Bộ điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều theo tiêu chuẩn ITAE

Điều chỉnh tự động truyền động điện là một mảng quan trọng của tự động hoá, trong điều chỉnh tự động điện vấn đề được quan tam cơ bản là điều chỉnh dòng điện và tốc độ của máy điện.. Ng

Mục lục

Trang

Lời mở đầu……… 2

Chương 1:Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều kích từ độc lập 2

1.1.Giới thiệu động cơ điện một chiều kích từ độc lập 2

1.1.1.Giới thiệu động cơ điện một chiều 2

1.1.2.Động cơ một chiều kích từ độc lập……… 6

1.2.Lập phương trình đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập… 7

1.2.1 Phương trình đặc tính cơ……… 7

1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiêu kích từ độc lập……… 10

1.2.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ Đ/C……… 13

1.3.Xây dựng sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập… 17

Chương 2:Dựng cấu trúc điều khiển mạch vòng điều khiển……… 18

2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện ……… 18

2.1.1 sơ đồ mạch mạch tổng quát……… 19

2.1.2.Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động của động cơ 19

2.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ……… 21

2.3.Tính toán mạch vòng dòng điện……… 23

2.4.Tính toán mạch vòng tốc độ……… 25

Chương 3.Mô Phỏng và đánh giá kết quả……… 26

3.1.Mô phỏng……… 26

3.1.1.Mô phỏng động cơ 1 chiều……… 26

3.1.2.Mô phỏng động cơ khi có bộ điều khiển dòng điện……… 27

3.1.3.Mô phỏng động cơ khi có bộ điều khiển dòng điệnvà bộ điều khiển tốc độ 29 Kết luận……… 31

Tài liệu tham khảo……… 31

Lời nói đầu

Sự bùng nổ tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện – điện tử - tin học những năm gần đây đã dẫn đến nhũng thay đổi sâu sắc cả về mặt lý thuyêt lẫn thực tế lĩnh vực

truyền động điện tự động Ngành tự động hoá ra đời và phát triển đã giúp nhân loại giảm được giá thành thiết bị và tăng năng suất lao động lên nhiều lần Điều chỉnh

tự động truyền động điện là một mảng quan trọng của tự động hoá, trong điều chỉnh tự động điện vấn đề được quan tam cơ bản là điều chỉnh dòng điện và tốc độ của máy điện Ngày nay việc sử dụng động cơ điện một chiều được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ truyền động; với việc điều khiển dễ dàng hơn so với động cơ xoay chiều.Trong đồ án này trình bày cách xây dựng bộ điều khiển để điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều bằng tiêu chuẩn tích phân trị tuyệt đối sai lệch với thời gian Với sự giúp đỡ của thầy giáo Phạm Tâm Thành đã giúp em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn và có gì còn thiếu sót mong ý kiến đóng góp của thầy giáo

Chương 1:Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.1.Giới thiệu động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.1.1.Giới thiệu động cơ điện một chiều

- ) Cánh quạt

- ) Trục máy 1.1.1.2.Nguyên lí hoạt động

Từ trường của động cơ được tạo ra nhờ các cuộn dây 5 có dòng điện một chiều chạy qua.Các cuộn dây này gọi là cuộn kích từ và được cuốn quanh các cực

từ chính 4,stator 6 của động cơ có đặt các cuộn cảm nên stator gọi còn gọi là phần cảm.từ trường do cuộn cảm tạo ra sẽ tác dụng một từ lực vào các dây dẫn rotor 7 đặt trong các rãnh của rotor 3 khi có dòng điện chạy qua.Cuộn dây này gọi là cuộn ứng.Dòng điện đưa vào cuộn ứng qua các chổi than 2 và cổ góp 1.Rotor mang cuộn ứng nên gọi là phần ứng của động cơ

- Trong hình vẽ các dây dẫn cuộn ứng ở nửa trên rotor có dòng điện hướng vào,còn các dây dẫn ở nửa dưới của rotor có dòng điện hướng ra khỏi hình vẽ.Từ lực F tác dụng vào các dây dẫn rotor có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái sẽ tạo ra mômen làm quay rotor ngược chiều kim đồng hồ.động cơ trên có 2 cực từ hay một đôi cực (1 cặp cực, P=1)

H.1.Sơ đồ nguyên lí và cấu tạo động cơ điện một chiều

- Trong thời gian động cơ làm việc,cuộn cảm tạo ra từ trường d dọc trục cực từ và phân bố đối xứng với cực từ.Mặt phẳng OO trên đó có đặt chổi than, vừa

là mặt phẳng chung tính vật lý Đồng thời dòng điện trong cuộn ứng cũng tạo ra từ trường riêng n hướng ngang trục cực từ Từ trường tổng cộng trong động cơ mất tính chất đối xứng dọc trục và mặt phẳng trung tính vật lý quay đi một góc 

(ngược chiều quay của rotor)so với mặt phẳng trung tính hình học

- Khi mà dòng điện trung tính càng mạnh thì n càng mạnh và góc quay φ càng lớn.Khi đó ta có thể nói phản ứng phần ứng càng mạnh

- phản ứng phần ứng là một trong những nguyên nhân gây ra tia lửa điện giữa chổi than và cổ góp cũng như giữa các lá góp trong cổp góp.Chúng ta có thể hạn chế ảnh hưởng này nhờ xoay chổi than theo vị trí mặt phảng trung tính vật lý.(tức là theo góc φ).Thông thường trong các động cơ điện một chiều hiện nay, người ta thường thê cực từ phụ

H.2.Minh họa sô cặp cực trong máy điện một chiều(p=2)

- Cực từ phụ được đặt giũa các cực từ chính và cuộn dây cực từ phụ sẽ tạo ra

từ trường ngang trục so cới từ trường chính và ngược chiều với từ trường ncủa cuộn ứng để khử từ trường n Nhờ vậy phản ứng phần ứng bị hạn chế và quá trình chuyển mạch trong động cơ sẽ tốt hơn

- Bởi vì rằng từ trường n gây ra phản ứng phần ứng tỉ lệ với dòng điện phần ứng Iư nên cuộn dây cực từ phụ được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng.Do vậy khi dòng điện phần ứng tăng lên thì cuộn dây cực từ phụ cũng sinh ra từ truờng ngược mạnh hơn để khử từ trường n

- Ngoài ra,biện pháp tăng khe hở không khí giữa Stator và rotor cũng được

áp dụng.Cách này dẫn đến sự tăng kích thước động cơ và phải tăng cường thêm cuộn kích từ chính vì khe hở không khí lớn sẽ làm yếu từ trường chính

- Còn đối với các loại động cơ điện một chiều có công suất trung bình và lớn thì biện pháp chính là thêm cuộn dây bù đặt trong rãnh ở các cực từ chính (Như hình vẽ) nhằm tạo ra từ thông b ngược chiều với n làm từ thông ở khe hở không khí không bị méo nữavà cuộn bù cũng được mắc nối tiếp với cuộn ứng

- Trên đây là nguyên lý làm việc chung của một động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng thì chúng đều hoạt động dựa theo nguyên lý này.Và cùng với các phương pháp để có thể hạn chế được những nhược điểm của động cơ điện một chiều với các phương pháp đã nêu ở trên

1.1.2.Động cơ một chiều kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập, cuộn kích từ cấp điện từ nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho rotor (Cuộn ứng)

1.2.Lập phương trình đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.2.1 Phương trình đặc tính cơ :

- Khi động cơ làm việc rotor mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng (hay còn gọi là sức phản điện động).Có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng của động cơ.Theo sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:

U = E +Iư(Rư+Rp ) (1.1) Trong đó: U: điện áp lưới (V)

E: Sức điện động của động cơ (V)

Iư::dòng điện phần ứng của động cơ (A)

H.3.Sơ đồ động cơ một chiều kích từ độc lập

Rư:Điện trở của mạch phần ứng (Ω) Rp:Điện trở phụ trong mạch phần ứng(Ω)

Rư:Điện trở mạch phần ứng (Ω)

Rư = rư +rct+ rcb + rcp

rư : Điện trở cuộn dây phần ứng

rct : Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp

k : Hệ số cấu tạo của động cơ

+Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:

n

Ke =

a PN

60 : Hệ số sức điện động của động cơ

Ke =

55 , 9

Biểu thức (1.3) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi :

cơ bằng với mômen điện từ, ta ký hiệu M Nghĩa là Mđt = Mcơ = M

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

- Giả sử rằng phần ứng của động cơ dược bù đủ,từ thông  =const, thì phương

trình đặc tính cơ điện(1.3) và phương trình đặc tính cơ (1.4) là tuyến tính.Khi đó dồ

thị của chúng được biểu diễn trên hình vẽ là những đường thẳng

1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiêu kích từ độc lập

Theo đồ thị trên khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có:

Khi đó thì 0 được là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ Còn khi  = 0

ta có từ phương trình đặc tính cơ của động cơ và phương trình đặc tính cơ của động

cơ điện một chiều kích từ độc lập.Ta có:

Qua đồ thị đường đặc tính cơ điện, đặc tính cơ của động cơ một chiều ta thấy đồ thị là đường thẳng Nên phương trình đặc tính cơ có dạng :

Tốc dộ động cơ 0 là tốc độ ứng với Mc = 0 nghĩa là khi không có lực cản nào cả.Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ổ chế độ động cơ

vì không bao giờ xảy ra được trường hợp Mc = 0 (do lực ma sát luôn luôn tồn tai

H.4.b.Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

khi động cơ quay)Vì vậy như ta đã nói ở trên 0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ

Khi mà toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức như thiết kế và không mắc thêm điện trở phụ vào mạch động cơ thì phương trình đặc tính cơ của

động cơ được viết là:

 =

- M (1.5)

Thì khi này đường đặc tính cơ lúc này được gọi là đường đặc tính cơ tự nhiên và đường đặc tính cơ tự nhiên được biểu diễn như hình vẽ:

- Với đường đặc tính cơ như vậy.khi mà phụ tải của động cơ tăng dần từ

Mc= 0 đến Mc= Mđm thì tốc độ động cơ sẽ giảm dần từ xuống ωđm.Khi đó điểm A(đm , Mđm) gọi là điểm làm việc định mức của động cơ

H.5.Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ 1 chiều kích từ độc lập

1.2.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ Đ/C

* ) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng :

Ta có từ thông được giữ không đổi Điện áp phần ứng được cấp từ bộ biến đổi Khi thay đổi điện áp U cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có họ đặc tính cơ ứng với các tốc độ không tải khác nhau , song song nhau như hìng vẽ đường đặc tinh cơ trên Như ta biết điện áp chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U < Udm) nên phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ

+) Phương pháp này có những đặc điểm sau :

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

H.6.b.Đặc tính cơ khi điện áp phần ứng thay đổi H.6.a.Sơ đồ thay đổi điện áp phần ứng

- 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 momen là như nhau Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều

chỉnh Do vậy sai số tốc độ tương đối ( sai số tĩnh ) của đặc tính cơ thấp nhất

không vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh

- Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể : D ~ 10 : 1

- Chỉ thay đổi được tốc độ về phía giảm ( vì chỉ có thể thay đổi với Uư <Iđm)

- Phương pháp này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra

+) Sơ đồ cấu trúc của phương pháp :

H.7.Sơ đồ cấu trúc của phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

* ) 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 từ của động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ Rõ ràng , Phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nghĩa là chỉ có thể giảm dòng điện kích từ ( Ikt < Iktđm ) do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông Khi giảm từ thông , đặc tính dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn Ta có họ đặc tính cơ khi khi giảm từ thông như hình vẽ trên

Phương pháp này cũng có những đặc điểm sau :

- Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn, mềm hơn

- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh : D ~ 3 : 1

- Chỉ thay đổi được tốc độ về phía tăng theo phương pháp này

- Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính cơ sẽ cắt nhau và do vậy , với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm , còn ở vùng tải lớn (M2) thì tốc độ có thể tăng hoặc giảm tuỳ theo tải Thực tế , phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức

H.8.Sơ đồ cấu trúc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

- Phương pháp này 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 rất kinh tế

* ) Sơ đồ cấu trúc của phương pháp :

* ) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng :

H.9 Sơ đồ cấu trúc của phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

H.10a.Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách

thay đổi điện trở ở mạch phần ứng H.10b.Đặc tính cơ của điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng

Khi tăng điện trở mạch phần ứng , đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở mạch phần ứng được biểu diễn như trên

Đặc điểm của phương pháp này là:

- Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn ( càng mềm), độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn

- Phương pháp này cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm ( do chỉ có thể tăng thêm điện trở )

- Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng nên tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở khi điều chỉnh là khá lớn

- Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số momen tải Tải càng nhỏ ( M1 ) thì dải điều chỉnh D càng nhỏ Nói chung phương pháp này cho : D ~ 5 : 1

- Về nguyên tắc phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi đều điện trở nhưng vì dòng Rotor lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn Thực tế thường thực hiện chuyển đổi theo từng cặp điện trở

Với những đặc điểm như trên lại gây tổn hao nên phương pháp này ít được

sử dụng

1.3.Xây dựng sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Từ đồ động cơ một chiều kích từ độc lập ,ta có được phương trình:

u=e + Lư +i.Rư

Chương 2:Dựng cấu trúc điều khiển mạch vòng điều khiển

2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện

Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ thống chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản.Chức năng cơ bản của mạch vòng điện trong hệ thống truyển động một chiều và xoay chiều là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định momen kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bào vệ, điều chỉnh gia tốc…

2.1.1 sơ đồ mạch mạch tổng quát:

Trong đó:

f=

:là hàm truyền khâu lọc

Ri : là bộ điều khiển dòng điện

Tđk,Tvo,Tư,Ti,,Tf:hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lưu, sự chuyển mạch chỉnh lưu, phần ứng, sensor dòng điện,của mạch lọc

Rư:điện trở mạch phần ứng

Kcl:hệ số chỉnh lưu

2.1.2.Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động của động cơ

H.12.Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện

H.13.Sơ đồ mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động của động cơ

Trong trường hợp hệ thống truyền động điện có hằng số thời gian cơ học rất lớn hơn hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng thì ta có thể coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện (tức là coi ∆E=0 hoặc E=0)

Hàm truyền của mạch vòng dòng điện(của đối tượng điều chỉnh) là như sau:

Bộ điều khiển có dạng RI =

(1+pTi) Vậy hàm truyền của hệ khi có bộ điều khiển là:

So có dạng

Áp dụng tiêu chuẩn tích phân trị tuyệt đối sai lệch với thời gian (ITAE)ta có hàm truyền

của hệ thống kín như sau: