Trần Tiến Lương
LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật tạo thành tựu to lớn, ngành tự động hóa góp phần khơng nhỏ vào thành cơng Một vấn đề quan trọng dây truyền tự động hoá sản xuất đại việc điều chỉnh tốc độ động Từ trước đến nay, động chiều loại động sử dụng rộng rãi kể hệ thống yêu cầu cao Vì em giao đề tài tốt nghiệp là: “Xây dựng hệ điều tốc cho động chiều có phản hồi âm điện áp So sánh đặc tính với đặc tính hệ hở” Nội dung đề tài chia làm chương: Chương Tổng quan hệ điều tốc máy điện chiều Chương Xây dựng mơ hình hệ điều tốc động điện chiều Chương Mô so sánh đặc tính hệ hở hệ kín Simulink Trong trình làm đề tài tốt nghiệp, em nhận hướng dẫn, bảo tận tình cung cấp tài liệu cần thiết thầy giáo TS.Trần Tiến Lương Em xin gửi tới hai thầy lời cảm ơn chân thành Tuy nhiên, thời gian giới hạn đồ án với phạm vi nghiên cứu tài liệu với kinh nghiệm kiến thức hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót mong đóng góp ý kiến thầy cô để đồ án em hoàn thiện Mục Lục LỜI MỞ ĐẦU Chương 1: Tổng quan hệ điều tốc máy điện chiều 1.1 Giới thiệu chung điều tốc chiều 1.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc động điện chiều 1.3 Điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập Chương 2: Xây dựng mô hình hệ điều tốc động điện chiều có phản hồi âm điện áp 2.1 Cấu trúc hệ hở hệ điều tốc động chiều .9 2.2 Mơ hình đối tượng cấu trúc điều khiển hệ hở 10 2.3 Bộ điều tốc có phản hồi âm điện áp .13 2.4 Mơ hình biến đổi truyền động chiều .16 2.5 Tổng hợp mạch phản hồi âm điện áp 18 2.6 Tổng hợp hệ điều tốc cho động chiều có phản hồi âm điện áp .20 Chương 3: Mô so sánh đặc tính hệ hở hệ kín Simulink .22 3.1 Lựa chọn tính tốn thơng số cho q trình mơ .22 3.2 Mô trường hợp cụ thể hệ điều tốc động chiều simulink 22 3.3 Kết luận 30 Chương 1: Tổng quan hệ điều tốc máy điện chiều 1.1 Giới thiệu chung điều tốc chiều Mục tiêu hệ điều chỉnh tự động truyền động điện phải đảm bảo giá trị yêu cầu đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào tác động nhiễu lên hệ điều chỉnh Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động phải đạt yêu cầu công nghệ, tiêu chất lượng yêu cầu kinh tế Hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc chung trình bày hình gồm: Hình 1.1 Cấu trúc chung Bộ điều tốc có nhiệm vụ điều hòa (giữ ổn định) tốc độ động - Phần lực (mạch lực): từ lưới điện nguồn điện cung cấp điện đến biến đổi (BBĐ) động điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX) Các biến đổi biến đổi máy điện, biến đổi điện tử, biến đổi bán dẫn Động loại chiều, xoay chiều, loại động đặc biệt - Phần điều khiển gồm cấu đo lường, điều chỉnh tham số R cơng nghệ RT; khí cụ (K), thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ cơng nghệ (KT) cho người vận hành (VH) Một số hệ có ghép nối với thiết bị tự động khác (GN) với máy tính điều khiển Có chế độ động bắt buộc phải lắp điều tốc: - Động chế độ không tải: điều tốc vị trí, lúc cần động hoạt động ổn định không chết máy - Động kéo chân vịt tàu thủy: tránh nguy hiểm trường hợp chân vịt bị nhấc khỏi mặt nước, điều tốc hạn chế tốc độ cực đại động Điều tốc lắp xe đề phòng trường hợp hỏng hệ truyền động (như trục đăng bị gãy chẳng hạn) - Động máy phát điện: điều quan trọng đảm bảo tần số máy phát 1.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc động điện chiều 1.2.1 Cấu tạo 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) Phần cảm (stator) gồm lõi thép làm thép đúc, vừa mạch từ vừa Hình 1.2 Stator vỏ máy cực từ có dây quấn kích từ Phần ứng (rotor) máy điện chiều gọi rôto, gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp trục máy Phần ứng quay làm thép kỹ thuật điện ghép với có phang rãnh quấn cuộn dây Hình 1.3 Lá thép rơto Hình 1.4 Dây quấn phần ứng máy điện 1chiều a) Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn 1.2.2 Nguyên lý làm việc Khi 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 1.5 Mơ tả nguyên 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 rơto theo chiều định, đảm bảo động có chiều quay khơng đổi Ngồi ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ… Cơng 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 1.3 Điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập Khi xem xét phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập, ta biết quan hệ ω = f(M) phụ thuộc thông số điện U, φ, Rư Sự thay đổi thông số cho họ đặc tính khác Vì vậy, với mơmen tải đó, tốc độ động khác đặc tính khác Như vậy, động điện chiều kích từ độc lập (hay kích từ song song) điều chỉnh tốc độ phương pháp sau đây: 1.3.1 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp phần ứng Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có họ đặc tính ứng với tốc độ khơng tải khác nhau, song song có độ cứng Điện áp U thay đổi phía giảm (U Uư = IưRư+sLưIư+Eư => Iư = 10 Khi thay đổi hệ số phản hồi điện áp trượt chiết áp (r 1, r2) tốc độ khơng tải lý tưởng lẫn độ cứng đặc tính thay đổi theo Trường hợp hệ thống có hệ số khuếch đại lớn độ cứng đạt giá trị tối đa độ cứng đặc tính tự nhiên 2.4 Mơ hình biến đổi truyền động chiều Hệ thống điều tốc chiều dùng biến đổi chỉnh lưu tiristor có đảo chiều Hệ truyền động có đảo chiều quay xây dựng nguyên tắc giữ ngun chiều dòng kích từ đảo chiều dòng điện phần ứng Hình 2.11 Sơ đồ ngun lý biến đổi chỉnh lưu tiristor có đảo chiều Truyền động dùng hai biến đổi nối song song ngược điều khiển chung Loại dùng cho dải công suất vừa lớn, thực công việc đảo chiều êm Nguyên tắc điều chỉnh đảo chiều theo phương pháp điều khiển chung Tại thời điểm điều khiển nhận xung mở có biến đổi cấp dòng cho nghịch lưu, biến đổi làm việc chế độ đợi Đặc tính điều khiển BĐ1 đường I, đặc tính điều chỉnh BĐ2 đường II Giả thiết α1 < π/2; α2 > π/2 cho |Ed1|≤|Ed2| dòng điện chảy từ BĐ1 sang động mà chảy từ BĐ1 sang BĐ2 Để đạt trạng thái góc điều khiển phải thỏa mãn điều khiển: α ≥ π – α1 hay β2 ≤ α1 Nếu 16 tính đến góc chuyển mạch μ góc khóa δ giá trị lớn góc điều khiển biến đổi chế độ nghịch lưu đợi phải là: α max =π – (μmax + δ) giá trị nhỏ góc điều khiển biến đổi làm việc chế độ chỉnh lưu αmin ≥ μ + δ Nếu chọn |Ed1|=|Ed2| α1 + α2 =π ta có phương pháp điều khiển chung đối xứng, sđđ tổng mạch vòng biến đổi triệt tiêu dòng điện trung bình chảy vòng qua hai biến đổi triệt tiêu: Trong đó: Rcb tổng điện trở mạch vòng cân Trong phương pháp điều khiển chung, bảo đảm |E d2|≥|Ed1|, tức khơng xuất giá trị trung bình dòng cân bằng, song giá trị tức thời sđđ chỉnh lưu ed1(t), ed2(t) ln khác nhau, vẵn xuất thành phần xoay chiều dòng điện cân Để hạn chế biên độ dòng điện cân thường dùng cuộn kháng cân L cb Trong sơ đồ chỉnh lưu cầu pha dòng điện cân chảy vòng độc lập Mỗi vòng tạo thành chỉnh lưu ba pha hình tia Dạng điện áp chỉnh lưu E d đặc biệt có tính đến sụt áp điện kháng cân bằng: Ed1 = Udk1 – 1/2Ucb = 1/2(Udk1 + Udk2) Bằng cách tương tự xây dựng đồ thị U đk1, UdA1 Ed2, đồ thị có dạng tương tự Điện áp chỉnh lưu biến đổi bằng: U d = Ed1 −Ed2 Ta có: WBĐ = Phân tích chuỗi Furier, gần ta có: Wbd = ; Trong đó: Tđk - số thời gian mạch điều khiển van bán dẫn Tđk = 0,001(s) TV - số thời gian xung áp TV = = 0,002(s) Với m số xung áp đẩu ra; we chu kì KBĐ - hệ số biến đổi mạch chỉnh lưu (hệ số khuếch đại) Mơ hình tốn học biến đổi: 17 Hình 2.12 Mơ hình tốn học biến đổi Mơ hình tốn học biến đổi – động chế độ dòng liên tục: Hình 2.13 Mơ hình tốn học biến đổi động chiều 2.5 Tổng hợp mạch phản hồi âm điện áp Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động F-Đ Từ hình (2.16) ta có điều sau Giả dụ ta đặt tính hiệu điều khiển trước chỉnh lưu 10V sụt áp đường dây, điện trở biến đổi nên tới mạch phần ứng 9V Như nêu mục việc bù sụt áp cách phản hồi âm điện áp về, việc sụt áp đường dây điện trở biến đổi thực tế không đáng kể 18 Hình 2.15 Mạch có phản hồi âm điện áp Theo thông số động cho đề bù tổng hợp theo hướng lấy tín hiệu áp đo sau bị sụt áp qua phần tử điện trở dây điện trở chỉnh lưu đo 214,6 (V) Giá trị đưa so sánh với điện áp vào phần ứng tương ứng 220V Từ đưa sai lệch phản hồi để bù lượng áp bị Ta chọn khâu phản hồi sau Ta có: Kb = Kcl = Udm/Udk = 220/10 = 22 Tđk=0,001 (s), TV = 0,002 (s) Kpa = 1/22, Tpa = 0.02 (s) Để tổng hợp điều khiển Rꞷ đưa mơ hình dạng tiêu chuẩn: S= S= Vì 0.001, 0.002 hàng số nhỏ nên Áp dụng tiêu chuẩn modun tối ưu tổng hợp điều khiển Rbu: Hình 2.16 Mơ hình dạng tiêu chuẩn Rbu = Chọn hàm tác động chậm Rbu = = 19 Rbu PI 2.6 Tổng hợp hệ điều tốc cho động chiều có phản hồi âm điện áp Mơ hình tốn học điều tốc: Hình 2.17 Mơ hình tốn học điều tốc có phản hồi âm điện áp Ta coi nhiễu Mc = 0, bỏ qua sức điện động E Do Rbu tổng hợp theo phương pháp module tối ưu nên ta có hàm kín có dạng: G1 = Do τbu = 0.02 nên G1 = mà 0.0008 số thời gian nhỏ nên coi gần đũng => G1 = Hàm truyền khâu đo tốc độ có dạng Fdo = Để tổng hợp điều khiển Rꞷ đưa mơ hình dạng tiêu chuẩn: ꞷsp Rꞷ S Khi đo ta có hàm truyền đạt S S = G1**Kpdm* *Fdo S= Do 0.04, 0.01 số thời gian nhỏ nên 0.04 + 0.01 = 0.05 S= với: Rư=0,0146 Ω Lư=0,0013 H J = 12 kg.m2 T ư=0,089 (s) Hình 2.18 Mơ hình dạng tiêu chuẩn 20 Tổng hợp điều khiển Rꞷ theo tiêu chuẩn module tối ưu ta có: Rꞷ = Chọn hàm tác động chậm Rꞷ = Rꞷ = Rꞷ PD 21 Chương 3: Mô so sánh đặc tính hệ hở hệ kín Simulink 3.1 Lựa chọn tính tốn thơng số cho q trình mơ Các thơng số cho động điện chiều Công suất định mức: Pđm=125 kW Điện áp định mức: Uđm = 220V Dòng điện định mức: Idm = 632 A Tốc độ định mức: nđm = 1500 vòng/phút Tốc độ góc: ωdm = 157(rad/s) Điện trở phần ứng: Rư = 0,0146 Ω Điện cảm phần ứng: Lư = 0,0013 H Mơmen qn tính: J = 12 kg.m2 Hằng số thời gian điện từ mạch phần ứng: Tư = 0,089(s) Hằng số thời gian học: Tc = 0,097(s) Thông số chỉnh lưu Hằng số thời gian chuyển mạch chỉnh lưu: Tcl = 0,003 (s) Hệ số chỉnh lưu: Kcl = 22 3.2 Mô trường hợp cụ thể hệ điều tốc động chiều simulink 3.2.1 Mô động điện trường hợp Φ = const Hình 3.1 Động điện trường hợp Φ = const 22 Đặc tính tốc độ, đặc tính dòng điện động thu mô với Usp = 220V hình đây: Đặc tính tốc độ: Hình 3.2 Đặc tính tốc độ Đặc tính dòng điện: Hình 3.3 Đặc tính dòng điện Nhận xét: Động đáp ứng nhanh (1s) khiến cho dòng khởi động lớn 2.5Idm (8396 A >1580 A) làm đánh thùng cách điện động Do ta thêm khối delay để làm giảm thời gian đáp ứng ổn định dòng điện 23 Hình 3.4 Mơ hình động có khối delay Đặc tính tốc độ sau có khối delay: Hình 3.5 Đặc tính tốc độ sau có khối delay Đặc tính dòng điện sau có khối delay: Hình 3.6 Đặc tính dòng điện sau có khối delay 24 3.2.2 Bộ điều tốc hệ hở động chiều Simulink Hình 3.7 Bộ điều tốc hệ hở động chiều Tín hiệu điện áp = 10V Đặc tính tốc độ: Hình 3.8 Đặc tính tốc độ hệ hở Đặc tính dòng điện: Hình 3.9 Đặc tính dòng điện hệ hở 25 Tín hiệu điện áp = 10V, có momen cản Mc = 500 Nm Đặc tính tốc độ: Hình 3.10 Đặc tính tốc độ có tải Đặc tính dòng điện: Hình 3.11 Đặc tính dòng điện có tải Nhận xét: Bộ điều tốc hệ hở khơng tải có đặc tính tốc độ, đặc tính dòng điện giống với đặc tính động chiều có delay Bộ điều tốc hệ hở có tải tốc độ nhỏ tốc độ động chiều có delay (159.7