Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ cho hệ truyền động Bộ biến đổi – Động cơ điện một chiều (CLDC)

Thiết kế hệ thống tự động hóa quá trình NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Vinh, ngày tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Vinh, ngày tháng năm 2022 Giáo viên phản biện Thiết kế hệ thống tự động hóa quá trình GVHD Trần Duy Trinh SVTH Phan Văn Đức MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 3 CHƯƠNG I MÔ TẢ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 4 1 1 Đặt vấn đề 4 1 2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ một chiều 4 1 3 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 5 1 3 1 Cấu tạo và n.

Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Vinh, ngày tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Vinh, ngày tháng năm 2022 Giáo viên phản biện GVHD: Trần Duy Trinh SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .3 CHƯƠNG I MÔ TẢ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1 Đặt vấn đề .4 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động chiều 1.3 Động điện chiều kích từ độc lập 1.3.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc động điện chiều .5 1.3.2 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 1.3.3 Mơ tả tốn học động điện chiều kích từ độc lập .9 1.4 Bộ chỉnh lưu 13 1.4.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động chỉnh lưu .13 1.4.2 Mô tả toán học chỉnh lưu 15 1.5 Máy phát tốc .17 1.5.1 Nguyên lý làm việc chức 17 1.5.2 Mơ tả tốn học máy phát tốc 17 1.6 Bộ điều chỉnh PI 18 1.6.1 Chức 18 1.6.2 Mơ tả tốn học 18 1.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động chiều 19 CHƯƠNG II ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN BẰNG BỘ CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU (CL-DC ) 20 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động CL-DC .20 2.2 Phương trình đặc tính hệ truyền động CL-DC 20 2.3 Nguyên lý làm việc hệ truyền động CL-DC 21 CHƯƠNG III TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU MODUN KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU ĐỐI XỨNG .22 3.1 Nghiên cứu phương pháp thiết kế điều khiển 22 3.1.1 Bộ điều khiển PID .22 3.1.2 Nguyên lý tối ưu độ lớn (Môdun) 23 3.1.3 Nguyên lý tối ưu đối xứng .25 3.2 Thiết kế điều khiển dòng điện tốc độ cho động 26 3.2.1 Thiết kế điều khiển dòng điện .26 3.2.2 Thiết kế điều khiển tốc độ 28 CHƯƠNG IV KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG 31 GVHD: Trần Duy Trinh SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình 4.1 Kiểm tra, đánh giá chất lượng trạng thái tĩnh 31 4.1.1 Kiểm tra sai lệch tĩnh hệ thống 31 4.2 Kiểm tra tính ổn định hệ thống .32 4.2.1 Tiêu chuẩn ổn định đại số 32 4.2.2 Xét tính ổn định hệ thống 32 4.3 Kiểm tra, đánh giá chất lượng động hệ thống phần mềm Matlab Simulink 33 4.3.1 Kiểm tra đánh giá mạch vòng dòng điện 33 4.3.2 Kiểm tra chất lượng động tốc độ sau có điều khiển tốc độ .34 KẾT LUẬN 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO .37 GVHD: Trần Duy Trinh SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình LỜI MỞ ĐẦU Đồ án thiết kế hệ thống Điều Khiển Và Tự Động Hóa đồ án quan trọng chương trình đào tạo Ngành Điều Khiển Và Tự Động Hóa Đây đồ án cần vận dụng tổng hợp kiến thức học phần học để giải thiết kế tổng hợp hệ thống Điều Khiển Tự Động Hóa thực tế Sau thời gian học tập học phần sở em giao đề tài "Thiết kế điều chỉnh tốc độ cho hệ truyền động Bộ biến đổi – Động điện chiều (CLDC)” để thực Sau thời gian thực đến hoàn thành nội dung gồm có năm chương: Chương 1: Mơ tả cấu trúc hệ thống điều khiển động điện chiều Chương 2: Điều chỉnh tốc độ động điện chỉnh lưu có điều khiển – động chiều (CL-DC) Chương 3: Thiết kế điều khiển cho hệ thống theo phương pháp tối ưu modun kết hợp phương pháp tối ưu đối xứng Chương 4: Khảo sát chất lượng hệ thống thơng qua tính tốn điều chỉnh từ mơ mạch vịng dòng điện, mạch vòng tốc độ phần mềm Matlab_Simulink Để hoàn thành đồ án thân em nỗ lực cố gắng, có nhiều thiếu sót Kính mong Thầy Cơ Giáo hướng dẫn bảo để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! GVHD: Trần Duy Trinh SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình CHƯƠNG I MƠ TẢ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1 Đặt vấn đề Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động điện chiều có nhiều ưu việt so với loại động khác khơng có khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao dải điều chỉnh tốc độ rộng Thực tế có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động điện chiều Điều chỉnh điên áp cho phần ứng động Điều chỉnh điên áp cấp cho mạch kích từ động Cấu trúc phần lực hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động chiều cần có biến đổi Các biến đổi cấp cho mạch phần ứng động mạch kích từ động cơng nghiệp sử dụng bốn biến đổi 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động chiều Cos1 Speed controller limiter iph Current controller UDC - Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động chiều Trong đó: + Bộ điều khiển tốc độ (speed controller) + Bộ giới hạn tốc độ (limiter) + Bộ điều chỉnh dòng (current controller) + Bộ logic + Bộ biến đổi tiristor động + Động chiều kích từ độc lập + Máy phát tốc GVHD: Trần Duy Trinh + DC F � � SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình 1.3 Động điện chiều kích từ độc lập 1.3.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc động điện chiều a: Cấu tạo Hình 1.2: Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều phân thành hai phần chính: Phần tĩnh Phần động Phần tĩnh hay stato hay cịn gọi phần kích từ động cơ, phận sinh từ trường Bao gồm phận sau +) Mạch từ dây kích từ lồng ngồi mạch từ (nếu động kích từ nam châm điện), mạch từ làm sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấn kích thích hay cịn gọi dây quấn kích từ làm dây điện từ, cuộn dây điện từ mắc nối tiếp +) Cực từ chính: Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lịng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5÷1mm ép lại tán chặt Trong động điện nhỏ dùng thép khối, cực từ gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulơng Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối , tẩm sơn cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với +) Cực từ phụ: Được đặt cực từ dùng dể cải thiện đổi chiều Lõi thép cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống dây quấn cực từ Cực từ gắn vào vỏ nhờ bulơng +) Gơng từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động điện nhỏ vừa thường dùng thép dày uốn hàn lại , máy điện lớn thường dùng thép đúc Có động nhỏ dùng gang làm vỏ máy GVHD: Trần Duy Trinh SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình +) Các phận khác: Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn an toàn cho người tránh chạm vào điện Trong máy điện nhỏ vừa nắp máy cịn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi, trường hợp nắp máy thường làm gang Cơ cấu chổi than: Để đưa dịng điện từ phần quay ngồi Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lị xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than cố định giá chổi than cách điện với giá , giá chổi than quay để điều chỉnh vị trí chổi than cho chỗ, sau điều chỉnh xong dùng vít cố định lại Phần quay hay rơto: Bao gồm phận sau +) Phần sinh sức điện động gồm có: Mạch từ làm vật liệu sắt từ (lá thép kỹ thuật) xếp lại với Trên mạch từ có rãnh để lồng dây quấn phần ứng Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với theo quy luật định, bối dây gồm nhiều vòng dây đầu dây bối dây nối với phiến đồng gọi phiến góp , phiến góp ghép cách điện với cách điện với trục gọi cổ góp hay vành góp Tỳ cổ góp cặp chổi than làm graphit ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo +) Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ , thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dòng điện xốy gây nên Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại thành lõi sắt tạo lỗ thơng gió dọc trục Trong động điện lớn lõi sắt thường chia thành đoạn nhỏ, đoạn có để khe hở gọi khe hở thơng gió Khi máy làm việc gió thổi qua khe hở làm nguội dây quấn lõi sắt Trong động điện chiều nhỏ , lõi sắt phần ứng ép trực tiếp vào trục Trong động điện lớn , trục lõi sắt có đặt giá rơto, dùng giá rơto tiết kiệm thép kỹ thuật điện giảm nhẹ trọng lượng rôto +) Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần phát sinh suất điện động có dịng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường khơng làm dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có cơng suất vài KW thường dùng dây có tiết diện trịn Trong máy điện vừa lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật , dây quấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép GVHD: Trần Duy Trinh SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình Để tránh quay bị văng lực li tâm, miệng rãnh có dùng niêm để đè chặt đai chặt dây quấn, niêm làm tre, gỗ hay bakelit +) Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng mạ cách điện với lớp mica dày từ 0,4÷1,2mm hợp thành hình trục trịn Hai đầu trục trịn dùng hai hình ốp chữ nhật V ép chặt lại Giữa vành ốp trụ tròn cách điện mica Đi vành góp có cao lên tí để hàn đầu dây phần tử dây quấn phiến góp dễ dàng b: Nguyên lý làm việc Hình 1.3: Nguyên lý làm việc động điện chiều Khi cho điện áp chiều vào, dây quấn phần ứng có điện Các dẫn có dịng điện nằm từ trường chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều lực xác định quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay nửa vịng, vị trí dẫn đổi chỗ cho Do có phiếu góp chiều dịng điện nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi Khi quay, dẫn cắt từ trường cảm ứng với suất điện động E chiều suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải Động chiều sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư gọi sức phản điện động Khi ta có phương trình: U = E + Rư.Iư 1.3.2 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Khi nguồn chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập Lúc động gọi động điện chiều kích từ độc lập GVHD: Trần Duy Trinh SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích từ độc lập Ta có : Phương trình cân điện áp: Uư = Eư + (Rư + Rf).Iư (1.1) Với: Rư = rư + rcf + rb + rct Sức điện động Eư xác định qua biểu thức: hệ số cấu tạo động Trong đó: N: số đơi dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng động P: số đôi cực từ A: số đơi mạch nhánh song song  [Wb] : từ thơng kích từ cực từ Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (v/ph) thì: Eư = Ke.n Trong đó:  = 2n/60 = n/9,55 n Như đặc tính điện động là: Uu R  R fu  u Iu K eΦ K eΦ Ta lại có mơmen điện từ động cơ: Mđt= KIư Với giả thiết bỏ qua tổn thất tổn thất thép từ thi mô men điện từ mô men trục động Nghĩa Mđt = Mcơ = M n Suy ra:, đặc tính động là: Uu R  R fu  u M K e Φ K e K Giả thiết phản ứng phần ứng bù đủ,  = const phương trình đặc tính điện phương trình đặc tính tuyến tính đồ thị chúng biểu diễn đường thẳng n Từ đồ thị ta nhận thấy Iư = M = thì: GVHD: Trần Duy Trinh Uu n K e SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình n0 gọi tốc độ không tải lý tưởng động Khi n = ta có: Iu  U I nm R u  R fu ; M = K.I nm = Mnm Inm; Mnm: dịng điện ngắn mạch mơmen ngắn mạch động n  R u  R fu R  R fu Iu  u M K e K e K gọi độ sụt tốc độ ứng với giá trị I hoặcM Hình 1.5: Đặc tính động điện chiều Độ cứng đặc tính cơ: So với động kích từ nối tiếp động kích từ độc lập có đặc tính cứng nên phù hợp với truyền động có yêu cầu ổn định cao tốc độ.Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động ta họ đặc tính song song với đường đặc tính tự nhiên 1.3.3 Mơ tả tốn học động điện chiều kích từ độc lập Id Rd Ld Ud Mc E§ n, M Hình 1.6 Mạch điện tương đương động điện chiều KTĐL Hình 1.6 biểu diễn mạch điện tương đương động điện chiều kích từ độc lập với từ thông không đổi định mức, điện trở R d điện cảm Ld điện trở điện cảm cuộn dây phần ứng động Từ hình 1.6 viết phương trình vi phân sau với giả thiết dịng điện liên tục: dI dI U d  R d Id  LdĐ d uEu  Ru I  L u u  E dt dt GVHD: Trần Duy Trinh (1.2) SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình Trong e(t) tín hiệu đầu vào, u(t) tín hiệu đầu ra, gọi hệ số khuếch đại, TI số tích phân, số vi phân Từ mơ hình vào-ra ta có hàm truyền đạt điều khiển PID:   R(s) k p 1   TD s  TI s   Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào tham số ,, Muốn hệ thống có chất lượng mong muốn phải phân tích đối tượng sở chọn tham số cho phù hợp Hiện có nhiều phương pháp xác định tham số ,, cho điều khiển PID, song tiện ích ứng dụng là: - Phương pháp sử dụng mơ hình xấp xỉ bậc đối tượng - Phương pháp thực nghiệm - Phương pháp xác định tham số theo tổng T Một điều cần nói thêm trường hợp ta bị bắt buộc phải xác định ba tham số ,, Chẳng hạn thân đối tương có thành phần tích phân điều khiển ta khơng cần phải có thêm khâu tích phân diệt sai lệch tĩnh, hay nói cách khác, ta cần sư dụng điều khiển PD: đủ (=) Hoặc tín hiệu hệ thống thay đổi tương đối chậm thân điều khiển không phản ứng thật nhanh với thay đổi sai lệch e(t) ta cần sử dụng điều khiển PI (=0) có hàm truyền đạt: 3.1.2 Nguyên lý tối ưu độ lớn (Môdun) Một yêu cầu chất lượng hệ thống điều khiển kín mơ tả hàm truyền đạt G(s): hệ thống ln có đáp ứng y(t) giống tín hiệu lệnh đưa đầu vào điểm tần số thời gian độ để y(t) bám vào ngắn tốt Nói cách khác, điều khiển lý tưởng R(s) cần phải mang đến cho hệ thống khả với Nhưng thực tế, nhiều lý mà yêu cầu R(s) thỏa mãn yêu cầu khó đáp ứng, chẳng hạn hệ thống thực ln chứa chất qn tính, tính “cưỡng lại lệnh” tác động từ ngồi vào Song “tính xấu” hệ thống lại giảm bớt cách tự nhiên chế độ làm việc có tần số lớn, nên người ta thường thỏa mãn với điều khiển R(s) mang lại cho hệ thống tính chất dải tần số rộng lân cận Bộ điều khiển R(s) thỏa mãn: dải tần số thấp có độ rộng lớn gọi điều khiển tối ưu độ lớn Hình 3.2 ví dụ minh họa cho nguyên tắc điều khiển tối ưu độ lớn Bộ điều khiển R(s) cần phải chọn cho miền tần số biểu đồ Bode hàm truyền hệ kín G(s) thỏa mãn: = lớn Dải tần số lớn, chất lượng hệ kín theo nghĩa cao GVHD: Trần Duy Trinh 23 SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình Một điều cần nói thêm tên gọi tối ưu độ lớn sử dụng không mang ý nghĩa chặt chẽ mặt toán học cho tốn tối ưu, tức khơng có phiếm hàm đánh giá chất lượng sử dụng khơng xác định cụ thể với điều khiển R(s) phiếm hàm có giá trị lớn hay không Thuần túy, tên gọi mang tính chất định tính dải tần số mà G(s) thỏa mãn G (j ) 1 rộng tốt L() -20 -40 c G 10c 10 c  (jω j Việc tra cứu phải thiết kế điều khiển tối ưu độ lớn tổng kết lại sau: - Nếu đối tượng có hàm truyền đạt với tất số thời gian đủ nhỏ ta chọn điều khiển I có tham số xác định: - Nếu hàm truyền đạt đối tượng có số thời gian lớn vượt trội, lại số khác đủ nhỏ chọn điều khiển PI với tham số: ; =; S(s)  - Nếu S(s) cho k 1  T1s 1  T2 s  1  Tn s  đối tượng có số thời T , T , T n đủ nhỏ ta chọn gian T1 , T2 lớn vượt trội, lại số khác điều khiển PID với tham số: ; ; 3.1.3 Nguyên lý tối ưu đối xứng Phương pháp thích hợp cho lớp đối tượng có thành phần tích phân S(s)  K đt To s(1  T s) Trong đó: - Hằng số thời gian tổng: - Chọn cấu trúc điều khiển là: Khi thơng số điều khiển tính theo biểu thức sau: Tính Kp: Tính TI : Mơ để xác định chất lượng điều khiển GVHD: Trần Duy Trinh 24 SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình Thiết kế phương pháp độ điều chỉnh lớn, lớn 45% để khắc phục ta thiết kế thêm lọc với hàm truyền đạt lọc sau: R loc (s)   TL s Với Với lọc giảm độ điều chỉnh nhỏ 10% cịn thời gian q độ khơng đổi Ngoài ra, phương pháp tối ưu đối xứng ta thiết kế điều khiển cách bù số thời gian lớn đối tượng Với thơng số T1> T2> T3>…….>Tn xấp xỉ đối tượng dạng: S(s)  K đt To s(1  T1s)(1  T s) Trong đó: n T  Ti     m T j - Hằng số thời gian tổng: - Chọn cấu trúc điều khiển là: Khi thơng số điều khiển sau: Chọn TD = T1 Chọn Tính chọn Kp theo cơng thức: Mô để xác định chất lượng điều khiển 3.2 Thiết kế điều khiển dòng điện tốc độ cho động Nguyên tắc thiết kế: Nguyên tắc chung để thiết kế hệ thống điều khiển nhiều mạch vòng là: vòng trong, vòng vịng mở rộng ngồi Vận dụng vào là: mạch vòng dòng điện, trước tiên phải thiết kế xong điều chỉnh dòng điện, tiếp đến coi mạch vòng dòng dòng điện khâu hệ thống điều chỉnh tốc độ quay, sau lại thiết kế điều chỉnh tốc độ quay Ucđ Rn(s) - Un Tois  1 E§(s) U*i Ri(s) - Ui K b Eb s  - 1/ R d Tes  Id - Ic(s) Rd Tm s n K e  Toi s   Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống điều chỉnh tốc độ dòng điện GVHD: Trần Duy Trinh 25 SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình 3.2.1 Thiết kế điều khiển dòng điện Trong hệ truyền động tự động hệ chấp hành mạch vịng điều chỉnh dịng điện mạch vòng Chức mạch vòng dòng điện trực tiếp gián tiếp xác định mơ men kéo động cơ, ngồi cịn có chức bảo vệ, điều chỉnh gia tốc Bỏ qua khâu nhiễu loạn phụ tải sức điện động động ta có sơ đồ khối mạch vòng dòng điện: EĐ(s) U*i (s) Toi s  (-) Ud(s) (-) Kb τs  R i (s) 1/R d Te s  Id(s) β Toi s  Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động mạch vịng dịng điện Trong điều chỉnh dòng điện KĐ  Hệ số khuếch đại động cơ: 1   1,39 K e  0,72 Te  Tu  Hằng số thời gian điện từ động cơ: Hằng số thời gian học Tm  0,00109  0,025(s) 0,044 GD R u 10.0,044  103  0, 23(s) 375.K e .K 375.0,72.6,9 Hệ số khuếch đại biến đổi: Hằng số thời gian biến đổi: Kb  U tb 750   75 U đk 10  0,00167(s) Giá trị dịng điện mà khâu ngắt tác động: U  10  V  I ngđm 1,5I  975(A) I I ng Chọn giá trị ng thời điểm tín hiệu điện áp lấy điện trở có giá trị 10(V) hệ số phụ thuộc vào biến dịng ta  U ng  10  0, 01 975 I ng có: a Đơn giản hóa sơ đồ GVHD: Trần Duy Trinh 26 SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình Do qn tính học lớn nhiều so với quán tín điện từ (T m >> Te) biến đổi tốc độ chậm biến đổi tốc độ dòng điên.Trong mạch vịng dịng điện coi Lúc mạch vịng dịng điện có dạng : u *i (s) β (-) u *i (s) β Ở R i (s)  Tois  kb s  1/ Rd e s  I d (s) .k b / R d (Tes  1)(Tis  1) Ri(s) (-) Ti  Tcl  0.00167(s) T ta chọn 0.0002s oi  0,01  Khi lọc dịng điện Tois  0,0002s  b Lựa chọn cấu trúc xác định tham số điều chỉnh Xác định theo phương pháp tối ưu môdul: Si (s)   K b / R d 17  (Tes  1)(Tis  1) (0, 025s  1)(0,00167s  1) Đối tượng điều chỉnh là: Trong mạch vòng dịng điện, u cầu phải có tính bám tốt, ta chọn khâu PI Theo tối ưu modul: R i (s) R PI (s)  Hàm truyền hệ hở sau hiệu chỉnh: Với Ki  τ 1s với Si (s).R i (s)  τ1  Te  0,025(s) k piK b / R d Te s(Ti s  1)  Ki s(Ti s  1) k pi  K b / R d Te Theo tối ưu modul để ta chọn Suy Ki  k pi (τ1s  1) K i Ti 0,5 (tương ứng ) K i Te 0,5 0,5 299, 4.0,025   299, k pi    0, 44 Ti 0,00167 β.K b .1/R d 0,01.75.1 / 0.044 Vậy hàm truyền điều khiển dòng điện là: GVHD: Trần Duy Trinh 27 SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình R i (s)  R PI (s)  0,44(0,025s  1) 0,011s  0, 44  0,025s 0,025s 3.2.2 Thiết kế điều khiển tốc độ Hệ thống điều chỉnh tốc độ hệ thống mà đại lượng điều chỉnh tốc độ góc động Hệ thống điều chỉnh tốc độ hình thành từ hệ thống điều chỉnh dịng điện - Đơn giản hóa mạch vịng dịng điện thành khâu tương ứng mạch vòng tốc độ U *i (s) Id(s)+ K i β (-) s(Ti s  1) Hàm truyền hệ kín mạch vịng dịng điện: I d (s) S (s).R i (s) K i /  1/  1/  1/   i     * Ti 1 2Ti s  U i (s)  Si (s).R i (s)  s(Ti s  1)  K i s 1 s  s 1 Ki Ki Ki Sơ đồ cấu trúc tương đương: * i 1/β 2Ti s  Id(s) - Sau dùng khâu tương đương mạch vòng dòng điện thay cho mạch vịng kín dịng điện, sơ đồ cấu trúc trạng thái động toàn hệ thống điều chỉnh tốc độ quay trở thành hình sau: (-) 1/  2Tis  R n (s) (-) Rd Tm s K e n(s)  Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động mạch vòng tốc độ Hệ số phản hồi âm tốc độ: a Đơn giản hóa sơ đồ Giả thiết Ic(s) =0 ta có: U cđ (s) R n (s) γ GVHD: Trần Duy Trinh (-)  U đk 10   0,095  104,7 1/  2Tis   28 Rd Tm s n(s) K e  Phan Văn Đức SVTH: Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình (-) R n (s) Trong đó: Tn  2Tcl  0.0033(s) b Lựa chọn cấu trúc xác định tham số điều chỉnh Xác định theo phương pháp tối ưu đối xứng: Đối tượng điều chỉnh là: Sn (s)  R d 0,095.0,044 2,52   Tm K e ..s(Tn s  1) 0, 23.0.72.0, 01.s(Tns  1) s(0,0033s  1) Mạch vòng tốc độ yêu cầu khả chống nhiễu tốt có nhiễu nguồn nhiễu tải Ta thấy sau nhiễu có khâu tích phân nên trước nhiễu phải có khâu tích phân để cân hệ thống Mạch vòng tốc độ yêu cầu lượng điều chỉnh nhỏ Sử dụng điều chỉnh PI R n (s) R PI (s)  k pn (τ s  1) Theo tối ưu đối xứng: Hàm truyền hệ hở sau hiệu chỉnh: S n (s).R n (s)  Kn  k pn .R d ( s  1) Tm K e .. s (Tn s  1) k pn .R d Tm K e ..2 Với Mặt khác:  Với K n ( s  1) s (Tn s  1) 2,52.k pn 2 Chọn độ rộng trung tần h Kn   τ 2s = 100 ta có: τ  hTn  100.0.0033  0,33(s) ; h 1 100    463 2 2h Tn 2.1002.0,00332 k pn  K n 2  60,6 2,52 Suy Vậy hàm truyền điều khiển tốc độ là: GVHD: Trần Duy Trinh 29 SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình R n (s)  R PI (s)  60,6(0,33s  1) 20s  60,6  0,33s 0,33s GVHD: Trần Duy Trinh 30 SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa trình CHƯƠNG IV KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG 4.1 Kiểm tra, đánh giá chất lượng trạng thái tĩnh 4.1.1 Kiểm tra sai lệch tĩnh hệ thống Sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống sau có điều khiển tốc độ dòng điện thiết kế chương vẽ hình 4.1 Khi u cđ = 0, có đại lượng nhiễu đầu vào Ic, lượng đầu lúc độ lệch tốc độ quay (tức lượng giảm tốc độ trạng thái động) n nhiễu phụ tải gây ra, biến đổi sơ đồ cấu trúc trạng thái động trường hợp thành dạng sơ đồ hình 4.2 Dùng phép biến đổi tương đương sơ đồ khối, được: I c (s) (-) Ucđ(s) Eds n(s) (-)  Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống sau có điều khiển tốc độ dịng điện -Ic(s) (-) Ke Rd Tm s k pn ( s  1)  2s  n( s ) 1/β 2Ti s  Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống Ucđ = Sử dụng phép biến đổi đẳng trị ta có: Rd Rd  s.(2Ti s  1) Tm s K e  n( s )   Tm s.K e . s.(2Ti s  1)  Rd k pn ( s  1).1/   R k pn ( s  1) 1/   I c ( s) 1 d  Tm s K e   2s 2Ti s  Khi đột ngột tăng tải: GVHD: Trần Duy Trinh 31 SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa trình Ic Rd  s.(2Ti s  1) s n(s )  Tm s.K e . s.(2Ti s  1)  Rd k pn ( s  1).1/   Nên Sai lệch tốc độ trạng thái ổn định (sai lệch tĩnh) nhiễu phụ tải gây là:  Ic Rd  s.(2Ti s  1) s n  lim s.n( s )  lim s 0 s 0 s 0 Tm s.K e . s.(2Ti s  1)  Rd k pn ( s  1).1/   4.2 Kiểm tra tính ổn định hệ thống Trong q trình làm việc hệ thống truyền động điện tự động, nhiễu loạn nhiều nguyên nhân khác mà hệ thống ổn định Tính ổn định hệ thống làm cho hệ thống trở lại trạng thái ban đầu nhiễu loạn sau khoảng thời gian đó, khả xác lập trạng thái ổn định sai lệch đầu vào thay đổi Một hệ thống gọi ổn định trình độ tắt dần theo thời gian Để khảo sát hệ thống, ta thành lập sơ đồ cấu trúc hệ thống sau xây dựng hàm truyền hệ thống sử dụng tiêu chuẩn xét ổn định để xem hệ thống có ổn định hay khơng Cịn hệ thống chưa ổn định phải hiệu chỉnh để nhằm nâng cao chất lượng hệ thống 4.2.1 Tiêu chuẩn ổn định đại số a Điều kiện cần để hệ thống ổn định Xét hệ thống điều khiển tự động có phương trình đặc tính tổng qt sau: N(s) a s n  a 1s n    a n  1s  a n 0 Vậy điều kiện cần để hệ thống điều khiển tự động tuyến tính ổn định tất hệ số phương trình đặc tính dương Có nhiều tiêu chuẩn để xét tính ổn định hệ thống, nội dung đồ án em xét tính ổn định hệ thống theo tiêu chuẩn ổn định Hurwitz b Tiêu chuẩn ổn định Hurwitz Phát biểu: Điều kiện cần đủ để hệ thống tuyến tính ổn định hệ số a0 định thức Hurwitz dương Định thức Hurwitz lập từ ma trận hệ số theo quy tắc sau: - Theo đường chéo ma trận, viết hệ số từ a đến an - Phía đường chéo hệ số tăng dần, phía giảm dần - Các hệ nhỏ a0 lớn an 4.2.2 Xét tính ổn định hệ thống Xét tính ổn định hệ thống có ổn định hay khơng dựa vào tiêu chuẩn ổn định Từ ta tiến hành hiệu chỉnh để hệ thống làm việc an toàn, tin cậy đặt GVHD: Trần Duy Trinh 32 SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình u cầu mong muốn Từ sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống sau có điều khiển tốc độ dịng điện thiết kế chương vẽ hình 4.1 ta có hàm truyền kín hệ thống là: k pn ( 2s  1) /  R d  2s 2Tis  Tms K e  n(s)   R d k pn ( 2s  1) /  U cđ (s) 1  Tms K e   2s 2Tis  K n (  s  1) s (Tn s  1) K n ( s  1).1 /  n (s)    K ( s  1)  s (Tn s  1)  K n (  s  1) U cđ (s) 1 2n s (Tn s  1) Phương trình đặc trưng hệ thống là:  n  s (Tn s  1)  K n (2s  1)  0,0033s3  s  152,8s  463  Hệ số a0 = 0,0033; a1 = 1; a2 = 152,8; a3 = 463 dương Định thức Hurwitz:  1  a1      a1 a  a1a  a 0a  151,     a a2   a1 a     a a  a 1a a  a a 32   a   a1 a   Theo tiêu chuẩn ổn định Hurwitz điều kiện cần đủ để hệ thống ổn định hệ số a0 định thức Hurwitz phải dương Ta thấy tất điều kiện hệ thống cho thỏa mãn Vậy hệ thống tuyến tính ổn định 4.3 Kiểm tra, đánh giá chất lượng động hệ thống phần mềm Matlab Simulink 4.3.1 Kiểm tra đánh giá mạch vòng dòng điện Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Matlab Simulink Hình 4.3: Sơ đồ mơ mạch vòng dòng điện GVHD: Trần Duy Trinh 33 SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình Đặc tính động dịng điện sử dụng Matlab Simulink Hình 4.4: Kết mơ dịng điện Đánh giá kết quả: Từ đặc tính mơ dòng điện ta thấy hệ thống ổn định, i%max  81  78 100  3,8 78 ; tốc độ đáp ứng 0,005(s); thời gian lượng điều khiển điều chỉnh 0,027(s) thỏa mãn yêu cầu công nghệ 4.3.2 Kiểm tra chất lượng động tốc độ sau có điều khiển tốc độ Sơ đồ cấu trúc mạch vịng tốc độ Matlab Simulink Hình 4.5: Sơ đồ mơ mạch vịng tốc độ Đặc tính động tốc độ dòng điện sử dụng Matlab Simulink GVHD: Trần Duy Trinh 34 SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình Hình 4.6: Kết mơ mạch vịng tốc độ Đánh giá kết quả: Từ đặc tính mơ tốc độ ta thấy hệ thống ổn định, %nmax lượng điều khiển nhỏ, thời gian điều chỉnh 0,12(s) thỏa mãn u cầu cơng nghệ Nhờ có khâu bão hịa Saturation làm cho điều khiển tốc độ bão hòa khởi động động cơ, dịng điện mơmen giữ lớn không đổi nên thời gian khởi động ngắn, thời gian chu kỳ làm việc ngắn, giúp nâng cao suất sản xuất GVHD: Trần Duy Trinh 35 SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình KẾT LUẬN Qua thời gian thực đồ án môn học với đề tài: "Thiết kế điều chỉnh tốc độ cho hệ truyền động Bộ biến đổi – Động điện chiều (CL-ĐC)" giúp em hiểu rõ vấn đề lý thuyết liên quan đến nội dung đề tài giúp em củng cố nhiều kiến thức học nhà trường Nội dung đồ án đề cập đến vấn đề như: Mơ tả cấu trúc hệ thống điều khiển động điện chiều, điều chỉnh tốc độ động điện chỉnh lưu có điều khiển – động chiều (CL-ĐC ), thiết kế điều khiển cho hệ thống theo phương pháp tối ưu modun kết hợp phương pháp tối ưu đối xứng, khảo sát chất lượng hệ thống thơng qua tính tốn điều chỉnh từ mơ mạch vịng dịng điện, mạch vịng tốc độ phần mềm Matlab_Simulink Là sinh viên khoa Điện môn Điều Khiển & Tự Động Hóa ,được trang bị kiến thức nhiều mơn học có mơn truyền động điện, qua giảng thầy q trình tìm hiểu giúp em hoàn thành đồ án Đây mảng đề tài rộng, với khối lượng công việc lớn mẻ chúng em với việc đồ án lần đầu em làm em gặp số khó khăn trình thiết kế, song hướng dẫn tận tình thầy giáo, giáo mơn, đặc biệt thầy giáo TS Trần Duy Trinh giúp đỡ nhiệt tình bạn lớp, nên em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu Tuy nhiên hạn chế thời gian trình độ thân, nên khơng tránh khỏi cịn nhiều chỗ thiếu sót, em mong bảo thầy cô giáo bạn để em hoàn thiện đồ án Một lần em xin trân thành cảm ơn giúp đỡ thầy cô bạn, đặc biệt thầy giáo TS Trần Duy Trinh nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này! Vinh, ngày 01 tháng năm 2017 Sinh viên Phan Văn Đức GVHD: Trần Duy Trinh 36 SVTH: Phan Văn Đức Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội 2002 [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2001 [3] Bùi Đình Tiếu, Cơ sở truyền động điện tự động, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 1997 [4] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Cơ sở truyền động điện, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2007 [5] Nguyễn Dỗn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2002 [6] Nguyễn Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2001 [7] Phạm Quốc Hải, Võ Minh Chính, Điện tử cơng suất, NXB Giáo Dục, 2002 [8] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 2004 [9] Trần Trọng Minh, Giáo trình điện tử công suất, Dành cho sinh viên trường Đại Học Kỹ Thuật, NXB Khoa Học Kỹ Thuật 2012 [10] Vũ Gia Hanh,Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu, Máy điện II, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2006 GVHD: Trần Duy Trinh 37 SVTH: Phan Văn Đức ... điều chỉnh tốc độ động điện chiều Điều chỉnh điên áp cho phần ứng động Điều chỉnh điên áp cấp cho mạch kích từ động Cấu trúc phần lực hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động chiều cần có biến đổi. .. CHƯƠNG II ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN BẰNG BỘ CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU (CL-DC ) 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động CL-DC Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động CL-DC Bộ chỉnh. .. 0,025s 3.2.2 Thiết kế điều khiển tốc độ Hệ thống điều chỉnh tốc độ hệ thống mà đại lượng điều chỉnh tốc độ góc động Hệ thống điều chỉnh tốc độ hình thành từ hệ thống điều chỉnh dịng điện - Đơn giản