TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
BỘ MÔN: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CN
****O0O****

Đồ án môn học
TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ
(Đề số 11)
Tên đề tài:
“Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều và mô phỏng”
< Matlap và Simulink dành cho KSĐKTĐ – trang 291>
Sinh viên GVHD
Thịnh Thị Thu
Mục lục
Lời giới thiệu
Chương 1. Giới thiệu khái quát về động cơ điện một chiều

Chương 2. Xây dựng mô hình động cơ và các mạch vòng điều chỉnh
2.1 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều và các chế độ xác lập, quá độ
của nó.
2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điệnvà điều chỉnh tốc độ.
Chương 3. Mô phỏng các đặc tính của động cơ bằng Simulink.
3.1 Lựa chọn các thông số cho mô phỏng.
3.2 Mô phỏng các trường hợp cụ thể của động cơ
3.3 Nhận xét về kết quả mô phỏng thu được
Kết luận
Lụứi giụựi thieọu
Đối vời kỹ s điều khiển - tự động hóa nói riêng và những ngời nghiên cứu
khoa học - kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo
sát các đối tợng, hệ thống hay qúa trình - vật lý, mà không nhất thiết phải có đối
tợng hay hệ thống thực. Đợc trang bị công cụ mô phỏng mạnh và có hiểu biết về

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 1.3a). hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai
cực từ khác tên (hình 1.3b).
3. Cổ góp (vành góp) hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình
đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện
với trục máy.
Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy…
1.2- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Trên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây
quấn 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 lên
rôto, làm quay rôto. Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái
(hình 1.4a).

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 (hình
1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi
thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác
dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm
bảo động cơ có chiều quay không đổi.
1.3 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 một
chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy
định. Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là
những đại lượng định mức.
1. Công suất định mức P
đm
(kW hay W).
2. Điện áp định mức U

k
; tín hiệu ra thường là tốc độ góc của
động cơ ω, mômen quay M, dòng điện phần ứng I, hoặc trong một số trường hợp
là vị trí của rôto φ. Mômen tải M
c
là mômen do cơ cấu làm việc truyền về trục
động cơ, mômen tải là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền điện tự động.
u
u
φ
ω
Hình 2.1 Giản đồ thay thế động cơ một chiều.
2.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp u
k
nào đó thì trong dây quấn kích từ
sẽ có dòng điện i
k
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
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:
M =
IkI
a
Np
Φ=Φ
.2
.
'

k
IRU
u
ω
(2.3)
Trong đó R
ư
- 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) của
động cơ một chiều khi từ thông không đổi, hình 2.2.
ω
Hình 2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
khi từ thông không đổi.
2.1.2 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 1.5 như sau:
* Mạch kích từ, có hai biến dòng điện kích từ i
k
và từ thông Φ là phụ thuộc phi
tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:
U
k
(p) = R
k
I
k
(p) + N
k
.p.Φ(p) (2.4)
trong đó: N

- số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp;
T
ư
= L
ư
/R
ư
- hằng số thời gian mạch phần ứng.
* Phương trình hệ điện cơ (phương trình chuyển động của hệ thống):
M(p) – M
c
(p) = Jpω (2.6)
trong đó J là mômen quán tính của các phần tử chuyển động quy đổi về trục
động cơ.
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 chung của động cơ một chiều
Ta thấy rằng sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh (có khâu phi tuyến), do đó
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

ω
cb
ω
c
φ
φ
0

0
,
tốc độ quay ω
B
, điện áp kích từ U
k0
, từ thông Φ
0
, dòng điện kích từ I
k0
và mômen
tải M
CB
. Biến thiên nhỏ của các đại lượng trên tương ứng là: ∆U(p), ∆I(p),
∆ω(p), ∆U
k
(p), ∆I
k
(p), ∆Φ(p) và ∆M
C
(p).
Xét cho động cơ kích từ độc lập (N
N
= 0), khi đó các phương trình có thể viết
như sau:
- Mạch phần ứng:
U
0
+ ∆U(p) = R
ư

- Phương trình chuyển động cơ học:
K[Φ
0
+ ∆Φ(p)] . [I
0
+ ∆I(p)] - [M
B
+ ∆M
C
(p)] = J
p
p [ω
B
+ ∆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) = R
ư
∆I(p) + pL
ư
∆I(p) + KΦ
0
∆ω(p) +K∆Φ(p)ω
B
(2.12)
∆U
k
(p) = R
k
∆I

0
pJ.
1
B
KI
0
Kω
B
K
K
pT
R
K
K
.1
1
+
∆U
K
∆φ
Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá
Sau đây ta xét một số trường hợp đặc biệt của động cơ một chiều kích từ độc
lập trong chế độ quá độ.
a) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với Φ = const.
Khi dòng điện từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằng
nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:
KΦ = const = C
u
Khi đó, - Phương trình mạch phần ứng có dạng:
U(p) = R

U
u
I
M
c
M
−
ω
E
−
phần ứng không đổi
Khi giữ điện áp phần ứng không đổi và điều chỉnh điện áp kích từ thì do tính
chất phi tuyến của mạch từ nên tốt nhất là sử dụng sơ đồ tuyến tính hoá quanh
điểm làm việc. Sơ đồ cấu trúc này được thể hiện trên hình 2.5, trong đó tín hiệu
điện áp phần ứng ∆U(p) = 0.
Phương pháp này có ưu điểm là: bộ chỉnh lưu có điều khiển trong mạch kích từ
nhỏ gọn hơn, rẻ tiền hơn, với công suất nhỏ hơn dẫn đến kích thước và trọng
lượng nhỏ hơn.
Tuy nhiên nó có những nhược điểm cơ bản đó là:
- Đụng chạm đến tính phi tuyến của động cơ.
- Số vòng dây của cuộn kích từ lớn hơn do đó hằng sô thời gian mạch kích
từ lớn hơn nhiều so với mạch phần ứng (T
k
>>T
u
) dẫn đến thời gian quá độ
của hệ kéo dài.
- Phạm vi điều chỉnh tốc độ quay hẹp và còn bị phụ thuộc nhiều vào giá trị
mômen cản.
- Do ảnh hưởng của từ dư sẽ gây ra sai lệch trong quá trình thực hiện đảo

i
- là xenxơ dòng điện.
→ Ta đi xác định R
I
:
Hàm truyền của mạch dòng điện (hàm truyền của đối tượng điều chỉnh) là
như sau:
S
oi
=
)1)(1)(1)(1(
.
iuvodk
u
icl
pTpTpTpT
R
KK
++++
(2.17)
trong đó các hằng số thời gian T
dk
, T
V0
, T
i
là rất nhỏ so với hằng số thời gian điện
từ T
ư
. Đặt T

U
i®
R
I

B§
pT
K
i
i
.1
+
R
i
(p) =
pT
R
K
pT
ppS
si
u
Kcl
u
i
i
2.
1
).1.(.2
1

2.2.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ
Hệ có dạng nối cấp: mạch vòng dòng điện bên trong và mạch vòng tốc độ ở
bên ngoài, nó được sử dụng khi:
- Hệ không có khả năng về quá dòng hoặc có yêu cầu cao về điều chỉnh gia tốc
hoặc rơi vào dòng gián đoạn phần ứng.
Số mạch vòng dòng điện thường là một đối với hệ không đảo chiều, là hai đối
với hệ có đảo chiều.
Muốn thay đổi chiều quay của hệ thì phải thay đổi dấu của tín hiệu đặt.
Cần phải lắp thêm bộ hạn chế dòng điện sau bộ điều khiển tốc độ để giảm tín
hiệu đặt cho mạch vòng dòng điện.
Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh tốc độ có mạch vòng dòng điện:
Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ
M
c
ω
U
ω®
R
ω
pTK
si
21
1
.
1
+
pTk
R
C
u

3.1 Lựa chọn các thông số cho quá trình mô phỏng:
* Chọn các thông số cho động cơ điện một chiều
- Công suất định mức:

dm
P
=
)(10 kW
- Điện áp định mức:

=
dm
U
)(220 V
- Tốc độ định mức
=
dm
n
)/(1150 phv
- Hiệu suất định mức:

=
dm
η
%90
- Điện cảm phần ứng:
=L
)(3,0 H
- Mômen quán tính:



dk
T
=
)(001,0 s
- Máy phát tốc:

ω
T
=
)(002,0 s
Từ các thông số đã chọn ta tính được các thông số khác theo các công thức
sau:

ω
ñm
=
60
.2
dm
n
π
=
60
1150.2
π
=
)/(43,120 srad
⇒
=

I
M
=
45,45
04,83
=
83,1

24,0
45,45
220
).9,01(5,0).1(5,0 =−=−=
dm
dm
dmu
I
U
R
η
)(Ω
)(25,1
24,0
3,0
s
R
L
T
u
u
u

id
i
dk
dm
cl
I
U
K
U
U
K=
c
T
2
)(
φ
K
JR
u
=
2
)83,1(
2.24,0
=
)(14,0 s

)(01,0002,0004,0.2.2 sTTT

K
=
ω
ω
d
U
=
43,120
10
=
083,0
Từ đây ta suy ra hàm truyền của bộ điều khiển dòng điện và tốc độ có dạng:

=
i
R








+
usiicl
u
pTTKK
RT
1

TKK
.2
)(
=
01,0.24,0.083,0.2
14,0.83,1.22,0
=
48,141
3.2 Mô phỏng các trường hợp cụ thể của động cơ bằng simulink
3.2.1 Mô phỏng động cơ điện trong trường hợp Φ = const.
Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi điện áp đặt có dạng bước nhảy như hình
3.1

Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi từ thông không đổi
Đặc tính tốc độ, đặc tính dòng điện, điện áp phản hồi của động cơ thu được khi
mô phỏng trong chế độ quá độ lần lượt như hình dưới đây:
- Đặc tính dòng điện:
- Đặc tính tốc độ:

- Đặc tính điện áp phản hồi:

3.2.2 Mô phỏng động cơ điện một chiều trong trường hợp U
ư
không đổi (∆U
p

= 0)
Sơ đồ mô phỏng trong simulink như hình 3.2

Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng khi điện áp phần ứng không đổi

- Tín hiệu điện áp phản hồi
3.3 Nhận xét về kết quả mô phỏng thu được
- Trong hai trường hợp điện áp phần ứng không đổi và từ thông không đổi
ta thấy thời gian quá độ của dòng điện, điện áp phản hồi, tốc độ ở trường
hợp điện áp phần ứng không đổi là lớn hơn (do T
k
>>T
u
), tuy nhiên độ quá
điều chỉnh lại nhỏ hơn.
- Khi có thêm bộ điều chỉnh dòng điện và bộ điều chỉnh tốc độ thì điện áp
phản hồi bám theo điện áp đặt hơn.
- Khâu hạn chế dòng lắp sau bộ điều chỉnh tốc độ có tác dụng làm giảm tín
hiệu đặt cho mạch vòng dòng điện. Kết luận
Dựa vào các kết quả mô phỏng thu được ta biết được sự hoạt động và các chế
độ làm việc của động cơ điện một chiều. Và nhờ đó sẽ giúp ta biết cách sử dụng
hợp lý động cơ điện một chiều trong các quy trình công nghệ.
Qua thời gian dài nghiên cứu, tìm hiểu cùng với sự hướng dẫn của thầy Lưu
Kim Thành, em đã hoàn thành bài tập này. Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế
nên không tránh khỏi những sai sót. Em mong thầy cô và các bạn góp ý để bài
làm của em được hoàn thiện hơn.