Thiết kế bộ điều khiển ổn định tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập khi sử dụng mạch động lực là bộ băm xung – động cơ

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘCỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.1.1 Sự tác động của động cơ điệ

MỤC LỤC MỤC LỤC _1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ

CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP _2 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH

TỪ ĐỘC LẬP _2 1.1.1 Sự tác động của động cơ điện một chiều _2 1.1.2 Giới thiệu về động cơ điện một chiều kích từ độc lập 4 1.2 GIỚI THIỆU VỀ MÁY PHÁT TỐC _8 1.3 Thông số điện trở shunt 9 1.5 Giới thiệu bộ biến đổi tốc độ động cơ PWM 10 1.4 Khái quát về điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều _11 1.6 Giới thiệu về bộ băm xung-động cơ _13 CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN _15 2.1 ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 15 2.2 XÂY DỰNG HÀM TRUYỀN THIẾT BỊ 16 2.3Tổng hợp mạch vòng dòng điện: 18 2.4 Tổng hợp mạch vòng tốc độ: _19 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM SIMULINK 21 3.1 LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ CẦN THIẾT 21 3.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN _22 3.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ 23

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ

CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

1.1.1 Sự tác động của động cơ điện một chiều

- Trong đời sống con người, động cơ điện một chiều được sử dụng phổ biến trong nhiều các lĩnh vực:

 Các bộ phận khởi động của ô tô, xe máy, máy kéo…

 Các hệ truyền động có công suất nhỏ như quạt điện, máy xay sinh

tố, động cơ bơm nước…

 Lĩnh vực nghiên cứu, giảng dạy…

- Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều có vai trò quan trọng, được ứng dụng trong các máy cắt kim loại, các máy công cụ, trong giao thông vận tải hay các thiết bị cần trục trong máy ép, máy bơm, máy nghiền, máy cán…

- Ưu điểm của động cơ điện một chiều:

 Động cơ điện môt chiều có phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng: Vì động cơ điện một chiều có thể điều chỉnh tốc độ thông qua việc thay đổi I ư ,U ư, vàtừ thông nên tốc độ động cơ có thể điều chỉnh đượctốc độ trên miền dưới và tốc độ định mức

 Chất lượng điều chỉnh tốc độ tốt, dễ điều chỉnh tốc độ Do động cơ điện một chiều có đường đặc tính cơ dạng tuyến tính (

 Chất lượng điều chỉnh tốc độ tốt: vì bộ biến đổi của động cơ điện một chiều có khả năng tạo ra sai số tốc độ nhỏ, độ trơn điều chỉnh mịn, dải điều chỉnh rộng…

 Động cơ điện một chiều có dòng mở máy và mô men mở máy nhỏ

có khả năng quá tải về mô men I ư = R U

ư; I mở=(1,5÷ 2)Iđm; M= K ∅ I ư

 Công suất của phía kích từ động cơ kích từ độc lập nhỏ hơn công suất phần ứng động cơ Chính vì vậy, nó được sử dụng trong các dây truyền cán…

 Ngoài những ưu điểm đó động cơ điện một chiều còn có cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn so với các loại động cơ khác Chính vì vậy, động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong các nghành công nghiệp yêu cầu mômen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác, bằng phẳng, phạm vi điều chỉnh rộng như nghành cán thép, hầm mỏ…

- Nhược điểm của động cơ điện một chiều:

 Kết luận: Động cơ điện một chiều còn có nhiều nhược điểm, song không

vì thế mà động cơ điện một chiều kém ưu thế hơn so với các loại động cơ

khác, nó vẫn được sử dụng phổ biến, ngày càng được cải tiến, khắc phục những nhược điểm vốn có và nâng cao hiệu suất của động cơ…

1.1.2 Giới thiệu về động cơ điện một chiều kích từ độc lập

a.Khái quát:

 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phần kích từ được cấp từ 2 nguồn riêng rẽ

 Cấu tạo chung của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều gồm có:

+) Cực từ phụ: Đặt giữa các cực từ chính với tác dụng cải thiện đổi chiều

gồm:

- Lõi thép: làm bằng thép khối

- Dây quấn: làm bằng đồng, có bọc cách điện, mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện tạo thành khối và được tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên cực từ phụ

+) Gông từ: Gông từ được dùng làm mạch từ để nối liền các cực từ chính

đồng thời làm vớ máy

+) Các bộ phận khác bao gồm:

- Nắp máy có tác dụng để bảo vệ máy và đảm bảo an toàn vận hành

- Cơ cấu chổi than: Đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài, nó gồm chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ lò xo tỳ chặt lên cổ góp

 Roto: Là phần quay của động cơ, bao gồm:

thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0,5mm được phủ cách điện ở 2 mặt rồi

ép chặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy

+) Dây quấn phần ứng: Có tác dụng sinh ra một sức điện động và có

dòng điện chạy qua Nó được làm bằng dây đồng có bọc cách điện, đượcquấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép

+) Cổ góp: Cổ góp còn được gọi là vành góp hay vành đảo chiều.

Dùng để đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều

+) Các bộ phận khác bao gồm:

- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy

- Trục máy: Là bộ phận trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt,

ổ bi…Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt

 Hệ thống chổi than- cổ góp: Dùng để đưa điện áp một chiều và

cuộn dây phần ứng và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ ( một nửa có cực tínhdương, một nửa có cực tính âm )

b.Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng vàmạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau Lúc này động cơ được gọi làđộng cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình1.1: Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

- Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:

U ư=E ư+(R ư+R f)I ư (1.1)

N: số thanh dẫn tác dụng cuộc dây phần ứng

a: số đôi mạch nhánh song song

1.2 Giới thiệu về máy phát tốc

- Nhãn hiệu: Shanghai Nanyang

- Kiểu mẫu: ZYS-3A

- Tốc độ:động cơ tốc độ cao

- Sử dụng:Chung

- Kiểu cài đặt:Theo chiều dọc

- loại chức năng:động cơ điều khiển

- Một loạt các bảo vệ:mở loại

- Lớp cách nhiệt:E-class

- Loại cung cấp điện:động cơ DC

- Nguyên lý làm việc:Động cơ không đồng bộ

- Cấu trúc và nguyên tắc làm việc:động cơ chuyển mạch AC

1.3 Thông số điện trở shunt

- Mục đích: Dùng để đo dòng điẹn một chiều DC

-Dây sử dụng là 1.5 mét với tiết diện 1.5m m2.

1.4 Giới thiệu bộ biến đổi tốc độ động cơ PWM

Adjustable Speed Controller Regulator PWM Reversible Control

*Các thông số kỹ thuật:

Điện áp làm việc: DC 10V-50V

Dòng điện tối đa: 200A (dòng điện làm việc liên tục tối đa 100A)

Công suất điều khiển: 0,01-5000W

Khối lượng: 1.289kg

*Ứng dụng:

Các loại tốc độ động cơ DC chổi than đa năng;

Các loại động cơ xe điều chỉnh tốc độ (tốc độ quạt làm mát ô tô, tốc độquạt ô tô, tốc độ động cơ gạt mưa ô tô, tốc độ quạt điều hòa ô tô);

Tốc độ dây chuyền sản xuất, tốc độ quạt hút đường ống, tốc độ máy chạy

bộ, nhiều máy tính điều khiển tốc độ quạt song song, điều khiển tốc độ quạt điệntử;

Các loại bộ điều chỉnh độ sáng đèn DC, các loại bộ điều chỉnh nhiệt độlàm nóng DC, v.v

1.5 Khái quát về điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

Quá trình điều khiển tốc độ là quá trình tác động làm thay đổi hệ từ tốc độ xác lập này, đến tốc độ xác lập khác có ý thức của con người

Cơ sở của quá trình điều khiển tốc độ là hệ truyền động điện luôn tuân theo phương trình động học:

với J là moomen quán tính của hệ

Hệ chỉ làm việc xác lập khi M – M c = 0,tức là M=Mc; còn khi M > Mc thì hệ sẽ tăng tốc, còn khi M < Mc thì hệ sẽ giảm tốc

Từ phương trình đặc tính cơ động cơ điện 1 chiều:

 Thay đổi ∅

 Phương pháp thay đổi R p :

- Nguyên lý điều chỉnh: Khi thay đổi R 2 fvới các giá trị khác nhau thì S th

sẽ thay đổi tỷ lệ, còn M th=const, ta sẽ được một họ đặc tính cơ chung

có tốc độ khác nhau và các tốc độ làm việc xác lập tương ứng

Qua hình trên ta có M t h=const

có tổn thất hao nhiệt nên hiệu suất thấp

 Phương pháp thay đổi U:

- Mômen động cơ điều khiển tỉ lệ với bình phương điện áp stato, nên

có thể điều chỉnh momen và tốc độ động cơ điều khiển bằng cách thay đổiđiện áp stato và giữ tần số không đổi nhờ bộ biến đổi điện áp xoay chiều

- Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà momen tải là hàm tăng theo tốc độ như máy bơm, quạt gió… Có thể dùng máy biến áp tự ngẫu, điện kháng hoặc bộ biến đổi bán dẫn làm điện áp xoay chiều cho động cơ điều khiển

 Ưu nhược điểm: số cấp tốc độ cao; độ trơn điều chỉnh lớn; điề chỉnh trong miền n ¿ nn ; khi tải bé điều chỉnh rất hiệu quả;phải có bộ biến đổi điện áp, nên tốn kém phức tạp

 Phương pháp thay đổi ∅ :

Giả thiết U= U đ m, R ư= const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ, bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích

từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ

Bình thường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thước tối đa (∅=∅ max) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào

mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông ∅ tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức Nên khi giảm từ thông

∅ thì tốc độ không tải lý tưởng ω0=U đ m

k ∅ tăng, còn độ cứng đặc tính cơ

β=−k ∅

R ư giảm, ta thu được họ đặc tính cơ tự nhiên

Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu momen không đổi Vì vậymuốn giữ cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm M ttheo cùng tỉ lệ.

 Ưu nhược điểm: Độ trơn điều chỉnh cao; hiệu suất điều chỉnh cao do điều chỉnh hoàn toàn bên phần kích từ là phần có công suất nhỏ, nên tổn hao nhỏ, rất kinh tế về thiết bị Nếu độ bền cơ học cho phép thì phương pháp này có thể điều chỉnh tốc độ trong miền n ¿ nn; do đó phương pháp này có thể kết hợp với 1 trong 2 phương pháp trên để mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ cho hệ thống

1.6 Giới thiệu về bộ băm xung-động cơ

- Băm xung một chiều có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có

ưu điểm là có thể thay đổi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao vì tổn thất của bộ biến đổi chủ yếu trên các phần tử đóng cắt rất nhỏ

- So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc

độ động cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng điện trở, bằngmáy phát một chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều,

bằng chỉnh lưu có điều khiển…thì phương pháp dùng mạch băm xung

có nhiều ưu điểm đáng kể điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được chế

độ hãm tái sinh của động cơ Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bao trì thấp, kích thước nhỏ Mạch băm xung đặc biệt thíchhợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ

- Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù điện thế đầu vào có thể là hằng số (ắc quy,pin), hoặc biến thiên(đầu ra của chỉnh lưu), tải có thể thay đổi Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bình đầu ra có thể điều khiển bằng 2 cách:

 Thay đổi độ rộng xung (t1)

 Thay đổi tần số băm xung (T)

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 2.1 ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

Cấu trúc được mô tả như sau:

(Thiết bị chấp hành: Xung áp

1 chiều)

M (Động cơ 1 chiều: Động cơ Л-82)

- R ω: bộ điều khiển đo tốc độ

- R i: bộ điều khiển đo dòng

- Đo I: đo dòng điện

Rư: 0.508 (Ω)

Lư: 0.0038 (H)

J: 3.2 (kg.m2)

2.2 Xây dựng hàm truyền thiết bị

2.2.1 Xét cấu trúc điều khiển dòng điện như sau:

Đo I

M Isp

Cấu trúc điều khiển dòng điện

- Nếu coi khâu đo có hàm truyền:

G đoI= K i

1+T i s

- K i: Hằng số khuếch đại của bộ đo dòng

- T i: Hằng số thời gian mạch đo dòng

- Cho hằng số thời gian trễ đo cỡ 0.002s

Theo thông số của điện trở shunt để đo dòng điện mà ta đã chọn thì:

Từ thông số bộ biến đổi tốc độ động cơ PWM đã lựa chọn ta lấy tín hiệuđầu vào là 5V Từ đó ta tính được hệ số khếch đại của bộ biến đổi:

k bđ= 220

50 =4.4

Trong quá trình tổng hợp bộ điều khiển người ta thường bỏ qua các nhiễu momen cản và các bộ biến đổi công suất được xem là một khâu quán tính bậc 2 với hàm truyền:

G BBĐ= K BĐ

(1+T v s).(1+T DK s) = 4.4

(1+ 0,003 s ).(1+ 0,002 s)

- K BĐ: Hằng số khuếch đại của bộ biến đổi công suất

- T v: Hằng số thời gian mở van công suất Chọn T v=0.003(s)

- T ĐK: Hằng số thời gian mạch điều khiển mở van công suất Chọn

Cấu trúc điều khiển tốc độ

Theo thông số của máy phát tốc để đo tốc độ động cơ mà ta đã chọn thì:

Ta tính được hệ số khuếch đại của bộ đo tốc độ:

Hình2.6 Mô hình toán bộ điều khiển dòng điện

- Ta đưa về dạng chuẩn để tổng hợp bộ điều khiển:

Ri

Isp

Si

Hình2.7 mô hình chuẩn BĐK dòng điện

Từ cấu trúc cơ bản của hệ truyền động điện, ta có s i là hàm truyền đối tượng của

bộ điều khiển dòng điện được tính như sau:

Ta có cấu trúc điều khiển tốc độ, để tổng hợp bộ điều khiển R ω, ta bỏ qua

sức điện động E và nhiễu Momen cản M c.

-Đưa về mô hình chuẩn ta được:

Trong đó,S ω là hàm truyền đối tượng của bộ điều khiển tốc độ.

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM SIMULINK 3.1 LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ CẦN THIẾT

- Ta tính được hện số khuếch đại của bộ biến đổi :

- Ta có : TΣ=Tv + TDK + Ti =0,003 + 0,002 + 0,002 =0.007(s)

K i= ¿0.00015 ( tính từ chương 2)

- Bộ điều khiển dòng:

112

u u i

R T R

Hình3.1 Sơ đồ mô phỏng dòng điện

*Kết quả mô phỏng:

HÌnh3.2 Kết quả mô phỏng

3.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ

- Thời gian quá độ là 1.8s, sau giây thứ 1.8 ổn định hoàn toàn

- Độ quá điều chỉnh: C max−C xl