Tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ theo sơ đồ hệ triristor - động cơ một chiều với hai vòng điều chỉnh mô men và tốc độ.

1. 0
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
KHOA KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN
TIỂU LUẬN
MÔN HỌC: Phân tích và Tổng hợp hệ thống
Điều khiển truyền động điện.
Chủ đề: Tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ
theo sơ đồ hệ triristor - động cơ một chiều
với hai vòng điều chỉnh mô men và tốc độ.
Người hướng dẫn : Phạm Tuấn Thành
Học viên thực hiện :
Lớp :
HÀ NỘI 2012

2. TIỂU LUẬN MÔN HỌC
PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Phương án số 4
ĐỀ BÀI :
Tổng hợp hệ thống điều chỉnh tốc độ theo sơ đồ triristor - động cơ một chiều
với 2 vòng điều chỉnh mô men và tốc độ.
Tính toán thông số của vòng điều chỉnh mô men và đánh giá độ chính xác
điều chỉnh mô men.
Số liệu động cơ : Kiểu động cơ môt chiều kiểu vỏ bảo vệ, kích từ độc lập
- Công suất động cơ định mức: Pđm = 14KW
- Tốc độ động cơ đinh mức nđm = 1500v/ph.
- Dòng điện định mức Iuđm= 73,5A.
- Bội số cho phép của dòng khởi động 1= 2,2
- Điện trở tổng phần ứng Rư = 0,127 
- Mômen quán tính của động cơ Jđc = 0.16Kg.m2
.
- Số đôi cực 2p = 4
Bộ biến đổi :
- Điện áp ra : Uđm = 220V ; Điện áp điều khiển Uđkđm = 10V.
- Bội số quá tải ngắn hạn cho phép theo dòng điện KI = 1,2
- Điện trở tương đương mạch lực của bộ biến đổi Rbđ = 0,06
- Hằng số thời gian của bộ biến đổi Tbđ = 0,01
Các tham số khác:
Mô men quán tính qui đổi về trục động cơ của phụ tải : Jqđ = 3,0Jđc .Điện cảm
mạch phần ứng xác định theo công thức : u
30.
3,14. . .
U
L c
p n I
 với c = 0,6 ; p là số đôi
cực ; U,n,I lấy giá trị định mức của động cơ. Trong mạch phần ứng mắc điện trở
Sơn loại 75mV với Is = 1,5 Iđm. Hệ đát trích dòng KđI = 100.
Vòng điều chỉnh tốc độ chỉnh định theo tiêu chuẩn tối ưu môđun.
Số liệu cho trước :
-Tốc độ không tải lí tưởng cực đại tương ứng với điện áp đặt tốc độ Uđmax = 10V.
- Hệ số sđđ máy phát tốc Kmf = 0,6 vs
- Gia tốc tính toán o = 100 1/s2
- Mômen tải Mc = Mđm.
Khảo sát động học của hệ thống bằng phương pháp giải tích và mô phỏng
nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi đột biến của tải đến chất lượng hệ thống
1

3. PHẦN 1
KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG BẰNG GIẢI TÍCH
(Phương án số 23)
Để điều chỉnh mômen cần có phản hồi âm cứng theo dòng điện.
Theo đầu bài đã cho ta có sơ đồ khối của hệ thống như sau :
H×nh 1.1: S¬ ®å khèi cña hÖ thèng
Hệ thống có 2 mạch vòng điều chỉnh : Mạch vòng trong điều chỉnh dòng
điện với bộ điều khiển PI ( gồm Rv2,C2) và mạch vòng ngoài điều chỉnh tốc độ với
bộ điều khiển P (gồm R1 và Rv1).
Ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống :
H×nh1.2: S¬ ®å cÊu tróc cña hÖ thèng
Trong đó:- W(p) - là hàm truyền đạt của bộ điều chỉnh tốc độ
- WI(p) - là hàm truyền đạt của bộ điều chỉnh dòng điện
2
Uđ
Ubd
W
WI
�
�
1
T 1
R
p


�
.
1
bp
b
K e
T p




�
M
C.T
R
P

KI
K
C
UđI
ebd
E

-
-
-
Uph
UphI
Iư
Điều
chỉnh tốc
độ
Điều
chỉnh
dòng
điện
Bộ biến
đổi
triristor
Ti
Đatrích
dòng
RV2
Rph1 Rph2
R1
R2
C2
~
Uđ
ĐC FT
Rs
UđI
UphI
Uph
Ubd
ebd
Iư

4. -
�
1
bp
b
K e
T p




- là hàm truyền đạt của bộ biến đổi triristor, với b là thời gian
giữ chậm của bộ biến đổi , T là hằng số thời gian đặc trưng cho quán tính của bộ
lọc và bộ biến đổi được coi là thời gian không bù của vòng điều chỉnh : T=  + T
và hệ số biến đổi K bđ
Bộ điều khiển dòng chứa các phần tử tích phân (Rv2 , C2) nên ở chế độ xác
lập tín hiệu vào đầu vào của nó phải bằng 0, tức là :
UvI = UđI – UphI = UđI – KI.Iư = 0
Mặt khác : UđI = (Uđ- Uph)Kw = (Uđ-K. )Kw
Trong đó : UđI là điện áp ra của bộ điều khiển tốc độ đồng thời cũng là điện
áp đặt vào mạch vòng điều chỉnh dòng điện
UphI là điện áp phản hồi theo phản hồi âm dòng điện
KI hệ số phản hồi âm theo dòng điện
Uđ là điện áp đặt vào bộ điều khiển tốc độ
Uph là điện áp phản hồi âm tốc độ
Kw hệ số khuếch đại của bộ điều khiển tốc độ
K hệ số phản hồi âm theo tốc độ
Tín hiệu ra của bộ điều khiển dòng Ubđ là đầu vào của bộ biến đổi có tính đến
ảnh hưởng của các phần tử tích phân của bộ điều khiển trong quá trình quá độ trước
đó. Giá trị Ubđ phải đảm bảo s.đ.đ của bộ biến đổi cần thiết cho động cơ làm việc ở
chế độ xác lập
Động cơ với cấu trúc là 2 khâu có hằng số thời gian là Tư và TM, được bao bởi
mạch phản hồi âm theo s.đ.đ
Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập , khi từ thông kích từ  = đm
Ta có phương trình mô men của động cơ : M = C.Iư
Trong đó C = k. , ở đây k =
.
2
P N
a

( hệ số cấu tạo của động cơ)
Như vậy mô men tỷ lệ với dòng điện .
1.Tính toán thông số của vòng điều chỉnh mô men
Khi điều chỉnh mômen hệ truyền động điện ta coi mối liên hệ phản hồi bên
trong của s.đ.đ động cơ là nhiễu, nó có làm giảm độ chính xác điều chỉnh. Trong hệ
điều chỉnh tốc độ , khi xét vòng điều chỉnh mômen, tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu
modun với hàm truyền vòng hở có khâu tích phân thì sai số tĩnh theo mômen được
loại trừ.Khi tổng hợp vòng điêù chỉnh mômen ta ngắt vòng phản hồi s.đ.đ này. Ảnh
hưởng của nó đến độ chính xác động học được đánh giá thêm bằng cách đặt vào
một tác động nhiễu  = f(t).
Nếu ngắt bỏ vòng phản hồi s.đ.đ của động cơ thì ta có sơ đồ mạch vòng dòng
điện như sau :
3
Ubd
WI
�
�
1
T 1
R
p


�
1
b
K
T p
 
KI
UđI
ebd
-
UphI
Iư

5. Hình 1.3: Sơ đồ mạch vòng dòng điện
Biến đổi sơ đồ về dạng :
Bây giờ ta xác định các thông số của sơ đồ này :
- Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi Triristo :
  
�
m
�
�
k�
m
110
11
U 10
b
U
K
- Điện trở tổng mạch phần ứng :
Rư = 1,1(R ưđc+Rbđ) = 1,1(0.127+ 0,06) = 2,057 
(Hệ số 1,1 tính đến điện trở dây dẫn)
- Vì bài không cho T và  nên ta lấy hằng số thời gian :
T = T +  = 0,01s
- Hằng số thời gian phần ứng :
Tacó:

     
 
�
  
�
�
m �
m �
m
�
�
�
�
dc
30.
.
3
,14. . .
( �
i U =U 110 ;c=0,6; p=2; 1000 / 104.67 / ; 50 )
30.110
0,6. 0,0063
3,14.2.1000.50
0,0063
�
y T 0,0265
R 0,2376
U
L c
pnI
v V n n v ph rad s I I A
L H
L
V s
- Hàm truyền của đối tượng mạch vòng dòng điện là :
� � �
�
0I
� �
1 .
W ( ) . .
1 T 1 ( 1)(T 1)
b I
b
I
R K K R
K
p K
T p p T p p
 
 
 
   
Chỉnh định vòng điều chỉnh mômen theo tiêu chuẩn tối ưu modun thì với hằng
số thời gian nhỏ không bù ta nhận được hằng số thời gian của bộ biến đổi nghĩa là
hằng số tích phân của mạch vòng dòng điện TI = a.T= a.Tbđ , hằng số thời gian lớn
(trung bình) Tư sẽ được bù.
-Khi tối ưu modun thì hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng PI dạng là :
4
Ubd
WI
�
�
1
T 1
R
p


�
1
b
K
T p
 
KI
UđI
ebd
-
UphI
Iư
1
I
K
Iư

6. � �
I
� �
� � �
�
I
�
1 1
1
W ( )
. .
2 . .2
R ( 1
) R
.
�
�
�
y T .2 ( �
ngs�
t�
chph�
nc�
ab�
�
i�
uch�
nhPI)
R
I b I b I
I b
T P T P
p
K K K K TP
T P T P
T P
K K
T H
 

 

 
  


- Lúc này hàm truyền cả hệ hở mạch vòng dòng điện là :
WhI = WI .W0I .
1
I
K
=
�
�
�
1
.
.2
R
I b
T P
K K
T P



.
� �
�
.
( 1)(T 1)
b I
K K R
T p p


 
.
1
I
K
=
1
2 ( 1)
I
K
T P T P
  
-Tính hằng số thời gian mạch phản hồi bộ điều chỉnh : Tk = Rv2C2
Ta lấy Tk = Tư = 0,0265s .
Chọn Rv2 =10k => : 
  
2 4
0,0265
0.00000265 2,65
10
C F
- Tính giá trị hệ số khuếch đại phản hồi KI quay về đầu vào ta có :

  
2
�
I
2
S
s
. .
( �
i : K �
s�
bi�
n�
�
i c�
a�
i�
ntr�
s�
nngu�
nd�
ng)
0,075
K 0,001 /
1
,5.50
v
I S
ph
s
s
R
K K K
R
V h
U
V A
I
Lấy Rv2 = Rph2 ; KđI = 100 (bài cho)
Thay các giá trị vào ta có : KI = 0,001.100 = 0,1 V/A
- Tính hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh :


  
   
�
I
�
2 �
�
I
2 I
. 0,1.11
�
: T .2 .2.0,01 0,0926
R 0,2376
0,0265
�
y 0,286
T 0,0926
I b
k
v
K K
Tac T s
R T
v K
R
Từ đó xác định được : R2 = 0,286.Rv2 = 0,286.104
= 2,86K
-Tính dòng khởi động (ngắn mạch) : Inm = .I đm = 2,4.50 = 120A
-Điện áp cực đai tương ứng đưa đến bộ điều chỉnh dòng :
Umax = KI.Inm= 0,1. 120= 12V
5
Điều
chỉnh
dòng
điện
R2
C2
Rv2
Rph2
UphI
UđI Ubđ

7. -Tính hằng số C :

 
  
�
m �
m �
�
m
110 50.0,2376
0,9374 /
104,67
U I R
C V s
n
- Mômen điện từ ngắn mạch : Mnm = C.Inm= 0,9374.120 = 112,49Nm
- Hằng số thời gian điện cơ :
2 2 2
2. . 2.0,1.0,2376
0,054
0,9374
M
JR J R
T s
C C
 
   
­ ®
c ­
Để phân tích chính xác độ điều chỉnh mômen ta sử dụng công thức chung tính sai
số của bộ điều chỉnh và sơ đồ cấu trúc của bộ điều chỉnh momen như sau :
Sai số tĩnh là :
0M
H
( ) ( ).W ( )
( )
1 W ( )
v
M P p P
M P
P



 

Ở đây ta có :
    
  
 

   
 
 
( ) . ( ) ( 1) ( 1)
( )
( 1) 1
v e e
M p p TP a T P T P
M P
a T P T P
(1)
Từ biểu thức trên ta thấy sai số tĩnh của điều chỉnh mômen cả theo tác động điều
khiển và cả theo nhiễu (t) đều bằng 0 (vì P=0)
Sai số động cân bằng khi mômen thay đổi tuyến tính theo thời gian:
max max
1
( ) . ( ) .
dM dM
M t t M p
dt dt P
� � � �
 
�
� � � �
� � � �
Xác định theo (1) Thay P = 0 :
 

� �
  � �
� �ax
(0) .
M
dM
M a T
dt
(2)
Ta tiến hành phân tích ảnh hưởng của phản hồi bên trongtheo tốc độ (s.đ.đ) đến độ
chính xác điều chỉnh mômen trong quá trình quá độ truyền động điện. Giả thiết
rằng tốc độ động cơ thay đổi theo qui luật tuyến tính:
ax ax
( ) . ( ) p
m m
t t p
   
  
Thay (p) vào (1) Ta có sai số:
M(i)(0)=e.a.T.max (3)
Theo (3) thì trong QTQĐ do (t) thay đổi nên mối liên hệ phản hồi bên trong theo
s.đ.đ động cơ giá trị của mômen có thể khác nhiều với giá trị đặt . Như vậy giữa
đặc tính động và đặc tính tĩnh M = f(t) có sự khác biệt lớn. Với cùng một gia tốc
6
WPM
'
�
'
b�
T 1
b
K
P  e
T 1
e
P


K0M
U0M
UVM M

0

8. max thì khi đặc tính cơ càng cứng (e) sai khác nêu trên càng lớn. Hằng số thời gian
không bù T cũng ảnh hưởng tương tự.
Sự tồn tại của sai số theo biểu thức (3) có thể giải thích như sau : Trong quá trình
điều chỉnh để giữ cho mômen không đổi M = const thì khi tốc độ  tăng thì cần
phải tăng tốc độ 0 . Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc điện áp vì thế cần tăng
điện áp. Nói cách khác cần tăng tuyến tính điện áp ra của bộ điều chỉnh mômen.
Muốn vậy trên đầu vào bộ điều chỉnh PI của mômen cần phải duy trì một sai lệch :
Uv = UđM – KM.M.
Để đưa ra công thức thuận tiện để đánh giá sai số động trong QTQĐ khởi động và
hãm ta dựa vào công thức tính gia tốc : ax
nm c
m
M M M
J



  
 (4)
J Tổng mômen quán tính qui đổi
Ta có : M
(1 )
(5) �
�
�
yT �
ngs�
th�
i gian�
i�
nc�
(1 )
c nm
nm M e
M M M J
H
M T aT

 

 
 

Công thức này thuận tiện để đánh giá định tính và định lượng QTQĐ khi điều
chỉnh mômen.
Với vòng điều chỉnh mômen được chỉnh định theo tiêu chuẩn tối ưu môđun (a = 2)
khi cho mômen thay đổi nhẩy bậc Mv = Mnm , QTQĐ thay đổi mômen M= f(t) cho
ở hình sau (đường 1)
Đường cong 1 mô tả chính xác QTQĐ thay đổi mômen khi  = 0 (Rôto của động
cơ bị hãm cứng) .Khi có mômen đặt vào trục động cơ thì tốc độ thay đổi theo
phương trình:
c
d
M M J
dt


 
Sự thay đổi tốc độ gây ra sự khác biệt của đường cong thực tế 2 so với đường 1,
tốc độ càng lớn thì sự khác biệt càng lớn.
Đường cong 3 biểu diễn sự thay đổi tốc độ khi khởi động không tải (Mc = 0) ta thấy
trong giai đoạn quá độ ban đầu tốc độ biến thiên không tuyến tính . Sau khi đạt giá
trị tại bđ ,tốc độ biến thiên tuyến tính theo qui luật :
 = bđ + max.t
sai số cân bằng do tốc độ gây ra đối với mômen M xác định theo (5)
7
M
Mnm
Mcb
t
bđ
1
2
3
M
4,7T

9. Đặc tính thay đổi của mômen ở giai đoạn đầu đường cong 2 không khác nhiều
đường cong lý thuyết 1 ( = 0) sai khác này không đáng kể và không ảnh hưởng
đến đặc tính chung và thời gian QTQĐ. Vì vậy đường cong 2 có thể xây dựng theo
đường cong 1 : M = Mnm - M sau khi t = 4,7 T.
Theo (5) ta tính được sai số tương đối của quá trình điêù chỉnh mômen và dòng
điện khi khởi động không tải (Mc = 0 )
1 / 1 1
0,27
1 / . 1 0,054 / (2.0,01) 3,7
c nm
nm nm M
M I M M
M I T aT
 

  
    
 
Sai số tuyệt đối theo dòng điện (Mc=0) :
I = 0,27.Inm = 0,27.120 = 32.4 A
Khi mômen cản
   
 
�
m
�
m
�
m
4,5.1000
42,99
104,67
42,99
0,382
112.49
c
c
nm
P
M M Nm
n
M
Nm
M
Sai số tuyệt đối theo dòng điện:
1 / 1 0,382
. . .120 20
1 / . 3,7
c nm
nm nm
nm M
M M M
I I I
M T aT



  
    

2. Tính toán vòng điều chỉnh tốc độ
Sơ đồ cấu trúc hệ thống với 2 vòng điều chỉnh mômen và tốc độ
Ở đây vòng điều chỉnh mômen đã được chỉnh định theo tiêu chuẩn tối ưu
môdun (a = 2)
Đối tượng điều chỉnh của vòng điều chỉnh tốc độ gồm vòng kín điều chỉnh
mômen và khâu cơ học truyền động điện
0
1 1
W .
( 1) 1
M
M c M
K
a T P T P T P

  

 
Ở đây đã bỏ qua số hạng chứa P2
 


0
1 1
W .
1
M
M c M
K
a T P T P
(6)
Hằng số thời gian không bù là Tc = aT
Hàm truyền mong muốn mạch hở là :
8
U
đ W
2T ( 1) 1
M
C K
P T P
   
1
T
c M P

K

MC
M
U
đM -
-
-

10. 
  


H2
1
W
( 1)
M M
K
a a T P a T P
(7)
Hàm truyền của bộ điều chỉnh là
 
   

  
H2
0
W . .
W
W . . .
M c M
P
M
K T
K
K a a T
(8)
Đây là hàm truyền của bộ điều chỉnh tỷ lệ.
- Hệ số truyền mômen :   
0,1
0,1067
0,9374
I
M
K
K
C
- Độ cứng của đặc tính theo mômen : 

  
2 2
�
0,9374
3,698
0,2376
c
C
s
R
- Hệ số truyền tốc độ:



  
� ax
0m
ax
10
0,085
117,34
m
U
K vs
trong đó với 0max là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ được tính theo
công thức sau đây:
   
�
m
0max
110
117,34
C 0,9374
/ )
U
rad s
Thay vào (8) ta có :

   

  
. . 0,1067.3,698.0,054
6,266
. . . 0,085.2.2.0,01
M c M
P
K T
K
K a a T
* Cho điện trở phản hồi mạch điều chỉnh tỷ lệ R1 = 100K ta xác định được
điện trở vào kênh đặt tốc độ :

   
1
1
100
15
,97
6,26
v
p
R
R K
K
* Sức điện động máy phát khi tốc độ  = 0max = 104,67 rad/s là :
Eft = Kft .0max = 0,6 . 104,67 = 62,802V
* Tính điện trở vào kênh phản hồi tốc độ Rph1


v1 ft
ph1
� ax
R .E 15,97.62,802
R = = =
100,29K
10
m
U
- Tính toán đặc tính cơ :
Ta có phương trình :
9
W
1
2T ( 1) 1
M
K
P T P
   
1
T
c M P

Ko
U
đ 
MC
M
U
đI -
-
-
Tải bản FULL (file word 17 trang): bit.ly/2Ywib4t
Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ

11. �
I 0
1
. . (1 ) 1
M M
M
U K a T P T P
 

 
Trong đó : UđI = ( Uđ –Ko.).Kp
Bỏ qua số hạng chứa P2
ta có :
(Uđ - Ko.)Kp = KoM(2TP+1)M
M c M
p
o M
K T
K
K a a T

  


Ta có : (2TP + 1)M = k(đ - ) (9)
Với :
�
�
�
;
4
( ). (2 1)
K 4
c M
k
o
c M
o
T U
T K
U T
T P M
T

 

 

 


 
  
Phương trình đặc tính cơ (P = 0) là :




 
�
o
4
.
K c M
T
U
M
T
(10)
Phương trình này đúng trong giới hạn thay đổi tuyến tính của bbộ điều chỉnh tốc độ
khi (UđI – Ko)Kp < UđImax khi  = gh = omax – Mnm/ điện áp ra bộ điều chỉnh
tốc độ () cực đại khi < gh thì mômen M = Mnm = const
Vậy khi Iư �Inm =84 A phương trình đặc tính cơ là :





 
   
�
�
o
� � � �
4 .
.
K
1 4.0,01.0,9374
11.76 0,1877
0,085 3,698.0,054
c M
T C
U
I
T
U I U I
-Khi Uđ = Uđmax = 10V Thì = 117,6 -0,1877Iư
-Khi Uđ = 0,5Uđmax =5V Thì = 58,8–0,1877Iư
- Độ cứng của đặc tính cơ
10

omax
gh
Iư
Inm
o
Uđ
= 5v
Eb
= Emax
= 5v
5503996