Tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ theo sơ đồ hệ triristor - động cơ một chiều với hai vòng điều chỉnh mô men và tốc độ.

Tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ theo sơ đồ hệ triristor - động cơ một chiều với hai vòng điều chỉnh mô men và tốc độ. Tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ theo sơ đồ hệ triristor - động cơ một chiều với hai vòng điều chỉnh mô men và tốc độ. Tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ theo sơ đồ hệ triristor - động cơ một chiều với hai vòng điều chỉnh mô men và tốc độ. Tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ theo sơ đồ hệ triristor - động cơ một chiều với hai vòng điều chỉnh mô men và tốc độ. Tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ theo sơ đồ hệ triristor - động cơ một chiều với hai vòng điều chỉnh mô men và tốc độ.

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN TIỂU LUẬN MÔN HỌC: Phân tích Tổng hợp hệ thống Điều khiển truyền động điện Chủ đề: Tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ theo sơ đồ hệ triristor - động chiều với hai vòng điều chỉnh mơ men tốc độ Người hướng dẫn Học viên thực Lớp : Phạm Tuấn Thành : : HÀ NỘI 2012 TIỂU LUẬN MƠN HỌC PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Phương án số ĐỀ BÀI : Tổng hợp hệ thống điều chỉnh tốc độ theo sơ đồ triristor - động chiều với vòng điều chỉnh mơ men tốc độ Tính tốn thơng số vòng điều chỉnh mơ men đánh giá độ xác điều chỉnh mô men Số liệu động : Kiểu động mơt chiều kiểu vỏ bảo vệ, kích từ độc lập Công suất động định mức: Pđm = 14KW Tốc độ động đinh mức nđm = 1500v/ph Dòng điện định mức Iuđm= 73,5A Bội số cho phép dòng khởi động 1= 2,2 Điện trở tổng phần ứng Rư = 0,127  Mơmen qn tính động Jđc = 0.16Kg.m2 Số đôi cực 2p = Bộ biến đổi : Điện áp : Uđm = 220V ; Điện áp điều khiển Uđkđm = 10V Bội số tải ngắn hạn cho phép theo dòng điện KI = 1,2 Điện trở tương đương mạch lực biến đổi Rbđ = 0,06 Hằng số thời gian biến đổi Tbđ = 0,01 Các tham số khác: Mô men quán tính qui đổi trục động phụ tải : J qđ = 3,0Jđc Điện cảm mạch phần ứng xác định theo công thức : Lu  c 30.U 3,14 p.n.I với c = 0,6 ; p số đôi cực ; U,n,I lấy giá trị định mức động Trong mạch phần ứng mắc điện trở Sơn loại 75mV với Is = 1,5 Iđm Hệ đát trích dòng KđI = 100 Vòng điều chỉnh tốc độ chỉnh định theo tiêu chuẩn tối ưu môđun Số liệu cho trước : -Tốc độ khơng tải lí tưởng cực đại tương ứng với điện áp đặt tốc độ Uđmax = 10V Hệ số sđđ máy phát tốc Kmf = 0,6 vs Gia tốc tính tốn o = 100 1/s2 Mômen tải Mc = Mđm Khảo sát động học hệ thống phương pháp giải tích mơ nghiên cứu ảnh hưởng thay đổi đột biến tải đến chất lượng hệ thống PHẦN KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG BẰNG GIẢI TÍCH (Phương án số 23) Để điều chỉnh mơmen cần có phản hồi âm cứng theo dòng điện Theo đầu cho ta có sơ đồ khối hệ thống sau : R1 Uđ R2 Điều chỉnh tốc độ Rph1 RV2 UđI Điều chỉnh dòng điện Rph2 ~ C2 Ubd Bộ biến đổi triristor Ti Iư ebd ĐC FT Rs UphI Uph atrớch dũng Hình 1.1: Sơ đồ khèi cđa hƯ thèng Hệ thống có mạch vòng điều chỉnh : Mạch vòng điều chỉnh dòng điện với điều khiển PI ( gồm R v2,C2) mạch vòng ngồi điều chỉnh tốc độ với điều khiển P (gồm R1 Rv1) C Ta có sơ đồ cấu trúc hệ thống : E Uđ - W Ubd UđI WI UphI Uph  b p K b�.e T p  ebd - R� Iư Tp KI K Hình1.2: Sơ đồ cấu trúc cđa hƯ thèng Trong đó:- W(p) - hàm truyền đạt điều chỉnh tốc độ - WI(p) - hàm truyền đạt điều chỉnh dòng điện R� C.TM P  K b�e p - hàm truyền đạt biến đổi triristor, với b thời gian T p  b giữ chậm biến đổi , T  số thời gian đặc trưng cho quán tính lọc biến đổi coi thời gian không bù vòng điều chỉnh : T =  + T hệ số biến đổi K bđ Bộ điều khiển dòng chứa phần tử tích phân (R v2 , C2) nên chế độ xác lập tín hiệu vào đầu vào phải 0, tức : UvI = UđI – UphI = UđI – KI.Iư = Mặt khác : UđI = (Uđ- Uph)Kw = (Uđ-K. )Kw Trong : UđI điện áp điều khiển tốc độ đồng thời điện áp đặt vào mạch vòng điều chỉnh dòng điện UphI điện áp phản hồi theo phản hồi âm dòng điện KI hệ số phản hồi âm theo dòng điện Uđ điện áp đặt vào điều khiển tốc độ Uph điện áp phản hồi âm tốc độ Kw hệ số khuếch đại điều khiển tốc độ K hệ số phản hồi âm theo tốc độ Tín hiệu điều khiển dòng Ubđ đầu vào biến đổi có tính đến ảnh hưởng phần tử tích phân điều khiển q trình q độ trước Giá trị Ubđ phải đảm bảo s.đ.đ biến đổi cần thiết cho động làm việc chế độ xác lập Động với cấu trúc khâu có số thời gian T TM, bao mạch phản hồi âm theo s.đ.đ Đối với động chiều kích từ độc lập , từ thơng kích từ  = đm Ta có phương trình mơ men động : M = C.Iư Trong C = k. , k = P.N ( hệ số cấu tạo động cơ) 2 a Như mơ men tỷ lệ với dòng điện 1.Tính tốn thơng số vòng điều chỉnh mô men Khi điều chỉnh mômen hệ truyền động điện ta coi mối liên hệ phản hồi bên s.đ.đ động nhiễu, có làm giảm độ xác điều chỉnh Trong hệ điều chỉnh tốc độ , xét vòng điều chỉnh mơmen, tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modun với hàm truyền vòng hở có khâu tích phân sai số tĩnh theo mơmen loại trừ.Khi tổng hợp vòng điêù chỉnh mơmen ta ngắt vòng phản hồi s.đ.đ Ảnh hưởng đến độ xác động học đánh giá thêm cách đặt vào tác động nhiễu  = f(t) Nếu ngắt bỏ vòng phản hồi s.đ.đ động ta có sơ đồ mạch vòng dòng điện sau : Ubd UđI WI UphI K b� T p  KI ebd R� T�p  Iư Hình 1.3: Sơ đồ mạch vòng dòng điện Biến đổi sơ đồ dạng : Ubd UđI - WI K b� T p  1 R� ebd Iư T�p  KI KI Iư UphI Bây ta xác định thông số sơ đồ : Hệ số khuếch đại biến đổi Triristo : K b�  U�m 110   11 U �k�m 10 Điện trở tổng mạch phần ứng : Rư = 1,1(R ưđc+Rbđ) = 1,1(0.127+ 0,06) = 2,057  (Hệ số 1,1 tính đến điện trở dây dẫn) Vì không cho T  nên ta lấy số thời gian : T = T +  = 0,01s Hằng số thời gian phần ứng : Tacó: - 30.U 3,14 pn I (v� i U =U �m  110V;c=0,6 ; p =2; n  n�m  1000v / ph  104.67rad / s; I  I �m  50A) L�  c 30.110  0,0063H 3,14.2.1000.50 L 0,0063 V� y T�  �   0,0265s R �dc 0,2376 � L�  0,6 - Hàm truyền đối tượng mạch vòng dòng điện : W0I ( p)  K b�.K I R� K b� R� K I  T p  T�p  (T p  1)(T�p  1) Chỉnh định vòng điều chỉnh mơmen theo tiêu chuẩn tối ưu modun với số thời gian nhỏ không bù ta nhận số thời gian biến đổi nghĩa số tích phân mạch vòng dòng điện TI = a.T= a.Tbđ , số thời gian lớn (trung bình) Tư bù -Khi tối ưu modun hàm truyền điều chỉnh dòng PI dạng : WI ( p)  T�P  T P 1   � K I K b� K I K b� TI P 2T P .2T P R � (T�P  1) R � �� � y TI  - K I K b� 2T R � (H � ng s�t� ch ph� n c� a b�� i� u ch� nh PI) Lúc hàm truyền hệ hở mạch vòng dòng điện : T�P  K b�.K I R� KI 1 WhI = WI W0I = K I K b�.2T P = 2T P(T P  1) KI (T p  1)(T�p  1) K I  R � -Tính số thời gian mạch phản hồi điều chỉnh : Tk = Rv2C2 R2 UđI UphI Rv2 C2 Điều chỉnh dòng điện Rph2 Ubđ Ta lấy Tk = Tư = 0,0265s Chọn Rv2 =10k => : C2  - 0,0265  0.00000265  2,65 F 104 Tính giá trị hệ số khuếch đại phản hồi KI quay đầu vào ta có : K I  K S.K �I Rv2 Rph2 (V� i : K S h�s�bi� n� � i c� a� i� n tr�s� n ngu� n d� ng) Ks  - Us 0,075   0,001 V / A I s 1,5.50 Lấy Rv2 = Rph2 ; KđI = 100 (bài cho) Thay giá trị vào ta có : KI = 0,001.100 = 0,1 V/A Tính hệ số khuếch đại điều chỉnh : Tac�: TI  K I K b� 0,1.11 2T  2.0,01  0,0926s R � 0,2376 v� y K k�I  R2 T� 0,0265    0,286 Rv2 TI 0,0926 Từ xác định : R2 = 0,286.Rv2 = 0,286.104 = 2,86K -Tính dòng khởi động (ngắn mạch) : Inm = .I đm = 2,4.50 = 120A -Điện áp cực đai tương ứng đưa đến điều chỉnh dòng : Umax = KI.Inm= 0,1 120= 12V -Tính số C : C U�m  I �mR� n�m  110  50.0,2376  0,9374V / s 104,67 - Mômen điện từ ngắn mạch : Mnm = C.Inm= 0,9374.120 = 112,49Nm - Hằng số thời gian điện : TM  JR­  C  2.J ®c R­  2.0,1.0, 2376   0, 054 s C2 0,93742 Để phân tích xác độ điều chỉnh mơmen ta sử dụng cơng thức chung tính sai số điều chỉnh sơ đồ cấu trúc điều chỉnh momen sau :  UVM WPM U0M K b' � ' Tb� P 1 0 e TeP  M K0M Sai số tĩnh : Mv(P )   ( p).W0M (P ) 1 WH (P )  Mv(p)   e. ( p) (TeP  1)  a T P(T P  1) M (P)  Ở ta có : M (P )  a T P(T P  1)  (1) Từ biểu thức ta thấy sai số tĩnh điều chỉnh mômen theo tác động điều khiển theo nhiễu (t) (vì P=0) Sai số động cân mơmen thay đổi tuyến tính theo thời gian: �dM � �dM � M (t)  � � t � M( p)  � � �dt � �dt � max max P Xác định theo (1) Thay P = : �dM � M (0)  � � a T �dt � Max (2) Ta tiến hành phân tích ảnh hưởng phản hồi bên trongtheo tốc độ (s.đ.đ) đến độ xác điều chỉnh mơmen q trình q độ truyền động điện Giả thiết tốc độ động thay đổi theo qui luật tuyến tính:  (t)   max t   ( p)   max p Thay (p) vào (1) Ta có sai số: M(i)(0)=e.a.T.max (3) Theo (3) QTQĐ (t) thay đổi nên mối liên hệ phản hồi bên theo s.đ.đ động giá trị mơmen khác nhiều với giá trị đặt Như đặc tính động đặc tính tĩnh M = f(t) có khác biệt lớn Với gia tốc max đặc tính cứng (e) sai khác nêu lớn Hằng số thời gian không bù T ảnh hưởng tương tự Sự tồn sai số theo biểu thức (3) giải thích sau : Trong q trình điều chỉnh để giữ cho mơmen khơng đổi M = const tốc độ  tăng cần phải tăng tốc độ 0 Tốc độ khơng tải lý tưởng phụ thuộc điện áp cần tăng điện áp Nói cách khác cần tăng tuyến tính điện áp điều chỉnh mơmen Muốn đầu vào điều chỉnh PI mômen cần phải trì sai lệch : Uv = UđM – KM.M Để đưa công thức thuận tiện để đánh giá sai số động QTQĐ khởi động hãm ta dựa vào cơng thức tính gia tốc :  max  Mnm  M  Mc J (4) J Tổng mơmen qn tính qui đổi Ta có : M (1 Mc Mnm) J  (5) �� � y TM   Mnm (1 TM aT ) e H� ng s�th� i gian � i� n c� Công thức thuận tiện để đánh giá định tính định lượng QTQĐ điều chỉnh mơmen Với vòng điều chỉnh mômen chỉnh định theo tiêu chuẩn tối ưu môđun (a = 2) cho mômen thay đổi nhẩy bậc M v = Mnm , QTQĐ thay đổi mômen M= f(t) cho hình sau (đường 1) M Mnm Mcb M bđ 4,7T t Đường cong mơ tả xác QTQĐ thay đổi mơmen  = (Rôto động bị hãm cứng) Khi có mơmen đặt vào trục động tốc độ thay đổi theo phương trình: d M  Mc  J  dt Sự thay đổi tốc độ gây khác biệt đường cong thực tế so với đường 1, tốc độ lớn khác biệt lớn Đường cong biểu diễn thay đổi tốc độ khởi động không tải (M c = 0) ta thấy giai đoạn độ ban đầu tốc độ biến thiên khơng tuyến tính Sau đạt giá trị bđ ,tốc độ biến thiên tuyến tính theo qui luật :  = bđ + max.t sai số cân tốc độ gây mômen M xác định theo (5) Đặc tính thay đổi mơmen giai đoạn đầu đường cong không khác nhiều đường cong lý thuyết ( = 0) sai khác không đáng kể khơng ảnh hưởng đến đặc tính chung thời gian QTQĐ Vì đường cong xây dựng theo đường cong : M = Mnm - M sau t = 4,7 T Theo (5) ta tính sai số tương đối q trình điêù chỉnh mơmen dòng điện khởi động khơng tải (Mc = ) M  I  M c / M nm 1      0, 27 M nm I nm  TM / a.T  0, 054 / (2.0,01) 3, Sai số tuyệt đối theo dòng điện (Mc=0) : I = 0,27.Inm = 0,27.120 = 32.4 A Khi mômen cản Mc  M�m  P�m 4,5.1000   42,99Nm n�m 104,67 Mc 42,99   0,382 Nm Mnm 112.49 Sai số tuyệt đối theo dòng điện: I  M   M c / M nm  0,382 I nm  I nm  120  20 M nm  TM / a.T 3,7 Tính tốn vòng điều chỉnh tốc độ Sơ đồ cấu trúc hệ thống với vòng điều chỉnh mơmen tốc độ MC U đ W - U đM C KM 2T P(T P  1)  M -  cTM P  K Ở vòng điều chỉnh mơmen chỉnh định theo tiêu chuẩn tối ưu môdun (a = 2) Đối tượng điều chỉnh vòng điều chỉnh tốc độ gồm vòng kín điều chỉnh mơmen khâu học truyền động điện W0  KM aM T P(T P  1)   cTM P Ở bỏ qua số hạng chứa P2 W0  KM aM T P   cTM P (6) Hằng số thời gian không bù Tc = aT Hàm truyền mong muốn mạch hở : WH2  K a aM T P(aM T P  1) (7) Hàm truyền điều chỉnh W  WH2 K M  c TM   K P W0 K a aM T (8) Đây hàm truyền điều chỉnh tỷ lệ KI 0,1   0,1067 C 0,9374 C2 0,93742 Độ cứng đặc tính theo mơmen :  c  R  0,2376  3,698s � Hệ số truyền mômen : K M  - - Hệ số truyền tốc độ: - K  U�max 10   0,085vs 0max 117,34 với 0max tốc độ không tải lý tưởng động tính theo cơng thức sau đây: 0max  U�m 110   117,34 C 0,9374 rad / s) Thay vào (8) ta có : K P  K M  c.TM 0,1067.3,698.0,054   6,266 K a a T 0,085.2.2.0,01 * Cho điện trở phản hồi mạch điều chỉnh tỷ lệ R = 100K ta xác định điện trở vào kênh đặt tốc độ : Rv1  R1 100   15,97K  K p 6,26 * Sức điện động máy phát tốc độ  = 0max = 104,67 rad/s : Eft = Kft 0max = 0,6 104,67 = 62,802V * Tính điện trở vào kênh phản hồi tốc độ Rph1 R E 15,97.62,802 R ph1= v1 ft = =100,29K  U� max 10 - Tính tốn đặc tính : U đ - W U đI MC KM M 2T P(T P  1)  Ko Ta có phương trình : -  cTM P  M  U�I K 0M aM T P(1 T P )  Trong : UđI = ( Uđ –Ko.).Kp Bỏ qua số hạng chứa P2 ta có : (Uđ - Ko.)Kp = KoM(2TP+1)M K M  cTM K p  K o aM a T (2TP + 1)M = k(đ - ) Ta có : Với :  k  ( (9)  cTM U ; �  � 4T K o U� T   ) c M  (2T P  1)M K o 4T Phương trình đặc tính (P = 0) :  U� 4T  M K o  cTM (10) Phương trình giới hạn thay đổi tuyến tính bbộ điều chỉnh tốc độ (UđI – Ko)Kp < UđImax  = gh = omax – Mnm/ điện áp điều chỉnh tốc độ () cực đại  < gh mơmen M = Mnm = const Vậy Iư �Inm =84 A phương trình đặc tính :  U� 4T C  I � K o  cTM  4.0,01.0,9374 U�  I �  11.76U� 0,1877I � 0,085 3,698.0,054 -Khi Uđ = U đmax = 10V Thì  = 117,6 -0,1877Iư -Khi Uđ = 0,5U đmax =5V Thì  = 58,8–0,1877Iư - Độ cứng đặc tính  omax Eb= Emax = 5v gh Uđ = 5v o Inm 10 Iư Khi  = gh , Iư = Inm k = Ta có :  = 117,6 – 0,1877.Iư = gh= 88,5 –0,1877.120=65,976rad/s Giá trị s.đ.đ biến đổi tương ứng  = gh , Iư = Inm : Eb = Emax = C.gh + IưRư = 0,9374 65,976 + 120 0,2376 = 90.35V Đặc tính điện tương ứng với Eb = Emax -  Emax R� 90,35 0,2376  I �   I �  96,38 0,2534I � C C 0,9374 0.9374  Xác định sai số Từ (9) ta thấy mơđun độ cứng đặc tính hệ điều chỉnh kín theo tốc độ xác định thông số động học TM T :  k   c TM 4T Độ xác điều chỉnh thông sauphanf khác (T M) khac nhiều Nếu hệ truyền động điện có qn tính lớn T M > 4T mơđun độ cứng đặc tính hệ kín lớn hệ hở k > c Khi TM = 4T k = c Với hệ truyền động điện cơng suất lớn mà mơmem qn tính nhỏ ( T M < 4T) k < c Theo (9) ta có sơ đồ cấu trúc : Mc đ   k 2T  M  cTM P   k M(P )   (P ) 2T  Ta có Ta định nghĩa độ cứng đặc tính sau :  k  dk    2T P   cTM 4T (2T P  1) Đặc tính tần số loga đặc tính động : L TM > 4T TM = 4T TM < 4T 1 Tc 111 2T  (11) Trên hình vẽ ĐTTSLG với giá trị : TM 4T khác đường (nét đứt) đặc tính động hệ hở Từ sơ đồ cấu trúc ta tính sai lệch theo tác động điều chỉnh: �k (P ) 1 WH (P )  k  c TM 1 WH (P )    2T P   cTM P 4T (2T P  1)  cTM P 4T P(2T P  1) k (P )  k (P )  �k (P) (12) 4T P(2T P  1) 4T P(2TM P  1)  Ta thấy P = đk = const (giá trị đặt khơng đổi) sai số tĩnh theo tác động Hệ có bậc phiếm tĩnh  Nếu tác động điều khiển tăng theo qui luật tuyến tính : đk = .t �k (P )  P chế độ cân có sai số không đổi thay P = vào (12) ta : k = 4T . -Sai lệch theo tác động mômen nhiễu tải :  /k (P)  Mc (P ).4T (2T P  1) Mc (P )  1 WH ( p)  cTM [4T P(2T P  1)  1] (13) Khi Mc = const thay P = ta biểu thức sai số tĩnh theo mômen tải:  / k  Mc 4T Mc   c TM  k (14) Vậy QTQĐ lượng vào thay đổi theo qui luật tuyến tính thí sai số động cân tổng cộng : k = k + /k  4T   Thay số : k  4T  - Mc 4T  TM Mc 4T 42,99 4.0,01  4.0,01.100   12,61 1/ s  c TM 3,698 0,054 Giá trị cân dòng điện phần ứng  = o.t Ic  I cb  I c  M c P®m.1000 4,5.1000    45.86 A C C ®m 0,9374.104.67 J M J 42,99 2.0,1   c      100 C C C 0.9374 0.9374  45,86  21,3354  67,19A 12 - Thời gian điều chỉnh (đại lượng điều chỉnh tốc độ  lần đạt giá trị cân ): = 4,7T =4,7.2T = 9,4.0,01= 0,094  0,1s PHẦN Mô nghiên cứu ảnh hưởng thay đổi tải đến chất lượng hệ thng 1.Mô vận tốc : a Sơ đồ thùc thi Từ sơ đồ cấu trúc hệ thống tiến hành tính tốn hàm truyền, xây dựng Simulink: C E Uđ - W UđI - WI Ubđ K bd T P+1 ebđ - Ru � CTM P / Ru � I Tu P  UphI Uph KI IC K Sơ đồ cấu trúc hệ thống sau tính toán Ic 13 Sơ đồ cấu trúc hệ thống sau Simulink Kết mô đồ thị Simulink với Ic = 14 Kết mô đồ thị Simulink víi Ic = 16 NhËn xÐt: Khi thay ®ỉi tải không làm thay đổi thời gian độ mà làm thay đổi độ điều chỉnh Mụ vòng điều chỉnh tốc độ: Từ sơ đồ cấu trúc hệ thống với vòng hiệu chỉnh ta xây dựng chương trình mơ Simulink Ubđ UđI - WI K b� T p  ebđ 1/ Ru � Tu p  Iư UphI KI Chương trình mơ simulink với giá trị tính tốn thay vào ta có sơ đồ sau: 15 Kết mơ hình 16 ... Giả thiết tốc độ động thay đổi theo qui luật tuyến tính:  (t)   max t   ( p)   max p Thay (p) vào (1) Ta có sai số: M(i)(0)=e.a.T.max (3) Theo (3) QTQĐ (t) thay đổi nên mối liên... tối ưu môđun (a = 2) cho mômen thay đổi nhẩy bậc M v = Mnm , QTQĐ thay đổi mômen M= f(t) cho hình sau (đường 1) M Mnm Mcb M bđ 4,7T t Đường cong mô tả xác QTQĐ thay đổi mơmen  = (Rơto động bị... trục động tốc độ thay đổi theo phương trình: d M  Mc  J  dt Sự thay đổi tốc độ gây khác biệt đường cong thực tế so với đường 1, tốc độ lớn khác biệt lớn Đường cong biểu diễn thay đổi tốc độ