tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo các phương pháp

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ
Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan về động cơ điện một chiều
1.1. Tổng quan về động cơ điện một chiều
1.2. Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều
1.3. Cấu trúc hệ truyền động động cơ một chiều
Chương 2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo các phương pháp
2.1. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo phương pháp module tối ưu
2.2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo phương pháp module đối
xứng
Chương 3. Mô phỏng đáp ứng trên Simulink
3.1. Chương trình mô phỏng
3.2. kết quả mô phỏng
Kết luận
Tài liệu tham khảo
Hải Phòng, ngày 25 tháng 3 năm 2012
Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thưc hiện


Nguyễn Trí Tuệ
1
MỤC LỤC
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan về động cơ điện một chiều 4
1.1. Tổng quan về động cơ điện một chiều 4
1.2. Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều 8
1.3. Cấu trúc hệ truyền động động cơ một chiều 10
Chương 2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo các phương
Pháp 14
2.1. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo phương pháp module

tối ưu 15
2.2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo phương pháp module
đối xứng 16
Chương 3. Mô phỏng đáp ứng trên Simulink 17
3.1. Chương trình mô phỏng 17
3.2. kết quả mô phỏng 20
Kết luận 22
Tài liệu tham khảo 23
2
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khoa học kĩ thuật phát triển nhất là trong lĩnh vực điện – điện
tử - tin học. Ngày càng có nhiều phát minh khoa học ứng dụng vào thực tế
để thay thế sức lao động cho con người . Dộng cơ điện một chiều là một
trong rất nhiều phát minh đó.ngày nay, động cơ điện một chiều đã rất quen
thuộc với chúng ta.Em xin trình bày Đề tài bài tập lớn”Tổng hợp mạch vòng
dòng phần ứng hệ truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập theo
phương pháp module tối ưu và phương pháp modul đối xứng. Đánh giá quá
trình quá độ và đặc tính động học của hệ kín”.
Khi làm bài thiết kế môn học này có điều gì sai sót mong thầy giáo chỉ dạy
cho em để em được sửa chữa.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo – Ks Phạm Tâm Thành và các bạn
trong lớp đã giúp em hoàn thành bài tập lớn này.
3
Chương 1. Tổng quan về động cơ điện một chiều
1.1. Tổng quan về động cơ điện một chiều
1.1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều
Trong mọi ngành sản xuất hiện nay,các công nghệ tiên tiến,các dây
truyền thiết bị hiện đại .Rất nhiều máy móc cần đến các loại động cơ điện
một chiều vói các công suất khác nhau phù hợp với chức năng hoạt động của
nó.Động cơ điện một chiều dung để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ

năng thành điện năng(khi hãm).
Động cơ điện một chiều có những loại:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Động cơ điện một chiều kích từ song song
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp hay kích
1.1.2 Nguyên lý và cấu tạo của động cơ điện một chiều
Khi đặt vào từ trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn
thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào dây dẫn và làm dây dẫn chuyển
động.Chiều tác dụng của lực từ được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
Cấu tạo:gồm 2 phần chính:phần tĩnh (stator) và phần động (Rôtor)
Phần tĩnh gồm có :
- Cực từ chính là phần sinh ra từ trường gồm có lõi sắt là cuộn dây.Một cặp
cực từ gồm 2 cực nam bắc đặt đối xứng nhau qua trục động cơ.
- Cực từ phụ được đặt giữa cực từ chính để cả thịên tình trạng đổi chiều.
4
- Gông từ là phần nối tiếp các cực từ. Đồng thời làm vỏ máy.
- Nắp máy dung để bảo vệ các chi tiết máy không cho các vật bên ngoài rơi
vào.
- Cơ cấu chổi than để đưa dòng điện từ bên ngoài vào nếu máy là động cơ và
đưa dòng điện ra nếu là máy phát
Phần động gồm có:
- Lói sắt phần ứng dung để dẫn từ
- Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua.
- cổ góp dung để đổi chiều dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều.
- trục máy làm băng lõi thép để đặt phần ứng và cổ góp
1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Sơ đồ nguyên lý được biểu diễn như trên hình 1.2. Từ thông động cơ
được giữ không đổi. Điện áp phần ứng được cấp từ một bộ biến đổi.

Điện áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U<U
đm
) nên phương
pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ.
H ình 1.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện
pháp thay đổi điện áp phần ứng có các đặc điểm sau:
5
Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ.
Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh.
Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh.
Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là
như nhau. Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của
dải điều chỉnh. Do vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ
thấp nhất không vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh.
Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể: D ~ 10:1.
Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với
.
Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thay đổi trơn
điện áp ra.
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng điện kích từ
của động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ. Rõ ràng
phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa là
chỉ có thể giảm dòng điện kích từ do đó chỉ có thể thay đổi về
phía giảm từ thông. Khi giảm từ thông, đặc tính dốc hơn và có tốc độ
không tải lớn hơn. Họ đặc
tính giảm từ thông như hình 3.5.

6

H ình 1.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông có các đặc điểm sau:
Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ
càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn.
Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông.
Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D ~ 3:1.
Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng.
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng
Sơ đồ nguyên lý nối dây như hình 3.6. Khi tăng điện trở phần ứng, đặc
tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng. Họ đặc
tính cơ khi thay đổi điện trở mạch phần ứng như hình 3.6.
Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện
trở ở mạch phần ứng:
- Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc
tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng
lớn.
- Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm
(do chỉ có thể tăng thê điện trở).
- Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng cho nên
tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở càng lớn.
7
H ình 1.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng
1.2. Xây dựng mơ hình động cơ điện một chiều
1.2.1 Phương trình cân bằng điện áp:
E
dt
di
LIRU ++= .

U

:Điện áp phần ứng
E
:Suất điện động phần ứng
R
:Điện trở mạch phần ứng
L
:Điện cảm phần ứng
I
:Dòng điện mạch phần ứng
Chuyển sang toán tử Laplace ta được:
⇒
EILpIRU ++=
⇒
U
pT
R
EUI
+
−=
1
/1
).(

)1(
R
L
T
u
=
:Hằng số thời gian điện từ mạch phần ứng

φωφω
a
pN
KE
2
==

)2(
p
:Số đôi cực từ chính
N
:Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
φ
:Từ thông kích từ dưới một cực từ
8
ω
:Tốc độ góc
K
=
a
pN
.2
π
:Hệ số cấu tạo của động cơ
1.2.2 Phương trinh mômen điện từ của động cơ:
φω
KM =

)3(
M

:Mômen điện từ của động cơ
1.2.3 Phương trình cơ học của động cơ:
dt
d
JMM
C
ω
+=

C
M
:Mômen cản của động cơ
J
: Mômen quán tính của động cơ
Chuyển sang Laplace ta được:
⇒
ω
JpMM
C
+=
⇒
ω
=
Jp
MM
c
−

)4(
ω

=
dt
d
θ

Chuyển sang toán tử Laplace ta được:
⇒
ω
=
p.
θ

)5(
Từ các phương trình
)5();4();3();2();1(
ta có sơ đồ cấu trúc của động cơ điện
một chiều:
9
Hình 1.4 :Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều.
1.3 Cấu trúc hệ truyền động động cơ một chiều
Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điêu chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều bao giờ cũng cần một bộ biến đổi.Các bộ biến đổi náy cấp cho mạch
plhần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ.Cho đến nay trong cơng
nghiệp sử dụng bốn loại bộ biến đỏi chính:
- Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều máy
diện khuếch đại (MDKD)
- Bộ biến đổi điện từ : khuếch đại từ(K DT)
- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : chỉnh lưu thyristor (CLT)
- Bộ biến đổi xung áp một chiều : thyristor và tranzitor (BBDXA)
1.3.1 Hệ truyền động máy phát - động cơ (F - Đ)

Hệ thống máy phát - động cơ (F-Đ) là hệ truyền động điện mà
BBĐ điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát này
thường do động cơ sơ cấp khơng đồng bộ 3 pha quay và
coi tốc độ quay
của máy phát là khơng đổi.
10
hình 1.5 - Hệ truyền động F-Đ đơn giản.
Trong sơ ®å:
Đ : Là động cơ điện một chiều kéo cơ cấu sản xuất, cần phải điều chỉnh tốc
độ.
F : Là máy phát điện một chiều, đóng vai trò là BBĐ cấp điện cho động cơ Đ
Đảo chiều: Cặp tiếp điểm T đóng hoặc N đóng, dòng điện kích từ máy phát
I
CKF

đảo chiều, do đó đảo chiều từ thông , do đó U
F

đảo dấu, dẫn đến
W đảo chiều.
- Ưu điểm:
+ Điều chỉnh tốc độ đơn giản, ít tốn năng lượng vì chỉ thực hiện trong
mạch kích từ.
- Nhược điểm:
+ Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện
quay, trong đó ít nhất là 2 máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp
đặt máy ít nhất gấp 3 lần công suất động cơ chấp hành, dẫn đến giá thành
tăng, hiệu suất thấp.
11
+ Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trễ

nên khó điều chỉnh sâu tốc độ.
1.3.2 Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT - Đ)
Khuếch đại từ là khí cụ điện mà tín hiệu đầu ra được khuếch đại nhờ
sự thay đổi điện kháng bằng cách thay đổi dòng điều khiển. Sơ đồ nguyên
lý của một khuếch đại từ đơn giản được trình bày ở hình 1.6.
Hình 3.10 - Khuếch đại từ.
H ình 1.6 Khuếch đại từ.
1.3.3 Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ
Các bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều thực chất là các
bộ chỉnh lưu (hay các bộ nắn điện) dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều
thành dòng điện một chiều.
Có rất nhiều sơ đồ chỉnh lưu khác nhau được phân loại như sau:
- Theo số pha có: Chỉnh lưu 1 pha, chỉnh lưu 3 pha
- Chỉnh lưu hình tia,chỉnh lưu cầu
12

Hình 1.7 - sơ đồ hệ truyền động T-Đ không đảo chiều.
Trong thực tế không thể lọc hết hoàn toàn các thành phần sóng hài bậc cao,
do đó còn tồn tạithành phần dòng điện xoay chiều chạy qua động cơ làm
động cơ nóng hơn so với trường hợp làm việc trong hệ F-Đ.
13
Chng 2. Tng hp mch vũng iu chnh dũng theo cỏc phng phỏp
Tng hp mch vũng dũng in
S cu trỳc:
Trong đó:
T =
u
u
R
L

: Hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng
Sơ đồ tơng ứng:
Từ sơ đồ trên ta có hàm truyền của đối tợng :
S
oi
(p) =
)1)(1)(1)(1(
/.
)(
)(
uVidk
uicl
dk
i
pTpTpTpT
RKK
pU
pU
++++
=
ứng với điều kiện
T
si
= T
i
+ T
V
+T
đk
<<T

Bỏ qua các thành phần bậc cao ta có
S
oi
(p) =
)1)(1(
/.
usi
uicl
pTpT
RKK
++
14
2.1. Tng hp mch vũng iu chnh dũng theo phng phỏp module ti
u
Theo tiêu chuẩn Modul tối u ta có hàm truyền hệ kín nh sau:
F
Moi
=
22
.2.21
1
pp


++
Mặt khác ta có
F
Moi
(p) =
SoipRi

SoipRi
).(1
).(
+
=> Ri(p) =
)1(
Moi
Moi
FSoi
F

=> Ri(p) =
Oi
Spp ).21(2
1


+
=> Ri(p) =
(1 )(1 )
(2 / )(1 2 )
si u
cl i u
pT pT
pK K R p


+ +
+
Chọn

= min(T
si
,T
u
) = T
si
Rút gọn ta đợc hàm truyền
Ri(p) =
1 .
1
(1 )
2 . . / 2 . .
u u u
cl i si u cl i si u
pT R T
pK K T R K K T pT
+
= +

Vậy R
i
(p) là khâu tỉ lệ tích phân (PI)
2.2 Phơng pháp tổng hợp hệ theo tiêu chuẩn module tối u đối xứng :

3322
0
.8.841
41

)(
ppp
P
pF
Mi


+++
+
=
Ta có :
C
0
=0 : Hệ vô sai.
15
C
1
=0 : Sai lệch về tốc độ.
C
2
0 : Đặc trng cho gia tốc thay đổi.
Đặc điểm :
a
1
2
= 2a
0
.a
2
a

2
2
= 2a
1
.a
3
Mặt khác ta có
F
Moi
(p) =
SoipRi
SoipRi
).(1
).(
+
=> Ri(p) =
)1(
Moi
Moi
FSoi
F

=> Ri(p) =
2 2
1 4
8 (1 ).
Oi
p
p p S

+
+
=> Ri(p) =
2 2
(1 )(1 )(1 4 )
(8 / )(1 )
si u
cl i u
pT pT p
p K K R p




+ + +
+
Chọn


= min(T
si
,T
u
) = T
si
Rút gọn ta đợc hàm truyền
Cho

1 4 p


+
=
4 p


=> Ri(p) =
2
1
2 /
u
Si cl i u
T p
T p K K R
+
Vậy R
i
(p) là khâu tỉ lệ tích phân (PI)
Chng 3. Mụ phng ỏp ng trờn Simulink
3.1. Chng trỡnh mụ phng
Các thông số cho trớc:
P
đm
: công suất địng mức của động cơ 1.5 kw
U
đm
: Điện áp định mức phần ứng 220 V
n

đm
: Tốc độ quay định mức 1500 V/ph
16
dm
I
: Dũng in nh mc của động cơ 73,5 A
L
u
: Điện cảm phần ứng 0,2 H
R
u
: in tr phn ng 0,127

J : Momen xon 0,65 kg.m
2
Ta có:

55,9
1500
55,960
2
==>==
dm
nn



= 157 rad/s
M
đm

=
14000
157
dm
dm
P

=
=89,2 Nm
89,2
73,5
dm
dm
M
K
I

= =
= 1.2
T =
0,0114
0.127
u
u
L
R
=
= 0,09 S
Mặt khác ta có:
U

đ
= U
đk
.K
cl
Chọn U
đk
= 220 V => K
cl
=
220
220
dm
dk
U
U
= =
1
Hàm truyền của bộ điều chỉnh phng phỏp modul toi u:
Ri(p) =
)
1
1(
2
.
usiicl
uu
pTTKK
TR
+

Chon :T
i
= 0.002
T
v
= 0,0025
T
đk
= 0,0001
=> T
si
= T
i
+ T
v
+T
đk
= 0,002 + 0,0025 + 0,0001 = 0,0046 S
Chọn U
iđ
= 10V
=> K
i
=
10
73.5
id
dm
U
I

=
= 0.14
=> R
i
=
0.15.0.09 1 1
(1 ) 0,48(1 )
2.22.0.14.0,0046 0,09 0,09p p
+ = +
17
Mô phỏng trên matlab
Hµm truyÒn cña bé ®iÒu chØnh phương pháp modul toi ưu đối xứng:
Ri(p) =
2
1
2 /
u
Si cl i u
T p
T p K K R
+
Chon :T
i
= 0.002
T
v
= 0,0025
T
®k
= 0,0001

=> T
si
= T
i
+ T
v
+T
®k
= 0,002 + 0,0025 + 0,0001 = 0,0046 S
Chän U
i®
= 10V
=> K
i
=
10
73.5
id
dm
U
I
=
= 0.14
=> R
i
=
2
1
2 /
u

Si cl i u
T p
T p K K R
+
=
2
1 0.127
2.0,046 . .1.0,14 / 0,127
p
p
+
Mô phỏng trên matlab
18
3.2. kết quả mô phỏng
3.2.1 kết quả mô phỏng theo phương pháp modul toi ưu
19
3.2.2 kết quả mô phỏng theo phương pháp modul toi ưu đối xứng
3.2.3 Đánh giá kết quả
Ph ương pháp modul toi ưu cho đồ thị ổn định hơn Ph ương pháp modul toi
ưu đối xứng
20
Tiêu chuẩn modul toi ưu thường áp dụng để tổng hợp các bộ điều chỉnh
trong mạch có yêu cầu vô sai cấp cao,nó cũng áp dụng có hiệu quả để tổng
hợp các bộ điều chỉnh theo quan điểm nhiễu loạn
KẾT LUẬN
Qua thời gian thực hiện, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo
Ks.Phạm Tâm Thành cùng sự giúp đỡ rất nhiệt tình của các bạn trong lớp,
em đã cố gắng hoàn thành đồ môn học theo yêu cầu và thời gian quy định.
Trong đồ án em đã thực hiện được những công việc sau :
Tổng quan về động cơ điện một chiều

Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo các phương pháp
Mô phỏng đáp ứng trên Simulink
21
Mc dự ó rt c gng, nhng do kin thc v thi gian cú hn nờn cú
nhng phn em cha lm c. Em cng khụng trỏnh khi nhng iu thiu
sút, nhm ln khỏc, em rt mong c s ch bo ca thy
Tài liệu tham khảo
điều chỉnh tự động truyền động điện. - Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn
Liễn, Phạm Quốc Hải, Dơng Văn Nghi.
MATLAB v SIMULINK- Nguyn Phựng Quang
22