ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
o0o NGUYỄN CHÍ KIÊN

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC
ĐỘ TRONG HỆ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Ở
VÙNG TỐC ĐỘ LỚN HƠN TỐC ĐỘ CƠ BẢN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Thái Nguyên - 2014
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Thái Nguyên - 2014
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT
CÔNG NGHIỆP
*****
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Nguyễn Chí Kiên;
Đơn vị công tác: Trường Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ;
Cơ sở đào tạo: Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên;
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa;

Khoá học: 14 (2011-2014);
Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Mai Hương;
Tên đề tài: “Nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ trong hệ điều tốc
động cơ một chiều ở vùng tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản”.
Ngày 15 tháng 8 năm 2014
Họcviên NGUYỄN CHÍ KIÊN

- i -
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Chí Kiên
Sinh ngày : 20 tháng 3 năm 1973
Học viên lớp cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật Công
Nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên.

ận
văn còn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô
giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong
thực tế.
Xin trân thành cảm ơn!
NGƯỜI THỰC HIỆN

NGUYỄN CHÍ KIÊN


iii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU vii
1. Mục tiêu của nghiên cứu vii
2. Nội dung nghiên cứu vii
CHƯƠNG 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU 1

1.1 Khái niệm chung 1
1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 2
1.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng. 3
1.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ. 4
1.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng 7
1.2.4 Điều khiển phần ứng và kích từ kết hợp 8

4.2.1 Mô hình thí nghiệm 49
4.2.2 Đặc tính thí nghiệm 50
4.3 Kết luận chương 4 50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51
1. Kết luận 51
2. Kiến nghị 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO 52
PHỤ LỤC 53

v
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập 3

Hình 1. 2 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng 4
Hình 1. 3 Đặc tính cơ, cơ điện của động cơ khi giảm từ thông 5
Hình 1. 4 Sơ đồ thay thế, Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông động cơ 7
Hình 1. 5 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp phần ứng 8
Hình 1. 6 Các vùng điều khiển động cơ DC ở trạng thái tĩnh 9
Hình 1. 7 Các vùng làm việc của động cơ DC kích từ độc lập trong mặt phẳng mômen
quay - tốc độ 11

Hình 1. 8 Điều khiển động DC trong các vùng giảm kích từ và vùng phần ứng 14
Hình 1. 9 Sơ đồ khối tương đương đơn giản trong vùng giảm kích từ 15
Hình 2. 1 Bộ điều khiển bám tốc độ MIMO phi tuyến thích nghi theo tải 24
Hình 2. 2. Đáp ứng hệ thống với momen tải thường. 27
Hình 2. 3. Đáp ứng tốc độ với nhiễu momen tải 29
Hình 3. 1 Sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều tốc 32

Cùng với sự ra đời của động cơ không đồng bộ, giá thành thấp và có cấu tạo
đơn giản, tin cậy. Sử dụng nguồn cung cấp là các bộ biến đổi bán dẫn công suất, hoặc
được trang bị các bộ biến tần, người ta đã cho rằng động cơ một chiều sẽ trở nên lỗi
thời trong các ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, trái vớ
i nhận định trên, các truyền
động động cơ một chiều vẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp
như nhà máy cán, máy giấy, các máy cuốn và trải
Trong hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập (SEDCM), các phương
pháp điều khiển tuyến tính được áp dụng cho hệ thống một cách đơn giản và được mô
tả bởi các phương trình tuyến tính trong vùng điều khi
ển phần ứng. Tuy nhiên, phần
phi tuyến của hệ thống bắt đầu xuất hiện khi động cơ hoạt động trong vùng kích từ
giảm, do mômen điện từ là tích của từ thông và dòng phần ứng, sức phản điện động
(EMF) là tích của từ thông và tốc độ, và độ bão hòa từ.
Đề tài nghiên cứu này góp phần thực hiện việc thiết kế điều khiển tốc độ
phi
tuyến của truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập trong chế độ giảm kích từ.
2. Mục tiêu của nghiên cứu:
- Đề tài nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều ở vùng
trên tốc độ cơ bản.
- Ứng dụng phương pháp điều khiển cho một hệ thống thiết bị thực tế
.
3. Nội dung nghiên cứu:
Chương 1. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều;
Chương 2. Thiết kế hệ thống truyền động ;
Chương 3. Xây dựng hệ điều tốc động cơ một chiều ;
Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm.
viii
Từ phương trình đặc tính cơ, ta có các phương pháp điều chỉnh tố
c độ động cơ :
+ Nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng;
+ Thay đổi từ thông kích từ;
+ Thay đổi điện áp phần ứng.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch phần
ứng để tăng R
ư
chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ quay
định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất
của động cơ điện. Vì vậy phương pháp này ít dùng và chỉ dùng trong cần trục.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách mắc thay đổi từ thông (
 ) đựơc sử
dụng trong hệ truyền động có công suất lớn hoặc có yêu cầu về tốc độ làm việc lớn
hơn tốc độ cơ bản. Vì phương pháp này được thực hiện trên mạch kích từ của động
cơ ( phần kích từ có công suất rất nhỏ so với công súât động cơ) nên dễ dàng thay đổi
tốc độ và đạt hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên, ta chỉ có thể đi
ều chỉnh theo hướng giảm từ
2
thông, tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức và giới hạn điều
chỉnh bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đổi chiều của máy.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
không gây thêm tổn hao trong động cơ điện nhưng đòi hỏ
i phải có nguồn riêng, có
điện áp điều chỉnh được. Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ quay dưới tốc
độ định mức vì không thể nâng cao điện áp hơn điện áp định mức của động cơ điện.
Và để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ theo các phương pháp điều chỉnh tốc độ






ta thấy tốc độ động
cơ phụ thuộc vào các tham số U
ư,
, R
f
. Khi ta giữ nguyên momen tải và thay đổi giá
3
trị của một trong ba tham số U
ư,
, R
f
ta sẽ được một đường đặc tính cơ mới tương
ứng với một tốc độ mới.
1.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng.
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R
fHình 1. 1 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Nếu ta giữ điện áp phần ứng U
ư
= U

kt
R
k
t
R
f
U
ư
4

Hình 1. 2 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng
- Ta thấy khi R
f
càng lớn (

càng nhỏ) đặc tính cơ càng dốc. Do vậy phương
pháp này chỉ cho phép giảm tốc độ bằng cách tăng điện trở mạch phần ứng.
- Trong thực tế, khi thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng sẽ gây ra một tổn
hao công suất rất lớn và không thể điều chỉnh trơn tốc độ nên phải điều chỉnh theo
từng cấp điệ
n trở. Chính vì vậy, phương pháp này không được phổ biến như 2
phương pháp thay đổi điện áp phần ứng và từ thông kích từ.
1.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ.
Giả thiết ta giữ điện áp phần ứng U
ư
= U
dm

(rad/s)

0
TN
M
c
M (N.m)
R
f1
R
f2
R
f3
0
5

Hình 1. 3 Đặc tính cơ, cơ điện của động cơ khi giảm từ thông
Đặc tính cơ (b) – cơ điện (a)
Đặc điểm :
+ Do cấu trúc của máy, nên thực tế chỉ sử điều chỉnh giảm từ thông. Khi giảm
từ thông thì 
ox
tăng dần ( 
0
<
01
<

0

01

02

1

dm
Inm
I

2

0

01

02


1

2
(a) (b)
M
nm1
M
nm2
(rad/s

- điện trở của nguồn điện áp kích thích,

k
– số vòng dây của dây quấn kích thích,
Trong chế độ xác lập ta có quan hệ:
 = f [i
k
]
Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng
giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là
đặc tính có điện áp phần ứng định mức,từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ
bản (đôi khi chính là đặc tính tự nhiên của động cơ). Tốc độ lớn nhấ
t của dải điều
chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ
thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ
góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạ
ch bình thường thì cần
phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết qủa là mô men cho phép trên trục động
cơ giảm rất nhanh. Ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính
cơ cững giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích:


u
R
K
2





max

đm

Đặc tính cơ bản

b
a,
L
k
(U
đk

i
k

k


c,

Hỡnh 1. 4 S thay th, c tớnh iu chnh khi iu chnh t thụng ng c
S thay th (a), c tớnh(b), Quan h (ikt) (c)
Do iu chnh tc bng cỏch gim t thụng nờn i vi cỏc ng c m t
thụng nh mc nm ch tip giỏp gia vựng tuyn tớnh v vựng bóo ho ca c
tớnh t hoỏ thỡ cú th coi vic iu chnh l tuy
n tớnh v hng s C ph thuc vo
thụng s kt cu ca mỏy in:
1.2.3 iu chnh tc bng cỏch thay i in ỏp phn ng:
Nu gi



8

Hình 1. 5 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp phần ứng
Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta được một họ đặc
tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên và có độ cứng đặc tính cơ là không đổi,
trong đó đường đặc tính cơ tự nhiên là là đặc tính cơ lúc vận hành ở chế độ định mức
(điện áp, tần số, từ thông đạt giá trị định mức và không nối thêm điện trở, điện kháng
vào động cơ)
Khi giảm điện áp phần ứng đặt vào động cơ thì dòng điện ngắn mạch sẽ giảm
( I
nm
=
R
U
u
dm
), momen ngắn mạch của động cơ ( M
nm
= K

.I
nm
) cũng sẽ giảm. Và do
vậy tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định






02


04


03


4


3


2


1

(rad/s)
9
từ thông chính tốt nhất được giữ tại giá trị danh định

Ua
e=const
-3 3
e=const
Field weakening
range
-
Ô
e0
-Ua0

Armature
control range
Field weakening
range
-
e0


e0

Vùng giảm từ thông
Vùng giảm từ thông
Vùng điều
khiển điện áp
phần ứng
10


000
1
e
ae
e
u






Điều này tạo ra sự thay đổi mong muốn của từ thông trong vùng giảm kích từ
Các vùng làm việc điều khiển phần ứng và kích từ trong mặt phẳng mômen
quay - tốc độ được hiển thị trong: Hình. 1.7 Các đường cong i
a
= const. được mô tả
11
bởi các đường thẳng song song trong chế độ điều khiển phần ứng; trong vùng suy
giảm kích từ, momen quay ứng với một dòng phần ứng cho trước bị giảm, vì
M
ea
mi . Tương tự, các đường cong với u
a
= const. trở nên dốc hơn khi từ thông
giảm. Ở góc trên bên phải một giới hạn chuyển đổi được đưa ra do dòng phần ứng tối

Field control
Ua=-Ua0

Ö Ö
2
1
-1
-2
Ia=-Ian
Ia=-2Ian
Ia=Ian
Ia=2Ian
m
M
m
n

e
= 
e0


e
< 
e0


<

0

ụ điện áp kích
từ khi tốc độ tăng trên tốc độ cơ bản. Nguồn điện áp điều chỉnh cung cấp cho cuộn
dây kích từ thường được thực hiện bởi một bộ biến đổi thyristor, được mô tả trong
Hình1.8 như một phần tử trễ. Mô hình phi tuyến của mạch từ tương ứng với Hình.1.7
Tín hiệu phản hồi của điệ
n áp cảm ứng có thể được tạo ra từ điện áp và dòng
điện phần ứng đo được theo phương trình điện áp
;
a
aaaa
di
eu Ri L
dt
 

Tín hiệu này - sau khi hiệu chỉnh ở các truyền động đảo chiều - được so sánh với giá
trị mẫu không đổi
ax 0
0.9
ma
eu ; bộ điều khiển - e sau đó loại bỏ sai lệch bằng cách
13
điều chỉnh điện áp kích từ. Tuy nhiên, điện áp mẫu lớn hơn khi động cơ làm việc
dưới tốc độ cơ bản, bộ điều khiển chứa một thành phần tích phân sẽ bị bão hòa và
nguồn kích từ sinh ra điện áp kích từ tối đa là mục tiêu trong vùng điều khiển phần
ứng. Khi tốc độ đang tăng lên, điện áp cảm ứ
ng e có thể đạt đến giá trị mẫu

/
ee


, như được chỉ ra trong Hình
1.9, tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp điều này được bỏ qua và các kết quả thực
tế chứng minh rằng sự chính xác thường là không cần thiết.
14

Một số xem xét tất nhiên phải được đưa ra sao cho bộ điều khiển tốc độ đưa ra
các kết quả chấp nhận được trong phần ứng cũng như trong chế độ điều khiển kích từ.
Ví dụ, Hình.1.9 chỉ một quá độ đảo chiều không tải mô phỏng giữa khoảng
0
1.5


đã
được tính toán trên cơ sở của hệ thống chỉ ra trong Hình.1.8. Ảnh hưởng của vòng lặp
điều khiển - e được nhận ra từ
e


và giám sát - e.

Hình 1. 8 Điều khiển động cơ một chiều trong các vùng giảm kích từ và điện áp phần
ứng
Trong đó: