Đề tài: Thiết kế mạch điều chỉnh tự động tốc độ hệ truyền động điện động cơ
một chiều.
Nội dung: Cho hệ điều chỉnh tự động TĐ Đ một chiều có khối như hình vẽ:
Hệ số khuếch đại bộ chỉnh lưu
K
cl
=m+2 ( với m là số thứ tự nhóm). T
vo
+ T
®k
= 0,0015s
Động cơ 1 chiều kích từ độc lập cã th«ng sè: P
®m
=2*m =14(kW) v iớ m s th t ố ứ ự
nhóm; U
®m
= 400V; η
®m
= 0,9; n
®m
=955v/phót ; T
ư
=0.07 s; T
c
=0,22 s
T
i
=0,003 s; T
ω
=0,05 s K
i

> 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

, 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
thì điện áp trung bình sẽ giảm,
ngược lại, giảm
α
thì điện áp trung bình sẽ tăng. Giá trị lớn nhất của điện áp trung

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
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
cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ
phụ được gắn vào 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 và hàn lại. Trong
máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm
vỏ máy.
+ Các bộ phận khác:
- Náp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây
quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp

hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit.
+ 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:
+
_
R
f
ĐC
C
KTD
R
KT
U
KT
_
+

Φ = Φ
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
Độ cứng đặc tính cơ:
β =
Var
RR
KM
fu
=
+
Φ
−=
∆
∆
2
)(
ω
Khi R

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:
Tốc độ không tải lý tưởng :
Var
K
U
dm
x
x
=
Φ
=
0
ω
Độ cứng đặc tính cơ : β
ox
=
Const
R
K

x
dm
x
K
U
ω
Độ cứng đặc tính cơ:
var
)(
2
=−=
u
x
R
K
φ
β
Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên
khi từ thông giảm thì
x0
ω
tăng, còn
β
sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với
x0
ω
tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông.
Hình1.5:Đặc tính cơ điện (a)và đặc tính cơ (b)khi thay đổi từ thông
Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:
Dòng điện ngắn mạch:

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:
- Theo số pha có: Chỉnh lưu 1 pha, chỉnh lưu 3 pha
- Theo sơ đồ nối có: Chỉnh lưu nửa chu kỳ, chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ, chỉnh
lưu hình cầu, chỉnh lưu hình tia
- Theo sự điều khiển có: Chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều
khiển, chỉnh lưu bán điều khiển.
1.3.2 Giới thiệu sơ đồ
Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống chỉnh lưu – động cơ một chiều
Trong đó:
+ Đ: động cơ một chiều kích từ độc lập, thực hiện chức năng biến năng
lượng điện một chiều thành cơ năng truyền động cho cơ cấu sản xuất
+ BBĐ: là bộ biến đổi van có điều khiển, thực hiện chức năng biến năng
lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều cung cấp cho động cơ
+ U
đ
tín hiệu điện áp đặt
+ FT máy phát tốc thực hiện chức năng khâu phản hồi âm tốc độ
+TH & KĐ là khối tổng hợp và khuyếch đại tín hiệu
+ FX là mạch phát xung
1.3.2.1 Hoạt động của hệ thống
Giả sử ban đầu hệ thống đã được đóng vào lưới với điện áp thích hợp, lúc
này động cơ vẫn chưa làm việc. Khi ta đặt vào hệ thống một điện áp đặt U
đ
ứng
với một tốc độ nào đó của động cơ. Thông qua khâu TH & KH và mạch FX sẽ suất

K
E
n
dm
K
dm
do
φφ
α

cos.
+
−=
M
K
XR
K
E
n
dm
K
dm
do
2
).(
.
cos.
φ
φ
α

do các van
không cho dòng điện phần ứng đổi chiều.
Các đặc tính cơ của hệ T - Đ mềm hơn các đặc tính cơ của hệ F - Đ bởi
thành phần sụt áp
k
U
∆
do hiện tượng chuyển mạch giữa các van bán dẫn gây nên.
Hình 1.7: Họ đặc tính cơ của hệ
+ Khi
2
0
π
α
≤≤
: Bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu, động cơ có thể
làm việc ở chế độ động cơ nếu sđđ E > 0 và ở chế độ hãm ngược nếu sđđ E đổi
chiều.
+ Khi
max
2
αα
π
≤≤
: Bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc,
biến cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều cùng tần số lưới và trả về lưới
điện. Động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh khi tải có tính thế năng.
Dòng điện trung bình của mạch phần ứng:
K
d

2
/p và góc chuyển
mạch
0
=
µ
.
Đường biên liên tục gần là đường elip.
Để giảm độ lớn của trục nhỏ elip, tăng số pha của chỉnh lưu. Tuy nhiên
khi tăng số pha chỉnh lưu sơ đồ sẽ phức tạp.
1.3.2.2 Đánh giá chất lượng của hệ thống
- Ưu điểm:
+ Tốc độ nhanh, không gây tiếng ồn và dễ tự động hoá do các van bán
dẫn có hệ số khuếch đại công suất cao.
BBĐ
I
-
-
-E
+ Công suất tổn hâo nhỏ, kích thước và trọng lượng nhỏ
+ Giá thành rẻ, dễ bảo dưỡng sửa chữa.
- Nhược điểm:
+ Mạch điều khiển phức tạp, điện áp chỉnh lưu có biểu đồ đập mạch cao,
gây đến tổn thất phụ đáng kể trong động cơ và hệ thống.
+ Chuyển mạch làm việc khó khăn do đường đặc tính nằm trong mặt
phẳng toạ độ.
+ 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

P =14Kw U=400V
n = 0.9 n
đm
= 955(vòng/phút)
+ I
đm
= = = 38.88(A)
+R
ư
=0,5(1-n). =0,5(1-0,9).= 0,514(Ω)
+ω
đm
== = 100(Rad/s)
+K
đm
== = 3.8
+J==6.18kg.m
2
K
cl
= 9, K
i
= 0.04, K
ω
= 0.01
T
vo
+ T
đk
= 0.0015s

Hình 3-1. Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện
Trong đó:
- hàm truyền của bộ điều chình dòng điện (cần tìm)
B(p) - hàm truyền của bộ biến đổi, có dạng như sau:
Với: - hệ số chỉnh lưu
- hằng số chuyển mạch chỉnh lưu
- hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lưu
A(p) - hàm truyền của động cơ không tính đến suất điện động phần ứng
Với: - hằng số thời gian phần ứng.
- hàm truyền của khâu phản hồi dòng điện, có dạng như sau:
Với: - hằng số thời gian của sensor dòng điện
=0.04- hệ số phản hồi mạch vòng dòng điện
Ta chuyển đổi mạch phản hồi dòng điện về mạch phản hồi đơn vị, ta có sơ
đồ tương đương như sau:
Hình 3-2 : Sơ đồ tương đương .
- Ta có hàm truyền hệ kín của sơ đồ khi chưa chuyển đổi:
- Ta có hàm truyền hệ kín của sơ đồ khi đã chuyển đổi:
Mặt khác:
- Vậy áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môđun cho hàm truyền sơ đồ đã 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:
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.

4.1. Tổng hợp bộ điều chỉnh
Vì động cơ còn bị ảnh hưởng bởi yếu tố thay đổi của tải trọng nên trong
trường hợp này chúng ta sẽ tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ theo
tiêu chuẩn tối ưu đối xứng để có thể đạt được yêu cầu vô sai cấp cao
Sơ đố khối của mạch vòng điều chỉnh tốc độ:
Hình 4-1 : Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ .
Trong đó:
- Hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ
- Hàm truyền hệ kín của vòng điều chỉnh dòng điện
- Hàm truyền khâu phản hồi tốc độ
Với: - Hệ số phản hồi của máy phát tốc
- Hằng số thời gian của máy phát tốc
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:

2
= 4.210
-6
µF.
+ 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
1.Mạch vòng điều chỉnh dòng điện.
+M
c
=M
t
=0
+thời gian đạt tới trạng thái ổn định:4.2s
+sai lệch tĩnh:1%
Nhận xét:
Hệ thống đạt trạng thái ổn định khá nhah.
2.Mạch vòng tốc độ.
+M
c
=M
t
=0
+Độ quá điều chỉnh 85%
+thời gian đạt tới trạng thái ổn định:3.5s
+thời gian đạt tới tín hiệu đặt:0.857s
+sai lệch tĩnh:1%
B.Lúc có tải

+I
ư
=0;
+Thời gian tín hiệu đạt trạng thái ổn định:1.25s
Nhận xét:thời gian đạt tới trạng thái ổn định khá nhanh
2.Mạch vòng tốc độ.
+M
c
=M
t
=0
+Độ quá điều chỉnh 8.5%
+thời gian đạt tới trạng thái ổn định:1.25s
+thời gian đạt tới tín hiệu đặt:0.857s
+sai lệch tĩnh:1%
B. Trường hợp có tải