Xây dựng mô hình điều khiển dòng điện cho động cơ một chiều với mạch dòng vòng thích nghi với từng xung dòng

LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay động cơ điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta Động cơ điện một chiều được ứng dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà máy cán thép, nhà máy xi măng…Để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp hiện đại với độ chính xác cao, lắp giáp các dây chuyền sản xuất, yêu có bộ điều khiển Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển do cấu trúc đơb giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID (tỉ lệ, tích phân, vi phân) được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp Mục tiêu của điều khiển là nâng cao chất lượng các hệ thống điều khiển tự đông Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tượng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau Do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cho hệ truyền động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa truyền động diện và trong các dây truyền sản xuất Trong kỳ này em nhận được đề tài :“Xây dựng mô hình điều khiển dòng điện cho động cơ một chiều với mạch dòng vòng thích nghi với từng xung dòng” Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của thầy Trần TiếnLương trong quá trình làm bài với đề tài trên Mặc dù đã cố gắng nhiều nhưng cũng không tránh khỏi những sai sót nhất định, em mong được sự góp ý, chỉ bảo thêm của thầy, cô 1 MỤC LỤC ‘ 2 Chương1 Giới thiệu về mô hình điều khiển dòng điện cho động cơ một chiều mạch vòng 1.1 Giới thiệu chung về đồng cơ kích từ độc lập 1.1.1.Tổng quan về máy điện một chiều 1 Khái niệm Động cơ điện một chiều là loại máy điện làm việc với nguồn điện một chiều Chúng có thể vận hành theo chế độ máy phát hoặc chế độ động cơ Nghĩa là máy điện một chiều có thể biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại 2 Cấu tạo Cấu tạo máy điện một chiều gồm 3 phần chính :phần quay; phần tĩnh; bộ phận chổi than, cổ góp a) Phần tĩnh: phần tĩnh luôn chứa phần cảm Phần cảm là phần nhận năng lượng điện một chiều để tạo ra từ trường kích từ trong máy Phần tĩnh bao gồm: vỏ máy; các hệ thống cực từ; dây quấn kích từ; các bộ phận còn lại khác Hình 1.1.Cấu tạo máy điện một chiều -Vỏ máy: là mạch từ, dùng để dẫn từ và gá lắp các cực từ, ngoài ra vỏ máy còn làm nhiệm vụ bảo vệ máy Vỏ máy được làm bằng thép đúc -Cực từ chính thực tế gồm 2 phần : thân cực và mặt cực: thân cực làm bằng thép đúc, mặt cực làm bằng thép lá KTĐ Cực từ chính có nhiệm vụ dùng để quấn 3 dây kích từ và để tạo ra từ trường phần cảm gọi là từ trường kích từ Trên cực từ chính người ta quấn dây kích từ Wkt -Cực từ phụ: làm bằng thép đúc, mặt cực có khe khí với roto rộng hơn so với cực từ chính Trên cực từ phụ , được quấn dây kích từ phụ W p, nó tạo ra từ trường phụ -Dây quấn : là mạch điện, dùng để dẫn điện, nó được làm bằng dây đồng bọc cách điện hoặc dây êmay Dây quấn bao gồm các loại sau: + Dây quấn kích từ song song, hay dây quấn kích từ độc lập: Wss có nội trở lớn, số vòng dây lớn , tiết diện nhỏ, quấn trên cực từ chính + Dây quấn kích từ nối tiếp: Wnt có nội tở nhỏ, số vòng dây ít, tiết diện lớn, quấn trên cực từ chính, cuộn dây kích từ nối tiếp được đấu nối tiếp với phần ứng qua chổi than và cổ góp, dòng điện qua cuộn dây Wnt bằng dòng điện qua cuộn dây phàn ứng Wư trên roto + Dây quấn phụ Wp: được quấn trên cực từ phụ , dòng điên qua nó bằng dòng điện qua cuộn dây nối tiếp -Ngoài ra phần tĩnh còn có: nắp máy ở hai đầu để đỡ rôto Hai đầu trục có hai vòng bi, trên thân máy còn có trụ đấu dây, đế máy, giá đỡ chổi than, biển máy, móc vận chuyển b) Phần quay (rôto), luôn chứa phần ứng Phần ứng là phần cảm ứng ra các sức điện động xoay chiều, gồm có : lõi thép, dây quấn, trục máy, các bộ phận khác -Lõi thép là mạch từ của rôto, được cấu tạo từ các lá thép KTĐ ghép lại với nhau Chu vi mặt ngoài của rôto xẻ các rãnh đều đặn để đặt dây -Dây quấn là mạch điện của rôto, dây quấn là dât đồng bọc cách điện hay dây êmay Kiểu quấn là quấn rải đều trên chu vi mặt ngoài của roto Dây quấn phần ứng có cấu tạo gồm nhiều phần tử dây (mô- bin dây) nối tiếp nhau tạo thành vòng khép kín Hai đầu các phần tử dây được nối đến 2 phiến góp của cổ góp -Trục roto được làm bằng thép hợp kim có độ bền cơ khí rất cao Trục dùng để đỡ roto và được quay tự do bởi hai đầu có hai vòng bi -Ngoài ra phần quay còn có cổ góp, cánh quạt làm mát 4 c) Cổ góp và chổi than: cổ góp và chổi than là bộ phận chỉnh lưu cơ khí (đối với máy phát) hay nghịch lưu cơ khí (đối với động cơ), để biến loại dòng điện đưa vào hay đưa ra roto -Cổ góp (còn gọi là vành góp) có cấu tạo bởi nhiều phiến góp bằng đồng Các phiến góp được cách điện với nhau Các đầu dây của các mô bin dây được nối đến các phiến góp Hình 1.2.Cấu tạo cổ góp máy điện một chiều -Chổi than: là thiết bị đưa dòng điện vào roto hoặc ra khỏi roto Chổi than có cấu tạo bằng than granit vừa có độ bền cơ, vừa chống mài mòn vừa có độ dẫn điện cao Chổi than đặt trong hộp chổi than là bộ phận giữ chổi than Hộp chổi than đặt trên giá đỡ chổi than và bắt chặt bằng ốc vít Giá chổi than, hộp chổi than đều được cách điện với vỏ máy Gía chổi than có thể điều chỉnh được vị trí bằng các ốc hãm Để tăng tiếp xúc và giữ chặt chổi than có các lò xo tỳ lên các chổi, các lò xo này có thể điều chỉnh được độ căng d) Phân loại -Theo chức năng +Máy phát điện một chiều +Động cơ điện một chiều -Theo phương pháp kích từ +Máy điện một chiều kích từ độc lập +Máy điện một chiều kích từ song song +Máy điện kích từ hỗn hợp 5 1.1.2.Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập Khi nguồn điện một chiều có công suất đủ không lớn thì nguồn kích từ phải độc lập với nguồn phần ứng Ta có sơ đồ nguyên lý Hình 1.3.Sơ đồ nguyên lý của động cơ kích từ độc lập Phương trình đạc tính cơ: ω= R + Rf Uu + u M dt kφdm ( kφm ) 2 Với Uư : điện áp phần ứng Rư :điện trở mạch phần ứng Rf :điện trở phụ mạch phần ứng Hình 1.4 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 1.2.Mô hình điều khiển cho động cơ Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn được dùng phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều từ 6 vài W đến hàng MW Xét giản đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều như hình 1.5 Hình 1.5 Giản đồ thay thế động cơ một chiều Khi đó động cơ này được mô tả bởi các phương trình toán như sau +phương trình điện áp mạch kích từ : U k = I k Rk + N k d φk dt Chuyển sang laplace: U k = I k Rk + N k sφ Trong đó: -Ukt :điện áp kích từ -Ikt :dòng điện kích từ -Ф: từ thông động cơ -Nk : số vòng dây cuộn kích từ -Rk : điện trở mạch kích từ +phương trình điện áp phần ứng U u = I u Ru + Lu dI u dφ + E ± NN dt dt Chuyển sang laplace ta được: U u = I u Ru + Lu sI u + E ± N N sφ 7 Trong đó: -Uư : điện áp phần ứng -Iư : dòng điện phần ứng -Rư : điện trở phần ứng -Lư : điện cảm phần ứng -E=kфɷ :sức điện động phần ứng -k : hệ số động cơ -ɷ : tốc độ động cơ (rad/s) -NN : số vòng dây cuộn nối tiếp +Phương trình mômen: Me − Mc = J dω dt Chuyển sang laplace: M e − M c = Jsω Trong đó: -Me=kфIư -Iư : dòng điện phần ứng -Me : mômen điện của động cơ -Mc : mômen cản trên trục động cơ -J :mômen quán tính của động cơ Từ các phương trình trên ta xây dựng được mô hình động cơ như hình 1.6 Quan hệ giũa từ thông ф và dòng điện kích từ Ik là một quan hệ phi tuyến mạnh lên mô hình động cơ là một mô hình phi tuyến Việc tính toán cũng như xây dựng bộ điều khiển cho đối tượng phi tuyến là phức tạp và khó khăn Vì vậy người ta thường tuyến tính hóa động cơ quanh điểm làm việc để thu được một mô hình động cơ là tuyến tính, trên cơ sở đó mới đi xây dựng được các bộ điều khiển 8 Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều 1.2.1.Mô hình tuyến tính hóa động cơ điện một chiều Các phuơng trình tuyến tính hóa được viết lại như sau: -Mạch phần ứng: U0 + ΔU(s) = Rư [I0 + ΔI(s)] +sL [I0 + ΔI(s)] + K [ф0 +Δф(s) ][ɷB + Δɷ(s)] -Mạch kích từ: Uk0 + ΔUk(s) = Rk [I0 + ΔI(s)] + sLk [Ik0 + ΔIk(s) ] -Phương trình mômen: K[I0 + ΔI(s)].[ф0 + Δф(s)] – [MB + ΔMc(s)] = Js[ɷB +Δɷ(B)] Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết được các phương trình của gia số: ΔU(s) – [kɷBΔф(s) + kф0Δɷ(s)] =RưΔI(s)(1+Tưs) ΔUk(s) = RkΔIk(s)(1+ Tưs) KI0Δф(s) + Kф0ΔI(s) – ΔMc0 = JsΔɷ(s) 9 Hình 1.7 Mô hình tuyến tính hóa động cơ điện một chiều 1.2.2.Mô hình động cơ điện một chiều kích từ độc lấp với từ thông không đổi Việc điều chỉnh kích tự trên thực tế chỉ có ý nghĩa khi cần điều khiển tốc độ động cơ nằm trên đường đặc tính cơ tự nhiên, còn trong các trường hợp khác người ta không chọn điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi kích từ Vì vậy người ta cố gắng giữ ổn định điện áp kích từ hay giữ cho từ thông động cơ là không đổi Khi đó không còn quan hệ giữa từ thông ф và dòng điện kích từ Ik Trong động cơ lên mô hình động cơ lúc này là tuyến tính Để mô tả động cơ một chiều kích từ động lập khi từ thông là hằng số chỉ cần 2 phương trình là: +phương trình điện áp phần ứng: U u = I u Ru + Lu sI u + E 10 +phương trình mômen: M e − M c = Jsω Do không cần phân biệt các chỉ số dòng điện và điện áp giữ mạch kích từ và mạch phần ứng trong động cơ điện một chiều kích từ độc lập với từ thông là hằng số nên người ta bỏ chỉ số ‘ư’ của các kí hiệu Iư và Uư và hiểu bây giờ dòng điện và điện áp chỉ mạch phần ứng khi đó mô hình động cơ được mô tả gồm: -U = IRư + LưsI + E -Me – Mc = Jsɷ Với E = kфɷ = Cu.ɷ (Cu =kф ) Me = kфI = Cu.I Từ 2 phương trình trên ta xây dựng được mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập Hình 1.8.Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều kích từ độc lập với từ thông không đổi Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi được thể hiện như hình 1.7 Bằng phương pháp đại số sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi được thu gọn như hình 1.8, trong đó đặt: Hệ số khuếch đại động cơ: Kd = 1/Cu Tc = Hằng số thời gian cơ học: Ru J Cu 2 11 U ( s) s.Tc M c ( s ) + Ru Cu I ( s) = TuTc s 2 + Tc s + 1 a) b) Hình 1.9.Các sơ đồ cấu trúc thu gọn: 12 a) Theo tốc độ; b) Theo dòng điện Chương 2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 2.1.Mô hình điều khiển - Cấu trúc được mô tả như sau: Hình 5 Cấu trúc cơ bản một hệ điện cơ Trong đó: - R: bộ điều khiển, BBĐ: bộ biến đổi - ĐC: động cơ MSX: máy sản xuất Thiết bị đo Như đã biết, hệ thống điều chỉnh tốc độ vòng kín đơn dùng phản hồi âm tốc độ và bộ điều chỉnh PI có thể đảm bảo hệ thống ở trạng thái ổn định thực hiện không có sai lệch Tuy nhiên trong hệ thống có yêu cầu chất lượng động cao yêu cầu khởi động, phanh hãm nhanh, sai lệch tốc độ ở chế độ động nhỏ thì hệ thống một mạch vòng khó thỏa mãn yêu cầu Điều này chủ yếu do trong hệ thống một mạch vòng không thể hoàn toàn khống chế dòng điện và momen của quá trình động theo yêu cầu Để khắc phục nhược điểm này, có nghĩa là để thỏa mãn các 13 yêu cầu trong chế độ động, ở đây ta sẽ sử dụng hệ điều chỉnh tốc độ với hai mạch vòng phản hồi âm tốc độ và âm dòng điện -Thiết bị đo ta sử dụng cảm biến dòng HST21- 200A AC - DC + Các thông số kỹ thuật cơ bản Dòng điện đầu vào : 50A Điện áp đầu ra : 2.5V±0.625V Điện áp nguồn cấp : +5V Nếu coi khâu đo có hàm truyền: Hằng số khuếch đại của bộ đo dòng : Hằng số thời gian mạch đo dòng - Bộ biến đổi ta sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha Sơ đồ nguyên lý - Trong quá trình tổng hợp bộ điều khiển người ta thường bỏ qua các nhiễu momen cản và các bộ biến đổi công suất được xem là một khâu quán tính bậc 2 với hàm truyền: - : Hằng số khuếch đại của bộ biến đổi công suất : Hằng số thời gian mở van công suất : Hằng số thời gian mạch điều khiển 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 14 - Kết hợp với sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều ta có mô hình tính toán bộ điều khiển dòng điện như sau: Mô hình tính toán bộ điều khiển dòng 2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện - Bỏ qua các nhiễu khi đó mô hình tính toán bộ điều khiển là: - Ta đưa về dạng chuẩn để tổng hợp bộ điều khiển: Si là hàm truyền đối tượng của bộ điều khiển dòng điện = Do ,, là những hằng số thời gian nhỏ nên ta có gần đúng mô hình về dạng: Với 15 Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có: 1 R i= Si 2τ s (1 + τ s ) 1 Ri = K BD K i 1 2τ s (1 + τ s) Ru (1 + Tu s )(1 + T∑ s ) Để hệ có đáp ứng nhanh ta chọn: τ=TΣ Ru (1 + Tu s ) Ri = 2 K BD K iT∑ s Ri =  RuTu 1  1 +  ÷ 2 K BD K iT∑  Tu s  Vậy bộ điều khiển 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 16 Chương 3 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK 3.1 Tính toán các các thông số 3.1.1.Các thông số đã biết - Pđm =4.5kw - Uđm= 110V - Iđm= 48.5A - Rư = 0.096Ω - nđm = 3000v/p - Lư = 0.0043 - J = 0.105kg.m2 3.1.2.Các thông số chọn - Ti = 0.003(s) - TDK = 0.003(s) - Tv = 0.003(s) 3.1.3.Tính toán các thông số - Tốc độ góc: - Từ thông: - Hằng số thời gian phần ứng: - Momen định mức: = - Từ sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ta có: Chọn ta có: - Vậy hàm truyền của bộ biến đổi: - Ta có : TΣ=Tv + TDK + Ti =0.003 + 0.003 + 0.003 =0.009(s) - Bộ điều khiển dòng: 17 Ri = RuTu  1  1 + ÷ 2 K BD K iT∑  Tu s  3.2.Mô hình điều khiển dòng điện 18 3.3.Kết quả mô phỏng *Nhận xét: -Lúc đầu giá trị dòng điện của động cơ tăng lên và dao động dần ổn định -Sau khi nhận tải một khoảng thời gian thì dòng điện của động cơ gần như không còn dao động nữa và đạt giá trị định mức 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 :“Xây dựng mô hình điều khiển dòng điện cho động cơ một với mạch dòng vòng thích nghi với từng xung dòng” Trong quá trình thực hiện bài làm của em có nhiều sai sót, em rất mong được sự chỉ dẫn của thầy Em xin chân thành cảm ơn ! 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 và kỹ thuật 2 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2005), Cơ Sở Truyền Động Điện NXB Khoa học và kỹ thuật 3 Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động NXB Khoa học và kỹ thuật 21