Tài liệu Thiết kế bộ điều khiển để ổn định tốc độ động cơ điện một chiều

TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG KHOA KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ ----------------------- LÊ VĂN TRIỂN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỂ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: Đại học Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử NGƢỜI HƢỚNG DẪN: THS. ĐÀO ANH QUÂN Phú Thọ, 2017 ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 1 LỜI CẢM ƠN Trong cuộc sống không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của ngƣời khác. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập tại trƣờng đến nay, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô ở Khoa Kỹ thuật Công nghệ và đặc biệt các thầy cô trong bộ môn Điện, điện tử - Trƣờng Đại học Hùng Vƣơng đã dùng tâm huyết, lòng nhiệt tình cùng với kiến thức có đƣợc của mình để truyền đạt, chỉ bảo cho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập tại trƣờng. Và đặc biệt, trong học kỳ này. Nếu không có những sự hƣớng dẫn, chỉ bảo tậm tình của các thầy cô thì bài báo cáo này của em rất khó có thể hoàn thiện đƣợc. Bài báo cáo đồ án của em đƣợc thực hiện trong khoảng thời gian khoảng 6 tháng. Bƣớc đầu đi vào thực tế nghiên cứu em nhận thấy vốn kiến thức của bản thân còn hạn chế và gặp rất nhiều khó khăn. Nhƣng nhờ có sự giúp đỡ, chỉ bảo của giảng viên hƣớng dẫn là thầy ThS. Đào Anh Quân nên vấn đề của em đã đƣợc giải quyết. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc tới Thầy, xin chúc thầy sức khỏe, công tác tốt và cùng với các thầy cô trong trƣờng đào tạo ra những sinh viên ƣu tú phục vụ cho đất nƣớc. Trong quá trình nghiên cứu, cũng nhƣ trong quá trình viết bài báo cáo, khó tránh khỏi những sai sót, vậy nên em rất mong nhận đƣợc sự quan tâm cùng với những sự chỉ bảo, những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn sinh viên để cho đề tài của em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Phú Thọ, ngày 10 tháng 05 năm 2017 Sinh viên thực hiện Lê Văn Triển ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 2 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, sự phát triển của kỹ thuật điều khiển truyền động điện cho các dây chuyền sản xuất trong công nghiệp đã đạt đƣợc nhiều thành tựu to lớn. Cùng với sự phát triển đó các phƣơng pháp điều khiển động cơ cũng đƣợc nghiên cứu phát triển ngày càng tối ƣu. Bên cạnh đó việc đi sâu tìm hiểu các giải pháp điều khiển cho động cơ một chiều luôn đƣợc nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu. Đã có nhiều tài liệu nghiên cứu về điều khiển động cơ một chiều. Trong đó nhiều phƣơng pháp nghiên cứu đã đƣợc ứng dụng trên thực tế và chế tạo thành các sản phẩm thƣơng mại và đƣợc nghiên cứu rộng rãi trong công nghiệp. Tuy nhiên các phƣơng pháp điều khiển đƣợc ứng dụng vẫn là các phƣơng pháp truyền thống, dựa trên các phƣơng pháp điều khiển sử dụng các phần tử bán dẫn thông dụng điều khiển góc mở cho các van bán dẫn. Trong những năm gần đây có một số công trình nghiên cứu sử dụng vi điều khiển đây là một trong những ứng dụng điều khiển hiện đại. Đã giúp tối thiểu hóa mạch điều khiển hệ truyền động nâng cao tính linh hoạt trong điều khiển tự động truyền động điện. Việc điều khiển số động cơ một chiều rất quan trọng và cần thiết. Vì vậy việc nghiên cứu một bộ điều khiển PID để điều khiển, ổn định tốc độ động cơ điện một chiều là phù hợp và rất cần thiết. Trong các dây truyền sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp luôn có các máy sản xuất công nghiệp đòi hỏi phải điều chỉnh trơn tốc độ theo các yêu cầu công nghệ. Từ đó, điều chỉnh tốc độ động cơ cho phù hợp với yêu cầu công nghệ đã đặt ra. Để có nhiều cấp tốc độ khác nhau ta có thể thay đổi cơ cấu truyền động bằng cơ khí của máy nhƣ tỷ số truyền hoặc thay đổi tốc độ động cơ truyền động. Tuy nhiên, phƣơng pháp này có nhƣợc điểm là không điều chỉnh trơn đƣợc tốc độ động cơ. Điều chỉnh tốc độ truyền động điện là thay đổi tốc độ động cơ để phù hợp với yêu cầu sản xuất. Muốn điều chỉnh đƣợc tốc độ động cơ ta phải dựa vào nhiều yếu tố nguồn điện, tải, trong ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 3 mỗi một yếu tố này thay đổi thì tốc độ động cơ đều thay đổi ứng với mỗi yếu tố ta có một phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ tƣơng ứng. Trong thực tế điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều hiện nay có ba phƣơng pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ là: + Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ (Uƣ). + Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông (  ). + Điều chỉnh giá trị của điện trở phụ trên mạch phần ứng (Rf). Cấu trúc phần động lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ trong các nhà máy sản xuất hiện nay có bốn bộ biến đổi: + Bộ biến đổi máy điện gồm: Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại (KĐM). + Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ (KĐT). + Bộ biến đổi chỉnh lƣu bán dẫn: Chỉnh lƣu thysistor. + Bộ biến đổi xung áp một chiều: Thysistor hoặc transistor. Trong mọi ngành sản xuất hiện nay, các công nghệ tiên tiến, các dây truyền thiết bị hiên đại đã và đang thâm nhập vào nƣớc ta. Vớí chính sách mở cửa của Đảng và Nhà nƣớc, chắc chắn nền kỹ thuật tiên tiến trên thế giới sẽ ngày càng thâm nhập vào Việt Nam. Tác dụng của các công nghệ mới và những dây truyền, thiết bị hiện đại đã và đang góp phần tích cực thúc đẩy sự phát triển nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá ở nƣớc ta. Các máy điện hiện đại trong mọi lĩnh vực đa phần hoạt động nhờ vào điện năng thông qua các thiết bị chuyển đổi điện năng thành cơ năng, nhiệt năng... Trong các dây truyền hiện đại, các thiết bị máy móc khác muốn hoạt động, vận hành không thể không kể đến các động cơ điện, trong đó có động cơ điện một chiều. ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 4 Trong rất nhiều máy móc cần đến các loại động cơ điện một chiều với những mức công suất to nhỏ khác nhau phù hợp với chức năng hoạt động của nó. Động cơ điện một chiều dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành điện năng (khi hãm). Nói tóm lại động cơ điện một chiều đƣợc sử dụng rộng rãi và phổ biến trong các dây truyền thiết bị, các cơ cấu vận hành nhƣ thang máy, máy nâng... Nó có vai trò quan trọng và cần thiết trong quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá của đất nƣớc ta hiện nay. Với cấu tạo không quá phức tạp và khó khăn cho chúng ta chế tạo và sửa chữa nó. Góp phần cải thiện cuộc sống, sức lao động của con ngƣời nói chung và nhân dân Việt Nam ta nói riêng. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Hiện nay động cơ điện một chiều đóng một vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp cũng nhƣ trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ điện một chiều đƣợc ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, ở các nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và các cánh tay Robot. Để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp điện tử với độ chính xác cao, lắp ráp trong các dây chuyền sản xuất, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ. Đối với các phƣơng pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, vi phân) đƣợc dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp. Chất lƣợng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số KP, TI, TD của bộ điều khiển PID. Nhƣng vì các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ đƣợc tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải hiệu chỉnh các hệ số này cho phù hợp với thực tế. Để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển thì ta phải biết chính xác các thông số và kiểu của đối tƣợng cần điều khiển. Hơn nữa, bộ điều khiển này chỉ chính xác trong giai đoạn tuyến tính còn trong giai đoạn phi tuyến thì các phƣơng pháp điều khiển kinh điển không thực hiện đƣợc. Mục tiêu của điều khiển là nâng cao chất lƣợng các hệ thống điều khiển tự động. ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 5 Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tƣợng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau. Do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phƣơng pháp điều khiển cụ thể cho từng đối tƣợng. Mục đích cuối cùng là tìm kiếm các bộ điều khiển cho các hệ truyền động điện ngày càng đạt đƣợc chất lƣợng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp, và hiệu quả đạt đƣợc là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hoá truyền động điện và trong các dây chuyền sản xuất. Những năm gần đây, khoa học kỹ thuật phát triển rất mạnh mẽ, nhất là ngành kỹ thuật điều khiển, công nghệ vi xử lý vừa tạo điều kiện thuận lợi, vừa đặt ra vấn đề đòi hỏi là phải nghiên cứu hoàn thiện các hệ điều khiển, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thực tế cuộc sống và phù hợp với xu thế phát triển khoa học công nghệ. Việc nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều dựa trên các lý thuyết điều khiển hiện đại là một vấn đề rất cần thiết, trong việc gắn liền giữa nhiệm vụ nghiên cứu và thực tiễn cuộc sống. Để phục vụ cho công tác nghiên cứu, một phƣơng pháp đƣợc nhiều nhà khoa học trong và ngoài nƣớc sử dụng rất nhiều đó là phƣơng pháp điều khiển PID số. Trong đề tài này, tôi sử dụng phƣơng pháp điều khiển PID số và phần mềm Matlab Simulink, xây dựng mô hình hoá và mô phỏng hệ thống điều khiển, đây là công cụ khá đắc lực trợ giúp trong việc nghiên, có khả năng ứng dụng vào việc nghiên cứu mô phỏng hệ truyền động động cơ một chiều. Động cơ điện một chiều thƣờng dùng trong các hệ thống truyền động điện đòi hỏi chất lƣợng cao. Chính vì vậy mà hệ thống điều khiển cho các hệ truyền động này cũng phải đáp ứng nhiều chỉ tiêu rất chặt chẽ. Đối với động cơ điện một chiều, các thông số thƣờng bị thay đổi làm ảnh hƣởng chất lƣợng điều chỉnh cụ thể là: Khi mạch từ của máy điện bị bão hòa làm điện cảm mạch phần ứng Lƣ của động cơ suy giảm. Điện trở mạch phần ứng Rƣ của máy điện thay đổi theo nhiệt độ làm việc, do đó hằng số thời gian mạch phần ứng Tƣ = Lƣ/Rƣ cũng sẽ thay đổi trong quá trình làm việc. Với mạch kích từ, từ thông Φ có thể bị thay đổi dẫn đến hằng số thời gian cơ học Tc cũng thay đổi. Khi xét đến tải của các hệ truyền động thì mô men quán tính ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 6 của tải thƣờng bị thay đổi, làm cho mômen quán tính của hệ quy đổi về trục của động cơ thay đổi. Nếu bằng các phƣơng pháp điều khiển kinh điển thì chúng ta gặp rất nhiều khó khăn trong việc tính toán, thiết kế bộ điều khiển đạt đƣợc chất lƣợng cao. Do vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phƣơng pháp điều khiển PID số để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều đang là hƣớng nghiên cứu đƣợc rất nhiều ngƣời quan tâm và là hƣớng nghiên cứu có nhiều triển vọng, cũng nhƣ có nhiều giá trị ứng dụng trong thực tiễn. 3. Mục tiêu nghiên cứu Thiết kế chế tạo thành công bộ điều khiển để ổn định tốc độ động cơ điện một chiều. ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 7 PHẦN NÔI DUNG CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1. Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều a. Cấu tạo động cơ điện một chiều  Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần động. 1. Cổ góp 2. Chổi than 3. Rãnh 4. Cực từ 5. Cuộn dây 6. Stator 7. Rotor Hình 1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều  Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trƣờng nó gồm có: + Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ đƣợc kích từ bằng nam châm điện), mạch từ đƣợc làm bằng sắt từ (thép đúc, thép đặc). Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ đƣợc làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện từ này đƣợc mắc nối tiếp với nhau. + Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trƣờng gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 8 Bu lông Vỏ máy Lõi sắt cực từ Dây quấn kích từ Hình 1.2. Cực từ chính Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5mm đến 1mm, chúng đƣợc ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ đƣợc gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn kích từ đƣợc quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều đƣợc bọc cách điện kỹ thành một khối, phủ sơn cách điện trƣớc khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ đƣợc đặt trên các cực từ này đƣợc nối tiếp với nhau. + Cực từ phụ: Cực từ phụ đƣợc đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của cực từ phụ thƣờng làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống nhƣ dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ đƣợc 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 thƣờng dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện lớn thƣờng dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. + Các bộ phận khác: Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hƣ hỏng dây ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 9 quấn và an toàn cho ngƣời khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trƣờng hợp này nắp máy thƣờng làm bằng gang. Cơ cấu chổi than: Để đƣa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than đƣợc cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay đƣợc để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.  Phần quay hay rotor: Bao gồm những bộ phận chính sau. + Phần sinh ra sức điện động gồm có: Mạch từ đƣợc làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kỹ thuật) xếp lại với nhau. Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng. Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một quy luật nhất định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây đƣợc nối với các phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó đƣợc ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp. Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và đƣợc ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo. + Lõi sắt phần ứng: Rãnh Lỗ đục thông gió Hình 1.3. Lõi sắt phần ứng ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 10 Dùng để dẫn từ, thƣờng dùng những tấm thép kỹ thuật điện 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 ngƣời ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo đƣợc những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thƣờng 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. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng đƣợc ép trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rotor. Dùng giá rotor có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lƣợng rotor. + Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thƣờng làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dƣới vài KW thƣờng dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thƣờng dùng dây tiết diện chữ nhật, dây quấn đƣợc cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit. + Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có đƣợc mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4mm 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 đƣợc dễ dàng. b. Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều  Phân loại động cơ điện một chiều: Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng nhƣ máy phát điện một chiều ngƣời ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ta có 4 loại động cơ điện một chiều thƣờng sử dụng: + Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ đƣợc cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ. ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 11 + Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ đƣợc mắc song song với phần ứng. + Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ đƣợc mắc nối tiếp 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.  Ƣu điểm và nhƣợc điểm của động cơ điện một chiều: Do tính ƣu 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 đƣợc 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 (nhƣ 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. Nhƣng do những ƣu 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 ƣu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu nhƣ bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng đƣợc hoặc nếu đáp ứng đƣợc thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (nhƣ 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 lƣợng cao. + 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 ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 12 trƣờng rung chấn, dễ cháy nổ. 1.1.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều a. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trƣờng sẽ chịu lực tác dụng làm rotor quay, chiều của lực đƣợc xác định bằng quy tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay đƣợc nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau. Do có phiếu góp chiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi. Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trƣờng sẽ cảm ứng với suất điện động Eƣ chiều của suất điện động đƣợc xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sức điện động Eƣ ngƣợc chiều dòng điện Iƣ nên Eƣ đƣợc gọi là sức phản điện động. Khi đó ta có phƣơng trình: U = Eƣ +Rƣ.Iƣ. b. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau. Lúc này động cơ đƣợc gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Hình 1.4. Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Ta có phƣơng trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng nhƣ sau: Uƣ = Eƣ + (Rƣ + Rf)Iƣ (1.1) ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 13 Trong đó: Uƣ: Điện áp phần ứng (V) Eƣ: Sức điện động phần ứng (V) Rƣ: Điện trở mạch phần ứng (Ω) Iƣ: Dòng điện của mạch phần ứng (A) Với: Rƣ = rƣ + rcf + rb + rct rƣ: Điện trở cuộn dây phần ứng rcf: Điện trở cuộn dây cực từ phụ rct: Điện trở tiếp xúc cuộn bù Sức điện động Eƣ của phần ứng động cơ đƣợc xác định theo biểu thức: E P.N .  K  2 a (1.2) Trong đó: P: Số đôi cực từ chính N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng  : Từ thông kích từ dƣới một cực từ  : Tốc độ góc (rad/s) K P.N : Hệ số cấu tạo của động cơ 2 a Từ (1.1) và (1.2) ta có:  R  Rf U  u .I K K (1.3) Biểu thức trên là phƣơng trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác, mô men điện từ Mđt của động cơ đƣợc xác định bởi: Mđt = K  Iƣ (1.4) ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 14 Với I = M đt : Thay giá trị I vào (1.3), ta có: K .  R  Rf U  u .M đt K . ( K .) 2 (1.5) Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mô men điện từ, ta ký hiệu là M. Nghĩa là: Mđt = Mcơ = M.  R  Rf U  u .M K . ( K .)2 (1.6) Đây là phƣơng tình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Giả thiết phần ứng đƣợc bù đủ, từ thông = const, thì các phƣơng trình đặc tính cơ điện (1.3) và phƣơng trình đặc tính cơ (1.6) là tuyến tính. Đồ thị của chúng đƣợc biểu diễn trên hình 1.2 là những đƣờng thẳng. Theo các đồ thị, khi Iƣ = 0 hoặc M = 0 ta có:   U  0 K . 0 đƣợc gọi là tốc độ không tải lý tƣởng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Hình 1.5. Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Khi   0 ta có: ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 15 U  I nm Ru  R f (1.7) M  K ..I nm  M nm (1.8) I Inm và Mnm đƣợc gọi là dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch. Ngoài ra phƣơng trình đặc tính (1.3) và (1.6) cũng có thể đƣợc viết dƣới dạng:  U R  .I  0   K . K . (1.9)  U R  .M  0   K . ( K .) 2 (1.10) Trong đó: R = Rƣ + Rf  0 U K .   R R .I  .M K . ( K .) 2  đƣợc gọi là độ sút tốc độ ứng với giá trị của M. Từ phƣơng trình đặc tính cơ ta thấy có 3 tham số ảnh hƣởng đến đặc tính cơ: từ thông động cơ  , điện áp phần ứng Uƣ, điện trở phần ứng động cơ. 1.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU  Phƣơng pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng động cơ (Uƣ).  Phƣơng pháp thay đổi từ thông (  ).  Phƣơng pháp thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng (Rf). 1.2.1. Phƣơng pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng động cơ Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn nhƣ máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lƣu điều khiển … Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lƣợng điện xoay chiều thành ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 16 một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không. Để đƣa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa. Hình 1.6. Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng Ở chế độ xác lập có thể viết đƣợc phƣơng trình đặc tính của hệ thống nhƣ sau: Eb – Eƣ = Iƣ.(Rb + Rƣđ)  Eb R  Rud  b .I u K . dm K . dm   0 .U dk  M (1.11) (1.12) (1.13)  Vì từ thông của động cơ đƣợc giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tƣởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phƣơng pháp điều chỉnh này là triệt để. Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng đƣợc giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động. Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: max  0 max  M dm  (1.14) ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 17 min  0 min  M dm (1.15)  Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm Trong đó KM là hệ số quá tải về mômen. Vì họ đặc tính cơ là các đƣờng thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ có thể viết: min  M nm min  M dm . 0 max  D (K M  1).M dm   M dm  .K M  1 (1.16) 0 max .  M dm  1  M dm KM  1 (1.17) Hình 1.7. Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị 0 max , Mđm, KM là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc, tuyến tính vào giá trị của độ cứng  . Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 18 Do đó có thể tính sơ bộ đƣợc: 0 max .  1  10 M dm (1.18) Vì thế tải có đặc tính mômen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng không vƣợt quá 10. Đối với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống hở nhƣ trên là không thoả mãn đƣợc. Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi đặc tính cơ tĩnh của hệ truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng có đặc tính cơ trong toàn dải là nhƣ nhau, do đó độ sụt tốc tƣơng đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh. Hay nói cách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vƣợt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh. Sai số tƣơng đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là: S S 0 min  min   0 min 0 min M dm  0 min  Scp (1.19) (1.20) Vì các giá trị Mđm,  0min, Scp là xác định nên có thể tính đƣợc giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vƣợt quá giá trị cho phép. Để làm việc này, trong đa số các trƣờng hợp cần xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòng kín. 1.2.2. Phƣơng pháp thay đổi từ thông  Nguyên lý điều khiển: Giả thiết U= Uđm, Rƣ = const. Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ. ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 19 Bình thƣờng khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (    dm ) mà phƣơng pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hƣớng giảm từ thông tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức. Nên khi giảm thì tốc độ không tải lý tƣởng U ( K ) 0  dm tăng, còn độ cứng đặc tính cơ   giảm, ta thu đƣợc họ đặc K Ru 2 tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên. Hình 1.8. Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vƣợt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho dòng điện không vƣợt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm Mt theo cùng tỉ lệ.  Đặc điểm của phƣơng pháp: + Phƣơng pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng. + Phƣơng pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức, việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch. + Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phƣơng pháp điều khiển với công suất không đổi. + Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển: Sai số tốc độ lớn, đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên. Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG