Đang tải... (xem toàn văn)
Điều Khiển TỐc độ DC 1 chiều bằng pp TỐi ưu và tối ưu đối xứng
ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện Giáo viên hướng dẫn: Trần Tiến Lương Sinh viên: Nguyễn Duy Định Lớp: ĐTĐ50 – ĐH2 Đề số 44: Xây dựng điều khiển tốc độ cho động chiều sử dụng phương pháp module tối ưu phương pháp module tối ưu đối xứng Đánh giá q trình q độ đặc tính động học hệ kín Lời mở đầu Chương 1.Khái quát chung động điện chiều 1.1 Giản đồ kết cấu động điện chiều 1.2 Đặc tính cảu động điện chiều Chương Điều khiển động điện chiều 2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 2.2 Chọn tham số diều khiển mơ Chương Tổng hợp mạch vịng tốc độ mơ hệ 3.1 Tổng hợp mạch vịng tốc độ 3.2 Mô Kết luận Tài liệu tham khảo Hải Phòng, ngày Giáo viên hướng dẫn: Trần Tiến Lương tháng năm 2013 Sinh viên: Nguyễn Duy Định LI NểI U Sự bùng nổ phát triển khoa học kĩ thuật đà đem đến nhiều kết to lớn cho sản xuất Nhất vai trò ngành tự động hoá Ngành tự động hoá đời phát triển đà giúp nhân loại giảm đợc giá thành thiết bị tăng suất lao động lên nhiều lần Điều chỉnh tự động truyền động điện mảng quan trọng tự động hoá Trong điều chỉnh tự động điện vấn đề đợc quan tam điều chỉnh dòng điện tốc độ máy điện (động chiều, động xoay chiều ,động dị bộ,.v.v.) Sau em xin trình bày vấn đề Xõy dng b iu khiển tốc độ cho động chiều sử dụng phương pháp module tối ưu phương pháp module tối ưu đối xứng CHƯƠNG I : KHÁI QUÁT CHUNG Để hiểu sâu hệ thống động điện chiều ta phải sâu nghiên cứu cấu tạo nh chế độ làm việc động điện chiều hay đặc tính ứng dụng cụ thể hệ thống máy phát động máy bào giờng Điều phải đợc thực thông qua mô hình toán học đợc viết mô phần mềm ứng dụng matlab, ta nghiên cứu tìm hiểu sâu hệ thống động 1.1.Giản ®å kÕt cÊu cđa ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu : Phần ứng đợc biểu diển vòng tròn 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 phơng trình mô tả động chiều phi tuyến, đại lợng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thờng điện áp phần ứng u, điện áp kích thích uk, tín hiệu thờng tốc độ góc động , mô men quay m, dòng điện phần ứng i, số trờng hợp vị trí rôto mô men tải mc mô men cấu làm việc truyền trục động cơ, mô men tải nhiễu loạn quan trọng hệ truyền điện tự động phơng trình phản ứng phần ứng động điện chiều : : U u = E u + ( Ru + R f ).I u uu : điện áp phần ứng eu : suất điện động phần ứng ru : điện trở mạch phần ứng rf : điện trở phụ mạch phần ứng Ru = ru + rcf + rb + rct ®ã : ru : ®iƯn trë cuộn dây phần ứng rcf : điện trở cực từ phơ rb : ®iƯn trá cn bï rct : ®iƯn trë tiÕp xóc chỉi ®iƯn Eu = K ω.φ = p.N 2. a p: số đôi cực từ n : số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng : từ thông kích từ dới cùc tõ ω : tèc ®é gãc p.N 2.π a Eu = K e n.φ K= : hÖ sè cÊu tạo động n : tốc độ ro to 2.π n n = 60 9,55 K Ke = 9,55 = +>Phơng trình đặc tính điện : = U u Ru + R f − Iu Kφ Kφ +>Ph¬ng trình đặc tính : = U u Ru + R f − M Kφ ( Kφ ) ®ã : Iu = M dt Kφ Ru = 0,5.(1 − η dm ) U dm I dm vµ : 1.2.đặc tính động điện chiều trạng thái hÃm : +>Đặc tính động điên chiều : 1.2.1trạng thái hÃm tái sinh: HÃm tái sinh xảy tốc độ quay động lớn tốc độ không tải lý tởng hÃm tái sinh eu > uu, động làm việc nh máy phát điện song song với lới so với chế độ động cơ, dòng điện mô men hÃm đổi chiều đợc xác định theo biÓu thøc : Ih = U u − E u Kφω0 − Kφω = hệ thống làm việc với tốc độ od + Vì sơ đồ đấu dây mạch động không thay đổi nên phơng trình đặc tính lµ : ω= U u Ru + R f − M K ( K ) đờng đặc tính trạng thái hÃm tái sinh nằm góc phần t thứ thứ t mặt phẳng toạ độ trạng thái hÃm tái sinh, dòng điện hÃm đổi chiều công suất đợc đa trả lới điện có giá trị p=(e-u).i phơng pháp hÃm kinh tế động sinh điện hữu ích 1.2.2 Trạng thái hÃm ngợc : Trạng thái hÃm ngợc động xảy phần ứng dới tác dụng động tích luỹ phận chuyển động mo men quay ngợc chiều với mo men điện từ động mô men sinh động cơ, chống lại chuyển động cấu sản xt cã hai trêng hỵp h·m ngỵc : +) trêng hợp : đa điện trở phụ vào mạch phần ứng giả sử động làm việc nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm a ta đa điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần ứng, động chuyển sang làm việc điểm b dặc tính biến trở Tải điểm b mômen động sinh nhỏ mômen cản nên động giảm tốc độ nhng tải theo chiều nâng lên đến điểm c, tốc độ nhng mômen động nhỏ mômen tải nên dới tác động tải trọng, động quay theo chiều ngợc lại tải trọng đợc hạ xuống với tốc độ tăng dần đến điểm d mômen động cân với mômen cản nên hệ ổn định với tốc độ hạ không đổi ođ, cd đoạn đặc tính hÃm ngợc, hÃm ngợc tốc độ ®ỉi chiỊu, søc ®iƯn ®éng ®ỉi dÊu nªn: Ih = U u + Eu U + Kφω = Ru + R f Ru R f M h = KφI h Nh đặc tính hÃm ngợc sức điện động tác dụng chiều với điện áp lới động làm việc nh máy phát nối tiêp với lới điện biến nhận từ lới trục thành nhiệt đốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng gây tổn thất lợng lớn sơ đồ đấu dây động không thay đổi, nên phơng trình đặc tính phơng trình đặc tính biến trở +) Trờng hợp : đảo chiều điện áp phần ứng Giả sử động làm việc điểm a đặc tính tự nhiên với tải mc, ta đổi chiều điện áp phần ứng đa thêm điện trở phụ vào mạch động chuyển sang làm việc điểm b đặc tính biến trở b mômen đổi chiều chống lại chiều quay động nên tốc độ giảm theo đoạn bc c tốc độ không, ta cắt điện áp phần ứng khỏi điện áp nguồn động dừng lại, giữ điện áp nguồn đặt vào động điểm c mômen động lớn mômen cản mc động quay ngợc lại làm việc ổn định điểm d.đoạn bc đặc tính hÃm ngợc dòng điện hÃm ngợc đợc tính : Ih = − U u − Eu U u + Eu = Ru + R f Ru + R f M h = KI h Dòng điện ih có chiều ngợc với chiều làm việc ban đầu dòng điện hÃm lớn ; điện trở phụ đa vào phải có giá trị đủ lớn hạn chế dòng điện hÃm ban đầu ihđ I (2 ữ 2,5) I dm ph¹m vi cho phÐp : h phơng trình đặc tính có dạng : R + Rf − Uu ω = − u M Kφ ( K ) 1.2.3 Trạng thái hÃm động : HÃm động trạng thái động làm việc nh máy phát mà lợng học động đà tích luỹ đợc trình làm việc trớc biến thành điện tiêu tán mạch hÃm dới dạng nhiệt - HÃm động kích từ độc lập : động quay muốn thực hÃm động kích từ độc lập ta cắt phần ứng động khỏi lới điện chiều, đống vào điện trở hÃm, mạch kÝch tõ vÉn nèi víi ngn nh cị T¹i thêi điểm ban đầu, tốc độ động có giá trị hđ nên : Ehd = Khd dòng ®iƯn h·m ban ®Çu : I hd = − E hd − Kφωhd = Ru + R f Ru + R f Tơng ứng có mômen hÃm ban đầu : M hd = KφI hd < tõ hai biÓu thức chứng tỏ dòng ihd mhd ngợc chiều với tốc độ ban đầu động hÃm động uu = nên ta có phơng trình đặc tính sau: = = Ru + R f Kφ Ru + R f ( Kφ ) Iu M phơng trình đặc tính điện đặc tính hÃm động kích từ ®éc lËp Khi φ = cosnt th× ®é tÝnh cđa đặc tính hÃm phụ thuộc rh, rh nhỏ phụ thuộc đặc tính cứng, mômen hÃm lớn, hÃm nhanh Tuy nhiên cần chọn rh cho dòng hÃm ban đầu nằm giới hạn cho phép : ihđ (2ữ2,5)iđm Trên đồ thị hÃm đặc tính hÃm động ta thấy với mômen cản mc phản kháng động dừng hẳn đặc tính hÃm động đoạn b1o đoạn b2o với mômen cản mc thi dới tác động kéo động quay theo chiều ngợc lại đến làm việc ổn định điểm m = mc đoạn b1c1 b2c2 đặc tính hÃm động hÃm động kích từ độc lập, lợng chủ yếu đợc tạo động động tích luỹ đợc nên công suất tiêu tốn năm mạch kích từ : Pktdm = (1 ữ 5)%Pdm phơng trình cân công suất hÃm động : Eu I h = ( Ru + Rh ).I h - HÃm động tự kích : nhợc điểm hÃm động kích từ độc lập điện lới không thực hÃm đợc cuộn dây kích từ phải nối với nguồn muốn khắc phục đợc nhợc điểm ngời ta thờng sử dụng phơng pháp hÃm động tự kích từ hÃm động tự kích xảy động quay ta cắt phần ứng lẫn cuộn kích từ khỏi lới điện đẻ đóng vào điện trở hÃm, ý chiều dòng điện kích từ phải giữ không đổi ta có : iu= ih+ikt Iu = −E − Kφω = R R R R Ru + kt h Ru + kt h Rkt + Rh Rkt + Rh phơng trình đặc tính : Ru + ωu = − Rkt Rh Rkt + Rh I u Kφ vµ : ωu = − Rkt Rh Rkt + Rh M ( Kφ ) Ru + trình hÃm tốc độ giảm dần từ thông giảm dần hàm số tốc độ đặc tính giảm có dạng nh đờng đặc tính không tải máy phát điện tự kích phi tuyến so với phơng pháp hÃm ngợc, hÃm động có hiệu chúng có tốc độ ban đầu mômen cản mc Tuy nhiên hÃm động u việt mặt lợng dặc biệt hÃm động tự kích không tiêu thụ lợng từ lới nên phơng pháp hÃm có khả hÃm có cố điện lới Chng Điều khiển động chiều 2.1 tổng hợp mạch vòng dòng điện 2.2.1 Các phơng pháp tổng hợp mạch vòng dòng điện Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện theo tiêu chuẩn modul tối u: H2.1 : Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện Trong : Tu = Lu Ru : Hằng số thời gian điện từ mạch phần øng Ru = Rb + Rk + Rud + Rs Lu = Lb + Lk + Lud + Ls K i = Rs : ®iƯn trë cđa sensor Ti = Rs C : H»ng sè thêi gian cđa sensor dßng điện Viết gọn lại ta có sơ đồ hàm truyền điều khiển đối tợng : Hàm truyền đối tỵng : 10 S 0i ( P ) = U i ( p) K cl K i / Ru = Rdk ( p ) (1 + pTdk )(1 + pTi )(1 + Tpu ) Trong ®ã : Tdk ≈ 100 µs, TV 2.5 = 2.5ms , Tu ≈ 100ms Thay TSi = Ti + TV + Tdk C¸c bíc tiÕn hành tổng hợp : Tổng hợp hệ theo tiêu chuẩn tối u đối xứng giống nh tiêu chuẩn modul tối u đa hàm truyền R(p) sử dụng đặc điểm thứ để tính chọn tham sè cđa bé ®iỊu khiĨn 2.2 CHỌN THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MƠ PHỎNG Chän c¸c thong sè: Pđm = 25 (Kw) : Công suất định mức động Uđm = 220(V) : Điện áp định mức phần ứng nđm = 1500 (v/ph) : Tốc độ quay ®Þnh møc η®m = 90% : HiƯu st danh ®Þnh động L = 0,1(H) : Điện cảm phần øng Ti = 0,001 (s) : H»ng sè thêi gian máy biến dòng Tv = 0,003 (s) : Hằng số thêi gian bé chØnh lu T®k = 0,0001 (s) : Hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lu Tω = 0,001 (s) : H»ng sè thêi gian m¸y phát tốc Tính toán : Từ công thức : dm = n 2000 = = 209,4(rad / s) 9,55 9,55 Pdm = M dm ω dm ⇒ M dm = P Pdm 2000 2000 = = 9,55( Nm ) ⇒ I dm = dm = = 9,1( A) ω dm 209,4 U dm 220 +Chän Uid = 15 (V) ®ã : 13 Ki = U id 15 = = 1,64 I dm 9,1 TÝnh RU theo c«ng thøc gần : Ru = 0,5(1 dm ) ⇒ ΚΦ = vµ : U dm 220 = 0,5(1 − 0,9) = 1,21(Ω) I dm 9,1 M dm 9,55 = = 1,05 I dm 9,1 LU = Lb + Lk + Lud = 0,1( H ) ⇒ Tu = Lu 0,2 = = 0,165( s ) Ru 1,21 MỈt kh¸c : U d = K cl U dk = 0,1( H ) Chän Udk = 10(V) ta cã : K cl = U dm 220 = = 22 U dk 10 Bộ điều chỉnh Ri có dạng : Ri ( p ) = Víi : Ru Tu (1 + ) K cl K i Tsi p.Tu TSi = Ti + TV + Tdk = 0,001 + 0,003 + 0,0001 = 0,0041( s ) Thay sè : Ri ( p ) = Tc = 1,21.0,165 1 (1 + ) = 0,675.(1 + ) 2.22.1,64.0,0041 0,165 p 0,165 p J RU 2,5.1,21 = = 2,74( s ) ( Kφ ) 1,05 RU 1,21 = = 0,42( s ) ( Kφ ).Tc 1,05.2,74 14 Tõ ®ã sơ đồ mô mạch vòng dòng điện : H2.5 : Sơ đồ mạch vòng dòng điện H2.6 : Thông số PI 15 H2.7 : Đặc tính dòng điện theo thời gian 2.3 NHN XẫT +Dòng điện động tăng nhanh từ lên cực đai 15 A khoảng thời gian ngắn khoảng 0,01s sau dao động đến 0,77 s vào ổn định + Bộ điều khiển có dạng PI +Nh hệ thống thoả mÃn yêu cầu đặt : hanh chóng ổn định dòng điện 16 CHNG Tổng hợp mạch vòng TốC Độ V Mễ PHNG 3.1 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ 3.1.1.Tổng hợp mạch bong tốc độ theo tiêu chuẩn modul tối ưu KÕt qu¶ tổng hợp mạch vòng theo tiêu chuẩn tối u modul ta cã : F0 Mi = U i ( p) = U id ( P ) + pτ si + 2τ si p VËy sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh tốc độ lấy hàm truyền đạt mạch vòng dòng điện khâu quán tính bậc nhất, bỏ qua bậc cao H 3.1 : Sơ đồ cấu trúc hệ ®iỊu chØnh tèc ®é Cã hµm trun : S 0ω = Ru K ω K i ( KΦ )Tc (1 + pTω ) Víi TSω = 2.TSi + Tω → TS nhỏ áp dụng tiêu chuẩn modul tối u : 17 Ta có hàm truyền đạt hệ : F0 Mω = ⇒ Rω ( p ) = ⇒ Rω ( p ) = ⇒ Rω ( p ) = chän : 1 + pτ σ + 2τ σ p S oω F0 Mω − S oω F0 Mω 1 + 2τ σ p + 2τ σ p K ω Ru (1 − ) 2 (1 + Tsω P )Tc p ( Kφ ).K i + 2τ σ p + 2τ σ p K ω Ru 2τ σ p.(1 + τ σ p ) (1 + Tsω P )Tc p ( Kφ ).K i τ σ = TSω K i ( KΦ ).Tc Ru K ω 2Tsω Rω ( p ) = Ta cã : VËy Rω khâu tỷ lệ (P), tiêu chuẩn đợc sử dụng hệ thống khởi động đà mang tải, lúc ta không coi IC nhiễu 3.1.2.Tng hp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn modul tối ưu dối xứng F0 Dω ( p ) = ⇒ Rω ( p ) = + 4τP + 4τp + 8τ p + 8τ p S oω F0 Miω − S ω F0 Mi 18 + 4.τ σ p + 4τ σ p + 8τ σ p + 8τ σ p ⇒ Rω ( p ) = Ru K ω + 4τ σ p 1 − Κ i ( ΚΦ ).Tc p.(1 + pTsω ) + 4τ σ p + 8.τ σ p + 8τ σ p Chän τ σ = Tsω Ta cã : ⇒ Rω ( p ) = + 4.τ sω p Ru K ω 8τ σ p i ( ).Tc Vậy R khâu tỷ lệ tích phân (PI) Đó khâu vô sai cấp hai đại lợng đặt vô sai cấp đại lợng nhiễu IC ta đợc sơ đồ cấu trúc : H 3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ T-Đ 3.1.3 Tính toán thông số hệ truyền động động điện chiều: Ta cã : Uωd = ω.Kω chän : Uωd = 15 (V) Kω = 15 = 0,07 209,4 Trong c«ng thøc : TSω = Tω + 2.TSi Víi : Tω = 0,001(s) ; TSi = 0,0041(s) 19 Tc = JRu 2,5.1,21 = = 2,74( s ) (ΚΦ ) (1,05) ⇒ TSω = 0,0092( s ) Tỉng hỵp theo tiªu chuÈn modul tèi u ta cã : Rω ( p) = K i ( KΦ ).Tc 1,64.1,05.2,74 = = 3027,5 Ru K ω 2Tsω 2.1,21.0,07.0,0092 RU 1,21 = = 0,42( s ) ( K ).Tc 1,05.2,74 Tổng hợp mạch vòng theo tiêu chuẩn modul đối xứng ta có : Rω ( p ) = + 4.Tsω p Ru K ω 8Tsω p Κ i ( ΚΦ ).Tc (kh©u PI) víi TSω = 0,0092 (s) ; RU = 1,21 (Ω) ; Kω = 0,07 ; Ki = 1,64 ; Kφ = 1,05 ; TC = 2,74 (S) Thay sè : Rω ( p ) = + 4.0,0092 p + 0,0368 p = = + 3027,5 1,21.0,07 1,22.10 −5 p 1,22.10 −5 p 8(0,0092) p 1,64.(1,05).2,74 3.2 MƠ PHỎNG 20 H 3.3 : m¹ch vòng điều chỉnh tốc độ H 3.4 :Thông số PI 21 H3.5 : Đặc tính tốc ®é NhËn xÐt : + Tèc ®é quay cña ®éng tăng nhanh giai đoạn đầu thời điểm 0,05 s đạt cực đại :209,4 rad/s Sau dao động đến thời điẻm 0,1 s bắt đầu vao ổn định 200,5 rad/s + Thời gian độ tơng đối nhỏ đà đáp ứng yêu cầu hệ thống + Bộ điều khiển : PI 22 Tài liệu tham khảo [1] : Bùi Quốc Khánh , Nguyễn Văn Liễn ,Phạm Quốc Hải , Dơng Văn Nghi Điều chỉnh tự động truyền động điện Nhà xuất khoa học kỹ thuật [2] : Vũ Gia Hanh , Trần Khánh Hà , Phan Tứ Thụ ,Nguyễn Văn Sáu Máy điện Nhà xuất khoa học kỹ thuật [3] : Bùi Quốc Khánh , Nguyễn Văn Liễn , Nguyễn Thị Hiền Truyền động điện Nhà xuất khoa học kü thuËt 23 ... (1 + ) K cl K i Tsi p.Tu TSi = Ti + TV + Tdk = 0,0 01 + 0,003 + 0,00 01 = 0,00 41( s ) Thay sè : Ri ( p ) = Tc = 1, 21. 0 ,16 5 1 (1 + ) = 0,675. (1 + ) 2.22 .1, 64.0,00 41 0 ,16 5 p 0 ,16 5 p J RU 2,5 .1, 21. .. Trong điều chỉnh tự động điện vấn đề đợc quan tam điều chỉnh dòng điện tốc độ máy điện (động chiều, động xoay chiều ,động dị bộ,.v.v.) Sau em xin trình bày vấn đề Xõy dng b iu khiển tốc độ cho động... Ru = 0,5. (1 − η dm ) U dm I dm vµ : 1. 2.đặc tính động điện chiều trạng thái hÃm : +>Đặc tính động điên chiều : 1. 2.1trạng thái hÃm tái sinh: HÃm tái sinh xảy tốc độ quay động lớn tốc độ không