Điều khiển hệ Điện cơ bài tập lớn xây dựng mạch vòng dòng Điện

TRUONG DAI HOC HANG HAI VIET NAM Đài: tổng hợp mạch vòng dòng điện của hệ truy ni động sử dung động cơ điện một chỉ âi kích từ độc lập khi tổng hợp bỏ qua sự ảnh hưởng của sức điện động

=> TRUONG DAI HOC HANG HAI VIET NAM

Đài: tổng hợp mạch vòng dòng điện của hệ truy ni động sử dung động cơ điện một chỉ âi kích từ độc lập khi tổng hợp bỏ qua sự ảnh hưởng của sức điện động E với dạng tải xung vuông với biên độ bằng

LOI CAM ON

Trong bối cảnh của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, việc ứng dụng công nghệ điện cơ và tự động hóa ngày càng trở nên quan trọng hơn bao giở hết Đặc biệt, việc xây dựng các hệ thống đi`âi khiển tốc độ cho động cơ một chi`âi đóng vai frò quan trọng trong việc tối ưu hóa hoạt động sản xuất và tiết kiệm năng lượng Bài tập lớn “Đi`âi khiển hệ điện cơ” trong môn học này là một bước đáng chú ý để thực hành và ứng dụng các kiến thức đã học trong việc tối ưu hóa đi`êi khiển động cơ một chi âi thông qua hai phương pháp quan trọng: phương pháp tối ưu module và phương pháp tối ưu đối xứng

Bài tập lớn không chỉ là cơ hội để rèn luyện kỹ năng thực hành và vận dụng kiến thức, mà còn mở ra cánh cửa cho việc hiểu sâu hơn v`êt Ân quan trọng của việc tối ưu hóa trong ngành công nghiệp và ứng dụng thực tế Chúng ta sẽ

được trải nghiệm quá trình tìm hiểu, phân tích, và áp dụng những kiến thức đã

học vào việc giải quyết vấn đề thực tế, góp phẦn nâng cao khả năng giải quyết van d€va sang tạo của bản thân

Cuối cùng, em xin được gửi tới th Phạm Tâm Thành người đã giúp đỡ

và tạo đi `âi kiện thuận lợi để em hoàn thành bài tập lớn này lời cảm ơn chân thành nhất!

Sinh viên thực hiện (Ký ghi rõ họ tên)

MUC LUC MUC LUC

DANH MUC HINH ANH

CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU - l

LL Dat Va Geo 1

1.2 Cấu Tạo Động Cơ Điện Một Chí Ô1 - 2À HH 1

1.2.1 Ph*n nh hay ph cảm (StatO) -.- 5 - SH HH nh 2

1.3 Nguyên Lý Làm Việc Của Động Cơ Điện Một Chi ôi c5 5

1.4 Đặc Tính Cơ Điện Của Động Cơ Điện Một Chỉ ôt c5 55: 5

CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN 10

2.1 Mô Hình Động Cơ Điện I Chi ô1 - 20 - 2G HH ng key 10

2.1.1 Mô hình động cơ điện một chỉ 'âi kích tử độc lập 10 2.1.2 Cac chế độ hoạt động của động cơ điện một chi i -. - 12 2.2 Khái quát v`êbộ đi Yât khiển PÏD Q - 25 n2 2 SH HH ket 14

2.3 Khái niệm mạch vòng đi âi chỉnh dòng điện ò5 55 +5+<xs+sss+ 14

2.4 Xây dựng mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động của động cơ l7

2.4.1 Cấu trúc đi ầI khiểm - 25 5 222 1 2203112223 19293 1n nen 1v re 17 2.4.2 Tổng hợp bộ đi `âi khiển - Ăn HH Hư 18

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 23

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ điện một chi ÔI - 5 G5 5S 23x Y1 ng ve 1

Hình 1.2 Cấu tạo stato đông cơ điện một chi TÔi - 55 s1 2 1 ce 2

Hình 1.3 Cấu tạo cực tử chính << 55+ + 213 11311E825183 3181182511851 2215, 2

Hình 1.4 Lá thép TOfO - sọ HT TT họ gi 3

Hình 1.5 Dây quấn ph ân ứng máy điện một chi ôi 7 5= se <+s+ sex 4

Hinh 1.6 Cau tao CO S6p oo 4

Hình 1.7 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chỉ i - 5

Hình 1.8 Sơ đ 'ôđấu dây động cơ kích từ độc lập 5c c2 se 6

Hình 1.9 Sơ đ'ôđấu dây động cơ kích từ song song 5-5 set 6

Hình 1.10 Dac tinh cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện một chi ôi kích từ

5Ð 0 8

Hình 2.1 Sơ đ ôcấu trúc chung đông cơ điện một chi ôi - - 25 << s55 55 10

Hình 2.2 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải - - 10

Hình 2.3 Sơ đ ồcấu trúc tuyến tính hÓa 5 + 33 9x vn ngư 12

Hình 2.4 Giản d Gthay thế động cơ điện một chi ồ! 5-5 5555 << + >2 13

Hình 2.5 Ð ôthị miêu tả dạng øia tốc của động CƠ GẶS- net 15

Hình 2.6 Cấu trúc đi`âi khiển thứ nhấtt - G55 S1 23 2 9s gi reee 16

Hình 2.7 Cấu trúc đi `âi khiển thứ hai - 5 5 + + 1n 9 HH ng re 16

Hình 2.8 Cấu trúc đi`âi khiển thứ ba - Án 3 1x 9 HH HT ghe 17

Hình 2.9 Cơ đ`ôcấu trúc mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động 17

Hình 3.1 Sơ đ'ômô phỏng mạch l Ân 2 - 5 25 1919113 991 9 1 3913k 23

Hình 3.2 Sơ đ'ômô phỏng mach 1B Ì - - 5 5+ 1x13 931 se srk 23

Hình 3.3 Kết quả mô phỏng mạch 1 Tần 2 -.- 6+5 + +3 v.v nh rh 24

Hình 3.4 Kết quả mô phỏng mạch Ï Tần Ì <5 + S23 + ven ee 24

Hình 3.5 Chức năng tune PID trong matlab 5-55 S* + kssseereesss 25

CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIÊU

11 Đặt vấn đề

Cho đến nay động cơ điện một chi`âi vẫn chiếm một vị trí quan trọng trong hệ đi`âi chỉnh tự động truy & động điện , nó được sử dụng rộng trong hệ

thống đòi hỏi có độ chính xác cao vùng đi li chỉnh rộng và qui luật đi âi chỉnh

phức tạp Cùng với sự tiến bộ của văn minh nhân loại chúng ta có thể chung kiến

sự phát triển r ần rộ kể cả v`êqui mô lẫn trình độ của nn sản xuất hiện đại Trong

sự phát triển đó ta cũng có thể rễ ràng nhận ra và khẳng định rằng điện năng và

máy tiêu thụ điện năng đóng vai trò quan trọng không thể thiếu được Nó luôn đi

truớc một buớc làm ti đênhung cũng làm mũi nhọn quyết định sự thành công

của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp Không một quốc gia nào ,một ni sản

xuất nào không sử dụng điện và máy điện

Động cơ điện một chi âi vẫn được dùng rất phổ biến trong các hệ thống truy động điện chất luợng cao, dải công suất động cơ một chi ân từ vài W đến hàng MW Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cẦi

mômen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng Động cơ diện một chi âi cũng dễ

dàng đáp ứng với các truy ê động trong khoảng đi khién tốc độ rộng và đảo

chỉ 'âi nhanh với nhi `âi dặc tuyến quan hệ mômen - tốc độ

Trong động cơ điện một chi`ât, bộ biến đổi điện chính là các mạch chỉnh luu đi`âi khiển Chỉnh luu đuợc dùng làm ngu ôn di*âi chỉnh điện áp phần ứng

động cơ Chỉnh luu ở đây sử dụng chỉnh luu cân 3 pha

1.2 Cấu tạo động cơ điện một chi âi

Rotor Coils

Hình 1.1 Cau tao động cơ điện một 1 chi âi

Máy điện một chi âi có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạo giống nhau Những phần chính của máy điện một chi'âi g ân phần cảm (ph Ần

tĩnh) và ph ứng (ph Ần quay)

1.2.1 Ph% tinh hay ph%n cam (stato)

PhẦn cảm goi IA stator, øg ồn lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vửa là vỏ máy và các cực tử chính có dây quấn kích tử (hình 1.1), dòng điện chạy trong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên

Cực từ chính

Dây quấn cực từ chính Day quan cc tu phy Cực từ phụ

Lõi sắt

Gông từ Dây quấn phấn ứng

Hình 1.2 Cấu tạo stato động cơ điện một

chị ôi nhau Cực từ chính gắn với vỏ máy nhở các bulông Ngoài ra máy điện một chi ôi

còn có nắp máy, cực từ phụ và cơ cấu chổi than

Cực từ chính:

Là bộ phận sinh ra từ trưởng g ồn có lõi sất cực từ và dây quấn kích từ

| ng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay

thép cacbon day 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhở các bulông Dây quấn kích

từ đuợc quấn bằng dây dng, va mdi cudn day dai đuợc bọc cách điện kỹ thành

bulông

Vỏ máy

lỗi sắt cực từ chính dây quấn cực từ

Hình 1.3 Cấu tạo cực từ chính một khối tẩm sơn cách điện truớc khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực tử này được nối tiếp với nhau nhu trên ( Hình 1.3)

Cực từ phụ:

Cực tử phụ được đặt trên các cực tử chính và dùng để cải thiện đổi chỉ âu Lõi thép của cực từ phụ thuởng làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống nhu dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào

vỏ máy nhở những bulông

Gông từ:

Gông tử dùng làm mạch tử nối li các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thuởng dùng thép dày uốn và hàn lại Trong máy điện lớn thuởng dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

Các bộ phận khác bao g Gm:

Nap may: Dé bao vé máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hu hỏng dây quấn và an toàn cho nguởi khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trưởng hợp này nắp máy thuởng làm bằng gang

Cơ cấu chổi than: để đua dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than bao gân có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than đuợc cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể quay được để đi `âi chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khi đi ân chỉnh xong thì dùng vít cố định lại

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 chi `âi nhỏ, lõi sắt phần ứng đuợc ép trực tiếp vào trục Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá roto Dùng giá roto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng luợng roto

Dây quấn phân ứng:

G ôm nhi i phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các rãnh của ph tng tao

thành một hoặc nhi êi vòng kín Ph3n tử của dây quấn là một bối dây g ên một hoặc nhi 'âi vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của vành góp hai cạnh tác dụng của ph3n tử đặt trong hai rãnh duới hai cực từ khác tên

Dùng để đổi chi`âi dòng điện xoay chỉ lâi thành một chỉ `âi Cổ góp g ân nhi âi phiến đồng có đuợc mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0.4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trục tròn Hai đi 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 đi dây của các ph tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng nhu trên

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chỉ ân

Trên hình 1.5 khi cho điện áp một chỉ lâi U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phẦn ứng có dòng điện Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ trưởng sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụng lên roto, làm quay roto Chia luc tac dung được xác định theo quy tắc bàn tay

Hình 1.7 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chi `âi trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau

nhờ có phiến góp đổi chi`âi dòng điện, nên dòng điện một chỉi'âi biến đổi thành dòng điện xoay chi âi đua vào dây quấn phẦn ứng, git? cho chi luc tac dung không đổi, do đó lực tác dụng lên roto cũng theo một chi `âi nhất định, đảm bảo động cơ có chỉ lâi quay không đổi

1.4 Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chi âi

Khi ngu ồn điện một chi ` có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thuởng mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song

Khi ngu Ê điện một chỉ lâi có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai ngu Gn một chỉ Si độc lập với nhau lúc này động

cơ được gợi là động cơ kích từ độc lập

Hình 1.9 So d Gdau day dong Hinh 1.8 So d Gdau day dong

cơ kích từ song song cơ kích từ độc lập Theo sơ đ`ôhình 1.9 có thể viết phuơng trình cân bằng điện áp của mạch ph% tng nhu sau:

rp : điện trở của cuộn bù

r : điện trở tiếp xúc của chổi than

Sức điện động E, của phn ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

_P.N

E

Trong đó:

K-ZÈ

2œ hệ số cấu tạo của động cơ

p: số đôi cực từ chính

N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn day ph% tng

œ : số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

U

O= 55 1.9

Đây là phuơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chi kich tir độc

lập Giả thiết phản ứng được bù đủ, từ thông L] = const, thì các phương trình đặc

tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính Ð ồ thị của chúng đuợc

biểu diễn trên (hình 1.10)

R+R,

Tams Mam dugre goi 1a dong dién ngén mach vA mémen ngan mach

Mặt khác, phương trình đặc tính (1 - 4) và (1 - 7) cũng có thể đuợc viết ở

CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN

2.1 Mô hình động cơ điện 1 chi âi

2.1.1 Mô hình động cơ điện một chỉ 'âi kích tử độc lập

MA LAS

Hình 2.11 Sơ đ`ô6cấu trúc chung động cơ điện một chi ôi

Ta thấy rằng sơ đ ôcấu trúc này là phi tuyến mạnh (có khâu phi tuyến), do

đó trong tính toán ứng dụng thuờởng dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc (phuơng pháp số gia)

Truớc hết chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính mômen tải nhu hình 2.2

Hình 2.12 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính tử hoá và

đặc tính tải

10

Độ dốc của đặc tính từ hoá và đặc tính cơ mômen tải tương ứng (bỏ qua

hiện tuợng từ trễ) là:

Tại điểm làm việc xác lập ta có: điện áp phần ứng Us, dong điện ph ân ứng

Ip, tic dé quay Ws, điện áp kích tử Ui¿, tử thông ®¿, dòng điện kích tử l¿ và mômen tải Ma Biến thiên nhỏ của các đại luợng trên tương ứng là: AU(p),

Al(p), Ao(p), AUL(p), Al.(p), AĐ(p) và AMc(p)

Xét cho động cơ kích từ độc lập (Nx= 0), khi đó các phương trình có thể viết nhu sau:

Mạch phần ứng:

Us+ AU(p) = R,[lb + AI(p)] + pL[lbo + Al(p)] + + K[Po+ A®(p)|.[@s+ 2.14

Ao()l

Mạch kích từ:

Uso + AUx(p) = Rilo + Alk(p)] + pLiflio + Al(p)] 2.15

Phuơng trình chuyển động cơ học:

Kị®¿+ A®(p)] [lo + Al(p)] - [Ms + AMc(p)]=J,p[@s+ — 2.16

Aw(p)]

Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì tử các phuơng trình trên có thể viết

được các phuơng trình của gia số nhu sau:

AU(p) = R,AlI(p) + pL.,AI(p) + K@®sAo(p) +KA®(p)0p 2.17

AU,(p) = R/AI(p) q + ply) 2.18

KA®(p)b +K@®¿Al(p) - AMc(p) = J; pAo(p) 2.1

9

II