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

MỤC LỤC Mục lục Lời nói đầu Chương 1: Tổng quan tổng hợp hệ điện 1.1Nguyên tắc xây dựng hệ điều chỉnh tự động truyền động điện Chương 2: Xây dựng mơ hình tốn học cho động điện chiều 2.1 Động điện chiều 2.2 Chế độ xác lập động chiều 2.3 Chế độ độ động chiều Chương 3: Xây dựng hệ thống điều chỉnh tốc độ quay với hai vịng có phân cấp 3.1Tổng hợp mạch vòng dòng điện 13 3.2Tổng hợp mạch vòng tốc độ 15 Chương 4: Mô động điện chiều Matlab 20 4.1 Lựa chọn thông số cho động 20 4.2 Tổng hợp điều khiển dòng điện Ri 21 4.3 Tổng hợp điều khiển tốc độ Rw 22 4.4 Kết mơ 23 Tài liệu tham khảo 26 Trang : Lời nói đầu Sự bùng nổ tiến kỹ thuật lĩnh vực điện – điện tử - tin học năm gần dẫn đến nhũng thay đổi sâu sắc mặt lý thuyêt lẫn thực tế lĩnh vực truyền động điện tự động Trước hết phải kể đến đời ngày hoàn thiện biến đổi điện tử cơng suất với kích thước gọn nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ dàng ghép nối với mạch điều khiển dùng vi mạch điện tử, vi xử lý Ngày việc sử dụng động điện chiều sử dụng rộng rãi hệ truyền động; với việc điều khiển dễ dàng so với động xoay chiều.Trong đồ án trình bày cách xây dựng lên hệ truyền động điện để điều khiển truyền động động điện chiều từ phương pháp học Với giúp đỡ thầy giáo bạn giúp em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn có cịn thiếu sót mong ý kiến đóng góp thầy giáo Chương 1: Trang : Tổng quan tổng hợp hệ điện 1.1 Nguyên tắc xây dựng hệ điều chỉnh tự động truyền động điện 1.1.1 khái niệm phân loại mục tiêu hệ điều chỉnh tự động truyền động điệnlà phải dảm bảo giá trị yêu cầu đại lượng điề chỉnh Hệ thống điề chỉnh tự động truyền đọng điện có cấu trúc chung trình bày hình sau gồm : động truyền động M quay máy sản xuất Mx thiết bị biến đổi lượng BĐ ( gọi phần lực); thiết bị đo lường ĐL điều chỉnh R(được goi phần điều khiển) Tín hiệu điều khiển hệ thống gọi tín hiệu đặt THĐ ngồi cịn tín hiệu nhiễu loạn NL tác động lên hệ thống Động truyền động thường dùng động chiều, xoay chiều không đồng động bước Các động điện cấp lượng từ biến đổi BĐ, ngày biến đổi thường dung chỉnh lưu thyristor, transistor, biến tần thyristor v.v Các biến đổi có chức : thứ biến đổi lượng điệ từ dạng sang dạng khác thích ứng với động truyền động; thứ mang thông tin điều khiển để điều khiển tham số đầu biến đổi ( cơng suất, diện áp, dịng điện , tần số, ) Tín hiệ điều khiển lấy từ điều chỉnh R Các điều chỉnh R nhận tín hiệu thơng báo sai lệch trạng thái lam việc truyền động thông qua so sánh tín hiệu đặt THĐ tín hiệ đo lường đại lượng truyền động Tín hiệu sai lệch qua điều chỉnh khuếch đại tạo hàm chức điều khiển cho đảm bảo chất lượng động tĩnh hệ thống truyền động Trong thực tế đại lương điều chỉnh truyền đọng momenquay , tốc độ , vị trí Để đảm bảo chất lượng hệ, thường có nhiều mạch vòng mạch vòng điều chỉnh điện áp, dịng điện , tốc độ, từ thơng, tần số , công suất Phân loại theo nhiêm vụ chung hệ thống : - Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh trì theo lượng đặt trước không đổi Trang : - Hệ điều chỉnh tùy động (hệ bám) hệ điều chỉnh vị trí cần điều khiển truyền độngtheo lượng đặt trước biến thiên tùy ý - Hệ điều khiển chương trình: thực chất hệ điều chỉnh vị trí đại lượng điều khiển lại tuân theo chương trình đặt trước 1.1.2 Những vấn đề chung thiết kế hệ điều chỉnh tự động điện Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần phải đảm bảo thực hiên tất yêu cầu đặt ra, u cầu cơng nghệ, tiêu chất lượng yêu cầu kinh tế Vì thiêt kế hệ ta phải thực tốn phân tích tổng hợp hệ để tìm lời giải hợp lý cho đáp ứng yêu cầu kinh tế kỹ thuật đề Đối với toán tổng hợp hệ, đưa loại: - Bài toán tổng hợp chức - Bài toán tổng hợp tham số - Bài toán tổng hợp cấu trúc – tham số Chương 2: Xây dựng mơ hình tốn học cho động điện chiều 2.1 Động điện chiều Trang : Giản đồ kết cấu chung động điện chiều biểu diễn sau: Hình Sơ đồ thay động điện chiều Trong đó: + CKĐ: dây quấn kích từ độc lập + CKN: dây quấn kích từ nối tiếp + CB: dây quấn bù + CF: dây quấn cực từ phụ + UK : điện áp kích thích + U: điện áp phần ứng + N, p’, Lư, Rư : số dẫn td, số đôi cực, số đôi mạch nhánh, hệ số tự cảm vμ điện trở phần ứng + RK, LK : điện trở điện cảm cuộn kích từ độc lập + iK : dịng điện phần kích từ + I : dòng điện phần ứng + ω , M, MC tốc độ góc, mơmen điện từ mơmen cản động 2.2 Chế độ xác lập động chiều Khi đặt lên dây quấn kích từ điện áp U K đó, dây quấn kích từ có dịng điện ik mạch từ máy có từ thơng Φ Tiếp lại đặt giá trị điện áp U lên mạch phần ứng dây quấn phần ứng có Trang : dịng điện I chạy qua Tương tác dòng điện phần ứng từ thơngmạch kích từ tạo mơmen điện từ có giá trị: M= p '.N ΦI = k ΦI 2π a (1-1) Trong : p’ _ số đơi cực động cơ; N _ số dẫn phần ứng cực từ ; a _ số mạch nhánh song song dây quấn phần ứng ; k = p’N/2 π a hệ số kết cấu máy Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục Các dây quấn phần ứng quét qua từ thông dây quấn cảm ứng sức từ động : E= p '.N Φω = k Φω 2π a (1-2) Trong ω _ tốc độ góc roto Trong chế độ xác lập ta có phương trình cân điện áp phần ứng: U = I.Rư + E Trong : E = kΦω _ sức điện động Rư : điện trở mạch phần ứng động  ω= U − IR ? kΦ (1-3) Với phương trình (1-1) (1-2) vẽ họ đặc tính M( ω ) động điện chiều từ thơng khơng đổi hình 2.3 Chế độ độ động chiều 2.3.1 Mô tả chung Trang : Nếu thông số động khơng đổi viết phương trình mơ tả sơ đồ thay sau : Mạch kích từ có biến : + ik _ dịng điện kích từ + Φ _ từ thông máy phụ thuộc phi tuyến đường cong từ hóa lõi sắt Nk: số vịng dây cuộn kích từ Rk: điện trở cuộn dây kích từ ⇒ biến đổi Laplax ta : (1-4) - Mạch phần ứng : NN: số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp => (1-5) Hoặc dạng dịng điện: Lư _ điện cảm mạch phần ứng ; NN _ số vịng dây cuộn kích từ nối tiếp Tư = Lư /Rư _ số thời gian mạch phần ứng - Phương trình chuyển động hệ thống : M(p) – Mc(p) = Jp ω (1-6) Trong J momen quán tính phần chuyển động quy đổi trục động Trang : Từ phương trình ta thành lập sơ đồ cấu trúc động chiều sau : Sơ đồ cấu trúc phi tuyến, tính tốn ứng dụng thường dùng mơ hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc Chọn điểm làm việc ổn định tuyến tính hóa đoạn đăc tính từ hóa đặ tính mơmen tải sau : Trang : Tuyến tính hóa đặc tính từ hóa Tuyến tính hóa đặc tính tải Độ dốc đặc tính từ hóa đặc tính momen tải tương ứng : kK = ∆Φ Φ 0, I ko ∆I k B= ∆M c M cb ,ωB ∆ω Tại điểm làm việc xác lập có: điện áp phần ứng U0; dịng phần ứng I0, tốc độ ωB , điện áp kích từ Uko, từ thơng Φo dịng kích từ Iko mơmen tải Mcb Biến thiên nhỏ đại lượng tương ứng là: ∆U ( P ) , ∆I ( P ) , ∆ω( P ) , ∆U K ( P ) , ∆I K ( P ) , ∆Φ ( P ) , ∆M c( P ) * Đối với động chiều kích từ độc lập NN = => phương trình sau: - Mạch phần ứng : Trang : Từ PT : U ( t ) = RI ( t ) + L di +e dt Ta có : (1-7) - Mạch kích từ : U ko + ∆U k ( P ) = Rk  I ko + ∆I k ( P )  + PLk  I ko + ∆I k ( P )      (1-8) - Phương trình chuyển động học : (1-9) Từ phương trình bỏ qua vơ bé bậc cao từ phương trình viết phương trình gia số: -> phần ứng : ∆ U ( p ) −  K ω B ∆Φ ( p ) + K Φ O ∆ ω ( p )  =Rư.∆I(p).(1+pTư)   (110) -> phần kích từ : ∆Uk(p) = Rk.∆Ik(p)(1+pTk) (1-10) -> phương trình chuyển động học : K.Io.∆Φ(p) +K.Φo.∆I(p) - ∆Mc(p) = J.p∆ω(p) (1-11) Trang : 10 U(p) = Rư.(p).(1 + pTư) + Cu.ω(p) Và Cu.I(p) – Mc(p) = J.p.ω(p) Đặt hệ số khuếch đại động : Kđ = 1/Cu Hằng số thời gian học : Tc = => Ru J Cu2 U ( p) p.Tc M c ( p) + Ru Cu I ( p) = TuTc p + Tc p + Chương 3: Xây dựng hệ thống điều chỉnh tốc độ quay với hai vịng có phân cấp Trang : 12 3.1 3.1.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện Trong hệ thống truyền động điện hệ thống chấp hành mạch vịng điều chỉnh dịng điện mạch vòng Chức mạch vòng dòng điện hệ thống truyền động chiều xoay chiều trực tiếp (hoặc gián tiếp) xác định momen kéo động cơ, cịn có chức 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 bỏ qua sức điện động động Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh dòng điện hình sau: Trang : 13 Trong : - F : mạch lọc tín hiệu - Ri : điều chỉnh dòng điện - BĐ : biến đổi chiều - Si : xenxo dòng điện Xenxo dòng điện thực biến dịng mạch xoay chiều điện trở sun mạch cách ly mạch chiều Tf, Tđk, Tvo, Tư, Ti - số thời gian mạch lọc, mạch điều khiển chỉnh lưu, chuyển mạch chỉnh lưu, phần ứng xen xo dòng điện ; Rư - điện trở mạch phần ứng; ∂U d - hệ số khuếch đại chỉnh lưu ∂α Trong trường hợp hệ thống truyền động điện có số thời gian học lớn số thời gian điện từ mạch phần ứng ta coi sức điện động động không ảnh hưởng đến q trình điều chỉnh mạch vịng dịng điện (coi ∆E = E = 0) Tc >> Tư Xác định hàm truyền đạt Ri Ta có : So(p) = = K cl K i / Ru ( + T f ) ( + Tvo p ) ( + Tdk p ) ( + Ti p ) ( + Tu p ) K cl K i / Ru ( + Tsi p ) ( + Tu p ) Trang : 14 Trong : số thời gian T f, Tđk, Tvo, Ti nhỏ so với thời gian điện từ Tư Đặt Tsi = Tf + Tđk + Tvo + Ti => Fo = Ri.So(p) Ri So ( p) = FMC + Ri So ( p ) => F(p) = Với FMC = 1 + 2τ σ p + 2τ σ p => Ri(p) = So ( p ).2τ σ p.(1 + τ σ p ) ( + Tsi p ) ( + Tu p ) = K cl Ki Ru 2τ σ p.(1 + τ σ p) Chọn τσ = Tsi Ri ( p ) = = ( + Tu p ) K cl Ki 2Tsi p Ru K cl K i 2Tsi p Ru + = K cl K i 2Tsi p Ru + Tu p K cl K i 2Tsi p Ru Tu = Kp + = PI K cl K i Ti p 2Tsi Ru => Ri(p) khâu PI ( + Tu p ) Nếu thêm a vào ta có : Ri(p) = K cl K i 2T p.a si Ru a=1 3.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 3.2.1 Cấu trúc chung Hệ thống điều chỉnh tốc độ hệ thống mà đại lượng điều chỉnh tốc độ góc động điện, hệ thường gặp thực tế kỹ thuật Hệ thống điều chỉnh điều chỉnh tốc độ hình thành từ hệ thống điều chỉnh dịng điện Các hệ thống đảo chiều không đảo chiều Do yêu Trang : 15 cầu công nghệ mà hệ cần đạt vô sai cấp vô sai câp Nhiễu hệ momen tải Mc + Hệ có : - đại lượng điều chỉnh ω, ϕ - nhiễu phụ tải Mc - tín hiệu tác động Uư 3.2.2 Tổng hợp mạch vịng tốc độ có mạch vịng dịng điện a) Cấu trúc Hệ có dạng nối cấp : mạch vòng dòng điện mạch vòng trong, mạch vịng tốc độ mạch vịng ngồi Nó sử dụng khi: hệ khơng có khả chịu q dịng có yêu cầu cao điều chỉnh gia tốc làm việc vung gián đoạn Số mạch vòng hệ không đảo chiều; cho hệ đảo chiều Kết cấu hệ truyền động động có dạng Tín hiệu từ phát xung đưa vào biến đổi để điều khiển động Bộ điều chỉnh dòng điện RI sensor dòng SI tạo thành mạch vòng điều chỉnh dòng điện Phần tử phi tuyến HCD phần tử hạn chế dịng điện q trình q độ Sensor tốc độ Sω đóng vai trị khâu phản hồi tốc độ Ta thấy có hai tín hiệu tác động vào hệ truyền động tốc độ, tín hiệu đặt Uωđ tín hiệu nhiễu loạn MC , hai tín hiệu định biến đổi Rω hệ Sơ đồ khối chức hệ truyền động tốc độ trình bày hình vẽ: Trang : 16 b) Tổng hợp mạch vịng tốc độ Kết tổng hợp mạch vòng dòng điện tiêu chuẩn mơdul tối ưu ta có: FMi = 1 + 2Tsi p + 2Tsi2 p Vì Tsi