Bài tập lớn tổng hợp hệ điện cơ

Trần Tiến Lương

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của nền khoa học kỹ thuật đã tạo

ra những thành tựu to lớn, trong đó ngành tự động hóa cũng góp phần khôngnhỏ vào thành công đó Một trong những vấn đề quan trọng trong các dâytruyền tự động hoá sản xuất hiện đại là việc điều chỉnh tốc độ động cơ Từ trướcđến nay, động cơ một chiều vẫn luôn là loại động cơ được sử dụng rộng rãi kể

cả trong những hệ thống yêu cầu cao Vì vậy em đã được giao đề tài tốt nghiệp

là: “Xây dựng hệ điều tốc cho động cơ một chiều có phản hồi âm điện áp.

So sánh đặc tính này với đặc tính hệ hở” Nội dung đề tài được chia làm 3

chương:

Chương 1 Tổng quan hệ điều tốc máy điện một chiều

Chương 2 Xây dựng mô hình hệ điều tốc động cơ điện một chiều

Chương 3 Mô phỏng và so sánh các đặc tính hệ hở và hệ kín bằngSimulink

Trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp, em luôn nhận được sự hướng dẫn,

chỉ bảo tận tình và cung cấp những tài liệu cần thiết của thầy giáo TS.Trần

Tiến Lương Em xin gửi tới hai thầy lời cảm ơn chân thành Tuy nhiên, do thời

gian và giới hạn của đồ án cùng với phạm vi nghiên cứu tài liệu với kinhnghiệm và kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án này không tránh khỏi nhữngthiếu sót rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô để bản đồ án của em đượchoàn thiện hơn

Mục Lục

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1: Tổng quan hệ điều tốc máy điện một chiều 3

1.1 Giới thiệu chung về bộ điều tốc một chiều 3

1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 4

1.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập 5

Chương 2: Xây dựng mô hình hệ điều tốc động cơ điện một chiều có phản hồi âm điện áp 8

2.1 Cấu trúc hệ hở của hệ điều tốc động cơ một chiều 9

2.2 Mô hình đối tượng trong cấu trúc điều khiển hệ hở 10

2.3 Bộ điều tốc có phản hồi âm điện áp 13

2.4 Mô hình bộ biến đổi truyền động một chiều 16

2.5 Tổng hợp mạch phản hồi âm điện áp 18

2.6 Tổng hợp hệ điều tốc cho động cơ một chiều có phản hồi âm điện áp 20

Chương 3: Mô phỏng và so sánh các đặc tính hệ hở và hệ kín bằng Simulink 22

3.1 Lựa chọn và tính toán các thông số cho quá trình mô phỏng 22

3.2 Mô phỏng các trường hợp cụ thể của hệ điều tốc động cơ một chiều bằng simulink 22

3.3 Kết luận 30

Chương 1: Tổng quan hệ điều tốc máy điện một chiều

1.1 Giới thiệu chung về bộ điều tốc một chiều

Mục tiêu cơ bản của hệ điều chỉnh tự động truyền động điện là phải đảmbảo giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào tácđộng của các nhiễu lên hệ điều chỉnh Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyềnđộng phải đạt được yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chất lượng và các yêu cầu

về kinh tế Hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc chungđược trình bày trên hình gồm:

- Phần điều khiển gồm cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số R vàcông nghệ RT; các khí cụ (K), thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ(KT) và cho người vận hành (VH) Một số hệ có ghép nối với các thiết bị tựđộng khác (GN) hoặc với máy tính điều khiển

Có 3 chế độ chính của động cơ bắt buộc phải lắp điều tốc:

- Động cơ ở chế độ không tải: điều tốc một vị trí, lúc này cần động cơ hoạtđộng ổn định không chết máy

- Động cơ kéo chân vịt tàu thủy: tránh nguy hiểm trong trường hợp chân vịt

bị nhấc khỏi mặt nước, điều tốc hạn chế tốc độ cực đại động cơ Điều tốc nàycũng được lắp trên xe đề phòng trường hợp hỏng hệ truyền động (như trục cácđăng bị gãy chẳng hạn)

- Động cơ máy phát điện: điều quan trọng là đảm bảo tần số máy phát.

1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

1.2.1 Cấu tạo

Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạogiống nhau Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phầntĩnh) và phần ứng (phần quay)

Phần cảm (stator) gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là

vỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ

Phần ứng (rotor) của máy điện một chiều còn gọi là rôto, gồm lõi thép,

dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy Phần ứng quay làm bằng các lá thép kỹthuật điện ghép với nhau trên có phang rãnh quấn các cuộn dây

Hình 1.2 Stator

Hình 1.3 Lá thép rôto Hình 1.4 Dây quấn phần ứng máy điện 1chiều

a) Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn

Hình 1.5 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau(hình 1.5b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiềubiến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiềulực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhấtđịnh, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ…Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện Đối với máy phát điện

đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ đó là công suấtđưa ra trên đầu trục động cơ.

1.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi xem xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từđộc lập, ta đã biết quan hệ ω = f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư Sựthay đổi các thông số này sẽ cho những họ đặc tính cơ khác nhau Vì vậy, vớicùng một mômen tải nào đó, tốc độ động cơ sẽ khác nhau ở các đặc tính cơ khácnhau Như vậy, động cơ điện một chiều kích từ độc lập (hay kích từ song song)

có thể được điều chỉnh tốc độ bằng các phương pháp sau đây:

1.3.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có các họ đặc tính cơứng với các tốc độ không tải khác nhau, song song và có cùng độ cứng Điện áp

U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U<Uđm) nên phương pháp này chỉ cho phépđiều chỉnh giảm tốc độ

Hình 1.6 Đặc tính cơ thay đổi điện áp phần ứng

Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện phápthay đổi điện áp phần ứng có các đặc điểm sau:

- Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ

- Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh

- Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là nhưnhau

- Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điềuchỉnh Do vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhấtkhông vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh

Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể:

- Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với Uư ≤

Uđm)

- Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thay đổi trơnđiện áp ra

1.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng điện kích từcủa động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ Rõ ràng phương phápnày chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa là chỉ có thể giảm dòngđiện kích từ (Ikt ≤ Iktđm) do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông Khigiảm từ thông, đặc tính dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn Họ đặc tínhgiảm từ thông như hình sau:

Hình 1.7 Đặc tính cơ thay đổi từ thông

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông có các đặc điểm sau:

- Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càngtăng, tốc độ động cơ càng lớn Chỉ áp dụng cho loại tải có đặc tính mô men cản

tỉ lệ nghịch với tốc độ

- Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông

- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh

- Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng

Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắtnhauvà do đó, với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm Còn ởvùng tải lớn (M2) tốc độ có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải Thực tế, phươngpháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức Phương phápnày rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích

từ là 1÷10% dòng định mức của phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp

1.3.3 Trường hợp thay đổi điện trở mạch phần ứng

Vì điện trở tổng của mạch phần ứng: RưΣ = Rư + Rưf nên điện trở mạch phầnứng chỉ có thể thay đổi về phía tăng Rưf Uư = const; Rưf = var; Ф = const khithay đổi điện trở phụ thì đặc tính cơ của động cơ luôn nằm dưới đặc tính cơ tựnhiên

Sự thay đổi tốc độ khi thay đổi Rư phụ thuộc vào vị trí làm việc với Mcản,Mcản lớn thì thay đổi điện trở càng nhiều

Hình 1.8 Đặc tính cơ thay đổi điện trở mạch phần ứng

Chương 2: Xây dựng mô hình hệ điều tốc động cơ điện một chiều có phản hồi âm điện áp

2.1 Cấu trúc hệ hở của hệ điều tốc động cơ một chiều

Hình 2.1 Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập

Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị tốc độ không tải max ω 0max,mômen định mức Mđm , hệ số quá tải về mômen KM là xác định, vì vậy phạm viđiều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng β Khi điều chỉnhđiện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổngmạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động cơ Do đó có thể tính

sơ bộ được ω0max.|β| / Mđm ≤ 10

Vì thế với tải có đặc tính mômen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnhtốc độ cũng không vượt quá 10 Đối với các máy có yêu cầu cao về dải điềuchỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống hởnhư trên là không thỏa mãn được

Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của truyềnđộng 1 chiều kích từ độc lập là tuyến tính.Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì

độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh là như nhau, do đó sụt tốctương đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai

số tốc độ không vượt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việcvới sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh Sai sốtương đối của tốc độ của đặc tính cơ thấp nhất là:

2.2 Mô hình đối tượng trong cấu trúc điều khiển hệ hở

2.2.1 Mô hình toán động cơ một chiều kích từ độc lập

Xét động cơ 1 chiều cấu trúc như sau:

Khi đó ta có các phương trình mô tả như sau:

Mc momen cản của trục động cơ

Để xây dựng mô hình toán động cơ trước hết chuyển các phương trình (1), (2),(3) sang miền Laplace:

(1) => Uư = IưRư+sLưIư+Eư => Iư =

Hình 2.2 Động cơ một chiều kích từ độc lập

(2) => Uk = IkRk+ nksф => Ф =

(3) => Me – Mc = Jsw => ω =

Nếu coi gần đúng quan hệ mô tả giữa từ thông và kích từ ф=Ck.I như sau:

2.2.2 Mô hình tuyến tính hóa

Việc làm việc mô hình phi tuyến khó khăn nên mô hình phi tuyến đượctuyến tính hóa quanh điểm làm việc khi đó:

Uư = Uưo +ΔUư

Iư = Iưo + ΔIư

Ф = фưo +Δф

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều với ф=C k I

Khi đó phương trình điện áp phần ứng viết lại như sau:

Uư = IưRư + Lư + Kωф

Tại điểm làm việc cân bằng ta có:

Uưo = IưoRư+ Lư + Kωoфo

=> ΔUư = ΔIưRư + Lư + KωoΔф + KΔωфo + KΔωΔф

Trong phương trình Δф là các sai lệch nhỏ xung quanh фo, Δω là sai lệch nhỏxung quanh ωo nên bỏ qua các sai lệch nhỏ bậc cao khi đó t có phương trình:ΔUư = ΔIưRư + Lư + KωoΔф + KΔωфo

Tuyến tính hóa phương trình mạch kích từ:

ΔUk = ΔIkRk + Lk

ΔMe – ΔMc = J

Từ các phương trình tuyến tính ta có cấu trúc tuyến tính hóa:

2.2.3 Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập với ф = hs

Khi từ thông là hằng số ta không còn chỉ số mạch kích từ (Uk,Ik) vì vậykhông cần phân biệt đâu là chỉ số phần ứng, kích từ, mặc định tín hiệu điện áp,dòng là của mạch phần ứng

U = IRư + LưIs +E

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa

I =

ω =

Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi thể hiện như sau:

2.3 Bộ điều tốc có phản hồi âm điện áp

Ổn định hóa tốc độ trong truyền động điện có ý nghĩa rất lớn trong việc cảithiện các chỉ tiêu chất lượng của truyền động điện Để hạn chế được nhữngnhược điểm của hệ truyền động hệ hở đã nêu ở trên thì biện pháp để ổn định tốc

độ là tăng độ cứng của đặc tính cơ bằng điều khiển theo mạch kín

Các đặc tính cơ của hệ hở có giá trị: β=(KΦ)2/R không đổi trong toàn dảiđiều chỉnh Ở tốc độ thấp nhất ứng với đặc tính thấp nhất có sđđ Eb0, nếu chomột momen tải Mc = Mđm thì tốc độ làm việc sẽ là ω = ω’

min và sai số số tĩnhthường lớn hơn giá trị cho phép:

Hình 2.6 Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập với ф = hs

Để cho sai số tĩnh có thể đạt được S = Scp cần tìm biện pháp tăng tốc độ đến

ω = ωmin Điểm làm việc [ωmin, Mđm] đã nằm trên đặc tính khác của hệ có ω0 = ω01

và Eb1 = K.Φđm.ω01 >Eb0 Nối điểm (ω0min,0) với điểm (ωmin, Mđm) và kéo dài ra tađược đặc tính mong muốn có độ cứng mong muốn có độ cứng βm và ω = ω0min - Các giao điểm của đặc tính cơ mong muốn với những đặc tính cơ của hệ hở chobiết các giá trị cần thiết của Eb khi thay đổi momen tải Đặc tính này được dựng

ở góc dưới bên trái của hình 2.7

Điều chỉnh E b theo điện áp phần ứng:

Có thể bù được lượng sụt tốc do sụt áp trên điện trở bộ biến đổi bằng mạchphản hồi âm điện áp phần ứng động cơ Dựa vào phương trình đặc tính tải của

biến đổi ta có: Eb = U+RbI vì Rb = R - Rư nên

Trong đó: βtn = (KΦđm)2/Rư là độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên

Thay biểu thức của I ở trên vào công thức (2.10) và đặt:

Ta thu được biểu thức tính sđđ Eb theo điện áp phần ứng: Eb = E’b0 – K’a.U

Sơ đồ phản hồi âm điện áp phần ứng như trên hình 2.8

Hình 2.7 Đặc tính cơ của hệ thống BĐ –Đ

Hình 2.8 Sơ đồ hệ TĐĐ có phản hồi âm điện áp động cơ

Nếu bỏ qua dòng điện trong các điện trở r1, r2 và đặt Ka = r2/(r2+r1) thì có quan hệ

Khi thay đổi hệ số phản hồi điện áp bằng con trượt trên chiết áp (r1, r2) thì

cả tốc độ không tải lý tưởng lẫn độ cứng đặc tính cơ đều thay đổi theo Trườnghợp hệ thống có hệ số khuếch đại lớn thì độ cứng có thể đạt giá trị tối đa bằng

độ cứng đặc tính cơ tự nhiên

2.4 Mô hình bộ biến đổi truyền động một chiều

Hệ thống điều tốc một chiều dùng bộ biến đổi chỉnh lưu tiristor có đảochiều Hệ truyền động có đảo chiều quay được xây dựng trên nguyên tắc giữnguyên chiều dòng kích từ và đảo chiều dòng điện phần ứng

Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song song ngược điều khiển chung.Loại này dùng cho mọi dải công suất vừa và lớn, thực hiện được công việc đảochiều êm hơn

Nguyên tắc điều chỉnh đảo chiều theo phương pháp điều khiển chung Tạimột thời điểm cả 2 bộ điều khiển đều nhận xung mở nhưng chỉ có một bộ biếnđổi cấp dòng cho nghịch lưu, còn bộ biến đổi kia làm việc ở chế độ đợi Đặc tínhđiều khiển của BĐ1 là đường I, đặc tính điều chỉnh của BĐ2 là đường II Giảthiết α1 < π/2; α2 > π/2 sao cho |Ed1|≤|Ed2| thì dòng điện chỉ có thể chảy từ BĐ1sang động cơ mà không thể chảy từ BĐ1 sang BĐ2 được Để đạt được trạng tháinày thì các góc điều khiển phải thỏa mãn điều khiển: α2 ≥π – α1 hay β2 ≤ α1 Nếu

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi chỉnh lưu tiristor có đảo chiều

tính đến góc chuyển mạch μ và góc khóa δ thì giá trị lớn nhất của góc điều khiểncủa bộ biến đổi đang ở chế độ nghịch lưu đợi phải là: αmax =π – (μmax + δ) và giátrị nhỏ nhất của góc điều khiển của bộ biến đổi đang làm việc ở chế độ chỉnh lưu

là αmin ≥ μ + δ

Nếu chọn |Ed1|=|Ed2| thì α1 + α2 =π và ta có phương pháp điều khiển chungđối xứng, khi này sđđ tổng mạch vòng giữa 2 bộ biến đổi sẽ triệt tiêu và dòngđiện trung bình chảy vòng qua hai bộ biến đổi cũng triệt tiêu:

Trong đó: Rcb là tổng điện trở trong mạch vòng cân bằng

Trong các phương pháp điều khiển chung, mặc dù đã bảo đảm |Ed2|≥|Ed1|,tức là không xuất hiện giá trị trung bình của dòng cân bằng, song giá trị tức thờicủa sđđ các bộ chỉnh lưu ed1(t), ed2(t) luôn khác nhau, do đó vẵn xuất hiện thànhphần xoay chiều của dòng điện cân bằng Để hạn chế biên độ dòng điện cânbằng thường dùng các cuộn kháng cân bằng Lcb Trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3pha dòng điện cân bằng chảy trong 2 vòng độc lập Mỗi vòng tạo thành mộtchỉnh lưu ba pha hình tia Dạng điện áp chỉnh lưu Ed hơi đặc biệt do có tính đếnsụt áp trên các điện kháng cân bằng:

Ed1 = Udk1 – 1/2Ucb = 1/2(Udk1 + Udk2) Bằng cách tương tự có thể xây dựng được các đồ thị Uđk1, UdA1 và Ed2, các

đồ thị này có dạng tương tự Điện áp chỉnh lưu của cả bộ biến đổi sẽ bằng:

U d = Ed1 −Ed2

Ta có: WBĐ =

Phân tích chuỗi Furier, gần đúng ta có: Wbd = ;

Trong đó: Tđk - hằng số thời gian mạch điều khiển van bán dẫn Tđk = 0,001(s)

TV - hằng số thời gian bộ xung áp TV = = 0,002(s).

Với m là số xung áp đẩu ra; we là chu kì

KBĐ - hệ số biến đổi mạch chỉnh lưu (hệ số khuếch đại)

Mô hình toán học bộ biến đổi: