tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện phần ứng động cơ một chiều có khả năng thích nghi

Chương 1. Tổng quan về động cơ điện một chiều 1.1. Tìm hiểu chung về động cơ điện một chiều Động cơ điện là thiết bị biến đổi năng lượng điện năng thành năng lượng cơ năng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Chính vì nhiệm vụ này của động cơ điện mà chúng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền động điện công nghiệp hay điều khiển robot…Trong công nghiệp, hầu hết các dây truyền băng tải là sử dụng động cơ điện một chiều (DC motor), hay trong các cơ cấu máy nâng hạ, thang máy.Trong ngành chế tạo robot, động cơ điện một chiều tham gia vận hành các khớp cánh tay robot, thực hiện các dạng chuyển động phức tạp thông qua những cơ cấu truyền động khác nhau như nâng, gắp vật, khoan, gạt, … Hình 1.1. Băng chuyền, cánh tay robot, máy khoan Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy máy được dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải… Động cơ điện một chiều gồm nhiều loại khác nhau được phân loại theo phương pháp kích từ: • Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (I ư = I) • Động cơ điện một chiều kích từ song song (I = I ư + I t ) • Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (I = I ư = I t ) 1 • Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp hay kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (I = I ư + I t ) Trên thực tế, đặc tính cơ của động cơ kích thích độc lập và kích thích song song hầu như giống nhau nhưng khi cần công suất lớn người ta thường dùng động cơ điện kích thích độc lập để điều chỉnh dòng điện kích thích được thuận lợi và kinh tế hơn mặc dù loại động cơ này đòi hỏi phải có thêm nguồn điện phụ bên ngoài. Ngoài ra, khác với trường hợp máy phát kích thích nối tiếp, động cơ điện nối tiếp được dùng rất nhiều, chủ yếu trong ngành kéo tải bằng điện. 1.2. Nguyên lý, cấu tạo động cơ điện một chiều 1.2.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 2 Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý: Khi đặt một khung dây dẫn mang dòng điện trong từ trường B thì sẽ hình thành nên lực điện từ tác động lên khung dây (mang dòng điện) làm khung dây chuyển động, hướng của lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khung dây có tính đối xứng nên lực điện từ tác dụng lên 2 bên khung dây sẽ tạo thành cặp ngẫu lực khiến khung dây quay quay trục, tuy nhiên sau mỗi lần giá của ngẫu lực trùng nhau (2 lực cân bằng) thì khung dây sẽ bị dừng lại, để cho khung dây quay liên tục thì động cơ một chiều có hệ thống cổ góp, chổi than để đảo chiều dòng điện chạy qua khung dây sao cho luôn duy trì momen quay của khung dây. 1.2.2. Cấu tạo động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều cấu tạo gồm hai phần chính: phần cảm (stator) và phần ứng (rotor) Stator gồm các bộ phận chính như sau: + Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có lõi thép và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi thép cực từ, dòng điện chạy trong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau (N-S-N-S). Cực từ chính làm bằng những lá thép kĩ thuật điện ép lại, tán chặt và gắn vào vỏ máy nhờ các bulong. + Cực từ phụ: đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép cực từ phụ thường làm bằng thép khối và gắn vào vỏ máy nhờ các bulong. + Gông từ: dùng làm mạch từ, nối liền giữa các cực từ đồng thời dùng làm vỏ máy. Trong máy điện nhỏ thường làm bằng thép tấm uốn rồi hàn lại, trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. + Các bộ phận khác gồm có nắp máy và cơ cấu chổi than. Cơ cấu chổi than để đưa điện từ phần quay ra ngoài gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ có lò xo ép chổi nên chổi than ép chặt lên cổ góp. 3 Rotor của máy điện một chiều gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy. + Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thường được làm bằng tôn Silic dầy 0,5mm có phủ một lớp cách điện sau đó được ép lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy Phucô gây lên. Trên các lá thép có dập các rãnh để khi ép lại tạo thành các rãnh đặt cuộn dây phần ứng vào. Lõi sắt là hình trụ tròn và được ép cứng vào với trục tạo thành một khối thống nhất. Trong các máy điện công suất trung bình trở lên người ta thường dập các rãnh để khi ép lại tạo thành các lỗ thông gió làm mát cuộn dây và mạch từ. + Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Trong máy điện nhỏ dây quấn phần ứng có tiết diện tròn, với động cơ có công suất vừa và lớn tiết diện dây là hình chữ nhật. Khi đặt dây quấn phần ứng vào rãnh Rotor người ta phải dùng các nêm, chèn lên bề mặt của cuộn dây, các nêm này nằm trong rãnh đặt các cạnh dây quấn để tránh cho dây không bị văng ra ngoài khi dây chịu lực điện từ tác động. + Cổ góp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến góp bằng đồng ghép lại thành hình trụ tròn sau đó được ép chặt vào trục. Các phiến góp được cách điện với nhau bằng các tấm mea đặt ở giữa. Đuôi các phiến góp nhô cao để hàn đầu dây cuộn dây phần ứng, mỗi phiến góp có 4 đuôi chỉ hàn một đầu dây và tạo thành các cuộn dây phần ứng nối tiếp nhau. Hình 1.3. Cấu tạo cổ góp + Các bộ phận khác : * Cánh quạt : Cánh quạt dùng để làm mát động cơ. Cánh quạt được lắp trên trục động cơ để hút gió từ ngoài qua các khe hở trên nắp máy, khi động cơ làm việc gió từ ngoài vào qua các khe hở trên nắp máy , khi động cơ làm việc gió hút vào làm nguội dây quấn, mạch từ. * Trục máy : Trục máy được làm bằng loại thép cứng nhiều cacbon. Trên trục máy đặt lõi thép phần ứng và cổ góp. Hai đầu của trục máy được gối lên 2 vòng bi ở nắp máy 1.3. Các phương trình cơ bản trong động cơ điện một chiều kích từ độc lập Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cấu tạo hai phần riêng biệt: phần cảm bố trí ở phần tĩnh có các cuộn dây kích từ sinh ra từ thông φ , phần ứng là phần quay nối tiếp với điện áp lưới qua vành góp và chổi than. Tác động giữa từ thông và dòng điện phần ứng I ư tạo mô men quay động cơ. Khi động cơ quay các thanh dẫn phần ứng cắt từ thông tạo nên sức điện động E ư . Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: 5 Hình 1.4. Sơ đồ mạch mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập Động cơ điện một chiều là đối tượng điều khiển, được mô tả bởi các phương trình sau đây: Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: U A = e A + R A i A + L A d A i dt (1.1) Sức điện động cảm ứng: e A = k e φ ω (1.2) Trong đó: k e là hệ số sức điện động của động cơ Tốc độ quay: d dt ω = 1 J (m M -m T ) (1.3) Momen quay: m M = k M φ i A (1.4) Trong đó: k M là hệ số momen Hằng số thời gian phần ứng: T ư = u u L R (1.5) 6 Chương 2. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện thích nghi 2.1. Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều kích từ độc lập 2.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều 7 Hình 2.1. Hệ thống truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập Trong đó: ĐC: Động cơ một chiều U ư : Điện áp đặt vào phần ứng động cơ I ư : Dòng điện phần ứng I kt : Dòng điện kích từ Φ kt : Từ thông kích từ CF: Cuộn dây cực từ phụ CB: Cuộn dây bù MĐT: Mô men điện từ MC : Mô men cản ω : Tốc độ góc của động cơ Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp u k nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện i k và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau: 8 M c ' . . . 2 . p N M I k I a π = Φ = Φ (2.1) Trong đó: p ’ - số đôi cực của động cơ; N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ; a - số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng; k = ' . 2 . p N a π - hệ số kết cấu của máy. Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây dây quấn này cảm ứng sức điện động (sđđ): E = ωω π Φ=Φ k a Np .2 . ' (2.2) Trong đó: ω - tốc độ góc của rôto. Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng: u U R I k ω − = Φ (2.3) Trong đó R ư - điện trở mạch phần ứng của động cơ. Từ các phương trình (1.1) và (1.3) có thể vẽ được họ đặc tính cơ M(ω) của động cơ một chiều khi từ thông không đổi, hình 2.2. 9 ω Hình 2.2. Đặc tính cơ động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi. 2.1.2. Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 1.5 như sau: * Mạch kích từ, có hai biến dòng điện kích từ i k và từ thông Φ là phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt: U k (p) = R k I k (p) + N k .p.Φ(p) (2.4) trong đó: N k - số vòng dây cuộn kích từ; R k - điện trở cuộn dây kích từ. * Mạch phần ứng: U(p) = R ư .I(p) + L ư .p.I(p) ± N N .p.Φ(p) + E(p) (2.5) Hoặc dạng dòng điện: 10 [...]... 3.10 Đáp ứng dòng điện phần ứng khi Mc = Mđm 32 Hình 3.11 Đáp ứng dòng điện khi nhiễu tải Mc dạng sin Hình 3.12 Đáp ứng dòng điện phần ứng khi Mc dạng Uniform Random Number 33 3.1.3 Mô hình mô phỏng bộ điều chỉnh dòng điện thích nghi Hình 3.13 Mô hình mô phỏng bộ điều chỉnh dòng điện thích nghi Mô hình điều khiển dòng điện phần ứng của động cơ điện một chiều kích thích vĩnh cửu, có khả năng thích nghi. .. hình 3.6 , khi chưa có bộ điều chỉnh dòng điện thì dòng điện phần ứng khi không tải có độ quá điều chỉnh rất lớn (lên đến 350A) trong khi dòng điện định mức của động cơ đã cho chỉ là 20,455A, điều này rất nguy hiểm đối với động cơ -Sau khi tổng hợp bộ điều khiển dòng điện, độ quá điều chỉnh dòng điện còn tương đối nhỏ ( dòng điện phần ứng lớn nhất trong quá trình quá độ là 21A), dòng điện nhanh chóng... gian bắt đầu tác động tại t = 1(s) 29 Hình 3.5 Đáp ứng ra của tốc độ khi Mc = Mđm Hình 3.6 Đáp ứng ra của dòng điện phần ứng động cơ 30 Hình 3.7 Đáp ứng ra của momen động cơ 3.1.2 Mô hình mạch vòng dòng điện có bộ điều khiển khi tính đến sức điện động động cơ E ở chế độ dòng điện liên tục Hình 3.8 Mạch vòng dòng điện khi tính đến sức điện động phần ứng E 31 Hình 3.9 Đáp ứng dòng điện phần ứng khi Mc =... -Với các nhiễu tải khác nhau như trên, đáp ứng dòng điện tương đối tốt với độ quá điều chỉnh dưới 5%, dòng điện bám theo giá trị đặt 35 - Bộ điều chỉnh thích nghi dòng điện đã đáp ứng được yêu cầu là thích nghi với từng xung dòng điện trong vùng gián đoạn và vùng liên tục, độ quá điều chỉnh không lớn, dòng điện xác lập tại t = 2,6 s với mô men cản bắt đầu tác động tại thời điểm t = 2,1 s (hình 3.14)... trong điều khiển thích nghi 24 R1/R0 2R2/R0 GĐ LT T1/T Hình 2.15 Đặc tính hệ số khuếch đại trong điều chỉnh thích nghi Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển thích nghi trong chế độ gián đoạn giảm khi độ rộng xung dòng tăng lên 2.3 Tính chọn các bộ điều khiển Theo đề tài đã cho, thông số kỹ thuật của động cơ điện một chiều như sau: - Công suất định mức: Pđm = 4.5 kW - Điện áp định mức: Uđm = 220 V - Dòng điện. .. thích vĩnh cửu, có khả năng thích nghi với từng xung dòng điện, khi dòng điện liên tục (Iư ≠0) thì Switch cho phép BĐK Ri (PI) đưa tín hiệu điều khiển đến bộ chỉnh lưu cầu 3 pha, khi dòng điện gián đoạn (Iư =0), Switch lập tức chuyển mạch cho phép bộ Ri2 (I) đưa tín hiệu điều khiển Hình 3.14 Đáp ứng dòng điện phần ứng khi có bộ điều chỉnh thích nghi 34 Thông số mô phỏng: %=================== Pdm=4500;%Cong... lưu 1 2,Hàm truyền phần ứng động cơ: W = Ru 1 + pTu Tư: Hằng số thời gian điện từ của động cơ 3,Hàm truyền của khâu đo dòng: W = Ki 1 + pTi Ti : Hằng số thời gian của máy biến dòng Ki: Hệ số phản hồi dòng điện 16 Nhận xét : đặc điểm tổng hợp mạch vòng dòng điện tác động nhanh, độ quá điều chỉnh nhỏ, do đó ta phải sử dụng tiêu chuẩn tối ưu modul vì quá điều chỉnh nhỏ Sơ đồ cấu trúc cơ bản : I ω I Hình... ta có: Rip = Nhận xét : * K si (Udk ) 1 2 K si (U dk ) pTsi biến thiên => xây dựng bộ điều khiển thích nghi *Thích nghi với từng xung dòng điện Uid I Udk PI Logic Ui Hình 2.12 Mô hình mạch điều khiển dòng điện thích nghi Thực hiện mạch tích hợp bằng hai phương pháp: 22 +Thay đổi cấu trúc +Thay đổi hệ số khuyếch đại • Thay đổi cấu trúc - Mạch tích hợp Hình 2.13 Mạch tích hợp điều khiển dòng điện thích. .. tham số động cơ một chiều kích từ độc lập với thông số đã cho Điện áp định mức Uđm=220V cấp trực tiếp (Step) vào phần ứng động cơ a)Khi không tải (Mc = 0) 27 Hình 3.1 Mô hình động cơ có từ thông không đổi Đáp ứng ra như sau: Hình 3.2 Đáp ứng ra của tốc độ khi không tải 28 Hình 3.3 Đáp ứng ra của dòng điện phần ứng khi không tải Hình 3.4 Đáp ứng ra của momen động cơ khi không tải b) Khi có tải bằng momen... hoá của động cơ một chiều kích từ độc lập 13 B 1 ∆U R 1 + Tu p - ∆I - Kφ0 ∆M c ω 1 J.p Kφ0 ∆UK 1 RK 1 + TK p ∆IK KI0 KK KωB ∆φ Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá Sau đây ta xét một số trường hợp đặc biệt của động cơ một chiều kích từ độc lập trong chế độ quá độ a) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với Φ = const Khi dòng điện từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằng . truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập Trong đó: ĐC: Động cơ một chiều U ư : Điện áp đặt vào phần ứng động cơ I ư : Dòng điện phần ứng I kt : Dòng. điện một chiều 1.2.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 2 Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều