Thiết kế điều khiển cho chỉnh lưu Tiristor 1 pha cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độc lập (Xung đơn)

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
ĐỀ TÀI: Thiết kế điều khiển cho chỉnh lưu Tiristor 1 pha
cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độc lập *
(Xung đơn)

1


 NỘI DUNG

 Phần I: Tổng quan đề tài
 Phần II: Thiết kế bộ điều khiển
 Phần III: Mô phỏng kiểm nghiệm thiết kế

2


Phần I: Tổng quan đề tài
 Đề tài: Thiết kế điều khiển cho chỉnh lưu Tiristor 1 pha cấp nguồn
cho động cơ một chiều kích từ độc lập
• Nội dung thiết kế: - Mơ hình hóa mạch vịng dịng điện
- Cấu trúc điều khiển
• Điều khiển xung đơn
• Mơ phỏng, kiểm nghiệm
 Sử dụng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng để điều khiển
tốc độ cho động cơ
3


Phần II: Thiết kế bộ điều khiển

Tạo
tín
hiệu
đặt

n*

+-

n

i* - i
+

Rn
Bộ
điều
khiển
tốc độ

Udk
Ri
Bộ điều
khiển
dịng
điện

function

Phát
xung

Chỉnh
lưu

M

Mạch
tạo
xung

Mạch điều khiển

Sơ đồ cấu trúc bài tốn

Tải

Nguồn
1 pha

Mạch lực
4


Phần II: Thiết kế bộ điều khiển
1. Nguyên tắc điều khiển:
• Ta sử dụng nguyên tắc điều khiển dọc

Sơ đồ khối mạch điều khiển

5


Phần II: Thiết kế bộ điều khiển
1. Nguyên tắc điều khiển:
• Ngun tắc điều khiển dọc
- Điều khiển góc mở a của Tiristor trong vùng
điện áp dương anod, cần tạo một điện áp tựa
dạng tam giác (thường gọi điện áp tựa là điện
áp răng cưa Urc)
- Điện áp một chiều so sánh với điện áp tựa. Tại
thời điểm (t1, t4) điện áp tựa bằng điện áp điều
khiển (Urc = Uđk) thì phát xung đk
- Tiristor được mở từ thời điểm có xung điều
khiển (t1, t4) cho tới cuối bán kì ( hoặc tới khi
dòng điện bằng 0)
6


Phần II: Thiết kế bộ điều khiển
1.1 Khối đồng pha và tạo điểm tựa
• Điện áp tựa sử dụng xung có dạng răng cưa sườn lên:

• Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thường gặp là điện áp
dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của thyristor
• Utựa tạo ra điện áp có dạng cố định
7

Phần II: Thiết kế bộ điều khiển
•1.2
  Khâu so sánh và khuếch đại

• Nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển,
• So sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển  Tìm thời điểm hai điện áp này
bằng nhau (Uđk = Urc)
• Tại thời điểm hai điện áp bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng
khuếch đại
Ur(t) =

8


Phần II: Thiết kế bộ điều khiển
1.3 Khâu tạo xung
• Có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor
• Xung để mở Tiristor có yêu cầu:
 Sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu Tiristor mở tức thời khi có xung
điều khiển (thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật)
 Đủ độ rộng (với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của Tiristor)
 Đủ công suất; cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp động
lực quá lớn)

9


Phần II: Thiết kế bộ điều khiển
 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha

10


Phần II: Thiết kế bộ điều khiển
2. Bộ điều khiển cho động cơ:
2.1 Mơ hình hóa động cơ DC
 Ta lựa chọn động cơ DC_01 trong Matlab, có các thơng số:
 Công suất định mức: Pđm = 5 HP ≈ 3730 W.
 Điện áp định mức:

Uđm = 240 V

 Dòng điện định mức: Iđm = 15.53 A
 Tốc độ định mức:

Nđm =1750 v/ph

 Phần ứng:

Ra = 2.581 Ω
La = 0.028 H

 Momen quán tính:

J= 0.02215 kg.m2

 Điện áp kích từ:

Ukt= 300 V

11


Phần II: Thiết kế bộ điều khiển
•   Phương trình đặc tính cơ:
2.2

 Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: V a = Ra * ia + La Eb
 Với Eb = k = Laf * Ikt
 Phương trình momen trên trục động cơ: Md = Mt + B(t) + J
= Kia = Laf * Ikt * ia

12


Phần II: Thiết kế bộ điều khiển
•  Phương trình vi phân của dịng điện phần ứng và tốc độ góc của động cơ

DC kích từ độc lập:
• = ia + Va(t)
• = ia(t) M(t)
Từ đó ta có sơ đồ cấu trúc của ĐCMC:
J: Momen
B: Hs ma sát

Mt(s)
Va(s)
+
-

+-

13


Phần II: Thiết kế bộ điều khiển
• Mối quan hệ giữa kích thích đầu vào và đáp ứng đầu ra:
=
 Ta sử dụng cấu trúc điều khiển 2 vòng phân cấp
 Khâu điều chỉnh tốc độ quay n ở vịng ngồi
 Khâu điều chỉnh dòng phần ứng Ia ở vòng trong
ref

+
+
-

Gn(s)

Va

+
-

Gi(s)
I

+
-

Ia
Eb

14


Phần II: Thiết kế bộ điều
khiển
• Với vịng điều khiển dịng điện:
A+
+
++
I

Gi(s)

• Mối quan hệ hàm truyền đạt:
• Sai lệch điều khiển :

Ua

Ia

+Eb

Ia(s) = b(s)

er(s) = [Iref (s)- Ia(s)]|Eb(s) = 0 = )
• Ảnh hưởng của điện áp Eb tác động đến mạch vịng điều khiển :
ed(s)|Iref(s) = 0 =

• Để er(s) = 0 và ed(s) = 0 thì bộ điều chỉnh Gc(s) phải thỏa mãn điều kiện:
Gi(s)|s=j = 0 (1 là là tần số góc sóng hài bậc 1 của dòng điện đặt và điện áp Eb )
15


Phần II: Thiết kế bộ điều khiển
• 

Sử dụng bộ điều chỉnh PI: Gi(s) = Gpi (s) = kp (1 + )
Với Ti = La/Ra

 Hàm truyền kín của mạch vịng dòng điện :

=
Hệ số kp của bộ điều chỉnh được xác định: kp =
Với: Tqd là hằng số thời gian quá độ
16


Phần II: Thiết kế bộ điều khiển
• 

Với vịng điều khiển tốc độ

• Bỏ qua độ trễ của mạch vịng dịng điện gây ra
ref
Gn(s)
• Mối quan hệ hàm truyền đạt:
(s) =
• Sai lệch điều khiển :

er(s) = [ref (s) - (s)] =
• Để e r(s) = 0 thì bộ điều chỉnh Gs(s) phải thỏa mãn điều kiện:
Gns(s)|s=j=0 ( là là tần số góc sóng hài bậc 1 của tốc độ đặt)
17


Phần II: Thiết kế bộ điều khiển
•  Sử dụng bộ điều chỉnh PI : G (s) = k (1+)
n
p

 Chọn hằng số thời gian tích phân: Ti =
 Hàm truyền kín của mạch vịng tốc độ :

=
 Hệ số kp : kp =
 Độ quá điều chỉnh của hệ sẽ rất lớn vì vậy cần có bộ hạn chế gia tốc lượng đặt (là
khâu tạo gia tốc dN/dt):

18


Phần II: Thiết kế bộ điều khiển

•   Chuyển đổi Ua ra Udk:
• Ta có:
Ua=Udo*cos()
Ua = Udo*cos
• Từ đó ta suy ra hàm quan hệ giữa Udk và Uư
Udk= *acrcos(

• Trong Matlab:

19


Phần III: Mô phỏng kiểm
nghiệm thiết kế
Mạch mô phỏng trên matlab

20


Phần III: Mô phỏng kiểm
nghiệm thiết kế
Kết quả mô phỏng: Vân tốc động cơ.

Kịch bản: Vận tốc đặt=80(rad/s) khi với T=5 tác động momen tải M=20(N.M)
21


Phần III Mơ phỏng kiểm nghiệm thiết kế
• Khởi động động cơ, tiến tới xác lập.

• Động cơ khi chịu tác động của momen
tải.

22


Phần III Mơ phỏng kiểm nghiệm thiết kế

Dịng điện phần ứng:
Khơng tải

Có tải

Nhận xét: Khi có momen tải do dịng điện phần ứng và momen động cơ tỷ lệ với nhau với hệ số và
momen động cơ được tính bằng công thức Md = Mt + B(t) + J .

23


Phần III Mô phỏng kiểm
nghiệm thiết kế
 Nhận xét và đánh giá kết quả:
• Đáp ứng tốc độ nhanh(nhỏ hơn 1s).
• Cả hai trường hợp có tải hay khơng có tải thì đáp ứng tốc độ
vẫn bám sát giá trị đặt ban đầu.
• Sai số lượng đặt và giá trị thực thấp(0.625%).
• Tồn tại quá điều chỉnh khi khởi động và thay đổi tải (quá điều
chỉnh 25%).

24


Cảm ơn thầy và các bạn đã
lắng nghe

25