Điều khiển vị trí động cơ một chiều dùng bộ PID kinh điển. Mô phỏng trên matlab

Chương 1. Tổng quan về máy điện một chiều 1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạo giống nhau. Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phần tĩnh) và phần ứng (phần quay). 1.1.1. Phần cảm (stator) Phần sao cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng điện chạy trong dây quấn kích từ cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau. Cực từ chính gắn với vỏ máy nhờ các bulông. Ngoài ra máy điện một chiều còn có nắp máy, cực từ phụ và cơ cấu chổi than. Hình 1.1 Cực từ chính 1.1.2. Phần ứng (rotor) Phần ứng của máy điện một chiều còn gọi là rôto, gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy. 1 Hình 1.2 Lá thép rôto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều a) Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn 1. Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng (hình 1.2). 2. Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Phần tử của dây quấn là một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của vành góp (hình 1.3a). hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên (hình 1.3b). 3. Cổ góp (vành góp) hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục máy. Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy… 1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Trên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụng lên rôto, làm quay rôto. Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1.4a). 2 Hình 1.4 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình 1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi. 1.3. Các trị số định mức của động cơ điện một chiều Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện một chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy định. Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là những đại lượng định mức. Công suất định mức P đm (kW hay W). Điện áp định mức U đm (V). Dòng điện định mức I đm (A). Tốc độ định mức n đm (vòng/ph). Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ… Chú ý: Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện. Đối với máy phát điện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ đó là công suất đưa ra trên đầu trục động cơ. 3 1.4. Phân loại động cơ điện một chiều Dựa theo cuộn kích từ, động cơ một chiều có các loại như sau: Động cơ một chiều kích từ độc lập. Động cơ một chiều kích từ song song. Động cơ một chiều kích từ nối tiếp. Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp. 1.5.đặc tính cơ của động cơ điện một chiều trong các trạng thái hãm : +>Đặc tính cơ của động cơ điên một chiều : 1.5.1trạng thái hãm tái sinh: Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng. khi hãm tái sinh e u > u u , động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới. so với chế độ động cơ, dòng điện và mô men hãm đổi chiều và được xác định theo biểu thức : 0 0 < − = − = R KK R EU I uu h φωφω 0 <= hh IKM φ 4 trị số hãm lớn dần lên cho đến khi cân bằng với mô men phụ tải của cơ cấu sản xuất thì hệ thống làm việc với tốc độ 0 ωω > od . + Vì sơ đồ đấu dây của mạch động cơ vẫn không thay đổi nên phương trình đặc tính cơ của nó vẫn là : M K RR K U fu u 2 )( φ φ ω + −= đường đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ 2 và thứ tư của mặt phẳng toạ độ,trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất được đưa trả về lưới điện có giá trị p=(e-u).i đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích. 1.5.2 Trạng thái hãm ngược : Trạng thái hãm ngược của động cơ xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do mo 5 men thế năng quay ngược chiều với mo men điện từ của động cơ. mô men sinh ra bởi động cơ, khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất. có hai trường hợp hãm ngược : +) trường hợp 1 : đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng. giả sử động cơ đang làm việc nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm a. ta đưa một điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang làm việc ở điểm b trên dặc tính biến trở. Tải điểm b do mômen của động cơ sinh ra nhỏ hơn mômen cản nên động cơ giảm tốc độ nhưng tải vẫn theo chiều nâng lên. đến điểm c, tốc độ bằng 0 nhưng vì mômen của động cơ nhỏ hơn mômen tải nên dưới tác động của tải trọng, động cơ quay theo chiều ngược lại. tải trọng được hạ xuống với tốc độ tăng dần. đến điểm d mômen của động cơ cân bằng với mômen cản nên hệ ổn định với tốc độ hạ không đổi ω ođ , cd là đoạn đặc tính hãm ngược, khi hãm ngược vì tốc độ đổi chiều, sức điện động đổi dấu nên: fufu uu h RR KU RR EU I . φω + = + + = hh IKM φ = 6 Như vậy ở đặc tính hãm ngược sức điện động tác dụng cùng chiều với điện áp lưới. động cơ làm việc như một máy phát nối tiêp với lưới điện biến năng nhận từ lưới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng đốt nóng điện trở tổng của mạch phần ứng vì vậy gây tổn thất năng lượng lớn. vì sơ đồ đấu dây của động cơ không thay đổi, nên phương trình đặc tính cơ là phương trình đặc tính biến trở. +) Trường hợp 2 : đảo chiều điện áp phần ứng. Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm a trên đặc tính tự nhiên với tải m c , ta đổi chiều điện áp phần ứng và đưa thêm điện trở phụ vào mạch. động cơ chuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở. tại b mômen đổi chiều chống lại chiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc. tại c tốc độ bằng không, nếu ta cắt điện áp phần ứng khỏi điện áp nguồn thì động cơ sẽ dừng lại, còn nếu vẫn giữ điện áp nguồn đặt vào động cơ và tại điểm c mômen động cơ lớn hơn mômen cản m c thì động cơ sẽ quay ngược lại và làm việc ổn định tại điểm d.đoạn bc là đặc tính hãm ngược và dòng điện hãm ngược được tính : 7 fu uu fu uu h RR EU RR EU I + + = + −− = hh IKM φ = Dòng điện i h có chiều ngược với chiều làm việc ban đầu và dòng điện hãm này có thể khá lớn ; do đó điện trở phụ đưa vào phải có giá trị đủ lớn hạn chế dòng điện hãm ban đầu i hđ trong phạm vi cho phép : dmh II )5,22( ÷≤ và phương trình đặc tính cơ có dạng : M K RR K U fu u 2 )( φφ ω + − − = 1.5.3. Trạng thái hãm động năng : Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động cơ đã tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt. - Hãm động năng kích từ độc lập : khi động cơ đang quay muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều, và đống vào một điện trở hãm, còn mạch kích từ vẫn nối với nguồn như cũ. 8 Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị ω hđ nên : hdhd KE φω = và dòng điện hãm ban đầu : fu hd fu hd hd RR K RR E I + − = + − = φω Tương ứng có mômen hãm ban đầu : 0 <= hdhd IKM φ từ hai biểu thức trên chứng tỏ dòng i hd và m hd ngược chiều với tốc độ ban đầu của động cơ khi hãm động năng u u = 0 nên ta có các phương trình đặc tính sau: u fu I K RR φ ω + −= M K RR fu 2 )( φ ω + −= đây là các phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập. 9 Khi φ = cosnt thì độ tính của đặc tính cơ hãm phụ thuộc r h , khi r h càng nhỏ thì phụ thuộc đặc tính cơ càng cứng, mômen hãm càng lớn, hãm càng nhanh Tuy nhiên cần chọn r h sao cho dòng hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép : i hđ ≤ (2÷2,5)i đm Trên đồ thị hãm đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng với mômen cản m c là phản kháng thì động cơ sẽ dừng hẳn đặc tính hãm động năng là đoạn b 1 o hoặc đoạn b 2 o. với mômen cản m c là thế năng thi dưới tác động của sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại đến làm việc ổn định tại điểm m = m c . đoạn b 1 c 1 hoặc b 2 c 2 cũng là đặc tính hãm động năng. khi hãm động năng kích từ độc lập, năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng của động cơ tích luỹ được nên công suất tiêu tốn chỉ năm trong mạch kích từ : dmktdm PP )%51( ÷= phương trình cân bằng công suất khi hãm động năng : 2 ).(. hhuhu IRRIE += - Hãm động năng tự kích : nhược điểm của hãm động năng kích từ độc lập là nếu mất điện lưới thì không thực hiện hãm được do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn . muốn khắc phục được nhược điểm này người ta thường sử dụng phương pháp hãm động năng tự kích từ. hãm động năng tự kích xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt cả phần ứng lẫn cả cuộn kích từ khỏi lưới điện đẻ đóng vào một điện trở hãm, chú ý chiều dòng điện kích từ vẫn phải giữ không đổi . ta có : i u = i h +i kt 10 . )(00 41, 000 01, 0003,00 01, 0 sTTTT dkViSi =++=++= Thay số : ) 16 5,0 1 1.(675,0) .16 5,0 1 1( 00 41, 0.64 ,1. 22.2 16 5,0. 21, 1 )( pp pR i +=+= )(74,2 05 ,1 21, 1.5,2 )( . 22 s K. )9, 01( 5,0 )1( 5,0 === dm dm dmu I U R 05 ,1 1,9 55,9 === dm dm I M và : ) (1, 0 HLLLL udkbU =++= ) (16 5,0 21, 1 2,0 s R L T u u u === Mặt khác : ) (1, 0. HUKU dkcld