Tài liệu Tổng hợp mạch vòng tốc độ của hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập theo phương pháp tối ưu modul và tối ưu đối xứng

MỤC LỤC MỤC LỤC........................................................................................................- 1 LỜI MỞ ĐẦU...................................................................................................- 2 Chương 1 Tổng quan về động cơ một chiều.....................................................- 3 1.1. Cấu tạo động cơ một chiều:.......................................................................- 3 1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều:...........................................- 4 1.3. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập....................................................- 5 1.4. Các hệ truyền động điện trong động cơ điện 1 chiều................................- 8 Chương 2 Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tốc độ động cơ............- 12 2.1. Các phương pháp mô hình hóa đối tượng................................................- 12 2.1.1. Lựa chọn các thông số cần thiết :.........................................................- 12 2.1.2.Mô phỏng với simulink :.......................................................................- 13 2.2.Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều...................- 16 2.2.1. Điều chỉnh tốc độ dưới định mức:.......................................................- 16 2.2.2. Điều chỉnh tốc độ vùng lớn hơn tốc độ định mức:...............................- 18 2.3. Tổng hợp các mạch vòng điều khiển tốc độ............................................- 19 2.3.Cách phương pháp tổng hợp mạch vòng tốc độ.......................................- 21 2.3.1. Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul...............................................- 21 2.3.2. Theo tiểu chuẩn tối ưu đối xứng..........................................................- 21 2.4. Tính toán các thông số.............................................................................- 22 Chương 3 Mô phỏng mạch vòng tốc độ động cơ điện 1 chiều.......................- 25 3.1. Mô phỏng bằng simulink.........................................................................- 25 3.1.1. Bộ điều chỉnh tốc độ tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul...............- 25 3.1.2.Bộ điều chỉnh tốc độ tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng(PI).....- 26 KẾT LUẬN....................................................................................................- 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................- 30 - 1 LỜI MỞ ĐẦU Trong thực tế, ta hay gặp hệ thống điều chỉnh tốc độ cho truyền động điện một chiều có đảo chiều. Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lượng được điều chỉnh là tốc độ góc của động cơ điện, các hệ này rất thường gặp. Hệ thống điều chỉnh tốc độ được hình thành từ hệ thống điều chỉnh dòng điện. Các hệ thống này có thể đảo chiều hoặc không đảo chiều. Do các yêu cầu công nghệ mà hệ cần đạt vô sai cấp một hoặc vô sai cấp hai. Nhiễu chính của hệ là mômen tải Mc. Mục đích nghiên cứu: Tổng hợp mạch vòng tốc độ theo hai tiêu chuẩn module tối ưu và module tối ưu đối xứng đánh giá quá trình quá độ và đặc tính động học của hệ kín 2 Chương 1:Tổng quan về động cơ một chiều 1.1. Cấu tạo động cơ một chiều: Cấu tạo vật lí của động cơ một chiều gồm có ba phần: Phần tĩnh (Stator) hay còn gọi là phần cảm. Phần quay (Rotor) hay còn gọi là phần ứng. a)Phần tĩnh: Phần tĩnh hay phần cảm là phần nhận năng lượng điện một chiều để tạo ra từ trường kích từ trong máy. Cực từ chính (hình 1-1) là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có lõi thép và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi thép cực từ, dòng điện chạy trong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau. Cực từ chính làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại, tán chặt và gắn vào vỏ máy nhờ các bulông. Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép cực từ phụ thường làm bằng thép khối và gắn vào vỏ máy nhờ các bulông. Hình 1-1: Cực từ chính của phần tĩnh động cơ điện một chiều Gông từ dùng làm mạch từ, nối liền giữa các cực từ đồng thời dùng làm vỏ máy.Trong máy điện nhỏ thường làm bằng thép tấm uốn rồi hàn lại, trong máy điện lớn thươngdùng thép đúc. 3 Các bộ phận khác gồm có nắp máy và cơ cấu chổi than. Cơ cấu chổi than để đưa điện từ phần quay ra ngoài gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ có lò xo ép chổi than nên chổi than tì chặt lên cổ góp. b)phần ứng: Phần ứng của máy điện một chiều gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy. Lõi thép phần ứng dùng để dẫn từ. Nó là hình trụ thường được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm, hai mặt có phủ sơn cách điện mỏng rồi ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ để gắn rôtor với trục và lỗ thông gió. Mặt ngoài lõi thép được dập các rãnh để đặt dây quấn phần ứng (Hình 1-2.a). Hình 1-2: Lõi thép Rôto và cổ góp của động cơ điện một chiều Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện, gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp với nhau, đặt trong các rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Cổ góp (vành góp hay còn gọi là vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều (Hình 1-2.b).gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục máy. 1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều: Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên momen tác dụng lên rotor, làm 4 rotor quay. Chiều lực tác dụng được xác định theo qui tắc bàn tay trái (Hình 13.a). Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (Hình 1-3.b). Nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rotor cũng theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi Hình 1-3: Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 1.3. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập - Phương trình đặc tính cơ: Là phương trình biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ (n) và mômen (M) của động cơ có dạng chung :  U u Ru  R f  .M K  ( K ) 2 (1.1) Thông qua phương trình này, ta có thể thấy được sự phụ thuộc của tốc độ động cơ vào momen động cơ và các thong số khác (mômen, từ thông…), từ đó đưa ra phương án để điều chỉnh tốc độ động cơ với phương án tối ưu nhất. Với những điều kiện Uư = const, It = const thì từ thộng của động cơ hầu như không đổi, vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của động cơ là đường thẳng. Thường dạng của đặc tính là đường thằng mà giao điểm với trục tung ứng với mômen ngắn mạch còn giao điểm với trục hoành ứng với tốc độ không tải của động cơ. Người ta đưa them đại lượng   M để đánh giá độ  5 cứng. Đặc tính càng dốc càng cứng (  càng lớn) tức là mômen biến đổi nhiều nhưng tốc độ biến đổi ít và ngược lại. Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là mômen biến đổi ít nhưng tốc độ biến đổi nhiều.  (3) 2 (2) 1 AM (1) M Hình 1.3 Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta đi xét đặc tính của động cơ đienj. Đó là quan hệ giữa tốc độ quay với momen (hoặc dòng điện) của động cơ. - Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ: Nếu động cơ vận hành ở chế độ định mức(điện áp, tần số, từ thông định mức và không nối them các điện kháng, đienj trở vào động cơ). Trên đó có các điểm làm việc định mức có giá trị Mđm,  đm. - Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng. Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm độ cứng của đặc tính cơ   M (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc).   Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Sơ đồ kích từ độc lập được thể hiện dưới đây : 6 + - U E Rf Ckt I Rkt Ikt + - Ukt Hình 1.4 Phương trình đặc tính cơ Uư = Eư + (Rư + Rf ).Iư (1.2) Trong đó: Uư : điện áp phần ứng (V) Eư : sức điện động phần ứng (V) Rư : điện trở mạch phần ứng ( ) Rf : điện trở phụ trong mạch phần ứng ( ) Iư : dòng điện mạch phần ứng (A) Suất điện động Eư được tính Eư = P.N  . k . 2 a (1.3) K: hệ số cấu tạo của động cơ  : từ thông kích từ dưới 1 cực  : tốc độ góc Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì ta có Mtt = Mdc = M Mtt = k  Iư  R R U   u  u 2 f .M k (k ) (1.4) (1.5) (1.6) Giả sử  = const ta có đồ thị đặc tính cơ có dạng như hình 1.3 7   ®m ®m M nm Hình 1.3 Khi  =0 ta có : I= Và U I nm Ru  R f M = k  Inm = Mnm (1.7) (1.8) Inm và Mnm lần lượt là dòng và mômen ngắn mạch → Ta có mô hình động cơ điện một chiều: Hình 1.6 Mô hình đối tượng 1.4. Các hệ truyền động điện trong động cơ điện 1 chiều a. Hệ truyền động F – Đ Hệ thống máy phát động cơ F – Đ là một hệ truyền động điện mà bộ biến đổi là máy phát điện một chiều kích từ độc lập, máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha điều khiển quay máy phát được xác định bởi hai đặc tính : Đặc tính từ hóa và đặc tính tải. Trong tính toán có thể tuyến tính hóa các đặc tính này : EF = KF.  F.  F = KF.  F.C.iKF (1.13) 8 Trong đó : KF : là hệ số kết cấu của máy phát C : là hệ số góc của đặc tính từ hóa Sơ đồ của hệ F - Đ §K I  UF = U® F §  MS Hình 1.7 Sơ đồ hệ F - Đ Nếu đặt R = RưF + RưĐ, ta có thể viết được phương trình của đặc tính cơ hệ F- Đ (1.14) `  KF R.I .U KF  .M K ( K ) 2  o (U KF )  M  (U KF ) (1.15) (1.16) Từ các biểu thức ta thấy, khi điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát thì điều chỉnh tốc độ không tải của hệ thống. Chế độ làm việc Trong hệ thống không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt khỉ chuyển các trạng thái làm việc. Với sơ đồ hình 1.6 động cơ chấp hành Đ có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh cả hai chiều, kích thích máy phát và kích thích động cơ, đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích thích máy phát.  Đặc điểm của hệ F – Đ 9 Ưu điểm nổi bật của hệ F - Đ là sự chuyển đổi trạng thái rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn, nó thường được dùng ở các máy khai thác công nghiệp mỏ. Nhược điểm quan trọng của hệ F - Đ là dùng nhiều máy điện quay, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít 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. b. Hệ truyền động T – Đ  Khái quát chung Do chỉnh lưu Tiristo dẫn dòng theo một chiều và chỉ khi điều khiển khi mở khóa dẫn đến truyền động van thực hiện đảo chiều khó khăn và phức tạp hơn truyền động F – Đ. Có hai nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T – Đ đảo chiều : Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ động cơ.  Sơ đồ và nguyên lý làm việc K i®1 icb Lc0 Lc0 I 1 A2 I E a Ud b L c R II A1 B§1 K2 B§2 Lcb Lcb id1 icb 2 Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý  2 Giả thiết 1  ; 2   sao cho 2 Ed1  Ed 2 thì dòng chỉ có thể chạy từ BĐ1 sang động cơ mà không thể chạy từ BĐ1 sang BĐ2 được, để đạt được 10 trạng thái này cần có góc điều khiển phải thỏa mãn  2   1 . Nếu tính đến góc chuyển mạch  và góc khóa  thì giá trị lớn nhất của góc điều khiển của bộ biến đổi ở chế độ nghịch lưu là :  max   ( max   ) Nếu chọn Ed1  Ed 2 (1.17) thì : 1   2  . Ta có phương pháp điều khiển chung đối xứng, dòng điện trung bình chảy vòng qua hai bộ biến đổi là : I cb  Ed 1  Ed 2 0 Rcb (1.18)  Đặc điểm Ưu điểm nổi bật của hệ T – Đ là độ tác động nhanh cao, không gây ồn và dễ tự động hóa do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất lớn. Điều đó rất thuận tiện trong việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lượng. Nhược điểm của hệ thống T – Đ là các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện, còn làm xấu điện áp nguồn và lưới xoay chiều Chương 2: Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tốc độ động cơ 11 2.1. Các phương pháp mô hình hóa đối tượng Mô hình là hình thức biểu diễn lại những hiểu biết của chúng ta về hệ thống một cách khoa học, về mối quan hệ giữa tín hiệu vào u(t) và tín hiệu ra y(t) nhằm mục đích mô phỏng, phân tích và tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống . Việc xây dựng mô hình được gọi là mô hình hoá. Có hai phương pháp mô hình hoá là: phương pháp thực nghiệm và phương pháp lý thuyết. Phương pháp lý thuyết: Là phương pháp thiết lập mô hình dựa theo các định luật có sẵn về quan hệ vật lí bên trong và quan hệ giao tiếp với môi trường bên ngoài của hệ thống. Các quan hệ này được mô tả theo quy luật lí hoá, quy luật cân bằng .v.v. dưới dạng những phương trình toán học. Phương pháp thực nghiệm: Trong trường hợp hiểu biết của chúng ta về các mối quan hệ lí hoá bên trong cũng như quan hệ giao tiếp với bên ngoài của đối tượng không được đầy đủ để xây dựng hoàn chỉnh mô hình đối tượng mà chỉ có thể nhận dạng mô hình đối tượng thuộc một lớp mô hình nào đó. Thông qua việc quan sát tín hiệu vào ra để nhận dạng mô hình thích hợp trong lớp mô hình đã biết. Đây là phương pháp nhận dạng hệ thống. Các đối tượng trong thực tế thường có các thông số một cách gần đúng vì vậy để nâng cao chất lượng điều khiển cũng như hiểu biết chân thực về đói tượng điều khiển thì ta phải áp dụng kết hợp cả hai phương pháp mô hình hoá này. 2.1.1. Lựa chọn các thông số cần thiết : - Công suất định mức : Pdm=14(kW) - Điện áp định mức : Udm=220(V) - Dòng điện định mức : Idm=73.5(A) - Tốc độ định mức : ndm=1500(vòng/phút) - Điện trở phần ứng: Ru=0.127(Ω) - Điện cảm phần ứng: Lu=0.0114(H) - Mômen quán tính của động cơ J=0.65(kg/ m2 ) - Hằng số thời gian phần ứng Tu=Lu/Ru 12 - Hệ số từ thông kphi=0.5 2.1.2.Mô phỏng với simulink : a) Chế độ không tải Hình 2.1 Mô hình ĐCMC kích thích độc lập chế độ không tải (Mc = 0) - Đáp ứng tốc độ : 13 -Đáp ứng dòng điện phần ứng : b) Chế độ có tải 14 Hình 2.2 Mô hình ĐCMC kích thích độc lập chế độ có tải (Mc = 30) -Đáp ứng tốc độ -Đáp ứng dòng điện phần ứng 15 2.2.Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều được chia làm hai vùng điều chỉnh đó là điều chỉnh dưới tốc độ định mức và điều chỉnh trên tốc độ định mức. 2.2.1. Điều chỉnh tốc độ dưới định mức: Vùng điều chỉnh tốc độ từ 0 đến  dm có hai phương pháp điều chỉnh đó là thay đổi điện trở phụ mắc vào mạch điện phần ứng và thay đổi điện áp đặt vào phần ứng. a) Thay đổi điện trở phụ mắc vào phần ứng: Sơ đồ điều chỉnh gồm điện trở phụ R p chế độ làm việc dài hạn mắc nối tiếp với mạch điện phần ứng. Khi giá trị của R p tăng lên thì tốc độ động cơ thay đổi theo chiều giảm. Đặc tính điều chỉnh như hình 1-4. Ta thấy khi tăng R p thì đặc tính cơ của động cơ mềm đi. Nếu tăng Rp lớn có thể xảy ra quá trình hãm nối ngược do mômen động cơ bị giảm nhiều. 16 Ưu, nhược điểm của phương pháp điều chỉnh này là: - Tốc độ điều chỉnh nằm dưới tốc độ định mức. - Khi tải bé điều chỉnh kém hiệu quả. - Độ trơn và số cấp tốc độ có thể cao. - Hiệu suất thấp do tổn hao nhiệt trên Rp. b ) Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng: Nội dung của phương pháp là bằng cách nào đố có thể thay đổi được địên áp cấp cho phần ứng động cơ và giữ nguyên kích từ. Ta có đặc tính điều chỉnh như hình 1-5. Ta thấy khi giảm điện áp đặt vào phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ không thay đổi còn tốc độ không tải giảm, tốc độ động cơ giảm nhưng vẫn giữ được mômen không đổi. 17 Ưu, nhược điểm của phương pháp: - Số cấp tốc độ cao - Độ trơn điều chỉnh lớn. - Điều chỉnh rất hiệu quả khi tải bé. - Phải có phương pháp thay đổi điện áp nguồn cấp là tăng độ phức tạp cũng như giá thành hệ thống. 2.2.2. Điều chỉnh tốc độ vùng lớn hơn tốc độ định mức: Người ta mắc thêm vào mạch điện kích từ một biến trở nhằm điều chỉnh từ thông kích từ trong vùng dưới định mức (nhưng đảm bảo lớn hơn một giá trị cho phép khoảng 0,6 dm ). Ta có đặc tính điều chỉnh như hình 1-6. 18 Ưu nhược điểm của phương pháp này là - Độ trơn cao. - Hiệu suất cao do điều chỉnh phía kích từ nên công suất điều khiển nhỏ tăng tính kinh tế. Đòi hỏi cấu tạo cơ khí động cơ cho phép vận hành với tốc độ lớn hơn định mức. 2.3. Tổng hợp các mạch vòng điều khiển tốc độ Ta có sơ đồ khối chức năng của hệ thống mạch vòng điều chỉnh tốc độ có sự tham gia của mạch vòng điều chỉnh dòng điện Hình 2.6 Mạch vòng tốc độ Động cơ là đối tượng điều khiển có đại lượng điều chỉnh là tốc độ - tác động điều khiển là Uư 19 - nhiễu loạn là Mc Tác dụng của mạch vòng dòng điện giữ cho đại lượng ra không đổi . Trong đó phần tử phi tuyến HCD là phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ . Khâu hạn chế này làm việc khi Uđk tăng lên quá lớn hoặc khi đứt mạch phản hồi. Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn modul tối ưu, ta có : FOmi(p)= Ui ( p ) Uid ( p ) 1 = 1  2Tsip  2Tsi 2 p 2 Ta lấy hàm truyền đạt của mạch vòng dòng điện là khâu quán tính bậc nhất, bỏ qua các bậc cao. Vậy sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ là Hình 2.7 Cấu trúc hệ điều chỉnh tốc độ Ta có sơ đồ thu gọn Hình 2.8 Sơ đồ thu gọn hệ điều chỉnh tốc độ Trong đó : So  = 1 1  2Tsi. p = 1 . Ki . Ru KTcp . Ru.Kw Ki.K .Tc. p (1  pTsw) Kw 1  pTw Ru . K  = K .( K )T .(1  pT ) i c s Với TS  = 2Tsi + T  , Tsw rất nhỏ Ta tiến hành tổng hợp mạch vòng tốc độ theo hai tiêu chuẩn : tiêu chuẩn modul tối ưu và tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. 20