xây dựng hệ thống điều chỉnh tốc độ quay của động cơ một chiều với 2 vòng có phân cấp

MUÏC LUÏCChöông 1: Tổng quan về tổng hợp hệ điện cơ 3 1.1Nguyên tắc cơ bản khi xây dựng hệ điều chỉnh tự động truyền động điện 3 Chöông 2: Xây dựng mô hình toán học cho động cơ điện 1 c

MUÏC LUÏC

Chöông 1: Tổng quan về tổng hợp hệ điện cơ 3

1.1Nguyên tắc cơ bản khi xây dựng hệ điều chỉnh tự động truyền động điện 3

Chöông 2: Xây dựng mô hình toán học cho động cơ điện 1 chiều 5

Chương 3: Xây dựng hệ thống điều chỉnh tốc độ quay với hai vòng có

phân cấp

Chương 4: Mô phỏng động cơ điện 1 chiều bằng Matlab 20

Lời nói đầu

Sự bùng nổ tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện – điện tử - tin học nhữngnăm gần đây đã dẫn đến nhũng thay đổi sâu sắc cả về mặt lý thuyêt lẫn thực tếlĩnh vực truyền động điện tự động Trước hết phải kể đến sự ra đời và ngày cànghoàn thiện các bộ biến đổi điện tử công suất với kích thước gọn nhẹ, độ tác độngnhanh cao, dễ dàng ghép nối với các mạch điều khiển dùng vi mạch điện tử, vi

xử lý Ngày nay việc sử dụng động cơ điện một chiều được sử dụng rất rộngrãi trong các hệ truyền động; với việc điều khiển dễ dàng hơn so với động cơxoay chiều.Trong đồ án này trình bày cách xây dựng lên một hệ truyền độngđiện để điều khiển truyền động của động cơ điện một chiều từ các phương pháp

đã được học Với sự giúp đỡ của thầy giáo và các bạn đã giúp em hoàn thành đồ

án Em xin chân thành cảm ơn và có gì còn thiếu sót mong ý kiến đóng góp củathầy giáo

Chương 1:

Tổng quan về tổng hợp hệ điện cơ

1.1 Nguyên tắc cơ bản khi xây dựng hệ điều chỉnh tự động truyền động điện.

1.1.1 khái niệm và phân loại

mục tiêu cơ bản của hệ điều chỉnh tự động truyền động điệnlà phải dảmbảo giá trị yêu cầu của các đại lượng điề chỉnh Hệ thống điề chỉnh tự độngtruyền đọng điện có cấu trúc chung được trình bày trên hình sau gồm : động cơtruyền động M quay máy sản xuất Mx và thiết bị biến đổi năng lượng BĐ ( đượcgọi là phần lực); các thiết bị đo lường ĐL và các bộ điều chỉnh R(được goi làphần điều khiển) Tín hiệu điều khiển hệ thống được gọi là tín hiệu đặt THĐ vàngoài ra còn các tín hiệu nhiễu loạn NL tác động lên hệ thống

Động cơ truyền động thường dùng động cơ một chiều, xoay chiều khôngđồng bộ và các động cơ bước Các động cơ điện được cấp năng lượng từ các bộbiến đổi BĐ, ngày nay các bộ biến đổi thường dung là các bộ chỉnh lưuthyristor, transistor, các bộ biến tần thyristor v.v Các bộ biến đổi có 2 chứcnăng : thứ nhất là biến đổi năng lượng điệ từ dạng này sang dạng khác thích ứngvới động cơ truyền động; thứ 2 mang thông tin điều khiển để điều khiển cáctham số đầu ra bộ biến đổi ( như công suất, diện áp, dòng điện , tần số, ) Tínhiệ điều khiển lấy ra từ bộ điều chỉnh R Các bộ điều chỉnh R nhận tín hiệuthông báo các sai lệch về trạng thái lam việc của truyền động thông qua so sánhgiữa tín hiệu đặt THĐ và tín hiệ đo lường các đại lượng của truyền động Tínhiệu sai lệch này qua bộ điều chỉnh được khuếch đại và tạo hàm chức năng điềukhiển sao cho đảm bảo chất lượng động và tĩnh của hệ thống truyền động Trongthực tế các đại lương điều chỉnh của truyền đọng là momenquay , tốc độ , vị trí

Để đảm bảo chất lượng của hệ, thường có nhiều mạch vòng mạch vòng điềuchỉnh như điện áp, dòng điện , tốc độ, từ thông, tần số , công suất

Phân loại theo nhiêm vụ chung của hệ thống :

- Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì theo lượng đặttrước không đổi

- Hệ điều chỉnh tùy động (hệ bám) là hệ điều chỉnh vị trí trong đó cần điềukhiển truyền độngtheo lượng đặt trước biến thiên tùy ý.

- Hệ điều khiển chương trình: thực chất là hệ điều chỉnh vị trí nhưng đạilượng điều khiển lại tuân theo chương trình đặt trước

1.1.2 Những vấn đề chung khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động điện.

Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần phải đảm bảo thựchiên được tất cả các yêu cầu đặt ra, đó là các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêuchất lượng và các yêu cầu về kinh tế Vì vậy khi thiêt kế hệ ta phải thực hiện cácbài toán về phân tích và tổng hợp hệ để tìm ra lời giải hợp lý sao cho đáp ứngđược yêu cầu kinh tế và kỹ thuật đề ra

Đối với bài toán tổng hợp hệ, được đưa ra 3 loại:

- Bài toán tổng hợp chức năng

- Bài toán tổng hợp tham số

- Bài toán tổng hợp cấu trúc – tham số

Chương 2:

Xây dựng mô hình toán học cho động cơ điện 1 chiều

Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện 1 chiều được biểu diễn như sau:

Hình 1 Sơ đồ thay thế của động cơ điện một chiều

+ ω , M, MC là tốc độ góc, mômen điện từ và mômen cản của động cơ

2.2 Chế độ xác lập của động cơ một chiều.

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp UK nào đó, thì trong dây quấnkích từ sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ Tiếp đólại đặt giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có

dòng điện I chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thôngmạch kích

từ sẽ tạo ra mômen điện từ có giá trị:

a _ số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng ;

k = p’N/2a hệ số kết cấu của máy

Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục Các dây quấn phần ứngquét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức từ động :

Trong đó _ tốc độ góc của roto

Trong chế độ xác lập ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng:

Với các phương trình (1-1) và (1-2) có thể vẽ được họ đặc tính cơ M( )

của động cơ điện 1 chiều khi từ thông không đổi như ở hình trên

2.3 Chế độ quá độ của động cơ 1 chiều

2.3.1 Mô tả chung.

Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phươngtrình mô tả sơ đồ thay thế hình 1 như sau :

- Mạch kích từ có 2 biến : + ik _ dòng điện kích từ

+  _ từ thông máy phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hóacủa lõi sắt

Nk: số vòng dây cuộn kích từ

Rk: điện trở cuộn dây kích từ

⇒ biến đổi Laplax ta được :

Trong đó J là momen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trụcđộng cơ

Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ mộtchiều như sau :

Sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến, trong tính toán ứng dụng thường dùng môhình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc

Chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hóa đoạn đăc tính từ hóa và đặtính mômen tải như sau :

Tuyến tính hóa đặc tính từ hóa Tuyến tính hóa đặc tính tải

Độ dốc của đặc tính từ hóa và đặc tính cơ momen tải tương ứng là :

Tại điểm làm việc xác lập có: điện áp phần ứng U0; dòng phần ứng I0, tốc

độ B, điện áp kích từ Uko, từ thông Φo dòng kích từ Iko và mômen tải Mcb Biến thiên nhỏ của đại lượng trên tương ứng là:

(1 > phần kích từ :

Uk(p) = Rk.Ik(p)(1+pTk) (1-10)-> phương trình chuyển động cơ học :

K.Io.(p) +K.o.I(p) - Mc(p) = J.p(p) (1-11)

2.3.2.Trường hợp từ thông kích từ không đổi

Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kíchthích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số :

Ta có các phương trình cho động cơ như sau :

K = const = Cu

-> phần ứng :

U(p) = RưI(p)(1 + pTư) + Cu.(p) (1-12)-> phương trình động học :

Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi

Bằng phương pháp đại số ta có sơ đồ thu gọn :

Từ phương trình :

U(p) = Rư.(p).(1 + pTư) + Cu.(p)

Và Cu.I(p) – Mc(p) = J.p.(p)

Đặt hệ số khuếch đại động cơ : Kđ = 1/Cu

Hằng số thời gian cơ học : Tc = 2

u u

R J C

=>

2

( ) ( )( )

3.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện.

3.1.1 Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện.

Trong các hệ thống truyền động điện cũng như các hệ thống chấp hành thìmạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản Chức năng cơ bản củamạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều làtrực tiếp (hoặc gián tiếp) xác định momen kéo của động cơ, ngoài ra còn cóchức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc v.v

Một số cấu trúc điều chỉnh dòng điện

a)

b)

c)

3.1.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động động cơ.

Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện như hình sau:

 - hệ số khuếch đại của chỉnh lưu.

Trong trường hợp hệ thống truyền động điện có hằng số thời gian cơ họcrất lớn hơn hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng thì ta có thể coi sứcđiện động của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạchvòng dòng điện (coi E = 0 hoặc E = 0)

Trong đó : các hằng số thời gian Tf, Tđk, Tvo, Ti là rất nhỏ so với thời gianđiện từ Tư Đặt Tsi = Tf + Tđk + Tvo + Ti

T p

K K

T p a R



a = 1

3.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ.

3.2.1 Cấu trúc chung

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 trong thực tế kỹ thuật Hệthống điều chỉnh điều chỉnh tốc độ được hình thành từ hệ thống điều chỉnh dòngđiện Các hệ thống này có thể là đảo chiều hoặc không đảo chiều Do các yêu

cầu công nghệ mà hệ cần đạt vô sai cấp 1 hoặc vô sai câp 2 Nhiễu chính của hệ

Số mạch vòng là 1 đối với hệ không đảo chiều; sẽ là 2 cho hệ đảo chiều Kết cấu cơ bản của hệ truyền động động cơ có dạng như trên Tín hiệu từ

bộ phát xung sẽ được đưa vào bộ biến đổi để điều khiển động cơ Bộ điều chỉnhdòng điện RI và sensor dòng SI tạo thành mạch vòng điều chỉnh dòng điện Phần

tử phi tuyến HCD là phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ Sensortốc độ S đóng vai trò khâu phản hồi tốc độ

Ta thấy rằng có hai tín hiệu tác động vào hệ truyền động tốc độ, đó là tínhiệu đặt Uđ và tín hiệu nhiễu loạn MC , hai tín hiệu này sẽ quyết định bộ biếnđổi R của hệ

Sơ đồ khối chức năng của hệ truyền động tốc độ được trình bày trên hìnhvẽ:

1

p T p

1

Vậy sơ đồ cấu trúc của mạch vòng tốc độ là:

Sơ đồ mạch vòng tốc độ động cơ điện một chiều.



c

)(

T :Hằng số thời gian của máy phát tốc

 Viết gọn sơ đồ trên ta được sơ đồ như hình vẽ:

Sơ đồ thu gọn mạch vòng tốc độ.

 0

) 1

)(

2 1 (

) (

.

p T p T p

T K K

R K

si c

R K

si c

) 1

( )

K

R K

s c



 R =

)1(

(2

)1

()(

p p

R K

p T p T K

T R K

T K K

.2

)(

 R là khâu tỷ lệ (P).

Chương 4:

Mô phỏng động cơ 1 chiều băng Matlab

4.1 Lựa chọn thông số cho động cơ

Chọn các thông số cho động cơ điện một chiều:

Công suất định mức:

Giả sử trong suốt quá trình hoạt động động cơ làm việc với Mc=Mđm=const

4.2 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện Ri

04 ,

83 =1 , 83

24 , 0 45 , 45

220 ).

9 , 0 1 ( 5 , 0 ).

I

U

) ( 25 , 1 24

L

T u   

) ( 004 , 0 002 , 0 001 , 0 001 ,

T T

T

Ta có :

dm i id

dk cl dm

I K U

U K U

22 10 220

i

cl

u

pT T

1 1 004 , 0 22 , 0 22 2

25 , 1 24 ,

p

75 , 7

 Sơ đồ mô phỏng mạch vòng dòng điện và đáp ứng đầu ra:

J

) 83 , 1 (

2 24 ,

0 =0 , 14 (s)

) ( 01 , 0 002 , 0 004 , 0 2

94 , 0 14 , 0 83 , 1

24 , 0 )

Hình 4.3:Đường nội suy tốc độ đặt.

-Sơ đồ mô phỏng như sau:

-Kết quả mô phỏng

Hình 4.4:Tốc độ thực

Hình 4.5:Mô men điện từ

Hình 4.6:Dòng điện

Hình 4.7:Đặc tính cơ

Hình 4.8: Đặc tính cơ điện

Tài liệu tham khảo

- Điều chỉnh tự động truyền động điện _ Tác giả: Bùi Quốc Khánh –Nguyễn Văn Liễn – Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi Nhà xuất bản khoa học

và kỹ thuật

- Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động _ Tác giả :Nguyễn Phùng Quang Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật