Nhận viết luận văn Đại học , thạc sĩ - Zalo: 0917.193.864 Tham khảo bảng giá dịch vụ viết bài tại: vietbaocaothuctap.net Download luận văn tốt nghiệp với đề tài: Tìm hiểu về động cơ một chiều, cho các bạn làm luận văn tham khảo

1. EBOOKBKMT.COM
Lời nói đầu
Đối với kỹ sư điều khiển - tự động hóa nói riêng và những người nghiên
cứu khoa học - kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép
khảo sát các đối tượng hệ thống hay quá trình kỹ thuật - vật lý, mà không nhất
thiết phải có đối tượng hay hệ thống thực. Được trang bị một công cụ mô phỏng
mạnh và có hiểu biết về các phương pháp mô hình hóa, người kỹ sư sẽ có khả
năng rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sản phẩm một
cách đáng kể. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị
kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế lớn
Động cơ điện một chiều ngày nay vẫn đang được sử dụng rộng rãi trong sản
xuất công nghiệp bởi những tính năng mà nó mang lại như: không cần nguồn
xoay chiều, thực hiện việc thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng, …Chính
vì những lí do đó mà em đã được giao đề tài về động cơ một chiều là đối tượng
để mô phỏng trong bài làm của mình. Em xin cảm ơn thầy Phạm Tâm thành đã
hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.
1

2. EBOOKBKMT.COM
Chương 1- Khái quát về động cơ một chiều
1.1 – Khái niệm
Động cơ điện một chiều là máy điện quay được dùng để biến đổi năng
lượng điện một chiều thành cơ năng. Động cơ điện một chiều bao gồm: Động cơ
điện một chiều kích từ độc lập, song song, nối tiếp, hỗn hợp.
1.2 - Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều
a. Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạo
giống nhau. Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phần
tĩnh) và phần ứng (phần quay). Ngoài ra còn có bộ phận chổi than, cổ góp.
- Phần cảm (stator)
Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ, vừa
là vỏ máy, mặt trong có gắn các cực từ chính và cực từ phụ (hình 1.1). Dây quấn
cực từ chính được đặt trên các cực từ chính và được nối nối tiếp nhau. Dây quấn
cực từ phụ được đặt trên các cực từ phụ, nó tạo ra từ trường phụ.
Cực từ chính
Hình 1.1 Hình dạng và mặt cắt ngang máy điện một chiều
+ Mạch từ và dây quấn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ kích từ bằng
nam châm điện), mạch từ được làm bằng sắt từ (thép đúc, thép đặc). Dây quấn
kích từ được làm bằng dây điện từ (dây đồng), các cuộn dây điện từ này được
mắc nối tiếp với nhau.
2
rotor
stator
Nắp máyNắp máy
Cực từ phụ

3. EBOOKBKMT.COM
+ 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. Lõi thép của cực từ
phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu
tạo 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.
- Phần ứng (rotor)
Phần ứng của máy điện một chiều còn gọi là rotor, gồm lõi thép, dây
quấn phần ứng.
+ Lõi thép phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật
điện (hình 1.2) dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm
tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau
khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta
còn dập những lỗ thông gió để khi ép 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 đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy 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.
3

4. EBOOKBKMT.COM
Hình 1.2 Lá thép rotor
+ Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các
rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Phần tử của dây quấn là
một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của
vành góp (hình 1.3a) hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai
cực từ khác tên (hình 1.3b).
1.3 Dây quấn phần ứng máy điện một chiều
a) phần tử dây quấn b) bố trí phần tử dây quấn
- Cổ góp và chổi than
Cổ góp và chổi than là bộ phận để biến đổi dòng điện rotor. Đây có thể coi
như bộ chỉnh lưu hay nghịch lưu cơ khí. Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng
được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục (1). Chổi than làm bằng
than graphit (2). Các chổi than tì chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn
trên nắp máy.
Hình 1.4 Cấu tạo cổ góp máy điện một chiều
4
(1)
(2)

5. EBOOKBKMT.COM
b. Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ một chiều
- Dựa theo cuộn kích từ, động cơ điện một chiều có các loại sau:
+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung
cấp từ hai nguồn riêng rẽ.
+ Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song
song với phần ứng.
+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tếp
với phần ứng.
+ Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một
cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng.
- Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều:
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải..., cả
máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn,
dễ vận hành... mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng
rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất
định trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều
khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy
công cụ lớn, đầu máy điện...). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo
động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại
màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn. Nhưng do những ưu điểm của
nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
+ Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy
phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của
động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản
thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì
phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần....) rất đắt tiền thì động
cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc
mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao.
5

6. EBOOKBKMT.COM
+ Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp - chổi
than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung
chấn, dễ cháy nổ.
1.3 - Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Trên hình 1.5 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B,
trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện
nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác
dụng lên rotor, làm quay rotor. Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc
bàn tay trái (hình 1.5a).
Hình 1.5 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau
(hình 1.5b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều
biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều
lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rotor cũng theo một chiều nhất
định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi.
- Các trị số định mức của động cơ điện một chiều
Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện
một chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo
quy định. Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy
gọi là những đại lượng định mức.
1. Công suất định mức Pđm (kW hay W).
2. Điện áp định mức Uđm (V).
3. Dòng điện định mức Iđm (A).
4. Tốc độ định mức nđm (vòng/ph).
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ,…
6

7. EBOOKBKMT.COM
1.3.1 - Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập
Khi nguồn một chiều có công suất ko đủ lớn thì mạch điện phần ứng và
mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau. Lúc này động cơ được gọi là
động cơ một chiều kích từ độc lập.
Hình 1.6 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:
Uư = Eư + (Rư + Rf)Iư (1.1)
Trong đó:
Uư: Điện áp phần ứng (V)
Eư: Sức điện động phần ứng (V)
Rư: Điện trở mạch phần ứng (Ω )
Iư: Dòng điện của mạch phần ứng (A)
Với: Rư = rư + rcf + rcb + rct
rư: Điện trở cuộn dây phần ứng
rcf: Điện trở cuộn dây cực từ phụ
rct: Điện trở chổi than
rcb: Điện trở cuộn bù
Sức điện động phần ứng được xác định theo biểu thức sau:
Eư =
2
pN
a
φω
π
= kφω (1.2)
Trong đó:
p: Số đôi cực từ chính
N: Tổng số thanh dẫn của cuộn dây phần ứng
a: Số mạch nhánh song song
7

8. EBOOKBKMT.COM
φ : Từ thông kích từ dưới một cực
ω : Tốc độ góc (rad/s)
k: Hệ số cấu tạo động cơ
Từ (1.1) và (1.2) ta có:
ω = . .
u fR RU
I
K Kφ φ
+
(1.3)
Biểu thức trên là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ
Mặt khác, mômen điện từ Mđt được xác định bởi
Mđt = Kφ Iư (1.4)
Ta rút ra
I =
dtM
kφ
Thay giá trị I vào phương trình (1.3) ta có:
U
k
ω
φ
= - 2
.M
( )
u f
dt
R R
Kφ
+
(1.5)
Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ
bằng mômen điện từ, ta kí hiệu là M. Nghĩa là: Mdt = Mcơ = M
U
k
ω
φ
= - 2
.M
( )
u fR R
Kφ
+
(1.6)
Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông φ =const, thì các phương trình đặc
tính cơ điện (1.3) và phương trình đặc tính cơ (1.6) là tuyến tính. Đồ thị của
chúng được biểu diễn trên hình 1.7 là những đường thẳng.
- khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có:
1
0
U
k
ω ω
φ
= = , 0ω được gọi là tốc độ không tải lý
tưởng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
- Khi 0ω = ta có
1
u f
U
I
R R
= =
+ Inm
M kφ= Inm = Mnm
Inm và Mnm là dòng điện và mômen ngắn mạch
8

9. EBOOKBKMT.COM
Từ các phương trình trên mối quan hệ (M)fω = và ( )f Iω = được biểu diễn như
hình sau:
Hình 1.7 Đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều
9
M I
Mnm
n0n0
Inm
n n

10. EBOOKBKMT.COM
Chương 2 – Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều
2.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều là động cơ sử dụng điện áp một chiều. Động cơ
gồm hai phần riêng biệt là rotor và stator. Rotor là phần ứng của động cơ được
cấp nguồn thông qua chổi than và cổ góp, stato là phần tĩnh trên có gắn các cuộn
dây kích từ. Sơ đồ tương đương của động cơ một chiều có thể được mô tả như
sau:
u
u
φ
ω
Hình 2.1 Giản đồ thay thế động cơ một chiều
+ CKD: Cuộn kích từ độc lập của động cơ
+ CKN: Cuộn kích từ nối tiếp của động cơ
+ CB: Là cuộn bù
+ CF: Là cuộn phụ
2.1.1 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
a) Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ
Khi thay đổi điện áp phần ứng thì đặc tính cơ của động cơ là các đường
song song với nhau. Tốc độ của động cơ cũng sẽ được thay đổi tuy nhiên giá trị
tốc độ chỉ có thể điều khiển được dưới đường đặc tính cơ tự nhiên. Phương pháp
này hiện nay được sử dụng nhiều trong thực tế do có khả năng điều khiển trơn,
mịn và dễ dàng thực hiện được nhờ các bộ biến đổi công suất.
10

11. EBOOKBKMT.COM
Hình 2.1.a Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp
b) Thay đổi điện trở phụ đặt vào phần ứng của động cơ
Phương pháp này sử dụng điện trở phụ mắc thêm vào mạch phần ứng để
thay đổi tốc độ của động cơ một chiều. Giá trị tốc độ thay đổi cũng nằm dưới
đường đặc tính cơ tự nhiên. Dải thay đổi tốc độ theo điện trở phụ thuộc vào
điểm làm việc, nếu mômen cản trên động cơ càng nhỏ thì dài điều chỉnh tốc độ
càng bé.
Hình 2.1.b Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ
- Đặc điểm của phương pháp:
+ Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính
cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
+ Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ
định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).
11
ω
M
U1
U2U3
U3 < U2 < U1
Mc
ω
0ω
Rf2
Rf1
0ω
Rf0 = 0
Mc
ω
M
0
0

12. EBOOKBKMT.COM
+ Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng
trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng
ở động cơ điện trong cần trục.
+ Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở
phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản.
Ngày nay phương pháp này hầu như không được sử dụng.
c) Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi từ thông của động cơ
Hình 2.1.c Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông
Phương pháp này làm cho đường đặc tính cơ của động cơ trở nên mềm hơn
và nó thường chỉ ứng dụng trong việc điều khiển tốc độ lớn hơn đường đặc tính
cơ tự nhiên. Tuy nhiên việc thay đổi giảm từ thông cũng có thể dẫn đến giảm tốc
độ và từ thông cũng phải đảm bảo lớn hơn một giá trị ngưỡng cho trước để động
cơ đảm bảo an toàn.
Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục
và kinh tế (vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ
(1 ÷ 10)%Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp). Đây là phương pháp
gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ
lớn hơn tốc độ điều khiển.
2.1.2 Cấu trúc điều khiển động cơ một chiều
Ngày nay cấu trúc điều khiển động cơ một chiều thường sử dụng cấu trúc
điều khiển nối tầng (phân tầng hoặc điều khiển casecade), cấu trúc này gồm
nhiều vòng điều khiển nồng nhau
12
M
Mc1 Mc2 Mc3
ω
φ

13. EBOOKBKMT.COM
Hình 2.2 Cấu trúc điều khiển động cơ một chiều
spω : giá trị tốc độ đặt
spI : giá trị dòng điện đặt
Rω : bộ điều khiển tốc độ
IR : bộ điều khiển dòng điện
BBĐ : bộ biến đổi
ĐC: động cơ một chiều kích từ độc lập
Trong cấu trúc này gồm hai mạch vòng lồng nhau là mạch vòng điều khiển
dòng điện và mạch vòng điều khiển tốc độ. Cấu trúc được sử dụng như trên hình
là cấu trúc điều khiển tốc độ của động cơ. Giá trị tốc độ đặt được đặt vào bộ điều
khiển tốc độ, đầu ra bộ điều khiển tốc độ Rω là giá trị dòng điện đặt cho bộ điều
khiển dòng. Bộ điều khiển dòng có nhiệm vụ điều khiển dòng của động cơ và
đảm bảo dòng phần ứng luôn nằm trong giá trị làm việc an toàn. Trong trường
hợp động cơ có công suất nhỏ và có khả năng chịu quá tải lớn người ta có thể bỏ
qua mạch vòng dòng điện.
2.2 Xây dựng mô hình của động cơ
2.2.1 Mô hình toán của động cơ điện một chiều
- Xét một động cơ có mô hình như sau:
BBĐ ĐC
– –
13

14. EBOOKBKMT.COM
Hình 2.3 Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Với: Ru = ru + rcf + rcb + rct
ru: điện trở cuộn dậy phần ứng
rcf: điện trở cuộn cực từ phụ
rcb: điện trở cuộn bù
rct: điện trở tiếp xúc chổi điện
Khi đó phương trình toán của động cơ có thể viết được
(+) Phương trình mạch kích từ
Uk = Ik.Rk + Nk.
d
dt
φ
Trong đó:
Uk: điện áp mạch kích từ
φ : từ thông của động cơ
Rk: điện trở mạch kích từ
Nk: số cuộn dây mạch kích từ
(+) Phương trình mạch phần ứng
Uu = Iu.Ru + Lu. udi
dt
+ E
Trong đó:
Uu: điện áp mạch phần ứng
Iu : dòng điện mạch phần ứng
Ru: điện trở mạch phần ứng
E : sức điện động phần ứng
(+) Phương trình chuyển động
14

15. EBOOKBKMT.COM
Me – Mc = J.
d
dt
ω
Trong đó:
Me: mômen điện của động cơ
Mc: mômen cản trên trục động cơ
J : mômen quán tính
ω : tốc độ của động cơ
E = k. .φ ω (k: hằng số động cơ)
Me = k. .φ Iu
- Để xây dựng mô hình động cơ ta chuyển các phương trình của động cơ sang
miền Laplace, ta được:
Pt mạch kích từ:
Uk = Ik.Rk + Nk.s.φ (2.1)
Pt mạch phần ứng:
Uu = Iu.Ru + Lu.s.Iu + E (2.2)
Pt chuyển động:
Me – Mc = J.s.ω (2.3)
Từ (2.1) ta có: φ =
1
.sNk
.(Uk – Ik.Rk)
Từ (2.2) ta có: Iư =
1
.su uR L+
.(Uu – E)
=
1
1 .s
u
u
u
R
L
R
+
.(Uu – E) =
1
1 .s
u
u
R
T+
.(Uu – E)
Trong đó: Tu =
u
u
L
R
được gọi là hằng số thời gian mạch phần ứng
Từ (2.3) ta có:
1
.sJ
ω = .(Me – Mc)
Biểu diễn mô hình động cơ trên simulink:
15

16. EBOOKBKMT.COM
Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc chung của động cơ một chiều
Từ sơ đồ cấu trúc này ta thấy rằng phương trình động cơ một chiều kích từ
độc lập là một phương trình phi tuyến do quan hệ giữa từ thông và dòng kích từ
là một quan hệ phi tuyến theo đường cong từ hóa. Ngoài ra quan hệ phi tuyến
cũng tồn tại giữa mômen cản và tốc độ động cơ, đo đó mô hình của nó cũng là
mô hình phi tuyến.
Trong nhiều trường hợp phải tính toán các bộ điều khiển cho động cơ
thường phải tuyến tính hóa các quan hệ phi tuyến này và chuyển mô hình động
cơ về dạng mô hình một chiều tuyến tính hóa.
2.2.2 Mô hình tuyến tính hóa động cơ một chiều kích từ độc lập
Ta biết rằng quan hệ giữa từ thông và dòng điện kích từ là một quan hệ phi
tuyến nên nó gây khó khăn cho việc thiết kế điều khiển khi cần thay đổi từ thông
của động cơ. Chính vì vậy trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến
tính hóa quanh điểm làm việc (phương pháp gia số).
Trước hết chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hóa đặc tính từ hóa và
đặc tính mômen tải như hình 2.5
16
ω
φ

17. EBOOKBKMT.COM
Hình 2.5 Tuyến tính hóa đoạn đặc tính từ hóa và đặc tính tải
Độ dốc của đặc tính từ hóa và đặc tính cơ mômen tải tương ứng là (bỏ qua
hiện tượng từ trễ):
kk =
kI
φ∆
∆
B = cM
ω
∆
∆
Tại điểm làm việc xác lập ta có: điện áp phần ứng Uu0, dòng điện phần ứng
Iu0, điện áp kích từ Uk0, dòng điện kích từ Ik0, từ thông 0φ , tốc độ quay 0ω ,
mômen cản Mc. Những giá trị sai lệch (biến thiên nhỏ) của các đại lượng trên
tương ứng là: uU∆ , uI∆ , kU∆ , kI∆ , φ∆ , ω∆ , ∆ Mc .
Ta đã có các phương trình của động cơ khi xem xét mục (2.2.1)
Phương trình phần ứng:
Uu = Iu.Ru + Lu.
udI
dt
+
k.
.φ ω
Phương trình kích từ:
Uk = Ik.Rk + Nk.
d
dt
φ
Phương trình chuyển động:
k. .φ Iu – Mc = J.
d
dt
ω
Khi đó ta có thể thay các giá trị:
Uu = Uu0 + ∆ Uu
Iu = Iu0 + ∆ Iu
17

18. EBOOKBKMT.COM
Uk = Uk0 + ∆ Uk
Ik = Ik0 + ∆ Ik
0ω ω ω= + ∆
0φ φ φ= + ∆
Ta được:
Pt phần ứng:
Uu + ∆ Uu = Ru.(Iu0 + ∆ Iu) + Lu.
( )uo ud I I
dt
+ ∆
+ k.( 0φ φ+ ∆ ).( 0ω ω+ ∆ )
Pt kích từ:
Uk0 + ∆ Uk = Rk.(Ik0 + ∆ Ik) + Nk. 0( )d
dt
φ φ+∆
Pt chuyển động:
k( 0φ φ+ ∆ )(Iu0 + ∆ Iu) – Mc0 + ∆ Mc = J. 0( )d
dt
ω ω+ ∆
Rút gọn các giá trị tại điểm làm việc cân bằng và bỏ qua sai phân bậc cao
.φ ω∆ ∆ = 0 ta thu được phương trình của động cơ tại điểm làm việc cân bằng sau
khi tuyến tính hóa:
Phương trình phần ứng:
∆ Uu = ∆ Iu.Ru + Lu. ud I
dt
∆
+ k. 0φ . ω∆ + k 0.ω φ∆ (2.4)
Phương trình kích từ:
∆ Uk = ∆ Ik.Rk + Nk.
d
dt
φ∆
= .k
k
R
k
φ∆ + Nk.
d
dt
φ∆
, (kk =
kI
φ∆
∆
) (2.5)
Phương trình chuyển động:
k. 0. uIφ ∆ + k.Iu0. φ∆ - ∆ Mc = J.
d
dt
ω∆
(2.6)
Để xây dựng mô hình động cơ ta xuất phát tính từ thông và dòng phần ứng.
Chuyển các phương trình của động cơ sang miền Laplace:
Từ (2.4) ta có:
∆ Uu = Ru.∆ Iu + L.s.∆ Iu + k. 0φ . ω∆ + k 0.ω φ∆
18

19. EBOOKBKMT.COM
∆ Iu =
1
1 .
u
u
R
T s+
.(∆ Uu - k. 0φ . ω∆ - k 0.ω φ∆ )
Từ (2.6) ta có:
∆ Uk = .k
k
R
k
φ∆ + Nk.s. φ∆
φ∆ = .
. .
k
k k k
k
R N k s
∆
+
Uk
Từ các phương trình trên ta suy ra sơ đồ cấu trúc chung đã được tuyến tính
hóa của động cơ một chiều kích từ độc lập.
Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa
2.2.3 Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập với từ thông không đổi
(φ = const)
Đối với động cơ một chiều kích thích vĩnh cửu hay động cơ một chiều kích
từ độc lập mà không điều khiển từ thông thì có thể coi từ thông của động cơ là
hằng số. Khi đó phương trình mạch kích từ là một giá trị không đổi và ta không
19
ω∆∆ Me
∆ Mc
∆ Uu
∆ Uk
k 0ω
k 0φ
k 0φ
kI0
φ∆
∆ Iu

20. EBOOKBKMT.COM
cần xem xét đến nó, các phương trình còn lại của hệ chỉ liên quan đến giá trị của
phần ứng động cơ
Từ đây ta bỏ các chỉ số u và k. Và mặc định tất cả các giá trị đều là mạch
phần ứng động cơ.
- Phương trình mạch phần ứng:
U = I.Ru + Lu.
dI
dt
+ E
Trong đó:
E = k. .φ ω = Cu.ω
- Phương trình mômen:
Me – Mc = J.
d
dt
ω
Trong đó:
Me = k. .Iφ = Cu.I
Từ các phương trình trên ta xác định được mô hình động cơ một chiều kích
từ độc lập với φ = const
I =
1
.
1 .
u
u
R
T s+
(U – E)
ω =
1
.
.J s
(Me – Mc)
Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
2.2.4 Động cơ kích từ độc lập với điện áp phần ứng không đổi
20
ω

21. EBOOKBKMT.COM
Khi giữ điện áp phần ứng không đổi và điều chỉnh điện áp kích từ thì do tính
chất phi tuyến của mạch từ nên tốt nhất là sử dụng sơ đồ tuyến tính hoá quanh
điểm làm việc. Sơ đồ cấu trúc này được thể hiện trên hình 2.4, trong đó tín hiệu
điện áp phần ứng ∆Uu = 0.
Phương pháp này có ưu điểm là: bộ chỉnh lưu có điều khiển trong mạch kích
từ nhỏ gọn hơn, rẻ tiền hơn, với công suất nhỏ hơn dẫn đến kích thước và trọng
lượng nhỏ hơn.
Tuy nhiên nó có những nhược điểm cơ bản đó là:
- Đụng chạm đến tính phi tuyến của động cơ.
- Số vòng dây của cuộn kích từ lớn hơn do đó hằng sô thời gian mạch kích
từ lớn hơn nhiều so với mạch phần ứng (Tk>>Tu) dẫn đến thời gian quá
độ của hệ kéo dài.
- Phạm vi điều chỉnh tốc độ quay hẹp và còn bị phụ thuộc nhiều vào giá trị
mômen cản.
- Do ảnh hưởng của từ dư sẽ gây ra sai lệch trong quá trình thực hiện đảo
chiều quay động cơ.
Chương 3 – Mô phỏng các đặc tính của động cơ
21

22. EBOOKBKMT.COM
một chiều bằng Matlab&Simulink
3.1 Lựa chọn các thông số cho mô phỏng
* Chọn các thông số cho động cơ điện một chiều
- Điện trở phần ứng:
Ru = 250mΩ
- Mô men quán tính:
J = 0,01 kgm2
- Điện cảm phần ứng:
Lu = 4mH
- Hằng số động cơ:
ke = 236,8
km = 38,2
- Từ thông danh định:
Rφ = 0,04 Vs
3.2 Mô phỏng các trường hợp cụ thể của động cơ bằng simulink
3.2.1 Mô phỏng động cơ điện trong trường hợp φ = const
Đối tượng điều khiển là động cơ một chiều kích từ độc lập cần phải được
điều chỉnh dòng (qua đó điều khiển mômen quay của động cơ) và điều chỉnh tốc
độ quay. Đối tượng được mô tả bởi hệ các phương trình dưới đây:
- Điện áp phần ứng:
Uu = E + Ru.iu + Lu.
di
dt
- Sức điện động cảm ứng:
E = ke. .φ ω
- Tốc độ quay:
Me – Mc = J.
d
dt
ω
- Mômen quay:
Me = kM. .φ iu = Cu.iu
- Hằng số động cơ:
ke = 2Π .kM
22

23. EBOOKBKMT.COM
- Hằng số thời gian phần ứng:
Tu =
u
u
L
R
⇒ I =
1/
.
1 .
Ru
Tu s+
(U – E)
1
.
.J s
ω = (Me – Mc)
Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi điện áp đặt có dạng bước nhảy như hình 3.1
Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi từ thông không đổi
Trong đó:
Gain: Cu = .k φ = 38,2.0,04 = 1,528
Step: Thời điểm bắt đầu của tín hiệu bước nhảy Step time = 0 (s)
Giá trị ban đầu Initial value = 0
Giá trị cuối Final value = 50 (V)
Simulation time:
Start time: 0.02
Stop time: 0.2
Slover:
Max step size: 0.0001
23

24. EBOOKBKMT.COM
Đặc tính tốc độ, đặc tính dòng điện, đặc tính điện áp phản hồi cảu động cơ
thu được khi mô phỏng lần lượt như hình dưới đây:
(+) Khi không có nhiễu Mc = 0:
- Đặc tính tốc độ:
( / )rad sω
Hình 3.2. Đặc tính hiển thị tốc độ của động cơ
Độ quá điều chỉnh:
max 55 32
% .100% .100% 71.9%
32
xl
xl
y y
y
δ
− −
= = ≈
+ Độ quá điều chỉnh tương đối lớn. Nhưng khoảng thời gian quá độ lại
tương đối nhỏ
- Đặc tính dòng điện:
24
t(s)
I(A)

25. EBOOKBKMT.COM
Hình 3.3. Đặc tính hiển thị dòng điện của động cơ
- Đặc tính điện áp phản hồi:
Hình 3.4. Đặc tính hiển thị điện áp phản hồi của động cơ
- Đặc tính mômen:
Hình 3.5. Đặc tính mômen của động cơ
Nhận xét về kết quả mô phỏng thu được:
25
t(s)
t(s)
U(V)
M(Nm)
t(s)

26. EBOOKBKMT.COM
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập là một đối tượng phi tuyến.
- Ta thấy sau khoảng thời gian 0,12 (s) hệ thống đi vào ổn định.
- Khi khởi động trực tiếp động cơ, trong quá trình quá độ, dòng điện phần ứng
tăng lên rất lớn so với dòng điện định mức.
- Việc điều chỉnh tốc độ động cơ tương đối dễ dàng.
- Trong chế độ xác lập tín hiệu điện áp phản hồi bám với tín hiệu dặt.
(+) Khi thay đổi nhiễu Mc = 20:
- điện áp phản hồi:
( / )rad sω
Hình 3.6. Đặc ính điện áp phản hồi
- Đặc tính tốc độ:
Hình 3.7. Đạc tính tốc độ của động cơ
- Đặc tính dòng điên:
26
t(s)
t(s)
( / )rad sω

27. EBOOKBKMT.COM
Hình 3.8. Đặc tính dòng điện của động cơ
- Đặc tính mô men:
Hình 3.9. Đặc tính mômen của động cơ
Nhận xét:
+ Khi có nhiễu thì giá trị dòng điện và mô men tăng theo, còn giá trị tốc độ và
điện áp phản hồi thì giảm.
+ điện áp phản hồi không còn bám với tín hiệu đặt.
(+) Khi nắp thêm bộ lọc:
27
t(s)
t(s)
M(Nm)
I(A)

28. EBOOKBKMT.COM
Hình 4.0. Sơ đồ mô phỏng cấu trúc của động cơ khi từ thông không đổi
- Đặc tính tốc độ:
Hình 4.1. Đặc tính hiển thị tốc độ
- Đặc tính dòng điện:
Hình 4.2. Đặc tính hiển thị dòng điện
Nhận xét:
Khi nắp thêm bộ lọc ta thấy độ quá điều chỉnh giảm đi rất nhiều.
28
t(s)
t(s)
( / )rad sω
I(A)

29. EBOOKBKMT.COM
3.3.Kết luận, nhận xét kết quả mô phỏng
- Thời gian quá độ tương đối nhỏ; độ quá điều chỉnh và độ sai lệch của hệ tương
đối lớn. Vì thế mô hình động cơ này chưa đáp ứng được yêu cầu.
- Việc điều chỉnh dòng (qua đó điều khiển được mômen quaycuar động cơ) và
điều chỉnh tốc độ quay tương đối dễ dàng.
29

30. EBOOKBKMT.COM
Kết luận
Dựa vào các kết quả mô phỏng thu được ta biết được sự hoạt động và các
chế độ làm việc của động cơ điện một chiều. Và nhờ đó sẽ giúp ta biết cách sử
dụng hợp lý động cơ điện một chiều trong các quy trình công nghệ. Việc mô
phỏng giúp ta khảo sát được đối tượng mà không nhất thiết phải có đối tượng
hay hệ thống thực.
Qua thời gian nghiên cứu, tìm hiểu cùng với sự hướng dẫn của thầy Phạm
Tâm Thành, em đã hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế
nên không tránh khỏi những sai sót. Em mong thầy cô và các bạn góp ý để bài
làm của em được hoàn thiện hơn.
30

31. EBOOKBKMT.COM
Tài liệu tham khảo
[1]. Tài liệu: Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động
Tác giả: Nguyễn Phùng Quang
NXB: Khoa học và kỹ thuật
Năm XB: 2005
[2]. Tài liệu: Điều chỉnh tự động truyền động điện
Tác giả: Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn
Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi
NXB: Khoa học và kỹ thuật
Năm XB: 2006
31