Mục tiêu của bài toán là ta phải thiết kế một hệ truyền động điện hoàn chỉnh bao gôm các thành phần động cơ, bộ biến đổi, bộ điều khiển, cảm biến tốc độ, cảm biến dòng điện…tạo thành một hệ kín. Ta phải xác định được tốc độ của băng tải với tải M trên đó rồi đưa các giá trị này về bộ điều khiển kết hợp với các thuật toán điều khiển để điều khiển góc mở các van công suất của bộ biến đổi công suất. Đảm bảo việc tính chọn các linh kiện trong hệ thống phù hợp với yêu cầu bài toán, đảm bảo tính ổn định, chính xác. Việc thiết kế bộ điều khiển và các thuật toán đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển động cơ chạy đúng với giá trị mong muốn, bám theo những giá trị đặt. Nguyên lý hoạt động như sau: Bộ điều khiển sẽ lấy giá trị từ các cảm biến, so sánh với giá trị mong muốn, từ đó xử lí áp dụng các thuật toán để điều khiển bộ biến đổi công suất để động cơ đáp ứng được những giá trị mong muốn trong thời gian ngắn nhất, bộ điều khiển có khả năng tự điều chỉnh khi tải có sự thay đổi hay những nhiễu đặt vào hệ thống. Các bước xây dựng bộ điều khiển bao gồm: Xác định cấu trúc bộ điều khiển, xây dựng thuật toán, tính toán các tham số, mô phỏng và chỉnh định. Vì vậy việc chọn lựa các chi tiết phần cứng và thiết kế phần mềm điều khiển hệ thống có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Với mục đích cuối cùng là đảm bảo hệ ổn định, đạt chất lượng cao và đáp ứng tốt yêu cầu của bài toán.
Giới thiệu bài toán
Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống truyền động điện.
Cơ cấu công tác gồm một băng tải được gắn cố định bởi hai bánh đà có bán kính 0.15m, trong đó một bánh đà hoạt động như ròng rọc và bánh đà còn lại được kết nối với trục động cơ Động cơ một chiều kích từ độc lập được sử dụng để điều khiển trục bánh đà, tạo ra momen quay giúp băng tải chuyển động theo chiều mong muốn Trên băng tải có một vật M nặng 4kg, và mục tiêu là điều chỉnh tốc độ động cơ để đạt được tốc độ băng tải như yêu cầu Nguồn điện cung cấp cho hệ thống được xác định theo yêu cầu bài toán.
3 pha 220V/ 380V Sơ đồ tổng quát của hệ truyền động điện được mô tả như trên hình 1.1.
Tốc độ yêu cầu của hệ như sau bao gồm các giai đoạn: Tăng tốc, ổn định vận tốc, giảm tốc, đảo chiều.
Sơ đồ tốc độ mong muốn của tải.
1.2 Phân tích các yêu cầu của hệ truyền động điện:
Mục tiêu của bài toán là thiết kế một hệ truyền động điện hoàn chỉnh, bao gồm động cơ, bộ biến đổi, bộ điều khiển, cảm biến tốc độ và cảm biến dòng điện, tạo thành một hệ kín Cần xác định tốc độ của băng tải với tải M và đưa các giá trị này về bộ điều khiển, kết hợp với các thuật toán điều khiển để điều chỉnh góc mở các van công suất của bộ biến đổi Việc tính chọn linh kiện trong hệ thống phải phù hợp với yêu cầu bài toán, đảm bảo tính ổn định và chính xác.
Việc thiết kế bộ điều khiển và các thuật toán là rất quan trọng để đảm bảo động cơ hoạt động đúng với giá trị mong muốn Bộ điều khiển nhận giá trị từ cảm biến, so sánh với giá trị đặt, và áp dụng các thuật toán để điều chỉnh bộ biến đổi công suất, giúp động cơ đáp ứng nhanh chóng Nó cũng có khả năng tự điều chỉnh khi có sự thay đổi tải hoặc nhiễu trong hệ thống Các bước xây dựng bộ điều khiển bao gồm xác định cấu trúc, phát triển thuật toán, tính toán tham số, mô phỏng và điều chỉnh.
Việc lựa chọn các chi tiết phần cứng và thiết kế phần mềm điều khiển hệ thống có mối liên hệ chặt chẽ, nhằm đảm bảo hệ thống ổn định, đạt chất lượng cao và đáp ứng tốt yêu cầu của bài toán.
1.2.2 Cấu trúc chung của hệ truyền động điện:
Về cấu trúc, sơ đồ tổng thể của hệ thống (hình 1.3) bao gồm các khâu:
Hình 1.3: Cấu trúc chung của hệ thống.
- Nguồn điện: Theo như yêu cầu đề bài thì nguồn cung cấp cho mạch là nguồn điện 3 xoay chiều ba pha 220/380.
- Động cơ điện 1 chiều: Biến đổi điện năng thành cơ năng Hoạt động trên nguồn điện một chiều Cuộn kích từ độc lập với cuộn dây phần ứng
Bộ biến đổi là thiết bị bao gồm các van công suất được điều khiển bởi bộ điều khiển, có chức năng chuyển đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều Điều này cung cấp cho động cơ với khả năng điều chỉnh điện áp đầu vào, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Bộ điều khiển là khối thiết yếu trong hệ thống, đóng vai trò điều khiển bộ biến đổi Nó bao gồm các thiết bị nhận dữ liệu đo lường, bộ điều chỉnh tham số và thuật toán điều khiển, giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.
Cảm biến dòng điện và encoder đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập thông tin về dòng điện phần ứng và tốc độ động cơ, sau đó truyền tải dữ liệu này về bộ điều khiển.
Hệ thống truyền động điện được phân loại thành hai loại: hệ hở và hệ kín Hệ hở không có phản hồi, trong khi hệ kín có phản hồi, tức là giá trị đầu ra được gửi trở lại đầu vào dưới dạng tín hiệu để điều chỉnh điều khiển, nhằm đạt được giá trị đầu ra mong muốn.
Với yêu cầu đề bài như trên, cần lựa chọn các phần tử của hệ thống sao cho phù hợp.
1.3 Quy đổi tải về trục động cơ:
1.3.1.Phân tích yêu cầu của tải:
Hệ truyền động điện bao gồm phần cơ khí với các phần tử chuyển động từ rotor động cơ đến cơ cấu sản xuất Mỗi cơ cấu trong hệ truyền động có các đại lượng như ω, M, v, F, J Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính toán, các đại lượng này thường được quy đổi về trục động cơ, với nguyên tắc đảm bảo năng lượng của hệ trước và sau quy đổi không thay đổi.
Tốc độ của bẳng tải được mô tả như trên hình 1.2.
Trong đó có 6 giai đoạn:
Giai đoạn 1: từ thời điểm 0s đến 1s thì tốc độ băng tải tăng theo chiều thuận từ 0 đến 5m/s.
Giai đoạn 2: thời điểm 1s đến 3s thì tốc độ băng tải giữ nguyên 5m/s.
Giai đoạn 3: thời điểm 3s đến 3.5s thì tốc độ băng tải giảm về 0m/s
Giai đoạn 4: thời điểm 3.5s đến 4s thì động cơ quay với chiều nghịch tốc độ băng tải tăng lên 5m/s
Giai đoạn 5: thời điểm 4s đến 6s thì tốc độ băng tải giữ nguyên 5m/s.
Giai đoạn 6: thời điểm 6s đến 7s thì tốc độ băng tải giảm về 0m/s.
Nguồn điện sử dụng cho động cơ điện một chiều là nguồn xoay chiều 3 pha 220V/380V, do đó cần thiết phải sử dụng bộ biến đổi phù hợp để chuyển đổi nguồn điện.
Hệ thống phải hoạt động ổn định, sai số nằm trong khoảng cho phép, dễ dàng điều khiển.
1.3.2 Tính toán quy đổi các đại lượng cơ học: a) Quy đổi tốc độ dài của băng tải về tốc độ góc của động cơ:
Ta có công thức chuyển đổi tốc độ dài và tốc độ góc:
Vbt : Tốc độ của băng tải (m/s).
: Tốc độ của trục động cơ (rad/s). r : Bán kính bánh đà của băng tải (m)
Từ sơ đồ của tốc độ băng tải mong muốn (Hình 1.2) ta quy đổi về tốc độ các thời điểm trên trục động cơ:
Ta có đồ thị tốc độ góc trên trục động cơ:
Hình 1.4 Đồ thị tốc độ động cơ b) Quy đổi momen về trục động cơ:
Ta có công thức tính momen yêu cầu từ động cơ:
Bỏ qua momen quán tính Jm và lực cản fL, ta có:
Tại thời điểm từ 0s đến 1s:
Tại thời điểm từ 1s đến 3s:
Tại thời điểm từ 3s đến 3.5s:
Tại thời điểm từ 3.5s đến 4s:
Tại thời điểm từ 4s đến 6s:
Tại thời điểm từ 6s đến 7s:
Từ các kết quả, ta có đồ thì momen của phụ tải (hình 1.5).
Hình 1.5 Đồ thị momen phụ tải. c) Công suất yêu cầu của động cơ:
Ta có công thức tính công suất động cơ:
Từ công thức trên ta áp dụng vào tính toán công suất của động cơ tại các thời điểm:
Từ 1s đến 3s tốc độ động cơ không thay đổi:
Ta có đồ thị công suất của động cơ:
Hình 1.6 Đồ thị công suất của động cơ
1.4 Tính chọn công suất động cơ
Từ đồ thị công suất của động cơ được vẽ như hình 1.6, ta dễ dàng tính ra được công suất đẳng trị của động cơ theo công thức:
(1.5) Động cơ chọn phải có:
Chọn hệ số dự trữ Lúc này:
1.4.2 Momen đẳng trị yêu cầu:
Dựa vào đồ thị mô men của động cơ như hình 1.5, chúng ta có thể dễ dàng tính toán mô men đẳng trị của động cơ bằng công thức Việc lựa chọn động cơ phù hợp là rất quan trọng.
Chọn hệ số dự trữ Lúc này:
1.5 Tổng hợp đặc tính tải yêu cầu:
Từ các đồ thị tốc độ ( Hình 1.4), momem ( Hình 1.5) và công suất ( Hình 1.6) ta rút ra được kết luận.
Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ I.
Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ II.
Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ III.
Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ IV.
Vậy động cơ làm việc ở cả 4 góc phần tư.
Hình 1.7: Sơ đồ bốn góc phần tư.
1.6 Lựa chọn động cơ và hộp số:
Từ cỏc thụng số đó tớnh toỏn ta chọn động cơ 148867 RE 40 ỉ40 mm, GraphiteBrushes, 150 Watt của hãng MAXON sản xuất:
Hỡnh 1.8: Động cơ 148867 RE 40 ỉ40 mm, Graphite Brushes, 150 Watt
Bảng tham số của động cơ:
Tên tham số Giá trị Đơn vị đo
Công suất định mức 150 W Điện áp định mức 24 V
Tốc độ định mức 6940 Vòng/phút
Tốc độ tối đa 12000 Vòng/phut
Bảng 1.1: Thông số của động cơ
Ta kiểm nghiệm lại động cơ:
- Tốc độ định mức của động cơ:
- Hệ truyền động cần tốc độ 33,33 (rad/s)
Động cơ hiện tại có tốc độ rất cao nhưng momen lại thấp, không đủ để đáp ứng yêu cầu tải Do đó, cần lắp thêm hộp số phù hợp để tăng momen và giảm tốc độ của động cơ.
Vậy hệ số giảm tốc cần thiết nhỏ hơn hoặc bằng: - Ta chọn hộp số có thông số cơ bản sau :
Thông số Giá trị Đơn vị
Bảng 1.2: Thông số của hộp số
Ta kiểm nghiệm lại hộp số :
- Tốc độ định mức quy đổi: = 36,3 > 33,33 (rad/s)
- Momen định mức quy đổi: Tmax = Tđm.20 = 0,177.20 = 3,54 > 3,06 (N.m)
Vậy hộp số đáp ứng được yêu cầu hệ thống truyền động.
Sau khi chọn được hộp số ta tính lại chính xác tốc độ và momen quy đổi về trục động cơ như sau :
Hình 1.9 : Tốc độ yêu cầu của động cơ khi gắn giảm tốc.
Hình 1.10 : Momen của động cơ khi gắn giảm tốc.
1.7 Thông số bộ biến đổi công suất :
1.7.1 Phân tích yêu cầu của hệ truyền động điện :
Để điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập, phương án thay đổi tốc độ bằng cách điều chỉnh điện áp phần ừng là lựa chọn tối ưu Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm, như không gây thêm tổn hao cho động cơ và yêu cầu nguồn điện riêng có khả năng điều chỉnh Tuy nhiên, cần lưu ý rằng tốc độ quay chỉ có thể giảm xuống dưới mức định mức, vì không thể nâng cao điện áp vượt quá mức định mức của động cơ.
1.7.2 Bộ biến đổi công suất :
Chúng tôi lựa chọn hệ chỉnh lưu-động cơ (T-Đ) với 2 bộ chỉnh lưu cầu 3 pha mắc song song ngược, như đã trình bày ở mục 1.6.1 và mô tả trong hình 1.7, vì những lý do sau đây.
- Tốc độ yêu cầu của tải không quá lớn (33.3 rad/s).
- Có khả năng điều chỉnh cho động cơ hoạt động ở cả 4 góc phần tư theo yêu cầu của tải.
- Thiết kế đơn giản và dễ điều khiển.
Hình 1.11 : Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha gồm 2 bộ mắc song song ngược.
1.7.4 Tính chọn Thyristor cho bộ biến đổi công suất : Điện áp ngược lớn nhất mà thyristor phải chịu:
Điện áp tải, điện áp nguồn xoay chiều và điện áp ngược của van là những yếu tố quan trọng trong hệ thống điện Các hệ số điện áp ngược và điện áp tải cần được xem xét kỹ lưỡng Đối với bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng, điện áp ngược mà thyristor cần chọn cũng đóng vai trò quyết định trong hiệu suất hoạt động của mạch.
Dòng làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng:
Trong đó: hệ số xác định dòng điện hiệu dụng ()
Phân tích yêu cầu của hệ truyền động điện
Cấu trúc chung của một hệ truyền động điện
- Nguồn điện: Theo như yêu cầu đề bài thì nguồn cung cấp cho mạch là nguồn điện 3 xoay chiều ba pha 220/380.
- Động cơ điện 1 chiều: Biến đổi điện năng thành cơ năng Hoạt động trên nguồn điện một chiều Cuộn kích từ độc lập với cuộn dây phần ứng
Bộ biến đổi là thiết bị gồm các van công suất, được điều khiển bởi bộ điều khiển, có chức năng chuyển đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều Nguồn điện này cung cấp cho động cơ với khả năng điều chỉnh điện áp đầu vào cho động cơ.
Bộ điều khiển là thiết bị quan trọng trong hệ thống điều khiển, có chức năng điều chỉnh bộ biến đổi Nó bao gồm các cơ cấu nhận dữ liệu đo lường, bộ điều chỉnh tham số và thuật toán điều khiển, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Cảm biến dòng điện và encoder là những thiết bị quan trọng, giúp thu thập thông tin về dòng điện phần ứng và tốc độ của động cơ, sau đó truyền dữ liệu này về bộ điều khiển.
Hệ thống truyền động điện được phân loại thành hai loại: hệ hở và hệ kín Hệ hở không có phản hồi, trong khi hệ kín có phản hồi, tức là giá trị đầu ra được gửi trở lại đầu vào dưới dạng tín hiệu Điều này giúp điều chỉnh quá trình điều khiển, đảm bảo đầu ra đạt giá trị mong muốn.
Với yêu cầu đề bài như trên, cần lựa chọn các phần tử của hệ thống sao cho phù hợp.
Quy đổi tải về trục động cơ
Phân tích yêu cầu của tải
Hệ truyền động điện bao gồm phần cơ khí với các thành phần chuyển động từ rotor động cơ đến cơ cấu sản xuất Mỗi cơ cấu trong hệ truyền động có các đại lượng như ω, M, v, F, J Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính toán, người ta thường quy đổi tất cả các đại lượng này về trục động cơ, với nguyên tắc đảm bảo rằng năng lượng của hệ thống trước và sau khi quy đổi không thay đổi.
Tốc độ của bẳng tải được mô tả như trên hình 1.2.
Trong đó có 6 giai đoạn:
Giai đoạn 1: từ thời điểm 0s đến 1s thì tốc độ băng tải tăng theo chiều thuận từ 0 đến 5m/s.
Giai đoạn 2: thời điểm 1s đến 3s thì tốc độ băng tải giữ nguyên 5m/s.
Giai đoạn 3: thời điểm 3s đến 3.5s thì tốc độ băng tải giảm về 0m/s
Giai đoạn 4: thời điểm 3.5s đến 4s thì động cơ quay với chiều nghịch tốc độ băng tải tăng lên 5m/s
Giai đoạn 5: thời điểm 4s đến 6s thì tốc độ băng tải giữ nguyên 5m/s.
Giai đoạn 6: thời điểm 6s đến 7s thì tốc độ băng tải giảm về 0m/s.
Nguồn điện sử dụng cho động cơ điện một chiều là nguồn xoay chiều 3 pha 220V/380V, do đó cần thiết phải có bộ biến đổi phù hợp để chuyển đổi nguồn điện.
Hệ thống phải hoạt động ổn định, sai số nằm trong khoảng cho phép, dễ dàng điều khiển.
1.3.2 Tính toán quy đổi các đại lượng cơ học: a) Quy đổi tốc độ dài của băng tải về tốc độ góc của động cơ:
Ta có công thức chuyển đổi tốc độ dài và tốc độ góc:
Vbt : Tốc độ của băng tải (m/s).
: Tốc độ của trục động cơ (rad/s). r : Bán kính bánh đà của băng tải (m)
Từ sơ đồ của tốc độ băng tải mong muốn (Hình 1.2) ta quy đổi về tốc độ các thời điểm trên trục động cơ:
Ta có đồ thị tốc độ góc trên trục động cơ:
Hình 1.4 Đồ thị tốc độ động cơ b) Quy đổi momen về trục động cơ:
Ta có công thức tính momen yêu cầu từ động cơ:
Bỏ qua momen quán tính Jm và lực cản fL, ta có:
Tại thời điểm từ 0s đến 1s:
Tại thời điểm từ 1s đến 3s:
Tại thời điểm từ 3s đến 3.5s:
Tại thời điểm từ 3.5s đến 4s:
Tại thời điểm từ 4s đến 6s:
Tại thời điểm từ 6s đến 7s:
Từ các kết quả, ta có đồ thì momen của phụ tải (hình 1.5).
Hình 1.5 Đồ thị momen phụ tải. c) Công suất yêu cầu của động cơ:
Ta có công thức tính công suất động cơ:
Từ công thức trên ta áp dụng vào tính toán công suất của động cơ tại các thời điểm:
Từ 1s đến 3s tốc độ động cơ không thay đổi:
Ta có đồ thị công suất của động cơ:
Tính chọn công suất động cơ
Từ đồ thị công suất của động cơ được vẽ như hình 1.6, ta dễ dàng tính ra được công suất đẳng trị của động cơ theo công thức:
(1.5) Động cơ chọn phải có:
Chọn hệ số dự trữ Lúc này:
1.4.2 Momen đẳng trị yêu cầu:
Dựa vào đồ thị mô men của động cơ được trình bày trong hình 1.5, chúng ta có thể dễ dàng tính toán momen đẳng trị của động cơ theo công thức đã cho Việc lựa chọn động cơ phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Chọn hệ số dự trữ Lúc này:
Tổng hợp đặc tính tải yêu cầu
Từ các đồ thị tốc độ ( Hình 1.4), momem ( Hình 1.5) và công suất ( Hình 1.6) ta rút ra được kết luận.
Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ I.
Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ II.
Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ III.
Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ IV.
Vậy động cơ làm việc ở cả 4 góc phần tư.
Hình 1.7: Sơ đồ bốn góc phần tư.
Lựa chọn động cơ và hộp số
Từ cỏc thụng số đó tớnh toỏn ta chọn động cơ 148867 RE 40 ỉ40 mm, GraphiteBrushes, 150 Watt của hãng MAXON sản xuất:
Hỡnh 1.8: Động cơ 148867 RE 40 ỉ40 mm, Graphite Brushes, 150 Watt
Bảng tham số của động cơ:
Tên tham số Giá trị Đơn vị đo
Công suất định mức 150 W Điện áp định mức 24 V
Tốc độ định mức 6940 Vòng/phút
Tốc độ tối đa 12000 Vòng/phut
Bảng 1.1: Thông số của động cơ
Ta kiểm nghiệm lại động cơ:
- Tốc độ định mức của động cơ:
- Hệ truyền động cần tốc độ 33,33 (rad/s)
Tốc độ của động cơ vượt quá yêu cầu cần thiết, nhưng momen lại thấp không đủ để đáp ứng tải Do đó, việc lắp thêm hộp số phù hợp là cần thiết để tăng momen và giảm tốc độ của động cơ.
Vậy hệ số giảm tốc cần thiết nhỏ hơn hoặc bằng: - Ta chọn hộp số có thông số cơ bản sau :
Thông số Giá trị Đơn vị
Bảng 1.2: Thông số của hộp số
Ta kiểm nghiệm lại hộp số :
- Tốc độ định mức quy đổi: = 36,3 > 33,33 (rad/s)
- Momen định mức quy đổi: Tmax = Tđm.20 = 0,177.20 = 3,54 > 3,06 (N.m)
Vậy hộp số đáp ứng được yêu cầu hệ thống truyền động.
Sau khi chọn được hộp số ta tính lại chính xác tốc độ và momen quy đổi về trục động cơ như sau :
Hình 1.9 : Tốc độ yêu cầu của động cơ khi gắn giảm tốc.
Hình 1.10 : Momen của động cơ khi gắn giảm tốc.
Thông số bộ biến đổi công suất
Tính chọn các cảm biến
Lựa chọn thiết bị bảo vệ
Lựa chọn bộ điều khiển
Theo như yêu cầu, ta cần phải sử dụng 2 mạch vòng điều khiển để điều khiển hệ thống đó là:
Mạch vòng tốc độ: Dùng để kiểm soát tốc độ động cơ theo tốc độ mong muốn
Mạch vòng dòng điện: Kiểm soát dòng điện phần ứng của động cơ (khi khởi động động cơ).
Sơ đồ khổi mô ta hệ thống tổng quát được thể hiện ở hình 1.9 :
Hình 1.17 Sơ đồ khối hệ thống
Bảng 1.1: Thông số các thành phần trong hệ thống
Tên chi tiết Thông số Động cơ MAXON 148867 RE 40 ỉ40 mm, Graphite Brushes, 150
- Tốc độ định mức : 6940 rpm
Encoder HA25 -Điện áp đính mức: 5-26V DC
-Dòng tiêu thụ: < 80mA -Công nghệ: sử dụng công nghệ quang học. -Tốc độ làm việc tối đa: 8000 (RPM)
-Số kênh: 3 kênh Cảm biến dòng HST21 50A -Giới hạn đo: ±50 A
- Điện áp đầu ra định mức: ±4VDC ± 0.1% (RL KΩ)
-Thời gian đỏp ứng: < 3 às
- Dòng tiêu thụ: trong khoảng 15mA Thyristor 40TPS12A
-Điện áp ngược cực đai: 800-1200V -Dòng điện cực đại: 40A
-Điện áp của xung điều khiển: 4V
Aptomat CHINT NXB-63-C63 - Dòng đinh mức : 4A
- Dòng cắt ngắn mạch : 6kA
- Loại: 3 pha Cầu chì R015-5A - Dòng định mức 5 A
- Dòng cắt cực đại: 100 A (AC), 5kA (DC).
MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Mô hình toán học các khâu trong hệ thống ……………………28 1 Mô hình toán học của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển ….28
Và hàm truyền bộ chỉnh lưu viết gần đúng từ khai triển macloren là :
Ta có mô hình toán học của bộ biến đổi chỉnh lưu cầu 3 pha:
Hình 2.7 Mô hình toán học bộ biến đổi chỉnh lưu cầu 3 pha
2.3.2 Mô hình toán học của cảm biến a) Phản hồi dòng diện:
Mô hình toán học của phản hồi dòng điện có thế biểu diễn bằng 1 hệ thống khuếch đại
Trong đa số trường hợp không yêu cầu có bộ lọc
Trong trường hợp cần sử dụng bộ lọc, một bộ lọc thông thấp sẽ được áp dụng với hằng số thời gian thường nhỏ hơn 1ms Ở đây, chúng ta chọn Hc = 1 để đảm bảo hiệu quả phản hồi tốc độ.
Trong các hệ thống trước đây, máy phát tốc được sử dụng để đo tốc độ Thường thì, một bộ lọc thông thấp với hằng số thời gian dưới 10ms được áp dụng Hàm truyền đạt của khâu phản hồi tốc độ đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và cải thiện độ chính xác của hệ thống.
Hệ số khuếch đại của cảm biến và hằng số thời gian của bộ lọc là những yếu tố quan trọng trong việc xác định hàm truyền đạt khâu phản hồi tốc độ Ở điều kiện làm việc với = 0.02 và = 1, ta có thể xác định rõ ràng các thông số này để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.
Xây dựng mô hình toán học của hệ thống
Tổng hợp hệ thống truyền động điện 1 chiều hoạt động ở 4 góc phần tư cấp nguồn từ chỉnh lưu cầu 3 pha.
Thay thế mô hình hàm truyền đạt của động cơ điện một chiều kích từ độc lập đã xây dựng ở mục 2.1, ta được mô hình như sau:
Hình 2.8 Mô hình tổng quát từ tốc độ mong muốn.
Hàm truyền của bộ điều khiển dòng điện và bộ điều khiển tốc độ theo phương pháp hàm chuẩn đã được xác định là khâu PI:
Thay các tham số đã tính toán ta có sơ đồ mô hình toán học của hệ thống như sau:
Hình 2.9 Mô hình toán học của hệ thống.
TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 3.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện
Tổng hợp mạch vòng tốc độ
Ta có mạch vòng tốc độ:
Hình 3.5: Mạch vòng tốc độ.
Hàm khuếch đại của hệ là: Để giảm bậc của hệ thống, ta sử dụng phép xấp xỉ sau trong lân cận của tần số cắt:
Chúng ta sẽ thiết lập một hằng số thời gian tương ứng với thời gian trễ của mạch phản hồi tốc độ và mạch vòng dòng điện Tổng thời gian trễ của hai mạch này rất nhỏ so với thời gian tích phân, dẫn đến sự xấp xỉ như sau:
(s) Hàm truyền đạt hệ kín như sau:
Hàm truyền được tối ưu hóa để đạt dải tần số rộng với biên độ bằng 1 trong khoảng tần số đó, thông qua việc tìm kiếm đáp ứng tần số của hàm truyền.
| Cho hệ số và bằng 0:
Thay các điều kiện này bằng tham số động cơ và bộ điều khiển:
Thay thế và vào hàm truyền hệ kín:
Thêm khâu bù để giảm tốc độ quá điều chỉnh, ta được:
Thay số vào ta có:
Hình 3.6: Mạch vòng tốc độ xấp xỉ
PHỎNG, KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG 4.1 Mô hình mô phỏng trên Matlab
Sơ đồ tổng thể hệ thống truyền động
Hình 4.1: Sơ đồ tổng thể của cả hệ thống.
Hệ thống với những thông số tổng quan như:
Nguồn xoay chiều 3 pha AC 220/380V
Mạch chỉnh lưu 3 pha có điều khiển
Động cơ một chiều kích từ độc lập
Thông số của động cơ một chiều kích từ độc lập
Hình 4.2 Thông số của động cơ.
Thông số bộ điều khiển của hệ thống
Bộ điều khiển hoạt động thông qua hai mạch vòng: mạch điều khiển dòng điện và mạch điều khiển tốc độ Sau khi tổng hợp các mạch vòng này, chúng ta có được các thông số điều khiển cần thiết.
Hình 4.3: Thông số điều khiển của hệ thống.
Những thông số cần xác định và đã được tinh chỉnh:
4.1.4 Khối điều khiển bộ biến đổi công suất:
Hình 4.4: Khối điều khiển bộ biến đổi công suất.
4.1.5 Khâu tạo tín hiệu đặt tốc độ
Hình 4.5: Tín hiệu đặt tốc độ theo thời gian của hệ thống
4.1.6 Khâu tạo tín hiệu momen:
Hình 4.6: Tín hiệu momen theo thời gian đặt vào động cơ
4.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá:
4.2.1 Tốc độ của động cơ:
Hình 4.7: Tốc độ động cơ ( màu cam) và tốc độ đặt (màu xanh)
Động cơ thể hiện tốc độ thực tế gần như bám sát tốc độ mong muốn, đặc biệt trong giai đoạn ổn định Tuy nhiên, trong khoảng thời gian giảm tốc và đảo chiều từ 3-4 giây, tốc độ có sự lệch đáng kể, với những thay đổi đột ngột xuất hiện tại các thời điểm 3 giây và 4 giây.
Hình 4.8: Momen của động cơ ( màu xanh) và momen tải (màu cam).
Nhận xét: -Momen của động cơ đã bám được theo đồ thị của momen tải
- Thời gian quá độ ngắn.
- Khoảng biến động của momen thực tế quanh momen yêu cầu là khá lớn, nhưng nằm trong khoảng chấp nhận được.
- Nhìn chung, Momen của động cơ đo được đáp ứng khá tốt với momen mong muốn.
4.2.3 Dòng điện của động cơ:
Hình 4.10 Dòng điện đặt vào động cơ.
Đồ thị dòng điện vào phần ứng động cơ có hình dạng tương tự như momen đặt vào động cơ Thời gian quá độ ngắn và biên độ nằm trong vùng hoạt động ổn định của động cơ.
4.2.4 Đồ thị của động cơ sau giảm tốc:
Hình 4.11 Tốc độ động cơ sau giảm tốc (màu xanh) và tốc độ yêu cầu (màu cam)
Hình 4.12 Momen động cơ sau giảm tốc (màu xanh) và momen động cơ yêu cầu
Nhận xét: - Đồ thị tốc độ và momen sau giảm tốc có dạng tương tự như trước giảm tốc, chỉ khác nhau là ở biên độ.
- Như vậy tốc độ và momen đáp ứng được với yêu cầu của tải.
- Momen của động cơ vẫn còn bị biến động khá nhiều hệ thống cần phải tiếp tục điều chỉnh để nâng cao chất lượng điều khiển.
Khâu tạo tín hiệu đặt tốc độ
Hình 4.5: Tín hiệu đặt tốc độ theo thời gian của hệ thống
Khâu tạo tín hiệu momen
Hình 4.6: Tín hiệu momen theo thời gian đặt vào động cơ
Kết quả mô phỏng và đánh giá
4.2.1 Tốc độ của động cơ:
Hình 4.7: Tốc độ động cơ ( màu cam) và tốc độ đặt (màu xanh)
Tốc độ thực của động cơ đã đạt được sự chính xác gần như hoàn hảo trong các giai đoạn ổn định, tuy nhiên vẫn có những khoảng giảm tốc và đảo chiều từ 3-4 giây, tại đó tốc độ bị lệch nhiều nhất Đặc biệt, có một số điểm xuất hiện sự thay đổi tốc độ đột ngột, như vào thời điểm 3 giây và 4 giây.
Hình 4.8: Momen của động cơ ( màu xanh) và momen tải (màu cam).
Nhận xét: -Momen của động cơ đã bám được theo đồ thị của momen tải
- Thời gian quá độ ngắn.
- Khoảng biến động của momen thực tế quanh momen yêu cầu là khá lớn, nhưng nằm trong khoảng chấp nhận được.
- Nhìn chung, Momen của động cơ đo được đáp ứng khá tốt với momen mong muốn.
4.2.3 Dòng điện của động cơ:
Hình 4.10 Dòng điện đặt vào động cơ.
Đồ thị dòng điện cung cấp cho phần ứng của động cơ tương tự như momen đặt vào động cơ Thời gian quá độ ngắn và biên độ nằm trong vùng hoạt động ổn định của động cơ.
4.2.4 Đồ thị của động cơ sau giảm tốc:
Hình 4.11 Tốc độ động cơ sau giảm tốc (màu xanh) và tốc độ yêu cầu (màu cam)
Hình 4.12 Momen động cơ sau giảm tốc (màu xanh) và momen động cơ yêu cầu
Nhận xét: - Đồ thị tốc độ và momen sau giảm tốc có dạng tương tự như trước giảm tốc, chỉ khác nhau là ở biên độ.
- Như vậy tốc độ và momen đáp ứng được với yêu cầu của tải.
- Momen của động cơ vẫn còn bị biến động khá nhiều hệ thống cần phải tiếp tục điều chỉnh để nâng cao chất lượng điều khiển.