LUẬN VĂN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ

Chia sẻ: Đinh Văn Mạnh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:53

Thêm vào BST

Báo xấu

129
lượt xem 43
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hiện nay động cơ điện một chiều vẫn được dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều từ vài W đến hàng MW. Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầu momen, tăng tốc và hãm với tải trọng nặng. Động cơ điện một chiều cũng dễ dàng đáp ứng các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ momen- tốc độ....

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: LUẬN VĂN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN THIẾT KẾ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ Đề số 37 : Cho một hệ truyền động động cơ-xe. Xây dựng bộ điều khiển vị trí của xe sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập. Yêu cầu nội dung Thông số kỹ thuật - Xây dựng mô hình động cơ một chiều kích Động cơ JI-72: từ độc lập. Pđm=25(kW),Uđm=220(V), - Xây dựng mô hình điều khiển truyền động Iđm=132(A), nđm= 1500 cho xe . (v/p), Rư= 0.0966 (Ω), Lư= 0.0063 (H), J= 1.2 (kg.m2) - Tính chọn các bộ điều khiển . - Mô phỏng đáp ứng trên Simulink với các nhiễu tải khác nhau và đánh giá kết quả. Giáo viên hướng dẫn: TRẦN TIẾN LƯƠNG Sinh viên thực hiện : PHẠM ĐỨC LONG Mã sinh viên : 39187 Nhóm : N03 1
Hải Phòng-năm 2013 ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ Mục lục Lời nói đầu Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động 1.1.Tổng quan về động cơ điện một chiều 1.1.1.Cấu tạo động cơ điện một chiều 1.1.2.Phân loại động cơ điện một chiều 1.1.3.Điều khiển động cơ điện một chiều 1.2.Yêu cầu công nghệ 1.3.Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển động cơ điện một chiều 1.3.1.Khái quát về bộ điều khiển PID 1.3.2.Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID Chương 2. Giới thiệu cấu trúc hệ truyền động 2.1.Đề xuất cấu trúc chung của hệ truyền động 2.2.Các thành phần của hệ truyền động và mô hình toán của các thành phần 2.2.1.Bộ điều khiển 2.2.2.Bộ biến đổi 2.2.3.Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 2.2.4.Thiết bị đo lường 2
Chương 3. Tổng hợp các bộ điều khiển và kết quả mô phỏng 3.1.Tổng hợp các bộ điều khiển 3.1.1.Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện 3.1.2.Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ 3.1.3.Tổng hợp bộ điều khiển vị trí 3.2.Kết quả mô phỏng 3.2.1.Tính toán thông số 3.2.2.Kết quả mô phỏng Kết luận Sinh viên thực hiện Giáo viên hướng dẫn Phạm Đức Long Trần Tiến Lương 3
MỤC LỤC Lời nói đầu 5 Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động 6 1.1.Tổng quan về động cơ điện một chiều 6 1.1.1.Cấu tạo động cơ điện một chiều 6 1.1.2.Phân loại động cơ điện một chiều 7 1.1.3.Điều khiển động cơ điện một chiều 8 1.2.Yêu cầu công nghệ 8 1.3.Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển động cơ điện một chiều 9 1.3.1.Khái quát về bộ điều khiển PID 9 1.3.2.Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID 11 Chương 2. Giới thiệu cấu trúc hệ truyền động 17 4
2.1.Đề xuất cấu trúc chung của hệ truyền động 17 2.2.Các thành phần của hệ truyền động và mô hình 17 toán của các thành phần 2.2.1.Bộ điều khiển 17 2.2.2.Bộ biến đổi 23 2.2.3.Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 24 2.2.4.Thiết bị đo lường 30 Chương 3. Tổng hợp các bộ điều khiển và kết quả mô phỏng 32 3.1.Tổng hợp các bộ điều khiển 32 3.1.1.Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện 32 3.1.2.Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ 35 3.1.3.Tổng hợp bộ điều khiển vị trí 37 3.2.Kết quả mô phỏng 39 3.2.1.Tính toán thông số 39 3.2.2.Kết quả mô phỏng 42 Kết luận 51 5
Lời nói đầu Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, truyền động điện có vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của xã hội. Truyền động điện làm tăng năng suất lao động và chất lượng sản ph ẩm. Để đáp ứng được yêu c ầu thực tế các hệ truyền động điện có khả năng tự động điều khiển và độ chính xác ngày càng cao đã ra đời. Do yêu cầu của môn học và nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết kế hệ thống truyền động, góp phần hoàn thiện và củng cố kiến thức của môn học nên em được thầy giao cho đề tài: “Cho một hệ truyền động động cơ – xe. Xây dựng bộ điều khiển vị trí của xe sử dụng động cơ một chi ều kích t ừ độc lập”. 6
Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Tiến Lương, cùng các thầy cô giáo khoa Điện - Điện tử tàu biển, những người đã tận tình giúp đỡ em trong su ốt thời gian vừa qua để em có thể hoàn thành bài thiết kế này. Trong quá trình thiết kế còn tồn tại những sai sót, mong các thầy cô giáo góp ý để bài thiết kế của em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Hiện nay động cơ điện một chiều vẫn được dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ đi ện m ột chiều từ vài W đến hàng MW. Đây là loại động cơ đa dạng và linh ho ạt, có th ể đáp ứng yêu cầu momen, tăng tốc và hãm với tải trọng n ặng. Đ ộng c ơ đi ện m ột chiều cũng dễ dàng đáp ứng các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ momen- tốc độ. 7
Trong động cơ điện một chiều, bộ biến đổi điện chính là các m ạch ch ỉnh lưu điều khiển. Chỉnh lưu được dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng. Chỉnh lưu ở đây sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha. 1.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều gồm có stator, rotor, cổ góp và chổi điện. Hình 1: Mặt cắt ngang động cơ điện một chiều • Stator : còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tậptrung trên các cực từ stator. Các cực từ stator được ghép cách điện từ các lá thép k ỹ thuật điện được dập định hình sẵn có bề dày 0,5-1mm và được g ắn trên gông t ừ bằng thép đúc, cũng chính là vỏ máy. • Rotor : còn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép ph ần ứng và dây qu ấn phần ứng. Lõi thép phần ứng có hình trụ, được ghép từ các lá thép k ỹ thu ật đi ện ghép cách điện với nhau. Dây quấn phần ứng gồm nhiều ph ần t ử, đ ược đ ặt vào các rãnh trên lõi thép rotor. Các phần tử dây quấn rotor được nối ti ếp nhau thông qua các lá góp trên cổ góp. Lõi thép phần ứng và cổ góp được cố định trên trục rotor. 8
•Cổ góp và chổi điện : làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện trong dây qu ấn phần ứng. 1.1.2. Phân loại động cơ điện một chiều Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động cơ điện một chi ều thành các loại sau: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ được lấy từ nguồn riêng biệt so với phần ứng. Trường hợp đặc biệt, khi t ừ thông kích t ừ được tạo ra bằng nam châm vĩnh cửu, người ta gọi là động cơ điện một chiều kích từ vĩnh cửu. Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ được nối song song với mạch phần ứng. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng. Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn, dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối ti ếp. Trong đó, cu ộn kích t ừ song song thường là cuộn chủ đạo. 9
Hình 2: Các loại động cơ điện một chiều a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập b) Động cơ điện một chiều kích từ song song c) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp 1.1.3. Điều khiển động cơ điện một chiều Ưu điểm cơ bản của động cơ điện một chiều so với các loại động c ơ điện khác là khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, các bộ điều ch ỉnh tốc độ đ ơn giản, dễ chế tạo. Do đó, trong điều kiện bình thường, đối với các c ơ c ấu có yêu cầu chất lượng điều chỉnh tốc độ cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, ng ười ta thường sử dụng động cơ điện một chiều. Đối với các hệ thống truyền động điện có yêu cầu điều chỉnh tốc độ thường sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 1.2. YÊU CẦU CÔNG NGHỆ Hệ truyền động động cơ-xe có kết cấu khá phức tạp. V ề ph ần đi ện h ệ thống bao gồm từ nhận năng lượng từ một nguồn cố định, bi ến đ ổi năng l ượng thật phù hợp để đưa vào động cơ truyền động, bên cạnh đó là hệ th ống đi ều khiển nguồn năng lượng đó để phù hợp với yêu cầu thay đổi tốc độ của động cơ. Về phần cơ bao gồm cơ cấu bánh răng, xích truy ền, h ộp số,…đ ể truy ền chuyển động từ động cơ đến bánh xe, hệ thống tăng giảm tốc độ, đảo chi ều chuyển động, hệ thống phanh hãm…. Trong quá trình hoạt động của hệ thống yêu cầu khi tăng tốc và giảm tốc phải êm. Độ bền cơ khí của hệ thống phải cao. Dải điều chỉnh tốc độ phải trơn. 10
Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động và hệ điều khiển tự động phải đơn giản, các phần tử cấu thành phải có độ tin cậy cao, đơn giản, sửa ch ữa và thay th ế d ễ dàng. 1.3. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đ ạo hàm) đ ược ph ổ bi ến trong các hệ điều khiển công nghiệp. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số KP, TI, TD của bộ điều khiển PID. Nhưng vì các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc c ụ th ể c ủa h ệ th ống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh định các hệ số này cho phù h ợp v ới thực tế để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển thì ta phải biết chính xác các thông số và kiểu của đối tượng cần điều khiển. Hơn nữa, bộ điều khiển này ch ỉ chính xác trong giai đoạn tuyến tính còn trong giai đoạn phi tuyến thì các phương pháp điều khiển kinh điển không thực hiện được. 1.3.1. Khái quát về bộ điều khiển PID Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm có ba thành phần là khâu khu ếch đ ại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán PID nh ất thi ết phải lựa chọn chế độ làm việc là P,I hay D và sau đó là đặt tham s ố cho các ch ế độ đã chọn. Một cách tổng quát, có ba thuật toán cơ bản được sử dụng là P, PI và PID. 11
Hình 3: Cấu trúc bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sử dụng rộng rãi trong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi ti ếp. B ộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá đ ộ th ỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng: - Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành ph ần u p(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn. - Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần u I(t), PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh. - Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần u D(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh. Hình 4: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào-ra: 12
 1 t de(t )  u (t ) = k P e(t ) + ∫ e(τ )dτ + TD   TI 0 dt  Trong đó: e(t) - tín hiệu đầu vào u(t) - tín hiệu đầu ra kP - hệ số khuếch đại TI - hằng số tích phân TD - hằng số vi phân Từ mô hình vào-ra trên, ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:  1  R ( s ) = k P 1 +  Ts + TD s    I  Có nhiều phương pháp xác định tham số của bộ điều khiển PID: - Phương pháp Ziegler-Nichols - Phương pháp tối ưu modul - Phương pháp tối ưu đối xứng 1.3.2. Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID a) Phương pháp Ziegler-Nichols Phương pháp Ziegler-Nichols là phương pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ điều khiển P, PI hoặc PID bằng các dựa vào đáp ứng quá đ ộ c ủa đ ối tượng điều khiển. Tùy theo đặc điểm của từng đối tượng , Ziegler và Nichols đưa ra hai phương pháp lựa chọn tham số của bộ điều khiển: 13
• Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất: Phương pháp này áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm n ấc có d ạng ch ữ S nh ư lò nhiệt độ, tốc độ động cơ,… Hình 5: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S • Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai: Phương pháp này áp dụng cho đối tượng có khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn ch ứa, vị trí hệ truyền động dùng động cơ,…. Đáp ứng quá độ của hệ hở của đối tượng tăng đến vô cùng. Phương pháp này được thực hiện như sau: Hình 6: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn - Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại. 14
- Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn k th để hệ kín ở chế độ biên giới ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa. - Xác định chu kỳ Tth của dao động. Hình 7: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k=kth b) Phương pháp module tối ưu Phương pháp module tối ưu là phương pháp lựa chọn tham số bộ điều khiển PID cho đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm n ấc có dạng hình chữ S. Xét một hệ thống điều khiển kín như trên hình 8. Bộ đi ều khi ển R(s) điều khiển cho đối tượng S(s). Hình 8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín 15
Tiêu chuẩn module tối ưu được sử dụng để tổng hợp nên bộ điều khiển với hàm kín của toàn hệ phải thỏa mãn dạng: 1 F= 1 + 2τ . p + 2τ 2 . p 2 Hàm truyền kín của hệ khi thỏa mãn dạng này sẽ có các đặc điểm sau: - Vô sai cấp 1 theo tín hiệu điều khiển. - Độ quá chỉnh là 8,6%. - Hệ có dao động. Ta có: R.S F F= �R= 1 + R.S S .(1 − F ) Với F có dạng mong muốn thì bộ điều khiển R được xác định: 1 1 + 2τ . p + 2τ 2 . p 2 R= � 1 � S . �− 1 2 � � 1 + 2τ . p + 2τ . p � 2 Như vậy, bộ điều khiển tổng hợp theo tiêu chuẩn module tối ưu có dạng: 1 R= S .2τ . p.(1 + τ p) Nếu đối tượng điều khiển S có dạng: k S= n (1 + T . p ). Π (1 + Ti . p ) i =1 16
Với Ti là những hằng số thời gian nhỏ. Với những hằng số thời gian nhỏ ta có thể xấp xỉ gần đúng b ằng cách b ỏ qua các hệ số bậc cao. n Π (1 + Ti . p) 1 + TΣ . p i =1 Với TΣ = T1 + T2 + ... + Tn Khi đó đối tượng S có dạng: k S= (1 + T . p).(1 + TΣ . p) c) Phương pháp module tối ưu đối xứng Việc thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp module tối ưu đối xứng có nhược điểm là đối tượng S(s) phải ổn định, hàm quá độ h(t) của nó phải đi từ 0 và có dạng hình chữ S. Trong trường hợp này có thể ch ọn tham số PID theo nguyên tắc module tối ưu đối xứng. Tổng hợp bộ điều khiển theo tiêu chuẩn module t ối ưu đ ối x ứng s ẽ cho h ệ là vô sai cấp 2 và hàm truyền kín mong muốn của hệ đạt được thỏa mãn dạng: 1 + 4τ . p F= 1 + 4τ . p + 8τ 2 . p 2 + 8τ 3 . p 3 Ta có hàm kín mong muốn của hệ: R.S F F= �R= 1 + R.S S .(1 − F ) Theo dạng hàm kín mong muốn ta tìm được bộ điều khiển R có dạng: 17
1 + 4τ . p 1 + 4τ . p + 8τ 2 . p 2 + 8τ 3 . p3 R= � 1 + 4τ . p � S . �− 1 3 � � 1 + 4τ . p + 8τ . p + 8τ . p � 2 2 3 1 + 4τ . p �R= S .8τ 2 . p 2 .(1 + τ . p) Khi tổng hợp bộ điều khiển theo tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng, đáp ứng của hệ tuy có vô sai bậc 2 nhưng độ quá chỉnh l ại lên đ ến 43%. Vì v ậy, đ ể giảm được độ quá chỉnh người ta mắc thêm vào một bộ lọc tín hi ệu đi ều khi ển với hàm truyền: 1 Floc = 1 + 4τ p 18
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 2.1. ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG Hình 9: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển hệ truyền động điện. Trong đó: R- các bộ điều khiển BBĐ- bộ biến đổi M- động cơ TB Đo- thiết bị đo 2.2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH TOÁN CỦA CÁC THÀNH PHẦN 2.2.1. Bộ điều khiển Trong hệ thống, bộ điều khiển có nhiệm vụ nhận các tín hiệu đo từ động cơ và hộp số để điều khiển hệ thống theo đúng tín hiệu đặt. Tín hiệu từ bộ điều khiển được gửi tới bộ biến đổi công suất. 19
a) Bộ điều khiển P Bộ điều khiển P là dạng đơn giản nhất thuộc họ PID. Thuật toán khuếch đại tỉ lệ đưa ra tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với giá trị tức thời của tín hiệu sai lệch điều khiển e(t): u(t)=kP.e(t) với kP - hệ số tỉ lệ Khi xuất hiện tín hiệu sai lệch e(t), thông qua bộ điều khi ển tín hi ệu này được khuếch đại lên kP lần. Mục đích của việc khuếch đại tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển chính là tạo khả năng bù trừ sai lệch cho tín hiệu ra. Hình 10: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển P Nguyên tắc làm việc: Khi tín hiệu sai lệch e(t) lớn, đáp ứng đầu ra y(t) sẽ rất nhỏ so với tín hiệu đặt x(t). Để cho giá trị y(t) ti ến g ần giá tr ị xác l ập x(t) b ộ điều khiển phải tạo ra khả năng bù trừ sai lệch bằng cách khuếch đại tín hiệu điều khiển có giá trị lớn để duy trì sự ổn định của h ệ th ống hoặc ngược l ại khi tín hiệu sai lệch e(t) nhỏ, đại lượng đầu ra y(t) ti ến g ần giá tr ị xác l ập thì s ự tác động của điều khiển lên đối tượng u(t) sẽ nhỏ bớt đi để đảm bảo sự ổn định của hệ thống. 20