TỔNG hợp hệ điện cơ

đồ án môn học tổng hợp hệ điện cơ. tên đề tài :“Xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều khi có vòng điều khiển dòng và khi không có vòng điều khiển dòng. Đánh giá chất lượng điều khiển trong 2 trường hợp”.

Luận văn Xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều khi có vòng điều khiển dòng và khi không có vòng điều khiển dòng. Đánh giá chất lượng điều khiển trong 2 trường hợp 1 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay động cơ điện 1 chiều đóng một vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ điện 1 chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và các cánh tay robot ; để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp hiện đại với độ chính xác cao, lắp ráp trong các dây chuyền sản xuất, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ. Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID ( tỉ lệ, tích phân, đạo hàm ) được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp.Mục tiêu của điều khiển là nâng cao chất lượng các hệ thống điều khiển tự động.Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tượng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau. Do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cho hệ truyền động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa truyền động điện và trong các dây chuyền sản xuất. Trong học kì này em đã nhận được đề tài :“Xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều khi có vòng điều khiển dòng và khi không có vòng điều khiển dòng. Đánh giá chất lượng điều khiển trong 2 trường hợp”. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy Trần Tiến Lương trong quá trình làm đồ án môn học với đề tài trên. Mặc dù đã dành nhiều cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi những sai sót nhất định, em mong được sự góp ý, chỉ bảo thêm của thầy, cô. Sinh viên thực hiện Nguyễn Ngọc Giang 2 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái quát về động cơ điện một chiều Hiện nay động cơ điện một chiều vẫn được dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều từ vài W đến MW. Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầu momen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng. Động cơ điện một chiều cũng dễ dàng đáp ứng với các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ mômen – tốc độ. 1.1.1 Nguyên lí cấu tạo động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều gồm có stator , rotor, cổ góp và chổi điện. Stator ( phần cảm ) :gồm các cuộc dây được quấn tập trung trên các cực từ của rotor. Các cực từ của stator được ghép cách điện với các lá thép kỹ thuật điện được dập hình sẵn có bề dày từ 0.5 đến 1mm và được gắn trên gông từ làm bằng thép đúc, cũng chính là vỏ máy. Rotor ( phần ứng ) : gồm lõi thép và dây quấn phần ứng. Lõi thép phần ứng được ghép từ các là thép kỹ thuật điện ghép cách điện với nhau.Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử được đặt vào cách rãnh trên lõi thép rotor.Các phần tử dây quấn rotor được nối tiếp nhau thông qua các lá góp trên cổ góp.Lõi thép phần ứng và cổ góp được cố định trên trục rotor. Cổ gớp và chổi điện : làm nhiện vụ đảo chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng. 1.1.2 Phân loại động cơ điện một chiều 3 Hình 1.1: Mặt cắt ngang trục máy động cơ điện một chiều Dựa vàohình thức kích từ người ta chia động cơ điện một chiều thành các 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. - 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 kích từ nối tiếp : Dây quấn kích từ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng. - Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp : Dây quấn kích từ có hai cuộn dây, dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp. 1.1.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều Ưu điểm cơ bản của động cơ điện một chiều so với các loại động cơ điện khác là khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, các bộ điều chỉnh tốc độ đơn giản, dễ chế tạo. Dó đó, trong điều kiện bình thường, đối với các cơ cấu có yêu cầu chất lượng điều chỉnh tốc độ cao , phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, người ta thường sử dụng động cơ điện một chiều. Có các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều cơ bản như : - Thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng 4 Hình 1.2 : 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 nối tiếp d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp e) - Thay đổi từ thông - Thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng Đối với các hệ thống truyền động điện một chiều có yêu cầu điều chỉnh tốc độ cao thường sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Trong phạm vi đồ án này, xét khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 1.2 Mô hình toán động cơ điện một chiều kích từ độc lập 1.2.1 Mô tả chung. Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện 1 chiều được biểu diễn như sau: Trong đó: + CKĐ: dây quấn kích từ độc lập + CKN: dây quấn kích từ nối tiếp + CB: dây quấn bù + CF: dây quấn cực từ phụ + UK : điện áp kích thích + U: điện áp phần ứng + N, p’,a, Lư, Rư :số thanh dẫn td, số đôi cực, số đôi mạch nhánh, hệ số tự cảm, điện trở phần ứng. + R K , L K : điện trở và điện cảm cuộn kích từ độc lập + i K : dòng điện phần kích từ. + I : dòng điện phần ứng. 5 Hình 1.3: Sơ đồ thay thế của động cơ điện một chiều + ω , M, MC là tốc độ góc, mômen điện từ và mômen cản của động cơ 1.2.2 Chế độ xác lập của động cơ 1 chiều Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp UK nào đó, thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ . Tiếp đó lại đặt giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thôngmạch kích từ sẽ tạo ra mômen điện từ có giá trị: '. . 2 . p N M I k I a π = Φ = Φ Trong đó : p’ _ số đôi cực của động cơ; N _ số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ ; a _ số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng ; k = p’N/2 π a hệ số kết cấu của máy. Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục. Các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức từ động : '. . 2 . p N E k a ω ω π = Φ = Φ Trong đó ω _ tốc độ góc của roto. Trong chế độ xác lập ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng: U = I.R ư + E Trong đó : E = kΦω _ sức điện động. R ư : điện trở mạch phần ứng của động cơ. 6 Hình 1.4: Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập (1.1) (1.2) => u IRU k ω − = Φ 1.2.3 Chế độ quá độ của động cơ 1 chiều Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 1 như sau : - Mạch kích từ có 2 biến : + i k _ dòng điện kích từ. + Φ _ từ thông máy phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hóa của lõi sắt. ( ) ( ) . . k t k k t k d U R i N dt φ = + Nk: số vòng dây cuộn kích từ Rk: điện trở cuộn dây kích từ ⇒ biến đổi Laplap ta được : - Mạch phần ứng : N N : số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp => Hoặc dạng dòng điện: L ư _ điện cảm mạch phần ứng ; N N _ số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp T ư = L ư /R ư _ hằng số thời gian mạch phần ứng - Phương trình chuyển động của hệ thống : M(p) – M c (p) = Jp ω Trong đó J là momen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ. 7 (1.3) (1.4) (1.5) (1.6) Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều như sau : Sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến, trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc. Chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hóa đoạn đăc tính từ hóa và đặ tính mômen tải như sau : 8 Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều Hình 1.6: Tuyến tính hóa đặc tính từ hóa Tuyến tính hóa đặc tính tải Độ dốc của đặc tính từ hóa và đặc tính cơ momen tải tương ứng là : 0,K ko k k I I ∆Φ = Φ ∆ , c cb B M B M ω ω ∆ = ∆ Tại điểm làm việc xác lập có: điện áp phần ứng U0; dòng phần ứng I0, tốc độ B ω ,điện áp kích từ U ko , từ thông Φ o dòng kích từ I ko và mômen tải M cb . Biến thiên nhỏ của đại lượng trên tương ứng là: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) , , , , , , P P P K P K P P c P U I U I M ω ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆Φ ∆ * Đối với động cơ 1 chiều kích từ độc lập thì NN = 0 =>các phương trình sau: - Mạch phần ứng : Từ PT : ( ) ( ) di U t RI t L e dt = + + Ta có : - Mạch kích từ : ( ) ( ) ( ) ko k ko k ko k P k P k P U U R I I PL I I     + ∆ = + ∆ + + ∆     - Phương trình chuyển động cơ học : Từ các phương trình trên nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết được các phương trình của gia số: -> phần ứng : 9 (1.7) (1.8) (1.9) ( ) ( ) ( ) . . . . B O U p K p K p ω ω   ∆ − ∆Φ + Φ ∆   =R ư .∆I(p).(1+pT ư ) -> phần kích từ : ∆U k (p) = R k .∆I k (p)(1+pT k ) -> phương trình chuyển động cơ học : K.I o .∆Φ(p) +K.Φ o .∆I(p) - ∆M c (p) = J.p∆ω(p) - Trường hợp từ thông kích từ không đổi. Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số : Ta có các phương trình cho động cơ như sau : KΦ = const = C u -> phần ứng : U(p) = R ư I(p)(1 + pT ư ) + C u .ω(p) -> phương trình động học : C u .I(p) – M c (p) = Jpω(p) 10 (1.10) (1.11) Hình 1.7: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa động cơ điện một chiều (1.12) (1.13) [...]... dòng điện động cơ 1 chiều Nó cũng hạn chế dòng của động cơ khi không vượt qua ngưỡng cho phép Một mặt khác nhiệm vụ của bộ điều khiển là tiết lập dòng phần ứng bằng giá trị đặt trước các sự thay đổi của nhiễu Đối với động cơ 1 chiều bộ điều khiển dòng có thể được tổng hợp theo 2 cách : + Tổng hợp bộ điều khiển RI khi bỏ qua sức điện động phần ứng + Tổng hợp bộ điều khiển RI khi có tính đến sức điện. .. những trường hợp quán tính cơ của động cơ lớn hơn nhiều so với quán tính phần điện nghĩa là tại 1 thời điểm có thể xem sự thay đổi của dòng điện lớn hơn nhiều lần so với sự thay đỏi của tốc độ và tại những điểm đó xem như tốc độ không đổi Khi cần điều khiển chính xác thì cần tính đến sức điện động của động cơ 2.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển dòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động của động cơ Sơ đồ khối... đổi Nhận thấy rằng các quan hệ của động cơ một chiều với từ thông không đổi đều tuyến tính hay mô hình động cơ một chiều khi = const là mô hình tuyến tính Từ mô hình này hoặc từ các phương trình mô tả động cơ ta có thể biến đổi để tìm được các mô hình rút gọn với đầu ra là dòng điện hay tốc độ theo giá trị đầu vào là Uuvà Mc CHƯƠNG 2 : TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1 Khái quát... cơ điện 1 chiều - Sơ đồ mô phỏng: Sum 1 XY Graph 0.18 0.018 s+1 Step (1/Ru)/(1+Tup ) 1 0.63 0.012 s Cu 1/Jp 0 Mc 0.63 Cu1 Hình 3.1: Sơ đồ mô phỏng động cơ điện một chiều Với giá trị của U nhảy từ 50 lên 100 vào giây thứ 10 24 Hình 3.2: Cài đặt thông số cho Step - Kết quả mô phỏng Khi Mc = 0 Hình 3.3: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi Mc = 0 Khi Mc = 2 25 Hình 3.4: Đặc tính cơ của động cơ điện. .. điều chỉnh dòng điện được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền động điện tự động điện là sử dụng 2 vòng phân cấp, trong đó RI là bộ điều chỉnh dòng điện, Rω là bộ điều chỉnh tốc độ Mỗi mạch vòng có bộ điều chỉnh riêng được tổng hợp từ đối tượng riêng và theo các tiêu chuẩn riêng • Cấu trúc cơ bản của mạch điều khiển dòng - RI BBĐ Động cơ Đo I 15 Hình 2.5: Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện Mạch vòng... dòng Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ thống chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống 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 v.v Một phương án đơn giản nhất để điều chỉnh dòng điện là dùng... điều chỉnh dòng điện được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền động điện, tự động điện là sử dụng 2 vòng phân cấp, trong đó RI là bộ điều chỉnh dòng điện, Rω là bộ điều chỉnh tốc độ Mỗi mạch vòng có bộ điều chỉnh riêng, được tổng hợp từ đối tượng riêng và theo các chuẩn riêng BD I d dt -Iph ωsp ω ph Rω Isp RI GHD ω + - Đ FX FT - ω Để thực hiện hai loại phản hồi âm là tốc độ quay và dòng điện gây tác dụng... nhất để điều chỉnh dòng điện là dùng bộ điều chỉnh tốc độ hoặc điện áp R có dạng bộ khuếch đại tổng và mạch phản hồi dòng điện phi tuyến R Khi tín hiệu dòng điện chưa đủ để khâu phi tuyến để ra vùng kém nhạy thì bộ điều chỉnh làm việc như bộ điều chỉnh tốc độ ( hay điện áp ) mà không có sự tham gia của mạch phản hồi dòng điện Khi dòng điện đủ lớn, khâu P sẽ làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính và... 2TSI p + 2TSI p 2 2.4 (2.7) Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ Trong cấu trúc điều khiển tốc độ người ta thường dùng cấu trúc nối tầng với vòng trong là vòng điều khiển dòng, vòng ngoài là vòng điều khiển tốc độ Tuy nhiên trong những trường hợp cấu trúc nhỏ và điều khiển tốc độ có yêu cầu chất lượng không cao thì người ta có thể bỏ qua mạch vòng dòng điện 2.4.1 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc... ft T ft (2.14)  Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ là 1 bộ PI Rω = Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu đối xứng ta có = 1 + 4τ p Sω 8τ 2 p 2 (1 + τ p) 1 + 4τ p k ft 1 Cu .8τ 2 p 2 (1 + τ p ) 1 + T ft p J p τ = Tω Chọn => Rω = (1 + 4T ft p ).J 2 8.Cu.K ft T ft p = 1  J + 4T ft ÷ 2  8.Cu.K ft T ft  p  CHƯƠNG 3 : TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 21 MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB VÀ SIMULINK 3.1 Tổng hợp bộ điều khiển . Giang 2 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái quát về động cơ điện một chiều Hiện nay động cơ điện một chiều vẫn được dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lượng. với động cơ 1 chiều bộ điều khiển dòng có thể được tổng hợp theo 2 cách : + Tổng hợp bộ điều khiển RI khi bỏ qua sức điện động phần ứng. + Tổng hợp bộ điều khiển RI khi có tính đến sức điện động. song c) Động cơ điện một chiều nối tiếp d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp e) - Thay đổi từ thông - Thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng Đối với các hệ thống truyền động điện một chiều