ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
Máy điện một chiều là thiết bị chuyển đổi cơ năng thành năng lượng điện một chiều (máy phát) hoặc ngược lại, biến điện năng một chiều thành cơ năng (động cơ một chiều) Từ trường trong máy điện một chiều là từ trường không đổi, được tạo ra nhờ nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện sử dụng dòng điện một chiều.
Máy điện một chiều được chia thành hai loại: có cổ góp và không có cổ góp Công suất tối đa của loại máy này dao động từ 5 đến 10 MW, nhưng hiện tượng tia lửa cổ góp đã làm hạn chế khả năng tăng công suất Cấp điện áp thường gặp của máy điện một chiều là 120V, 400V, 500V, và tối đa là 1000V, trong khi điện áp không thể vượt quá 25V do giới hạn của các phiến góp.
1.1.2 Cấu tạo của máy điện một chiều
Trên hình 1.1 biểu diễn cấu tạo của máy điện một chiều Ta sẽ nghiên cứu cụ thể các bộ phận chính
Hình 1.1 Kích thước dọc, ngang máy điện một chiều
1) Thép; 2) Cực chính với cuộn kích từ; 3) Cực phụ với cuộn dây; 4) Hộp ổ bi;
5) Lõi thép; 6) Cuộn phần ứng; 7) Thiết bị chổi; 8) Cổ Góp; 9) Trục; 10) Nắp hộp đấu dây
Máy điện một chiều bao gồm hai phần chính: phần đứng im (stato) và phần quay (rô to) Chức năng của máy điện một chiều được chia thành hai phần: phần cảm (kích từ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng) Điểm khác biệt so với máy điện đồng bộ là phần cảm của máy điện một chiều luôn nằm ở phần tĩnh, trong khi phần ứng nằm ở rô to.
Stato máy điện một chiều là phần cảm nơi tạo ra từ thông chính của máy Stato gồm các chi tiết sau:
Cực chính trong hình 1.2a bao gồm lõi cực 2 được làm từ các lá thép điện kỹ thuật ghép lại, trong khi mặt cực 4 giúp từ thông dễ dàng đi qua khe khí Cuộn dây kích từ 3 được đặt trên lõi cực, cách điện với thân bằng khuôn cuộn dây cách Cuộn dây kích từ được chế tạo từ dây đồng có tiết diện tròn.
Cấu tạo của máy điện một chiều bao gồm hai loại cực: cực chính và cực phụ Cực phụ có lõi thép được ghép bằng các lá thép, với cuộn dây đặt trên lõi thép Khe hở không khí ở cực phụ lớn hơn khe hở không khí ở cực chính.
Gông từ là thành phần quan trọng trong máy điện, có chức năng nối liền các cực từ và tạo thành vỏ máy Đối với máy điện nhỏ và vừa, người ta thường sử dụng thép tấm dày được uốn và hàn lại, trong khi máy điện lớn thường được chế tạo từ thép đúc Ngoài ra, trong một số trường hợp, máy điện nhỏ còn có thể sử dụng gang để làm vỏ máy.
Các bộ phận khác a) Thân máy
Thân máy được chế tạo từ gang hoặc thép, với cực chính và cực phụ gắn liền vào thân máy Tùy thuộc vào công suất, máy có thể có hoặc không có hộp ổ bi; đối với máy công suất lớn, hộp ổ bi thường được thiết kế rời Thân máy được kết nối với chân máy, và trên vỏ máy có gắn bảng định mức Thiết bị chổi cũng là một phần quan trọng trong cấu trúc của máy.
Hình 1.3 Thiết bị chổi a)Thanh giữ chổi; b) Thiết bị giữ chổi
1) ốc vít; 2) Dây dẫn; 3) Cách điện; 4) Giữ chổi; 5)Chổi
6) Lò so; 7) Đòn gánh; 8) Dây dẫn điện ra; 9) ốc giữ chổi Để đƣa dòng điện ra ngoài dùng thiết bị chổi than, chổi than đƣợc làm bằng than granit vừa đảm bảo độ dẫn điện tốt vừa có khả năng chống mài mòn, bộ giữ chổi đƣợc làm bằng kim loại gắn vào stato, có lò so tạo áp lực chổi và các thiết bị phụ khác
Rô to của máy điện một chiều đóng vai trò quan trọng là phần ứng Hiện nay, loại rô to hình trống với các răng được ghép từ các lá thép kỹ thuật là phổ biến Đối với các máy có công suất lớn, người ta thiết kế thêm các rãnh làm mát theo bán kính, với các lá thép được ghép thành từng tệp và cách nhau bởi những rãnh làm mát để nâng cao hiệu suất hoạt động.
Lõi sắt phần ứng là thành phần quan trọng trong việc dẫn từ, thường được làm từ thép hợp kim silic dày 0.5 mm, được phủ cách điện mỏng ở hai mặt Việc ép chặt các tấm thép này giúp giảm thiểu hao tổn do dòng điện xoáy gây ra Trên bề mặt lá thép, có dập hình dạng rãnh để tạo điều kiện cho việc đặt dây quấn sau khi ép lại.
Dây quấn phần ứng là thành phần chính tạo ra sức điện động và dẫn dòng điện trong máy điện Chúng thường được làm từ dây đồng bọc cách điện, với dây có tiết diện tròn được sử dụng cho máy điện nhỏ, trong khi máy điện vừa và lớn thường dùng dây có tiết diện hình chữ nhật Dây quấn được cách điện với rãnh của lõi thép để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động.
Cuộn dây rô to là một cuộn dây khép kín, với mỗi cạnh được kết nối với phiến góp Các phiến góp được cách điện với nhau và với trục, tạo thành một cổ góp Chất liệu phiến góp là đồng, đảm bảo độ dẫn điện tốt, độ bền cơ học cao và khả năng chống mài mòn.
Cánh quạt được sử dụng để quạt gió, giúp làm nguội máy, trong khi trục máy là bộ phận đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp và ổ bi Thông thường, trục máy được chế tạo từ thép carbon chất lượng tốt.
1.1.3 Các trị số định mức
Chế độ làm việc định mức của máy điện một chiều là những điều kiện làm việc được quy định bởi xưởng chế tạo Các đặc trưng của chế độ này được thể hiện qua các đại lượng ghi trên nhãn máy, được gọi là đại lượng định mức.
Trên nhãn máy thường ghi những đại lượng sau
Công suất định mức P đm ( KW hay W ) Điện áp định mức Uđm ( V )
Tốc độ định mức n đm ( Vòng/phút )
Dòng điện định mức I đm ( A )
Dòng kích từ định mức I ktđm ( A )
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ, và các số liệu về điều kiện sử dụng.
ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.2.1 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi áp dụng điện áp kích từ UK lên dây quấn kích từ, dòng kích từ ik xuất hiện, tạo ra từ thông trong mạch từ của máy Khi đặt điện áp U lên mạch phần ứng, dòng điện I chạy qua dây quấn phần ứng, tương tác với từ thông kích thích để tạo thành mômen điện từ, làm cho rô to quay Trong quá trình quay, cuộn dây sẽ cảm ứng suất điện động, sinh ra dòng điện tạo ra mômen chống lại chuyển động của rô to Để rô to tiếp tục quay, cần duy trì điều kiện kích thích và cung cấp đủ điện áp.
U ta phải tiếp tục cấp điện cho phần ứng, tạo ra một dòng năng lƣợng điện chạy liên tục từ nguồn điện một chiều biến sang cơ năng
Giá trị của mômen điện từ đƣợc tính nhƣ sau: m = I a n p 2
Trong động cơ, p đại diện cho số đôi cực, n là số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ, a là số mạch nhánh song song của dây quán phần ứng, và k là hệ số kết cấu của máy.
Mômen điện từ này kéo cho phần ứng quay quanh trục
1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá các loại động cơ DC phổ biến, bao gồm động cơ DC kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp Những động cơ này đều có những đặc điểm và ứng dụng riêng, góp phần quan trọng trong các hệ thống điện và cơ khí hiện đại.
Động cơ DC kích từ độc lập cho phép điều khiển dòng phần ứng và dòng kích từ một cách độc lập, trong khi động cơ kích từ song song chỉ có thể điều chỉnh dòng kích từ thông qua điện trở phụ, dẫn đến hiệu suất thấp Đối với động cơ kích từ nối tiếp, dòng phần ứng trùng với dòng kích từ, khiến từ thông phụ thuộc vào dòng phần ứng Động cơ kích từ hỗn hợp yêu cầu đấu nối để sức từ động của cuộn nối tiếp và cuộn song song cùng chiều nhau.
Phương trình cơ bản động cơ một chiều: Khi rô to quay trong phần ứng sẽ xuất hiện suất điện động có giá trị:
E = K (1.1) Điện áp nguồn theo định luật Kirchoft 2 có thể viết:
: Từ thông trên mỗi cực ( Wb )
: Tốc độ động cơ ( Rad/s )
Ikt b) Kích từ song song
Ikt a) Kích từ độc lập c) Kich từ nối tiếp
Hình 1.5 Các loại động cơ một chiều thông dụng
M : Mômen do động cơ sinh ra ( N.m )
K : Hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ
Lưu ý là các công thức (1.4) và (1.5) có thể áp dụng cho tất cả các loại động cơ một chiều đã kể ở trên
Với động cơ một chiều có kích từ độc lập, nếu điện áp kích từ giữ nguyên, từ thông động cơ sẽ không thay đổi mặc dù mômen động cơ có biến động Do đó, ta có thể khẳng định rằng K = Const (1.6).
Động cơ một chiều kích từ độc lập có đặc tính cơ là một đường thẳng, với tốc độ không tải phụ thuộc vào điện áp cung cấp và từ thông kích từ Khi mômen tải tăng, tốc độ động cơ suy giảm, và độ ổn định tốc độ phụ thuộc vào điện trở phần ứng Do phản ứng phần ứng, từ thông động cơ giảm khi mômen tăng, dẫn đến tốc độ suy giảm ít hơn so với tính toán lý thuyết Với mômen lớn, từ thông có thể giảm đến mức độ làm cho dốc đặc tính cơ trở nên dương, gây ra hoạt động không ổn định Để giảm hiệu ứng khử từ, cuộn bù thường được sử dụng Đối với động cơ công suất trung bình, độ sụt tốc khi tải định mức so với khi không tải khoảng 50%.
Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có từ thông phụ thuộc vào dòng phần ứng Khi động cơ hoạt động trong vùng tuyến tính của đặc tính từ hoá, từ thông tỷ lệ thuận với dòng phần ứng, có thể biểu diễn bằng công thức: u = kt * I.
Lưu ý rằng R trong trường hợp này là tổng của điện trở mạch phần ứng và điện trở cuộn kích từ Đặc tính cơ động cơ một chiều kích từ nối tiếp cho thấy tốc độ động cơ giảm đáng kể khi mômen tải tăng Trong thực tế, các động cơ tiêu chuẩn thường được thiết kế để hoạt động tại các điểm cánh chỏ (knee-point) của đặc tính từ hoá khi mang tải định mức Khi tải vượt quá định mức, mạch từ của động cơ sẽ bị bão hoà, dẫn đến từ thông không thay đổi nhiều theo dòng tải.
Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có đặc tính cơ tiệm cận với đường thẳng, rất phù hợp cho các ứng dụng cần mômen khởi động lớn và khả năng chịu quá tải nặng Khi mômen tải tăng, từ thông của động cơ cũng sẽ tăng theo.
Các loại động cơ DC bao gồm: a) Động cơ DC kích từ độc lập, b) Động cơ DC kích từ nối tiếp, và c) Động cơ DC kích từ hỗn hợp, mỗi loại đều có những đặc tính cơ bản riêng biệt.
Khi mômen tăng, dòng phần ứng Iƣ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp sẽ tăng ít hơn so với động cơ kích từ độc lập Điều này dẫn đến việc trong điều kiện quá tải nặng, sự quá tải của nguồn cung cấp và sự quá nhiệt của động cơ cũng ít hơn so với động cơ kích từ độc lập.
Tốc độ động cơ kích từ nối tiếp tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của mômen, cho phép tốc độ không tải tăng cao, nhưng bị giới hạn bởi từ dư của động cơ, có thể gấp nhiều lần tốc độ định mức Điều này không phù hợp với máy điện thông thường, chỉ cho phép hoạt động gấp 2 lần tốc độ định mức Do đó, động cơ kích từ nối tiếp không nên sử dụng trong các ứng dụng có mômen tải nhỏ, vì có thể làm tốc độ vượt quá giới hạn cho phép Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có đặc tính cơ tương tự như động cơ kích từ nối tiếp, nhưng tốc độ không tải được kiểm soát nhờ dòng kích từ qua cuộn song song, nối tiếp Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ được xác định khi hoạt động với điện áp và từ thông định mức, không có điện trở phụ trong mạch phần ứng hoặc kích từ.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
Động cơ điện một chiều vẫn được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động chất lượng cao, với dải công suất từ vài W đến hàng ngàn kW Hình 1.7 minh họa sơ đồ tổng quát của động cơ một chiều.
Phần ứng đƣợc biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có nguồn sức điện động
E, phần stato có thể có vài cuộn dây: cuộn kích từ độc lập CKĐ, cuộn dây kích từ nối tiếp CKN, cuộn dây cực từ phụ CF và dây quấn bù CB Hệ thống các phương trình mô tả động cơ một chiều thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào ( tín hiệu điều khiển ) thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ UK,tín hiệu đầu ra thường là tốc độ góc của động cơ , mômen quay M, dòng điện phần ứng I, hoặc một trong số trường hợp là vị trí của rôto , mômen tải M c là mômen do cơ cấu làm việc truyền về hệ trục động cơ, mômen tải là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền động điện từ động
Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có ưu việt hơn so với các loại động cơ khác:
- Khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng
- Chất lƣợng điều chỉnh trong dải điều chỉnh tốc độ rộng
Có hai phương pháp điều chỉnh tốc độ rộng
+ Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ
Để điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ, chúng ta sử dụng bộ biến đổi Các loại bộ biến đổi này giúp thay đổi điện áp cung cấp cho động cơ một cách hiệu quả.
+ Bộ biến đổi quay: máy điện phát điện một chiều( Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều cấp điện trực tiếp cho động cơ)
+ Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : Chỉnh lưu Thyristor
Hình 1.7 Kết cấu chung của động cơ điện một chiều
+ Bộ biến đổi xung áp một chiều : Thyristor hoặc Tranzitor
Tương ứng với việc sử dụng bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động điện nhƣ: + Hệ truyền động điện máy phát - động cơ (F-D)
+ Hệ truyền động điện chỉnh lưu Thyristor - động cơ(T-D)
+ Hệ truyền động xung áp - động cơ
Hệ điều khiển có hai loại cấu trúc mạch:
+ Điều khiển theo mạch hở (hệ truyền động điều khiển hở)
+ Điều khiển theo mạch kín (hệ truyền động điều khiển tự động)
1.3.2 Sơ lược các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều DC
Tốc độ động cơ có thể được điều khiển bằng hai phương pháp chính: điều chỉnh điện áp phần ứng và điều chỉnh từ thông Đặc tính cơ tĩnh của động cơ kích từ độc lập và kích từ nối tiếp khi điều chỉnh điện áp cung cấp cho phần ứng được thể hiện trong hình 1.8 a và hình 1.8 b Những đặc tính này được suy ra từ công thức (1.5) với sự thay đổi của điện áp U Tuy nhiên, do điện áp phần ứng chỉ có thể điều chỉnh dưới định mức, phương pháp này chỉ phù hợp để điều chỉnh động cơ hoạt động với các đặc tính thấp hơn so với đặc tính cơ tự nhiên.
Phương pháp này có đặc tính quan trọng là độ cứng cơ không thay đổi khi tốc độ động cơ được điều chỉnh, cho phép hệ thống đáp ứng hiệu quả với tải có mô men không đổi Dòng phần ứng cực đại cho phép I ư max tương ứng với mô men tải cực đại, giúp động cơ hoạt động ổn định ở mọi tốc độ Điện áp phần ứng động cơ có thể được điều chỉnh thông qua nhiều phương pháp khác nhau.
- Máy phát động cơ một chiều ( hệ máy phát - động cơ )
- Bộ chỉnh lưu có điều khiển, ta có hệ truyền động ( T - Đ )
Bộ Chopper (Bộ biến đổi xung áp) điều chỉnh từ thông được sử dụng để tăng tốc độ làm việc của động cơ vượt quá tốc độ định mức Điều này được thể hiện qua công thức (1.5) Đặc tính tĩnh của động cơ kích từ độc lập và kích từ nối tiếp khi điều chỉnh từ thông được biểu diễn trên hình 1.8 a và 1.8 b bằng các đường nét đứt Cần lưu ý rằng độ cứng của đặc tính cơ giảm nhanh chóng khi từ thông giảm.
Tốc độ cao của động cơ đạt đƣợc khi giảm từ thông bị hạn chế bởi:
- Sự không ổn định của động cơ gây ra bởi ảnh hưởng của phản ứng phần ứng
Động cơ thông thường có giới hạn cơ khí cho phép đạt tốc độ từ 1,5 đến 2 lần tốc độ định mức, trong khi một số động cơ đặc biệt có thể đạt tốc độ cao nhất lên đến 6 lần định mức Đối với động cơ DC kích từ độc lập và song song, công suất cực đại gần như không đổi với mọi tốc độ khi điều chỉnh từ thông Điều này xảy ra khi dòng cực đại cho phép, I, của động cơ không thay đổi trong quá trình điều chỉnh từ thông và điện áp cung cấp.
=const Đặc tính cơ tự nhiên
=const a) Động cơ kích từ độc lập b) Động cơ kích từ nối tiếp
Khi điều khiển điện áp phần ứng của động cơ DC, sức điện động E được xác định bởi công thức E = U - RI, với U là điện áp định mức và RI là điện trở phần ứng Do đó, công suất điện từ cực đại của động cơ, được tính bằng E.I, sẽ giữ nguyên giá trị hằng số Đồng thời, mômen cực đại cho phép của động cơ sẽ thay đổi theo tỷ lệ nghịch với tốc độ.
Trong thực tế, giả thiết về dòng phần ứng cực đại cho phép I không thay đổi khi từ thông giảm chỉ là gần đúng Khi từ thông giảm, tác động của phản ứng phần ứng trở nên mạnh mẽ hơn, dẫn đến việc dòng phần ứng cực đại cho phép cần phải giảm để tránh tạo ra tia lửa điện quá mức trên cổ góp Hệ quả là giá trị thực tế của I sẽ giảm khi tốc độ tăng cao.
Động cơ DC kích từ độc lập cho phép điều chỉnh kích từ thông qua việc thay đổi điện áp kích từ Việc này có thể thực hiện bằng bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc bộ chopper, tùy thuộc vào nguồn cung cấp là xoay chiều (AC) hay không.
DC Với động cơ công suất nhỏ, cũng có thể nối tiếp biến trở vào mạch kích từ để điều chỉnh từ thông
Động cơ DC kích từ nối tiếp điều chỉnh từ thông bằng cách thay đổi điện trở song song với cuộn kích từ Một số loại động cơ này còn có cuộn kích từ nhiều đầu ra, cho phép thay đổi từ thông thông qua việc điều chỉnh số vòng dây của cuộn kích từ.
Hình 1.9 Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điều chỉnh giảm từ thông
1.4.1.1 Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của bộ chỉnh lưu bán dẫn Thyristor
Hệ thống truyền động điện một chiều được cấp điện từ bộ chỉnh lưu cầu 3 pha thyristor, như thể hiện trong hình 1.10 Hệ thống này bao gồm một chỉnh lưu cầu 3 pha với 6 thyristor, được chia thành 2 nhóm.
Bộ chỉnh lưu được cấp điện từ biến áp, điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
Uc = 2U2 sin ( t - 4 3 ) Để điều khiển điện áp chỉnh lưu ta điều chỉnh góc điều khiển thyristor (góc )
Hoạt động của sơ đồ :
Khi T5 và T6 cho dòng chạy qua với U f = Uc và Ug = Ub, tại thời điểm t = 1/6, xung điều khiển mở T1 được kích hoạt Thyristor T1 mở khi Ua > 0, dẫn đến việc T5 bị khoá do Ua > Uc Trong tình huống này, T6 và T1 cho phép dòng chạy qua, tạo ra điện áp ra trên tải.
Ud = Uab = Ua - Ub Khi = 2, tức là 3/6, tạo ra xung điều khiển để mở Thyristor T2, vì khi T6 dẫn dòng, nó làm tăng Ub lên anốt T2 Khi = 2, Ub > Uc, dẫn đến việc T2 mở và T6 bị khoá do Ub > Uc Các xung điều khiển lệch nhau 1/3 lần lượt được đưa tới các cực điều khiển của các Thyristor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1.
Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu cầu 3 pha tải R-L-E
Giá trị trung bình của điện áp trên tải :
Trong các hệ thống truyền động điện hiện đại, các mạch vòng điều chỉnh được kết nối độc lập với nhau Việc phân chia chức năng giữa ổn định tốc độ và hạn chế dòng điện được thực hiện thông qua đặc tính điều chỉnh phi tuyến.
HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN T-Đ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP MẠCH VÒNG
Mô phỏng là phương pháp hiện đại được nghiên cứu rộng rãi, giúp rút ngắn quá trình chuyển từ lý thuyết sang thực nghiệm Để xây dựng mô hình hệ thống truyền động điện một chiều với bộ biến đổi điều khiển bằng vi điều khiển, tác giả đã tiến hành mô phỏng hệ thống này trên nền tảng MATLAB.
Hệ thống mô phỏng gồm các khâu trên hình vẽ sau:
2.2 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ HỆ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
Ta tiến hành mô phỏng hệ truyền động đối với động cơ một chiều kích từ độc lập có các tham số động cơ nhƣ sau:
Các thông số cho trước:
P đm : Công suất định mức của động cơ =1,5 KW
U đm : Điện áp định mức phần ứng "0 V nđm : Tốc độ quay định mức 00 v/ph đm : Hiệu suất danh định của động cơ = 90%
Ti : Hằng số thời gian máy biến dòng = 0.002 s
Tv : Hằng số thời gian bộ chỉnh lưu = 0,0025 s
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện T-Đ
MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ TRÊN SIMULINK
ĐẶT VẤN ĐỀ
Mô phỏng là phương pháp hiện đại được nghiên cứu rộng rãi, giúp rút ngắn quá trình chuyển đổi từ lý thuyết sang thực nghiệm Trước khi xây dựng mô hình hệ thống truyền động điện một chiều với bộ biến đổi điều khiển bằng vi điều khiển, tác giả đã tiến hành mô phỏng hệ thống này trên nền tảng Matlab.
Hệ thống mô phỏng gồm các khâu trên hình vẽ sau:
TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ HỆ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
Ta tiến hành mô phỏng hệ truyền động đối với động cơ một chiều kích từ độc lập có các tham số động cơ nhƣ sau:
Các thông số cho trước:
P đm : Công suất định mức của động cơ =1,5 KW
U đm : Điện áp định mức phần ứng "0 V nđm : Tốc độ quay định mức 00 v/ph đm : Hiệu suất danh định của động cơ = 90%
Ti : Hằng số thời gian máy biến dòng = 0.002 s
Tv : Hằng số thời gian bộ chỉnh lưu = 0,0025 s
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện T-Đ
T : Hằng số thời gian máy phát tốc = 0,001 s Các phương trình phản ứng phần ứng trong động cơ điện một chiều:
Uư=Eư+(Rư+Rf).Iư
Uư: Điện áp phần ứng
Eư: Suất điện động phần ứng
Rư: Điện trở mạch phần ứng
Rf: Điện trở phụ trong mạch phần ứng
Iư: Dũng điện mạch phần ứng
Rư = rư + rcf + rb + rct, trong đó rư là điện trở cuộn dây phần ứng, rcf là điện trở cực từ phụ, rb là điện trở cuộn bù, và rct là điện trở tiếp xúc chổi điện.
2 p : Số đôi cực từ chính
N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
:Từ thông kích từ dưới một cực từ
2 : Hệ số cấu tạo của động cơ
K M (2.6) Tính gần đúng R u theo công thức:
T L :Hằng số thời gian phần ứng
Từ sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tốc độ trên hình 1-23 ta có:
Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:
T si T i T v T dk 2ms 2,5ms 0,1ms 4,6.10 3 s
Cũng trên hình 1.26 ta có:
Trong công thức (1.24) ta có:
Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn môdul tối ƣu ta có:
Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn môdul đối xứng ta có: p
2.3 MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ KHI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID
Dựa vào tính toán và phân tích trên đây ta có sơ đồ khối bằng matlab nhƣ hình 2.2
Hình 2.2 minh họa sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển tốc độ với bộ điều chỉnh tương tự Kết quả mô phỏng được trình bày từ hình 2.3 đến hình 2.11 Cụ thể, hình 2.3 đến hình 2.6 thể hiện đặc tính tốc độ của động cơ khi thay đổi tốc độ đặt (U đ 15v; 10v; 1v và 0,1v) Hình 2.7 trình bày kết quả mô phỏng đặc tính tốc độ và dòng điện với tín hiệu đầu vào là định mức U d V, Itải j Cuối cùng, hình 2.8 đến hình 2.11 thể hiện đặc tính tốc độ ứng với tín hiệu đầu vào định mức khi có tín hiệu nhiễu.
Hình 2.3 Đặc tính tốc độ U d V
Hình 2.4 Đặc tính tốc độ U d V
Hình 2.5 Đặc tính tốc độ U d =1V
Tốc độ Dòng điện Hình 2.7 Kết quả mô phỏng khi tín hiệu đầu vào là định mức U d V, I tải j
Hình 2.8 Đặc tính tốc độ ứng với tín hiệu đầu vào là định mức, tín hiệu nhiễu là xung vụng
Hình 2.9 Đặc tính tốc độ ứng với tín hiệu đầu vào là định mức, tín hiệu nhiễu là hình sin ịê
Hình 2.10 Đặc tính tốc độ ứng với tín hiệu đầu vào là định mức, tín hiệu nhiễu là ngẫu nhiên
Hình 2.11 Đặc Tính tốc độ ứng với tín hiệu đầu vào là định mức, tín hiệu nhiễu là hằng số
NHẬN XÉT
Khi tín hiệu đầu vào đạt tốc độ định mức, và tải định mức được áp dụng, đặc tính tốc độ đơn điệu tăng mà không có thành phần quá điều chỉnh cho thấy hệ thống có hàm truyền với hằng số thời gian của tử nhỏ hơn hằng số thời gian của mẫu Đặc tính tốc độ bắt đầu từ 0 cho thấy hàm truyền của hệ thống có bậc của tử nhỏ hơn bậc của mẫu.
Thời gian điều chỉnh T đc =0.3s Giá trị xác lập của tốc độ là 157 rad / s
Dựa vào đặc tính của dũng điện ta thấy độ quá điều chỉnh
XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG VI ĐIỀU KHIỂN
SƠ ĐỒ KHỐI BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỘNG CƠ MÔT CHIỀU BẰNG
Dựa trên sơ đồ mô phỏng hệ thống trong phần mềm Simulink (hình 2.1), chúng ta sẽ tiến hành xây dựng sơ đồ khối chức năng cho hệ thống điều khiển động cơ một chiều sử dụng vi xử lý như sau:
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển động cơ sử dụng giá trị đặt W do người dùng nhập từ bàn phím Tốc độ thực tế của động cơ được đo qua cảm biến tốc độ (encoder), từ đó bộ điều khiển tính toán sai lệch e giữa giá trị đặt và giá trị thực đạt được Sử dụng thuật toán PID, bộ điều khiển sẽ điều chỉnh đầu ra nhằm đưa sai lệch e về 0, đảm bảo rằng tốc độ động cơ luôn đạt được giá trị đặt và duy trì sự ổn định.
CÁC LUẬT ĐIỀU KHIỂN SỐ
Yêu cầu thiết kế bộ PID số là tính linh hoạt cao, cho phép điều khiển các đối tượng công nghiệp theo các luật P, I, PI, PD Hệ thống cần có khả năng lựa chọn tham số phù hợp với từng đối tượng thiết kế.
Vi điều khiển PIC 16F87XA
Bộ biến đổi T-Đ số cần được thiết kế gọn gàng và thân thiện với người dùng Qua giao diện HMI, người sử dụng có thể dễ dàng lựa chọn các luật điều khiển Chẳng hạn, việc xử lý lệnh nhanh chóng sẽ nâng cao tính thời gian thực cho thiết bị điều khiển.
3.2.1 Luật điều khiển tỷ lệ số
Hình 3.2: Cấu trúc luật P số Đây là luật điều khiển có thể thiết kế đơn giản nhất Dãy u(k) đƣợc tính từ dãy e(k) theo công thức:
3.2.2 Luật điều khiển tích phân số
Ta có phương trình sai phân:
Trong đó T là thời gian trích mẫu (Sample Time)
3.2.3 Luật điều khiển vi phân số
Hình 3.3: Cấu trúc luật I số
Hình 3.4: Cấu trúc luật D số
Thường các bộ điều khiển theo luật vi phân số được cài đặt theo các phương trình sai phân sau:
Trong đó T là thời gian trích mẫu
3.2.4 Luật điều khiển PID số
Hình 3.5: Cấu trúc luật PID số
Từ cấu trúc PID số trong Hình 3.5, ta có:
Luật điều khiển PID số trong công thức trên đƣợc lựa chọn để cài đặt cho bộ điều khiển đƣợc chế tạo trên chip PIC.
XÂY DỰNG BỘ VI XỬ LÝ DÙNG CHIP 16F87XA
3.3.1 Giới thiệu chip 16F87XA dùng trong mạch điều khiển
PIC là một dòng vi điều khiển do công ty Microchip Technology sản xuất, bắt nguồn từ dòng sản phẩm đầu tiên là PIC 1650, được phát triển bởi bộ phận vi điện tử của General Instrument Từ "PIC" là chữ viết tắt của "Programmable".
Máy tính khả trình thông minh (Intelligent Computer) là sản phẩm đầu tiên của hãng General Instruments, được gọi là PIC1650 Thiết bị này được sử dụng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16 bit.
CP 1600, hay còn gọi là "Peripheral Interface Controller" (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi), là một CPU hiệu quả nhưng có hạn chế trong khả năng xuất nhập Để khắc phục điều này, PIC 8-bit đã được phát triển vào khoảng năm
Năm 1975, để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CP 1600, PIC đã sử dụng mã nguồn đơn giản đặt trong ROM Mặc dù thuật ngữ RISC chưa được sử dụng vào thời điểm đó, PIC thực chất là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, hoạt động với một lệnh trong mỗi chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động).
Ngày nay rất nhiều dòng PIC được xuất xưởng với hàng loạt các môđun ngoại vi tích hợp sẵn (như USRT, PWM, ADC ), với bộ nhớ chương trình từ
Bảng 3.1: Tính năng PIC 16F87XA
Bảng tính năng 16F873A 16F874 16F876A 16F877A Chu kỳ hoạt động DC- 20MHz DC- 20MHz DC- 20MHz DC- 20MHz Reset( delays) POR,BOR
Các chuẩn ngoại vi nối tiếp MSSP,USART MSSP,USART MSSP,USART MSSP,USART Các chuẩn ngoại vi song song _ PSP _ PSP
Tệp lệnh 35 lệnh 35 lệnh 35 lệnh 35 lệnh
3.3.2 Xây dựng bộ PID dùng chip PIC 16F87XA
Hình 3.8: Sơ đồ khối bộ vi xử lý dùng chip PIC 16F87XA
Giá trị đặt W được nhập vào qua hệ thống bàn phím và hiển thị trên màn hình Tốc độ thực tế của động cơ, đo bằng cảm biến tốc độ (encoder), cũng được đưa vào bộ điều khiển và hiển thị Bộ điều khiển tính sai lệch e giữa giá trị đặt và giá trị thực đạt được, sau đó áp dụng luật PID để điều chỉnh đầu ra và xuất tín hiệu điều khiển cho mạch động lực Hệ thống sử dụng thuật toán điều khiển PID số sẽ tự động điều chỉnh để đưa sai lệch e về 0, đảm bảo rằng tốc độ động cơ luôn ổn định và đạt giá trị đặt Trên màn hình hiển thị, giá trị đặt và giá trị tốc độ động cơ đạt được sẽ bằng nhau.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU:
- Để xây dựng mô hình của hệ thống ta cần thiết kế các mạch sau:
- Bộ vi xử lý điều khiển động cơ theo luật PID dùng chíp PIC 16887 c
- Mạch công suất cấp điện áp cho động cơ
- Khối nguồn và các led hiển thị
3.4.1 Sơ đồ IC điều khiển PIC 16887:
Hình 3.9: Sơ đồ IC điều khiển PIC 16887
- Chân 13, 14 nối với thạch anh Y1 có f= 4MHz để tạo dao động
- Chân 17 đến 20 (I4 đến I7) nối với các nút điều chỉnh
- Chân 25 đến 30 (L1 đến L6) điều khiển anot chung của các Led
- Chân 33 đến 40 (RB0 đến RB7) xuất dữ liệu đến các Led hiển thị
- Chân 11 và 32 nối với nguồn VCC = 5v Chân 12 và 31 nối GND
3.4.2 Mạch công suất cấp cho động cơ:
Hình 3.10: Mạch nguyên lý khối công suất cấp điện cho động cơ
- IS 01 và IS 02 là 2 transistor quang đƣa điện áp tới chân 7,6 của IC 2003 để điều khiển cấp áp và đảo chiều động cơ
- IRF 540: Transistor trường cấp áp cho động cơ
- Rơle LS1: Dùng để đảo chiều động cơ
- S1 đến S4: các phím thiết lập dữ liệu
3.4.3 Mạch nguyên lý khối nguồn và các Led hiển thị:
- Do dùng động cơ một chiều 12v, do đó ta sử dụng IC U01: LM2576 ổn áp nguồn với D02: điốt ổn áp 12v
- Jack J01 đƣợc nối với thứ cấp của biến áp
- U03: Cầu chì bảo vệ mạch
- Các led 7 đoạn U3 đến U5: Hiển thị giá trị đặt cho động cơ
- Các led 7 đoạn U6 đến U8: Hiển thị giá trị thực của động cơ
3.4.4 Lưu đồ thuật toán chương trình chính:
K/tạo các tham số ban đầu
Stop Đọc giá trị phản hồi
Tính Uđk theo luật PID
Xuất giá trị điều khiển
Hình 3.13: Lưu đồ thuật toán.