Nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ trong hệ điều tốc động cơ một chiều ở vùng tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP o0o - NGUYỄN CHÍ KIÊN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TRONG HỆ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Ở VÙNG TỐC ĐỘ LỚN HƠN TỐC ĐỘ CƠ BẢN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên - 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP o0o - Nguyễn Chí Kiên NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TRONG HỆ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Ở VÙNG TỐC ĐỘ LỚN HƠN TỐC ĐỘ CƠ BẢN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 605202 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG Thái Nguyên - 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ***** CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Chí Kiên; Đơn vị cơng tác: Trường Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ; Cơ sở đào tạo: Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên; Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa; Khố học: 14 (2011-2014); Người hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Mai Hương; Tên đề tài: “Nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ hệ điều tốc động chiều vùng tốc độ lớn tốc độ bản” Ngày 15 tháng năm 2014 Họcviên NGUYỄN CHÍ KIÊN -iLỜI CAM ĐOAN Tên tơi là: Nguyễn Chí Kiên Sinh ngày : 20 tháng năm 1973 Học viên lớp cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu nêu luận văn trung thực Những kết luận khoa học luận văn chưa cơng bố cơng trình Mọi thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Thái Nguyên, ngày 15 tháng 08 năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Chí Kiên ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận quan tâm lớn nhà trường, khoa, phòng ban chức năng, thầy cô giáo đồng nghiệp; Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau đại học, giảng viên tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn này; Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Thị Mai Hương, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tận tình hướng dẫn trình thực luận văn này; Tác giả xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Tiến Hưng tạo điều kiện để tác giả hồn thành thí nghiệm điều kiện tốt nhất; Mặc dù cố gắng, song trình độ kinh nghiệm cịn hạn chế nên luận văn cịn thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy cô giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hồn thiện có ý nghĩa ứng dụng thực tế Xin trân thành cảm ơn! NGƯỜI THỰC HIỆN NGUYỄN CHÍ KIÊN iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU vii  Mục tiêu nghiên cứu vii  Nội dung nghiên cứu vii  CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1  1.1 Khái niệm chung 1  1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập 2  1.2.1 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở mạch phần ứng 3  1.2.2 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông kích từ 4  1.2.3 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp phần ứng 7  1.2.4 Điều khiển phần ứng kích từ kết hợp 8  1.2.5 Điều khiển nối cấp động chiều vùng giảm kích từ 12  CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYẾN ĐỘNG 16  2.1 Giới thiệu 16  2.2 Mơ hình hệ thống động .16  2.3 Tuyến tính hóa đầu – đầu vào 17  2.4 Thiết kế điều khiển thích nghi theo tải 20  2.5 Điều khiển tốc độ động không sensor 25  2.6 Các ứng dụng 28  2.7 Kết luận .30  CHƯƠNG XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 32  3.1 Tổng hợp hệ 32  iv 3.2 Hệ điều chỉnh tốc độ chế độ điều áp phần ứng 32  3.2.1 Mơ hình tốn học động chiều, kích từ độc lập 32  3.2.2 Mơ hình tốn học chỉnh lưu có điều khiển 36  3.2.3 Tổng hợp mạch vòng 37  3.3 Hệ điều chỉnh tốc độ chế độ điều chỉnh giảm từ thơng kích từ .41  3.3.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện .42  3.3.2 Tổng hợp mạch vòng sức phản điện động 44  3.4 Kết luận chương .45  CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM .46  4.1 Mô hệ thống .46  4.1.1 Bảng tham số động truyền động .46  4.1.2 Cấu trúc mô hệ thống 46  4.1.3 Kết mô 47  4.2 Thực nghiệm 49  4.2.1 Mơ hình thí nghiệm .49  4.2.2 Đặc tính thí nghiệm .50  4.3 Kết luận chương .50  KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .51  Kết luận 51  Kiến nghị .51  TÀI LIỆU THAM KHẢO .52  PHỤ LỤC 53  v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích từ độc lập .3  Hình Đặc tính động thay đổi điện trở phần ứng .4  Hình Đặc tính cơ, điện động giảm từ thông .5  Hình Sơ đồ thay thế, Đặc tính điều chỉnh điều chỉnh từ thơng động 7  Hình Đặc tính động giảm điện áp phần ứng .8  Hình Các vùng điều khiển động DC trạng thái tĩnh 9  Hình Các vùng làm việc động DC kích từ độc lập mặt phẳng mômen quay - tốc độ 11  Hình Điều khiển động DC vùng giảm kích từ vùng phần ứng 14  Hình Sơ đồ khối tương đương đơn giản vùng giảm kích từ 15 Hình Bộ điều khiển bám tốc độ MIMO phi tuyến thích nghi theo tải 24  Hình 2 Đáp ứng hệ thống với momen tải thường 27  Hình Đáp ứng tốc độ với nhiễu momen tải 29 Hình Sơ đồ cấu trúc chung hệ điều tốc 32  Hình Sơ đồ mạch thay mạch điện phần ứng .33  Hình 3 Mơ hình tuyến tính hố động điện chiều 34  Hình Mơ hình tuyến tính hố động điện chiều 34  Hình Mơ hình tuyến tính hố mơ động chiều kích từ độc lập .36  Hình Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển .36  Hình Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh dòng điện 37  Hình Sơ đồ rút gọn mạch vòng dòng điện 38  Hình Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh tốc độ 39  vi Hình 10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ .40  Hình 11 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng dịng điện mạch kích từ 42  Hình 12 Sơ đồ cấu trúc rút gọn mạch vịng dịng điện mạch kích từ 42  Hình 13 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh tốc độ 44  Hình 14 Cấu trúc rút gọn mạch vịng điều khiển điện áp kích từ 44 Hình Đặc tính tốc độ, mơ men công suất vùng điều chỉnh điện áp phần ứng 47  Hình Đặc tính tốc độ, mơ men công suất vùng điều chỉnh giảm từ thông 48  Hình Mơ hình thực nghiệm hệ thống .49  Hình 4 Đặc tính tốc độ động điều chỉnh giảm từ thông 50  vii MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Cùng với đời động không đồng bộ, giá thành thấp có cấu tạo đơn giản, tin cậy Sử dụng nguồn cung cấp biến đổi bán dẫn công suất, trang bị biến tần, người ta cho động chiều trở nên lỗi thời ứng dụng công nghiệp Tuy nhiên, trái với nhận định trên, truyền động động chiều sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp nhà máy cán, máy giấy, máy trải Trong hệ truyền động động chiều kích từ độc lập (SEDCM), phương pháp điều khiển tuyến tính áp dụng cho hệ thống cách đơn giản mơ tả phương trình tuyến tính vùng điều khiển phần ứng Tuy nhiên, phần phi tuyến hệ thống bắt đầu xuất động hoạt động vùng kích từ giảm, mơmen điện từ tích từ thơng dịng phần ứng, sức phản điện động (EMF) tích từ thơng tốc độ, độ bão hòa từ Đề tài nghiên cứu góp phần thực việc thiết kế điều khiển tốc độ phi tuyến truyền động động chiều kích từ độc lập chế độ giảm kích từ Mục tiêu nghiên cứu: - Đề tài nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều vùng tốc độ - Ứng dụng phương pháp điều khiển cho hệ thống thiết bị thực tế Nội dung nghiên cứu: Chương Các phương pháp điều khiển tốc độ động chiều; Chương Thiết kế hệ thống truyền động ; Chương Xây dựng hệ điều tốc động chiều ; Chương 4: Mô thực nghiệm 41 FOD =  4  p FOM (3.19) 2 3 ; R (p) =    p  8  p  8  p So  FOM So 1+4τ σ p 1+4τ σ p+8τ σ2 p +8τ 3σ p R(p) =   R.K ω 1+4τ σ p  12 3  K K.Tc p.(1+p.Tsω )  1+4τ σ p+8τ σ p +8τ σ p  R(p) = (3.20) 1+4τ σ p R u K ω 8τ σ2 p 1+τ σ p  K K.Tc p.(1+p.Tsω ) Chọn  = Ts, ta có: R(p) =  T s p Ru K  8Ts2 p K K Tc (3.21) Vậy R  khâu tỷ lệ - tích phân (PI) Đó khâu vơ sai cấp hai đại lượng đặt vô sai cấp đại lượng nhiễu IC 3.3 Hệ điều chỉnh tốc độ chế độ điều chỉnh giảm từ thơng kích từ: Trong hệ điều chỉnh tốc độ có mạch vịng: Mạch vòng dòng điện mạch vòng sức phản điện động phần ứng 42 Uđk(p) Uiđ Ui(p) Uf Kcl (1 Tv p) Ri 1/ R f  pT f e K Kif  pTif Hình 11 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng dịng điện mạch kích từ 3.3.1 Tổng hợp mạch vịng dịng điện Trên hình 3.11 sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện Trong đó: Tf = Lf Rf : số thời gian điện từ mạch kích từ Kif = Rs : điện trở sensor Tif = R C : số thời gian sensor dịng điện UIf® UIf(p) RIf Soif If(p) Hình 12 Sơ đồ cấu trúc rút gọn mạch vịng dịng điện mạch kích từ Viết gọn lại ta có sơ đồ hình 3.12: Từ só đồ hình 3.11 hình 3.12 ta có hàm truyền đối tượng điều khiển mạch vịng điều chỉnh dịng điện kích từ: Soif(p) = U if ( p) U dkf ( p) K cl = K if Rf (1  pTv )(1  pTif )(1  pT f ) (3.22) 43 Trong đó: Tv  2,5ms, Tif  2ms, Tf  300ms Thay Tsif = Ti + Tv