Đồ án Truyền động điện động cơ 1 chiều kích từ độc lập

Thiết kế điều khiển truyền động hệ TĐ với các tham số: cho sẵn, đề thầy Khoát cho làm, đại học điện lực hà nội, điểm A bảo vệ, đúng các yêu cầu thầy đưa ra và được ký để đi bảo vệ, các tham số không quá chênh lệch không cần làm thay đổi thông số tính toán quá mại zô mại zô

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

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ NGÀNH: CÔNG NGHỆ KTĐK&TĐH CHUYÊN NGÀNH: Công nghệ kỹ thuật điều khiển HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Khoát

Nhóm sinh viên/ sinh viên thực hiện: Nhóm 1

Lớp: D14CNKTDK2

HÀ NỘI, 1/2023

ĐỀ BÀI BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ

Thiết kế điều khiển truyền động hệ T-Đ với các tham số:

Iđm(V)

Rư(Ω)

Lư(mH)

J(kgm2)

Bộ chỉnh lưu thyristor

xy= 2

số cuối MSSV

f) Yêu cầu có bản vẽ A3 toàn bộ sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển kèm với báo cáo

g) Mẫu báo cáo: A4, Times New Roman – 13pt, Line spacing: multiple – 1.3 pt Có mụclục, danh mục hình vẽ, bảng;

tài liệu tham khảo (xem mẫu file BCCĐ đã gửi)

MỤC LỤC

Chương 1: TÌM HIỂU CHUNG 4

1.1 Tìm hiểu về động cơ một chiều loại kích từ độc lập 4

1.1.1.Cấu tạo 4

1.1.2 Phương trình đặc tính cơ 4

1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh mạch phần ứng 7

1.2 Hệ truyền động T-Đ 11

1.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều kích từ độc lập trong hệ T-Đ 12

Chương 2: MÔ HÌNH HOÁ ĐỘNG CƠ VÀ TỔNG HỢP CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH 15

2.1 Mô hình toán học động cơ một chiều, kích từ độc lập 15

2.1.1 Mô hình toán học của hệ truyền T-Đ 15

2.2 Cấu trúc hệ điều khiển và phương pháp tổng hợp các mạch vòng 16

2.2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 17

2.2.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 19

2.3 Tính toán các thông số 20

Chương 3: MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB/Simulink 23

3.1 Động cơ trường hợp không tải (Mc = 0) và không có mạch vòng điều chỉnh 23 3.2 Động cơ trường hợp có tải Mc và không có mạch vòng điều chỉnh 24

3.3 Động cơ trường hợp có tải Mc, có các mạch vòng điều chỉnh 25

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình1.1: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Hình 1.2: Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Hình 1.3: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Hình 1.4: Ảnh hưởng của điện trở phụ

Hình 1.1: Ảnh hưởng của điện áp phần ứng

Hình 1.6: Đặc tính cơ khi giảm từ thông kích từ

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động T-Đ

Hình 1.8: Hệ truyền động T-Đ không đảo chiều

Hình 1.9: Hệ truyền động T-Đ có đảo chiều

Hình 1.10 Điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

Hình 1.11: Điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay đổi từ thông

Hình 1.12; Điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay đổi điện trở phần ứng

Hình 2.1: Mô hình tuyến tính hệ T-Đ

Hình 2.2: Mô hình toán học của hệ truyền T-Đ

Hình 2.3: Hàm truyền của bộ chỉnh lưu có điều khiển khi bỏ qua phần phi tuyếnHình 2.4: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện

Hình 2.5: Tín hiệu đo của mạch vòng

Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc cảu hệ điều chỉnh tốc độ

Hình 2.7: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ

Chương 1: TÌM HIỂU CHUNG1.1 Tìm hiểu về động cơ một chiều loại kích từ độc lập

1.1.1.Cấu tạo

Hình1.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập: Cuộn kích từ được cấp điện từ nguồn 1 chiều độc lập với nguồn điện cấp cho roto

Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn dây phản ứng quay trong từ trường củacuộn cảm nên trong cuộn ứng xuất hiện một sức điện động cảm ứng có chiều ngược vớiđiện áp đặt vào phần ứng động cơ Theo sơ đồ nguyên lý trên hình 2.1 và hình 2.2, cóthể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phản ứng (rôto) như sau:

- Uư là điện áp phần ứng động cơ (V)

- Eư là sức điện động phần ứng động cơ (V)

- Rư là điện trở cuộn dây phần ứng

- ru là điện trở cuộn dây phần ứng

- rct là điện trở tiếp xúc giữa chổi than và vành góp

p N K

a





Là hệ số kết cấu của động cơ

-ϕ từ thông qua mỗi cực

- p số đôi cực từ chính

- N số thanh dẫn tác động của cuộn ứng

- a số mạch nhánh song song của cuộn ứng

Từ hệ 2 phương trình (1.1) và (1.3) ta có thể rút ra được phương trình đặc tính cơ điện biểuthị mối quan hệ ω =f(I) của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập như sau:

2 ( )

u p

u R R U

U K





 gọi là tốc độ không tải lý tưởng

K ϕ Tốc độ ω0 gọi là tốc độ không tải lý tưởng

khi không có lực cản nào cả Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ởchế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra trường hợp Mc = 0

Hình 1.2: Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Khi phụ tải tăng dần từ Mc = 0 đến Mc = Mđm thì tốc độ độc cơ giảm dần từ đếnđiểm A(Mđm ω đm) gọi là điểm định mức

Rõ ràng đường đặc tính cơ có thể vẽ từ 2 điểmω0 và A Điểm cắt của đặc tính cơđến trục hoành 0M có tung độ =0 và có hoành độ suy từ phương trình (1.7)

u

U dm

nm  m R  m nm

Hình 1.3: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Momen Mnm và Inm gọi là momen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch Đó làgiá trị momen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điện đầy đủ vàtốc độ bằng 0 Trường hợp này xảy ra khi băt đầu mở máy và khi động cơ chạy mà bịdừng lại vì bị kẹt hoặc tải lớn quá không kéo được dòng điện Inm này lớn và thườngbằng:

ϕ Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng thông số này.

a Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ R f trên mạch phần ứng.

*/ Trường hợp R f thay đổi (U ư = U đm = const; Ф= Ф đm = const):

Độ cứng đặc tính cơ:

 dm2

K M

Từ thông không đổi nên ω 0 không đổi, chỉ có ∆ ω là thay đổi Một điều dễ thấynữa là do ta chỉ có thể đưa thêm Rf, chứ không thể giảm Rư nên ở đây chỉ điều chỉnhđược tốc độ dưới tốc độ định mức

Do Rf càng lớn đặc tính cơ càng mềm nên tốc độ sẽ thay đổi nhiều khi tải thay đổi(từ đồ thị cho thấy, khi I biến thiên thì ứng với cùng dải biến thiên của I đường đặc tính

cơ nào mềm hơn tốc đọ sẽ thay đổi nhiều hơn)

Tuy nhiên phương pháp này làm tăng công suất giảm hiệu suất

ω

0

BBĐ Đ

Hình 1.4: Ảnh hưởng của điện trở phụĐặc điểm của phương pháp:

 Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính

cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn

 Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ

định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)

 Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở

phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản

b Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.

*/ Trường hợp thay đổi U< U đm

Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ cả tên và dưới định mức Tuy nhiên

do cách điện của thiết bị thường chỉ tính toán cho điện áp định mức nên thường giảmđiện áp U ư Khi U ư giảm thì ω 0 giảm nhưng ∆ ω là hằng số nên tốc độ ω giảm Vì vậythường chỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức Còn nếu lớn hơn thì chỉ điềuchỉnh trong phạm vi rất nhỏ

Đặc điểm quan trọng của phương pháp là khi điều chỉnh tốc độ thì mômenkhông đổi vì từ thông và dòng điện phần ứng không thay đổi (M= CM.θ.Iư)

Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ trong giới hạn 1:10, thậm chícao hơn có thể đến 1:25 Phương pháp chỉ dùng cho động cơ điện một chiều kích thíchđộc lập hoặc song song làm việc ở chế độ kích từ độc lập

M 0

BBĐ Đ

- 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 chophép 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 ápra

c Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

+) Trường hợp thay đổi từ thông kích từ

Uư = const; Ruf = const; ϕ = var

Để thay đổi từ thông ϕ, ta phải thay đổi dòng điện kích từ nhờ biến trở Rkt mắc ởmạch kích từ của động cơ Vì chỉ có thể tâng điện trở mạch kích từ nhờ Rkt nên từ thôngkích từ chỉ có thể thay đổi về phía giảm so với từ thông định mức.

Trường hợp này, cả tốc độ không tải lý tưởng và độ dốc đặc tính cơ đều thay đổi

ω0 = U ư

Kϕ = var

-R ư+R f

(Kϕ)2 = varKhi điều chỉnh giảm từ thông kích từ, tốc độ không tải lý tưởng ω0 tăng, còn độcứng đặc tính cơ thì giảm mạnh Họ đặc tính cơ nhân tạo thu được như hình 1.6

ω

M 0

BBĐ Đ

Hình 1.6: Đặc tính cơ khi giảm từ thông kích từ

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 vùngtải không quá lớn so với định mức

- Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từvới dòng kích từ là ( 1÷10 ) % dòng định mức của phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp.

1.2 Hệ truyền động T-Đ

Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều (hay hệThyristor - Động cơ một chiều), bộ biến đổi điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển cóđiện áp ra tải Ud phụ thuộc vào giá trị của góc điều khiển Chỉnh lưu có thể dùng làmnguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ, tuỳ theo yêu cầu

cụ thể của truyền động mà có thể dùng các sơ đồ chỉnh lưu thích hợp

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động T-Đ

Trong hệ T-Đ, bộ chỉnh lưu có điều khiển thyristor CL nó có thể là dạng 1 pha, 2pha hoặc nhiều pha hơn nữa, dạng nửa chu kỳ hoặc dạng toàn chu kỳ, dạng bán điềukhiển hoặc điều khiển hoàn toàn thực hiện điều chỉnh điện áp điều khiển của mạch phátxung FX sẽ điều chỉnh được thời điểm xuất hiện của xung trên cực điều khiển cácthyristor dẫn đến điều chỉnh được thành phần một chiều của điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu

Ud từ đó điều chỉnh được tốc độ động cơ, có thể thực hiện điều chỉnh vô cấp (không cóbước nhảy) vì công suất ở bộ phận điều chỉnh thường rất nhỏ

a) Hệ thống T-Đ không đảo chiều

Hình 1.8: Hệ truyền động T-Đ không đảo chiều

b) Hệ thống T-Đ có đảo chiều

Hình 1.9: Hệ truyền động T-Đ có đảo chiều

Có thể đảo chiều động cơ bằng 2 cách: Đảo chiều điện áp phần ứng hoặc đảochiều từ thông kích từ Cuộn kháng cân bằng CB dùng để chặn dòng điện cân bằng chảyqua hai bộ chỉnh lưu khi đảo chiều

1.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều kích từ độc lập trong hệ T-Đ

Khi xem xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập, ta

đã biết quan hệ ω=f(M) phụ thuộc các thông số điện U, , Ru Sự thay đổi các thông sốnày sẽ cho những họ đặc tính cơ khác nhau Vì vậy, với cùng một mômen tải nào đó, tốc

độ động cơ sẽ khác nhau ở các đặc tính cơ khác nhau

a, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Sơ đồ nguyên lý được biểu điễn như trên hình 2.1 Từ thông động cơ được giữkhông đổi Điện áp phần ứng được cấp từ một bộ biến đổi Khi thay đổi điện áp cấp chocuộn 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 đôi về phía giảm ( U<Uđm ) nênphương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ

Hình 1.10 Điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay

đổi điện áp phần ứng

b, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng điện kích từ củađộng cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ Rõ ràng phương pháp này chỉcho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa là chỉ có thể giảm dòng điện kích từ

c, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng

Sơ đồ nguyên lý nối dây như hình 1.11 Khi tăng điện trở phần ứng, đặc tính cơdốc hơn nhưng.vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng Họ đặc tính cơ khi thay đồiđiện trở mạch phần ứng như hình 1.12

Hình 1.12; Điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay

đổi điện trở phần ứng

Về nguyên tắc phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi điện trở nhưng

vì dòng roto lớn nên việc chuyển đổi điện trở nên khó khăn Thực tế thường sử dụngchuyển đổi theo từng cấp điện trở

Chương 2: MÔ HÌNH HOÁ ĐỘNG CƠ VÀ TỔNG HỢP CÁC MẠCH

VÒNG ĐIỀU CHỈNH2.1 Mô hình toán học động cơ một chiều, kích từ độc lập

2.1.1 Mô hình toán học của hệ truyền T-Đ

Hình 2.2: Mô hình toán học của hệ truyền T-Đ Mạch điều khiển biến đổi điện áp 1 chiều Uđk thành xung điện áp có góc α thíchhợp vào mở thysistor cấp nguồn cho động cơ

Hình 2.3: Hàm truyền của bộ chỉnh lưu có điều khiển khi bỏ qua phần phi tuyến

.

( ) ( )

2.2 Cấu trúc hệ điều khiển và phương pháp tổng hợp các mạch vòng.

Trong hệ điều chỉnh vị trí có mạch vòng: Mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc

đọ và mạch vòng vị trí Hệ thống truyền động này bắt buộc phải đảo chiều được:

Quan hệ giữa ω và φ:

1 0 0

T R C: Hằng số thời gian của sensor dòng điện.

Hình 2.5: Tín hiệu đo của mạch vòngViết gọn ta có sơ đồ như hình 2.5

Từ sơ đồ trền hình 2.3 và hình 2.4 ta có hàm truyền của đối tượng điều khiển củamạch vòng điều chỉnh dòng điện:

( ) ( )

K i K

si

K K R

Mặt khác trên hình 2.4 ta có :

( ) ( )

1 ( )

i oi OMi

i

i cl

si u

R s

K K

  là khâu tỉ lệ - tích phân (PI)

Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn tối ưu moldule ta có:

2 2

i OMi

U s F

Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc cảu hệ điều chỉnh tốc độ

2.2.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ

Viết gọn sơ đồ hình 2.5 ta có sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ như trên hình 2.6:

.(1 )

O

R K S

.

.2 1 (1 )

.2.

i c s

Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống khởi động đã mang tải, lúc đó takhông coi Ic là nhiều nữa

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng:

1 4 ( )

8

Đó là khâu vô sai cấp hai đối với đại lượng đặt và vô sai cấp một đối với đại lượng nhiễu Ic

2.3 Tính toán các thông số

Các thông số cho trước:

8 Hằng số thời gian mạch đk bộ chỉnh lưu Tdk 0,001 s

Tính toán các thông số liên quan

0.002

0.0060,32

dm cl

dk

U K U

id i dm

U K I

RT R

0,32.0,098 .8 0,01 0,0009.8

1.2,95.0,0095

s

s c

Chương 3: MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB/Simulink

3.1 Động cơ trường hợp không tải (Mc = 0) và không có mạch vòng điều chỉnh

a, Mô phỏng Matlab

b, kết quả mô phỏng và nhận xét

3.2 Động cơ trường hợp có tải Mc và không có mạch vòng điều chỉnh

a, Mô phỏng Matlab

b, kết quả mô phỏng và nhận xét

3.3 Động cơ trường hợp có tải Mc, có các mạch vòng điều chỉnh

b Kết quả mô phỏng nhận xét

3.4 Động cơ trường hợp không tải (Mc = 0), có các mạch vòng điều chỉnh

a, Mô phỏng Matlab

b, Kết quả mô phỏng và nhận xét.