Thiết kế điều khiển cho chỉnh lưu tiristor 1 pha cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độc lập

Trường Đại học bách khoa Hà Nội Điều khiển Điện tử cơng suất Đề tài: Nhóm 37(*): Thiết kế điều khiển cho chỉnh lưu Tiristor pha cấp nguồn cho động chiều kích từ độc lập Giảng viên hướng dẫn: TS Vũ Hoàng Phương Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Linh Ngô Hồng Đức - 20174021 - 20173751 Nội dung Tổng quan đề tài Mơ hình hóa động Thiết kế mạch vịng điều khiển Mơ kết luận II Mơ hình hóa động Ta sử dụng file mơ động mẫu matlab dc1_example có thơng số sau: - Điện trở phần ứng: Ra = 0,78 - Điện kháng phần ứng: 𝐿a = 0.016 𝐻 - Điện trở phần cảm: 𝑅𝑓 = 150 (Ω) − Điện kháng phần cảm: 𝐿𝑓 = 112.5 (𝐻) - Momen quán tính: J = 0.05 (𝑘𝑔/𝑚2) - Hệ số ma sát nhớt B = 0.01 (Nms) − Hệ số hỗ cảm: 𝐿𝑎𝑓 = 1.234 (𝐻) - Điện áp kích từ: 𝑈𝑓 = 150 (𝑉) - Điện áp định mức: 𝑈đ𝑚 = 240(𝑉) − Công suất định mức: 𝑃đ𝑚 = 5𝐻𝑃 - Tốc độ định mức: n = 1750 (𝑟𝑝𝑚) I Tổng quan đề tài: Sơ đồ hệ thống gồm: • Động chiều kích từ độc lập • Bộ chỉnh lưu cầu pha thyristor • Bộ điều chỉnh pid dùng để điều khiển dòng diện tốc độ động • Khâu đồng pha dùng để tạo điện áp tựa đồng với điện áp lưới • Khâu so sánh kết hợp điện áp tựa điện áp điều khiển để tạo góc điều khiển • Khâu tạo xung khuếch đại xung tạo xung có đủ biên độ , độ rộng để đưa đến thiristor mạch lực Khâu đồng pha Tạo cưa II Mơ hình hóa động Ta sử dụng file mơ động mẫu matlab dc1_example có thơng số sau: - Điện trở phần ứng: Ra = 0,78 - Điện kháng phần ứng: 𝐿a = 0.016 𝐻 - Điện trở phần cảm: 𝑅𝑓 = 150 (Ω) − Điện kháng phần cảm: 𝐿𝑓 = 112.5 (𝐻) - Momen quán tính: J = 0.05 (𝑘𝑔/𝑚2) - Hệ số ma sát nhớt B = 0.01 (Nms) − Hệ số hỗ cảm: 𝐿𝑎𝑓 = 1.234 (𝐻) - Điện áp kích từ: 𝑈𝑓 = 150 (𝑉) - Điện áp định mức: 𝑈đ𝑚 = 240(𝑉) − Công suất định mức: 𝑃đ𝑚 = 5𝐻𝑃 - Tốc độ định mức: n = 1750 (𝑟𝑝𝑚) II Mô hình hóa động Các phương trình động cơ: ▪ Phương trình cân điện áp phần ứng: di Va = Eb +R a Ia + La dta ▪ Sức điện động phần ứng: Eb = kϕ 𝜔 với kϕ = Laf Ikt ▪ Momen điện từ động cơ: Mdt = kϕ Ia ▪ Phương trình cân mômen động cơ: d Mdt − Mc = J d𝜔+B𝜔 t ▪ Chuyển phương trình sang Laplace ta được: Ua (s) = R a Ia (s) + La ia s s + Eb (s) Mdt s = KϕIa s = Mc s + Jsω s + Bω s Ia (s) = ω(s) = Va (s) − Kϕω(s) R + Lư s KϕIa s −Mc (s) B+Js II Mơ hình hóa động Từ phương trình ta có mơ hình sơ đồ động cơ: Va (s) 𝐸𝑏 (𝑠) R a + La s 𝐼a (𝑠) 𝐽 𝑠 + 𝐵 kϕ Mc(s) kϕ ω(s) III Thiết kế mạch vòng điều khiển  Cấu trúc mạch điều khiển gồm có mạch vịng kín: ➢ Mạch vòng điều khiển dòng điện ➢ Mạch vịng ngồi điều khiển tốc độ +- 𝑅𝜔 𝜔 𝐼𝑟𝑒𝑓 +- 𝑅𝑖 𝐼𝑎 𝑉𝑎 + - 𝑅𝑎 𝐿 + 𝑅𝑎 𝑠 𝑎 𝐸𝑏 kϕ 𝐼𝑎 kϕ 𝐽 𝐵 1+𝐵𝑠 𝜔 III Thiết kế mạch vòng điều khiển p Điện áp trung bình đầu chỉnh lưu thyristor pha: Vd = V2m π sin π p cos(α) Trong đó: - p độ đập mạch điện áp chỉnh lưu đầu p=2 - V2m giá trị đỉnh điện áp dây đặt vào mạch chỉnh lưu Mối quan hệ điện áp tb đầu góc mở a hàm cos, điện áp tựa dạng arcos qh điện áp chỉnh lưu Udk tuyến tính Ở ta sử dụng xung cưa sườn lên, ta phải sử dụng phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc (Vd ,Ω) để tìm hệ số khuếch đại thể mối quan hệ biến thiên điện áp điều khiển điện áp đầu theo công thức sau: ෥) v෤ dα + Vdα = Vd0 cos(Ω + α ෥ − sin Ω sin(α ෥)]  v෤ dα + Vdα = Vd0 [cos Ω cos α ෥) ≈ 1, sin(α ෥) ≈ α ෥ Vdα = Vd0 cos(Ω) nên ta có: Vì cos(α ෥ v෤ d = −Vd0 sin(Ω)α III Thiết kế mạch vòng điều khiển u෤ dk α ෥≈π Uc,m (Uc,m giá trị đỉnh điện áp tựa) Từ công thức ta có: v෤ dα ≈ − Ud0 sin Ω π u෤ = K r u෤ dk Uc,m dk Ta có mối quan hệ hàm truyền đạt tín hiệu điều khiển điện áp thể cách gần sau: T v෤ dα (s) Kr −s2p Gr s = = Kre ≈ T u෤ dk (s) + s( ) 2p III Thiết kế mạch vòng điều khiển Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có hàm truyền hệ thống: R ω Sdt F= = + 2τs + 2τ2 s + R ω Sdt  Rω = F Sdt (1−F) = J (1 + ) 2Kϕτω Tm s J B T p (với Tm = , τω = 2τ = ) Vậy ta R ω khâu PI, R ω = K p (1 + T s) ω Với: J K p = 2Kϕτ ω Tω = Tm *Cần có khâu hạn chế dòng để tránh trường hợp dòng điện sau khâu PI tăng lên cao trình độ III Thiết kế mạch vòng điều khiển Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có hàm truyền hệ thống: R i Sdt F= = + 2τs + 2τ2 s2 + R i Sdt  Ri = F Sdt (1−F) = R a Ta (1 2Kr τ + ) Ta s Vậy ta R i khâu PI, R i = K p (1 + T s) i Với: K p = Ra Ta 2Kr τ Ti = Ta (với Ta = La ,τ Ra = T ) 2p III Thiết kế mạch vòng điều khiển Hệ thống điều khiển tốc độ: 𝑇𝐿 𝜔𝑠𝑝 + Rω - 1 + 2τ𝑠 𝐾𝜙 + - 𝐽 𝐵 1+𝐵𝑠 𝜔 Khi thiết kế mạch vòng điều chỉnh tốc độ, ta bỏ qua ảnh hưởng tải (𝑇𝐿 = 0) Hàm truyền đối tượng: Kϕ Sdt = J B + 2τs + B s 𝜔 III Thiết kế mạch vòng điều khiển Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có hàm truyền hệ thống: R ω Sdt F= = + 2τs + 2τ2 s + R ω Sdt  Rω = F Sdt (1−F) = J (1 + ) 2Kϕτω Tm s J B T p (với Tm = , τω = 2τ = ) Vậy ta R ω khâu PI, R ω = K p (1 + T s) ω Với: J K p = 2Kϕτ ω Tω = Tm *Cần có khâu hạn chế dịng để tránh trường hợp dòng điện sau khâu PI tăng lên cao trình độ III Thiết kế mạch vịng điều khiển Thay số tính tốn: 𝜋 Vdo = V2m 𝜋 sin = 270,09 Vd𝛼 = 240 V Ω = arc cos Vd𝛼 = 0,477 K r = −[270,09.sin Ω 𝜋 Uc,m ]=-38,96 Τ 𝜏 = 2p = 0,005 L Ta =Ra = 0,02 a điều chỉnh dòng điện: 0,016 P=kp= −38,096 0,005 = −0,41 kp I=Ta = −2,05 0,05 =5 0,01 𝜏𝜔 = 2𝜏 = 0,01 kϕ = Laf Ikt =1,23 Bộ điều chỉnh tốc độ: P=kp=2.1,23.0,01 = 40,52 Tm = T𝜔 = kp I=T = 8,104 m VI Mô kết luận Mạch tạo xung chùm: VI Mô kết luận Mô hệ thống matlab Simulink: VI Mô kết luận Kết mô vận tốc động với tốc độ đặt=150 rad/s, tải tác động thời điểm T=3s với M=20 Nm VI Mô kết luận • • • Tốc độ động khởi động Quá trình độ khoảng 0,2s, ta thấy vận tốc bám giá trị đặt nhanh Độ vọt lố không lớn, vận tốc lớn đạt tầm 152 rad/s (1,3%) VI Mơ kết luận • Tại thời điểm đóng tải, tốc độ bị sụt khoảng 0,1s sau lại quay lại bám giá trị đặt • Nhưng độ đập mạch lớn VI Mô kết luận ❖ Kết mơ dịng điện : Khi không tải Khi tải tác động VI Mô kết luận Nhận xét đánh giá kết quả:  Đáp ứng tốc độ nhanh(nhỏ 1s)  Cả hai trường hợp có tải hay khơng có tải đáp ứng tốc độ bám sát giá trị đặt ban đầu  Tồn điều chỉnh khởi động thay đổi tải Em xin cảm ơn thầy bạn lắng nghe! ... dòng điện: 0, 016 P=kp= −38,096 0,005 = −0, 41 kp I=Ta = −2,05 0,05 =5 0, 01