Đồ án môn học tổng hợp hệ thống truyền động điện

Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ, XÂY DỰNG PHƯƠNG
ÁN TRUYỀN ĐỘNG

1.1 Giới thiệu cơng nghệ/ bài tốn:
Thiết kế hệ thống truyền động điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập với
các số liệu ban đầu như sau:
 Nguồn điện xoay chiều 3 pha 220/380 V.
 Tải của hệ thống truyền động điện được cho như hình vẽ với: r1/r2 =4;TL= 25 Nm;
JL = 0.06 kg.m2 .

T1r1

Tem
Motor
JM

ωM
T2

TL

r2

Load
JL

Hình 1: Sơ đồ cơng nghệ hệ thống.
1.2 Phân tích u cầu cơng nghệ, đặc tính cơ của tải:
a) u cầu cơng nghệ:

-Sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập điều khiển tốc độ của tải
theo yêu cầu về tốc độ như Hình 2.
-Nguồn điện sử dụng : 220/380V, do đó cần sử dụng bộ biến đổi phù hợp.
-Hệ thống hoạt động ổn định, bám càng sát với đồ thị tốc độ mong muốn thì càng tốt.
-Sai số nằm trong khoảng cho phép.
-Điều khiển động cơ dễ dàng, điều khiển động cơ có đảo chiều quay.

ωL(rad/s)
Trang: 1


Đồ án mơn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện

100
4s
0

1s

6s

7s

t

3s

-110
Hình 2: Đồ thị tốc độ mong muốn của tải.
b) Đặc tính cơ của tải:

+ Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản của
máy sản xuất: Mc = f(ω) hay Mc = f(n)
Trong đó: ω - Tốc độ góc (rad/s).
n - Tốc độ quay (vg/ph)
Mc - Mơmen cản (N.m).
+ Phương trình đặc tính cơ của tải: Mc = Mco+ (Mđm – Mco)( )α
Trong đó: Mc - mơmen ứng với tốc độ ω.
Mco - mômen ứng với tốc độ ω = 0.
Mđm - mơmen ứng với tốc độ định mức ωđm.
+ Ta có các trường hợp số mũ α ứng với các tải:
Khi α = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy tiện, doa, máy
cuốn dây, cuốn giấy,....
Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làm việc càng thấp thì mơmen cản (lực cản) càng
lớn.
Khi α = 0, Mc = Mđm= const, tương ứng các cơ cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang máy,
băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt,...
Khi α = 1, mômen tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, tương ứng các cơ cấu ma sát, máy bào,
máy phát một chiều tải thuần trở.
Khi α = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạy gió,
máy nén.
Ở hệ thống này , momen cản là loại cơ cấu nâng hạ có α = 0
Mc = Mđm = const
ω(rad/s)
α=0

Trang: 2


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện

M(N/m)
M đm
Hình 3: Đồ thị đặc tính cơ của tải.

1.3 Chọn phương án truyền động:
Chọn phương án truyền động là dựa trên các u cầu cơng nghệ và kết quả
tính chọn cơng suất động cơ, từ đó tìm ra một loạt các hệ truyền động có thể
thỏa mãn yêu cầu đặt ra. Bằng việc phân tích, so sánh các chỉ tiêu kinh tế, kỹ
thuật các hệ truyền động này kết hợp tính khả thi cụ thể mà ta có thể lựa chọn
được một vài phương án hoặc một phương án duy nhất để thiết kế.
Lựa chọn phương án truyền động tức là phải xác định được loại động cơ
truyền động một chiều hay xoay chiều, phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp
với đặc tính tải, sơ đồ nối bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động.
Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều (có chổi than) là:
 Điều chỉnh điện áp phần ứng
 Điều chỉnh từ thơng kích từ
 Kết hợp điều chỉnh từ thơng kích từ và điện áp phần ứng
Phương pháp điều chỉnh điện trở phụ trong mạch phần ứng hầu như không được sử
dụng trong các hệ có yêu cầu chất lượng cao do tổn hao công suất.
-

Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có đáp ứng được đặc trưng bằng hằng

-

số thời gian có giá trị nhỏ.
Ngược lại, hằng số thời gian đặc trưng cho đáp ứng của phương pháp điều chỉnh
từ thơng kích từ có giá trị lớn hơn gấp 10-100 lần so với phương pháp điều chỉnh

-

điện áp phần ứng.
Hằng số thời gian lớn làm cho phương pháp điều chỉnh từ thơng kích từ có đáp

-

ứng chậm.
Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phù hợp cho việc điều chỉnh tốc độ
động cơ dưới tốc độ định mức. Cịn phương pháp điều chỉnh từ thơng kích từ phù
hợp để điều chỉnh trên tốc độ định mức.
Trang: 3


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện
-

Các phương pháp điều chỉnh truyền động hiện đại: bộ điều khiển được tự động
điều chỉnh trong quá trình hoạt động dựa trên các tham số(dã được nhận dạng) của

-

động cơ và của các thành phần khác trong hệ.
Phương pháp điều chỉnh nối tầng thường được sử dụng phổ biến với đặc điểm:
+ mạch vòng dòng điện/momen đáp ứng nhanh.
+ mạch vòng tốc độ đáp ứng chậm hơn.
+ mạch vòng vị trị đáp ứng chậm nhất, hoặc không cần thiết.

Ở đây ta chọn phương án truyền động cho động cơ một chiều kích từ độc lập, có đảo
chiều và hoạt động ở 2 góc phần tư, điều khiển đảo chiều bằng cách thay đổi điện áp
phần ứng.

1.4 Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống truyền động điện:

1.5 Tính chọn cơng suất động cơ:
Nguồn động lực trong một hệ thống truyền động điện là động cơ điện. Các yêu cầu
kỹ thuật, độ tin cậy trong q trình làm việc và tính kinh tế của hệ thống truyền động
điện phụ thuộc chính vào sự lựa chọn đúng động cơ điện và phương pháp điều khiển
động cơ.
Chọn một động cơ điện cho một hệ thống truyền động điện bao gồm nhiều tiêu
chuẩn phải đáp ứng:
 Động cơ phải có đủ cơng suất kéo.
 Tốc độ phù hợp và đáp ứng được phạm vi điều chỉnh tốc độ với một phương
pháp điều chỉnh thích hợp.
 Thỏa mãn các yêu cầu mở máy và hãm điện.
 Phù hợp với nguồn điện năng sử dụng (loại dịng điện, cấp điện áp...).
 Thích hợp với điều kiện làm việc (điều kiện thơng thống, nhiệt độ, độ ẩm, khí
độc hại, bụi bặm, ngồi trời hay trong nhà...).
Trang: 4


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện
Việc chọn đúng cơng suất động cơ có ý nghĩa rất lớn đối với hệ truyền động điện.
Nếu nâng cao công suất động cơ chọn so với phụ tải thì động cơ sẽ kéo dễ dàng
nhưng giá thành đầu tư tăng cao, hiệu suất kém và làm tụt hệ số công suất cosθ của
lưới điện do động cơ chạy non tải. Ngược lại nếu chọn công suất động cơ nhỏ hơn
công suất tải u cầu thì động cơ hoặc khơng kéo nổi tải hay kéo tải một cách nặng
nề, dẫn tới các cuộn dây bị phát nóng quá mức, làm giảm tuổi thọ động cơ hoặc làm
động cơ bị cháy hỏng nhanh chóng.
Để tính chọn cơng suất động cơ trong hệ thống có điều chỉnh tốc độ cần phải biết
những yêu cầu cơ bản sau:
a) Đặc tính phụ tải Pyc(ω), Myc(ω) và đồ thị phụ tải: Pc(t), Mc(t),ω(t);

b) Phạm vi điều chỉnh tốc độ: ωmax và ωmin.
c) Loại động cơ (một chiều hoặc xoay chiều) dự định chọn.
d) Phương pháp điều chỉnh và bộ biến đổi trong hệ thống truyền động cần
phải định hướng xác định trước.
1.5.1 Xây dựng đồ thị mong muốn của động cơ:
Công thức:

ωL/ωM = r1/r2 =4 => ωM = ωL/4

ωM(rad/s)

25
4s
0

1s

6s

3s

-27,5
Hình 4: Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ.
1.5.2 Xây dựng đồ thị mô men mong muốn của tải:
Trang: 5

7s

t

Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện
Dựa vào đồ thị tốc độ mong muốn của tải và các thơng số đã cho,ta tính được mơ
men mong muốn của tải tại từng thời điểm:
Ta có T2 = TL + JL







Từ 0 đến 1s: T2 = TL + JL = 25+ 0,06.100 = 31 (N.m).
Từ 1 đến 3s: = 0  T2 = 25 (N.m).
Từ 3 đến 4s: T2 = TL + JL = 25+0,06.100 = 31 (N.m).
Tại 4s: t=0,1s  T2 = TL + JL = 25+0,06 = 91 (N.m).
Từ 4 đến 6s: = 0  T2 = 25 (N.m).
Tại 6 đến 7s: T2 = TL + JL = 25 +0,06.110 = 31,6 (N.m).

T2(N.m)
91

31,6

31
3131 25

t

0

1s

3s

4s

6s

7s

Hình 5 : Đồ thị momen mong muốn của tải.

1.5.3 Xây dựng đồ thị mô men mong muốn của động cơ:
Mô men quy về trục động cơ: Tem = T2 = T2 = 4*T2







Từ 0 đến 1s: Tem = 124 (N.m)
Từ 1 đến 3s: Tem = 100 (N.m)
Từ 3 đến 4s: Tem = 124 (N.m)
Tại 4s: Tem = 364 (N.m)
Từ 4 đến 6s: Tem = 100 (N.m)
Từ 6 đến 7s: Tem = 126,4(N.m)

Tem(N.m)

364

124

126,4
Trang: 6


Đồ án mơn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện
100
0

t
1s

3s

4s

6s

7s

Hình 6 : Đồ thị momen mong muốn của động cơ.

1.5.4 Lập biểu đồ phụ tải sơ bộ:
Quy đổi sang công suất động cơ:
Ta có: P = Tem.ωM
Trong đó: P là công suất động cơ
Tem là momen tải

ωM là tốc độ quay của roto
Từ 0 đến 1s: P= Tem.ωM = 124.25t = 3100t(w)
Từ 1 đến 3s: P= Tem.ωM = 100.25 = 2500(w)
Từ 3 đến 4s: P= Tem.ωM = 124.(100-25t) =12400-3100t (w)
Tại 4s: P= Tem.ωM = 364.(-27,5) = -10010(w)
Từ 4 đến 6s: P= Tem.ωM = 100.(-27,5) = -2750(w)
Từ 6 đến 7s: P= Tem.ωM = 126,4.(27,5t-192,5) = 3476t-24332(w)
P(w)

3100
2500
t(s)
1

3

4

6

-2750
-3476

-10010

Hình 7 :Đồ thị cơng suất động cơ.
Trang: 7

7

Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện
Công suất cực đại Pmax = 10010 W

Với P1 = 3100 W , t1 = 1s
P2 = 2500 W , t2 = 2s
P3 = 3100 W , t3 = 1s
P4 = 10010 W , t4 = 0,1s
P5 = 2750 W , t5 = 2s
P6 = 3476 W , t6 = 1s
=> Pđt =3116 (W)
Hệ số dự trữ k = 1,2 1,4 chọn k = 1,4
Vậy Pđt = 3116*1,4 = 4362,4(W)
Chọn động cơ loại LAK2132-2M-EM4976 của hãng TT Electric có các thơng số:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Điện áp định mức (VDC)
Công suất định mức (W)
Momen định mức (N.m)
Momen xoắn cực đại (N.m)
Tốc độ định mức (vòng/phút)

Dòng điện định mức (A)
Dòng điện cực đại (A)
Điện trở (ohms)
Cảm kháng (mH)
Khối lượng (kg)

110
4600
63.1
90
1500
51
67
0.162
0.0082
14

Kiểm nghiệm lại các thông số động cơ :
- n = 1500 vòng/phút => nc = 238 vòng/phút
 cần sử dụng hộp số giảm tốc ( gearbox )
tỉ lệ

n=

 chọn gearbox có các thơng số cơ bản sau :
Thông số
Tỷ số
Momen đầu trục
Momen lớn nhất
Tốc độ đầu vào

Giá trị
7:1
10
35
4000

Đơn vị
N.m
N.m
Vòng/p
Trang: 8


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện

-

Kiểm tra momen đông cơ :
momen đầu trục : T = TN = 63.1= 441.7 N.m
momen lớn nhất động cơ mong muốn Tmax = 364 < T =441.7=> thỏa mãn
 vậy động cơ đáp ứng được yêu cầu hệ thống truyền động.
1.6 Xác định các tham số của hệ thống:
1.6.1 Các số liệu ban đầu của động cơ
 Điện áp định mức: Uđm = 110 (V)
 Công suất định mức : Pđm = 4600 (W)
 Tốc độ quay định mức: nđm = 1500 (vòng/phút)
 Dòng điện định mức: Iđm = 51 (A)
 Mơmen qn tính của động cơ: J = 0
 Hằng số mômen Km = 0.59 (N.m/A)

 Hằng số thời gian của máy biến dòng: Ti = 0.001
 Hằng số thời gian của máy phát tốc: Tω = 0.01 (s)
1.6.2 Chọn thyristor cho mạch chỉnh lưu:
Điện áp ngược cực đại đặt lên van:

Unmax = knv.U2

Với U2 là điện áp pha hiệu dụng phía hạ áp của máy biến áp.
Ta có: Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:
Ud = ku.U..cosα = Udo.cosα

(2)

Từ cơng thức ta có thể suy ra: Điện áp trung bình lớn nhất của mạch chỉnh lưu khi
cosα =1 => α = 00
Từ (1), (2) suy ra điện áp ngược cực đại mà thyristor phải chịu:

U nmax 

k nv
3 6
.Ud
ku 
ku
 ;
Trong đó: k nv  6 ;

Theo đề yêu cầu ta có: Ud =Uđm= V Unmax= = 115 (V).
Trang: 9

(1)


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện
Để có thể chọn van hợp lý, điện áp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện áp làm
việc được tính từ cơng thức trên qua hệ số dự trữ điện áp ku =1,8.
Vậy điện áp ngược của van cần chọn:
Unv = = 207(V).
Dòng điện làm việc của van được tính theo dịng hiệu dụng của sơ đồ trên (Iv= Ihd).
Dịng điện hiệu dụng được tính: Ihd = khd.Id
Trong đó:
Ihd là dòng điện hiệu dụng của van.
Id là dòng điện trung bình của mạch chỉnh lưu.
khd là hệ số xác định dòng điện hiệu dụng. Hệ số này được xác định theo

1
bảng 8.2 (trang 249 sách ĐTCS của tác giả Lê Văn Doanh), ta có khd = 3 .
1
⇒ I1v= Ihd =khd.Id= 51 * 3 =29,5 (A).
Để van bán dẫn có thể làm việc an tồn, khơng bị đánh thủng về nhiệt, phải chọn
các thiết bị hệ thống van hợp lý. Với công suất tải trên ta chọn điều kiện làm việc của van
là có cánh tản nhiệt và có đủ diện tích tản nhiệt, khơng có quạt đối lưu khơng khí. Với
điều kiện trên thì van được phép làm việc tới 40%Iđm (đối với điều kiện làm mát bằng
nước thì dịng điện làm việc trên van có thể lên đến 90%Iđm.
Với điều kiện làm việc trên: I1v =

 10 �30  % I

đmv

.

Chọn I1v = 25%Iđmv hay hệ số dự trữ dòng điện ki= 4.
⇒ Iđmv = ki.I1v= 4*29,5 = 118(A).
Từ hai thông số Unv và Iđmv ta chọn 12 thyristor loại T210 N có các thơng số sau:

Thơng số

Giá Trị

Điên áp ngươc cưc đai cua van

Unmax = 300 V.

Dòng điên định mưc cua van

Imax = 210 A.

Đinh xung dòng điên

Ipikmax = 1000 A.

Dòng điên cua xung điêu khiên

Igmax = 150 mA.
Trang: 10


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện
Điên áp xung điêu khiên

Ugmax = 2,5 V.

Dòng điên rò

Irmax = 15 mA.

Sụt áp trên thyristor ở trang thái

ΔUmax = 2 V.

dẫn

du/dt = 500 V/s.

Tốc đô biên thiên điên áp

tq = 15  s.

Thời gian chuyên mach
Nhiêt đô làm viêc cưc đai cho

Tmax= 125oC.

phép

CHƯƠNG 2 MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

2.1 Mơ hình tốn học của động cơ:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập được sử dụng rộng rãi trong thực tế.Khi đặt

lên dây quấn kích từ một điện áp nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dịng điện và
mạch từ của máy sẽ có từ thơng Ф. Tiếp đó đặt một giá trị điện áp V lên mạch phần ứng
thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dịng điện ia chạy qua, tương tác giữa dịng điện
phần ứng và từ thơng kích từ tạo thành mơmen điện từ. Vậy ta có các phương trình cơ
bản của động cơ một chiều.
Để xây dựng mơ hình tốn học của động cơ một chiều kích từ độc lập ta xét động cơ
làm việc ở chế độ q độ. Các phương trình mơ tả động cơ điện một chiều:
Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:

Suất điện động cảm ứng:

Momen điện từ:

Phương trình mơ tả quan hệ điện-cơ:

Trong đó:

V : Điện áp mạch phần ứng.

Ra

ia : Dịng điện phần ứng.

La : Điện cảm mạch phần ứng.

e

Te : Mô men động cơ sinh ra.

: Sức điện động cảm ứng.

Trang: 11

: Điện trở mạch phần ứng.


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện
Chuyển qua miền Laplace:

Từ hai phương trình ta xây dựng mơ hình tốn học của động cơ một chiều như sau :

Hình 8 : Mơ hình tốn học động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Hàm truyền đạt của tốc độ/điện áp và tốc độ/momen tải:

Động cơ điện một chiểu kích từ độc lập là một hệ thống tuyến tính, vì vậy theo tính
xếp chồng đáp ứng của cả 2 đầu vào điện áp và momen tải chúng ta có:

2.2 Xây dựng mơ hình tốn học của các khâu trong hệ thống :
2.2.1 Mơ hình tốn học của Bộ biến đổi :
Để có thể đảo chiều cho động cơ, sử dụng hai mạch chỉnh lưu cầu có điều khiển đấu song
song ngược, điều khiển theo phương pháp điều khiển chung. Sơ đồ Bộ biến đổi như sau:

Trang: 12


Đồ án mơn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện

Hình 9 : Chỉnh lưu đảo chiều dùng 2 bộ biến đổi đấu song song ngược.
Điện áp ra của bộ chỉnh lưu :

Vdc =.U.cosα

trong đó: U- điện áp hiệu dụng của nguồn
α- góc kích mở thyristor
Chọn ngun tắc điều khiển thẳng đứng arccos ta có:

Suy ra

Vdc = .U.
Vdc =. .Vc
Vdc = Kr.Vc

với Kr = .

Trang: 13


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện

Uđb = Vcm.cosα => tại điểm giao nhau điện áp điều khiển Vc = Uđb = Vcm.cosα
Bộ chỉnh lưu hoạt động theo chu kì lấy mẫu của mạch điều khiển. Khoảng thời gian
lấy mẫu gây ra sự trễ của bộ biến đổi.
Khi thay đổi điện áp điều khiển, hoặc khi các thyristor thay đổi trạng thái đóng mở, thì
điện áp ra chưa thay đổi ngay lập tức.
Góc trễ có thể được hiệu chỉnh và sẵn sàng để thực thi trong khoảng 60 o giữa 2 khoảng
góc mở của 2 thyristor.
Vì vậy thời gian trễ có thể được lấy bằng một nửa khoảng trễ này:

Tr = x thời gian một chu kì = .
f = 50 (Hz) => Tr = 1.667 (ms)
Bộ chỉnh lưu do đó được mơ hình hóa bằng hàm trễ:

Gr(s) = Kr.

(1.5)

Trong trường hợp gần đúng ta có thể viết:

Gr(s) =

(1.6)

Vậy ta có mơ hình tốn của bộ chỉnh lưu hình cầu ba pha như sau:

Udk(s)

Kr
Tr.s + 1

Udc(s)

Hình 10: Mơ hình tốn chỉnh lưu hình cầu ba pha.
Trang: 14


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện
2.2.1 Mơ hình tốn học của Cảm biến :
a) Phản hồi dịng điện:
Mơ hình tốn học của phản hồi dịng điện có thể biểu diễn bằng một hệ số
khuếch đại Hc. Trong đa số trường hợp khơng u cầu có bộ lọc.
Trong trường hợp cần dùng bộ lọc, một bộ lọc thông thấp được sử dụng. Hằng số

thời gian dưới 10ms thường được sử dụng.
b) Phản hồi tốc độ:
Trong các hệ thống trước đây thường dùng máy phát tốc để đo tốc độ. Một bộ
lọc thơng thấp có hằng số thời gian dưới 10ms thường được sử dụng.
Hàm truyền đạt của khâu phản hồi tốc độ:

Gω =
Trong đó Kω - hệ số khuếch đại của cảm biến
Tω -hằng số thời gian của bộ lọc
2.3 Xây dựng mơ hình tốn học của cả hệ thống:
Tranformer
Fast acting
contactor

3
Three phase
ac supply

3

Field
winding
i

1/K t
*

Wr

+

_

Wmr

i a*

TC*

+

VC

_

ia
Speed
controller

Limiter

cos-1

+

Vdc-

Armature

Current

Controller
HC
Tach

Filter

Load

Thay thế mô hình hàm truyền đạt của động cơ điện một chiều kích từ độc lập đã
xây dựng ta có:

Trang: 15


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện
Three- phase
ac supply
Tl
*

ia

+

VC

i am

va

cos-1

_

+

e

Phasecontrolled
converter

Current
controller

1
R a +s.L a

_

ia

TC

Kb

+

_

Wm

1
Bl +sJ

Kb

HC

Giả thiết trường hợp mô-men tải tỷ lệ với tốc độ của động cơ và cho bởi công thức:
Biến đổi sơ đồ khối mô hình hàm truyền đạt của động cơ:
Bl
Tl (s)
V(s)
a

+

1
Ra+s.La

_

Ia (s)

K

T(s)
e

b

+

wm(s)

1

_

B1+ s.J

E(s)

K

V(s)
a

+

1
Ra+s.La

_

b

Ia (s)

Kb

T(s)
e

1

wm(s)

B 1+Bl + s.J

E(s)

Kb

V(s)
a

+

_

Ia (s)

1
Ra+s.La

1

wm(s)

B 1+Bl + s.J

E(s)

Kb
B 1+Bl + s.J

V(s)
a

1+s.Tm
K1
(1+s.T1 ).(1+ T2 .s)

Trong đó, các hàm truyền đạt và hệ số như sau:
Trang: 16

Ia (s)

Kb/ B t
1 +s.T m

Wm


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện
Kb
m (s)

Ia (s) Bl (1  s.Tm )

Ia (s)
1  s.Tm
 K1
Va (s)
(1  s.T1 )(1  s.T2 )

Tm 

J
Bt

Bt  B1  Bl
2

B R � 1 �B R � �K 2  R a .Bt �
1
1
1�

   � t  a �� � t  a � � b
�
T '1 T2
2 �J L a � 4 �J L a � � JL a
�

K1 

Bt
K  R a Bt
2

b

Hàm truyền của bộ biến đổi (đã xây dựng ở chương 2):
G r (s) 

Va (s)
Kr

vc (s) 1  s.Tr

Bộ điều khiển dòng điện và Bộ điều khiển tốc độ theo phương pháp hàm chuẩn đã
xác định là khâu PI:
G c (s) 

K c (1  s.Tc )
s.Tc

G s (s) 

K s (1  s.Ts )
s.Ts

Sơ đồ khối hàm truyền đạt của hệ thống:
i a*

*

Wr

+

_

Wmr

Gs(s)
Speed
controller

+

Gc (s)

_

ia
Limiter

Current
Controller

VC

Gc (s)
Coverter

HC

Gw(s)

Trang: 17

K1

1+s.Tm
(1+s.T1 ).(1+ T2 .s)

Kb/ B t
1 +s.T m

Wm


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện

CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

3.1 Sơ đồ các mạch vòng của hệ thống điều khiển truyền động điện:

3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện:
Trang: 18


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện

Sau một vài phép biến đổi sơ đồ khối, ta có hàm khuếch đại (loop gain function) của
mạch vòng dòng điện như sau:

Ta thấy hàm khuếch đại của hệ có bậc 4, vì vậy cần đơn giản hóa hàm truyền để việc tổng
hợp hệ thống được dễ dàng hơn.

Trong vùng lân cận của tần số cắt ta có thể xấp xỉ như sau:

Nhờ vậy hàm khuếch đại của hệ số có thể đước đơn giản hóa thành:

Trong đó hệ số K được xác định như sau:

Có thể thấy được các hằng số thời gian ở mẫu số của hàm truyền đạt cảu hệ có giá trị
khác nhau:

Nếu chúng ta chọn hằng số thời gian của bộ điều khiển dòng điện là :
Thì hàm khuếch đại của hệ thống sẽ được đơn giản thành hệ bậc 2 như sau:

Do đó, phương trình đặc tính của hệ kín như sau:

Phương trình đặc tính có thể được viết lại như sau:

Trang: 19


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện

Từ phương trình đặc tính ta có tần số tự nhiên và hệ số tắt dao động như sau:

Để hệ thống có đặc tính tính động học tốt thì có thể chọn hệ số tắt dao động bằng 0.707.
Vì vậy thay vào phương trình của ζ chúng ta có thể có:

Trong thực tế mơ hình của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, ta có :
và
Do đó ta có hệ số K có thể xấp xỉ thành:

Từ phương trình của hệ số K chúng ta giải ra hệ số khuếch đại của bộ điều khiển PI là:

Xấp xỉ mô hình mạch vịng dịng điện thành mơ hình bậc nhất
Để thiết kế mạch vịng tốc độ, mơ hình bậc 2 của mạch vòng dòng điện cần được thay
thế bằng một mơ hình xấp xỉ bậc nhất.
Mạch vịng dịng điện được xấp xỉ bằng cách cộng thêm hằng số thời gian trễ trong khối
bộ biến đổi vào hằng số của động cơ. Kết quả ta có hàm truyền đạt và sơ đối khối của
mạch vịng dịng điện như sau:

Trong đó:

Hàm truyền đạt có thể đơn giản hóa thành:
Trang: 20


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện

Trong đó:

3.2 Tổng hợp mạch vịng tốc độ:
Mạch vịng tốc độ sau khi đã sữ dụng xấp xỉ bậc nhất của mạch vịng dịng điện được
biểu diễn như trên hình vẽ. Trong đó hàm số khuếch đại (loop gain function) của hệ là:

Để giảm bậc của hệ thống, ta sử dụng phép xấp xỉ sau đây trong lân cận của tần số cắt:

Tiếp theo, ta xây dựng một hằng số thời gian tương đương với thời gian trễ của mạch
phản hồi tốc độ và thời gian của mạch vòng dòng điện. Tổng của hai thời gian trễ này rất
nhỏ so với hằng số thời gian tích phân. Do đó ta có sự xấp xỉ sau;

Trong đó:

Hàm truyền đạt của hệ kín như sau:

Trong đó:

Trang: 21


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện
Hàm truyền này được tối ưu để có dải tần số rộng và biên độ bằng 1 trong dải tần số đó.
Biên độ của hàm truyền được cho bởi phương trình:

Bằng cách làm cho các hệ số của và bằng 0 chúng ta có:

Thay các điều kiện này bằng các tham số của động cơ và bộ điều khiển chúng ta có:

Từ các phương trình cân bằng hệ số ở trên, cuối cùng ta có:

Thay các phương trình của hệ số và vào hàm truyền đạt của hệ kín, chúng ta có:

Với hàm truyền hệ kín như trên, hệ sẽ có độ quá điều chỉnh lớn. Do đó một khâu bù được
thêm vào phía trước để giảm độ quá điều chỉnh:

CHƯƠNG 4

MƠ PHỎNG, KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
CHẤT LƯỢNG

4.1 Mơ phỏng hệ thống trên phần mềm MATLAB-Simulink :

Trang: 22


Đồ án môn học:Tổng hợp hệ thống Truyền động điện

Trang: 23