Khảo sát và tính toán các tham số cho hệ truyền động t đ

ui

uv

*

u i LỚN ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG TĐĐ
BÀI TẬP
un

Khảo sát và tính toán các tham số cho hệ truyền động T-Đ.
( STT : A = 1)

n

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.
A

Hệ thống điều tốc hai mạch vòng tốc độ quay và dòng điện:
Rω - Bộ điều chỉnh tốc độ quay; RI - Bộ điều chỉnh dòng điện; FT - Máy phát tốc;
FX - Mạch phát xung điều khiển các tiristor của BĐ; CBD - Cảm biến dòng điện,
ucđ - điện áp chủ đạo (điện áp đặt tốc độ); un (un=γn) - điện áp phản hồi tốc độ,
u*i

- điện áp đặt dòng điện; ui (ui=βI) - điện áp phản hồi âm dòng điện

Bộ chỉnh lưu dùng sơ đồ cầu 3 pha, Hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu:
Kcl = 30-0,5.A=30-0,5.1=29,5. (A là số thự tự sinh viên)
Động cơ điện một chiều: P=29(kw), Uđm=400(V), Iđm = 89(A), nđm=819

(vòng/phut),, hệ số quá tải cho phép λ =2. Tổng trở mạch rôto:

Rd =

0,705(Ω). (A là số thứ tự sinh viên), Ƞ= 77,8%, J=0,5kgm2;Lư=0,00905(Ω).

Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2

1

n


Hằng số thời gian: Tdk= 0,07(s), Tvo = 0,22(s).
Hệ số phản hồi dòng điện β =0,04 V/A
Hệ số phản hồi tốc độ γ =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 σimax % ≤ 5 % ,
lượng quá điều chỉnh tốc độ khi khởi động không tải đến tốc độ quay định
mức σnmax% ≤ 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.

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
PGS-TS LƯU KIM THÀNH

Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2

2


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 em đã được
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 thầy
PGS-TS Lưu Kim Thành , em đã hoàn thành xong môn học và bài tập lớn
này.
Trong quá trình thiết kế bài tập lớn, với kiến thức còn hạn chế nên khó
tránh khỏi các khiếm khuyết. Em rất mong được sự nhận xét góp ý của thầy
giáo và các bạn để bản thiết kế của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hải Phòng, ngày 12 tháng 4 năm 2013

1. Xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ.
Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2

3


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 Toi.
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:

Rư=0.5.(1-ƞ) .

ce .ϕ dm

Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2

U dm
I dm

9,55.

=

=0.5.(1-0.778).

U dm − I dm Ru
ndm

4

400
89

9,55.
=

=0.499(Ω)

400 − 89 .0,499
819

= 4,15


KĐ

=>

Tc=

Tư=

=

0,499.0,5
4,15 2

Lu
Ru

=

1
c e .φ dm

=

1

4,15

= 0,24

=0,014

0,00905
0,499

=0,018

=> độ sụt tốc độ của hệ thống trên đặc tính Tự nhiên với tải định mức.

∆n = 9,55.

I đm .Rd
89 .0,705
= 9,55.
= 144,39(vòng )
k .φđm
4,15

=> Sai lệch tĩnh trên đường đặc tính cao nhất:

S% =

∆n
144,39
.100 =
= 14,99(%)

nđm + ∆n t
819 + 144,39

Nhận xét: Với hệ thống hở, sai lệch tĩnh 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 (St% = 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 KCL= 29.5 (bộ chỉnh lưu cầu 3 pha).

Hệ số khuyếch đại:

KĐ

=

1
c e .φ dm

= 0,24

2. Thiết kế bộ điều chỉnh ổn định dòng điện.
Ta có sơ đồ cấu trúc:

Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2

5


a. Đơn giản hoá sơ đồ cấu trúc.

Do Tm >> Te nên sự biến thiên tốc độ n hay E Đ chậm hơn Id. Xét trong
thời gian Δt ta xem như ΔEĐ = 0, nên bỏ qua nhiễu EĐ 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 Toi thường chọn là (1 ÷ 2)Toi = 2τ, chọn Toi = 2τ = 2.0,00167 =
0,00334 (vì bộ chỉnh lưu là cầu 3pha nên τ = 0,00167)
Ta thấy Te = 0,07s >> Toi.τ = 0,00334.0,00167 = 5,58.10-6 => xử lí gần
đúng:

( Toi p + 1) ( Toi p + 1) ( Toi p + 1) ≈ ( Toi + τ ) p + 1 = T∑ i p + 1 = 5.10−3 p + 1

với điều kiện:
1 1
ωc ≤
3 Toi τ

(1)

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

Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2

6


Đặt : K2 =

β .K cl . 1 R

b

,ta có:

Wđt(p) =

K2
(T∑ i p + 1).( Te p + 1)

Khi đó ta có sơ đồ sau:

U 1*

β

K2
(T∑ i p + 1).( Te p + 1)

Wi ( p)

I d ( p)

b. Lựa chọn cấu trúc bộ điều chỉnh.
Từ sơ đồ cấu trúc ta có hàm truyền của đối tượng là:
Wđt(p) =

K2
(T∑ i p + 1).( Te p + 1)

với K2== = 1,18

và T∑ i = Toi + τ = 0,00344 + 0,00167 = 0,00501( s )
* Phân tích: - Mạch vòng dòng điện điều chỉnh quá trình quá độ của hệ
thống,
7

Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2


nên đòi 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:
τ p +1
WI (p) = WPI (p) = K pi 1
τ1p
với τ1 = Tdk = 0,07(s) (do Tdk > TΣi)
c. Xác định các tham số bộ điều chỉnh.
Ta có hàm truyền hệ hở của hệ thống sau hiệu chỉnh là:
K pi .K 2
Wh ( I ) ( p)

= W

bdc

(p).

Wđt ( p )

=

τ 1 p.(T∑ i p + 1)

K pi .K 2

Với:

K=

τ1

từ yêu cầu của hệ thống về

=

K
p.(T∑ i p + 1)

=

K pi .β .K b
Te .Rd

σmax % ≤ 5%

; ( * )

=> tra bảng 2 ta được KITΣi =

0,5
KI =

0,5
0,5
0,5
=
=
= 99,8
T∑ i Toi + τ 0,00501

=>
Thay giá trị của K vào (*) ta có:
=>Kpi == = 4,17

vậy hàm truyền của Bộ điều chỉnh được viết lại là:
Wi(p)=WPI(p)=Kpi = 4,17*
Hàm truyền của hệ thống sau khi hiệu chỉnh:

W(htshc)(p) =

Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2

99,8
p (0,00501 p + 1)

8

d. Kiểm nghiệm các điều kiện gần đúng.
Từ tài liệu ứng với giá trị của
ωci =

σ max

% đã cho ta tìm được :

0,455
0,455
=
= 90,8
T∑ i
0,00501

Hàm truyền của đối tượng:
ωci > 3.

- Theo (1) ta có:

1
Tdk .Tvo

1
0,07.0,22

= 3.

= 24,175. (thoã mãn với điều

kiện)
Theo điều kiện (2) ta có:
1 1
1
1
ωci ≤
=
= 139,073
3 τToi 3 0,00167.0,00334
=> điều kiện (1) được thoả mãn. Ngoài ra theo điều kiện của tần số cắt ta
có:
1
1
ωci ≤
=
= 199,6
3τ 3.0,00167
thì với ωci = 73,253 cũng thoã
mãn.
Vậy Bộ điều chỉnh ta thiết kế là thoả mãn yêu cầu.

Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2

9


e. Thực hiện Bộ điều chỉnh.
Ta có sơ đồ nguyên lý:

Ta có:
U i* ( p )
β .I d ( p )
U đk ( p)
−
=
R
τ p +1
R
Roi .( oi .Coi p + 1) Roi  oi .Coi p + 1 K pi . 1
4
τ1 p
 4


Chọn

Ro = 1( KΩ)

Ta có:
R pi

Ta có: Kpi =

Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2

Roi ⇒

Rpi = Roi.Kpi = 1.4,17 =4,17(k)

10


Cpi === 16.7(µF)
Coi === 13,36(µF)

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.

U i* ( p )
β

với

K
p.(T∑ i p + 1)

KI
Id
β
WKI ( p ) = * =
Ui T∑ i p 2 + p + K I

WKI ( p ) =

Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2

=> chia cả tử và mẫu cho KI ta được:

1
β
T∑ i

KI

p2 + 1

KI

I d ( p)

p +1

11


T∑ i

xử lí gần đúng:
ωcn ≤

ta được:

KI

1 KI
3 T∑ i

p2 + 1

KI

p +1 ≈ 1

KI

p +1

với điều kiện là:

( 2)

1
1
25
β
0,04
WKI ( p ) =
=
=
1 p +1
1
p + 1 0,01p + 1
KI
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:
với
Mc(p) = 0,
xử lý gần
đúng:

Tm p ( Ton p + 1) ( 0,01p + 1) ≈ Tm p ( Ton + 0,01) p + 1 = Tm p ( T∑ n p + 1)

Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2

12


với điều kiện là:
1
1
ωcn ≤
3 T∑ n Ton

( 3)

=> Sơ đồ cấu trúc sau xử lý gần đúng là:

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 Ucđ và dòng phụ tải Ic. Do nhiễu tham gia là nhiễu 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:

Whtshc(p) = Wđt(p).WRn(p) =

K pnγ 1 Rd K Đ (τ 2 p + 1) K (τ p + 1)
β
= 2n 2
2
Tmτ 2 p (T∑ n p + 1)
p (T∑ n p + 1)

Với tham số τ2 = hTΣn

c. Xác định các tham số bộ điều chỉnh.
δ max % = (

∆C max %
∆n T
).2(λ − Z ) đm ∑ n
Cb
nđm Tm

Chọn h = 6 => tra bảng 7 ta có:

(*)
∆Cmax
% = 84,0
Cb

Giả thiết khởi động không tải(Z = 0 )
Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2

13

.


∆n =
Ta có:

I đm .Rd 669.0,0908
=
= 55,223(vòng )
Ce .φđm
1,1

Thay vào (*) ta được:

(2-0).

55,223 0,015
.

331 0,22

δ max %

σ n max % =

=

∆C maxđm
∆n
%.2 ( λ − z ) .
C bđm
n
m

.

T∑ n
=
T

84.2.

= 3,82 % < 10 %

Trong đó:
z là hệ số quá tải cho phép, giả thiết khi khởi động không tải thì z = 0
TΣn = Ton + 0,01 =0,005 + 0,01 = 0,015 với Ton = (1÷ 10) ms, chọn Ton =
5ms
=> σnmax% = 7,687% ≤ 10% yêu cầu. Vậy bộ điều chỉnh ta chọn là hợp

lý.
d. Kiểm nghiệm các điều kiện gần đúng.
ω2
= 1,71
ωcn

ωcn =

ω2 12,5
=
= 7,31
1,71 1,71

Từ h = 6, tra bảng (4) ta được
=>
1
1
ω2 =
=
= 12,5
T∑ n 0,08
với
. Kiểm tra với điều kiện (2) và (3) ta có:

ωcn

≤

=7,31

1
1
=
= 47
3( 2.) .T∑ i 3.( 2 ).0,00501

ωcn = 7,31 <

1
1
1
1
=
= 16,67
3 T∑ n Ton 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:

Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2

14


Ta có:
K pn =

R pn

R pn = R on K pn = 1.14,632 = 14,632 ( kΩ )

R on

Cpn =

τ2
0,08
=
= 5,467 ( µF )
R pn 14,632.103

Con =

4Ton 4.0,005
=
= 20 ( µF )
R on 1.103

τ2 = Te = R pn Cpn => cho R on = 1kΩ =>
Ton =

R on Con
4

5. Xây dựng sơ đồ nguyên lý của hệ:

Sinhvien:phạm văn anh

Lớp:dtt53dh2

15


6. Mô tả hệ thống trên Matlab.

Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2

16


Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2

17


Sinhvien:phạm văn anh
Lớp:dtt53dh2

18