Giáo trình Tổng hợp điều khiển hệ điện cơ: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Chia sẻ: Dương Hàn Thiên Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:137

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 của giáo trình "Tổng hợp điều khiển hệ điện cơ" cung cấp cho học viên những nội dung về: khái niệm và chỉ tiêu cơ bản của hệ điện cơ; tổng hợp hệ điều chỉnh tự động điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều; hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều nhiều mạch vòng;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Tổng hợp điều khiển hệ điện cơ: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNGNINH TS. Đỗ Chí Thành Ths. Nguyễn Văn Chung Ths. Bùi Thị Thêm GIÁO TRÌNH TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ DÙNG CHO TR NH Đ ĐẠI HỌC QUẢNG NINH - 2020
Lời mở đầu Giáo trình Tổng hợp điều khiển hệ điện cơ được biên soạn là nhằm cung cấp tài liệu học tập cho sinh viên học ở trình độ đại học, tài liệu giảng dạy của giảng viên ngành công nghệ điều khiển và tự động hóa của Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, phục vụ cho sự nghiệp đào tạo, cải cách giáo dục của Bộ Giáo dục và Đào tạo, đặc biệt là đào tạo theo hệ thống tín chỉ và còn làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật, kỹ thuật viên hiện đang công tác trong lĩnh vực Tự động hóa. Để đáp ứng yêu cầu đó, giáo trình đã giới thiệu một cách có hệ thống các kiến thức cơ bản, thể hiện đầy đủ các nội dung theo yêu cầu của chương trình đào tạo, giáo trình gồm 7 chương: Chương 1. Những khái niệm và chỉ tiêu cơ bản của hệ điện cơ; Chương 2. Tổng hợp hệ điều chỉnh tự động điều khiển tốc độ động cơ điên một chiều; Chương 3. Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều nhiều mạch vòng; Chương 4. Hệ thống truyền động tiristor - Động cơ (T-Đ); Chương 5. Hệ thống truyền động động cơ một chiều sử dụng bộ biến đổi một chiều - một chiều (xung điện áp); Chương 6. Các loại hình cơ bản của hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ - Hệ thống điều tốc điều chỉnh điện áp; Chương 7. Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ bằng phương pháp thay đổi tần số. Trong quá trình biên soạn, nhóm tác giả đã cố gắng bám sát đề cương của chương trình học phần đã được phê duyệt của Trường, kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy môn học này trong nhiều năm, đồng thời có chú ý đến đặc thù đào tạo các ngành của Trường. Tuy nhiên, trong quá trình biên soạn do điều kiện tài liệu tham khảo bị hạn chế nên chắc chắn rằng cuốn sách còn nhiều thiếu sót. Rất mong bạn đọc góp ý xây dựng. Xin chân thành cảm ơn. Các tác giả
CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ CHỈ TIÊU CƠ BẢN CỦA HỆ ĐIỆN CƠ 1.1. Khái niệm chung về hệ điện cơ 1.1.1. Khái niệm chung Hệ điện cơ là các hệ thống dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng và khống chế tự động cơ năng đó. Phần cơ bản của hệ điện cơ là hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện (ĐCTĐTĐĐ). Mục tiêu cơ bản của hệ ĐCTĐTĐĐ là phải đảm bảo giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc tác động của các đại lượng nhiễu lên hệ điều chỉnh. Hệ thống ĐCTĐTĐĐ có cấu trúc chung được trình bày trên hình 1.1. Hình 1.1. Cấu trúc chung của hệ ĐCTĐTĐĐ trong hình 1.1: M - là động cơ điện dùng để truyền động cho máy sản xuất (MSX). Động cơ (M) là khâu làm nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng để cung cấp cho máy sản xuất, động cơ điện có thể là động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều không đồng bộ và đồng bộ, các loại động cơ bước,… BĐ - là bộ biến đổi trong hệ thống thường có hai chức năng: Chức năng thứ nhất là biến đổi năng lượng điện từ dạng này sang dạng khác, thích ứng với động cơ truyền động; chức năng thứ hai là mang thông tin điều khiển để điều khiển các tham 1
số đầu ra của bộ biến đổi như: công suất P, điện áp U, dòng điện I, tần số f,…Bộ biến đổi ở đây có thể là: Khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, máy phát điện một chiều, bộ biến đổi bán dẫn,… R - là bộ điều chỉnh nhận tín hiệu thông báo các sai lệch về trạng thái làm việc của hệ thống tự động thông qua việc so sánh giữa tín hiệu đặt THĐ và tín hiệu đo lường các đại lượng đầu ra của hệ thống. Tín hiệu sai lệch này khi qua bộ điều chỉnh R sẽ được khuếch đại và tạo hàm chức năng điều khiển (tích phân, vi phân) sao cho đảm bảo chất lượng động và tĩnh của hệ thống tự động. Tín hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh được dùng để điều chỉnh bộ biến đổi (BBĐ). ĐL - là khâu đo lường có nhiệm vụ biến đổi dạng tín hiệu đầu ra về dạng tín hiệu điện áp hoặc dòng điện phù hợp với tín hiệu đặt và có giá trị tỉ lệ với đại lượng điều chỉnh đầu ra. Trong thực tế, các đại lượng điều chỉnh của hệ thống truyền động tự động có thể là mô men quay, tốc độ, vị trí. Để đảm bảo chất lượng của hệ, thường có nhiều mạch vòng điều chỉnh như: mạch vòng điều chỉnh điện áp, dòng điện, tốc độ, từ thông, vị trí,… 1.1.2. Phân loại hệ điện cơ Việc phân loại hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện thường có nhiều cách, tuỳ vào mục đích. a) Phân loại theo động cơ truyền động: - Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ một chiều; - Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ; - Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ xoay chiều đồng bộ; - Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ bước; …. b) Phân loại theo bộ điều chỉnh và tín hiệu vào bộ điều chỉnh: - Hệ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh tương tự (analog); 2
- Hệ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh số (digital); - Hệ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh lai tương tự - số (analog - digital); c) Phân loại theo cấu trúc hoặc thuật toán điều khiển: - Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển thích nghi; - Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển mờ. d) Phân loại theo nhiệm vụ chung: - Hệ ĐCTĐTĐĐ duy trì đại lượng điều chỉnh (đại lượng ra) theo lượng đặt trước không đổi. Ví dụ: Hệ duy trì tốc độ, … - Hệ ĐCTĐTĐĐ tùy động (hệ bám), là hệ điều khiển vị trí yêu cầu điều khiển tự động lượng ra theo lượng đặt biến thiên tùy ý. Các hệ này thường gặp ở các các hệ truyền động quay anten, ra đa, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, … - Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển chương trình, thực chất cũng là hệ điều khiển vị trí nhưng đại lượng điều chỉnh được điều khiển tự động tuân theo lượng đặt biến thiên theo một chương trình định trước. Đại lượng điều chỉnh trong hệ thống này thường là các quỹ đạo chuyển động phức tạp trong không gian, cho nên cấu trúc của nó thường nhiều trục. Chương trình điều khiển ở đây được mã hóa ghi vào bìa, băng từ, đĩa từ,… Chúng ta thường gặp các hệ điều khiển chương trình ở các trung tâm gia công cắt gọt kim loại, các dây chuyền sản xuất có robot. Hệ điều khiển chương trình có cấu trúc phức tạp nhất và thường được thiết kế ở dạng điều khiển số (NC) hoặc điều khiển số có sử dụng máy tính (CNC - Computer Numeric Control). 1.2. Các bài toán tổng hợp hệ thống Khi thiết hệ ĐCTĐTĐĐ ta cần phải đảm bảo thực hiện được tất các các yêu cầu đặt ra, đó là đáp ứng các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chất lượng và chỉ tiêu về kinh tế. Chất lượng của hệ ĐCTĐTĐĐ thường gồm chất lượng tĩnh và động. Trạng thái tĩnh, yêu cầu quan trọng bậc nhất là độ chính xác điều chỉnh. Đối với trạng thái động thì có yêu cầu về độ ổn định và các chỉ tiêu về độ quá điều chỉnh, thời gian quá trình quá độ, tốc độ điều chỉnh, tần số dao động,…trong đó yêu cầu về độ ổn định là quan trọng nhất. Cấu trúc mạch điều khiển, luật điều khiển và các 3
tham số của bộ điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ. Vì vậy, khi thiết kế hệ ta phải thực hiện các bài toán về phân tích và tổng hợp hệ để tìm ra lời giải hợp lý, sao cho đáp ứng được các yêu cầu về kĩ thuật và kinh tế đặt ra. Đối với bài toán tổng hợp hệ, người ta thường đưa ra ba loại bài toán: tổng hợp chức năng, tổng hợp tham số và tổng hợp cấu trúc - tham số. 1. Bài toán tổng hợp chức năng: thực hiện trong trường hợp đã biết cấu trúc và tham số của mạch điều khiển, ta cần phải xác định luật điều khiển đầu vào để hệ đảm bảo chất lượng. 2. Bài toán tổng hợp tham số: thực hiện khi đã biết cấu trúc và lượng tác động đầu vào của hệ, ta cần xác định các tham số của các bộ điều khiển. 3. Bài toán tổng hợp cấu trúc - tham số: thực hiện khi đã biết qui luật biến thiên của lượng đầu vào và ra của hệ, ta cần xác định cấu trúc của hệ và đặc tính, tham số các bộ điều khiển. Để thực hiện các bài toán tổng hợp hệ, ta có thể dùng phương pháp khác nhau, cụ thể, đối với hệ có cấu trúc đơn giản ta dùng phương pháp đặc tính tần số, phương pháp phân bố nghiệm, phương pháp hệ điển hình các loại và hàm chuẩn mô đun tối ưu, mô đun đối xứng. Đối với hệ có cấu trúc phức tạp, đặc biệt là hệ nhiều chiều thường áp dụng phương pháp không gian trạng thái hoặc tổng hợp hệ dùng máy tính số với các ngôn ngữ chuyên dụng. Với các hệ điều khiển số, tuy có đặc thù riêng về mô tả toán học, nhưng phương pháp tổng hợp về hệ cơ bản cũng dựa trên các phương pháp tổng hợp liên tục. Riêng đối với hệ phi tuyến cần có phương pháp tổng hợp riêng. 1.3. Các chỉ tiêu cơ bản 1.3.1. Các chỉ tiêu chung Để đánh giá các hệ điều chỉnh tự động truyền động điện người ta thường dựa vào một số đặc điểm và chỉ tiêu chung như sau: 1.3.1.1. Đặc tính phụ tải và đặc tính hệ truyền động điện Đặc tính phụ tải là mối quan hệ giữa mô men cản Mc và tốc độ của máy sản xuất. Tùy thuộc vào từng loại máy mà đặc tính tải có các dạng khác nhau: loại mô 4
men tải bằng hằng số (không phụ thuộc vào tốc độ), loại mô men tải tỉ lệ thuận với tốc độ, loại mô men tải tỉ lệ với bình phương tốc độ, loại mô men tải tỉ lệ nghịch với tốc độ,….Về tính chất, mô men tải có hai loại: mô men tải mang tính chất phản kháng và mô men tải mang tính chất thế năng. Hệ truyền động điện phải thiết kế sao cho đặc tính mô men cho phép của động cơ trong hệ phải phù hợp với đặc tính phụ tải để đảm bảo tối thiểu hóa công suất đặt. 1.3.1.2. Phạm vi điều chỉnh tốc độ: Là tỉ số giữa tốc độ làm việc cao nhất nmax (nmax là tốc độ đặc tính cơ cao nhất ứng với mô men tải (hoặc dòng điện) bằng định mức) và tốc độ làm việc thấp nhất nmin (nmin là tốc độ đặc tính cơ thấp nhất ứng với mô men tải (hoặc dòng điện) bằng định mức), phạm vi điều chỉnh thường được kí hiệu là D: n max D (1.1) n min 1.3.1.3. Độ trơn (độ bằng phẳng) điều chỉnh: Là tỉ số giữa hai cấp tốc độ liền kề nhau: n i 1  (1.2) ni với ni và ni+1 là cấp tốc độ thứ i và thứ i+1. Hệ điều chỉnh trơn hay vô cấp là hệ có   1. 1.3.1.4. Sai lệch tĩnh Sai lệch tĩnh là sai lệch tốc độ ở trạng thái ổn định được biểu diễn ở dạng tương đối hoặc tương đối phần trăm, với đặc tính thứ i có tốc độ không tải lý tưởng n0i và tốc độ tại tải định mức ni, sai lệch tĩnh được kí hiệu st hoặc st%: n oi  n i n 0i  n i st  st %  100% (1.3) n 0i n oi Điều kiện đảm bảo về sai lệch tĩnh: st  [s], với [s] sai lệch tương đối cho phép. Trong một số trường hợp sai lệch tương đối cũng được gọi là hệ số trượt. 1.3.2. Độ chính xác của hệ thống ĐCTĐTĐĐ trong chế độ xác lập và tựa xác lập 5
Các hệ điều chỉnh tự động nói chung cũng như hệ ĐCTĐTĐĐ nói riêng luôn đặt ra yêu cầu là đại lượng điều chỉnh phải bám theo tín hiệu đặt với một độ chính xác nào đó trong chế độ xác lập và tựa xác lập. Độ chính xác là một trong hai chỉ tiêu kĩ thuật quan trọng nhất của hệ thống tự động nói chung và hệ ĐCTĐTĐĐ nói riêng. Độ chính xác được đánh giá dựa trên cơ sở phân tích các sai lệch điều chỉnh của hệ, các sai lệch này phụ thuộc rất nhiều yếu tố. Trên cơ sở phân tích các sai lệch điều chỉnh ta có thể chọn được các bộ điều chỉnh, các mạch bù thích hợp để nâng cao độ chính xác của hệ thống. 1.3.2.1. Các hệ số sai lệch Hình 1.2. Sơ đồ khối (a) và đặc tính quá độ (b) Xét hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có sơ đồ cấu trúc tối giản như hình 1.2. Với F0(s) là hàm truyền hệ hở, hệ có phản hồi âm bằng 1 (phản hồi -1). Trong đó: - R(s), R(t) là tín hiệu vào; - C(s), C(t) là tín hiệu ra; - E(s), e(t) là tín hiệu sai lệch, với e(t) = R(t) - C(t); - Ni (i = 1,…n) là các tín hiệu nhiễu tác dụng lên hệ; - TM là thiết bị công nghệ (máy sản xuất). C  s   F  s  .R  s    Fi  s  .N i  s  (1.4) - F(s) là hàm truyền kín của hệ theo THĐ và được xác định theo biểu thức sau: - Fi(s) là hàm truyền của hệ đối với tín hiệu nhiễu thứ i. F0  s  F s   (1.5) 1  F0  s  Trong phương trên C(t) là nghiệm của phương trình vi phân không thuần nhất, bao gồm hai thành phần là thành phần nghiệm tự do và thành phần nghiệm 6
riêng, trong đó thành phần nghiệm riêng của C(t) theo R(t) sẽ chép lại R(t) với một độ chính xác nào đó. Các thành phần nghiệm riêng của C(t) theo các Ni(t) phải càng nhỏ càng tốt. Khi giả thiết các tín hiệu R(t) cũng như Ni(t) thỏa mãn điều kiện Mc.Laurin thì sai lệch điều chỉnh e(t) có thể biểu diễn ở dạng chuỗi hàm như sau: dR  t  di R  t  e  t   R  t   C  t   C0 .R  t   C1.  ...  Ci .  dt dt dN1  t  d i N1  t  +C0 N1 .N1  t   C1 N1  ...  Ci N1  dt dt +... dN n  t  di N n  t  +C0 Nn .N n  t   C1 Nn .  ...  Ci Nn  (1.6) dt dt +  t  Ci, CiNj với i = 1  , j = 1  n là các hằng số, (t) là thặng dư. Khi giả thiết bỏ qua tác động của các tín hiệu nhiễu và thặng dư, sai lệch của hệ được biểu diễn gọn lại: dR  t  di R  t  e  t   R  t   C  t   C0 .R  t   C1.  ...  Ci .  ... (1.7) dt dt Các hằng số C0, C1, …, Ci,…được gọi là các hệ số sai lệch. C0- Hệ số sai lệch vị trí; C1- Hệ số sai lệch tốc độ; C2- Hệ số sai lệch gia tốc. Một hệ có tất cả các hệ số sai lệch đều bằng không thì được gọi là hệ chính xác tuyệt đối. 1.3.2.2. Các biểu thức xác định các hệ số sai lệch a) Xác định các hệ số Ci theo hàm truyền sai lệch: Với giả thiết bỏ qua tác động của nhiễu, lúc này sai lệch của hệ thống chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào. Khi bỏ qua nhiễu thì: C(s) = F(s).R(s) R(s) E(s) C(s) F0(s) (-) Hình 1.3. Sơ đồ khối khi bỏ qua nhiễu. 7
Hàm truyền sai lệch theo tín hiệu vào: E s  Fe  s   (1.8) R s  F0  s  E s   R s   C s   R s   R s . (1.9) 1  F0  s  F0  s  1 Suy ra: Fe  s   1   (1.10) 1  F0  s  1  F0  s  Từ (1.7), suy ra: Fe  s   C0  C1s  C2s 2  ...  Ci .s i  ... (1.11) Kết hợp (1.8) với (1.11) rút ra: C0  lim Fe (s) s 0 1  C1  lim   Fe (s)  C0   s 0 s  1  C2  lim  2  Fe (s)  (C0  C1s)  (1.12)  s 0 s  .......  1  i 1   Ci  lim  i s 0 s  e F (s)   C js j     j 0   b) Xác định các hệ số Ci theo hàm truyền hệ thống kín Ta có thể xác định hàm truyền sai lệch của hệ theo hàm truyền hệ kín: R s   C s  Fe  s    1  F s  R s  (1.13) Dựa vào (1.12) và (1.13) nếu F(s) có dạng: b0  b1.s1  b 2s 2  ...  b ms m F s   m  n (1.14) 1  a1.s1  a 2s 2  ...  a n s n Kết hợp các biểu thức (1.12), (1.13) với (1.14) ta rút ra: C0  1  b 0   C1  a1  C0 a1  b1  C2  a 2   C0 a 2  C1a1   b 2   C3  a 3   C0 a 3  C1a 2  C 2a1   b3  1.15)  ...   i 1   Ci  a i    Cz .a i  z   bi   z 0   Chú ý: ai = 0  i > n, còn bi = 0  i > m. 8
Khi một hệ có với hàm truyền kín dạng (1.14) có m = n và b0 = 1, b1 = a1, b2 = a2, … và bm = am thì hệ sẽ có tất cả các hệ số sai lệch đều bằng không, tức hệ chính xác tuyệt đối. 1.3.3. Các tiêu chuẩn sai lệch 1.3.3.1. Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) Theo tiêu chuẩn này, chất lượng của hệ được đánh giá bởi tích phân sau:  T I   e 2  t  dt   e 2  t  dt (1.16) 0 0 giá trị T được chọn sao cho mọi t > T thì e(t) đủ nhỏ có thể bỏ qua. Tổng hợp hệ theo tiêu chuẩn này là lựa chọn cấu trúc và tham số của hệ để đảm bảo cho tích phân (1.16) là cực tiểu, tức là:  T I   e  t  dt   e 2  t  dt  min 2 (1.17) 0 0 Phương pháp tổng hợp hệ theo tiêu chuẩn ISE có thể áp dụng cho hệ có tín hiệu vào đó xác định (ví dụ như loại tín hiệu vào dạng bước nhảy đơn vị), hoặc loại tín hiệu vào xác định theo phương pháp thống kê, bởi vì có thể dùng cả phương pháp giải tích lẫn phương pháp thực nghiệm để tính tích phân trên. Tiêu chuẩn này đánh giá rất nặng các sai lệch lớn thường xuất hiện ở giai đoạn đầu của quá trình điều chỉnh, xem nhẹ các sai lệch nhỏ ở giai đoạn sau. Hệ được thiết kế theo tiêu chuẩn ISE thường làm giảm nhanh các sai lệch lớn ở giai đoạn đầu quá trình điều chỉnh, tức là hệ có tốc độ đáp ứng nhanh và kết quả là hệ kém ổn định. Tiêu chuẩn này thường dùng để tổng hợp các hệ có yêu cầu cực tiểu hóa tiêu thụ năng lượng. 1.3.3.2. Tiêu chuẩn tích phân tích thời gian với giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE) Theo tiêu chuẩn này, chất lượng của hệ được đánh giá bởi tích phân sau:  T I   t e  t  dt   t e  t  dt (1.18) 0 0 giá trị T được chọn sao cho mọi t > T thì e(t) đủ nhỏ có thể bỏ qua. Tổng hợp hệ theo tiêu chuẩn này là lựa chọn cấu trúc và tham số của hệ để đảm bảo cho tích phân (1.18) là cực tiểu, tức là:  T I   t e  t  dt   t e  t  dt  min (1.19) 0 0 9
Tiêu chuẩn ITAE đánh giá nhẹ các sai lệch lớn ban đầu, các sai lệch nhỏ xuất hiện ở giai đoạn sau quá trình quá độ (khi t lớn) lại bị đánh giá nặng. Hệ thiết kế theo tiêu chuẩn ITAE sẽ cho đáp ứng quá độ với lượng điều chỉnh nhỏ và có khả năng suy giảm nhanh các dao động trong quá trình điều chỉnh. Việc tính toán tích phân (1.19) là rất khó khăn, tuy nhiên có thể đo lường bằng thực nghiệm một cách dễ dàng. Đặc biệt có thể sử dụng máy tính tổng hợp gần đúng. 1.3.3.3. Tiêu chuẩn tích phân tích thời gian với bình phương sai lệch (ITSE) Theo tiêu chuẩn này, chất lượng của hệ được đánh giá bởi tích phân sau:  T I   te 2  t  dt   te 2  t  dt (1.20) 0 0 giá trị T được chọn sao cho mọi t > T thì e(t) đủ nhỏ có thể bỏ qua. Tổng hợp hệ theo tiêu chuẩn này là lựa chọn cấu trúc và tham số của hệ để đảm bảo cho tích phân (1.20) là cực tiểu, tức là:  T I   te  t  dt   te 2  t  dt 2  min (1.21) 0 0 Hệ được tổng hợp theo tiêu chuẩn này cũng có các chất lượng tương tự như hệ tổng hợp theo tiêu chuẩn ITAE. CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1. 1.1. Các thành phần cơ bản của hệ điện cơ? 1.2. Các dạng bài toán cơ bản khi thực hiện tổng hợp các hệ điện cơ? 1.3. Các hệ số sai lệch và phương pháp xác định chúng? 1.4. Xác định các hệ số sai lệch C0, C1, C2 của hệ điều chỉnh tự động SISO có hàm s3  2s 2  3s  6 truyền kín như sau: F(s)  s 4  4s3  4s 2  2s  3 1.5. Các tiêu chuẩn sai lệch nào được áp dụng khi tổng hợp hệ điều chỉnh tự động? 10
CHƯƠNG 2. TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU CHỈNH TỰ Đ NG ĐIỀU KHIỂN TỐC Đ Đ NG CƠ ĐIỆN M T CHIỀU 2.1. Khái niệm chung Điều chỉnh tốc độ là một trong những nhiệm vụ chính của TĐĐ tự động. Khi thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động TĐĐ cần phải đảm bảo những yêu cầu đặt ra, đó là yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chất lượng và các chỉ tiêu về kinh tế. Trong quá trình làm việc của TĐĐ tốc độ của nó có thể bị thay đổi do nhiễu gây ra ví dụ như mô men cản tăng lớn làm cho dòng điện tải tăng tốc độ động cơ giảm xuống và ngược lại mô men tải giảm, tốc độ của động cơ tăng lên, ... Điều chỉnh tốc độ TĐĐ là dùng các phương pháp thuần tuý điện tác động lên bản thân hệ thống TĐĐ (nguồn và động cơ) để thay đổi tốc độ của động cơ còn tải của động cơ không thay đổi. Để tận dụng khả năng làm việc của động cơ, trong quá trình điều chỉnh dòng điện của động cơ không thay đổi và thường bằng dòng định mức (Iđm). Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều được trình bày trong các tài liệu về truyền động điện. Trong tài liệu này chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống kín điều khiển tốc độ. Trong chương này chỉ chú trọng nghiên cứu hệ thống điều khiển mạch vòng kín cơ bản cùng phương pháp phân tích, thiết kế nó. Trong hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có hai phương pháp được sử dụng chủ yếu là điều chỉnh điện áp mạch phần ứng (mạch rotor) động cơ và điều chỉnh từ thông động cơ. Phương điều chỉnh từ thông động cơ một chiều chỉ áp dụng cho loại tải có đặc tính mô men cản tỉ lệ nghịch với tốc độ và phạm vi điều chỉnh D  4:1, và chiếm một tỉ lệ không đáng kể so với phương pháp điều chỉnh điện áp mạch phần ứng động cơ. Để điều chỉnh điện áp mạch phần ứng động cơ cần phải có các bộ nguồn một chiều điều chỉnh được. Với lưới điện cung cấp là hệ thống điện áp xoay chiều hình sin ba pha, để tạo ra điện áp một chiều điều chỉnh được, từ trước tới nay thường dùng ba loại thiết bị biến đổi là bộ biến đổi (BBĐ) máy điện gồm động cơ điện xoay chiều kéo máy phát điện một chiều, BBĐ van (chỉnh lưu có điều khiển dùng tiristor) và tổ hợp BBĐ gồm chỉnh lưu điốt + xung điện áp một chiều. Tương ứng với mỗi loại BBĐ ta có một loại hệ thống truyền 11
động điện động cơ điện một chiều. Các hệ ĐCTĐTĐĐ điều chỉnh tốc độ động cơ ngoài yêu cầu về điều chỉnh tốc độ còn phải thỏa mãn các yêu cầu về ổn định tốc độ, tự động hạn chế phụ tải trong chế độ tĩnh cũng như chế độ động, để đáp ứng các yêu cầu này hệ thống cần phải có các phản hồi phù hợp. Một nhiệm vụ trọng tâm của chương này là thiết kế, tổng hợp các bộ điều chỉnh để hệ đáp ứng được các yêu cầu chất lượng của hệ ĐCTĐTĐĐ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. 2.2. Các nguồn điện và các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 2.2.1. BBĐ máy điện và hệ thống máy phát - động cơ (hệ F-Đ) 2.2.1.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống máy phát - động cơ (hệ F-Đ) ĐK Đ U Đ KTĐ R KĐ RưF RưĐ UF = U Đ EĐ Hình 2.1c. Cuộn kích từ được cung cấp thông qua bộ khuếch đại. 12
Trong hệ truyền động máy phát - động cơ (hệ F-Đ), nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ biến đổi máy điện (máy phát điện một chiều kích từ độc lập). Sơ đồ nguyên lý một hệ F-Đ như hình 2.1a; sơ đồ thay thế hình 2.1b; cuộn kích từ được cung cấp thông qua bộ khuếch đại hình 2.1c. Động cơ Đ là động cơ điện một chiều kích từ độc lập dùng để truyền động máy sản xuất (MSX) được cấp điện phần ứng từ máy phát. Động cơ sơ cấp kéo máy phát F với tốc độ không đổi là động cơ điện đồng bộ ĐK. Động cơ ĐK cũng kéo luôn máy phát tự kích từ FK hoặc K để cấp điện kích từ cho động cơ Đ và máy phát F. Biến trở RKK dùng để điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát tự kích K hoặc FK nghĩa là để điều chỉnh điện áp phát ra cấp cho các cuộn kích từ của máy phát KKF (hoặc CKF) và cuộn kích từ của động cơ KKĐ (hoặc CKĐ). Biến trở RKF dùng để điều chỉnh dòng kích từ của máy phát F do đó điều chỉnh điện áp phát ra của máy phát F đặt vào phần ứng động cơ Đ. Biến trở RKĐ dùng để điều chỉnh dòng kích từ của động cơ, do đó thay đổi tốc độ động cơ nhờ thay đổi từ thông. Khi yêu cầu không cao về chất lượng điều khiển tốc độ của hệ thống, thì iKF có thể được cấp điện trực tiếp bằng nguồn điện kích từ (hình 2.2a). Khi có yêu cầu cao về chất lượng điều tốc dạng mạch vòng kín thì thường phải sử dụng bộ khuếch đại để tiến hành điều khiển (hình 2.1c). Bộ khuếch đại dùng trong hệ thống F-Đ thường là bộ khuếch đại điện cơ (như máy điện khuếch đại từ trường ngang) và bộ khuếch đại từ; khi cần nâng cao hệ số khuếch đại, có thể bố trí thêm bộ khuếch đại điện từ làm bộ tiền khuếch đại. 2.2.1.2. Phương trình đặc tính cơ của hệ máy phát - động cơ (F- Đ) Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ta đã biết: (2.1) Khi thay: U = EF - Iư.RưF, ta có: (2.2) trong đó: U - điện áp đặt vào phần ứng động cơ, V RưF , RưĐ - điện trở phần ứng của máy phát và động cơ,  13
Iư - dòng điện phần ứng động cơ cũng chính là dòng điện phần ứng máy phát, A Thay vào phương trình trên, ta có phương trình đặc tính cơ của hệ F - Đ: (2.3) Hay:  = 0 -  với là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. - là độ sụt tốc của động cơ khi mô men của động cơ là M. 2.2.1.3. Các đặc tính của hệ F - Đ Đặc tính cơ tự nhiên của của động cơ là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức (UĐ = UĐđm) và điện áp kích từ định mức (UKTĐ = UKTĐđm) nghĩa là từ thông định mức. Đặc tính cơ tự nhiên của hệ F - Đ là đường nét đậm hình (2.2) để điều chỉnh tốc độ động cơ ở vùng dưới đặc tính tự nhiên, ta giữ từ thông động cơ là định mức và điều chỉnh giảm điện áp đặt vào phần ứng động cơ (UĐ giảm). Trường hợp này, tốc độ 0 thay đổi (giảm) còn độ cứng đặc tính cơ giữ nguyên. Các đặc tính cơ song song với nhau. Thực hiện điều đó nhờ điều chỉnh tăng điện trở RKF ở mạch kích từ của máy phát, do đó s.đ.đ EF giảm nên điện áp đặt vào phần ứng động cơ Đ cũng giảm. Để điều chỉnh tốc độ động cơ trên vùng đặc tính tự nhiên ta không thể tăng điện áp đặt vào động cơ quá giá trị điện áp định mức UĐđm vì sẽ làm cháy động cơ. Do vậy lúc này phải giữ nguyên điện áp định mức và tiến hành điều chỉnh tăng điện trở RKĐ ở mạch kích từ của động cơ để thay đổi giảm từ thông Đ của động cơ. Trường hợp này, tốc độ không tải lý tưởng 0 tăng lên còn độ cứng đặc tính cơ giảm đi. Đặc tính cơ có tốc độ 0 càng lớn thì càng mềm. Dạng đặc tính cơ vùng dưới đặc tính cơ tự nhiên (vùng 1) và vùng trên đặc tính tự nhiên (vùng 2) như hình 2.2. Khi điều chỉnh tốc độ động cơ từ định mức (đm) xuống thấp nhờ giảm s.đ.đ của máy phát qua việc giảm dòng kích từ của máy phát bằng cách tăng điện trở RKF trên thực tế hệ F - Đ không điều chỉnh được những tốc độ quá thấp. Lý do là muốn có tốc độ nhỏ thì điện áp đặt vào động cơ phải nhỏ nghĩa là điện áp của máy phát hay từ thông kích từ của máy phát F nhỏ. Về nguyên tắc, tăng RKF thì dòng điện 14
kích từ sẽ nhỏ nhưng từ trường F không thể yếu hơn từ trường dư của máy phát được. Ngay cả khi IKF = 0 thì s.đ.đ do từ dư của máy phát tạo ra cũng đó đạt khoảng (3  6)% trị số s.đ.đ định mức. Do vậy, giới hạn dưới min của tốc độ hệ F - Đ bị hạn chế. ω ω0 Giảm 2 Đ U đm 1 Giảm ΦF 0 MC M - ω0 Hình 2.2. Họ các đường đặc tính của hệ thống F - Đ Ngoài ra, lúc từ thông kích từ F nhỏ, tác dụng của phản ứng phần ứng sẽ rõ rệt, điện áp rơi ở mặt tiếp xúc giữa chổi than và vành góp tăng lên, điện trở mạch lực trở lên có ý nghĩa nên cũng không thể giảm quá thấp EF. Vì thế, phạm vi điều chỉnh tốc độ theo cách thay đổi điện áp phần ứng động cơ không quá:  dm DU = = 10:1  min Khi điều chỉnh tốc độ động cơ từ định mức (đm) lên cao hơn nhờ giảm từ thông Đ từ định mức xuống thấp cũng chỉ giới hạn trong phạm vi: ω max D = = 3:1 ω dm Dải điều chỉnh D bị hạn chế là do điều kiện đảo chiều quay của động cơ (nếu phương pháp đảo chiều quay động cơ là nhờ đảo chiều từ trường kích từ của động cơ …) và do điều kiện về độ bền cơ học của kết cấu rotor. 15
Kết quả, phạm vi điều chỉnh tốc độ chung của hệ F - Đ thường không quá: ω max D= = 30:1 ω dm Khi động cơ đảo chiều quay, các đường đặc tính cơ của động cơ, sẽ nằm ở góc phần tư thứ III. Việc đảo chiều quay động cơ Đ trong hệ F - Đ ở hình 2.2 được thực hiện nhờ đảo chiều (đảo cực tính) điện áp của máy phát đặt vào phần ứng động cơ Đ thông qua việc đảo chiều dòng điện kích từ của máy phát nhờ đóng các tiếp điểm K1 hoặc K2. Để tiện lợi hơn cho việc cấp điện kích từ có thể dùng các bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển như trên hình 2.3. ~3 ĐK F UF UĐ Đ MSX KKF KKĐ U dKΦ UđkU BĐTKTF BĐTKTĐ ~3 ~3 Hình 2.3. Bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển. 2.2.1.4. Hãm điện hệ F - Đ Ở chế độ động cơ quay thuận và quay ngược, các đặc tính cơ của hệ F - Đ nằm ở góc phần tư thứ I và thứ III. Năng lượng nguồn chuyển qua động cơ sơ cấp ĐK chuyển qua máy phát F tới động cơ Đ rồi ra phụ tải của động cơ. S.đ.đ của máy phát và động cơ luôn ngược chiều nhau với EF > EĐ. 16
Iu Ih ω Đ Đ + + + + EF F Đ EĐ EF F Đ EĐ ω0 tn _ _ _ _ MĐ EF < E Đ MĐ EF > EĐ Chế độ động cơ hãm tái Chế độ động cơ quay 0 thuận sinh M Đ tn ω _ _ Đ _ _ 0 EF F Đ E F Đ EĐ Đ Ih + Iu + + + MĐ EF < EĐ EF > EĐ Chế độ động cơ hãm tái Chế độ động cơ quay sinh ngược Hình 2.4. Các đặc tính cơ của hệ F - Đ khi hãm tái sinh Ở chế độ hãm điện, đặc tính của hệ nằm ở góc phần tư thứ II và thứ IV. Lúc hãm cơ năng của hệ đang có trước khi hãm sẽ chuyển thành điện năng để trả về nguồn (hãm tái sinh) hoặc tiêu thụ trên điện trở hãm dưới dạng nhiệt (hãm ngược hoặc hãm động năng). Iu Ih ω Đ Đ + + + EF F Đ Đ E _ _ _ MĐ MĐ EF > E Đ Hãm động năng Chế độ động cơ quay 0 thuận M Đ _ Đ _ _ EF F Đ EĐ Đ EĐ Iu Ih + + + MĐ EF < EĐ EF > E Đ Chế độ động cơ hãm tái Chế độ động cơ quay sinh ngược Hình 2.5. Đặc tính hãm động năng của hệ F - Đ Khi hệ F - Đ hãm tái sinh (hình 2.4), vì  > 0 nên động cơ làm việc như một máy phát với EĐ > EF phát trả năng lượng điện năng về nguồn. Hãm tái sinh 17
còn có thể xẩy ra khi giảm tốc độ. Sức điện động EF và EĐ khi hãm tái sinh ngược chiều nhau. Hãm động năng trong hệ F - Đ (hình 2.5) xẩy ra khi cắt mạch kích từ của máy phát nhưng vẫn giữ kích từ của động cơ. Lúc này E F  0 nên phương trình (2.3) cho: (2.4) Đó là phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng. Dòng điện hãm được xác định như sau: (2.5) Động năng dự trữ trong hệ biến đổi thành điện năng và tiêu thụ dưới dạng nhiệt trong các cuộn ứng của động cơ và máy phát. Khi hãm ngược, s.đ.đ máy phát đảo chiều và trở lên cùng chiều với sức điện động của động cơ. Cũng có thể giữ nguyên chiều sức điện động của máy phát (hay cực tính điện áp đặt vào rotor động cơ) nhưng chính động cơ bị kéo ngược do tải thế năng (khi hạ tải ở máy trục nhờ hãm ngược để giảm chuyển động) nên s.đ.đ của động cơ bị đảo chiều và trở thành cùng chiều với s.đ.đ. máy phát (hình 2.6). Các đường đặc tính hãm ngược nằm giữa đặc tính hãm động năng và trục hoành OM. Iu Ih ω ω ω + + Đ _ + Đ EF F ED F EF Đ ED _ _ + _ M MĐ Chế độ động cơ quay thuận 0 M ω _ ωĐ _ _ + EF F Đ EF F Đ ED Iu _ Ih + + + Chế độ động cơ quay ngược Hình 2.6. Đặc tính hãm ngược của hệ F - Đ 18