TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN
THIẾT KẾ MÔN HỌC
TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ
Đề số 49 : Cho hệ truyền động như hình vẽ. Động cơ truyền động phải
nâng vật có tải trọng P theo yêu cầu – gia tốc khi nâng không quá 1.5m/s
2
.
Yêu cầu điều khiển vị trí của vật cần nâng. Động cơ truyền động là động cơ
một chiều kích từ hỗn hợp
Yêu cầu nội dung Thông số kỹ thuật
- Xây dựng mô minh mô hình động cơ một
chiều
- Xây dựng mô hình điều khiển truyền động
cho hệ
- Tính chọn các bộ điều khiển
- Mô phỏng đáp ứng trên Simulink và đánh
giá kết quả
P
đm
=50(kW), Tải trọng
(1000-1600 kg), v=1.5m/s,
a=1.5m/s
2
, - Hiệu suất cơ
cấu (η) 0,85
- Tỉ số truyền (i) : 10
- Đường kính puli (tời):
0,7(m)
Giáo viên hướng dẫn: TRẦN TIẾN LƯƠNG
Sinh viên thực hiện : PHẠM VĂN PHƯƠNG

Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết điệntừ qua
y, làm việc theo nguyên lý điện từ, khi đặt vào trong từ trường một
và cho dòng điệnchạy qua dây dẫn thì trường sẽ tác dụng một lựctừ vào dòng đi
ện (vào dây dẫn) vàlàm dây dẫnlàm dây dẫn chuyển động.Động cơ điệnbiến đổi
điện năng thành cơ năng.
b. Cấu Tạo
Gồm hai phần: - phần đứng yên stato (gọi là phần tĩnh )
- phần chuyển động roto (gọi là phần quay )

Hình 1.1: Mặt cắt ngang trục máy động cơ điện một chiều
1.2. Giới thiệu chi tiết hơn về động cơ điện một chiều
1.2.1- Phần tĩnh hay stato.
3
Hay còn gọi là phần kích từ động cơ,là bộ phận sinh ra từ trường.Gồm có
mạch
mạch từ và dây cuốn kích thích lồng ngoài mạch từ(nếu động cơ đượckích từ bằ
ng nam châm điện)
- mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc,thép đặc )
- Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện
từ (êmay).Các cuộn dây điện từ nay được nối tiếp với nhau.
a. Cực từ chính
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 những lá thép kỹ thuật điện hay thép
cacbon dày 0,5 đến 1mm Ðp lại và tán chặt.Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng
thép khối. Cực từ
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 được nối tiếp với nhau.

định.Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các
phiến đồng gọi là phiến góp .
5
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 trổi than làm bằng than graphit và được ghép
sát vào thành cổ góp nhờ lò xo.
a. 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 Ðp chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây
nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi Ðp lại thì dặt dây quấn vào.
Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những l
ỗ
thông gió để khi Ðp 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 đo
ạn
nhỏ, giữa những đoạn đó 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 Ðp trực tiếp vào
trục. Trong động cơ điện lớn giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto c
ó thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.
b. Dây quấn phần ứng
Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và
có dòng điện chạy
6
qua. Dây quấn phần ứng thường 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

ngược chiều dòng điện I
ư
nên E
ư
được gọi là sứ phản điện động.
Phương trình cân băng điện áp :
U = E
ư
+ R
ư
.I
ư
+I
ư
.
1.2.4. Phương pháp kích từ của động cơ điện một chiều
Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều ngườ
i
ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ứng với mỗi cách ta có
các loại động cơ điện loại:
Có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng :
 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập : Dòng điện kích từ được lấy từ nguồn
riêng biệt so với phần ứng.
 Động cơ điện một chiều kích từ song song : Dây quấn kích từ được nối song
song với mạch phần ứng.
 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp : Dây quấn kích từ được mắc nối tiếp
với mạch phần ứng.
 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp : Dây quấn kích từ có hai cuộn dây, dây
quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp.
8

 Máy trục thông dụng: Là các loại máy có từ 2 chuyển động trở lên (cần
trục, cần cẩu ).
 Máy trục đặc chủng: Là các laoij máy trục đậc biệt dùng riêng theo
yêu cầu nào đó (thang máy, cơ cấu năng ).
- Theo đặc tính di chuyển phân thành các loại như: Kích, kích trục vít, kích
thanh răng, thang máy, cần trục cố định, cần trục di động, cần trục nối
b. Máy vận chuyển liên tục.
 Đặc điểm.
- Vật phẩm dược di chuyển thành dòng liên tục và ổn định.
- Có thể bốc dỡ tải ngay trong quá trình vận chuyển.
 Phân loại.
- Máy vận chuyển liên tục có bộ phận kéo: Băng tải, xích
- Máy vận chuyển liên tục không có bộ phận kéo: Vít tải, hệ thống đường
lăn, ống dẫn
2.1.3. Các thông số cơ bản của máy nâng.
- Sức nâng kí hiệu là [Q] có đơn vị đo là tấn, kg, là trọng lượng lớn nhất máy có
thể nâng được ở trạng thái làm việc nhất định nào đó của máy.
- Tầm với R, m là khoảng cách theo phương nhang từ tâm thiết bị mang vật đến
trục quay của máy. Tầm với chỉ có ở các cần trục có tay cầm.
- Mômen tải M
Q
, tm, kNm là tích số giữa sức nâng và tầm với. Mômen tải có thể
không đổi hoặc thay dổi theo tầm với.
- Chiều cao nâng H, m là khoảng cách từ mặt bằng máy đến tâm thiết bị mang
vật ở vị trí cao nhất. Với các cần trục có tay cầm thì chiều cao nâng thay đổi phụ
thuộc vào tầm với.
10
- Khẩu lộ L, m là khoảng cách theo phương ngang giữa đường trục của 2 đường
ray mà trên đó máy di chuyển.
- Đường đặc tính tải trọng là đồ thị mô tả mối quan hệ giữa sức năng, tầm với và

TB Đo- thiết bị đo
2.2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH
TOÁN CỦA CÁC THÀNH PHẦN.
2.2.1. Bộ Điều Khiển.
Trong hệ thống, bộ điều khiển có nhiệm vụ nhận các tín hiệu đo từ động cơ
và hộp số để điều khiển hệ thống theo đúng tín hiệu đặt. Tín hiệu từ bộ điều
khiển được gửi tới bộ biến đổi công suất.
a. Bộ điều khiển P
Bộ điều khiển P là dạng đơn giản nhất thuộc họ PID. Thuật toán khuếch đại
tỉ lệ đưa ra tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với giá trị tức thời của tín hiệu sai lệch
điều khiển e(t):
12
u(t)=k
P
.e(t) với k
P
- hệ số tỉ lệ
Khi xuất hiện tín hiệu sai lệch e(t), thông qua bộ điều khiển tín hiệu này
được khuếch đại lên k
P
lần. Mục đích của việc khuếch đại tín hiệu đầu vào của
bộ điều khiển chính là tạo khả năng bù trừ sai lệch cho tín hiệu ra.
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển P
Nguyên tắc làm việc: Khi tín hiệu sai lệch e(t) lớn, đáp ứng đầu ra y(t) sẽ
rất nhỏ so với tín hiệu đặt x(t). Để cho giá trị y(t) tiến gần giá trị xác lập x(t) bộ
điều khiển phải tạo ra khả năng bù trừ sai lệch bằng cách khuếch đại tín hiệu
điều khiển có giá trị lớn để duy trì sự ổn định của hệ thống hoặc ngược lại khi
tín hiệu sai lệch e(t) nhỏ, đại lượng đầu ra y(t) tiến gần giá trị xác lập thì sự tác
động của điều khiển lên đối tượng u(t) sẽ nhỏ bớt đi để đảm bảo sự ổn định của
hệ thống.

14
Trong thực tế việc chọn thông số điều chỉnh k
P
,T
i
để phù hợp với đối
tượng, đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng của quá trình quá độ là vấn đề hết
sức quan trọng vì tín hiệu ra của bộ biến đổi chậm pha so với tín hiệu vào một
góc chính là phụ thuộc vào tham số này. Về tốc độ tác động thì quy luật
PI chậm hơn so với quy luật tỉ lệ và nhanh hơn so với quy luật tích phân.
Về tính chất của luật điều khiển tỉ lệ thì nó có đáp ứng tốt xong tồn tại sai
số tĩnh lớn, khi tăng hệ số k
P
lên cao thì sai số giảm nhỏ, dao động trong quá
trình quá độ lại lớn dẫn đến chất lượng của quá trình quá độ lại xấu đi và khi k
P
quá lớn thì hệ thống mất tác động.
Khi k
P
đat giá trị tối ưu thì chất lượng đáp ứng của hệ thống chỉ phụ thuộc
vào thời gian tích phân. Khi T
i
lớn có nghĩa là tín hiệu U(t) có giá trị nhỏ, ảnh
hưởng của khâu tích phân đến đáp ứng quá độ ít vì vậy mà bộ điều khiển PI hoạt
động như bộ điều khiển tỉ lệ. Tức là đáp ứng đầu ra ổn định nhưng sai số vẫn
còn lớn so với yêu cầu.
Khi T
i
giảm nhỏ ( ) thì thành phần tích phân có tác động tích cực, đáp
ứng quá độ chưa có dao động nhưng sai số xác lập lúc này bằng 0. Khi giảm nhỏ

tích phân là loại trừ sự truyền tín hiệu tăng theo tỉ lệ, đặc biệt sự truyền tín hiệu
tăng theo tỉ lệ nhiễu lớn bằng các hiệu chỉnh liên tục, hoặc lặp lại đầu ra thiết bị
điều khiển. Tốc độ mà tác động đó lặp lại nhân đôi hoặc lặp lại tác động tỉ lệ
một lần nữa xác định bằng tốc độ lặp lại T
i
.
Đối với thành phần vi phân trong bộ điều khiển PID, thì tác động điều
khiển có khuynh hướng dự phòng trước các thay đổi trong tín hiệu sai số do đó
làm giảm khuynh hướng dao động. Tác động điều khiển là tác động tốc độ.
Trong thực tế, bộ điều khiển PID có thể được hình thành từ việc mắc nối
tiếp hai bộ điều khiển PI và PD. Lúc này hàm truyền bộ điều khiển có dạng:

Để tăng khả năng chống nhiễu người ta có thể sử dụng bộ điều khiển PID
có bộ lọc với hàm truyền:
với
2.2.2. Bộ biến đổi
Bộ biến đổi là mạch chỉnh lưu điều khiển dùng van tiristor. Bộ biến đổi
Thyristor với chuyển mạch tự nhiên và có điện áp ra là một chiều là các thiết bị
điện, biến nguồn điện xoay chiều ba pha thành điện áp một chiều điều khiển
được.
17

Hình 2.5: Mạch chỉnh lưu cầu ba pha
Sơ đồ mạch điện gồm 6 tiristor công suất. Các điện áp U
2
xoay chiều cung
cấp cho bộ chỉnh lưu. Các tiristor T
1,3,5
và T
2,4,6

: Điện áp đặt vào phần ứng động cơ
I
ư
: Dòng điện phần ứng
I
kt
: Dòng điện kích từ
: Từ thông kích từ
CF: Cuộn dây cực từ phụ
19
M
e
: Momen điện từ
M
c
: Momen cản
: Tốc độ góc của động cơ
 Mô hình toán ở chế độ xác lập của động cơ một chiều kích từ độc lập
+ Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:
U
ư
= E + I
ư
.R
ư
+ Phương trình sức điện động động cơ:
+ Phương trình momen điện từ:
+ Phương trình đặc tính cơ:
 Mô hình toán ở chế độ quá độ của động cơ một chiều kích từ độc lập
Hệ phương trình được viết cho động cơ dưới dạng toán tử Laplace:

Khối (1) biểu diễn cho phản ứng phần ứng, từ đó thấy tính phi tuyến của sơ
đồ là rất cao. Như vậy có thể tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc và các
phương trình tuyến tính hóa được viết như sau:
- Mạch phần ứng:
21
U
0
+ ∆U(p) = R
ư
[.I
0
+∆I(p) ] +pL[I
0
+ ∆I(p)] + K[φ
0
+ ∆φ(p)][ωB +∆ω(p)]
- Mạch kích từ:
U
k0
+ ∆U
k
(p) = R
k
.[I
k0
+∆I
k
(p)] +pLk[I
k0
+ ∆I

Khi xét tới động cơ một chiều kích từ độc lập và không điều khiển từ thông
thì có thể xem từ thông là một hằng số. Khi đó, ta không còn mạch kích từ mà
22
chỉ còn phương trình cân bằng mạch phần ứng. Vì vậy, ta có thể bỏ các chỉ số để
chỉ mạch kích từ và mạch phần ứng. Trong trường hợp này mô hình toán của
động cơ chỉ có hai phương trình là phương trình cân bằng điện áp mạch phần
ứng và chuyển động cơ học:
 Phương trình cân bằng mạch phần ứng:
Với
 Phương trình chuyển động cơ học:
Với
Do , đặt ta có:
Từ các phương trình này ta xây dựng được mô hình của động cơ một chiều
kích từ độc lập từ thông không đổi như sau:
23
Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập với từ thông không đổi:
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập có từ thông
không đổi
2.2.4. Thiết bị đo lường
a. Hàm truyền của máy phát tốc
Trong mạch vòng tốc độ, người ta phải tạo ra một tín hiệu điện áp tỉ lệ với
tốc độ động cơ. Để làm được điều đó người ta thường dùng máy phát tốc, nó
được nối cứng trục với động cơ.
Hàm truyền của máy phát tốc :
Trong đó : - hằng số thời gian của máy phát tốc
- hệ số phản hồi của máy phát tốc
b. Hàm truyền của thiết bị đo dòng điện
Cũng như mạch vòng tốc độ để lấy tín hiệu dòng điện quay trở lại đầu vào
khống chế hệ thống người ta tạo một tín hiệu điện áp tỉ lệ với tín hiệu dòng điện.
24