Thiết kế hệ điều khiển CL

Thiết kế hệ điều khiển CL

Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT Thiết kế hệ điều khiển CL LỜI MỞ ĐẦU Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng trong đời sống xã hội. Bất kì ở vị trí nào, bất cứ làm một công việc gì mỗi chúng ta đều tiếp cận với điều khiển. Nó là khâu quan trọng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta. Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhưng động cơ điện một chiều v ẫn tồn tại. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng. Vì động cơ điện một chiều có đặc tính làm việc rất tốt trên các mặt điều chỉnh tốc độ (phạm vi điều ch ỉnh rộng, thậm chí từ tốc độ bằng 0). Nhưng độ tin cậy khi sử dụng động cơ một chiều lại thấp hơn so với động cơ không đồng bộ do có hệ thống tiếp xúc chổi than. Hệ thống điều khiển chỉnh lưu - động cơ một chiều cũng là một ứng dụng của kỹ thuật điều khiể n. Chỉnh lưu có điều khiển dùng Tiristo để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ. Chỉnh lưu cũng có thể dùng làm nguồn điện chỉnh điện áp kích từ cho động cơ. Hệ thống này thường được dùng cho các động cơ điện được cấp điện từ lưới xoay chiều. Đồ án thiết kế hệ điều khi ển CL - Đ một chiều gồm 6 chương: Chương1: Khái quát về điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều Chương 2: Khái quát về nguồn chỉnh lưu. Chương 3: Thiết kế nguồn chỉnh lưu động lực. Chương 4: Tính toán đặc tính điều khiển của động cơ. Chương 5: Thiết kế mạch điều khiển. Chươ ng 6: Hệ thống điều khiển với phản hồi. Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT Nội dung đồ án chắc chắn còn rất nhiều vấn đề cần bổ xung hoàn thiện, em rất mong ý kiến đánh giá và nhận xét của các thầy cô cùng các bạn sinh viên. Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. 1.1 Đại cương về động cơ điện một chiều 1. Cấu tạo động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều chia thành 2 phần chính: a. Phần tĩnh ( stato) Gồm các bộ phận chính sau: - Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ. + Lõi sắt cực từ làm bằng thép kĩ thuật điện dày ( 0,5 –1)mm ép lại và tán chặt. + Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện. Trong các máy công suất nhỏ, cực từ chính là một nam châm vĩnh cửu. Trong các máy công suất trung bình và lớn, c ực từ chính là nam châm điện. - Cực từ phụ: đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện điều kiện làm việc của máy điện và đổi chiều + Lõi thép cực từ phụ có thể là một khối hoặc có thể được ghép bởi các lá thép tùy theo chế độ làm việc. + Xung quanh cực từ phụ được đặt dây quấn cực từ phụ, dây qu ấn cực từ phụ được nối với dây quấn phần ứng. - Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. b. Phần quay ( rôto) Bao gồm các bộ phận chính sau: - Lõi thép phần ứng: dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kĩ 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 lên. Trong máy điện nhỏ, lõi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. - Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng đồng có bọc cách điện. Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT Trong máy điện công suất nhỏ, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện tròn. Trong máy điện công suất vừa và lớn, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện hình chữ nhật. - Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. - Cơ cấu chổi than: dùng để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. 2. Nguyên lý làm việc của động cơ điệ n một chiều Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện I ư . Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực F đt tác dụng làm cho rôto quay. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi. Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động E ư Ở động cơ điện một chiều sức điện động E ư ngược chiều với dòng điện I ư nên sức điện đông E ư còn được gọi là sức phản diện Phương trình điện áp là: 3. Phân loại động cơ điện một chiều Cũng như máy phát, động cơ điện được phân loại theo cách kích thích từ thành các động cơ điện sau: a. Động cơ điện kích từ độc lập Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ được cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho mạch phần ứng. b. Động cơ kích từ nối tiếp Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng. c. Động cơ kích từ hỗn hợp Động cơ kích từ hỗn h ợp gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp trong đó dây quấn kích từ song song là chủ yếu. −−− . IREU += Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT 2.1 Khái quát về điều khiển động cơ một chiều 1. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Tùy theo cách kích thích từ, động cơ điện một chiều có những tính năng khác nhau biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc, đặc tính cơ khác nhau. Trong các đặc tính đó, quan trọng nhất là đặc tính cơ. Đặc tính cơ dùng để xác định điểm làm việc xác lập hoặc là khảo sát điểm làm việc ổn định trong hệ thống truyền động điện. Đặc tính cơ của động c ơ điện là mặt phẳng tọa độ giữa ω với momen ω = f(M). Trong đồ án thiết kế này ta chỉ quan tâm tới loại động cơ một chiều kích từ độc lập a. Phương trình đặc tính cơ Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức phản điện động có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Phương trình điện áp ở mạch phần ứng động cơ: U = E + I ư ( R ư + R f ) Trong đó: + U ư : điện áp phần ứng ( V ) + E: sức điện động phần ứng ( V ) + R ư : điện trở của mạch phần ứng (Ω) + R f : điện trở phụ của mạch phần ứng + I ư : dòng điện mạch phần ứng. Sức điện động E ư của phần ứng động cơ là tỷ lệ với tốc độ quay của rôto : E = k.Φ.ω Trong đó: + k = a pN π 2 hệ số cấu tạo của động cơ + Φ: từ thông qua một cực từ (Wb) + ω: tốc độ góc của rôto, 55,9 n =ω ( rad/s) + p: số đôi cực từ chính + N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng + a: số đôi mạch nhánh song song I - R f KT R KT I KT - + +- Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT + n: tốc độ quay (vòng/phút) Mặt khác, mômen điện từ của động cơ: M đt = k.Φ.I ư Φ =→ k M I dt − Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì M cơ = M đt = M Từ các phương trình trên ta có: đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức và không mắc thêm điện trở phụ vào mạch điện trở thì phương trình đặc tính cơ là: Đặc tính cơ của phương trình này gọi là đặc tính cơ tự nhiên. Tốc độ ω o = U ư /k.Φ là tốc độ không tải lý tưởng. Khi phụ tải tăng dần từ M c = 0 đến M c = M đm thì tốc độ động cơ giảm dần từ ω o xuống ω đm nên phương trình đặc tính cơ có dạng: Với: Δω = () 2 − Φ k R _độ sụt tốc trên đặc tính cơ. b. Đặc tính cơ Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông Φ = const thì phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập tuyến tính có dạng hàm bậc nhất y = ax + b nên đường biểu diễn trên hệ tọa độ M0ω là một đường thẳng cắt trục 0ω tại ω o với độ dốc âm. 2. Điều khiển tốc độ động cơ một chiều a. Chỉ tiêu điều khiển tốc độ Điều khiển tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất. Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu sau: () M k RR k U f 2 − − . . Φ + − Φ = ω () M k R k U 2 −− . . Φ − Φ = ω ωωω Δ−= o M M đ m ω ω đ m ω o Δω ĐTT N 0 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT - Sai số tốc độ Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt và được đánh giá thông qua: Mong muốn: sai số ω đ = ω s% càng nhỏ càng tốt. - Tính liên tục ( độ trơn của dải điều chỉnh) ω i + 1 ≈ ω i : hệ thống điều khiển liên tục ω i + 1 ≠ ω i : hệ thống điều khiển nhảy cấp Mong muốn γ → 1: hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá trong suốt dải điều chỉnh. - Dải điều khiển tốc độ Dải điều khiển tốc độ ( D) là tỉ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tố c độ làm việc ứng với mômen tải đã cho: Mong muốn D càng lớn càng tốt - Ngoài ra còn các chỉ tiêu khác như: chỉ tiêu kinh tế, kích thước… b. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều Về việc điều chỉnh tốc độ, động cơ một chiều có nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác: điề u chỉnh dễ dàng, chất lượng điều chỉnh cao trong một dải rộng…. Xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều: Ta thấy rằng việc điều chỉnh động cơ điện một chiều có thể thực hiện được bằng cách thay đổi các đại lượng: R ư , Φ, U ư Thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều: 100 ω ωω × − = d d s% i i ω ω γ 1+ = min max ω ω =D () M k R k U 2 −− . . Φ − Φ = ω Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT R f = 0 R f1 R f2 ω 0 ω M 0 M 2 M 1 M c ∗ Phương pháp 1: Thay đổi điện trở phần ứng Đây là phương pháp kinh điển dùng để điều khiển tốc độ động cơ trong nhiều năm. - Nguyên lý điều khiển Trong phương pháp này người ta giữ U = U đm ; Φ = Φ đm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng. Độ cứng của đường đặc tính cơ: Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng mềm hơn. Ứng với R f = 0 ta có độ cứng tự nhiên β TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ. Như vậy, khi ta thay đổi R f ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên. - Đặc điểm của phương pháp + Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn. + Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dướ i tốc độ định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm). + Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục. - Đánh giá các chỉ tiêu + Tính liên tục: phương pháp này không th ể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp. + Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải. Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D = ω max / ω min càng nhỏ. Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3 : 1 ( ) f dm RR k M + Φ −= Δ Δ = − 2 . ω β Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT + Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn. + Chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản. ∗ Phương pháp 2: Thay đổi từ thông Φ - Nguyên lý điều khiển Giả thiết U= U đm ; R ư = const . Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ. Thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ. Bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (Φ = Φ max ) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông Φ tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức. → Khi giảm Φ thì tốc độ không tải lý tưởng Φ = k U dm o ω tăng, còn độ cứng đặc tính cơ ( ) u R k 2 Φ −= β giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên. Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm M t theo cùng tỉ lệ. - Đặc điểm của phương pháp + Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng. + Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức. + Việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch. + Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phươ ng pháp điều khiển với công suất không đổi. M Φ đ m Φ 2 Φ 1 ω o ω o1 ω o2 ω 0 M c1 M c2 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT - Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển + Sai số tốc độ lớn: đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên. + Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy. Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 :1 + Tính liên tục: vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với Φ ≈ 1 + Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ = (1 – 10)%I đm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp). → Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển. ∗ Phương pháp 3: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp. - Nguyên lý làm việc Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn (máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển…) Ở phương pháp này: U = var; Φ đm = const; R f = 0 Khi thay đổi phần ứng ( thay đổi theo chiều giảm điện áp), vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lí tưởng ω o = U /k.Φ thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng. Do đó ta thu được họ đặc tính mới song song và thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên tức là vùng điều khiển tốc độ nằm dưới tốc độ định mức. - Đặc điểm của phương pháp + Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng thấp. + Đ iều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh. + Độ cứng đặc tính cơ cao và được giữ không đổi trong toàn dải điều chỉnh. ĐTT N ω 0 ω 02 ω 01 ω M U 1 U 2 0 M c [...]... tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT Hiệu suất của hệ thấp ( không quá 75%) Điều chỉnh sâu bị hạn chế Hiện nay người ta có khuynh hướng thay thế hệ F - Đ bằng hệ thống CL - Đ ∗ Hệ thống CL - Đ một chiều Hệ thống CL - Đ một chiều dùng bộ biến đổi là một loại nguồn điều áp một chiều Khi nối nó vào mạch phần ứng ∼ với động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta sẽ được hệ thống CL - Đ T Khác với máy phát điện một chiều,... hóa khi dùng chỉnh lưu có điều khiển + Phương pháp này điều khiển với mômen không đổi vì Φ và Iư đều không đổi - Đánh giá chi tiêu điều khiển + Sai số tốc độ lớn ( sai số tốc độ bằng sai số tốc độ của đặc tính cơ tự nhiên) + Tính liên tục: điện áp của động cơ được điều khiển bằng bộ biến đổi Các bộ biến đổi hiện nay đều có công suất bé nên có thể điều chỉnh liên tục + Dải điều chỉnh có thể đạt được... 2 xung điều khiển đồng thời (1 xung ở nhóm anod, 1 xung ở nhóm catod) Hai xung điều khiển có: một xung chính quyết định góc mở, 1 xung đêm để có dòng điện Với đường cong điện áp gián đoạn xung đệm chỉ có tác dụng mồi.Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ đúng thứ tự pha Thứ tự các xung điều khiển: Thời Xung Xung điểm chính đếm α1 α3 T3 T6 T5 T2 α4 T2 T3 α6 T4 T5 α2 Điều khiển ở... pha điều khiển đối xứng cho chất lượng điện áp tốt, hiệu suất sử dụng biến áp cao, tuy nhiên phương pháp điều khiển phức tạp (cần mở đồng thời 2 van theo đúng thự tự pha) nên trong thực tế nếu không thật cần thiết thì tránh không dùng nhưng nếu là bộ nguồn chỉnh lưu động cơ điện một chiều thì bắt buộc phải dùng b Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng - Sơ đồ D1 D2 khiển - T3 R nhóm điều khiển. .. nghiệp - Bộ môn TBĐ - ĐT Nhận xét + Ta có thể coi mạch điều khiển của chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng này như điều khiển một chỉnh lưu tia 3 pha nhưng hiệu suất sử dụng biến áp cao và chất lượng điện áp khá tốt với biên độ đập mạch nhỏ + So với chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng thì trong sơ đồ này việc kích mở các van điều khiển dễ dàng hơn nhưng biên độ đập mạch của điện áp chỉnh... được thể hiện bằng khoảng dẫn của Diod và Tiristo khi tải điện cảm: ID > IT c Nhận xét - Sơ đồ cầu điều khiển không đối xứng có ưu điểm hơn so với sơ đồ cầu điều khiển đối xứng: Tại một thời điểm mở Tiristo chỉ cần một xung điều khiển hay chỉ cần một xung dẫn Sơ đồ điều khiển đơn giản hơn, giá thành thiết bị giảm - Sơ đồ cầu một pha có chất lượng điện áp tương đương với chỉnh lưu cả chu kì với biến... là các trục tọa độ - đường cong nét đứt trên hình vẽ - Đặc điểm của hệ CL - Đ + Ưu điểm: Độ tác động nhanh cao, tổn thất ít, giảm tiếng ồn, hiệu suất lớn Có khả năng điều chỉnh trơn (γ ∼ 1) với phạm vi điều chỉnh rộng ( D ∼ 102 – 103) Có thể thiết lập hệ tự động vòng kín để mở rộng dải điều chỉnh và cải thiện điều kiện làm việc của hệ + Nhược điểm: Khả năng linh hoạt khi chuyển đổi trạng thái làm việc... trở về 0 trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn Chế độ biên liên tục Khi chuyển từ trạng thái dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn, hệ sẽ phải qua một trạng thái giới hạn, đó là trạng thái biên liên tục + Đặc tính cơ của hệ thống Chế độ dòng điện liên tục Phương trình đặc tính cơ: ω= U CL R− + RCL U cos α R− + RCL M = do − − M 2 ke Φ ke kμ Φ ke Φ ke kμ Φ 2 Thay đổi góc điều khiển α = ( 0 - π),điện... tục Điện áp một chiều được điều chỉnh bằng bộ băm áp cung cấp cho phần ứng của động cơ Điện áp môt chiều được băm với điện áp trung bình: U TB = θ T U 1 = γ U 1 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT Ta điều chỉnh thông qua chu kì T Chu kì càng nhỏ ( tần số càng lớn f = 1 /T) thì vùng gián đoạn càng nhỏ, chất lượng điều khiển càng cao → Điều khiển băm áp có chất lượng tốt hơn điều khiển chỉnh lưu khi tần số... thể giảm đến 0 đúng vào thời điểm đầu của chu kì tiếp theo Khi đó ta có dòng biên liên tục - Đặc tính cơ của hệ thống Với dòng điện liên tục: ω Phương trình đặc tính cơ ωo ω= U ba R¦ + Rba γ U1 R¦ + Rba − M = − M 2 ke Φ ke kμ Φ ke Φ ke kμ Φ 2 Để điều khiển tốc độ ta điều khiển hệ số γ tức là điều khiển độ rộng xung điện áp θ trong chu kì điện áp Trong vùng liên tục, đặc tính cơ là tập hợp các đường thẳng