Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Lớp : ĐTĐ52 ĐH2 Đề 23: Xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều khi có vòng điều khiển dòng và khi không có vòng điều khiển dòng. Đánh giá chất lượng điều khiển trong hai trường hợp. Thông số kỹ thuật: động cơ Л11 Pđm(kW) Uđm(V) Iđm(A) nđm(vp) Rư∑(Ω) Lư∑(H) GD2(kg.m2) 0,7 220 4,3 3000 5,34 0,0972 0,012 ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái quát về động cơ điện một chiều. 1.2 Mô hình toán động cơ điện một chiều. CHƯƠNG 2 : TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 2.1 Cấu trúc bộ điều khiển khi có vòng điều khiển dòng. 2.2 Cấu trúc bộ điều khiển khi không có vòng điều khiển dòng 2.3 Tổng hợp bộ điều khiển khi có vòng điều khiển dòng. 2.4 Tổng hợp bộ điều khiển khi không có vòng điều khiển dòng. CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU KHIỂN, MÔ PHỎNG. 3.1 Tính toán bộ điều khiển. 3.2 Mô phỏng trên matlab Simulink và kết quả mô phỏng. 3.3 Đánh giá chất lượng và nhận xét. Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

* Cấu tạo.

Động cơ điện một chiều gồm có: stator, rotor, cổ góp và chổi than

Hình 1.1: Cấu tạo của rôto và stato

- Stator ( phần cảm ) : gồm các cuộc dây được quấn tập trung trên các cực từcủa stator Các cực từ của stator được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện được dậphình sẵn có bề dày từ 0.5 đến 1mm, ghép cách điện với nhau thành một khối vàđược gắn trên gông từ làm bằng thép đúc, cũng chính là vỏ máy

- Rotor ( phần ứng ) : gồm lõi thép, dây quấn và trục roto Lõi thép phần ứngđược ghép từ các là thép kỹ thuật điện, ghép cách điện với nhau Dây quấn phầnứng gồm nhiều phần tử được đặt vào cách rãnh trên lõi thép rotor Các phần tử dâyquấn rotor được nối tiếp nhau thông qua các lá góp trên cổ góp.Lõi thép phần ứng

và cổ góp được cố định trên trục rotor Ngoài ra, rotor còn có cổ góp, cánh quạtlàm mát

- Cổ góp và chổi than: đóng vai trò là bộ chỉnh lưu cơ khí

+ Cổ góp: hay còn gọi là vành góp, có cấu tạo bởi nhiều phiến góp bằng đồng,các phiến góp được cánh điện với nhau Các đầu dây của các mobin dây được nốiđến các phiến góp

1

+ Chổi than: có cấu tạo bởi than granit vừa có độ bền cơ chống được mài mòn,vừa có độ dẫn điện cao Chổi than đặt trong hộp chổi than là bộ phận giữ chổi than.

* Nguyên lý hoạt động.

- Đầu tiên, cấp điện áp một chiều vào dây quấn phần cảm để tạo ra từ trườngkích từ Φkt Đồng thời, cấp nguồn áp một chiều vào hai đầu phần ứng để tạo dòng

Iư qua các thanh dẫn trên phần ứng

- Các thanh dẫn phần ứng mang dòng điện Iư và đặt trong từ trường kích thích

sẽ chịu tác động của lực điện từ F (h1.2a) tạo thành momen làm quay phần ứng.Khi phần ứng quay, các thanh dẫn trên phần ứng cùng di chuyển cắt đường sức từtrường phần cảm nên trên các thanh dẫn hình thành các sức phản điện e (h1.2b)

Hình 1.3 : 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

1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ.

Ưu điểm của động cơ một chiều so với các động cơ điện khác là khả năng điềuchỉnh tốc độ dễ dàng, các bộ điều chỉnh tốc độ đơn giản, dễ chế tạo Do đó, trongđiều kiện bình thường, đối cới các cơ cấu có yêu cầu chất lượng điều chỉnh tốc độcao, phạm vi điều chỉnh rộng, người ta thường sử dụng động cơ điện một chiều

- Có các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều như sau:

+ Thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng

+ Thay đổi từ thông

+ Thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng

1.2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

trong đó:

+ ω , M, MC là tốc độ góc, mômen điện từ và mômen cản của động cơ

1.2.2 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều.

- Khi đặt lên cuộn dây quấn kích từ một điện áp UK nào đó, thì trong dây quấnkích từ sẽ có dòng điện ik ,và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ Tiếp đó lạiđặt giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòngđiện I chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông mạch kích từ sẽtạo ra mômen điện từ có giá trị:

a là số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng

k = (p’N/2 a) hệ số kết cấu của máy

- Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục Các dây quấn phần ứngquét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức từ động :

1.2.3 Chế độ quá độ động cơ một chiều.

Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phươngtrình mô tả sơ đồ thay thế hình 1.3 như sau:

trong đó: Nk là số vòng dây cuộn kích từ

Rk là điện trở cuộn dây kích từ

+ Biến đổi laplace ta được :

NN là số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp

+ Biến đổi laplace ta được :

U(P) = Rư.I(P) + Lư.P.I(P) ± NN.P.Φ(P) + E(P) (1.5)

- Phương trình dòng điện mạch phần ứng sau khi biến đổi laplace:

I(P) =

1/R u 1+τ u .P. [U(P) ± NN.P.Φ(P) + E(P)] (1.6) trong đó: Lư điện cảm mạch phần ứng ;

NN số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp

τư = Lư /Rư hằng số thời gian mạch phần ứng

5(1.3)

- Phương trình chuyển động của hệ thống :

M(p) – Mc(p) = Jp

J : momen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ

- Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ mộtchiều như hình ở trang bên :

- Sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến, trong tính toán ứng dụng thường dùng môhình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc

Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều

- Khi ta chọn điểm làm việc ổn định, tuyến tính hóa đặc tính từ hóa và đặc tínhmomen tải như sau:

Hình 1.6: Tuyến tính hóa đặc tính từ hóa Tuyến tính hóa đặc tính momen tải

- Độ dốc của đặc tính từ hóa và đặc tính momen tải lần lượt là:

(1.7)

Hình 1.7: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa động cơ điện một chiều

- Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập thì NN = 0, ta có:

+ Biến đổi sang laplace ta được:

U0 + ΔU(P) = Rư [I0 + ΔIP] + P.Lư[I0 +ΔI(P)] + [ Φ0 + ΔΦ(P)][ωB + Δω(P)] (1.8) + Phương trình điện áp mạch kích từ khi đã biến đổi laplace:

(1.10)

- Từ các phương trình trên, nếu bỏ qua các thành phần bậc cao có giá trị vô

Uk(p) = Rk.Ik(p)(1+pτk) (1.12) + Phương trình chuyển động cơ học:

K.Io.(p) +K.o.I(p) - Mc(p) = J.p(p) (1.13)

- Trong trường hợp: từ thông kích từ (dòng điện kích từ) không đổi,khi động cơđược kích thích bằng nam châm vĩnh cửu,ta được các phương trình cho động cơnhư sau:(K = const = Cu)

- Phương trình mạch phần ứng:

U(p) = RưI(p)(1 + pτư) + Cu.(p) (1.14)

- Phương trình động lực học:

Cu.I(p) – Mc(p) = Jp(p) (1.15)

Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi

- Ta thấy rằng, các quan hệ của động cơ một chiều với từ thông không đổi đềutuyến tính, hay mô hình động cơ một chiều khi ∅ = const là mô hình tuyến tính Từ

CHƯƠNG 2 : TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

2.1 CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ KHI CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG

2.1.1 Cấu trúc cơ bản mạch vòng điều khiển dòng

Hình 2.1: Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện

Mạch vòng điều khiển dòng có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện động cơ 1chiều Nó cũng hạn chế dòng của động cơ khi không vượt qua ngưỡng cho phép.Một mặt khác nhiệm vụ của bộ điều khiển là thiết lập dòng phần ứng bằng giá trịđặt trước các sự thay đổi của nhiễu

Đối với động cơ 1 chiều bộ điều khiển dòng có thể được tổng hợp theo 2 cách:

- Tổng hợp bộ điều khiển RI khi bỏ qua sức điện động phần ứng

- Tổng hợp bộ điều khiển RI khi có tính đến sức điện động phần ứng

Trong những trường hợp quán tính cơ của động cơ lớn hơn nhiều so với quántính phần điện, nghĩa là tại 1 thời điểm có thể xem sự thay đổi của dòng điện lớn

9

hơn nhiều lần so với sự thay đổi của tốc độ và tại những điểm đó xem như tốc độkhông đổi.

Khi cần điều khiển chính xác thì cần tính đến sức điện động của động cơ

2.1.2 Cấu trúc bộ điều khiển tốc độ khi có vòng điều khiển dòng

Phương án điều chỉnh dòng điện được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền độngđiện, tự động điện là sử dụng 2 vòng phân cấp, trong đó RI là bộ điều chỉnh dòngđiện, Rω là bộ điều chỉnh tốc độ Mỗi mạch vòng có bộ điều chỉnh riêng, được tổnghợp từ đối tượng riêng và theo các chuẩn riêng

Để thực hiện hai loại phản hồi âm là tốc độ quay và dòng điện gây tác dụngriêng rẽ, trong hệ thống bố trí hai bộ điều chỉnh, một dùng cho tốc độ quay và mộtdùng cho dòng điện Hai bộ này ghép nối tiếp nhau, đầu ra của bộ điều chỉnh tốc

độ quay làm đầu vào của bộ điều chỉnh dòng điện, đầu ra của bộ điều chỉnh dòngđiện đi khống chế thiết bị phát xung của bộ chỉnh lưu bán dẫn thyristor

Hình 2.2: Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ

khi có mạch vòng điều khiển dòng

trong đó: Rω, RI là bộ điều chỉnh tốc độ quay và bộ điều chỉnh dòng điện

FX, FT là thiết bị phát xung và là máy phát xung đo tốc độ

CL, GHD là chỉnh lưu, là khâu giới hạn dòng

2.2 CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG

Trong trường hợp động cơ công suất nhỏ và bộ biến đổi cho phép chịu quá tảilớn thì người ta có thể bỏ qua mạch vòng dòng điện, khi đó ta có sơ đồ cấu trúcmạch điều khiển như sau:

Hình 2.3: Cấu trúc mạch điều khiển tốc độ

khi không có mạch vòng điều khiển dòng

2.3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN KHI CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG

2.3.1 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện khi bỏ qua sức điện động của động cơ

Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện khi bỏ qua sức điện động nhưhình sau :

Hình 2.4: Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện

trong đó: kdb hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi

Tdk hệ số thời gian mạch điều khiển

Tv hệ số thời gian van

kI hệ số khuyếch đại mạch đo dòng

TI hệ số thời gian mạch đo dòng

- Để tổng hợp bộ RI ta đưa về mô hình dạng chuẩn :

- Trong đó S Ilàm mô hình đối tượng của bộ điều khiển dòng

SI =

1/ R u 1+T u p.

- Ta thấy trong mô hình đối tượng S I, các hằng số thời gianTdk, Tv, TI là rất nhỏ

so với thời gian điện từ Tư Đặt T∑ = Tdk+ Tv + TI thì có thể viết lại (2.1) ở dạng gầnđúng như sau :

SI ≈

kΦ bd .kΦ I

R u .

1 (1+T u p )(1+T Σ p )

Σ2 p2

(2.5) ( Do TI rất nhỏ nên có thể bỏ qua)

2.3.2 Tổng hợp mạch điều khiển tốc độ khi có vòng điều khiển dòng

Hình 2.5: Sơ đồ khối rút gọn mạch vòng dòng điện

1/Ru 1+Tup

Mc

1

sp

IphI

/ 1





Đo

Mc

-1

J p

- Tổng hợp bộ điều khiển dòng theo tiêu chuẩn modul tối ưu (khi bỏ qua E) ta

sẽ được hàm truyền của mạch vòng như sau :

F I= I u

I sp=

1/ kΦ I 1+2T Σ p+2T

Σ2 p2

- Cấu trúc này khi triển khai cho động cơ 1 chiều có mô hình như sau:

Hình 2.5: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi có mạch vòng điều khiển dòng

- Do T∑ là giá trị nhỏ nên có thể lấy xấp xỉ hàm truyền kín của mạch vòng là:

FI =

1/kΦI1+2TΣ p (2.6)

- Khi đó sơ đồ điều có thể rút lại:

Hình 2.6: Sơ đồ rút gọn mạch vòng điều chỉnh tốc độ

- Như vậy đối tượng cho bộ điều khiển tốc độ có thể tính được :

Sω =

1/kΦ I 1+2T Σ p .Cu.

kΦ ω 1+T ω p.

Cu

- Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có:

⇒ Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ là 1 bộ PI

- Áp dụng tiêu chuẩn modul đối xứng ta có:

2.4 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN KHI KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG.

Khi cả bộ biến đổi và động cơ đều có khả năng chịu quá dòng lớn, lại không có

yêu cầu cao về điều chỉnh gia tốc, hoặc khi sử dụng các truyền động công suất nhỏdùng bộ băm xung áp có tần số làm việc lớn đến mức không xuất hiện xung dòngđiện gián đoạn thì có thể không sử dụng mạch vòng điều chỉnh dòng điện

+ Trong trường hợp Tc > 4Tư thì hàm truyền của đối tượng sẽ là:

là hằng số thời gian cơ học

Hình 2.7: Sơ đồ mạch điều khiển tốc độ khi không có vòng điều khiển dòng.

- Giả thiết rằng T2 > T1 và T1, T2 lớn hơn nhiều so với Tdk và Tω thì theo tiêuchuẩn modul tối ưu, ta được bộ điều chỉnh tốc độ PID có hàm truyền như sau:

R ω(p)=

2 T s kΦ s p a (2.11) với Ts = Tdk + Tω.

+ Nếu hệ số a bằng 1 thì hàm truyền của hệ kín là:

- Hệ thống đạt vô sai cấp 1 đối với tín hiệu điều khiển Nếu hệ thống có hằng

số thời gian cơ học Tc nhỏ thì tương ứng nên giảm hệ số khuyếch đại của mạchvòng điều chỉnh, nghĩa là nên chịn hằng số a lớn hơn 1

15

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

3.1 TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU KHIỂN

Tham số động cơ Л-11 đã cho là:

trong đó: kω = 1, là hệ số khuyếch đại của máy phát tốc.

Tω = 0.004 là hằng số thời gian của máy phát tốc

- Hàm truyền đạt của máy biến dòng:

WI(p) =

kΦ I

T I p +1.

trong đó : kI = 1 là hệ số khuếch đại của biến dòng

TI = Tv = 0.001 là hằng số thời gian của cảm biến dòng

dm dm u dm

dm dm

P M

u u u

L T R

  

T∑ = Tv + TI + Tdk = 0,004

17

3.2.1 Mô phỏng tốc độ động cơ khi có vòng điều khiển dòng.

- Mô phỏng mạch vòng dòng điện

Hình 3.1: Mô hình mạch vòng điều khiển dòng

Hình 3.2: Kết quả mô phỏng mạch vòng dòng điện khi tín hiệu đặt thay đổi Nhận xét: giá trị dòng điện I ở đầu ra luôn bám sát theo sự thay đổi của giátrị đầu vào Isp

Kết luận: mạch vòng dòng điện xây dựng ở trên đã điều khiển được giá trịdòng điện theo yêu cầu đề ra

- Mô phỏng mạch vòng tốc độ khi có gắn mạch vòng dòng điện

trong đó : Khối 1 + khối 2 là Rω

19

Hình 3.3:Mô hình mạch vòng tốc độ khi có gắn mạch vòng điều khiển dòng.

Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi thay đổi tín hiệu đặt với Mc = 0

Hình 3.4: Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi ω sp =vart, Mc = const.

Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi dữ nguyên tín hiệu đặt và thay đổi Mc

Hình 3.5: Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi ω sp = const, Mc = var.

3.2.2 Mô phỏng tốc độ động cơ khi không có vòng điều khiển dòng.

- Mô phỏng mạch vòng tốc độ khi không gắn mạch vòng dòng điện

Hình 3.6:Mô hình mạch vòng tốc độ khi không có vòng điều khiển dòng.

trong đó : khối 1+ khối 2 là Rω/p

khối 3 + khối 4 là

kΦ d

Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi thay đổi tín hiệu đặt (ωsp)

Hình 3.7: Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi thay đổi tín hiệu đặt.

Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi thay đổi mômen cản (Mc)

21

đó ổn định ở một giá trị xác lập, bằng với tín hiệu đặt.

- Với động cơ không gắn vòng điều khiển dòng (hình 3.7 và 3.8 ),khi thay đổitín hiệu đặt hoặc thay đổi mô men cản, tốc độ động cơ (ω) cũng mất một thời gian

để ổn định bám sát tín hiệu đặt (ωsp) nhưng ngắn hơn, độ quá điều chỉnh cũng nhỏhơn so với bộ điều khiển khi có vòng điều khiển dòng

- Từ đó, ta có thể thấy việc điều khiển ổn định tốc độ ở cả hai trường hợp chokết quả gần giống nhau, tuy nhiên ở trường hợp có gắn thêm vòng điều khiển dòng

có kết cấu phức tạp hơn, độ quá điều chỉnh lớn hơn Vì vậy, ta chỉ nên sử dụngvòng điều khiển dòng để điều khiển tốc độ động cơ trong những trường hợp yêucầu cao về dòng lớn, điều chỉnh gia tốc

Kết quả mô phỏng ở trên hoàn toàn phù hợp với kết quả nghiên cứu lý thuyết,điều này chứng tỏ rằng thuật toán và cách thức xây dựng bộ điều khiển tốc độ ởtrên là đúng

Kết luận

Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, với sự hướng dẫn của thầy giáo Trần TiếnLương, đến nay đồ án của em cơ bản đã hoàn thành Nội dung của đồ án nêu nênnhững vấn đề chính sau:

- Tổng quan về động cơ điện một chiều

- Tổng hợp hệ thống điều khiển

- Tính toán mô phỏng bộ điều khiển

Mặc dù đã hết sức cố gắng, nhưng trình độ kiến thức còn hạn chế nên khôngtránh khỏi những sai sót nhất định Vì vậy, em xin tiếp thu ý kiến đóng góp củathầy cô để bài đồ án của em được hoàn thiện hơn

Tài liệu tham khảo :

1 Bài giảng Tổng hợp hệ điện cơ – Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.

2 Matlab & simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động.

Tác giả: Nguyễn Phùng Quang – Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật

3 Điều chỉnh tự động truyền động điện - Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật

Tác giả: Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn

23