Đề tài nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều ở vùng trên tốc độ cơ bản

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Cùng với sự ra đời của động cơ không đồng bộ, giá thành thấp
và có cấu tạo đơn giản, tin cậy. Sử dụng nguồn cung cấp là các bộ
biến đổi bán dẫn công suất, hoặc được trang bị các bộ biến tần, người
ta đã cho rằng động cơ một chiều sẽ trở nên lỗi thời trong các ứng
dụng công nghiệp. Tuy nhiên, trái với nhận định trên, các truyền
động động cơ một chiều vẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều
ngành công nghiệp như nhà máy cán, máy giấy, các máy cuốn và
trải...
Đề tài nghiên cứu này góp phần thực hiện việc thiết kế điều
khiển tốc độ phi tuyến của truyền động động cơ một chiều kích tư
độc lập trong chế độ giảm kích tư.
2. Mục tiêu của nghiên cứu:
- Đề tài nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một
chiều ở vùng trên tốc độ cơ bản.
- Ứng dụng phương pháp điều khiển cho một hệ thống thiết bị
thực tế.
3. Nội dung nghiên cứu:
Chương 1. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một
chiều;
Chương 2. Thiết kế hệ thống truyền động ;
Chương 3. Xây dựng hệ điều tốc động cơ một chiều ;


2

Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm.
4. Kết quả dự kiến:

- Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều.
- Xây dựng được mơ hình toán học và thuật toán của hệ điều
khiển tốc độ động cơ một khi các thông số thay đổi.
- Mô phỏng và thực nghiệm.


3

CHƯƠNG 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC
ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 Khái niệm chung:
Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay
đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ
thực với tốc độ đặt, làm giảm năng suất của máy sản xuất. Chính vì
vậy việc điều khiển tốc độ động cơ là một yêu cầu cần thiết và tất yếu
đối với các máy sản xuất.
Như ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đều địi hỏi có nhiều
tớc độ, nhưng tuỳ theo tưng cơng việc, điều kiện làm việc mà ta lựa
chọn các tốc độ khác nhau. Ḿn có được các tớc độ khác nhau trên
máy, ta có thể thay đởi cấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền hoặc
thay đổi tốc độ của động cơ truyền động chính… Nhưng ở đây chúng
ta chỉ khảo sát theo phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ truyền
động.
Ở động cơ một chiều, việc điều chỉnh tớc độ động cơ có nhiều
ưu việt hơn so với các loại động cơ khác. Động cơ điện một chiều
khơng những có khả năng điều chỉnh tớc độ dễ dàng mà cấu trúc
mạch lực, mạch điều khiển lại đơn giản hơn các loại động cơ khác và
đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh rộng.
Tư phương trình đặc tính cơ, ta có các phương pháp điều chỉnh
tốc độ động cơ :

+ Nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng;
+ Thay đổi tư thông kích tư;


4

+ Thay đổi điện áp phần ứng.
1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
kích từ độc lập.
Tư phương trình đặc tính cơ ω =

Ru +R f
Uu
−
.M ta thấy
KΦ ( KΦ 2
)

tốc độ động cơ phụ thuộc vào các tham số U

ư,

Φ, Rf. Khi ta giữ

nguyên momen tải và thay đổi giá trị của một trong ba tham số U ư, Φ,
Rf ta sẽ được một đường đặc tính cơ mới tương ứng với một tốc độ
mới.
1.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần
ứng.
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nới thêm điện trở phụ

Rf
Uư

Rf
D
Rkt
ckd
Ukt

Hình 1. 1 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích tư độc lập
Nếu ta giữ điện áp phần ứng U ư = Udm = const; và tư thông Φ =
Φdm = const; thay đổi điện trở phần ứng ta sẽ được:


5

U dm
= const
Κ .Φ

+ Tốc độ không tải lý tưởng: ω ΟΧ =

(Κ . Φ Χ )
+ Độ cứng đặc tính cơ: β = −
= var
Ru + R f
2

(rad/s)
0

TN
Rf1
Rf3
Rf2
0
Mc

M (N.m)

Hình 1. 2 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng
1.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng kích từ.
Giả thiết ta giữ điện áp phần ứng U ư = Udm = const; điện trở
phần R ư = const; và thay đởi dịng điện kích tư I kt của động cơ. Điều
này tương ứng với việc tư thông của mạch tư sẽ thay đổi .
Ta được:
+ Tốc độ không tải:

ω ΟΧ = U dm = var
Κ.Φ

+ Độ cứng đặc tính cơ:

(Κ.Φ Χ) = var
β =−

2

Ru

6

ω02

ω (rad/s
)
o2
=

ω02

ω (rad/s
)
Φ2

ω01

ω01

Φ2

ω0

ω0

Φ1

Φ1
Φdm
(a)

Inm

(A)
Mnm2
I

Mnm1

Mnm

(b)

(N.m)

Φdm
M

Hình 1. 3 Đặc tính cơ, cơ điện của động cơ khi giảm tư thông
1.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng:
Nếu giữ

Φ = Φ dm=

const ; R ư= const và thay đổi điện áp theo

hướng giảm so với Udm , ta được:

ω0 x =
Tốc độ không tải :

Eb
= var
Kϕ dm

( Kϕ ) 2
= const
Độ cứng đặc tính cơ: β =
Rb + Ru

ω

(rad/s)

ω
ωω
ωω
ω
ωω
ω
ω
0

01

02

TN

dm

1
2

03

3

04

4

M đm

M (N.m)

Hình 1. 4 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp phần ứng


7

1.2.4 Điều khiển phần ứng và kích từ kết hợp:
Tư các phân tích trên có thể thấy rằng điều khiển phần ứng và
kích tư của động cơ điện một chiều đều có những ưu điểm riêng,
nhưng các ứng dụng thơng thường vẫn chưa kết hợp hai hệ điều
khiển này với nhau. Bên dưới tốc độ cơ bản ω0 tư thông chính tốt
nhất được giữ tại giá trị danh định Φ e 0 trong khi tốc độ biến đổi theo
điện áp phần ứng ua. Đây gọi là vùng điều khiển phần ứng hay vùng
tốc độ cơ bản. Khi đạt đến điện áp phần ứng định mức ±ua0, tăng tốc
độ cao hơn chỉ có thể đạt được bằng việc giảm tư thơng, bởi vậy sẽ

tạo ra các vùng điều khiển kích tư riêng rẽ mà mở rộng vùng tốc độ
cơ bản ở mỗi chiều quay. Điều này được mô tả trong sơ đồ Hình. 1.6.
Φe0

Ơe0

Ua0
Ua

e=const
-3
-Ua0

Vùng giảm tư thơng

Field weakening
range

-2

-1

1
Ua
Vùng điều khiển
điện Armature
áp phần ứng

control range
-Φ

-Ơe0

e=const
2

3

Vùng giảm tư thơng

Field weakening
range

e0

Hình 1. 5 Các vùng điều khiển động cơ DC ở trạng thái tĩnh


8

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYẾN ĐỘNG
2.1 Giới thiệu:
Trong đề tài nghiên cứu này, đề tài áp dụng kỹ thuật tuyến tính
hóa phản hồi nhiều đầu vào nhiều đầu ra phi tuyến cho hệ thống động
cơ một chiều kích tư độc lập làm việc ở chế độ giảm kích tư - tốc độ
cao. Sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi theo tải không cảm
biến nhằm cải thiện hiệu suất tốc độ động được đưa ra để đánh giá.
Hơn nữa, các kết quả thực nghiệm sẽ được dùng để chứng minh phần
lý thuyết này.
2.2 Mô hình hệ thống động
Một hệ thống truyền động động cơ một chiều kích tư độc lập

đặc trưng bởi ba phương trình vi phân liên kết như sau:

dir
1
= (ur − Rr ir − E )
dt Lr
dis 1
= (us − Rs is )
dt Ls
dω 1
= (Te − TL − Bω )
dt
J
2.3 Tuyến tính hóa đầu ra – đầu vào:
Mục tiêu ở đây là để phát triển một bộ điều khiển giảm kích tư,
mà có thể đảm bảo ổn định và bám theo tốc độ đặt mong muốn ωref
trong vùng ω ≥ ωn, và loại bỏ nhiễu momen tải.


9

2.4 Thiết kế điều khiển thích nghi theo tải


10

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống:
Cấu trúc của hệ điều khiển tớc 2 mạch vịng tư trong ra ngoài

là: mạch vịng dịng điện, mạch vịng tớc độ như trên. Phía mạch kích
tư có hai mạch vịng nới cấp: mạch vịng điều chỉnh dịng kích tư nới
cấp với mạch vịng điều chỉnh sức phản điện động phần ứng.
Re

emaxr

ifr

Rif

uf

Convertor

uf

if

e

Ru
Lu

Rf

ωr

Rω

ω

iur

Ri

uu

Convertor

uu

iu
Lf

E

T

Load

iu
if

Hình 3. 1 Sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều tốc
3.2 Hệ điều chỉnh tốc độ ở chế độ điều áp phần ứng:
3.2.1 Mơ hình tốn học động cơ một chiều, kích từ độc lập.
Sơ đồ mạch thay thế động cơ một chiều kích tư độc lập được
đưa ra như trên hình 3.2
i

U

E


11

Hình 3. 2 Sơ đồ mạch thay thế mạch điện phần ứng
∆Mc(p)
∆I(p)

∆U(p)

1/ R
1 + pT

(-)

B
∆ω(p)

1
Jp

Kφo

Kφo
KIo
Kωo
∆Uf (p)

1/Rf
1+pTf

Kf

Hình 3. 3 Mơ hình tuyến tính hoá động cơ điện một chiều
K

U(p)

I(p)

K

1
Jp

ω(p)

1
K
Mc(p)

Hình 3. 4 Mơ hình tún tính hoá động cơ điện một chiều


12

3.2.2. Mơ hình tốn học bộ chỉnh lưu có điều khiển.

U(p)

Tc p / R
1 + Tc p + T Tc p 2

I(p)

1/ K
1+Tcp2
Mc(p)

Hình 3. 5 Mơ hình tún tính hoá mô phỏng động cơ một chiều kích
tư độc lập
Sơ đồ khới bộ chỉnh lưu có điều khiển như trên hình 3.6:
Uđk

Mạch điều
khiển

α

If
PA

Uf

ĐC

Hình 3. 6 Sơ đồ khới mạch chỉnh lưu có điều khiển
3.2.1 Tổng hợp các mạch vịng.

Hình 3.8 là sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí sử dụng động cơ
điện một chiều.
Trong hệ điều chỉnh tốc độ có 2 mạch vịng: Mạch vịng dịng
điện và mạch vịng tốc độ. Hệ thống truyền động này bắt buộc phải
đảo chiều được.


13
K

Uđk(p)
Uiđ

Ub

Ui(p)

E(p)

Mc

Ri

K

ω

1
Jp

Hình 3. 7 Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh dịng điện
3.2.1.1 Tổng hợp mạch vịng dịng điện.
UIđ

UI(p)

RI

Soi

I(p)

Hình 3. 8 Sơ đồ rút gọn mạch vòng dòng điện
Vậy sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí còn lại như hình 3.9,
trong đó ta lấy hàm truyền đạt của mạch vòng dòng điện là khâu quán
tính bậc nhất, bỏ qua các bậc cao.
ωđ

ω(p)

Ui(p)
Rω

1
1 + 2TSi P

1
Ki

Ru

K .Tc p

ω

Kω
1 + pTω

Hình 3. 9 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ.


14

3.2.1.2 Tổng hợp mạch vịng tốc độ.
U ωđ

Uω(p)

Rω

Soω

ω(p)

Hình 3. 10 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều chỉnh tớc độ
3.3 Hệ điều chỉnh tốc độ ở chế độ điều chỉnh giảm từ thơng kích
từ:
Trong hệ điều chỉnh tớc độ có 2 mạch vòng: Mạch vòng dòng
điện và mạch vòng sức phản điện động phần ứng.
Uđk(p)
Uiđ

Uf

Ui(p)

e

Ri

K

Hình 3. 11 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện mạch kích tư
3.3.1 Tổng hợp mạch vịng dịng điện.
UIf®

UIf(p)

RIf

Soif

If(p)

Hình 3. 12 Sơ đồ cấu trúc rút gọn mạch vòng dòng điện mạch kích tư


15

Kết quả khi tởng hợp mạch vịng dịng điện bằng tiêu chuẩn tới

ưu modul ta có:

FOMif

U if ( p )

1
=
=
2
2
U idf ( p ) 1 + 2TSif p + 2TSif p
Uif(p)

Emax

Re

1
1 + 2TSif P

1
Kif

(3.27)

E(p)

K

Ke
1 + pTe
Hình 3. 13 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ.
3.3.2 Tổng hợp mạch vịng sức phản điện động.

Hình 3. 14 Cấu trúc rút gọn mạch vòng điều khiển điện áp kích tư
3.4 Kết luận chương 3
Áp dụng phương pháp tổng hợp hệ bị điều chỉnh mô dun tối ưu
cho hệ ta được các bộ điều chỉnh PI.
Với bộ điều chỉnh PI cho phép hệ áp đặt nhanh và duy trì đại
lượng đặt. Chất lượng bộ điều chỉnh được đánh giá qua phần mô
phỏng và thực nghiệm ở chương 4.


16

CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
4.1 Mơ phỏng hệ thống :
4.1.1 Bảng tham số động cơ truyền động:
Công suất

Pdm

5 HP

Điện áp định mức phần ứng

Udm

240 V

Tốc độ định mức

ndm

1750 RPM

Điện áp định mức kích tư

Uf

300 V

Điện trở phần ứng

Ru

2.581 ohms

Điện cảm phần ứng

Lu

0.028 H

Điện trở kích tư

Rf

281.3 ohms

Điện cảm kích tư

Lf

156 H

Điện cảm tương hỗ

Laf

0.9483 H

J

0.02215 kg.m^2

Hệ số ma sát nhớt

Bm

0.002953 N.m.s

Mô men sát trượt

C

0.5161 N.m

Tổng mô men quán tính

4.1.2 Cấu trúc mô phỏng hệ thống :

215
EFM max

0.00167 s+1

ia controller

Omega controller

Gain

40

0.226 s

0.02 s

1
Ramp 1

ia

0.06 s+1

0.04 s+1

ua converter

Omega 1
DC motor

1

0.01 s+1

0.001 s+1

0.3s+1

EFM controller
Abs
|u|

Switch 1

18

0.003 s

0.4s

ua converter 1

0.005 s+1

if controller

P

uf converter

1.7
T

I_f

Ramp 2

Kphi
10

T _load

Switch 2


17

4.1.3 Kết quả mô phỏng:
Đặc tính tốc độ, mô men và công suất vùng điều chỉnh điện áp
phần ứng


18
500

400

300

P(w)

200

100

0

-100

-200

0

5

10

15

20
time (s)

25

30

35

40

0

5

10

15

20
time(s)

25

30

35

40

0

5

10

15

20
time (s)

25

30

35

40

20

18

16

14

T(Nm)

12

10

8

6

4

2

0

40

35

30

25

speed (rad/s)

20

15

10

5

0

-5

-10

19

Hình 4. 1 Đặc tính tớc độ, mơ men và công suất vùng điều chỉnh điện
áp phần ứng

Đặc tính tốc độ, mô men và công suất vùng điều chỉnh tư thông
250

200

speed (rad/s)

150

100

50

0

-50
0

5

10

15

time(s)

4

7

x 10

6

5

P(W)

4

3

2

1

0

-1

0

5

10

time (sec)

15


20

Hình 4. 2 Đặc tính tớc độ, mơ men và công suất vùng điều chỉnh
giảm tư thông
4.2 Thực nghiệm:
4.2.1 Mô hình thí nghiệm:

Hình 4. 3 Mơ hình thực nghiệm hệ thớng
4.2.2 Đặc tính thí nghiệm:
Đặc tính tớc độ động cơ trong vùng tư thông là hằng số và vùng
điều chỉnh giảm tư thông.


21
Dac tinh toc do dong co va tu thong kich tu
250
Toc do dong co rad/s
200*(Dong dien kich tu A)
200

150

100

Vung tu thong kich tu dinh muc

Vung dieu chinh giam tu thong
kich tu

50

0

0

5

10

15

20

25

30

Hình 4. 4 Đặc tính tớc độ động cơ khi điều chỉnh giảm tư thông
4.3 Kết luận chương 4:
Đã mô phỏng và thí nghiệm thành công hệ điều khiển điều
chỉnh tốc độ trong hệ điều tốc động cơ một chiều ở vùng tốc độ lớn
hơn tốc độ cơ bản trong mơ hình điều khiển ở phịng thí nghiệm Điện
– Điện tử của Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã
giúp cho việc kiểm chứng, so sánh đánh giá với lý thuyết.
Tuy nhiên, phần ổn định công suất vẫn chưa hoàn thành và đây

chính là hướng phát triển của đề tài này trong thời gian tới.


22

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận:
Với đề tài “Nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ trong hệ
điều tốc động cơ một chiều ở vùng tốc độ lớn hơn tớc độ cơ bản”.
Bản luận văn đã được trình bày đầy đủ nội dung và được viết thành 4
chương kèm theo phần mở đầu và kết luận kiến nghị. Nội dung của
bản luận văn đã chứa đựng đầy đủ các yêu cầu của mục tiêu đề tài
cũng như mục tiêu nghiên cứu. Những kết quả này được thể hiện cụ
thể như sau:
Sau khi xây dựng hệ thống mô phỏng và thực nghiệm đã chứng
minh được, bộ điều khiển đã thiết kế đáp ứng được công nghệ điều
khiển khi điều chỉnh tốc độ trong hệ điều tốc động cơ một chiều ở
vùng tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản.
Đã thí nghiệm thành công hệ điều khiển điều chỉnh tốc độ trong
hệ điều tốc động cơ một chiều ở vùng tốc độ lớn hơn tớc độ cơ bản
trong mơ hình điều khiển ở phòng thí nghiệm Điện – Điện tử của
Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp cho việc
kiểm chứng, so sánh đánh giá với lý thuyết.
Với các kết quả trên có thể khẳng định luận văn đã hoàn thành
tốt nội dung của đề tài. Và đề tài vưa có tính lý thuyết và tính thực
nghiệm.
Tuy nhiên, phần ổn định công suất trong luận văn này vẫn chưa
hoàn thành và đây chính là hướng phát triển của đề tài này trong thời
gian tới.

23

2. Kiến nghị:
Để hoàn thiện được đề tài này thì cần phải tiếp tục nghiên cứu
và thí nghiệm trên một mơ hình cụ thể. Tư đó ứng dụng vào sản xuất.