Đồ án Truyền động điện động cơ 1 chiều kích từ độc lập

Thiết kế điều khiển truyền động hệ TĐ với các tham số: cho sẵn, đề thầy Khoát cho làm, đại học điện lực hà nội, điểm A bảo vệ, đúng các yêu cầu thầy đưa ra và được ký để đi bảo vệ, các tham số không quá chênh lệch không cần làm thay đổi thông số tính toán quá mại zô mại zô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HĨA BÁO CÁO CHUN ĐỀ NGÀNH: CƠNG NGHỆ KTĐK&TĐH CHUYÊN NGÀNH: Công nghệ kỹ thuật điều khiển HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Khốt Nhóm sinh viên/ sinh viên thực hiện: Nhóm Lớp: D14CNKTDK2 HÀ NỘI, 1/2023 ĐỀ BÀI BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ Thiết kế điều khiển truyền động hệ T-Đ với tham số: Pđm (kW) Nđm (v/p) 2850 +xy Uđm (V) 620 + xy Iđm (V) 10 Rư (Ω) 0.32 Lư (mH) 3.5 J (kgm2) 0.26 Bộ chỉnh lưu thyristor Cầu pha điều khiển nguồn 3x380V, 50Hz Tải Mc Tải thay đổi theo mức Chú ý xy= số cuối MSSV Yêu cầu: a) Tìm hiểu động chiều loại kích từ độc lập, cấu tạo, phương trình đặc tính cơ, phương pháp điều chỉnh tốc độ b) Phân tích hệ T-Đ phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều loại kích từ độc lập hệ T-Đ c) Mơ hình hóa động trường hợp khơng tải có tải d) Tổng hợp mạch vịng điều chỉnh: Mạch vòng dòng điện mạch vòng tốc độ e) Mô đánh giá kết MATLAB/Simulink In phân tích đồ thị đặc tính dịng điện, momen, tốc độ - Yêu cầu: Sơ đồ mô dạng hàm truyền đạt (sơ đồ khối) sơ đồ mạch simulink giả lập (tương tự mạch thật) f) u cầu có vẽ A3 tồn sơ đồ mạch lực mạch điều khiển kèm với báo cáo g) Mẫu báo cáo: A4, Times New Roman – 13pt, Line spacing: multiple – 1.3 pt Có mục lục, danh mục hình vẽ, bảng; tài liệu tham khảo (xem mẫu file BCCĐ gửi) MỤC LỤC Chương 1: TÌM HIỂU CHUNG 1.1 Tìm hiểu động chiều loại kích từ độc lập 1.1.1.Cấu tạo 1.1.2 Phương trình đặc tính 1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh mạch phần ứng 1.2 Hệ truyền động T-Đ 11 1.2.1 Điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập hệ T-Đ 12 Chương 2: MƠ HÌNH HỐ ĐỘNG CƠ VÀ TỔNG HỢP CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH 15 2.1 Mơ hình tốn học động chiều, kích từ độc lập 15 2.1.1 Mơ hình tốn học hệ truyền T-Đ .15 2.2 Cấu trúc hệ điều khiển phương pháp tổng hợp mạch vòng .16 2.2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 17 2.2.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 19 2.3 Tính tốn thông số .20 Chương 3: MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB/Simulink 23 3.1 Động trường hợp khơng tải (Mc = 0) khơng có mạch vịng điều chỉnh 23 3.2 Động trường hợp có tải Mc khơng có mạch vịng điều chỉnh 24 3.3 Động trường hợp có tải Mc, có mạch vịng điều chỉnh .25 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình1.1: Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích từ độc lập Hình 1.2: Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Hình 1.3: Đặc tính tự nhiên động điện chiều kích từ độc lập Hình 1.4: Ảnh hưởng điện trở phụ Hình 1.1: Ảnh hưởng điện áp phần ứng Hình 1.6: Đặc tính giảm từ thơng kích từ Hình 1.7: Sơ đồ ngun lý hệ truyền động T-Đ Hình 1.8: Hệ truyền động T-Đ khơng đảo chiều Hình 1.9: Hệ truyền động T-Đ có đảo chiều Hình 1.10 Điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Hình 1.11: Điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập phương pháp thay đổi từ thơng Hình 1.12; Điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập phương pháp thay đổi điện trở phần ứng Hình 2.1: Mơ hình tuyến tính hệ T-Đ Hình 2.2: Mơ hình tốn học hệ truyền T-Đ Hình 2.3: Hàm truyền chỉnh lưu có điều khiển bỏ qua phần phi tuyến Hình 2.4: Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh dịng điện Hình 2.5: Tín hiệu đo mạch vịng Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc cảu hệ điều chỉnh tốc độ Hình 2.7: Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh tốc độ Chương 1: TÌM HIỂU CHUNG 1.1 Tìm hiểu động chiều loại kích từ độc lập 1.1.1.Cấu tạo Hình1.1 Sơ đồ ngun lý động điện chiều kích từ độc lập Động điện chiều kích từ độc lập: Cuộn kích từ cấp điện từ nguồn chiều độc lập với nguồn điện cấp cho roto Khi động làm việc, rôto mang cuộn dây phản ứng quay từ trường cuộn cảm nên cuộn ứng xuất sức điện động cảm ứng có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động Theo sơ đồ nguyên lý hình 2.1 hình 2.2, viết phương trình cân điện áp mạch phản ứng (rơto) sau: 1.1.2 Phương trình đặc tính U u Eu  ( Ru  R p ).I u (1.1) Trong đó: - Uư điện áp phần ứng động (V)  - Eư sức điện động phần ứng động (V) - Rư điện trở cuộn dây phần ứng - Rp điện trở phụ mạch phần ứng - Iư dòng điện phần ứng động Ru ru  rct  rcb  rcp - ru điện trở cuộn dây phần ứng - rct điện trở tiếp xúc chổi than vành góp (1.2) - rcb điện trở cuộn bù - rcp điện trở cuộn phụ Sức điện động phần ứng tỉ lệ với tốc độ quay roto Eu  K p.N   K  2 a (1.3) p.N 2 a Là hệ số kết cấu động - ϕ từ thông qua cực - p số đơi cực từ - N số dẫn tác động cuộn ứng - a số mạch nhánh song song cuộn ứng Ta có: Eư = Keϕ n  Và:  (1.4) 2 n n  60 9,55 Ke = K/ 9,55 = 0,105K Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng có dịng điện roto quay tác dụng momen quay: M = K ϕ Iư (1.5) Từ hệ phương trình (1.1) (1.3) ta rút phương trình đặc tính điện biểu thị mối quan hệ ω =f(I) động điện chiều kích từ độc lập sau: R R U   u  u p M K ( K ) (1.6) Có thể biểu diễn đặc tính dạng khác: ω=ω 0−∆ ω (1.7) Uu K gọi tốc độ không tải lý tưởng R u  Rp M ∆  ( K  ) gọi độ sụt tốc độ Phương trình đặc tính (1.7) có dạng hàm bậc y = B + Ax nên đường biểu diễn hệ trục toạ độ M0ω đường thẳng với độ dốc âm Đường đặc tính cắt 0  trục tung 0ω điểm có tung độ ω 0= Uư Tốc độ ω gọi tốc độ không tải lý tưởng Kϕ khơng có lực cản Đó tốc độ lớn động mà khơng thể đạt chế độ động không xảy trường hợp Mc = Hình 1.2: Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Khi phụ tải tăng dần từ M c = đến Mc = Mđm tốc độ độc giảm dần từ đến điểm A(Mđm ω đm) gọi điểm định mức Rõ ràng đường đặc tính vẽ từ điểm ω A Điểm cắt đặc tính đến trục hồnh 0M có tung độ =0 có hồnh độ suy từ phương trình (1.7) M M U dm K I  K nm dm R dm nm u Hình 1.3: Đặc tính tự nhiên động điện chiều kích từ độc lập Momen Mnm Inm gọi momen ngắn mạch dòng điện ngắn mạch Đó giá trị momen lớn dịng điện lớn động cấp điện đầy đủ tốc độ Trường hợp xảy băt đầu mở máy động chạy mà bị dừng lại bị kẹt tải lớn q khơng kéo dịng điện I nm lớn thường bằng: Inm = (10  20)Iđm Nó gây cháy hỏng động tượng tồn kéo dài 1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh mạch phần ứng Phương trình đặc tính (1.6) cho thấy, đường đặc tính bậc ω = f(M) phụ thuộc vào hệ số phương trình, có chứa thơng số điện U, R p ϕ Ta xét ảnh hưởng thông số a Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở phụ Rf mạch phần ứng */ Trường hợp Rf thay đổi (Uư= Uđm= const; Ф= Фđm= const): Độ cứng đặc tính cơ:  Kdm  M    Ru  R f Giảm Rf lớn tốc độ động giảm đồng thời dịng ngắn mạch mơmen ngắn mạch giảm Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp để hạn chế dòng điều chỉnh tốc độ động phía tốc độ Từ thông không đổi nên ω không đổi, có ∆ ω thay đổi Một điều dễ thấy ta đưa thêm R f, giảm Rư nên điều chỉnh tốc độ tốc độ định mức Do Rf lớn đặc tính mềm nên tốc độ thay đổi nhiều tải thay đổi (từ đồ thị cho thấy, I biến thiên ứng với dải biến thiên I đường đặc tính mềm tốc đọ thay đổi nhiều hơn) Tuy nhiên phương pháp làm tăng công suất giảm hiệu suất ω + CKT - 0 TN Đ  R f  R f  Ru  R f  R f  Ru  R f BBĐ Mc Hình 1.4: Ảnh hưởng điện trở phụ Đặc điểm phương pháp:  Điện trở mạch phần ứng tăng độ dốc đặc tính lớn, đặc tính mềm, độ ổn định tốc độ sai số tốc độ lớn  Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ phía giảm)  Giá thành đầu tư ban đầu rẻ không kinh tế tổn hao điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển đơn giản b Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp */ Trường hợp thay đổi U< Uđm Tốc độ không tải ω 0= U giảm độ cứng đặc tính KФ  Kdm  M    Ru  R f = const Khi thay đổi điện áp ta thu họ đường đặc tính song song Phương pháp sử dụng để điều chỉnh tốc độ động hạn chế dòng khởi động Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ tên định mức Tuy nhiên cách điện thiết bị thường tính tốn cho điện áp định mức nên thường giảm điện áp U Khi U giảm ω giảm ∆ ω số nên tốc độ ω giảm Vì thường điều chỉnh tốc độ nhỏ tốc độ định mức Cịn lớn điều chỉnh phạm vi nhỏ Đặc điểm quan trọng phương pháp điều chỉnh tốc độ mơmen khơng đổi từ thơng dịng điện phần ứng không thay đổi (M= CM.θ Iư) Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ giới hạn 1:10, chí cao đến 1:25 Phương pháp dùng cho động điện chiều kích thích độc lập song song làm việc chế độ kích từ độc lập ω - + CKT 0 Đ TN U dm  U1  U  1 U dm 2 U1 U2 BBĐ Mc M Hình 1.2: Ảnh hưởng điện áp phần ứng Điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập biện pháp thay đổi điện áp phần ứng có đặc điểm sau: - Điện áp phần ứng giảm, tốc độ động nhỏ - Điều chỉnh trơn toàn dải điều chỉnh - Độ cứng đặc tính giữ khơng đổi tồn dải điều chỉnh - Độ sụt tốc tuyệt đối toàn dải điều chỉnh ứng với mômen Độ sụt tốc tương đối lớn đặc tính thấp dải điều chỉnh Do vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) đặc tính thấp không vượt sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh - Dải điều chỉnh phương pháp có thể: D ~ 10:1 - Chỉ điều chỉnh tốc độ phía giảm (vì thay đổi với Uư ≤ Uđm) - Phương pháp điều chỉnh cần nguồn để thay đổi trơn điện áp c Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông +) Trường hợp thay đổi từ thơng kích từ Uư = const; Ruf = const; ϕ = var Hình 1.12; Điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập phương pháp thay đổi điện trở phần ứng Về nguyên tắc phương pháp cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi điện trở dịng roto lớn nên việc chuyển đổi điện trở nên khó khăn Thực tế thường sử dụng chuyển đổi theo cấp điện trở Chương 2: MƠ HÌNH HỐ ĐỘNG CƠ VÀ TỔNG HỢP CÁC MẠCH VỊNG ĐIỀU CHỈNH 2.1 Mơ hình tốn học động chiều, kích từ độc lập Đặt: Cu = K∅=const ta có: U – Cu.ω= R.I(1=s.T) (2.1) Cu.I  Mc  Js Hình 2.1: Mơ hình tuyến tính hệ T-Đ 2.1.1 Mơ hình tốn học hệ truyền T-Đ Hình 2.2: Mơ hình tốn học hệ truyền T-Đ Mạch điều khiển biến đổi điện áp chiều Uđk thành xung điện áp có góc α thích hợp vào mở thysistor cấp nguồn cho động Hình 2.3: Hàm truyền chỉnh lưu có điều khiển bỏ qua phần phi tuyến U (s) K cl Wcl ( s )  d K cl e  s tv  U dk ( s) (1  sTdk ).(1  sTv ) (2.3) 2.2 Cấu trúc hệ điều khiển phương pháp tổng hợp mạch vòng Trong hệ điều chỉnh vị trí có mạch vịng: Mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc đọ mạch vòng vị trí Hệ thống truyền động bắt buộc phải đảo chiều được: Quan hệ ω φ:  0   dt Hình 2.4: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện (2.4) 2.2.1 Tổng hợp mạch vịng dịng điện Trên hình 2.4 sơ đồ mạch vịng điều chỉnh dịng điện L Trong đó: T= R : số thời gian điện từ mạch phản ứng R Rb  Rk  Rd  Rs L Lb  Lk  Ld K i Rs : Điện trở sensor Ti R.C : Hằng số thời gian sensor dịng điện Hình 2.5: Tín hiệu đo mạch vịng Viết gọn ta có sơ đồ hình 2.5 Từ sơ đồ trền hình 2.3 hình 2.4 ta có hàm truyền đối tượng điều khiển mạch vòng điều chỉnh dòng điện: K i U ( s) cl R S ( s)  i  o U ( s) (1  sT )(1  sT )(1  sT )(1  sT ) dk dk v i K (2.5) Trong đó: Tdk 100  s, Tv 2,5ms, Ti 2ms, T 100ms Thay Tsi Ti  Tv  Tdk = T , bỏ qua hệ số bậc cao ta có: Ki R So ( s )  (1  sTsi )(1  sT ) K cl (2.6) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có hàm truyền hệ thống kín: FOMi   2  s  2 2 s (2.7) Mặt khác hình 2.4 ta có : R ( s ) Soi FOMi ( s )  i  Ri ( s ) Soi Ri ( s )   Ri ( s )  FOMi Soi  FOMi Soi Ki R 2  P(1    P ) (1  sTsi )(1  sTu ) K cl Chọn   min(Tsi , T ) Tsi Vậy ta có hàm truyền điều chỉnh dịng điện: Ri ( s)   PT PK cl K i Tsi R  RT   1   K cl Ki Tsi  sT  (2.8) FOM    2  s  2 2 s khâu tỉ lệ - tích phân (PI) Kết tổng hợp mạch vòng dòng điện tiêu chuẩn tối ưu moldule ta có: U ( s) FOMi  i  U id ( s )  2TSi s  2TSi2 s (2.9) Vậy sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh cịn lại hình 2.5, ta lấy hàm truyền đạt mạch vòng dòng điện khâu quán tính bậc nhất, bỏ qua bậc cao Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc cảu hệ điều chỉnh tốc độ 2.2.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ Viết gọn sơ đồ hình 2.5 ta có sơ đồ mạch vịng điều chỉnh tốc độ hình 2.6: SO  R.K K i Cu.Tc p.(1  s.Ts ) (2.10) T  2TSi  T  T  S Với S nhỏ Áp hiệu dụng tiểu chuẩn tối ưu module: Hình 2.7: Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh tốc độ FOM    2  s  2 2 s (2.11) FOM   FOM  SO (2.12) R ( s )  SO 1  2  s  2 2 s  R ( s )    R.K 1   K i Cu.Tc p.(1  s.Ts )   2  s  2 2 s   R ( s )  R.K 2 s     s  Ki Cu.Tc s.(1  s.Ts )   Chọn: Rω R ( s)  Ta có: K i Cu.Tc R.K 2.Ts (2.13) Vậy: R ( p ) khâu tỉ lệ (P) Tiêu chuẩn sử dụng hệ thống khởi động mang tải, lúc ta khơng coi Ic nhiều Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: