Tóm tắt luận văn nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều

Đa số các hệ thống truyền động sử dụng động cơ một chiều đều có yêu cầuvề điều chỉnh tốc độ.. Trong thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều: - Điều

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 CôngNghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thânthực 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, trừnhững thông tin tham khảo được trích dẫn

Thái nguyên, tháng 8 năm 2014

Học viên

Lê Thị Ngọc Oanh

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 thểluận văn còn những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từcác thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩaứng dụng trong thực tế

Xin chân thành cảm ơn!

NGƯỜI THỰC HIỆN

Lê Thị Ngọc Oanh

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 4

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 4

1.1 Lựa chọn động cơ truyền động 5

1.1.1 Động cơ không đồng bộ : 5

1.1.2 Động cơ đồng bộ: 5

1.1.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: 5

1.1.4 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: 5

1.1.5 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: 6

1.2 Chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 7

1.2.1 Điều chỉnh điện trở phụ mạch phần ứng động cơ 7

1.2.2 Điều chỉnh bằng phương pháp thay đổi từ thông 8

1.2.3 Điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ 9

1.3 Chọn loại bộ biến đổi 11

1.3.1 Hệ truyền động máy phát – động cơ (F-Đ) 11

1.3.2 Bộ biến đổi chỉnh lưu xung áp một chiều 11

1.3.3 Bộ biến đổi Tiristor -Động cơ 12

1.4 Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu 14

1.4.1 Chỉnh lưu cầu 3 pha 14

1.4.2 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 15

1.4.2.4 Biểu thức điện áp 17

1.4.3 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 18

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

KẾ HỆ TỰ CHỈNH 22

2.1 Mô hình động cơ một chiều 23

2.2 Bộ điều khiển PID kinh điển 24

2.2.1 Khái niệm 24

2.2.2 Dạng sai phân 25

2.2.3 Dạng rời rạc 26

2.3 Hàm nhạy và hàm bù nhạy 26

2.4 Các quy luật điều chỉnh 27

2.4.1 Quy luật điều chỉnh P 28

2.4.2 Quy luật điều chỉnh PI 29

2.4.3 Quy luật điều chỉnh PD 31

2.4.4 Quy luật điều chỉnh PID 31

2.5 Quy trình chỉnh định tham số PID 32

2.5.1 Chỉnh định tham số PID theo kinh nghiệm 32

2.5.2 Chỉnh định tham số PID theo phương pháp thực nghiệm 33

2.5.3 Chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols 33

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 38

3.1 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh PID động cơ một chiều bằng DSP -TMS320F28069 39

3.2 Các luật điều khiển số 39

3.2.1 Luật điều khiển tỷ lệ số 40

3.2.2 Luật điều khiển tích phân số 40

3.2.3 Luật điều khiển vi phân số 41

3.2.4 Luật điều khiển PID số 41

3.3 Phần mềm CCS v5 42

3.4 Giới thiệu TMS320F28069 42

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM 49

4.1 Mô phỏng 50

4.2 Thực nghiệm 57

4.2.1 Giới thiệu hệ thống 57

4.2.2 Các khối chính trong hệ thống 58

4.3 Kết quả thực nghiệm 60

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.a) Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập 6

b) Đặc tính cơ của một động cơ điện một chiều kích từ độc lập 6

Hình 1.2 Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ mạch phần ứng với Rf1 < Rf2 <Rf3 <Rf4 8

Hình 1.3 Đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông với 9

Φ2< ΦM1 < Φđm 9

Hình 1.4 Họ đặc tính cơ uđm < u1 <u2 < u3 < u4 10

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hệ Tiristor - Động cơ 12

Hình 1.6 Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế mạch phần ứng hệ T-Đ 13

Hình 1.7 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL-Đ không đảo chiều 13

Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc của mạch chỉnh lưu 14

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu ba pha không ĐK 15

Hình 1.10 Giản đồ thời gian của mạch chỉnh lưu cầu ba pha không ĐK 17

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý của mạch chỉnh lưu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 18

Hình 1.12 Giản đồ thời gian của mạch chỉnh lưu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 20

Hình 2.1 Mạch vòng điều khiển kinh điển 24

Hình 2.2 Mô hình mô phỏng với bộ điều khiển PID kinh điển 28

Hình 2.3 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 29

Hình 2.4 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P với độ lợi lớn 30

Hình 2.5 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PI 30

Hình 2.6 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PD 31

Hình 2.7 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PID 32

Hình 2.8 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 34

Hình 2.9 Lưu đồ tự chỉnh các tham số PID 36

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 39

Hình 3.2 Khâu tỷ lệ số 40

Hình 3.3 Cấu trúc luật I số 40

Hình 3.4 Cấu trúc luật D số 41

Hình 3.5 Cấu trúc luật PID số 41

Hình 3.6 Code Composer Studio v5 42

Hình 3.7 Vi mạch TMS320F28069 – Texas Instruments 43

Hình 3.8 PN/ PFP 80 chân 44

Hình 3.9 Sơ đồ khối Kit TMS320F28069 46

Hình 3.10 Các khối ngoại vi 47

Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển tốc độ động cơ một chiều 50

Hình 4.2 Cấu trúc mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ 55

Hình 4.3 Đặc tính tốc độ đầu ra 55

Hình 4.4 Đặc tính dòng điện 56

Hình 4.5 Hệ thực nghiệm 57

Hình 4.6 Mạch phát hiện điểm không 58

Hình 4.7 Hệ động cơ – máy phát tốc 59

Hình 4.8 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha 59

Hình 4.9 TMS320F28069 board 57

Hình 4.10 Dạng điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu 61

Hình 4.11 Tốc độ động cơ và giá trị đặt 61

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 cơhoặc mạch kích từ động cơ

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

Các hệ truyền động động cơ một chiều thường sử dụng hai mạch vòng điềuchỉnh Trong đó mạch vòng ngoài là mạch vòng điều chỉnh tốc độ, bên trong làmạch vòng điều chỉnh dòng điện Mạch vòng dòng điện yêu cầu tốc độ đáp ứngnhanh hơn rất nhiều so với mạch vòng điều chỉnh tốc độ vốn phụ thuộc rất lớnvào 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 đượccác thông số tối ưu cho bộ điều khiển của mạch vòng dòng điện thì phải có cácthông số chính xác của động cơ Sau đó, bộ điều khiển theo kỹ thuật tương tự củamạch vòng dòng điện được điều chỉnh theo các thông số đã tổng hợp được bằngcách 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 củađộng cơ có thể bị thay đổi do chúng phụ thuộc và điều kiện làm việc (điện trởphần ứng của động cơ thay đổi theo nhiệt độ, mô men quán tính thay đổi theotải ), bản thân các linh kiện tương tự cũng như các bộ khuyếch đại thuật toán nóitrên cũng bị thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm Do đó, chất lượng của các bộ điềukhiển theo kỹ thuật tương tự rất khó để đảm bảo theo thời gian và các chế độ làmviệc khác nhau

Kỹ thuật điều khiển số ra đời không những có khả năng khắc phục cácnhược điểm nói trên của các hệ thống điều khiển tương tự mà còn mở ra khảnăng áp dụng dễ dàng các kỹ thuật hiện đại trong việc tổng hợp các bộ điềukhiển, dễ dàng thay đổi các tham số vận hành của thiết bị, có khả năng tương tácvới con người, khả năng ghép nối với máy tính, các thiết bị điều khiển cấp trênhoặc 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 sốcòn cho phép loại bỏ một số lượng không nhỏ các mạch điện tương tự có cácchức năng khác nhau chuyển sang thực hiện bằng phần mềm (ví dụ các mạch đolường, 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 namhầu hết được cung cấp bởi các hãng nổi tiếng, có giá thành cao, đặc biệt là ở dảicông 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 caođược khả năng làm chủ công nghệ, nâng cao chất lượng của thiết bị, thuận tiệncho 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 mộtchiều theo phương pháp thay đổi góc pha Góc mở của các Thyristor được điềukhiển 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 (dòngđiện, tốc độ) sử dụng các bộ điều khiển PID số, trong đó bộ PID số của mạchvòng 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 thốngnhằm 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 thyristorđiều 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

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

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 kíchthước nhỏ làm việc tin cậy, chắc chắn và dễ sử dụng Vận hành sửa chữa, làmviệc trực tiếp với lưới điện xoay chiều 3 pha nên không cần trang bị thêm cácthiết bị biến đổi đi kèm

Nhược điểm : Điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khókhăn Hệ số cosφ và hiệu suất không cao, dải điều chỉnh hẹp, độ sụt tốc độ lớnkhi 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 côngsuất 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 hệtruyền 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 tốtthích hợp cho những truyền động làm việc bình thường có quá tải lớn và yêu cầumômen 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, tiếtdiện dây lớn, độ ổn định tốc độ kém thay đổi nhanh khi tải thay đổi [11]

1.1.4 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Ưu điểm: Dải điều chỉnh rộng, điều chỉnh thuận lợi dễ dàng khi thay đổi 1trong 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 độngnhỏ, từ thông chính không phụ thuộc vào tải

Nhược 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 tư, gặp khó khăn trong vận hành,sửa chữa và bảo dưỡng

1.1.5 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

Ưu điểm: Vì là động cơ gồm 2 cuộn dây kích từ mắc song song và nốitiếp nên tận dụng được các ưu điểm của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

và kích từ độc lập

Nhược điểm: Có cấu tạo phức tạp và giá thành cao nên ít được sử dụng

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

kích từ độc lập có nhiều ưu điểm và có khả năng đáp ứng được yêu cầu côngnghệ của tải cần truyền động Do đó ta chọn động cơ một chiều kích từ độc lậplàm động cơ cho máy sản xuất của đề tài

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ được cấp điện từmột 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 nguồnmột 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)

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

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ bền cơ khíkết 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 mendùng các phương pháp cưỡng bức như đưa thêm điện trở phụ vào mạch phầnứng

1.2 Chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

( )

M r r U

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 vàomạch phần ứng

Tốc độ không tải lý tưởng:





0  U K

dm dm

Độ cứng đặc tính cơ:

var )

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 nhưsau:

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 mômenngắn mạch cũng giảm

Nhược điểm: Do sử dụng điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng động cơ dẫnđến 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 x

U K

 var

Độ cứng đặc tính cơ:

var )

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)

- 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 bỏphương 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 nhưsau:

Eb – Eư = Iư ( Rb + Rư)

var K

Edm

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 phầnứng thì dòng điện, mômen sẽ không đổi, tốc độ không tải lý tưởng sẽ thay đổinhưng độ cứng của đường đặc tính cơ không thay đổi vì vậy họ đặc tính cơ lànhững đường thẳng song song với đường đặc tính cơ tự nhiên Đây là phươngpháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳvùng 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 phíđầu 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 cứngđặc tính cơ  tốt, khả năng quá tải tốt, Mc = const Ta thấy phương pháp điềuchỉnh điện áp đặt vào phần ứng là triệt để nhất Như vậy ta sẽ chọn phương phápthay 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 ápmột 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 vớiyêu cầu đề tài:

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 linhhoạt, khả năng qúa tải lớn Do vậy thường sử dụng hệ truyền động F-Đ ở cácmáy khai thác trong hầm mỏ

Nhược điểm: quan trọng nhất của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quaytrong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ítnhất 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 chiềugây ra, tần số đóng cắt lớn tạo ra nhiễu cho nguồn và thiết bị điều khiển, còn tồntại 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 lượngnhỏ, 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, yêucầu công nghệ chọn phương án thích hợp Với yêu cầu thiết kế của đề tài và khixét tổng quan xu hướng phát triển khoa học kỹ thuật ngày càng tạo ra các linhkịên bán dẫn khắc phục được các nhược điểm trên thì em quyết định chọn bộbiến đổi chỉnh lưu có điều khiển cấp điện áp cho phần ứng của động cơ ( Bộ biếnđổi Tiristor -Động cơ)

Bộ biến đổi Tiristor - Động cơ

Trong hệ truyền động chỉnh lưu điều khiển động cơ một chiều (CL-Đ), bộbiến đổi là các mạch chỉnh lưu điều khiển có sức điện động Eđ phụ thuộc vào giátrị của phát xung điều khiển (góc điều khiển) Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồnchỉnh 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 cơtheo nguyên lý thay đổi điện áp phần ứng động cơ trong đó bộ biến đổi là bộchỉnh lưu bán dẫn biến đổi trực tiếp điện áp xoay chiều thành điện áp một chiềukhông qua khâu trung gian nào, do đó nó có nhiều ưu điểm: Kết cấu nhẹ, không

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

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 đồchỉnh 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 lưunày

1.4.1 Chỉnh lưu cầu 3 pha

Chỉnh lưu cầu 3 pha là loại được sử dụng nhiều nhất trong thực tế vì cónhiều ưu điểm hơn hẳn so với chỉnh lưu cầu một pha Nó cho phép đấu thẳng vàolưới điện 3 pha, độ đập mạch rất nhỏ (5%) Nếu có dùng biến áp thì gây méo lướiđiện ít hơn các loại trên đồng thời công suất máy biến áp cũng chỉ xấp xỉ bằngcông 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 chỉnhlưu cầu 3 pha [6]

Cấu trúc mạch chỉnh lưu

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng xoay chiều thành nănglượng dòng một chiều Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộngrãi nhất trong thực tế Sơ đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu trên hình1.1

Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc của mạch chỉnh lưu

1.4.2 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển

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

1.4.3 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha ĐK hoàn toàn

1.4.3.3 Giản đồ thời gian

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

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 vàcầu ba pha không điều khiển Do tính chất điều khiển của hệ thống, tác giả đã lựachọn động cơ một chiều kích từ độc lập và sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điềukhiển để làm bộ biến đổi cấp nguồn cho điều khiển động cơ thực hiện trong luậnvăn này

CHƯƠNG 2

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

Trong Chương 2, tác giả sẽ đi trình bày về đối tượng điều khiển là động cơđiện một chiều, đặc biệt là mô hình toán của đối tượng nhằm phục vụ cho việc ápdụng các thuật toán điều khiển để điều khiển đối tượng Đồng thời tác giả sẽ trìnhbày 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 điệncảm 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:

(2.1)Phương trình cân bằng điện áp:

(2.2)Phương trình cân bằng mômen

(2.3)Chuyển sang dạng toán tử Laplace ta có:

(2.4)

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

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

Xét một mạch vòng điều khiển kinh điển có dạng như hình 1.

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

(2.10)Trong đó Kp là hệ số khuếch đại điều khiển (control gain), Ti và Td lần lượt

Cách thức đơn giản nhất để thực hiện bộ điều khiển PID số là sử dụng các công thức xấp

xỉ tích phân lùi (backward integral approximation)

(2.17)

và vi phân lùi (backward difference approximation)

(2.18)

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

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 nhạycủa y (hay e) với d (hay r) Ngược lại, S là hàm bù nhạy của y với r

Trong thực tế người ta thường quan tâm đến độ nhạy của đầu ra y với đầuvào d nên khi nói "độ nhạy" của hệ thống người ta ngầm hiểu là nói đến S Vìvậy 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 mộtmạch 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

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 = GpKc

phải 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 lợilớn, nhưng nếu độ lợi lớn quá thì tính dao động của hệ thống tăng lên và có thểdẫn tới mất ổn định

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

Kp = 12.14