BÁO cáo công nghệ kĩ thuật và điều khiển tự động hóa CHUYÊN NGÀNH tự động hóa và điều khiển thiết bị công nghiệp điều chỉnh tự động truyền động điện một chiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HĨA BÁO CÁO CHUN ĐỀ NGÀNH: Cơng nghệ kĩ thuật điều khiển tự động hóa CHUYÊN NGÀNH: Tự động hóa điều khiển thiết bị cơng nghiệp HỌC PHẦN: Truyền động điện Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Điệp Nhóm sinh viên/ sinh viên thực hiện: NHĨM Nguyễn Đức Mạnh – 18810410195 Nguyễn Đức Mạnh – 18810430083 Vũ Hoàng Minh – 1881 Phạm Hồng Nguyên – 18810430099 Lớp: D13TDH&DKTBCN3 HÀ NỘI, … /2021 Nhóm Phần I Điều chỉnh tự động truyền động điện chiều 1.1.Lý thuyết 1.1.1.Thành lập sơ đồ khối cấu trúc tổng quát động chiều 1.1.2 Bài tập Dạng 2:Cho hệ truyền động chỉnh lưu thyristor- động chiều có thơng số sau: Động chiều kích từ độc lập có thơng số định mức: 150hp; 220V; 1500v/ph; R = 0,05 + 0,001 (Ω) L = 0,002H; J = 16kgm2; KΦ = 1,6V/rad/s Tải mơ men có tính chất năng: Mc = Mđm Bộ chỉnh lưu cấp cho phần ứng chỉnh lưu tia ba pha dùng thyristor (nguồn lưới cấp cho chỉnh lưu 3x380V, 50Hz) Điện áp điều khiển Uđk.max = 10V Thơng số sensor đo dịng điện: Ki = 0,011V/A; Thông số sensor đo tốc độ: Kω = 0,063V/rad/s; Tω = 0,002s Yêu cầu: a) Hãy phân tích sơ đồ khối cấu trúc tổng quát mạch vòng hệ truyền động T-Đ b) Tổng hợp điều chỉnh dòng điện có tính đến sức điện động động cơ,coi Mc = c) Tổng hợp điều chỉnh tốc độ Phần II.Điều chỉnh tự động hệ truyền động điện xoay chiều không đồng ba pha 2.1.Mô tả ĐKB khơng gian vector 2.1.1.Mơ hình tốn học động không đồng hệ tọa độ cực 2.2.Hệ truyền động biến tần nguồn áp – động không đồng 2.2.1.Định nghĩa nêu đặc điểm, biểu diễn không gian vector điện áp chuẩn hệ truyền động biến tần nguồn áp –ĐKB 2.2.2.Trong phương pháp điều chế vector điện áp khơng gian: phân tích giải pháp tăng số lần chuyển mạch vector điện áp yêu cầu U* nằm góc phần sáu thứ IV 2.3.Điều khiển vector động không đồng 2.3.1.Nêu sở phương pháp điều khiển trực tiếp mô men động khơng đồng 2.3.2.Phân tích việc lựa chọn vector điện áp trường hợp vector từ thơng stator nằm góc phần sáu thứ IV MỤC LỤC PHẦN I ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU .5 1.1.Lý thuyết 1.1.1.Thành lập sơ đồ khối cấu trúc tổng quát động chiều 1.1.1.1.Sơ đồ khối cấu trúc tổng quát ĐC chiều 1.1.1.2.Sơ đồ khối cấu trúc ĐC chiều kích từ độc lập từ thơng khơng đổi: 1.1.1.3.Sơ đồ khôi cấu trúc động chiều kích từ độc lập từ thơng kích từ khơng đổi: 1.2.Bài tập 1.2.1 Phân tích sơ đồ khối cấu trúc tổng quát mạch vòng hệ truyền động T-Đ8 1.2.2 Tổng hợp điều chỉnh dòng điện có sức điện động động (coi Mc = 0) 1.2.3.Tổng hợp điều chỉnh tốc độ 11 PHẦN II.ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 13 BA PHA .13 2.1.Mô tả ĐKB không gian vector 13 2.2.Hệ truyền động biến tần nguồn áp – động không đồng 15 2.2.1.Định nghĩa đặc điểm, biểu diễn không gian vector điện áp chuẩn hệ truyền động biến tần nguồn áp –ĐKB 15 2.2.2.Trong phương pháp điều chế vector điện áp khơng gian: phân tích giải pháp tăng số lần chuyển mạch vector điện áp yêu cầu U* nằm góc phần sáu thứ IV 17 2.3.Điều khiển vector động không đồng .19 2.3.1.Cơ sở phương pháp điều khiển trực tiếp mô men động không đồng 19 2.3.2.Xét trường hợp φs nằm góc phần thứ IV 19 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ thay tổng quát Hình 1.2 Họ đặc tính động chiều Hình 1.3 Sơ đồ khối cấu trúc tổng quát ĐC chiều Hình 1.4 Sơ đồ khối cấu trúc từ thơng kích từ khơng đổi Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc tổng qt hai mạch vịng hệ truyền động T–D Hình 1.6 Sơ đồ thay mạch vịng dịng điện Hình 1.7 Sơ đồ thay mạch vòng tốc độ ( Mc = ) Hình 2.1 Mơ hình máy điện hệ cực tọa độ Hình 2.2 Đồ thị vector Hình 2.3 Sơ đồ thay động không đồng pha Hình 2.4 Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp pha Hình 2.5 Đồ thị điện áp pha tải Hình 2.6 Các vector chuyển mạch khơng gian Hình 2.7 Điều chế vector U* Hình 2.8 Quỹ đạo vector từ thông Phần I Điều chỉnh tự động truyền động điện chiều 1.1.Lý thuyết 1.1.1.Thành lập sơ đồ khối cấu trúc tổng quát động chiều Hình 1.1 Sơ đồ thay tổng quát CKĐ: cuộn kích từ độc lập CKN: cuộn kích từ nối tiếp CP: cuộn phụ CB: cuộn bù Các thơng số Uk , Ik : điệp áp/ dịng điện kích từ U , I : điện áp/ dịng điện phần ứng ω: tốc độ góc M : momen điện từ Mc : momen tải E: s.đ.đ phần ứng P’ : số đôi cực từ a: số đôi mạch nhánh song song Rư , Lư : điện trở, điện cảm phần ứng  Momen điện từ: M= pN ϕI=kϕI πa (1) K : hệ số cấu tạo máy ϕ : từ thông  Sức điện động phần ứng: E= pN ϕω=kϕω πa (2)  Phương trình đặc tính cơ: ω= U−Rư I kϕ (3)  Phần kích từ: uk ( t )=Rk i k ( t ) + Lk Hình 1.2 Họ đặc tính động chiều d i k (t) dt Phương trình cân áp: uk ( t )=Rk i k ( t ) + N k Biến đổi laplace d ∅ (t) dt U k ( s )=R k I k ( s )+ N k s ∅ ( s) U k (s)−Rk I k ( s) ⇒ ∅= Nk s (4) Nk : số vòng dây cuộn CKĐ Rk : điện trở cuộn dây CKĐ  Phần ứng: Phương trình cân áp: u ( t )=Rư i ( t ) + Lư di(t) d ∅ (t) + e(t )± N N dt dt Biến đổi laplace u ( s )=Rư I ( s ) + Lư sI ( s)+ E(s)± N N s ∅ (s) / Rư I ( s) = (U ( s )−E ( s ) ± N N s ∅ ( s ) ) 1+T s (5) NN : số vòng dây cuộn kích từ nốt tiếp Tư : số thời gian phần ứng T = Lư Rư  Phương trình động học hệ truyền động: M ( s )−M c ( s ) =J dω (t) dt Biến đổi laplace M ( s )−M c ( s ) =Jω (s ) (6) J: momen quán tính phần chuyển động quy đổi trục động 1.1.1.1.Sơ đồ khối cấu trúc tổng quát ĐC chiều Hình 1.3 Sơ đồ khối cấu trúc tổng quát ĐC chiều pN M= ϕI=kϕI πa pN E= ϕω=kϕω πa U−Rư I ω= kϕ U k ( s)−R k I k (s) ∅= Nks /Rư I ( s) = (U ( s )−E ( s ) ± N N s ∅ ( s ) ) 1+T s M ( s )−M c ( s ) =Jω (s ) (1) (2) (3) (4) (5) (6) 1.1.1.2.Sơ đồ khối cấu trúc ĐC chiều kích từ độc lập từ thông không đổi: M =kϕI E=kϕω ϕ =const /Rư I ( s) = (U ( s )−E ( s )) 1+T s M ( s )−M c ( s ) =Jω (s ) Hình 1.4 Sơ đồ khối cấu trúc từ thơng kích từ không đổi 1.1.1.3.Sơ đồ khôi cấu trúc động chiều kích từ độc lập từ thơng kích từ không đổi: Rút gọn sơ đồ khối:  Theo đầu tốc độ:  Theo đầu dịng điện: Các thơng số: Hệ số khuếch đại động Kđ = 1/Cu ; Cu = Kϕ Hằng số thời gian học Tc = RưJ/( Kϕ )2 Hằng số thời gian phần ứng Tư = Lư/Rư 1.2.Bài tập 1.2.1 Phân tích sơ đồ khối cấu trúc tổng quát mạch vịng hệ truyền động T-Đ Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hai mạch vòng hệ truyền động T–D Trong :  Mạch vịng dịng điện : - Thơng số điều chỉnh : Dịng điện Pư : I - Tín hiệu đặt : Uid - Tín hiệu đo : Đo dòng điện thực : Ui  Mạch vịng tốc độ : - Thơng số điều chỉnh ; tốc độ : ω - Tín hiệu đặt : Tốc độ đặt : Uωd - Tín hiệu đo ( phản hồi ) : Tốc độ đo Uω  Sensor dòng : Ki = 0,011 ( V/A) Kω 0,063  Sensor tốc độ : 1+ T ωS = 1+ 0,002 S  Mạch chỉnh lưu : Chỉnh lưu tia pha ( x 380V, 50Hz ) b/Phân tích Đặc điểm :  Hệ thống gồm hai mạch vòng nối cấp : mạch vòng bên mạch vịng dịng điện, mạch vịng bên ngồi mạch vịng tốc độ  Rw, Ri điều khiển tốc độ, dòng điện  Hệ thống sử dụng sensor đo dòng điện, tốc độ  Uwd, Uw điện áp tương ứng với tốc độ đặt tốc độ thực  Uid, Ui điện áp tương ứng với dòng điện đặt dòng điện thực ⇒Tổng hợp hệ thống :  Tổng hợp mạch vòng dòng điện  tổng hợp mạch vòng tốc độ Tổng hợp mạch vòng dòng điện :  Là mạch vòng  Chức : - Trực tiếp gián tiếp xác định mômen kéo động - Bảo vệ, điều chỉnh gia tốc Tổng hợp mạch vòng tốc độ:  Được tiến hành sau thực tổng hợp mạch vòng dòng điện 1.2.2 Tổng hợp điều chỉnh dịng điện có sức điện động động (coi Mc = 0) Sơ đồ thay : Hình 1.6 Sơ đồ thay mạch vịng dịng điện Ta có : 1 = =0,0033(s) fm 2∗50∗3 U d0 1,17∗220 K CL=K r= = =25,74 U dk max 10 K CL 25,74 SCL= = 1+T CL s 1+ 0,0033 s L 0,002 T ư= = =0,0392 Rư 0,051 Rư J 0,0051∗16 T C= = =0,31875 ( K ∅ )2 1,6 0,3187 s K CL s T c ¿ Rư 25,74 0,051 25,74 soI ( s )= K I= 0,011= 2 1+ T CL s 1+T c s+ T T c s 1+0,0033 s 1+ 0,3187 s + ( 0,0392∗0,3187 ) s 1+ 0,0033 s 1+0 2 Giả sử: 1+0,3187 s+0,0125 s = + (T1 + T2)s + T1T2s T +T =0,31875 T =0,045 T 1=0,27375 ⇒ ⇒ T T =0,0125 T 2=0,273 T 1=0,04575 T1 < TCL < T2 ⇒ chọn τ σ = T1 = 0,004575 ; T2 = 0,273 T CL=T r= { { { RI(s) = (1+T CL s)(1+T s) (1+ 0,0033 s )∗(1+0,273 s) = = ¿¿ T K I K CL T c 2 τσS (1+ τσS ) S o 2(s) s Rư Bộ điều chỉnh có dạng khâu PI nối tiếp Thực khâu PI1 PI2 mạch điện tử { R T CL 0,0033 = = =0,02 R1 a 0,1619 T I 1=R C 1=a=0,1619 K p 1= { R4 =T 2=0,273 R3 T I 2=R C 2=1 K p 2= Chọn R2 = 5Ω ; R4 = 10Ω ⇒ R1 = 250Ω ; R3 = 36,63Ω ⇒ C1 = 0,0323F ; C2 = 0,1F 1.2.3.Tổng hợp điều chỉnh tốc độ Sơ đồ thay : Hình 1.7 Sơ đồ thay mạch vòng tốc độ ( Mc = ) Rω(s) = Ki Kω τσS (1+ τσS ) Kɸ 1+2 T i s Js (1+TωS ) Thông thường Ti Tω nhỏ ( + 2Tis ) ( + Tωs ) = + (2Ti + Tω )s + 2Ti Tω s2 ≈ + (2Ti + Tω )s = + T’sS Với T’s = 2Ti + Tω Ti = 2¿ K cl∗K i∗T cl 2∗25,74∗0,011∗0,0033 = = 0,0366 (s) 0,051 Rư T’s = * 0,0366 + 0,002 = 0,0752 (s) Với : Rω(s) = τσS (1+ τσS ) Kɸ∗K ω /K i ' 1+ T sS Js Chọn τσ = T’s Rω(s) = J∗K i ' 2T s∗Kɸ¿ K ω = 16∗0,011 = 11,6556 2∗0,0752∗1,6∗0,063 Vậy điều khiển dạng khâu khuếch đại : Kp = R2 = 11,6556 R1 Chọn R1 = 10 (Ω) => R2 = 116,556 (Ω) Phần II.Điều chỉnh tự động hệ truyền động điện xoay chiều không đồng ba pha 2.1.Mô tả ĐKB khơng gian vector Hình 2.1 Mơ hình máy điện hệ cực tọa độ  Trên cuộn dây quấn s đặt véc tơ điện áp u s : - Các véc tơ điện từ khơng gian cịn lại sinh tương tự chúng sinh đại lượng ba pha thời gian - Mô hình máy điện gọi mơ hình máy điện tọa độ cực Cuộn s Cuộn r ωs ω Hình 2.2 Đồ thị vector : đứng yên : quay :tốc độ quay từ trường :tốc độ quay cuộn Vs Vm :góc quay tu, : góc lệch trục as an ψs :vector từ thông stator ψr : vector từ thông rotor Sơ đồ thay động không đồng pha ( mô hình hệ tọa độ cực ) quy đổi đại lượng rotor stato Hình 2.3 Sơ đồ thay động không đồng pha Phương trình điện áp: Phương trình từ thơng: Phương trình momen: M= 3p ψ i s s Các ma trận thông số: Lσs Ls = −1: hệ số tản từ stator L N Lσr r Lr σr = = −1: hệ số tản từ rotor L N 2s σs= 2.2.Hệ truyền động biến tần nguồn áp – động không đồng 2.2.1.Định nghĩa đặc điểm, biểu diễn không gian vector điện áp chuẩn hệ truyền động biến tần nguồn áp –ĐKB Đặc điểm:  Các hệ thông điều chỉnh tốc độ động xoáy chiều: Yêu cầu cao dải điều chỉnh tính chất động học - Chỉ thực với biến tần  Biến tần sử dụng với ĐKB roto lồng sóc: - Kết cấu đơn giản, vững - Giá rẻ, làm việc mơi trường  Biến tần có nghịch lưu đọc lập nguồn dịng: - Thích hợp cho truyền động đảo chiều - Công suất truyền động lớn Xét sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp pha Hình 2.4 Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp pha Hình 2.5 Đồ thị điện áp pha tải Định nghĩa vector chuyển mạch:  Vector U1 ứng với tổ hợp van 6,1,2  Vector U2 ứng với tổ hợp van 1,2,3  Vector U3 ứng với tổ hợp van 2,3,4  Vector U4 ứng với tổ hợp van 3,4,5  Vector U5 ứng với tổ hợp van 4,5,6  Vector U6 ứng với tổ hợp van 5,6,1 Nhận xét:  Trong chu kỳ điện áp có lần chuyển mạch  vector U1 , U2 , U3 , U4 , U5 , U6 mô tả điện áp pha đối xứng  Vị trí giá trị vector xác định: - Giá trị điện áp tức thời pha Luật đóng mở van Hình 2.6 Các vector chuyển mạch không gian  Mỗi trạng thái dẫn van cho biết vị trí vector  Khi chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác vector chuyển mạch thay đổi vị trí góc 600  Các đại lượng U1 , U2 , U3 , U4 , U5 , U6 có hướng thay đổi không gian, nên gọi vector trạng thái Đặc điểm vector chuyển mạch:  Để mô tả điện áp pha đối xứng cần vector U1 đến U6  Ngoài ra, nghịch lưu trạng thái khác: - Khi van 1,3,5 nối vào cực + ngồn , vector U7 - Khi van 1,3,5 nối vào cực −¿ ngồn , vector U8 - Khi |U 7| = |U 8| =  vector cần thiết để thực luật điều chế PWM nghịch lưu  Để giảm sóng bậc cao ta cần tăng tần số chuyển mạch 2.2.2.Trong phương pháp điều chế vector điện áp không gian: phân tích giải pháp tăng số lần chuyển mạch vector điện áp yêu cầu U* nằm góc phần sáu thứ IV Giải pháp tăng số lần chuyển mạch:  Chia chu kỳ điện áp T thành chu kỳ chuyển mạch đủ nhỏ (T s) cho dịng tải gần khơng thay đổi thời gian Ts  Bằng cách đóng mở trạng thái làm việc (U1÷ U8) chu kỳ Ts: - Thay đổi điện áp nghịch lưu - Giảm sóng hài  Việc đóng mở vector với tần số f s tạo vector trung gian dịch chuyển mặt phẳng pha với góc 600 /n (n = T/6Ts) Hình 2.7 Điều chế vector U* Giả sử, nghịch lưu cần phải tạo giá trị điện áp pha ứng với vector U* ¿ ' ' U =U + U Vector U* phân tích thành U4’ với U5’ chia chu kỳ Ts thành: Ts = t4 + t5 + t0  t0 : thời gian mà điện áp nghịch lưu = (U7 , U8)  t4 : thời gian làm việc vector U4  t5 : thời gian làm việc vector U5 t4 Ts t5 ' U 5=U Ts ' U =U Tần số điện áp tải: f = 50Hz Uphm = 310V Tạo U* = 190V; vector U* tạo với U4 góc 300 ' ' U =U 5= 190 sin 30 =109,7 V sin 120 =0,0033 ( s )=3,3(ms) 6∗50 U '4 109,7 t 4=T s = 0,0033=0,00116 ( s )=1,16 (ms) U 310 Ts = Tương tự ta có t5 = 1,16(ms) t0 = Ts - t4 - t5 = 3,3 – 1,16 – 1,16 = 0,98(ms) Thực hiện:  Đóng cắt biến tần theo vector U4 (đóng van 345) khoảng thời gian 1,16ms  Đóng cắt biến tần theo vector U7 U8 khoảng thời gian 0,98ms  Đóng cắt biến tần theo vector U5 (đóng van 456) khoảng thời gian 1,16ms Thực U* cách: ¿ Góc IV: U = U '4∗t U '5∗t + + t0 Ts Ts Nhận xét:  Giống vector điện áp không gian (Us), vector chuyển mạch U* quay mặt phẳng  Giá trị vị trí cảu xác định giá trị điện áp  Vector chuyển mạch quay với góc gián đoạn  Vector chuyển mạch cho biết trạng thái dẫn điện cảu van lực quy đổi trạng thái 2.3.Điều khiển vector động không đồng 2.3.1.Cơ sở phương pháp điều khiển trực tiếp mô men động không đồng Xuất phát từ biểu thức tính mơ men động hệ trục tọa độ xy: PP Lm ∨φs∨¿ φr ∨sin γ = K m|φ s|∨φr ∨sin γ M= 2 Ls Lr−Lm Hình 2.8 Quỹ đạo vector từ thơng ( γ góc lệch vector từ thông stato rotor) Đặc điểm :  Do Tr >> Ts nên φ rbiến thiên chậm φ s  Nếu xét khoảng thời gian đủ nhỏ,coi φ r=const =>Mômen phụ thuộc vào: |φ s| góc γ Xuất phát từ phương trình cân áp stato: U s=Rs I s +  Nếu bỏ qua sụt áp điện trở Rs: U s= d φs dt d φs ∆ φs → ∆ φs=U s ∆ t → U s= dt ∆t →Có thể điều chỉnh độ lớn vecto từ thông stato thông qua việc lựa chọn vecto điện áp U s → Các vecto điện áp : U1 ÷ U8 2.3.2.Xét trường hợp φ s nằm góc phần thứ IV ∆ φs = U s ∆t Đường phân giác cá góc tạo vecto kề chia mặt phẳng thành sector: S4 : 150÷ 250 M = Km|φs|∨φr ∨sin γ Khi γ=0÷ 90 ° sin γ >γ → Có thể điều khiển từ thông mômen độc lập thông qua việc lựa chọn vecto điện áp Bảng vecto điện áp tương ứng với trạng thái đóng cắt van pha a,b,c: Pha U4 a b c Bảng chọn vecto điện áp điều khiển trực tiếp mômen: Từ thông Mômen S4 Tăng Tăng V5 Không đổi V7 Giảm V3 Giảm Tăng V6 Không đổi V0 Giảm V2 ... vòng hệ truyền động T-Đ b) Tổng hợp điều chỉnh dịng điện có tính đến sức điện động động cơ,coi Mc = c) Tổng hợp điều chỉnh tốc độ Phần II .Điều chỉnh tự động hệ truyền động điện xoay chiều không... Phần I Điều chỉnh tự động truyền động điện chiều 1.1.Lý thuyết 1.1.1.Thành lập sơ đồ khối cấu trúc tổng quát động chiều 1.1.2 Bài tập Dạng 2:Cho hệ truyền động chỉnh lưu thyristor- động chiều. .. hợp điều chỉnh dịng điện có sức điện động động (coi Mc = 0) 1.2.3.Tổng hợp điều chỉnh tốc độ 11 PHẦN II.ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ