Thiết kế môn học(ht)

Động cơ điện 1 chiều, cấu trúc, mô phỏng ...

Chương 1: Tổng quan động cơ điện một 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 thống đòi hỏi có độ chính xác cao, vùng điều chỉnh rộng và qui luật điều chỉnh phức tạp Cùng với sự tiến bộ của văn minh nhân loại chúng ta có thể chứng kiến sự phát triển nhanh kể cả về qui mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại.Trong sự phát triển đó ta cũng có thể dễ dàng nhận ra và khẳng định rằng điện năng và máy tiêu thụ điện năng đóng vai trò quan trọng không thể thiếu được Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề cũng nhưng làm mũi nhọn quyết định sự thành công của cả một

hệ thống sản xuất công nghiệp Không một quốc gia nào, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện

1.1 Khái niệm động cơ điện một chiều.

Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết điện từ quay, làm việc theo nguyên lý điện từ, khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào cuộn dây

và làm cuộn dẫn chuyển động Động cơ điện biến đổi năng lượng điện thành cơ năng

Ngày nay, trong sản xuất động cơ điện vẫn được sử dụng nhiều, nhất là những nơi đồi hỏi việc điều chỉnh tốc độ có giới hạn điều chỉnh lớn và độ điều chỉnh láng Động cơ điện một chiều cũng được chia thành: động cơ kích từ động lập, song song, nối tiếp và hỗn hợp Trong “ Thiết kế môn học này” ta tìm hiều sâu hơn về động cơ điện một chiều kích từ động lập

1.2 Cấu tạo chung của động cơ điện một chiều

Giống như các loại máy điện quay khác, động cơ điện một chiều cũng có cấu

tạo gồm 2 phần chính: phân cảm (stato) và phần ứng (roto)

2 1

3

8

7 6 5 4

- Cực từ chính : gắn vỏ máy nhờ các bulông Là bộ phận sinh ra từ trường, gồm

có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1 mm ép lại và tán chặt.Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối

- Dây quấn kích từ : đặt trên lõi cực từ và cách điện với thân cực từ Nó được

quấn bằng dây đồng bọc cách điện, có thể gồm cuộn kích từ nối tiếp hoặc kích từ song song

- Cực từ phụ : lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối Cực từ phụ

được đặt lên các cực từ chính và dùng để cải thiện quá trình đảo chiều 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

- Vỏ máy : làm bằng gang hoặc thép, cực từ chính và cực từ phụ được ghép

vào vỏ máy Vỏ máy làm nhiệm vụ bảo vệ máy đảm bảo an toàn cho người vận hành và khai thác Phía cổ góp thì nắp có các cửa sổ cúp xuống để thông gió và

- 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 trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính

- Gông từ :dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy

1.2.2.Phần ứng ( Roto)

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

- Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm,

phủ sơn cách điện ghép lại Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng

- Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các

rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín Phần tử của dây quấn là một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của vành góp

(hình 1.2 a) hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên (hình 1.2b)

Hình 1.2 Dây quấn phần ứng động cơ 1 chiều

a)Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn

- Cổ góp ( vành góp) : Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòng một

chiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trục tròn Cổ góp vừa có độ

dẫn điện tốt vừa có độ bền cơ học, chống mài mòn

- Ngoài ra còn bộ phận khác như : cánh quạt, vòng bi, trục máy …

Hình 1.3 Cổ góp và chổi than

1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.

Khi đặt điện áp một chiều vào phần cảm (Stato) thì trong phần cảm xuất

hiện từ trường Фkt Đồng thời đặt điện áp một chiều vào phần ứng thì trong dây quấn phần ứng (Roto) xuất hiện dòng điện iư Do đó thanh dẫn phần ứng chịu một lực tác động F, có chiều được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.F=BLI lực F sẽ tạo ra mômen quay làm quay rô to

Để chứng minh nguyên lý làm việc trên, đơn giản ta xét cho máy điện có rôto là khung dây, Stato là một nam châm điện hai cực Bắc - Nam (N-S) sau đây :

- Trên (hình h1): khi mặt phẳng khung dây ABCD trùng với các đường sức

của từ trường Фkt, nếu điện áp U(=) mạch ngoài có dương ở chổi C1 âm ở chổi C2

thì chiều dòng điện chạy trong rôto có chiều là: (+) C1V1 ABCDV1C2(-) Dùng quy tắc bàn tay trái, ta xác định được chiều của lực F và từ đó suy ra chiều mô men M

và ω

- Trên (hình h2): tương tự khi mặt phẳng ABCD quay đi 180o so với hình h1

ta thấy chiều dòng điện chạy trong phần ứng là: (+)C1.V2DCBAV1.C2(-) và tương

tự ta cũng

C A

c2

v1I­

I­

F

F I­

Kết luận : Điện áp mạch ngoài là một chiều nhưng dòng phần ứng là xoay

chiều, do đó mọi thời điểm chiều của lực mômen là không đổi

Chổi than và cổ góp đóng vai trò là cái nghịch lưu cơ khí

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

Đặc điểm của động cơ là dòng kích từ không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ

Ta mắc động cơ theo 2 cách sau :

a Nếu nguồn một chiều có công suất và điện áp không đổi thì mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng

b Nếu nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì nguồn kích từ phải độc lập với nguồn phần ứng

π

=Trong đó :

I

kφ kφ

+

− (3)

Phương trình (3) - Là phương trình đặc tính cơ – điện

Ta có : Mômen điện từ là : M = k I .φ u suy ra

u

M I

Phương trình (5) - là phương trình đặc tính cơ

- Khi Ι= 0 hoặc M = 0 thì ω = U u =ω là tốc độ không tải lý tưởng của

Chương 2 : Xây dựng cấu trúc mô phỏng mạch vòng dòng điện

2.1 Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều

2.1.1 Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện 1 chiều.

Cho đến nay, động cơ điện một chiều vẫn được sử dụng phổ biến trong các hệ

thống truyền động chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều từ vài W đến vài MW Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện một chiều được biểu diễn

CKN CKÐ

CF

M E

N P' a L R

- N, P’, a, LƯ, RƯ : số thanh dẫn ,số đôi cực, số đôi mạch nhánh ,hệ số tự cảm và

điện trở phần ứng

- RK, LK : điện trở và điện cảm cuộn kích từ độc lập

- iK : dòng điện phần kích từ

- I : là dòng điện phần ứng

- ω, M ,MC : là tốc độ góc, mômen điện từ và mômen cản của động cơ

2.1.2 Chế độ xác lập của 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 giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau:

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.

Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động (sđđ):

'

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

Φ Trong đó: R ư là điện trở mạch phần ứng của động cơ (2.3)

2.1.3 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều

Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương

trình mô tả sơ đồ thay thế hình 2.1 như sau :

* Mạch kích từ: có hai biến dòng điện kích từ ik và từ thông Φ là phụ thuộc phi 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

2.1.4 Thành lập sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều.

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

Hình 2.3 sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều

- Ta thấy rằng mô hình cấu trúc của động cơ một chiều là một mô hình phi tuyến, do quan hệ dòng kích từ và từ thông phụ thuộc theo đường cong từ hóa của lõi thép Nên khi làm việc với mô hình này, người ta thường phải tuyến tính hóa nó quanh điểm làm việc Trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc (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

Độ dốc của đặc tính từ hoá và đặc tính cơ mômen tải tương ứng (bỏ qua hiện tượng 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 viết được

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 hoá của động cơ một chiều kích từ độc lập

Hình 2.4.Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa.

2.1.5 Động cơ một chiều kích từ độc lập trong vùng gián đoạn dòng điện phần ứng.

• Nguyên nhân gây ra chế độ gián đoạn Iư : Sự gián đoạn Iư xuất hiện khi động cơ kích từ độc lập làm việc với bộ băm xung điện áp, hoặc bộ chỉnh lưu Thyristor với góc điều khiển α lớn

• Hậu quả của chế độ gián đoạn là gây ra sự va đập (đập mạch) momen, dẫn đến va đập tốc độ quay với mức độ nào đó phụ thuộc vào momen quán tính của hệ (J lớn thì va đập ω nhỏ và ngược lại)

Đặc điểm của chế độ Iư gián đoạn là các phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng và chuyển động cơ học vẫn đúng với các giá trị tức thời của các đại lượng (có trong phương trình) Nhưng khi đó ta nhận ra ngay giá trị trung bình của Iư không

có sự tăng (vì giá trị đầu và cuối của Iư trong vùng gián đoạn đều bằng 0, tức là

dIưtb/dt=0 hay Lư.dIưtb/dt=0 ) Như vây thành phần điện cảm không có tác dụng đối với giá trị trung bình của Iư gián đoạn

Ta có: U = RưI + Cưω , CưI – Mc = JPω

• Trong đó I = f(α,E) hay I = f(α,ω) Mặt khác quan hệ giữa góc α và điện

áp Uđk trong bộ tạo xung là tuyến tính : α = a – bUđk Từ đó ta có sơ đồ khối của động cơ một chiều trong chế độ gián đoạn

Hình 2.2 Sơ đồ khối của động cơ một chiều trong chế độ gián đoạn.

Từ quan hệ I = f(α,ω), khi tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc ta có:

- Theo biểu thức giá trị trung bình của dòng điện trong vùng gián đoạn

- Theo đồ thị quan hệ giữa I với ω và Uđk

Kết quả nhận được các đạo hàm riêng phần của dòng điện theo α (hoặc Uđk) và ω là phi tuyến trong vùng dòng điện gián đoạn

1

dk

I K

U∂ =

∂ , 2

I K

ω

∂ = −

∂ (2.16)

Từ đó ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa của động cơ trong vùng dòng

điện phần ứng gián đoạn hình 2.2 Khi đó các thông số biến thiên phụ thuộc vào

1

Hình 2.3 sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa của động cơ trong vùng gián đoạn

Nhận xét về các tham số khhi hệ làm việc trong vùng dòng phần ứng gián đoạn thì:

Hệ số chỉnh lưu Kcl giảm mạnh

Hệ số khuếch đại với nhiễu tăng

Hệ số thời gian điện cơ Tc tăng

Trong chế độ dòng điện gián đoạn, dòng điện xuất hiện dưới dạng từng xung dòng, khi có xung dòng điện, tốc độ động cơ tăng lên, khi không có xung dòng điện, tốc

độ động cơ giảm đi, độ rộng của xung dòng là đại lượng phụ thuộc và góc mở α và tốc độ quay ω của động cơ

2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện có tính đến ảnh hưởng của sức điện động của động cơ.

2.2.1 Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện.

Trong các hệ thống truyền động điện tự động cũng như các hệ thống chấp

hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản dùng để điều khiển

dòng điện cho động coe một chiều Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là :

+ Điều khiển dòng điện luôn duy trì ở mức ổn định, không vượt quá giá trị cho phép

+ Trực tiếp (hoặc gián tiếp) xác định momen kéo của động cơ, nên điều khiển dòng điện cũng là điều khiển momen cho động cơ

+ Ngoài ra còn có chức năng điều chỉnh gia tốc và bảo vệ v.v…

2.2.2 Các cấu trúc của mạch vòng dòng điện.

a, Cấu trúc đơn giản để điều chỉnh dòng điện có cấu trúc như hình 2.5a dùng bộ

điều chỉnh tốc độ hoặc điện áp RI có dạng bộ khuếch đại tổng và mạch phản hồi dòng điện phi tuyến P Khi tín hiệu dòng điện chưa đủ để khâu phi tuyến ra khỏi vùng kém nhạy thì bộ điều chỉnh làm việc như bộ điều chỉnh tốc độ (hay điện áp)

mà không có sự tham gia của phản hồi dòng điện Khi dòng điện đủ lớn, khâu P sẽ làm việc ở vùng trung tuyến của đặc tính và phát huy tác dụng hạn chế dòng của bộ điều chỉnh R

P

b, Cấu trúc được mô tả trên hình 2.5b là cấu trúc có 2 mạch vòng với 2 bộ điều chỉnh riêng biệt R1, R2, trong đó R2 là bộ điều chỉnh dòng điện với giá trị đặt Id

c, Cấu trúc điều chỉnh dòng điện được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền động

điện tự động như trên hình 2.5c, trong do R1 là bộ điều chỉnh dòng điện, Rω là bộ điều chỉnh tốc độ Mỗi mạch vòng có bộ điều chỉnh riêng được tổng hợp từ đối tượng riêng và theo các tiêu chuẩn riêng

Đây là cấu trúc điều khiển gồm 2 mạch vòng phân cấp, vòn trong là vòng dòng điện, vòng ngoài là vòng tốc độ Cấu trúc bộ điều khiển này giúp điều khiển dòng tác động, vòng để ổn định và tăng chất lượng và độ chính xác bộ điều khiển, vòng ngoài dùng điểu khiển tốc độ

2.2.3 Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi tính đến ảnh hưởng của sức

điện động của động cơ.

Xét cấu trúc điều khiển gồm nhiều vòng phân cấp nối với nhau, vòng trong cùng của hệ thống truyền động điện thường là mạch vòng dòng điện Ta có sơ đồ cấu trúc cỏ bản cho mạch vòng dòng điện:

Ta có mô hình toán biểu diễn dưới dạng hàm truyền đạt :

MC-

1 1+Tfp

-1 1+Tfp

1+Tup

KC1Ki

Ru 2Tsp

KC1(1+Tfp )(1+Twop )

1 1+TCp +TuTCp 2 /KØ

IC

Id

Sơ đồ mạch điều chỉnh dòng điện có tính đến suất điện động động cơ được

biểu diễn trên sơ đồ hình 2.6a, sau khi thực hiện vài phép biến đổi đơn giản ta được

sơ đồ như hình trên Trong đó:

Ic là thành phần dòng điện tĩnh và Iđ là thành phần dòng điện động của động cơ

Khi không tải: Mc = 0 ta có hàm truyền của mạch vòng điều chỉnh như sau:

Để mạch vòng điều chỉnh đạt tiêu chuẩn môđun tối ưu thì ta phải tổng hợp lại cấu trúc và tham số của bộ điều chỉnh, cụ thể là:

( )

2

2 1

1

R

K K T

T p R

+ +

=

(2.19)