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

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 605202 16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT






NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.
NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG








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.

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu nêu
trong luận văn là trung thực. Những kết luận khoa học của luận văn chưa từng được ai
công bố trong bấ
t kỳ công trình nào. Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ
nguồn gốc.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 08 năm 2014
Tác giả luận văn



Nguyễn Chí Kiên


ii



LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn của nhà
trường, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp;
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau đại học, các giảng
viên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này;
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Th
ị Mai Hương, Đại
học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận
văn này;
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Tiến Hưng đã tạo điều kiện
để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất;
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể lu

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

1.2.5 Điều khiển nối cấp động cơ một chiều trong vùng giảm kích từ 12
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYẾN ĐỘNG 16
2.1 Giới thiệu 16
2.2 Mô hình hệ thống động 16
2.3 Tuyến tính hóa đầu ra – đầu vào 17
2.4 Thiết kế điều khiển thích nghi theo tải 20
2.5 Điều khiển tốc độ động cơ không sensor 25
2.6 Các ứng dụng 28
2.7 Kết luận 30
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 32
3.1 Tổng hợp hệ 32
iv



3.2 Hệ điều chỉnh tốc độ ở chế độ điều áp phần ứng 32

3.2.1 Mô hình toán học động cơ một chiều, kích từ độc lập. 32
3.2.2 Mô hình toán học bộ chỉnh lưu có điều khiển. 36
3.2.3 Tổng hợp các mạch vòng. 37
3.3 Hệ điều chỉnh tốc độ ở chế độ điều chỉnh giảm từ thông kích từ 41
3.3.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện. 42
3.3.2 Tổng hợp mạch vòng sức phản điện động. 44
3.4 Kết luận chương 3 45
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 46
4.1 Mô phỏng hệ thống 46
4.1.1 Bảng tham số động cơ truyền động 46
4.1.2 Cấu trúc mô phỏng hệ thống 46
4.1.3 Kết quả mô phỏng 47
4.2. Thực nghiệm 49

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


Hình 3. 2 Sơ đồ mạch thay thế mạch điện phần ứng 33
Hình 3. 3 Mô hình tuyến tính hoá động cơ điện một chiều 34
Hình 3. 4 Mô hình tuyến tính hoá động cơ điện một chiều 34
Hình 3. 5 Mô hình tuyến tính hoá mô phỏng động cơ một chiều kích từ độc lập 36
Hình 3. 6 Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển 36
Hình 3. 7 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện 37
Hình 3. 8 Sơ đồ rút gọn mạch vòng dòng điện 38
Hình 3. 9 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ. 39
vi



Hình 3. 10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ 40

Hình 3. 11 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện mạch kích từ 42
Hình 3. 12 Sơ đồ cấu trúc rút gọn mạch vòng dòng điện mạch kích từ 42
Hình 3. 13 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ. 44
Hình 3. 14 Cấu trúc rút gọn mạch vòng điều khiển điện áp kích từ 44
Hình 4. 1 Đặc tính tốc độ, mô men và công suất vùng điều chỉnh điện áp phần ứng 47
Hình 4. 2 Đặc tính tốc độ, mô men và công suất vùng điều chỉnh giảm từ thông 48
Hình 4. 3 Mô hình thực nghiệm hệ thống 49
Hình 4. 4 Đặc tính tốc độ động cơ khi điều chỉnh giảm từ thông 50

vii



MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:

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




4. Kết quả dự kiến:
- Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều.
- Xây dựng được mô hình toán học và thuật toán của hệ điều khiển tốc độ động
cơ một khi các thông số thay đổi.
- Mô phỏng và thực nghiệm.




- 1 -
CHƯƠNG 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 Khái niệm chung:
Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay đổi do sự biến
thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực với tốc độ đặt, làm giảm
năng suất của máy sản xuất. Chính vì vậy việc điều khi
ển tốc độ động cơ là một yêu
cầu cần thiết và tất yếu đối với các máy sản xuất.
Như ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đều đòi hỏi có nhiều tốc độ, nhưng
tuỳ theo từng công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau.
Muốn có được các tốc độ khác nhau trên máy, ta có thể thay đổi cấu trúc cơ h
ọc của
máy như tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của động cơ truyền động chính… Nhưng ở
đây chúng ta chỉ khảo sát theo phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ truyền động.
Ở động cơ một chiều, việc điều chỉnh tốc độ động cơ có nhiều ưu việt hơn so
với các loại động c
ơ khác. Động cơ điện một chiều không những có khả năng điều
chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển lại đơn giản hơn các loại
động cơ khác và đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh rộng.

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

trên thì cần có các bộ bi
ến đổi. Các bộ biến đổi đó sẽ cấp điện áp cho mạch phần ứng
động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Các bộ biến đổi được sử dụng phổ biến trong
công nghiệp hiện nay là:
+ Bộ biến đổi máy điện : gồm có động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc
máy điện khuếch đại
+ Bộ biế
n đổi từ : Khuếch đại từ
+ Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : Chỉnh lưu Thysistor
+ Bộ biến đổi xung áp một chiều : Thysistor hoặc Tranzitor
Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như sau:
+ Hệ truyền động máy phát - động cơ ( F - Đ)
+ Hệ truyền động máy điện khuếch đại - động cơ (MĐ
KĐ – Đ)
+ Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ ( KĐT- Đ)
+ Hệ truyền động chỉnh lưu thysistor - động cơ ( T- Đ)
+ Hệ truyền động xung áp - động cơ ( XA – Đ)…
1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Từ phương trình đặc tính cơ
M
K
RR
K
U
fu
u
.
)(
2







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
f


Hình 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

dm
= const; và từ thông  = 
dm
= const;
thay đổi điện trở phần ứng ta sẽ được:
+ Tốc độ không tải lý tưởng:



.
U
dm

= const
+ Độ cứng đặc tính cơ:
RR
fu





).(
2

= var
D
ck
d
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

= const; điện trở phần R
ư
= const;
và thay đổi dòng điện kích từ I
kt
của động cơ. Điều này tương ứng với việc từ thông
của mạch từ sẽ thay đổi .
Ta được:
+ Tốc độ không tải:




.
U
dm

= var
+ Độ cứng đặc tính cơ:
R
u
)( .
2





= var


(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
<

02
<…), độ cứng đặc tính cơ

giảm. Nên
phương pháp này dùng để tăng tốc độ >
0
.
+ Do việc điều chỉnh đựơc thực hiện ở mạch kích từ, có dòng kích từ nhỏ hơn
rất nhiều so với mạch lực, nên công suất tổn hao ít. Đây là ưu điểm nổi bật của động
cơ điện một chiều ( kích từ độc lập ) so với các loại động cơ khác.
+ Phương pháp này chịu ảnh hưởng của hiện tượng từ d
ư và các nhiễu, làm
ảnh hưởng xấu đến chất lượng của các hệ truyền động đảo chiều bằng kích từ.
+ 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 mạch
bình thường thì cần ph
ải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là momen cho
phép trên trục động cơ giảm rất nhanh. Và do đó giá trị lớn nhất của dải điều chỉnh từ
thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện.
Điều chỉnh từ thông kích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men
đ
iện từ của động cơ M = KIư và sức điện động quay của động cơ Eư = K. Mạch
M
M
nm

dm




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

(rad/s
(A)
(N.m)
6



kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi
tuyến:

dt
d
rr
e
i
k
kb
k
k






trong đó: r
k
- điện trở dây quấn kích thích,
r
b

- 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





hay


2
**




7



U
đk

r
bk
L
k
i
k
r
k

k
I
E



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

=
dm
= const ; R

= const v thay i in ỏp theo hng gim so
vi U
dm
, ta c:
Tc khụng ti :
var
K
E
dm
b
x0





cng c tớnh c:
2
()
bu
K
const
RR






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


21




dm

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cho phép điều
chỉnh dưới tốc độ định mức (Vì không thể tăng cao hơn điện áp định mức của động
cơ điện).
1.2.4 Điều khiển phần ứng và kích từ kết hợp:
Từ các phân tích trên có thể thấy rằng điều khiển phần ứng và kích từ
của
động cơ điện một chiều đều có những ưu điểm riêng, nhưng các ứng dụng thông
thường vẫn chưa kết hợp hai hệ điều khiển này với nhau. Bên dưới tốc độ cơ bản
0



0


01

TN
M
đm
M (N.m)

dm





02


04


03


4


3


2


1

(rad/s)
9



từ thông chính tốt nhất được giữ tại giá trị danh định

0e

trong khi tốc độ biến đổi
theo điện áp phần ứng u
a
. Đây gọi là vùng điều khiển phần ứng hay vùng tốc độ cơ
bản. Khi đạt đến điện áp phần ứng định mức

u
a0
, tăng tốc độ cao hơn chỉ có thể đạt
được bằng việc giảm từ thông, bởi vậy sẽ tạo ra các vùng điều khiển kích từ riêng rẽ
mà mở rộng vùng tốc độ cơ bản ở mỗi chiều quay. Điều này được mô tả trong sơ đồ
Hình. 1.6.

Hình 1. 6 Các vùng điều khiển động cơ DC ở trạng thái tĩnh
Người ta thấy rằng khi muố
n đảo chiều tốc độ không tải thì phải đảo chiều
điện áp phần ứng. Về nguyên tắc cũng có thể đảo chiều kích từ (các đường cong nét
đứt), đồng thời mô-men quay sẽ đảo chiều sao cho động cơ làm việc ở góc phần tư
thứ ba.
Tuy nhiên, phương pháp "đảo chiều kích từ" thường được sử dụng trong quá
khứ lại rất ít khi được sử dụng ngày nay bởi vì nó
được cho là ngắt kích từ sau đó cấp
lại kích từ cho động cơ, việc này đòi hỏi thời gian vì theo quan điểm năng lượng, từ
trường lớn đang được tích lũy trong cuộn dây kích từ. Nếu điện áp cưỡng bức cao
-2 -1 1 2
Ôe0
Ua0
Ua

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




được đặt vào cuộn kích từ để đảo chiều từ thông nhanh, một điện áp đáng kể cũng
cảm ứng trong cuộn dây phần ứng gây nguy hiểm cho vành góp. Cũng vậy, dòng
phần ứng phải giới hạn trong thời gian đảo chiều từ thông gây ra sự gián đoạn mômen
quay. Với các động cơ lớn hơn, thời gian quá độ này với mômen quay bằng không có
thể lên đến 1(s) là điều không tố
t cho một truyền động đảo chiều nhanh. Vì những lý
do này mà các truyền động được mong muốn làm việc với mômen quay và tốc độ hai
chiều ("4 góc phần tư", có khả năng làm việc trong tất cả các góc phần tư của mặt
phẳng tốc độ - mômen quay (đặc tính cơ) ngày nay thường được trang bị một nguồn
cung cấp cho phần ứng ở các cực điện áp và dòng điện "nguồn điện DC b
ốn góc phần
tư", có khả năng làm việc trong tất cả các góc phần tư của mặt phẳng điện áp – dòng
điện); điều này có ưu điểm là cực tính của từ thông có thể duy trì không đổi.
Khi một nhóm động cơ một chiều được cung cấp từ một nguồn điện áp phần
ứng chung, khi điều chỉnh kích từ là giải pháp đơn giản nhất phù hợ
p với các tốc độ
của động cơ đối với các yêu cầu của tải, điều này có thể xảy ra với các truyền động
sản xuất giấy, ở đó nguyên liệu được truyền nối tiếp qua các trạm gia công với động
cơ truyền động riêng. Trong trường hợp này, khi điều chỉnh giảm kích từ riêng, như
0
0.8
ee
  , có thể được áp dụng đồng thời với việc điều khiển điện áp phần ứng.
Ở công suất thấp, điều khiển kích từ - phần ứng kết hợp được chỉ ra trong
Hình:1.6 có thể được thực hiện bởi một mạch bao gồm các điện trở. Với các máy điện
lớn hơn điều này là không khả thi do những tổn thất l
ớn, do đó nên dùng các nguồn
điện độc lập cung cấp cho cuộn dây phần ứng và cuộn dây kích từ. Giảm kích từ có
thể được thực hiện tự động bởi một vòng điều khiển phụ, bằng cách điều chỉnh điện
áp kích từ, hạn chế điện áp phần ứng cảm ứng theo


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

đa thấp hơn khi kích từ suy giảm.

Hình 1. 7 Các vùng làm việc của động cơ DC kích từ độc lập trong mặt phẳng
mômen quay - tốc độ
Hình này cho thấy rõ ràng động cơ một chiều là một đối tượng điều khiển
tuyến tính chỉ trong vùng đi
ều khiển phần ứng; khi vượt quá tốc độ cơ bản, sẽ có độ
phi tuyến đáng kể ngay cả trong điều kiện trạng thái tĩnh.
Điều khiển phần ứng và kích từ đồng thời đôi khi được xem như là một cách để giảm
tổn thất động cơ nhờ giảm các tổn thất đồng trong các cuộn dây kích từ và tổn thất sắt
trong phần
ứng, tất nhiên, điều này chỉ ứng dụng cho tải nhỏ khi mà các tổn thất dẫn
tăng trong phần ứng không ngăn được ảnh hưởng này.
commutation
limit
2
Ua=Ua0
Ua=0
Ua=-Ua0
1
-1
-2
Field control
Ua=Ua0

Öe<Ö
Armature control
-Ua0<Ua<Ua0

Ö Ö

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

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

12



Cũng vậy, điều này có thể gây ra một sự trễ không mong muốn trong việc tạo
mô-men quay động cơ, gây ra một sự đột biến tải không mong muốn, vì từ thông đầu
tiên sẽ được tăng lên giá trị định mức. Do đó thực tế này chỉ có thể là một lựa chọn
riêng cho một vài ứng dụng, chẳng hạn xe ô tô điện dùng pin, nơi mà sự duy trì năng
lượng là rất quan tr
ọng và tải tăng vọt không xảy ra.
Nguồn tài liệu : [Separately Excited DC Machine]
1.2.5 Điều khiển nối cấp động cơ một chiều trong vùng giảm kích từ:
Trong Phần:1.2.4 ta thấy rằng bằng cách giảm kích từ chính, một động cơ một
chiều có thể làm việc trên tốc độ cơ bản. Để sử dụng tốt, điều quan trọng là động cơ
cần được cung cấp đi
ện áp phần ứng định mức và giảm điện áp kích từ; như đã đề cập
phần trước có thể có một số thuận lợi cho điều khiển.
Vì động cơ có thể luân phiên làm việc ở một trong những vùng này do vậy để
phù hợp nên lựa chọn một chiến lược điều khiển mà đáp ứng được tất cả các yêu cầu
và cho phép một quá trình chuyể
n đổi liên tục và tự động từ chế độ làm việc này đến
chế độ làm việc khác.
Lược đồ điều khiển chứng minh tính hữu ích trong thực tế, được chỉ ra trong
Hình1.8. Nó bao gồm điều khiển cấp tốc độ - dòng điện, được thực hiện qua điện áp
phần ứng mà đã thảo luận ở trước, ngoài ra, có một vòng điều khiển ph

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

axm
e khi
sự cân bằng đạt được bộ điều khiển - e bắt đầu giảm điện áp kích từ mong muốn.
Sơ đồ được vẽ trong Hình1.8. mô tả một hệ thống điều khiển phức tạp và phi
tuyến cao, trùng hợp với tất cả các phương pháp thiết kế tổng quát; sơ đồ rút gọn
đáng kể đưa ra kết quả nếu có thành công trong việc tăng t
ốc vòng lặp điều khiển - e
thì chỉ có ích trong vùng giảm kích từ, do đó e có thể được xấp xỉ trong vùng làm
việc đó bằng một điện áp đặt vào không đổi. Việc xấp xỉ như vậy là không thực tế
hoàn toàn nếu năng lượng kích từ được cung cấp từ một bộ biến đổi có điện áp
ngưỡng đủ lớn (chỉ một cự
c của dòng kích từ là cần thiết). Nếu stator và các cực kích
từ được phân lớp, "đối tượng" có thể được mô tả bởi một thành phần trễ đơn giản, có
hệ số khuếch đại phụ thuộc tốc độ, và tác động nhanh của các thiết bị truyền động;
không có bài toán ổn định nào được mong đợi ngay cả ở hệ số khuếch đại cao. Không
phải tính phi tuyến của mạch t
ừ là mối quan tâm chính bởi vì bộ điều khiển - e làm
việc chủ yếu ở vùng từ thông giảm khi đó bão hòa không được đưa ra. Vì những lý do
này một bộ điều khiển PI là đủ đáp ứng; thời gian vượt trước của nó có thể được điều
chỉnh đến hằng số thời gian kích từ của động cơ trong khi độ trễ còn lại được thực
hiện bở
i thành phần - I của bộ điều khiển .
Giả thiết điều khiển e nhanh trong vùng giảm kích từ, sơ đồ khối tương đương
đơn giản ở các kết quả Hình.1.9 Hiệu quả của các vòng lặp điều khiển - e được xấp xỉ
bằng một điện áp không đổi tác động như một nhiễu ngoài, từ thông gần trở thành
một hàm đại số phi tính c
ủa tốc độ, ảnh hưởng đến hằng số thời gian cơ học. Về
nguyên tắc, sự thay đổi không mong muốn này của tham số có thể được bù bằng chia
sai lệch tại đầu vào của bộ điều khiển tốc độ bởi
0

/
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:

Speed controller: Bộ điều khiển tốc độ;
Current controller: Bộ điều khiển dòng điện;
÷
Bộ lọc
Điều khiển
tốc
độ
Điều khiển
dòng điện
Hạn chế