Bài tập lớn truyền động điện tự động

Hệ thống điều tốc hai mạch vòng tốc độ quay và dòng điện:

Khoa Điện

Bộ môn lý thuyết chuyên ngành

BÀI TẬP LỚN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG

Họ và tên sinh viên: Lê Đức Anh…….Lớp:Đại học liên thông điện K3A

Tên đề tài: Khảo sát và tính toán các tham số cho hệ truyền động T-Đ

a/ Số liệu cho trước:Cho hệ truyền động T-Đ (thyristor-động cơ điện một chiều)có sơ đồ

nguyên lý như hình vẽ

Uc d ?u v

CBD I

CL1

n

R O

BÐ

U d

U i  

FX

R I

FT n

Ð

un

CKÐ

u*i

CK

Hệ thống điều tốc hai mạch vòng tốc độ quay và dòng điện:

R  -Bộ điều chỉnh tốc độ quay;R1 -Bộ điều chỉnh dòng điện ; FT- Máy phát tốc ;

FX – Máy phát xung điều khiển các tiristor của BĐ ; CBD – Cảm biến dòng điện

,u cd – điện áp chủ đạo(điện áp đặt tốc độ );u n (u n = n ) – Điện áp phản hồi tốc độ, *

i

u - Điện

áp đặt dòng điện; u i (u i = I ) – Điện áp phản hồi âm dòng điện.

Bộ chỉnh lưu sơ đồ cầu 3 pha,hệ khuếch đại của bộ chỉnh lưu : Kb =48, Động cơ điện một chiều :220 (V),150(A),1200(vòng/phút) ,Rư =0.3(  ),hệ số quá tải cho phép  =1,5 Tổng trở mạch rotor: Rd = 0,3 (  )

Hằng số thời gian T =0,07(s) , T =0,22(s).Hệ số phản hồi dòng điện  = 0,05 V/A (

B/ Yêu cầu của hệ thống:

Chỉ tiêu trạng thái ổn định:không có sai số tĩnh;

Chỉ tiêu trạng thái động:Lượng quá điều chỉnh dòng điện imax 5%

Lượng quá điều chỉnh tốc độ khi khởi động không tảiđến tốc độ quay định mức imax 9%

C/ Nội dung cần thực hiện:

1/Xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ

2/Xác định các tham số của sơ đồ cấu trúc hệ truyền động

3/Xác định tham số bộ điều chỉnh ổn định dòng điện

4/Xác định tham số bộ điều chỉnh tốc độ của hệ truyền động

5/Khảo sát đặc tính động học của hệ bằng phần mềm Matlap và rút ra kết luận

6/Xây dựng sơ đồ nguyên lý hệ

D/Yêu cầu:

Thời gian nhận bài tập dài:18/04/2011 …Thời gian nộp bài tập dài:18/05/2011

Tài liệu tham khảo:

1/Bùi quốc khánh cùng các tác giả

Cơ sở truyền động điện ; NXBKHKT 2005

2/Bùi Quốc Khánh,Nguyễn Văn Liễu……

Điều chỉnh tự động truyền động điện,NXBKHKT 2003

3/Nguyễn Doãn Phước

Lý thuyết điều khiểnhệ tuyến tính;NXBKHKT 2002

Giảng viên hướng dẫn

Nguyễn Minh Thư

I Xây dựng cấu trúc của hệ thống:

Từ sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động T-Đ ta có sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định:

Trong đó : + R :Bộ đièu chỉnh tốc độ quay

+ RI : Bộ điều chỉnh dòng điện

+ Ucđ : Điện áp chủ đạo

+ U v: Điện áp đặt vào tốc độ

+ U*

i: Điện áp phản hồi âm dòng điện

+ Kb :Hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu

+ Kđ : Hệ số khuếch đại động cơ

+  : Hệ số phản hồi âm dòng điện

+  : Hệ số phản hồi âm tốc độ

v

u

I

R

b

E

D

R





Ð

K

D

E

Ucđ(p

)

n(p)

* Sơ đồ cấu trúc trạng thái động.

II Xác định các tham số của sơ đồ cấu trúc hệ truyền động.

Độ sụt tốc độ : n C I ..R 1500,146.0,3 308,219(vòng)

đm e

d đm











Với e. dm dm dm. u 220 150.0,31200 0,146

dm

C

n

Sai lệch tĩnh trên đường đặc tính cao nhất:

% .100 1200308308,219,21920,4(%)













t

đm n n

n S

Nhận xét: Với hệ thống hở, sai lệch tỉnh lớn Do đó phải thực hiện hiệu chỉnh thành hệ thống kín với phản hồi âm tốc độ và yêu cầu không có sai lệch tĩnh (St% = 0)

Vậy ta sử dụng hệ thống điều tốc với phản hồi âm tốc độ sử dụng bộ điều chỉnh tỉ lệ có hệ số khuyếch đại Kb=48 (bộ chỉnh lưu cầu 3 pha)

D

e dm

K

C 

Kht =  Kp Kb KĐ

TM=0,22(s); TE=0,07(s)

Theo đề ra cho chỉnh lưu cầu 3 pha τ = 0,00167(s)

Điều kiện ổn định:

Wn(p) WI(p)



1 1

d e

R

T p 

d m

R

T p

KĐ

Ic(p)



( )

n p

(p)

cd

u

2 0, 001672 0, 22.0,00167 0, 22.0,07

134,9

HT

E

K

T



1/ Xác định tham số của bộ điều chỉnh.

** Nguyên tắc thiết kế:

Phương pháp phân tích mạch là đi từ trong ra ngoài,phân tích mạch vòng trong rồi mới phân tích mạch vòng ngoài.Ở đây,ta phân tích mạch vòng trong trước là mạch vòng dòng điện,sau

đó xem cả mạch vòng dòng điện là cả một khâu trong hệ thống điều tốc và tiếp tục thiết kế cho mạch vòng ngoài là mạch vòng tốc độ

Trong tín hiệu đo dòng điện thường là dòng tín hiệu xoay chiều,nên phải đặt một khâu lọc tần

số thấp có hằng số thời gian Ton.Tuy nhiên khâu lọc lại làm cho tín hiệu phản hồi bị trễ.Để cân bằng sự trễ ta đặt thêm một khâu lọc có cùng hằng số thời gian và tần số đầu vào tín hiệu đặt Điện áp phản hồi nhận từ máy phát tốc thường nhấp nhô đổi chiều trong máy điện một chiều gây ra nên ta cũng đặt một khâu lọc cùng hằng số thời gian va tần số vào tín hiệu đặt

* Sơ đồ cấu trúc trạng thái động như sau:

a.Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện

* Đơn giản hoá sơ đồ đòng điện:Do Tm > Te nên sự thay đổi dòng điện nhanh hơn sự thay đổi tốc độ (nhanh hơn sự thay đổi Suất Điện Động E).Vì vậy ta bỏ qua tác dụng của nhiểu sữ dụng trong mạch vòng dòng điện.Trong thời gian t thì ta giả thiết rằng E Đ  0.Giả thiết I(p)=0

Hệ thống tương đương như sau:

b

RĐ

Eb

β

γ

K

Đ

EĐ

Xử lý gần đúng: TmTe p2 +Tmp + 1  Tmp(Tep + 1).

Với điều kiện:

e m ci

T T

1 3



Vậy sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện:

1

1



p T

R

e

d

p T

R

m

d EĐ( p )

U

d(p)

p T

R

m

d EĐ( p )

1

1

2



 T p p

T T

R p T

m e

m

d m

p T

R

m

d EĐ p



p T

R

m

Ud(p)

1

1



p T

R

e d





Biến đổi sơ đồ ta có:

 Wđt(p) =

) 1 ).(

1 ).(

1 (

1





p T

R K

e oi

d b





Thường do Te >> Toi và  nên suy ra:

) 1 ).(

1 (T oi p p  T oip1 =Ti p1

Điều kiện:





.

1 3

1

oi T

Đặt : K2 =

b

b R

K 1

.

Wđt(p) =

) 1 ).(

1 (

2





T

K e i

1

1



p T

R

e

d

1



p

Kb



)

(P

Ud

)

( p

W i

1



p

Toi



1

1



p

Toi

*

i

)

( p

W i

) 1 ).(

1 ).(

1 (

1





p T

R K

e oi

d b





*

i

U

)

( p

W i ( 1 ).(2 1 )





 p T p T

K

e i

)

( p

Id



*

i

U

)

( p

U đk

*Lựa chọn cấu trúc:

Ta thấy rằng mạch vòngd dòng điện không những chịu ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài mà theo

hệ thống yêu cầu của hệ thống có độ chính xác ca.Do đó ta hiệu chỉnh hệ thống về hệ thống điển hình loại I với đối tượng điều khiển:

Wđt(p) = ( 1).( 1)

2





T

K e i

Ta thấy đối tượng có hai khâu quán tính nên sự thay đổi của tín hiệu ra theo tín hiệu vào sẽ chậm hơn nên bộ điều chỉnh phải có một khâu quán tính bậc cao ở đối tượng điều khiển.Mặt khác hệ thống điển hình loại I phải có một khâu tích phân nên ta chọn bộ điều chỉnh:

)

( p

W BĐĐ =

p

p

K pi

1



Với 1 T e = 0,07 (s),vì : Te > Ti

*Xác định tham số bộ điều chỉnh:

Hàm truyền hệ hở của hệ thống sau khi hiệu chỉnh:

W h(I)(p) = W BĐĐ ( p) W đt ( p) =

) 1 (

1

2



 p T p

K K

i

pi



 p T p

K

i

Với: K =

d e

b pi pi

R T

K K K K

.

.

1

Bộ chỉnh lưu dùng sơ đồ cầu 3 pha nên ta chọn  =1.67 (m/s).Mặt khác chọn Toi=0,001

Ta có : Ti = Toi + = 0,00167 +0,001 =0,00267

Xác định Kpi theo tính năng bám:Theo yêu cầu đặt ra thì lượng quá điều chỉnh dòng điện  max

%  5% nên tra tài liệu ta chọn  max% = 4,3% hay :

K.Ti =0,5  K =0,002670,5 =187,266 Thay giá trị của K vào (*) ta có:

638 , 1 48

05 0

3 0 07 , 0 266 , 187







b

d e pi

K

R T K K

 Hàm truyền bộ điều chỉnh:

W BĐĐ ( p) = 1 , 638 0,007,07p p1

Hàm truyền của hệ thống sau khi hiệu chỉnh:

W(htshc)(p) = (0,18700267,266 1)



p p

*Kiểm nghiệm các điều kiện gần đúng:

Từ tà liệu ứng với giá trị của  max% đã cho ta tìm được :

00267 , 0

455 , 0 455 , 0





i ci

T

Hàm truyền của đối tượng:

00167 , 0 3

1 3

1









- Theo (1) ta có:

e m ci

T

T

1 3



22 , 0 07 , 0

1

= 24,175 (thoã mãn với điều kiện)

001 , 0 00167 , 0

1

3

1

1 3

1











oi ci

*Thực hiện bộ điều chỉnh:

Ta có sơ đồ nguyên lý:

p U p

I p

2

oi

R

2

oi

R

oi

oi

R

oi

oi

R

cpi

Rvo

Uđk(p)

pi

R

*

i

U

IC

-I d ( p)

Chọn Roi = 10 (kΩ); );

Ta có: Kpi =

oi

pi

R

R

 Rpi = Roi.Kpi = 10.0,874 = 8,74 (kΩ); );

009 , 8 10 74 , 8

10 07 , 0

pi pi pi

pi

R C C

10 10

00167 , 0 4 4

4







oi

oi oi oi

oi

R

T C

C

R

(μF)F)

2.Xác định tham số bộ điều chỉnh tốc độ của hệ thống:

a Đơn giản hoá sơ đồ cấu trúc:

- Biến đổi mạch vòng dòng điện thành một khâu tương ứng trong mạch vòng ngoài

Với K

e d b pi

T

R K

K  1

; Ti =Toi + 

WK(I) =

K p p T K p

T p K

p T p K

i i

i



















2

) 1 (

1

) 1 (

Mà K.Ti = 0,5 K T p

i







2

1

,nên:

WK ( I)= 2( )2 21 2 1



 

1





 P

T i

Điều kiện :

i i

Cn

T



2 3

1 )

( 2

1 3

1

2

) 1 ( T p 

p

K

i



) (

* p

Mạch vòng tốc độ có sơ đồ cấu trúc:

Ta giả thiết rằng IC(p) = 0 (động cơ làm việc ở chế độ không tải lý tưởng),khi đó:

1 2

1



 p

T i



) (

Wn(p)

1 2

1



 p

T i

m

R

T p

K

Đ

I

c (p)

1



p

Ton



Id(p)

N(p)

)

( p

EĐ

1

1



p

Ton

( 1).(2 1).

d D

R K







cd

U



n(p)

U cđ (p

)

(Tmp +1).(2Ti p1) (Tm+2Ti )p +1Tn p1 Với Tn =Toi + 2Ti

Điều kiện:

m i ci

T

T

 2

1 3

1



Vậy: Wđt(p) =

) 1 (

) 1 (

1

3





K p

T p T

K R

n n

m

Đ d





Trong đó đặt:K3 =

m

Đ d T

K R

1





Vậy:

b Lựa chọn cấu trúc bộ điều chỉnh:

Ta thấy mạch vòng tốc độ chịu ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài,đó là tín hiệu nhiễu của Ucđ

Và dòng phụ tải Ic Do nhiễu tham gia lànhiễu của nguồn và tải mà yêu cầu của hệ thống phải chống nhiễu tốt.Ở trước phụ tải có một khâu tích phân thì ta cần thêm một khâu vi phân trước

để triệt tiêu.Trong quá trình khởi động mạch vòng ngoài làm việc ở chế độ bảo hoà

Từ những phân tích trên ta thấy cần phải hiệu chỉnh hệ thống thành hệ thống điển hình loại II.Hàm truyền của hệ thống sau khi hiệu chỉnh:

Whtshc(p) = Wđt(p).WRn(p) =

) 1 (

) 1 (

) 1 (

) 1 (

1

2

2 2

2

2













p K p

T p T

p K R K

n

n n

m

Đ d









c Xác định tham số của bộ điều chỉnh:

K

p T p 



cd

U



n(p)

Ta chọn độ lệch trung tần h = 3

n

n h.T

Với Tn =Toi + 2.Ti = 2.0,00267 + 0,00167 = 0,00701

Kn = 2 2 2.32.0,021032

4 )

.(

2

1





n

T

h

h

= 502,469

 Kpn =

Đ d

m n n n

n

K R

T K K

K

1

3  







= 13,238

86 , 6 16 , 0 05 , 0 1 008 , 0

22 , 0 02103 ,

0 469 , 502



Hàm truyền bộ điều chỉnh:

P p

p

n

n

02103 , 0

1 02103 , 0 238 , 13 ) 1









Hàmtruyền sau hiệu chỉnh:

Wht(p) = Kn







 1) (

1

2 T p p

p n n



502,469 (0,0701 1)

1 02103 , 0



p p

P

d Kiểm tra điều kiện gần đúng:

cn

 = Kn.n= 502,469.0,02103 = 10,567

- Điều kiện 1:Đơn giản hoá mạch vòng dòng điện

cn

00267 ,

0 )

2 (

3

1

.)

2

(

3

1







i

-Điều kiện 2:Xử lý gần đúng hằng số thời gian

cn

00167 , 0 00267 , 0 2

1 3

1 2

1 3

1







i T on

e.Thực hiện bộ điều chỉnh:

Ta có: Kpn =

on

pn

R

R

; n R pn C pn; Toi =

4

on

on C R

Chọn: Ron =10 (KΩ); )

Rpn =KpnRon = 13,238 10 = 132,38 (KΩ); )

10 38 , 132

02103 , 0 10

3

6





pn

n

R



(μF)F)

6 10 10

10 01 , 0 4 4



on

oi

R

T

= 4(μF)F) -Kiểm tra lượng quá điều chỉnh của mạch vòng tốc độ:

m

n đm

đm

T n

n Z C





Với h = 3,tra tài liệu ta có:( max)% 72,2%

b

C C

Giả thiết khởi động không tải(Z = 0 )

Ta có:

146 , 0

16 , 0 150









đm e

d đm

C

R I

Thay vào (*) ta được: max % =72,2.2.1,5 .00,,2201

1200

384 , 164

= 1,349 % < 9 %

2

on

R

Con

Con

Cpn

Rvo2

U(p)

Rpn U

cđ(p)

IC

-2

on

R

2

on

R

2

on

R

Vậy với lượng quá điều chỉnh tốc độ khi khởi động không tải đến tốc độ quay định mức

%

max

 < 9 % đã thoã mãn

III.Xây Dựng sơ đồ nguyên lý hệ truyền động:

Ucđ(p)

~

+UCC -U

CC

Ui*

Rpn Cpn

Ron/2 Ron/2

C

on

Ron/2

Ron/2

Con

Rr

R

oi /2 R

oi /2

Coi

-γn(P)

C

oi

Roi/2 Roi/2 Rpi Cpi

-βId(P)