Nâng cao chất lượng hệ điều chỉnh tốc độ của động cơ diezen ứng dụng truyền động cho tàu thủy

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

DƢƠNG THỊ THANH

NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU
CHỈNH TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ DIEZEN
ỨNG DỤNG TRUYỀN ĐỘNG CHO TÀU
THỦY
Chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




THÁI NGUYÊN - NĂM 2016

Công trình đƣợc hoàn thành tại
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Võ Quang Lạp
Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Nhƣ Hiển
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà

Luận văn đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm luận văn

Họp tại: TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI
NGUYÊN
vào hồi 08h30p ngày 06 tháng 03 năm 2016.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
- Thƣ viện trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Dƣơng Thị Thanh
Sinh ngày: 19 tháng 05 năm 1990
Học viên lớp CHK16 – KTĐK&TĐH, Trƣờng Đại học kỹ thuật công
nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu
nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận trong luận văn chƣa từng đƣợc
công bố trong bất kỳ công trình nào. Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều
chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn

Dương Thị Thanh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, tôi đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn
của nhà trƣờng, khoa, các phòng ban, các thầy cô giáo và đồng nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS. Võ Quang Lạp đã
tận tình hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở Trung tâm Thí nghiệm,
phòng thí nghiệm Khoa Điện - Điện tử - Trƣờng Đại Học Kỹ thuật công nghiệp
đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt
nhất.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên
luận văn còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ
hội đồng bảo vệ, các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn
thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tế.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn

Dương Thị Thanh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




i
MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA ..................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................
LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................
MỤC LỤC .............................................................................................................. i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT ........................................... ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................. iii
MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………..1
NỘI DUNG ……………………………………………………………………..3
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU TỐC CỦA ĐỘNG CƠ
DIEZEN ………………….…………..……………………………..……...........3
1.1. Phân loại. ........................................................................................................ 3
1.1.1. Trên cơ sở truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cơ cấu điều chỉnh3
1.1.2. Trên cơ sở chế độ hoạt động của bộ điều chỉnh .......................................... 4
1.1.3. Dựa trên cơ sở tín hiệu công tác của phần tử điều chỉnh ............................ 4
1.1.4. Trên cơ sở nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh vòng quay .......................... 4
1.1.5. Dựa trên cơ sở sử dụng các loại phản hồi khác nhau .................................. 4
1.2. Các thông số đặc trƣng của bộ điều tốc ......................................................... 4
1.2.1. Độ không đồng đều ..................................................................................... 5
1.2.2. Độ rộng vùng không nhậy ........................................................................... 5
1.2.3. Độ thay đổi vòng quay tƣơng đối lớn nhất ................................................. 6
1.2.4. Độ không ổn định vòng quay tƣơng đối ..................................................... 6
1.2.5. Thời gian điều chỉnh ................................................................................... 7
1.3. Bộ điều tốc điện tử ......................................................................................... 7
1.3.1. Sơ đồ hệ thống ............................................................................................. 7
1.3.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống ................................................................ 8
CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN KHẢO SÁT HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DIEZEN ........................................................................... 10
2.1. Xây dựng sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí ..................................................... 10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2.2. Khảo sát và tính toán hệ truyền động ổn định tốc độ................................... 11
2.2.1. Phân tích và chọn hệ truyền động ............................................................. 11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2.2.2. Khảo sát và tính toán hệ truyền động PWM-Đ ......................................... 11
2.2.2.1. Giới thiệu sơ đồ ...................................................................................... 11
2.2.2.2. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM ..................................... 12
2.2.2.3. Hàm truyền của các khâu trong hệ truyền động .................................... 13
2.2.3. Quá trình tổng hợp hệ truyền động ........................................................... 13
2.2.3.1. Tổng hợp bộ điều khiển dòng RI ........................................................... 13
2.2.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ R ...................................................... 13
2.2.4. Mô phỏng hệ.............................................................................................. 15
2.2.4.1. Sơ đồ mô phỏng ..................................................................................... 15
2.2.4.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................. 15
2.2.4.3. Nhận xét ................................................................................................. 16
2.3. Khảo sát và tính toán hệ truyền động ổn định vị trí với bộ điều khiển vị trí
tuyến tính ............................................................................................................. 16
2.3.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh vị trí ............................................ 17
2.3.2. Mô phỏng .................................................................................................. 19
2.3.2.1. Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ 1 chiều kích
từ độc lập ............................................................................................................ 19
2.3.2.2. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID tuyến tính .......... 22
2.3.2.3. Nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng .................................................... 22
CHƢƠNG 3: NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỔN
ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DIEZEL BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƢỢT
............................................................................................................................. 23
3.1. Tổng hợp bộ điều khiển mờ trƣợt ................................................................ 23
3.1.1. Nguyên lý điều khiển trƣợt ....................................................................... 23

3.1.2. Phƣơng pháp điều khiển trƣợt ................................................................... 25
3.1.3. Thiết kế luật điều khiển trƣợt .................................................................... 29
3.1.4. Cơ sở điều khiển mờ trƣợt từ điều khiển trƣợt kinh điển ......................... 29
3.1.5. Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ trƣợt ............................................ 32
3.2. Xây dựng bộ điều khiển mờ trƣợt cho mạch vòng vị trí .............................. 32

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3.2.1. Các bƣớc xây dựng bộ điều khiển mờ trƣợt cho mạch vòng vị trí ........... 32
3.2.2. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ trƣợt ........................ 35
3.2.3. Nhận xét và kết luận .................................................................................. 38
Chƣơng 4: THÍ NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG ...................................................... 39
4.1. Thí nghiệm 1 ................................................................................................ 39
4.1.1. Xây dựng sơ đồ thí nghiệm ....................................................................... 39
4.1.2. Phần cứng của thiết bị thí nghiệm ............................................................. 39
4.1.2.1. Động cơ DC............................................................................................ 41
4.1.2.2. IC L298N................................................................................................ 41
4.1.2.3. IC SN74HC08N ..................................................................................... 41
4.1.2.4. Giới thiệu card arduino .......................................................................... 41
4.1.3. Thiết kế PID cho mô hình trong phòng thí nghiệm.................................... 43
4.1.4. Các kết quả thí nghiệm .............................................................................. 43
4.1.5. Kết luận ..................................................................................................... 44
4.2. Thí nghiệm 2 ................................................................................................ 45
4.2.1. Giới thiệu hệ thống .................................................................................... 45
4.2.2. Các khối chính trong hệ thống ................................................................... 47
4.2.3. Kết quả thực nghiệm .................................................................................. 48
4.3. Ứng dụng ...................................................................................................... 49

4.3.1. Tự động ổn định tốc độ quay của chân vịt (sơ đồ hình 1.1)

..... 49

4.3.2. Hệ thống tự động ổn định tốc độ Diezen khi kéo máy phát điện.............. 50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 54
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 55
Phụ lục 1: Các biểu thức tính toán ...................................................................... 55
Phụ lục 2:Tính toán thông số của của hệ truyền động ........................................ 61
Báo cáo về việc tiếp thu, bổ sung, chỉnh sửa luận văn thạc sĩ theo nghị quyết của
Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ .........................................................................

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
BĐK: Bộ điều khiển
DC: Động cơ điện một chiều.
P: Bộ điều chỉnh tỷ lệ.
I: Bộ điều chỉnh tích phân.
D: Bộ điều chỉnh vi phân.
PID: Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân.
CPU: Bộ xử lý trung tâm.
PWM : Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung điện áp.
βI : Phản hồi âm dòng điện.
γn : Phản hồi tốc độ.

Ucđ : Điện áp chủ đạo.
Uđk : Điện áp điều khiển.
Uω : Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ.
T : Thời gian chu kỳ điện áp ra.
Ud : Điện áp ra của bộ biến đổi PWM.
Uc : Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung.
Kω : Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ.
TBI : Hằng số thời gian máy biến dòng.

K BI : Hệ số phản hồi dòng điện.
T : Hằng số thời gian của khâu cảm biến vị trí.

K : Hệ số phản hồi vị trí.
Tu : Hằng số thời gian điện từ của động cơ.

R : Điện trở mạch phần ứng.
L : Điện cảm mạch phần ứng.
Ti : Hằng số thời gian của cảm biến (sensor) dòng điện.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
(hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị ...)
Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ điều tốc điện tử của Diezen ........................................... 7
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí ............................................................ 10
Hình 2.2: Sơ đồ tổng hợp hệ truyền động PWM-Đ............................................. 12

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM .................................................. 12
Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện.................................................. 13
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện .................................... 13
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ .......................................... 14
Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động xung điện áp động cơ ........................ 14
Hình 2.8: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID..................... 15
Hình 2.9: Kết quả mô phỏng tốc độ và dòng điện .............................................. 16
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí ........................................... 17
Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí .................................................... 19
Hình 2.12: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí bằng bộ điều khiển PID .......... 19
Hình 2.13:Mô phỏng PID với Ud= 10V .............................................................. 19
Hình 2.1: Mô phỏng PID với Ud= 15V ............................................................... 21
Hình 3.1: Phân tích hệ có khâu phi tuyến 2 vị trí và không bị kích thích bằng
phương pháp mặt phẳng pha .............................................................................. 26
Hình 3.2: Giải thích hiện tượng trượt (sliding) .................................................. 28
Hình 3.3: Sự phụ thuộc của e và e' ..................................................................... 29
Hình 3.4: Cơ sở hệ điều khiển mờ trượt từ điều khiển trượt kinh điển .............. 30
Hình 3.5: Hàm thuộc với 5 tập............................................................................ 33
Hình 3.6: Luật hợp thành .................................................................................... 34
Hình 3.7: Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ ................................................ 34
Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ trượt......... 35
Hình 3.9: Mô phỏng mờ trượt với Ud=10V ........................................................ 36
Hình 3.10: Mô phỏng mờ trượt với Ud=15V ...................................................... 37

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Hình 4.1:Sơ đồ khối của hệ truyền động xung điện áp – động cơ điện một chiều

được điều khiển bởi card arduino ....................................................................... 40
Hình 4.2: Phần cứng của thiết bị thí nghiệm ...................................................... 40
Hình 4.3: Sơ đồ khối hình thí nghiệm ................................................................. 40
Hình 4.4: Giới thiệu IC L298N ........................................................................... 41
Hình 4.5: Giới thiệu IC SN74HC08N..................................................................41
Hình 4.6: Card arduino....................................................................................... 42
Hình 4.7: Mô hình điều khiển động cơ trong miền z .......................................... 43
Hình 4.8: Cấu hình đầu ra điều khiển động cơ .................................................. 43
Hình 4.9: Cấu hình thời gian thực ...................................................................... 44
Hình 4.10: Đáp ứng đầu ra khi không có tải ...................................................... 44
Hình 4.11: Đáp ứng đầu ra khi có tải ................................................................ 44
Hình 4.12: Hệ thống thí nghiệm .......................................................................... 45
Hình 4.13: Mạch phát hiện điểm không ............................................................... 46
Hình 4.14: Đầu ra mạch phát hiện điểm không ................................................... 46
Hình 4.15: Hệ động cơ – máy phát tốc ................................................................ 47
Hình 4.16: Bộ chỉnh lưu cầu ba pha .................................................................... 47
Hình 4.17: Vi điều khiển 16F877A ...................................................................... 48
Hình 4.18: Dạng điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu ..................................................... 48
Hình 4.19: Tốc độ động cơ và giá trị đặt ............................................................. 49
Hình 4.20: Sơ đồ khối hệ thống truyền động máy phát Diezen .......................... 50
Hình 4.21: Đường đặc tính tĩnh (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3’) ............................. 51
Hình 4.22: Sơ đồ khối bộ điều tốc cho máy phát Diezen ...................................57

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1
MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Động cơ diezen đƣợc truyền động cho nhiều máy công nghiệp. Đối với
những loại công suất động cơ diezen lớn đƣợc truyền động cho một số máy sản
xuất nhƣ: kéo máy phát điện, truyền động cho tàu hỏa, truyền động cho tàu
thủy… thì những loại động cơ diezen này cần phải điều chỉnh và ổn định tốc độ.
Bộ điều chỉnh tốc độ của những động cơ diezen này có một ý nghĩa kỹ thuật rất
quan trọng, ngoài việc điều chỉnh tốc độ thì cần phải ổn định tốc độ.
Với vị trí quan trọng của hệ điều chỉnh tốc độ động cơ diezen nên trong
bài luận văn này tôi đã chọn đề tài: “Nâng cao chất lƣợng hệ điều chỉnh tốc độ
của động cơ Diezen ứng dụng truyền động cho tàu thủy”.
Thành công của đề tài này ngoài việc tạo đƣợc một hệ điều tốc có chất
lƣợng cao để tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn đồng thời đó là một tài
liệu để tiếp tục nghiên cứu và học tập để thiết kế một bộ điều chỉnh tốc độ có
chất lƣợng tốt hơn.
Bên cạnh việc nghiên cứu lý thuyết về tính toán hệ điều chỉnh tốc độ của
động cơ diezen để ứng dụng truyền động cho tàu thủy thì đề tài cần phải thí
nghiệm ở phòng thí nghiệm của trƣờng để quá trình thực hiện đề tài mới vừa
mang ý nghĩa lý thuyết lẫn ý nghĩa thực tiễn.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan những yêu cầu quan trọng chủ yếu của điều chỉnh
tốc độ động cơ Diezen.
- Trên cơ sở hệ điều tốc sẵn có của động cơ Diezen, tiếp tục nghiên cứu để
xây dựng đƣợc một sơ đồ cấu trúc hệ điều tốc có chất lƣợng tốt hơn.
- Từ sơ đồ cấu trúc đƣợc thiết kế, tính chọn bộ điều tốc hệ truyền động một
cách hợp lý, nghĩa là vừa thỏa mãn đƣợc yêu cầu truyền động, đồng thời có thể
tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng tại phòng thí nghiệm.
- Tiến hành khảo sát, tính toán, mô phỏng và tổng hợp để đánh giá chất
lƣợng hệ điều tốc, so sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết. Từ đó giúp ta
khẳng định đƣợc hệ điều tốc thỏa mãn yêu cầu và ứng dụng truyền động đƣợc
cho tàu thủy.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2
- Xây dựng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID tuyến tính. Từ đó tính
toán sơ bộ, mô phỏng để kiểm tra chất lƣợng của hệ.
- Ứng dụng những bộ điều khiển thông minh để nâng cao chất lƣợng
hệ thống.
3. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc
- Trình bày một cách tổng quan về hệ điều tốc, trong đó có những bộ điều
tốc ứng dụng trong tàu thủy.
- Chọn đƣợc phƣơng án hệ truyền động thích hợp, từ đó tính toán nhằm
đảm bảo độ ổn định của hệ để ứng dụng cho bộ điều tốc.
- Thí nghiệm thành công hệ truyền động trong phòng thí nghiệm nhà
trƣờng để kiểm chứng với lý thuyết.
- Xây dựng đƣợc hệ điều khiển vị trí cho hệ điều tốc, từ đó khảo sát sơ bộ
với bộ điều khiển PID tuyến tính.
- Nâng cao đƣợc chất lƣợng hệ thống khi ứng dụng các bộ điều khiển
thông minh.
- Đề xuất ứng dụng hệ điều tốc Diezen cho tàu thủy.
4. Nội dung luận văn
Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về hệ điều tốc của động cơ Diezen
Chƣơng 2: Tính toán khảo sát hệ điều khiển truyền động tốc độ Diezen
Chƣơng 3: Nâng cao chất lƣợng hệ điều khiển vị trí ổn định tốc độ động cơ
Diezen bằng bộ điều khiển mờ trƣợt
Chƣơng 4: Thí nghiệm và ứng dụng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

3
NỘI DUNG
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU TỐC CỦA ĐỘNG
CƠ DIEZEN
Động cơ Diezen đƣợc ứng dụng trong tàu thủy dùng để kéo chân vịt, kéo
máy phát điện và hệ thống tời. Những thiết bị này thƣờng trong quá trình làm
việc cần phải điều chỉnh và ổn định tốc độ.
Để ổn định tốc độ của động cơ Diezen thì những loại động cơ Diezen đƣợc
ứng dụng trong tàu thủy là những động cơ Diezen phải đƣợc điều chỉnh và ổn
định tốc độ thông qua bộ điều tốc. Chất lƣợng của hệ điều chỉnh và ổn định tốc độ
động cơ Diezen này phụ thuộc nhiều đến bộ điều tốc. Vì vậy, trong bản luận văn
này sẽ nghiên cứu, khảo sát, tính toán và tìm phƣơng pháp để nâng cao chất lƣợng
bộ điều tốc. Từ đó nâng cao chất lƣợng cho các hệ truyền động trên tàu thủy.
Tùy theo công suất và chất lƣợng ổn định tốc độ của tàu thủy mà mỗi loại
động cơ Diezen có một loại bộ điều chỉnh tốc độ khác nhau. Do đó, phần tiếp
theo chúng ta sẽ nghiên cứu về các bộ điều tốc.
1.1. Phân loại
Hiện nay, các loại bộ điều tốc lắp trên động cơ Diezen rất đa dạng, phụ
thuộc vào công dụng và đặc tính động cơ. Trong thực tế, để giúp cho các nhà
chế tạo và khai thác có cùng khái niệm nhằm nhận dạng và phân loại đƣợc bộ
điều tốc, ngƣời ta thƣờng phân chúng ra thành các nhóm. Việc phân loại bộ điều
tốc thƣờng đƣợc tiến hành dựa trên những tiêu chuẩn tiêu biểu khác nhau.
1.1.1. Trên cơ sở truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cơ cấu điều chỉnh
- Bộ điều tốc hoạt động trực tiếp
- Bộ điều tốc hoạt động gián tiếp
Nếu khớp trƣợt của bộ điều chỉnh nối trực tiếp với cơ cấu điều chỉnh của

đối tƣợng thì bộ điều tốc này là bộ điều tốc hoạt động trực tiếp. Còn bộ điều tốc
đƣợc trang bị thêm động cơ trợ động nối giữa khớp trƣợt của bộ điều chỉnh và
cơ cấu điều chỉnh của đối tƣợng gọi là bộ điều tốc hoạt động gián tiếp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




4
1.1.2. Trên cơ sở chế độ hoạt động của bộ điều chỉnh
- Bộ điều tốc một chế độ
- Bộ điều tốc hai chế độ
- Bộ điều tốc nhiều chế độ
- Bộ điều tốc giới hạn
1.1.3. Dựa trên cơ sở tín hiệu công tác của phần tử điều chỉnh
Trên thực tế có thể các bộ điều tốc đƣợc chế tạo dựa trên ứng dụng các tín
hiệu công tác khác nhau; chẳng hạn bộ điều tốc đó có thể sử dụng tín hiệu thủy
lực, cơ học hoặc điện để truyền các thông tin. Do vậy, dựa trên các loại tín hiệu
công tác khác nhau có thể phân loại:
- Bộ điều tốc cơ học
- Bộ điều tốc khí nén
- Bộ điều thủy lực
- Bộ điều tốc điện tử
1.1.4. Trên cơ sở nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh vòng quay
- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý độ lệch
- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý bù nhiễu
- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý kết hợp
1.1.5. Dựa trên cơ sở sử dụng các loại phản hồi khác nhau
- Bộ điều tốc có liên hệ phản hồi cứng

- Bộ điều tốc có liên hệ phản hồi ngƣợc mềm
- Bộ điều tốc có liên hệ phản hồi tổng hợp
Trong luận văn này, tôi chọn bộ điều tốc điện tử.
1.2. Các thông số đặc trƣng của bộ điều tốc
Bộ điều tốc có tác dụng giữ cho vòng quay không thay đổi hay thay đổi hay
thay đổi do tác động của con ngƣời, không phụ thuộc vào tải. Đặc tính của bộ
điều tốc đƣợc đặc trƣng bởi một số thông số chủ yếu sau.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5
1.2.1. Độ không đồng đều
Độ không đồng đều  trong quá trình điều chỉnh vòng quay là tỉ số độ
chênh lệch giữa vòng quay động cơ khi tăng từ 0 đến toàn tải (khi giữ nguyên vị
trí thanh răng bơm cao áp) với vòng quay trung bình:
=

nkt  n H
ntb

(1.1)

Trong đó:
n kt : Vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ không tải (v/ph)

n H : Vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ định mức (v/ph)
ntb = nkt  nH  /2: Vòng quay trung bình (v/ph)

 là mức độ sai số tĩnh của bộ điều tốc, nó đặc trƣng cho khả năng duy trì

vòng quay ban đầu,  càng nhỏ chất lƣợng bộ điều tốc càng cao, tuy nhiên khi
đó thời gian điều chỉnh tăng lên. Trong trƣờng hợp đƣờng đặc tính điều tốc
vuông góc với trục hoành (  =0) gọi là đặc tính siêu tĩnh (đặc tính isodrom).
Trong trƣờng hợp đƣờng đặc tính điều tốc có độ dốc (  >0) gọi là đặc tính tĩnh
định. Đối với động cơ Diezen kéo máy phát điện  = 0+5%.
1.2.2. Độ rộng vùng không nhậy
Nếu không có lực ma sát, khi vận tốc góc động cơ thay đổi rất ít cũng làm
dịch chuyển các cơ cấu bộ điều tốc. Thực tế, do ảnh hƣởng lực ma sát trong các
cơ cấu của bộ điều tốc và cơ cấu điều khiển nhiên liệu nên khi vận tốc góc thay
đổi nhỏ, bộ điều tốc không có phản ứng gì. Giới hạn thay đổi vận tốc góc tƣơng
ứng vùng không có phản ứng gọi là khu vực không nhậy. Chiều rộng khu vực
không nhậy thể hiện bằng độ không nhậy của bộ điều tốc  kn .
 kn =
 cb =

 ' cb "cb
;
 cb

(1.2)

 ' cb "cb
2

Trong đó:  'cb , "cb là giá trị vận tốc góc tại điểm biên của khu vực không
nhậy khi tăng và giảm vòng quay động cơ.
Trong các bộ điều tốc hiện đại lực ma sát khô rất nhỏ. Trong điều kiện làm

việc độc lập, độ không nhậy ảnh hƣởng không nhiều tới chất lƣợng làm việc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




6
động cơ. Khi làm việc song song, chỉ cần có độ không nhậy nhỏ cũng có thể gây
ra sai lệch lớn về công suất giữa các động cơ vì chế độ cân bằng của hệ thống
điều chỉnh có thể đƣợc xác lập ở bất kỳ chế độ phụ tải nào trong khu vực không
nhậy của động cơ.
Độ không nhậy của bộ điều tốc tăng lên phụ thuộc vào thời gian khai thác
động cơ và chất lƣợng chăm sóc bảo dƣỡng. Với các động cơ làm việc song
song mặc dù động cơ còn mới, bộ điều tốc giống nhau nhƣng vùng không nhậy
không hoàn toàn giống nhau nên khi hiệu chỉnh cần phải xem xét cẩn thận.
1.2.3. Độ thay đổi vòng quay tƣơng đối lớn nhất
Độ thay đổi vòng quay tƣơng đối lớn nhất  là tỷ số giữa biên độ dao
động vòng quay lớn nhất ( vận tốc góc lớn nhất ) trong thời gian chuyển tiếp với
vòng quay định mức:
=

 dd

H

=

ndd
nH

(1.3)

ndd ( dd )- Biên độ dao động vòng quay (vận tốc góc) lớn nhất trong quá

trình chuyển tiếp.
Giá trị thay đổi vòng quay tƣơng đối lớn nhất  phụ thuộc vào chất lƣợng bộ
điều tốc, trạng thái kỹ thuật, chất lƣợng quá trình cháy của động cơ và các hệ thống
phục vụ, phụ thuộc vào phƣơng pháp và mức độ thay đổi tải theo độ quy định của
Đăng kiểm độ quá điều chỉnh có giá trị cao nhất 10% vòng quay định mức.
1.2.4. Độ không ổn định vòng quay tƣơng đối
Độ không ổn định vòng quay tƣơng đối  là tỷ số giữa biên độ vòng quay
khi động cơ làm việc ứng với chế độ ổn định với vòng quay ổn định tƣơng đối
( định mức, không tải v.v..)
=

 s

H

hay

 s

 kt

(1.4)

Trong đó : s - Biên độ dao động vận tốc góc ứng với chế độ ổn định
 H ,  kt - Vận tốc góc ứng với chế độ ổn định (chế độ định mức và

không tải)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7
1.2.5. Thời gian điều chỉnh
Thời gian điều chỉnh t ct là thời gian tính từ lúc bắt đầu thay đổi tải tới lúc
biên độ dao động vòng quay nằm trong giới hạn không ổn định cho phép. Thời
gian t ct cũng phụ thuộc vào loại và chất lƣợng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật
của động cơ và các hệ thống phục vụ, phƣơng pháp và mức độ thay đổi tải đối
với động cơ Diezen lai máy phát, thời gian điều chỉnh không lớn hơn 5(s).
1.3. Bộ điều tốc điện tử
1.3.1. Sơ đồ hệ thống
Sơ đồ khối bộ điều tốc điện tử:

Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ điều tốc điện tử của động cơ Diezen
Giới thiệu sơ đồ: Có 2 khối chính:
1. Động cơ Diezen
2. Khối còn lại: Bộ điều tốc điện tử, bao gồm:
- Cơ cấu chấp hành của bộ điều tốc
- Động cơ truyền động cho khâu chấp hành
- Bộ điều khiển của hệ điều tốc
- P/U: Cảm biến vận tốc
- Tín hiệu đặt – đầu vào của bộ điều tốc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

8
- Bộ điều khiển PID
- Fue limiter, L.S.S, Scav limiter: Khâu giới hạn dầu
1.3.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống
 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ Diezen:
Với 1 lƣợng đặt nhất định, thông qua bộ điều khiển PID; tín hiệu ra qua
khâu L.S.S (khâu giới hạn dầu). Tiếp đó tín hiệu ra khâu giới hạn dầu đƣợc đƣa
vào động cơ truyền động để điều khiển cơ cấu điều tốc điều chỉnh lƣợng mở vị
trí DEC  INC.
Với 1 lƣợng đặt nhất định thì DEC  INC ở 1 vị trí nhất định  bơm
dầu làm việc ở 1 chế độ nhất định  tốc độ quay Diezen ở 1 tốc độ nhất định.
Vậy khi ta thay đổi tín hiệu đặt thì tín hiệu ra thay đổi.
Ví dụ:
- Khi chạy thử, tín hiệu vào nhỏ  tốc độ ra thấp.
- Khi làm việc ổn định: Tín hiệu vào bằng giá trị đặt ổn định  tín hiệu ra ổn
định.
 Nguyên lý tự ổn định của hệ thống:
Trong quá trình làm việc, phụ tải của Diezen thay đổi thì tốc độ Diezen
thay đổi  tín hiều đƣa về thay đổi, tín hiệu này so sánh với tín hiệu đặt, thông
qua bộ điều khiển PID đƣa vào điều khiển hệ thống  thay đổi lƣợng dầu  ổn
định tốc độ.
Ví dụ:
Phụ tải tăng  tín hiệu đƣa về so sánh giảm, mà tín hiệu đặt là cố định 
tín hiệu đƣa vào PID tăng  điều chỉnh cơ cấu DEC  INC mở lớn hơn, lƣợng
dầu vào nhiều hơn  tốc độ tăng.
Khi phụ tải giảm  tín hiệu đƣa về so sánh tăng, mà tín hiệu đặt là cố
định  tín hiệu đƣa vào PID giảm  điều chỉnh cơ cấu DEC  INC mở nhỏ
hơn, lƣợng dầu vào ít hơn  tốc độ giảm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

9

Kết luận chƣơng 1:
Thông qua việc tìm hiểu tổng quan về hệ điều tốc của động cơ Diezen, có
nhiều loại bộ điều tốc khác nhau, trong luận văn tôi chọn bộ điều tốc điện tử.
Sau khi nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ điều tốc điện tử,
tôi thấy bộ điều tốc này thích hợp với việc điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ
Diezen ứng dụng truyền động trong tàu thủy.
Tiếp theo luận văn sẽ trình bày các biểu thức tính toán và khảo sát hệ điều
khiển truyền động tốc độ động cơ Diezen.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




10
CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN KHẢO SÁT HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN
ĐỘNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DIEZEN
2.1. Xây dựng sơ đồ khối hệ điều khiển ổn định vị trí
Để ổn định tốc độ cho động cơ Diezen thì cần phải xây dựng hệ điều khiển
chuyển động ổn định vị trí của van dầu Diezen. Sơ đồ khối của hệ điều khiển
chuyển động tốc độ Diezen đƣợc xây dựng với các giả thiết và điều kiện sau:
- Khi thay đổi vị trí cơ cấu DEC  INC (cơ cấu điều chỉnh lƣợng dầu) thì
lƣợng dầu thay đổi thông qua bơm dầu và tốc độ động cơ thay đổi. Nhƣ vậy qua
giả thiết này thì vị trí của bơm tỷ lệ thuận với tốc độ bơm dầu.

- Trong sơ đồ này động cơ truyền động cho cơ cấu điều khiển vị trí van dầu là
động cơ phải ổn định đƣợc tốc độ trong quá trình làm việc.
- Với cách đặt vấn đề và giả thiết trên, đồng thời dựa vào sơ đồ Hình 1.1 ta
xây dựng đƣợc sơ đồ khối hệ điều khiển chuyển động ổn định vị trí điều khiển
van dầu nhƣ sau:

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ điều khiển ổn định vị trí
2.2. Khảo sát và tính toán hệ truyền động ổn định tốc độ
2.2.1. Phân tích và chọn hệ truyền động
Với yêu cầu điều khiển chuyển động vị trí bơm dầu để điều khiển ổn định
tốc độ động cơ Diezen, dựa vào tính chất làm việc của hệ điều khiển chuyển
động này ta thấy các hệ tự động truyền động sau có thể ứng dụng để truyền động
cho bơm dầu:
- Hệ truyền động T-Đ
- Hệ truyền động xung điện áp động cơ điện 1 chiều ( PWM-Đ)
- Hệ truyền động biến tần – động cơ điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




11
- Hệ truyền động biến tần – động cơ điện xoay chiều Roto ngắn mạch
Bốn hệ truyền động trên đều có những ƣu điểm riêng, xong để ứng dụng
cho truyền động điều khiển chuyển động van dầu thì cần chọn hệ truyền động
thích hợp.
- Hệ truyền động T-Đ: Tuy thỏa mãn về mặt điều khiển, nhƣng sơ đồ mạch
phức tạp, công suất thƣờng lớn.
- Hệ truyền động biến tần – động cơ điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu, hệ truyền
động biến tần – động cơ điện xoay chiều roto ngắn mạch: Đây là hai hệ điều

khiển mới có nhiều ƣu điểm, nhƣng mạch động lực và mạch điều khiển rất phức
tạp, giá thành cao, công suất thƣờng lớn.
- Hệ truyền động xung điện áp – động cơ điện một chiều (PWM-Đ) có nhiều
ƣu điểm hơn, thể hiện là:
+ Sơ đồ mạch đơn giản
+ Dễ điều khiển
+ Giá thành hợp lý
+ Công suất từ nhỏ đến lớn
Với những ƣu điểm trên, trong luận văn này sẽ chọn PWM-Đ là hệ truyền
động cho bơm dầu.
2.2.2. Khảo sát và tính toán hệ truyền động PWM-Đ
2.2.2.1. Giới thiệu sơ đồ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




12
Hình 2.2: Sơ đồ tổng hợp hệ truyền động PWM-Đ
Trong đó:

Đ: Động cơ điện 1 chiều
MTX: Mạch tạo xung điều khiển
PWM: Bộ xung điện áp
T: Bộ chỉnh lƣu cung cấp điện áp 1 chiều cho PWM thông qua
mạch giữa C

Sơ đồ có 2 mạch vòng phản hồi: Mạch vòng phản hồi âm dòng điện để ổn
định dòng điện với bộ điều chỉnh dòng điện Ri, mạch vòng phản hồi âm tốc độ

để ổn định tốc độ với bộ điều chỉnh tốc độ R .
2.2.2.2. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM
Từ sơ đồ khối hệ thống truyền động xung điện áp- động cơ một chiều nhƣ
đã giới thiệu ở phần trên, ta có sơ đồ cấu trúc hệ thống nhƣ sau:

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM
Ở hệ điều chỉnh tự động, cấu trúc mạch điều khiển và thông số của bộ điều
khiển có ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng của hệ thống điều tốc. Vì vậy khi thiết
lập ta phải thực hiện các thuật toán nhằm đáp ứng các yêu cầu đặt ra. Một số tiêu
chuẩn thiết kế hay đƣợc sử dụng là tiêu chuẩn modul tối ƣu, tiêu chuẩn modul
đối xứng. Tùy theo các yếu tố cụ thể của hệ điều khiển vị trí tƣơng đối thƣờng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




13
đòi hỏi các chỉ tiêu chất lƣợng cao nhƣ thời gian quá độ ngắn, độ chính xác cao,
độ bền tốt.. với momen và tốc độ nằm trong giá trị cho phép.
2.2.2.3. Hàm truyền của các khâu trong hệ truyền động
Các biểu thức tính toán (xem phụ lục1).
2.2.3. Quá trình tổng hợp hệ truyền động
2.2.3.1. Tổng hợp bộ điều khiển dòng RI
Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện nhƣ sau:

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
Trong đó Tu =

L
: Hằng số thời gian điện từ của động cơ

R

R: Điện trở mạch phần ứng
L: Điện cảm mạch phần ứng
Ti = R.C : Hằng số thời gian của cảm biến (sensor) dòng điện

Bỏ qua ảnh hƣởng của sức điện động, ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn nhƣ sau:

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện
Các biểu thức tính toán (xem phụ lục 1).
2.2.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ R
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ nhƣ sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




14

Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ
Các biểu thức tính toán (xem phụ lục 1).
Với kết quả tổng hợp, ta xây dựng đƣợc sơ đồ cấu trúc hệ truyền động
PWM-Đ:

Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động xung điện áp động cơ
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ƣu modul ta có:
( p)
1
1
1

1
.

.
=
2 2
 d ( p ) 1  2Ts p  2Ts p K  1  2Ts p K 

(2.1)

Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ƣu đối xứng ta có:
( p)
1
1
1
1
.

.
=
2 2
3 3
 d ( p ) 1  4Ts p  8Ts p  8Ts p K  1  4Ts p K 

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

(2.2)