Thiết kế bộ điều khiển ổn định tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập khi sử dụng mạch động lực là bộ băm xung động cơ

Động cơ điện một chiềuđược ứng dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà máy cánthép, nhà máy xi măng…Để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp hiện đạivới độ chính xác

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

Chương 1: Giới thiệu về bộ điều khiển ổn định tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập 3

1.1.Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều kích từ độc lập 3

1.1.1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều 3

1.1.2 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều 4

1.1.3 Lý thuyết về máy phát tốc 6

1.2.Bộ điều chỉnh ổn định động cơ một chiều kích từ độc lập 7

1.2.1 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập 7

1.3.Giới thiệu chung về bộ băm xung- động cơ 11

Chương 2: Cấu trúc điều khiển 13

2.1 Đề xuất cấu trúc điều khiển 13

2.2 Xây dựng hàm truyền của hệ 14

2.3 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 15

2.4 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 16

Chương 3: Mô phỏng trên Simulink: 18

3.1 Lựa chọn các thông số cần thiết: 18

3.2 Bộ điều khiển dòng điện 19

3.3 Bộ điều khiển ổn định tốc độ động cơ 19

3.4 Kết quả mô phỏng 20

KẾT LUẬN 21

Tài liệu tham khảo: 22

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay động cơ điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong các ngànhcông nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta Động cơ điện một chiềuđược ứng dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà máy cánthép, nhà máy xi măng…Để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp hiện đạivới độ chính xác cao, lắp ráp các dây chuyền sản xuất, yêu cầu có bộ điều khiển Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển do cấu trúc đơn giản và bềnvững nên các bộ điều khiển PID (tỉ lệ, tích phân, vi phân…) được dùng phổ biếntrong các hệ điều khiển công nghiệp Mục tiêu của điều khiển là nâng cao chấtlượng các hệ thống điều khiển tự đông Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đốitượng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau Do

đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cho hệtruyền động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phíthấp và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa truyềnđộng diện và trong các dây truyền sản xuất

Trong kỳ này em nhận được đề tài :“ Thiết kế bộ điều khiển ổn định tốc độ

động cơ một chiều kích từ độc lập khi sử dụng mạch động lực là bộ băm xung

Chương 1: Giới thiệu về bộ điều khiển ổn định tốc độ của động cơ một

chiều kích từ độc lập 1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.1.1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều

- Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều:

1/R ư

1+T ư s

1 Js

- Trong đời sống con người, động cơ điện một chiều được sử dụng phổ

biến trong nhiều các lĩnh vực:

 Các bộ phận khởi động của ô tô, xe máy, máy kéo…

 Các hệ truyền động có công suất nhỏ như quạt điện, máy xay sinh

tố, động cơ bơm nước…

 Lĩnh vực nghiên cứu, giảng dạy…

- Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều có vai trò quan trọng,

được ứng dụng trong các máy cắt kim loại, các máy công cụ, tronggiao thông vận tải hay các thiết bị cần trục trong máy ép, máy bơm,máy nghiền, máy cán…

- Ưu điểm của động cơ điện một chiều:

 Động cơ điện môt chiều có phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng: Vìđộng cơ điện một chiều có thể điều chỉnh tốc độ thông qua việc

thay đổi I ư ,U ư,vàtừ thông nên tốc độ động cơ có thể điều chỉnh đượctốc độ trên miền dưới và tốc độ định mức.

 Chất lượng điều chỉnh tốc độ tốt, dễ điều chỉnh tốc độ Do động cơđiện một chiều có đường đặc tính cơ dạng tuyến tính (

là riêng biệt nên càng dễ cho việc điều khiển

 Chất lượng điều chỉnh tốc độ tốt: vì bộ biến đổi của động cơ điệnmột chiều có khả năng tạo ra sai số tốc độ nhỏ, độ trơn điều chỉnhmịn, dải điều chỉnh rộng…

 Động cơ điện một chiều có dòng mở máy và mô men mở máy nhỏ

có khả năng quá tải về mô men I ư = R U

ư; I mở=(1,5÷ 2)Iđm; M=K ∅ I ư

 Công suất của phía kích từ động cơ kích từ độc lập nhỏ hơn côngsuất phần ứng động cơ Chính vì vậy, nó được sử dụng trong cácdây truyền cán…

 Ngoài những ưu điểm đó động cơ điện một chiều còn có cấu trúcmạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn so với các loại động cơkhác Chính vì vậy, động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổbiến trong các nghành công nghiệp yêu cầu mômen mở máy lớnhoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác, bằng phẳng, phạm viđiều chỉnh rộng như nghành cán thép, hầm mỏ…

- Nhược điểm của động cơ điện một chiều:

 Kết luận: Động cơ điện một chiều còn có nhiều nhược điểm, song không

vì thế mà động cơ điện một chiều kém ưu thế hơn so với các loại động cơkhác, nó vẫn được sử dụng phổ biến, ngày càng được cải tiến, khắc phụcnhững nhược điểm vốn có và nâng cao hiệu suất của động cơ…

1.1.2 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều

 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phầnkích từ được cấp từ 2 nguồn riêng rẽ

 Cấu tạo chung của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều gồm có:

- Phần cảm (stato)

- Dây quấn kích từ: quấn bằng dây đồng có bọc cách điện và mỗi cuộn

dây đều bọc cách điện kỹ thành một khối, được tẩm sơn cách điệntrước khi đặt lên cực từ

+) Cực từ phụ: Đặt giữa các cực từ chính với tác dụng cải thiện đổi chiều

gồm:

- Lõi thép: làm bằng thép khối

- Dây quấn: làm bằng đồng, có bọc cách điện, mỗi cuộn dây đều được

bọc cách điện tạo thành khối và được tẩm sơn cách điện trước khi đặtlên cực từ phụ

+) Gông từ: Gông từ được dùng làm mạch từ để nối liền các cực từ chính

đồng thời làm vớ máy

+) Các bộ phận khác bao gồm:

- Nắp máy có tác dụng để bảo vệ máy và đảm bảo an toàn vận hành

- Cơ cấu chổi than: Đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài, nó gồm chổi

than đặt trong hộp chổi than nhờ lò xo tỳ chặt lên cổ góp

 Roto: Là phần quay của động cơ, bao gồm:

thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0,5mm được phủ cách điện ở 2 mặt rồi

ép chặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy

+) Dây quấn phần ứng: Có tác dụng sinh ra một sức điện động và có

dòng điện chạy qua Nó được làm bằng dây đồng có bọc cách điện, đượcquấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép

+) Cổ góp: Cổ góp còn được gọi là vành góp hay vành đảo chiều.

Dùng để đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều

+) Các bộ phận khác bao gồm:

- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy

- Trục máy: Là bộ phận trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt,

ổ bi…Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt

 Hệ thống chổi than- cổ góp: Dùng để đưa điện áp một chiều và

cuộn dây phần ứng và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phầnứng Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ ( một nửa có cực tínhdương, một nửa có cực tính âm )

1.1.3 Lý thuyết về máy phát tốc

- Khái niệm: Máy phát tốc là thiết bị dùng để đo tốc độ của động cơ

- Cấu tạo: gồm 2 phần chính là phần cảm và phần ứng

- Phân loại: dựa vào tín hiệu ra ta chia làm 2 loại máy phát tốc: máy phát

tốc xoay chiều và máy phát tốc một chiều

1) Máy phát tốc một chiều:

- Máy phát tốc một chiều thực ra chỉ là một máy phát điện một chiều

loại nhỏ

- Về cấu tạo nó gồm 4 phần chính: stato, roto, cổ góp, chổi quét

Sơ đồ máy phát điện một chiều

1.stato 2.roto 3.cổ góp 4.chổi quét

2) Máy phát tốc xoay chiều:

- Phân loại: Máy phát tốc xoay chiều đồng bộ và không đồng bộ

 Máy phát tốc xoay chiều đồng bộ:

- Là một máy phát xoay chiều loại nhỏ roto của máy là một hoặc nhiều

nam châm điện

Sơ đồ cấu tạo của máy phát tốc đồng bộ

1.stato 2.roto

 Máy phát tốc xoay chiều không đồng bộ:

- Roto là một đĩa hình trụ kim loại mỏng và dị từ quay cùng tốc độ với

trục cần đo, khối lượng và quán tính của nó không đáng kể

- Stato làm bằng thép từ tính trên đó bố trí 2 cuộn dây một cuộn là cuộn

kích thích

-Sơ đồ cấu tạo máy phát tốc không đồng bộ

1.Cuộn kích 2.Roto 3.Cuộn đo

1.2 Bộ điều chỉnh ổn định động cơ một chiều kích từ độc lập

1.2.1 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập

- Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần

ứng và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau Lúc nàyđộng cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình 1 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

- Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:

U ư=E ư+(R ư+R f)I ư (1.1)

Trong đó: U ư:Điện áp phần ứng, V

N: số thanh dẫn tác dụng cuộc dây phần ứng

a: số đôi mạch nhánh song song

1.2.2 Động cơ điều khiển được sử dụng rộng rãi trong thực tế Ưu điểm

nổi bật của nó là cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, vốn đầu tư ít,giá thành hạ, trọng lượng, kích thước nhỏ hơn khi dùng công suấtđịnh mức so với động cơ một chiều

- Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ

khó khăn hơn, các động cơ điều khiển lồng sóc có các chỉ tiêu khởiđộng xấu (dòng khởi động lớn, momen khởi động nhỏ) Trong thờigian gần đây, do phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và

kỹ thuật điện tin học, động cơ điều khiển mới được khai thác các ưuđiểm của chúng Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả

so với hệ Tiristo- Động cơ một chiều

- Điều khiển tốc độ là một yêu cầu cần thiết tất yếu của các máy sản

xuất Ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ,tùy theo từng công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các cấp độkhác nhau để tối ưu hóa quá trình sản xuất Muốn có được các tốc độkhác nhau trên máy ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy như tỷ

số truyền hoặc thay đổi tốc độ của chính động cơ truyền động

- Tốc độ làm việc của động cơ do người điều khiển quy định gọi là tốc

độ đặt Độ ổn định tốc độ còn ảnh hưởng quan trọng đến dải điềuchỉnh (phạm vi điều chỉnh tốc độ) và khả năng quá tải của động cơ Độ

ổn định càng cao thì dải điều chỉnh càng có khả năng mở rộng vàmomen quá tải càng lớn

- Dựa vào đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ta có các phương

pháp điều khiển tốc độ sau:

 Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi từ thông ∅

- Giả thiết U= U đ m, R ư= const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thayđổi dòng điện kích từ, bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từhay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ

- Bình thường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thước

tối đa (∅=∅ max) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vàomạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông ∅ tức

là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức Nên khi giảm từthông ∅thì tốc độ không tải lý tưởng ω0=U đ m

k ∅ tăng, còn độ cứng đặctính cơ β=−k ∅

R ư giảm, ta thu được họ đặc tính cơ tự nhiên

Hình 2 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông

- Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và

tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu momen không đổi Vì vậymuốn giữ cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời vớiviệc giảm từ thông thì ta phải giảm M t theo cùng tỉ lệ

 Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ R p trên mạch phần ứng

Hình 3 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ và các đặc tính

- Nguyên lý điều chỉnh: Khi thay đổi R 2 fvới các giá trị khác nhau thì S th

sẽ thay đổi tỷ lệ, còn M th=const, ta sẽ được một họ đặc tính cơ chung

có tốc độ khác nhau và các tốc độ làm việc xác lập tương ứng

Qua hình trên ta có M t h=const

Và: 0 < R 2 f 1< R 2 f 2<…

S t hTN< S t h1<S t h2<…

∆ ω TN< ∆ ω1<∆ ω2<…

ω TN> ω1>ω2>…

 Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

- Mômen động cơ điều khiển tỉ lệ với bình phương điện áp stato, nên có

thể điều chỉnh momen và tốc độ động cơ điều khiển bằng cách thay đổiđiện áp stato và giữ tần số không đổi nhờ bộ biến đổi điện áp xoaychiều

Hình 4 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ và các đường đặc tính

- Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà

momen tải là hàm tăng theo tốc độ như máy bơm, quạt gió… Có thểdùng máy biến áp tự ngẫu, điện kháng hoặc bộ biến đổi bán dẫn làmđiện áp xoay chiều cho động cơ điều khiển

1.3 Giới thiệu chung về bộ băm xung- động cơ

- Băm xung một chiều có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có

ưu điểm là có thể thay đổi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệusuất của bộ biến đổi cao vì tổn thất của bộ biến đổi chủ yếu trên cácphần tử đóng cắt rất nhỏ

- So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc

độ động cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng điện trở, bằngmáy phát một chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều,bằng chỉnh lưu có điều khiển…thì phương pháp dùng mạch băm xung

có nhiều ưu điểm đáng kể điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiếtkiệm năng lượng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được chế

độ hãm tái sinh của động cơ Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngàycàng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạchbăm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiển trơntru, chi phí bao trì thấp, kích thước nhỏ Mạch băm xung đặc biệt thíchhợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ

- Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn

mặc dù điện thế đầu vào có thể là hằng số (ắc quy,pin), hoặc biến thiên(đầu ra của chỉnh lưu), tải có thể thay đổi Với một giá trị điện thế vàocho trước, điện thế trung bình đầu ra có thể điều khiển bằng 2 cách:

 Thay đổi độ rộng xung

 Thay đổi tần số băm xung

Chương 2: Cấu trúc điều khiển 2.1 Đề xuất cấu trúc điều khiển

- Cấu trúc được mô tả như sau:

Hình 5 Cấu trúc cơ bản một hệ điện cơ.

Trong đó:

- BBĐ: bộ biến đổi.

- M: động cơ R ω: bộ điều khiển đo tốc độ, R i: bộ điều khiển đo dòng

- Đo I: đo dòng điện, Đo ω: đo tốc độ

Máy phát tốc TDP 13

- Máy phát tốc dùng để đo và ổn định tốc độ động cơ

- Dung sai tuyến tính: ≤ 0.15 %

- Hệ số nhiệt độ: ± 0.5 %

- Điện áp mở mạch: 20 => 200mV

- Kích thước vỏ: ∅ 126 mm

- Đường kính trục: ∅ 14−18 mm

- Chuẩn bảo vệ: IP55

- Kết nối: Hộp đấu dây

Cảm biến đo dùng Shunt

- Điện áp 75mV

- Đo dòng 500A

2.2 Xây dựng hàm truyền của hệ

- Xét cấu trúc điều khiển dòng điện như sau:

- K i: Hằng số khuếch đại của bộ đo dòng

- T i: Hằng số thời gian mạch đo dòng

- Trong quá trình tổng hợp bộ điều khiển người ta thường bỏ qua các

nhiễu momen cản và các bộ biến đổi công suất được xem là một khâuquán tính bậc 2 với hàm truyền:

G BBĐ= K BĐ

(1+T v s).(1+T DK s)

- K BĐ: Hằng số khuếch đại của bộ biến đổi công suất

- T v: Hằng số thời gian mở van công suất

- T ĐK: Hằng số thời gian mạch điều khiển mở van công suất

- Các hằng số T v ,T ĐK phụ thuộc vào các bộ công suất khác nhau nhưngthông thường có giá trị (0,001÷0,01)s

- Kết hợp với sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều ta có mô hình

tính toán bộ điều khiển dòng điện như sau:

Mc

K BD

(1+T DK s)(1+T v s)

Mô hình tính toán bộ điều khiển dòng

- Người ta thấy rằng sự thay đổi về dòng điện nhanh hơn rất nhiều lần so

với thay đổi tốc độ của động cơ, cho nên có thể coi tại thời điểm màdòng điện thay đổi đó tốc độ động cơ gần như không đổi vì vậy có thể

bỏ qua sức điện động khi tổng hợp bộ điều khiển R i hoặc muốn đảm bảotính chính xác người ta cũng có thể tổng hợp bộ điều khiển R i khi tínhđến sức điện động E của động cơ

Vậy bộ điều khiển là một bộ PI

Hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện có dạng:

- Để tổng hợp bộ điều khiển R ω, ta bỏ qua sức điện động E và nhiễumomen cản M c.

- Đưa mô hình về dạng chuẩn:

S ω là hàm truyền đối tượng của bộ điều khiển tốc độ:

- Do T ω và T Σ đều là những hằng số time nhỏ nên có thể gần đúng

- Áp dụng theo tiêu chuẩn Module tối ưu đối xứng:

Chương 3: Mô phỏng trên Simulink:

3.1 Lựa chọn các thông số cần thiết:

- Vậy hàm truyền của bộ biến đổi:

G BBĐ= K BĐ

(1+T v s).(1+T ĐK s)=

2933.33 (1+0,003 s ).(1+ 0,002 s)

- Bộ điều khiển dòng:

112

u u i

R T R