Đề tài nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều ở vùng trên tốc độ cơ bản

1 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Cùng với đời động không đồng bộ, giá thành thấp và có cấu tạo đơn giản, tin cậy Sử dụng nguồn cung cấp là các biến đổi bán dẫn công suất, trang bị các biến tần, người ta cho động chiều trở nên lỗi thời các ứng dụng công nghiệp Tuy nhiên, trái với nhận định trên, các truyền động động chiều sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp nhà máy cán, máy giấy, các máy cuốn và trải Đề tài nghiên cứu này góp phần thực việc thiết kế điều khiển tốc độ phi tuyến truyền động động chiều kích tư độc lập chế độ giảm kích tư Mục tiêu nghiên cứu: - Đề tài nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều vùng tốc độ - Ứng dụng phương pháp điều khiển cho hệ thống thiết bị thực tế Nội dung nghiên cứu: Chương Các phương pháp điều khiển tốc độ động chiều; Chương Thiết kế hệ thống truyền động ; Chương Xây dựng hệ điều tốc động chiều ; Chương 4: Mô và thực nghiệm Kết dự kiến: - Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều - Xây dựng mơ hình toán học và thuật toán hệ điều khiển tốc độ động các thông số thay đổi - Mô và thực nghiệm 3 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái niệm chung: Trong quá trình làm việc, tớc độ động thường bị thay đổi biến thiên tải, nguồn và gây sai lệch tốc độ thực với tốc độ đặt, làm giảm suất máy sản xuất Chính việc điều khiển tốc độ động là yêu cầu cần thiết và tất yếu đối với các máy sản xuất Như ta biết hầu hết các máy sản xuất địi hỏi có nhiều tớc độ, tuỳ theo tưng công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác Muốn có các tớc độ khác máy, ta có thể thay đởi cấu trúc học máy tỉ số truyền thay đổi tốc độ động truyền động chính… Nhưng khảo sát theo phương pháp thay đổi tốc độ động truyền động Ở động chiều, việc điều chỉnh tớc độ động có nhiều ưu việt so với các loại động khác Động điện chiều khơng có khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển lại đơn giản các loại động khác và đạt chất lượng điều chỉnh cao dải điều chỉnh rộng Tư phương trình đặc tính cơ, ta có các phương pháp điều chỉnh tớc độ động : + Nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng; + Thay đổi tư thông kích tư; + Thay đổi điện áp phần ứng 1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập Tư phương trình đặc tính ω = Ru +R f Uu − M ta thấy KΦ ( KΦ ) tốc độ động phụ thuộc vào các tham số U ư, Φ, Rf Khi ta giữ nguyên momen tải và thay đổi giá trị ba tham số U ư, Φ, Rf ta đường đặc tính tương ứng với tốc độ 1.2.1 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở mạch phần ứng Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf Uư Rf D Rkt ckd Ukt Hình 1 Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích tư độc lập Nếu ta giữ điện áp phần ứng U = Udm = const; và tư thông Φ = Φdm = const; thay đổi điện trở phần ứng ta được: U dm = const Κ Φ + Tốc độ không tải lý tưởng: ω ΟΧ = (Κ Φ Χ ) + Độ cứng đặc tính cơ: β = − = var Ru + R f (rad/s) TN Rf1 Rf3 Rf2 Mc M (N.m) Hình Đặc tính động thay đổi điện trở phần ứng 1.2.2 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thơng kích từ Giả thiết ta giữ điện áp phần ứng U = Udm = const; điện trở phần R = const; và thay đởi dịng điện kích tư I kt động Điều này tương ứng với việc tư thông mạch tư thay đổi Ta được: + Tốc độ không tải: ω ΟΧ = U dm = var Κ.Φ + Độ cứng đặc tính cơ: (Κ.Φ Χ) = var β =− Ru ω02 ω (rad/s ) o2 = ω02 ω (rad/s ) Φ2 ω01 ω01 Φ2 ω0 ω0 Φ1 Φ1 Φdm (a) Inm (A) Mnm2 I Mnm1 Mnm (b) (N.m) Φdm M Hình Đặc tính cơ, điện động giảm tư thông 1.2.3 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp phần ứng: Nếu giữ Φ = Φ dm= const ; R ư= const và thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Udm , ta được: ω0 x = Tốc độ không tải : Eb = var Kϕ dm ( Kϕ ) = const Độ cứng đặc tính cơ: β = Rb + Ru ω (rad/s) ω ωω ωω ω ωω ω ω 01 02 TN dm 03 04 M đm M (N.m) Hình Đặc tính động giảm điện áp phần ứng 1.2.4 Điều khiển phần ứng kích từ kết hợp: Tư các phân tích có thể thấy điều khiển phần ứng và kích tư động điện chiều có ưu điểm riêng, các ứng dụng thông thường chưa kết hợp hai hệ điều khiển này với Bên tốc độ ω0 tư thông chính tốt giữ giá trị danh định Φ e tốc độ biến đổi theo điện áp phần ứng ua Đây gọi là vùng điều khiển phần ứng hay vùng tốc độ Khi đạt đến điện áp phần ứng định mức ±ua0, tăng tốc độ cao có thể đạt việc giảm tư thông, tạo các vùng điều khiển kích tư riêng rẽ mà mở rộng vùng tốc độ chiều quay Điều này mơ tả sơ đồ Hình 1.6 Φe0 Ơe0 Ua0 Ua e=const -3 -Ua0 Vùng giảm tư thông Field weakening range -2 -1 Ua Vùng điều khiển điện Armature áp phần ứng control range -Φ -Ôe0 e=const Vùng giảm tư thơng Field weakening range e0 Hình Các vùng điều khiển động DC trạng thái tĩnh CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYẾN ĐỘNG 2.1 Giới thiệu: Trong đề tài nghiên cứu này, đề tài áp dụng kỹ thuật tuyến tính hóa phản hồi nhiều đầu vào nhiều đầu phi tuyến cho hệ thống động chiều kích tư độc lập làm việc chế độ giảm kích tư - tốc độ cao Sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi theo tải không cảm biến nhằm cải thiện hiệu suất tốc độ động đưa để đánh giá Hơn nữa, các kết thực nghiệm dùng để chứng minh phần lý thuyết này 2.2 Mô hình hệ thống động Một hệ thống truyền động động chiều kích tư độc lập đặc trưng ba phương trình vi phân liên kết sau: dir = (ur − Rr ir − E ) dt Lr dis = (us − Rs is ) dt Ls dω = (Te − TL − Bω ) dt J 2.3 Tuyến tính hóa đầu – đầu vào: Mục tiêu là để phát triển điều khiển giảm kích tư, mà có thể đảm bảo ởn định và bám theo tốc độ đặt mong muốn ωref vùng ω ≥ ωn, và loại bỏ nhiễu momen tải 9 2.4 Thiết kế điều khiển thích nghi theo tải 10 CHƯƠNG XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống: Cấu trúc hệ điều khiển tớc mạch vịng tư ngoài là: mạch vòng dòng điện, mạch vịng tớc độ Phía mạch kích tư có hai mạch vịng nới cấp: mạch vịng điều chỉnh dịng kích tư nới cấp với mạch vịng điều chỉnh sức phản điện động phần ứng Re emaxr ifr Rif uf Convertor uf if e Ru Lu Rf ωr Rω ω iur Ri uu Convertor uu iu Lf E T Load iu if Hình Sơ đồ cấu trúc chung hệ điều tốc 3.2 Hệ điều chỉnh tốc độ chế độ điều áp phần ứng: 3.2.1 Mô hình tốn học động chiều, kích từ độc lập Sơ đồ mạch thay thế động chiều kích tư độc lập đưa hình 3.2 i U E 11 Hình Sơ đồ mạch thay thế mạch điện phần ứng ∆Mc(p) ∆I(p) ∆U(p) 1/ R + pT (-) B ∆ω(p) Jp Kφo Kφo KIo Kωo ∆Uf (p) 1/Rf 1+pTf Kf Hình 3 Mơ hình tún tính hoá động điện chiều K U(p) I(p) K Jp ω(p) K Mc(p) Hình Mơ hình tún tính hoá động điện chiều 12 3.2.2 Mơ hình tốn học chỉnh lưu có điều khiển U(p) Tc p / R + Tc p + T Tc p I(p) 1/ K 1+Tcp2 Mc(p) Hình Mơ hình tuyến tính hoá mô động chiều kích tư độc lập Sơ đồ khới chỉnh lưu có điều khiển hình 3.6: Uđk Mạch điều khiển α If PA Uf ĐC Hình Sơ đồ khới mạch chỉnh lưu có điều khiển 3.2.1 Tổng hợp mạch vịng Hình 3.8 là sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí sử dụng động điện chiều Trong hệ điều chỉnh tớc độ có mạch vịng: Mạch vịng dịng điện và mạch vịng tớc độ Hệ thống truyền động này bắt buộc phải đảo chiều 13 K Uđk(p) Uiđ Ub Ui(p) E(p) Mc Ri K ω Jp Hình Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện 3.2.1.1 Tổng hợp mạch vịng dịng điện UIđ UI(p) RI Soi I(p) Hình Sơ đồ rút gọn mạch vòng dòng điện Vậy sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí cịn lại hình 3.9, ta lấy hàm truyền đạt mạch vòng dòng điện là khâu quán tính bậc nhất, bỏ qua các bậc cao ωđ ω(p) Ui(p) Rω 1 + 2TSi P Ki Ru K Tc p ω Kω + pTω Hình Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh tốc độ 14 3.2.1.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ U ωđ Uω(p) Rω Soω ω(p) Hình 10 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều chỉnh tớc độ 3.3 Hệ điều chỉnh tốc độ chế độ điều chỉnh giảm từ thơng kích từ: Trong hệ điều chỉnh tớc độ có mạch vịng: Mạch vịng dịng điện và mạch vòng sức phản điện động phần ứng Uđk(p) Uiđ Uf Ui(p) e Ri K Hình 11 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện mạch kích tư 3.3.1 Tổng hợp mạch vịng dịng điện UIf® UIf(p) RIf Soif If(p) Hình 12 Sơ đồ cấu trúc rút gọn mạch vòng dòng điện mạch kích tư 15 Kết tởng hợp mạch vịng dịng điện tiêu chuẩn tới ưu modul ta có: FOMif U if ( p ) = = 2 U idf ( p ) + 2TSif p + 2TSif p Uif(p) Emax Re 1 + 2TSif P Kif (3.27) E(p) K Ke + pTe Hình 13 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh tốc độ 3.3.2 Tổng hợp mạch vịng sức phản điện động Hình 14 Cấu trúc rút gọn mạch vòng điều khiển điện áp kích tư 3.4 Kết luận chương Áp dụng phương pháp tổng hợp hệ bị điều chỉnh mô dun tối ưu cho hệ ta các điều chỉnh PI Với điều chỉnh PI cho phép hệ áp đặt nhanh và trì đại lượng đặt Chất lượng điều chỉnh đánh giá qua phần mô và thực nghiệm chương 16 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 4.1 Mô hệ thống : 4.1.1 Bảng tham số động truyền động: Công suất Pdm HP Điện áp định mức phần ứng Udm 240 V Tốc độ định mức ndm 1750 RPM Điện áp định mức kích tư Uf 300 V Điện trở phần ứng Ru 2.581 ohms Điện cảm phần ứng Lu 0.028 H Điện trở kích tư Rf 281.3 ohms Điện cảm kích tư Lf 156 H Điện cảm tương hỗ Laf 0.9483 H J 0.02215 kg.m^2 Hệ số ma sát nhớt Bm 0.002953 N.m.s Mô men sát trượt C 0.5161 N.m Tổng mô men quán tính 4.1.2 Cấu trúc mô hệ thống : 215 EFM max 0.00167 s+1 ia controller Omega controller Gain 40 0.226 s 0.02 s Ramp ia 0.06 s+1 0.04 s+1 ua converter Omega DC motor 0.01 s+1 0.001 s+1 0.3s+1 EFM controller Abs |u| Switch 18 0.003 s 0.4s ua converter 0.005 s+1 if controller P uf converter 1.7 T I_f Ramp Kphi 10 T _load Switch 17 4.1.3 Kết mô phỏng: Đặc tính tốc độ, mô men và công suất vùng điều chỉnh điện áp phần ứng 18 500 400 300 P(w) 200 100 -100 -200 10 15 20 time (s) 25 30 35 40 10 15 20 time(s) 25 30 35 40 10 15 20 time (s) 25 30 35 40 20 18 16 14 T(Nm) 12 10 40 35 30 25 speed (rad/s) 20 15 10 -5 -10 19 Hình Đặc tính tốc độ, mô men và công suất vùng điều chỉnh điện áp phần ứng Đặc tính tốc độ, mô men và công suất vùng điều chỉnh tư thông 250 200 speed (rad/s) 150 100 50 -50 10 15 time(s) x 10 P(W) -1 10 time (sec) 15 20 Hình Đặc tính tốc độ, mô men và công suất vùng điều chỉnh giảm tư thơng 4.2 Thực nghiệm: 4.2.1 Mơ hình thí nghiệm: Hình Mơ hình thực nghiệm hệ thớng 4.2.2 Đặc tính thí nghiệm: Đặc tính tớc độ động vùng tư thông là số và vùng điều chỉnh giảm tư thông 21 Dac tinh toc dong co va tu thong kich tu 250 Toc dong co rad/s 200*(Dong dien kich tu A) 200 150 100 Vung tu thong kich tu dinh muc Vung dieu chinh giam tu thong kich tu 50 0 10 15 20 25 30 Hình 4 Đặc tính tốc độ động điều chỉnh giảm tư thông 4.3 Kết luận chương 4: Đã mô và thí nghiệm thành công hệ điều khiển điều chỉnh tốc độ hệ điều tốc động chiều vùng tốc độ lớn tốc độ mô hình điều khiển phịng thí nghiệm Điện – Điện tử Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên giúp cho việc kiểm chứng, so sánh đánh giá với lý thuyết Tuy nhiên, phần ổn định công suất chưa hoàn thành và chính là hướng phát triển đề tài này thời gian tới 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Với đề tài “Nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ hệ điều tốc động chiều vùng tốc độ lớn tốc độ bản” Bản luận văn trình bày đầy đủ nội dung và viết thành chương kèm theo phần mở đầu và kết luận kiến nghị Nội dung luận văn chứa đựng đầy đủ các yêu cầu mục tiêu đề tài mục tiêu nghiên cứu Những kết này thể cụ thể sau: Sau xây dựng hệ thống mô và thực nghiệm chứng minh được, điều khiển thiết kế đáp ứng công nghệ điều khiển điều chỉnh tốc độ hệ điều tốc động chiều vùng tốc độ lớn tốc độ Đã thí nghiệm thành công hệ điều khiển điều chỉnh tốc độ hệ điều tốc động chiều vùng tốc độ lớn tốc độ mơ hình điều khiển phịng thí nghiệm Điện – Điện tử Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên giúp cho việc kiểm chứng, so sánh đánh giá với lý thuyết Với các kết có thể khẳng định luận văn hoàn thành tốt nội dung đề tài Và đề tài vưa có tính lý thuyết và tính thực nghiệm Tuy nhiên, phần ổn định công suất luận văn này chưa hoàn thành và chính là hướng phát triển đề tài này thời gian tới 23 Kiến nghị: Để hoàn thiện đề tài này cần phải tiếp tục nghiên cứu và thí nghiệm mơ hình cụ thể Tư ứng dụng vào sản xuất  ... truyền động Ở động chiều, việc điều chỉnh tốc độ động có nhiều ưu việt so với các loại động khác Động điện chiều khơng có khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển... tốc độ động điều chỉnh giảm tư thông 4.3 Kết luận chương 4: Đã mô và thí nghiệm thành công hệ điều khiển điều chỉnh tốc độ hệ điều tốc động chiều vùng tốc độ lớn tốc độ mơ hình điều. .. phát triển đề tài này thời gian tới 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Với đề tài ? ?Nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ hệ điều tốc động chiều vùng tốc độ lớn tốc độ bản? ?? Bản luận