nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/Ỹ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ THỊ NGỌC OANH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Ỹ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ THỊ NGỌC OANH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

- 2014

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lê Thị Ngọc Oanh

Ngày sinh: 07 tháng 12 năm 1986

Học viên lớp cao học K14–TĐH01 – Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn

Thái nguyên, tháng 8 năm 2014

Học viên

Lê Thị Ngọc Oanh

Trang 3

quá trình thực hiện luận văn này

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Tiến Hưng đã tạo điều

kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất

Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể luận văn còn những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế

Xin chân thành cảm ơn!

NGƯỜI THỰC HIỆN

Lê Thị Ngọc Oanh

Trang 4

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 5

CHỌN MẠCH LỰC VÀ TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT SỬ DỤNG THYRISTOR ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 5

1.1 Lựa chọn động cơ truyền động 6

1.1.1 Động cơ không đồng bộ : 6

1.1.2 Động cơ đồng bộ: 6

1.1.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: 6

1.1.4 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: 7

1.1.5 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: 7

1.2 Chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 8

1.2.1 Điều chỉnh điện trở phụ mạch phần ứng động cơ 9

1.2.2 Điều chỉnh bằng phương pháp thay đổi từ thông 10

1.2.3 Điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ 11

1.3 Chọn loại bộ biến đổi 12

1.3.1 Hệ truyền động máy phát – động cơ (F-Đ) 13

1.3.2 Bộ biến đổi chỉnh lưu xung áp một chiều 13

1.3.3 Bộ biến đổi Tiristor -Động cơ 13

1.4 Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu 16

1.4.1 Chỉnh lưu cầu 3 pha 16

1.4.2 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 17

1.4.2.4 Biểu thức điện áp 19

1.4.3 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 20

Trang 5

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ NGHIÊN CỨU THIẾT

KẾ HỆ TỰ CHỈNH 25

2.1 Mô hình động cơ một chiều 26

2.2 Bộ điều khiển PID kinh điển 27

2.2.1 Khái niệm 24

2.2.2 Dạng sai phân 29

2.2.3 Dạng rời rạc 29

2.3 Hàm nhạy và hàm bù nhạy 30

2.4 Các quy luật điều chỉnh 31

2.4.1 Quy luật điều chỉnh P 32

2.4.2 Quy luật điều chỉnh PI 33

2.4.3 Quy luật điều chỉnh PD 35

2.4.4 Quy luật điều chỉnh PID 35

2.5 Quy trình chỉnh định tham số PID 36

2.5.1 Chỉnh định tham số PID theo kinh nghiệm 36

2.5.2 Chỉnh định tham số PID theo phương pháp thực nghiệm 37

2.5.3 Chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols 37

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 42

3.1 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh PID động cơ một chiều bằng DSP -TMS320F28069 43

3.2 Các luật điều khiển số 44

3.2.1 Luật điều khiển tỷ lệ số 44

3.2.2 Luật điều khiển tích phân số 44

3.2.3 Luật điều khiển vi phân số 45

3.2.4 Luật điều khiển PID số 46

3.3 Phần mềm CCS v5 46

3.4 Giới thiệu TMS320F28069 47

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM 56

4.1 Mô phỏng 57

Trang 6

4.2 Thực nghiệm 65

4.2.1 Giới thiệu hệ thống 65

4.2.2 Các khối chính trong hệ thống 67

4.3 Kết quả thực nghiệm 69

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

Trang 7

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.a) Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập 8

b) Đặc tính cơ của một động cơ điện một chiều kích từ độc lập 8

Hình 1.2 Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ mạch phần ứng với Rf1 < Rf2 <Rf3 <Rf4 9

Hình 1.3 Đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông với 10

Φ2< ΦM1 < Φđm 10

Hình 1.4 Họ đặc tính cơ uđm < u1 <u2 < u3 < u4 12

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hệ Tiristor - Động cơ 14

Hình 1.6 Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế mạch phần ứng hệ T-Đ 15

Hình 1.7 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL-Đ không đảo chiều 15

Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc của mạch chỉnh lưu 17

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu ba pha không ĐK 17

Hình 1.10 Giản đồ thời gian của mạch chỉnh lưu cầu ba pha không ĐK 19

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý của mạch chỉnh lưu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 20

Hình 1.12 Giản đồ thời gian của mạch chỉnh lưu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 23

Hình 2.1 Mạch vòng điều khiển kinh điển 28

Hình 2.2 Mô hình mô phỏng với bộ điều khiển PID kinh điển 32

Hình 2.3 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 33

Hình 2.4 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P với độ lợi lớn 34

Hình 2.5 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PI 34

Hình 2.6 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PD 35

Hình 2.7 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PID 36

Hình 2.8 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 39

Hình 2.9 Lưu đồ tự chỉnh các tham số PID 40

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 43

Hình 3.2 Khâu tỷ lệ số 44

Hình 3.3 Cấu trúc luật I số 45

Hình 3.4 Cấu trúc luật D số 45

Trang 8

Hình 3.5 Cấu trúc luật PID số 46

Hình 3.6 Code Composer Studio v5 47

Hình 3.7 Vi mạch TMS320F28069 – Texas Instruments 48

Hình 3.8 PN/ PFP 80 chân 49

Hình 3.9 Sơ đồ khối Kit TMS320F28069 53

Hình 3.10 Các khối ngoại vi 54

Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển tốc độ động cơ một chiều 57

Hình 4.2 Cấu trúc mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ 63

Hình 4.3 Đặc tính tốc độ đầu ra 64

Hình 4.4 Đặc tính dòng điện 65

Hình 4.5 Hệ thực nghiệm 66

Hình 4.6 Mạch phát hiện điểm không 67

Hình 4.7 Hệ động cơ – máy phát tốc 68

Hình 4.8 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha 69

Hình 4.9 TMS320F28069 board 57

Hình 4.10 Dạng điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu 70

Hình 4.11 Tốc độ động cơ và giá trị đặt 71

Trang 9

Đa số các hệ thống truyền động sử dụng động cơ một chiều đều có yêu cầu

về điều chỉnh tốc độ Trong thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc

độ động cơ điện một chiều:

- Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Bộ biến đổi nằm trong cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc

độ động cơ điện một chiều Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ

Các bộ biến đổi, các mạch và các thuật toán điều khiển có thể được thực hiện bằng kỹ thuật tương tự hoặc kỹ thuật số Trong đó, việc sử dụng kỹ thuật tương tự có ưu điểm là khá đơn giản, hiệu quả và đã được phát triển một cách hoàn thiện Nhược điểm cơ bản của kỹ thuật này phụ thuộc nhiều vào độ trôi thông số của các phần tử trong hệ thống làm cho tính ổn định của hệ thống nhiều khi không được đảm bảo theo thời gian và khó đáp ứng với các điều kiện làm việc khác nhau

Các hệ truyền động động cơ một chiều thường sử dụng hai mạch vòng điều chỉnh Trong đó mạch vòng ngoài là mạch vòng điều chỉnh tốc độ, bên trong là mạch vòng điều chỉnh dòng điện Mạch vòng dòng điện yêu cầu tốc độ đáp ứng

Trang 10

nhanh hơn rất nhiều so với mạch vòng điều chỉnh tốc độ vốn phụ thuộc rất lớn vào quán tính cơ của động cơ và của tải Chính vì vậy mà yêu cầu thiết kế bộ điều khiển cho mạch vòng dòng điện cũng có yêu cầu khắt khe hơn Để có được các thông số tối ưu cho bộ điều khiển của mạch vòng dòng điện thì phải có các thông số chính xác của động cơ Sau đó, bộ điều khiển theo kỹ thuật tương tự của mạch vòng dòng điện được điều chỉnh theo các thông số đã tổng hợp được bằng cách thay đổi giá trị của các biến trở, biến dung hoặc hệ số khuyếch đại của các

bộ khuyếch đại thuật toán Tuy nhiên, trong quá trình làm việc các thông số của động cơ có thể bị thay đổi do chúng phụ thuộc và điều kiện làm việc (điện trở phần ứng của động cơ thay đổi theo nhiệt độ, mô men quán tính thay đổi theo tải ), bản thân các linh kiện tương tự cũng như các bộ khuyếch đại thuật toán nói trên cũng bị thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm Do đó, chất lượng của các bộ điều khiển theo kỹ thuật tương tự rất khó để đảm bảo theo thời gian và các chế độ làm việc khác nhau

Kỹ thuật điều khiển số ra đời không những có khả năng khắc phục các nhược điểm nói trên của các hệ thống điều khiển tương tự mà còn mở ra khả năng áp dụng dễ dàng các kỹ thuật hiện đại trong việc tổng hợp các bộ điều khiển, dễ dàng thay đổi các tham số vận hành của thiết bị, có khả năng tương tác với con người, khả năng ghép nối với máy tính, các thiết bị điều khiển cấp trên hoặc các thiết bị giao tiếp số khác (ví dụ các bộ điều khiển lô gic lập trình được – PLC, các bộ đo lường tốc độ số Encoder) Hơn nữa, một hệ thống điều khiển số còn cho phép loại bỏ một số lượng không nhỏ các mạch điện tương tự có các chức năng khác nhau chuyển sang thực hiện bằng phần mềm (ví dụ các mạch đo lường, bảo vệ, hiển thị ) làm cho mạch điều khiển nhỏ gọn và tin cậy hơn Ngoài ra, trong thực tế các bộ điều khiển số tốc độ động cơ một chiều ở Việt nam hầu hết được cung cấp bởi các hãng nổi tiếng, có giá thành cao, đặc biệt là ở dải công suất lớn, điều kiện bảo hành, bảo trì khá phức tạp Do vậy, việc nghiên cứu, phát triển các hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều có thể nâng cao

Trang 11

được khả năng làm chủ công nghệ, nâng cao chất lượng của thiết bị, thuận tiện cho việc sử dụng, vận hành, sửa chữa và giảm giá thành

Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều"

Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là phát triển hệ thống điều khiển số tốc độ động

cơ một chiều Qua đó nghiên cứu về các bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều,

ưu nhược điểm của từng bộ điều khiển

Mục tiêu cụ thể là:

- Phân tích các hệ điều khiển tốc độ động cơ một chiều

- Thiết kế hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều bằng cách thiết

kế hệ thống điện tử công suất sử dụng Thyristor điều khiển tốc độ động cơ một chiều theo phương pháp thay đổi góc pha Góc mở của các Thyristor được điều khiển trực tiếp từ vi điều khiển mà không sử dụng các mạch tương tự (phát xung, răng cưa, so sánh, tạo tín hiệu điều khiển ) Điều khiển hai mạch vòng (dòng điện, tốc độ) sử dụng các bộ điều khiển PID số, trong đó bộ PID số của mạch vòng dòng điện là loại tự chỉnh (autotuning), do vậy cần phải có phần nhận dạng (có phần mềm nhận dạng tự động tham số của động cơ)

- Tiến hành thí nghiệm để phân tích đánh giá chất lượng thực của hệ thống nhằm tiếp tục phát triển hoàn thiện và hiện thực hóa đề tài

Nội dung nghiên cứu

Chương 1 Tổng quan về các hệ thống điện tử công suất sử dụng thyristor điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Chương 2 Mô hình động cơ một chiều và nghiên cứu thiết kế tự chỉnh Chương 3 Thiết kế hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều

Chương 4 Mô phỏng và thực nghiệm

Trang 12

Trang 13

CHƯƠNG 1 CHỌN MẠCH LỰC VÀ TỔNG QUAN VỀ CÁC

HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT SỬ DỤNG THYRISTOR ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG

CƠ MỘT CHIỀU

Trang 14

1.1 Lựa chọn động cơ truyền động

1.1.1 Động cơ không đồng bộ

Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ rô to lồng sóc; có kích thước nhỏ làm việc tin cậy, chắc chắn và dễ sử dụng Vận hành sửa chữa, làm việc trực tiếp với lưới điện xoay chiều 3 pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi đi kèm

Nhược điểm : Điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn Hệ số cosφ và hiệu suất không cao, dải điều chỉnh hẹp, độ sụt tốc độ lớn khi điều chỉnh, giá thành cao

1.1.2 Động cơ đồng bộ

Ưu điểm: Được sử dụng rộng rãi cho các hệ truyền động yêu cầu có công suất trung bình và lớn, yêu cầu ổn định tốc độ cao, hệ số cosφ và hiệu suất lớn, vận hành có độ tin cậy cao

Nhược điểm: Điều chỉnh tốc độ gặp khó khăn, phải sử dụng kèm biến tần, gây tốn kém về kinh tế, công nghệ truyền thông phức tạp Đặc biệt trong các hệ truyền động công suất nhỏ chế tạo rất khó khăn, giá thành cao

1.1.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Ưu điểm: Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốt thích hợp cho những truyền động làm việc bình thường có quá tải lớn và yêu cầu mômen khởi động lớn như máy nâng vận chuyển, máy cán thép …

Nhược điểm: có đặc tính cơ mềm, từ thông phụ thuộc vào dòng điện tải, tiết diện dây lớn, độ ổn định tốc độ kém thay đổi nhanh khi tải thay đổi [11]

Trang 15

1.1.4 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Ƣu điểm: Dải điều chỉnh rộng, điều chỉnh thuận lợi dễ dàng khi thay đổi 1 trong các thông số vật lý của động cơ, có thể điều chỉnh trơn, điều chỉnh vô cấp,

độ cứng tốt, quá trình khởi động êm, moomen khởi động lớn, thời gian khởi động nhỏ, từ thông chính không phụ thuộc vào tải

Nhƣợc điểm: Khi sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập phải có

bộ biến đổi kèm theo làm tăng chi phí đầu tƣ, gặp khó khăn trong vận hành, sửa chữa và bảo dƣỡng

1.1.5 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

Ƣu điểm: Vì là động cơ gồm 2 cuộn dây kích từ mắc song song và nối tiếp nên tận dụng đƣợc các ƣu điểm của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

và kích từ độc lập

Nhƣợc điểm: Có cấu tạo phức tạp và giá thành cao nên ít đƣợc sử dụng

Kết luận: Từ những phân tích đánh giá ở trên ta thấy động cơ một chiều

kích từ độc lập có nhiều ƣu điểm và có khả năng đáp ứng đƣợc yêu cầu công nghệ của tải cần truyền động Do đó ta chọn động cơ một chiều kích từ độc lập làm động cơ cho máy sản xuất của đề tài

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ đƣợc cấp điện từ một nguồn độc lập với nguồn điện cấp cho phần ứng động cơ

*Sơ đồ nguyên lý

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ mắc vào nguồn một chiều độc lập (hình vẽ ) (đối nguồn có công suất không đủ lớn) và cũng

có thể cuộn kích từ mắc song song với mạch phần ứng (đối nguồn một chiều

có công suất vô cùng lớn)

Trang 16

Hình 1.1 a) Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập

b) Đặc tính cơ của một động cơ điện một chiều kích từ độc lập

* Phương trình đặc tính cơ - Dạng đặc tính cơ

Ta có phương trình đặc tính cơ như sau:

M ) k (

R K

U

2 -

Nhận xét:

- Đường đặc tính cơ là đường thẳng và động cơ làm việc ổn định khi tốc độ không đổi thì mô men điện từ bằng mô men trên trục động cơ, điểm làm việc trên đặc tính tương ứng giao điểm đặc tính tải với đặc tính cơ tự nhiên

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ bền cơ khí kết cấu cơ của máy, khả năng chuyển mạch cổ góp, độ duy trì tốc độ dặt khi có

sự dao động của phụ tải tĩnh

- Đặc tính cơ cứng mô men khởi động lớn có thể điều chỉnh được mô men dùng các phương pháp cưỡng bức như đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng

1.2 Chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

Trang 17

Ta thấy có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ [1]

1.2.1 Điều chỉnh điện trở phụ mạch phần ứng động cơ

Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng

Tốc độ không tải lý tưởng:

0

U K

dm

Độ cứng đặc tính cơ:

var )

( 2

f u

dm

R R K

Khi tăng điện trở phần ứng, đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc

độ không tải lý tưởng Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở mạch phần ứng như sau:

Hình 1.2 Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ mạch phần ứng với Rf1 < Rf2 <Rf3 <Rf4

Ưu điểm: Độ cứng đặc tính cơ giảm đi, dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm

Trang 18

Nhược điểm: Do sử dụng điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng động cơ dẫn đến tổn thất về năng lượng làm giảm hiệu suất của hệ thống

1.2.2 Điều chỉnh bằng phương pháp thay đổi từ thông

Tốc độ không tải lý tưởng:

ox dm

( 2

u

x

R K

Đặc tính của động cơ thay đổi như sau:

Hình 1.3 Đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông với

Φ2< ΦM1 < Φđm

Ưu điểm:

- Khi giảm từ thông thì độ cứng β giảm nhanh (β tỉ lệ thuận với 2)

Trang 19

- Giảm mô men khởi động, ít tổn hao do điều chỉnh, kinh tế

- Khả năng tự động hoá cao

Nhược điểm :

- Dải điều chỉnh tốc độ khi thay đổi từ thông hẹp

- Điều chỉnh từ thông không phù hợp với tải Mc = const.Vì vậy ta loại bỏ phương pháp này

1.2.3 Điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ

Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:

E

dm

b x

Trang 20

Hình 1.4 Họ đặc tính cơ uđm < u1 <u2 < u3 < u4

Ưu điểm: Khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áp trên mạch phần ứng thì dòng điện, mômen sẽ không đổi, tốc độ không tải lý tưởng sẽ thay đổi nhưng độ cứng của đường đặc tính cơ không thay đổi vì vậy họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với đường đặc tính cơ tự nhiên Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tưởng

Nhược điểm: Khi điều chỉnh phải có bộ biến đổi kèm theo làm tăng chi phí đầu tư cơ bản, gặp khó khăn trong vận hành, sửa chữa và bảo dưỡng

Kết luận

Hệ thống của ta có yêu cầu sai lệnh tĩnh nhỏ, điều chỉnh vô cấp, độ cứng đặc tính cơ tốt, khả năng quá tải tốt, Mc = const Ta thấy phương pháp điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng là triệt để nhất Như vậy ta sẽ chọn phương pháp thay đổi điện áp đặt vào phần ứng cho đề tài thiết kế

1.3 Chọn loại bộ biến đổi

Bộ biến đổi điện áp có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều cấp cho phần ứng của động cơ Hiện nay người ta thường sử dụng các

bộ biến đổi sau:

- Bộ biến đổi máy điện: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều

- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu Tiristor

- Bộ biến đổi xung áp một chiều: Tiristor-Tranzitor

Ta lần lượt đi phân tích 3 bộ biến đổi trên để chọn bộ biến đổi phù hợp với yêu cầu đề tài:

Trang 21

1.3.1 Hệ truyền động máy phát – động cơ (F-Đ)

Ưu điểm: nổi bật của hệ F-Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng qúa tải lớn Do vậy thường sử dụng hệ truyền động F-Đ ở các máy khai thác trong hầm mỏ

Nhược điểm: quan trọng nhất của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp 3 lần công suất động cơ chấp hành Ngoài ra các máy phát một chiều có

từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó khăn điều chỉnh sâu tốc

1.3.2 Bộ biến đổi chỉnh lưu xung áp một chiều

Ưu điểm : Hiệu suất cao vì tổn hao trong các van và mạch điều khiển nhỏ,, mạch điều khiển đơn giản, chất lượng điện áp tốt hơn so với bộ biến đổi liên tục, kích thước gọn nhẹ, độ cứng đặc tính cơ cao

Nhược điểm: Điện áp xung gây ra tổn thất phụ do thành phần xoay chiều gây ra, tần số đóng cắt lớn tạo ra nhiễu cho nguồn và thiết bị điều khiển, còn tồn tại những vùng gián đoạn đặc tính cơ dốc, kém ổn định

1.3.3 Bộ biến đổi Tiristor -Động cơ

Ưu điểm: Tác động nhanh, tổn thất ít, giảm tiếng ồn, kích thước trọng lượng nhỏ, nền móng không phức tạp, phạm vi điều chỉnh D rộng

Nhược điểm: Khả năng linh hoạt chuyển đổi trạng thái làm việc không cao, khả năng quá tải về dòng và áp kém, giá thành cao, hệ số công suất thấp

Nhận xét

Qua sự phân tích các bộ biến đổi cấp điện áp cho động cơ ,ta thấy mỗi loại

có những ưu nhược điểm nhất định vì vậy tuỳ thuộc vào tình hình kinh tế, yêu cầu công nghệ chọn phương án thích hợp Với yêu cầu thiết kế của đề tài và khi xét tổng quan xu hướng phát triển khoa học kỹ thuật ngày càng tạo ra các linh kịên bán dẫn khắc phục được các nhược điểm trên thì em quyết định chọn bộ

Trang 22

biến đổi chỉnh lưu có điều khiển cấp điện áp cho phần ứng của động cơ ( Bộ biến đổi Tiristor -Động cơ)

Bộ biến đổi Tiristor - Động cơ

Trong hệ truyền động chỉnh lưu điều khiển động cơ một chiều (CL-Đ), bộ biến đổi là các mạch chỉnh lưu điều khiển có sức điện động Eđ phụ thuộc vào giá trị của phát xung điều khiển (góc điều khiển) Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn

chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ

Sơ đồ nguyên lý như sau:

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hệ Tiirristor - Động cơ

Hệ chỉnh lưu điều khiển -Động cơ một chiều thực hiện điều khiển động cơ theo nguyên lý thay đổi điện áp phần ứng động cơ trong đó bộ biến đổi là bộ chỉnh lưu bán dẫn biến đổi trực tiếp điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều không qua khâu trung gian nào, do đó nó có nhiều ưu điểm: Kết cấu nhẹ, không đòi hỏi nền móng, không gây ồn, hiệu suất cao, thuận tiện cho việc tự động hoá, động tác động nhanh, dễ dàng theo dõi

Xây dựng phương trình đặc tính cơ :

Trang 23

E

R CL

E=U cos do

u RFX

§C U®k

Hình 1.6 Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế mạch phần ứng hệ T-Đ

Ta có phương trình :

M K

R R K

U

đm

CL u

đm

u

2

)(

Mà U u U c d0 os thay vào phương trình trên ta được:

M K

R R K

U

đm

CL u

đm

do

2

) (

cos

Hình 1.7 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL-Đ không đảo chiều

4

B A

Trang 24

Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy tốc độ không tải 0 phụ thuộc vào góc mở

1.4 Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu

Tổng quan về các hệ thống điện tử công suất sử dụng Thyristors (các sơ đồ chỉnh lưu AC/ DC) dùng để cung cấp nguồn một chiều cho động cơ DC Do cầu

3 pha được sử dụng nhiều nhất nên tác giả sẽ trình bày chính về bộ chỉnh lưu này

1.4.1 Chỉnh lưu cầu 3 pha

Chỉnh lưu cầu 3 pha là loại được sử dụng nhiều nhất trong thực tế vì có nhiều ưu điểm hơn hẳn so với chỉnh lưu cầu một pha Nó cho phép đấu thẳng vào lưới điện 3 pha, độ đập mạch rất nhỏ (5%) Nếu có dùng biến áp thì gây méo lưới điện ít hơn các loại trên đồng thời công suất máy biến áp cũng chỉ xấp xỉ bằng công suất tải, công suất mạch chỉnh lưu có thể rất lớn lên tới hàng trăm KW Chính vì vậy, trong luận văn này tác giả sẽ tập trung giới thiệu về các bộ chỉnh

lưu cầu 3 pha [6]

Cấu trúc mạch chỉnh lưu

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng xoay chiều thành năng lượng dòng một chiều Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế Sơ đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu trên hình 1.1

Trang 25

Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc của mạch chỉnh lưu

1.4.2 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển

Trang 26

Trang 27

1.4.2.3 Giản đồ thời gian

Hình 1.10 Giản đồ thời gian của mạch chỉnh lưu cầu ba pha không ĐK

1.4.2.4 Biểu thức điện áp

Trang 28

1.4.3 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha ĐK hoàn toàn

Trang 29

Trang 30

ud = uc – ua = uca;

IT6 = IT1 = IT2 = IT3 = 0; iT4 = iT5 = id = Id

uT6 = uab; uT1 = uT2 = uac; uT3 = ubc; uT4 = uT5 = 0

Từ khoảng thời gian v6, mạch hoạt động lặp lại

1.4.3.3 Giản đồ thời gian

Trang 31

Hình 1.12 Giản đồ thời gian của mạch chỉnh lưu cầu ba pha ĐK hoàn toàn

1.4.3.4 Biểu thức điện áp

Trang 32

KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Trong Chương 1 luận văn đã trình bày, phân tích chi tiết về chọn mạch lực

và cấu trúc, nguyên lý làm việc của các bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển và cầu ba pha không điều khiển Do tính chất điều khiển của hệ thống, tác giả đã lựa chọn động cơ một chiều kích từ độc lập và sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển để làm bộ biến đổi cấp nguồn cho điều khiển động cơ thực hiện trong luận văn này

Trang 33

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ TỰ CHỈNH

Trang 34

Trong Chương 2, tác giả sẽ đi trình bày về đối tượng điều khiển là động cơ điện một chiều, đặc biệt là mô hình toán của đối tượng nhằm phục vụ cho việc áp dụng các thuật toán điều khiển để điều khiển đối tượng Đồng thời tác giả sẽ trình bày các bộ điều khiển tự chỉnh được dùng trong hệ thống

2.1 Mô hình động cơ một chiều

Gọi góc quay của động cơ điện một chiều là , từ thông động cơ là

=const, J là mômen quán tính, B là hệ số ma sát, R là điện trở phần ứng, L là điện cảm phần ứng, Em là sức phản điện động của động cơ, Km là hệ số tỷ lệ mômen, Ke là hệ số sức điện động và bằng hằng số Ta có:

(2.4)

Khử i(s) từ các phương trình trên ta có:

Trang 35

(2.6) Lưu ý là tốc độ góc của động cơ, ta có hàm truyền:

(2.7)

Phương trình không gian trạng thái

Phương trình trạng thái có dạng:

Trang 36

Hình 2.1 Mạch vòng điều khiển kinh điển

Gọi e(t) là sai số giữa tín hiệu mong muốn (reference value) r(t) và tín hiệu

đo được y(t)\

Luật điều khiển là thuật tính toán tín hiệu điều khiển dựa trên các tham số

hệ thống và tín hiệu sai số và được biểu diễn như sau

Ta cũng có thể viết phương trình (2.11) dưới dạng sau:

Với:

Trang 37

(2.21)

Trang 38

2.3 Hàm nhạy và hàm bù nhạy

Với sơ đồ điều khiển trên hình 1 và cho r(t) = 0 ta có thể tính hàm truyền từ d(t) đến y(t) như sau:

(2.22) (2.23) Hay:

(2.24) Tính tương tự hàm truyền từ r đến e, không quan tâm đến các đầu vào d và n ta

có

Như vậy, hàm truyền từ d đến y cũng bằng hàm truyền từ r đến e và bằng

S Hàm này đánh giá độ nhạy của đầu ra y đối với đầu vào d hay độ nhạy của đầu

ra e với đầu vào r

Nếu kí hiệu hàm truyền từ r đến y là T thì, với cách tính tương tự như trên, các bạn có thể dễ dàng suy ra được hàm truyền này bằng

Hàm này đánh giá độ nhạy của đầu ra y theo đầu vào r

Vì ta có thể dễ dàng suy ra được T +S = 1 nên có thể coi T là hàm bù nhạy của y (hay e) với d (hay r) Ngược lại, S là hàm bù nhạy của y với r

Trang 39

Trong thực tế người ta thường quan tâm đến độ nhạy của đầu ra y với đầu

vào d nên khi nói "độ nhạy" của hệ thống người ta ngầm hiểu là nói đến S Vì

vậy S được nói ngắn gọn là hàm độ nhạy và T được gọi là hàm bù nhạy của S

2.4 Các quy luật điều chỉnh

Để khảo sát ảnh hưởng của các tham số của bộ điều khiển PID trong một

mạch vòng điều khiển kinh điển như hình 1, ta xét một ví dụ cho một đối tượng

có hàm truyền như sau:

(17) Xây dựng một mô hình mô phỏng như hình 2.2

Trang 40

Hình 2.2 Mô hình mô phỏng với bộ điều khiển PID kinh điển

Trên quan điểm về điều khiển thì ta mong có T càng lớn càng tốt để S nhỏ (vì S+T = 1) do S thì biểu thị độ nhạy của đầu vào r đối với sai lệch điều chỉnh e Khi S nhỏ thì cũng đồng nghĩa với sai lệch nhỏ Mà muốn S nhỏ thì L = GpKcphải lớn, hay nói cách khác bộ điều khiển Kc phải có độ lợi lớn

2.4.1 Quy luật điều chỉnh P

Tín hiệu ra của bộ điều khiển có dạng

(2.25) Nghĩa là tín hiệu ra của bộ điều khiển luôn trùng pha với tín hiệu vào

Theo công thức (16) muốn có sai lệch nhỏ thì bộ điều khiển phải có độ lợi lớn, nhƣng nếu độ lợi lớn quá thì tính dao động của hệ thống tăng lên và có thể dẫn tới mất ổn định

Để khảo sát đáp ứng của hệ thống với quy luật điều chỉnh kiểu P ta sử dụng một bộ điều khiển với các tham số nhƣ sau:

Định dạng
Số trang	83
Dung lượng	2,01 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1]- Truyền động điện – Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật: Tác giả Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền	Khác
[2]- Truyền động điện thông minh- Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật: Tác giả: Nguyễn Phùng Quang	Khác
[3]- Điều chỉnh tự động truyền động điện - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật: Tác giả Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi	Khác
[4]- Cơ sở truyền động điện - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật: Tác giả Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn	Khác
[5]- Matlab & Simulink – Dành cho kỹ sƣ điều khiển tự động - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật: Nguyễn Phùng Quang	Khác
[6]- Điện tử công suất - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật: Nguyễn Bính	Khác
[7]- Điện tử công suất – Tập 1 - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật: Tác giả Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh	Khác
[8]- Điện tử công suất – Tập 2 - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật: Tác giả Lê Văn Doanh	Khác
[9]- Giáo trình điện tử công nghiệp - Nhà xuất bản Giáo dục: Tác giả Vũ Quang Hồi	Khác
[10]- Máy điện và mạch điều khiển - Nhà xuất bản Thống kê: Trần Thế San, Nguyễn Trọng Thắng	Khác
[11]- Giáo trình máy điện - Nhà xuất bản Giáo dục: Đặng Văn Đào, Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh	Khác
[12]- Điều khiển số máy điện - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật: Tác giả Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Nguyễn Trung Sơn, Cao Văn Thành	Khác