giáo trình: Tổng hợp hệ cơ điện 2

Tổng hợp hệ cơ điện 2 Tổng hợp hệ điện cơ là môn học chuyên ngành của ngành Tự động hóa, đây có thể xem là kiến thức tổng hợp của nhiều học phần cơ sở ngành và chuyên ngành. Trong nhiều năm qua, đã có khá nhiều tài liệu trong và ngoài nước đề cập đến kiến thức thuộc lĩnh vực này, tuy nhiên một giáo trình chuẩn và đầy đủ phù hợp với chương trình đào tạo kỹ sư điện chuyên ngành Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp còn thiếu. Để đáp ứng yêu cầu đào tạo, đặc biệt là đào tạo theo hệ thống tín chỉ, Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện đã biên soạn xong giáo trình học phần Tổng hợp hệ điện cơ 1 và đã được sử dụng có hiệu quả cho việc giảng dạy của giáo viên và việc học tập của sinh viên đại học và học viên cao học. Học phần Tổng hợp hệ điện cơ này là học phần thứ 2 của môn học, học phần này được phân bố chương trình là 3 tín chỉ với nội dung gồm 5 chương. Với thời gian ngắn, điều kiện về tài liệu tham khảo bị hạn chế nên giáo trình này chắc chắn còn nhiều thiếu sót, mong bạn đọc và các đồng nghiệp thông cảm và cho ý kiến đóng góp để chúng tôi hoàn thiện nội dung của giáo trình này được tốt hơn.

Trang 1

1

Trang 2

xem là kiến thức tổng hợp của nhiều học phần cơ sở ngành và chuyên ngành Trong nhiều năm qua, đã có khá nhiều tài liệu trong và ngoài nước đề cập đến kiến thức thuộc lĩnh vực này, tuy nhiên một giáo trình chuẩn và đầy đủ phù hợp với chương trình đào tạo kỹ sư điện chuyên ngành Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp còn thiếu

Để đáp ứng yêu cầu đào tạo, đặc biệt là đào tạo theo hệ thống tín chỉ, Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện đã biên soạn xong giáo trình học phần Tổng hợp hệ điện cơ 1 và đã được sử dụng có hiệu quả cho việc giảng dạy của giáo viên và việc học tập của sinh viên đại học và học viên cao học Học phần Tổng hợp hệ điện cơ này là học phần thứ 2 của môn học, học phần này được phân bố chương trình là 3 tín chỉ với nội dung gồm 5 chương.

Với thời gian ngắn, điều kiện về tài liệu tham khảo bị hạn chế nên giáo trình này

Trang 4

- Sách, giáo trình chính:

Giáo trình Tổng hợp hệ điện cơ do bộ môn Tự động hoá XNCN - Khoa Điện biên soạn (đang biên soạn)

- Sách tham khảo:

[1] Trần Thọ, Võ Quang Lạp (biên khảo); Cơ sở điều khiển tự động truyền động

điện; NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2004

[2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, D ơng Văn Nghi; Điều

chỉnh tự động truyền động điện; NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2002

[3] Bùi Đình Tiếu; Cơ sở truyền động điện tự động; NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà

Nội, 1984

[4] Võ Quang Lạp, Trần Xuân Minh; Giáo trình Kỹ thuật biến đổi; Tr ờng đại học

Trang 5

1.1 Khái quát về hệ thống tuỳ động

1.2 Đo kiểm tín hiệu vị trí

1.3 Hệ thống tuỳ động vị trí sensin và phương pháp thiết kế

1.4 Hiệu chỉnh trạng thái động của hệ thống tùy động vị trí

Trang 6

1.1.1 Ứng dụng của hệ thống tuỳ động

Hệ thống tùy động, thực chất là hệ thống ĐCTĐ TĐĐ thực hiện điều khiển vị trí với lượng đặt trước biến thiên tùy ý Hệ thống tuỳ động được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tiễn Nhiệm vụ cơ bản của hệ là thực hiện điều khiển cơ cấu chấp hành bám sát chính xác đối với lượng đặt vị trí, đại lượng điều khiển (lượng đầu ra) thường là vị trí không gian của cơ cấu sản xuất, lúc lượng đặt thay đổi trong quá trình làm việc thì hệ thống có thể làm cho đại lượng điều khiển bám sát và duy trì một một cách chính xác vị trí của cơ cấu sản xuất theo yêu cầu Ví dụ điều khiển cơ cấu ép trục cán, trong quá trình cán kim loại, phải làm cho khe hở giữa hai trục có thể tiến hành tự điều chỉnh; điều khiển quỹ tích gia công của máy

Trang 7

1.1.2 Các bộ phận chủ yếu của hệ thống tuỳ động vị trí

và nguyên lý làm việc của nó

Trang 8

đó trục quay của chiết áp RP1 nối với bánh điều khiển làm góc cho trước (góc đặt), trục quay của chiết áp RP2 thông qua cơ cấu nối với bộ phận phụ tải làm phản hồi góc quay, hai bộ chiết áp đều được cấp điện nhờ nguồn điện một chiều

U, như vậy có thể chuyển tham số vị trí trực tiếp thành đại lượng điện ở đầu ra

(2) Bộ khuếch đại so sánh điện áp: Do 2 bộ khuếch đại 1A, 2A tạo thành, trong đó

bộ khuếch đại 1A chỉ làm nhiệm vụ đảo pha, còn 2A có tác dụng so sánh và khuếch đại điện áp, tín hiệu đầu ra làm tín hiệu điều khiển bộ khuếch đại công suất cấp tiếp theo, đồng thời có khả năng nhận biết cực tính điện áp (phương vị

Trang 9

(3) Bộ khuếch đại công suất đảo chiều: Để cung cấp cho động cơ chấp hành của hệ

thống tuỳ động chỉ có khuếch đại điện áp là chưa đủ, còn phải khuếch đại công suất, các bộ khuếch đại công suất này thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặcbộ biến đổi xung áp điều chế độ rộng xung nếu động cơ truyền động là động cơ một chiều, trường hợp dùng động cơ xoay chiều thì bộ khuếch đại công suất thường

là biến tần

(4) Cơ cấu chấp hành: Động cơ bám Đ (động cơ điện một chiều, từ trường vĩnh cửu)

để truyền động cơ cấu chấp hành mang phụ tải (dàn anten ra đa), giữa động cơ và phụ tải thường có bộ phận truyền lực (hộp giảm tốc)

(1), (2), (3), (4): Là các bộ phận chủ yếu, không thể thiếu để tạo nên hệ thống điều

khiển tuỳ động vị trí, chỉ có linh kiện hoặc thiết bị cụ thể là có thể khác nhau, ví

dụ, có thể dùng các bộ đo kiểm vị trí khác nhau, dùng động cơ điện một chiều hoặc xoay chiều v.v

Trang 10

Qua các phân tích trên dễ dàng nhận ra những chỗ khác nhau và giống nhau giữa

hệ thống tuỳ động vị trí (sau đây gọi tắt là hệ thống tuỳ động) và hệ thống điều tốc Cả hai đều là hệ thống kín (có phản hồi), tức là thông qua việc so sánh lượng đầu ra của hệ thống với lượng cho trước (lượng đặt) để tạo ra tín hiệu điều khiển

hệ thống, vì vậy nguyên lý của hai hệ thống này là giống nhau

Đại lượng cho trước của hệ thống điều tốc là hằng số, dù cho mức độ nhiễu như thế nào, đều mong đại lượng đầu ra ổn định, vì thế chất lượng chống nhiễu của

hệ thống luôn tỏ ra quan trọng nhất Còn trong hệ thống tuỳ động thì tín hiệu đặt

vị trí là thường xuyên thay đổi, là đại lượng “thay đổi tuỳ ý”, yêu cầu lượng đầu

ra bám chính xác theo sự thay đổi của lượng cho trước, tính nhanh nhậy, tính linh

Trang 11

Từ hình 6.1 có thể thấy, hệ thống tuỳ động có thể xây dựng trên cơ sở hệ thống điều tốc cài thêm mạch vòng vị trí, mạch vòng vị trí là đặc trưng cấu trúc chủ yếu của hệ thống tuỳ động Vì vậy hệ thống tuỳ động thường phức tạp hơn hệ thống điều tốc.

Trang 13

1.1.4 Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí

Hệ thống tuỳ động điều khiển góc pha kiểu số:

Số liệu

A

Bộ Nhận diện pha

Bộ Điều khiển tốc độ

Động cơ chấp hành

Trang 14

Hệ thống tuỳ động điều khiển xung số:

Số liệu

A

Bộ Thuật toán đảo chiều

Trang 15

1.1.4 Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí

Hệ thống tuỳ động điều khiển kiểu mã số:

Số liệu

A

Bộ Thuật toán đảo chiều

Bàn máy

Đo kiểm vị trí

(Đĩa mã quang điện)

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động điều khiển mã số

D *

D

Trang 16

1.2.1 Sensin (SS)

Hình 1.6: Nguyên lý cấu tạo sensin

Cuộn dây rotor

Cuộn dây stator

Sensin là một bộ cảm biến chuyển vị góc S, trong hệ thống tuỳ động thường dùng theo từng cặp đối nhau Sensin có rotor nối với bộ phận điều khiển thì được gọi là sensin phát (máy phát tin), còn sensin có rotor nối với trục cơ cấu chấp hành thì có tên là sensin thu (máy phát tin).

Sensin một pha: Gồm một cuộn dây kích từ một pha và một bộ cuộn dây chỉnh bước, cuộn

Trang 21

1.2.4 Đĩa mã quang điện

1.2.4.1 Đĩa mã kiểu gia số

Hình 6.12: Nguyên lý làm việc đĩa mã quang kiểu gia số

a) Sơ đồ nguyên lý; b) Đồ thị lượng ra

Trang 22

1.2.4.2 Đĩa mã kiểu trị tuyệt đối

Trang 23

1.2.4 Đĩa mã quang điện

1.2.4.2 Đĩa mã kiểu trị tuyệt đối

Bảng 1.1: Bảng đối chiếu vị trí trục đĩa mã quang điện và mã số

Trang 24

1.3.1 Cấu tạo và mô hình toán học của hệ thống tuỳ động vị trí sensin

1.3.1.1 Sensin

Trang 25

1.3.1.1 Sensin

a) Quan hệ giữa biên độ điện áp đầu ra với ∆θm; b) Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của sensin

Hình 1.15: Khâu đo kiểm sai số góc bằng sensin

Trang 26

1.3.1.2 Khuếch đại nhạy pha

Trang 27

1.3.1.3 Khuếch đại công suất đảo chiều

Có thể là bộ chỉnh lưu điều khiển có đảo dòng hoặc các bộ xung điện áp đảo chiều,…

Với chỉnh lưu điều khiển thì hàm truyền của bộ KĐCS:

b

K

s 1

τ +

Trang 28

1.3.1.4 Cơ cấu chấp hành

Là động cơ truyền động, còn gọi là động cơ bám

Thường sử dụng động cơ một chiều, xoay chiều, các động cơ đặc biệt, khi dùng động cơ một chiều thì hàm truyền của động cơ là:

Đơn giản hóa gần đúng là:

e 2

1/ C

Trang 29

1.3.1.5 Bộ giảm tốc

Khâu nối giữa động cơ và cơ cấu sản xuất, nếu cơ cấu sản xuất chuển động tịnh tiến thì nó còn có nhiệm vụ biến đổi dạng chuyển động Cấu trúc và hàm truyền của bộ giảm tốc từ tốc độ góc sang góc quay là:

Hình 1.17: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động bộ giảm tốc

Trang 30

Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của toàn bộ hệ thống tùy động vị trí sensin được mô tả trên hình 1.18, trong đó Rp là bộ điều chỉnh vị trí Cách thiết kế nó cùng các tham số của nó sẽ được trình bày cụ thể ở phần sau.

Mô hình cấu trúc trạng thái động

Trang 31

1.3.2 Phân tích sai số trạng thái ổn định và tính toán tham số của hệ

thống tuỳ động vị trí sensin

1.3.2.1 Sai số nguyên lý (sai số hệ thống)

Hình 6.19: Cấu trúc hệ thống tùy động Bảng 6.2: Phạm vi sai số các loại linh kiện đo kiểm

Trang 32

Trang 33

Sai số hệ thống với hệ loại I:

Trang 34

Sai số hệ thống với hệ loại II:

Trang 35

* m v

m 2

s 0

1 lim s

m 2

s 0

1lim s

Trang 36

1.3.2.2 Sai số nhiễu

Trang 37

Hình 1.22: Ảnh hưởng của nhiễu phụ

tải đối với hệ thống tùy động vị trí

Hình 1.23: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động

ở trạng thái nhiễu phụ tải

Trang 38

I R e

K

= −

Trang 39

1.4 HIỆU CHỈNH TRẠNG THÁI ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÙY ĐỘNG VỊ TRÍ

1.4.1 Hiệu chỉnh nối tiếp (hiệu chỉnh bằng bộ điều chỉnh)

Sơ đồ cấu trúc

Hình 1 25: Sơ đồ cấu trúc hệ thống tuỳ động một mạch vòng vị trí

Trang 40

Làm gần đúng mẫu số hàm truyền đối tượng điều khiển:

TmTes2 + Tms + 1 ≅ TmTes2 + (Tm + Te)s +1 = (Tms + 1)( Tes + 1)

Điều kiện gần đúng là:

Te ≤ Tm / 10

Trang 41

a) Sơ đồ mạch điện

Hình 1.26: Bộ điều chỉnh PID

b) Đặc tính tần biên logarit

Trang 42

Ta có phương trình viết cho mạch điện ở dạng toán tử Laplace:

Trong đó:

Trang 43

Sau khi biến đổi, ta tìm được hàm số truyền của bộ điều chỉnh vị trí:

Trang 44

Do đó:

Trong đó:

Ta có cấu trúc hệ thống tuỳ động có bộ điều chỉnh vị trí PID:

Trang 45

1.4.2 Hiệu chỉnh song song (phản hồi)

1.4.2.1 Hiệu chỉnh song song bằng phản hồi âm tốc độ

Ta có sơ đồ cấu trúc trạng thái động:

Hình 1.28: Hệ thống động có hiệu chỉnh mắc song song

Trang 46

1.4.2 Hiệu chỉnh song song (phản hồi)

1.4.2.1 Hiệu chỉnh song song bằng phản hồi âm tốc độ

Ta có sơ đồ cấu trúc trạng thái động:

Trang 47

2.1 Loại hình cơ bản của hệ điều tốc động cơ không động bộ

2.2 Hệ thống kín điều tốc bằng điều chỉnh điện áp xoay chiều -

hệ thống điều tốc kiểu tiêu hao công suất trượt

Trang 48

Các loại hệ thống điều tốc động cơ không đồng bộ:

1 Điều tốc giảm điện áp;

2 Điều tốc sử dụng bộ ly hợp trượt điện từ;

3 Điều tốc điện trở nối tiếp mạch rotor động cơ dây

quấn động cơ không đồng bộ;

4 Điều tốc nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây

quấn;

Trang 49

2.1 LOẠI HÌNH CƠ BẢN CỦA HỆ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỘNG BỘ

Các hệ điều tốc động cơ không đồng bộ theo góc độ chuyển đổi năng lượng:

1 Hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trượt - toàn bộ công suất trượt

chuyển thành nhiệt năng tiêu hao mất.

2 Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh - một bộ phận của công suất trượt bị tiêu

hao đi, phần lớn còn lại nhờ có thiết bị chỉnh lưu được trả về mạng điện hoặc chuyển hoá thành dạng cơ năng để dùng vào việc có ích khác.

3 Hệ thống điều tốc công suất trượt không thay đổi - trong hệ thống này

không tránh khỏi tiêu hao công suất trên vòng đồng rotor, nhưng sự tiêu hao công suất trượt hầu như không phụ thuộc vào tốc độ cao hay thấp, vì thế hiệu suất khá cao.

Trang 50

HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC KIỂU TIÊU HAO CÔNG SUẤT TRƯỢT

Trang 51

2.2 HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BẰNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU -

Các hệ điều tốc động cơ không đồng bộ theo góc độ chuyển đổi năng lượng:

Hình 2.2: Mạch điện tương đương trạng thái ổn định động cơ điện cảm ứng

Trang 52

2.2.1 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi điện áp

Phương trình đặc tính cơ điện:

Trang 53

′

=

′ + ω +

2

p 1 t

3n UM

=

Trang 54

Trang 55

2.2.2 Hệ thống kín điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp

và đặc tính tĩnh của hệ

Hình 2.5: Hệ thống kín điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp có phản hồi âm tốc độ

a) sơ đồ nguyên lý; b) đặc tính tĩnh

Trang 56

2.2.2 Hệ thống kín điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp

và đặc tính tĩnh của hệ

Trang 57

2.2.3 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động gần đúng

Hình 2 7: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động gần đúng của hệ thống điều tốc

động cơ không đồng bộ bằng thay đổi điện áp stator

Trang 58

Hàm truyền BBĐ:

Hàm truyền phản hồi tốc độ:

Hàm truyền động cơ:

b b

ω

′

Trang 59

Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động tuyến tính hoá gần đúng của động cơ KĐB

Trang 60

biến tần – Động cơ không đồng bộ ba pha

3.2 Các bộ biến tần kiểu tĩnh

3.3 Nghịch lưu điều chế độ rộng xung hình sin (spwm)

3.4 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ở chế độ tĩnh khi điều khiển phối hợp tần số và điện áp

3.5 Hệ thống hở điều tốc biến tần điều khiển tỷ số điện áp / tần số không đổi 3.6 Hệ thống kín điều tốc biến tần điều khiển tần số trượt

Trang 61

Th¸i Nguyªn, 10/27/15 61

3.1 PHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG

BIẾN TẦN-ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Giá trị hiệu dụng của sức điện động cảm ứng của mỗi pha stator động cơ không đồng bộ ba pha là:

Ef = 4,44f1N1kN1Φm

Trong đó:

Ef là giá trị hiệu dụng của sức điện động cảm ứng do từ thông ở khe hở

không khí trong mỗi pha stator động cơ không đồng bộ ba pha gây ra,

đơn vị đo là V;

f1: là tần số mạch stator, đơn vị do là Hz;

N1 là số vòng quấn của mỗi cuộn dây mỗi pha stator;

kN1 là hệ số cuộn dây đối với sóng cơ bản;

Φ là từ thông ở khe hở không khí mỗi cực, đơn vị là Wb

Trang 62

3.1.1 Điều tốc thấp hơn tần số cơ bản

Quy luật điều chỉnh:

f 1

Trang 63

3.1 PHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG

3.1.2 Điều tốc cao hơn tần số cơ bản

Hình 3.2: Đặc tính điều khiển điều tốc biến tần

động cơ không đồng bộ

Trang 64

3.2.1 Thiết bị biến tần gián tiếp (thiết bị biến tần xoay chiều -một chiều

-xoay chiều)

Hình 3.3: Thiết bị biến tần gián tiếp

Trang 65

3.2 CÁC BỘ BIẾN TẦN KIỂU TĨNH

3.2.1 Thiết bị biến tần gián tiếp (thiết bị biến tần xoay chiều -một chiều

-xoay chiều)

Hình 3.4: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều

a) Biến tần dùng chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor b) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp c) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWM

Định dạng
Số trang	258
Dung lượng	9,43 MB

giáo trình: Tổng hợp hệ cơ điện 2

ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ