Thiết kế bộ điều khiển ổn định tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập khi sử dụng mạch động lực là bộ băm xung động cơ

MỤC LỤC 1 LỜI NÓI ĐẦU Hiện động điện chiều đóng vai trò quan trọng ngành công nghiệp sống Động điện chiều ứng dụng phổ biến ngành công nghiệp khí, nhà máy cán thép, nhà máy xi măng…Để thực nhiệm vụ công nghiệp đại với độ xác cao, lắp ráp dây chuyền sản xuất, yêu cầu có điều khiển Đối với phương pháp điều khiển kinh điển cấu trúc đơn giản bền vững nên điều khiển PID (tỉ lệ, tích phân, vi phân…) dùng phổ biến hệ điều khiển công nghiệp Mục tiêu điều khiển nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự đông Tuy nhiên, thực tế có nhiều đối tượng điều khiển khác nhau, với yêu cầu đặc tính phức tạp khác Do cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm phương pháp điều khiển cho hệ truyền động điện ngày đạt chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp hiệu đạt cao nhất, đáp ứng yêu cầu tự động hóa truyền động diện dây truyền sản xuất Trong kỳ em nhận đề tài :“ Thiết kế điều khiển ổn định tốc độ động chiều kích từ độc lập sử dụng mạch động lực băm xung - động ” Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ bảo tận tình thầy Trần Tiến Lương trình làm với đề tài Mặc dù cố gắng nhiều không tránh khỏi sai sót định, em mong góp ý, bảo thêm thầy, cô 2 Chương 1: Giới thiệu điều khiển ổn định tốc độ động chiều kích từ độc lập Giới thiệu chung động điện chiều kích từ độc lập Tầm quan trọng động điện chiều - Sơ đồ cấu trúc động điện chiều: 1.1 1.1.1 - - - Trong đời sống người, động điện chiều sử dụng phổ biến nhiều lĩnh vực: • Các phận khởi động ô tô, xe máy, máy kéo… • Các hệ truyền động có công suất nhỏ quạt điện, máy xay sinh tố, động bơm nước… • Lĩnh vực nghiên cứu, giảng dạy… Trong công nghiệp, động điện chiều có vai trò quan trọng, ứng dụng máy cắt kim loại, máy công cụ, giao thông vận tải hay thiết bị cần trục máy ép, máy bơm, máy nghiền, máy cán… Ưu điểm động điện chiều: • Động điện môt chiều có phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng: Vì động điện chiều điều chỉnh tốc độ thông qua việc  thay đổi , nên tốc độ động điều chỉnh tốc độ miền tốc độ định mức • Chất lượng điều chỉnh tốc độ tốt, dễ điều chỉnh tốc độ Do động điện chiều có đường đặc tính dạng tuyến tính ( ) nên dễ dàng điều khiển tốc độ Đặc biệt với động điện chiều kích từ độc lập có phần kích từ phần ứng riêng biệt nên dễ cho việc điều khiển • Chất lượng điều chỉnh tốc độ tốt: biến đổi động điện chiều có khả tạo sai số tốc độ nhỏ, độ trơn điều chỉnh mịn, dải điều chỉnh rộng… • Động điện chiều có dòng mở máy mô men mở máy nhỏ có khả tải mô men = ; ; M= • Công suất phía kích từ động kích từ độc lập nhỏ công suất phần ứng động Chính vậy, sử dụng dây truyền cán… • Ngoài ưu điểm động điện chiều có cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản so với loại động khác Chính vậy, động điện chiều sử dụng phổ biến nghành công nghiệp yêu cầu mômen mở máy lớn yêu cầu điều chỉnh tốc độ xác, phẳng, phạm vi điều chỉnh rộng nghành cán thép, hầm mỏ… - Nhược điểm động điện chiều: • Cần nguồn chiều • Bảo quản cổ góp phức tạp • Dễ sinh tia lửa điện • Giá thành cao… • Mặc dù có nhiều nhược điểm động điện chiều có vai trò quan trọng sản xuất, phát triển công nghiệp sử dụng phổ biến sống Kết luận: Động điện chiều có nhiều nhược điểm, song không mà động điện chiều ưu so với loại động khác, sử dụng phổ biến, ngày cải tiến, khắc phục nhược điểm vốn có nâng cao hiệu suất động cơ… 1.1.2 Giới thiệu chung động điện chiều • Động điện chiều kích từ độc lập nghĩa phần ứng phần kích từ cấp từ nguồn riêng rẽ • Cấu tạo chung động điện chiều Động điện chiều gồm có: - Phần cảm (stato) - Phần ứng (roto) - Hệ thống chổi than, cổ góp • Stato: phần đứng yên máy, gồm phần sau: - Cực từ - Cực từ phụ Gông từ Các phận khác +) Cực từ chính: phận sinh từ trường gồm: - Lõi sắt làm thép kỹ thuật điện ( thép cacbon ) dày từ 0,5-1 mm, ép tán chặt lại Dây quấn kích từ: quấn dây đồng có bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối, tẩm sơn cách điện trước đặt lên cực từ +) Cực từ phụ: Đặt cực từ với tác dụng cải thiện đổi chiều gồm: - Lõi thép: làm thép khối Dây quấn: làm đồng, có bọc cách điện, cuộn dây bọc cách điện tạo thành khối tẩm sơn cách điện trước đặt lên cực từ phụ +) Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ để nối liền cực từ đồng thời làm vớ máy +) Các phận khác bao gồm: - - Nắp máy có tác dụng để bảo vệ máy đảm bảo an toàn vận hành Cơ cấu chổi than: Đưa dòng điện từ phần quay ngoài, gồm chổi than đặt hộp chổi than nhờ lò xo tỳ chặt lên cổ góp • Roto: Là phần quay động cơ, bao gồm: Lõi sắt phần ứng Dây quấn phần ứng Cổ góp Các phận khác +) Lõi sắt phần ứng: Có tác dụng dẫn từ, làm từ thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0,5mm phủ cách điện mặt ép chặt để giảm tổn hao dòng điện xoáy +) Dây quấn phần ứng: Có tác dụng sinh sức điện động có dòng điện chạy qua Nó làm dây đồng có bọc cách điện, quấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép +) Cổ góp: Cổ góp gọi vành góp hay vành đảo chiều Dùng để đổi dòng điện xoay chiều thành dòng chiều +) Các phận khác bao gồm: Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy Trục máy: Là phận đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt, ổ bi…Trục máy thường làm thép cacbon tốt • Hệ thống chổi than- cổ góp: Dùng để đưa điện áp chiều cuộn dây phần ứng đổi chiều dòng điện cuộn dây phần ứng Số lượng chổi than số lượng cực từ ( nửa có cực tính dương, nửa có cực tính âm ) 1.1.3 Lý thuyết máy phát tốc - Khái niệm: Máy phát tốc thiết bị dùng để đo tốc độ động - Cấu tạo: gồm phần phần cảm phần ứng - Phân loại: dựa vào tín hiệu ta chia làm loại máy phát tốc: máy phát tốc xoay chiều máy phát tốc chiều Máy phát tốc chiều: - Máy phát tốc chiều thực máy phát điện chiều loại nhỏ - Về cấu tạo gồm phần chính: stato, roto, cổ góp, chổi quét - 1) Sơ đồ máy phát điện chiều 1.stato 2.roto 3.cổ góp 4.chổi quét 2) Máy phát tốc xoay chiều: - Phân loại: Máy phát tốc xoay chiều đồng không đồng   Máy phát tốc xoay chiều đồng bộ: - Là máy phát xoay chiều loại nhỏ roto máy nhiều nam châm điện Sơ đồ cấu tạo máy phát tốc đồng 1.stato 2.roto Máy phát tốc xoay chiều không đồng bộ: - Roto đĩa hình trụ kim loại mỏng dị từ quay tốc độ với trục cần đo, khối lượng quán tính không đáng kể - Stato làm thép từ tính bố trí cuộn dây cuộn cuộn kích thích Sơ đồ cấu tạo máy phát tốc không đồng 1.Cuộn kích 2.Roto 3.Cuộn đo 1.2 Bộ điều chỉnh ổn định động chiều kích từ độc lập 1.2.1 Đặc tính động chiều kích từ độc lập - Khi nguồn chiều có công suất không đủ lớn mạch điện phần ứng mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập Lúc động gọi động điện chiều kích từ độc lập Hình Sơ đồ nối dây động điện chiều kích từ độc lập - Ta có phương trình cân điện áp mạch phần ứng sau: = (1.1) Trong đó: Điện áp phần ứng, V Sức điện động phần ứng, V Điện trở phần ứng, ôm Dòng điện phần ứng, A Với 7 : Điện trở mạch phần ứng : Điện trở cuộn bù : Điện trở cuộn phụ Sức điện động phần ứng động xác định theo biểu thức: E= (1.2) Trong đó: P: số đôi cực từ N: số dẫn tác dụng dây phần ứng a: số đôi mạch nhánh song song từ thông kích từ cực từ tốc độ góc (rad/s) : hệ số cấu tạo động Từ (1.1) (1.2) ta có: Biểu thức phương trình đặc tính động điện Động điều khiển sử dụng rộng rãi thực tế Ưu điểm bật cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, vốn đầu tư ít, giá thành hạ, trọng lượng, kích thước nhỏ dùng công suất định mức so với động chiều Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ khống chế trình độ khó khăn hơn, động điều khiển lồng sóc có tiêu khởi động xấu (dòng khởi động lớn, momen khởi động nhỏ) Trong thời gian gần đây, phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất kỹ thuật điện tin học, động điều khiển khai thác ưu điểm chúng Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu so với hệ Tiristo- Động chiều Điều khiển tốc độ yêu cầu cần thiết tất yếu máy sản xuất Ta biết hầu hết máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn cấp độ khác để tối ưu hóa trình sản xuất Muốn có tốc độ khác máy ta thay đổi cấu trúc học máy tỷ số truyền thay đổi tốc độ động truyền động Tốc độ làm việc động người điều khiển quy định gọi tốc độ đặt Độ ổn định tốc độ ảnh hưởng quan trọng đến dải điều chỉnh (phạm vi điều chỉnh tốc độ) khả tải động Độ 1.2.2 - - - 8  ổn định cao dải điều chỉnh có khả mở rộng momen tải lớn - Dựa vào đặc tính động điện chiều ta có phương pháp điều khiển tốc độ sau: Điều khiển tốc độ cách thay đổi từ thông - Giả thiết U= , = const Muốn thay đổi từ thông động ta thay đổi dòng điện kích từ, cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ - Bình thường động làm việc chế độ định mức với kích thước tối đa () mà phương pháp cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên điều chỉnh theo hướng giảm từ thông tức điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức Nên giảm từ thông tốc độ không tải lý tưởng tăng, độ cứng đặc tính giảm, ta thu họ đặc tính tự nhiên Hình Đặc tính động giảm từ thông Khi tăng tốc độ động cách giảm từ thông dòng điện tăng tăng vượt mức giá trị cho phép momen không đổi Vì muốn giữ cho dòng điện không vượt giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông ta phải giảm theo tỉ lệ Điều khiển tốc độ cách thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng -  9 Hình Sơ đồ điều chỉnh tốc độ đặc tính Nguyên lý điều chỉnh: Khi thay đổi với giá trị khác thay đổi tỷ lệ, =const, ta họ đặc tính chung có tốc độ khác tốc độ làm việc xác lập tương ứng Qua hình ta có =const Và: < < 3.2 Bộ điều khiển dòng điện Hình Sơ đồ mô 3.3 Bộ điều khiển ổn định tốc độ động Hình 10 Sơ đồ mô 3.4 Kết mô 18 18  19 Nhận xét - Kết mô với lý thuyết học - Sai lệch tĩnh xấp xỉ - Thời gian độ 0,6(s), đến thời điểm 1(s) lại có dao động nhẹ đến 1,2 (s) trở lại ổn định - Độ điều chỉnh cao khoảng 6% - Khi cho momen cản vào điều khiển thực chức đưa tốc độ Ysp 19 KẾT LUẬN Sau trình học tập nghiên cứu với giúp đỡ hướng dẫn thày Trần Tiến Lương Em hoàn thành tập giao: “ Thiết kế điều khiển ổn định tốc độ động chiều kích từ độc lập sử dụng mạch động lực băm xung - động ’’ Các nhiệm vụ tập: - Xây dựng mô hình động chiều - Xây dựng mô hình điều khiển truyền động cho hệ - Tính chọn điều khiển - Tính chọn phần tử công suất - Thiết kế mạch điều khiển Trong trình thực làm em có nhiều sai sót, em mong dẫn thầy Em xin chân thành cảm ơn ! 20 20 Tài liệu tham khảo: 1.Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2008), Điều chỉnh tự động truyền động điện NXB Khoa học kỹ thuật Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2005), Cơ Sở Truyền Động Điện NXB Khoa học kỹ thuật Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động NXB Khoa học kỹ thuật 21 21 [...]... năng đưa tốc độ về Ysp 19 KẾT LUẬN Sau quá trình học tập và nghiên cứu cùng với sự giúp đỡ hướng dẫn của thày Trần Tiến Lương Em đã hoàn thành được bài tập được giao: “ Thiết kế bộ điều khi n ổn định tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập khi sử dụng mạch động lực là bộ băm xung - động cơ ’’ Các nhiệm vụ của bài tập: - Xây dựng mô hình động cơ một chiều - Xây dựng mô hình điều khi n truyền động cho... thay đổi tốc độ của động cơ, cho nên có thể coi tại thời điểm mà dòng điện thay đổi đó tốc độ động cơ gần như không đổi vì vậy có thể 14 bỏ qua sức điện động khi tổng hợp bộ điều khi n hoặc muốn đảm bảo tính chính xác người ta cũng có thể tổng hợp bộ điều khi n khi tính đến sức điện động E của động cơ 2.3 Tổng hợp mạch vòng dòng điện - Bỏ qua các nhiễu khi đó mô hình tính toán bộ điều khi n là: - Ta... trúc điều khi n 2.1 Đề xuất cấu trúc điều khi n - Cấu trúc được mô tả như sau: 12 12 Hình 5 Cấu trúc cơ bản một hệ điện cơ Trong đó: - BBĐ: bộ biến đổi - M: động cơ : bộ điều khi n đo tốc độ, : bộ điều khi n đo dòng - Đo I: đo dòng điện, Đo : đo tốc độ Máy phát tốc TDP 13 - Máy phát tốc dùng để đo và ổn định tốc độ động cơ - Dung sai tuyến tính: - Hệ số nhiệt độ: - Điện áp mở mạch: 20 => 200mV - Kích. .. K BD K iT∑  Tu s  Vậy bộ điều khi n là một bộ PI Hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện có dạng: 1 Iu Ki Fi = = I sp 1 + 2T∑ s + 2T∑ 2 s 2.4 Tổng hợp mạch vòng tốc độ - Xuất phát từ cấu trúc điều khi n tốc độ: - Để tổng hợp bộ điều khi n , ta bỏ qua sức điện động E và nhiễu momen cản Đưa mô hình về dạng chuẩn: là hàm truyền đối tượng của bộ điều khi n tốc độ: 16 Do và đều là những hằng số time nhỏ...Hình 4 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ và các đường đặc tính Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà momen tải là hàm tăng theo tốc độ như máy bơm, quạt gió… Có thể dùng máy biến áp tự ngẫu, điện kháng hoặc bộ biến đổi bán dẫn làm điện áp xoay chiều cho động cơ điều khi n Giới thiệu chung về bộ băm xung- động cơ - Băm xung một chiều có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có... điều khi n dòng điện Hình 9 Sơ đồ mô phỏng 3.3 Bộ điều khi n ổn định tốc độ động cơ Hình 10 Sơ đồ mô phỏng 3.4 Kết quả mô phỏng 18 18  19 Nhận xét - Kết quả mô phỏng đúng với lý thuyết đã được học - Sai lệch tĩnh xấp xỉ bằng 0 - Thời gian quá độ 0,6(s), đến thời điểm 1(s) lại có sự dao động nhẹ và đến 1,2 (s) đã trở lại ổn định - Độ quá điều chỉnh cao khoảng 6% - Khi cho momen cản vào thì bộ điều khi n. .. có ưu điểm là có thể thay đổi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao vì tổn thất của bộ biến đổi chủ yếu trên các phần tử đóng cắt rất nhỏ - So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng điện trở, bằng máy phát một chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điều khi n thì... pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được chế độ hãm tái sinh của động cơ Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khi n trơn tru, chi phí bao trì thấp, kích thước... Mạch băm xung đặc biệt thích hợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ - Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khi n theo mức mong muốn mặc dù điện thế đầu vào có thể là hằng số (ắc quy,pin), hoặc biến thiên (đầu ra của chỉnh lưu), tải có thể thay đổi Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bình đầu ra có thể điều khi n bằng 2 cách: • Thay đổi độ rộng xung • Thay đổi tần số băm xung. .. : Hằng số khuếch đại của bộ biến đổi công suất : Hằng số thời gian mở van công suất : Hằng số thời gian mạch điều khi n mở van công suất Các hằng số phụ thuộc vào các bộ công suất khác nhau nhưng thông thường có giá trị (0,0010,01)s Kết hợp với sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều ta có mô hình tính toán bộ điều khi n dòng điện như sau: - - 14 Mô hình tính toán bộ điều khi n dòng Người ta thấy