báo cáo thực hành môn tổng hợp hệ điện cơ

BÀI THÍ NGHIỆM 1: TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN
I.Tổng hợp mạch vòng dòng điện

Hình 1: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện
Trong đó:
Tu=: Hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng.
Ru= Rb+ Rk+ Rud+ Rs
Lu= Lb+ Lk+ Lud
Ki = Rs: Điện trở của sensor.
Ti = Rs.C: Hằng số thời gian của sensor dòng điện.
Viết gọn lại ta có sơ đồ như trên hình 2 ta có hàm truyền của đối tượng mạch
vòng điều khiển của mạch vòng điều chỉnh dòng điện:

Hình 2: Sơ đồ thu gọn mạch vòng dòng điện
1


Từ sơ đồ hình 1 và hình 2 ta có hàm truyền của đối tượng điều khiển của mạch
vòng dòng điều chỉnh dòng điện:

Soi(p) = =

(1)

Trong đó:
Tđk100µs, Tv2.5 2,5 ms, Tư100ms.
Thay Tsi= Ti+ Tv+ Tdk<
Soi(p)=

(2)

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta tìm được hàm truyền của hệ thống kín:

FoMi =

(3)

Mặt khác trên hình 2 ta có:
FoMi(p) =

->Ri(p)=

Ri(p) =
Chọn= min(Tsi,Tu) =Tsi
Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:
Ri(p)= =

(4)

Ri(p) là khâu tích phân tỷ lệ (PI).
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có:

FOmi(p) = =

(5)

II.Tính toán các thông số của hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc
lập và tiến hành mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm Matlab
Các thông số cho trước
Pđm: Công suất định mức của động cơ = 42 KW

2


Uđm: Điện áp định mức phần ứng = 220 V
Iđm: Dòng điện định mức phần ứng = 217 A
nđm: Tốc độ quay định mức = 1500 v/p
ƞđm: Hiệu suất danh định của động cơ = 90%
Lu: Điện cảm phần ứng = 0,0038H
Ti: Hằng số thời gian máy biến dòng = 0,002s
Tv: Hằng số thời gian bộ chỉnh lưu = 0,0025s
Tđk: Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lưu = 0,0001s
Tω: Hằng số thời gian máy phát tốc = 0,001s
Các phương trình phản ứng phần ứng trong động cơ điện một chiều:
Uư=Eư+(Rư+Rf).Iư
Uư: Điện áp phần ứng
Eư: Suất điện động phần ứng
Rư: Điện trở mạch phần ứng
Rf: Điện trở phụ mạch phần ứng
Iư: Dòng diện mạch phần ứng
Rư= rư+rcf+rb+rct
rư: Điện trở cuộn dây phần ứng
rcf: Điện trở cực từ phụ
rb: Điện trở cuộn bù
rct: Điện trở tiếp xúc chổi điện

3


Eư= K.ω = (pNΦ.ω)/2πa
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
: Tốc độ góc
K = : Hệ số cấu tạo của động cơ
Eư = Ke. Φ.n
n: tốc độ roto
==
= = 157rad/s
Ke = = 0,105K

(6)
(7)
(8)

Phương tình đặc tính cơ điện:
= - .Iu
Phương trình đặc tính cơ:
= - .M

(9)

Idm = = = 191 A

(10)

= = = 1.40

(11)

Trong đó: Iu = ; Mdt = Mcơ = M

Tính momen định mức:
Pdm = Mdm.
Mdm = = = 267.52 Nm

4


Tính gần đúng Ru theo công thức:
Ru = 0,5.(1- ). = 0,5.(1- 0,9). = 0.057
Lu = Lb + Lk + Lud = 0,2H
Tu = : Hằng số thời gian phần ứng
Tu = = 3.51 s

(12)

Từ sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tốc độ ta có:
Uu = Kcl.Udk
Chọn Udk = 10V ta có: Kcl = = =22
Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:
Ri = .(1+)

(14)

Tsi = Ti + Tv + Tdk = 2ms + 2,5ms + 0,1ms = 4,6.10-3s
Tu = 3.51s
Ru = 0.057
= 22
Chọn Uid = 7V

Ki = = = 0,036

(15)

Ri = . (1 + )
Ri = 27,46.(1 + )

(16)
Tc = = = 0,09s

(17)

= = 0,45

(18)
5


Sơ đồ mô phỏng mạch vòng dòng điện như sau:

Khâu hạn chế dòng được cài đặt tham số:

6


Nhận xét: Mô phỏng mạch vòng dòng điện cho kết quả dòng điện mô phỏng ổn
định, sai số nhỏ, số lần dao động lớn.
Bài thí nghiệm 2: TỔNG HỢP MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta
có:
FOmi(p) = =

(19)

Vậy sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ còn lại như trên hình 3, trong
đó ta lấy hàm truyền đạt của mạch vòng dòng điện là khâu quán tính bậc nhất,
bỏ qua các bậc cao.

7


Hình 3. Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh tốc độ
I.Tổng hợp mạch vòng tốc độ:
Viết gọn sơ đồ hình 3 ta có sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ

=

(20)

Với = 2Tsi + rất nhỏ

Hình 4. Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ

Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu:

=

(21)

=
(p) =

(p) =
Chọn =
Ta có:

(p) =

(22)

Vậy khâu là khâu tỷ lệ (P)

8


Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống khởi động đã mang tải, lúc đó ta
không coi Ic là nhiễu nữa.
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng modul:

=

(23)

=
(p) =
Chọn = . Ta có:

(p) =

(24)

Vậy là khâu tỷ lệ, tích phân (PI)

Đó là khâu vô sai cấp hai đối với đại lượng đặt và vô sai cấp một đối với đại
lượng nhiễu Ic.

Hình 5. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động T – Đ
Sau khi tổng hợp ra các bộ điều chỉnh, ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều
khiển tốc độ động cơ một chiều như hình 5.
II. Tính toán các thông số của hệ thống truyền động động cơ một chiều kích
từ độc lập và tiến hành mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm Matlab.
Cũng trên hình 3 ta có:

9


=. Chọn =10V
= = 0,064

(25)

Trong công thức (2) ta có:
=+
Với = 1ms; = 4,6.10-3s
Tc = = = 0,09s

(26)

= 0,01s
Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn modul tối ưu ta có:

(p) = = = 62,17

(27)

= = 0,45
Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn modul đối xứng ta có:

(p) = (Khâu PI)
Với = 0,01s; = 0,057; = 0,064; = 0,036; =1,4; = 0,09s

(p) = = = + 625
Mô phỏng hệ điều khiển tốc độ khi dùng Simulink
a) Bộ điều chỉnh tốc độ tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng (PI)
Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển tốc độ khi tổng hợp theo phương pháp modul đối
xứng sử dụng bộ điều chỉnh tương tự PI.

Trong đó bộ điều chỉnh tốc độ (PID tốc độ) được khai báo:

10


Kết quả mô phỏng

Udk:

Dòng điện:

11


Tốc độ 1:

Tốc độ 2:
12


b) Khi tổng hợp theo phương pháp modul tối ưu

Kết quả mô phỏng:
13


Udk:

Dòng điện:

Tốc độ 1:

14


Tốc độ:

BÀI THÍ NGHIỆM 3 : TỔNG HỢP MẠCH VÒNG VỊ TRÍ

15


I. Tổng hợp mạch vòng vị trí:
Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển vị trí

: Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu

chuẩn môdul tối ưu.

: Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu
chuẩn môdul đối xứng.
Ta có sơ đồ cấu trúc như sau:

Trong đó : Hệ số khuếch đại của bộ truyền lực.
=
Tổng hợp mạch vòng vị trí cũng như tương tự như tổng hợp mạch vòng tốc độ,
ta dùndg tiêu chuẩn tối ưu môdul và hàm truyền đạt của mạch vòng tốc độ lấy là
khâu bậc hai bỏ qua các khâu bậc cao. Vậy
: Khi tổng hợp theo tiêu chuẩn môdul tối ưu.

: Khi tổng hợp theo tiêu chuẩn môdul đối xứng.
1. Nếu tổng hợp mạch vòng tốc độ w dùng tiêu chuẩn môdul tối ưu ta có
hàm truyền của đối tượng
16


Áp dụng tiêu chuẩn môdul tối ưu

Hình 6

Chọn =
=(

Với và KD =
là khâu tỷ lệ đạo hàm PD
2. Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ dùng chuẩn tối ưu đối xứng ta có hàm
truyền của đối tượng

áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môdul ta có

Chọn C=
Ta có:
= (. Đây cũng là khâu tỷ lệ đạo hàm

II. Tính toán các thông số của hệ truyền động động cơ một chiều kích từ
độc lập và tiến hành mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm Matlap
Ta có
l= .r = 2.π.n.r : Chiều dài quãng đường cần di chuyển = 100(m)
17


r: Bán kính trục truyền tải cuối cùng = 0,32(cm)
Hằng số thời gian bộ cảm biến vị trí = 0,3(s)
=> n =
=> = (rad)
Tín hiệu xác định vị trí đặt phải xấp xỉ tín hiệu phản hồi túc là:
= Uφd
=> = = 0,031
Kr: Hệ số khuếch đại của bộ truyền lực

=> Kr = =
Bộ điều chỉnh vị trí:
= .(
=
(Khi mạch vòng tốc độ tổng hợp theo môdul
tối ưu)
= 3,4409(1+0,02P)

=

(Khi mạch vòng tốc độ tổng hợp theo môdul đối xứng)

=3,4409(1+0,04p)

Mô phỏng hệ điều khiển vị trí khi dùng Simulink
a)

Bộ điều chỉnh vị trí tổng hợp theo tiêu chuẩn modul tối ưu (khi mạch
vòng tốc độ tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng)

18


Trong đó bộ điều chỉnh vị trí (PID vị trí) được khai báo như sau:

Bộ điều chỉnh tốc độ (PID tốc độ) được khai báo:
19


III.Kết quả mô phỏng
Tốc độ:

Tốc độ 1:

20


Vị trí:

Vị trí 1:

21


Udk

b)

Khi tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí theo phương pháp modul tối ưu
(Khi mạch vòng tốc độ được tổng hợp theo modul tối ưu)

22


Trong đó bộ điều chỉnh vị trí (PID) được khai báo như sau:

III.Kết quả mô phỏng
Tốc độ 1:

23


Tốc độ:

Vị trí 1:

24

Vị trí:

Dòng điện:

25