do đó phương trình cân bằng momen

𝑀𝑚 = 𝑀𝑡+ 𝑗𝑑𝜔

𝑑𝑡

 Ta có hệ phương trình:

2.2 Mô hình toán học động cơ điện 1 chiều trong miền ảnh laplace

Chuyển hệ phương trình qua hàm laplace ta có

Từ phương trình: 𝑈ư(𝑝) = 𝑅ư𝐼(𝑝) + 𝑝𝐿ư𝐼(𝑝) + 𝑘∅𝜔(𝑝)

=> 𝑈ư(𝑝) = 𝑅ư𝐼(𝑝) (1 +𝑝𝐿ư

𝑅ư ) + 𝑘∅𝜔(𝑝) Đặt : 𝑇ư = 𝐿ư

𝑅ư ta thu được phương trình của động cơ như sau

𝑈ư(𝑝) = 𝑅ư𝐼(𝑝)(1 + 𝑃𝑇ư) + 𝑘∅𝜔(𝑝) Hay 𝐼 = 1/𝑅ư

1+𝑃𝑇ư(𝑈 − 𝐸) Đây là sơ đồ tổng hợp :

2.3 Hàm truyền của hệ thống

Khi moment trên trục bằng không và có chú ý đến các quá trình quá độ trong mạch phần ứng, động học của động cơ được mô tả bằng 2 phương trình, cân bằng sức điện động trong mạch phần ứng: