đồ án thiết kế môn học tổng hợp hệ điện cơ thiết kế hệ thống đảm bảo động cơ đồng bộ tốc độ đi thẳng về phía trước

đồ án tổng hợp hệ điện cơ: xây dựng hệ đảm bảo đồng bộ tốc độ động cơ đi thẳng về phía trước sử dụng nguồn cấp riêng. Đồ án khá đầy đủ và chính xác, các bạn tham khảo nếu có vấn về gì vui lòng góp ý mình sẽ bổ xung và sửa chữa ngay

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 : KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 2

1.1.Cấu tạo chung của động cơ một chiều 2

1.2.Nguyên lí làm việc của động cơ điện một chiều 3

1.3.Các trị số định mức của động cơ điện một chiều 3

1.4 Phân loại động cơ điện một chiều 3

1.5.Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập 4

1.6 Các phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều 7

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH ĐẢM BẢO TỐC ĐỘ GIỮA 2 ĐỘNG CƠ 10

2.1 Xây dựng mô hình cho động cơ điện 1 chiều 12

2.2 Cấu trúc điều khiển tốc độ giữa 2 động cơ 20

2.3.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện 21

CHƯƠNG 3 : MÔ PHỎNG CÁC ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN .26

ĐỘNG ĐIỆN VÀ CƠ VÀ TÍNH CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN 26

3.1 Mô phỏng trên simulink 26

3.2 Đánh giá kết quả 32

Kết luận 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

CHƯƠNG 1 : KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

1.1.Cấu tạo chung của động cơ một chiều

1.2.Nguyên lí làm việc của động cơ điện một chiều

Trong chế độ máy phát, cần cấp điện một chiều cho cuộn kích từ và nốirotor với động cơ sơ cấp khác để quay rotor (máy lai động cơ) Khi rotor quaytrong từ trường phần cảm, trong cuộn dây sẽ xuất hiện thế điện động, được cổgóp và chổi than nắn thành sức điện động một chiều

Trong chế độ động cơ, cần cấp điện một chiều cho cuộn kích từ và cuộn dâyphần ứng Dòng điện chạy trong phần ứng sẽ tác dụng với từ trường gây bởiphần cảm tạo thành momen quay rotor

1.3.Các trị số định mức của động cơ điện một chiều

Chế độ làm việc định mức của máy điện một chiều là chế độ làm việctrong những điều kiện mà xưởng chế tạo đã quy định Chế độ đó được đặc trưngbằng những đại lượng ghi trên nhãn máy và gọi là đại lượng định mức

Trên nhãn máy thường ghi những đại lượng sau

Công suất định mức Pđm (kW hoặc W)

1.4 Phân loại động cơ điện một chiều

Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kích từ thành những loại sau:

-Kích từ độc lập : Đặc điểm của động cơ là dòng kích từ không phụ thuộc vàophụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ

1.5.Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

-Nếu nguồn một chiều có công suất và điện áp không đổi thì mạch kích từđược mắc song song với mạch phần ứng

-Nếu nguồn 1 chiều có công suất không đủ lớn thì nguồn kích từ độc lập với

nguồn phần ứng Ta có sơ đồ nguyên lý:

K : hệ số cấu tạo động cơ

Mđt được xác định theo biểu thức:

Hình 1.3 Nguồn kích từ độc lập với nguồn phần ứng [1]

Thay vào phương trình cơ điện ta được :

no

Mnm

M 0

n

no

Inm

I 0

1.6 Các phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ :

-Thay đổi điện áp nguồn nạp

Hinh 1.4 mối quan hệ ω =f(M)f(M)

Hinh 1.5 Mối quan hệ ω =f(M) f(I)

-Thay đổi điện trở mạch rotor.

-Thay đổi từ thông

1.6.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn nạp

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nạp thì chỉ thay đổi được theochiều tốc độ giảm (vì mỗi cuộn dây đã được thiết kế với U nên không thể tăngđiện áp đặt lên cuộn dây Ta biểu diễn đặc tính cơ của động cơ khi U =var )

U1 U2 U3 n

M 0

1.6.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch rotor

Đồ thị này cho thấy những ưu khuyết điểm sau:

-Dễ thực hiện, giá thành rẻ

-Điều chỉnh tương đối láng

Hình 1.6 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp

nguồn nạp

R1 + R2 n

M 0

b c e d q

M=Mc

Phạm vi điều chỉnh hẹp và phụ thuộc vào tải (tải càng lớn phạm vi điềuchỉnh càng rộng), không thực hiện được ở vùng tốc độ không tải, điều chỉnh cótổn hao lớn Người ta chứng minh rằng để giảm 50% tốc độ định mức thì tổnhao trên điện trở điều chỉnh chiếm 50% công suất đưa vào

Điện trở điều chỉnh tốc độ có chế độ làm việc lâu dài nên không dùng điện trởkhởi động (làm việc ở chế độ ngắn hạn), làm điện trở điều chỉnh

1.6.3 Điều chỉnh bằng từ thông

Khi giảm từ thông dòng điện ở rotor tăng nhưng không làm cho biểu thứcthay đổi vì giảm điện áp ở R chỉ chiếm vài phần trăm của điện áp phần ứng nênkhi giảm từ thông thì tốc độ sẽ tăng, song nếu cứ tiếp tục giảm dòng kích từ thìtới 1 lúc nào đó tốc độ không tăng được nữa, sở dĩ như vậy là vì momen điện từcủa động cơ giảm Phương pháp này chỉ thực hiện khi từ thông giảm tốc độ còntăng Phương pháp thay đổi từ thông để điều chỉnh tốc độ rất láng và kinh tế.Không điều chỉnh tốc độ ở dưới tốc độ định mức

Chú ý: Không được giảm kích từ tới giá trị không vì lúc này chỉ còn từ dưkhi tải tăng tốc độ tăng quá lớn thường người ta thiết kế bộ điện trở điều chỉnh

để không khi nào mạch từ bị hở

Hình 1.7 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch rotor

M 0

Trong hệ thống máy phát động cơ có thể áp dụng phương pháp điều chỉnhđiện áp nguồn nạp (thay đổi kích từ máy phát) thay đổi điện trở mạch rotor động

cơ, từ thông kích từ động cơ, hệ thống cho ta phạm vi điều chỉnh rộng, điềuchỉnh được cả hai chiều tăng và giảm, có độ điều chỉnh láng

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH ĐẢM BẢO TỐC ĐỘ GIỮA 2 ĐỘNG CƠ

2.1 Xây dựng mô hình cho động cơ điện 1 chiều.

Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến trong các

hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều (Đ)

từ vài W đến vài MW Giản đồ kết cấu chung của Đ như hình 1.5, phần ứngđược biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở phần stato có thể

Hình 1.8 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

có vài dây quấn kích từ: dây quấn kích từ độc lập CKĐ, dây quấn kích từ nốitiếp CKN, dây quấn cực từ phụ CF và dây quấn bù CB Hệ thống các phươngtrình mô tả Đ thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điềukhiển) thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ Uk; tín hiệu ra thường làtốc độ góc của động cơ ω, mômen quay M, dòng điện phần ứng I, hoặc trongmột số trường hợp là vị trí của rôto φ Mômen tải Mc là mômen do cơ cấu làmviệc truyền về trục động cơ, mômen tải là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệtruyền điện tự động.

Hình 2.1 Giản đồ thay thế động cơ một chiều.

2.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp uk nào đó thì trong dây quấnkích từ sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ Tiếp đóđặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ códòng điện chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạothành mômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau:

M = I k I

a

N p





.

2

.

'

 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/2пa - hệ số kết cấu của máy.a - hệ số kết cấu của máy

Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phầnứng quét qua từ thông và trong các dây dây quấn này cảm ứng sức điện động(sđđ):

E =  

  ka

N p

2

.

'

Trong đó: ω - tốc độ góc của rôto

Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằngđiện áp phần ứng:



Trong đó Rư- điện trở mạch phần ứng của động cơ

Từ các phương trình trên có thể vẽ được họ đặc tính cơ M(ω) của động cơmột chiều khi từ thông không đổi, hình 2.2

M

2.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều

Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được cácphương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 1.5 như sau:

Hình 2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi

* Mạch kích từ, có hai biến dòng điện kích từ ik và từ thông Φ là phụ thuộc phituyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:

Uk(p) = RkIk(p) + Nk.p.Φ(p)

Trong đó: Nk - số vòng dây cuộn kích từ;

Rk - điện trở cuộn dây kích từ

p E p p N p U pT

R

N u

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc chung của động cơ một chiều

Ta thấy rằng sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh (có khâu phi tuyến), do

đó trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểmlàm việc (phương pháp số gia)

Trước hết chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hoá đoạn đặc tính từhoá và đặc tính mômen tải như hình 2.4

ikIKo

Фo

0

KKMcb

0

Mc

Hình 2.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải.[2]

Độ dốc của đặc tính từ hoá và đặc tính cơ mômen tải tương ứng (bỏ quahiện tượng từ trễ) là:

Tại điểm làm việc xác lập ta có: điện áp phần ứng U0, dòng điện phần ứng

I0, tốc độ quay ωB, điện áp kích từ Uk0, từ thông Φ0, dòng điện kích từ Ik0 vàmômen tải MCB Biến thiên nhỏ của các đại lượng trên tương ứng là: ∆U, ∆I, ∆ω,

- Phương trình chuyển động cơ học:

K[Φ0 + ∆Φ].[Iư0 + ∆Iư] - [Mc0 + ∆Mc] = Jpd[ω0 + ∆ω]/dt

Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viếtđược các phương trình của gia số như sau:

∆Uư = Rư∆Iư + pLư∆Iư + KΦ0∆ω +K∆Φω0

∆Uk = Rk∆Ik(p) (1 + pTk)

K∆ΦIư0 +KΦ0∆Iư - ∆Mc = J d∆ω/dt

Từ các phương trình trên ta suy ra sơ đồ cấu trúc chung đã được tuyếntính hoá của động cơ một chiều kích từ độc lập

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa

Sau đây ta xét một số trường hợp đặc biệt của động cơ một chiều kích từđộc lập trong chế độ quá độ

a) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với Φ = const.

Khi dòng điện từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằngnam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:

Từ hai phương trình trên ta suy ra sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổiđược biểu diễn trên hình 2.6

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi

b) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với điện áp phần ứng không đổi

Khi giữ điện áp phần ứng không đổi và điều chỉnh điện áp kích từ thì dotính chất phi tuyến của mạch từ nên tốt nhất là sử dụng sơ đồ tuyến tính hoáquanh điểm làm việc Sơ đồ cấu trúc này được thể hiện trên hình 2.5, trong đótín hiệu điện áp phần ứng ∆Uư = 0

Phương pháp này có ưu điểm là: bộ chỉnh lưu có điều khiển trong mạchkích từ nhỏ gọn hơn, rẻ tiền hơn, với công suất nhỏ hơn dẫn đến kích thước vàtrọng lượng nhỏ hơn.

Tuy nhiên nó có những nhược điểm cơ bản đó là:

- Đụng chạm đến tính phi tuyến của động cơ

- Số vòng dây của cuộn kích từ lớn hơn do đó hằng sô thời gian mạch kích

từ lớn hơn nhiều so với mạch phần ứng (Tk>>Tu) dẫn đến thời gian quá

độ của hệ kéo dài

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ quay hẹp và còn bị phụ thuộc nhiều vào giá trịmômen cản

Do ảnh hưởng của từ dư sẽ gây ra sai lệch trong quá trình thực hiện đảochiều quay động cơ

c).Lựa chọn động cơ và tính toán các thông số mô phỏng:

014 , 0

s R

L T

u

u

Mc=f(M)50Nm(chọn)

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi

2.2 Cấu trúc điều khiển tốc độ giữa 2 động cơ

:hệ số khuyếch đại khâu đo

: hằng số thời gian đo

b)Đo tốc độ

Hiện nay đo tốc độ trong hệ truyền động người ta sử dụng máy phát tốcmột chiều , máy phát tốc xoay chiều , các bộ đô tốc độ xung và số Ở đây tadùng máy phát tốc một chiều.

Trong đó:

– hệ số tỉ lệ

– h s th i gian b l cệ số thời gian bộ lọc ố thời gian bộ lọc ời gian bộ lọc ộ lọc ọc

Đây là phương pháp điều khiển đồng bộ tốc độ động cơ theo động cơ chủđạo

Hệ thống gồm 2 động cơ 1 chiều kích từ độc lập với yêu cầu là cần đồng

bộ tốc độ giữa 2 động cơ để đảm bảo xe luôn đi thẳng về phía trước

2.3.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện

- Sơ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện:

Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện

Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện thu gọn

SI là hàm truyền củađối tượng cho bộ điều khiển dòng RI

S I =(1 )(1 BĐ ) (1 )

p T R

p T p T

k

u u

v u

u

I BĐ

T đk = 0,001 (chọn)

0 , 197 0,071

014 , 0

u

I BĐ

u u

2

) 1

( 

I

R =0.1970,(0224410.071p p)

2.4 Tổng hợp mạch vòng tốc độ

Hệ có dạng nối cấp: mạch vòng dòng điện bên trong và mạch vòng tốc độ

ở bên ngoài, nó được sử dụng khi:

Hệ không có khả năng về quá dòng hoặc có yêu cầu cao về điều chỉnh giatốc hoặc rơi vào dòng gián đoạn phần ứng.

Số mạch vòng dòng điện thường là một đối với hệ không đảo chiều, là haiđối với hệ có đảo chiều

Muốn thay đổi chiều quay của hệ thì phải thay đổi dấu của tín hiệu đặt Cần phải lắp thêm bộ hạn chế dòng điện sau bộ điều khiển tốc độ để giảmtín hiệu đặt cho mạch vòng dòng điện

Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh tốc độ có mạch vòng dòng điện:

p T p T

K F

SI SI

I I

C u

.

p T



F K T p

SI

I I

2 1

/ 1

1 2 1

/ 1

Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh:

S J.K .p C(1.K2T .p)

s I

C

J R T

T = 0,001 (s) (chọn)Theo tiêu chuẩn modul tối ưu ta có:

c I

T R

T K K R

4

1 K

.



Thay số ta có :

.4.01,003

063 , 0 197 , 0

0766 , 0 2 , 1 17 , 0

b

R

v n

2

ta xây dựng mô hình truyền động cho động cơ thứ 2 Tín hiệu đặt của động cơthứ nhất (master) được nhận từ máy tính, tốc độ quay của động cơ này chính làtín hiệu đặt cho động cơ tiếp theo.

3.1 Mô phỏng trên simulink

3.3.1 Mô phỏng đặc tính tốc độ và dòng điện:

Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng tốc độ và dòng điện

Hình 3.2 Đặc tính tốc độ

Hình 3.3 Đặc tính dòng điện

Như vậy với các tham số đã tính cho bộ điều khiển tốc độ, ta đảm bảođược hệ thống vô sai với tín hiệu điều khiển.Tuy nhiên với giá trị điều khiển nàythì hệ thống vẫn có độ quá chỉnh lớn Trong thực tế để giảm được độ quá chỉnh

và không gây ra quá chỉnh dòng điện trong quá trình thay đổi tín hiệu đặt người

ta thường thêm vào một khâu quán tính bậc nhất hoặc tăng tuyến tính hóa trướckhi đưa vào bộ điều khiển để đảm bảo gia tốc hệ thống thỏa mãn các yêu cầucông nghệ

Với khâu quán tính bậc nhất F= sẽ không còn độ quá chỉnh nữa ta chọn

tín hiệu vào đưa qua khâu quán tính bậc nhất F=

1 01 0

1



s

Hình 3.4 khi đã thêm khâu quán tính bậc nhất

Hình 3.5 Đặc tính tốc độ khi đã thêm khâu quán tính bậc nhất

Hình 3.7 Mô hình mô phỏng đồng bộ tốc độ

Hình 3.8 Đáp ứng tốc độ chưa có nhiễu

Hình 3.9 Đáp ứng dòng điện khi chưa có nhiễu

Hình 3.10 Đáp ứng tốc độ khi có nhiễu

Hình 3.11 Đáp ứng dòng điện khi có nhiễu

3.2 Đánh giá kết quả

Từ đồ thị cho thấy hệ thống điều chỉnh đồng bộ hóa tốc độ giữa 2 động cơ

là tương đối ổn định theo tiêu chuẩn tổng hợp hệ thống điều chỉnh tốc độ Với

độ quá chỉnh theo tiêu chuẩn tối ưu Hệ thống ổn định với thời gian quá độ rấtnhỏ, không có dao động Đường đặc tính 2 động cơ tương đối đồng bộ với nhau,ngay cả khi có tải nhiễu thì các đường đặc tính tốc độ 2 động cơ vẫn bám sátnhau, độ sai lệch dưới 1% với các tải nhiễu khác nhau đảm bảo tốc độ 2 động

cơ được đồng bộ với nhau làm cho xe có thể đi thẳng về phía với vận tốc yêucầu là 1,5m/s

Với kết quả như trên thì mục tiêu cũng như yêu cầu của đồ án đề ra đãđược giải quyết Đảm bảo đúng chất lượng cũng như yêu cầu của hệ thống

Kết luận

Như vậy đồ án môn học đã đưa ra được các vấn đề:

-Đưa ra cấu tạo khái quát về dộng cơ điện một chiều

-Đưa ra các trị số định mức và phân loại động cơ một chiều

-Nguyên lí làm việc, đặc tính cơ của động cơ một chiều độc lập, phươngpháp điều chỉnh tốc độ

-Tổng hợp mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc độ và mô phỏng trênSimulink

Trong quá trình làm đồ án do bản than em còn nhiều hạn chế nên khôngtránh khỏi thiếu xót, em mong thầy cô thông cảm và cho em nhiều lời khuyên để

em trau dồi thêm kiến thức

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1].Cơ sở truyền động điện

HỨA XUÂN LONG

Trường Đại học Hàng Hải

[2].Bài giảng tổng hợp hệ điện cơ

PHẠM TÂM THÀNH

Trường Đại học Hàng Hải

[3].Điều chỉnh tự động truyền động điện

BÙI QUỐC KHÁNH-NGUYỄN VĂN LIỄN-PHẠM QUỐC HẢI -DƯƠNG VĂN NGHI

Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật - 2006