Mục Lục Lời mở đầu Đối với kỹ sư điều khiển - tự động hóa nói riêng người nghiên cứu khoa học - kỹ thuật nói chung, mơ công cụ quan trọng cho phép khảo sát đối tượng, hệ thống hay qúa trình - vật lý, mà khơng thiết phải có đối tượng hay hệ thống thực Được trang bị công cụ mô mạnh có hiểu biết phương pháp mơ hình hóa, người kỹ sư có khả rút ngắn thời gian giảm chi phí nghiên cứu - phát triển sản phẩm cách đáng kể Điều đặc biệt có ý nghĩa sản phẩm hệ thống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế lớn Do yêu cầu môn học nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết hệ thống truyền động ,góp phần hồn thiện củng cố kiến thức môn học “Tổng hợp hệ điện cơ”em nhận đề tài” Xây dựng mơ hình hệ truyền động đảm bảo đồng tốc độ động để đảm bảo xe thẳng phía trước Động truyền động sử dụng động chiều kích từ đơc lập sử dụng nguồn cấp riêng” Chương : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1 Cấu tạo chung động chiều Động chiều bao gồm phần phần cảm (phần tĩnh) phần ứng (phần quay) * Phần cảm (stator) Phần cảm gọi stator, gồm lõi thép làm thép đúc, vừa mạch từ vừa vỏ máy cực từ có dây quấn kích từ (hình 1.1), dịng điện chạy dây quấn kích từ cho cực từ tạo có cực tính liên tiếp luân phiên Cực từ gắn với vỏ máy nhờ bulơng Ngồi máy điện chiều cịn có nắp máy, cực từ phụ cấu chổi than Hình 1.1 Cực từ * Phần ứng (rotor) Rôto gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp trục máy Hình 1.2 Lá thép rơto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện chiều Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại Các thép dập lỗ thơng gió rãnh để đặt dây quấn phần ứng (hình 1.2) Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt rãnh phần ứng tạo thành nhiều vịng kín Phần tử dây quấn bối dây gồm nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp vành góp (hình 1.3a) hai cạnh tác dụng phần tử đặt hai rãnh hai cực từ khác tên (hình 1.3b) Cổ góp (vành góp) hay cịn gọi vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình nhạn ghép thành khối hình trụ, cách điện với cách điện với trục máy Các phận khác trục máy, quạt làm mát máy… 1.2 Nguyên lí làm việc động điện chiều Trên hình 1.4 cho điện áp chiều U vào chổi than A B, dây quấn phần ứng có dịng điện Các dẫn ab cd mang dòng điện nằm từ trường chịu lực tác dụng tương hỗ lên tạo lên mômen tác dụng lên rôto ,làm quay rôto Chiều lực tác dụng xác định theo quy tắc bàn tay trái Hình 1.4 Mơ tả nguyên lí làm việc động điện chiều Khi phần ứng quay nửa vịng vị trí dẫn ab cd đổi chỗ cho nhau, nhờ có phiến góp đổi chiều dịng điện nên dịng điện chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng khơng đổi, lực tác dụng nên rôto theo chiều định, đảm bảo động có chiều quay khơng đổi 1.3 Các số định mức động điện chiều Chế độ làm việc máy điện nói chung động điện chiều nói riêng chế độ làm việc điều kiện mà nhà chế tạo quy định Chế độ đặc trưng đại lượng ghi nhãn máy gọi đại lượng định mức + Công suất định mức Pđm (KW hay W) + Điện áp định mức Uđm(V) + Dòng điện định mức Iđm(A) + Tốc độ định mức nđm(v/p) Ngoài cịn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ dịng điện kích từ 1.4 Phân loại động điện chiều Dựa theo cuộn kích từ, động điện chiều có loại sau: + Động điện chiều kích từ song song + Động điện chiều kích từ độc lập + Động điện chiều kích từ nối tiếp + Động điện chiều kích từ hỗn hợp 1.5 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập * Định nghĩa: Phương trình đặc tính đồ thị miêu tả mối quan hệ mô men điện từ Mđt tốc độ góc ω động * Đặc tính cơ: E = U − I Ru  E = K Φ.ω Từ phương trình cân điện áp :  ⇒ ω= U I Ru U M Ru − = − K Φ K Φ K Φ K Φ Độ cứng đặc tính cơ: ∆Μ ( K Φ) β = = ∆ω Ru n0 nyc n1 n β lớn đặc tính cứng MC MC1 Đồ thị: ω0 = TN M U k Φ : tốc độ không tải lí tưởng U K Φ Mmm= Ru : Mơmen mở máy 1.6 Các cách khởi động động chiều kích từ độc lập Từ phương trình điện áp phần ứng : U=Eu+Ru.Iu ⇒ Iu = U − Eu Ru p.N n.Φ Khi mở máy n=0 ⇒ Eu= 60a =0 Dòng điện phần ứng lúc mở máy là: Iumở U = Ru Ru nhỏ Iumở lớn khoảng (20 ÷ 30) Iđm làm hỏng chổi than cổ góp Để giảm dòng điện mở máy ta dùng biện pháp sau: + Dùng biến trở mở máy R mở : Mắc biến trở vào mạch phần ứng lúc có biến trở : Iưmở =U/(Rư+Rmở ) Lúc đầu để Rmở max, trình mở tốc độ tăng lên Eư tăng lên điện trở giảm dần đến 0, máy làm việc điện áp định mức + Giảm điện áp đặt vào phần ứng: Phương pháp phương pháp thường dùng địi hỏi có nguồn điện điều chỉnh điện áp nguồn chỉnh lưu, hệ máy phát động hay băm xung chiều Phương pháp dùng kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ động cách thay đổi điện áp phần ứng tiện lợi 1.7 Các trạng thái hãm động điện chiều kích từ độc lập Hãm trạng thái mà động sinh mô men quay ngược chiều tốc độ quay Trong tất trạng thái hãm động làm việc chế độ máy phát Tùy theo cách biến đổi lượng hãm người ta chia làm trạng thái hãm: a) Hãm tái sinh: Năng lượng động trả vể nguồn xẩy tốc độ quay động lớn tốc độ không tải lý tưởng Khi hãm tái sinh E u>Uu, động làm việc máy phát điện song song với lưới , so với chế độ động dịng điện mơ men hãm đổi chiều Đường đặc tính trạng thái hãm tái sinh nằm góc phần tư thứ II thứ IV mặt phẳng toạ độ.Trong trạng thái hãm tái sinh dòng điện hãm đổi chiều cơng suất đưa trả lưới điện có giá trị P = (E –U) I b) Hãm ngược: Năng lượng nguồn động bị tiêu tán dạng nhiệt Xẩy phần ứng tác dụng động tích luỹ phận chuyển động mômen quay ngược chiều với mômen điện từ động Mômen sinh động chống lại chuyển động cấu sản suất có hai trường hợp hãm ngược : + Đưa điện trở vào mạch phần ứng + Đảo chiều điện áp phần ứng c) Hãm động năng: Là trạng thái động làm việc máy phát mà lượng học động tích luỹ q trình làm việc trước biến thành điện tiêu tán mạch hãm dạng nhiệt Như ta thấy hãm tái sinh phương pháp hãm tiết kiệm lượng nhất, điều cần thiết, động chạy acqui Vì vậy, thiết kế băm điện áp, ta cố gắng điều khiển động hãm tái sinh 1.8 Phương pháp điều khiển tốc độ động chiều kích từ độc lập a) Thay đổi tốc độ cách thay đổi điện áp phần ứng n n0 ncb n1 n2 n3 TN ( Udm ) U1 U2 U3 MC Đặc điểm : Udm > U1 > U2 > U3 ncb > n1 > n2 > n3 M - Đặc tính đường song song với đặc tính tự nhiên động cơ, độ cứng đặc tính khơng thay đổi - Do U giảm điều chỉnh giảm tốc độ động - Có thể thay đổi U băng van bán dẫn b) Thay đổi điện trở phần ứng Ru: n TN ncb n1 < Rf1 < Rf2 < Rf3 ncb > n1 > n2 > n3 Rf1 n2 Rf2 n3 MC M, I Rf3 Đặc điểm : - Khi thêm Ruf vào phần ứng động độ cứng đặc tính giảm hay đặc tính động giảm có nghĩa với thay đổi nhỏ tải dẫn đến thay đổi lớn ω nên khơng ổn định thực tế điều chỉnh tốc độ băng Ru sử dụng - Ngồi thêm Ru vào phần ứng có nghĩa tăng tổn hao làm nóng động Phương pháp sử dụng để giảm dòng mở máy khởi động động n 1.2.3 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông TN ncb n1 Rf1 n2 Rf2 n3 0 < Rf1 < Rf2 < Rf3 ncb > n1 > n2 > n3 MC Rf3 M, I Đặc điểm : - Vì từ thơng lõi thép dễ bão hoà nên người ta thường điều chỉnh giảm từ thông động - Khi từ thơng Φdm giảm đến Φi có Mik đó, Mc< Mik việc giảm Φ làm tăng tốc độ động cơ, Mc >Mik việc giảm Φ làm tốc độ động Trên thực tế điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thơng khó thực quan hệ Φ(ω) phi tuyến Chương 2: Xây dựng mơ hình động mạch vòng điều chỉnh đảm bảo đồng tốc độ động 2.1 Xây dựng mơ hình cho động điện chiều Cho đến động điện chiều dùng phổ biến hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động chiều (Đ) từ vài W đến vài MW Giản đồ kết cấu chung Đ hình 1.5, phần ứng biểu diễn vịng trịn bên có sức điện động E, phần stato có vài dây quấn kích từ: dây quấn kích từ độc lập CKĐ, dây quấn kích từ nối tiếp CKN, dây quấn cực từ phụ CF dây quấn bù CB Hệ thống phương trình mơ tả Đ thường phi tuyến, Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều chỉnh dòng điện RI SI SI hàm truyền đối tượng cho điều khiển dòng RI k BĐ SI = (1 + Tv p )(1 + Tw p ) Ru (1 + Tu p ) = k BĐ k I Ru (1 + Tu p )(1 + Tv p )(1 + Tđk p )(1 + TI p ) Tv = 0.001 (chọn) UN 220 = 22 = U dk 10 UN điện áp nguồn k BĐ = Uđk điện áp mạch điều khiển Tđk = 0,001 (chọn) Lu 0,014 = = 0,071 Ru 0,197 = U đk = 10 = 0,17 KI I đm 59,5 Iư dòng điện phần ứng động cơ, Iư = 59,5(A) Tu = Ti = 0,001 (chọn) Vì Tđk,Tv,Ti số thời gian nhỏ so với số thời gian điện từ Tư nên đặt TsI =Tđk + Tv + TI = 0,001 + 0,001 + 0,001 = 0,003(s) Vậy ta có dạng gần SI : SI = k BĐ k I Ru (1 + Tu p )(1 + TSI p ) SI = 22 0.197(1 + 0.071 p)(1 + 0.003 p) Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta tìm hàm truyền điều chỉnh dịng điện có dạng khâu PI RI = Ru (1 + Tu p) 2k BĐ k I TSI p RI = 0.197(1 + 0.071 p ) 0,02244 p Hình 2.13 Sơ đồ mơ mạch vịng dịng điện Hình 2.14 Đặc tính mơ dịng định mức 2.4 Tổng hợp mạch vịng tốc độ Hệ có dạng nối cấp: mạch vòng dòng điện bên mạch vòng tốc độ bên ngồi, sử dụng khi: - Hệ khơng có khả q dịng có u cầu cao điều chỉnh gia tốc rơi vào dòng gián đoạn phần ứng Số mạch vòng dòng điện thường hệ không đảo chiều, hai hệ có đảo chiều Muốn thay đổi chiều quay hệ phải thay đổi dấu tín hiệu đặt Cần phải lắp thêm hạn chế dòng điện sau điều khiển tốc độ để giảm tín hiệu đặt cho mạch vịng dịng điện Sơ đồ khối mạch vịng điều chỉnh tốc độ có mạch Mc dòng điện: vòng Uωsp _ Rω FI Kω + Tω p _ Cu J.p ω Hình 2.15 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ FI : hàm kín mạch vịng dịng điện - Theo tiêu chuẩn module tối ưu, hàm kín mạch vịng dịng điện có dạng: FI = 1/ K I + 2TSI p + 2TSI p Do hệ số TSI nhỏ nên ta xấp xỉ hàm truyền FI dạng: FI = 1/ K I + 2TSI p Khi đối tượng cho điều khiển tính: Sω = Kω 1/ K I C u + 2TSI p Jp + Tω p Hàm truyền đối tượng điều chỉnh: Sω = Cu K ω J K I p(1 + 2Tsω p) TSω = 2TSI + Tω Xác định tham số hàm truyền Xensơ đo tốc độ: Tc = Ru J Cu = 0,197.0,56 = 0,0766 1,44 Tω = 0,001 (s) Theo tiêu chuẩn modul tối ưu ta có: Rω = K I Kφ Tc Ru K ω 4TSω (chọn) Thay số ta có : Rω = 0,17.1,2.0,0766 0,197.0,063 4.0,003 Rω = 105 Hình 2.16 Sơ đồ mơ mạch vịng tốc độ Hình 2.17 Đặc tính mơ tốc độ theo tốc độ đặt Tính tốn thơng số để mơ phỏng: Trong nb/xe tốc độ quay bánh xe nb / xe = v =1,21(v/p) 2.π Rb i=10 nên ta có : nđ/c=i.nb/xe=10.1,21=12,1(v/p) ω đ/c= nđ/c.9,55=115,55(rad/s) USP= wđ/c.kw=115,55.0,063=7,28 (V) Chương 3: Mô đặc tính hệ thống truyền động điện tính chọn điều khiển Như phân tích ta sử thực điều khiển đồng nhiều động theo phương pháp ELS.Từ kết tổng hợp cho điều khiển R I Rw cho động thứ ta xây dựng mơ hình truyền động cho động thứ Tín hiệu đặt động thứ (master) nhận từ máy tính, tốc độ quay động tín hiệu đặt cho động 3.1 Mơ simulink 3.3.1 Mơ đặc tính tốc độ dịng điện: Hình 3.1 Sơ đồ mơ tốc độ dịng điện Hình 3.2 Đặc tính tốc độ Hình 3.3 Đặc tính dịng điện Như với tham số tính cho điều khiển tốc độ, ta đảm bảo hệ thống vơ sai với tín hiệu điều khiển.Tuy nhiên với giá trị điều khiển hệ thống có độ q chỉnh lớn Trong thực tế để giảm độ chỉnh không gây q chỉnh dịng điện q trình thay đổi tín hiệu đặt người ta thường thêm vào khâu qn tính bậc tăng tuyến tính hóa trước đưa vào điều khiển để đảm bảo gia tốc hệ thống thỏa mãn yêu cầu công nghệ Với khâu qn tính bậc F= khơng cịn độ q chỉnh ta chọn tín hiệu vào đưa qua khâu quán tính bậc F= 0.01s + Hình 3.4 thêm khâu qn tính bậc F= Hình 3.5 Đặc tính tốc độ thêm khâu quán tính bậc F= Đồng hóa tốc độ động Từ cấu trúc đề mục 2.2: Hình 3.6 sơ đồ cấu trúc hệ thống Và sơ đồ mô hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ xây dựng ta mơ hình mơ tổng hợp sau: Hình 3.7 Mơ hình mơ đồng tốc độ Hình 3.8 Đáp ứng tốc độ chưa có nhiễu Hình 3.9 Đáp ứng dịng điện chưa có nhiễu Hình 3.10 Đáp ứng tốc độ có nhiễu Hình 3.11 Đáp ứng dịng điện có nhiễu 3.2 Đánh giá kết Từ đồ thị cho thấy hệ thống điều chỉnh đồng hóa tốc độ động tương đối ổn định theo tiêu chuẩn tổng hợp hệ thống điều chỉnh tốc độ Với độ chỉnh theo tiêu chuẩn tối ưu Hệ thống ổn định với thời gian độ nhỏ, dao động Đường đặc tính động tương đối đồng với nhau, có tải nhiễu đường đặc tính tốc độ động bám sát nhau, độ sai lệch 1% với tải nhiễu khác đảm bảo tốc độ động đồng với làm cho xe thẳng phía với vận tốc yêu cầu 1,5m/s Với kết mục tiêu yêu cầu đồ án đề giải Đảm bảo chất lượng yêu cầu hệ thống Kết luận Qua 15 tuần thực đồ án, thời gian tương đối ngắn em cố gắng để thu thập kiến vấn đề có liên quan đến đồ án cuối hoàn thành thời gian quy định Cũng qua đồ án em bước đầu làm quen với phần mềm mơ MATLAB-SIMULINK Hiểu rõ khó khăn cần phải giải bắt tay vào nghiên cứu vấn đề khoa học Do hiểu biết cịn hạn chế thiếu sót điều khơng thể tránh khỏi em nhận góp ý Thầy Cô bạn Một lần em xin cảm ơn Thầy, Cô Khoa Điện đặc biệt Thầy Trần Tiến Lương nhiệt tình hướng dẫn bạn giúp đỡ em hoàn thành đồ án Tài liệu tham khảo [1] Điều chỉnh tự động truyền động điện - Bùi Quốc Khánh - Nguyễn Văn Liễn -Phạm Quốc Hải - Dương Văn Nghi [2] Matlap Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động - Nguyễn Phùng Quang ... Động đi? ??n chiều kích từ song song + Động đi? ??n chiều kích từ độc lập + Động đi? ??n chiều kích từ nối tiếp + Động đi? ??n chiều kích từ hỗn hợp 1.5 Đặc tính động đi? ??n chiều kích từ độc lập * Định nghĩa:... tốc độ động Trên thực tế đi? ??u chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông khó thực quan hệ Φ(ω) phi tuyến Chương 2: Xây dựng mơ hình động mạch vòng đi? ??u chỉnh đảm bảo đồng tốc độ động 2. 1 Xây dựng mô hình. .. động động phía sau bị dao động lớn nên cấu trúc thường không sử dụng cần đồng dây chuyền Hình 2. 11 Mơ tả hệ thống - Hệ thống gồm động chiều kích từ độc lập với yêu cầu cần đồng tốc độ động để đảm