TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ THEO SƠ ĐỒ HỆ THYRISTORĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VỚI HAI VÒNG ĐIỀU KHIỂN MÔ MEN VÀ TỐC ĐỘ TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ THEO SƠ ĐỒ HỆ THYRISTORĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VỚI HAI VÒNG ĐIỀU KHIỂN MÔ MEN VÀ TỐC ĐỘ TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ THEO SƠ ĐỒ HỆ THYRISTORĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VỚI HAI VÒNG ĐIỀU KHIỂN MÔ MEN VÀ TỐC ĐỘ TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ THEO SƠ ĐỒ HỆ THYRISTORĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VỚI HAI VÒNG ĐIỀU KHIỂN MÔ MEN VÀ TỐC ĐỘ TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ THEO SƠ ĐỒ HỆ THYRISTORĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VỚI HAI VÒNG ĐIỀU KHIỂN MÔ MEN VÀ TỐC ĐỘ
Trang 1HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN
CHUYÊN ĐỀ
“TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ THEO SƠ
ĐỒ HỆ THYRISTOR-ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VỚI HAI VÒNG ĐIỀU
KHIỂN MÔ MEN VÀ TỐC ĐỘ”.
Giảng Viên: PHẠM TUẤN THÀNH Học viên:
Lớp: Cao học tự động hóa
Hà nội, tháng 02 năm 2012
Trang 2TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
THEO SƠ ĐỒ HỆ THYRISTOR - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
VỚI HAI VÒNG ĐIỀU KHIỂN MÔMEN VÀ TỐC ĐỘ
1 Tính toán thông số của vòng điều chỉnh mômen và đánh giá độ chính xác điều chỉnh mômen.
Số liệu động cơ:Phương án 8
- Kiểu động cơ: Một chiều kiểu vỏ bảo vệ, kích từ độc lập
- Công suất động cơ định mức Pdm :8 kW
- Tốc độ động cơ định mức ndm 1500 vòng/ phút
- Dòng điện định mức Iudm : 86 A
- Điện trở phần ứng Rudc : 0,0656
- Mô men quán tính J : 0,1 Kg.m2
- Số đôi cực (2p) : 4 (p =2)
- Bội số cho phép của dòng khởi động λI : 2,3
Bộ biến đổi
Điện áp ra U dm: 110 V; Điện áp điều khiển U dkdm: 10 V
Bội số quá tải ngắn hạn cho phép theo dòng điện K I: 1,2
Điện trở tương đương mạch lực của bộ biến đổi Rbd: 0,06 Hằng số thời gian của bộ biến đổi T bd: 0,01s
Các tham số khác
Mô men quán tính quy đổi về trục động cơ J qd= 1,5J dc
Điện cảm mạch phần ứng xác định theo công thức
30 3,14
u
U
L c
pnI
(với c
= 0,6; 2p là số đôi cực, U, n, I lấy theo giá trị định mức của động cơ)
Trong mạch phần ứng mắc điện trở sơn (shunt) loại 75 mV với Is= 1,5 dm
I
Hệ số đát trích dòng K dI= 100
2
CHUYÊN ĐỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN HỌC VIỆN KTQS
Trang 32 Vòng điều chỉnh tốc độ chỉnh định theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng.
Tốc độ không tải lí tưởng cực đại tương ứng với điện áp đặt tốc độ ax
dm
U =10V Hệ số sức điện động (SĐĐ) máy phát tốc K mf = 0,6 Vs;
Gia tốc tính toán 0= 100 1 2
s ;
Mô men tải M eM dm
Yêu cầu
Tính toán thông số của vòng điều chỉnh mômen và đánh giá độ chính xác điều chỉnh mô men
Tổng hợp vòng điều chỉnh tốc độ chỉnh định theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng
Khảo sát động học của hệ thống bằng phương pháp giải tích và mô phỏng nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi đột biến của tải đến chất lượng
hệ thống
Trang 4Bộ điều chỉnh tốc độ Bộ điều chỉnh dòng điện Bộ biến đổi Thyristor
Phản hồi dòng điện
Rv1
Rph1
R1
Rv2
Rph2
R2
Rs
~
Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống
C2 C1
NỘI DUNG CHÍNH
1 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ VÒNG ĐIỀU CHỈNH MÔMEN
1.1 Tính toán thông số vòng điều chỉnh mômen
Khi dm đối với động cơ một chiều kích từ độc lập ta có: M CIu (Mô men tỉ lệ với dòng điện) Để điều chỉnh mômen cần có phản hồi âm cứng theo dòng điện Sơ đồ khối của hệ thống và sơ đồ cấu trúc cho trên các hình
vẽ 1.1 và 1.2)
4
CHUYÊN ĐỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN HỌC VIỆN KTQS
Trang 51
b p b
k e
T p
u M
R
CT p
C
i
k
I
W
UdI
Ic iu
Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống
1/
1
u u
R
T p
k
1
b
k
T p
1/
1
u u
R
T p
i
k
Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc với vòng điều chỉnh dòng điện
-Ở đây ta bỏ qua mối liên hệ bên trong của Sđđ động cơ (phản hồi qua C); hằng số thời gian của bộ biến đổi được đánh giá qua độ giữ chậm b và quán tính của bộ lọc và bộ biến đổi xung pha điều khiển thyristor T Ta coi đây là hằng số thời gian không bù của vòng điều chỉnh: T T Khi điều chỉnh mômen hệ truyền động điện ta coi mối liên hệ phản hồi bên trong của Sđđ động cơ là nhiễu, nó làm giảm độ chính xác điều chỉnh Trong hệ thống điều chỉnh tốc độ, khi xét vòng điều chỉnh mômen, tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu môđun với hàm truyền vòng hở có khâu tích phân thì sai số tĩnh theo mômen được loại trừ Khi tổng hợp vòng điều chỉnh mômen ta ngắt vòng phản hồi sđđ này Ảnh hưởng của nó đến độ chính xác động học được đánh giá thêm bằng cách đặt vào một tác động nhiễu f t( )
Trang 6Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc của vòng điều chỉnh
1/
1
u u
R
T p
bd bd
K
T p+1
-Ud
KI Wđkd
Ta xỏc định cỏc thụng số cơ bản của sơ đồ:
- Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi:
K b= U dm
U dkdm=
110
10 =11
- Điện trở tổng mạch phần ứng:
R u∑ = R u = 1,1.(R udc + R bd) = 1,1.(0,0656+0,06) = 0,138 () (Hệ số 1,1 tớnh đến điện trở dõy dẫn)
- Hằng số thời gian:T T lấy bằng hằng số thời gian của bộ biến đổi:
T à = T bd = 0,01 (s)
- Hằng số thời gian phần ứng:
Điện cảm phần ứng:
30 3,14
u
U
L c
pnI
= 0,6∗
30∗110
3,14∗2∗1500∗86 = 0,00244 (H) u
u u
L T R
= = 0.0177 (s)
- Hằng số điện cơ của động cơ: dm
dm dm udc
U I R C
với 60 2
dm
n
Thay số vào ta cú:
C =*60 =0.664(VS)
- Hằng số thời gian điện cơ:
TM = = = = =0.046 (s)
Để cú hệ số phản hồi bằng 1, ta biến đổi sơ đồ cấu trỳc bằng cỏch đưa khõu KI lờn phớa trước
Chỉnh định vũng điều chỉnh mụmen theo tiờu chuẩn tối ưu Modul
Để điều chỉnh mụmen cần cú phản hồi õm cứng theo dũng điện
+ Hàm truyền mong muốn hệ hở là:
6
CHUYấN ĐỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN HỌC VIỆN KTQS
Trang 71
H
W
T P T P
+ Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh:
1
I b o
K K W
R T P T P
+ Hàm truyền của bộ điều chỉnh:
1
H I oI
W W W
I
T p
T P
I b I
u
K K
là hằng số tích phân của bộ điều chỉnh PI
Ta xác định các thông số của bộ điều chỉnh
- Xét hằng số thời gian mạch phản hồi bộ điều chỉnh (R ,C2 2): T k R C2 2
Lấy T k = TI = = =1.913
Chọn trước R2 = 4,7KΩ ta tính được C2 = Tk/R2 = 407 μFF
- Giá trị hệ số khuếch đại phản hồi K I qui về đầu vào ta có:
2 2
v
I s dI
ph
R
K K K
R
Trong đó K s là hệ số biến đổi của điện trở sơn đối với dòng
K s=U s
I s=
0 , 075
1,5∗86=0 ,000581(V / A )
Lấy R v2 R ph2 ;K dI 100 ta tính được K I = 0,000581*100*1 = 0,0581
u
2 R
I b I
K K
= *2*0.01 =1.913 (s)
- Xác định hệ số khuếch đại bộ điều chỉnh:
2 2
u y
v I
T R K
= =0.00925
Vì vậy tính được Rv2 = = = 491.7 (KΩ)
- Dòng điện ngắn mạch (khởi động):
Inm = λI.Iđm = 2,5*86 = 215 (A)
- Điện áp cực đại tương ứng đưa đến bộ điều chỉnh dòng:
Uđkmax = KI.Inm = 0.0581*215= 12.49 (V)
- Mômen điện từ ngắn mạch: Mnm = C.Inm = 0.664*215 =142.76 (N.m)
1.2 Đánh giá độ chính xác điều chỉnh mô men
Trang 8WPM '
k
T p
KM
1
c l
T p
M
0
Uy UOM
UVM
Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc của bộ điều chỉnh mômen
Để phân tích độ chính xác điều chỉnh mômen ta sử dụng công thức chung tính sai số của bộ điều chỉnh và sơ đồ cấu trúc của bộ điều chỉnh mômen
Sai số được tính là
( ) ( ) ( ) ( )
H
M p
W p
Với WM= 1
c l
T p
Vậy ta có M p( )=
M M
M p p T p a T p T p
a T p T p
Từ biểu thức trên ta thấy sai số tĩnh của điều chỉnh mômen cả theo tác động điều khiển và cả theo nhiễu ω(t) đều bằng không (vì p = 0)
Sai số động cân bằng khi mômen thay đổi tuyến tính theo thời gian
Max
dM
dt
suy ra
1
Max
dM
M p
Xác định theo công thức ta có:
( )i (0) M M
Max
dM
dt
Ta tiến hành phân tích ảnh hưởng của phản hồi bên trong theo tốc độ (sđđ) đến độ chính xác điều chỉnh mômen trong quá trình quá độ truyền động điện Giả thiết rằng tốc độ động cơ thay đổi tuyến tính:
( )t
=max.t suy ra ( )p =max /p
8
CHUYÊN ĐỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN HỌC VIỆN KTQS
Trang 9Thay ( )p vào a sẽ có sai số:
( )i (0)
M
=c M M max a T
Theo công thức này thì trong quá trình quá độ do ( )t thay đổi, do liên
hệ phản hồi bên trong theo Sđđ động cơ nên giá trị của mômen có thể khác nhiều so với giá trị đặt Như vậy giá trị đặc tính động và đặc tính tĩnh M = f(t)
có sự khác biệt lớn Với cùng một gia tốc ξmax thì khi đặc tính cơ càng cứng (β) sai khác nêu trên càng lớn Hằng số thời gian bù T) sai khác nêu trên càng lớn Hằng số thời gian bù TμF = TM cũng có ảnh hưởng tương tự
Sự tồn tại của sai số có thể giải thích như sau: Trong quá trình điều chỉnh để giữ cho mômen không đổi (M = const) thì khi thay đổi tốc độ ω tăng cần phải tăng tốc độ ω0 mà tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào điện áp vì thế cần tăng điện áp nói cách khác là cần tăng tuyến tính điện áp ra của bộ điều chỉnh mômen Muốn vậy trên đầu vào của bộ điều chỉnh PI của mômen cần phải duy trì một sai lệch: U V U dM k M M.
Để đưa ra công thức thuận tiện để đánh giá sai số động trong quá trình quá độ khởi động và hãm ta dựa vào công thức tính gia tốc:
max
nm u c
J
với (J= J qd
= 1,5Jdc) Thay vào ta được:
c nm
nm M
Công thức này là công thức cơ bản thuận tiện để đánh giá đặc tính và định lượng quá trình quá độ khi điều chỉnh mômen
Với vòng điều chỉnh mômen được chỉnh định theo tiêu chuẩn tối ưu modul, khi cho mômen thay đổi nhảy bậc Mv = Mnm quá trình quá độ khi thay đổi mômen M= f(t) cho ở hình 1.6
Đường cong 1 mô tả chính xác quá trình thay đổi mômen khi ω = 0 (rôto động cơ bị hãm cứng) Khi có mômen đặt vào trục động cơ thì tốc độ
thay đổi theo phương trình: c
d
dt
Sự thay đổi tốc độ gây ra sự khác biệt của đường cong 2 so với đường cong 1 Tốc độ càng lớn sự khác biệt càng lớn
Trang 10Mnm Mc
3
1
2
Hình 1.6 Đặc tính quá độ khi thay đổi mômen
bd
M
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc vòng điều khiển mômen và tốc độ
W
2 2
M I
k T P
K T P T P
1
c M T p
ph
k
d
c
M
dM
U
Đường cong 3 biểu diễn sự thay đổi tốc độ khi khởi động không tải (Mc= 0)
Ta thấy trong giai đoạn quá độ ban đầu tốc độ biến thiên không tuyến tính Sau khi đạt giá trị ωbđ tốc độ biến thiên tuyến tính theo quy luật:
ω = ωbđ + ξmax t Sai số cân bằng do tốc độ gây ra đối với mômen ΔMMω xác định theo:
c nm
nm M
Đặc tính thay đổi của mômen ở giai đoạn đầu đường cong 2 không khác nhiều đường cong lý thuyết 1(ω = 0) Sai khác này không đáng kể và ảnh hưởng đến đặc tính chung và thời gian quá độ Vì vậy đường cong 2 có thể xây dựng theo đường cong 1: M M nm M sau khi t = 4,7T
Ta tính được sai số tương đối của quá trình điều chỉnh mômen và dòng điện khi khởi động không tải (Mc = 0)
= = =0.078
Sai số tuyệt đối theo dòng điện là: ΔMIω = 0,078.Inm = 0,078*215 = 16.77 (A)
2 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ VÒNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
Sơ đồ cấu trúc hệ thống với 2 vòng điều chỉnh mômen và tốc độ:
10
CHUYÊN ĐỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN HỌC VIỆN KTQS
Trang 11Đối tợng điều chỉnh của vòng điều chỉnh tốc độ gồm vòng kín điều chỉnh mômen và khâu cơ học truyền động điện:
.
M
k T P W
K T P T P T P
Hàm truyền mong muốn mạch hở
2 2 2
H
k T P W
T P T P
Hàm số truyền của bộ điều chỉnh
W ω=W H 2
W 0 ω=
k M β c T M(4 T μ P+1 )P
k ω 8 T μ2P2(T μ P+1) =
T M
T S+
T M
4 T S T μ P
Đây là bộ điều chỉnh tỉ lệ tớch phõn Ta có:
- Hệ số truyền mômen
KM = = =0.0875
- Độ cứng theo mômen
ᵝc = = =3.194 (Nmc)
- Hệ số truyền tốc độ
Kω = = =0.001325 (Vc)
- Hằng số thời gian điện cơ T M= 0.046 (s)
- Hằng số tớch phõn của bộ điều chỉnh PI
Ts = = = 0.0000948 (s)
Vậy :
1
6, 25
0,0064.
W
P
Thay vào ta có:
Kpω== =44.10
- Cho điện trở phản hồi mạch điều chỉnh tốc độ tỉ lệ R1 = 27kΩ, ta xác
định đợc điện trở vào kênh đặt tốc độ:
RV1 = = =0.612 (KΩ)
C1 = == 0.035 (μFf) Sức điện động mỏy phỏt tốc khi ω =ω0dm = = 157 (rad/s) là:
E ft = K mf ω 0dmdm = 0,6*157 = 94.2 (V)
Trang 12W 1/ 2 (42 1)
M I
k T P
K T P T P
1
c M T p
0
k
d
U
c
M
Hình 2.2 Sơ đồ mạch vòng tốc độ
* Tính điện trở vào kênh phản hồiR ph1
R ph1 = R v1 E ft /U dmax =0.612*94.2/10 = 5.76 kΩ
2.1 Tính toán đặc tính cơ điện
Ta có phơng trình
2 2
M
dI I
k T P M
U K T P T P
0
dI d
U U k
Bỏ qua số hạng p2ta thu đợc
Phơng trình đặc tính cơ tĩnh (p = 0) là
4
d
c M
T U
M
Phơng trình này đúng trong giới hạn thay đổi tuyến tính của đặc tính bộ
điều chỉnh tốc độ khi U dI k0k p U dImax
Khi
0 nm
gh max
k
M
điện áp ra bộ điều chỉnh tốc độ () cực đại khi
gh
thì M = Mnm = const
Vậy khi I < Inm = 215 (A) phơng trình đặc tính cơ điện là:
ω= U d
K ω−
4∗T μ
β c T M I u
ω = - *IU = 0.146*Ud-0.000053*IU Khi Ud=Udmax=12,49 (V):
ω = 0.146*12.49 – 0.000053*215 = 1.812 (rad/s)
ω0max =0.146*12.49 =0.911 (rad/s) Khi Ud=0,5Udmax=6.245 (V):
ω = 0.146*6.245 – 0.000053*215 =0.9003 (rad/s)
Độ cứng của đặc tính cơ:
12
CHUYấN ĐỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN HỌC VIỆN KTQS
Trang 13ᵝKω = = = 3.673 (Nms)
- Khi gh;I u I nm
thì k 0
- Còn khi bộ biến đổi tơng ứng gh;I0 I nm
thì sđđ:
b max gh u u
E E C I R
0.644*0.911+215*0.138 = 30.27 (V)
Đặc tính cơ điện tơng ứng với E b E max
Ω = - *IU = - *IU = 20.09 -0.09*IU
2.2 Xác định sai số
Từ biểu thức với 0
d d
U
k
ta thấy môđun độ cứng đặc tính cơ hệ điều
chỉnh kín theo tốc độ đợc xác định bởi thông số động học T T M;
; (
4
c M k
T T
)
Độ chính xác điều chỉnh khi các thông số phần cơ khác nhau (T M ) là
khác nhau rất nhiều
- Nếu hệ truyền động điện có quán tính cơ lớn T M 4T
thì môđun độ cứng đặc tính cơ hệ kín lớn hơn hệ hở k c
Khi T M 4T
thì k c
- Với hệ truyền động điện có công suất lớn và mômen quán tính nhỏ ( 4
M
T T
) thì k c
Theo biểu thức M=β Kω(ω d−ω) ta có sơ đồ cấu trúc
I
Inm
U d =6,2438
0max
max
E
gh
Hình 2.3 Biểu đồ đặc tính cơ
Trang 14L
4
M
T T
4
M
T T
4
M
T T
1
2T
1
l
T
1
Ta có
2 1
k
M p
Ta định nghĩa độ cứng động của đặc tính cơ hệ kín nh sau:
.
dk
T
Đặc tính tần số loga của đặc tính cơ động:
Trên hình vẽ đặc tính tần số lôga với các giá trị T M / 4T
khác nhau Đờng
1 trên hình là đặc tính của hệ hở Từ sơ đồ cấu trúc ta tính sai lệch theo tác
động điều chỉnh
1
dk k
H
p p
W p
H
W p
1
k
c M
T p T p
=
.
c M
c M
T
T T p T p T p T p
14
CHUYấN ĐỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN HỌC VIỆN KTQS
Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc vòng điều chỉnh tốc độ
d
c M T p
βKω
c
M
Trang 15
.
k dk
T p T p
T p T p
Trong biểu thức trên khi p = 0, nếudk
const, thì sai số tĩnh theo tác
động điều khiển bằng 0 Hệ số bậc phiếm tĩnh bằng 1
Nếu tác động điều khiển tăng theo quy luật tuyến tính:
dk
t hay dk p
Trong chế độ cân bằng sẽ có sai số không đổi thay p = 0 biểu thức
k dk
p
4
k T
Sai lệch theo tác động của mômen nhiễu tải
'
1
c k
H
M p p
W p
.
c
c M
T p T p
M p
T T p T p
Khi M c const, thay p = 0 ta đợc biểu thức sai số tĩnh theo mô men tải.
.
k
c M k
T
T
Vậy trong quá trình quá độ khi lợng vào thay đổi theo quy luật tuyến tính thì sai số động cân bằng tổng cộng là
'
k k k
= k 4T 0
+
4
c
c M
T M T
Thay số ta có:
MC =Mdm = = = 50.95 (Nm)
4*0,01*100
k
2,8.4.0,01
4,85
2, 623.0,05 (1/s)
- Giá trị cân bằng dòng điện phần ứng khi 0t
Ic = = =76.73 (A)
Iω =IC + *Ԑ0 =76.73+*100 =135.98 (A)
- Thời gian điều chỉnh (đại lợng điều chỉnh là tốc độ lần đầu đạt giá trị cân bằng):
tp = 16,5*tμFω = 16,5*2tμF = 33*0,01 = 0,33 (s) < 0,9 (s)
Trang 16W 1
p T
K
bd
M
R
CT p
C
i
k
k
I
W
UdI
Ic iu
Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống
1/
1
u u
R
T p
3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
Theo các tính toán trên, ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống:
Trong đó:
Wω =
1
6, 25
0, 0064.s
16
CHUYÊN ĐỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN HỌC VIỆN KTQS
U
Trang 17WI =
0,0266 1
0, 0695.
s s
Wbd =
11
0,01.s+1
Wdc =
1,71 0,0266.s 1
KI = 1,2
kω = 0.001325
C = 0.664
0,5852 9, 45 1, 239.0, 05
u M
R
C T s s s
Từ đó ta xây dựng được sơ đồ mô phỏng trên Simulink:
Để khảo sát, ta sử dụng 3 khối Scope hiển thị tốc độ, dòng điện phần ứng và mômen tải
Ta sử dụng 3 khối Mc (Step) để tạo mô hình tải thay đổi đột biến
Đồ thị mômen tải như sau: