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.
MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, động điện chiều đóng vai trị quan trọng ngành công nghiệp sống Động điện chiều ứng dụng phổ biến ngành cơng nghiệp khí, nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm, cánh tay robot; để thực nhiệm vụ cơng nghiệp đại với độ xác cao, lắp ráp dây truyền sản xuất, yêu cầu có điều khiển tốc độ Đối với phương pháp điều khiển kinh điển, cấu trúc đơn giản bền vững nên điều khiển PID dùng phổ biến hệ điều khiển công nghiệp.Mục tiêu điều khiển nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động Tuy nhiên, thực tế có nhiều đối tượng điều khiển khác với yêu cầu đặc tính phức tạp khác cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm phương pháp điều khiển cho hệ truyền động ngày đạt chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp hiệu đạt cao nhất, đáp ứng yêu cầu tự động hóa truyền động điện dây truyền sản xuất Trong học kì em nhận đề tài:” Thiết kế điều khiển tốc độ động chiều kích từ độc lập với mạch động lực sử dụng băm xung không cần đảo chiều quay’ Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ bảo tận tình thầy Trần Tiến Lương q trình đồ án mơn học với đề tài Mặc dù cố gắng không tránh khỏi sai xót định, em mong góp ý, bảo thêm thầy, Chương 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 điện chiều Động chiều bao gồm phần: phần cảm (startor) phần ứng(rotor) - 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), dịng điện chạy dây quấn kích từ cho cực từ tạo có cực tính liên tiếp ln phiên Cực từ gắn với vỏ máy nhờ cat bulong Ngồi máy điên chiều cịn có nắp máy, cực từ phụ cấu chổi than Hình 1.1: Cực từ - Phần ứng (rotor): Rotor gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp trục máy: + Lõi thép phần ứng: Hình trụ thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại Các thép dập lỗ thong gió rảnh để đặt dây quấn phần ứng + Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt rảnh phần ứng tạo thành nhiều vịng kín Phần tử dây quấn bối dây gồm nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp phiến góp Hai cạnh tác dụng phần tử đặt hai rãnh hai cực từ khác tên + Cổ góp (vành góp): gồm nhiều phiến đồng ghép với thành - 1.1.2 khối hình trụ, cách điện với cách điện với trục máy Chổi than: Máy có cực có nhiêu chổi than Các chổi than cực tính nối với để có cực âm dương Các phận khác: cánh quạt, trục máy Nguyên lý làm việc động điện chiều Khi cho điện áp chiều vào hai chổi điện A B, dây quấn phần ứng có dòng điện dẫn roto mang dòng điện nằm từ trường chịu tác dụng lực tương hỗ lên tạo lên mô men tác dụng lên roto, làm quay roto Chiều lực tác dụng xác định theo quy tắc bàn tay trái Hình1.2: Mơ tả nguyên lí làm việc động chiều Khi phần ứng quay nửa vịng, vị trí dẫn đối diện đổi chỗ cho nhau, nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện chiều biến đổi thành dòng xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, lực tác dụng lên roto theo chiều xác định, đảm bảo động có chiều quay không đổi 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 mỏy gi l i lng nh mc Phần ứng đợc biểu diển vòng tròn bên có sức điện động E, phần stato có vài dây quấn kích từ : dây quấn kích từ độc lập ckđ, dây quấn kích từ nối tiếp ckn, dây quấn cực từ phụ cf dây quấn bù cb hệ thống phơng trình mô tả động chiều phi tuyến, đại lợng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thờng điện áp phần ứng u, điện áp kích thích uk, tín hiệu thờng tốc độ góc động , mô men quay m, dòng điện phần ứng i, số trờng hợp vị trí rôto mô men tải mc mô men cấu làm việc truyền trục động cơ, mô men tải nhiễu loạn quan trọng hệ truyền điện tự động Hỡnh1.3: Giản đồ kết cấu động điện mét chiỊu 1.1.3 Đặc tính động chiều kích từ độc lập Đặc điểm động dịng kích từ khơng phụ thuộc vào phụ tải mà phụ thuộc vào điện áp điện trở mạch kích từ Để đảm bảo điều kiện ta mắc động theo cách mắc sau: - Nếu nguồn chiều có cơng suất điện áp khơng đổi mạch kích từ mắc song song với mạch phần ứng - Nếu nguồn chiều có cơng suất khơng đủ lớn nguồn kích từ phải độc lập với nguồn phần ứng, ta có sơ đồ ngun lý: Hình 1.5: Nguồn kích từ độc lập với nguồn phần ứng • Thành lập phương trình đặc tính: Từ phương trình cân điện áp , mạch phần ứng: U u = E u + ( Ru + R f ).I u (1.1) đó: uu : điện áp phần ứng eu : suất điện động phần ứng ru : điện trở mạch phần ứng rf : điện trở phụ mạch phần ứng Ru = ru + rcf + rb + rct (1.2) ru : điện trở cuộn dây phần ứng rcf : điện trở cùc tõ phơ rb : ®iƯn trá cn bï rct : ®iƯn trë tiÕp xóc chỉi ®iƯn Suất điện động phần ứng xác đinh theo biểu thức sau : Eu = K ω.φ = p.N φω 2.π a (1.3) Trong ú : p: số đôi cực từ n : số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng : từ thông kích từ dới cùc tõ ω : tèc ®é gãc p.N 2.π a : hệ số cấu tạo động Eu = K e n.φ K= n : tèc ®é ro to ω= 2.π n n = 60 9,55 Ta có phương trình đặc tính điện : ω= U u Ru + R f − Iu Kφ Kφ (1.4) Nếu bỏ qua tổn thất lượng bên động Mđt=Mcơ=M phương trình đặc tính động là: ω= U u Ru + R f − M Kφ ( Kφ ) (1.5) Từ phương trình mối quan hệ ω=f(M) ω=f(I) biểu diển hình sau: Hình 1.6: Dạng đặc tính điện đặc tính động chiều 1.2.CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP a Chế độ xác lập động chiều Khi đặt lên dây quấn kích từ điện áp uk dây quấn kích từ có dịng điện ik mạch từ máy có từ thơng φ Tiếp đặt giá trị điện áp U lên mạch phần ứng dây quấn phần ứng có dịng điện I chạy qua Tương tác dịng điện phần ứng từ thong kích từ tạo thành mô men điện từ, giá trị mô men điện từ tính sau: M= φI=k.φI (1.6) Trong đó:α- số mạch nhánh song song dây quấn phần ứng p- số đôi cực động N- số dẫn phần ứng cực từ K= : hệ số kết cấu máy Mô men kéo cho phần ứng quay quanh trục, dây quấn phần ứng quét qua từ thông dây quấn cảm ứng suất điện động: E= φω=k.φω (1.7) Trong đó: ω- tốc độ góc roto Trong chế độ , tính tốc độ qua phương trình cân điện áp phần ứng: ω= (1.8) : Ru - điện trở mạch phần ứng động Với phương trình (1.6)và (1.8) vẽ họ đặc tính M(ω) động mọt chiều từ thong không đổi b Chế độ độ động chiều Nếu thong số động khơng đoit viết phương trình mơ tả sơ đồ thay hình 1.3 sau: Mạch kích từ có hai biến dịng điện kích từ ik từ thơng máy φ phụ thuộc phi tuyến đường cong từ hóa lõi sắt: Uk(p)=RkIk(p) + Nk.P.φ(p) (1.9) Trong Nk – số vịng dây cuộn kích từ Rk – điện trở cuộn dây kích từ Mạch phần ứng: U(p)= Rư.I(p) + Lư.p.I(p) NN.p.φ(p) + E(p) (1.10) Hoặc dòng điện: I(p) =[ U(p) NN.p.φ(p) - E(p)] (1.11) Trong đó: Lư điện cảm mạch phần ứng NN - số vịng dây cuộn kích từ nối tiếp Tư –Lư/Rư – số thời gian mạch phần ứng Phương trình chuyển động hệ thống: M(p) –Mc(p) = Jpω (1.12) J mơ men qn tính phần chuyển động quy đổi trục động Hình 1.7: Sơ đồ cấu trúc động chiều 1.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập 1.3.1 Phương pháp thay đổi diện trở phụ - Đây phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động điện chiều +) Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp người ta giữ U = Uđm,φ = φ đm nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Độ cứng đường đặc tính cơ: (1.13) +) Ta thấy điện trở lớn β nhỏ nghĩa đặc tính dốc mềm Hình 1.8: Đặc tính động chiều thay đổi điện trở phụ Ứng với Rf = ta có độ cứng tự nhiên β TN có giá trị lớn nên đặc tính tự nhiên có độ cứng lớn tất đường đặc tính có điện trở phụ Như vậy, ta thay đổi Rf ta họ đặc tính thấp đặc tính tự nhiên - Đặc điểm phương pháp: +) Điện trở mạch phần ứng tăng độ dốc đặc tính lớn, đặc tính mềm, độ ổn định tốc độ sai số tốc độ lớn +) Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức ( cho phép thay đổi tốc độ phía giảm) +) Chỉ áp dụng cho động điện có cơng suất nhỏ, tổn hao lượng điện trở phụ làm giảm hiệu suất động thực tế thường dùng động điện cần trục +) Đánh giá tiêu: Phương pháp điều khiển liên tục mà phải điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào số mơmen tải, tải nhỏ dải điều chỉnh D = ω max / ωmin nhỏ Phương pháp điều chỉnh dải D = : +) Giá thành đầu tư ban đầu rẻ không kinh tế tổn hao điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển đơn giản 1.3.2 Phương pháp thay đổi từ thông φ - Nguyên lý điều khiển: Giả thiết U= Uđm, Rư = const Muốn thay đổi từ thông động ta thay đổi dịng điện kích từ, thay đổi dịng điện mạch kích từ cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Bình thường động làm việc chế độ định mức với kích thích tối đa ( ω= max ) mà phương pháp cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên điều chỉnh theo hướng giảm từ thông φ tức điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức Nên giảm φ tốc độ khơng tải lý tưởng ω tăng, cịn độ cứng đặc tính β giảm, ta thu họ đặc tính nằm đặc tính tự nhiên: Hình 1.9: Đặc tính động chiều thay đổi từ thông - Khi tăng tốc độ động cách giảm từ thơng dòng điện tăng tăng vượt mức giá trị cho phép mơmen khơng đổi Vì muốn giữ cho 10 Người ta thường dùng phương pháp biến điệu để truyền tín hiệu chiều từ sơ cấp sang thứ cấp có cách ly biến áp phần tử quang điện Hình 2.2:Mạch ngun lý đo dịng điện chiều Mạch đo bao gồm khâu biến điệu, khâu chỉnh lưu nhạy pha, tín hiệu đo sóng biến điệu chuyển qua biến sau chỉnh lưu thành tín hiệu xoay chiều Giữa sơ cấp thứ cấp cách ly biến Thơng thường sóng biến điệu có tần số cao biến dung lõi ferit nên giảm kích thước thiết bị để nhiễu xoay chiều không làm ảnh hưởng lớn đến điều chỉnh ta phải chọn tần số dao động lớn mười lần tần số đầu chỉnh lưu Trên hình2.2 sơ đồ cách ly đại lượng chiều dùng bán dẫn quang điện Nó dùng mạch dao động xung tam giác đối xứng, mạch so sánh, mạch truyền xung mạch tích phân Hàm truyền khâu lấy tín hiệu dịng điện: KI WI ( p) = + TI p Trong đó: TI – số thời gian máy biến dòng KI - hệ số phản hồi dòng điện 21 (2.1) b Sensor tốc độ Sω Đóng vai trị khâu phản hồi tốc độ, mạch vòng tốc độ, người ta phải tạo tín hiệu điện áp tỉ lệ với tốc độ động Để làm điều người ta thường dùng máy phát tốc chiều, nối cứng trục với động Máy phát tốc chiều : + Khái niệm : máy phát tốc thiết bị đo tốc độ động + Cấu tạo : Gồm hai phần phần cảm phần ứng + Máy phát tốc chiều thực máy phát điện chiều loại nhỏ tạo tín hiệu điện áp tỉ lệ với tốc độ động cơ, nối cứng với trục động Yêu cầu máy phát tốc chiều điện áp ,một chiều có chứa thành phần xoay chiều tần số cao tỉ lệ với tốc độ động cơ, không bị trễ nhiều giá trị dấu so với biến đổi đại lượng đo Điện áp chiều phát không phụ thuộc vào tải, vào nhiệt độ Hình2.3: Sơ đồ đo tốc độ dùng máy phát tốc Khi từ thông máy phát tốc không đổi, điện áp đầu phát tốc : U = Kω ω − IR up − ∆U CT Nếu chọn điện trở đủ lớn, gần ta có: Uω = Kω ω Hàm truyền máy phát tốc : WFT ( p) = Kω + Tω p 22 (2.2) Trong : Tω - số thời gian máy phát tốc Kω - hệ số phản hồi máy phát tốc 2.2.5 Tổng hợp mạch vịng dịng điện Hình 2.2: Cấu trúc mạch vịng điều khiển dịng điện Mạch vịng điều khiển có nhiệm vụ tăng đáp ứng dòng điện điều khiển động chiều, hạn chế dịng điện động không vượt ngưỡng cho phép Mặt khác nhiệm vụ điều khiển thiết lập giá trị dòng giá trị điều khiển trước tác động cảu nhiễu Đối với động chiều điều khiển dịng tổng hợp theo cách: - Tổng hợp điều khiển RI bỏ qua sức điện động phần ứng Tổng hợp điều khiển RI có tính đến sức điện động phần ứng Trong trường hợp quán tính lớn so với qn tính điện, nghĩa thời điểm xem thay đổi dòng điện lớn nhiều so với thay đổi tốcđộ điểm xem tốc độ khơng đổi Khi cần điều khiển xác ta cần phải tính đến suất điện động động • Tổng hợp điều khiển RI: Trong hệ thống truyền động điện tự động hệ chấp hành mạch vòng điều chỉnh dòng điện mạch vòng có chức mạch vịng dòng điện trực tiếp gián tiếp xác định mơ men kéo động cơ, ngồi cịn có chức bảo vệ, điều chỉnh gia tốc… 23 Hình2.3 : Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Trong đó: Tu = Lu Ru số điện từ động Ti =R.C Hằng số thời gian cảm biến( sensor) dòng điện Bỏ qua ảnh hưởng suất điện động ta có: Hình2.4: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện bỏ qua E Bỏ qua ảnh hưởng sức điện động ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn sau: Hình2.5: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vịng dịng điện 24 Trong Si mơ hình đối tượng điều khiển dòng SI = 1/ Ru kb d kI I ( p) = U (p) + Tu p (1 + Tbd p)(1 + Tv p) + TI p (2.3) TSI=TSI+ Tv+Tk