đồ án truyền động điện Nghiên cứu Mô phỏng thuật toán chuyển mạch không đối xứng hãm nhánh dưới bộ KĐXCS điều khiển động cơ 1 chiều

Nghiên cứu Mô phỏng thuật toán chuyển mạch không đối xứng hãm nhánh dưới bộ KĐXCS điều khiển động cơ 1 chiều. Đồ án gồm 3 phần. Phần I: Tổng quan chung về động cơ điện một chiều và chuyển mạch động cơ một chiều Phần II: Hệ thống KĐXCS động cơ DC, Thuật toán chuyển mạch không đối xứng Phần III: Mô phỏng thuật toán chuyển mạch không đối xứng hãm nhánh dưới bộ KĐXCS điều khiển động cơ 1 chiều

MỞ ĐẦU

Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng trong đời sống xã hội Bất kì ở vị trí nào, bất cứ làm một công việc gì mỗi chúng ta đều tiếp cận với điều khiển

Nó là khâu quan trọng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhưng động cơ điện một chiều vẫn tồn tại Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng Vì động cơ điện một chiều có đặc tính làm việc rất tốt trên các mặt điều chỉnh tốc độ (phạm vi điều chỉnh rộng, thậm chí từ tốc độ bằng 0) Nhưng độ tin cậy khi sử dụng động cơ một chiều lại thấp hơn so với động cơ không đồng bộ do có hệ thống tiếp xúc chổi than

Hệ thống điều khiển chỉnh lưu - động cơ một chiều cũng là một ứng dụng của kỹ thuật điều khiển Chỉnh lưu có điều khiển dùng Bộ khuếch đại xung công suất (KĐXCS) để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ Chỉnh lưu cũng có thể dùng làm nguồn điện chỉnh điện áp kích từ cho động cơ Hệ thống này thường được dùng cho các động cơ điệnđược cấp điện từ lưới xoay chiều

em được giao đồ án Nghiên cứu Mô phỏng thuật toán chuyển mạch không đối xứng hãm nhánh dưới bộ KĐXCS điều khiển động cơ 1 chiều Đồ án gồm 3 phần.

Phần I: Tổng quan chung về động cơ điện một chiều và chuyển mạch động cơ một chiều Phần II: Hệ thống KĐXCS động cơ DC, Thuật toán chuyển mạch không đối xứng

Phần III: Mô phỏng thuật toán chuyển mạch không đối xứng hãm nhánh dưới bộ KĐXCS điều khiển động cơ 1 chiều

Nội dung đồ án chắc chắn còn rất nhiều vấn đề cần bổ xung hoàn thiện

Em rất mong đươc sự đóng góp ý kiến cuả các thầy cô trong bộ môn để đồ án của em được hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn thầy Tiệp Lê cùng toàn thể các thầy cô trong bộ môn đã tận tinh hướng dẫn để em hoàn thành đồ

án này

em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên Trương Quốc Khánh

PHẦN I TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CHUYỂN MẠCH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều chia thành 2 phần chính:

Phần tĩnh ( Stato)

Gồm các bộ phận chính sau:

Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ

+ Lõi sắt cực từ làm bằng thép kĩ thuật điện dày ( 0,5 –1) mm ép lại và tán chặt

+ Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện

Trong các máy công suất nhỏ, cực từ chính là một nam châm vĩnh cửu

Trong các máy công suất trung bình và lớn, cực từ chính là nam châm điện

- Cực từ phụ: đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện điều kiện làm việc của máy điện

và đổi chiều

+ Lõi thép cực từ phụ có thể là một khối hoặc có thể được ghép bởi các lá thép tùy theo chế độ làm việc

Xung quanh cực từ phụ được đặt dây quấn cực từ phụ, dây quấn cực từ phụ được nối với dây quấn phần ứng

Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy

Phần quay ( rôto)

Bao gồm các bộ phận chính sau:

- Lõi thép phần ứng: dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kĩ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây lên

Trong máy điện nhỏ, lõi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục

Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto

Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua

Dây quấn phần ứng thường làm bằng đồng có bọc cách điện

Trong máy điện công suất nhỏ, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện tròn

Trong máy điện công suất vừa và lớn, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện hình chữ nhật

Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều

Cơ cấu chổi than: dùng để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài

2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực Fđt tác dụng làm cho rôto quay

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động Eư Ở động cơ

điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên sức điện đông Eư còn được gọi là sức phản diện

Phương trình điện áp là: U=E- +R-.I

3 Phân loại động cơ điện một chiều

Cũng như máy phát, động cơ điện được phân loại theo cách kích thích từ

thành các động cơ điện sau:

- Động cơ điện kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ được cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho mạch phần ứng

- Động cơ kích từ nối tiếp

Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng

-Động cơ kích từ hỗn hợp

Động cơ kích từ hỗn hợp gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp trong đó dây quấn kích từ song song là chủ yếu

II Đảo chiều quay động cơ 1 chiều

1 Đảo chiều quay động cơ kích từ độc lập

Chiều lực từ tác dụng vào dòng điện được xác định theo quy tắc bàn tay trái Khỉ đảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điện thi từ lực có chiều ngược lại

Hình 2 10 Sơ đồ nối dây DCMC kích từ độc lập khi đảo chiều từ thông | hoặc khi đảo chiều dòng điện phản ứng

Muốn đảo chiều quay của ĐCMC ta có thể thực hiện một trong hai Cách :

- Hoặc đảo chiều từ thông ( bằng cách đảo chiều dòng điện kích từ )

- Hoặc đảo chiều dòng điện phản ứng Đường đặc tính cơ của động cơ khỉ quay thuận

và quay ngược là đối xứng nhau qua gốc tọa độ như hình 2 11 Phương pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng vi mạch tủ thông có công suất nhỏ hơn mạch phần ứng Tuy vậy , vl cuộn kích tử có số vòng dây lớn , hệ số tự cầm lớn , do đó thời gian

đảo chiều tăng lên , Ngải , dùng phương pháp đảo chiều từ thông thì từ thông quá trị

số lân cận 0 có thể làm tốc độ động cơ tăng quá cao

2 Đảo chiều quay động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

Động cơ một chiều kích từ nối tiếp sẽ đảo chiều quay khi đảo chiều điện áp cấp cho mạch phần ứng như hình 2.24:

PHẦN II: HỆ THỐNG KĐXCS ĐỘNG CƠ MỘ CHIỀU & THUẬT TOÁN

CHUYỂN MẠCH KHÔNG ĐỐI XỨNG NHÁNH DƯỚI

I Hệ thống khuếch đại xung công suất – động cơ 1 chiều:

Sơ đồ khối Modul Mechanotronic trên cơ sở động cơ một chiều bao gồm crocontroller ( MK ) , khuếch đại xung công suất ( KĐXCS ) và động cơ một chiều ĐCMC ) được chỉ

ra trên hình 3 1

ĐCMC KĐXCS

MK

Ky CW Udc wdc Hình 3 - 1 Modul Mechanotronic trên cơ sở động cơ một chiều

Code điều khiển Ky nhận được từ máy tính hoặc từ bất kỳ một thiết bị tạo code nào

MK tiếp nhận code điều khiển và tạo ra quy luật điều khiển hệ thống " KĐXCS - ĐCMC

" , có nghĩa là tạo ra từ điều khiển CW = < U4 - U3 - U2 - U1 > Mỗi một UI ( I là phần

tử khóa chuyển mạch thứ i ) là hàm logic điều khiển và điều khiển một khóa chuyển mạch KĐXCS Do vậy KĐXCS tạo ra các tín hiệu điện áp đặt lên cuộn dây phần ứng động cơ KĐCS trong trường hợp này là một bộ biến đổi năng lượng được xây dựng trên các thiết bị bán dẫn công suất có điều khiển như là : Thyristors ( GTO ) và các

Transistors công suất ( IGBT , MOSFET ) Các phần tử bán dẫn công suất này làm việc

ở chế độ khóa chuyển mạch , ở đây chúng ta xem xét các khóa chuyển mạch là các

Transistors | ĐCMC biến đổi tín hiệu điện Uđc thành chuyển động cơ học , ở đây là góc quay của động cơ de Với vai trò là động cơ chấp hành , động cơ một chiều trong các

hệ thống | Truyền động năng lượng phần lớn người ta sử dụng với các động cơ kích tử bằng nam châm vĩnh cửu hoặc kích từ độc lập với sơ đồ nối dây giữa KĐXCS VÀ

ĐCMC như hình 3 2

Hình 3 - 2 Sơ đồ nổi đây " giữa KĐMCS và DCMC Trên hình 3 , 2 , KE1…KE4 là các phần tử chuyển mạch là các tranzitor Trên đầu vào các KE tiếp nhận các tín hiệu logic 0 Và hàm logic điều khiển – UI(mt02 ) , ở đây I -

Số KE , t02 - khoản này là các hàm logic điều khiển - UI ( 1 ) được xác định bằng máy phát xung nhịp MK ; m 0 , 1 , 2 ,

Tổ hợp điều kiện điều khiển hệ thống KĐXCSĐCMC Hệ thống các biến logic,

Để xây dựng các thuật toán điều khiển cần phải xác định các điều ki và yêu cầu đối với thuật toắn , xác định và xây dựng mô hình toán học các kĩ dau vào , đầu ra , các biến trung gian , hay hệ thống các biển và hàm logic , Tổ hợp điều kiện điều khiển trong hệ thống KĐXCS - ĐCMC sẽ là :

• Đảo chiều động cơ ,

• Điều chỉnh tốc độ ;

Cân bằng tải KE theo dòng

- Không tồn tại quá trình chuyển mạch khi code điều khiển bằng không

- Bảo vệ khỏi dòng dò ;

Sau đây chúng ta sẽ xem xét các biến logic để thực hiện tổ hợp các điều kiện trên ;

Hướng quay của động cơ được xác định bằng cực tính của điện áp nguồn nuôi và phụ thuộc vào dấu của code điều khiển , được miêu tả bằng biển SG :

SG={0 , khi Ky ≥ 0 1, khi Ky<0 3.1

Đồ thị minh họa cho biểu thức ( 3 1 ) được cho ở hình 3 3 Giá trị biến SG B một hàm thời gian , do vậy đồ thị thời gian của SG như hình 3 3a

- Giá trị trung bình của tốc độ động cơ khi điều khiển xung được xác định bằng điện áp trung bình đặt lên điểm nối dây của cuộn dây động cơ ( khi momen tải bằng không ) Giá trị điện áp trung bình trong trường hợp này được xác định bằng các khoảng thời gian mà khi đó động cơ hoặc nằm trong chế độ động cơ , hoặc trong chế độ hãm Theo các

phương pháp người ta phân biệt tín hiệu độ rộng xung đối xứng và không đối xứng

Tuỳ thuộc vào cách thực hiện thì khoảng thời gian có thể đc miêu tả bằng biến logic Q (tín hiệu độ rộng xung không đối xứng)

Q={1, khi (k−1) T <mt 02≤ (k −1)T +|Ky|t 02

0, khi (k−1 )T +|Ky|t 02<mt 02≤ kT 3.2

Hoặc là QV ( tín hiệu độ rộng xung đối xứng )

QV ={ hay (2 k −1)T + 1, khi 2(k −1)T <mt 02 ≤2 (k −1)T +(Kcp−|Ky|)t 02<mt 02≤ 2 kT|Ky|t 02

0 , khi2 (k −1)T +|Ky|t 02<mt 02 ≤(2 k −1)T +(Kcp−|Ky|)t 02

Ở đây t02 , chu kỳ đo PH từ máy phát xung đến bộ biến đổi THDRX ; m = 1 , 2 , 3 ,

là các số tự nhiên : k= E(m / Kcp ) + 1 + chu kỳ , Kcp bộ đêm chu kỳ của bộ biến đổi code - THERX ; TwKcp - cac chu kỳ THDRX ; E Phần nguyên làm tròn của biểu thức trong dấu ngoặc

Các giá trị tín hiệu độ rộng xung đối xứng và không đối xứng được minh, họa như hình

3 4b , c

Trong trường hợp bộ KĐXCS yêu cầu cần bằng về tải KE theo dòng thị đưa vào biến logic Y , Biến nảy xác định chu kỳ chuyển mạch cưỡng bức KE trong chế độ ngắt tuần tự nguồn nuôi cặp vun phía trên hoặc phía dưới khi chuyển động theo cả hai hướng Mô tả toán học của biển Y được xác định như Sau :

Y ={0, khi 2( k−1) T <mt 02 ≤ (2 k−1) T 1, khi 2( k−1) T <mt 02 ≤ 2 kT 3.4

Hình 3 - 5 Lưu đồ thời gian quan hệ của biển logic Y và C

Đồ thị của Y và Q như hình 3 - 5

+ Trong trường hợp sử dụng tín hiệu ĐKXDX sử dụng biến Y là không nên bởi vì sẽ gây

ra dòng rò qua hai nhánh Vân trong một chu kỳ THĐRX , vì vậy cầu kỳ THERX đối xứng xác định chuyển mạch cưỡng bức cần phải là 2 và đưa vào biển logic Z như sau :

Z={0, khi4 (k−1)T <mt 02≤ 2 (2 k−1) T 1,khi 2 (2 k−1) T <mt 02 ≤ 4 kT

Đồ thi minh họa của biển logic Z và ràng buộc thời gian của nó với biến logic QV được cho trên hình 3 6 :

Hình 3 - 6 Laru đô thời gian quan hệ của biến logic Z và QV

• Để đảm bảo không có sự chuyển mạch KE khỉ code điều khiển bằng thông ta đưa vào biến logic P như sau :

P={1, khi Ky !=0 0, khi Ky=0

• Một trong những nhiệm vụ quan trọng khi sử dụng KĐXCS là giảm ảnh hưởng của dòng rò chảy qua Transistors trong thời điểm chuyển mạch Dòng rò sẽ làm sai lệch thông tin của ( UI ) về tốc độ yêu cầu của động cơ và gây ra các tổn hao phụ về năng lượng do sự phát nóng của KE , dẫn đến giảm khả năng làm việc của Transistors và giảm

độ tin cậy của toàn bộ hệ thống truyền động

| Do có dòng rò này trong Transistors nên sẽ gây ra quán tính ( trẻ ) Khi tăng ( T + ) hay giảm ( T - ) Hồng Kolector của transistor ( TP ) , gây ra sự giảm dòng cực gốc ( bazơ )

Quá trình chuyển mạch của các transistors tương ứng với mẫu sơ đồ Zoepea - Molla được cho ở hình 3 - 7 ,

Hình 3 - 7 Mẫu sơ đồ Zoepea - folla

Chúng ta ký hiệu thời gian cần thiết để kết thúc quá trình chuyển trong các

transiston tương ứng với biển logie LQ

LQ={1, khiQi xor Qi−1=1 0, khiQi xorQi−1=0

Ở dây D =E[Td/t02+1/2] , Qi và Qi - 1 là các giá trị hiện tại và trước đó của biển

Q, 1(Dt02) , có nghĩa rằng độ dài của trạng thái logic 1 sẽ là ( D ) giá thời điểm đảo trạng thái của biến 0 ; Tp là khoảng thời gian cần thiết để thành quá trình chuyển mạch trong transiston

* Tương tự trong trường hợp sử dụng THERX đối xửng chúng ta sẽ vào biển logie LQV như sau : LQV ={1( Dt 02) , khiQVi xorQVi−1=1 0, khiQVi xor QVi−1=0

Ở đây LQVi , và LQVi-1 , là các giá trị hiện tại và trước đó của biển QV ( Xác định thời điểm sự thay đổi của biển QV ) Đồ thị minh hoạ của LQV như hình 3 - 8

Hình 3 - 8 Đồ thị của LQV

• Khi đảo chiều , động cơ có thể nằm trong chế độ động cơ hoặc chế độ hăm động năng , vì vậy qua hai nhánh vạn sẽ có dòng rò chảy qua Chúng ta đưa vào biển logic LSG , đô thị minh họa như hình 3 - 9 ,

Hình 39 Đồ thị của SG , LSG

|

Hệ thống các biến logic ( 3 1 ) , ( 3 9 ) là đầy đủ và cho phép thực hiện các qui luật điều khiển khiển đồng thời , riêng biệt , kết hợp các khoá chuyển mạch Khi đó bằng cácnô đối với 4 biến U1 , U2 , U3 , U4 như hình 3 10 tương ứng với bảng 3 1 Trong

đó to tại tương ứng với các tổ hợp U4 U3 U2 U1 nhận các giá trị từ 0000 đến 1111 Các trạng thái năm trong vùng tô đậm là các trang thái cảm không sử dụng

II Thuật toán chuyển mạch không đối không đối xứng

Đối với quy luật chuyển mạch không đối xứng của khóa chuyển mạch có hai giải pháp lựa chọn thực hiện cơ chế hãm động năng Các phân tử t5 ( hãm hạ các khóa

chuyển mạch phía trên ) và t10 ( hãm bởi các khóa chuyển mạch phiá dưới ) của tập hợp T^2 xác định một trong các phương án thực hiện và chúng không thể đồng thời tồn tại Các phần tử tạ và ta của tập hợp T^2 , cũng như đối với chế độ chuyển mạch mạch đối xứng , xác định cho cuộn dây động cơ điện áp nguồn Un

Bảng Cacno đối với hai trường hợp được nêu ra trên hình vẽ 3 14

Bang 1 Bảng Cacno khi điều khiển không đối xứng với hỗn động năng nhánh trên ( a )

và hãm nhánh dưới ( b )

Khi thực hiện hãm động lực năng của các cặp khóa chuyển mạch bên trên t5 điện áp đặt vào động cơ sẽ là :

Udc={+Up , khiU 4 U 3 U 2 U 1=1

0, khi U 4.U 3 U 2.U 1=1

−Up , khi U 4.U 3 U 2 U 1=1

+còn khi thực hiện với các cặp khóa chuyển mạch phía dưới ( t10 ) :

Udc={+Up , khiU 4 U 3 U 2 U 1=1

0, khi U 4 U 3 U 2 U 1=1

−Up , khi U 4.U 3 U 2 U 1=1

Trên hình 3 15 a , b đưa ra các biểu đồ thời gian của U , các biến logic SG , Q và các hàm logic điều khiển U4 UI , tương ứng với ( 3 12 , 313 )

Các hàm logic điều khiển U4 UI và các phần tử của tập hợp T đối với các trường hợp được chỉ ra trên hình 3 , 15a và 3 15b đưa ra tương ứng với bảng 3 3a và bảng3 3b Biểu thức phân tích tối thiểu của các hàm logic điều khiển quy luật chuyển mạch không đối xứng có thể nhận được trực tiếp theo bảng 3.3a

U1 = ~(SG.Q) U2 =~U1 U3 = ~(~SG Q) U4 =~U3

và theo bảng 3 3b : Ul = ~SG.Q U2=~U1 U3 = SG Q U4 =~ U3