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

Động cơ điện một chiềuđược ứng dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà máy cánthép, nhà máy xi măng…Để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp hiện đạivới độ chính xác

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay động cơ điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong các ngànhcông nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta Động cơ điện một chiềuđược ứng dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà máy cánthép, nhà máy xi măng…Để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp hiện đạivới 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 bềnvững nên các bộ điều khiển PID (tỉ lệ, tích phân, vi phân) được dùng phổ biếntrong các hệ điều khiển công nghiệp Mục tiêu của điều khiển là nâng cao chấtlượng các hệ thống điều khiển tự đông Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đốitượng 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 hệtruyền động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phíthấp và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa truyềnđộng 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 khôngtránh khỏi những sai sót nhất định, em mong được sự góp ý, chỉ bảo thêm củathầy, cô

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

Chương1: Giới thiệu về mô hình điều khiển dòng điện cho động cơ một chiều mạch vòng 3

1.1 Giới thiệu chung về đồng cơ kích từ độc lập 3

1.1.1.Tổng quan về máy điện một chiều 3

1.1.2.Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập 6

1.2.Mô hình điều khiển cho động cơ 6

1.2.1.Mô hình tuyến tính hóa động cơ điện một chiều 9

1.2.2.Mô hình động cơ điện một chiều kích từ độc lấp với từ thông không đổi 10 Chương 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 13

2.1.Mô hình điều khiển 13

2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 15

Chương 3: MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK 17

3.1 Tính toán các các thông số 17

3.1.1.Các thông số đã biết 17

3.1.2.Các thông số chọn 17

3.1.3.Tính toán các thông số 17

3.2.Mô hình điều khiển dòng điện 18

3.3.Kết quả mô phỏng 19

KẾT LUẬN 20

Tài liệu tham khảo: 21

‘

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 làmáy điện một chiều có thể biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại

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 cònlàm 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 thépđúc, mặt cực làm bằng thép lá KTĐ Cực từ chính có nhiệm vụ dùng để quấndây kích từ và để tạo ra từ trường phần cảm gọi là từ trường kích từ Trên cực từchính người ta quấn dây kích từ Wkt .

-Cực từ phụ: làm bằng thép đúc, mặt cực có khe khí với roto rộng hơn so vớicực từ chính Trên cực từ phụ , được quấn dây kích từ phụ Wp, nó tạo ra từtrường phụ

-Dây quấn : là mạch điện, dùng để dẫn điện, nó được làm bằng dây đồng bọccách 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 ứngqua chổi than và cổ góp, dòng điện qua cuộn dây Wnt bằng dòng điện qua cuộndây phàn ứng Wư trên roto

+ Dây quấn phụ Wp: được quấn trên cực từ phụ , dòng điên qua nó bằng dòngđiện qua cuộn dây nối tiếp

-Ngoài ra phần tĩnh còn có: nắp máy ở hai đầu để đỡ rôto Hai đầu trục có haivòng 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 sứcđiện 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 nhauChu 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 dâyêmay Kiểu quấn là quấn rải đều trên chu vi mặt ngoài của roto Dây quấn phầnứng có cấu tạo gồm nhiều phần tử dây (mô- bin dây) nối tiếp nhau tạo thànhvòng 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

-Ngoài ra phần quay còn có cổ góp, cánh quạt làm mát.

c) Cổ góp và chổi than: cổ góp và chổi than là bộ phận chỉnh lưu cơ khí (đối vớimáy phát) hay nghịch lưu cơ khí (đối với động cơ), để biến loại dòng điện đưavào hay đưa ra roto

-Cổ góp (còn gọi là vành góp) có cấu tạo bởi nhiều phiến góp bằng đồng Cácphiến góp được cách điện với nhau Các đầu dây của các mô bin dây được nốiđến 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 cấutạo bằng than granit vừa có độ bền cơ, vừa chống mài mòn vừa có độ dẫn điệncao Chổi than đặt trong hộp chổi than là bộ phận giữ chổi than Hộp chổi thanđặt trên giá đỡ chổi than và bắt chặt bằng ốc vít Giá chổi than, hộp chổi thanđều được cách điện với vỏ máy Gía chổi than có thể điều chỉnh được vị trí bằngcác 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

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 phảiđộc 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

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

vài W đến hàng MW Xét giản đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều như hình1.5

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

-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 фɷ :sức điện động phần ứng và dòng điện kích từ Ik là một quan hệ phi tuyếnmạnh lên mô hình động cơ là một mô hình phi tuyến Việc tính toán cũng nhưxây dựng bộ điều khiển cho đối tượng phi tuyến là phức tạp và khó khăn Vì vậyngười 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 điềukhiển

1/R ư

1+T ư s

1 Js

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:

K[I0 + ΔU(s) = RI(s)].[фɷ :sức điện động phần ứng0 + ΔU(s) = Rфɷ :sức điện động phần ứng(s)] – [MB + ΔU(s) = RMc(s)] = Js[ɷB +ΔU(s) = Rɷ(B)]

Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viếtđược các phương trình của gia số:

ΔU(s) = RU(s) – [kɷBΔU(s) = Rфɷ :sức điện động phần ứng(s) + kфɷ :sức điện động phần ứng0ΔU(s) = Rɷ(s)] =RưΔU(s) = RI(s)(1+Tưs)

ΔU(s) = RUk(s) = RkΔU(s) = RIk(s)(1+ Tưs)

KI0ΔU(s) = Rфɷ :sức điện động phần ứng(s) + Kфɷ :sức điện động phần ứng0ΔU(s) = RI(s) – ΔU(s) = RMc0 = JsΔU(s) = Rɷ(s)

ΔI Kфɷ :sức điện động phần ứng0 ΔM

1JsB

ΔФ ΔIk

ΔUk

ΔU

ΔE

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 độđộng cơ nằm trên đường đặc tính cơ tự nhiên, còn trong các trường hợp khácngười ta không chọn điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi kích từ Vìvậy 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 фɷ :sức điện động phần ứng 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

Do không cần phân biệt các chỉ số dòng điện và điện áp giữ mạch kích từ vàmạch phần ứng trong động cơ điện một chiều kích từ độc lập với từ thông làhằng số nên người ta bỏ chỉ số ‘ư’ của các kí hiệu Iư và Uư và hiểu bây giờ dòngđiện 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 :sức điện động phần ứngɷ = Cu.ɷ (Cu =kфɷ :sức điện động phần ứng )

Me = kфɷ :sức điện động phần ứngI = Cu.I

Từ 2 phương trình trên ta xây dựng được mô hình động cơ một chiều kích từ độclập

Hệ số khuếch đại động cơ: Kd = 1/Cu

Hằng số thời gian cơ học: 2

u c

R J T

Cu



2

( ) ( ) ( )

1

c c u

Hình 1.9.Các sơ đồ cấu trúc thu gọn:

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:

- 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 hiệnkhông có sai lệch Tuy nhiên trong hệ thống có yêu cầu chất lượng động cao yêucầu khởi động, phanh hãm nhanh, sai lệch tốc độ ở chế độ động nhỏ thì hệ thốngmột mạch vòng khó thỏa mãn yêu cầu Điều này chủ yếu do trong hệ thống mộtmạch vòng không thể hoàn toàn khống chế dòng điện và momen của quá trìnhđộng theo yêu cầu Để khắc phục nhược điểm này, có nghĩa là để thỏa mãn cácyêu cầu trong chế độ động, ở đây ta sẽ sử dụng hệ điều chỉnh tốc độ với haimạch 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

K i:Hằng số khuếch đại của bộ đo dòng

T i: 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 khâuquán tính bậc 2 với hàm truyền:

(1+T v s).(1+T DK s)

- K B Đ: Hằng số khuếch đại của bộ biến đổi công suất

- T v: Hằng số thời gian mở van công suất

- T Đ K: Hằng số thời gian mạch điều khiển mở van công suất

- Các hằng số T v ,T Đ K phụ thuộc vào các bộ công suất khác nhau nhưngthông thường có giá trị (0,001÷0,01)s

- 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:

1+Tưs

IKBD

Si là hàm truyền đối tượng của bộ điều khiển dòng điện

Vậy bộ điều khiển là một bộ PI

Hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện có dạng:

u u i

R T R

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 nhưkhông còn dao động nữa và đạt giá trị định mức

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 sựchỉ dẫn của thầy

Em xin chân thành cảm ơn !

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