T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
1
PHẦN I
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DC VÀ
ĐỘNG CƠ BƯỚC
SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH Trang 1
T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
2
CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ DC VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC
I. Giới thiệu về động cơ một chiều
1. Khái niệm
Ngày nay, mặc dù điện xoay chiều được sử dụng rất rộng rãi. song máy
điện một chiều vẫn tồn tại, đặc biệt là động cơ điện một chiều.
Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi cần
momen mở máy lớn hoặc trong yêu cầu điều chỉnh tốc độ và phạm vi rộng.
Trong các thiết bò tự động, các máy điện khuếch đại, các động cơ chấp
hành cũng là máy điện một chiều. Ngoài ra, các máy điện một chiều còn thấy
trong các thiết bò ô tô, tàu thủy, máy bay, các máy phát điện một chiều điện áp
thấp dùng trong thiết bò điện hóa, hàn điện với chất lượng cao.
Nhược điểm chủ yếu của máy điện một chiều là có cổ góp làm cho cấu
tạo phức tạp, đắc tiền , kém tin cậy và nguy hiểm trong môi trường dễ nổ. Khi
sử dụng động cơ một chiều cần phải có nguồn một chiều kèm theo.
2. Nguyên lý làm việc
Khi cho điện áp một chiều U vào 2 chổi điện A và B, trong dây quấn phần
ứng có dòng điện I
ư
. các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ
chòu lực F
đt

Fu
60
'=

Trong đó : p là số đôi cực từ chính.
N là số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần cứng.
a là số đôi cực nhánh song song của cuộn dây.
n là tốc độ quay (vòng / phút).
φ là từ thông kích từ dưới một cực từ (wb).
Mômen điện từ của động cơ:

φ
π
.
.
.2
udt
I
a
PN
M =
Momen điện từ là momen quay, cùng chiều với tốc độ quay n.
3. Điều chỉnh tốc độ
Ta có phương trình: E
ư
= U – R
ư
I
ư
Thay trò số E

KK
RR
K
U
n
ME
P
u
E
2

.
,
φ
φ
+
−=
T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
4
Nguồn điện một chiều điều chỉnh được dùng để cung cấp điện áp
cho động cơ. Phương pháp này được sử dụng nhiều.
 Thay đổi từ thông:
Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ.
Khi điều chỉnh tốc độ ta kết hợp các phương pháp trên với nhau.
Ví dụ: phương pháp thay đổi từ thông kết hợp với phương pháp thay
đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh rất rộng. Đây là ưu điểm lớn của động
cơ điện một chiều.
4. Đặc tính động cơ điện kích từ song song
Đường đặc tính cơ: n = f(M)


ME
u
E
2

.
,
φ
φ
−=
Iư
+
-
-
+
A1
A2
+
-
F1
F2
Ikt
Kích từ song song
T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
5
Đường đặc tính cơ
 Đặc tính làm việc:
Đặc tính làm việc được xác đònh khi điện áp và dòng điện kích từ
không thay đổi. Đó là các quan hệ giữa tốc độ n, momen M, dòng điện
phần ứng I

φ
T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
6
5. Đặc tính động cơ điện kích từ độc lập
Ưu điểm: khi làm việc máy không bò ảnh hưởng bởi I
kt
Nhược: tốn kinh phí do nguồn kích.
6. Đặc tính động cơ điện kích từ nối tiếp
I = I
Ư
= I
kt

Đặc tính cơ: n = f(M)
I
ư
= k
I
.φ
M = k
M
. I
Ư
. φ = k
M
. k
I
. φ
2
= k

7
Ta có:
Đặc tính cơ
Phương trình đặc tính có dạng Hyperpon _ đặc tính cơ mềm, dễ thay
đổi tốc độ hơn kích từ song song. Nhưng dễ gây hỏng động cơ khi tăng tốc
độ. Do đó, không cho phép động cơ kích từ nối tiếp mở máy không tải
hoặc tải nhỏ.
 Đặc tính làm việc:
Động cơ làm việc với tốc độ n nhỏ hơn n
gh
.
SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH Trang 7
E
uI
E
k
Rk
Mk
Uk
n
'
.
.
.
−=
M
n
n
P
2

+
T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
9
Các động cơ làm việc nặng nề, dây quấn kích từ nối tiếp là dây kích từ
chính, dây quấn kích từ song song là phụ và nối thuận. Dây quấn kích từ song
song bảo đảm tốc độ động cơ không tăng quá lớn khi M nhỏ.
Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là kích từ phụ và nối
ngược, có đặc tính rất cứng (đường 4), tốc độ hầu như cố đònh khi momen thay
đổi. Thích hợp với các động cơ yêu cầu tốc độ ít thay đổi.
II. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC
Trong công nghiệp đòi hỏi có nhiều cấp tốc độ khác nhau, tùy theo yêu
cầu cần thiết mà người ta chọn cấp tốc độ này hay cấp tốc độ khác. Để có các
cấp tốc độ khác nhau, ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền
hay thay đổi tốc độ của chính động cơ truyền động.
Thông thường để chỉnh tinh tốc độ ta dùng phương pháp thay đổi tốc độ
của động cơ truyền động, các phương pháp điều chỉnh sau:
1. Điều chỉnh các thông số ở mạch của máy điện
- Điều chỉnh điện trở của mạch phần ứng.
- Điều chỉnh kích từ của động cơ.
Phương pháp điều chỉnh này có tốc độ cứng, đặc tính cơ giảm nên độ chính
xác trong việc duy trì tốc độ không cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ hẹp, độ tinh
điều chỉnh kém. Khi điều chỉnh càng sâu thì sai số tốc độ tăng và mement ngắn
mạch giảm, nghóa là độ chính xác duy trì tốc độ và khả năng quá tải kém.
Phương pháp này không được khuyến khích thực hiện.
2. Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho
phần ứng động cơ.
- Hệ thống máy phát- động cơ.
- Hệ biến đổi van điều khiển (SCR)-động cơ.
- Hệ điều áp van _ từ _ động cơ (khuếch đại từ _ động cơ).
- Hệ điều áp nguồn _ động cơ.

on
và f
xung
= 1/T = const.
III. CHỈ TIÊU CHẤT LƯNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH Trang 10
T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
11
Một hệ thống truyền động điện điều chỉnh có thể là tự động nếu có dùng
các khâu hồi tiếp để lập thành vòng kín hoặc là bán tự động khi chỉ điều khiển
vòng hở và chỉ bằng tay.
Chất lượng của hệ được đánh giá nhờ các chỉ tiêu sau đây:
1. Sai số tónh tốc độ
Sai số tónh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ
đặt. Nó là giá trò tương đối của độ sụt tốc ứng với tải đònh mức so với tốc độ đặt
khi không tải lý tưởng.
S% =
%100
od
od
ω
ωω
−
(1-1)
Trong đó:
ω
: Tốc độ ứng với tải đònh mức.
od
ω
: Tốc độ không tải lý tưởng ứng với giá trò đặt.


MIN
MAX
D
ω
ω
=
(1-3)
Tốc độ lớn nhất ω
max
thường bò giới hạn bởi độ bền cơ của phần quay của
động cơ. Một số máy điện một chiều tốc độ lớn nhất còn bò giới hạn bởi điều
kiện chuyển mạch vì khi tốc độ lớn tia lửa phát sinh trên cổ góp dưới các chổi
than sẽ mạnh lên và có thể không cho phép. Vì vậy thông thường chỉ cho phép
ω
max
≤ (1-3)ω
đm
.
Tốc độ nhỏ nhất ω
min
trong dải điều chỉnh bò chặn bởi yêu cầu khắc phục
moment quá tải cho phép, bảo đảm độ chính xác điều chỉnh (s%).

Tốc độ cực đại trong dải điều chỉnh khi M
c
= M
đm
ω
0min
ω
min
ω
0
α
T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
13
Từ hình trên ta có thể tính được tốc độ nhỏ nhất ứng với moment tải đònh
mức.
ω
min
= (K
qt
.M
đm
– M
đm
)tgα (1-5)
Suy ra:
ω
min
= M
đm
(K
qt
- 1).1/β
Từ (1-4) và (1-5) ta có:
1

0
*
1
.
bu
dm
RR
M
+
==
βω
β
Độ cứng tương đối của đặc tính cơ: β
*
Trường hợp máy sản xuất có yêu cầu cao về độ chính xác duy trì tốc độ thì
phải điều chỉnh D được xác đònh theo sai số tốc độ cho phép (s
cp
) ứng với đường
đặc tính thấp nhất ta có:
min0min0
minmin0
ω
ω
ω
ωω
∆
=
−
=
cp

Từ (1-4) và (1-8) ta xác đònh được:
SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH Trang 13
T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
14
dmcp
cp
dm
MIN
MAX
MS
S
M
D
).1(
.
.0
−








−
==
β
β
ω

==
K
RM
IRIE
IE
P
P
uu
u
ω
ω
η
(1-10)
Trong đó:
ω

2
MIEP
u
==

: Công suất đưa ra đầu trục
***
*
2
2
21
.).(
.
.

Φ
==
K
MR
R
DM
ωβ
Ngoài tổn hao trong phần ứng còn có tổn thất trong các thiết bò biến đổi.
Khi đó hiệu suất của toàn hệ thống là:
η = η
ư
+η
sc
Trong đó:
η
sc
: hiệu suất của thiết bò biến đổi.
4. Hệ điều khiển
Hệ điều khiển tốc độ động cơ DC phân thành hai loại:
SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH Trang 14
T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
15
- Hệ thống hở.
- Hệ thống kín.
a. Hệ thống hở
Hệ thống hở còn gọi là hệ thống bán tự động, nó thực hiện nguyên tắc
khống chế cứng, tức là tín hiệu ra không cần đo lường để hồi tiếp chuyển về đầu
vào. Mọi sự biến đổi của tín hiệu ra không phản ánh vào thiết bò điều khiển.
Hình 1_2: Sơ đồ khối của hệ thống hở.
• Nguyên lý điều chỉnh

số điều chỉnh phải thay đổi tự động theo giá trò phụ tải sao cho đủ khả năng bù
trừ lượng sụt tốc do tải gây ra. Do đó người ta sử dụng các vòng hồi tiếp dòng
điện, tốc độ truyền động tự động vòng kín.
• Nguyên lý điều khiển tự động vòng kín
Trong hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC bằng cách đổi dấu điện áp
cung cấp phần ứng động cơ. Khi đó tốc độ làm việc của động cơ được điều chỉnh
nhờ thay đổi tốc độ không tải lý tưởng n
0
. Còn độ cứng của đặc tính cơ β được giữ
nguyên như hình vẽ:
SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH Trang 16
Khối điều khiển Bộ biến đổi Động cơ DC
Phản hồi
n
M
1’
w
1’min
w
min
W
0min
M
đm
E
b0
E
b1
E
b2

ht
Tín hiệu điều khiển (U
đk
) tăng làm thay đổi góc kích và làm tăng điện áp
phần ứng do đó làm tăng moment động cơ nên sự thay đổi tốc độ được giảm bớt
đáng kể và cứ như thế trong trạng thái quá độ mà giá trò moment động cơ và M
0
cân bằng, hay nói cách khác là hệ cứng tăng modul độ cứng đặc tính cơ.
SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH Trang 17
U
Khối điều khiển Bộ biến đổi Động cơ DC
Hồi tiếp
wU
ư
U
đk
w
đ
w
t
-
T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
18
Đây là vấn đề chủ yếu trong hệ kín.
Nhờ hệ điều khiển vòng kín có đặc điểm làm hệ truyền động có độ chính
xác cao, tác dụng nhanh, ảnh hưởng của thành phần nhiễu bò hạn chế, tính được
hàm truyền với ẩn số là I
ư
.
u


∑
=
u
u
u
R
I
T
(1-13)
M
tt
TS
sMsM
SJB
sMsM
s
.1
)()(
.
1
.
)()(
)(
+
−
=
+
−
=

Vkt
+
-
Ikt
V
Iư
+
-
-
+
T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
19
Phương trình cân bằng moment trên trục động cơ.

ω
.BMM
t
+=
dt
d
JBMM
t
ω
ω
++=
(1-17)
Trong đó:

ω
Φ= KM


)(
)().(1
)(
)(
)().(1
)(
)(
22
2
11
1
sM
sHsG
sG
sU
sHsG
sG
s
tu
+
+
+
=
ω
(1-23)
Với

).1)(.1(.
.

KsH
(1-25)

).1(
1
)(
2
u
TsB
sG
+
−=
(1-26)

).1(
).(
)(
2
2
u
u
TsR
K
sH
+
∑
Φ
=
(1-27)
Nếu xét ở chế độ không tải lúc M

Vậy (1-27) được viết lại là:

M
u
u
u
M
u
u
T
BRK
R
s
BRK
K
TsBRK
K
sI
s
∑
+Φ
∑
+
∑
+Φ
Φ
=
+
∑
+Φ

2
1
)(
(1-29)

BRK
K
K
u
M
∑
+Φ
Φ
=
2
)(
.
(1-30)
Vậy phương trình (1-28) được viết lại là:

1
.1)(
)(
M
M
u
Ts
K
sU
s

Φ
=
.
2

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH Trang 20
).1().1)(.1(
MMu
TsTsTs +≈++
).1(
1
u
u
TsR +
∑
Φ.K
).1(
1
M
TsB +
K.Φ
M
t
(s)
ω(s)I
u
(s)
U
u
(s)

sU
s
s
sI
sU
sI
+
+
==
ω
ω
(1-33)
Đặt

BRK
B
K
K
K
u
M
M
M
∑
+Φ
==
2
2
1
).(

1
1
.1
).1(
M
MM
Ts
TsK
+
+
1
2
.1
M
M
Ts
K
+
U
u
(s) I
u
(s) ω(s)
T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
22
Để đảo chiều động cơ có thể thiết kế hệ đảo chiều theo ba phương pháp
sau:
a. Đảo chiều dòng kích từ
Phương pháp này dùng một bộ biến đổi đơn trong mạch phần ứng và một
bộ tiếp điển đảo chiều trong mạch kích từ. Phương pháp này đơn giản về mặt

d
: Điện áp trung bình đặt lên động cơ.
SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH Trang 22
T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
23
Trong bộ biến đổi kép lý tưởng, điện áp ở đấu ra của mỗi bộ biến đổi bằng
với điện áp trên tải, còn dòng thì có thể chạy qua tải theo chiều phụ thuộc vào
khoá đảo chiều quay của động cơ.
2. Chế độ làm việc
a. Chế độ làm việc xác lập
Khi làm việc trong chế độ xác lập với điện áp điều khiển dương thì vận
tốc không đổi ứng với vận tốc nào đó. Lúc đó trong hai bộ biến đổi có một bộ
biến đổi làm việc tích cực cung cấp dòng cho tải, bộ còn lại trong trạng thái chờ
và không có tác dụng gì đối với tải.
b. Chế độ máy phát
Giả sử khi có một xung kích cho bộ biến đổi với một chuỗi xung có các
khoảng t
on
khác t
off
nên khi có xung kích thì dòng qua tải là tăng dần lên đến
điểm cuối của t
on
thì dòng qua tải giảm dần, lúc này là động cơ trả năng lượng về
lưới nên động cơ được xem như máy phát, đến khi động cơ được kích dẫn bởi
xung kế tiếp thì lúc đó dòng bắt đầu tăng lên.
SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH Trang 23
T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
24
c. Đảo chiều quay động cơ

Thành phần U
P
(t) là tỷ lệ giữa sai số đầu ra của hệ thống thực với giá trò
đặt.
Thành phần U
I
(t) là tích phân theo thời gian của sai số.
Thành phần U
D
(t) là đạo hàm theo thời gian của sai số.
Hàm điều khiển: U
t
(t) = U
0
+ k [e

(t) +
∫
+ ]
'
.)'()'(
1
dt
de
Tdtdte
Ti
= U
0
+ U
P