Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập với mạch động lực sử dụng bộ băm xung khi không cần đảo chiều quay

MỤC LỤC Trang MỤC LỤC .1 LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP 1.1 CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP .3 1.1.1 Cấu tạo động điện chiều 1.1.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều .4 1.1.3 Đặc tính động chiều kích từ độc lập 1.2.CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP7 1.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập 1.3.1 Phương pháp thay đổi diện trở phụ .9 1.3.2 Phương pháp thay đổi từ thông φ 10 1.3.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 12 1.4 Bộ biến đổi xung áp .14 1.5 Mạch điều khiển biến đổi xung áp 17 CHƯƠNG 2.BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP .19 2.1 ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC HỆ THỐNG 19 2.2 CÁC THÀNH PHẦN TRONG CẤU TRÚC .20 2.2.1.Bộ biến đổi (BBĐ) .20 2.2.2 Các điều chỉnh Ri, Rω 20 2.2.3 Phần tử hạn chế dòng HCD .20 2.2.4 Các sensor phản hồi Si, Sω 20 2.2.5 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 23 2.2.6 Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ 25 2.3 TÍNH TỐN BỘ ĐIỀU KHIỂN 27 CHƯƠNG 3.MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG CHẤT LƯỢNG………………… 30 3.1.SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB-SIMULINK 30 3.2.KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .31 3.2.1 Động khởi động khơng tải sau 2s cấp tải Mc=5000 31 3.2.2 Nhận xét kết mô 33 KẾT LUẬN 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, động điện chiều đóng vai trị quan trọng ngành công nghiệp sống Động điện chiều ứng dụng phổ biến ngành công nghiệp khí, nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm, cánh tay robot; để thực nhiệm vụ công nghiệp đại với độ xác cao, lắp ráp dây truyền sản xuất, yêu cầu có điều khiển tốc độ Đối với phương pháp điều khiển kinh điển, cấu trúc đơn giản bền vững nên điều khiển PID dùng phổ biến hệ điều khiển công nghiệp.Mục tiêu điều khiển nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động Tuy nhiên, thực tế có nhiều đối tượng điều khiển khác với yêu cầu đặc tính phức tạp khác cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm phương pháp điều khiển cho hệ truyền động ngày đạt chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp hiệu đạt cao nhất, đáp ứng yêu cầu tự động hóa truyền động điện dây truyền sản xuất Trong học kì em nhận đề tài:” Thiết kế điều khiển tốc độ động chiều kích từ độc lập với mạch động lực sử dụng băm xung không cần đảo chiều quay’ Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ bảo tận tình thầy Trần Tiến Lương q trình đồ án mơn học với đề tài Mặc dù cố gắng khơng tránh khỏi sai xót định, em mong góp ý, bảo thêm thầy, Chương TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP 1.1 CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.1.1 Cấu tạo động điện chiều Động chiều bao gồm phần: phần cảm (startor) phần ứng(rotor) - Phần cảm (stator): Phần cảm gọi stator, gồm lõi thép làm thép đúc, vừa mạch từ vừa vỏ máy cực từ có dây quấn kích từ (hình 1.1), dịng điện chạy dây quấn kích từ cho cực từ tạo có cực tính liên tiếp luân phiên Cực từ gắn với vỏ máy nhờ cat bulong Ngồi máy điên chiều cịn có nắp máy, cực từ phụ cấu chổi than Hình 1.1: Cực từ - Phần ứng (rotor): Rotor gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp trục máy: + Lõi thép phần ứng: Hình trụ thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại Các thép dập lỗ thong gió rảnh để đặt dây quấn phần ứng + Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt rảnh phần ứng tạo thành nhiều vịng kín Phần tử dây quấn bối dây gồm nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp phiến góp Hai cạnh tác dụng phần tử đặt hai rãnh hai cực từ khác tên + Cổ góp (vành góp): gồm nhiều phiến đồng ghép với thành khối hình trụ, cách điện với cách điện với trục máy - Chổi than: Máy có cực có nhiêu chổi than Các chổi than cực tính nối với để có cực âm dương - Các phận khác: cánh quạt, trục máy 1.1.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều Khi cho điện áp chiều vào hai chổi điện A B, dây quấn phần ứng có dịng điện dẫn roto mang dòng điện nằm từ trường chịu tác dụng lực tương hỗ lên tạo lên mô men tác dụng lên roto, làm quay roto Chiều lực tác dụng xác định theo quy tắc bàn tay trái Hình1.2: Mơ tả ngun lí làm việc động chiều Khi phần ứng quay nửa vòng, vị trí dẫn đối diện đổi chỗ cho nhau, nhờ có phiến góp đổi chiều dịng điện, nên dịng điện chiều biến đổi thành dòng xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng khơng đổi, lực tác dụng lên roto theo chiều xác định, đảm bảo động có chiều quay khơng đổi Chế độ làm việc định mức máy điện nói chung động điện chiều nói riêng chế độ làm việc điều kiện mà nhà chế tạo quy định Chế độ đặc trưng đại lượng ghi nhãn máy gọi đại lượng định mức Phần ứng đợc biểu diển vòng tròn bên có sức điện động E, phần stato có vài dây quấn kích từ : dây quấn kích từ độc lập ckđ, dây quấn kích từ nối tiếp ckn, dây quấn cực từ phụ cf dây quấn bù cb hệ thống phơng trình mô tả động chiều phi tuyến, đại lợng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thờng điện áp phần ứng u, điện áp kích thích uk, tín hiệu thờng tốc độ góc động , mô men quay m, dòng điện phần ứng i, số trờng hợp vị trí rôto mô men tải mc mô men cấu làm việc truyền trục động cơ, mô men tải nhiễu loạn quan trọng hệ truyền điện tự động Hỡnh1.3: Giản đồ kết cấu động điện chiều 1.1.3 c tớnh c động chiều kích từ độc lập Đặc điểm động dịng kích từ khơng phụ thuộc vào phụ tải mà phụ thuộc vào điện áp điện trở mạch kích từ Để đảm bảo điều kiện ta mắc động theo cách mắc sau: - Nếu nguồn chiều có cơng suất điện áp khơng đổi mạch kích từ mắc song song với mạch phần ứng - Nếu nguồn chiều có cơng suất khơng đủ lớn nguồn kích từ phải độc lập với nguồn phần ứng, ta có sơ đồ ngun lý: Hình 1.5: Nguồn kích từ độc lập với nguồn phần ứng  Thành lập phương trình đặc tính: Từ phương trình cân điện áp , mạch phần ứng: (1.1) đó: uu : điện áp phần ứng eu : suất điện động phần ứng ru : điện trở mạch phần ứng rf : điện trở phụ mạch phần ứng (1.2) điện trở cuộn dây phần ứng điện trở cực từ phụ ®iƯn trá cn bï ®iƯn trë tiÕp xóc chỉi ®iƯn Suất điện động phần ứng xác đinh theo biu thc sau: (1.3) Trong ú : p: số đôi cùc tõ chÝnh n : sè dÉn t¸c dơng cuộn dây phần ứng : từ thông kích tõ díi mét cùc tõ  : tèc ®é gãc : hệ số cấu tạo động n : tèc ®é ro to Ta có phương trình đặc tính điện : (1.4) Nếu bỏ qua tổn thất lượng bên động Mđt=Mcơ=M phương trình đặc tính động là: (1.5) Từ phương trình mối quan hệ ω=f(M) ω=f(I) biểu diển hình sau: Hình 1.6: Dạng đặc tính điện đặc tính động chiều 1.2.CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP a Chế độ xác lập động chiều Khi đặt lên dây quấn kích từ điện áp uk dây quấn kích từ có dịng điện ik 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 thong kích từ tạo thành mơ men điện từ, giá trị mơ men điện từ tính sau: p N M= π α φI=k.φI (1.6) Trong đó:α- số mạch nhánh song song dây quấn phần ứng p- số đôi cực động N- số dẫn phần ứng cực từ p N K= π α : hệ số kết cấu máy Mô men kéo cho phần ứng quay quanh trục, dây quấn phần ứng quét qua từ thông dây quấn cảm ứng suất điện động: p N E= π α φω=k.φω (1.7) Trong đó: ω- tốc độ góc roto Trong chế độ , tính tốc độ qua phương trình cân điện áp phần ứng: ω= U−Ru I kφ (1.8) : Ru - điện trở mạch phần ứng động Với phương trình (1.6)và (1.8) vẽ họ đặc tính M(ω) động mọt chiều từ thong không đổi b Chế độ độ động chiều Nếu thong số động không đoit viết phương trình mơ tả sơ đồ thay hình 1.3 sau: Mạch kích từ có hai biến dịng điện kích từ ik từ thông máy φ phụ thuộc phi tuyến đường cong từ hóa lõi sắt: Uk(p)=RkIk(p) + Nk.P.φ(p) (1.9) Trong Nk – số vịng dây cuộn kích từ Rk – điện trở cuộn dây kích từ Mạch phần ứng: U(p)= Rư.I(p) + Lư.p.I(p) ± NN.p.φ(p) + E(p) (1.10) Hoặc dòng điện: 1/ Ru I(p) = 1+ p Tu [ U(p) ± NN.p.φ(p) - E(p)] (1.11) Trong đó: 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) = Jpω (1.12) J mơ men qn tính phần chuyển động quy đổi trục động Hình 1.7: Sơ đồ cấu trúc động chiều 1.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập 1.3.1 Phương pháp thay đổi diện trở phụ - Đây phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động điện chiều +) Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp người ta giữ U = Uđm,φ = φ đm nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Độ cứng đường đặc tính cơ: (1.13) +) Ta thấy điện trở lớn β nhỏ nghĩa đặc tính dốc mềm Hình 1.8: Đặc tính động chiều thay đổi điện trở phụ Ứng với Rf = ta có độ cứng tự nhiên β TN có giá trị lớn nên đặc tính tự nhiên có độ cứng lớn tất đường đặc tính có điện trở phụ Như vậy, ta thay đổi Rf ta họ đặc tính thấp đặc tính tự nhiên 10