Bài tập lớn truyền động điện tự động

Bộ môn Lý thuyết chuyên ngành
BÀI TẬP LỚN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG


CL
1

CBD
CK
uc®

uv

- u
n

R
n

u *i -

ui

I

RI

=

+

B§
Ud

§

CK§

-

FX
n
FT

Giảng viên hướng dẫn: NGUYỄN MINH THƯ
Họ & tên sinh viên:
CAO XUÂN HỮU
Lớp:
ĐHTĐH CK10Z

Vinh, 30/04/2018


LỚP: ĐHTĐH CK10Z

BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Khoa Điện
Bộ môn Lý thuyết chuyên ngành

BÀI TẬP LỚN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG.
Họ và tên sinh viên: Cao Xuân Hữu

Lớp: ĐHTĐH CK10Z
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 điện T-Đ (Thyristor-động cơ điện một chiều) có sơ đồ nguyên lý
như hình vẽ.



CL
1

CBD
CK
uc®

uv

- u
n

R

u *i

-

ui

I

RI

n

+

B§

=

Ud

§

CK§

-

FX
n
FT

Hệ thống điều tốc hai mạch vòng tốc độ quay và dòng điện:
R - 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 áp p(điện áp đặt tốc độ); un (un=n) - điện hản hồi tốc độ,
u*i - điện áp đặt dòng điện; ui (ui=I) - điện áp phản hồi âm dòng điện

Bộ chỉnh lưu dùng sơ đồ cầu 3 pha, Hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu: Kb = 15+k. (k là

số thự tự sinh viên)

GVHD: NGUYỄN MINH THƯ

2

SVTH: CAO XUÂN HỮU


LỚP: ĐHTĐH CK10Z

BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Thông số động cơ:
Uđm

22
0
V

Iđm

16
0
A

Wđm

157

Rad

s

Rư

0,
3
Ω

Tốc
độ
định
mức

Hệ số
quá
tải

1000
vg/ph
út

1,5

l

Tổng trở
hệ
truyền

động
Rđ
0,5
Ω

Thời
gian
quán
tính
điện từ
Te
0,07 s

Hằng số
quán
tính cơ
học
Tm

Hệ số
phản
hồi
dòng
β

0,2+0,k

0,06

V

A

Hệ số
phản
hồi tốc
độ

d

0,08

Vs

Rad

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 imax %  5 %
Lượng quá điều chỉnh tốc độ khi khởi động không tải đến tốc
độ quay định mức nmax%  10 %
B/ Nội dung cần thực hiện:
1.
2.
3.
4.

Xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ.
Xác định tham số bộ điều khiển dòng (Ri).
Xác định tham só bộ điều khiển tốc độ (Rw).

Kiểm tra, đánh giá, hiệu chỉnh.

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

GVHD: NGUYỄN MINH THƯ

3

SVTH: CAO XUÂN HỮU


LỚP: ĐHTĐH CK10Z

BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

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 cô giáo đã 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 cô giáo: Nguyễn Minh Thư, em đã hoàn thành xong môn
học va bài tập lớn này.
Trong quá trình thiết kế đồ án, với kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án chắc
khó tránh khỏi các khiếm khuyết. Em rất mong được sự nhận xét góp ý của các thầy
cô giáo và các bạn để bản thiết kế của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Vinh, ngày 30 tháng 04 năm 2018
Sinh viên

Cao Xuân Hữu

GVHD: NGUYỄN MINH THƯ

4

SVTH: CAO XUÂN HỮU


LỚP: ĐHTĐH CK10Z

BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1. Xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ.
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 Toi. 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 Ton 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:

U -I R
220 - 160.0,3
Ceđm
F = đm đm u =
=0,172
n đm
1000
1
1
=
=5,814
=> K Đ =
Ceđm
F
0,172
=> độ sụt tốc độ của hệ thống trên đặc tính Tự nhiên với tải định mức.

I R
160.0,5

Dn đm = đm d =
=465,116 ( vòng)
Ceđm
F
0,172
=> sai lệch tĩnh trên đặc tính tự nhiên:

Dn đm
465,116
St( TN) % =
.100 =
.100 =31,75%
n đm +Dn đm
1000 +465,116

GVHD: NGUYỄN MINH THƯ

5

SVTH: CAO XUÂN HỮU


LỚP: ĐHTĐH CK10Z

BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Nhận xét:Ta thấy sai lệch tĩnh của đặc tính Tự nhiên hệ thốn hở rất lớn. Do đó thực
hiện hiệu chỉnh hệ thống kín với phản hồi âm tốc và với yêu cầu của hệ thống là không có
sai lệch tĩnh. Vì vậy ta sử dụng hệ thống điều tốc với phản hồi âm tốc có sử dụng bộ điều
chỉnh tỉ lệ có hệ số khuyếch đại Kb = 15+49 = 64 (bộ chỉnh lưu cầu 3 pha)

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

a. Đơn giản hoá sơ đồ cấu trúc.
Do Tm >> Te nên sự biến thiên tốc độ n hay EĐ 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    p  1  T�ip  1  5.103 p  1
với điều kiện:
1 1
c �
(1)
3 Toi 
Khi đó ta có sơ đồ sau khi xử lí gần đúng là:

GVHD: NGUYỄN MINH THƯ

6

SVTH: CAO XUÂN HỮU


LỚP: ĐHTĐH CK10Z

BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

b. Lựa chọn cấu trúc bộ điều chỉnh.
Từ sơ đồ cấu trúc ta có hàm truyền của đối tượng là:
K1
Wđt (p) 
 Te p  1  T�i p  1
với K1 =

bK b b ( 15 +k) 0,06.( 15 +49)
=
=
=7,68
Rd
Rd
0,5

và T�i  Toi    0,00344  0,00167  0,00501 s 
* Phân tích: - Mạch vòng dòng điện điều chỉnh quá trình quá độ của hệ thống,
nên dòi 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:
 p 1
WI (p)  WPI (p)  K pi 1
với τ1 = Te = 0,07(s) (do Te > TΣi)
1p
c. Xác định các tham số bộ điều chỉnh.
Ta có hàm truyền hệ hở của hệ thống sau hiệu chỉnh là:
K1K pi
K1K pi
KI

Wh (p) 

với K I 
1p  T�i p  1 p  T�i p  1
1
từ yêu cầu của hệ thống về max % �5% => tra bảng 2 ta được KITΣi = 0,5
0,5
0,5
0,5


 99,8
=> K I 
T�i Toi   0,00501
K It 1 99,8.0,07
=
=0,91
=> K pi =
K1
7,68
vậy hàm truyền của Bộ điều chỉnh được viết lại là:
t p +1
0,07p +1
Wi (p) =WPI (p) =K pi 1
=0,91.
t 1p
0,07p
d. Kiểm nghiệm các điều kiện gần đúng.
0,367
0,367


 73, 253
Với K IT�i  0,5  ci 
T�i
0,00501
Theo điều kiện (1) ta có:

GVHD: NGUYỄN MINH THƯ

7

SVTH: CAO XUÂN HỮU


LỚP: ĐHTĐH CK10Z

BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1 1
1
1
ci �

 139,073
3 Toi 3 0,00167.0,00334
=> điều kiện (1) được thoả mãn. Ngoài ra theo điều kiện của tần số cắt ta có:
1
1
ci � 
 199,6 thì với ωci = 73,253 cũng thoã mãn.

3 3.0,00167
Vậy Bộ điều chỉnh ta thiết kế là thoả mãn yêu cầu.
e. Thực hiện Bộ điều chỉnh.
Ta có sơ đồ nguyên lý:

Ta có:

K pi 

R pi

R pi =R oi K pi =0,91.1 =0,91( kW)

R oi

t
0,07
Cpi = 1 =
=76,9 ( mF)
R pi 0,91.103

1  Te  R pi Cpi  cho R oi  1k 
Toi 

R oi Coi
4

4T 4.0,00334
Coi = oi =
=13,36 ( mF)

R oi
1.103

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.

GVHD: NGUYỄN MINH THƯ

8

SVTH: CAO XUÂN HỮU


LỚP: ĐHTĐH CK10Z

BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
KI


với W  p   Id 
=> chia cả tử và mẫu cho KI ta được:
KI
*
2
U i T�i p  p  K I
WKI  p  
xử lí gần đúng:

T�i

KI

p2  1

KI

1

T�i

p  1 �1

KI
KI

p2  1

KI

p 1

p  1 với điều kiện là:

1 KI
cn �
3 T�i

 2

1
16,67
b
0,06
=
=
ta được: WKI ( p) =
1 p +1
1
p +1 0,01p +1
KI
99,8
1

16, 67
0, 01 p +1

* Sơ đồ cấu trúc trạng thái độngcủa hệ thống mạch vòng tốc độ:

16,67
0,01 p +1

* Biến đổi sơ đồ đưa về sơ đồ cấu trúc cơ bản ta được:

16,67g R dĐK
Tm p ( T�n p +1)

GVHD: NGUYỄN MINH THƯ

9

SVTH: CAO XUÂN HỮU


LỚP: ĐHTĐH CK10Z

BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

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
với điều kiện là:

1
1
cn �
3 T�n Ton
=> Sơ đồ cấu trúc sau xử lý gần đúng là:

 3

16,67g R dĐK
Tm p ( T�n p +1)

b. Lựa chọn cấu trúc bộ điều chỉnh.
* Phân tích: dựa vào sơ đồ ta thấy hệ thống phải chống nhiễu tốt, chịu tác động của tín
hiệu đặt.
=> hệ thống sau hiệu chỉnh là hệ thống điển hình loại II.

Ta có: hàm truyền đối tượng của hệ thống:
16,67g R dĐK
K2
Wđt ( p) =
=
Tm p ( T�n p +1) p ( T�n p +1)

16,67g R dĐK
16,67.0,08.0,5.5,814
=
=5,62
với K 2 =
Tm
0, 2 +0,49
Theo tối ưu đối xứng và với hàm truyền đối tượng như vậy tra bảng (9) ta được hàm
truyền của Bộ điều chỉnh:
 p 1
Wn  p   WPI  p   K pn 2
và phối hợp tham số τ2 = hTΣn
2 p
c. Xác định các tham số bộ điều chỉnh.
Chọn h = 6 => tra bảng 7 ta có:

Cmax
%  84,0 .
Cb

kiểm tra lại σnmax%:

n max % 

Cmaxđm
n
%.2    z  .
Cbđm
n
m

=84.2 ( 1,5 - 0) .

.

T�n

T

465,116 0,015
.
=1,277%
1000 0, 2 +0, 49

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

GVHD: NGUYỄN MINH THƯ

10

SVTH: CAO XUÂN HỮU

LỚP: ĐHTĐH CK10Z

BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

=> σnmax% = 1,277% ≤ 10% yêu cầu.
Vậy bộ điều chỉnh ta chọn là hợp lý.
Hàm truyền hở của hệ thống sau hiệu chỉnh:

WIIđt p   Wđt (p).W (p) 

K 2 K pn (2 p  1)
2 p  T�n p  1
2

với τ2 = hTΣn =6.0,015 = 0,08ms và K w 

h 1

2  hT�n 

2




K w (2 p  1)
p 2  T�n p  1
6 1

2.  6.0,08 

2

 546,875

K wt 2 546,875.0,08
=
=7,785
=> K pn =
K2
5,62
Vậy hàm truyền của BĐC được viết lại là:

Wn ( p) =WPI ( p) =K pn

t 2 p +1
0,08p +1
=7,785.
t 2p
0,08p

d. Kiểm nghiệm các điều kiện gần đúng.
Từ h = 6, tra bảng (4) ta được
với 2 

2

12,5
 1,71 => cn  2 

 7,31
cn
1,71 1,71

1
1

 12,5 . Kiểm tra với điều kiện (2) và (3) ta có:
T�n 0,08
cn  7,31 

1 KI 1
99,8

 47
3 T�i 3 0,00501

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.
cn  7,31 

GVHD: NGUYỄN MINH THƯ

11

SVTH: CAO XUÂN HỮU


LỚP: ĐHTĐH CK10Z

BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

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

Ta có:

K pn 

R pn

R pn =R on K pn =1.7,785 =7,785 ( kW)

R on

t
0,08
Cpn = 2 =
=1,028( mF)
R pn 7,785.103

2  Te  R pn Cpn  cho R on  1k 
Ton 

R on Con
4

4T 4.0,005
Con = on =
=20 ( mF)
R on 1.103

5. Xây dựng sơ đồ nguyên lý của hệ:

GVHD: NGUYỄN MINH THƯ

12

SVTH: CAO XUÂN HỮU


LỚP: ĐHTĐH CK10Z

BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

6. Mô tả hệ thống trên Matlab.

GVHD: NGUYỄN MINH THƯ

13

SVTH: CAO XUÂN HỮU

LỚP: ĐHTĐH CK10Z

BTL: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Đánh giá kết quả:
%
Từ đặc tính mô phỏng tốc độ ta thấy hệ thống ổn định, lượng quá điều khiển n max
nhỏ, thời gian điều chỉnh 1,4(s) thỏa mãn yêu cầu của công nghệ.

GVHD: NGUYỄN MINH THƯ

14

SVTH: CAO XUÂN HỮU