z
ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN

Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN
MÔN HỌC:
TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đăng Khang
Sinh viên thực hiện : V Trung Dng
Nguyễn Trung Toàn
Lớp: ĐH TĐH2 – K5 Mục Lục
2
GVHD: Nguyễn Đăng Khang
Hà nội - 8/2013
Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
3
GVHD: Nguyễn Đăng Khang
Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
Đề tài

 !"#$%&'()*+
,

-./012(%3& T

!& <DE@AB2#(+FGHIJ
&
K& <DE@AB2#(+GHIJ
$%&
K&,L(DMNOC#+P" (2ABA#)
8&
Q&<=>(4?>IR0+#?(4?>IR >CL*
STUVQW*W*XL+)3&6OD
)+E&
Lời nói đầu
Trong công cuộc đổi mới công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước hiện nay ,
4
GVHD: Nguyễn Đăng Khang
Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
vấn đề áp dụng khoa hoạ kỹ thuật vào các quy trình sản suất là vấn đề cấp bách
hàng đầu . Cùng với sự phát của một số nghành như điện tử , công nghệ thông Bn ,
nghành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã phát triển vược bậc .Tự động hoá các
quy trình sản suất đang được phổ biến , có thể thay sức lao động con người , đem lại
năng suất cao chất lượng sản phẩm tốt .
Hiện nay , các hệ thống dây chuyền tự động trong các nhà máy , xí nghiệp
được sử dụng rất rộng rãi , vận hành có độ Bn cậy cao . Vấn đề quan trọng trong các
dây chuyền sản suất là điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ hay đảo chiều quay
động cơ để nâng cao năng suất ,Với hệ truyền động điện.
Ở nước ta hiện nay một số một chiều được ứng dụng nhiều trong các yêu cầu
điều chỉnh cao , cùng với sự phát triển không ngừng của kỹ thuật điện tử và kỹ thuật
vi điện tử . Hệ truyền động một chiều điều chỉnh đồng thời điện áp phần ứng động cơ
và từ thông đã trở thành giải pháp tốt cho các hệ thống có yêu cầu chất lượng cao
dây chuyền nhập ngoại , với một số lý do khách quan cho nên một số thiết bị khi có
vấn đề sự cố phải nhờ đến chuyên gia nước ngoài . Về việc thay thế và điều khiển
từng bước để hội nhập cùng với sự phát triển chung của khoa học kỹ thuật .

> 0 còn phải thêm một số điều kiện khác nữa. Do đó tiristor được
coi là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với một số phần tử bán dẫn
khác không điều khiển như Điot.
Mở Tiristor:
Khi được phân cực thuận, U
AK
>0, tiristor có thể mở bằng hai cách:
- Thứ nhất, có thể tăng điện áp anot – catot cho đến khi đạt giá trị điện áp
thuận lớn nhất. Khi đó điện trở tương đương trong mạch anot – catot sẽ giảm
đột ngột và dòng qua tiristor hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phương pháp
này không áp dụng ngoài thực tế do nguyên nhân mở không mong muốn và
không phải lúc nào cũng tăng được điện áp đến giá trị U
th,max
. Và lại sẽ xảy ra
trường hợp tiristor sẽ tự mở dưới tác dụng của các xung áp tại một thời điểm
ngẫu nhiên không xác định được.
- Thứ hai, phương pháp được áp dụng trong thực tế , là đưa một xung dòng
điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catot. Xung dòng điện điều
khiển sẽ chuyển trạng thái của tiristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở
mức điện áp anot – catot nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anot – catot lớn hơn giá trị
nhất định, gọi là dòng duy trì (I
dt
) thì tiristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở
dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung điều khiển nữa. Điều này nghĩa
là có thể điều khiển các tiristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định,
do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của
mạch lực mà tiristor là một phần tử đóng cắt và khống chế dòng điện.
Khóa Tiristor:
Một khi Tiristor đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển I
g

0
đến t
1
, dòng điện ngược khá lớn, sau đó J
1
rồi
J
3
trở nên cách điện. Còn lại một ít điện tử bị giữ lại giữa hai mặt ghép J
1
và J
3
,
hiện tượng khuếch tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đến hết và J
2
khôi phục lại
tính chất của mặt ghép điều khiển.
Trong các sơ đồ chỉnh lưu trên, giá trị điện áp trung bình một chiều ra tải
phụ thuộc vào góc điều khiển mở của Tiristor:
U
d
= U
d0
.cos
α
Do đó, khi thay đổi góc điều khiển
α
thì ta sẽ thay đổi được giá trị điện
áp trung bình ra tải. Nếu tăng giá trị góc điều khiển
α

máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng
nguồn điện xoay chiều thông dụng.
Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh
tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải. Chính vì
vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có
yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải,các
nghành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều
Bên cạnh đó, động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất
định của nó như so với máy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn chế tạo và bảo
quản cổ góp điện phức tạp hơn (dễ phát sinh tia lửa điện) nhưng do những ưu
điểm nổi trội của nó nên động cơ điện một chiều vẫn có một tầm quan trọng
nhất định trong sản suất.
1.2.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: phần tĩnh và phần
động.
1.2.1.1. Phần tĩnh
Đây là đứng yên của máy, bao gồm các bộ phận chính sau:
+ 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
7
GVHD: Nguyễn Đăng Khang
Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
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 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.
+ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải
thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân

+ Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện
động và có dòng điện chạy 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 cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè
chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit.
8
GVHD: Nguyễn Đăng Khang
Y
Z
Z,
Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
+ Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều. Cổ
góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ
0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình
ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica.
Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn
và các phiến góp được dễ dàng.
+ Các bộ phận khác:
- Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều
thường chế tạo theo kiểu bảo vệ. Ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió.
Cánh quạt lắp trên trục máy , khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài
vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt
gió ra ngoài làm nguội máy.
- Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi.
Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt.
1.2.2 Động cơ một chiều kích từ độc lập
1.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý:
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập

đm
=const
Khi ta đổi điện trở mạch phần ứng ta có tốc độ không tải lý tưởng:
ω
0
=
Const
K
U
dm
dm
=
Φ
9
GVHD: Nguyễn Đăng Khang
.
[
\
]


,^
\
,
Y
,
[
.
Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
Độ cứng đặc tính cơ:

)( Φ
β
tn
có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các
đường đặc tính có điện trở phụ. Như vậy khi thay đổi điện trở phụ R
f
ta được
một họ đặc tính biến trở có dạng như hình 1.4. Ứng với một phụ tải M
c
nào đó,
nếu R
f
càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch
và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương
pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ
bản.
Hình 1.3: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập
khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng
1.2.2.3 Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:
Giả thiết : Φ = Φ
dm
= const
R
ư
= const
Khi thay đổi điện áp phần ứng : U
ư
<U
đm
ta có:

Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
Hình 1.4: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập
khi giảm áp đặt vào phần ứng động cơ
1.2.2.4 Ảnh hưởng của từ thông:
Giả thiết : U
ư
= U
đm
= const
R
ư
= const
Khi ta thay đổi từ thông tức là ta thay đổi dòng kích từ (I
kt
) động cơ.
Tốc độ không tải lý tưởng:
var
0
=
Φ
=
x
dm
x
K
U
ω
Độ cứng đặc tính cơ:
var
)(

nm
= KΦ
x
I
nm
= var
11
GVHD: Nguyễn Đăng Khang
Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông được biểu
diễn trên hình 1.6.
Với dạng mômen phụ tải M
c
thích hợp với chế độ làm việc của động cơ
thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên (Hình 1.5 b)
1.3 Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều
1.3.1 Khái niệm chung về hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều
Là bộ chỉnh lưu liên hệ nguồn xoay chiều với tải một chiều, nghĩa là đổi
điện áp xoay chiều của nguồn thành điện áp một chiều trên phụ tải.
Điện áp một chiều trên tải không được lý tưởng như điện áp của ắc quy
mà có chứa các thành phần xoay chiều cùng với một chiều.
Đầu ra của các sơ đồ chỉnh lưu được coi là một chiều nhưng thực sự là
điện áp đập mạch. Trị số điện áp một chiều, hiệu áp suất ảnh hưởng của chúng
do nguồn xoay chiều rất khác nhau.
Bộ biến đổi Thyristor với chuyển mạch tự nhiên có điện áp (dòng điện) ra
là 1 chiều là các thiết bị biến nguồn điện xoay chiều 3 pha thành điện áp 1 chiều
điều khiển ngược.
Hoạt động của mạch do nguồn điện xoay chiều quyết định vì nhờ đó mà
có thể thực hiện được các chuyện mạch dòng điện giữa các phần tử lực.
Việc phân loại chỉnh lưu phụ thuộc nhiều yếu tố:

d
đặt nên phần ứng động cơ→động cơ quay với
tốc độ ứng với U
đ
ban đầu.
Trong quá trình làm việc, nếu vì một nguyên nhân nào đó làm cho tốc độ
động cơ giảm thì qua biểu thức : U
ĐK
= U
đ
- ϒn.
khi n giảm →U
ĐK
tăng →α giảm →U
d
tăng → n tăng về điểm làm việc yêu cầu.
Khi n tăng quá mức cho phép thì quá trình diễn ra ngược lại. Đây là nguyên lý
ổn định tốc độ.
* Đặc tính cơ của hệ thống truyền động:
Chế độ dòng điện liên tục:
Dòng điện chỉnh lưu I
d
chính là dòng phần ứng.
Dựa vào sơ đồ thay thế (hình 2.2) viết được sơ đồ đặc tính.
I
K
XR
K
E
n

GVHD: Nguyễn Đăng Khang
Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
Đặc tính cơ có độ cứng
K
dm
XR
K
+
=
2
)(
φ
β
X
k
: Đặc trưng cho sụt áp do chuyển mạch giữa các van.
Thay đổi góc điều khiển:
+ Khi
πα
÷=
0
 sđđ chỉnh lưu biến thiên từ E
do
đến - E
do
và ta được một
họ đặc tính song song nhau nằm ở nửa bên phải mặt phẳng toạ độ
[ ]
M,
ω

d
XR
EE
I
+
−
=
Phương trình đặc tính:
I
K
XR
K
E
dm
K
dm
do
.
cos.
φφ
β
ω
+
+=
- Chế độ dòng điện gián đoạn:
Trong thực tế tính toán hệ T - Đ chỉ cần xác định biên giới vùng dòng
điện gián đoạn, là đường phân cách giữa vùng dòng điện liên tục và dòng điện
gián đoạn. Trạng thái biên liên tục là trạng thái mà góc dẫn
λ
=

+ Trong thành phần của hệ biến đổi có MBA nên hệ số cos
ϕ
thấp.
+ Do vai trò chỉ dẫn dòng một chiều nên việc chuyển đổi chế độ làm
việc khó khăn với các hệ thống đảo chiều.
+ Do có vùng làm việc gián đoạn của đặc tính nên không phù hợp
truyền động có tải nhỏ.
CHƯƠNG II: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA HỆ
2.1 Xây dựng cấu trúc của hệ thống:
Từ sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động T-Đ ta có sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn
định:
15
GVHD: Nguyễn Đăng Khang
Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
- Trong đó :
;\
`
:#>&
;R
i
: Bộ điều chỉnh dòng điện.
;U
đ
: Điện áp chủ đạo.
;U
ω
: Điện áp phản hồi tốc độ
;U
i
: Điện áp phản hồi âm dòng điện.

ω
= 0.01
T
vo
+ T
đk
= 0.0015s
T
ư
= 0.07s, T
i
= 0.003s
T
ω
= 0.05s
16
GVHD: Nguyễn Đăng Khang
Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG CẤU TRÚC VÀ THAM SỐ BỘ
ĐIỀU CHỈNH DÒNG THEO TIÊU CHUẨN MODUL TỐI ƯU
3.1. Tổng hợp bộ điều chỉnh
Trong các hệ truyền động tự động cũng như các hệ chấp hành thì mạch vòng
điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch vòng
dòng điện là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mô men kéo của động cơ, ngoài ra
nó còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc
Do quán tính cơ học lớn hơn rất nhiều so với quán tín điện từ (Tc >> Tư)
cho nên biến đổi tốc độ chậm hơn biến đổi tốc độ dòng điên.
Trong mạch vòng dòng điện có thể coi
0ΔE
Đ

chuyển đổi:
- Thay các hàm truyền tương ứng vào với:
Mặt khác, các hằng số thời gian rất nhỏ so với hằng số thời gian
điện từ . Đặt thì có thể việt lại ở dạng gần đúng như sau:
Trong đó , ta chọn thay vào ta có:
Vậy hàm truyền của mạch vòng kín sẽ là:
3.2. Tính toán thông số bộ điều chỉnh
- Hệ số biến đổi dòng điện:
18
GVHD: Nguyễn Đăng Khang
Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
Hình 3-3 Sơ đồ máy biến dòng.
- Ta sử dụng mạch biến dòng, đo dòng trực tiếp từ nguồn 3 pha đưa
qua bộ chỉnh lưu điốt có lọc để lấy phản hồi dòng điện về cho động
cơ.
- Hệ số chỉnh lưu
- điện áp điều khiển đưa vào mạch chỉnh lưu (chọn )
=0,0015+0,003=0.0045 (s)
- Hàm truyền
- Thiết kế mạch điều chỉnh dòng điện
Vậy mạch điều chỉnh dòng của ta sẽ bộ điều chỉnh PI
19
GVHD: Nguyễn Đăng Khang
0"3
Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
Hình 3-4. Sơ đồ bộ điều chỉnh PI
Mặt khác:
R
i
(p) = +

- Hằng số thời gian của máy phát tốc
20
GVHD: Nguyễn Đăng Khang
Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
C(p) - Hàm truyền cơ học của động cơ khi bỏ qua ma sát trên
trục động cơ
Với: J - Mômen quan tính của động cơ
- Áp dụng hàm chuẩn tối ưu đối xứng (vì tính đến nên tổng hợp theo
tiêu chuẩn tối ưu đối xứng để sai số của hệ thống được giảm thiểu):
- Hàm truyền hệ kín của sơ đồ trên
- Áp dụng hàm chuẩn tối ưu đối xứng (sử dụng cách biến đổi sơ đồ
giống như ở phần thiết kế mạch vòng dòng điện) ta có:
- Thay các hàm truyền tương ứng vào
Vậy:
Mặt khác, ta có thể bỏ qua thành phần vì là vô cùng bé và các
hằng số thời gian và rất nhỏ nên đặt , ta có hàm truyền gần đúng
như sau:
Vì là tổng các hằng số thời gian vô cùng nhỏ nên ta chọn , ta
có:
Vậy hàm truyền của mạch vòng kín sẽ là
4.2. Tính toán thông số bộ điều chỉnh
- Hệ số phản hồi của máy phát tốc:
Ta có sơ đồ của máy phát tốc như sau:
21
GVHD: Nguyễn Đăng Khang
Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
Hình 4-2 : Sơ đồ máy phát tốc .
Ta có:
Kω=0.01
Mặt khác ,T

2
= 66,2x10
3
uF.
Hàm truyền của các khâu tìm được như sau:
(Wb)
CHƯƠNG V: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC CỦA HỆ
5.1. Mô phỏng trên Matlab Simulink
A.Lúc không tải.(chưa hiệu chỉnh bộ PID).
Dòng điện lúc không tải.
23
GVHD: Nguyễn Đăng Khang
Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
Tốc độ lúc không tải:
24
GVHD: Nguyễn Đăng Khang
Bài tập lớn: Tổng hợp hệ thống điện cơ
1.Mạch vòng điều chỉnh dòng điện.
+M
c
=M
t
=0
+thời gian đạt tới trạng thái ổn định:1,6s
+sai lệch tĩnh:0%
Nhận xét:
Hệ thống đạt trạng thái ổn định khá nhah.
2.Mạch vòng tốc độ.
+M
c