MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Trong thực tế, ta hay gặp hệ thống điều chỉnh tốc độ cho truyền động điện chiều có đảo chiều Hệ thống điều chỉnh tốc độ hệ thống mà đại lượng điều chỉnh tốc độ góc động điện, hệ thường gặp Hệ thống điều chỉnh tốc độ hình thành từ hệ thống điều chỉnh dịng điện Các hệ thống đảo chiều không đảo chiều Do yêu cầu công nghệ mà hệ cần đạt vô sai cấp vô sai cấp hai Nhiễu hệ mơmen tải Mc Mục đích nghiên cứu: Tổng hợp mạch vịng tốc độ theo hai tiêu chuẩn module tối ưu module tối ưu đối xứng đánh giá trình độ đặc tính động học hệ kín Chương 1:Tổng quan động chiều 1.1 Cấu tạo động chiều: Cấu tạo vật lí động chiều gồm có ba phần: Phần tĩnh (Stator) hay gọi phần cảm Phần quay (Rotor) hay gọi phần ứng a)Phần tĩnh: Phần tĩnh hay phần cảm phần nhận lượng điện chiều để tạo từ trường kích từ máy Cực từ (hình 1-1) phận sinh từ trường, gồm có lõi thép dây quấn kích từ lồng ngồi lõi thép cực từ, dịng điện chạy dây quấn kích từ cho cực từ tạo có cực tính liên tiếp ln phiên Cực từ làm thép kỹ thuật điện ép lại, tán chặt gắn vào vỏ máy nhờ bulông Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối gắn vào vỏ máy nhờ bulơng Hình 1-1: Cực từ phần tĩnh động điện chiều Gơng từ dùng làm mạch từ, nối liền cực từ đồng thời dùng làm vỏ máy.Trong máy điện nhỏ thường làm thép uốn hàn lại, máy điện lớn thươngdùng thép đúc Các phận khác gồm có nắp máy cấu chổi than Cơ cấu chổi than để đưa điện từ phần quay ngồi gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ có lị xo ép chổi than nên chổi than tì chặt lên cổ góp b)phần ứng: Phần ứng máy điện chiều gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp trục máy Lõi thép phần ứng dùng để dẫn từ Nó hình trụ thường làm thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm, hai mặt có phủ sơn cách điện mỏng ghép lại Các thép dập lỗ để gắn rơtor với trục lỗ thơng gió Mặt lõi thép dập rãnh để đặt dây quấn phần ứng (Hình 1-2.a) Hình 1-2: Lõi thép Rơto cổ góp động điện chiều Dây quấn phần ứng phần sinh sức điện động có dịng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện, gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp với nhau, đặt rãnh phần ứng tạo thành nhiều vịng kín Cổ góp (vành góp hay cịn gọi vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dịng điện chiều (Hình 1-2.b).gồm nhiều phiến đồng hình nhạn ghép thành khối hình trụ, cách điện với cách điện với trục máy 1.2 Nguyên lý hoạt động động chiều: Khi cho điện áp chiều U vào hai chổi điện 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 nên momen tác dụng lên rotor, làm rotor quay Chiều lực tác dụng xác định theo qui tắc bàn tay trái (Hình 13.a) Khi phần ứng quay nửa vịng, vị trí dẫn ab, cd đổi chỗ (Hình 1-3.b) 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 lên rotor theo chiều định, đảm bảo động có chiều quay khơng đổi Hình 1-3: Ngun lý hoạt động động điện chiều 1.3 Động điện chiều kích từ độc lập - Phương trình đặc tính cơ: Là phương trình biểu thị mối quan hệ tốc độ (n) mômen (M) động có dạng chung : ω= U u Ru + R f − M K Φ ( K Φ)2 (1.1) Thơng qua phương trình này, ta thấy phụ thuộc tốc độ động vào momen động thong số khác (mômen, từ thơng…), từ đưa phương án để điều chỉnh tốc độ động với phương án tối ưu Với điều kiện Uư = const, It = const từ thộng động khơng đổi, quan hệ tuyến tính đường đặc tính động đường thẳng Thường dạng đặc tính đường thằng mà giao điểm với trục tung ứng với mơmen ngắn mạch cịn giao điểm với trục hồnh ứng với tốc độ khơng tải động Người ta đưa them đại lượng β = ∆M để đánh giá độ ∆ω cứng Đặc tính dốc cứng ( β lớn) tức mômen biến đổi nhiều tốc độ biến đổi ngược lại Đặc tính dốc mềm tức mơmen biến đổi tốc độ biến đổi nhiều ω (3) ∆ω2 (2) ∆ω1 AM (1) M Hình 1.3 Để hiểu nguyên lý lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta xét đặc tính động đienj Đó quan hệ tốc độ quay với momen (hoặc dòng điện) động - Đặc tính tự nhiên động cơ: Nếu động vận hành chế độ định mức(điện áp, tần số, từ thông định mức không nối them điện kháng, đienj trở vào động cơ) Trên có điểm làm việc định mức có giá trị Mđm, ω đm - Đặc tính nhân tạo động đặc tính ta thay đổi tham số nguồn nối thêm điện trở, điện kháng Để so sánh đặc tính với nhau, người ta đưa khái niệm độ cứng đặc tính β = ∆M (tốc độ biến thiên mơmen so với vận tốc) ∆ω • Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Sơ đồ kích từ độc lập thể : + - U­ E Rf Ckt I Rkt Ikt + - Ukt Hình 1.4 Phương trình đặc tính Uư = Eư + (Rư + Rf ).Iư Trong đó: Uư : điện áp phần ứng Eư : sức điện động phần ứng Rư : điện trở mạch phần ứng Rf : điện trở phụ mạch phần ứng Iư : dòng điện mạch phần ứng Suất điện động Eư tính Eư = (1.2) (V) (V) (Ω ) (Ω ) (A) P.N φ.ω = kφ.ω 2π a (1.3) K: hệ số cấu tạo động φ : từ thơng kích từ cực ω : tốc độ góc Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép ta có Mtt = Mdc = M (1.4) φ Iư Mtt = k (1.5)  ω= U u Ru + R f − M kφ (kφ ) (1.6) Giả sử φ = const ta có đồ thị đặc tính có dạng hình 1.3 ω ω0 ω®m Μ®m Μnm M Hình 1.3 Khi ω =0 ta có : U = I nm Ru + R f M = k φ Inm = Mnm I= Và (1.7) (1.8) Inm Mnm dịng mơmen ngắn mạch → Ta có mơ hình động điện chiều: Hình 1.6 Mơ hình đối tượng 1.4 Các hệ truyền động điện động điện chiều a Hệ truyền động F – Đ Hệ thống máy phát động F – Đ hệ truyền động điện mà biến đổi máy phát điện chiều kích từ độc lập, máy phát thường động sơ cấp không đồng ba pha điều khiển quay máy phát xác định hai đặc tính : Đặc tính từ hóa đặc tính tải Trong tính tốn tuyến tính hóa đặc tính : EF = KF φ F ω F = KF ω F.C.iKF (1.13) Trong : KF : hệ số kết cấu máy phát C : hệ số góc đặc tính từ hóa Sơ đồ hệ F - ĐK I F UF = Uđ § ω MS Hình 1.7 Sơ đồ hệ F - Đ Nếu đặt R = RưF + RưĐ, ta viết phương trình đặc tính hệ F- Đ (1.14) ` ω= KF R.I U KF − M Kφ ( Kφ ) ω = ωo (U KF ) − M β (U KF ) (1.15) (1.16) Từ biểu thức ta thấy, điều chỉnh dịng điện kích thích máy phát điều chỉnh tốc độ không tải hệ thống Chế độ làm việc Trong hệ thống khơng có phần tử phi tuyến nên hệ có đặc tính động tốt, linh hoạt khỉ chuyển trạng thái làm việc Với sơ đồ hình 1.6 động chấp hành Đ làm việc chế độ điều chỉnh hai chiều, kích thích máy phát kích thích động cơ, đảo chiều quay cách đảo chiều dịng kích thích máy phát • Đặc điểm hệ F – Đ Ưu điểm bật hệ F - Đ chuyển đổi trạng thái linh hoạt, khả tải lớn, thường dùng máy khai thác công nghiệp mỏ Nhược điểm quan trọng hệ F - Đ dùng nhiều máy điện quay, gây ồn lớn, cơng suất lắp đặt máy ba lần cơng suất động chấp hành Ngồi máy phát chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ b Hệ truyền động T – Đ • Khái quát chung Do chỉnh lưu Tiristo dẫn dòng theo chiều điều khiển mở khóa dẫn đến truyền động van thực đảo chiều khó khăn phức tạp truyền động F – Đ Có hai nguyên tắc để xây dựng hệ truyền động T – Đ đảo chiều : Giữ nguyên chiều dịng điện phần ứng đảo chiều dịng kích từ động • Sơ đồ nguyên lý làm việc i®1 Lc0 K I icb Lc0 A2 I E a Ud b L c R II A1 B§1 K2 π Lcb id1 Giả thiết α1 < ;α > Lcb B§2 icb Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý π cho Ed1 ≤ Ed dịng chạy từ BĐ1 sang động mà chạy từ BĐ1 sang BĐ2 được, để đạt trạng thái cần có góc điều khiển phải thỏa mãn α ≥ π − α1 Nếu tính đến góc chuyển mạch µ góc khóa δ giá trị lớn góc điều khiển biến đổi chế độ nghịch lưu : α max = π − ( µ max + δ ) Nếu chọn Ed1 = Ed (1.17) : α1 + α = π Ta có phương pháp điều khiển chung đối xứng, dịng điện trung bình chảy vịng qua hai biến đổi : I cb = Ed + Ed =0 Rcb (1.18) • Đặc điểm Ưu điểm bật hệ T – Đ độ tác động nhanh cao, khơng gây ồn dễ tự động hóa van bán dẫn có hệ số khuếch đại cơng suất lớn Điều thuận tiện việc thiết lập hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lượng Nhược điểm hệ thống T – Đ van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ máy điện, làm xấu điện áp nguồn lưới xoay chiều 10 Điều chỉnh tốc độ động điện chiều chia làm hai vùng điều chỉnh điều chỉnh tốc độ định mức điều chỉnh tốc độ định mức 2.2.1 Điều chỉnh tốc độ định mức: Vùng điều chỉnh tốc độ từ đến ω dm có hai phương pháp điều chỉnh thay đổi điện trở phụ mắc vào mạch điện phần ứng thay đổi điện áp đặt vào phần ứng a) Thay đổi điện trở phụ mắc vào phần ứng: Sơ đồ điều chỉnh gồm điện trở phụ Rp chế độ làm việc dài hạn mắc nối tiếp với mạch điện phần ứng Khi giá trị R p tăng lên tốc độ động thay đổi theo chiều giảm Đặc tính điều chỉnh hình 1-4 Ta thấy tăng R p đặc tính động mềm Nếu tăng Rp lớn xảy q trình hãm nối ngược mơmen động bị giảm nhiều Ưu, nhược điểm phương pháp điều chỉnh là: - Tốc độ điều chỉnh nằm tốc độ định mức - Khi tải bé điều chỉnh hiệu - Độ trơn số cấp tốc độ cao - Hiệu suất thấp tổn hao nhiệt Rp 16 b ) Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng: Nội dung phương pháp cách đố thay đổi địên áp cấp cho phần ứng động giữ ngun kích từ Ta có đặc tính điều chỉnh hình 1-5 Ta thấy giảm điện áp đặt vào phần ứng độ cứng đặc tính khơng thay đổi cịn tốc độ khơng tải giảm, tốc độ động giảm giữ mômen không đổi Ưu, nhược điểm phương pháp: - Số cấp tốc độ cao - Độ trơn điều chỉnh lớn - Điều chỉnh hiệu tải bé - Phải có phương pháp thay đổi điện áp nguồn cấp tăng độ phức tạp giá thành hệ thống 17 2.2.2 Điều chỉnh tốc độ vùng lớn tốc độ định mức: Người ta mắc thêm vào mạch điện kích từ biến trở nhằm điều chỉnh từ thơng kích từ vùng định mức (nhưng đảm bảo lớn giá trị cho phép khoảng 0,6φ dm ) Ta có đặc tính điều chỉnh hình 1-6 Ưu nhược điểm phương pháp - Độ trơn cao - Hiệu suất cao điều chỉnh phía kích từ nên cơng suất điều khiển nhỏ tăng tính kinh tế Địi hỏi cấu tạo khí động cho phép vận hành với tốc độ lớn định mức 2.3 Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ 18 Ta có sơ đồ khối chức hệ thống mạch vịng điều chỉnh tốc độ có tham gia mạch vịng điều chỉnh dịng điện Hình 2.6 Mạch vòng tốc độ Động đối tượng điều khiển có đại lượng điều chỉnh tốc độ - tác động điều khiển Uư - nhiễu loạn Mc Tác dụng mạch vòng dòng điện giữ cho đại lượng khơng đổi Trong phần tử phi tuyến HCD phần tử hạn chế dòng điện trình độ Khâu hạn chế làm việc Uđk tăng lên lớn đứt mạch phản hồi Kết tổng hợp mạch vòng dịng điện tiêu chuẩn modul tối ưu, ta có : Ui ( p) FOmi(p)= Uid ( p) = + 2Tsip + 2Tsi p Ta lấy hàm truyền đạt mạch vòng dòng điện khâu quán tính bậc nhất, bỏ qua bậc cao Vậy sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh tốc độ Hình 2.7 Cấu trúc hệ điều chỉnh tốc độ 19 Ta có sơ đồ thu gọn Hình 2.8 Sơ đồ thu gọn hệ điều chỉnh tốc độ Ru Kw Trong : So ω = + 2Tsi p Ki KφTcp + pTw Ru K ω Ru.Kw = Ki.Kφ Tc p(1 + pTsw) = K ( Kφ )T (1 + pT ) i c sω Với TS ω = 2Tsi + T ω , Tsw nhỏ Ta tiến hành tổng hợp mạch vòng tốc độ theo hai tiêu chuẩn : tiêu chuẩn modul tối ưu tiêu chuẩn tối ưu đối xứng 2.3.Cách phương pháp tổng hợp mạch vòng tốc độ 2.3.1 Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul FM(p)= + 2τp + 2τ p τ : Hằng số thời gian tồn hệ τ chọn theo số thời gian khâu khác hệ Theo sơ đồ thu gọn, ta có hàm truyền hệ hở FO(p) =R(p) So(p) Vậy hàm truyền hệ kín : F0 ( P ) R ( p)S ( p) F(p) = + F ( P) = + R ( p) S ( p) 0 F(p) = FM(p) → → Rw(p) = R0 ( p ).S ( p ) = = FM ( p) 2 + R0 ( p ).S ( p ) + 2τp + 2τ p −1 S ( p ).( FM ( p ) − 1) = 2τp (1 + τp ).S ( p ) 20 K i KφTc p (1 + pτ sw ) Rw(p)= 2τp(1 + τp) K R w u Chọn T = τ sw → Rw(p)= K i KφTc 2τ sw K w Rw Vậy khâu Rw khâu tỉ lệ (P) Tiêu chuẩn sử dụng hệ thống khởi động mang tải, không coi Ic nhiễu 2.3.2 Theo tiểu chuẩn tối ưu đối xứng + 4τp FĐX= + 4τp + 8τ p + 8τ p Có : Rw(p)= S ( p)( F −1 ( p) − 1) DX K i KφTc p(1 + pTsw ) K i KφTc p (1 + pτ sw ) 2 3 → Rw(p)= = + 4τp + 8τ p + 8τ p 8τ p (1 + pτ ) K w Ru ( − 1) K w Ru ( ) + 4τp + 4τp Chọn τ = τ sw → Rw(p) = K i KφTc p (1 + 4τ sω p ) K w Ru 8τ p Vậy Rw khâu tỉ lệ tích phân (PI) Đó khâu vô sai cấp hai đại lượng đại đặt vô sai cấp đại lượng nhiễu Ic 2.4 Tính tốn thơng số Các thơng số cho trước: Pđm : công suất địng mức động 14 kw Uđm : Điện áp định mức phần ứng 220 V nđm : Tốc độ quay định mức 1500 V/ph η dm : Hiệu suất danh định động 90 % 21 L : Điện cảm phần ứng 0,0114 H Ti : Hằng số thời gian máy biến dòng 0,002 S TV : Hằng số tời gian chỉnh lưu 0,0025S Tđk : Hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lưu 0,0001S T ω : Hắng số thời gian máy phát tốc 0,001S Ta có : ω = 2Πn n = 60 9.55 Với n tốc độ rôto ωdm = 1500 = 157rad / s 9.55 Ke = K = 0,105K 9,55 Phương trình đặc tính điện: ω= Ru + R f Uu − Iu Kφ Kφ Phương trình đặc tính : ω= Trong đó: Iu= Ru + R f Uu − M Kφ ( Kφ ) M dt Kφ Mdt=Mw=M -Tính momen định mức : Pdm Pdm=Mdm ω dm → Mdm= ω = dm → Kϕ = 14000 = 89.1 157 M dm 89.1 = = 1.21 I dm 73.5 Lu=Lb+Lk+Lud=0.0114H → Tu= Lu Ru = 0.0114 = 0.089 s 0.127 U ω d= ω.K ω Chọn U ωd = 10V → Kw= 10 = 0.063 157 Tsw= Tw+2Tsi 22 Với Tw= 0.001s Tsi= Ti+Tv+Tdk=4.6.10 −3 → Tsw= 0.01s J R 0, 65.0,127 u Tc= ( Kϕ )2 = (1, 21)2 = 0.056 s U id Chọn Uid=7V → Ki= I = 73.5 = 0.095 dm -Khi tổng hợp mạch vịng tốc độ theo tiêu chuẩn mơdul tối ưu, ta có : KiKϕT 0,095.1, 21.0, 056 c Rw(p)= 2.τ K R = 2.0, 01.0,063.0,127 = 40 sξ ω u Ru 0,127 = = 1.87 ( Kϕ )Tc 1, 21.0.056 -Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng, ta có Rw(p) = K i KϕTc p (1 + 4τ sω p) K w Ru 8τ p Ki=0.095; K ϕ = 1.21 ; Tc=0.056; Tsw=0.01s; Ru=0.127 Ω ; Kw=0.063 → Rw(p) = 0.006 p (1 + 0.04 p) = + 37.5 0.0000064 p 0.001 p Phản hồi tốc độ : Kω 0.063 = + pTω + 0.001 p Đối tượng điều khiển: 1 1 10, 52 = = = + 2τ si p K i 0.095(1 + 2.0, 0046 p) 0.095 + 0, 000874 p + 0, 0092 p 23 Chương Mơ mạch vịng tốc độ động điện chiều 3.1 Mô simulink 3.1.1 Bộ điều chỉnh tốc độ tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul Sơ đồ mô hệ điều khiển tốc độ tổng hợp theo phương pháp modul tối ưu 24 Hình 3.1 Mạch vòng tốc độ tiêu chuẩn module tối ưu Kết mô 25 3.1.2 Bộ điều chỉnh tốc độ tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng (PI) Sơ đồ mô hệ điều khiển tốc độ tổng hợp theo phương pháp modul đối xứng sử dụng điều chỉnh tương tự PI Hình 3.2 Mạch vòng tốc độ tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng Kết mô 26 Khi không sử dụng khâu qn tính bậc đầu vào Hình 3.2 Mạch vòng tốc độ tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng khơng sử dụng khâu qn tính Kết mơ 27 KẾT LUẬN 28 Khi tổng hợp theo hai phương pháp modul tơí ưu tối ưu đối xứng, ta thấy tốc độ tổng hợp theo phương pháp modul tối ưu có độ điều chỉnh bé đồng thời thời gian độ bé Và trường hợp tổng hợp theo phương pháp tối ưu đối xứng, tốc độ không sử dụng khâu qn tính bậc đầu vào có độ chỉnh lớn so với trường hợp sử dụng khâu quán tính bậc đầu vào TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 [1] Điều chỉnh tự động truyền động điện Nhóm tác giả: Bùi Quốc Khánh; Nguyễn Văn Liễn; Phạm Quốc Hải; Dương Văn Nghi Nhà xuất khoa học kỹ thuật năm 2001 [2] Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động Tác giả: Nguyễn Phùng Quang Nhà xuất khoa học kỹ thuật năm 2006 30 ... vòng tốc độ theo hai tiêu chuẩn module tối ưu module tối ưu đối xứng đánh giá q trình q độ đặc tính động học hệ kín Chương 1 :Tổng quan động chiều 1.1 Cấu tạo động chiều: Cấu tạo vật lí động chiều. .. hợp theo hai phương pháp modul tơí ưu tối ưu đối xứng, ta thấy tốc độ tổng hợp theo phương pháp modul tối ưu có độ điều chỉnh bé đồng thời thời gian độ bé Và trường hợp tổng hợp theo phương pháp. .. Bộ điều chỉnh tốc độ tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul Sơ đồ mô hệ điều khiển tốc độ tổng hợp theo phương pháp modul tối ưu 24 Hình 3.1 Mạch vịng tốc độ tiêu chuẩn module tối ưu Kết mô 25