Thiết kế bộ ổn định tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập dùng mạch cầu

Do yêu cầu của môn học và nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết kế hệ thống truyền động, góp phần hoàn thiện và củng cố kiến thức môn họcnên em được giao đề tài: “Thiết kế bộ ổn đị

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ củacác lĩnh vực khoa học, ứng dụng của điện tử công suất vào công nghiệp nóichung và công nghiệp điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử có công suất lớn đãđược chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng của nó vào các ngành kinh

tế quốc dân và đời sống, làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và thiết kế các loạithiết bị này hết sức cần thiết đối với lại kỹ sư ngành điện

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, truyền động điện

có vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của xã hội Truyền động điện làmtăng năng suất lao động và chất lượng sản phẩm Để đáp ứng được yêu cầu thực

tế các hệ truyền động điện có khả năng tự động điều khiển vả độ chính xác ngàycàng cao đã ra đời

Do yêu cầu của môn học và nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết

kế hệ thống truyền động, góp phần hoàn thiện và củng cố kiến thức môn họcnên em được giao đề tài: “Thiết kế bộ ổn định tốc độ động cơ điện một chiềukích từ độc lập dùng mạch cầu”

Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Tiến Lương, cùng các thầy cô giáokhoa Điện – Điện tử điện tự động công nghiệp đã giúp em trong suốt thời gian

em hoàn thành bài thiết kế này

Trong bản bài tập lớn này mặc dù em đã cố gắng song với sự hiều biết vànhững kiến thức đã học còn hạn chế nên bản bài tập lớn của em không tránhkhỏi những thiếu sót Em kính mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo tận tình củacác thầy cô giáo và của các bạn để bài tập lớn của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn Sinh viên

Nguyễn Trung Thành

truyền đọng điện chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều từ vài Ωđến hàng kΩ Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầumomen, tăng tốc và hãm tải trọng nặng Động cơ điện một chiều cũng dễ dàngđáp ứng các truyền động trong khỏang điều khiển tốc độ rộng và đảo chiềunhanh với nhiều đặc tính quan hệ momen – tốc độ

Trong động cơ điện một chiều, bộ biến đổi điện chính là các mạch chỉnh lưuđiều khiển Chỉnh lưu được dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng, ở đây

là sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha

1.1.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều có stato (phần tĩnh), roto (phần quay), chổi điện và cổ góp Hình 1.1 là mặt cắt của động cơ điện một chiều

Hình 1 1 Mặt cắt ngang của động cơ điện một chiều

Stator: còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tập trungtrên các cực từ stator Các cực từ stator được ghép cách điện từ các lá thép kỹthuật điện được dập định hình sẵn có bề dày 0,5 – 1mm và được gắn trên gông

từ bằng thép đúc, cũng chính là vỏ máy

Rotor: còn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép phần ứng và dây quấn phầnứng, lõi thép phần ứng có hình trụ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện ghépcách điện với nhau Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, được đặt vào cácrãnh lói thép rotor Các phần từ dây quấn rotor được nối tiếp nhau thông qua các

lá góp trên cổ góp Lõi thép phần ứng và cổ góp được cố định trên trục rotor

Cổ góp và chổi điện: làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện trong dây quấn phầnứng

1.1.2 Phân loại động cơ điện một chiều

Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành cácloại sau:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ được lấy từnguồn riêng biệt so với phần ứng, Trường hợp đặc biệt, khi từ thông kích từđược lấy tạo ra bằng nam châm vĩnh cửu, người ta gọi là động cơ điện mộtchiều kích từ vĩnh cửu

Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ được nối songsong với mạch phần ứng

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn, dâyquấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp Trong đó cuộc kích từ songsong thường là cuộn chủ đạo

Hình 1 2 Các loại động cơ điện một chiều

Trong đó: a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

b) Động cơ điện một chiều kích từ song song

c) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.1.3 Điều khiển động cơ điện một chiều

Ưu điểm cơ bản của động cơ điện một chiều so với các loại động cơ điệnkhác là khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, đối với các cơ cấu có yêu cầu chấtlượng điều chỉnh tốc độ cao, phạm vi điều chỉnh rộng, người ta thường sử dụngđộng cơ điện một chiều Đối với các hệ thống truyền đọng điện có yêu cầu điềuchỉnh tốc độ thường sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.2 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bềnvững nên các bộ điều khiển PID được phổ biển trong các hệ điều khiển côngnghiệp Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số , , của bộ điềukhiển PID Nhưng vì các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tính toán chomột chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậu trong quá trình vận hành luônphải chỉnh các hệ số này phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu quả của bộđiều khiển thì ta phải biết chính xác các thông số và kiểu của đối tượng cần điềukhiển Hơn nữa, bộ điều khiển này chỉ chính xác trong giai đoạn tuyến tính còntrong giai đoạn phi tuyến thì các phương pháp điều khiển kinh điển không thựchiện được

1.2.1 Khái quát về bộ điều khiển PID

a) Khái niệm về bộ điều khiển PID

Xét cấu trúc mạch vòng của hệ điều khiển tự động như hình sau:

Hình 1 3 Cấu trúc mạch vòng của hệ điều khiển

Trong đó: ω(t) là tín hiệu đặt, e(t) là tín hiệu sai lệch, u(t) là tín hiệu điềukhiển và y(t) là tín hiệu ra Đây là cấu trúc mạch vòng kín có phản hồi đầu ra,nhiệm vụ đặt ra là phải tổng hợp bộ điều khiển sao cho đối tượng điều khiển cóđầu ra y bám vào tín hiệu đặt ω với sai lệch nhỏ nhất có thể và sau một khoảngthời gian ngắn nhất có thể Một trong những bộ điều khiển rộng rãi hiện nay là

bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID có mặt trong các hệ thống điều khiển tựđộng của các dây chuyền sản xuất thép, sản xuất giấy, lò luyện xi măng, trongcác dây chuyền điều khiển điện, hệ thống điều khiển hơi nước hoặc động cơdiezel…

Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm có ba thành phần là khâu tỷ lệ (P), khâutích phân (I) và khâu vi phân (D) Khi sử dụng thuật toán PID nhất thiết phái lựachọn chế độ làm việc và sau đó đặt tham số cho các chế độ đã chọn

Hình 3 là cấu trúc của bộ điều khiển PID

Hình 1 4 Cấu trúc bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sử dụng rộng rãitrong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Bộ PID có nhiệm

vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêucầu cơ bản về chất lượng:

- Nếu sai lệnh tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần (t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn;

- Nếu sai lệch e(t) chưa có bằng 0 thì thông qua thành phần (t), PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh;

- Nếu sự thay đổi của sai lệnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần (t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh

Mối quan hệ vào ra của bộ điều khiển PID được biểu diễn theo hai cách sau: Biểu diễn theo hàm truyền đạt:

(1.1)Biểu diễn theo phương trình vi – tích phân:

Ngoài ra, bộ điều khiển PID còn được biểu diễn theo sơ đồ khối thứ hai như sau:

b) chức năng của bộ điều khiển PID

Ba khâu tỷ lệ, tích phân và vi phân tạo nên bộ điều khiển PID với chức năng từng khâu như sau:

- Khâu tỷ lệ: là khâu thực hiện vai trò chủ đạo của bộ điều khiển Mỗi khixảy ra sai lệch đầu ra thì sai lệch này sẽ được khuếch đại qua khâu tỷ lệ

để tác động trở lại đối tuoωjgn và làm giảm chính sai lệch đó

- Khâu tích phân: là khâu bổ trợ, có tác dụng làm tăng độ chính xác cho

hệ chừng nào sai lệch tĩnh chưa bằng 0 thì thông qua khâu tích phân tạo

ra một tín hiệu luôn thay đổi tác động lên đới tượng để làm giảm dàn sai lệch tính về 0

- Khâu vi phân: là khâu bổ trợ, có tác dụng làm tăng thêm độ nhạy cho hệthống Chỉ cần một thay đổi nhỏ của các yếu tố bên ngoài tác động lên hệ thì qua khâu vi phân sẽ tạo nên một thay đổi lớn và tác động lên đối tượng, làm cho đối tượng phản ứng nhanh với sự thay đổi của môi trườngbên ngoài

1.2.2 Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID

Hiện nay, có một số phương pháp phổ biến có thể tính các hệ số của PID, có thểchia thành:

Các phương pháp thực nghiệm:

- Phương pháp Zigler – Nichols;

- Phương pháp Chien – Hrones – Resωick;

- Phương pháp Kuhn

Các phương pháp phân tích:

- Phương pháp tối ưu độ lớn;

- Phương pháp tối ưu đối xứng;

- Phương pháp tối ưu theo sai lệch bám

a) Phương pháp module tối ưu (vô sai cấp 1)

Phương pháp module tối ưu là phương pháp chọn tham số điều khiển PIDcho đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là nấc có dạng hình chữ S Xétmột hệ thống điều khiển kín như hình 4 thì bộ điều khiển R(s) dùng điều khiểncho đối tượng G(s)

Hình 1 5 Sơ đồi khối của hệ điều khiển kín

Hàm tiêu chuẩn theo tiêu chuẩn module tối ưu có dạng:

(1.3)(1.4)Hàm truyền kín của hệ khi thỏa mãn dạng này sẽ có các đặc điểm sau:

- Vô sai cấp 1 theo tín hiệu điều khiển

Với những hằng số thời gian nhỏ ta có thể xấp xỉ gần đúng bằng cách bỏ quac các hệ số bậc cao.

~

Với

Và đối tượng có dạng:

(1.8)b) Phương pháp module tối ưu đối xứng (hệ vô sai cấp 2)

Việc thiết kế bộ điều khiểu PID theo phương pháp module tối ưu đối xứng cónhược điểm là đối tượng phải ổn định, hàm quá độ của nó phải đi từ 0 và códạng hình chữ S Trong trường hợp này có thể chọn tham số PID theo nguyêntắc module tối ưu đối xứng

Tổng hợp bộ điều khiển theo tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng sẽ cho hệ là vôsai cấp 2 và hàm truyển kín mong muốn của hệ đạt được thỏa mãn dạng :

(1.9)

Ta có hàm kín mong muốn của hệ:

=> (1.10)Theo dạng hàm kín mong muốn ta sẽ tìm được bộ điều khiển R có dạng:

Khi tổng hợp bộ điều khiển theo tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng, đáp ứngcủa hệ tuy có vô sai bậc 2 nhưng độ quá chỉnh lại lên đến 43% Vì vậy, để giảmđược độ quá chỉnh người ta mắc thêm vào một bộ lọc tính hiệu điều khiển vớihàm truyền:

(1.12)

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

2.1 CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Để có thể điều khiển động cơ nên ta cần có các bộ biến đổi, bộ điều khiển Hình

5 là sơ đồ cấu trúc cho hệ điều khiển truyền động điện

Hình 2 1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ điện một chiều dùng mạch cầu

bị điện, biến nguồn xoay chiều ba pha thành điện áp một chiều điều khiển được

Hình 2 2 Sơ đồ mạch cầu Thysitor

Sơ đồ mạch điện gổm 6 Thyristor công suất Các điện áp xoay chiều cungcấp cho bộ chỉnh lưu Các Thyristor có nhiệm vụ điều chỉnh dòng điện để cungcấp nguồn điện một chiều cho tải Các thyristor thay nhau dẫn dòng nhưng lệchpha nhau một góc bằng 1200.

Hàm truyền của bộ biến đổi sẽ có dạng

(2.1)Trong đó:

: sự không đồng thời tín hiệu điều khiển góc mở của thyristor

: hằng số thời gian của mạch chỉnh lưu

: hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu

2.2.2 Bộ điều khiển

Trong hệ thống, bộ điều khiển có nhiệm vụ nhận các tín hiệu đo từ động

cơ và hộp số để điều khiển hệ thống theo đúng tín hiệu đặt Tín hiệu từ bộ điềukhiển được gửi tới bộ biến đổi công suất

Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân – vi phân (PID)

Các bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI) hoặc tỉ lệ - vi phân (PD) đã đápứng được các yêu cầu về chất lượng trong quá trình điều khiển Tuy nhiênchúng còn tồn tại một số nhược điểm cơ bản, ví dụ như ở bộ điều khiển PD rấtnhạy với tín hiệu nhiễu vì bán thân PD là bộ lọc thông cao, với bộ lọc lớn hơn

sẽ làm tăng ảnh hưởng của nhiễu Với bộ điều khiển PI lại là nguyên nhân kéodài thời gian tăng ốc và thời gian xác lập Để thỏa mãn yêu cầu về chất lượngngười ta sử dụng tổ hợp điều khiển tỉ lệ - tích phân – vi phân (PID) Bộ điềukhiển PID kết hợp được những điểm mạnh của các bộ điều khiển P, Pi, PD,nhằm cải thiện quá trình quá độ, đồng thời tăng độ chính xác cho hệ thống

Hàm truyền đạt của hệ điều khiển PID có dạng:

(2.2)

Sơ đồ hệ thống của bộ điều khiển PID

Hình 2 3 Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển PID

Trong quá trình hoạt động của bộ điều khiển PID, hiệu quả của điều khiểntích phân loại trừ sự truyền tín hiệu tăng theo tỉ lệ, đặc biệt sự truyền tín hiệutăng theo tỉ lệ nhiễu lớn bằng các hiểu chỉnh liên tục, hoặc lặp lại đầu ra thiết bịđiều khiển, Tốc độ mà tác động đó lặp lại nhân đôi hoặc lại tác động tỉ lệ mộtlần nữa xác định bằng tốc độ lặp lại

Đối với thành phần vi phân trong bộ điều khiển PID, thì tác động điềukhiển có khuynh hướng dự phòng trước các thay đổi trong tín hiệu sai số do đólàm giảm khuynh hướng dao động Tác động điều khiển là tác động tốc độ

Trong thực tế, bộ điều khiển PID có thể được hình thành từ việc mắc nốitiếp hai bộ điều khiển PI và PD Lúc này hàm truyền bộ điều khiển có dạng:

(2.3)

2.2.3 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập hay được sử dụng vì nó có nhiều ưuđiểm

Các phương trình toán học của động điện một chiều

Phương trình mạch phần ứng:

(2.4)

Phương trình mạch kích từ:

(2.5)

Phương trình momen:

(2.6)Trong đó:

E: là sức điện động của động cơ E = kφω

: là momen điện của đọng cơ = kφ

J: là momen quán tính của động cơ

k: là hệ số động cơ

Để đơn giản trong việc xây dựng đọng cơ ta chuyern phương trình sang truyền Laplace Ta sẽ được

(2.7)(2.8)

Hình 2 4 Cấu trúc tổng quát của động cơ điện một chiều

Do khâu kích từ của động cơ một chiều có quan hệ giữa từ thông và dòngkích từ là một quan hệ phi tuyến làm mô hình động cơ điện một chiều khi thayđổi điện áp kích từ là mô hình phi tuyến Điều này gây khóc khăn cho điềukhiển nên người ta thường tuyến tính hóa nó quanh điểm làm việc cân bằng

Nên ta có sơ đồ tuyến tính hóa được thể hiện ở hình

Hình 2 5 Sơ đồ tuyến tính hóa động cơ điện một chiều

Khi φ thay đổi thì động cơ chỉ còn hai phương trình là phương trình điện

áp phần ứng và phương trình momen Do không thể phân biệt chỉ số mạch phầnứng và mạch kích từ nên ta bỏ qua các chỉ số điện áp, dòng điện và tự hiểu nó làđiễn áp phần ứng và dòng điện phần ứng

Từ đó ta có thể xây dựng được mô hình động cơ điện một chiều kích từđộc lập với từ thông không đổi là:

Hình 2 6 Sơ đồ động cơ điện một chiều kích từ độc lập với từ thông không đổi

2.2.4 Thiết bị đo lường

Encoder

Bộ mã hóa quay, còn được gọi là bộ mã hóa trục, là một thiết bị cơ điệnchuyển đổi vị trí góc hoặc chuyển động của trục hoặc trục thành tín hiệu đầu raanalog hoặc kỹ thuật số Có hai loại mã hóa quay chính: tuyệt đối và tăng dần.

Thiết bị đo dòng điện

Cũng như mạch vòng tốc độ để lấy tín hiệu dòng điện quay trở lại đầuvào khống chế hệ thống người ra tạo một tín hiệu điện áp tỉ lệ với tín hiệu dòngđiện Có nhiều cách để lấy tín hiệu dòng điện nhưng đơn giản nhất có thể dùngmáy biến dòng

CHƯƠNG 3 DANH SÁCH CÁC THIẾT BỊ THỰC

3.1 BỘ BIẾN ĐỔI

3.1.1 Mạch cầu ba pha Thyristor SK 70 DT

Thông số của mạch cầu được thể hiện ở hình

Hình 3 1 Thông số của SK 70DT

Sơ đồ đấu dây của mạch cầu được thể hiện ở hình

Hình 2 7 Sơ đồ đấu dây của SK 70DT

3.1.2 Bảng điều khiển kích hoạt toàn bộ ba pha

Tên thiết bị: ST30

Hình 3 2 HÌnh ảnh của ST30

Cung cấp năng lượng làm việc: 220 / 380Vac ± 15%, 50 / 60HZ

◆ Điện áp làm việc mạch chính: 50 660Vac ± 15%, 50 / 60HZ

◆ Phạm vi điều chỉnh điện áp: 0 ~ 100%

◆ Phạm vi điều chỉnh hiện tại: 0 ~ 100%

◆ Công suất kích hoạt: thy 3000A thyristor một chiều

◆ Tín hiệu đầu vào: DC0-5V, DC0-10V, 0-10mA, 4-20mA, điều chỉnh chiết áp 10K

◆ Mất cân bằng kích hoạt ba pha: ≤ 0,3 °

◆ Tải trọng áp dụng: Tải điện trở, cảm ứng, điện dung, tải biến áp và các tải khác

◆ Công suất tiếp điểm rơle báo động: 250Vac / 10A

◆ Độ bền điện môi: 3500 VRMS

◆ Nhiệt độ môi trường (làm việc): -20 ° C ~ 60 ° C

◆ Độ ẩm tương đối làm việc: ≤ 90% rh (không có sương giá)

◆ Yêu cầu lắp đặt trong nhà: không bắt lửa, không nổ, không khí ăn mòn, không bụi dẫn điện và độ rung phải nhỏ hơn 0,5G