ĐỀ tài THIẾT kế hệ THỐNG điều KHIỂN tự ĐỘNG CHO hệ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG cơ một CHIỀU XOAY CHIỀU 3 PHA

TRƯỜNG ĐAI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VINH KHOA ĐIỆN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU XOAY CHIỀU PHA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: NGYỄN ANH TUẤN Sinh viên: ĐẶNG QUANG MINH Lớp DHTDHCK14A1 MSV:1405190094 Nghệ An, năm 2022 Lời nhận xét giáo viên hướng dẫn …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Lời nhận xét giáo viên phản biện …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………… LỜI NÓI ĐẦU Hiện với sự phát triển không ngừng của nền khoa học kỹ thật đã tạo những thành tựu to lớn Trong đó nghành điều khiển tự động góp một phần không nhỏ vào sự phát triển đó Một những vấn đề quan trong các dây chuyền điều khiển tự động hóa là điều khiển tốc độ động điện một chiều Từ trước đến động điện một chiều được sử dụng rộng rãi các hệ thống truyền động kể cả hệ thống truyền động yêu cầu cao Vì vậy để hiểu rõ môn thiết kế hệ thống tự động hóa quá trình em được giao đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển tự động động cho hệ truyền động động điện chiều” Nội dung đề tài được chia làm IV chương: Chương I: Mô tả động điện chiều Chương II: Thiết kế mạch lực hệ truyền động tự động Chương III: Thiết kế điều khiển hệ truyền động tự động Chương IV: Mô phỏng hệ thống điều khiển phần mềm Matlab-Simulink Trong quá trình làm đề tài em nhận được sự quan tâm hướng dẫn chỉ bảo tận tình của Thầy giáo Nguyễn Anh Tuấn em xin chân thành cảm ơn thầy Tuy nhiên thời gian, giới hạn của đề tài, với phạm vi nghiên cứu tài liệu, với kinh nhiệm và kiến thức còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Em kính mong thầy đóng góp ý kiến để đò án hoàn thiện Sinh viên thực hiện Cao Văn Huỳnh CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động động điện chiều 1.1.1 Cấu tạo động điện chiều Hình 1.1: Mặt cắt ngang máy điện chiều Cấu tạo động điện chiều phân thành hai thành phần là: phần tĩnh phần quay - Phần tĩnh hay Stato (phần cảm) Đây thành phần đứng yên động Phần tĩnh gồm phận sau: Cực từ chính: Cực từ phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt kích từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện thép khối gia công thành dạng cực từ cố định vào máy 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 nối tiếp với Nhiệm vụ cực từ dây quấn kích từ tạo từ thơng máy + Cực từ phụ: Cực từ phụ thường làm thép khối đặt xen kẽ cực từ dùng để cải thiện đổi chiều (đặt đường trung tính hình học) Xung quanh cực từ phụ có dây quấn cực từ phụ Dây quấn cực từ phụ đấu nối tiếp với dây quấn phần ứng (dây quấn Roto) Nhiệm vụ cực từ phụ để làm giảm xuất tia lửa điện bề mặt chổi than cổ góp + Vỏ máy (gơng từ): Gơng từ dùng để làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy bảo vệ phận bên vỏ máy Vỏ máy điện chiều làmbằng thép dẫn từ + Chổi than: Chổi than dùng để điện áp từ bên vào động Cơ cấu chổi than 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.Chổi than thường đượclàm bột đồng bột than số phụ gia chống mài mòn khác.Chổi than đặt đường trung tính hình học - Phần quay hay Roto (phần ứng) + Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ Thường làm thép kĩ thuật điện dầy 0.5(mm) 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 đặt dây: Dây quấn phần ứng thành phần sinh sức điện động có dịng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện Dây quấn bọc cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép + Cổ góp: Cổ góp (cịn gọi vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành chiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng ghép cách điện với Bề mặt cổ góp phải gia cơng với độ nhẵn bang cao để đảm bảo tiêp xúc giũa chổi than cổ góp Cổ góp đặt đồng tâm với trục quay để hạn chế phát sinh tia lửa điện + Các phận khác: Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy Trục máy: Trên đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp cánh quạt ổ bi Trục máy thường làm thép cácbon tốt 1.1.2 Nguyên Lý hoạt động động điện chiều Động điện chiều hoạt động dựa tượng cảm ứng điện từ đặt vào từ trường dây dẫn cho dòng điện chạy qua dây dẫn từ trường tác dụng lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn) làm cho dây dẫn chuyển động,chiều từ lực xác định quy tắc bàn tay trái Nguyên lý: Khi cho dịng điện chạy qua cuộn dây kích từ, tạo từ trường tác dụng lực từ vào dây dẫn rơto có dịng chạy qua tạo mô men làm quay rôto 1.1.3 Phân loại động điện chiều Dựa vào cách nối dây quấn phần ứng với dây quấn kích từ động điện chiều chia làm bốn loại sau: - Động điện chiều kích từ độc lập: dịng điện kích từ lấy từ nguồn riêng biệt so với phần ứng Trường hợp đặc biệt, từ thông kích từ tạo nam châm vĩnh cữu, người ta gọi động điện chiều kích thích vĩnh cửu - Động điện chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng - Động điện chiều kich từ nối tiếp: Dây quấn kich từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng - Động điện chiều kich từ hỗn hợp: Dây quấn kich từ có hai cuộn, dây quấn kich từ song song dây quấn kich từ nối tiếp Trong đó, cuộn kich từ song song thường cuộn chủ đạo Hình 1.2: Các loại động điện chiều a) Động điện chiều kích từ độc lập b) Động điện chiều kích từ song song c) Động điện chiều kích từ nối tiếp d) Động điện chiều kích từ hỗn hợp 1.1.4 Điều chỉnh tốc độ động điện chiều Ưu điểm động điện chiều so với loại động điện khác khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng, điều chỉnh tốc độ đơn giản, dễ chế tạo Do đó, điều kiện bình thường, cấu có yêu cầu chất lượng điều chỉnh tốc độ cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, người ta thường sử dụng động điện chiều Có phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều như: - Thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng - Thay đổi từ thông - Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Đối với hệ thống truyền động điện chiều có yêu cầu điều chỉnh tốc độ cao thường sử dụng động điện chiều kich từ độc lập 1.2 Các động điện chiều 1.2.1 Động điện chiều kích từ độc lập U đm=E đm + Rư I đm I đm=I đm= Pđm ηđm U đm Hình 1.3: Sơ đồ nối dây động chiều kích từ độc lập Trong đó: Uđm: điện áp định mức Iđm: dòng điện định mức mạch Iktđm: dịng điện kích từ định mức Pđm: công suất đầu cần trục cân với tải ηđm: hiệu suất định mức động 1.2.2 Động điện chiều kích từ song song U đm=E đm + Rư I đm I đm=I đm−I kt = P đm −I ηđm U đm kt Hình 1.4: Sơ đồ nối dây động chiều kích từ song song 1.2.3 Động điện chiều kích từ nối tiếp U đm=E đm + RI đm Với : R=Rư + Rkt I đm=I đm=I kt = P đm ηđm U đm Hình 1.5: Sơ đồ nối dây động chiều kích từ nối tiếp 1.2.4 Động điện chiều kích từ hỗn hợp Động điện kích từ hỗn hợp động điện vừa có kích từ song song vừa có kích nối tiếp kích từ song song đóng vai trị chủ yếu 1.3 Các phương pháp điều chỉnh động điện chiều Từ phương trình đặc tính cơ: ω= Uư R − ¿ ¿ Keϕ Ta có ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều: 1.3.1 Điều chỉnh tốc độ động cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng Trong thực tế người ta thường dùng phương pháp giảm điện áp phần ứng động giữ từ thông ϕ =ϕ đm=const , điện trở R=R Khi điện áp giảm thì: ω 0= U Kϕ Rư Σ Δ ω= ¿ ¿ Do ta thu họ đường đặc tính sau: Hình 1.6: Họ đặc tính thay đổi điện áp + Nhận xét: Khi ta giảm điện áp đặt vào phần ứng động tốc độ khơng tải giảm xuống, cịn độ xụt tốc độ không đổi Điện áp phần ứng giảm,tốc độ động nhỏ Do ta thu họ đường đặc tính song song với đường đặc tính tự nhiên, tức độ cứng đặc tính khơng đổi 1.3.2 Điều chỉnh tốc độ động cách thay đổi từ thông mạch kích từ Muốn thay đổi từ thơng động cơ, ta tiến hành thay đổi dịng điện kích từ động qua điện trở mắc nối tiếp mạch kích từ Trong thực tế người ta thường dùng phương pháp giảm từ thông ϕ giữ điện áp U =U ưđm, điện trở R=R không giảm từ thông ϕ gần Khi từ thơng ϕ giảm thì: ω 0= ∆ ω= U ↓ Kϕ Rư ( Kϕ) M ↑↑ Do ta thu họ đường đặc tính sau: Hình 1.7 Họ đặc tính thay đổi từ thơng mạch kích từ động + Nhận xét: Như giảm từ thơng tốc độ khơng tải tăng lên độ sụt tốc độ tăng gấp lần Do ta thu họ đường đặc tính có độ dốc có tốc độ khơng tải lớn Vì giảm từ thơng tốc độ khơng tải lý tưởng đặc tính tăng, tốc độ động lớn Độ cứng đặc tính giảm Phương pháp kinh tế việc điều chỉnh tốc độ thực mạch kích từ với dịng kích từ (1 ÷ 10)% dòng định mức phần ứng 1.3.3 Điều chỉnh tốc độ dộng cách thay đổi điện trở phụ Trong thực tế người ta thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng động cơ: R=R + R f , giữ điện ápU =U đm, từ thông ϕ =ϕ đm=const Ta có: ω= U Rư + Rf − M Kϕ (Kϕ)2 3.2) Mơ hình tốn học động chiều: Khi đặt lên dây quấn kích từ điện áp dây quấn kích từ có dịng điện mạch từ máy có từ thơng Φ Tiếp đặt giá trị điện áp U lên mạch phần ứng dây quấn phần ứng có dịng điện I chạy qua, tương tác dòng điện phần ứng từ thơng kích từ tạo thành mơmen điện từ Vậy ta có phương trình động chiều Hình 3.3: sơ đồ nguyên lý động kích từ độc lập  Từ sơ đồ ta có phường trình cân điện áp : uư ( t )=Rư i ( t )+ eư + Lư Với: uư Rư Lư iư Rkt i kt ukt diư ( t ) dt  : điện áp phần ứng [V]   : điện trở mạch phần ứng  [Ω]  : cuộn cảm phần ứng + lọc chiều [H]   : dòng điện mạch phần ứng [ A]  : điện trở mạch kích từ  [Ω]  : dịng điện mạch kích từ [ A]  : điện áp mạch kích từ [V]   Sức điện động Eư phần ứng động xác định theo biểu thức: E=Kϕω  Mômen điện từ động xác định: M dt =k Φ I  Phương trình cân mơ men động cơ: M (t)−M C (t)=J dω dt Trong đó: Rư : Là điện trở cuộn dây phần ứng Eư : Là sức điện động phần ứng động R f : Là điện trở phụ I : Là dòng phần ứng K : Là hệ số cấu tạo máy điện M: Là mô men động U : Là điện áp đặt vào phần ứng động ω: Là tốc độ góc động Ф: Là từ thơng động Chuyền phương trình sang dạng toán tử Laplace: U ( p )=Rư I ( p )+ Lur I ( p ) p+ E( p) M ( p )−M C ( p ) =J ( p ) ω ( p ) p E( p)=K ω( p) M ( p)=k Φ I ( p)  Ta thành lập phương trình đặc tính sau: ω= U−Lư p I R + R p − ¿¿ kϕ  Hàm truyền động sau: I= /Rư (U −E)= (U −E) R + Lư p 1+T p Từ phương trình ta sơ đồ cấu trúc động điện chiều sau: Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc động chiều từ thông không đổi Ta tính được: Hằng số thời gian phần ứng: T ư= Ta có Lư , 2.10−3 = =0,018(s ) Rư 0.06666 KΦ= U đm −Ru I đm =1,21 ⍵đm Từ Kϕ mơ men định mức ta tính mômen định mức là: M =Kϕ I đm=206,91 Tốc độ góc rơto: ω= πn n 1000 = = =104.71¿ 60 9,55 9,55  Mơ hình động điện chiều: Hình 3.4: Mơ hình động điện chiều 3.3 Thiết kế điều kiển: 3.3.1 Thiết kế mạch vòng dòng điện: Đối với động điện chiều, đại lượng cần điều khiển tốc độ ω momen M Hình 3.5: Hệ thống điều chỉnh tốc độ mạch vòng tốc độ Rω : điều chỉnh tốc độ, FT: máy phát tốc, FX: mạch phát xung điều khiển BBD, BBD: biến đổi, U ωSP điện áp đặt tốc độ, U tω :điện áp phản hồi tốc độ Hệ thống điều chỉnh tốc độ vịng kín đơn dùng phản hồi âm tốc độ điều chỉnh PI đảm bảo hệ thống trạng thái ổn định thực sai lệch Đối với hệ thống có yêu cầu chất lƣợng động cao, ví dụ yêu cầu khởi động phanh hãm nhanh, sai lệch tốc độ chế độ động nhỏ, hệ thống mạch vịng khó thoả mãn yêu cầu Điều chủ yếu hệ thống mạch vịng khơng thể hồn tồn khống chế dịng điện mơ men q trình động theo yêu cầu Cấu trúc không quan tâm đến nhiễu tải => sai lệch momen M khơng tốt, độ xác không cao, ổn định tốc độ không lớn,vùng điều chỉnh D = 10÷20/1 => sử dụng với máy mài thơ Tổng hợp mạch vịng dịng điện bỏ qua suất điện động động Hình 3.6: Sơ đồ cấu khối mạch vịng dịng điện Trong đó: K cl ( 1+T dk P ) ( 1+ T vo P )  : Hàm truyền biến đổi  K cl  : Hệ số khuếch đại biến đồi   K i : Hệ số khuếch đại cảm biến dòng điện Ki : Hàm truyền cảm biến dòng điện 1+ T i p T f , T dk , T v0 , T ,T i : số thời gian mạch lọc, mạch điều khiển, mạch chỉnh lưu, phần ứng cảm biến dòng điện Rư : điện trở phần ứng sp U i :điện áp đặt dòng điện U i :điện áp phản hồi dòng điện Trong trường hợp hệ thống truyền động điện có số thời gian học lớn số thời gian điện tử mạch phần ứng( T c >10 T →coi sức điện động động khơng ảnh hưởng đến q trình điều khiển mạch vòng dòng điện → ∆ E=0→ E=0 Hàm truyền đối tượng: So = K CL /R v Ki 1+ p T f ( 1+ p T dk ) ( 1+ p T vo ) 1+ p T ut 1+ p T i Do T f , T dk , T vo ,T i