Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập với mạch động lực sử dụng bộ băm xung khi có đảo chiều quay’

Động cơ điện một chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm, và các cánh tay robot; để thực hiện các nhiệm

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 rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm, và các cánh tay robot; để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp hiện đại với độ chính xác cao, lắp ráp trong các dây truyền sản xuất, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ.

Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản

và bền vững nên các bộ điều khiển PID được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp.Mục tiêu điều khiển là nâng cao chất lượng các hệ thống điều khiển tự động 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 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 điện và trong các dây truyền sản xuất.

Trong học kì này em đã nhận được đề tài:” Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập với mạch động lực sử dụng bộ băm xung khi có đảo chiều quay’.

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy Trần Tiến Lương

trong quá trình là đồ án môn học với đề tài trên Mặc dù đã cố gắng nhưng cũng khôngtránh khỏi những sai xót nhất định, em mong được sự góp ý, chỉ bảo thêm của thầy,cô

CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ BỘ BIẾN ĐỔI

XUNG ÁP

1.1 CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

1.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ một chiều bao gồm 2 phần: phần cảm (startor) và phần ứng(rotor)

- Phần cảm (stator):

Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏmáy và các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng điện chạy trong dây quấnkích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau Cực từ chínhgắn với vỏ máy nhờ cat bulong Ngoài ra máy điên một chiều còn có nắp máy, cực từphụ và cơ cấu chổi than

Hình 1.1: Cực từ chính

- Phần ứng (rotor):

Rotor gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy:

+ Lõi thép phần ứng: Hình trụ bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm, được phủsơn cách điện ghép lại Các lá thép được dập các lỗ thong gió và rảnh để đặt dây quấnphần ứng

+ Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các rảnh củaphần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín Phần tử của dây quấn là một bối dâygồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của phiến góp Hai cạnhtác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên

+ Cổ góp (vành góp): gồm nhiều phiến đồng được ghép với nhau thành một khốihình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục máy.

- Chổi than: Máy có bao nhiêu cực thì có bấy nhiêu chổi than Các chổi than cùngcực tính được nối với nhau để có một cực âm dương duy nhất

- Các bộ phận khác: cánh quạt, trục máy

1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng

có dòng điện các thanh dẫn trên roto mang dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu tácdụng lực tương hỗ lên nhau tạo lên mô men tác dụng lên roto, làm quay roto Chiềulực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái

Hình1.2: Mô tả nguyên lí làm việc của động cơ một chiều

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn đối diện đổi chỗ cho nhau, nhờ cóphiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành dòng xoaychiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đó lực tácdụng lên roto cũng theo một chiều xác định, đảm bảo động cơ có chiều quay khôngđổi

Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện một chiều nóiriêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy định Chế độ đóđược đặc trưng bằng các đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là đại lượng định mức.

Phần ứng được biểu diển bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở phần stato

có thể có vài dây quấn kích từ : dây quấn kích từ độc lập ckđ, dây quấn kích từ nối tiếpckn, dây quấn cực từ phụ cf và dây quấn bù cb hệ thống các phương trình mô tả động

cơ một chiều là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường

là điện áp phần ứng u, điện áp kích thích uk, tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động

cơ , mô men quay m, dòng điện phần ứng i, hoặc trong một số trường hợp là vị trícủa rôto là  mô men tải mc là mô men do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mômen tải nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền điện tự động

Hỡnh1.3: Giản đồ kết cấu của động cơ điện một chiều

1.1.3 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập

Đặc điểm của động cơ là dòng kích từ không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộcvào điện áp và điện trở mạch kích từ

Để đảm bảo điều kiện trên thì ta mắc động cơ theo các cách mắc sau:

- Nếu nguồn một chiều có công suất và điện áp không đổi thì mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng

- Nếu nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì nguồn kích từ phải độc lập với nguồn phần ứng, ta có sơ đồ nguyên lý:

(1.1)trong đó:

r điện trở tiếp xúc chổi điện

Suất điện động của phần ứng được xác đinh theo biểu thức sau :

Eu

2

.



(1.3)Trong ó :đó :

p: số đôi cực từ chính

n : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

 : từ thông kích từ dưới một cực từ

 : tốc độ góc

N p

K

.

K

R R

N u b qua các t n th t n ng lổn thất năng lượng bên trong động cơ thì khi đó Mđt=Mcơ=M và ất năng lượng bên trong động cơ thì khi đó Mđt=Mcơ=M và ăng lượng bên trong động cơ thì khi đó Mđt=Mcơ=M và ượng bên trong động cơ thì khi đó Mđt=Mcơ=M và ng bên trong đó :ộng cơ thì khi đó Mđt=Mcơ=M và ng c thì khi ó M t=Mc =M v ơ thì khi đó Mđt=Mcơ=M và đó : đó : ơ thì khi đó Mđt=Mcơ=M và à

phươ thì khi đó Mđt=Mcơ=M và ng trình đó :ặc tính cơ của động cơ là:c tính c c a ơ thì khi đó Mđt=Mcơ=M và ủa động cơ là: đó :ộng cơ thì khi đó Mđt=Mcơ=M và ng c l :ơ thì khi đó Mđt=Mcơ=M và à

M K

R R K

U u u f

2

)( 



(1.5)

Từ các phương trình trên mối quan hệ ω=f(M) và f(M) và ω=f(M) và f(I) được biểu diển như hình sau:

Hình 1.6: Dạng đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ một chiều

1.2.CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

a Chế độ xác lập của động cơ một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông φ Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thong kích từ tạo thành mô men điện từ, giá trị mô men điện từ được tính như sau:

M=f(M) và 2 π α p N φI=f(M) và k.φI (1.6)

Trong đó:α- số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng

p- số đôi cực của động cơ

N- số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ

K=f(M) và 2 π α p N : hệ số kết cấu của máy

Mô men kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng suất điện động:

E=f(M) và 2 π α p N φω=f(M) và k.φω (1.7)

Trong đó: ω- là tốc độ góc của roto

Trong chế độ , có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng:

ω=f(M) và U−Ru I kφφ (1.8)

trong đó : Ru - điện trở mạch phần ứng của động cơ

Với các phương trình (1.6)và (1.8) có thể vẽ được họ đặc tính cơ M(ω) của động cơ mọt chiều khi từ thong không đổi

b Chế độ quá độ của động cơ một chiều

Nếu các thong số của động cơ là không đoit thì có thể viết được các phương trình mô tả sơ

đồ thay thế hình 1.3 như sau:

Mạch kích từ có hai biến dòng điện kích từ ik và từ thông máy φ là phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hóa của lõi sắt:

Uk(p)=f(M) và RkIk(p) + Nk.P.φ(p) (1.9)

Trong đó Nk – số vòng dây cuộn kích từ

Rk – điện trở cuộn dây kích từ

M(p) –Mc(p) =f(M) và Jpω (1.10)

J là mô men quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ

Hình 1.7: Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU

1.3.1 Phương pháp thay đổi diện trở phụ

- Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

+) Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp này người ta giữ U =f(M) và Uđm,φ =f(M) và φđm vànối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

(1.11)+) Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đócàng mềm hơn

Hình 1.8: Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện trở phụ

Ứng với Rf =f(M) và 0 ta có độ cứng tự nhiên βTN 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 thayđổi Rf 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 càngmềm, 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 dưới 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 trởphụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trongcần trục

1.3.2 Phương pháp thay đổi từ thông φ

- Nguyên lý điều khiển:

Giả thiết U=f(M) và Uđm, Rư =f(M) và const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điệnkích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vàomạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ

Bình thường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa ( ω=f(M) và ωmax)

mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điềuchỉnh theo hướng giảm từ thông φ tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định

mức Nên khi giảm φ thì tốc độ không tải lý tưởng ω¿Udm

Kφφ tăng, còn độ cứng đặc tính

cơ β giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên:

Hình 1.9: Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi từ thông

- Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quámức 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 Mt theocùng 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, việcthay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch

+) Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển vớicông suất không đổi

1.3.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

- Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máyphát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết bị nguồnnày có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động

Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn có công suất hữu hạn so vớiđộng cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không Đểđưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi,còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệthống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để

Hình 1.10: Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng

Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:

(1.12)

(1.13)

(1.14)

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi,còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệthống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để

Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặnbởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thôngcũng được giữ ở giá trị định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởiyêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động Khi mômen tải là định mức thì cácgiá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

(1.15)

Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômenngắn mạch là: Mnmmin =f(M) và Mcmax =f(M) và KM.Mđm Trong đó KM là hệ số quá tải về mômen Vì họđặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặctính cơ có thể viết:

(1.16)

Hình 1.16: Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện áp

Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ω0max, Mđm, KM là xác định, vì vậy phạm viđiều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng β Khi điều chỉnh điện ápphần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứnggấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ Do đó có thể tính sơ bộ được:

Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là:

Vì các giá trị Mđm, ω0min, scp là xác định nên có thể tính được giá trị tối thiểu của độcứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá giá trị cho phép Để làm việc này,trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòng kín -Nhận xét: Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiềunhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thayđổi điện áp Uư đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì

nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không

bị tổn hao

1.4 BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP

Bộ biến đổi xung áp một chiều là thiết bị dùng để thay đổi điện áp ra tải từ nguồn điện

áp một chiều cố định

Nguyên lí cơ bản của băm xung một chiều được mô tả trên hình 1.17 Giữa nguồn mộtchiều E và tải Rt là van Tr làm việc như một khóa điện tử, hoạt động của BXMC là chovan đóng cắt theo chu kỳ với quy luật:

- Trong khoảng thời gian 0-To cho van Tr dẫn, điện áp trên tải sẽ có giá trị bằngđiện áp nguồn Ut=f(M) và E

- Từ to đến T, van Tr không dẫn, tải bị ngắt khỏi nguồn nên Ut=f(M) và 0

T- chu kì đóng cắt của van

Biểu thức cho thấy có thể điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách thay đổi tham số γ , việcđiều chỉnh điện áp ra bằng cách băm điện áp một chiều E thành các xung điện áp ở đầu

ra nên thiết bị này gọi là băm xung một chiều

a, Bộ biến đổi xung áp có đảo chiều

Hình 1.18: Bộ biến đổi xung áp có đảo chiều

1.5 MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ BIÉN ĐỔI XUNG ÁP

Hình 1.23: Sơ đồ điều khiển cho băm xung một chiều có đảo chiều

CHƯƠNG 2: BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

-Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc

lập

Trong đó:

BBĐ : Bộ biến đổi xung áp không đảo chiều

Ri, Rω: Các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ

Si ,Sω: là các sensor tốc độ, sensor dòng điện đóng vai trò khâu phản hồi

Đ: động cơ truyền động một chiều với thông số cho trước

HCD: phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ

Hệ truyền động một chiều thường được phân loại:

- Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì lượng đặt trước

không đổi Ví dụ: duy trì tốc độ không đổi, duy trì mô men không đổi

- Hệ điều chỉnh tự động truyền động tùy động( hệ bám) là hệ điều chỉnh vị trí

trong đó cần điều khiển tự động theo lượng đặt trước biến thiên tùy ý, chúng tathường gặp ở truyền động quay ăng ten, quay rada, các cơ cấu ăn dao máy cắtgọt kim loại