đồ án thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ cho hệ truyền động xung áp động cơ một chiều không đảo chiều

Đồ án thiết kế hệ thống Điều Khiển Và Tự Động Hóa là đồ án quan trọng trong chương trình đào tạo Nghành Điều Khiển Và Tự Động Hóa. Đây là đồ án cần vận dụng và tổng hợp các kiến thức của các học phần đã được học để giải quyết thiết kế tổng hợp một hệ thống Điều Khiển Tự Động Hóa trong thực tế. Sau một thời gian học tập các học phần cơ sở nay em được giao đề tài “ Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ chô hệ truyền động xung áp động cơ một chiều ( XA DC ) không đảo chiều” để thực hiện. Sau thời gian thực hiện đến nay đã hoàn thành và nội dung gồm có bốn chương : Chương 1 : Các hệ thống truyền động điện Chương 2 : Mô hình hóa toán học Chương 3 : Thiết kế bộ điều khiển Chương 4 : Mô phỏng hệ thống điều khiển trên phần mềm matlb Simulink Nội dung đồ án chăc chắn còn nhiều thiết sót cần bổ sung. Em rất mong được sự đóng góp cho ý kiến của các thầy cô trong bộ môn để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Bùi Trung Tuyến cùng toàn thể các thầy cô trong bộ môn đã giúp em tận tình hướng dẫn để em hoàn thành đồ án này Em xin chân thành cảm ơn

SVTH : TRẦN ANH TUẤN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Vinh, ngày tháng năm 2020 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẨN BIỆN

Vinh, ngày tháng năm 2020

Giáo viên phản biện

SVTH : TRẦN ANH TUẤN

MỤC LỤC

Lời Mở đầu 4

Chương 1 : Các hệ thống truyền động điện 5

1 Hệ truyền động máy phát – động cơ một chiều (F – D) 5

1.1 Cấu trúc hệ F – D 5

1.2 Đặc điểm của hệ F- Đ 6

2 Hệ truyền động TIRISTO- động cơ một chiều (T-Đ) có đảo chiều quay 6

2.1 Cấu trúc hệ T – Đ 6

2.2 Đặc điểm của hệ T- Đ 7

3 Truyền động đièu chỉnh xung áp – động cơ một chiều 7

3.1 Điều chỉnh xung áp đơn 7

3.1.2 Đặc tính cơ của xung áp động cơ điện một chiều 8

3.2 Xung áp đảo chiều 9

3.2.1 Nguyên lý làm việc 9

Chương 2 : Mô tả toán học 10

2.1.Mô tả toán học động cơ một chiều kích tù độc lập 10

2.1.1 Chế độ dòng xác lập của động cơ điện một chiều 10

2.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều 10

2.2 Mô tả toán học bộ biến đổi xung áp một chiều không đảo chiều 13

Chương 3 : Thiết kế bộ điều khiển 16

1 Thiết kế mạch vòng dòng điện ( thiết kế bộ điều khiển Ri) 16

2 Thiết kế mạch vòng tốc độ 17

SVTH : TRẦN ANH TUẤN

Chương 4 : Mô phỏng hệ thống điều khiển trên phần mềm matlap- Simulink 21

1 Giới thiệu chung về phần mềm matlap-simulink 21

2 Mô phỏng động cơ 22

2.1 Đưa ra kết quả mô phỏng tốc độ 22

2.2 Đưa ra kết quả mô phỏng momen động cơ 23

2.3 Đưa ra kết quả mô phỏng dòng điện 24

Kết Luận 25

Tài liệu tham khảo 26

tập các học phần cơ sở nay em được giao đề tài “ Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ chô

hệ truyền động xung áp động cơ một chiều ( XA- DC ) không đảo chiều” để thực

hiện Sau thời gian thực hiện đến nay đã hoàn thành và nội dung gồm có bốn chương : Chương 1 : Các hệ thống truyền động điện

Chương 2 : Mô hình hóa toán học

Chương 3 : Thiết kế bộ điều khiển

Chương 4 : Mô phỏng hệ thống điều khiển trên phần mềm matlap- Simulink

Nội dung đồ án chăc chắn còn nhiều thiết sót cần bổ sung Em rất mong được sự đóng góp cho ý kiến của các thầy cô trong bộ môn để đồ án của em được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Bùi Trung Tuyến cùng toàn thể các thầy cô trong bộ môn đã giúp em tận tình hướng dẫn để em hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn !

SVTH : TRẦN ANH TUẤN

CHƯƠNG 1 : Các hệ thống truyền động điện

1 Hệ truyền động máy phát – động cơ một chiều (F – D)

1.1 Cấu trúc hệ F – D

Hệ thống máy phát – động cơ ( F – D ) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi là máy phát điện một chiều kích từ độc lập Máy phát thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha ( ĐK ) quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi

Tính chất của máy phát điện được xác định bởi hai đặc tính : đặc tính từ hóa và đặc tính tải Trong tính toán tuyến tính hóa các đặc tính này

SVTH : TRẦN ANH TUẤN

1.2 Đặc điểm của hệ F- Đ

Các chỉ tiêu chất lượng của hệ truyền động F-Đ về cơ bản tương tự như các chỉ tiêu

hệ điều chỉnh điện áp dùng bộ biến đổi nói chung Ưu điểm nổi bật nhất của hệ F- Đ là

sụ chuyển dổi trạng thái lamf việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn Do vậy thường

sử dụng hệ F- Đ ở các máy khai thác trong công nghiệp mỏ

Nhược điểm quan trọng nhát của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay , trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn ào lớn, hiệu suát thấp ( không quá 75% ), công suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần công suất động cơ chấp hành Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ Với những hệ truyền động điện đòi hỏi dài điều chỉnh rộng hơn và cần điều chình sâu hơn

ổn định tốc độ tốt hơn thì phải thay máy phát F bằng các nguồn áp máy điện khác như các máy khuyếch đại (MKD) và có các phản hồi nâng cao chất lượng

2 Hệ truyền động TIRISTO- động cơ một chiều (T-Đ) có đảo chiều quay

_ sức điện động cơ E có chiều hướng vào anot của tirsit

SVTH : TRẦN ANH TUẤN

_ bộ chỉnh lưu phải làm việc ở chế độ nghịch lưu Ed < 0,

_ giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu lúc đó cần phải luôn luôn nhỏ hơn giá trị sức điện động động cơ | Ed | < | E |

Từ điều kiện này người ta đã xây dựng sơ đồ truyền động T-Đ đảo chiều nhưng cso 4 sô đồ đặc trung :

_ hệ T- Đ đảo chiều dùng hai bộ biến đổi điều khiển chung

_ hệ T- Đ đảo chiều dùng hai bộ biến đổi điều khiển riêng

_ hệ T- Đ đảo chiều dùng một bộ biến đổi chuyển mạch phần ứng

_ hệ T- Đ đảo chiều dùng một bộ biến đổi đảo chiều mạch kích từ

2.2 Đặc điểm của hệ T- Đ

Nổi bật của hệ T- Đ là tác động nhanh, không gây ồn ào và dễ tự động hóa do các van bán dẫn có hệ số khuyếch đại công suất rất cao, điều đó rất thuận lợi cho việc thiết lập các hệ tự động điều chỉnh để nâng cao chất lượng tĩnh và động của hệ thống

Ngược điẻm chủ yếu của hệ T- Đ là do các vab bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện và ở các truyền động có công suất lớn Hệ số công suất của hệ là thấp

3 Truyền động đièu chỉnh xung áp – động cơ một chiều

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung áp

Các giá trị của điện áp và dòng điện phần ứng UD , I và do đó sdd E của động cơ khi đóng và ngắt liên tục khóa S , sẽ được xác định nếu biết luật đóng, ngắt khóa và các thông số mạch Nếu đóng ngắt khóa S với tần số không đổi thì hoạt động của mạch tương tự như chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ với nguổn có biên độ hằng số

3.1.2 Đặc tính cơ của xung áp động cơ điện một chiều

Để xây dựng đặc tính cơ cần tìm giá trị trung bình của điện áp và dòng điện của động cơ :

Ud = ∫ ud dt = [∫ UN t + ∫

Et = [ UN t + ( t- tx ) E ] (2-0) Giống như trpng hệ T- Đ , trong hệ thống BX – Đ khi tx < T thì xảy ra chế độ dòng điện gian đoạn , trong chế độ này do momen điện từ gián đoạn mà đặc tính cơ trở nên rất mềm Để xác điijnh biên giới giữa vùng dong điện gián đoạn và vùng dòng điện :

=

(UN – KФ ωblt )

SVTH : TRẦN ANH TUẤN

3.2 Xung áp đảo chiều

3.2.1 Nguyên lý làm việc

Khi khóa T1 và van D1 vận hành dòng điện phần ứng luôn luôn dương , cong suất điện từ của động cơ là P đt = IE<0 quả trình dòng điện và điện áp Để đảo chiều dòng điện đưa khóa T2 và van D2 vào vận hành thì T1 bị khóa ngắt Nếu E >0 thì sẽ có dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầu do trong mạch chỉ có nguồn duy nhất là sdd tự cảm U > 0 cùng chiều với sdd quay E, tổng hai sdd này trở nen lớn hơn điện áp nguồn UN làm van D2 dẫn dòng ngược về nguồn và trả lại nguồn năng lượng đã tích lũy trong điện cảm L trước đó

SVTH : TRẦN ANH TUẤN

CHƯƠNG 2 : Mô hình hóa toán học

2.1.Mô tả toán học động cơ một chiều kích tù độc lập

2.1.1 Chế độ dòng xác lập của động cơ điện một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp Uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện Ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Từ đó đặt một giá trị điện

áp U lên mạch phàn ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ được tính như sau :

Trong đó : ω là tốc độ góc của động cơ

Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng :

Ω =

Trong đó : Rư – điện trở mạch phần ứng của động cơ

2.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều

Động cơ một chiều là phần tử phi tuyến vi mạch từ không tuyén tính Khi điện cảm càng giảm thì mạch từ càng bão hòa Do đó ta cần đưa ra một số giả thuyết sau :

SVTH : TRẦN ANH TUẤN

- mạch từ động cơ chưa bão hòa

- Phản ứng phần ứng được bù đủ

- Điện trở phần ứng không đổi, không phụ thuộc vào nhiệt độ

Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập Phương trình của động cơ : Giả sử = const Mạch phần ứng {

Mạch kích từ {

Với = const Ta đi tuyến tính hoá phương trình mạch phần ứng và thu được phương trình dạng như sau :

Uư (p) = Rư I (p) + p.Lư I(p) + k ω(p)

=> Uư (p) = Rư (1+ p Lư / Rư ) I(p) + k ω(p)

-L

R

E

-kt

SVTH : TRẦN ANH TUẤN

Đăt Tư = Lư / Rư ta thu được phương trình toán của động cơ như sau :

Thông số động cơ trong máy như sau :

_ Công suất động cơ : P = 2,2

Kb

U

2.2 Mô tả toán học bộ biến đổi xung áp một chiều không đảo chiều

1 711𝑠 1 4 2,457

1 142𝑠

0,9762

U

SVTH : TRẦN ANH TUẤN

Hình 2.5 Sơ đồ xung áp một chiều nửa cầu H

Khi cấp nguồn cho xung áp một chiều nửa cầu H hoạt động thì có hai trường hợp xảy

-SVTH : TRẦN ANH TUẤN

CHƯƠNG 3 : Thiết kế bộ điều khiển

1 Thiết kế mạch vòng dòng điện ( thiết kế bộ điều khiển Ri)

Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động điện là xác định mômen kéo động cơ ngoài ra còn bảo vệ và điều chỉnh gia tốc

SVTH : TRẦN ANH TUẤN

Gọi G1 = Ri =

G2 = Gi =

Nhận xét: Vậy G(s) có dạng tích phân quán tính bậc nhất

Ta có sơ đồ thu gọn của thiết kế mạch vòng tốc độ

Áp dụng phương pháp tối ưu đối xứng cho mạch vòng tốc độ trên ta có

Hàm truyền đối tượng

kpω = 0,2559

Vậy Rω(s) = kp ( 1 +

) = 0,2559 ( 1+

)

SVTH : TRẦN ANH TUẤN

CHƯƠNG 4 : Mô phỏng hệ thống điều khiển trên phần mềm

matlap- Simulink

1 Giới thiệu chung về phần mềm matlap-simulink

Matlap là một phần mềm toán học của hãng Mathwords để tính toán trên các số và

có tính trực quan rât cao Matlap là viết tắt của matrix laboratory, matlap làm việc chủ yếu với các ma trận Ma trận m n là bảng số chữ nhật gồm m n số được sắp xếp thành m hàng và n cột Trường hợp m= 1 hoặc n= 1 thì ma trận trở thành vecto dòng hoặc cột ; trường hợp m = n = 1 thì ma trận trở thành 1 đại lượng vô hướng Nói chung matlap có thẻ làm việc với nhiều kiểu dữ liệu khác nhau Với xâu chữ matlap cũng xem là một dãy các ký tự hay là dãy số của các ký tự Matlap dùng để giải quyết các bài toán về giải tích số , xử lsy tín hiệu số, xử lý đồ họa mà không cần lập trình cổ điển

Hiện nay, matlap có đến hàng nghìn câu lệnh và hàm nghi tiện ích Ngoài ra các hàm cài sẵn trong chính ngôn ngữ, matlap còn có các lệnh và hàm ứng dụng chuyên biệt trong phần mềm mở rộng simulink Simulink dùng để mô hình hóa, mô phỏng và phân tích một hệ thống điện Thông thường để thiết kế bộ điều khiển, thiết kế DSP, hệ thống thông tin và các ứng dụng mô phỏng khác

Simulink là thuật ngữ mô phỏng dễ nhớ được ghép bởi hai từ Simulink và Link Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tính , hệ phi tuyến , các mô hình trong miền thời gian liên tục hay gián đoạn hoặc một hệ gồm cả liên tục và gián đoạn

Điểm nhấn quan trọng trong việc mô phỏng một quá trình là việc thành lập được một mô hình Để sử dụng tốt chương trình này, người sử dụng phải có kiến thức cơ bản về điều khiển, xây dựng mô hình toán học theo quan điểm của lý thuyết điều khiển và từ đó lập nên mô hình của bài toán

2.2 Đưa ra kết quả mô phỏng momen động cơ

SVTH : TRẦN ANH TUẤN

Nhận xét : Khi khởi động động cơ, momen khởi động tăng nhanh khoảng 0,04s đầu ròi giảm nhanh và ổn định về 0 Khi ta tác động tải vào thì lúc đó momen được kéo lên

SVTH : TRẦN ANH TUẤN

KẾT LUẬN

Qua thời gian thực hiện đồ án môn học với đề tài “ Thiết kế bộ điều chỉnh cho hệ

truyền động xung áp động cơ một chiều ( XA- DC ) không đảo chiều ” đã giúp em hiểu rõ hơn những vấn đề lý thuyết liên quan đến nội dung đề tài và đã giúp em củng

cố được rất nhiều kiến thức đã học trong nhà trường

Nội dung bản đồ án đã đề cập đến các vấn đề như các hệ truyền động của động cơ , điều chỉnh tốc độ động cơ bằng xung áp không đảo chiều , thiết kế bộ điều khiển bằng phương pháp tối ưu độ lớn và tối ưu modun , khảo sát mô phỏng về chất lượng tốc độ động cơ , dong điện, momen động cơ qua phần mềm Matlap- simulink

Là sinh viên của khoa Điện và bộ môn Điều khiển & Tự Động Hóa được trang bị những kién thức về môn học trong đó có môn truyền động điện, qua bài giảng của thầy

cô giúp em hoàn thành bản đồ án này

Đây là mảng đề tìa khá rộng , với khối lượng kiến thức lớn và mới mẻ dối với chúng

em cùng với việc đây là lần đầu em làm nên em gặp một số khó khăn trong quá trình thiết kế , song được sự hướng dẫn tận tình của thầy cô trong bộ môn , đặc biệt là thầy giấo Bùi Trung Tuyến và sự giúp đỡ nhiệt tình của cá bạn trong lớp đã giúp em hoàn thành nó Tuy nhiên do hạn chế về thời gian cũng như về trình độ của bản thân , nên không tránh khỏi còn nhiều thiếu sót , em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô và các bạn để em hoàn thiện hơn

Một lần nữa em xin thành cảm ơn !

Vinh , ngày 15 tháng 7 năm 2020 Sinh viên

Trần Anh Tuấn

SVTH : TRẦN ANH TUẤN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bùi Quốc Khánh, Pham Quốc Hải ,Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi,

Điều chỉnh tự động truyền động điện NXB Khoa Học Kỹ Thuật , Hà Nội 2002

[2] Bùi Quốc Khánh, Pham Quốc Hải ,Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền

Truyền động điện NXB Khoa Học Kỹ Thuật , Hà Nội 2002

[3] Bùi Đình Tiếu , Cơ sở truyền động điện , NXB Khoa Học Kỹ Thuật , Hà Nội