THIẾT KẾ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ docx

Theo đó ứng với mỗi cách ta cócác loại động cơ điện loại: Có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng :  Động cơ điện một chiều kích từ độc lập : Dòng điện kích từ được lấy từ ngu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN

THIẾT KẾ MÔN HỌC

TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ

Đề số 49 : Cho hệ truyền động như hình vẽ Động cơ truyền động phải nâng vật có tải trọng P theo yêu cầu – gia tốc khi nâng không quá 1.5m/s 2 Yêu cầu điều khiển vị trí của vật cần nâng Động cơ truyền động là động cơ một chiều kích từ hỗn hợp

Đề cương sơ bộ

Chương 1 Giới thiệu chung

1.Giới thiệu chung về động cơ truyền động

1.1.Sơ lược về động cơ một chiều

1.2.Giới thiệu chi tiết hơn về động cơ một chiều

1.2.1 Phần tĩnh hay stato

1.2.2.Phần quay hay roto

1.2.3.Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

1.2.4 Phương pháp kích từ của động cơ điện một chiều

2 Yêu cầu công nghệ

2.1 Cơ cấu nâng vật có tải trọng theo thời gian

Chương 2 Giới thiệu về cấu trúc truyền động

2.1.Đề xuất cấu trúc chung của hệ truyền động

2.2.Các thành phần của hệ truyền động và mô hình toán của các thành phần2.2.1.Bộ điều khiển

2.2.2.Bộ biến đổi

2.2.3.Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

2.2.4.Thiết bị đo lường

Chương 3 Tổng hợp các bộ điều khiển và kết quả mô phỏng

3.1.Tổng hợp các bộ điều khiển

3.2 Kết quả mô phỏng

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG

1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG

1.1. Sơ lược về động cơ điện một chiều

Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết điệntừ qua

y, làm việc theo nguyên lý điện từ, khi đặt vào trong từ trường một

và cho dòng điệnchạy qua dây dẫn thì trường sẽ tác dụng một lựctừ vào dòng đi

ện (vào dây dẫn) vàlàm dây dẫnlàm dây dẫn chuyển động.Động cơ điệnbiến đổi điện năng thành cơ năng

Gồm hai phần: - phần đứng yên stato (gọi là phần tĩnh )

- phần chuyển động roto (gọi là phần quay )

Hình 1.1: Mặt cắt ngang trục máy động cơ điện một chiều

1.2 Giới thiệu chi tiết hơn về động cơ điện một chiều

1.2.1- Phần tĩnh hay stato.

Hay còn gọi là phần kích từ động cơ,là bộ phận sinh ra từ trường.Gồm cómạch

mạch từ và dây cuốn kích thích lồng ngoài mạch từ(nếu động cơ đượckích từ bằ

ng nam châm điện)

- mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc,thép đặc )

- Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện

từ (êmay).Các cuộn dây điện từ nay được nối tiếp với nhau

bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành

kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau

b Cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chínhvà dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặtdây quấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào

vỏ máy nhờ những bulông

c 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

d Các bộ phận khác

Bao gồm:

- Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn

và an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy

Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang

- Cơ cấu chổi than: để đưa 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 chặy lên cổgóp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với

giá Giá chổi

than có thể quay được để điều chỉnhvị trí chổi than cho đúng chỗ.Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại

1.2.2.Phần quay hay rôto

Bao gồm những bộ phận chính sau :

Là phần sinh ra suất điện động Gồm có mạch từ được làm bằng vật liệu sắt

quấn phần ứng (làm bằng daay điện từ )

Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bôi dây nối vơi nhau theo mét qui luật nhấtđịnh.Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với cácphiến đồng gọi là phiến góp

Các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trụcgọi là cổ góp hay vành góp

Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghépsát vào thành cổ góp nhờ lò xo

qua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máyđiện nhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy

phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm

và hợp thành một hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V

ít để hàn các đầu dây của các phần tử

1.2.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Động cơ điện phải có hai nguồn năng lượng

- Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ đẻ sinh ra từ thông kích từ

- Nguồn phần ứng đượcđưavào hai chổi than để đưa vào hai cổ góp của phần ứng

Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi điện trong dây quấn phần ứng có điệnCác thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay Chiều của lực được xác định bằng qui tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Docó

phiếu góp nhiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thayđổi

chiềucủa suất điện động được xác định theo qui tắc bàn tay phải ,ở động cơ chiế

Phương trình cân băng điện áp :

U = E ư + R ư I ư +I ư

1.2.4 Phương pháp kích từ của động cơ điện một chiều

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều ngườ

i

ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ Theo đó ứng với mỗi cách ta cócác loại động cơ điện loại:

Có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng :

 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập : Dòng điện kích từ được lấy từ nguồn

riêng biệt so với phần ứng

 Động cơ điện một chiều kích từ song song : Dây quấn kích từ được nối song

song với mạch phần ứng

 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp : Dây quấn kích từ được mắc nối tiếp

với mạch phần ứng

quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp

Hình 1.2 : Các loại động cơ điện một chiều

a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

b) Động cơ điện một chiều kích từ song song

c) Động cơ điện một chiều nối tiếp

d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

Với mỗi loại động cơ trên

Là tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điềukhiển và ứng dụng là tươn

g đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều nhân tố Ở đề tài này tachỉ xét đến động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

2 YÊU CẦU CÔNG NGHỆ

2.1 Cơ cấu nâng vật có tải trọng theo thời gian

2.1.1 Khái niệm cơ cấu nâng

Cơ cấu nâng là quá trình thay đổi vị trí các vật nặng dạng khối hoặc cácvật phẩm rời vụn với khối lượng lớn nhỏ nhờ các thiết bị nâng chuyển nhưPalang, cần trục, băng tải, xích tải, con lăn, đường ống

2.1.2 Phân loại cơ cấu nâng chuyển

Căn cứ vào chuyển động chính người ta phân cơ cấu nâng làm 2 nhóm

 Đặc điểm.

nghỉ của cơ cấu máy)

- Phần chủ yếu của máy vận chuển theo chu kỳ là máy trục.

trong mặt phẳng ngang, trong đó cơ cấu năng là cơ cấu chủ yếu

 Phân loại.

(kích, tời, palang )

trục, cần cẩu )

yêu cầu nào đó (thang máy, cơ cấu năng )

thanh răng, thang máy, cần trục cố định, cần trục di động, cần trục nối

 Đặc điểm.

 Phân loại.

lăn, ống dẫn

2.1.3 Các thông số cơ bản của máy nâng

- Sức nâng kí hiệu là [Q] có đơn vị đo là tấn, kg, là trọng lượng lớn nhất máy cóthể nâng được ở trạng thái làm việc nhất định nào đó của máy

- Tầm với R, m là khoảng cách theo phương nhang từ tâm thiết bị mang vật đếntrục quay của máy Tầm với chỉ có ở các cần trục có tay cầm

không đổi hoặc thay dổi theo tầm với

- Chiều cao nâng H, m là khoảng cách từ mặt bằng máy đến tâm thiết bị mangvật ở vị trí cao nhất Với các cần trục có tay cầm thì chiều cao nâng thay đổi phụthuộc vào tầm với

- Khẩu lộ L, m là khoảng cách theo phương ngang giữa đường trục của 2 đườngray mà trên đó máy di chuyển.

- Đường đặc tính tải trọng là đồ thị mô tả mối quan hệ giữa sức năng, tầm với vàchiều cao năng

- Các thông số động học bao gồm tốc độ của các chuyển động riêng rẽ ttreenmáy

- Thời gian thay đổi tầm với T(s) là khoảng thời gian để thay đổi tầm với từ tầm

tầm với trung bình m/s

CHƯƠNG 2:

GIỚI THIỆU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

2.1 ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG

Hình 2.1: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển hệ truyền động điện

Trong đó:

R- các bộ điều khiểnBBĐ- bộ biến đổiM- động cơ

TB Đo- thiết bị đo

2.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH TOÁN CỦA CÁC THÀNH PHẦN.

2.2.1 Bộ Điều Khiển

Trong hệ thống, bộ điều khiển có nhiệm vụ nhận các tín hiệu đo từ động cơ

và hộp số để điều khiển hệ thống theo đúng tín hiệu đặt Tín hiệu từ bộ điềukhiển được gửi tới bộ biến đổi công suất

Bộ điều khiển P là dạng đơn giản nhất thuộc họ PID Thuật toán khuếch đại

tỉ lệ đưa ra tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với giá trị tức thời của tín hiệu sai lệchđiều khiển e(t):

u(t)=kP.e(t) với kP - hệ số tỉ lệ

Khi xuất hiện tín hiệu sai lệch e(t), thông qua bộ điều khiển tín hiệu này

bộ điều khiển chính là tạo khả năng bù trừ sai lệch cho tín hiệu ra

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển P

Nguyên tắc làm việc: Khi tín hiệu sai lệch e(t) lớn, đáp ứng đầu ra y(t) sẽrất nhỏ so với tín hiệu đặt x(t) Để cho giá trị y(t) tiến gần giá trị xác lập x(t) bộđiều khiển phải tạo ra khả năng bù trừ sai lệch bằng cách khuếch đại tín hiệuđiều khiển có giá trị lớn để duy trì sự ổn định của hệ thống hoặc ngược lại khitín hiệu sai lệch e(t) nhỏ, đại lượng đầu ra y(t) tiến gần giá trị xác lập thì sự tácđộng của điều khiển lên đối tượng u(t) sẽ nhỏ bớt đi để đảm bảo sự ổn định của

hệ thống

Bộ điều khiển P có cấu trúc đơn giản song nó luôn tồn tại sai số ở chế độxác lập Nếu cấu trúc hàm truyền hệ hở của hệ thống không chứa khâu tích phânthì sai số xác lập sẽ là một hằng số

k – hệ số khuếch đại của hàm truyền hệ hở khâu tích phân có mặt trong hệthống sẽ dẫn đến triệt tiêu sai lệch tĩnh

Từ công thức rút ra kết luận:

tĩnh e(t) sẽ giảm, kích thích của hệ thống vẫn không dao động nhưng để đảm

đạt được chất lượng như mong muốn trong chế độ quá độ Vì khi tăng hệ số

làm cho nó mất ổn định trước khi đạt được giá trị khuếch đại mong muốn

Bộ điều khiển này là dạng điều khiển sử dụng phổ biến trong họ PID Sovới bộ điều khiển P, bộ điều khiển PI mở rộng thêm thành phần tích phân (còngọi là tác động tích phân) với mục đích triệt tiêu sai lệch tĩnh, tác động tích phânđưa ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích lũy của sai lệch điều khiển quan sát đượce(t)

Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển PI

Hàm truyền của bộ điều khiển PI:

Trong thực tế việc chọn thông số điều chỉnh kP,Ti để phù hợp với đốitượng, đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng của quá trình quá độ là vấn đề hếtsức quan trọng vì tín hiệu ra của bộ biến đổi chậm pha so với tín hiệu vào một

PI chậm hơn so với quy luật tỉ lệ và nhanh hơn so với quy luật tích phân

Về tính chất của luật điều khiển tỉ lệ thì nó có đáp ứng tốt xong tồn tại sai

quá lớn thì hệ thống mất tác động

hưởng của khâu tích phân đến đáp ứng quá độ ít vì vậy mà bộ điều khiển PI hoạtđộng như bộ điều khiển tỉ lệ Tức là đáp ứng đầu ra ổn định nhưng sai số vẫncòn lớn so với yêu cầu

ứng quá độ chưa có dao động nhưng sai số xác lập lúc này bằng 0 Khi giảm nhỏ

quá độ tốt lên hoặc ngược lại và có thể làm cho hệ thống mất ổn định

Bộ điều khiển PI được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Tuy nhiên doảnh hưởng của thành phần tích phân nên tốc độ tác động của bộ điều khiển bịchậm đi Nếu đối tượng có nhiễu tác động liên tục mà đòi hỏi độ chính xác caothì ở bộ điều khiển này không đáp ứng được.

Các bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI) hoặc tỉ lệ - vi phân (PD) đã đáp ứngđược các yêu cầu về chất lượng trong quá trình điều khiển Tuy nhiên chúng còntồn tại một số nhược điểm cơ bản, ví dụ như ở bộ điều khiển PD rất nhạy với tínhiệu nhiễu vì bản thân PD là bộ lọc thông cao, với bộ lọc lớn hơn sẽ làm tăngảnh hưởng của nhiễu Với bộ điều khiển PI lại là nguyên nhân kéo dài thời giantăng tốc và thời gian xác lập Để thỏa mãn yêu cầu về chất lượng người ta sửdụng tổ hợp điều khiển tỉ lệ - tích phân – vi phân (PID) Bộ điều khiển PID kếthợp được những điểm mạnh của các bộ điều khiển P, PI, PD, nhằm cải thiện quátrình quá độ, đồng thời tăng độ chích xác cho hệ thống

Hàm truyền đạt của hệ điều khiển PID có dạng:

Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID:

Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển PID

Trong quá trình hoạt động của bộ điều khiển PID, hiệu quả của điều khiểntích phân là loại trừ sự truyền tín hiệu tăng theo tỉ lệ, đặc biệt sự truyền tín hiệutăng theo tỉ lệ nhiễu lớn bằng các hiệu chỉnh liên tục, hoặc lặp lại đầu ra thiết bịđiều khiển Tốc độ mà tác động đó lặp lại nhân đôi hoặc lặp lại tác động tỉ lệ

Đối với thành phần vi phân trong bộ điều khiển PID, thì tác động điềukhiển có khuynh hướng dự phòng trước các thay đổi trong tín hiệu sai số do đólàm giảm khuynh hướng dao động Tác động điều khiển là tác động tốc độ.Trong thực tế, bộ điều khiển PID có thể được hình thành từ việc mắc nốitiếp hai bộ điều khiển PI và PD Lúc này hàm truyền bộ điều khiển có dạng:

Để tăng khả năng chống nhiễu người ta có thể sử dụng bộ điều khiển PID

Hình 2.5: Mạch chỉnh lưu cầu ba pha

điện để cung cấp nguồn điện một chiều cho tải Các tiristor thay nhau dẫn dòng

Hình 2.6: Hàm truyền của bộ biến đổi Trong đó:

2.2.3 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp là động cơ điện có 2 nguồn kích từ

gồm cuộn kích từ nối tiếp và cuộn kích từ song song Như vậy nếu coi động cơđiện 1 chiều kích từ hỗn hợp tương đương như động cơ điện 1 chiều kích từsong song hay độc lập nhưng sẽ có các thông số của cuộn kích từ sau khi đã biếnđổi bằng tổng của thông số 2 cuộn kích từ song song và nối tiếp trước khi biếnđổi Khi đó ta sẽ được động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập tương đương

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập hay được sử dụng vì nó có nhiều

ưu điểm Sơ đồ thay thế động cơ một chiều kích từ độc lập như sau:

Hình 2.7: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập

ĐC: Động cơ điện một chiều

: Từ thông kích từ

CF: Cuộn dây cực từ phụ

Me: Momen điện từ

: Tốc độ góc của động cơ

 Mô hình toán ở chế độ xác lập của động cơ một chiều kích từ độc lập

+ Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:

+ Phương trình sức điện động động cơ:

+ Phương trình momen điện từ:

+ Phương trình đặc tính cơ:

 Mô hình toán ở chế độ quá độ của động cơ một chiều kích từ độc lập

Hệ phương trình được viết cho động cơ dưới dạng toán tử Laplace:

Trong biểu thức trên (-) khi khử từ, dấu (+) khi tham gia từ hóa

+ Phương trình cân bằng momen:

Từ phương trình phần ứng ta có:

với Trên cơ sở đó ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiềutổng quát:

Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc tổng quát động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khối (1) biểu diễn cho phản ứng phần ứng, từ đó thấy tính phi tuyến của sơ

đồ là rất cao Như vậy có thể tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc và cácphương trình tuyến tính hóa được viết như sau:

- Mạch phần ứng:

U0 + ∆U(p) = Rư [.I0+∆I(p) ] +pL[I0 + ∆I(p)] + K[φ0 + ∆φ(p)][ωB +∆ω(p)]

Hình 2.9: Sơ đồ tuyến tính hóa của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

 Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi

Khi xét tới động cơ một chiều kích từ độc lập và không điều khiển từ thôngthì có thể xem từ thông là một hằng số Khi đó, ta không còn mạch kích từ mà