khảo sát và tính toán các tham số cho hệ truyền động tự động- bài tập lớn truyền động điện tự động

Trường ĐHSPKT Vinh
Bài Tập Dài


Khoa Điện
GVHD:
Nguyễn Minh Thư
Sv: Lê Đức Anh
1


Khoa Điện

Bộ môn lý thuyết chuyên ngành

BÀI TẬP LỚN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG

Họ và tên sinh viên: Lê Đức Anh…….Lớp:Đại học liên thông 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 T-Đ (thyristor-động cơ điện một chiều)có sơ đồ
nguyên lý như hình vẽ.
Uc d
? u
v
C B D
I
C L 1
n
R

O
B Ð
U
d
U
i

FX
R
I
F T
n
Ð
u
n
C K Ð
u*
i
C K

Hệ thống điều tốc hai mạch vòng tốc độ quay và dòng điện:
R


-Bộ điều chỉnh tốc

độ quay;R
1
-Bộ điều chỉnh dòng điện ; FT- Máy phát tốc ;
FX – Máy phát xung điều khiển các tiristor của BĐ ; CBD – Cảm biến dòng điện

,u
cd
– 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.
Bộ chỉnh lưu sơ đồ cầu 3 pha,hệ khuếch đại của bộ chỉnh lưu : K
b
=48, Động cơ điện một chiều
:220 (V),150(A),1200(vòng/phút) ,R
ư
=0.3(

),hệ số quá tải cho phép


=1,5. Tổng trở mạch
rotor: R
d
= 0,3 (

).
Hằng số thời gian T
e
=0,07(s) , T
m
=0,22(s).Hệ số phản hồi dòng điện

= 0,05 V/A
(

10V/1,3 I
đm
)
Hệ số phản hồi tốc độ

= 0,008Vphút/vòng (

12V/n
đm
),
Trường ĐHSPKT Vinh
Bài Tập Dài


Khoa Điện

GVHD:
Nguyễn Minh Thư
Sv: Lê Đức Anh
2

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 
maxi

5%
Lượng quá điều chỉnh tốc độ khi khởi động không tảiđến tốc độ quay
định mức 
maxi

9%
C/ 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 Matlap và rút ra kết luận.
6/Xây dựng sơ đồ nguyên lý hệ.
D/Yêu cầu:
Thời gian nhận bài tập dài:18/04/2011 …Thời gian nộp bài tập dài:18/05/2011
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 Liễu…….
Điều chỉnh tự động truyền động điện,NXBKHKT 2003

3/Nguyễn Doãn Phước
Lý thuyết điều khiểnhệ tuyến tính;NXBKHKT 2002

Giảng viên hướng dẫn




Nguyễn Minh Thư



Trường ĐHSPKT Vinh
Bài Tập Dài


Khoa Điện
GVHD:
Nguyễn Minh Thư
Sv: Lê Đức Anh
3

I. Xây dựng cấu trúc của hệ thống:
Từ sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động T-Đ ta có sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định:

Trong đó : + R

:Bộ đièu chỉnh tốc độ quay
+ R
I
: Bộ điều chỉnh dòng điện
+ U
cđ
: Điện áp chủ đạo.
+
v
U

: Điện áp đặt vào tốc độ.
+ U
*
i
: Điện áp phản hồi âm dòng điện.
+ Kb :Hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu.
+ K
đ
: Hệ số khuếch đại động cơ.
+


: Hệ số phản hồi âm dòng điện.
+

: Hệ số phản hồi âm tốc độ.






v
u


R

*
i
U

I
R
b
K

b
E

D

R





Ð
K

D
E

U
cđ
(p
n(p)
Trường ĐHSPKT Vinh
Bài Tập Dài


Khoa Điện
GVHD:
Nguyễn Minh Thư
Sv: Lê Đức Anh
4

* Sơ đồ cấu trúc trạng thái động.


II. Xác định các tham số của sơ đồ cấu trúc hệ truyền động.

Độ sụt tốc độ :
)(219,308
146,0
3,0.150
.
.
vòng
C
RI
n
đme
dđm



Với
.
220 150.0,3
. 0,146
1200
dm dm u
e dm
dm
U I R
C
n



  

Sai lệch tĩnh trên đường đặc tính cao nhất:

(%)4,20
219,3081200
219,308
100.% 





t
đm
nn
n
S

Nhận xét: Với hệ thống hở, sai lệch tỉnh lớn. Do đó phải thực hiện hiệu chỉnh thành hệ thống
kín với phản hồi âm tốc độ và yêu cầu không có sai lệch tĩnh (S
t
% = 0).
Vậy ta sử dụng hệ thống điều tốc với phản hồi âm tốc độ sử dụng bộ điều chỉnh tỉ lệ có hệ số
khuyếch đại K
b
=48 (bộ chỉnh lưu cầu 3 pha).
Hệ số khuyếch đại:
1 1
6,849
. 0,146

D
e dm
K
C

  

K
ht
=

. K
p
. K
b
. K
Đ

T
M
=0,22(s); T
E
=0,07(s)
Theo đề ra cho chỉnh lưu cầu 3 pha τ = 0,00167(s).
Điều kiện ổn định:
W
n
(p) W
I
(p)



1
1
d
e
R
T p


1
b
p
K


d
m
R
T p
K
Đ


I
c
(p)



( )
n p

(p)
cd
u

Trường ĐHSPKT Vinh
Bài Tập Dài


Khoa Điện
GVHD:
Nguyễn Minh Thư
Sv: Lê Đức Anh
5

2
2
. . 0,00167 0,22.0,00167 0,22.0,07
134,9
. 0,07.0,00167
M M E
HT
E
T T T
K
T
 


   
  

1/ Xác định tham số của bộ điều chỉnh.
** Nguyên tắc thiết kế:
Phương pháp phân tích mạch là đi từ trong ra ngoài,phân tích mạch vòng trong rồi mới phân
tích mạch vòng ngoài.Ở đây,ta phân tích mạch vòng trong trước là mạch vòng dòng điện,sau
đó xem cả mạch vòng dòng điện là cả một khâu trong hệ thống điều tốc và tiếp tục thiết kế cho
mạch vòng ngoài là mạch vòng tốc độ.
Trong tín hiệu đo dòng điện thường là dòng tín hiệu xoay chiều,nên phải đặt một khâu lọc tần
số thấp có hằng số thời gian T
on
.Tuy nhiên khâu lọc lại làm cho tín hiệu phản hồi bị trễ.Để cân
bằng sự trễ ta đặt thêm một khâu lọc có cùng hằng số thời gian và tần số đầu vào tín hiệu đặt.
Điện áp phản hồi nhận từ máy phát tốc thường nhấp nhô đổi chiều trong máy điện một chiều
gây ra nên ta cũng đặt một khâu lọc cùng hằng số thời gian va tần số vào tín hiệu đặt
* Sơ đồ cấu trúc trạng thái động như sau:









a.Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện
* Đơn giản hoá sơ đồ đòng điện:Do T
m
> T

e
nên sự thay đổi dòng điện nhanh hơn sự thay đổi
tốc độ (nhanh hơn sự thay đổi Suất Điện Động E).Vì vậy ta bỏ qua tác dụng của nhiểu sữ dụng
trong mạch vòng dòng điện.Trong thời gian
t

thì ta giả thiết rằng
0
Đ
E
.Giả thiết I(p)=0.
Hệ thống tương đương như sau:

U
cđ
ΔU
v
R
ω
R
I
U
i
*

K
b
R
Đ
E

b
β

γ

K
Đ

E
Đ
Trường ĐHSPKT Vinh
Bài Tập Dài


Khoa Điện
GVHD:
Nguyễn Minh Thư
Sv: Lê Đức Anh
6




Xử lý gần đúng: T
m
T
e
p
2
+T

m
p + 1

T
m
p(T
e
p + 1).
Với điều kiện:
em
ci
TT
1
.3

; (1)

Vậy sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện:





pT
R
m
d

pE
Đ

U
d
(p)
1
1
pT
R
e
d



1
1
.
2
 pTpTT
R
pT
mem
d
m

pT
R
m
d

pE

Đ

U
d
(p) I
d
(p)


1
1
pT
R
e
d

pT
R
m
d

)( pE
Đ

pT
R
m
d

U
d
(p) I
d
(p)
1
1
pT
R
e
d

pT
R
m
d

)( pE
Đ

U
d
(p)


Trường ĐHSPKT Vinh
Bài Tập Dài


Khoa Điện

GVHD:
Nguyễn Minh Thư
Sv: Lê Đức Anh
7


Biến đổi sơ đồ ta có:


W
đt
(p) =
)1).(1).(1(
1

 pTppT
R
K
eoi
d
b



Thường do T
e
>> T
oi
và


nên suy ra:
)1).(1(  ppT
oi





1 pT
oi

= 1

pT
i

Điều kiện:


.
1
3
1
oi
T

; (2)
Đặt : K
2

=
b
b
R
K
1


,ta có:
W
đt
(p) =
)1).(1(
2


pTpT
K
ei


*Lựa chọn cấu trúc:

)( pW
i

)1).(1(
2



pTpT
K
ei

)( pI
d


*
i
U


)( pW
i

)1).(1).(1(
1

 pTppT
R
K
eoi
d
b



)( pI
d


*
i
U

1
1
pT
R
e
d

1p
K
b


)(PU
d

)( pW
i

1pT
oi


1
1

pT
oi

*
i
U

)( pI
d

)( pU
đk

Trường ĐHSPKT Vinh
Bài Tập Dài


Khoa Điện
GVHD:
Nguyễn Minh Thư
Sv: Lê Đức Anh
8

Ta thấy rằng mạch vòngd dòng điện không những chịu ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài mà theo
hệ thống yêu cầu của hệ thống có độ chính xác ca.Do đó ta hiệu chỉnh hệ thống về hệ thống
điển hình loại I với đối tượng điều khiển:
W
đt
(p) =
)1).(1(

2


pTpT
K
ei

Ta thấy đối tượng có hai khâu quán tính nên sự thay đổi của tín hiệu ra theo tín hiệu vào sẽ
chậm hơn nên bộ điều chỉnh phải có một khâu quán tính bậc cao ở đối tượng điều khiển.Mặt
khác hệ thống điển hình loại I phải có một khâu tích phân nên ta chọn bộ điều chỉnh:
)(pW
BĐĐ
=
p
p
K
pi
1
1
1




Với
e
T
1

= 0,07 (s),vì : T

e
> T
i

*Xác định tham số bộ điều chỉnh:
Hàm truyền hệ hở của hệ thống sau khi hiệu chỉnh:

)(
)(
pW
Ih
= )(pW
BĐĐ
. )( pW
đt
=
)1.(
.
1
2


pTp
KK
i
pi

=
)1.( 


pTp
K
i

Với: K =
de
bpipi
RT
KKKK
.

1
2



; ( * )
Bộ chỉnh lưu dùng sơ đồ cầu 3 pha nên ta chọn

=1.67 (m/s).Mặt khác chọn T
oi
=0,001
Ta có : T
i
= T
oi
+

= 0,00167 +0,001 =0,00267
Xác định K

pi
theo tính năng bám:Theo yêu cầu đặt ra thì lượng quá điều chỉnh dòng điện
max

%

5% nên tra tài liệu ta chọn
max

% = 4,3% hay :
K.
i
T

=0,5

K =
00267,0
5,0
=187,266
Thay giá trị của K vào (*) ta có:
638,1
48.05.0
3.0.07,0.266,187
.


b
de
pi

K
RTK
K


Hàm truyền bộ điều chỉnh:
)(pW
BĐĐ
=
p
p
07,0
107,0
.638,1


Hàm truyền của hệ thống sau khi hiệu chỉnh:
Trường ĐHSPKT Vinh
Bài Tập Dài


Khoa Điện
GVHD:
Nguyễn Minh Thư
Sv: Lê Đức Anh
9

W
(htshc)
(p) =

)100267,0(
266,187
pp

*Kiểm nghiệm các điều kiện gần đúng:
Từ tà liệu ứng với giá trị của
max

% đã cho ta tìm được :
00267,0
455,0455,0

i
ci
T

=170,412
Hàm truyền của đối tượng:
- Theo điều kiện tần số cắt:
601,199
00167,0.3
1
3
1



ci
;(thoã mãn với điều kiện)
- Theo (1) ta có:

em
ci
TT .
1
.3

= 3.
22,0.07,0
1
= 24,175. (thoã mãn với điều kiện)
-Theo (2) ta có :
941,257
001,0.00167,0
1
.
3
1
.
1
.
3
1



oi
ci
T
;(thoã mãn với điều kiện)
*Thực hiện bộ điều chỉnh:

Ta có sơ đồ nguyên lý:
p
p
K
pU
pC
R
R
pI
pC
R
R
pU
pi
đk
oi
oi
oi
d
oi
oi
oi
i
1
1
*
1
.
)(
1.

4
)(.
)1.
4
.(
)(















2
oi
R

2
oi
R

oi

c

2
oi
R

oi
c

2
oi
R

c
pi


R
vo

U
đk
(p)
pi
R

*
i
U

IC
- )( pI
d


Trường ĐHSPKT Vinh
Bài Tập Dài


Khoa Điện
GVHD:
Nguyễn Minh Thư
Sv: Lê Đức Anh
10
Chọn R
oi
= 10 (kΩ);
Ta có: K
pi
=
oi
pi
R
R


R
pi
= R
oi

.K
pi
= 10.0,874 = 8,74 (kΩ);
009,8
10.74,8
10.07,0
.
3
6
1
1

pi
pipipi
R
CCR


(μF)
Toi =
669,0
10.10
00167,0.4
4
4
.
3

oi
oi

oi
oioi
R
T
C
CR
(μF)
2.Xác định tham số bộ điều chỉnh tốc độ của hệ thống:
a. Đơn giản hoá sơ đồ cấu trúc:
- Biến đổi mạch vòng dòng điện thành một khâu tương ứng trong mạch vòng ngoài.

Với K
e
d
bpi
T
R
KK
1


; T
i
=T
oi
+


W
K(I)

=
KppT
K
pTp
K
pTp
K
i
i
i








2
)1(
1
)1(

Mà K.T
i
= 0,5
pT
K
i


2
1
,nên:
W
)(IK
=
12)(2
1
22


PTpT
ii
12
1



PT
i

Điều kiện :
i
i
Cn
T
T




.23
1
)(2
1
3
1
2

(4)
)1.( 

pTp
K
i


)(
*
pU
i

)( pI
d

Trường ĐHSPKT Vinh
Bài Tập Dài


Khoa Điện
GVHD:

Nguyễn Minh Thư
Sv: Lê Đức Anh
11

Mạch vòng tốc độ có sơ đồ cấu trúc:




Ta giả thiết rằng I
C
(p) = 0 (động cơ làm việc ở chế độ không tải lý tưởng),khi đó:


- Xử lý gần đúng: Do T
m
, 2T
i
rất nhỏ nên ta có thể xấp xỉ về dạng:
(T
m
p +1).( )12 

pT
i

(T
m
+2
i

T

)p +1

1

pT
n

Với
n
T

=T
oi
+ 2T
i

W
n
(p)
12
1


pT
i


(

*
p
U
i

d
m
R
T p
K
Đ


I
c
(p)

1pT
on


I
d
(p)
N(p)

)
( pE
Đ
1

1
pT
on

W
n
(p)
1
. . .
( 1).(2 1).
d D
m m
i
R K
T p T p T p


 


cd
U


n(p)
12
1


pT

i


)(
*
pU
i

)( pI
d

U
cđ
(p
)

Trường ĐHSPKT Vinh
Bài Tập Dài


Khoa Điện
GVHD:
Nguyễn Minh Thư
Sv: Lê Đức Anh
12
Điều kiện:
mi
ci
TT



2
1
3
1


Vậy: W
đt
(p) =
)1.()1.(

1
.
3




pTp
K
pTpT
KR
nnm
Đd



Trong đó đặt:K
3

=
m
Đd
T
KR.
1
.



Vậy:

b. Lựa chọn cấu trúc bộ điều chỉnh:
Ta thấy mạch vòng tốc độ chịu ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài,đó là tín hiệu nhiễu của U
cđ

Và dòng phụ tải I
c
. Do nhiễu tham gia lànhiễu của nguồn và tải mà yêu cầu của hệ thống phải
chống nhiễu tốt.Ở trước phụ tải có một khâu tích phân thì ta cần thêm một khâu vi phân trước
để triệt tiêu.Trong quá trình khởi động mạch vòng ngoài làm việc ở chế độ bảo hoà.
Từ những phân tích trên ta thấy cần phải hiệu chỉnh hệ thống thành hệ thống điển hình loại
II.Hàm truyền của hệ thống sau khi hiệu chỉnh:
W
htshc
(p) = W
đt
(p).W
Rn
(p) =

)1(
)1(
)1(
)1(
1
2
2
2
2
2






pTp
pK
pTpT
pKRK
n
n
nm
Đdpn






c. Xác định tham số của bộ điều chỉnh:
Ta chọn độ lệch trung tần h = 3
nn
Th

 .

= 3. 0,00701 = 0,02103
Với T
n
=T
oi
+ 2.T
i
= 2.0,00267 + 0,00167 = 0,00701
K
n
=
2222
02103,0.3.2
4
).(.2
1


 n
Th
h
= 502,469
W

n
(p)
3
.( 1)
n
K
p T p



cd
U


n(p)
Trường ĐHSPKT Vinh
Bài Tập Dài


Khoa Điện
GVHD:
Nguyễn Minh Thư
Sv: Lê Đức Anh
13


K
pn
=
Đd

mnnnn
KR
TK
K
K
.
1

3






=
238,13
86,6.16,0.
05,0
1
.008,0
22,0.02103,0.469,502


Hàm truyền bộ điều chỉnh:
W
shc
(p) = K
pn
P

P
p
p
n
n
02103,0
1.02103,0
.238,13
)1(






Hàm

truyền sau hiệu chỉnh:
W
ht
(p) = K
n




)1(
1
2
pTp

p
n
n


502,469.
)10701,0(
102103,0
2


pp
P

d. Kiểm tra điều kiện gần đúng:
cn

= K
n
.
n

= 502,469.0,02103 = 10,567
- Điều kiện 1:Đơn giản hoá mạch vòng dòng điện
cn

278,88
00267,0).2.(3
1
)2(3

1

 i
T
;(thoã mãn điều kiện)
-Điều kiện 2:Xử lý gần đúng hằng số thời gian
cn

622,111
00167,0.00267,0.2
1
3
1
2
1
3
1

 oni
TT
;(thoã mãn điều kiện)
e.Thực hiện bộ điều chỉnh:
Trường ĐHSPKT Vinh
Bài Tập Dài


Khoa Điện
GVHD:
Nguyễn Minh Thư
Sv: Lê Đức Anh

14
Ta có: K
pn
=
on
pn
R
R
;
pnpnn
CR .

; T
oi
=
4
.
onon
CR

Chọn: R
on
=10 (KΩ)
R
pn
=K
pn
R
on
= 13,238. 10 = 132,38 (KΩ)

C
pn
=
1589,0
10.38,132
02103,0.10
3
6

pn
n
R

(μF)
C
on
=
3
6
10.10
10.01,0.4
4

on
oi
R
T
= 4(μF)
-Kiểm tra lượng quá điều chỉnh của mạch vòng tốc độ:
m

n
đm
đm
b
T
T
n
n
Z
C
C




 )(2).
%
(%
max
max

(*)
Với h = 3,tra tài liệu ta có:
%2,72)%(
max


b
C
C

Giả thiết khởi động không tải(Z = 0 )
Ta có:
146,0
16,0.150



đme
dđm
C
RI
n
= 164,384(v/p)
Thay vào (*) ta được: %
max

=72,2.2.1,5.
22,0
01,0
.
1200
384,164
= 1,349 % < 9 %
2
on
R

C
on

C
on

C
pn


R
vo2

U
*
i
(p)
R
pn

U
cđ
(p)
IC
-
)( pn


2
on
R

2
on
R

2
on
R

Trường ĐHSPKT Vinh
Bài Tập Dài


Khoa Điện
GVHD:
Nguyễn Minh Thư
Sv: Lê Đức Anh
15
Vậy với lượng quá điều chỉnh tốc độ khi khởi động không tải đến tốc độ quay định mức
%
max

< 9 % đã thoã mãn.
III.Xây Dựng sơ đồ nguyên lý hệ truyền động:






U

cđ
(p)
~

Đ

FT

+U
CC

-U
CC

U
i
*
R
pn
C
pn
R
on
/2
R
on
/2
C
on
R

on
/2
R
on
/2
C
on
R
r
R
oi
/2
R
oi
/2
C
oi
-γ
n
(P)
C
oi
R
oi
/2
R
oi
/2
R
pi

C
pi
-
βI
d
(P)