Thiết kế hệ thống (chỉnh lưu – động cơ) điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng bộ điều khiển PID

Thiết kế hệ thống (chỉnh lưu – động cơ) điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng bộ điều khiển PID

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ ====o0o==== ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT – TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Đề tài: Thiết kế hệ thống (Chỉnh lưu – động cơ) điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng bộ điều khiển PID Giáo viên hướng dẫn : Quách Đức Cường Sinh viên thực hiện : Lớp : Tự động hóa 3 Hà nội, 2018 MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay với sự phát triển không ngừng của nền khoa học kỹ thuật đã tạo ra những thành tựu to lớn, trong đó ngành tự động hóa cũng góp phần không nhỏ vào thành công đó Một trong những vấn đề quan trọng trong các dây truyền tự động hoá sản xuất hiện đại là việc điều chỉnh tốc độ động cơ Từ trước đến nay, động cơ một chiều vẫn luôn là loại động cơ được sử dụng rộng rãi kể cả trong những hệ thống yêu cầu cao Vì vậy nhóm em đã được giao đề tài đồ án là: “ Thiết kế hệ thống (Chỉnh lưu – động cơ) điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng bộ điều khiển PID ” Nội dung đề tài được chia làm 5 chương: Chương 1 Tổng quan về hệ điều khiển tốc độ động cơ một chiều Chương 2 Xây dựng mô hình toán học của hệ thống Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển PID số (Digital PID controller) Chương 4 Mô phỏng kết quả trên Matlab&Simulink Chương 5 Tính toán mạch động lực Trong quá trình làm đồ án, em luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp những tài liệu cần thiết của thầy giáo TS Quách Đức Cường Em xin gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành Tuy nhiên, do thời gian và giới hạn của đồ án cùng với phạm vi nghiên cứu tài liệu với kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô để bản đồ án của nhóm em được hoàn thiện hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Nhóm 5 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 1 Động cơ điện 1 chiều 1.1:Khái quát chung Động cơ điện một chiều là động cơ điện thiết kế hoạt động với dòng điện một chiều Động cơ một chiều thường được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt yêu cầu mô men khởi động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng 1.2:Cấu tạo động cơ điện một chiều Động cơ một chiều, gồm ba thành phần chính sau: – Cực từ: Tương tác giữa hai từ trường tạo ra sự quay trong động cơ một chiều Động cơ một chiều có các cực từ đứng yên và phần ứng (đặt trên các ổ đỡ) quay trong không gian giữa các cực từ Một động cơ một chiều đơn giản có hai cực từ: cực bắc và cực nam Các đường sức từ chạy theo khoảng mở từ cực bắc tới cực nam Với những động cơ phức tạp và lớn hơn, có một hoặc vài nam châm điện Những nam châm này được cấp điện từ bên ngoài và đóng vai trò hình thành cấu trúc từ trường – Phần ứng: Khi có dòng điện đi qua, phần ứng sẽ trở thành một nam châm điện Phần ứng, có dạng hình trụ, được nối với với trục ra để kéo tải Với động cơ một chiều nhỏ, phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra, cho đến khi cực bắc và cực nam của nam châm hoán đổi vị trí tương ứng với góc quay của phần ứng Khi sự hoán đổi hoàn tất, dòng điện đảo chiều để xoay chiều các cực bắc và nam của phần ứng – Cổ góp: Bộ phận này thường có ở động cơ một chiều Cổ góp có tác dụng đảo chiều của dòng điện trong phần ứng Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền điện giữa phần ứng và nguồn điện 1.3:Phân loại động cơ điện một chiều a Động cơ điện một chiều kích từ độc lập Nếu dòng kích từ được cấp từ một nguồn riêng, thì đó là động cơ một chiều kích từ độc lập b Động cơ điện một chiều kích từ song song Ở động cơ kích từ song song, cuộn kích từ (trường kích từ) được nối song song với cuộn dây phần ứng (A) như minh hoạ trong hình Vì vậy, dòng điện toàn phần của đường dây là tổng của dòng kích từ và dòng điện phần ứng Dưới đây là một số đặc tính của tốc độ ở động cơ điện kích từ song song (E.T.E., 1997): 4 – Tốc độ động cơ trên thực tế là không đổi, không phụ thuộc vào tải (tới một mô men nhất định, sau đó tốc độ giảm, xem hình), nhờ vậy loại đông cơ này thích hợp với các ứng dụng với mô men khởi động thấp, như ở các máy công cụ – Có thể điều khiển tốc độ bằng cách lắp thêm điện trở nối tiếp với phần ứng (giảm tốc độ) hoặc lắp thêm điện trở nối tiếp với mạch kích từ (tăng tốc độ) c Động cơ điện một chiều tự kích Ở động cơ nối tiếp, cuộn kích từ (trường kích từ) được nối nối tiếp với cuộn dây phản ứng (A) như minh hoạ Nhờ vậy, dòng kích từ sẽ bằng với dòng phần ứng Dưới đây là một số đặc điểm tốc độ của động cơ nối tiếp (Rodwell International Corporation, 1997; L.M Photonics Ltd, 2002): – Tốc độ giới hạn ở 5000 vòng/phút – Cần tránh vận hành động cơ nối tiếp ở chế độ không tải vì động cơ sẽ tăng tốc không thể kiểm soát được Động cơ nối tiếp phù hợp với những ứng dụng cần mô men khởi động lớn, như cần cẩu và tời d Động cơ điện kích từ hỗn hợp một chiều Động cơ kích từ hỗn hợp một chiều là kết hợp của động cơ nối tiếp và động cơ kích từ song song Ở động cơ kích từ hỗn hợp, cuộn kích từ (trường kích từ) được nối song song và nối tiếp với cuộn dây phần ứng (A) như minh hoạ trong hình 6 Nhờ vậy, động cơ loại này có mô men khởi động tốt và tốc độ ổn định Tỷ lệ phần trăm đấu hỗn hợp (tức là tỷ lệ phần trăm của cuộn kích từ được đấu nối tiếp) càng cao thì mô men khởi động của động cơ càng cao Ví dụ động cơ có tỷ lệ đấu hỗn hợp là 40-50% thích hợp với tời và cần cẩu, còn động cơ kích từ hỗn hợp chuẩn (12%) lại không thích hợp với hai loại thiết bị này (myElectrical, 2005) 1.4:Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều - a.+Sơ đồ nguyên U­ lý I­ + R­ Rf­ E Iư R­ E IKT IKT Rf - U­ Rf­ Rf UKT - + a)­Động­cơ­một­chiều­kích­từ­độc­lập ­b)­Động­cơ­một­chiều­kích­từ­song­song Hình­2.1.­Sơ­đồ­nguyên­lý­động­cơ­điện­một­chiều­kích­từ­độc­lập ­và­kích­từ­song­song 5 Iư Khi cho điện áp một chiều U vào 2 chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực Fđt tác dụng làm cho roto quay E Khi phần ứng quay đươc nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động Eư Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên sức điện động Eư còn được gọi là sức phản điện Phương trình điện là: U=Eư Rư.Iư 2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 2.1:Nguyên lý điều khiển bằng từ thông động cơ a Sơ đồ nguyên lý Khi thay đổi từ thông thì tốc độ động cơ thay đổi gần như theo tỷ lệ nghịch, còn dòng điện ngắn mạch không đổi Sơ đồ nguyên lý của hệ điều khiển bằng từ thông được trình bày trên hình 3.5, trong đó dòng kích từ Ikt và từ và từ thông Φ có thể thay đổi nhờ biến trở Rfk hoặc nhờ bộ nguồn kích từ có điện áp kích từ Ukt thay đổi 6 Hình­3.6.­Đặc­tính­cơ­khi­điều­chỉnh­từ­thông­của­động­cơ­một­chiều­ Φ1­ TN(Φđm) Φ2­