nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ trong hệ điều tốc động cơ một chiều ở vùng tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản

Các bộ biến đổi được sử dụng phổ biến trong công nghiệp hiện nay là: + Bộ biến đổi máy điện : gồm có động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại + Bộ biến đổi từ : Khu

-o0o -

NGUYỄN CHÍ KIÊN

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC

ĐỘ TRONG HỆ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Ở

VÙNG TỐC ĐỘ LỚN HƠN TỐC ĐỘ CƠ BẢN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên - 2014

-o0o -Nguyễn Chí Kiên

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TRONG HỆ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Ở VÙNG TỐC ĐỘ LỚN HƠN TỐC ĐỘ CƠ BẢN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 605202 16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG

Thái Nguyên - 2014

CÔNG NGHIỆP

*****

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Chí Kiên;

Đơn vị công tác: Trường Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ;

Cơ sở đào tạo: Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên;

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa;

Khoá học: 14 (2011-2014);

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Mai Hương;

Tên đề tài: “Nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ trong hệ điều tốc động cơ một chiều ở vùng tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản”

Ngày 15 tháng 8 năm 2014

Họcviên

NGUYỄN CHÍ KIÊN

Tên tôi là: Nguyễn Chí Kiên

Sinh ngày : 20 tháng 3 năm 1973

Học viên lớp cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực Những kết luận khoa học của luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Nguyễn Chí Kiên

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Thị Mai Hương, Đại

học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn trong 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 trân thành cảm ơn!

NGƯỜI THỰC HIỆN

NGUYỄN CHÍ KIÊN

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU vii 

1 Mục tiêu của nghiên cứu vii 

2 Nội dung nghiên cứu vii 

CHƯƠNG 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1 

1.1 Khái niệm chung 1 

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập 2 

1.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng 3 

1.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ 4 

1.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng 7 

1.2.4 Điều khiển phần ứng và kích từ kết hợp 8 

1.2.5 Điều khiển nối cấp động cơ một chiều trong vùng giảm kích từ 12 

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYẾN ĐỘNG 16 

2.1 Giới thiệu 16 

2.2 Mô hình hệ thống động 16 

2.3 Tuyến tính hóa đầu ra – đầu vào 17 

2.4 Thiết kế điều khiển thích nghi theo tải 20 

2.5 Điều khiển tốc độ động cơ không sensor 25 

2.6 Các ứng dụng 28 

2.7 Kết luận 30 

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 32 

3.1 Tổng hợp hệ 32 

3.2 Hệ điều chỉnh tốc độ ở chế độ điều áp phần ứng 32 

3.2.1 Mô hình toán học động cơ một chiều, kích từ độc lập 32 

3.2.2 Mô hình toán học bộ chỉnh lưu có điều khiển 36 

3.2.3 Tổng hợp các mạch vòng 37 

3.3 Hệ điều chỉnh tốc độ ở chế độ điều chỉnh giảm từ thông kích từ 41 

3.3.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 42 

3.3.2 Tổng hợp mạch vòng sức phản điện động 44 

3.4 Kết luận chương 3 45 

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 46 

4.1 Mô phỏng hệ thống 46 

4.1.1 Bảng tham số động cơ truyền động 46 

4.1.2 Cấu trúc mô phỏng hệ thống 46 

4.1.3 Kết quả mô phỏng 47 

4.2 Thực nghiệm 49 

4.2.1 Mô hình thí nghiệm 49 

4.2.2 Đặc tính thí nghiệm 50 

4.3 Kết luận chương 4 50 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51 

1 Kết luận 51 

2 Kiến nghị 51 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 

PHỤ LỤC 53 

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập 3 

Hình 1 2 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng 4 

Hình 1 3 Đặc tính cơ, cơ điện của động cơ khi giảm từ thông 5 

Hình 1 4 Sơ đồ thay thế, Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông động cơ 7 

Hình 1 5 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp phần ứng 8 

Hình 1 6 Các vùng điều khiển động cơ DC ở trạng thái tĩnh 9 

Hình 1 7 Các vùng làm việc của động cơ DC kích từ độc lập trong mặt phẳng mômen quay - tốc độ 11 

Hình 1 8 Điều khiển động DC trong các vùng giảm kích từ và vùng phần ứng 14 

Hình 1 9 Sơ đồ khối tương đương đơn giản trong vùng giảm kích từ 15

Hình 2 1 Bộ điều khiển bám tốc độ MIMO phi tuyến thích nghi theo tải 24 

Hình 2 2 Đáp ứng hệ thống với momen tải thường 27 

Hình 2 3 Đáp ứng tốc độ với nhiễu momen tải 29

Hình 3 1 Sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều tốc 32 

Hình 3 2 Sơ đồ mạch thay thế mạch điện phần ứng 33 

Hình 3 3 Mô hình tuyến tính hoá động cơ điện một chiều 34 

Hình 3 4 Mô hình tuyến tính hoá động cơ điện một chiều 34 

Hình 3 5 Mô hình tuyến tính hoá mô phỏng động cơ một chiều kích từ độc lập 36 

Hình 3 6 Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển 36 

Hình 3 7 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện 37 

Hình 3 8 Sơ đồ rút gọn mạch vòng dòng điện 38 

Hình 3 9 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ 39 

Hình 3 10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ 40 

Hình 3 11 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện mạch kích từ 42 

Hình 3 12 Sơ đồ cấu trúc rút gọn mạch vòng dòng điện mạch kích từ 42 

Hình 3 13 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ 44 

Hình 3 14 Cấu trúc rút gọn mạch vòng điều khiển điện áp kích từ 44

Hình 4 1 Đặc tính tốc độ, mô men và công suất vùng điều chỉnh điện áp phần ứng 47 

Hình 4 2 Đặc tính tốc độ, mô men và công suất vùng điều chỉnh giảm từ thông 48 

Hình 4 3 Mô hình thực nghiệm hệ thống 49 

Hình 4 4 Đặc tính tốc độ động cơ khi điều chỉnh giảm từ thông 50 

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Cùng với sự ra đời của động cơ không đồng bộ, giá thành thấp và có cấu tạo đơn giản, tin cậy Sử dụng nguồn cung cấp là các bộ biến đổi bán dẫn công suất, hoặc được trang bị các bộ biến tần, người ta đã cho rằng động cơ một chiều sẽ trở nên lỗi thời trong các ứng dụng công nghiệp Tuy nhiên, trái với nhận định trên, các truyền động động cơ một chiều vẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như nhà máy cán, máy giấy, các máy cuốn và trải

Trong hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập (SEDCM), các phương pháp điều khiển tuyến tính được áp dụng cho hệ thống một cách đơn giản và được mô

tả bởi các phương trình tuyến tính trong vùng điều khiển phần ứng Tuy nhiên, phần phi tuyến của hệ thống bắt đầu xuất hiện khi động cơ hoạt động trong vùng kích từ giảm, do mômen điện từ là tích của từ thông và dòng phần ứng, sức phản điện động (EMF) là tích của từ thông và tốc độ, và độ bão hòa từ

Đề tài nghiên cứu này góp phần thực hiện việc thiết kế điều khiển tốc độ phi tuyến của truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập trong chế độ giảm kích từ

2 Mục tiêu của nghiên cứu:

- Đề tài nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều ở vùng trên tốc độ cơ bản

- Ứng dụng phương pháp điều khiển cho một hệ thống thiết bị thực tế

3 Nội dung nghiên cứu:

Chương 1 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều;

Chương 2 Thiết kế hệ thống truyền động ;

Chương 3 Xây dựng hệ điều tốc động cơ một chiều ;

Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm

4 Kết quả dự kiến:

- Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều

- Xây dựng được mô hình toán học và thuật toán của hệ điều khiển tốc độ động

cơ một khi các thông số thay đổi

- Mô phỏng và thực nghiệm

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái niệm chung:

Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực với tốc độ đặt, làm giảm năng suất của máy sản xuất Chính vì vậy việc điều khiển tốc độ động cơ là một yêu cầu cần thiết và tất yếu đối với các máy sản xuất

Như ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đều đòi hỏi có nhiều tốc độ, nhưng tuỳ theo từng công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau Muốn có được các tốc độ khác nhau trên máy, ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của động cơ truyền động chính… Nhưng ở đây chúng ta chỉ khảo sát theo phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ truyền động

Ở động cơ một chiều, việc điều chỉnh tốc độ động cơ có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác Động cơ điện một chiều không những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển lại đơn giản hơn các loại động cơ khác và đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh rộng

Từ phương trình đặc tính cơ, ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ : + Nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng;

+ Thay đổi từ thông kích từ;

+ Thay đổi điện áp phần ứng

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng R ư chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ quay định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện Vì vậy phương pháp này ít dùng và chỉ dùng trong cần trục

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách mắc thay đổi từ thông () đựơc sử dụng trong hệ truyền động có công suất lớn hoặc có yêu cầu về tốc độ làm việc lớn hơn tốc độ cơ bản Vì phương pháp này được thực hiện trên mạch kích từ của động

cơ ( phần kích từ có công suất rất nhỏ so với công súât động cơ) nên dễ dàng thay đổi tốc độ và đạt hiệu quả kinh tế Tuy nhiên, ta chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ

thông, tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức và giới hạn điều chỉnh bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đổi chiều của máy

Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng không gây thêm tổn hao trong động cơ điện nhưng đòi hỏi phải có nguồn riêng, có điện áp điều chỉnh được Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ quay dưới tốc

độ định mức vì không thể nâng cao điện áp hơn điện áp định mức của động cơ điện

Và để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ theo các phương pháp điều chỉnh tốc độ trên thì cần có các bộ biến đổi Các bộ biến đổi đó sẽ cấp điện áp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ Các bộ biến đổi được sử dụng phổ biến trong công nghiệp hiện nay là:

+ Bộ biến đổi máy điện : gồm có động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại

+ Bộ biến đổi từ : Khuếch đại từ

+ Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : Chỉnh lưu Thysistor

+ Bộ biến đổi xung áp một chiều : Thysistor hoặc Tranzitor

Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như sau: + Hệ truyền động máy phát - động cơ ( F - Đ)

+ Hệ truyền động máy điện khuếch đại - động cơ (MĐKĐ – Đ)

+ Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ ( KĐT- Đ)

+ Hệ truyền động chỉnh lưu thysistor - động cơ ( T- Đ)

+ Hệ truyền động xung áp - động cơ ( XA – Đ)…

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Từ phương trình đặc tính cơ M

K

R R K

.)(  2

trị của một trong ba tham số U ư, , Rf ta sẽ được một đường đặc tính cơ mới tương ứng với một tốc độ mới

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

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

Hình 1 1 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Nếu ta giữ điện áp phần ứng U ư = Udm = const; và từ thông  = dm = const; thay đổi điện trở phần ứng ta sẽ được:

+ Tốc độ không tải lý tưởng:

Hình 1 2 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng

- Ta thấy khi Rf càng lớn ( càng nhỏ) đặc tính cơ càng dốc Do vậy phương

pháp này chỉ cho phép giảm tốc độ bằng cách tăng điện trở mạch phần ứng

- Trong thực tế, khi thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng sẽ gây ra một tổn hao công suất rất lớn và không thể điều chỉnh trơn tốc độ nên phải điều chỉnh theo từng cấp điện trở Chính vì vậy, phương pháp này không được phổ biến như 2 phương pháp thay đổi điện áp phần ứng và từ thông kích từ

1.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ

Giả thiết ta giữ điện áp phần ứng U ư = Udm = const; điện trở phần R ư = const;

và thay đổi dòng điện kích từ Ikt của động cơ Điều này tương ứng với việc từ thông của mạch từ sẽ thay đổi

Hình 1 3 Đặc tính cơ, cơ điện của động cơ khi giảm từ thông

Đặc tính cơ (b) – cơ điện (a) Đặc điểm :

+ Do cấu trúc của máy, nên thực tế chỉ sử điều chỉnh giảm từ thông Khi giảm

từ thông thì ox tăng dần ( 0 <01 <02 <…), độ cứng đặc tính cơ  giảm Nên

phương pháp này dùng để tăng tốc độ >0

+ Do việc điều chỉnh đựơc thực hiện ở mạch kích từ, có dòng kích từ nhỏ hơn

rất nhiều so với mạch lực, nên công suất tổn hao ít Đây là ưu điểm nổi bật của động

cơ điện một chiều ( kích từ độc lập ) so với các loại động cơ khác

+ Phương pháp này chịu ảnh hưởng của hiện tượng từ dư và các nhiễu, làm

ảnh hưởng xấu đến chất lượng của các hệ truyền động đảo chiều bằng kích từ

+ Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện

chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch

bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là momen cho

phép trên trục động cơ giảm rất nhanh Và do đó giá trị lớn nhất của dải điều chỉnh từ

thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện

Điều chỉnh từ thông kích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men

điện từ của động cơ M = KIư và sức điện động quay của động cơ Eư = K Mạch

kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến:

dt

d r

r

e

k b

k k







 

trong đó: rk - điện trở dây quấn kích thích,

rb - điện trở của nguồn điện áp kích thích,

k – số vòng dây của dây quấn kích thích,

Trong chế độ xác lập ta có quan hệ:

 = f [ik]

Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức,từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính tự nhiên của động cơ) Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết qủa là mô men cho phép trên trục động

cơ giảm rất nhanh Ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính

cơ cững giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích:

 

u R

Sơ đồ thay thế (a), Đặc tính(b), Quan hệ (ikt) (c)

Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các động cơ mà từ thông định mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính và vùng bão hoà của đặc tính từ hoá thì có thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và hằng số C phụ thuộc vào thông số kết cấu của máy điện:

1.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng:

Nếu giữ = dm= const ; R ư= const và thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Udm , ta được:

Tốc độ không tải :

varK

Hình 1 5 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp phần ứng

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên và có độ cứng đặc tính cơ là không đổi, trong đó đường đặc tính cơ tự nhiên là là đặc tính cơ lúc vận hành ở chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông đạt giá trị định mức và không nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ)

Khi giảm điện áp phần ứng đặt vào động cơ thì dòng điện ngắn mạch sẽ giảm

từ thông chính tốt nhất được giữ tại giá trị danh định  0 trong khi tốc độ biến đổi

theo điện áp phần ứng u a Đây gọi là vùng điều khiển phần ứng hay vùng tốc độ cơ bản Khi đạt đến điện áp phần ứng định mức  ua0, tăng tốc độ cao hơn chỉ có thể đạt được bằng việc giảm từ thông, bởi vậy sẽ tạo ra các vùng điều khiển kích từ riêng rẽ

mà mở rộng vùng tốc độ cơ bản ở mỗi chiều quay Điều này được mô tả trong sơ đồ Hình 1.6

Hình 1 6 Các vùng điều khiển động cơ DC ở trạng thái tĩnh

Người ta thấy rằng khi muốn đảo chiều tốc độ không tải thì phải đảo chiều điện áp phần ứng Về nguyên tắc cũng có thể đảo chiều kích từ (các đường cong nét đứt), đồng thời mô-men quay sẽ đảo chiều sao cho động cơ làm việc ở góc phần tư thứ ba

Tuy nhiên, phương pháp "đảo chiều kích từ" thường được sử dụng trong quá khứ lại rất ít khi được sử dụng ngày nay bởi vì nó được cho là ngắt kích từ sau đó cấp lại kích từ cho động cơ, việc này đòi hỏi thời gian vì theo quan điểm năng lượng, từ trường lớn đang được tích lũy trong cuộn dây kích từ Nếu điện áp cưỡng bức cao

Ô e0

Ua0 Ua

-Ôe0

-Ua0

Armaturecontrol range

được đặt vào cuộn kích từ để đảo chiều từ thông nhanh, một điện áp đáng kể cũng cảm ứng trong cuộn dây phần ứng gây nguy hiểm cho vành góp Cũng vậy, dòng phần ứng phải giới hạn trong thời gian đảo chiều từ thông gây ra sự gián đoạn mômen quay Với các động cơ lớn hơn, thời gian quá độ này với mômen quay bằng không có thể lên đến 1(s) là điều không tốt cho một truyền động đảo chiều nhanh Vì những lý

do này mà các truyền động được mong muốn làm việc với mômen quay và tốc độ hai chiều ("4 góc phần tư", có khả năng làm việc trong tất cả các góc phần tư của mặt phẳng tốc độ - mômen quay (đặc tính cơ) ngày nay thường được trang bị một nguồn cung cấp cho phần ứng ở các cực điện áp và dòng điện "nguồn điện DC bốn góc phần tư", có khả năng làm việc trong tất cả các góc phần tư của mặt phẳng điện áp – dòng điện); điều này có ưu điểm là cực tính của từ thông có thể duy trì không đổi

Khi một nhóm động cơ một chiều được cung cấp từ một nguồn điện áp phần ứng chung, khi điều chỉnh kích từ là giải pháp đơn giản nhất phù hợp với các tốc độ của động cơ đối với các yêu cầu của tải, điều này có thể xảy ra với các truyền động sản xuất giấy, ở đó nguyên liệu được truyền nối tiếp qua các trạm gia công với động

cơ truyền động riêng Trong trường hợp này, khi điều chỉnh giảm kích từ riêng, như

0

0.8

   , có thể được áp dụng đồng thời với việc điều khiển điện áp phần ứng

Ở công suất thấp, điều khiển kích từ - phần ứng kết hợp được chỉ ra trong Hình:1.6 có thể được thực hiện bởi một mạch bao gồm các điện trở Với các máy điện lớn hơn điều này là không khả thi do những tổn thất lớn, do đó nên dùng các nguồn điện độc lập cung cấp cho cuộn dây phần ứng và cuộn dây kích từ Giảm kích từ có thể được thực hiện tự động bởi một vòng điều khiển phụ, bằng cách điều chỉnh điện

bởi các đường thẳng song song trong chế độ điều khiển phần ứng; trong vùng suy giảm kích từ, momen quay ứng với một dòng phần ứng cho trước bị giảm, vì

m   i Tương tự, các đường cong với u a = const trở nên dốc hơn khi từ thông giảm Ở góc trên bên phải một giới hạn chuyển đổi được đưa ra do dòng phần ứng tối

đa thấp hơn khi kích từ suy giảm

Hình 1 7 Các vùng làm việc của động cơ DC kích từ độc lập trong mặt phẳng

mômen quay - tốc độ Hình này cho thấy rõ ràng động cơ một chiều là một đối tượng điều khiển tuyến tính chỉ trong vùng điều khiển phần ứng; khi vượt quá tốc độ cơ bản, sẽ có độ phi tuyến đáng kể ngay cả trong điều kiện trạng thái tĩnh

Điều khiển phần ứng và kích từ đồng thời đôi khi được xem như là một cách để giảm tổn thất động cơ nhờ giảm các tổn thất đồng trong các cuộn dây kích từ và tổn thất sắt trong phần ứng, tất nhiên, điều này chỉ ứng dụng cho tải nhỏ khi mà các tổn thất dẫn tăng trong phần ứng không ngăn được ảnh hưởng này

commutation limit 2

Cũng vậy, điều này có thể gây ra một sự trễ không mong muốn trong việc tạo mô-men quay động cơ, gây ra một sự đột biến tải không mong muốn, vì từ thông đầu tiên sẽ được tăng lên giá trị định mức Do đó thực tế này chỉ có thể là một lựa chọn riêng cho một vài ứng dụng, chẳng hạn xe ô tô điện dùng pin, nơi mà sự duy trì năng lượng là rất quan trọng và tải tăng vọt không xảy ra

Nguồn tài liệu : [Separately Excited DC Machine]

1.2.5 Điều khiển nối cấp động cơ một chiều trong vùng giảm kích từ:

Trong Phần:1.2.4 ta thấy rằng bằng cách giảm kích từ chính, một động cơ một chiều có thể làm việc trên tốc độ cơ bản Để sử dụng tốt, điều quan trọng là động cơ cần được cung cấp điện áp phần ứng định mức và giảm điện áp kích từ; như đã đề cập phần trước có thể có một số thuận lợi cho điều khiển

Vì động cơ có thể luân phiên làm việc ở một trong những vùng này do vậy để phù hợp nên lựa chọn một chiến lược điều khiển mà đáp ứng được tất cả các yêu cầu

và cho phép một quá trình chuyển đổi liên tục và tự động từ chế độ làm việc này đến chế độ làm việc khác

Lược đồ điều khiển chứng minh tính hữu ích trong thực tế, được chỉ ra trong Hình1.8 Nó bao gồm điều khiển cấp tốc độ - dòng điện, được thực hiện qua điện áp phần ứng mà đã thảo luận ở trước, ngoài ra, có một vòng điều khiển phụ điện áp kích

từ khi tốc độ tăng trên tốc độ cơ bản Nguồn điện áp điều chỉnh cung cấp cho cuộn dây kích từ thường được thực hiện bởi một bộ biến đổi thyristor, được mô tả trong Hình1.8 như một phần tử trễ Mô hình phi tuyến của mạch từ tương ứng với Hình.1.7 Tín hiệu phản hồi của điện áp cảm ứng có thể được tạo ra từ điện áp và dòng điện phần ứng đo được theo phương trình điện áp

điều chỉnh điện áp kích từ Tuy nhiên, điện áp mẫu lớn hơn khi động cơ làm việc dưới tốc độ cơ bản, bộ điều khiển chứa một thành phần tích phân sẽ bị bão hòa và nguồn kích từ sinh ra điện áp kích từ tối đa là mục tiêu trong vùng điều khiển phần ứng Khi tốc độ đang tăng lên, điện áp cảm ứng e có thể đạt đến giá trị mẫu e max khi

sự cân bằng đạt được bộ điều khiển - e bắt đầu giảm điện áp kích từ mong muốn

Sơ đồ được vẽ trong Hình1.8 mô tả một hệ thống điều khiển phức tạp và phi tuyến cao, trùng hợp với tất cả các phương pháp thiết kế tổng quát; sơ đồ rút gọn

đáng kể đưa ra kết quả nếu có thành công trong việc tăng tốc vòng lặp điều khiển - e thì chỉ có ích trong vùng giảm kích từ, do đó e có thể được xấp xỉ trong vùng làm

việc đó bằng một điện áp đặt vào không đổi Việc xấp xỉ như vậy là không thực tế hoàn toàn nếu năng lượng kích từ được cung cấp từ một bộ biến đổi có điện áp ngưỡng đủ lớn (chỉ một cực của dòng kích từ là cần thiết) Nếu stator và các cực kích

từ được phân lớp, "đối tượng" có thể được mô tả bởi một thành phần trễ đơn giản, có

hệ số khuếch đại phụ thuộc tốc độ, và tác động nhanh của các thiết bị truyền động; không có bài toán ổn định nào được mong đợi ngay cả ở hệ số khuếch đại cao Không phải tính phi tuyến của mạch từ là mối quan tâm chính bởi vì bộ điều khiển - e làm việc chủ yếu ở vùng từ thông giảm khi đó bão hòa không được đưa ra Vì những lý do này một bộ điều khiển PI là đủ đáp ứng; thời gian vượt trước của nó có thể được điều chỉnh đến hằng số thời gian kích từ của động cơ trong khi độ trễ còn lại được thực hiện bởi thành phần - I của bộ điều khiển

Giả thiết điều khiển e nhanh trong vùng giảm kích từ, sơ đồ khối tương đương đơn giản ở các kết quả Hình.1.9 Hiệu quả của các vòng lặp điều khiển - e được xấp xỉ bằng một điện áp không đổi tác động như một nhiễu ngoài, từ thông gần trở thành một hàm đại số phi tính của tốc độ, ảnh hưởng đến hằng số thời gian cơ học Về nguyên tắc, sự thay đổi không mong muốn này của tham số có thể được bù bằng chia sai lệch tại đầu vào của bộ điều khiển tốc độ bởi  e/ e0, như được chỉ ra trong Hình

1.9, tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp điều này được bỏ qua và các kết quả thực

tế chứng minh rằng sự chính xác thường là không cần thiết

Một số xem xét tất nhiên phải được đưa ra sao cho bộ điều khiển tốc độ đưa ra các kết quả chấp nhận được trong phần ứng cũng như trong chế độ điều khiển kích từ

Ví dụ, Hình.1.9 chỉ một quá độ đảo chiều không tải mô phỏng giữa khoảng  1.50 đã

được tính toán trên cơ sở của hệ thống chỉ ra trong Hình.1.8 Ảnh hưởng của vòng lặp điều khiển - e được nhận ra từ e và giám sát - e

Hình 1 8 Điều khiển động cơ một chiều trong các vùng giảm kích từ và điện áp phần

ứng Trong đó:

Speed controller: Bộ điều khiển tốc độ;

Current controller: Bộ điều khiển dòng điện;

e - controller: Bộ điều khiển sức điện động;

Filter: Bộ lọc tín hiệu dòng điện;

Rectification:

Người ta đã chỉ ra rằng việc sử dụng một vòng điều khiển – e với điện áp cưỡng bức cao qua cuộn dây kích từ được dùng cho một khung động cơ nhiều lớp Với các động cơ lớn, có thể cần thiết ứng dụng mô hình chính xác hơn của mạch kích

từ để thiết kế các vòng lặp điều khiển - e, kể đến dòng điện xoáy trong lõi sắt G18 Ngoài ra các điện áp cao gây ra bởi việc biến áp trong cuộn dây phần ứng ảnh hưởng đến chuyển mạch phải được xem xét Để loại bỏ những ảnh hưởng của nhiệt độ cuộn dây và dao động điện áp cung cấp tới từ thông chính trong vùng tốc độ cơ sở, một vòng lặp điều khiển dòng điện bên trong thường được kể đến trong đó duy trì một dòng kích từ tối đa được mô tả trong vùng điều khiển phần ứng bất chấp những thay đổi điện kháng kích từ và giúp tăng tốc điều khiển từ thông

Hình 1 9 Sơ đồ khối tương đương đơn giản trong vùng giảm kích từ

Nguồn tài liệu : [Control of a Separately Excited DC Machine]

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYẾN ĐỘNG

2.1 Giới thiệu:

Trong đề tài nghiên cứu này, đề tài áp dụng kỹ thuật tuyến tính hóa phản hồi nhiều đầu vào nhiều đầu ra phi tuyến cho hệ thống động cơ một chiều kích từ độc lập làm việc ở chế độ giảm kích từ - tốc độ cao Sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi theo tải không cảm biến nhằm cải thiện hiệu suất tốc độ động được đưa ra để đánh giá Hơn nữa, các kết quả thực nghiệm sẽ được dùng để chứng minh phần lý thuyết này

r

r s

từ, tương ứng R r và R s biểu thị điện trở phần ứng và điện trở kích từ, L r và L s các

điện cảm phần ứng và điện cảm kích từ, và K, B, và J hằng số sức phản điện động

(hoặc hằng số mômen), hệ số nhớt giảm chấn, và quán tính, tương ứng

Để thuận lợi cho việc thiết kế bộ điều khiển, mô hình (1) được viết lại dưới dạng không gian trạng thái thu gọn như sau:

trong đó x = [i r i s]T là vector trạng thái f(x) là hàm của i r , i s , và ,

( ) 1

tải thường, và d = T L – T LN nhiễu mômen tải

Mô hình này, là phi tuyến bởi vì nó liên quan đến phép nhân hai biến, sẽ được

áp dụng để tăng tốc độ bám trong vùng giảm kích từ Nói chung, tất cả các thông số thay đổi trong khoảng ở các điều kiện hoạt động của động cơ Tuy nhiên, đề tài giả thiết rằng các biến đổi thông số này được bỏ qua trong thiết kế bộ điều khiển ngoại trừ khi làm việc với nhiễu momen tải không rõ

2.3 Tuyến tính hóa đầu ra – đầu vào:

Mục tiêu ở đây là để phát triển một bộ điều khiển giảm kích từ, mà có thể đảm bảo ổn định và bám theo tốc độ đặt mong muốn ref trong vùng  ≥ n, và loại bỏ

nhiễu momen tải Để làm như vậy, các đầu ra điều khiển được lựa chọn là h 1 (x) = E

và h 2 (x) =, và đề tài định nghĩa

ef ef

trong đó E ref mô tả điểm đặt giảm kích từ, được lựa chọn từ 0,85 đến 0,95 giá trị điện

áp định mức phần ứng [1], và tốc độ đặt ref yêu cầu được vi phân hai lần

Bằng vi phân Lie, đề tài giới thiệu những chuyển đổi hệ tọa độ sau đây

 

 

 

1 1

Đó là biến đổi 1-1 trong s   x R l  3: s  0 v à   0 , và biến đổi

2

r s

i i

Trong hệ tọa độ mới, các động học động cơ với momen tải thường (d = 0) có

thể được viết lại như sau

.

1 2

2

( )

( )( )

s f

D x u

1 2

2

1 1 1 2 2

L h

L K

JL K

2 2

( ) ( )

2 3 3

trong đó v  v a v f T là vector đầu vào của hệ thống tuyến tính dạng kinh điển

Brunovski nổi tiếng (2.8) Bậc tương đối của hệ thống (1+2 = 3) cân bằng với hệ gốc (không có động học không)

Để đảm bảo bám tốc độ bám tốt theo tốc độ mẫu ref và sức phản điện động

E ref , v a và v f được thiết kế như sau:

Để loại bỏ nhiễu mômen tải d, một khâu tích phân được đưa vào luật điều

khiển tuyến tính như

2.4 Thiết kế điều khiển thích nghi theo tải

Hệ thống động cơ với nhiễu mômen tải T L được viết như sau:

bỏ nhiễu không đo lường được sẽ dẫn đến đáp ứng đầu ra giảm, đó là điều không chấp nhận được Để khắc phục những vấn đề này, bài viết này sẽ áp dụng một thiết kế điều khiển thích nghi theo tải để ước lượng mômen nhiễu không xác định [12]

Xác định một sự thay đổi theo thời gian của hệ tọa độ với ước lượng nhiễu mômen tải ˆd

L h d L h u

D x u

ef

trong đó a, f0 và f1 là các tham số hệ số hằng được thiết kế

Sử dụng (2.14) và (2.15) cho kết quả trong

Nhiễu momen tải chưa xác định d sẽ được ước lượng bằng việc sử dụng kỹ

thuật thích nghi theo mô hình mẫu Mô hình mẫu sau đó được lựa chọn như sau