Xây dựng cấu trúc mô phỏng mạch vòng dòng điện của hệ truyền động sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi tổng hợp bỏ qua sự ảnh hưởng của sức điện động E với nhiễu ngẫu nhiên và dạng tải thế năng

Xây dựng cấu trúc mô phỏng mạch vòng dòng điện của hệ truyền động sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi tổng hợp bỏ qua sự ảnh hưởng của sức điện động E với nhiễu ngẫu nhiên và dạng tải thế năng

Lời giới thiệu Trong năm gần nước ta bước vào cơng cơng nghiệp hố đại hố đất nước, giáo dục đóng vai trò quan trọng công đặc biệt đào tạo đội ngũ có tay nghề cao biết kết hợp chặt chẽ lý thuyết thực tiễn vào lao động sản xuất Cùng với phát triển ngành kỹ thuật điện điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển tự động hoá đạt nhiều tiến Tự động hố q trình sản xuất phổ biến rộng rĩa hệ thống công nghiệp giới nói chung Việt Nam nói riêng Tự động hố khơng làm giảm nhẹ sức lao động cho người mà góp phần lớn việc nâng cao suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm Với mục tiêu cơng nghiệp hố đại hố đất nước, ngày có thêm nhiều xí nghiệp sử dụng kỹ thuật cao, đòi hỏi cán kỹ thuật kỹ sư điện kiến thức điện tử công suất, truyền động điện, điều chỉnh tự động truyền động điện, vi mạch xử lý công tác kỹ thuật Để đáp ứng nhu cầu khó khăn em giao nhiệm vụ làm đồ án "Xây dựng cấu trúc mô mạch vòng dòng điện hệ truyền động sử dụng động điện chiều kích từ độc lập tổng hợp bỏ qua ảnh hưởng sức điện động E với nhiễu ngẫu nhiên dạng tải quạt gió" Việc làm đồ án giúp em ơn lại phần lý thuyết học trường, thực hành lớp kết hợp với thực tiễn lao động sản xuất giúp em hiểu sâu hơn, biết vận dụng lý thuyết học trường vào thực tiễn Đồ án em gồm có chương, giới thiệu động chiều, biểu thức tính tốn, đưa phương án chọn cơng suất động Vấn đề xây dựng cấu trúc mơ mạch vòng dòng điện động điện chiều, phân tích, tính tốn điều khiển dòng điện Tổng hợp hệ thống truyền động điện động chiều mô Simulink CHƯƠNG I :GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ CHIỀU 1.1 Đặt vấn đề Cho đến động điện chiều chiếm vị trí quan trọng hệ điều chỉnh tự động truyền động điện , sử dụng rộng hệ thống đòi hỏi có độ xác cao vùng điều chỉnh rộng qui luật điều chỉnh phức tạp Cùng với tiến văn minh nhân loại chưng kiến phát triển rầm rộ kể qui mơ lẫn trình độ sản xuất đại Trong phát triển ta rễ ràng nhận khẳng định điện máy tiêu thụ điện đóng vai trò quan trọng khơng thể thiếu Nó ln trước bước làm tiền đề làm mũi nhọn định thành công hệ thống sản xuất công nghiệp Không quốc gia ,một sản xuất không sử dụng điện máy điện 1.2 Cấu tạo động điện chiều Máy điện chiều máy phát động điện có cấu tạo giống Những phần máy điện chiều gồm phần cảm (phần tĩnh) phần ứng (phần quay) Các trị số định mức động điện chiều Chế độ làm việc định mức máy điện nói chung động điện chiều nói riêng chế độ làm việc điều kiện mà nhà chế tạo quy định Chế độ đặc trưng đại lượng ghi nhãn máy gọi đại lượng định mức Công suất định mức Pđm (kW hay W) Điện áp định mức Uđm (V) Dòng điện định mức Iđm (A) Tốc độ định mức nđm (vòng/ph) Ngồi ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ… Chú ý: Công suất định mức công suất đưa máy điện Đối với máy phát điện cơng suất đưa đầu cực máy phát, động cơng suất đưa đầu trục động Phân loại động điện chiều Dựa theo cuộn kích từ, động chiều có loại sau: - Động chiều kích từ độc lập - Động chiều kích từ song song - Động chiều kích từ nối tiếp - Động chiều kích từ hỗn hợp stato Cực từ Dây quấn cực từ Day quấn cực từ phụ Cực từ phụ Lõi sắt Gơng từ Dây quấn phần ứng Hình 1-0 Cấu tạo động điện chiều 1.2.1 Phần tĩnh hay phần cảm (stator) Phần cảm gọi stator, gồm lõi thép làm thép đúc, vừa mạch từ vừa vỏ máy cực từ có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng điện chạy dây quấn kích từ cho cực từ tạo có cực tính liên tiếp luân phiên Cực từ gắn với vỏ máy nhờ bulơng Ngồi máy điện chiều có nắp máy, cực từ phụ cấu chổi than a) Cực từ Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại tán chặt Trong động điện nhỏ dùng thép khối Cực từ gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulông Dây quấn kích từ quấn dây đồng, cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối tẩm sơn cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với (hình 1.2) Bu lô ng Vỏmá y Lõ i sắ t cực từ Dâ y quấ n cực từ Hình 1.1 Cực từ b) Cực từ phụ Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống dây quấn cực từ Cực từ phụ gắn vào vỏ máy nhờ bulông c) Gông từ Gông từ dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động điện nhỏ vừa thường dùng thép dày uốn hàn lại Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có động điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy d) Các phận khác Bao gồm: - Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ vừa nắp máy có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp nắp máy thường làm gang - Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ngồi Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than cố định giá chổi than cách điện với giá Giá chổi than quay để điều chỉnh vị trí chổi than cho chỗ Sau điều chỉnh xong dùng vít cố định lại 1.2.2 Phần quay hay phần ứng (rotor) Phần ứng máy điện chiều gọi rôto, gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp trục máy Hình 1.2 Lá thép rơto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện chiều a) Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn a) Lõi sắt phần ứng Dùng để dẫn từ, thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dòng điện xốy gây nên Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây quấn vào Trong động trung bình trở lên người ta dập lỗ thơng gió để ép lại thành lõi sắt tạo lỗ thơng gió dọc trục Trong động điện lớn lõi sắt thường chia thành đoạn nhỏ, đoạn có để khe hở gọi khe hở thơng gió Khi máy làm việc gió thổi qua khe hở làm nguội dây quấn lõi sắt Trong động điện chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng ép trực tiếp vào trục Trong động điện lớn, trục lõi sắt có đặt giá rơto Dùng giá rơto tiết kiệm thép kỹ thuật điện giảm nhẹ trọng lượng rơto, hình 1.2 b) Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt rãnh phần ứng tạo thành nhiều vòng kín Phần tử dây quấn bối dây gồm nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp vành góp (hình 1.3a) hai cạnh tác dụng phần tử đặt hai rãnh hai cực từ khác tên (hình 1.3b) c) Cổ góp Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành chiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có mạ cách điện với lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2 mm hợp thành hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp trụ tròn cách điện mica Đi vành góp có cao lên để hàn đầu dây phần tử dây quấn phiến góp dễ dàng (hình 1.4) Miế ng đệ m mica Êcu Phiế n đổ i chiề u Ố ng lõ i Mi ca PHIẾ N ĐỔ I CHIỀ U CỔGÓ P Hình 1.4 Cấu tạo cổ góp 1.2.3- Nguyên lý làm việc động điện chiều Trên hình 1.5 cho điện áp chiều U vào hai chổi điện A B, dây quấn phần ứng có dòng điện Các dẫn ab cd mang dòng điện nằm từ trường chịu lực tác dụng tương hỗ lên tạo nên mômen tác dụng lên rôto, làm quay rôto Chiều lực tác dụng xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1.5a) Hình 1.5a Hình 1.5b Hình 1.4 Mơ tả ngun lý làm việc động điện chiều Khi phần ứng quay nửa vòng, vị trí dẫn ab, cd đổi chỗ (hình 1.5b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng khơng đổi, lực tác dụng lên rôto theo chiều định, đảm bảo động có chiều quay khơng đổi 1.3 Đặc tính động chiều kích từ độc lập Khi nguồn điện chiều có cơng suất vơ lớn điện áp khơng đổi mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc động gọi động kích từ song song (hình 1- 6) Khi nguồn điện chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập với (hình 1- 7), lúc động gọi động kích từ độc lập + CKT U + - U Rf E RKT I IKT RKT CKT E Rf + IKT I Hình 1-6 Sơ đồ nối dây động kích từ song song - UKT - Hình 1-7 Sơ đồ nối dây động kích từ độc lập Phương trình đặc tính Theo sơ đồ (hình 1- 7), viết phương trình cân điện áp mạch phần ứng sau: Uư = Eư + (Rư + Rf).Iư Trong đó: Uư : điện áp phần ứng (V), Eư : sức điện động phần ứng (V), Rư : điện trở mạch phần ứng (), Rf : điện trở phụ mạch phần ứng (), Iư : dòng điện mạch phần (A) Với: Rư = rư + rcf + rb + rct rư : điện trở cuộn dây phần ứng, rcf : điện trở cuộn cực từ phụ, rb : điện trở cuộn bù (1-1) rct : điện trở tiếp xúc chổi than Sức điện động Eư phần ứng động xác định theo biểu thức: Eư = Trong đó: K= p.N . K . 2.π.a (1 - 2) p.N - hệ số cấu tạo động cơ, 2a p – số đơi cực từ chính, N – số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng, a – số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng,  - từ thơng kích từ cực từ Wb,  - tốc độ góc, rad/s Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/ phút) thì: Eư = Ke n = Vì Eư = (1 - 3) 2..n 60 p.N .n 60.a Ke = p.N : Hệ số sức điện động động cơ, 60.a Ke = K 0,105 K 9,55 Từ công thức (1 - 1) (1 - 2) ta có: = U R  Rf  I K K (1–4) Biểu thức (1 - 4) phương trình đặc tính điện động Mặt khác, mômen điện từ Mđt đcộng xác định bởi: Mđt = K Iư (1–5) Suy M dt K Iư = Thay giá trị Iư vào (1-4) ta được: = U R  Rf  M dt K  K   (1–6) Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép mơmen trục động mômen điện từ, ta ký hiệu M, nghĩa Mđt = Mcơ = M = U R  Rf  M K  K  2 (1–7) Đây phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập   o o Inm I® I m M® Mn m m M Hình 1- Đặc tính điện đặc tính cơ động điện chiều kích từ độc lập Giả thiết phản ứng bù đủ, từ thơng  = const, phương trình đặc tính điện (1 - ) phương trình đặc tính (1 - 7) tuyến tính Đồ thị chúng biểu diễn (hình - 7) Theo đồ thị trên, Iư = M = ta có :  U o K o gọi tốc độ không tải lý tưởng động Còn  = ta có: I  U  I nm R  Rf giảm xuống Sự gián đoạn dòng điện phần ứng gây đập mach tốc độ động cơ, hệ truyền động có mơmen qn tính đủ lớn đập mạch tốc độ nhỏ ngược lại Do giá trị đầu giá trị cuối xung dòng chu kì khơng nên khơng có gia tăng giá trị trung bình dòng điện theo thời gian, nghĩa điện cảm mạch phần ứng chế độ dòng điện gián đoạn khơng có tác dụng hạn chế giá trị trung bình dòng điện phần ứng Từ phương trình nhận xét ta viết phương trình cho giá trị trung bình chu kì dòng điện : U = RuI + Cu CuI – MC = J Hình 1.15: giá trị tức thời điện áp dòng điện phần ứng chế độ gián đoạn mạch chỉnh lưu pha, nửa chu kì Điện áp U hàm số độ rộng xung dòng đổi chuyển mạch tự nhiên, độ rộng = góc điều khiển phụ thuộc vào góc điều khiển = suất điện động động (cũng tốc độ động ) vào ) Do giá trị trung bình chu kì xung hàm số góc điều khiển =f( biến tốc độ quay :I Thường biến chỉnh lưu góc điều khiển điện áp điều khiển = Uđk : phụ thuộc tuyến tính vào = a – bUđk Trong a,b số phụ thuộc vào chu kì điện áp lưới biên độ xung cưa điện áp tựa Hình 1.16: sơ đồ khối động chiều tỏng chế độ dòng điện gián đoạn Có thể tuyến tính hóa khâu phi tuyến f( ) cách tuyến tính hóa quanh điểm làm việc : � I � I I     �  �  Nên suy : I = K1 - K2 : � Ig g� I K1  ; K2   � U dk �  Giá trị trung bình dòng điện vùng gián đoạn đặc tính biên liên tục tùy thuộc vào chỉnh lưu khác khác Các giá trị trung bình tính tính tốn thực nghiệm Các dạng đặc tính : a) I =f1(Uđk) ; = const b) I = f2( );Uđk = const Hình 1.17 : đồ thị để xác định hàm riêng Từ ta có mơ hình tuyến tính hóa động chiều vùng I bị gián đoạn( = KUđk): Hình 1.18: Cấu trúc tuyến tính động chiều từ thơng khơng đổi vùng dòng điện gián đoạn CHƯƠNG II : TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN 2.1 Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện Khái quát chung: Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần đảm bảo hệ thực tất yêu cầu đặt ra, yêu cầu công nghệ, tiêu chất lượng yêu cầu kinh tế Chất lượng hệ thể trạng thái động trạng thái tĩnh Trong trạng thái tĩnh, yêu cầu quan trọng độ xác điều chỉnh Ở trạng thái động lại có yêu cầu ổn địnhvà tiêu chất lượng động độ điều chỉnh, tốc độ điều chỉnh, thời gian điều chỉnh số lần giao động Ở cấu trúc tự động điều chỉnh tự động điện, cấu trúc mạch điều khiển điều khiển có ảnh hưởng lớn đến chất lượng hệ Vì thiết kế hệ ta phải thực tốn phân tích tổng hợp hệ nhằm tìm lời giải hợp lý, cho đáp ứng yêu cầu kỹ thuật kinh tế đề Trong hệ truyền động tự động hệ chấp hành mạch vòng điều chỉnh dòng điện mạch vòng Chức mạch vòng dòng điện hệ thống truyền động điện trực tiếp gián tiếp xác định mơ men kéo động cơ, ngồi có chức bảo vệ, điều chỉnh gia tốc vv Khái niệm: mạch vòng dòng điện mạch vòng dùng để điều khiển dòng điện cho động chiều, có chức sau: + Điều khiển dòng điện khơng vượt q giá trị cho phép làm cháy ( chức bảo vệ) + dòng điện liên quan trực tiếp đến momen nên điều khiển dòng điện điều khiển mơ men động + Việc điều khiển cho phép điều khiển gia tốc trục động mômen a) Gia tốc động có mạch b) Gia tốc động khơng có mạch vòng dòng điện vòng dòng điện Hình 2.1: đồ thị miêu tả dạng gia tốc động a) Phương pháp thay đổi tốc độ kinhh điển b) Phương pháp thay đổi tốc độ Hình 2.2: đặc tính thay đổi tốc độ động chiều Có ba cấu trúc điều khiển dòng điện đưa ra: Cấu trúc thứ nhất: cấu trúc dùng điều chỉnh tốc độ điện áp R có dạng khuếch đại tổng mạch phản hồi dòng điện phi tuyến P Khi tín hiệu dòng điện chưa đủ lớn để khâu phi tuyến khỏi vùng nhạy điều chỉnh làm việc điều chỉnh tốc độ( hay điện áp) mà khơng có sư tham gia mạch vòng phản hồi dòng điện Khi dòng điện đủ lớn, khâu P làm việc vùng tuyến tính đặc tính phát huy tác dụng hạn chế dòng điều chỉnh R Tuy nhiên thực tế cấu trúc sử dụng Cấu trúc thể hình 2.3 Hình 2.3 Cấu trúc thứ hai mơ tả hình 2.4, có hai mạch vòng với hai điều khiển riêng biệt R RI cấu trúc cho phép điều chỉnh độc lập mạch vòng Tuy nhiên thực tế cấu trúc sử dụng Hình 2.4 Cấu trúc thứ ba hình 2.5 cấu trúc sử dụng rộng rãi truyền động điện tự động RI điều khiển dòng điện, R điều khiển tốc độ Mỗi mạch vòng có điều khiển riêng tổng hợp từ đối tượng riêng theo tiêu chuẩn riêng Hình 2.5 2.2 Xây dựng điều khiển dòng điện bỏ qua sức điện động động 2.2.1 Cấu trúc điều khiển: Hình 2.6: sơ đồ khối mạch vòng dòng điện Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện hình 2.6, F mạch lọc tín hiệu, Ri điều chỉnh dòng điện, BĐ biến đổi chiều, S i sensor dòng điện Sensor dòng điện thực biến dòng mạch xoay chiều điện trở sun mạch đo cách ly mạch chiều Trong đó: Tf , Tđk , Tv0 , Tư , Ti –các số thời gian mạch lọc, mạch điều khiển chỉnh lưu, chuyển mạch chỉnh lưu, phần ứng sensor dòng điện Rư - điện trở mạch phần ứng � Ud - hệ số khuếch đại chỉnh lưu �  Trong trường hợp hệ thống truyền động điện có số thời gian học lớn, lớn số thời gian điện từ mạch phần ứng ta coi sức điện động động khơng ảnh hưởng đến q trình điều chỉnh mạch vòng đòng điện ( tức coi E = E = 0) 2.2.2 Mơ hình động Giản đồ chung động điện chiều: Hình 2.7 Giản đồ chung động điện chiều Trường hợpHình điện2.8 ápMơ phần ứng khơng đổi: hình động chiều - Do tính chất phi tuyến mạch từ nên ta sử dụng sơ đồ tuyến tính hố quanh điểm làm việc B U Ru  Tu p M I J.p c K K U K RK  TK p I KI0 K KK  K B Hình 1.12 Mơ hình tuyến tính hố động điện chiều - Tín hiệu điện áp phần ứng ΔU(p) = 0, hàm truyền động có dạng:   p  k1.(1  p.Tu )  k  U k ( p ) (1  p.Tu ).(T1T2 p  T3 p  1) Trong đó: I Ru kk B Rk k.0 (1  TC ) J B kk k2  B Rk  (1  TC ) J Tu TC T1T2  B  TC J J Ru TC   k  k1  � B � TC �  Tu � J � � T3  B  TC J 2.2.3 Tổng hợp điều khiển dòng điện Xét cấu trúc điều khiển gồm nhiều vòng phân cấp với nhau, vòng hệ truyền động điện thường mạch vòng dòng điên Vấn đề tổng hợp mạch vòng dòng điện cho động chiều kích từ độc lập với từ thông  = const bỏ qua sức điện động động Eư = Hình 2.10: mơ hình cấu trúc mạch vòng dòng điện chung Ta chọn biến đổi chỉnh lưu Thyristor Hàm truyền đạt chỉnh lưu thyristor tổng quát là: K B� GBBD  1 P.TV Trong KBĐ hệ số khuếch đại biến đổi, T v số thời gian biến đổi chọn sau: Tv  0,001 UI Kbd (1  pTdk ).(1  pTv ) R I Eu = Ru (1  pTu ) K M Jp c Ki  pTi Hình 2.10: mơ hình chung đối tượng Dựa mơ hình cấu trúc mơ hình đối tượng, ta có mơ hình đối tượng, ta có mơ hình tốn biểu diễn dạng hàm truyền đạt biểu diễn dạng mạch vòng dòng điện sau: UI R I Kbd (1  pTdk ).(1  pTv ) U Ru  Tu p i Ki  Tpi Hình 2.11 Trong đó: +Kbđ : hệ số biến đổi +Ki : hệ số thiết bị đo +Tv : số thời gian van +Ti : số thời gian thiết bị đo dòng điện Tu  Lu : số thời gian động I Ru Thơng thường điều khoản dòng điện Ti , Tv , Tđk