Đề tài Điều khiển ổn Định tốc Độ Động cơ Điện 1 chiều

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chi u ề .... Tuy vậy, do ưu điểm của động cơ điện một chiều là có nhiều phương pháp thay đổi tốc độ và dễ dàng thay đổ ốc đội t , chiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆTNAM

- -

MÃ: 13311

ĐỀ TÀI: Điều Khiển Ổn Định Tốc Độ Độ ng Cơ Điện 1 Chiều

Chuyên ngành: Điện t ự độ ng công nghi p ệ

Giảng vi ên hướ dẫ ng n: TS Cao Đức Thanh .

Hải Phòng 05/2023

2

Mục L c ụ Chương T I: ổng quan v ng cơ một chi u ề độ ề 5

1.1 Cấ ạu t o động cơ một chiều 5

1.2 Nguyên lý hoạ đột ng của động cơ ột chi u m ề 6

1.3 Đặc điểm động cơ điện một chiều 7

1.4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chi u ề 8

1.5 Động cơ điện một chiều kích t c lừ độ ập 10

Chương : M II ô hình hoá động cơ điện m t chi ộ ều và tính toán BĐK 13

2.1 Mô hình hoá động cơ điện một chiều 13

2.2 Tính toán b ộ điều khi n ể 13

2.2.1 Tính toán mạch vòng dòng điện 13

2.2.2 Tính toán mạch vòng điều khi n tể ốc độ 14

Chương III: Mô ph ng trên ph ỏ ần mềm Matlab 16

3.1 Sơ đồ mô ph ng trên Matlab - Simulinkỏ 16

3.2 K t qu mô ph ng trên Matlab - Simulink ế ả ỏ 16

Tài li u tham kh o ệ ả 19

Kết lu n ậ 20

3

Mục L c Hình ụ ảnh

4

Lời Nói Đầ u

Chuyên ngành Điện T ự Động Công Nghi p chuyên nghiên c u ệ ứ và phát triển, phát triển các hệ thống tự động và điều khiển của các dây chuy n s n ề ả xuất công nghiệp ự động T hóa ạnh mẽ m để kiểm soát nhanh chóng, chính xác các dây chuyền sản xu t ấ phứ ạp, chính xác khuôn mc t và ẫu

Trong xu th h i nh p toàn cế ộ ậ ầu, đất nước ta đang bước vào giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa, b t kấ ỳ ngành ngh k ề ỹ thuật nào cũng ầ c n đế ựn t động hóa Phải khẳng định rằng ự động hóa m t trong t t c t p s n t có ặ ấ ả ạ ả xuất của m i ọ thành ph n kinh tầ ế

Có thể hiểu, Tự động hóa công nghi p là chuyên ngành nghiên c u, thi t k , ệ ứ ế ế vận hành các h ệ thống t ự động, dây chuy n s n ề ả xuất tự động trong các nhà máy (xi măng, sắt thép, nước giải khát, dược phẩm…); thi t kế ế, điều khiển và ch ế tạo robot; qu n lý s n ph m tả ả ẩ ại các công ty trong và ngoài nước kinh doanh thiết b ịđiện tử tự động

Chúng em là sinh viên trường Đại h c Hàng h i Viọ ả ệt Nam, được sự giúp đỡ tận tình c a các thủ ầy cô Khoa Điện – Điện t nói riêng và cử ủa trường Đạ ọi h c Hàng hải nói chung, chúng em đã hoàn thành Bài Tập L n h c phớ ọ ần Điều Khiển H ệ Điện Cơ mà thầ đã giaoy

5

Chương T I: ổng quan v độ ề ng cơ một chi u ề

và các phương pháp điề u chỉnh t ốc độ 1.1 C ấu t ạo động cơ ộ m t chi ều:

Cấu t o vạ ật lí của động cơ một chiều gồm có ba phần:

Phần tĩnh (Stator) hay còn g i là ọ phần cảm

Phần quay (Rotor) hay còn g i ọ là phần ứng

a) Phần tĩnh:

Phần tĩnh hay ph n c m ầ ả là phầ nhậ năng ợn n lư ng điện một chi u ề để tạo ra

từ trường kích t trong máy ừ

Cực t chính (hình 1- ừ 1) là b ộ phận sinh t ra ừ trường, gồm có lõi thép dây và quấn kích t lừ ồng ngoài lõi thép c c t , dòng ự ừ điện chạy trong dây quấn kích từ sao cho các c c t tự ừ ạo ra có c c tính liên ti p luân phiên nhau C c t chính ự ế ự ừ làm b ng nh ng lá thép kằ ữ ỹ thuật điện ép l i, tán ch t và g n vào v máy nh ạ ặ ắ ỏ ờ các bulông

Cực từ phụ đặt gi a các c c tữ ự ừ chính và dùng để ả c i thiện đổi chi u Lõi ề thép c c t ự ừ phụ thường làm bằng thép khối và g n vào v máy ắ ỏ nhờ các bulông

Hình 1:C c t chính c a ph ự ừ ủ ần tĩnh động cơ điệ n m t chi u ộ ề

Gông t dùng làm m ch từ ạ ừ, nố ềi li n gi a các c c t ng th i dùng làm v ữ ự ừ đồ ờ ỏ máy Trong máy điện nhỏ thường làm bằng thép t m u n rấ ố ồi hàn lại, trong máy điện l n ớ thươngdùng thép đúc

6

Các bộ phận khác g m có nồ ắp máy và cơ cấu chổi than Cơ cấu chổi than

để đưa điện t ừ phần quay ra ngoài g m ồ có ch ổi than đặt trong h p ộ chổi than và nhờ có lò xo ép chổi than nên chổi than tì chặt lên c góp ổ

b) ph ần ng: ứ

Phầ ứn ng của máy điện một chi u gề ồm lõi thép, dây quấn phầ ứng, c n ổ góp

và trục máy

Lõi thép phần ứng dùng để d n t ẫ ừ Nó là hình trụ thường được làm bằng các

lá thép k ỹ thuật điện dày 0,5 mm, hai m t ặ có phủ sơn cách điện mỏng ồi ghép r lại Các lá thép được d p ậ các l ỗ để g n rôtor v i ắ ớ trục và l thông gió M t ngoài ỗ ặ lõi thép được d p ậ các rãnh để đặt dây quấn phầ ứngn (Hình 1-2.a)

Hình 2:Lõi thép Rôto và cổ góp c a ng c ủ độ ơ điệ n m t chi u ộ ề

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s c ứ điện động và có dòng điện chạy qua Dây qu n phấ ần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện, g m nhi u ồ ề phần t m c nử ắ ối ti p vế ới nhau, đặt trong các rãnh c a phủ ần ứng t o thành mạ ột hoặc nhi u vòng kín ề

Cổ góp (vành góp hay còn gọi là vành đổi chiều) dùng để đổi chi u dòng ề điện xoay chi u thành dòng ề điện m t chi u (Hình 1-2.b).g m nhi u phi n ộ ề ồ ề ế đồng hình đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau cách và điện v i ớ trục máy

1.2 Nguyên lý hoạ động ủa động cơ ột chiều: t c m

Khi cho điện m t chi u U vào hai áp ộ ề chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Các thanh d n ẫ ab và cd mang dòng điện n m trong t ằ ừ trường

sẽ chịu l c tác dự ụng tương hỗ lên nhau t o nên momen tác d ng lên rotor, làm ạ ụ rotor quay Chi u l c tác dề ự ụng được xác định theo qui t c bàn tay trái (Hình 1- ắ 3.a)

7

Khi phần ứng quay được n a vòng, v trí thanh dử ị ẫn ab, cd đổi ch nhau ỗ (Hình 1-3.b) Nh có phiờ ến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện m t chi u ộ ề biến đổi thành dòng điện xoay chi u ề đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chi u ề lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rotor cũng theo một chi u nh t ề ấ

định, m b o đả ả động cơ có chiều quay không i đổ

Hình 3:Nguyên lý hoạt động ủa động cơ điện m t chi c ộ ều

1.3 Đặc điể m c ủa độ ng c ơ mộ t chiều:

Động cơ điện một chiều có quán tính cơ tương đối nhỏ Dễ thay đổ ốc đội t trong một kho ng khá r ng ả ộ

C u t o ph c t p do có ch i quét trên vành bán nguy t d n t i tu i thấ ạ ứ ạ ổ ệ ẫ ớ ổ ọ động cơ không cao, ph i bả ảo dưỡng định k , d phát sinh tia lỳ ễ ửa điện nên không làm việc ở những nơi có khí gas hầm lò, chống cháy n ổ

Công su t cấ ủa động cơ điện một chiều thường th p vì có c u tấ ấ ạo ph c tứ ạp N u ế cống suất cao thì s c ng kẽ ồ ềnh, đắ ền t ti

Hiệu su t không cao so v i các loấ ớ ại động cơ điện khác

Tuy vậy, do ưu điểm của động cơ điện một chiều là có nhiều phương pháp thay đổi tốc độ và dễ dàng thay đổ ốc đội t , chiều quay nên các động cơ một chiều công suất nhỏ vẫn thường được sử dụng hiện nay

Theo c u trúc mấ ạch điều khi n các h truyể ệ ền động, điều khi n tể ốc độ động cơ

điện m t chiều có loộ ại điều khi n theo m ch kín (h truyể ạ ệ ền động điều khi n tể ự động)

và loại điều khi n m ch h H truyể ạ ở ệ ền động điều khi n tể ự động có cấu trúc ph c t p, ứ ạ nhưng có chất lượng điều khiển cao và dải điều khiển rộng hơn so với hệ truyền động

hở

Ngoài ra các h truyệ ền động điều ch nh tỉ ốc độ động cơ điện một chiều còn phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay Đồng thời tùy thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư

8

1.4 Các phương pháp điều chỉnh t ốc độ động cơ điện một chiều

Về phương diện điều ch nh tỉ ốc độ, động cơ điện một chi u có nhiề ều ưu việt hơn

so v i loớ ại động cơ khác, không những nó có khả năng thay đổ ốc độ ột cách d i t m ễ dàng mà c u trúc m ch l c, mấ ạ ự ạch điều khiển đơn giản hơn đồng th i lờ ại đạt chất lượng điều ch nh cao trong dỉ ải điều ch nh tỉ ốc độ ộ r ng

Từ phương trình tính tốc độ:

  

Suy ra : để điều chỉnh ω có th : ể

- Điều ch nh R b ng cách thêm R vào mỉ ư ằ p ạch phần ứng

- Điều ch nh t thông ỉ ừ 

- Điều ch nh Uỉ ư

1.4.1 Điều ch nh t ỉ ốc độ bằng dùng thêm R : p

M c n i ti p R vào phắ ố ế p ần ứng, t (1) suy ra Rừ ư tăng lên, suy ra ω ảm, độ gi dốc của đường đặc tính giảm Các đường 1,2 là đường đặc tính sau khi tăng R , đườư ng

TN là đường đặc tính t nhiên cự ủa động cơ ban đầu

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, tốc độ điều chỉnh liên tục, nhưng do thêm R nên tp ổn hao tăng, không kinh tế

1.4.2 Điều khi n t thông ể ừ

Điều chỉnh ừ t thông kích thích của động cơ điện m t chiộ ều là điều ch nh moment ỉ điệ ừn t của động cơ M = K.Φ.Iư và sức điện động quay của động cơ Eư = K.Φ.ω Khi

từ thông gi m thì tả ốc độ quay của động cơ tăng lên trong phạm vi gi i h n c a viớ ạ ủ ệc thay đổi từ thông Nhưng theo công th c trên khi ứ  thay đổi thì mômen, dòng điện I cũng thay đổi nên khó tính được chính xác dòng điều khiển và mômen tải => phương pháp này cũng ít dùng

1.4.3 Điều khi ển điệ n áp ph ần ứ ng

Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng điện áp:

- Điều chỉnh điện áp c p cho m ch phấ ạ ần ứng của động cơ

- Điều chỉnh điện áp c p cho m ch kích t cấ ạ ừ ủa động cơ

9

Trong đó thông thường người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phần ứng Khi thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ điện thay đổi theo phương trình sau:









.

R I k



Vì t thông cừ ủa động cơ không đổi nên độ ốc đặc tính cơ cũng không đổi, còn d tốc độ không tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uu của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều khiển này là triệt để

Đặc tính thu được khi điều khiển là 1 h ọ đường song song :

Nguyên lý điều khiển:

Người ta thường dùng phương pháp điều chế độ rộng xung để thay đổi điện áp động cơ Mạch nguyên lý:

10

1.5 Động cơ điện một chiều kích t c l p ừ độ ậ

- Phương trình c tính đặ cơ: Là phương trình biể thị ốu m i quan hệ giữa tốc độ (n) và mômen (M) ủ động c a cơ có ạng chung : d

 U u

K

R u  R f

.M

(K)2 (1.1) Thông qua phương trình này, ta có thể thấy được sự phụ thuộc của tốc

độ động cơ vào momen động cơ các thong s khác (mômen, t và ố ừ thông…), ừ t

đó đưa ra phương án điều chỉnh t c độ ng cơ v i để ố độ ớ phương án tối ưu nh t ấ Với những điều ki n U = const, I = const thì tệ ư t ừ thộng của động cơ hầu như không đổi, vì v y quan hậ ệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ c a ủ động

cơ là đường thẳng Thường dạng ủa đặc tính là đường thằng mà giao điểm v i c ớ trục tung ứng v i mômen ớ ngắn mạch còn giao điểm v i ớ trục hoành ứng với tốc

độ không tải c a động cơ Ngườủ i ta đưa them i lượng đạ   M

để đánh giá

độ cứng Đặc tính càng d c càng c ng ( ố ứ càng l n) t c là mômen biớ ứ ến đổi nhiều nhưng t c ố độ biến đổi ít và ngượ ạc l i Đặc tính càng d c càng mít ố ềm t c ứ

là mômen biế đổ ít nhưng tốc độ biến đổi nhiều n i













2

1

M

(3) (2)

AM (1)

11

Để hiểu được nguyên lý và l a chự ọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta đi xét đặc tính của động cơ điện Đó là quan hệ gi a tữ ốc độ quay với mômen (ho c ặ dòng điện) c a ủ động cơ

- Đặc tính cơ t nhiên cự ủa động cơ: Nếu động cơ v n hành ậ ở chế độ định mức (điện áp, t n s , tầ ố ừ thông định mức và không n i thêố m các điện kháng, điện trở vào ng độ cơ) Trên đó có các điểm làm việc định ứ có m c giá tr Mị đm,

- Đặc tính cơ nhân t o c a ạ ủ động cơ là đặc tính khi ta thay i đổ các tham

số nguồ hoặc n i thêm n ố các điệ trở, điện kháng n

Để so sánh các c tính vđặ cơ ới nhau, ngườ ta đưa ra khái i niệ độ ứng ủm c c a đặc tính cơ   M

(tố độc biến thiên mômen so v i v n tớ ậ ốc)

 Đặc tính cơ của động cơ điện một chi u kích t c l p ề ừ độ ậ

Sơ kích t đồ ừ độc l p ậ được thể hiện dưới đây:

Phương trình đặc tính cơ

Uư = Eư + (R + Rư f).Iư (1.2)

Trong đó:

Eư: s c ứ điện động ph n ng ầ ứ (V)

Rf : điệ trở phụ trong mạn ch ph n ầ ứng (  )

I : dòng điện mạch phần ng ứ (A)

E

R f

12

Suất điện động E ưđược tính:

Eư = P.N .  k.

K: h s c u t o c a ệ ố ấ ạ ủ động cơ

: t thông kích t ừ ừ dưới 1 c c ự

 : tốc độ góc Nếu bỏ qua t n ổ thấ cơ và ổ thất t n t thép thì ta có

Mtt = M = M dc (1.4)

Giả s ử= const ta có đồ thị đặc tính dcơ có ạng như hình 1.3





 





 ®m

Khi =0 ta : có

Và M = kInm = M nm (1.8)

Inm và M l n nmầ lượ làt dòng mômen và ngắn mạch

13

Chương M II ô hình hoá động cơ điệ n 1 chi ều

và tính toán bộ điều khi n ể 2.1 Mô hình hoá động cơ điện 1 chiều

2.2 Tính toán bộ điều khiển

Coi động cơ điện 1 chiều kích t bừ ằng nam châm vĩnh cửu (dòng kích t ừ không đổi) Khi đó: K =KΦ Φđm = 1,6

Các thông s cố ủa động cơ một chiều kích từ c l p: Mđộ ậ ã JI-22 Tσ

Pđm = 2,2 (kW)

Uđm = 1 (V) 10

Iđm = 25,0 (A)

nđm = 3.000 (v/p)

Rư = 0,2 ( ) Ω

Lư = 0,0083 (H)

J = 0,055 (kg.m2)

Tư = u 0,0083 0,0415

0,2

u

L

2.2.1 Tính toán mạch vòng dòng điện

Bỏ qua sự ảnh hưởng c a suủ ất điện động, ta có sơ đồ sau:

Áp d ng tiêu chu n tụ ẩ ối ưu module:

1 2  Ts 2T.s

Xét: C(s) =

 

1 0

1 ( ). mc 1

14

Thay R = 0,2 (ư Ω), Tư = 0,0415 (s), có:

C(s) =

1 0

1

0, 2(1 0,0415 )

mc

s

 



Chọn T= 0,0415:

C(s) =

2.0,0415 (1 0, 0415 )

0, 2(1 0, 0415 )

s

s







→ Bộ I

Kết qu khi t ng hả ổ ợp vòng b ng ằ phương pháp tối ưu module:

F1(s) =    

0

1 0,0034 0,083 1 0,083 1

C s S s

2.2.2 Tính toán mạch vòng điều khiển t ốc độ

Trong cấu trúc điều khiển tốc độ người ta thường dùng cấu trúc n i t ng v i vòng ố ầ ớ trong là vòng điều khiển dòng, vòng ngoài là vòng điều khiển tốc độ

Ta có sơ đồ sau:

Hàm truyền hở:

Sω(s) F1(s) = Φ K 1

J s= 1 1,6 1 0,083s1 0,055s= 29,1

(0,083 1)

Áp d ng tiêu chu n tụ ẩ ối ưu module:

1 2  Ts2T.s

Xét: C’(s) =

 

1 1 ( ). F mc s 1

Thay Sω(s) vào, ta : có

C’(s) =

1 29,1

2 (1 ) (0,083.s 1) T s s



Chọn T= 0,083:

15

C’(s) =

1

0, 207 29,1

2.0, 083 (0,083 1) (0,083 1) s s







→ Bộ P

Kết qu khi t ng hả ổ ợp vòng b ng ằ phương pháp tối ưu module:

F2(s) =    

0

'





16

Chương III M ô phỏ ng trên ph n m ầ ềm Matlab 3.1 S ơ đồ mô ph ng trên Matlab - Simulink ỏ

3.2 Kết quả mô phỏng trên Matlab - Simulink