Xây dựng hệ thống điều chỉnh tốc độ quay với bộ biến đổi xung áp
Chương 2: Xây dựng hệ thống điều chỉnh tốc độ quay với bộ biến đổi xung áp 2.1 Cấu trúc điều khiển Ta sẽ xây dựng dựa trên cấu trúc hệ thống điều chỉnh tốc độ quay với hai mạch vòng phân cấp • Mạch vòng dòng điện. • Mạch vòng tốc độ. 2.2 Xây dựng mô hình đối tượng 2.2.1 Bộ xung áp một chiều Trong thực tế hay gặp bộ băm xung áp một chiều điều chế độ rộng xung. Mô hình có phần tử rơle và có tín hiệu dặt kiểu chu kỳ U df . Để ý rằng tần số làm việc của bộ xung áp là khoảng 300-400 Hz nên chu kỳ xung là rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ và của mạch lực, vì vậy ta có thể sử dụng mô hình tuyến tính hóa với thời gian trễ bằng một nửa chu kỳ xung điều chế, T vo =0.5T x =0.5/f Bộ băm xung áp một chiều sẽ có dạng: Hàm trễ này lại có thể coi gần đúng là khâu quán tính, tức là hai số hạng đầu của chuỗi Mc.Laurin, việc thay thế là đủ chính xác khi tần số xung đủ lớn: 9 2.2.2 Động cơ a) Tổng hợp mạch vòng dòng điện. o Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Trong các hệ thống truyền động điện cũng như các hệ thống chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là trực tiếp (hoặc gián tiếp) xác định momen kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc v.v . Một số cấu trúc điều chỉnh dòng điện: 1) 2) 3) 10 I I ωsp ωsp Hình 2.2 o Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động động cơ. Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện như hình sau: Hình 2.3 Trong đó : - F : mạch lọc tín hiệu - R i : bộ điều chỉnh dòng điện - BĐ : bộ biến đổi một chiều - S i : là Sensor dòng điện Sensor dòng điện có thể thực hiện bằng các biến dòng ở mạch xoay chiều hoặc bằng điện trở sun hoặc các mạch do cách ly trong mạch một chiều. T f , T đk, T vo, T ư, T i - các hằng số thời gian của mạch lọc, mạch điều khiển chỉnh lưu, sự chuyển mạch chỉnh lưu, phần ứng và Sensor dòng điện : R ư - điện trở mạch phần ứng: d U α ∂ ∂ - hệ số khuếch đại của xung áp. Trong trường hợp hệ thống truyền động điện có hằng số thời gian cơ học rất lớn hơn hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng thì ta có thể coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện (coi ∆E = 0 hoặc E = 0) T c >> T ư Xác định hàm truyền đạt R i Ta có : 11 Trong đó : các hằng số thời gian T f , T đk , T vo , T i là rất nhỏ so với thời gian điện từ T ư . Đặt T si = T f + T đk + T vo + T i Với F MC = 2 2 1 1 2 2p p σ σ τ τ + + => R i (p) = 1 ( ).2 .(1 ) o S p p p σ σ τ τ + Chọn τ σ = T si => R i (p) là khâu PI b) Tổng hợp mạch vòng tốc độ. o Cấu trúc chung 12 Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lượng được điều chỉnh là tốc độ góc của động cơ điện, các hệ này rất thường gặp trong thực tế kỹ thuật. Hệ thống điều chỉnh điều chỉnh tốc độ được hình thành từ hệ thống điều chỉnh dòng điện. Các hệ thống này có thể là đảo chiều hoặc không đảo chiều. Do các yêu cầu công nghệ mà hệ cần đạt vô sai cấp 1 hoặc vô sai câp 2. Nhiễu chính của hệ là momen tải M c + Hệ có : - đại lượng điều chỉnh ω, ϕ. - nhiễu phụ tải M c - tín hiệu tác động U ư o Tổng hợp mạch vòng tốc độ có mạch vòng dòng điện. Cấu trúc Hệ có dạng nối cấp : mạch vòng dòng điện là mạch vòng trong, mạch vòng tốc độ là mạch vòng ngoài. Nó được sử dụng khi: hệ không có khả năng chịu quá dòng hoặc có yêu cầu cao về điều chỉnh gia tốc hoặc làm việc trong vung gián đoạn Số mạch vòng là 1 đối với hệ không đảo chiều; sẽ là 2 cho hệ đảo chiều Kết cấu cơ bản của hệ truyền động động cơ có dạng như trên. Tín hiệu từ bộ phát xung sẽ được đưa vào bộ biến đổi để điều khiển động cơ. Bộ điều chỉnh dòng điện R I và sensor dòng S I tạo thành mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Phần tử phi tuyến HCD là phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ. Sensor tốc độ S ω đóng vai trò khâu phản hồi tốc độ. Ta thấy rằng có hai tín hiệu tác động vào hệ truyền động tốc độ, đó là tín hiệu đặt U ω đ và tín hiệu nhiễu loạn M C , hai tín hiệu này sẽ quyết định bộ biến đổi R ω của hệ. Sơ đồ khối chức năng của hệ truyền động tốc độ được trình bày trên hình vẽ: 13 Hình 2.4 Tổng hợp mạch vòng tốc độ. Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn môdul tối ưu ta có: = Mi F 22 221 1 pTpT sisi ++ Vì << si T nên ta có thể bỏ qua các thành phần bậc cao: ⇒ = Mi F pT si 21 1 + Vậy sơ đồ cấu trúc của mạch vòng tốc độ là: Hình 2.5.Sơ đồ mạch vòng tốc độ động cơ điện một chiều. = c T 2 )( . φ K JR :Hằng số thời gian cơ học pT K ω ω + 1 :Hàm truyền của máy phát tốc ω K :Hệ số khuếch đại của máy phát tốc 14 ω T :Hằng số thời gian của máy phát tốc ⇒ Viết gọn sơ đồ trên ta được sơ đồ như hình vẽ: Hình 2.6.Sơ đồ thu gọn mạch vòng tốc độ. ω 0 S = )1)(21.()( . pTpTpTKK RK sici ω ω φ ++ Vì si T và ω T << nên ta có thể bỏ đi các thành phần bậc cao: ⇒ ω 0 S = [ ] pTTpTKK RK sici )2(1)( ω ω φ ++ Đặt ω s T =2T si + ω T thay vào biểu thức trên ta được: ω 0 S = )1()( pTpTKK RK sci ω ω φ + Áp dụng tiêu chuẩn môdul tối ưu ta có hàm truyền của hệ thống kín: ω M F = 22 221 1 pp σσ ττ ++ Mặt khác ta có: ω M F = ωω ωω 0 0 1 SR SR + ⇒ ω R = )1( 1 1 0 − − ωω M FS Thay vào ta được: ω R = )1(2. )1()( ppRK pTpTKK sci σσω ω ττ φ + + 15 Chọn σ τ = ω s T ta có: ω R = ωω φ s ci TRK TKK .2 )( ⇒ ω R là khâu tỷ lệ (P). 16 . T ư . Đặt T si = T f + T đk + T vo + T i Với F MC = 2 2 1 1 2 2p p σ σ τ τ + + => R i (p) = 1 ( ) .2 .(1 ) o S p p p σ σ τ τ + Chọn τ σ = T si => R. hình vẽ: 13 Hình 2. 4 Tổng hợp mạch vòng tốc độ. Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn môdul tối ưu ta có: = Mi F 22 22 1 1 pTpT sisi