Nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều

Nhan đề : Nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều Tác giả : Nguyễn Công Doanh Người hướng dẫn: Nguyễn Thanh Sơn Từ khoá : Điện một chiều; Hệ truyền động một chiều Năm xuất bản : 2019 Nhà xuất bản : Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm tắt : Tổng quan về truyền động điện một chiều; các phương pháp điều khiển động cơ một chiều; thực nghiệm nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều; điều khiển động cơ một chiều sử dụng logic mờ.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN CÔNG DOANH

NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN – THIẾT BỊ ĐIỆN

Hà Nội – Năm 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN CÔNG DOANH

NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện – Thiết bị Điện ( KT)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN- THIẾT BỊ ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN THANH SƠN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Nội dung luận văn đúng với tên đề tài đã được đăng ký và phê duyệt theo quyết định số: 2315/QĐĐHBK-ĐT-SĐH ngày 15/08/2018 của Hiệu trưởng trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hà Nội, ngày 22 tháng 11 năm 2019 Học viên

Nguyễn Công Doanh

Nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

GIỚI THIỆU 2

1 Giới thiệu 2

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2

3 Nội dung nghiên cứu: 2

4 Bố cục của luận văn: 2

Chương I Những vấn đề chung về truyền động điện một chiều… ………3

1.1 Khái niệm chung ……….3

1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập (kích từ song song).3 1.2.1 Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song…3 1.2.2 Phương trình đặc tính cơ……….4

a) Các phương trình chính……….4

b) Đường đặc tính cơ và đặc tính cơ điện……… 6

1.2.3 Đặc tính tự nhiên……….7

1.2.4 Các đặc tính nhân tạo……… 9

a) Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ…9 b) Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ của động cơ………10

c) Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của động cơ………11

Chương II Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều 2.1 Khái niệm chung……… …14

2.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lậ.16 2.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng…………16

2.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ……… 17

2.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng………18

2.3 Hệ truyền động xung áp-động cơ điện một chiều (XA-Đ)………19

2.4 Mô hình hóa hệ truyền động một chiều………22

Nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều

2.4.1 Mô hình hóa động cơ khi không tải……… … 23

2.4.2 Mô hình hóa động cơ khi có tải……… 25

2.4.3 Mô hình hóa hệ truyền động một chiều vòng hở……….26

2.4.4 Đáp ứng bước đơn vị của hệ truyền động một chiều vòng hở………27

2.4.5 Hệ truyền động một chiều vòng kín……… …… 29

Chương III Thực nghiệm nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều 3.1 Đặt vấn đề……… … 34

3.2 Hệ thống truyền động xung áp mạch đơn-động cơ điện một chiều trong phòng thí nghiệm……… ….34

3.3 Phần cứng và phần mềm đo đáp ứng của động cơ……….……….35

Chương IV Điều khiển động cơ một chiều sử dụng logic mờ 4.1 Đặt vấn đề……… 51

4.2 Nhận dạng hàm truyền và điều khiển động cơ một chiều sử dụng Simulink……… 51

4.3 Điều khiển động cơ một chiều sử dụng logic mờ……… 54

4.3.1 Khái niệm về logic mờ……… ……… 54

4.3.2 Khái niệm về các bộ điều khiển mờ……….……55

4.3.3 Điều khiển mờ động cơ điện một chiều………58

4.3.4 Mô phỏng điều khiển mờ động cơ điện một chiều……….60

4.3.5 Thực nghiệm điều khiển mờ động cơ điện một chiều………62

Chương V Kết luận và hướng phát triển của đề tài trong tương lai……… 64

5.1 Kết luận……….… 64

5.2 Hướng phát triển của đề tài tương lai……….… 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

Nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.2 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập……….6

Hình 1.3 a) Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập……… 8

b) Đặc tính cơ điện tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập… 8

Hình 1.4 Họ đặc tính nhân tạo biến trở……… 10

Hình 1.5 a) Họ đặc tính cơ điện ……… 11

b) Họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi từ thông………11

Hình 1.6 Họ đặc tính nhân tạo khi thay đổi điện áp phần ứng……… 12

Hình 2.1 Điều khiển động cơ một chiều kích từ song song bằng phương pháp dùng điện trở phụ mạch phần ứng……….17

Hình 2.2 a) Sơ đồ nguyên lý và ………20

b) Đồ thị điện áp, dòng điện (b) của hệ XA-Đ………20

Hình 2.3 Đặc tính cơ của hệ XA-Đ……… 21

Hình 2.4 Sơ đồ mạch phần ứng và sơ đồ vật tự do của rô to động cơ điện một chiều với kích từ độc lập không đổi……….23

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc của động cơ khi có tải………26

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động một chiều vòng hở……… 27

Hình 2.7 Sơ đồ Simulink mô phỏng đáp ứng bước đơn vị của hệ truyền động một chiều vòng hở……… ……… 29

Hình 2.8 Đáp ứng bước đơn vị của hệ truyền động một chiều vòng hở………29

Hình 2.9 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tốc độ vòng kín……….30

Hình 2.10 Sơ đồ Simulink mô phỏng đáp ứng của hệ truyền động một chiều vòng kín sử dụng bộ điều khiển PI………32

Hình 2.11 Đáp ứng của hệ truyền động một chiều vòng kín sử dụng bộ điều khiển PI với tốc độ tham chiếu là 600 (vòng/phút) và mô men tải là 1,5 (N.m)…… 33

Hình 3.1 Hệ thống truyền động xung áp mạch đơn-động cơ điện một chiều…… 34

Hình 3.3 Hệ thống đo đáp ứng của động cơ……… 36

Hình 3.4 Động cơ một chiều 175W của hãng LabVolt……….37

Nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều

Hình 3.5 Tải của động cơ (Model 8960 Prime Mover / Dynamometer)………… 37 Hình 3.6 Giao diện phần mềm CoolTerm đo đáp ứng vòng hở của động cơ………38 Hình 3.7 Cấu hình truyền thông nối tiếp để thu thập dữ liệu của phần mềm

CoolTerm……… 39 Hình 3.8 Đáp ứng tốc độ vòng hở của động cơ LabVolt 175W……… 40 Hình 3.9 Giao diện công cụ nhận dạng hệ thống ban đầu……… 41 Hình 3.10 Cửa sổ để nhập dữ liệu đầu vào (u) và đầu ra của hệ thống (y)………… 42 Hình 3.11 Giao diện công cụ nhận dạng hệ thống sau khi đã nhập dữ liệu………… 42 Hình 3.12 Giao diện định dạng cho hàm truyền được ước lượng……….43 Hình 3.13 Cửa sổ hiển thị quá trình nhận dạng……….44 Hình 3.14 Cửa sổ hiển thị các thông tin dữ liệu và hàm truyền đã được ước lượng…45 Hình 3.15 Đáp ứng tốc độ của động cơ với tốc độ tham chiếu là 500(vòng/phút) và

mô men tải là 1,5(N.m)……… ….49 Hình 3.16 Đáp ứng tốc độ của động cơ với tốc độ tham chiếu là 700(vòng/phút) và

mô men tải là 1,5(N.m)……… 50 Hình 4.1 Mô hình Simulink đo đáp ứng tốc độ động cơ với kích thích nhảy cấp của

điện áp phần ứng đầu vào……… 52 Hình 4.2 Đáp ứng đầu ra tốc động cơ với kích thích nhảy cấp của điện áp phần ứng

đầu vào từ 0V lên 220V không tải……… 52 Hình 4.3 Mô hình Simulink giao tiếp với vi điều khiển Arduino Uno R3 và điều khiển

động cơ vòng kín sử dụng bộ điều khiển PI số……… 53 Hình 4.4 Đáp ứng tốc độ động cơ điều khiển vòng kín sử dụng bộ điều khiển PI số

với tốc độ tham chiếu 500(vòng/phút) và mô men tải 1(N.m)……… 54 Hình 4.5 Ba hàm ánh xạ của một thang nhiệt độ: Cold (Lạnh), Warm (Ấm) và Hot

(Nóng)……… 55 Hình 4.6 Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển mờ điển hình……….56 Hình 4.7 Mờ hóa biến trong khoảng [0,8] bằng bảy hàm liên thuộc……….57 Hình 4.8 Mờ hóa sai số tốc độ (e) trong khoảng [-10,10] bằng năm hàm liên thuộc:

Nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều

Hình 4.9 Mờ hóa biến thiên của sai số tốc độ (e) trong khoảng [-1,1] bằng năm hàm

liên thuộc: NB, NS, ZZ, PS, PB……… 58 Hình 4.10 Mờ hóa biến thiên đầu ra điều khiển (D) trong khoảng [-1,1] bằng năm

hàm liên thuộc: NB, NS, ZZ, PS, PB……….58 Hình 4.11 Bảng các quy tắc……… 59 Hình 4.12 Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ thống điều khiển mờ động cơ một chiều… 61 Hình 4.13 Đáp ứng tốc độ đầu ra động cơ của hệ thống điều khiển mờ với tốc độ tham

chiếu 500(vòng/phút) và mô men tải 1(N.m)……… 62 Hình 4.14 Mô hình Simulink của bộ điều khiển logic mờ và truyền thông giữa

Simulink và vi điều khiển Arduino Uno R3……… ……….63 Hình 4.15 Đáp ứng tốc độ đầu ra động cơ của hệ thống điều khiển mờ với tốc độ tham

chiếu 500(vòng/phút) và mô men tải 1(N.m)……….63

GIỚI THIỆU

1 Giới thiệu

Luận văn sẽ tập trung chính nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển số hệ truyền động một chiều bằng thực nghiệm và nhận dạng hệ truyền động một chiều bằng thực nghiệm

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu của luận văn là phương pháp thực nghiệm để nhận dạng

mô hình toán học của động cơ là dựa trên kích thích đầu vào ( điện áp phần ứng)

và đáp ứng đầu ra của động cơ ( tốc độ của roto)

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là trình bày quy trình ước lượng hàm truyền của động cơ một chiều kích từ độc lập công suất 175W cua hang Labvolt trong phòng thí nghiệm với phần mềm MATLAB

3 Nội dung nghiên cứu:

+ Xây dựng mô hình tổng quát hệ truyền động một chiều

+ Nhận dạng hệ truyền động một chiều bằng thực nghiệm

+ Xây dựng hệ thống điều khiển số hệ truyền động một chiều bằng thực nghiệm

4 Bố cục của luận văn:

Bố cục của luân văn bao gồm:

Chương 1: Những vấn đề chung về truyền động điện một chiều

Chương 2: Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều

Chương 3: Thực nghiệm nhận dạng và điều khiển hệ truyền động một chiều Chương 4: Điều khiển động cơ một chiều sử dụng logic mờ

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài trong tương lai

Chương I Những vấn đề chung về truyền động điện một chiều

1.1 Khái niệm chung

Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi số liệu định mức của nó Nhiều trường hợp ta coi đặc tính này như loạt số liệu cho trước Mặt khác , nó có thể

có vô số các đường đặc tính cơ nhân tạo, nhận được nhờ sự biến đổi của một hoặc vài thông số nguồn, của mạch điện động cơ, hoặc do dung thêm thiết bị phụ, hoặc do thay đổi cách nối dây của mạch Nói một cách tổng quát, các đặc tính cơ nhân tạo được tạo

ra bằng cách làm biến dạng đường đặc tính cơ tự nhiên Do đó bất kỳ thông số nào có ảnh hưởng đến hình dáng và vị trí của đặc tính cơ, đều được gọi là thông số điều khiển động cơ, và tương ứng là một phương pháp tạo đặc tính cơ nhân tạo

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết ở dạng thuận hay dạng ngược M=f(ω)hoặc ω = f(M), biểu thị theo hệ đơn vị có tên (M-Nm; ω-rad/s) hoặc hệ đơn vị tương đối ( M*, ω*) Đại lượng quan trọng để đánh giá dạng của đặc tính cơ là

độ cứng β hoặc độ cứng tương đối β*

1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập (kích từ song song) 1.2.1 Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song

Đặc điểm của động cơ kích từ độc lập là dòng điện kích từ và từ thông động cơ không phụ thuộc dòng điện phần ứng Sơ đồ nối dây của nó như trên hình 1.1a với nguồn điện mạch kích từ Ukt riêng biệt so với nguồn điện mạch phần ứng Uư

Trong động cơ điện một chiều gồm có bốn loại khác nhau và ở chương này chúng

ta đề cập kỹ hơn về hai loại động cơ điện một chiều kích từ độc lập và động cơ điện một chièu kích từ song song Trước tiên chúng ta cần hiểu và phân biệt rằng hai động

cơ điện một chiều kích tư độc lập và động cơ điện một chiều kích từ song song Ở động

cơ điện một chiều kích từ độc lập, cuộn kích từ cấp điện từ nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho rotor (cuộn dây phần ứng) Và khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn, mạch điện phần ứng và mạch điện phần kích từ được mắc vào

hai nguồn điện một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Nếu cuộn kích từ và cuộn ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn điện thì động

cơ là loại kích từ song song như hình 1.1b Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì phần ứng và phần kích từ thường mắc song song với nhau Trong trường hợp này nếu nguồn điện có công suất rất lớn so với công suất động

cơ thì tính chất động cơ sẽ tương tự như tích chất của động cơ kích từ độc lập

Hình 1.1 a) Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập;

b) Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song

1.2.2 Phương trình đặc tính cơ

a) Các phương trình chính

Khi động cơ làm việc rotor với cuộn dây phần ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng (hay còn gọi là sức phản điện động) có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng của động cơ Theo sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập và động cơ một chiều kích từ song song

ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:

U  E I R (1.1) Trong đó:

U : Điện áp nguồn đặt vào phần ứng (V)

E: Sức phản điện động của phần ứng động cơ (V)

p : Số đôi cực từ chính

N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

a



 (1.3) Thay (1.2) vào (1.1) ta được:

u fu u

Mặt khác, mô men điện từ của động cơ tỷ lệ với từ thông  và dòng điện phần ứng I u

như sau:

u

M  K I (1.5) Rút I u từ (1.5) thay vào (1.4) ta được:

b) Đường đặc tính cơ và đặc tính cơ điện

Giả sử rằng phần ứng của động cơ dược bù đủ, từ thông  const, thì phương trình đặc tính cơ điện (1.4) và phương trình đặc tính cơ (1.6) là tuyến tính Khi đó đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình vẽ 1.2a và 1.2b là những đường thẳng

Hình 1.2 a) Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập;

Theo đồ thị trên khi I u 0 hoặc M  0 ta có:

0

u U K

 (1.7) Khi đó thì 0 được là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ Còn khi  0 ta có

từ phương trình đặc tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau:

I và M nm được gọi là dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch của động cơ

Từ (1.6) ta xác định được độ cứng của đặc tính cơ:

 2

K dM

U K

 

 (1.13)

dm tn

u

K R

    (1.14)

Ta có thể vẽ đặc tính cơ và đặc tính cơ tự nhiên nhờ các số liệu của động cơ như công suất định mức P dm kW , tốc độ dmrad / s, điện áp U dm V , dòng diện I dm A , hiệu suất dm, điện trở phần ứng R u 

Vì đặc tính là đường thẳng, nên chỉ cần xác định hai điểm: điểm không tải [0, 0

 ] và điểm định mức [M dm, dm] hoặc [I dm, dm] Cũng có thể dùng điểm không tải

và điểm ngắn mạch [M nm, 0] hoặc [I nm, 0] Tọa độ các điểm nêu trên được xác định như sau:

0

dm dm

U K

dm

P M



 (mômen cơ) Hoặc M dm  K dm dm I (mômen điện từ)

dm nm u

U I R

1.2.4 Các đặc tính nhân tạo

Từ phương trình đặc tính cơ (1.6) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến phương trình đặc tính cơ đó là từ thông, điện áp phần ứng, điện trở phần ứng của động cơ Thay đổi các tham số trên ta thay đổi được tốc độ và mômen động cơ theo ý muốn Do phương trình đặc tính cơ phụ thuộc vào ba tham số trên, tương ứng với đó ta sẽ có ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

a) Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ

Giả thiết U u U dm const và    dm const Ta có phương trình đặc tính cơ tổng quát :

U

const K

Hình 1.4 Họ đặc tính nhân tạo biến trở

Ta có 0 R fu2 R fu1R fu thì dm  1 2 nhưng nếu ta tăng R fu đến một giá trị nào đó thì sẽ làm cho M M c dẫn đến động cơ sẽ quay không được và động cơ sẽ làm việc ở chế độ ngắn mạch  0, đến bây giờ ta có thay đổi R fu thì động cơ vẫn không không quay nữa Do đó phương pháp này gọi là phương pháp điều chỉnh tốc độ không triệt để

Vậy ứng với một phụ tải M c nào đó nếu R fu càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch I nm và mômen ngắn mạch M nm càng giảm, cho nên người ta thường dùng phương pháp này để hạn chế dòng điện khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản

b) Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ của động

cơ

Giả thiết điện áp phần ứng U u U dm const;

Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát:



u

( K ) R

Ta thấy rằng thay đổi từ thông  thì 0 và  đều thay đổi theo dẫn đến thay đổi theo Vì vậy ta sẽ được họ các đường đặc tính điều chỉnh dốc dần (do độ cứng đặc tính cơ β giảm ) và cao hơn đặc tính cơ tự nhiên khi  càng nhỏ, với tải như nhau thì tốc độ càng khi giảm từ thông  như hình 1.5

c) Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của động

U K

K R

Các bộ biến đổi có thể là:

 Bộ biến đổi máy điện: Dùng máy phát điện một chiều (F), máy điện khếch đại (MĐKĐ)

 Bộ biến đổi từ: Khuyếch đại từ (KĐT ) một pha, ba pha

 Bộ biến đổi điện từ - bán dẩn: Các bộ chỉnh lưu (CL), các bộ băm điện áp (BĐA), dùng transistor và thyristor

Hình 1.6 Họ đặc tính nhân tạo khi thay đổi điện áp phần ứng

Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp phần ứng (giảm áp) thì mômen ngắn mạch M nm

và dòng điện ngắn mạch I nm của động cơ giảm và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động

cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động

Chương II Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều 2.1 Khái niệm chung

Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực với tốc độ đặt, làm giảm năng suất của máy sản xuất Chính vì vậy việc điều khiển tốc độ động cơ là một yêu cầu cần thiết và tất yếu đối với các máy sản xuất

Như ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đều đòi hỏi có nhiều tốc độ, nhưng tuỳ theo từng công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau Muốn

có được các tốc độ khác nhau trên máy, ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy như

tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của động cơ truyền động chính…Nhưng ở đây chúng

ta chỉ khảo sát theo phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ truyền động

Ở động cơ một chiều, việc điều chỉnh tốc độ động cơ có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác Động cơ một chiều không những có khả năng điều chỉnh tốc

độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển lại đơn giản hơn các loại động cơ khác và đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh rộng

Từ phương trình đặc tính cơ, ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ :

 Mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng

 Thay đổi từ thông kích từ

 Thay đổi điện áp phần ứng

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng

để tăng R u chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ quay định mức

và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện Vì vậy phương pháp này ít dùng và chỉ dùng trong hệ truyền động cần trục

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách mắc thay đổi từ thông () đựơc sử dụng trong hệ truyền động có công suất lớn hoặc có yêu cầu về tốc độ làm việc lớn hơn tốc độ cơ bản Vì phương pháp này được thực hiện trên mạch kích từ của động cơ (phần kích từ có công suất rất nhỏ so với công súât động cơ) nên dễ dàng thay đổi tốc

độ và đạt hiệu quả kinh tế Tuy nhiên, ta chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông, tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức và giới hạn điều chỉnh

bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đổi chiều của máy

Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng không gây thêm tổn hao trong động cơ điện nhưng đòi hỏi phải có nguồn riêng, có điện

áp điều chỉnh được Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ quay dưới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp hơn điện áp định mức của động cơ điện

Để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ theo các phương pháp điều chỉnh tốc độ trên thì cần có các bộ biến đổi Các bộ biến đổi đó sẽ cấp điện áp cho mạch phần ứng động

cơ hoặc mạch kích từ động cơ Các bộ biến đổi được sử dụng phổ biến trong công nghiệp hiện nay là:

 Bộ biến đổi máy điện: gồm có động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuyếch đại

 Bộ biến đổi từ: Khuyếch đại từ

 Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: Chỉnh lưu Thysistor

 Bộ biến đổi xung áp một chiều: Thysistor hoặc Tranzitor

Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như sau:

 Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ)

 Hệ truyền động máy điện khuyếch đại - động cơ (MĐKĐ-Đ)

 Hệ truyền động khuyếch đại từ - động cơ (KĐT-Đ)

 Hệ truyền động chỉnh lưu thysistor - động cơ (T-Đ)

 Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA-Đ)

2.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

2.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng

Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R fu Nếu ta giữ điện áp phần ứng U u U dm const và từ thông    u dm const, thay đổi điện trở phần ứng ta sẽ được:

Tốc độ không tải lý tưởng: 0

dm dm

U

const K

a) b) Hình 2.1 Điều khiển động cơ một chiều kích từ song song bằng phương pháp dùng

điện trở phụ mạch phần ứng

Ta thấy khi R fu càng lớn ( càng nhỏ) đặc tính cơ càng dốc Do vậy phương

pháp này chỉ cho phép giảm tốc độ bằng cách tăng điện trở mạch phần ứng

Trong thực tế, khi thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng sẽ gây ra một tổn hao công suất rất lớn và không thể điều chỉnh trơn tốc độ nên phải điều chỉnh theo từng cấp điện trở Chính vì vậy, phương pháp này không được phổ biến như hai phương pháp thay đổi điện áp phần ứng và thay đổi từ thông kích từ

2.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ

Giả thiết ta giữ điện áp phần ứng U u U dm const; điện trở phần R u const; và thay đổi dòng điện kích từ I kt của động cơ Điều này tương ứng với việc từ thông của mạch từ sẽ thay đổi Ta được:

Tốc độ không tải: 0

dm

U

var K



Độ cứng đặc tính cơ:  2

u

K

var R

Nhận xét:

 Do cấu trúc của máy, nên thực tế chỉ sử điều chỉnh giảm từ thông Khi giảm từ thông thì 0 tăng dần, độ cứng đặc tính cơ  giảm Nên phương pháp này dùng để tăng tốc độ (  0)

 Do việc điều chỉnh đựơc thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ nhỏ hơn rất nhiều so với mạch lực, nên công suất tổn hao ít Đây là ưu điểm nổi bật của động cơ điện một chiều (kích từ độc lập) so với các loại động cơ khác

 Phương pháp này chịu ảnh hưởng của hiện tượng từ dư và các nhiễu, làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng của các hệ truyền động đảo chiều bằng kích từ

 Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là

mô men cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh và do đó giá trị lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện

2.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Nếu giữ    u dm const; R u const và thay đổi điện áp theo hướng giảm so với U dm ta được :

Tốc độ không tải : 0 u

dm

U

var K



Độ cứng đặc tính cơ:  2

dm u

K

const R

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta được một họ đặc tính

cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên và có độ cứng đặc tính cơ là không đổi, trong đó đường đặc tính cơ tự nhiên là là đặc tính cơ lúc vận hành ở chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông đạt giá trị định mức và không nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ)

Khi giảm điện áp phần ứng đặt vào động cơ thì dòng điện ngắn mạch sẽ giảm (

 ), mô men ngắn mạch của động cơ (M nm  K dm nm I ) cũng sẽ giảm và do

vậy tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cho phép điều chỉnh dưới tốc độ định mức (vì không thể tăng cao hơn điện áp định mức của động cơ điện)

Kết luận

Từ việc phân tích các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng có rất nhiều ưu điểm (nổi bật nhất là độ cứng đặc tính cơ không thay đổi) phù hợp với động cơ công suất nhỏ, điều chỉnh tốc độ ở vùng dưới tốc độ định mức, mô men tải không đổi trong toàn dải điều chỉnh

2.3 Hệ truyền động xung áp-động cơ điện một chiều (XA-Đ)

Đối với các động cơ một chiều kích từ độc lập công suất nhỏ (cỡ dưới vài kW) người ta có thể dùng bộ băm áp để tạo ra dãy xung điện áp một chiều cung cấp cho phần ứng động cơ Khi thay đổi độ rộng các xung đó, giá trị trung bình của điện áp

thay đổi, nhờ đó điều chỉnh được dòng điện, mô men và tốc độ động cơ Sơ đồ nguyên

lý đơn giản hệ XA-Đ được vẽ trên hình 2.2a

Đặc điểm của hệ bao gồm:

 Có van đệm điốt D0 (mắc song song với động cơ) để cải thiện dạng dòng điện phần ứng

 Khi đóng khoá K thì điện áp trên phần ứng động cơ thay đổi theo dạng xung vuông Chính vì vậy mà khi ta thay đổi thời gian đóng khoá K thì ta sẽ điều chỉnh được điện áp của phần ứng của động cơ

 Do yêu cầu đóng ngắt với tần số cao, cỡ vài trăm chu kì trong một giây nên khoá K thường được thay bằng khoá bán dẫn transisto hay tiristo

Hình 2.2 a) Sơ đồ nguyên lý và b) Đồ thị điện áp, dòng điện (b) của hệ XA-Đ Điện áp hoặc sức điện động trung bình của bộ băm xung:

t f T



 (2.5) Khi cho  thay đổi, ta sẽ có những đường đặc tính nhân tạo tương ứng với các giá trị

tốc độ khác nhau, hoặc những mô men (dòng điện) khởi động khác nhau

Hình 2.3 Đặc tính cơ của hệ XA-Đ

Như đã phân tích ở trên, để điều khiển các thông số đầu ra của động cơ, ta cần thay đổi giá trị trung bình của điện áp hoặc sức điện động của bộ băm xung, có nghĩa là thay đổi độ rộng xung điện áp Từ biểu thức (2.2) ta thấy có 3 phương pháp điều khiển:

 Điều khiển bằng cách thay đổi thời gian đóng khóa t d và giữ T CK( f x) không đổi (phương pháp điều biến độ rộng xung) Đây là phương pháp đơn giản và hay dùng nhất

 Điều khiển bằng cách thay đổi thời gian chu kỳ xung (phương pháp điều tần):

x

f var và giữ t d const

 Phương pháp hỗn hợp: Vừa thay đổi tần số xung, vừa thay đổi khoảng đóng của khóa t d

Để thực hiện các phương pháp điều khiển trên, ta phải sử dụng các loại “khóa điều khiển” không tiếp điểm, có độ tác động nhanh và đóng cắt bằng tín hiệu điện như transisto lực hoặc tiristo Tần số xung điện f x phụ thuộc vào độ tác động nhanh của các van này, nếu sử dụng tiristo người ta thường chọn f x  500Hz

2.4 Mô hình hóa hệ truyền động một chiều

Mô hình hóa là một bước quan trọng trong phân tích và thiết kế các hệ thống điều

bộ điều khiển cho hệ thống Trước tiên, động cơ điện một chiều được mô hình hóa Sau

đó, hệ truyền động một chiều được mô hình hóa dựa trên sự kết hợp bởi mô hình của động cơ và mô hình của bộ biến đổi điện tử công suất Nghiên cứu chỉ giới hạn động

cơ điện một chiều kích từ độc lập

2.4.1 Mô hình hóa động cơ khi không tải

Đối với động cơ điện kích từ độc lập, đầu vào là điện áp phần ứng, đầu ra là tốc

độ Do đó, chúng ta phải xây dựng quan hệ giữa tốc độ và điện áp phần ứng Hình 3.1

là sơ đồ mạch điện phần ứng (armature circuit) và sơ đồ vật tự do của rô to của động cơ với kích từ độc lập cố định (Fixed field) Hình 2.4 là sơ đồ mạch phần ứng và sơ đồ vật

tự do của rô to động cơ điện một chiều với kích từ độc lập không đổi

Mô men sinh ra bởi động cơ tỷ lệ thuận với dòng điện trong mạch phần ứng và cường độ từ trường Đối với động cơ kích từ độc lập do nguồn kích từ là cố định, nên

từ trường là hằng số Do đo, mô men M chỉ tỷ lệ với dòng điện phần ứng i qua một hệ

số K m như phương trình dưới đây:

m

M K i (2.6)

Hình 2.4 Sơ đồ mạch phần ứng và sơ đồ vật tự do của rô to động cơ điện một chiều với

v: Điện áp đặt vào phần ứng (V )

R: Điện trở phần ứng ()

L: Điện cảm phần ứng (H)

J: Mô men quán tính của rô to (kg m/ 2)

B: Hệ số mô men cản dịu (N m s )

T : Mô men tải (N m )

Biến đổi Laplace của phương trình (2.8) có dạng như sau:

I s RLs V s K s (2.10) Trong đó s là toán tử Laplace

Biến đổi Laplace của phương trình (2.9) có dạng như sau:

Khi động cơ có tải, ta gọi lại hai phương trình (2.10) và (2.11):

B Js

 (2.17)

Từ phương trình (2.16) và (2.17) ta có sơ đồ cấu trúc như sau:

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc của động cơ khi có tải

2.4.3 Mô hình hóa hệ truyền động một chiều vòng hở

Khi động cơ một chiều được cấp bởi một bộ biến đổi ta gọi đó là hệ truyền động một chiều Bộ biến đổi sẽ có hệ số khuyếch đại Nếu bộ biến đổi là một bộ băm thì hàm truyền của nó có dạng như sau:

 

1 2

r K

cm

V K

V



 V s là điện áp nguồn

 V cm là điện áp điều khiển lớn nhất

Khi đó sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động một chiều sẽ có dạng như hình 2.6

Trong đó R(s) là đầu vào điều khiển của bộ biến đổi

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động một chiều vòng hở

2.4.4 Đáp ứng bước đơn vị của hệ truyền động một chiều vòng hở

Đáp ứng bước đơn vị được sử dụng để khảo sát hệ thống và đôi khi được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống đó Phần này sử dụng MATLAB/Simulink để xác định đáp ứng đầu ra tốc độ khi kích thích đầu vào là bước đơn vị của điện áp điều khiển Thông số dùng để mô phỏng được giả thiết như sau:

 Điện trở phần ứng của động cơ R25 

 Điện cảm phần ứng của động cơ L0, 001 H

 Hằng số sức điện động của động cơ K 0,15V rad s/ / 

 Hằng số mô men của động cơ K m 0,15N m A / 

 Mô men quán tính của rô to  2

0, 005

 Hệ số mô men cản dịu B0, 01N m s 

 Hệ số của bộ biến đổi K c 220

Hình 2.7 là sơ đồ Simulink mô phỏng đáp ứng bước đơn vị của hệ truyền động một chiều vòng hở Tín hiệu đầu vào là tín hiệu nhảy cấp từ không lên một tại thời điểm không giây Mô men tải giả thiết bằng không Đáp ứng tốc độ có dạng như hình.5

Cú pháp MATLAB nhập thông số cho mô hình Simulink:

clc;

clear;

T = 0.01; % Chu ky lay mau (giay)

J = 0.005; % Mo men quan tinh cua roto [kg.m^2]

B = 0.01; % He so mo men can diu [N.m.s]

Ke = 0.15; % Hang so suc dien dong [V/rad/s]

Km = 0.15; % Hang so mo men dong co [N.m/A]

K = Ke;

R = 25; % Dien tro phan ung [Ohm]

L = 0.1; % Dien cam phan ung [H]

Vcm = 5; % Dien ap dieu khien