Tài liệu Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi để cân bằng tải cho hệ hai động cơ một chiều kích từ độc lập nối cứng trục

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ THỊ PHƯỢNG XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ĐỂ CÂN BẰNG TẢI CHO HỆ HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP NỐI CỨNG TRỤC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN, 2017 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ THỊ PHƯỢNG XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ĐỂ CÂN BẰNG TẢI CHO HỆ HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP NỐI CỨNG TRỤC Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA PGS.TS. TRẦN XUÂN MINH THÁI NGUYÊN, 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Lê Thị Phượng Sinh ngày: 25 tháng 12 năm 1982 Học viên lớp cao học khoá 18 - Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trung tâm Giáo dục nghề nghiệp-Giáo dục thường xuyên huyện Võ Nhai tỉnh Thái Nguyên. Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác. Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn. Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Lê Thị Phượng ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Phòng đào tạo, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các đồng nghiệp đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản luận văn của mình. Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy PGS.TS. Trần Xuân Minh đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô. Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này. Học viên Lê Thị Phượng iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 1. Mục tiêu của luận văn ....................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................... 1 3. Nội dung của luận văn ....................................................................................... 2 Chương 1 .............................................................................................................. 2 TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU... 3 NỐI CỨNG TRỤC .............................................................................................. 3 1.1. Tổng quan về điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều .......................................... 3 1.1.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ [1] ............... 3 1.1.1.1. Hướng điều chỉnh tốc độ .......................................................................... 3 1.1.1.2. Phạm vi điều chỉnh tốc độ (Dãy điều chỉnh) ............................................ 3 1.1.1.3. Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ ....................................... 4 1.1.1.4. Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ .......................... 4 1.1.1.5. Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ: ............................................. 5 1.1.1.6. Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ: ..................................... 5 1.1.2. Một số phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều ........................... 5 1.1.2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ............................................................................................................................. 5 1.1.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông........................................ 6 1.1.2.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng 7 1.1.2.4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng ..................................... 8 1.1.2.5. Điều chỉnh tốc độ bằng hệ thống máy phát - động cơ ( F - Đ ) .......... 10 1.2. Bài toán điều khiển hai động cơ một chiều nối cứng trục ........................... 11 1.2.1. Giải pháp truyền thống [8] ........................................................................ 13 1.2.2. Giải pháp đề xuất [1, 9, 10] ....................................................................... 17 1.3. Mô hình điều khiển hệ thống ....................................................................... 19 1.3.1. Đặt vấn đề.................................................................................................. 19 1.3.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển ................................................................... 20 1.3.3. Mô hình điều khiển hệ thống 02 động cơ một chiều ................................ 22 1.4. Kết luận chương 1 ........................................................................................ 25 Chương 2 ............................................................................................................ 26 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ........ 26 2.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ .................................................... 26 2.1.1. Hệ Logic mờ .............................................................................................. 26 iv 2.1.1.1. Khái niệm về tập mờ .............................................................................. 26 2.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ ........................................................... 27 2.1.2. Bộ điều khiển mờ ...................................................................................... 35 2.1.2.1. Bộ điều khiển mờ động .......................................................................... 35 2.1.2.3. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID ..................... 36 2.1.2.4. Điều khiển mờ thích nghi ....................................................................... 36 2.2. Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu truyền thẳng .... 37 2.2.1. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu dùng lý thuyết thích nghi kinh điển ...................................................................................................................... 37 2.2.2. Sơ đồ điều khiển thích nghi mờ kiểu truyền thẳng (FMRAFC) ............... 39 2.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song ........... 41 2.3.1. Đặt vấn đề.................................................................................................. 41 2.3.2. Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ ................................................... 42 2.3.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song ..... 46 2.4. Cấu trúc điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển mờ thích nghi ................ 48 2.5. Kết luận chương 2 ........................................................................................ 48 Chương 3 ............................................................................................................ 49 KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG MATLAB/SIMULINK...................................................................................... 49 3.1. Tổng hợp bộ điều khiển PID cho động cơ 01 .............................................. 49 3.2. Khảo sát chất lượng với với bộ điều khiển mờ thích nghi cho mạch vòng dòng điện ............................................................................................................. 55 3.2.1. Sơ đồ mô phỏng ........................................................................................ 55 3.2.2. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 56 3.3. Khảo sát chất lượng điều khiển khi có mạch vòng tốc độ ........................... 60 3.3.1. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ.................................................................. 60 3.3.2. Sơ đồ mô phỏng ........................................................................................ 62 3.3.3. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 63 3.4. Kết luận chương 3 ........................................................................................ 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 67 1. Kết luận ........................................................................................................... 67 2. Kiến nghị ......................................................................................................... 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 68 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT Các ký hiệu: STT Diễn giải nội dung đầy đủ Ký hiệu 1 F-C Máy phát-động cơ 2 CKT Cuộn kích từ 3 BĐK Bộ điều khiển 4 BBĐ Bộ biến đổi 5 DC1 Động cơ 1 6 DC2 Động cơ 2 7 PID Bộ điều khiển 8 DC Một chiều 9 AC Xoay chiều 10 FLC Một cấu trúc thông dụng nhất của hệ mờ 11 MRAFC Thích nghi mờ theo mô hình mẫu 12 FMRAFC Thích nghi mờ theo mô hình mẫu kiểu truyền thẳng DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Luật điều khiển mờ ............................................................................. 43 Bảng 2.2 Kết quả của phép lấy Max - Min trong ô suy luận .............................. 45 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Nguyên lý hệ thống một động cơ một chiều làm việc với tải ............. 12 Hình 1.2: Giải pháp sử dụng 02 động cơ nối cứng trục với tải ........................... 13 Hình 1.3: Giải pháp truyền thống sử dụng 02 động cơ với 2 cuộn phần ứng, kích từ mắc nối tiếp ..................................................................................................... 14 Hình 1.4: Hệ thống 02 động cơ với 2 bộ biến đổi (điều khiển) riêng rẽ ............. 15 Hình 1.5: Giải pháp điều khiển truyền thống với 2 mạch vòng điều khiển (vòng điều khiển dòng kép) ........................................................................................... 16 Hình 1.6: Giải pháp điều khiển đề xuất sử dụng bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu ........................................................................................................ 18 Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập........................... 19 Hình 1.8: Nguyên tắc hoạt động của động cơ một chiều .................................... 20 Hình 1.9: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của động cơ một chiều ....................... 22 Hình 1.10: Cấu trúc trạng thái động của hệ thống 02 động cơ một chiều chung tải, nối cứng trục .................................................................................................. 23 Hình 1.11: Sơ đồ cấu trúc điều khiển thích nghi của hệ thống 02 động cơ một chiều .................................................................................................................... 24 chung tải, nối cứng trục ....................................................................................... 24 Hình 2.1: Hàm thuộc biến ngôn ngữ ................................................................... 27 Hình 2.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ ........................................................ 27 Hình 2.3: Luật hợp thành .................................................................................... 29 Hình 2.4: Mờ hoá ................................................................................................ 30 Hình 2.5: Thực hiện phép suy diễn mờ ............................................................... 31 Hình 2.6: Thực hiện phép hợp mờ ...................................................................... 32 Hình 2.7: Những nguyên lý giải mờ. ................................................................. 33 Hình 2.8: Cấu trúc một hệ logic mờ .................................................................... 34 Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD .................................................. 35 Hình 2.10: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1) .............................. 35 Hình 2.11: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2) .............................. 36 Hình 2.12: Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 36 Hình 2.14: Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp ................................... 37 Hình 2.15: Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu ra K ............................. 39 vii Hình 2.16: FMRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra .................................. 40 Hình 2.17: Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển mờ hai đầu vào .......................... 41 Hình 2.18: Định nghĩa hàm liên thuộc cho các biến vào/ ra ............................... 42 Hình 2.19: Luật hợp thành tuyến tính ................................................................. 43 Hình 2.20: Quan hệ vào ra của luật hợp thành tuyến tính .................................. 44 Hình 2.21: Sự hình thành ô suy luận từ luật hợp thành ...................................... 44 Hình 2.22: Các vùng trong ô suy luận................................................................. 45 Hình 2.23: MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra .................................... 47 Hình 2.24: Cấu trúc điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu (ĐC1) .......... 48 Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển mạch vòng dòng điện .............................................. 50 Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển dạng phản hồi âm 1 ................................... 52 Hình 3.3: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mạch vòng trong dòng điện của động cơ 1 sử dụng bộ điều khiển PID .......................................................................... 54 Hình 3.4: Đáp ứng dòng điện của động cơ 1, sử dụng bộ điều khiển PID ......... 54 Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng với bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song ............................................................................................................. 55 Hình 3.6: Khâu điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song cho DC 2 ............................................................................................................................. 56 Hình 3.7: Sơ đồ mô phỏng với bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu truyền thẳng ......................................................................................................... 56 Hình 3.8: Khâu mờ thích nghi theo mô hình mẫu truyền thẳng cho DC 2 ......... 56 Hình 3.9: Đáp ưng dòng của DC 1 và DC 2 với bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu song song ............................................................................................. 57 Hình 3.10: Đáp ưng dòng của DC 1 và DC 2 khi Ku thay đổi ........................... 57 Hình 3.11: Đáp ứng dòng của DC 1 và DC 2 khi Ku và Tu thay đổi.................. 58 Hình 3.12: Đáp ứng dòng của DC 1 và DC 2 với bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu truyền thẳng................................................................................... 58 Hình 3.13 : Đáp ứng dòng của DC 1 và DC 2 khi Ku thay đổi (truyền thẳng) ... 59 Hình 3.14: Đáp ứng dòng của DC 1 và DC 2 khi Ku và Tu thay đổi (truyền thẳng) ................................................................................................................... 59 Hình 3.15: Cấu trúc điều khiển 2 động cơ với bộ điều khiển tốc độ (Vòng mạch trong đã được đơn giản hóa) ............................................................................... 61 Hình 3.16: Sơ đồ mô phỏng hệ thống khi có tham gia của bộ điều khiển tốc độ 63 viii Hình 3.17: Đáp ứng tốc độ khi không có tải ....................................................... 63 Hình 3.18: Đáp ứng dòng điện khi tốc độ không đổi và không có tải ................ 64 Hình 3.19: Đáp ứng tốc độ khi có tải .................................................................. 64 Hình 3.20: Đáp ứng dòng điện khi tốc độ không đổi và có tải ........................... 65 Hình 3.21: Đáp ứng tốc độ nhảy bậc khi không có tải........................................ 65 Hình 3.22: Đáp ứng dòng điện khi tốc độ nhảy bậc và không có tải .................. 66 Hình 3.23: Đáp ứng tốc độ nhảy bậc khi có tải ................................................... 66 Hình 3.24: Đáp ứng dòng điện khi tốc độ nhảy bậc và có tải ............................. 67 ix 1 MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của luận văn Ngày nay tự động hóa công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển nền kinh tế quốc dân. Đặc biệt trong dây truyền sản xuất tự động hiện đại, truyền động điện đóng góp một vai trò lớn trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Các hệ truyền động sử dụng hai động cơ nối cứng trục hiện nay được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, vì vậy chất lượng điều khiển là vấn đề được nhiều người quan tâm. Việc sử dụng những động cơ công suất lớn đáp ứng yêu cầu của tải gặp nhiều khó khăn. Giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế khi sử dụng một động cơ công suất lớn đã được đề suất thay thế bởi hai động cơ ghép cùng làm việc song song có tổng công suất bằng công suất của một động cơ công suất lớn cần thay thế. Nhưng yêu cầu đặt ra là trong quá trình vận hành hai động cơ thay thế luôn đóng góp phần công suất của mình cho phụ tải chung là như nhau để góp phần cân bằng tải cho hệ hai động cơ đó. Mặt khác việc sử dụng động cơ công suất lớn đáp ứng được yêu cầu của tải gặp nhiều khó khăn. Có thể là rất khó hoặc rất đắt để thiết kế, chế tạo các động cơ công suất lớn. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc đi kèm với nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lưu có điều khiển đối với động cơ một chiều, bộ biến tần đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn. Tương tự như đã đặt vấn đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể khẳng định rằng rất khó và cũng rất đắt để thiết kế và chế tạo các bộ biến đổi công suất lớn tương xứng. Vì vậy tôi chọn đề tài: "Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi để cân bằng tải cho hệ hai động cơ một chiều kích từ độc lập nối cứng trục". 2. Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu hệ truyền động hai động cơ một chiều nối cứng trục 2 - Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống hai động cơ một chiều nối cứng trục. - Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi và đánh giá chất lượng bằng mô phỏng. 3. Nội dung của luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau: Chương 1: Tổng quan bài toán và cấu trúc điều khiển hai động cơ một chiều nối cứng trục Chương 2: Tính toán và thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi. Chương 3: Khảo sát chất lượng hệ thống bằng mô phỏng Matlab/Simulink. Kết luận và kiến nghị Chương 1 3 TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC 1.1. Tổng quan về điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều Trong các dây truyền sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp luôn có các máy sản xuất công nghiệp đòi hỏi phải có nhiều cấp tốc độ tùy theo công tác sản xuất mà để điều chỉnh tốc độ cho phù hợp với quy trình công nghệ và phải đảm bảo mô men yêu cầu của hệ thống. Để có nhiều cấp tốc độ khác nhau ta có thể thay đổi cơ cấu truyền động bằng cơ khí của máy như tỷ số truyền hoặc thay đổi tốc độ động cơ truyền động Điều chỉnh tốc độ truyền động điện là thay đổi tốc độ động cơ để phù hợp với yêu cầu sản xuất muốn điều chỉnh được tốc độ động cơ ta phải dựa vào nhiều yếu tố nguồn điện, tải, trong mỗi một yếu tố này thay đổi thì tốc độ động cơ đều thay đổi ứng với mỗi yếu tố ta có một phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ tương ứng. 1.1.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ [1] Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện: 1.1.1.1. Hướng điều chỉnh tốc độ Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơn hay bé hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trên đường đặc tính cơ tự nhiên. 1.1.1.2. Phạm vi điều chỉnh tốc độ (Dãy điều chỉnh) 4 Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ bé nhất nmin mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức: D = nmax/nmin. Trong đó: - nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học và phương pháp điều chỉnh tốc độ. - nmin: Được giới hạn bởi khả năng làm việc khi tải dao động trong phạm vi cho phép, nó liên quan mật thiết đến độ dốc của đặc tính cơ. Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng hệ thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh. 1.1.1.3. Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ Độ cứng:  = M/n. Khi  càng lớn tức M càng lớn và n nhỏ nghĩa là độ ổn định tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều. Phương pháp điều chỉnh tốc độ tốt nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc tính cơ. Hay nói cách khác  càng lớn thì càng tốt. 1.1.1.4. Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ. Độ liên tục khi điều chỉnh tốc độ  được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:  = ni/ni+1 Trong đó: - ni: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i. - ni + 1: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 ). Với ni và ni + 1 đều lấy tại một giá trị mô men nào đó. 5  tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục. Lúc này hai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vô cấp.   1: Hệ thống điều chỉnh có cấp. 1.1.1.5. Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ: Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làm việc của động cơ  là cao nhất khi tổn hao năng lượng Pphu ở mức thấp nhất. 1.1.1.6. Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ: Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một hệ thống điều chỉnh phải thỏa mãn đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Đồng thời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau. 1.1.2. Một số phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều 1.1.2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áp trên mạch phần ứng thì dòng điện, mô men sẽ không thay đổi. Để tránh những biến động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được áp dụng cho động cơ một chiều kích từ độc lập. Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều áp như: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ… Các bộ biến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và điều chỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu. 6 - Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ nên được dùng nhiều trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb. - Ưu điểm: Đây là phương pháp điều chỉnh có phạm vi điều chỉnh rộng, có khả năng điều chỉnh trơn khi sử dụng BBĐ hợp lý, phù hợp nhất với tải có đặc tính tải: mô men tải bằng hằng số là loại hay gặp trong đa số các thiết bị công nghiệp. - Nhược điểm: Công suất của BBĐ để điều chinh điện áp cấp cho mạch phần ứng động lớn (tương đương công suất động cơ trở lên) nên vốn đầu tư cơ bản và chi phí vận hành cao. 1.1.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men điện từ của động cơ M = KMIư và sức điện động quay của động cơ: Eư = KEn. Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên giá trị định mức. Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các máy điện công suất trung bình, người ta thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từ thông do tổn hao công suất nhỏ. Đối với các máy điện công suất lớn thì dùng các bộ biến đổi đặc biệt như: máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, bộ biến đổi van… Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông. Nếu tăng từ thông thì dòng điện kích từ IKT sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ. Do đó, để điều chỉnh tốc độ chỉ có thể giảm dòng kích từ tức là giảm nhỏ từ thông so với định mức. Ta thấy lúc này tốc độ tăng lên khi từ thông giảm: n = U/KE. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh được tốc độ vô cấp và cho ra những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản. 7 Theo lý thuyết thì từ thông có thể giảm gần bằng 0, nghĩa là tốc độ tăng đến vô cùng. Nhưng trên thực tế động cơ chỉ làm việc với tốc độ lớn nhất: nmax = 3ncb tức phạm vi điều chỉnh: D = nmax/ncb = 3/1. Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta có một tốc độ lớn nhất cho phép. Khi điều chỉnh tốc độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ không thể đổi chiều dòng điện và chịu được hồ quang điện. Do đó, động cơ không được làm việc quá tốc độ cho phép. Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn ncb. Phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ cho truyền động chính máy tiện khi yêu cầu phạm vi điều chỉnh hẹp hoặc ở vùng tốc độ cao của các máy mài vạn năng hoặc là máy bào giường. Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên BBĐ yêu cầu công suất nhỏ, tổn thất năng lượng ít. 1.1.2.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng có thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều. Trong phương pháp này điện trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng được giải thích như sau: Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ n1 ta đóng thêm Rf vào mạch phần ứng. Khi đó dòng điện phần ứng Iư đột ngột giảm xuống, còn tốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi. Dòng Iư giảm làm cho mô men động cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làm việc xác lập tại tốc độ n2 với n2 > n1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ n < ncb. Trên thực tế không thể dùng biến trở để điều chỉnh nên phương pháp điều chỉnh này là có cấp. 8 Khi giá trị nmin càng tiến gần đến 0 thì phạm vi điều chỉnh: D = ncb/nmin  . Trong thực tế, Rf càng lớn thì tổn thất năng lượng phụ tăng. Khi động cơ làm việc ở tốc độ n = ncb/2 thì tổn thất này chiếm từ 40% đến 50%. Cho nên, để đảm bảo tính kinh tế cho hệ thống ta chỉ điều chỉnh sao cho phạm vi điều chỉnh: D = ( 2  3):1. Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm. Đồng thời dòng điện ngắn mạch In và mô men ngắn mạch Mn cũng giảm. Do đó, phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản. Mặt khác với việc tăng điện trở phụ làm tăng độ dốc đặc tính cơ nên độ ổn định tốc độ khi tải thay đổi kém, không dùng cho các hệ thống yêu cầu độ ổn định tốc độ cao. - Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn ncb. - Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho cần trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép. - Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi càng kém. Phạm vi điều chỉnh phụ thuộc lớn vào đặc tính tải. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng tăng. 1.1.2.4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng Một hệ thống khi điều chỉnh cần tốc độ nhỏ hơn ncb và điều chỉnh nhảy cấp. Hệ thống có độ cứng tương đối lớn và thiết bị vận hành đơn giản thì người ta dùng phương pháp rẽ mạch phần ứng hay còn gọi là phân mạch. 9 Theo phương pháp rẽ mạch phần ứng thì phần ứng động cơ nối song song với điện trở và nối nối tiếp với một điện trở khác. Phương pháp này giống với phương pháp thay đổi điện trở trên mạch phần ứng nhưng điện áp cung cấp lại không thay đổi. Vì dòng kích từ không thay đổi nên khi điều chỉnh tốc độ, từ thông không đổi làm cho mô men phụ tải cho phép được giữ không đổi và bằng trị số định mức. Độ cứng của đường đặc tính cơ rẽ mạch phần ứng PM nhỏ hơn độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên TN nhưng lại lớn hơn độ cứng của đặc tính cơ có điện trở phụ Rf với điện trở phụ chính là Rn. So với phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng ta nhận thấy: Khi tốc độ và mô men động cơ như nhau nghĩa là khi công suất cơ như nhau dòng điện nhận từ lưới trong sơ đồ rẽ mạch phần ứng luôn luôn lớn hơn trong sơ đồ điều chỉnh bằng điện trở phụ trên mạch phần ứng một lượng bằng dòng điện chạy qua RS. Phương pháp này chỉ dùng cho cần trục, cầu trục, thang máy, máy cán thép. Đồng thời tuyệt đối không dùng cho máy cắt kim loại. - Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng thì điều chỉnh tốc độ nhảy cấp và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb. - Ưu điểm: + Với cùng một tốc độ yêu cầu thì độ cứng của đường đặc tính cơ phân mạch có độ cứng lớn hơn đặc tính cơ dùng điện trở phụ trên mạch phần ứng. + Thiết bị vận hành đơn giản. - Nhược điểm: + Phương pháp này dùng tiếp điểm để đóng cắt điện trở nên độ tinh chỉnh không cao, điều chỉnh tốc độ có cấp, phạm vi điều chỉnh: D = ( 2  3 ):1.