Đề tài thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho hệ truyền động cơ một chiều

Trong đó ngành điều khiển và tự động hóa góp một phầnkhông nhỏ vào sự phát triển đó, một trong những vấn đề quan trọng trong các dâychuyền điều khiển tự động hóa là điều khiển tốc độ độn

Khoa Điện Trường ĐHSPKT Vinh MỤC LỤC MỤC LỤC 1 LỜI NÓI ĐẦU 3 CHƯƠNG I: MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU .4 1.1 Tầm quan trọng của động cơ điện 1 chiều .4 1.2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều 4 1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 6 1.4 Phân loại động cơ điện một chiều 6 1.5 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: 7 7 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH LỰC HỆ TRUYỀN ĐỘNG TỰ ĐỘNG THIẾT KẾ CẤU TRÚC MẠCH LỰC 13 2.1 Đặt vấn đề 13 2.2 Tổng quan về động cơ một chiều 13 2.3 Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều 13 2.3.1 Hệ thống truyền động máy phát-động cơ (F-Đ) .13 2.3.2 Hệ truyền động Thyristor – Động cơ (T-Đ) .17 2.3.3 Hệ truyền động Xung áp – Động cơ (XA-Đ) 18 2.4 Đánh giá phương pháp và lựa chọn phương án điều khiển 18 2.4.1 Đánh giá 18 2.4.2 Lựa chọn phương án điều khiển .19 2.5 Thiết kế cấu trúc mạch lực 19 2.5.1 Lựa chọn sơ đồ nối dây mạch lực 19 2.5.2 Chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha 19 2.5.3 Chỉnh lưu cầu 3 pha 21 2.5.4 Lựa chọn phương án đảo chiều 22 2.5.6 Đảo chiều dòng điện phần ứng bằng cách dùng công tắc tơ .23 2.5.7 Đảo chiều dòng điện phần ứng bởi hai bộ chỉnh lưu cầu triristor mắc song song ngược 23 2.5.8 Kết luận 24 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của hệ truyền động 24 2.6.1 Giới thiệu sơ đồ 24 2.6.2 Nguyên lí làm việc của mạch động lực 26 2.7 Tính chọn các tham số mạch lực 26 2.7.1 Tính điện áp không tải của chỉnh lưu và thông số máy biến áp 26 SVTH: Trương Khắc Bình Minh 1 Lớp: DHTDHCK13A Khoa Điện Trường ĐHSPKT Vinh 2.7.2 Tính chọn thyristor 31 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG TỰ ĐỘNG 37 3.1 Thiết kế cấu trúc điều khiển hệ truyền động .37 3.1.1 Hệ thống máy phát – Động cơ một chiều (F – Đ) 37 3.1.2 Hệ thống truyền động tự động CL – Động cơ một chiều dùng bộ khuếch đại tổng (T – Đ) 38 3.1.3 Hệ truyền động tự động XA- Động cơ một chiều nối tầng 40 3.2 Kết luận 41 3.3 Nghiên cứu các phương pháp thiết kế bộ điều khiển 41 3.3.1 Tổng quan về bộ điều chỉnh tự động tốc độ động cơ .41 3.3.1 Đặt vấn đề 41 3.3.2 Cơ sở lý thuyết điều khiển .42 3.4 Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển 46 3.4.1 Nguyên lý tối ưu độ lớn (modun) .46 3.4.2 Nguyên lý tối ưu đối xứng .47 3.4.3 Mô phỏng để xác định chất lượng của bộ diều khiển 48 3.4.4 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho động cơ 48 3.4.5 Thiết kể bộ điều khiển dòng điện .49 3.4.6 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ 51 CHƯƠNG IV KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG 54 4.1 Giới thiệu về phần mềm matlab 54 4.2 Các tham số mô phỏng hệ thống 55 4.3 Mô hình hệ thống 56 4.4 Kết luận 58 SVTH: Trương Khắc Bình Minh 2 Lớp: DHTDHCK13A Khoa Điện Trường ĐHSPKT Vinh LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay với sự phát triển không ngừng của nền khoa học kỹ thuật đã tạo ra những thành tựu to lớn Trong đó ngành điều khiển và tự động hóa góp một phần không nhỏ vào sự phát triển đó, một trong những vấn đề quan trọng trong các dây chuyền điều khiển tự động hóa là điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều, từ trước đến nay động cơ điện một chiều luôn được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động kể cả hệ thống truyền động yêu cầu cao, vì vậy để hiểu rõ hơn môn thiết kế hệ thống điều khiển và tự động hóa em được giao đề tài: thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho hệ truyền động cơ một chiều Nội dung đề tài được chia ra làm các phần sau Chương I: Mô tả động cơ điện một chiều Chương II: Thiết kế mạch lực hệ truyền động tự động Chương III: Thiết kế điều khiển hệ truyền động tự đông Chương IV: Xây dựng mô hình và mô phỏng đánh giá chất lượng hệ truyền động trên phần mềm matlab/Simulink Trong quá trình làm đề tài em luôn nhận được sự quan tâm chỉ dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy giáo Trần Duy Trinh em xin chân thành cảm ơn thầy Tuy nhiên do thời gian, giới hạn của đề tài, với phạm vi nghiên cứu tài liệu, với kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Em kính mong thầy đóng góp ý kiến để đồ án hoàn thiện hơn Sinh viên thực hiện Trương Khắc Bình Minh SVTH: Trương Khắc Bình Minh 3 Lớp: DHTDHCK13A Khoa Điện Trường ĐHSPKT Vinh CHƯƠNG I: MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Tầm quan trọng của động cơ điện 1 chiều Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ điện 1 chiều vẫn được coi là 1 loại máy quan trọng Mặc dù động cơ xoay chiều có tính ưu việt hơn như cấu tạo đơn giản hơn, công suất lớn Nhưng động cơ điện xoay chiều không thể thay thế hoàn toàn động cơ điện 1 chiều Đặc biệt là trong các ngành công nghiệp, giao thông vận tải, các thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng như máy cán thép, máy công cụ lớn đầu máy điện Vì động cơ điện 1 chiều có những ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn và khả năng quá tải Bên cạnh đó động cơ điện 1 chiều cũng có những nhược điểm nhất định như giá thành đắt, chế tạo và bảo quản phức tạp Nhưng do những ưu điểm của nó nên nó vẫn có 1 tầm quan trọng nhất định trong sản xuất Ngày nay hiệu suất của động cơ điện 1 chiều công suất nhỏ vào khoảng 75% - 85%, ở động cơ điện công suất trung bình và lớn vào khoảng 85% - 94% Công suất lớn nhất của động cơ điện 1 chiều hiện nay vào khoảng 10000KW Điện áp vào khoảng vài trăm đến 1000V Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn 1.2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều Hình 1.1: Mặt cắt ngang máy điện một chiều Cấu tạo của động cơ điện một chiều có thể phân thành hai thành phần chính là: phần tĩnh và phần quay - Phần tĩnh hay Stato (phần cảm) Đây là thành phần đứng yên của động cơ Phần tĩnh gồm các bộ phận chính sau: Cực từ chính: Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt kích từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hoặc thép khối gia công thành dạng cực từ rồi cố định vào vở máy Dây SVTH: Trương Khắc Bình Minh 4 Lớp: DHTDHCK13A Khoa Điện Trường ĐHSPKT Vinh quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này được nối nối tiếp với nhau Nhiệm vụ chính của cực từ chính và dây quấn kích từ tạo ra từ thông chính trong máy + Cực từ phụ: Cực từ phụ thường làm bằng thép khối đặt xen kẽ giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều (đặt trên đường trung tính hình học) Xung quanh cực từ phụ có dây quấn cực từ phụ Dây quấn cực từ phụ được đấu nối tiếp với dây quấn phần ứng (dây quấn Roto) Nhiệm vụ của cực từ phụ là để làm giảm sự xuất hiện tia lửa điện trên bề mặt chổi than và cổ góp + Vỏ máy (gông từ): Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy bảo vệ các bộ phận bên trong vỏ máy Vỏ máy điện một chiều được làmbằng thép dẫn từ + Chổi than: Chổi than dùng để điện áp từ bên ngoài vào động cơ Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá.Chổi than thường đượclàm bằng bột đồng bột than và một số phụ gia chống mài mòn khác.Chổi than được đặt trên 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 bằng lá thép kĩ thuật điện dầy 0.5(mm) phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên.Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây: Dây quấn phần ứng là thành phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Dây quấn được bọc cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép + Cổ góp: Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều.Cổ góp gồm nhiều phiến đồng ghép cách điện với nhau Bề mặt cổ góp phải được gia công với độ nhẵn bang cao để đảm bảo tiêp xúc giũa chổi than và cổ góp Cổ góp đặt đồng tâm với trục quay để hạn chế phát sinh tia lửa điện + Các bộ phận khác: Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp cánh quạt và ổ bi.Trục máy thường làm bằng thép cácbon tốt SVTH: Trương Khắc Bình Minh 5 Lớp: DHTDHCK13A Khoa Điện Trường ĐHSPKT Vinh Hình 1.2 Hình ảnh tổng quát về động cơ điện một chiều 1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều Khi đóng động cơ, Rôto quay đến tốc độ n, đặt điện áp Ukt nào đó lên dây quấn kích từ thì trong dây quán kích từ có dòng điện ik và do đó mạch kích từ của máy sẽ có từ thông , tiếp đó ở trong mạch phần ứng, trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện i chạy qua tương tác với dòng điện phần ứng Tăng từ từ dòng kích từ (bằng cách thay đổi Rkt) thì điện áp ở hai đầu động cơ sẽ thay đổi theo qui luật: Edư = (1%  42%)Uđm Khi dòng ikt còn nhỏ thì Eư hoặc U tăng tỉ lệ thuận với ikt nhưng khi Ukt bắt đầu lớn thì từ thông  trong lõi thép bắt đầu bão hoà Cuối cùng khi ikt = iktbh thì U = Eư bão hoà hoàn toàn 1.4 Phân loại động cơ điện một chiều Dựa vào cách nối dây quấn phần ứng với dây quấn kích từ động cơ điện một chiều được chia ra làm bốn loại sau: - Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: dòng điện kích từ được lấy từ nguồn riêng biệt so với phần ứng Trường hợp đặc biệt, khi từ thông kích từ được tạo ra bằng nam châm vĩnh cữu, người ta gọi là động cơ điện một chiều kích thích vĩnh cửu - Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ được nối song song với mạch phần ứng - Động cơ điện một chiều kich từ nối tiếp: Dây quấn kich từ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng - Động cơ điện một chiều kich từ hỗn hợp: Dây quấn kich từ có hai cuộn, dây quấn kich từ song song và dây quấn kich từ nối tiếp Trong đó, cuộn kich từ song song thường là cuộn chủ đạo SVTH: Trương Khắc Bình Minh 6 Lớp: DHTDHCK13A Khoa Điện Trường ĐHSPKT Vinh Hình 1.3: Các loại động cơ điện một chiều a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập b) Động cơ điện một chiều kích từ song song c) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp 1.5 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: I Ikt Uö KT Ukt Rf Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ phương trình cân bằng điện áp của động cơ: Uư = Eư + (Rư +Rf) Iư = Eư + R Iư (1) Trong đó: Uư: điện áp phần ứng (V) Eư: Sức điện động phần ứng (V) Rư: Điện trở của mạch phần ứng Rf : Điện trở phụ của mạch phần ứng SVTH: Trương Khắc Bình Minh 7 Lớp: DHTDHCK13A Khoa Điện Trường ĐHSPKT Vinh Iư : Dòng điện mạch phần ứng Với Rư = rư + rcf + rb + rct rư: Điện trở cuộn dây phần ứng rcf: Điện trở cuộn cực từ phụ rb: Điện trở cuộn bù rct: Điện trở tiếp xúc của chổi than Sức điện động Eư của phần ứng động cơ xác định theo biểu thức pN φ.ω = k.φ ω  ω = Eö Eư = 2πak.φa k.φ Trong đó: p: Số đôi cực từ chính N: Số thanh dẫn tác dụng của dây quấn phần ứng a: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng : Từ thông kích từ dưới 1 cực từ : Vận tốc góc rad/s k= pN 2πaa : Hệ số cấu tạo của động cơ Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (v/ph) thì: Eư = Ke.n Trong đó: Ke= pN 60 a = K 9 ,55 =0 , 105 K ω=2 πnn /60=n/9 , 55 Từ phương trình (1)  Eư = Uư - (Rư +Rf) Iư  Chia cả 2 vế cho k. Eö = U ö - R ö + R f Iö  k k k  = Uö - R ö + R f Iö (2) k k  SVTH: Trương Khắc Bình Minh 8 Lớp: DHTDHCK13A Khoa Điện Trường ĐHSPKT Vinh  ω = f (I): Đặc tính cơ điện Mặt khác mô men điện từ của của cơ điện được xác định bởi: Mđt = k..Iư M ñt => Iư = K.  = Uö - 2 R ö + R f Mñt Thế vào (2) => k (k  ω = f (M): Đặc tính cơ theo mômen Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mô men cơ trên trục động cơ bằng mô men điện từ, ta kí hiệu là M nghĩa là Mđt = Mcơ = M  = Uö - 2 R ö + R f M k (k (3)  Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông =const thì phương trình đặc tính cơ điện (2) và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính, đặc tính cơ điện như sau: ω ω ω0 ωnm ω0 ωnm In In I m Mn Mn M m ω= U 0 Kφ = ω0 Với ω0: gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ I ư= U =I nm; M =Kφ I nm= Mnm RU + R fu Với Inm, M nmgọi là dòng điện ngắn mạch và mô men ngán mạch ∆ ω= R0+ RF M (Độ sụt tốc độ) Kφ Độ cứng đặc tính cơ: SVTH: Trương Khắc Bình Minh 9 Lớp: DHTDHCK13A Khoa Điện Trường ĐHSPKT Vinh β= dM =−¿ ¿ dω So với động cơ kích từ nối tiếp thì động cơ kích từ độc lập có đặc tính cơ cứng hơn nên phù hợp với những truyền động có yêu cầu ổn định cao về tốc độ Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được họ đặc tính cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên 1.1.5 Xét ảnh hưởng các tham số đến đặc tính cơ Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có ba tham số ảnh hưởng tới đặc tính cơ: Từ thông của động cơ φ, điện áp phần ứng Uưvà điện trở mạch phần ứng động cơ, ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó a) Ảnh hưởng của điện trở phần ứng Giả thiết U ư =Uđm và φ=φđm Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng Trong trường hợp tốc độ không tải lý tưởng thì: ω0= U đm K φ = const đm Độ cứng của đặc tính cơ: β= dM =−( K φđm)2 dω Rư + Rf Khi tăng điện trở phụ thì độ cứng đặc tính cơ suy giảm, và khi Rf càng lớn, β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ dốc, ứng với Rf=0 ta có đặc tính cơ tự nhiên: −( K φđm)2 β tn = Rư SVTH: Trương Khắc Bình Minh 10 Lớp: DHTDHCK13A