GIỚI THIỆU CHUNG
Giới thiệu về động cơ một chiều kích từ độc lập
Động cơ điện một chiều là loại máy điện biến điện năng dòng một chiều thành cơ năng Ở động cơ một chiều từ trường là từ trường không đổi Để tạo ra từ trường không đổi người ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện được cung cấp dòng điện một chiều Động cơ điện một chiều được phân loại theo kích từ thành những loại sau:
Công suất lớn nhất của máy điện một chiều vào khoảng 5-10 MW Hiện tượng tia lửa ở cổ góp đã hạn chế tăng công suất của máy điện một chiều
Cấp điện áp của máy một chiều thường là 120V, 240V, 400V, 500V và lớn nhất là 1000V Không thể tăng điện áp lên nữa vì điện áp giới hạn của các phiến góp là 35V
Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều
Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần :
Gồm các phần chính sau:
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 cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện. Cực từ được gắn chặt vào vỏ nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện.
Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều
Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
- Cơ cấu chổi than.(Brush Assembly)
Phần ứng gồm các bộ phận sau:
Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ thông thường dùng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm phủ cách điện ở hai đầu rồi ép chặt lại Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn được cách điện với rãnh của lõi thép.
Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn. Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng.
Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy.
Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
Hình 1 1 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Ta có phương trình đặc tính cơ: ω= U u
Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy Có ba thông số ảnh hưởng đến đặc tính cơ đó là:
- Điện áp phần ứng (Uư).
Sau đây ta sẽ lần lượt đi xét những ảnh hưởng của từng tham số đó:
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều
Ảnh hưởng của điện trở phần ứng :
Giả thiết: Uư=Uđm=const
= đm=const Khi ta đổi điện trở mạch phần ứng ta có tốc độ không tải lý tưởng:
0 U dm KΦΦ dm =Const (1.2) Độ cứng đặc tính cơ:
Khi Rf càng lớn, β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc Ứng với Rf = 0
Ta có đặc tính cơ tự nhiên:
tn có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường đặc tính có điện trở phụ Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tính biến trở có dạng như hình 1.3 Ứng với một phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.
Hình 1 2 Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:
Rư = const Khi thay đổi điện áp phần ứng: Uư 0 và ở chế độ hãm ngược nếu sđđ E đổi chiều.
: Bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, biến cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều cùng tần số lưới và trả về lưới điện. Động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh khi tải có tính thế năng.
Dòng điện trung bình của mạch phần ứng:
- Chế độ dòng điện gián đoạn:
Trong thực tế tính toán hệ T - Đ chỉ cần xác định biên giới vùng dòng điện gián đoạn, là đường phân cách giữa vùng dòng điện liên tục và dòng điện gián đoạn Trạng thái biên liên tục là trạng thái mà góc dẫn = 2 /p và góc chuyển mạch 0 Đường biên liên tục gần là đường elip. Để giảm độ lớn của trục nhỏ elip, tăng số pha của chỉnh lưu Tuy nhiên khi tăng số pha chỉnh lưu sơ đồ sẽ phức tạp. Đánh giá chất lượng của hệ thống
+ Tốc độ nhanh, không gây tiếng ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất cao.
+ Công suất tổn hao nhỏ, kích thước và trọng lượng nhỏ
+ Giá thành rẻ, dễ bảo dưỡng sửa chữa.
+ Mạch điều khiển phức tạp, điện áp chỉnh lưu có biểu đồ đập mạch cao, gây đến tổn thất phụ đáng kể trong động cơ và hệ thống.
+ Chuyển mạch làm việc khó khăn do đường đặc tính nằm trong mặt phẳng toạ độ.
+ Trong thành phần của hệ biến đổi có MBA nên hệ số cos thấp
+ Do vai trò chỉ dẫn dòng một chiều nên việc chuyển đổi chế độ làm việc khó khăn với các hệ thống đảo chiều.
+ Do có vùng làm việc gián đoạn của đặc tính nên không phù hợp truyền động có tải nhỏ.
Mô hình hóa bộ chỉnh lưu ( cầu 3 pha)
Hình 2 3 Mô hình hóa bộ chỉnh lưu
Hàm truyền bộ chỉnh lưu:
Hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu:
Hằng số thời gian của bộ chỉnh lưu
Trong đó: f = 50 Hz là tần số nguồn lưới m là số xung đầu ra của chỉnh lưu cầu 3 pha m =6
Vậy hàm truyền của bộ chỉnh lưu là:
Mô hình hóa động cơ một chiều kích từ độc lập
Mạch điện thay thế của động cơ một chiều như hình 2.3:
Hình 2 4 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều
Hệ thống mô tả động cơ ĐC 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 ra thường là tốc độ góc của động cơ ω, mômen quay M, dòng điện phần ứng I hoặc vị trí của rotor ϕ Mômen tải MC là mômen do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mômen tải MC là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền động điện tự động.
Mô hình toán ở chế độ quá độ của động cơ một chiều kích từ độc lập
Hệ phương trình được viết cho động cơ dưới dạng toán tử Laplace:
Mạch kích từ có hai biến là dòng điện kích từ Ik và từ thông Φ phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:
Mạch kích từ có hai biến là dòng điện kích từ Ik và từ thông Φ phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:
Trong đó: Nk là số vòng dây cuộn kích từ.
Uu(s) = Ru.Iu(s) + Lu.s.Iu(s) + E(s) (2.12)
Uu(s) = Ru.Iu(s) + Lu.s.Iu(s) + E(s)
Từ phương trình phần ứng ta có:
Lư là điện cảm mạch phần ứng.
R là Hằng số thời gian mạch phần ứng
Phương trình cân bằng momen:
J là mômen quán tính c ủa các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ.
Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều:
Hình 2 5 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều
Ta thấy rằng sơ đồ này là phi tuyến mạch Như vậy ta có thể tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc và các phương trình tuyến tính hóa được viết như sau:
Uk0 + ∆Uk(s) = Rk.[Ik0+∆Ik(s)] +sLk[Ik0 + ∆Ik(s)]
Một cách gần đúng ta có phương trình gia số:
Từ hệ phương trình trên ta xác định được sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa như sau:
Hình 2 6 Sơ đồ cấu trúc mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Nhìn vào sơ đồ ta thấy rằng để điều chỉnh tốc độ ω ta có thể thực hiện theo 2 cách: o Giữ nguyên điện áp mạch kích từ Ub và điều chỉnh điện áp mạch phần ứng Ua. o Giữ nguyên điện áp mạch phần ứng và điều chỉnh điện áp Ub: điều chỉnh từ thông.
Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi
Khi xét tới động cơ một chiều kích từ độc lập và không điều khiển từ thông thì có thể xem từ thông là một hằng số Khi đó, ta không còn mạch kích từ mà chỉ còn phương trình cân bằng mạch phần ứng Vì vậy, ta có thể bỏ các chỉ số để chỉ mạch kích từ và mạch phần ứng Trong trường hợp này mô hình toán của động cơ chỉ có hai phương trình là phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng và chuyển động cơ học:
Phương trình cân bằng mạch phần ứng:
Phương trình chuyển động cơ học:
Do C ons t , đặt K C u const ta có:
Từ các phương trình này ta xây dựng được mô hình của động cơ một chiều kích từ độc lập từ thông không đổi như sau:
Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập với từ thông không đổi:
Hình 2 7 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập có từ thông không đổi
Thiết Kế Mạch Điều Khiển
Sơ đồ khối cấu trúc hai mạch vòng điều chỉnh của hệ truyền động điện T-Đ
Hình 3 1: Sơ đồ khối cấu trục hai mạch vòng điều chỉnh của hệ T-Đ
Hệ thống gồm 2 mạch vòng nối theo cấp: mạch vòng bên trong là mạch vòng dòng điện, mạch vòng bên ngoài là mạch vòng điều chỉnh tốc độ
Rw, Ri: bộ điều khiển tốc độ, dòng điện
Các sensor đo dòng điện, tốc độ
Uwd,Uw: điện áp tương ứng với tốc độ đặt và tốc độ thực
Uid, Ui: điện áp tương ứng với dòng điện đặt và dòng điện thực
Giới thiệu phương pháp tổng hợp mạch vòng theo chuẩn tối ưu modun
Khi tổng hợp các hệ truyền dộng nhỉều thông sổ thường phân hệ thành cấu trúc nhiêu vòng có các bộ điều chỉnh (regulator) nốí theo cấp Xét một hệ thống có cấu trúc chung như hình trong đó có n thông số X, n bộ điều chỉnh R(s) của n đối tượng (hệ thống) trên đó tác động n nhiễu loạn chính p1 pn Từ sơ đồ thấy rằng tín hiệu ra của bộ điều chỉnh Ri chính là tín hiệu điều khiển của mạch vòng điều chỉnh cấp i - 1 Các đại lượng (thông số) điều chỉnh x1… xn tương ứng vớỉ giá trị đặt x1d… xnd Số lượng bộ điều chỉnh dùng bằng số các đại lượng điều chỉnh
Có thể nói rằng, cho dến nay phương pháp chung tổng hợp các bộ điều chỉnh trong cấu trúc nối cấp chưa thật hoàn thiện, chủ yếu là việc chọn thông số tối ưu của các bộ điều chỉnh, đó là do tính chất phức tạp của các hệ thống thực Vì thế việc tinh toán tổng hợp gần dùng có giá trị to lớn trong thiết kế định hướng cũng như trong chỉnh định, trong vận hành các hệ thống
Hình 3 2 Sơ đồ nối cấp Để dẫn ra phương pháp, ta giả thiết rằng các mạch điều chỉnh của mỗi đại lương có chứa một phần có các hằng số thời gian lớn, thí dụ hằng số thời gian điện cơ, hằng số thời gian của cuộn dây kích từ v.v và một phần có chứa các hằng số thời gian nhỏ, thí dụ hằng số thời gian của các xen xơ, của mạch điều khiển thyristor v.v Trong trường hợp chung hàm truyền của đối tượng có dạng:
Trong đó: Td là hằng số thời gian của khâu trễ, mặt khác trong hàm truyền có thể chứa các khâu bậc 2.
Vậy tổng hợp các bộ điều chỉnh sẽ được tiến hành sao cho bù được các khâu có hằng số thời gian tương đối lớn Tk, bằng cách đó ta đã giảm được cấp cho mạch hở, các khâu có hằng số thời gian tương đối nhỏ Ts sẽ không được bù
Trong kỹ thuật truyền động điện có thể bỏ qua các hằng số thời gian nhỏ hơn 1 mili giây, các hằng số thời gian cỡ dưới vài chục mili giây có thể coi là nhỏ (Ts ), các hằng số thời gian cỡ 0,1 giây trở lên có thể coi là lớn Tk
Xét hệ thống có: n thông số X; n bộ điều chỉnh R(s) của n đối tượng S(s) ; n nhiễu loạn chính p1,…, pn
Nhận xét : ưu thế của cấu trúc nối cấp các bộ điều chỉnh là : mỗi giá trị của lượng đặt Xid được hạn chế bởi đoạn bão hòa của đặc tính của bộ điều chỉnh Ri1 , giá trị này có thể là hằng số hoặc là thay đổi được Mỗi mạch vòng điều chỉnh có một bộ điều chỉnh và hệ thống được điều chỉnh bao gồm đối tượng điều chỉnh S0 và mạch vòng phụ
Việc tổng hợp các bộ điều chỉnh được thực hiện theo từng mạch vòng, từ mạch vòng đầu tiên đến mạch vòng thứ n Trong hệ thống truyền động điện điều chỉnh, thường sử dụng các phương pháp hàm chuẩn tối ưu để tổng hợp thông số các bộ điều chỉnh cho các mạch vòng
Hàm chuẩn tối ưu module
Với : hằng số thời gian của toàn hệ Đặc điểm:
- Ở dải tần số thấp: F jw ( ) 1
- Hiểu chỉnh lại đặc tính tần số chỉ ở vùng thấp và trung bình
- Không đảm bảo trước được tính ổn định của hệ thống
- Thời gian quá điều chỉnh: 8.4
Chọn 0 sao cho triệt tiêu được khâu có hằng số thời gian lớn
Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện
Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện:
Hình 3 3: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Hằng số thời gian mạch phần ứng:
Từ thông của động cơ:
Hằng số thời gian cơ học:
Vì Tc > >Tư nên ta chọn phương pháp tổng hợp mạch vòng dòng điện có tính đến ảnh hưởng của sức điện động động cơ
Bộ biến đổi cầu 3 pha:
Hàm truyền bộ chỉnh lưu:
Sơ đồ tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu module:
Hình 3 4: Sơ đồ thay thế mạch vòng dòng điện Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu mô dun để tìm cấu trúc và tham số của bộ điều chỉnh:
(3.16) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modun để tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện:
Phân tích được vì Tc > 4Tu:
Ta sử dụng bộ điều chỉnh PI nối cấp:
Hàm truyền của dòng điện là:
Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ
Hình 3 5: Mạch vòng điều chỉnh tốc độ Tiến hành tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ sau khi đã tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện Như đã tổng hợp mạch vòng dòng điện.
Do TCL rất nhỏ nên T 2 CL cũng rất nhỏ nên ta có:
Hàm truyền của khâu phản hồi tốc độ
Hằng số thời gian máy phát tốc: Tw = 0,001 (s)
Hình 3 6: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ Với Tsi = Tđk + TV0 + Ti, ta được hàm truyền:
Hình 3 7: Sơ đồ thay thế mạch vòng điều chỉnh tốc độ Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module:
Bộ điều chỉnh Rω có dạng khâu tích phân P với Kp = 12,3
