bài tập lớn truyền động điện tự động

LỚP: ĐH ĐIỆN A_K3 BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tài liệu được đăng trên website

1

Khoa Điện
Bộ môn Lý thuyết chuyên ngành
BÀI TẬP LỚN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG.

Họ và tên sinh viên: Lê Ngọc Nhu
Lớp: ĐH Điện K3A
Tên đề tài:
Khảo sát và tính toán các tham số cho hệ truyền động T-Đ.
a/ Số liệu cho trước:
Cho hệ truyền động điện T-Đ (Thyristor-động cơ điện một chiều) có sơ đồ nguyên
lý như hình vẽ.

Bộ chỉnh lưu dùng sơ đồ cầu 3 pha, Hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu: K
b
= 45+1.
(A là số thự tự sinh viên)
Động cơ điện một chiều: 220(V), 150(A), 1000(vòng/phut), R
ư
= 0,2(), hệ số quá
tải cho phép  =1,7. Tổng trở mạch rôto: R
d
= 0,5(). (A là số thứ tự sinh viên).
Hằng số thời gian: T
e
= 0,07(s), T
m
= 0,22(s).
Hệ thống điều tốc hai mạch vòng tốc độ quay và dòng điện:
R

- Bộ điều chỉnh tốc độ quay; R
I
- Bộ điều chỉnh dòng điện; FT - Máy phát tốc;
FX
- Mạch phát xung điều khiển các tiristor của BĐ; CBD - Cảm biến dòng điện,
u
cđ
- điện áp chủ đạo (điện áp đặt tốc độ); u
n
(u
n

=

n) - điện áp phản hồi tốc độ,
*
i
u
- điện áp đặt dòng điện; u
i
(u
i
=

I) - điện áp phản hồi âm dòng điện


U
d
§

=

CK
§

+

-



B§

FX

CK

FT

u
c®
CL1

CBD

R


R
I
-

-

I

n

u
n
u

i
n

*
i
u


u
v

LỚP: ĐH ĐIỆN A_K3 BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tài liệu được đăng trên website

2

Hệ số phản hồi dòng điện  =0,04 V/A
Hệ số phản hồi tốc độ  =0,01 V phút/vòng
B/ Yêu cầu của hệ thống:
Chỉ tiêu trạng thái ổn định: không có sai số tĩnh;
Chỉ tiêu trạng thái động: lượng quá điều chỉnh dòng điện 
imax
%  5 %
lượng quá điều chỉnh tốc độ khi khởi động không tải đến
tốc độ quay định mức 
nmax
%  10 %
B/ Nội dung cần thực hiện:
1/ Xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ.

2/ Xác định các tham số của sơ đồ cấu trúc hệ truyền động.
3/ Xác định tham số bộ điều chỉnh ổn định dòng điện
4/ Xác định tham số bộ điều chỉnh tốc độ của hệ truyền động;
5/ Khảo sát đặc tính động học của hệ bằng phần mềm Matlab và rút ra kết luận.
6/ Xây dựng sơ đồ nguyên lý của hệ.
C/ Yêu cầu:
Thời gian nhận bài tập dài : 21 / 09 /2011
Thời gian nộp bài tập dài : 15 / 10 /2011
Tài liệu tham khảo:.
1/ Bùi Quốc Khánh cùng các tác giả
Cơ sở truyền động điện; NXBKHKT 2005
2/ Bùi quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn,…
Điều chỉnh tự động truyền động điện; NXBKHKT2003
3/ Nguyễn Doãn Phước
Lý thuyết điều khiển hệ tuyến tính; NXBKHKT2002

Giảng viên hướng dẫn


Nguyễn Minh Thư


LỚP: ĐH ĐIỆN A_K3 BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tài liệu được đăng trên website

3

Lời nói đầu
Trong công cuộc xây dựng và đổi mới đất nước thì việc phát triển khoa
học kỹ thuật đã được ứng dụng vào lĩnh vực công nghiệp. Ở nước ta đã nhập
khá nhiều loại máy móc, thiết bị rất hiện đại, do vậy đòi hỏi quá trình giảng
dạy cho học sinh, sinh viên phải trang bị những kiến thức cơ bản về nguyên lý
và hoạt động cũng như nguyên tắc vận hành hệ thống điều chỉnh tự động
nhằm nắm bắt kịp thời với thực tế của xã hội trong hiện tại và trong những
năm tới.
Trong quá trình học tập tại trường em đã được học môn học Điều Chỉnh
tự động truyền động Điện, để củng cố kiến thức môn học này cô giáo đã giao
đề tài bài tập lớn môn học HS-SV. Em đã được nhận đề tài: Khảo sát và tính
toán các tham số cho hệ truyền động T-Đ. Tính toán truyền động là một việc
làm tương đối khó, trong thời gian làm và học tập vừa qua, với sự cố gắng nỗ
lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy, cô giáo
trong khoa điện đặc biệt là sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của cô giáo: Nguyễn
Minh Thư, em đã hoàn thành xong môn học va bài tập lớn này.
Trong quá trình thiết kế đồ án, với kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án
chắc khó tránh khỏi các khiếm khuyết. Em rất mong được sự nhận xét góp ý
của các thầy cô giáo và các bạn để bản thiết kế của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Vinh, ngày 17 tháng 10 năm 2010
Sinh viên


Lê Ngọc Nhu


LỚP: ĐH ĐIỆN A_K3 BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tài liệu được đăng trên website

4



1. Xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ.
Đối với mạch vòng phản hồi dòng điện trong tín hiệu do dòng thường chứa
thành phần xoay chiều, để giảm bớt nhiễu do thành phần xoay chiều này gây ra ta
sứ dụng một bộ lọc tần thấp có hằng số thời gian là T
oi
. Tuy nhiên khâu lọc làm cho
tín hiệu phản hồi bị trễ, để cân bằng sự chậm trễ này thì ở đường vào của tín hiệu
đặt ta cũng đưa vào một khâu lọc có cùng hằng số thời gian là T
oi
.
Mặt khác, trong mạch vòng phồi tốc độ, điện áp phản hồi nhận từ máy phát tốc
thường bị nhấp nhô do đổi chiều trong máy điện một chiều gây ra, bởi vậy ta cũng
phải đưa vào khâu lọc có hệ số thời gian T
on
ở đường vào của tín hiệu phản hồi và
tín hiệu đặt. Do vậy ta có sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống như sau:

* Tính toán các tham số của sơ đồ.
Ta có:
đm đm u
e đm
đm
U I R 220 150.0,2
C 0,19
n 1000



   

=>
Đ
e đm
1 1
K 5,263
C 0,19
  


=> độ sụt tốc độ của hệ thống trên đặc tính Tự nhiên với tải định mức.
 
đm d
đm
e đm
I R 150.0,5
n 394,737 vòng
C 0,19
   


=> sai lệch tĩnh trên đặc tính tự nhiên:
LỚP: ĐH ĐIỆN A_K3 BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tài liệu được đăng trên website

5

 
đm
t TN
đm đm
n 394,737
S % .100 .100 28,24%
n n 1000 397,737

  
  

Nhận xét:Ta thấy sai lệch tĩnh của đặc tính Tự nhiên hệ thốn hở rất lớn. Do
đó thực hiện hiệu chỉnh hệ thống kín với phản hồi âm tốc và với yêu cầu của hệ
thống là không có sai lệch tĩnh. Vì vậy ta sử dụng hệ thống điều tốc với phản hồi âm
tốc có sử dụng bộ điều chỉnh tỉ lệ có hệ số khuyếch đại K
b
= 45+1 = 46 (bộ chỉnh
lưu cầu 3 pha)
2. Thiết kế bộ điều chỉnh ổn định dòng điện.
Ta có sơ đồ cấu trúc:

a. Đơn giản hoá sơ đồ cấu trúc.
Do T
m
>> T
e
nên sự biến thiên tốc độ n hay E
Đ
chậm hơn I

d
. Xét trong thời
gian Δt ta xem như ΔE
Đ
= 0, nên bỏ qua nhiễu E
Đ
tham gia vào mạch vòng dòng
điện. Do vậy ta sẽ được sơ đồ cấu trúc sau khi bỏ qua nhiễu và đơn giản hoá là:

với T
oi
thường chọn là (1 ÷ 2)T
oi
= 2τ, chọn T
oi
= 2τ = 2.0,00167 = 0,00334 (vì
bộ chỉnh lưu là cầu 3pha nên τ = 0,00167)
Ta thấy T
e
= 0,07s >> T
oi
.τ = 0,00334.0,00167 = 5,58.10
-6
=> xử lí gần đúng:









3
oi oi oi oi i
T p 1 T p 1 T p 1 T p 1 T p 1 5.10 p 1


          

LỚP: ĐH ĐIỆN A_K3 BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tài liệu được đăng trên website

6

với điều kiện:
c
oi
1 1
(1)
3 T
 


Khi đó ta có sơ đồ sau khi xử lí gần đúng là:


b. Lựa chọn cấu trúc bộ điều chỉnh.
Từ sơ đồ cấu trúc ta có hàm truyền của đối tượng là:
 

 
1
đt
e i
K
W (p)
T p 1 T p 1


 

với




b
1
d d
A 1 0,04. 34 1
K
K 2,8
R R 0,5
  

   


i oi
và T T 0,00344 0,00167 0,00501 s


     
* Phân tích: - Mạch vòng dòng điện điều chỉnh quá trình quá độ của hệ thống,
nên dòi hỏi độ chính xác cao.
- Hàm truyền của đối tượng là dạng đặc thù của Tối ưu modul

=> Kết luận: Hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện thành hệ thống điển hình loại I.
Vì vậy theo Tối ưu modul ta có hàm truyền của Bộ điều chỉnh là:
1
I PI pi
1
p 1
W (p) W (p) K
p
 
 

với τ
1
= T
e
= 0,07(s) (do T
e
> T
Σi
)
c. Xác định các tham số bộ điều chỉnh.
Ta có hàm truyền hệ hở của hệ thống sau hiệu chỉnh là:
   
1 pi

I
h
1 i i
K K
K
W (p)
p T p 1 p T p 1
 
 
  
với
1 pi
I
1
K K
K 


từ yêu cầu của hệ thống về
max
% 5%
 
=> tra bảng 2 ta được K
I
T
Σi
= 0,5
=>
I
i oi

0,5 0,5 0,5
K 99,8
T T 0,00501

   
 

=>
I 1
pi
1
K 99,8.0,07
K 2,5
K 2,8

  
vậy hàm truyền của Bộ điều chỉnh được viết lại là:
1
i PI pi
1
p 1 0,07p 1
W (p) W (p) K 2,5.
p 0,07p
  
  


LỚP: ĐH ĐIỆN A_K3 BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tài liệu được đăng trên website

7

d. Kiểm nghiệm các điều kiện gần đúng.
Với
I i ci
i
0,367 0,367
K T 0,5 73,253
T 0,00501


     

Theo điều kiện (1) ta có:
ci
oi
1 1 1 1
139,073
3 T 3 0,00167.0,00334
   


=> điều kiện (1) được thoả mãn. Ngoài ra theo điều kiện của tần số cắt ta có:

ci
1 1
199,6
3 3.0,00167
   


thì với ω
ci
= 73,253 cũng thoã mãn.
Vậy Bộ điều chỉnh ta thiết kế là thoả mãn yêu cầu.
e. Thực hiện Bộ điều chỉnh.
Ta có sơ đồ nguyên lý:

Ta có:
pi
pi
oi
1 e pi pi oi
oi oi
oi
R
K
R
T R C cho R 1k
R C
T
4

     




 
 

pi oi pi
1
pi
3
pi
oi
oi
3
oi
R R K 2,5.1 2,5 k
0,07
C 28 F
R
2,5.10
4T 4.0,00334
C 13,36 F
R
1.10
   

   
   


3. Thiết kế bộ điều chỉnh ổn định tốc độ hệ truyền động.
a. Đơn giản hoá sơ đồ cấu trúc.
* Biến đổi mạch vòng dòng điện thành một khâu tương ứng.
LỚP: ĐH ĐIỆN A_K3 BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tài liệu được đăng trên website

8


với
 
I
d
KI
* 2
i i I
K
I
W p
U T p p K


 
 
=> chia cả tử và mẫu cho K
I
ta được:
 
KI
2
i
I I
1
W p
T

1
p p 1
K K



 

xử lí gần đúng:
2
i
I I I
T
1 1
p p 1 p 1
K K K

   
với điều kiện là:
 
I
cn
i
1 K
2
3 T

 
ta được:
 

KI
I
1
1
25
0,04
W p
1 1
0,01p 1
p 1
p 1
K
99,8

  






* Sơ đồ cấu trúc trạng thái độngcủa hệ thống mạch vòng tốc độ:


* Biến đổi sơ đồ đưa về sơ đồ cấu trúc cơ bản ta được:
LỚP: ĐH ĐIỆN A_K3 BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tài liệu được đăng trên website

9

với M
c
(p) = 0, xử lý gần đúng:








m on m on m n
T p T p 1 0,01p 1 T p T 0,01 p 1 T p T p 1

      
 
 

với điều kiện là:
 
cn
n on
1 1
3
3 T T

 
=> Sơ đồ cấu trúc sau xử lý gần đúng là:

b. Lựa chọn cấu trúc bộ điều chỉnh.
* Phân tích: dựa vào sơ đồ ta thấy hệ thống phải chống nhiễu tốt, chịu tác động
của tín hiệu đặt.
=> hệ thống sau hiệu chỉnh là hệ thống điển hình loại II.
Ta có: hàm truyền đối tượng của hệ thống:
 
   
d Đ 2
đt
m n n
25 R K
K
W p
T p T p 1 p T p 1
 

 
 


với
d Đ
2
m
25 R K 25.0,01.0,5.5,263
K 2,99
T 0,22

  

Theo tối ưu đối xứng và với hàm truyền đối tượng như vậy tra bảng (9) ta
được hàm truyền của Bộ điều chỉnh:
   
2
n PI pn
2
p 1
W p W p K
p
 
 

và phối hợp tham số τ
2
= hT
Σn

c. Xác định các tham số bộ điều chỉnh.
Chọn h = 6 => tra bảng 7 ta có:
max
b
C
% 84,0
C

 .
kiểm tra lại σ
nmax
%:

 
n
max đm
nmax
b đm m
T
C n
% %.2 z . .
C n T

 
    

LỚP: ĐH ĐIỆN A_K3 BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tài liệu được đăng trên website

10


 
394,737 0,015
84.2 1,7 0 . . 7,687%
1000 0,22
  

Trong đó:
z là hệ số quá tải cho phép, giả thiết khi khởi động không tải thì z = 0
T

Σn
= T
on
+ 0,01 =0,005 + 0,01 = 0,015 với T
on
= (1÷ 10) ms, chọn T
on
= 5ms
=> σ
nmax
% = 7,687% ≤ 10% yêu cầu. Vậy bộ điều chỉnh ta chọn là hợp lý.
Hàm truyền hở của hệ thống sau hiệu chỉnh:
 
   
2 pn 2
w 2
II đt đt
2 2
2 n n
K K ( p 1)
K ( p 1)
W p W (p).W (p)
p T p 1 p T p 1
 
 
 
  
  

với τ

2
= hT
Σn
=6.0,015 = 0,08ms và
 
 
w
2 2
n
h 1 6 1
K 546,875
2. 6.0,08
2 hT

 
  

=>
w 2
pn
2
K 546,875.0,08
K 14,632
K 2,99

  


Vậy hàm truyền của BĐC được viết lại là:
   

2
n PI pn
2
p 1 0,08p 1
W p W p K 14,632.
p 0,08p
  
  


d. Kiểm nghiệm các điều kiện gần đúng.

Từ h = 6, tra bảng (4) ta được
2
cn
1,71



=>
2
cn
12,5
7,31
1,71 1,71

   

với
2

n
1 1
12,5
T 0,08

    . Kiểm tra với điều kiện (2) và (3) ta có:
I
cn
i
1 K 1 99,8
7,31 47
3 T 3 0,00501

    

cn
n on
1 1 1 1
7,31 16,67
3 T T 3 0,08.0,005

    
Vậy cả hai điều kiện đều thoả mãn. Nên BĐC ta chọn thoả mãn các yêu cầu
của hệ thống.
e. Thực hiện Bộ điều chỉnh.
Ta có sơ đồ nguyên lý:
LỚP: ĐH ĐIỆN A_K3 BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tài liệu được đăng trên website

11


Ta có:
pn
pn
on
2 e pn pn on
on on
on
R
K
R
T R C cho R 1k
R C
T
4

     




 
 
pn on pn
2
pn
3
pn

on
on
3
on
R R K 1.14,632 14,632 k
0,08
C 5,467 F
R
14,632.10
4T 4.0,005
C 20 F
R
1.10
   

   
   






5. Xây dựng sơ đồ nguyên lý của hệ:

LỚP: ĐH ĐIỆN A_K3 BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tài liệu được đăng trên website

12

6. Mô tả hệ thống trên Matlab.

LỚP: ĐH ĐIỆN A_K3 BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tài liệu được đăng trên website

13







LỚP: ĐH ĐIỆN A_K3 BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tài liệu được đăng trên website

14

LỚP: ĐH ĐIỆN A_K3 BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tài liệu được đăng trên website

15

LỚP: ĐH ĐIỆN A_K3 BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tài liệu được đăng trên website

16