(Đồ án) đồ án truyền động điện tìm hiểu về động cơ một chiều mô hình hóa động cơ một chiều kích từ độc lập

Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong côngnghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liêntục trong phạm vi rộng như t

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Cấu tạo và phân loại 1

1.2.1 Cấu tạo 1

1.2.2 Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ một chiều 3

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều kích từ độc lập 3

1.4 Phương trình đặc tính cơ 4

1.5 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập 5 1.5.1 Phương pháp thay đổi điện trở phụ 6

1.5.2 Phương pháp thay đổi từ thông 7

1.5.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 8

1.6 Kết luận 8

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA HỆ T-Đ 10

2.1 Giới thiệu chung về hệ T-Đ 10

2.2 Giới thiệu về chỉnh lưu cầu ba pha 11

2.2.1 Nguyên lý làm việc 11

2.2.2 Hệ T-Đ không đảo chiều 12

2.3 Phương pháp điều chỉnh tốc độ trong hệ T-Đ 13

2.4 Mô hình hóa bộ chỉnh lưu (Cầu 3 pha bán điều khiển) 14

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 16

3.1 Mô hình toán ở chế độ quá độ của động cơ một chiều kích từ độc lập 16

3.2 Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi 18

CHƯƠNG 4 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH 20

4.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 20

4.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 21

4.3 Tính toán các thông số của hệ thống 22

4.3.1 Tính toán các thông số động cơ 22

4.3.2 Tính toán các thông số bộ điều khiển 23

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG 25

5.1.2 Giao diện 26

5.1.3 Một số thao tác cơ bản trong Matlab 27

5.2 Sơ đồ mô phỏng dạng hàm truyền đạt 27

5.2.1 Mô hình động cơ một chiều 27

5.2.2 Sơ đồ điều khiển không tải 27

5.2.3 Sơ đồ điều khiển có tải 28

5.3 Kết quả mô phỏng 28

KẾT LUẬN 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

Hình 1.1: Kích thước dọc, ngang máy điện một chiều [4] 1

Hình 1.2: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập 4

Hình 1.3: Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ 6

Hình 1.4: Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi từ thông 7

Hình 1.5: Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi áp phần ứng 8

Hình 2.1: Hệ truyền động T-Đ 10

Hình 2.2: Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng 11

Hình 2.3: Dạng điện áp chỉnh lưu của sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển, với các góc điều khiển khác nhau 12

Hình 2.4: a) Sơ đồ thay thế hệ T – Đ không đảo chiều 13

Hình 2.5: Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu bán điều khiển 14

Hình 3.1: Mạch điện thay thế của động cơ một chiều 16

Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều 17

Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập 18

Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập có từ thông không đổi 19

Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 20

Hình 4.2: Sơ đồ thu gọn mạch vòng dòng điện 20

Hình 4.3: Sơ đồ thu gọn mạch vòng tốc độ 21

Hình 4.4: Mô hình động cơ một chiều trên Matlab/Simulink 23

Hình 5.1: Giao diện Matlab 26

Hình 5.2: Mô hình động cơ một chiều trên Malab/Simulink 27

Hình 5.3: Sơ đồ mô phỏng hàm truyền đạt khi không tải 28

Hình 5.4: Sơ đồ mô phỏng hàm truyền đạt có tải tỷ lệ thuận với tốc độ 28

Hình 5.5: Cài đặt thông số tốc độ 28

Hình 5.6: Đáp ứng tốc độ không tải 29

Hình 5.7: Đáp ứng tốc độ có tải tỉ lệ thuận với tốc độ 29

Hình 5.8: Đáp ứng dòng điện và momen 30

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1 Giới thiệu chung

Động cơ điện một chiều là loại máy điện biến điện năng dòng một chiều thành

cơ năng

Ở động cơ một chiều từ trường là từ trường không đổi Để tạo ra từ trườngkhông đổi người ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện được cung cấp dòngđiện một chiều

Động cơ điện một chiều được phân loại theo kích từ thành những loại sau:

1.2 Cấu tạo và phân loại

 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 băng sắt từ (thép đúc, thépđặc) Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằngdây 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 dâyquấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những láthép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 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 bọccách 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 từđược đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau

 Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính Lõi thép của cực

từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dâyquấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắnvào vỏ máy nhờ những bulông

 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 vàhàn lại, trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơđiện 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 dâyquấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ vàvừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắpmáy thường làm bằng gang

 Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổithan bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặtlên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điệnvới giá Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than chođúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại

- Phần quay hay rôto: Bao gồm những bộ phận chính sau

ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vànhgóp.

 Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sátvào thành cổ góp nhờ lò xo

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

- Phân loại động cơ điện một chiều

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người

ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ Theo đó ta có 4 loại động cơ điện mộtchiều thường sử dụng:

 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ đượccung cấp từ hai nguồn riêng rẽ

 Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắcsong song với phần ứng

 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nốitiếp 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 vớiphần 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 vậnhành mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi vàphổ biến Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong côngnghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liêntục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ).Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thìgiá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phứctạp hơn Nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếutrong nền sản xuất hiện đại

 Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điệnhay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau Song ưuđiểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khảnăng quá tải Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đápứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đikèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều khôngnhững có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạchđiều 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 chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môitrường rung chấn, dễ cháy nổ

-1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều kích từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều cơ công suất không đủ lớn thì mắc độc lập mạch điệnphần ứng và mạch kích từ vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơđược gọi là động cơ kích từ độc lập.

Hình 1.2: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập

Ở đây ta dùng động cơ một chiều nam châm kích từ độc lập nên có từ thông Φkhông đổi nên không cần quan tâm đến vấn đề kích từ Nếu momen do động cơ điệnsinh ra lớn hơn momen cản, roto bắt đầu quay và suất điện động Eư sẽ tăng lên tỉ lệ vớitốc độ quay n Do sự xuất hiện và tăng lên của Eư, dòng điện Iư sẽ giảm theo, M giảmkhiến n tăng chậm hơn Tăng dần Iư bằng cách tăng Uư hoặc giảm điện trở mạch điệnphần ứng cho tới khi máy đạt tốc độ định mức Trong quá trình tăng Iư cần chú ýkhông để lớn quá so với Iđm để không xảy ra cháy động cơ

Điện trở cuộn bù (Ω)

: Điện trở tiếp xúc của chổi điện (Ω)Suất điện động E của phần ứng của động cơ được xác định theo biểuthức:

( 1.3)

Trong đó:

: Số đôi điện cực chính: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng: Số mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng: Tốc độ góc (rad/s)

: Từ thông kích từ chính một cực từ (Wb)

Đặ : Hệ số kết cấu của động cơ

Nếu biểu diễn suất điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì và

( 1.8)

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

Phân tích phương trình đặc tính cơ (1.8) ta thấy rằng để thay đổi tốc độ động

cơ, có thể dùng một số biện pháp sau:

 Thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng động cơ U d

 Thay đổi từ thông động cơ

 Thay đổi điện trở mạch phần ứng động cơ R u, ví dụ bằng cách nối tiếpvới phần ứng các điện trở phụ ngoài

1.5.1 Phương pháp thay đổi điện trở phụ

 Nguyên lý điều khiển

Trong phương pháp này người ta giữ U = U đm,Ф = Ф đm và nối thêm điện trở phụvào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Độ cứng của đường đặc tính cơ:

=

=

ư +R f

Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do

đó càng mềm hơn

Hình 1.3: Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ

Ứng với R f= 0 ta có độ cứng tự nhiên β TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tựnhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ Như vậy, khi tathay đổi R f ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên

Đặc điểm của phương pháp:

 Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính

cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn

 Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độđịnh mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)

 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 thườngdùng ở động cơ điện trong cần trục

 Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiển liên tụcđược mà phải điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ sốmômen tải, tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D = ω max / ω mincàng nhỏ.Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3 : 1

 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

1.5.2 Phương pháp thay đổi từ thông

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnhmomen điện từ của động cơ M = K.Φ.Iư và suất điện động quay của động cơ Eư =K.Φ.ω Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến nên hệ điều chỉnh từ thông cũng

Hình 1.4: Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi từ thông

Độ cứng:

(1.11)

Khi giảm từ thông để tăng tốc độ động cơ thì độ cứng giảm

1.5.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng.

Giả thiết từ thông Φ = Φ

= const, từ phương trình đặc tính cơ tổng quát:

(1.12)

Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ songsong với đặc tính cơ tự nhiên

Hình 1.5: Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi áp phần ứng

Ta thấy rằng, khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì momen ngắn mạch, dòng điệnngắn mạch giảm và tốc độ động cơ cũng giảm với một phụ tải nhất định nhưng độcứng không đổi Do đó phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ vàhạn chế dòng điện khi khởi động

1.6 Kết luận

Qua những phân tích cụ thể 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ trên ta thấy mỗiphương pháp điều chỉnh đều có những ưu nhược điểm riêng phù hợp với từng yêu cầucông nghệ

Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều (hay hệT-Đ), bộ biến đổi điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển có điện áp ra tải Ud phụ thuộcvào giá trị của góc điều khiển Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện ápphần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ, tuỳ theo yêu cầu cụ thể của truyền động

mà có thể dùng các sơ đồ chỉnh lưu thích hợp

Căn cứ công nghệ của đề tài ta thấy phương pháp thay đổi tốc độ bằng cáchđiều chỉnh điện áp mạch phần ứng động cơ có nhiều ưu điểm như:

 Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng

 Điều chỉnh trơn và điều chỉnh vô cấp

 Sai lệch tĩnh nhỏ, =const trong toàn dải điều chỉnh

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA HỆ T-Đ 2.1 Giới thiệu chung về hệ T-Đ

Hệ T-Đ là hệ thống chỉnh lưu điều khiển – động cơ một chiều thực hiện điềukhiển động cơ theo nguyên lý thay đổi điện áp phần ứng

Hình 2.6: Hệ truyền động T-Đ

Phân loại:

 Dựa theo số pha nguồn cấp cho các van chỉnh lưu: có mạch một pha, ba pha,sáu pha,

Các mạch chỉnh lưu cơ bản gồm 6 sơ đồ sau:

 Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ

 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia

 Sơ đồ chỉnh lưu một pha cầu

 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia

 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha

 Sơ đồ chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng

 Dựa theo loại van bán dẫn:

 Mạch dùng hoàn toàn bằng diode: Chỉnh lưu không điều khiển

 Mạch dùng kết hợp diode và thyristor: Chỉnh lưu bán điều khiển

 Mạch dùng hoàn toàn bằng thyristor: Chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn

 Dựa theo sơ đồ mắc van có 2 kiểu:

 Sơ đồ hình tia: Trong sơ đồ này số van dùng cho chỉnh lưu sẽ bằng sốpha nguồn cấp cho mạch chỉnh lưu Các van đấu chung một đầu nào đóvới nhau: hoặc A chung, hoặc K chung

 Sơ đồ hình cầu: Trong sơ đồ này số lượng van gấp đôi số pha nguồn cấpcho mạch chỉnh lưu, trong đó một nửa số van mắc chung nhau A, mộtnửa số van mắc chung K

Trong đồ án này sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha nên đi sâu về tìm hiểu sơ đồ này

2.2 Giới thiệu về chỉnh lưu cầu ba pha

2.2.1 Nguyên lý làm việc

Hình 2.7: Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng.

Chỉnh lưu cầu ba pha có dạng không đối xứng, trong đó một nhóm van thuộcnhóm catôt chung hoặc anôt chung được thay bằng các điôt Sơ đồ có nhóm van catôtchung dùng thyristor biểu diễn trên hình 2.2 có nhiều ứng dụng vì có thể điều khiểntrực tiếp các thyristor mà không cần dùng biến áp xung Điều này có lợi nếu điện áp

chỉnh lưu yêu cầu thấp, ví dụ đối với nguồn hàn hồ quang một chiều U d yêu cầu cỡ 60

– 80 VDC

Giống như các sơ đồ không đối xứng cầu một pha, ưu điểm cơ bản của các sơ

đồ này là hệ số công suất cos cao hơn các sơ đồ đối xứng, số lượng van điều khiển íthơn nên giá thành hạ

đồ điều khiển hoàn toàn Khi góc điều khiển điện áp ra chỉ còn đập mạch balần trong một chu kỳ Trên hình 2.3 mô tả dạng điện áp chỉnh lưu với các góc điềukhiển khác nhau.

Hình 2.8: Dạng điện áp chỉnh lưu của sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển, với

các góc điều khiển khác nhau

2.2.2 Hệ T-Đ không đảo chiều

Khi ta dùng các bộ chỉnh lưu có điều khiển hay là các bộ chỉnh lưu dùngthyristor để làm bộ nguồn một chiều cung cấp cho phần ứng động cơ điện một chiềunhư các phần trước ta đã giới thiệu, ta có điện áp chỉnh lưu của hệ là:

(2.1 3)

Vậy ta có phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của hệ chỉnh lưu T – Đkhông đảo chiều là:

(2.1 4) (2.1 5) (2.1 6)

Trong đó:

ω0 =

E d 0 cosα

Kφ dm là tốc độ không tải lý tưởng, vì lúc đó ở vùng dòng điện gián

đoạn, hệ sẽ có thêm một lượng sụt áp nên đường đặc tính điều chỉnh đốc hơn, tốc độ

không tải lý tưởng thực ω0 sẽ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng giả tưởng ω’0 như hình(2.4).

Vậy khi thay đổi góc điều khiển α = 0 → π thì Ed0 thay đổi từ Ed0 đến -Ed0 và ta

sẽ được một họ đặc tính cơ song song với nhau nằm ở nữa bên phải của mặt phẳng toạ

độ [ω, I] hoặc [ω, M]

(2.1 7)

Trong đó: E2m: Biên độ sức điện động thứ cấp máy biến áp chỉnh lưu

Đường giới hạn tốc độ cực đại:

(2.1 9)

Trong hệ T-Đ để điều chỉnh tốc độ động cơ ta điều chỉnh góc mở α của Vì khi

ta điều chỉnh góc mở α thì cosα thay đổi Dựa vào phương trình điện áp ra trình bày ởdưới thì ta thấy Ud sẽ thay đổi tỷ lệ nghịch với α, α càng lớn thì Ud càng nhỏ và ngượclại

Quy luật điều chỉnh:

Với ta có quy luật điều chỉnh dạng:

(2.2 0)

Khi ta có quy luật điều chỉnh dạng:

(2.2 1)

Ta có:

(2.2 2)

Với tải RL hay RLE, các quy luật trên vẫn không đổi

2.4 Mô hình hóa bộ chỉnh lưu (Cầu 3 pha bán điều khiển)

ĐCMạch lực

U d

Mạch điều khiển

U đk

Hình 2.10: Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu bán điều khiển

Hàm truyền của bộ chỉnh lưu:

Chọn Uđk = 10V

Hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu:

Hằng số thời gian bộ chỉnh lưu:

Trong đó:

 f = 50Hz là tần số nguồn lưới