Tổng hợp 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 dạng tải xung vuông với biên độ bằng 0,5mđm

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 2 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU 3 1 1 Cấu tạo động cơ điện một chiều 4 1 1 1 Phần tĩnh hay phần cảm (stator) 5 1 1 2 Phần quay hay phần ứng (rotor) 7 1 1 3 Nguyên lý làm vi. Công suất định mức của động cơ Điện áp định mức của động cơ Dòng điện định mức mạch phần ứng của động cơ Tốc độ định mức của động cơ

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU 3

1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều 4

1.1.1 Phần tĩnh hay phần cảm (stator) 5

1.1.2 Phần quay hay phần ứng (rotor) 7

1.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 8

1.2 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập 9

1.3 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 14

1.4 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 16

CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN 22

2.1 Cấu trúc hệ truyền động 22

2.2 Xây dựng bộ điều khiển dòng điện khi bỏ qua sức điện động E 25

2.2.1 Cấu trúc điều khiển: 25

2.2.2 Mô hình động cơ 26

CHƯƠNG 3 Mô hình hóa mô phỏng 29

3.1 Cấu trúc mô phỏng 29

3.2 Kết quả mô phỏng 33

2

LỜI MỞ ĐẦU

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 điện nhữngkiến thức về điện tử công suất, về truyền động điện, điều chỉnh tự động truyềnđộng 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

"

Tổng hợp 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 dạng tải xung vuông với biên độ bằng 0,5M đm "

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 3 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 bộ

điều khiển dòng điện Tổng hợp hệ thống truyền động điện động cơ một chiều

và mô phỏng bằng Simulink

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU

Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn chiếm một vị trí quan trọng trong

hệ điều chỉnh tự động truyền động điện , nó được sử dụng rộng trong hệ thốngđòi hỏi có độ chính xác cao vùng điều chỉnh rộng và qui luật điều chỉnh phứctạp Cùng với sự tiến bộ của văn minh nhân loại chúng ta có thể chưng kiến sựphát triển rầm rộ kể cả về qui mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại Trong

sự phát triển đó ta cũng có thể rễ ràng nhận ra và khẳng định rằng điện năng vàmáy tiêu thụ điện năng đóng vai trò quan trọng không thể thiếu được Nó luôn đitrước một bước làm tiền đề nhưng cũng làm mũi nhọn quyết định sự thành côngcủa cả một hệ thống sản xuất công nghiệp Không một quốc gia nào ,một nềnsản xuất nào không sử dụng điện và máy điện

1.1 Cấu tạo 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)

2 Điện áp định mức Uđm (V)

3 Dòng điện định mức Iđm (A)

Dây qu

ấn phần ứngGông từLõi sắtCực từ phụDay quấn cực từ phụDây quấn cực từ chínhCực từ chính

stato

4 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 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

1.1.1 Ph n tĩnh hay ph n c m (stator) ần tĩnh hay phần cảm (stator) ần tĩnh hay phần cảm (stator) ảm (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 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 bulông Ngoài ra máy điện một chiều 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 kỹthành 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)

Hình 1.1 Cực từ chính

b) Cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõithép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặtdây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào

vỏ máy nhờ những bulông

c) Gông từ

Gông 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 điện

lớn thường dùng thép đúc Có 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 ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn

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

- Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi thanbao 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 chổithan có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khi điềuchỉnh xong thì dùng vít cố định lại

1.1.2 Ph n quay hay ph n ng (rotor) ần tĩnh hay phần cảm (stator) ần tĩnh hay phần cảm (stator) 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 phủ cáchđiện 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 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 máy làmviệc 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)

Hình 1.4 Cấu tạo cổ góp

1.1.3 Nguyên lý làm vi c c a đ ng c đi n m t chi u ệc của động cơ điện một chiều ủa động cơ điện một chiều ộng cơ điện một chiều ơ điện một chiều ệc của động cơ điện một chiều ộng cơ điện một chiều ều

Trên hình 1.5 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

từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụng lênrôto, làm quay rôto Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái(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

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

Hình 1.5bHình 1.5a

U

E I IKT

-E I

+

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì

mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được

gọi là động cơ kích từ song song (hình 1- 6)

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng 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

rb : điện trở của cuộn bù

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

Eư = 2 .a . K.

N.p

Trong đó: K = 2 a

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:

n

2 

a

N p

60



Ke = 60.a

N.p

: Hệ số sức điện động của động cơ,

RR

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

o o

Hình 1- 7 Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Giả thiết phản ứng được bù đủ, từ thông  = const, thì các phương trình

đặc tính cơ điện (1 - 4 ) và phương trình đặc tính cơ (1 - 7) là tuyến tính Đồ thị

của chúng được biểu diễn trên (hình 1 - 7)

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

oK

IRR

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 ở

dạng:

 =   K o  

I.RK

M.RK

U

2)

Trong đó R = Rư + Rf , o = K

U

 =

M.)K(

RI

.K

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

1.3 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 một giátrị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điệnchạy 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 =

p ' .N

2 π.a .Φ I=kΦIΦI (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 =

p ' .N

2 π.a .Φ ω=kΦIΦω (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

áp phần ứng:

ω=

kΦIΦ (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

1.4 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 thuộc phituyến 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

trong đó Lư- điện cảm mạch phần ứng;

NN - số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp;

Tư = 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) = Jpω (2.6)trong đó J là mômen quán tính của các phần tử chuyển động quy đổi về trụcđộng cơ

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 tính hoácủa động cơ một chiều kích từ độc lập

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: