TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ==========o0o========== BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ Mã học phần 13311 Học kỳ 1 – Năm học 2022 – 2023 Hải Phòn[.]
Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ==========o0o========== BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ Mã học phần: 13311 Học kỳ: – Năm học: 2022 – 2023 Hải Phòng-12/2022 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ MÃ HỌC PHẦN: 13311 Đề tài : Xây dựng điều khiển vị trí cho động chiều sử dụng điều khiển vị trí tuyến tính Giảng viên: Nhóm: Sinh viên: Mã SV: HẢI PHÒNG, 12/2021 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com Đề Cương Sơ Bộ Bài Tập Lớn Điều Khiển Hệ Điện Cơ Tên đề tài: Xây dựng điều khiển vị trí cho động chiều sử dụng điều khiển vị trí tuyến tính Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Phạm Tâm Thành Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tú Mã SV: 88776 Mở đầu Chương Mô tả chung động chiều 1.1 Tổng quan động điện chiều 1.2 Điều khiển động chiều Chương Xây dựng mơ hình điều khiển vị trí động chiều kích từ độc lập 2.1 Động điện chiều kích từ độc lập 2.2 Mơ hình điều khiển vị trí cho tuyến tính cho động điện chiều Chương Mơ 3.1 Mơ hình mơ 3.2 Kết Giảng viên hướng dẫn Hải Phòng, ngày tháng 12 năm 2022 Sinh viên thực Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG MÔ TẢ CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Cấu tạo động điện chiều 1.1.2 Phân loại động điện chiều 1.2 Điều khiển động điện chiều CHƯƠNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 10 2.1 Động điện chiều kích từ độc lập 10 2.1.1 Thiết bị đo lường 14 2.2 Mơ hình điều chỉnh vị trí tuyến tính 16 CHƯƠNG TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 17 3.1 TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MƠ HÌNH MƠ PHỎNG 17 3.1.1 Tổng hợp điều khiển dòng điện 17 3.1.2 Tổng hợp điều khiển tốc độ 19 3.1.3.Tổng hợp điều khiển vị trí 22 3.2.KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 23 3.2.1.Tính tốn thơng số 23 3.2.2 Kết mô 26 KẾT LUẬN 31 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com DANH MỤC HÌNH ẢNH STT 1.1 1.2 2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 TÊN HÌNH Mặt cắt ngang động điện chiều Các loại động điện chiều Sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập Sơ đồ cấu trúc tổng quát động điện chiều kích từ độc lập Sơ đồ tuyến tính hóa động điện chiều kích từ độc lập Sơ đồ cấu trúc động chiều kích từ độc lập có từ thơng khơng đổi TRANG 10 12 13 14 Cấu trúc mạch vòng dịng điện Mơ hình điều khiển dịng bỏ qua suất điện động phần ứng Cấu trúc điều khiển động chiều kích từ độc lập Cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ rút gọn Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động điện chiều kích từ độc lập 17 Kết mơ dịng điện với Mc = (Nm) Kết mơ tốc độ với Mc = (Nm) Kết mơ vị trí với Mc = (Nm) Kết mơ dịng điện với Mc = 80 (Nm) Kết mô tốc độ với Mc = 80 (Nm) Kết mơ vị trí với Mc = 80 (Nm) Kết mơ dịng điện với Mc = 172 (Nm) Kết mô tốc độ với Mc = 172 (Nm) Kết mơ vị trí với Mc = 172 (Nm) 26 18 20 21 23 26 27 27 28 28 29 29 30 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần những tiến khoa học kỹ thuật đã đưa lại những ứng dụng lớn lao vào q trình cơng nghiệp hóa đại hố mỡi đất nước Bên cạnh những thành tựu mặt thực tiễn những lý thuyết điều khiển cũng đời góp phần không nhỏ việc xây dựng nguyên lý điều khiển tối ưu hệ thống truyền động cơng nghiệp Là nước q trình xây dựng kinh tế công nghiệp đại với nhiệm vụ thực thành cơng q trình cơng nghiệp hố đại hố, đất nước ta ngày đòi hỏi nhiều những ứng dụng mạnh mẽ thành tựu khoa học kỹ thuật vào trình sản xuất để đưa lại suất lao động cao hơn, cạnh tranh với nước khu vực giới .Tự động hoá sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ nhằm nâng cao xuất, hạ giá thành sản phẩm không những yêu cầu bắt buộc mà nữa xem chiến lược nhà máy, xí nghiệp cũng tồn sản xuất công nghiệp mỗi quốc gia Từ yêu cầu thực tiễn em đã thực tập lớn môn học điều khiển hệ điện với đề tài là: “Xây dựng điều khiển vị trí cho động chiều sử dụng điều khiển vị trí tuyến tính” Em xin chân thành cảm ơn! Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com CHƯƠNG MÔ TẢ CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Hiện động điện chiều dùng phổ biến hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động điện chiều từ vài W đến hàng MW Đây loại động đa dạng linh hoạt, đáp ứng yêu cầu momen, tăng tốc hãm với tải trọng nặng Động điện chiều cũng dễ dàng đáp ứng truyền động khoảng điều khiển tốc độ rộng đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ momen- tốc độ Trong động điện chiều, biến đổi điện mạch chỉnh lưu điều khiển Chỉnh lưu dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng Chỉnh lưu sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha 1.1.1 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều gồm có stator, rotor, cổ góp chổi điện Hình 1.1: Mặt cắt ngang động điện chiều • Stator : gọi phần cảm, gồm dây quấn kích thích quấn tậptrung cực từ stator Các cực từ stator ghép cách điện từ thép kỹ thuật điện dập định hình sẵn có bề dày 0,5-1mm gắn gơng từ bằng thép đúc, cũng vỏ máy Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com • Rotor : cịn gọi phần ứng, gồm lõi thép phần ứng dây quấn phần ứng Lõi thép phần ứng có hình trụ, ghép từ thép kỹ thuật điện ghép cách điện với Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, đặt vào rãnh lõi thép rotor Các phần tử dây quấn rotor nối tiếp thông qua góp cổ góp Lõi thép phần ứng cổ góp cố định trục rotor • Cổ góp chổi điện : làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện dây quấn phần ứng 1.1.2 Phân loại động điện chiều Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động điện chiều thành 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 thơng kích từ tạo bằng nam châm vĩnh cửu, người ta gọi động điện chiều kích từ vĩnh cửu Động điện chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng Động điện chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng Động điện chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn, dây quấn kích từ song song dây quấn kích từ nối tiếp Trong đó, cuộn kích từ song song thường cuộn chủ đạo Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com 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 1.2 Điều khiển 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 Đối với hệ thống truyền động điện có yêu cầu điều chỉnh tốc độ thường sử dụng động điện chiều kích từ độc lập Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com CHƯƠNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 2.1 Động điện chiều kích từ độc lập Động điện chiều kích từ độc lập hay sử dụng có nhiều ưu điểm Sơ đồ thay động chiều kích từ độc lập sau: Hình 2.1: Sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập ĐC: Động điện chiều Uư: Điện áp đặt vào phần ứng động Iư: Dòng điện phần ứng Ikt: Dòng điện kích từ kt : Từ thơng kích từ CF: Cuộn dây cực từ phụ CB: Cuộn dây bù Me: Momen điện từ Mc: Momen cản : Tốc độ góc động ➢ Mơ hình tốn chế độ xác lập động chiều kích từ độc lập + Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: 10 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com CHƯƠNG TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1 TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MƠ HÌNH MƠ PHỎNG Việc tổng hợp điều khiển RI , R , R tiến hành theo phương pháp tiêu chuẩn module tối ưu tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng Nguyên tắc chung để thiết kế hệ thống điều khiển ba mạch vịng kín là: Bắt đầu từ vịng , vịng vịng mở rộng ngồi Nghĩa trước tiên ta phải thiết kế điều chỉnh dòng điện, tiếp đến coi mạch vòng dòng điện khâu hệ thống điều chỉnh tốc độ quay để thiết kế điều chỉnh tốc độ quay, tiếp tục coi mạch vòng tốc độ khâu hệ điều chỉnh vị trí để thiết kế điều chỉnh vị trí 3.1.1 Tổng hợp điều khiển dịng điện Mạch vịng điều khiển dịng điện có nhiệm vụ tăng đáp ứng dòng điện điều khiển động điện chiều, cũng làm hạn chế dịng động khơng vượt q ngưỡng cho phép Mặt khác, nhiệm vụ điều khiển thiết lập dòng phần ứng bằng giá trị đặt trước tác động nhiễu Hình 3.1: Cấu trúc mạch vòng dòng điện Đối với động chiều, điều khiển dịng tổng hợp theo cách: - Tổng hợp điều khiển dòng bỏ qua suất điện động phần ứng - Tổng hợp điều khiển dịng tính đến suất điện động phần ứng 17 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com Trong những trường hợp quán tính động lớn nhiều so với quán tính điện, nghĩa thời điểm xem thay đổi dòng điện lớn nhiều lần so với thay đổi tốc độ những điểm xem tốc độ khơng đổi Khi cần xác ta phải tính đến suất điện động động Ta tổng hợp điều khiển dòng RI bỏ qua suất điện động phần ứng: Hình 3.2: Mơ hình điều khiển dịng bỏ qua suất điện động phần ứng Khi đối tượng điều khiển dịng SI tính sau: Ru K BD KI SI = (1 + TV p)(1 + TBD p) + TI p + Tu p Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có: R= S 2. p.(1 + p) Trong mơ hình đối tượng SI có hằng số thời gian TBD, TV, TI những hằng số thời gian nhỏ, có Tu hằng số thời gian lớn nên trước hết ta đơn giản mơ hình đối tượng SI dạng: SI K I K BD Ru (1 + Tu p)(1 + TSI p) với TSI = TBD + TV + TI Thay giá trị SI ta được: RI = (1 + Tu p)(1 + TSI p) K I K BD 2. p.(1 + p) Ru 18 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com Chọn = TSI RI = RI = RI = (1 + Tu p)(1 + TSI p) K I K BD 2.TSI p.(1 + TSI p) Ru + Tu p K I K BD 2.TSI p Ru Ru Tu 2.K I K BD TSI + 1 Tu p Vậy điều khiển dòng tổng hợp theo tiêu chuẩn module tối ưu điều khiển PI Theo tiêu ch̉n hàm truyền kín mạch vịng dịng có dạng: F= I ph I u K I = = + 2 p + 2 p I sp I sp Iu KI = I sp + 2TSI p + 2TS2I p 3.1.2 Tổng hợp điều khiển tốc độ Mơ hình hệ thống điều khiển tốc độ động R : 19 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com Hình 3.3: Cấu trúc điều khiển động chiều kích từ độc lập Ta đã có hàm truyền kín mạch vịng dịng điện theo tiêu chuẩn module tối ưu: Iu KI = = FI ( p) I sp + 2TSI p + 2TS2I p Do TSI giá trị nhỏ nên nên xấp xỉ hàm truyền kín mạch vịng dịng: FI KI + 2TSI p Khi sơ đồ điều khiển cho mạch vịng tốc độ rút gọn lại: 20 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com Hình 3.4: Cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ rút gọn Hàm truyền khâu đo tốc độ có dạng: K + T p Vậy đối tượng điều khiển tốc độ tính là: S = K KI Cu + 2TSI p + T p J p S = K Cu với 2TS = 2TS I + T K I J p(1 + 2TS p) Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có: R = S 2. p(1 + p) R = K Cu 2 p.(1 + p) K I J p(1 + 2TS p) Chọn = 2TS R = R = K Cu 4.TS p.(1 + 2TS p) K I J p(1 + 2TS p) K I J 4.K Cu TS Vậy điều khiển tốc độ theo tiêu chuẩn module tối ưu điều khiển P 21 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com Theo tiêu chuẩn này, hàm truyền kín mạch vịng tốc độ có dạng: K + 2 p + 2 p F ( p ) = 1 K K F ( p ) = 2 + 4TS p + 8TS p + 4TS p 3.1.3.Tổng hợp điều khiển vị trí Ta đã có hàm truyền kín mạch vịng tốc độ sau: F ( p ) K + 4TS p Khâu truyền lực: k p Đối tượng điều khiển cho mạch vịng dịch chuyển vị trí: S = K K k + 4TS p + T p p Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có: R = S 2. p.(1 + p) R = K k 2. p.(1 + p) + 4TS p + T p p Chọn = T R = K K k 2.T p.(1 + T p) + 4TS p + T p p R = ( K + 4.TS p 2.k.K T ) 22 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com Vậy điều khiển vị trí theo tiêu chuẩn module tối ưu điều khiển PD Sau tổng hợp điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động điện chiều kích từ độc lập sau: Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động điện chiều kích từ độc lập 3.2.KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 3.2.1.Tính tốn thơng số ➢ Thơng số cho trước: Pdm = 15 KW Udm = 110 V Idm = 18 A ndm = 3000 v/p Rư = 0,514 Lư = 0,0116 H J = 0,045 kg.m2 Tỉ số truyền: i = 10 Đường kính bánh xe: D = 700 mm = 0,7 m Chọn: 23 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com TI = 0,002 s T = 0,001 s Tbd = 0,0015 s Tv = 0,003 s T = 0,3 s ➢ Tính tốn thơng số: - Tốc độ góc: = 2𝑛 60 = 100 (𝑟𝑎𝑑 ⁄𝑠) 𝑈𝑑𝑚−𝐼𝑑𝑚.𝑅ư - Từ thông: k= Cư = = 0,32 - Momen định mức: Mdm=kIdm=0,32.18=5,76 (Nm) - Hằng số thời gian phần ứng: Tư= - Hàm truyền động cơ: 1⁄ Wp= 𝑅ư 1+𝑇ư.𝑝 𝐿ư 𝑅ư = =0,023 (s) 1⁄ 0,514 1+0,023𝑝 = 1,95 1+0,023𝑝 - Hàm truyền biến đổi: Chọn Udat = 10 (V) kbd= 𝑈𝑑𝑚 𝑈𝑑𝑎𝑡 = 110 10 = 11 𝑘𝑏𝑑 WBBD(p)= (1+𝑇𝑣.𝑝)(1+𝑇𝑏𝑑.𝑝) = 11 (1+0,003𝑝)(1+0,0015𝑝) - Bộ điều khiển dòng: TsI=TBD+Tv+TI= 0,0015 + 0,03 + 0,002 = 6,5.10−3 (s) k I= RI= 𝑈𝑑𝑎𝑡 𝐼𝑑𝑚 = 10 18 =0,56 𝑅ư 𝑇ư 2𝐾𝐼 𝐾𝐵𝐷 𝑇𝑆𝐼 (1 + 𝑇ư.𝑝 R= 0,148+6,435 )= 0,514.0,023 2.0,56.11.6,5.10−3 (1 + 0,023𝑝 ) 𝑝 - Bộ điều khiển tốc độ: 24 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com TsI= k= 2𝑇𝑆𝐼 +𝑇 𝑈𝑑𝑎𝑡 = R= = 2.6,5.10−3 +0,01 = 7.10−3 (s) 10 314,2 𝑘𝐼 𝐽 4.𝐾 𝐶ư 𝑇𝑠 = 0,56.0,045 4.0,032.0,32.7 - Bộ điều khiển vị trí: Chọn: L = 35 (m) D = 0,7 (m) → R = 0,35 (m) = L 35 = = 100(rad ) R 0,35 K = U dat = 10 = 0,1 100 1 Hệ số khuếch đại truyền lực: k = = i 10 R = 𝑘 2.𝑘.𝑘 𝑇 (1+4Ts.p) = 0,032 .0,1.0.3 10 (1 + 4.710−3 𝑝) = 5,33 + 0,15p - Khâu đo dòng: WI(p) = - Khâu đo tốc độ: WFT = - Khâu đo vị trí: W(p) = 𝑘𝐼 1+𝑇𝐼 𝑝 𝐾 1+𝑇 𝑝 𝐾 1+𝑇 𝑝 = = = 0,56 1+0,002𝑝 0,032 1+0,001𝑝 0,1 1+0,3𝑝 25 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com 3.2.2 Kết mô Từ thơng số đã tính tốn được, ta có kết mô với nhiễu tải khác Simulink Kết mô với nhiễu tải khác nhau: ➢ Với MC = (Nm) o Dịng điện: Hình 3.6: Kết mơ dịng điện với Mc = (Nm) o Tốc độ: Hình 3.7: Kết mơ tốc độ với Mc = (Nm) o Vị trí: 26 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com Hình 3.8: Kết mơ vị trí với Mc = (Nm) ➢ Với MC = 80 (Nm) o Dịng điện: Hình 3.9: Kết mơ dòng điện với Mc = 80 (Nm) o Tốc độ: 27 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com Hình 3.10: Kết mơ tốc độ với Mc = 80 (Nm) o Vị trí: Hình 3.11: Kết mơ vị trí với Mc = 80 (Nm) ➢ Với MC = 172 (Nm) 28 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com o Dịng điện: Hình 3.12: Kết mơ dịng điện với Mc = 172 (Nm) o Tốc độ: Hình 3.13: Kết mô tốc độ với Mc = 172 (Nm) o Vị trí: 29 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com Hình 3.14: Kết mơ vị trí với Mc = 172 (Nm) 30 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com KẾT LUẬN Qua thời gian với cố gắng thân hướng dẫn tận tình thầy cơ, đặc biệt thầy PGS.TS Phạm Tâm Thành hướng dẫn trực tiếp tới em đã hồn thành tập lớn Qua nội dung đề tài em nắm vững phần lý thuyết đã học lớp cũng thực tế Tuy nhiên nội dung cơng việc cịn mẻ, tầm hiểu biết hạn chế nên tập lớn mơn học khơng thể tránh khỏi những sai sót Em mong thầy bảo giúp đỡ em để em hồn thành tốt nữa nhiệm vụ Em xin trân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày 13 tháng 12 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực Nguyễn Văn Tú 31 ... em đã hoàn thành tập lớn Qua nội dung đề tài em nắm vững phần lý thuyết đã học lớp cũng thực tế Tuy nhiên nội dung cơng việc cịn mẻ, tầm hiểu biết cịn hạn chế nên tập lớn mơn học khơng thể... 12/2021 Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com Đề Cương Sơ Bộ Bài Tập Lớn Điều Khiển Hệ Điện Cơ Tên đề tài: Xây dựng điều khiển vị trí cho động chiều sử dụng điều...Standard Version of WPS Office Suite with PDF Editor - https://www.wps.com BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ MÃ HỌC PHẦN: 13311 Đề tài : Xây dựng điều khiển vị trí cho