Bộ điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều theo tiêu chuẩn ITAE

Mục lục Trang Lời mở đầu…………………………………………………………………… Chương 1:Xây dựng mơ hình động điện chiều kích từ độc lập 1.1.Giới thiệu động điện chiều kích từ độc lập 1.1.1.Giới thiệu động điện chiều 1.1.2.Động chiều kích từ độc lập…………………………………… 1.2.Lập phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập… 1.2.1 Phương trình đặc tính cơ……………………………………………… 1.2.2 Đặc tính động điện chiêu kích từ độc lập……………… 10 1.2.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ Đ/C……………………………… 13 1.3.Xây dựng sơ đồ cấu trúc động điện chiều kích từ độc lập… 17 Chương 2:Dựng cấu trúc điều khiển mạch vòng điều khiển………………… 18 2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện ………………………………………… 18 2.1.1 sơ đồ mạch mạch tổng quát…………………………………………… 19 2.1.2.Tổng hợp mạch vòng dòng điện bỏ qua sức điện động động 19 2.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ……………………………………………… 21 2.3.Tính tốn mạch vịng dịng điện…………………………………………… 23 2.4.Tính tốn mạch vịng tốc độ………………………………………………… 25 Chương 3.Mơ Phỏng đánh giá kết quả……………………………………………… 26 3.1.Mô phỏng…………………………………………………………………… 26 3.1.1.Mô động chiều………………………………………………… 26 3.1.2.Mô động có điều khiển dịng điện…………………… 27 3.1.3.Mơ động có điều khiển dịng điệnvà điều khiển tốc độ 29 Kết luận………………………………………………………………………… 31 Tài liệu tham khảo……………………………………………………………… 31 Page Lời nói đầu Sự bùng nổ tiến kỹ thuật lĩnh vực điện – điện tử - tin học năm gần dẫn đến nhũng thay đổi sâu sắc mặt lý thuyêt lẫn thực tế lĩnh vực truyền động điện tự động Ngành tự động hoá đời phát triển giúp nhân loại giảm giá thành thiết bị tăng suất lao động lên nhiều lần Điều chỉnh tự động truyền động điện mảng quan trọng tự động hoá, điều chỉnh tự động điện vấn đề quan tam điều chỉnh dòng điện tốc độ máy điện Ngày việc sử dụng động điện chiều sử dụng rộng rãi hệ truyền động; với việc điều khiển dễ dàng so với động xoay chiều.Trong đồ án trình bày cách xây dựng điều khiển để điều khiển tốc độ động điện chiều tiêu chuẩn tích phân trị tuyệt đối sai lệch với thời gian Với giúp đỡ thầy giáo Phạm Tâm Thành giúp em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn có cịn thiếu sót mong ý kiến đóng góp thầy giáo Page Chương 1:Xây dựng mơ hình động điện chiều kích từ độc lập 1.1.Giới thiệu động điện chiều kích từ độc lập 1.1.1.Giới thiệu động điện chiều 1.1.1.1 Cấu tạo : Cấu tạo động điện chiều gồm phần phần tĩnh (Stator ) phần động ( Rotor ) A ) Phần tĩnh gồm có : + ) Cực từ + ) Cực từ phụ + ) Gông từ + ) Các phận khác : - ) Nắp máy - ) Cơ cấu chổi than B ) Phần quay : + ) Lõi sắt phần ứng +) Dây quấn phần ứng + ) Cổ góp + ) Các phận khác : Page - ) Cánh quạt - ) Trục máy 1.1.1.2.Nguyên lí hoạt động H.1.Sơ đồ nguyên lí cấu tạo động điện chiều Từ trường động tạo nhờ cuộn dây có dịng điện chiều chạy qua.Các cuộn dây gọi cuộn kích từ quanh cực từ 4,stator động có đặt cuộn cảm nên stator gọi cịn gọi phần cảm.từ trường cuộn cảm tạo tác dụng từ lực vào dây dẫn rotor đặt rãnh rotor có dòng điện chạy qua.Cuộn dây gọi cuộn ứng.Dòng điện đưa vào cuộn ứng qua chổi than cổ góp 1.Rotor mang cuộn ứng nên gọi phần ứng động - Trong hình vẽ dây dẫn cuộn ứng nửa rotor có dịng điện hướng vào,còn dây dẫn nửa rotor có dịng điện hướng khỏi hình vẽ.Từ lực F tác dụng vào dây dẫn rotor có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái tạo mômen làm quay rotor ngược chiều kim đồng hồ.động có cực từ hay đơi cực (1 cặp cực, P=1) Page H.2.Minh họa sô cặp cực máy điện chiều(p=2) - Trong thời gian động làm việc,cuộn cảm tạo từ trường d dọc trục cực từ phân bố đối xứng với cực từ.Mặt phẳng OO có đặt chổi than, vừa mặt phẳng chung tính vật lý Đồng thời dòng điện cuộn ứng tạo từ trường riêng n hướng ngang trục cực từ Từ trường tổng cộng động tính chất đối xứng dọc trục mặt phẳng trung tính vật lý quay góc  (ngược chiều quay rotor)so với mặt phẳng trung tính hình học - Khi mà dịng điện trung tính mạnh n mạnh góc quay φ lớn.Khi ta nói phản ứng phần ứng mạnh - phản ứng phần ứng nguyên nhân gây tia lửa điện chổi than cổ góp góp cổp góp.Chúng ta hạn chế ảnh hưởng nhờ xoay chổi than theo vị trí mặt phảng trung tính vật lý.(tức theo góc φ).Thông thường động điện chiều nay, người ta thường thê cực từ phụ Page - Cực từ phụ đặt giũa cực từ cuộn dây cực từ phụ tạo từ trường ngang trục so cới từ trường ngược chiều với từ trường n cuộn ứng để khử từ trường n Nhờ phản ứng phần ứng bị hạn chế trình chuyển mạch động tốt - Bởi từ trường n gây phản ứng phần ứng tỉ lệ với dòng điện phần ứng Iư nên cuộn dây cực từ phụ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng.Do dịng điện phần ứng tăng lên cuộn dây cực từ phụ sinh từ truờng ngược mạnh để khử từ trường n - Ngoài ra,biện pháp tăng khe hở khơng khí Stator rotor áp dụng.Cách dẫn đến tăng kích thước động phải tăng cường thêm cuộn kích từ khe hở khơng khí lớn làm yếu từ trường - Cịn loại động điện chiều có cơng suất trung bình lớn biện pháp thêm cuộn dây bù đặt rãnh cực từ (Như hình vẽ) nhằm tạo từ thơng b ngược chiều với n làm từ thơng khe hở khơng khí không bị méo nữavà cuộn bù mắc nối tiếp với cuộn ứng - Trên nguyên lý làm việc chung động điện nói chung động điện chiều nói riêng chúng hoạt động dựa theo nguyên lý này.Và với phương pháp để hạn chế nhược điểm động điện chiều với phương pháp nêu 1.1.2.Động chiều kích từ độc lập Động điện chiều kích từ độc lập, cuộn kích từ cấp điện từ nguồn điện độc lập với nguồn điện cấp cho rotor (Cuộn ứng) Page H.3.Sơ đồ động chiều kích từ độc lập 1.2.Lập phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 1.2.1 Phương trình đặc tính : - Khi động làm việc rotor mang cuộn ứng quay từ trường cuộn cảm nên cuộn ứng lại xuất sức điện động cảm ứng (hay gọi sức phản điện động).Có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ.Theo sơ đồ nối dây động chiều kích từ độc lập ta viết phương trình cân điện áp mạch phần ứng sau: U = E +Iư(Rư+Rp ) Trong đó: (1.1) U: điện áp lưới (V) E: Sức điện động động (V) Iư::dòng điện phần ứng động (A) Page Rư:Điện trở mạch phần ứng (Ω) Rp:Điện trở phụ mạch phần ứng(Ω) Rư:Điện trở mạch phần ứng (Ω) Rư = rư +rct+ rcb + rcp rư : Điện trở cuộn dây phần ứng rct : Điện trở tiếp xúc chổi than phiến góp rcb: Điện trở cuộn bù rcp:Điện trở cuộn phụ Sức điện động Eư phần ứng động dược xác định theo biểu thức: Eư = PN w  kw (1.2) 2a Trong P: Số đơi cực từ N:Thanh dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng a: số đôi mạch nhán song song cuộn dây phàn ứng  :Từ thơng kích từ cực từ  b : Tốc độ góc rad/s k : Hệ số cấu tạo động +Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vịng/phút) thì: Eư =Ken Và = Ke = PN 60a 2n n = 60 9,55 : Hệ số sức điện động động Page Ke = k  0,105k 9,55 Từ phương trình (1.1)và (1.2) ta có: = - Iư (1.3) Biểu thức (1.3) phương trình đặc tính điện động Mặt khác mơmen điện từ Mđt động xác định : Mđt = KIư Suy : Iư = M dt KΦ Thay giá trị Iư vào (1.3) ta phương trình : = Uu KΦ - Ru + R f ( KΦ ) Mđt Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép mơmen trục động với mômen điện từ, ta ký hiệu M Nghĩa Mđt = Mcơ = M = Uu KΦ Ru + R f ( KΦ ) M (1.4) Đây phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập - Giả sử phần ứng động dược bù đủ,từ thơng  =const, phương trình đặc tính điện(1.3) phương trình đặc tính (1.4) tuyến tính.Khi dồ thị chúng biểu diễn hình vẽ đường thẳng Page 1.2.2 Đặc tính động điện chiêu kích từ độc lập H.4.a.Đặc tính điện động điện chiều kích từ độc lập Theo đồ thị Iư = M = ta có: = Uu KΦ = 0 Khi 0 tốc độ không tải lý tưởng động Cịn  = ta có từ phương trình đặc tính động phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập.Ta có: Iư = U Ru + Rf = Inm M = KInm Và Inm, Mnm gọi dòng điện ngắn mạch momen ngắn mạch động Page 10 - Phương pháp kinh tế việc điều chỉnh tốc độ thực mạch kích từ với dịng kích từ ( ÷ 10)% dòng định mức phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp kinh tế * ) Sơ đồ cấu trúc phương pháp : H.9 Sơ đồ cấu trúc phương pháp điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông * ) Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở mạch phần ứng : H.10a.Sơ đồ điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở mạch phần ứng Page 16 H.10b.Đặc tính điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở mạch phần ứng Khi tăng điện trở mạch phần ứng , đặc tính dốc giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng Họ đặc tính thay đổi điện trở mạch phần ứng biểu diễn Đặc điểm phương pháp là: - Điện trở mạch phần ứng tăng, độ dốc đặc tính lớn ( mềm), độ ổn định tốc độ sai số tốc độ lớn - Phương pháp cho phép thay đổi tốc độ phía giảm ( tăng thêm điện trở ) - Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng nên tổn hao công suất dạng nhiệt điện trở điều chỉnh lớn - Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số momen tải Tải nhỏ ( M1 ) dải điều chỉnh D nhỏ Nói chung phương pháp cho : D ~ : - Về nguyên tắc phương pháp cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi điện trở dịng Rotor lớn nên việc chuyển đổi điện trở khó khăn Thực tế thường thực chuyển đổi theo cặp điện trở Với đặc điểm lại gây tổn hao nên phương pháp sử dụng 1.3.Xây dựng sơ đồ cấu trúc động điện chiều kích từ độc lập Từ đồ động chiều kích từ độc lập ,ta có phương trình: u=e + Lư +i.Rư Page 17 Laplace vế ta : U – E =Lư.I.p +I.Rư ↔ U – E=I.Rư (1+p.Tư) đó:Tư= → I= đó: Ik= Uk:điện áp kích từ Rk:điện trở phụ kích từ M=k.Φ.I E=k.Φ.ω M – Mc =J.p.ω →ω= Từ phương trình ta có sơ đồ cấu trúc sau động điện chiều kích từ độc lập sau: H.11.Sơ đồ cấu trúc động điện chiều kích từ độc lập Page 18 Chương 2:Dựng cấu trúc điều khiển mạch vòng điều khiển 2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện Trong hệ thống truyền động tự động hệ thống chấp hành mạch vịng điều chỉnh dịng điện mạch vòng bản.Chức mạch vòng điện hệ thống truyển động chiều xoay chiều trực tiếp gián tiếp xác định momen kéo động cơ, ngồi cịn có chức bào vệ, điều chỉnh gia tốc… 2.1.1 sơ đồ mạch mạch tổng quát: H.12.Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện Trong đó: f= :là hàm truyền khâu lọc Ri : điều khiển dòng điện Tđk,Tvo,Tư,Ti,,Tf:hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lưu, chuyển mạch chỉnh lưu, phần ứng, sensor dòng điện,của mạch lọc Rư:điện trở mạch phần ứng Kcl:hệ số chỉnh lưu 2.1.2.Tổng hợp mạch vòng dòng điện bỏ qua sức điện động động H.13.Sơ đồ mạch vòng dòng điện bỏ qua sức điện động động Page 19 Trong trường hợp hệ thống truyền động điện có số thời gian học lớn số thời gian điện từ mạch phần ứng ta coi sức điện động động không ảnh hưởng đến q trình điều chỉnh mạch vịng dịng điện (tức coi ∆E=0 E=0) Hàm truyền mạch vòng dòng điện(của đối tượng điều chỉnh) sau: Soi(p)= đ ( (2.1) ) Trong số thời gian Tf,Tđk,Tvo,Ti nhỏ so với số thời gian điện từ Tư Đặt Ts=Tf+Tđk+Tvo+Ti viết lại công thức (2.1) sau Soi(p)= (2.2) Trong :Ts Tư nên tổng hơpmạch vòng dòng điện bỏ qua sđđ phần ứng Hàm truyền biến đổi có dạng: Sbđ= Page 23 Hệ số chỉnh lưu tính tỷ số điện áp biến đổi điện áp vào biến đổi Chọn Uđk=10(V) = Kcl= =11 Chọn Tvo=0,002(s) Tđk=0,001(s) Vậy hàm truyền biến đổi : Sbđ= Do số thời gian Tvo Tđk nhỏ nên: Sbđ= = Hàm truyền khâu phản hồi dịng điện có dạng: Si= Trong Ki tính tỷ số điện áp đặt dòng điện định mức: Ki = Suy : Ki= =0,56 Do số thời gian phản hồi dòng điện nhỏ nên chọn Ti =0,001(s) Suy hàm truyền của khâu phản hồi dòng điện : Si = Hàm truyền lọc có dạng: Slọc= Chọn Tf=0,2(s) Suy : Slọc= Suy hàm truyền hệ kín: So= = Page 24 Sử dụng tiêu chuẩn ITAE: Suy kp=0,3285 Ti=0,204 2.4.Tính tốn mạch vòng tốc độ Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ thi mạch vòng dòng điện thay hàm chuẩn ,bỏ qua ảnh hưởng sức điện động thời gian nhỏ thành phần thay đổi chậm Hàm truyền khâu phản hồi tốc độ có dạng : Sω= Kω tính tỷ số điện áp đặt tốc độ Kω= Chọn Uid =10(V) Suy Kω= =0,032 Chọn số thời gian phản hồi khâu phản hồi tốc độ Tω=0,001(s) Vây hàm truyền khâu phản hồi tốc độ là: Sω= Khi coi Mc=0 : Sử dụng kết mục 2.2 Ta có K= S= ư =0,3285.11.0,56/0,514=3,93689 = Sử dụng tiêu chuẩn ITAE ta có Kp=7,4862 Page 25 Chương 3.Mô Phỏng đánh giá kết 3.1.Mô 3.1.1.Mô động chiều H.19.Sơ đồ động chưa có điều khiển Kết mơ phỏng: -Đáp ứng dòng: H.20.Đáp ứng dòngđiện động chưa có điều khiển Page 26 -Đáp ứng tốc độ: H.21.Đáp ứng tốc độ động chưa có điều khiển 3.1.2.Mơ động có điều khiển dịng điện H.22.Sơ đồ mạch có điều khiển dịng điện Page 27 Kết mô phỏng: H.23.Kết mô động có điều chỉnh dịng điện Trong đó: - sai lệch đường đáp ứng dịng 3.1.3.Mơ động có điều khiển dịng điệnvà điều khiển tốc độ H.24.Mơ hình động có điều khiển dịng điệnvà điều khiển tốc độ Page 28 Kết mô H.25.Kết mô có điều chỉnh tốc độ Trong đó: đáp ứng tốc độ sai lệch đáp ứng dòng điện Page 29 Kết luận: Sau thời gian làm giúp đỡ thầy Phạm Tâm Thành bạn em hồn thành đồ án Do kiến thức cịn hạn hẹp chưa chuyên sâu nên đồ án em làm cịn có nhiều sai xót, cịn sai xót mong thầy bỏ qua chỉnh sửa giúp em để lần tới em cố gắng sửa sai làm tốt đồ án Tài liệu tham khảo - Điều chỉnh tự động truyền động điện _ Tác giả: Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi Nhà xuất khoa học kỹ thuật - Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động _ Tác giả : Nguyễn Phùng Quang Nhà xuất khoa học kỹ thuật Page 30 ... Page Chương 1: Xây dựng mơ hình động điện chiều kích từ độc lập 1. 1.Giới thiệu động điện chiều kích từ độc lập 1. 1 .1. Giới thiệu động điện chiều 1. 1 .1. 1 Cấu tạo : Cấu tạo động điện chiều gồm phần... H.20.Đáp ứng dịngđiện động chưa có điều khiển Page 26 -Đáp ứng tốc độ: H. 21. Đáp ứng tốc độ động chưa có điều khiển 3 .1. 2.Mơ động có điều khiển dịng điện H.22.Sơ đồ mạch có điều khiển dịng điện Page... mơ động có điều chỉnh dịng điện Trong đó: - sai lệch đường đáp ứng dịng 3 .1. 3.Mơ động có điều khiển dịng điệnvà điều khiển tốc độ H.24.Mơ hình động có điều khiển dòng điệnvà điều khiển tốc độ