Đề tài xây dựng mạch điều khiển tốc độ cho hệ truyền động điện động cơ điện DC không đảo chiều có một mạch vòng điều chỉnh tốc độ với bộ biến đổi là chỉnh lưu cầu một pha

Nhận thấy động cơ DC có nhiều ứng dụng trong thực tiễn liên quan đến bài học trên lớp nên nhóm em đã chọn đề tài: “Xây dựng mạch điều khiển tốc độ cho hệ truyền động điện động cơ điện D

Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Tổng hợp hệ thống điện cơ

ĐỀ TÀI MÔN HỌC THHTĐC

Số: Đề 3

Họ và tên: Lộ Quốc Doanh Lớp: Điện Chất Lượng Cao 1

Phạm Văn Đức

Giáo viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Đăng Toàn

NỘI DUNG Xây dựng mạch điều khiển tốc độ cho hệ truyền động điện động cơ điện DC không đảo chiều có một mạch vòng điều chỉnh tốc độ với bộ biến đổi là

chỉnh lưu cầu một pha

Cho động cơ 1 chiều kích từ độc lập -31có các số liệu sau: Pđm= 2,2kW; Uưđm = 220V; Iđm = 12,5A; nđm=1100 v/p; JĐC= 0,1 kg.m2 ; Rư = 1,7(Ω); Lư= 0,4(H)

PHẦN VIẾT BÁO CÁO

1 Xây dựng và phân tích sơ đồ cấu trúc điều khiển

2 Tổng hợp và mô phỏng bộ điều chỉnh tốc độ

3 Tính toán, thiết kế mạch điều khiển tốc độ cho hệ truyền động điện

Ngày giao đề: Ngày hoàn thành :

Th.s Nguyễn Đăng Toàn

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời buổi đất nước ta đang bước vào quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa, động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của xã hội đặc biệt là ngành công nghiệp sản xuất hiện đại, và trong nhiều lĩnh vực đời sống không thể thiếu động cơ điện, vì vậy các động cơ điện được chế tạo rất đa dạng về chủng lại và ngày càng hiện đại hướng tới giảm tổn hao về điện năng, tăng hiệu suất và công suất làm việc Trong các ngành công nghiệp chủ yếu sử dụng động cơ ba pha với ưu điểm công suất lớn, đáp ứng yêu cầu làm việc của ngành nghiệp nặng Tuy nhiên việc điểu khiển và điểu chỉnh tốc độ của động cơ ba pha rất khó đạt được độ chính xác cần thiết chính vì vậy người ra sử dụng động cơ DC với nhiều ưu điểm hơn, nhưng cũng như động cơ ba pha, động cơ DC cũng có nhược điểm đó là bộ phần cổ góp dễ hỏng

Nhận thấy động cơ DC có nhiều ứng dụng trong thực tiễn liên quan đến bài học trên

lớp nên nhóm em đã chọn đề tài: “Xây dựng mạch điều khiển tốc độ cho hệ truyền

động điện động cơ điện DC không đảo chiều có một mạch vòng điều chỉnh tốc độ với bộ biến đổi là chỉnh lưu cầu một pha”

Em xin cảm ơn các bạn trong lớp Điện CLC K7 đã giúp đỡ chúng em với những

kiến thức em chưa biết Cảm ơn Th.s Nguyễn Đăng Toàn đã hướng dẫn chúng em

Do việc sắp xếp thời gian để tiến hành nghiên cứu các đồ án chưa được hợp lý và kiến thức còn thiếu nhiều nên đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót, mong thầy bổ sung thêm để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Tổng hợp hệ thống điện cơ

CHƯƠNG I: SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

1 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

-

1.1 GIỚI THIỆU CHỨC NĂNG CÁC KHỐI

A Khối Điều Khiển:

Khối điều khiển ở đây có thể là bộ PID hay PI tùy vào yêu cầu của bài toán điều khiển, trong bài này cần dùng bộ PID để điều khiển tốc độ như yêu cầu ban đầu, bộ điều khiển gồm 2 khâu là khâu khuếch đại (P), khâu vi phân (D) và khâu tích phân (I)

KHỐI ĐIỀU KHIỂN

KHỐI CHỈNH LƯU

KHỐI PHẢN HỒI

ĐỘNG CƠ

b Khối động cơ

- Định nghĩa: Động cơ điện một chiều là máy điện chuyển đổi năng lượng điện

một chiều sang năng lượng cơ

- Phân loại động cơ điện một chiều (phân loại theo phương pháp kích từ)

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

+ Kích từ độc lập

+ Kích từ song song

+ Kích từ nối tiếp

+ Kích từ hỗn hợp

Với mỗi 1 loại động cơ điện 1 chiều như trên thì có các ứng dụng khác nhau

- Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

+ Cấu tạo: Gồm có 3 phần chính stator (phần cảm), rotor (phần ứng), và phần chỉnh lưu (chổi than và cổ góp)

- Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện

- Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều

- Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp

+ Nguyên tắc hoạt động:

Khi cho dòng chạy trong cuộn kích từ sẽ sinh ra từ thông chính ∅𝑐 đồng thời có dòng điện chạy qua phần ứng Vì dòng điện đặt trong từ trường, khi đó làm roto quay (sinh ra lực từ) và khi đó:

𝐸 = 𝐶𝑒 ∗ ∅ ∗ 𝜔

𝑈 = 𝐸 + 𝐼Ư ∗ 𝑅Ư+ Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng:

P=I.VƯ

Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Tổng hợp hệ thống điện cơ

+ Phương trình đặc tính cơ:

ω = 𝑈Ư

𝐾Ф−

𝑅𝐹 + 𝑅Ư(𝐾Ф)2 𝑀

c Khối Phản Hồi

- Mục đích: phản hồi tốc độ của động cơ để điểu chỉnh

- Sử dụng máy phát tốc để phản hồi tốc độ động cơ

Máy phát tốc : được dùng để nhằm mục đích ổn định tốc độ động cơ, lúc này

tín hiệu đặt cần phải được so sánh với tín hiệu thực của động cơ để phát hiện sai lệch và ra lệnh điều chỉnh cho phù hợp Máy phát tốc là một máy phát điện Cấu tạo gồm rotor và Stator Rotor thường là nam châm vĩnh cữu Máy phát tốc được lắp ở trục động cơ, trục mát phát điện, hoặc 1 trục quay của máy sản xuất Khi trục động cơ quay, thì rotor của máy phát tốc cũng quay, phía Stator của máy phát tốc sẽ có điện áp Người ta trích lấy điện áp đó để cung cấp cho mạch kiểm soát tốc độ của trục động cơ Nó có các nhiệm vụ chính:

- Điều khiển quá trình tăng tốc của động cơ khi khởi động máy

- Ổn định tốc độ của động cơ

- Giới hạn và bảo vệ tốc độ của động cơ khi các thông số nhiệt, cơ… của động cơ bị vi phạm, phù hợp với yêu cầu của phụ tải

- Các xung điều khiển này có cùng chu kỳ với u2 nhưng

xuất hiện sau u2 Các xung it1 và it3 xuất hiện sau u2 một

góc α

- Các xung it2 và it4 xuất hiện sau u2

một góc π +α Các Trisisto này sẽ tự

động khoá lại khi u2 =0

- Phụ tải được biểu diễn bằng một sức phản điện động E, điện trở R và điện cảm L Ta chỉ xét mạch này khi L rất lớn và E nhỏ hơn giá trị trung bình của điện áp chỉnh

- lưu Trong trường hợp này, mạch làm việc ở chế độ cung cấp liên tục, dòng qua phụ

- tải hầu như không đổi và bằng giá trị trung bình của nó Id

- Tương ứng với góc mở ta có hai chế độ làm việc của mạch chỉnh lưu là:

- Khi α < π /2 và E < 0 mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu

Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Tổng hợp hệ thống điện cơ

GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN

- Khi α > π /2 và E > 0 mạch làm việc chế độ nghịch lưu phụ thuộc

- Ta chỉ xét trường hợp mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc điều khiển α < π /2 và E > 0

Hoạt động:

- Trong nửa chu kỳ đầu của điện áp chỉnh lưu (0 < ωt < π), U2 > 0, các Tiristor T1 và T3

- Phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở

Tại thời điểm α = θ1 = ωt1 ta cho xung điều khiển mở T1 và T3 : Ud = U2

- Dòng điện đi từ A qua T1 đến tải rồi qua T3 về B

- Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải )

Ud = U2 = U2msin ωt (v)

- Khi T1 và T3 mở cho dòng chảy qua ta có phương trình để xát định dòng điện qua tải:

Ldi/dt + R.id + E = U2 = U2msin ωt (v)

- Tại lúc góc pha bằng π, U2 = 0 nhưng T1 và T3 vẫn chưa bị khóa vì dòng qua chúng vẫn còn lớn hơn 0

- Trong nửa chu kỳ sau của điện áp chỉnh lưu (π < ωt< 2π), U2 < 0 , các Tiristor T2 và T4

- phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở

- Tại thời điểm θ = θ2= ωt2 = π + α ta cho xung điều khiển mở T2 và T4 :

Ud = -U2

- Dòng điện đi từ B qua T2 đến tải rồi qua T4 về A

- Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải )

1.2 Nguyên lý hoạt động của mạch

- Khi có tín hiệu vào bộ điều khiển, bộ điều khiển xử lý tín hiệu và phát xung điều khiển vào BBĐ

- Bộ biến đổi nhận tín hiệu từ bộ điều khiển, kích mở các van tiristo, cấp nguồn cho động cơ hoạt động

- Động cơ hoạt động được bộ phận đo lường (máy phát tốc) lấy lại thông

số tốc độ, rồi xử lý tín hiệu tốc độ thành tín hiệu điện áp và truyền tín hiệu lại bộ điều khiển

- Bộ điều khiển tổng hợp và so sánh tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi từ đó đưa ra sai lệch và điều chỉnh

Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Tổng hợp hệ thống điện cơ

GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN

CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU CHỈNH

2.1 Thiết kế mạch vòng điều chỉnh tốc độ bỏ qua sức điện động E

Vì động cơ còn bị ảnh hưởng bởi yếu tố thay đổi của tải trọng nên trong

trường hợp này chúng ta sẽ tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ theo tiêu

chuẩn tối ưu đối xứng để có thể đạt được yêu cầu vô sai cấp cao

Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ:

   : Với Klà hệ số phản hồi của máy phát tốc

Tlà hằng số thời gian của máy phát tốc

Ta có sơ đồ rút gọn như sau:

Sơ đồ cấu trúc 1 mạch vòng tốc độ điều chỉnh động cơ một chiều kích từ độc lập

1𝐽𝑝Đặt: Ts = Tđk+ T+ Tv0

Hằng số thời gian cơ học:

𝑇𝑐 = 𝑅ư 𝐽(𝐾𝜙)2 => 𝐾𝜙 1

𝐽𝑝 =

𝑅ư

𝐾𝜙 𝑇𝑐𝑝Thực hiện biến đổi ta rút ra được:

𝑆0𝜔 = 𝐾𝑏 𝐾𝜔

𝐾𝜙 𝑇𝑐𝑝(1 + 𝑝 𝑇𝑠) (1 + 𝑝𝑇ư)

Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Tổng hợp hệ thống điện cơ

GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN

Như vậy sơ đồ sẽ có dạng như sau:



Trong đó: b

1

K KK

2.2 Tính Toán Với Số Liệu Đã Cho

Hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lưu:

k 0,001(s)

 Ts= 0,01+0,001+0,003=0,014(s)

Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Tổng hợp hệ thống điện cơ

GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN

K1 = (Kbđ Kω)

27,5 ∗ 0.0691.7 = 1,11

Thay các giá trị vào biểu thức ở trên ta được hàm điều chỉnh như sau:

𝑅𝜔 = 0,07497 + 1

0,0307𝑝 +

0,023016𝑝20,0307𝑝Đối tượng điều chỉnh:

Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Tổng hợp hệ thống điện cơ

GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN

𝐾𝑅 = 𝑅1

𝑅2 = 0,07497 Suy ra:

𝑅2 = 0,41𝐶2

Sơ đồ cấu trúc mô phỏng trong Matlab:

Chỉnh định thông số của bộ điều khiển ta thu được

Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Tổng hợp hệ thống điện cơ

GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN

Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch điều khiển tốc độ

cho hệ truyền động điện

3.1.1 Chọn bộ biến đổi

Xác định điện áp chỉnh lưu không tải:

Bộ biến đổi điện áp chỉnh lưu Thysisto cần có giá trị điện áp không tải đảm

bảocung cấp cho phần ứng của động cơ một chiều hoạt động

Điện áp chỉnh lưu không tải được tính như sau:

Udo = (Udm + 4%Udm + 1,5%Udm + 0,8%Udm + ∆Urt) (1)

Trong đó: Udm : điện áp chỉnh lưu cực đại Udm = Eưdm = 110 V 4%Udm : sụt áp trên điện trở MBA

1,5%Udm : sụt áp trên điện kháng MBA

∆Urt : sụt áp trên 2 Tiristor nối tiếp ∆Ur ≈ 2 V

Thay các trị số vào phương trình (1) ta được:Ud = (220+ 0,04.220 + 0,015.220

+ 0,08.220 + 2) = 235,86 V

Vậy điện áp chỉnh lưu không tải Ud = 235,86 V

Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp MBA

Ta có: ud= √2U2

π cos 𝛼 Với 𝛼 = 0

Xác định dòng chỉnh lưu và dòng trong mỗi pha của MBA :

Yêu cầu về mặt kỹ thuật các Tiristor phải chịu được :

Điện áp ngược lớn nhất : Ung = Ku.Uim =1,6.370,29 = 592,464 V

Dòng điện trung bình Itb = Ki.I0 = 1,3.6,25 = 8,125 A

Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Tổng hợp hệ thống điện cơ

GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN

3.2 Thiết kế mạch điều khiển xung

1 Khái niệm chung: Tiristor chỉ mở cho dòng chảy qua khi có điện áp dương đặt vào anot và xung ápdương đặt vào cực điều khiển Sau khi Thyrissto mở thì xung điều khiển không còn tác dụng và dòng điện chảy qua Tiristor do thông số của mạch động lực quyếtđịnh.Để điều khiển sự mở của Tiristor theo đúng thời điểm yêu cấu thì trong mạchta phải thiết kế hệ thống mạch điều khiển.Hệ thống mạch điều khiển thiết bị biếnđổi chỉnh lưu là tổ hợp các linh kiện điện từ, điện

tử đóng vai trò rất quan trọngtrong các thiết bị biến đổi Mạch điều khiển có các chức năng sau:_ Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu

kỳ dương củađiện áp đặt trên anot_catot của Tiristor._ Tạo ra các xung đủ điều kiện mở được Tiristor.Đối với hệ thống điều khiển chỉnh lưu, mạch điều khiển cần đáp ứng có cácyêu cầu sau: - Tạo ra dãy xung có công suất và độ rộng xung đủ để mở Tiristorr tuỳ theo yêu cầucủa Tiristor.( Xung trong thiết bị chỉnh lưu thường có biên độ từ 2 đến 10V, độrộng xung tx = 20 100μs.)- Phải dịch pha xung điều khiển so với điện áp nguồn do đó yêu cầu thay đổi trị sốđiện áp

ra Muốn dịch pha phải có đồng pha do Tiristorr làm việc ở mạch AC Để dịch pha xung điều khiển có 3 nguyên tắc:+ Dịch chuyển theo chiều ngang+ Dịch chuyển theo chiều đứng tuyến tính+ Dịch chuyển theo chiều đứng phi tuyến tính ( ARCCOS).Với bộ biến đổi chỉnh lưu một pha hai nửa chu kì này ta thực hiện theo nguyên tắc điều khiển dịch chuyển theo chiều đứng ARCCOS

𝑇1 = 𝑅1

𝐶2 = 0,0307

𝐾𝑅 = 𝑅1

𝑅2 = 0,07497 Mạch điểu khiển

Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Tổng hợp hệ thống điện cơ

GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN Khâu tạo điện áp điểu khiển

Khâu so sánh: