CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU 1.1 Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current) là động cơ được điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp 1 chiều. Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu là động cơ điện 1 chiều được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.2 Cấu tạo và phân loại động cơ điện một chiều 1.1 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều thường gồm những bộ phận chính như sau: - Stator: là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện - Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện - Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp - Cổ góp (Commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điện cho các cuộn dây trên rotor. Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với số cuộn dây trên rotor. 1: Cấu tạo động cơ điện 1 chiều 1.2 Phân loại động cơ điện một chiều - Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kích từ thành những loại: Kích từ độc lập.
Kích từ song song. 1 Kích từ nối tiếp. Kích từ hỗn hợp. - Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kết cấu cực từ: Động cơ điện một chiều cực từ là nam châm điện.
Động cơ điện một chiều cực từ là nam châm vĩnh cửu 1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều Khi cấp điện áp một chiều Uư vào mạch phần ứng, trong dây quấn phần ứng có điện. Các thanh dẫn có dòng điện Iư nằm trong từ trường Φ do stator sinh ra sẽ chịu lực F (lực Lorentz) tác dụng làm rotor quay, chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái (mũi tên màu đỏ ở hình dưới). 2: Nguyên lý hoạt động động cơ điện 1 chiều Khi cuộn dây phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiếu góp nên chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng được dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi. Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động.4 Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều 1.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng Trong phương pháp này người ta giữ 𝑈 = 𝑈đ𝑚 , = đ𝑚 và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng.
2 Độ cứng của đường đặc tính cơ: 𝛥𝑀 (𝐾𝑘𝑡 )2 𝛽= = 𝛥𝜔 𝑅𝑢 +𝑅𝑘𝑡 Hình 1. 3: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng - Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn. - Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng thêm điện trở). - Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng cho nên tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở càng lớn.2 Phương pháp thay đổi từ thông Giả thiết U= Uđm, Rư = 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. Rõ ràng phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa là chỉ có thể giảm dòng điện kích từ (Ikt ≤ Iktđm) do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông. Khi giảm từ thông, đặc tính dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn. 4: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi từ thông Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông có các đặc điểm sau: - Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn.
- Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông. - Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D ~ 3:1. - Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng. - Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắt nhau và do đó, với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm.
Còn ở vùng tải lớn (M2) tốc độ có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải. Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức. - Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ là (1÷10)% dòng định mức của phần ứng. Tổn hao điều chỉnh thấp.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Từ thông động cơ được giữ không đổi.
Điện áp phần ứng được cấp từ một bộ biến đổi. Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có các họ đặc tính cơ ứng với các tốc độ không tải khác nhau, song song và có cùng độ cứng. Điện áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U 4 Hình 1. 5: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện pháp thay đổi điện áp phần ứng có các đặc điểm sau: - Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ.
- Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh. - Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh. - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau. Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh.
Do vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh. - Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể: D ~ 10:1. - Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với Uư ≤ Uđm). - Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thay đổi trơn điện áp ra.5 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 1.1 Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều + Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có moment mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động.
+ Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt. + Tiết kiệm điện năng. + Bền bỉ, tuổi thọ lớn.2 Nhược điểm của động cơ điện 1 chiều + Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cẩn thận, thường xuyên. + Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ.
+ Giá thành đắt mà công suất không cao.6 Các ứng dụng của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu Nhờ những ứng dụng của động cơ điện mà việc lắp đặt, vận hành máy móc,. cũng như các hoạt động liên quan đến các lĩnh vực khác nhau được thực hiện một cách nhanh chóng, hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn đáng kể. Động cơ điện hiện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, phổ biến và thay thế dần cho những loại động cơ truyền thống. Bởi lẽ, loại động cơ này không chỉ hoạt động bền bỉ, linh hoạt, có thể lắp đặt và vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bị khác nhau, mà còn tiết kiệm năng lượng tiêu thụ đáng kể.
Chính vì thế, ứng dụng của loại động cơ này cũng trở nên đa dạng và phổ biến hơn cả. Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đời sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn. Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, loại động cơ này còn xuất hiện trong các máy vi tính, cụ thể là được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang,. 6 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÍ 2.1 Phân tích mô hình hệ thống động cơ điện một chiều Hình 2.
1: Mô hình động cơ điện một chiều - Điện cảm phần ứng L: 2. 10−3 H - Điện trở phần ứng R: 0.8 Ω - Hệ số cản b = 6.6 10−3Nms/rad - Momen quán tính J= 0.1 𝑁𝑚𝑠 2 /𝑟𝑎𝑑 - Hệ số momen K= 0.3 - Tín hiệu vào là điện áp: V - Tín hiệu ra là góc quay : 2.2 Mô hình hóa hệ thống Mô hình hóa hệ thống bằng hàm truyền và phương trình không gian trạng thái * Áp dụng định luật II Niuton cho phần cơ ta có phương trình: J.2) +T : moment của rotor (Nm) +i : dòng điện phần ứng (A) Từ phương trình (2.3) * Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có: 𝑑𝑖 L.4) 𝑑𝑡 Trong đó : E là điện áp cảm ứng : E = K.5) V là điện áp phần ứng Từ phương trình (2.6) dt Biến đổi Laplace (2.8) Từ phương trình (2.8) và biến đổi ta được: θ K = (2.s+R)+K2) Vậy hàm truyền của hệ là θ K H( s ) = = (2.11) V LJs3 +(bJ+JR)s2 +(bR+K2)s Xây dựng phương trình không gian trạng thái: Ta có thể chọn tốc độ quay và dòng điện là các biến trạng thái. Điện áp là đầu vào, đầu ra là tốc độ quay. Từ phương trình (2.6) ta có: 𝑑θ = θ̇ 𝑑𝑡 dθ̇ b K = − θ̇ + i dt J J di 𝐾 𝑅 𝑉 = − θ̇ − 𝑖 + dt 𝐿 𝐿 𝐿 8 Vậy ta có phương trình không gian trạng thái 0 1 0 0 θ b K θ d 0 − [θ̇ ] = [ J J ] [θ̇ ] + [0] ( 2.13) 𝑖 9 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH 3.