Đồ án Truyền động điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA ĐỒ ÁN MÔN HỌC NGÀNH CÔNG NGHỆ KTĐKTĐH CHUYÊN NGÀNH Tự động hóa và Điều khiển TBĐCN HỌC PHẦN Đồ án Truyền động điện Giảng viên hướng dẫn Thầy Mai Hoàng Công Minh Lớp D13TDHĐKTBCN2 Nhóm sinh viên sinh viên thực hiện Nhóm 9 1 Đặng Văn Đạt – 18810430179 2 Phùng Đức Dương – 18810430227 HÀ NỘI, 062022 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Chương 1 Tìm hiểu về tiêu chuẩn tối ưu mô đun và ứng dụng 1 1 1 Tiêu chuẩn tối ưu module 1 1 1 1 Đặc điểm của tiêu chuẩn tối ư.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Chương 1: Tìm hiểu về tiêu chuẩn tối ưu mô-đun và ứng dụng 1

1.1 Tiêu chuẩn tối ưu module 1

1.1.1 Đặc điểm của tiêu chuẩn tối ưu module 1

1.1.2 Dạng đặc tính tần số 1

1.1.3 Dạng đặc tính quá độ 2

1.1.4 Trường hợp hệ hữu sai có hàm truyền 2

1.1.5 Trường hợp hệ có hàm truyền 4

1.1.6 Nếu hàm truyền có dạng 4

1.1.7 Nếu hàm truyền có dạng 4

1.1.8 Nếu hàm truyền có dạng 4

1.2 Ứng dụng của tiêu chuẩn tối ưu module 4

1.3 Kết luận chương 1 6

Chương 2: Tìm hiểu về hệ T-Đ, Tổng hợp mạch vòng dòng điện, tổng hợp mạch vòng tốc độ 7

2.1 Tìm hiểu về hệ T-Đ 7

2.1.1 Hệ thống chỉnh lưu – động cơ điện một chiều 7

2.1.2 Đặc tính cơ của hệ truyền động chỉnh lưu tiristo – động cơ một chiều (hệ T – Đ) 18

2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 21

2.2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động động cơ 21

2.2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện có tính đến ảnh hưởng của sức điện động động cơ 23

2.3 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 27

2.3.1 Xét trường hợp M c = 0 27

2.3.2 Xét trường hợp M c = Bω 28

2.4 Kết luận chương 2 29

Chương 3: Mô phỏng và kiểm nghiệm kết quả bằng phần mềm Matlab - Simulink 30

3.1 Mô phỏng tổng hợp mạch vòng dòng điện 30

3.1.1 Trường hợp bỏ qua ảnh hưởng của sức điện cảm ứng 30

3.1.2 Trường hợp có tính đến ảnh hưởng của sức điện động cảm ứng 31

3.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 32

KẾT LUẬN 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1: Đặc tính tần số 2

Hình 1 2: Đặc tính quá độ 2

Hình 1 3: Cấu trúc hệ 2

Hình 1 4: Đặc tính quá độ của hệ thống 3

Hình 1 5: Mô phỏng Simulink của phương pháp tối ưu module 5

Hình 1 6: Kết quả mô phỏng Simulink của phương pháp tối ưu module 5

Hình 1 7: Kết quả mô phỏng Simulink khi không sử dụng phương pháp tối ưu module 6

Hình 2 1: Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lưu tia 3 pha 8

Hình 2 2: Chỉnh lưu hình tia ba pha 9

Hình 2 3: Đặc tính tốc độ ở hệ đơn vị tương đối của động cơ khi nối với chỉnh lưu điều khiển 10

Hình 2 4: Hiện tượng chuyển mạch giữa các van tiristo T1, T2 10

Hình 2 5: Quan hệ giữa góc chuyển mạch và góc điều khiển tương ứng với các dòng điện chỉnh lưu khác 11

Hình 2 6: Chế độ dòng điện gián đoạn và liên tục 12

Hình 2 7: Chế độ nghịch lưu phụ thuộc trong mạch chỉnh lưu tia ba pha 15

Hình 2 8: Trạng thái lật nghịch lưu khi β < βmin 16

Hình 2 9: Hệ CL-Đ có van đệm 17

Hình 2 10: Sơ đồ thay thế chỉnh lưu tiristo - động cơ một chiều 18

Hình 2 11: Đặc tính cơ của hệ T-Đ và trạng thái làm việc của hệ 20

Hình 2 12: Sơ đồ tổng quát mạch vòng dòng điện hệ T-Đ 21

Hình 2 13: Sơ đồ cấu trúc khi bỏ qua Eư 21

Hình 2 14: Sơ đồ tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu module 22

Hình 2 15: Sơ đồ cấu trúc khi có ảnh hưởng của Eư và Mc = 0 23

Hình 2 16: Sơ đồ cấu trúc khi có ảnh hưởng của Eư và Mc = 0 sau khi chuyển vị tín hiệu 23

Hình 2 17: Sơ đồ tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu module 24

Hình 2 18: Sơ đồ cấu trúc khi có ảnh hưởng của Eư và Mc = Bω 25

Hình 2 19: Sơ đồ cấu trúc khi có ảnh hưởng của Eư và Mc = Bω sau khi chuyển vị tín hiệu 25

Hình 2 20: Sơ đồ tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu module 26

Hình 2 21: Sơ đồ tổng quát mạch vòng tốc độ hệ T-Đ 27

Hình 3 1: Mô hình Simulink tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động cảm ứng 30

Hình 3 2: Kết quả mô phỏng Simulink tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động cảm ứng 31

Hình 3 3: Mô hình Simulink tổng hợp mạch vòng dòng điện khi có tính đến ảnh hưởng của sức điện động cảm ứng và không có tải 31

Hình 3 4:Kết quả mô phỏng Simulink tổng hợp mạch vòng dòng điện khi có tính đến

ảnh hưởng của sức điện động cảm ứng và không có tải 31

Hình 3 5: Mô hình Simulink tổng hợp mạch vòng dòng điện khi có tính đến ảnh hưởng của sức điện động cảm ứng và có tải Mc = Bω 32

Hình 3 6: Kết quả mô phỏng Simulink tổng hợp mạch vòng dòng điện khi có tính đến ảnh hưởng của sức điện động cảm ứng và có tải Mc = Bω 32

Hình 3 7: Mô hình Simulink tổng hợp mạch vòng tốc độ khi không tải 32

Hình 3 8: Kết quả mô phỏng Simulink tổng hợp mạch vòng tốc độ khi không tải 33

Hình 3 9: Mô hình Simulink tổng hợp mạch vòng tốc độ khi có tải Mc = Bω 33

Hình 3 10: Kết quả mô phỏng Simulink tổng hợp mạch vòng tốc độ khi có tải Mc = Bω 33

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

1 Tìm hiểu về tiêu chuẩn tối ưu mô-đun và ứng dụng

2 Tìm hiểu về hệ T-Đ, tổng hợp mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc độ

3 Mô phỏng kiểm chứng

Trong công cuộc đổi mới công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước hiện nay, vấn

đề áp dụng khoa học kỹ thuật vào các quy trình sản suất là vấn đề được ưu tiên Cùngvới sự phát triển của một số ngành như điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuậtđiều khiển và tự động hoá đã phát triển vượt bậc Tự động hoá các quy trình sản suấtđang được phổ biến, có thể thay sức lao động con người, đem lại năng suất cao chấtlượng sản phẩm tốt

Hiện nay, các hệ thống dây chuyền tự động trong các nhà máy, xí nghiệp được

sử dụng rất rộng rãi, vận hành có độ tin cậy cao Vấn đề quan trọng trong các dâychuyền sản suất là điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ hay đảo chiều quay động cơ

để nâng cao năng suất

Với hệ truyền động điện một chiều được ứng dụng nhiều trong các yêu cầu điềuchỉnh cao, cùng với sự phát triển không ngừng của kỹ thuật điện tử và kỹ thuật vi điện

tử Hệ truyền động một chiều điều sử dụng chỉnh lưu được sử dụng rộng rãi, vì nó kháđơn giản nhưng hiệu quả cao Có thể điều chỉnh được điện áp ra như ý muốn Hệtruyền động T-Đ không cồng kềnh như hệ F-Đ và không yêu cầu tần số làm việc caonhư hệ băm xung – Động cơ Ngoài ra việc đảo chiều quay cho động cơ ở hệ T-Đ cũngrất dễ thiết kế

Trong quá trình làm đồ án em xin cảm ơn thầy Mai Hoàng Công Minh đã

hướng dẫn và chỉ bảo nhóm em để em có thể hoàn thành được bài báo cáo chuyên đềnày Tuy nhiên em sẽ không thể tránh khỏi thiếu sót kính mong quý thầy cô chỉ bảo để

em được hiểu thêm, có kiến thức nhất định để phục vụ cho chuyên nghành của mìnhsau này

Em xin chân thành cảm ơn !

Chương 1: Tìm hiểu về tiêu chuẩn tối ưu mô-đun và ứng dụng

1.1 Tiêu chuẩn tối ưu module

1.1.1 Đặc điểm của tiêu chuẩn tối ưu module

- Tiêu chuẩn này cho phép hiệu chỉnh lại đặc tính tần số ở vùng thấp và trung bình

- Không đảm bảo trước được tính ổn định của hệ khi sử dụng tiêu chuẩn này Do đó, sau khi ứng dụng tiêu chuẩn tối ưu module phải kiểm tra lại tính ổn định của hệ.Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn tối ưu module là hàm có dạng:

2 2

1( )

- Các bước tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu module:

 Xác định hàm truyền đối tượng điều khiển S0(s)

 Vẽ xơ đồ tổng hợp tổng hợp điều khiển  R(s) là bộ điều chỉnh cần thiết kế

 Tính hàm truyền đạt hệ kín từ sơ đồ trên:

0 0

( ) ( )( )

1( )

2

a b

- Tùy vào hàm S0(s) của hệ hở (đối tượng) mà bằng các bộ điều chỉnh R(s), ta được

hệ có hàm truyền dạng (1.1) Trong các trường hợp trên, giá trị hằng số T0 là nhỏ,nên gần đúng có thể coi hệ kết quả có hàm truyền dạng quán tính:

Đối với một hệ thống kín, khi tần số tiến đến vô hạn thì module của đặc tính tần

số biên độ phải tiến đến 0 Vì vậy đối với dải tần số thấp nhất, hàm truyền đạt phải đạtđược điều kiện: F(jω)  1

Hình 1 3: Cấu trúc hệNếu chọn bộ điều chỉnh PI:

Có nghĩa là, nếu hệ có cấu trúc như hình 1 3 thì theo tiêu chuẩn tối ưu module

và nếu bộ điều chỉnh có cấu trúc PI thì hàm truyền của nó sẽ có dạng:

2

1 1

1( )2

1.1.5 Trường hợp hệ có hàm truyền

' 1

( )

(1 )

u

s s

bộ điều chỉnh có cấu trúc tích phân

1( )

ta có hệ điều chỉnh PID

2

1 1

( )

(1 )

u

s s

1( )

( )

u

s s

1( )

1.2 Ứng dụng của tiêu chuẩn tối ưu module

Giả sử đối tượng có hàm truyền:

a b

Hình 1 5: Mô phỏng Simulink của phương pháp tối ưu module

Hình 1 6: Kết quả mô phỏng Simulink của phương pháp tối ưu module

Bảng 1: So sánh kết quả giữa thực nghiệm và lý thuyết

Hình 1 7: Kết quả mô phỏng Simulink khi không sử dụng phương pháp tối ưu module

Nhận xét: Ta có thể thấy trên hình 1.6 và hình 1.7 là kết quả mô phỏng của hàmtruyền đối tượng khi có sử dụng tiêu chuẩn tối ưu module sau khi xác lập ổn định ởgiá trị đặt Trên hình 1.7 khi không sử dụng tiêu chuẩn thì sau khi xác lập đối tượngkhông thể về bằng giá trị đặt

1.3 Kết luận chương 1

Trong chương 1 chúng ta đã tìm hiểu và hiểu được tiêu chuẩn tối ưu module Biếtđược ứng dụng của tiêu chuẩn tối ưu module từ đó áp dụng vào một hàm truyền củađối tượng rồi mô phỏng kiểm chứng cái tính ứng dụng của tiêu chuẩn

Chương 2: Tìm hiểu về hệ T-Đ, Tổng hợp mạch vòng dòng điện, tổng

hợp mạch vòng tốc độ

2.1 Tìm hiểu về hệ T-Đ.

2.1.1 Hệ thống chỉnh lưu – động cơ điện một chiều

2.1.1.1 Chỉnh lưu bán dẫn làm việc với động cơ điện

Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển -động cơ một chiều (CL-Đ),

bộ biến đổi điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển có sđđ Eg phụ thuộc vào giá trị củapha xung điều khiển (góc điều khiển) Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnhđiện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ Tuỳ theo yêu cầu cụ thể củatruyền động mà có thể dùng các sơ đồ chỉnh lưu thích hợp, để phân biệt chúng có thểcăn cứ vào các dấu hiệu sau đây:

- Số pha: 1 pha, 3 pha, 6 pha v.v

- Sơ đồ nối: hình tia, hình cầu, đối xứng, và không đổi xứng

- Số nhịp: Số xung áp đập mạch trong thời gian một chu kỳ điện áp nguồn

- Khoảng điều chỉnh: là vị trí của đặc tính ngoài trên mặt phẳng toạ độ [UtbId]

- Chế độ năng lượng: chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc

- Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn

Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và vàocác tính chất của tải, trong truyền động điện, tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích từ(L-R) hoặc là mạch phần ứng động cơ (L-R-E) Để tìm hiểu hoạt động của hệ CL- Ð tahãy phân tích một sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha mà sơ đồ thay thế được vẽ trên Hình2-1, trong đó:

 E- sđđ quay của động cơ

 U21, l122, U23 – sđđ thứ cấp máy biến áp nguồn

 Lư- điện cảm mạch một chiều (kể cả điện trở dây quấn thứ cấp máy biên áp

 R- điện trở mạch một chiều (kể cả điện trở dây quấn thứ cấp máy biến áp đã quy đổi)

a Chế độ dòng liên tục

Khi dòng điện chỉnh lưu id là liên tục thì có thể dựng được đồ thị các quá trình dòngđiện và điện áp như trên Hình 2-1 Sđđ chỉnh lưu là những đoạn hình sin nối tiếp nhau,giá trị trung bình của sđđ chỉnh lưu được tính như sau:

m

trong đó:

ωe - tần số góc của điện áp xoay chiều;

α - góc mở van (hay góc điều khiển) tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên

α0 - góc điều khiển tính từ thời điểm sđđ xoay chiều bắt đầu dương;

m - số xung áp đập mạch trong một chu kỳ điện áp xoay chiều

Phương trình vi phân mô tả mạch thay thế trên Hình 2-1 là:

Hình 2 1: Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lưu tia 3 pha

R



 

Hình 2 2: Chỉnh lưu hình tia ba pha

a, Đặc tính điều chỉnh b, Đồ thị thời gian

Nếu gọi góc dẫn của van là thì có thể tính được thành phần một chiều của dòng điệnchỉnh lưu, chính là thành phần sinh mômen quay của động cơ:

ta, trong đó ε =E/ U2m ; Im= U2m /R Gần đúng có thể cou đây là họ đặc biệt tính tốc độcủa động cơ Các đặc tính được dựng cho động cơ có các thông số sau: Pđm = 14,5 kW;

Uđm =220V; Iđm = 79A; Wđm = 112s-1 ; R = 0,372Ω ; L = 4,9mH; ηđm = 0,833

a) Ba pha hình tia b) Ba pha hình cầu

Hình 2 3: Đặc tính tốc độ ở hệ đơn vị tương đối của động cơ khi nối với chỉnh lưu

điều khiển

b Hiện tượng chuyển mạch

Trong sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha, khi phát xung nhằm để mở một van tiristo thì điện ápanốt của pha đó phải dương hơn điện áp của pha có van đang dẫn dòng, do đó mà dòngđiện của van đang dẫn sẽ giảm dần về không, còn dòng điện của van kế tiếp sẽ tăngdần lên Do có điện cảm trong mạch mà quá trình này xảy ra từ từ, cùng tại một thờiđiểm cả hai van đều dẫn dòng và chuyển dòng cho nhau, quá trình này gọi là chuyềnmạch giữa các van

Hình 2 4: Hiện tượng chuyển mạch giữa các van tiristo T1, T2

Trong quá trình chuyển mạch vì cả hai đều dẫn nên sđđ chỉnh lưu bằng trung bìnhcộng của điện áp hai pha Phương trình cân bằng điện áp cho các pha lúc chuyển mạchlà:

1 2

2 2

Hình 2 5: Quan hệ giữa góc chuyển mạch và góc điều khiển tương ứng với các dòng

điện chỉnh lưu khác

2

c Chế độ dòng điện gián đoạn

Hiện tượng gián đoạn dòng điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện tử tích lũy trongmạch khi dòng điện tăng (L- ) không đủ duy trì tích chất liên tục 2 của dòng điện khi

nó giảm Lúc này góc dẫn của van trở nên nhỏ hơn 2π/m, dòng điện qua van trở vềkhông trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn Trong khoảng dẫn của van thì suất điện độngchỉnh lưu bằng suất điện động nguồn:

2,0 0

d

e  U � �     Khi dòng điện bằng không, sđđ chỉnh lưu bằng suất điện động của động cơ điện:

d m

I  I         a         e     (2-7) trong đó, như đã đề cập ở trên:

Hình 2 6: Chế độ dòng điện gián đoạn và liên tụcTrong trường hợp bỏ qua điện trở R trong mạch phần ứng thì phương trình mô tà mạchHình 2-4 sẽ là:

và giảm đến bằng không tại θ =αo +λ

Nếu đặt ε= E/U2m ; Im*= U2m/ωeL; id*= id/im thì có thể viết được biểu thức tính dòng điệnchỉnh lưu ở hệ đơn vị tương đồi với dạng gọn gàng hơn:

* (cos cos ) ( )

d

I  a     a   (2-10)Đặt θ =α + λ và id* = 0 vào (2-10) ta tìm được góc dẫn 2 ở dạng hàm ẩn:

thì λ = 0 tức là không có dòng chảy trong mạch Lúc này mômen động cơ cũng sẽbằng không, động cơ bị giảm tốc độ và do đó E giảm, dòng điện lại xuất hiện trongmạch nhưng tương ứng với tốc độ thấp hơn Vì thế, ở chế độ dòng điện gián đoạn, đặctính cơ của động cơ trở nên rất dốc

Giá trị trung bình của dòng điện ở chế độ gián đoạn viết trong hệ đơn vị tương đốiđược tính như sau:

và khi λ = 2π /m thì dòng điện trong mạch trở nên liên tục (xem Hình 2-6b), giá trị đócủa sđđ E (tương ứng ɛ = E / U2m) ứng với trạng thái biên giới liên tục và có thể tìmđược nó nếu đặt λ= 2π/m vào (2-11) và (2-12)

2

.sin cos2

bIt

p m

Để tìm đường biên giới giữa vùng dòng diện liên tục và vùng dòng điện gián đoạn tatính cosa từ (2-13) và tính sinα từ (2-15) và vì cos2 α + sin2 α =1 nên:

cơ Việc chuyển mạch các van phụ thuộc vào điện áp lưới, do vậy người ta gọi lànghịch lưu phụ thuộc Nguyên lý nghịch lưu phụ thuộc được trình bày trên hình Hình2-7

Tương tự như ở chế độ chỉnh lưu, trong chế độ nghịch lưu phụ thuộc cũng cóthể xảy ra các hiện tượng chuyển mạch và hiện tượng gián đoạn dòng điện Sau khi đãkết thúc quá trình chuyển dòng cho van T2, van T1, chuyển từ trạng thái dẫn sang trạngthái khóa, quá trình này phải kết thúc trước thời điểm chuyển mach tự nhiên, là thờiđiểm U2a, bắt đầu dương hơn U2b Thời gian của quá trình này gọi là thời gian khóa Như vậy nếu tính cả góc chuyển mạch µ thì điều kiển an toàn để bộ biến đổi có thểlàm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc là:

   Như vậy điều kiện an toàn (2-11) sẽ là:

max max

       (2-19)

Hình 2 7: Chế độ nghịch lưu phụ thuộc trong mạch chỉnh lưu tia ba pha

Nếu điều kiện này không được đảm bảo thì nghịch lưu sẽ rơi vào trạng thái, sự cố,van cần khóa sẽ vẫn dẫn dòng tiếp, không thực hiện được chuyển mạch giữa các van,không kiểm soát được điện áp, dòng điện của nghịch lưu Trong hình 2-8 cho một ví

dụ về chế độ sự cố này, lúc đó van khóa T3 không chuyển dòng cho van T1, mà dẫntiếp làm cho dòng điện chỉnh lưu tăng nhanh mạnh, T3 dẫn khi điện áp pha c đã dương