12 Hình 2.3: Dạng điện áp chỉnh lưu của sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển, với các góc điều khiển khác nhau .... Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định tro
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
Giới thiệu chung về động cơ một chiều
1.1.1 Khái niệm 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: o Kích từ độc lập o Kích từ song song o Kích từ nối tiếp o Kích từ hỗn hợp
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 thừờng 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
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải , cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn Nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại
▪ Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao
▪ Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ
1.1.3 Cấu tạo Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần động
Hình 1.1: Kích thước dọc, ngang máy điện một chiều
2 Cực chính với cuộn kích từ
3 Cực phụ với cuộn dây
➢ Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra trường nó gồm có:
▪ Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau
▪ 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 hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau
▪ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông
▪ Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy
▪ Các bộ phận khác: o Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang o Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại
➢ Phần quay hay rôto: Bao gồm những bộ phận chính sau
▪ Phần sinh ra sức điện động gồm có: o Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng o Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật nhất định Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp o Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo
▪ Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm 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 quấn vào Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto
▪ Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài Kw thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật, dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit
▪ Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng
Người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ và chia thành 4 loại thường sử dụng:
▪ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ
▪ Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng
▪ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng
▪ Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng.
Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều kích từ độc lập
Khi nguồn điện một chiều cơ công suất không đủ lớn thì mắc độc lập mạch điện phần ứng và mạch kích từ vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập
Hình 1.2: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập Ở đây ta dùng động cơ một chiều nam châm kích từ độc lập nên có từ thông Φ không đổi nên không cần quan tâm đến vấn đề kích từ Nếu momen do động cơ điện sinh ra lớn hơn momen cản, roto bắt đầu quay và suất điện động Eư sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n Do sự xuất hiện và tăng lên của Eư, dòng điện Iư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn Tăng dần Iư bằng cách tăng Uư hoặc giảm điện trở mạch điện phần ứng cho tới khi máy đạt tốc độ định mức Trong quá trình tăng Iư cần chú ý không để lớn quá so với Iđm để không xảy ra cháy động cơ.
Phương trình đặc tính cơ động cơ một chiều kích từ độc lập
Phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng ở chế độ xác lập:
E : Suất điện động phần ứng (V)
R f : Điện trở phụ phần ứng (Ω)
R u : Điện trở phần ứng (Ω) u u cf cb tx
Trong đó: r u : Điện trở dây phần ứng (Ω) r cf : Điện trở cực từ phụ (Ω r cb : Điện trở cuộn bù (Ω) r tx : Điện trở tiếp xúc của chổi điện (Ω) Suất điện động E của phần ứng của động cơ được xác định theo biểu thức:
Trong đó: p : Số đôi điện cực chính
N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: Số mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
: Từ thông kích từ chính một cực từ (Wb) Đặt 2
= : Hệ số kết cấu của động cơ
Nếu biểu diễn suất điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì E = K c n và 2
Trong đó: K c : Hệ số suất điện động của động cơ
Từ các phương trình trên ta có phương trình đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
Mặt khác ta có momen điện từ của động cơ ở chế độ xác lập được xác định theo biểu thức: dt u
Thay (1.6) vào (1.5) vào ta có:
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập
1.4.1 Phương pháp thay đổi điện trở phụ
Hình 1.3: Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ
Phương pháp này người ta thường áp dụng để hạn chế dòng điện khởi động và điều khiển tốc độ động cơ dưới tốc độ cơ bản Tuy vậy nhưng phương pháp này điều khiển tốc độ không triệt để
1.4.2 Phương pháp thay đổi từ thông Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh momen điện từ của động cơ M = K.Φ.Iư và suất điện động quay của động cơ Eư = K.Φ.ω Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến nên hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến: k k k b k e d i =r r + dt
Trong đó: r k : điện trở dây quấn kích thích r b : điện trở của nguồn điện áp kích thích
k : số vòng dây quấn kích thích
Trong chế độ xác lập ta có quan hệ:
Hình 1.4: Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi từ thông Độ cứng:
Khi giảm từ thông để tăng tốc độ động cơ thì độ cứng giảm
1.4.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
Giả thiết từ thông Φ = Φdm = const, từ phương trình đặc tính cơ tổng quát:
Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên
Hình 1.5: Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi áp phần ứng
Ta thấy rằng, khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì momen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch giảm và tốc độ động cơ cũng giảm với một phụ tải nhất định nhưng độ cứng không đổi Do đó phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động
Phương trình đặc tính cơ
Thay đổi điện trở phụ Thay đổi từ thông Thay đổi điện áp phần ứng Ứng dụng thay đổi 𝑅 𝑓 :
Phương pháp này người ta thường áp dụng để hạn chế dòng điện khởi động và điều khiển tốc độ động cơ dưới tốc độ cơ bản Tuy vậy nhưng phương pháp này điều khiển tốc độ không triệt để Ứng dụng thay đổi 𝜙:
Phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ của động cơ có liên quan đến độ cứng Ứng dụng thay đổi 𝑈 ư :
Phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.
PHÂN TÍCH HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
Giới thiệu chung về hệ T-Đ
Hệ T-Đ là hệ thống chỉnh lưu điều khiển – động cơ một chiều thực hiện điều khiển động cơ theo nguyên lý thay đổi điện áp phần ứng
• Dựa theo số pha nguồn cấp cho các van chỉnh lưu: có mạch một pha, ba pha, sáu pha,
Các mạch chỉnh lưu cơ bản gồm 6 sơ đồ sau:
+ Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ
+ Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia
+ Sơ đồ chỉnh lưu một pha cầu
+ Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia
+ Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha
+ Sơ đồ chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng
• Dựa theo loại van bán dẫn:
+ Mạch dùng hoàn toàn bằng diode: Chỉnh lưu không điều khiển
+ Mạch dùng kết hợp diode và thyristor: Chỉnh lưu bán điều khiển
+ Mạch dùng hoàn toàn bằng thyristor: Chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn
• Dựa theo sơ đồ mắc van có 2 kiểu:
+ Sơ đồ hình tia: Trong sơ đồ này số van dùng cho chỉnh lưu sẽ bằng số pha nguồn cấp cho mạch chỉnh lưu Các van đấu chung một đầu nào đó với nhau: hoặc A chung, hoặc K chung
+ Sơ đồ hình cầu: Trong sơ đồ này số lượng van gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch chỉnh lưu, trong đó một nửa số van mắc chung nhau A, một nửa số van mắc chung K
Trong đồ án này sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha nên đi sâu về tìm hiểu sơ đồ này.
Giới thiệu về chỉnh lưu cầu ba pha
Hình 2.2: Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha Thyristor
Trên Hình 2.2 là chỉnh lưu cầu ba pha có dạng đối xứng với nhiều ứng dụng vì có thể điều khiển trực tiếp các thyristor mà không cần dùng biến áp xung Điều này có lợi nếu điện áp chỉnh lưu yêu cầu thấp, ví dụ đối với nguồn hàn hồ quang một chiều U d yêu cầu cỡ 60 – 80 VDC Điện áp chỉnh lưu ra phụ thuộc vào dải điều chỉnh Khi góc điều khiển nhỏ, điện áp chỉnh lưu ra có dạng gần giống sơ đồ điều khiển hoàn toàn Khi góc điều khiển
60 điện áp ra chỉ còn đập mạch ba lần trong một chu kỳ Trên hình 2.3 mô tả dạng điện áp chỉnh lưu với các góc điều khiển khác nhau
0 q u b u c u ac u bc u ba u cb u ca u ab u ab u d
Hình 2.3: Dạng điện áp chỉnh lưu của sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển, với các góc điều khiển khác nhau
Khi ta dùng các bộ chỉnh lưu có điều khiển hay là các bộ chỉnh lưu dùng thyristor để làm bộ nguồn một chiều cung cấp cho phần ứng động cơ điện một chiều như các phần trước ta đã giới thiệu, ta có điện áp chỉnh lưu của hệ là:
Vậy ta có phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của hệ chỉnh lưu T – Đ không đảo chiều là:
0. là tốc độ không tải lý tưởng, vì lúc đó ở vùng dòng điện gián đoạn, hệ sẽ có thêm một lượng sụt áp nên đường đặc tính điều chỉnh đốc hơn, tốc độ không tải lý tưởng thực ω0 sẽ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng giả tưởng ω’0 như hình (2.4)
Vậy khi thay đổi góc điều khiển α = 0 → π thì Ed0 thay đổi từ Ed0 đến -Ed0 và ta sẽ được một họ đặc tính cơ song song với nhau nằm ở nữa bên phải của mặt phẳng toạ độ [ω, I] hoặc [ω, M]
+ XBA: Điện kháng máy biến áp
+ LưΣ: Điện cảm tổng mạch phần ứng
Hình 2.4: a) Sơ đồ thay thế hệ T – Đ không đảo chiều b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ hệ T – Đ
Trong vùng dòng điện gián đoạn (ω’0 < ω0):
Trong đó: E2m: Biên độ sức điện động thứ cấp máy biến áp chỉnh lưu Đường giới hạn tốc độ cực đại:
Phương pháp điều chỉnh tốc độ trong hệ T-Đ
Trong hệ T-Đ để điều chỉnh tốc độ động cơ ta điều chỉnh góc mở α của Vì khi ta điều chỉnh góc mở α thì cosα thay đổi Dựa vào phương trình điện áp ra trình bày ở dưới thì ta thấy Ud sẽ thay đổi tỷ lệ nghịch với α, α càng lớn thì Ud càng nhỏ và ngược lại
Với 60 0 ta có quy luật điều chỉnh dạng:
Khi 60 0 ta có quy luật điều chỉnh dạng: u d =u d 0 cos
Với tải RL hay RLE, các quy luật trên vẫn không đổi.
Mô hình hóa bộ chỉnh lưu cầu 3 pha
Hình 2.5: Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu cầu 3 pha
Hình 2.6: Sơ đồ mạch van chỉnh lưu cầu 3 pha
Hàm truyền của bộ biến đổi đó là:
• Tv, Tdk: hằng số thời gian mạch chỉnh lưu và mạch điều khiển
• KCL: hệ số khuếch đại mạch chỉnh lưu
MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG
Mô hình toán học của động cơ một chiều kích từ độc lập
Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương trình mô tả sơ đồ thay thế như sau:
Mạch kích từ có hai biến dòng điện kích từ i k và từ thông máy Ф là phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hóa của lõi sắt:
Trong đó: o N k – số vòng dây cuộn kích từ o R k – điện trở cuộn dây kích từ
Trong đó: o L ư – điện cảm mạch phần ứng o N N – số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp o T ư = L ư
R ư – hằng thời gian mạch phần ứng
Phương trình chuyển động của hệ thống:
Trong đó: o J là momen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều
Hình 3.2: Mô hình động cơ điện một chiều trên Matlab/Simulink
Mô hình toán học của các khâu đo lường
3.2.1 Khâu đo lường dòng điện
Mô hình toán học của khâu phản hồi dòng điện có thể biểu diễn theo công thức (3.5:
3.2.1 Khâu đo lường tốc độ
Mô hình toán học của khâu phản hồi tốc độ có thể biểu diễn theo công thức (3.6:
Mô hình toán học của toàn bộ hệ thống
Kết nối các sơ đồ khối các phần tử, ta được sơ đồ khối hệ thống như sau:
Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc mô tả hệ thống
TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH
Cấu trúc điều khiển
Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển nối cấp Trong đó:
• R R , I : Các bộ điều khiển tốc độ, dòng điện
• Hệ thống sử dụng các sensor đo dòng điện, tốc độ
• * , : tốc độ đặt và tốc độ thực
• I*, I: dòng điện đặt và dòng điện thực
• S ω , S i : là hàm truyền của các cảm biến đo
Cấu trúc điều khiển gồm 2 mạch vòng như Hình 4.1 bao gồm:
Mạch vòng bên trong là mạch vòng điều chỉnh dòng điện, mạch vòng bên ngoài là mạch vòng điều chỉnh tốc độ Đầu vào của mạch vòng tốc độ là tốc độ đặt ω* và tốc độ thực đo về từ cảm biến đo tốc độ của động cơ ω Thông qua bộ điều khiển tốc độ Rω sẽ đưa ra dòng điện đặt vào phần ứng động cơ I* Kết hợp với dòng điện đo về I từ cảm biến đo dòng điện ta có mạch vòng dòng điện Cũng tương tự như mạch vòng tốc độ, đầu ra của mạch vòng dòng điện là điện áp đặt vào phần ứng của động cơ mong muốn Để có được điện áp này thì cần tới bộ biến đổi công suất thực hiện chỉnh lưu điện áp xoay chiều về điện áp 1 chiều thay đổi được.
Thiết kế mạch vòng dòng điện
Trong các hệ thống truyền động điện tự động cũng như các hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản
Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện điển hình
Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ truyền động một chiều và xoay chiều là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định momen kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc,
Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Trong đó:
• R i : bộ điều khiển dòng điện
• R u : điện trở mạch phần ứng
• U * i: điện áp đặt dòng điện
• Tu, Tv, Tdk: hằng số thời gian mạch phần ứng, mạch chỉnh lưu và mạch điều khiển
Giả sử hệ thống truyền động điện có hằng số thời gian cơ học rất lớn so với hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng (Tc > 10Tu) → có thể bỏ qua hằng số sức điện động
Khi đó cấu trúc mạch vòng dòng điện có dạng như Hình 4.4:
Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện của bài toán
Thu gọn sơ đồ mạch vòng:
Hình 4.5 Sơ đồ cấu trúc thu gọn của mạch vòng dòng điện
Hàm truyền đối tượng của bộ điều khiển dòng điện:
Do Tdk, Tv, Ti ≪ Tu nên ta đặt Ts = Tdk + Tv + Ti ≪ Tu, bỏ qua các hệ số bậc cao ta có:
(4.2) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có hàm truyền của bộ điều khiển:
Biến đổi phương trình (4.3 ta có:
Chọn =T s → Ri(s) là khâu tỷ lệ-tích phân (PI) theo công thức:
Kết quả sau khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng phương pháp tối ưu modul, ta có hàm truyền hệ kín của mạch vòng dòng điện là:
Do Ts nhỏ → T s 2 rất nhỏ nên bỏ qua.
Thiết kế mạch vòng tốc độ
Ta thực hiện tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ sau khi đã tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện
Sơ đồ mạch vòng tốc độ điển hình:
Hình 4.6 Sơ đồ vòng tốc độ điển hình Trong đó:
Rω(s) – bộ điều khiển tốc độ
HCX – khâu hạn chế dòng điện trong quá tình quá độ
Sơ đồ mạch vòng tốc độ trong bài toán:
Hình 4.7 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ của bài toán
Thu gọn sơ đồ mạch vòng:
Hình 4.8 Sơ đồ cấu trúc thu gọn của mạch vòng tốc độ
Ta có: Hàm truyền của đối tượng:
Thông thường T và T i đều nhỏ, gần đúng T s = 2 T i + T , ta có:
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có hàm truyền của bộ điều khiển:
Biến đổi phương trình (4.7 ta có:
= + là bộ điều chỉnh tốc độ có dạng tỷ lệ - P.
Thay số tính toán (xy = 17)
• Công suất động cơ Pđm = 20 (kW)
• Điện áp định mức Uđm = 403 (V)
• Tốc độ định mức nđm = 941 (v/p)
• Dòng điện định mức Iđm = 10 (A)
• Điện cảm mạch phần ứng Lư = 0,002 (H)
• Điện trở mạch phần ứng Rư = 0,2 (Ω)
➢ Chọn các hằng số thời gian:
➢ Thay số để tìm các bộ điều khiển và các hàm truyền
▪ Hằng số thời gian mạch phần ứng:
= R = ▪ Hàm truyền của động cơ:
▪ Hàm tuyền của bộ biến đổi:
▪ Bộ điều khiển dòng điện:
▪ Bộ điều khiển tốc độ:
MÔ PHỎNG
Kịch bản mô phỏng
➢ Có 2 kịch bản mô phỏng đối với bài toán này:
▪ Mô phỏng trong trường hợp động cơ không tải (Mc = 0)
▪ Mô phỏng trong trường hợp động cơ có tải tỷ lệ thuận với tốc độ.
Cấu trúc mô phỏng trên phầm mềm Matlab
➢ Cấu trúc hàm truyền của động cơ
Hình 5.1: Mô hình hàm truyền của động cơ khi không tải
Hình 5.2: Mô hình hàm truyền của động cơ khi có tải Mc
➢ Cấu trúc hệ thống sử dụng hàm truyền
Hình 5.3: Cấu trúc hàm truyền của hệ thống khi động cơ không tải và có tải
➢ Cấu trúc hệ thống sử dụng giả lập Simulink
Hình 5.4: Cấu trúc hệ thống giả lập Simulink
KE = (UaN - Ra*IaN)*9.55/nN;
Hình 5.5: Thông số động cơ mô phỏng
Kết quả mô phỏng khi sử dụng dạng hàm truyền
5.3.1 Mô phỏng khi không tải
Hình 5.6: Đáp ứng tốc độ khi không tải
Hình 5.7: Đáp ứng momen khi không tải
Hình 5.8: Dòng điện phần ứng khi không tải
5.3.1 Mô phỏng khi có tải M c tỉ lệ thuận với tốc độ
Hình 5.9: Đáp ứng tốc độ khi có tải
Hình 5.10: Đáp ứng momen khi có tải
Hình 5.11: Dòng điện phần ứng khi có tải
Kết quả mô phỏng khi sử dụng sơ đồ giả lập
Hình 5.12: Đáp ứng tốc độ động cơ
Hình 5.13: Đáp ứng momen động cơ
Hình 5.14: Điện áp phần ứng
Hình 5.15: Dòng điện phần ứng
Nhận xét
• Tốc độ thực bám sát giá trị đặt với sai lệch tĩnh ≈0% ở trường hợp không tải và ≈0,1% trường hợp có tải ở 2 cấu hình mô phỏng
• Trong các thời điểm thay đổi tốc độ đặt, thì tốc độ đồng cơ đáp ứng khá nhanh
• Momen động sơ sinh ra bám sat momen tải với độ đập mạch momen nhỏ
• Kết quả mô phỏng với cấu trúc hàm truyền và giả lập ở trong trường hợp không tải và có tải đều cho kết quả đáp ứng được yêu cầu của bài toán Từ đó có thể nhận xét rằng, cấu trúc điều khiển đưa ra là chính xác, các bộ điều khiển được thiết kế đã đáp ứng yêu cầu của bài toán đặt ra.
