Tổng hợp điện cơ hệ truyền động chỉnh lưu - Động cơ một chiều

K có nhiệm vụ san phẳng dòng điện tải Id. a1=300 wt wt wt wt wt wt wt wt wt wt wt Ud1 Ud2 a2=1200 Ud Ucb Icb iT1 iT2 iT3 iT4 iT5 iT6 Id a) wt wt wt wt wt wt wt wt wt wt wt a1=900 Ud1 Ud2 a2=900 Ud Ucb Icb iT1 iT2 iT3 iT4 iT5 iT6 b) Hình 2.6 Giản đồ điện áp và dòng điện mạch động lực với =300 (a) và =900(b) CHƯƠNG III THIẾT KẾ MẠCH PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Đặt vấn đề Như ta đã biết, để cho các van của hai bộ chỉnh lưu mở tại những thời điểm mong muốn ta cần phải có các mạch điện phát ra các xung điều khiển đưa đến mở các tiristo tại các thời điểm yêu cầu. Xung điều khiển phải đáp ứng đủ các yêu cầu như: biên độ, công suất và thời gian tồn tại để mở chắc chắn các van với mọi loại tải mà sơ đồ gặp phải khi làm việc. Mạch điện phát ra các xung như vậy gọi là mạch điều khiển. Hiện nay các hệ thống phát xung điều khiển được chia làm hai nhóm: + Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ: là nhóm mà các hệ thống điều khiển đưa ra các xung xuất hiện trên cực điều khiển của các tiristo đúng thời điểm cần mở và lặp đi lặp lại với chu kì thường bằng chu kì nguồn xoay chiều cấp cho bộ chỉnh lưu (ngoài ra trong một số trường hợp chu kì xung có thể bằng 1/2 chu kì nguồn). Nhóm hệ thống này được sử dụng rất phổ biến. + Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ: nhóm này tạo ra các chuỗi xung điều khiển với tần số thường cao hơn nhiều tần số nuồn cung cấp và trong quá trình làm việc tần số xung được tự động thay đổi để đảm bảo một lượng ra nào đó (Ud, Id ...) không thay đổi. Để đạt được điều này thì tần số xung phải được khống chế theo sai lệch giữ tín hiệu đặt và tín hiệu ra của đại lượng cần ổn định. Các hệ thống điều khiển theo nguyên tắc này khá phức tạp nên ít được dùng, ở đây ta chỉ nghiên cứu hệ thống thứ nhất. 3.2 Thiết kế mạch phát xung điều khiển 3.2.1. Lựa chọn phương pháp phát xung Các hệ thống điều khiển đồng bộ hiện nay thường sử dụng ba phương pháp phát xung chính là: + Phát xung điều khiển theo pha đứng. + Phát xung điều khiển theo pha ngang. + Phát xung điều khiển sử dụng điốt hai cực gốc. * Phương pháp phát xung điều khiển theo nguyên tắc pha đứng: Hệ thống này tạo ra các xung điều khiển nhờ việc so sánh giữa tín hiệu điện áp tựa hình răng cưa thay đổi theo chu kì điện áp lưới và có thời điểm suất hiện phù hợp góc pha của lưới với điện áp điều khiển một chiều thay đổi được . Hệ thống này có nhược điểm là khá phức tạp, song nó có những ưu điểm nổi bật như: khoảng điều chỉnh góc mở a rộng, ít phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp nguồn, dễ tự động hoá, mỗi chu kì của điện áp anốt của tiristo chỉ có một xung được đưa đến mở nên giảm tổn thất trong mạch điều khiển...Do đó hệ thống này được sử dung rộng rãi. * Phương pháp phát xung điều khiển sử dụng điốt hai cực gốc (UJT). Phương pháp này cũng tạo ra các xung nhờ việc so sánh giữa điện áp răng cưa xuất hiện theo chu kì nguồn xoay chiều với điện áp mở của UJT. Phương pháp này mặc dù đơn giản nhưng có nhược điểm là góc mở a có phạm vi điều chỉnh hẹp vì ngưỡng mở của UJT phụ thuộc vào điện áp nguồn nuôi. Mặt khác, trong một chu kì điện áp lưới mạch thường đưa ra nhiều xung điều khiển nên gây tổn thất phụ trong mạch điều khiển. * Phương pháp phát xung điều khiển theo pha ngang: Ở phương pháp này người ta tạo ra điện áp điều khiển hình sin có tần số bằng tần số nguồn và góc pha điều khiển được (dùng các cầu R-C hoặc cầu R-L). Thời điểm suất hiện xung trùng với góc pha đầu của điện áp điều khiển. Phương pháp này có nhược điểm là: khoảng điều chỉnh góc mở a hẹp, rất nhạy với sự thay đổi của dang điện áp nguồn, khó tổng hợp nhiều tín hiệu điều khiển...do vậy thường ít được sử dụng. * Chọn phương pháp điều khiển: Qua những phân tích ở trên ta thấy rằng phương pháp điều khiển theo nguyên tắc pha đứng là phù hợp hơn cả, ta chọn phương pháp này. 3.2.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển theo pha đứng Trong đó: Khối 1: khối đồng bộ hoá và phát xung răng cưa. Khối này có nhiệm vụ lấy tín hiệu đồng bộ hoá và phát ra sóng điện áp hình răng cưa để đưa vào khối so sánh. Khối 2: khối so sánh, có nhiệm vụ so sánh giữa tín hiệu điện áp tựa hình răng cưa với điện áp điều khiển uđk để phát ra tín hiêu xung điện áp đưa tới mạch tạo xung. Khối 3: khối tạo xung, có nhiệm vụ tạo ra các xung điều khiển đưa tới chân điều khiển của tiristo. 3.2.2.1 Mạch đồng bộ hoá Để thực hiện chức năng đồng bộ hoá, ta có thể sử dụng mạch phân áp bằng điện trở hay kết hợp giữa điện trở và điện dung, điện cảm.Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là không cách ly được diện áp cao giữa mạch điều khiển với mạch động lực, do vậy phương pháp này ít được dùng. Phương pháp phổ biến hiện nay là sử dụng máy biến áp đồng bộ trong đó cuộn sơ cấp nối vào lưới còn cuộn thứ cấp là điện áp đồng bộ. Góc lệch pha giữa cuộn sơ và cuộn thứ được tính toán sao cho góc pha của uđb phù hợp với thời điểm mở tự nhiên của các tiristo. Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha ta dùng một máy biến áp đấu Y/D-1 để thực hiện chức năng này. Sơ đồ đấu dây và đồ thị véctơ như hình vẽ: A B C A B C * * * * * * ua ub uc X Y Z x y z c,z a,y b,y eab eab EAB EAB Hình 3.1: Sơ đồ đấu dây và đồ thị véctơ mạch đồng bộ hóa 3.2.2.2 Mạch phát sóng răng cưa Có rất nhiều sơ đồ có thể tạo ra sóng răng cưa. Tuy nhiên, để tạo ra được quan hệ góc mở: a2 + a2 = 1800 ta cần có dạng điện áp răng cưa rất chính xác. Ta sử dụng sơ đồ IC khuyếch đại thuật toán. Hình 3.2: Sơ đồ mạch phát sóng răng cưa Nguyên lý hoạt động của mạch: Xét trong khoảng (0 ÷ π) Udb > 0 do đó Tr3 khoá Tr4 mở nhờ phân áp bởi R5. UB=0 + Xét trong khoảng (0 ÷ θ1) UBE tr1> Udb > 0 làm cho Tr1 khoá, Tr2 nhờ phân áp bởi R2, R3 dẫn đến Tr2 mở UA=0. Đầu ra của NOR có mức logic 1. Tụ C phóng điện từ (+C → Tr5 →-C ). + Xét trong khoảng (θ1÷ θ2) Udb > UBE tr1 làm Tr1 mở → Tr2 khoá UA=+Ucc. . Đầu ra của NOR có mức logic 0. Tụ C được nạp điện (+Ucc→C→ R8→WR1→-Ucc). + Xét trong khoảng (θ2 ÷ 0) UBE tr1> Udb > 0 làm cho Tr1 khoá, Tr2 nhờ phân áp bởi R2, R3 dẫn đến Tr2 mở UA=0. Đầu ra của NOR có mức logic 1. Tụ C phóng điện từ (+C → Tr5 →-C ). 3.2.2.3 Khối so sánh Việc so sánh với điện áp răng cưa và điện áp điều khiển có thực hiện bằng Tranrito hay vi mạch điện tử. Việc ghép nối các tín hiệu có thể là nối tiếp hay song song miễn là đảm bảo tín hiệu răng cưa và tín hiệu điều khiển có tác dụng ngược chiều nhau. Phương pháp so sánh nối tiếp có ưu điểm là chính xác nhưng khi tín hiệu răng cưa có dạng xoay chiều thì việc so sánh gặp nhiều khó khăn. Do đó ta chỉ sử dụng phương pháp so sánh song song. Trong đồ án này sử dụng sơ đồ so sánh song song dùng vi mạch Hình 3.3: Sơ đồ mạch và đồ thị điện áp mạch so sánh Nguyên lý hoạt động của mạch: - Xét trong khoảng từ (0÷θ1) Uv=0-(Urc+Uđk)>0 →UR=-Ucc - Xét trong khoảng từ (θ1÷θ2) Uv=0-(Urc+Uđk)<0 →UR=+Ucc 3.2.2.4 Khâu tạo xung Để đảm bảo độ chính xác của thời điểm xuất hiện xung và tính đối xứng của các xung ở các kênh khác nhau...Nên khâu so sánh thường cho công suất xung ra nhỏ nó chưa đảm bảo các thông số yêu cầu vì vậy cần có mạch tạo xung. Mạch tạo xung gồm nhiều khâu như: truyền xung, khuyếch đại xung, sửa xung. Hình 3.4: Sơ đồ mạch tạo xung Nguyên lý hoạt động: θ4 u p/2 p 2p 3p wt urc - UĐKT 0 uSS 0 wt wt wt wt uC uEB Tr2 -Tr1 0 0 UĐKT1 0 uD2-D3 θ1 θ2 θ3 θ3 Hình 3.5: Giản đồ tạo xung Giả thiết trước thời điểm θ1 tụ C đã được nạp đầy. Tại θ=θ1, uss lật trạng thái từ uss>0 sang uss<0 dẫn đến tụ C phóng điện từ (-C→D1→R1→-C). Tại θ = θ2 dung lượng trên tụ C phóng hết và sẽ được nạp theo chiều ngược lại và khi đó dung lượng trên tụ C sẽ tăng dần, khi tụ C được nạp đầy nó giữ nguyên mức điện áp đến khi uss lập trạng thái. Khi tụ C phóng và nạp ngược lại làm cho Tr1 khoá dẫn đến Tr2,Tr3 mở có dòng qua cuộn sơ cấp của máy biến xung khi đó bên thứ cấp của máy biến áp xung xuất hiện xung đến cực điều khiển của tiristor. 3.2.3 Một số mạch khác 3.2.3.1 Mạch tạo nguồn nuôi Do trong mạch có sử dụng các vi mạch khuyếch đại thuật toán, ta cần phải sử dụng hai nguồn nuôi ngược dấu nối tiếp nhau và có điểm chung là điểm nối mát. Ta thiết kế mạch này như sau: +15 V - 15 V - 24 V 7815 7915 Hình 3.6: Sơ đồ mạch tạo nguồn nuôi Điện áp xoay chiều được chỉnh lưu nhờ hai sơ đồ chỉnh lưu hình tia, điện áp ra được ổn định nhờ các vi mạch ổn áp và được lọc bởi các tụ đưa ra hai nguồn +15V và -15V có điểm chung là điểm 0 của biến áp. Hai nguồn này sẽ nuôi cho các vi mạch và làm nguồn điện áp ngưỡng. Sở dĩ phải có nguồn -24V là do công suất của các vi mạch hạn chế, nếu sử dụng cho mạch khuyếch đại xung đòi hỏi công suất lớn thì các vi mạch ổn áp sẽ bị quá nhiệt . Do đó nguồn nuôi cho mach khuyếch đại xung được lấy ở trước các vi mạch ổn áp. Nguồn này cần có điện áp lớn để khi điện áp lưới dao động vẫn đảm bảo điện áp ra của BAX đủ mở chắc chắn các tiristo. Mặt khác, điện áp lưới lớn khiến cho ta chỉ cần chọn các Tranrito khuyếch đại công suất có dòng nhỏ. b. Khối tạo điện áp chủ đạo Khối tạo điện áp chủ đạo chỉ yêu cầu công suất nhỏ nên ta lấy trực tiếp từ nguồn +15V và -15V. "Đảo chiều điện áp chủ đạo nhờ cặp tiếp điểm T-N”. +15V - 15V T N R1 R2 Ucđ Hình 3.7: Sơ đồ khối tạo điện áp chủ đạo c. Khâu phản hồi tốc độ Để nâng cao độ cứng đặc tính cơ biện pháp tốt nhất là sử dụng phản hồi âm tốc độ. Tốc độ động cơ được truyền đến máy phát tốc. Máy phát tốc là một máy phát điện một chiều có điện áp ra tỉ lệ với tốc độ động cơ. Tín hiệu phản hồi được lấy trên R1 đưa vào khâu tổng hợp tín hiệu . Hình 3.8: Khâu phản hồi tốc độ d. Khối phản hồi âm dòng điện Để tránh dòng điện trong động cơ tăng qúa mức cho phép khi khởi động, hãm, đảo chiều hay gặp quá tải; ta phải sử dụng mạch điện để hạn chế dòng điện phần ứng . ở đây ta sử dụng mạch phản hồi âm dòng điện. Sơ đồ mạch như hình vẽ : Máy biến dòng TI nhằm cách ly giữa mạch động lực và mạch điều khiển. Điện áp ra của TI được chỉnh lưu nhờ cầu chỉnh lưu ba pha (để đảm bảo cho dòng điện trong cuộn thứ cấp của TI là dòng điện xoay chiều). Tín hiệu phản hồi dòng điện được lấy một phần trên biến trở R rồi được đưa vào lọc và khuyếch đại bởi IC1, IC2. Điện áp âm tên điện trở R4 có tác dụng như một ngưỡng; điện áp đầu ra IC2 được tính như sau: Ta chọn R5 = R6 a Là hệ số phân áp. Hình 3.9: Sơ đồ khối phản hồi âm dòng điện Khi Iư < Ing ,điện áp đầu ra IC2 có dấu dương nên các diốt khoá , mạch phản hồi chưa có tác dụng . Khi Iư > Ing , điện áp ra có giá trị âm , lúc này mạch phản hồi dòng tham gia khống chế góc mở a làm giảm dòng phần ứng. Hình 3.10: Giản đồ điện áp và dòng điện mạch điều khiển 3.3 Tính chọn thiết bị mạch điều khiển 3.3.1 Tính chọn khâu tạo điện áp chủ đạo Chọn biến trở : RWR3 = 4,7 KW công suất tiêu tán trên biến trở là Chọn R30 = 4,7 KW , 1w 3.3.2 Tính chọn khâu phản hồi tốc độ Căn cứ vào tốc độ định mức của động cơ và sai lệch tĩnh của hệ thống ta chọn máy phát tốc có các thông số sau: Kiểu Uđm (V) Iđm ( A) nđm (v/ph) Rư( W) m (kg) GT - 100 110 0,8 1500 200 4,8 Căn cứ vào tốc độ định mức của máy phát tốc và của động cơ ta chọn bộ truyền bánh răng có tỉ số truyền i = 2 để truyền tốc độ từ động cơ đến MFT Điện trở mạch ngoài của MFT Điện áp phản hồi lấy ra là 12V từ đó ta chọn R31 = 47KW , 2w Hệ số phản hồi tốc độ: Khi tốc động cơ là định mức thì điện áp ra là 12V do đó hệ số phản hồi tốc độ ¡ được tính 3.3.3 Tính chọn BAX Tỷ số biến áp xung thường là Ta chọn n = 3 Để đảm bảo tyristo mở khi điện áp lưới dao động ta chọn U2 = 8V, I2 = 2A điện áp đặt lên cuộn sơ cấp BAX U1 = nU2 = 3×8 = 24 V Dòng sơ cấp BAX Chọn vật liệu sắt từ '330 hình chữ làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá DB = 0,7T, DH = 50A/m có khe hở Từ thẩm của lõi sắt từ Vì mạch từ có khe hở nên phải tính từ thẩm trung bình sơ bộ chọn chiều dài đường sức l = 0,1m khe hở lkh = 10-5 m Thể tích lõi sắt từ: Với Q là tiết diện lõi sắt là dòng thứ cấp quy đổi sang sơ cấp Chọn V = 16,35 cm3 ta sẽ được các kích thước (Theo bảng II.2. Điện tử công suất) Q = 163 cm2, l = 10,03cm, a = 1,2 cm, h = 3 cm c = 1,2 cm, e = 4,8 cm, H = 4,2 cm, B = 1,6 cm, P = 7 w H h c a C + Số vòng cuộn sơ cấp BAX: W1=166 (vòng) K = 0,76 là hệ số lấp đầy + Số vòng cuộn thứ cấp BAX: W2 = W1/ 3 = 56 (vòng) 3.3.4 Tính khâu khuyếch đại xung Căn cứ vào dòng sơ cấp BAX là: 0,6 A ta chọn Tr có : PK = 900mW ; nhiệt độ làm việc max là 1500 ; f = 15 MHz ; UC E 0= 160 V ; UCB= 6 V; IK = 1 A ; b = 60; Tr làm việc ở chế độ xung. Như vậy IB3 = 600/60 = 10 mA, IB3 chính là IC Tr2 do đó ta chọn Tr2 là loại A1015 có: PK = 400mW; f = 80 MHz; t0max=1250C; UCE=50 V; UBE = 5V; IC = 150 mA; b = 70. 3.3.5 Tính chọn mạch tạo điện áp răng cưa Ta có khuyếch đại thuật toán là loại TL084, toàn bộ mạch điều khiển cần 20 KĐTT nên ta dùng 5 chiếc TL084 với các thông số như sau: - + - + - + - + 14 13 12 11 10 9 8 1 2 3 4 5 6 7 +UCC - UCC Điện áp nuôi ± 18 V; hiệu điện thế giữa cổng đảo và cổng không đảo là ±30V nhiệt độ làm việc từ 250C đến 850C. Mỗi chiếc TL084 được bao gói và mã hoá như hình vẽ: Điện áp ra bão hoà của KĐTT có thể lấy là: ½urBH ½= ½½UCC½- ½2V½½. Ta nuôi KĐTT bằng nguồn 15V, để cho điện áp răng cưa được chính xác thì trong suốt thời gian tụ C được nạp điện áp đầu ra phải không đặt tới trị số bão hoà. Chọn điện áp ur max = 12V ta có: ur = uC 1 = iC 1.t /C với iC 1= 15/( R3+R4) ta tính toán R3 , R4 sao cho với thời gian t = 1/ 50 (s) thì iC1= 12V Chọn C = 0,22mF , ta tính được: Chọn R3 = 10 KW; R4= 4,7KW ta chỉnh R4 để đặt được ur max= 12V. Chọn Tr1 là loại A564 A có UC E= 60V; b = 200; PK= 250mW; IC=100 mA Chọn R1= 4,7 KW; R2 = 68 KW Tr4 , Tr5 đều chọn là loại A1015. Điện trở R được tính R ³ 15/ IC Tr4 = 15/0,15 = 100W; chọn R = 1 KW; R0 = 4,7 KW 3.3.6 Tính chọn khâu khuyếch đại trung gian Tính chọn khâu khuyếch đại trung gian: Hệ số khuyếch đại của hệ thống được tính theo đặc tính cơ thấp nhất và sai lệch tĩnh yêu cầu. Gọi Dn là độ sụt tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất. Dn = S*. nomin S* = (n0min - nmin )/ n0min Þ nomin = nmin/ (1- S* ) = nđm / (1 - S*) . D Gọi K là hệ số khuyếch đại của hệ thống . Ta có K = KBĐK THKTGKĐK HC Phương trình đặc tính cơ hệ kín là: Độ sụt tốc độ Dn = Iđm.R.KĐ/ (1+¡n) (1) Mặt khác Dn = S* . n0min = S* .nđm / (1- S*)D (2) Từ (1) và (2) ta có: Với KĐ = 7,8 ; nđm = 1500 v/ph ; S* £ 3% ; D = 20 R = RưĐ + Rtx + RCK + RCKcb = 0,139+ 0,33 + 0,48 + 0,48 R = 1,51W Thay các giá trị trên ta tính được: K ³ 446630 Như vậy hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại trung gian là: KTG ³ K/ ( K HCKBĐKĐK TH ) Thay số vào ta có: KTG ³ 1149 Vậy hệ số khuyếch đại của hệ thống là: K = KBĐK THKTGKĐK HC = 447779 3.3.7 Xác định hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi Do mạch phần ứng động cơ có điện cảm lớn nên ta coi dòng phần ứng là dòng liên tục 0,004 4 6 uđk Ud 304,1 265,7 0,332 0 Từ đây ta xây dựng được quan hệ Ud = ¦(uđk). Thực tế quan hệ này là phi tuyến, để đơn giản ta tuyến tính hoá đoạn đặc tính làm việc. Đặc tính có dạng như hình vẽ: Hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi: KBĐ = DUd / Duđk = (265,7 - 0,332 )/ (4 - 0,004) = 66,4 CHƯƠNG IV THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 4.1 Nguyên lý làm việc của mạch động lực 4.1.1 Khi động cơ làm việc thuận: Đóng áp tô mát AB cung cấp điện áp ba pha cho máy biến áp động lực BA. Khi đó hai bộ biến đổi hình tia ba pha song song ngược sẽ được cấp điện áp. Các van từ T1¸T6 lần lượt được đặt các điện áp thuận theo chiều biến thiên của điện áp ba pha. Các van T1, T2, T3 được điều khiển với góc mở a1 900 sao cho: a1 + a2 = 1800 . Lúc này điện áp chỉnh lưu của hai nhóm van là: Ud1 = Ud0 cosa1> 0 Ud2 = Ud0cosa2 < 0 Động cơ sẽ quay theo chiều thuận phù hợp với chiều của Ud1. Còn bộ biến đổi hai làm việc ở chế độ nghịch lưu đợi. 4.1.2 Khi động cơ làm việc theo chiều ngược: Tương tự như khi làm việc theo chiều thuận. Lúc này các van T1, T2, T3 được điều khiển với góc mở a1 > 900, còn các van T4, T5, T6 được điều khiển mở với góc mở a2 < 900 sao cho: Ud1 = Ud0 cosa1< 0 Ud2 = Ud0cosa2 > 0 Động cơ sẽ quay theo chiều ngược phù hợp với chiều của Ud2. 4.2 Nguyên lý làm việc của mạch điều khiển Mạch điều khiển của hệ thống được thiết kế theo các yêu cầu kỹ thuật là: + Ổn định và điều chỉnh tốc độ. + Tự động hạn chế phụ tải. + Đảo chiều. + Hãm dừng chính xác. Xuất phát từ những yêu cầu này ta sẽ phân tích nguyên lý làm việc của hệ thống theo từng yêu cầu. 4.2.1 Nguyên lý ổn định tốc độ và điều chỉnh tốc độ Giả sử động cơ đang làm việc ở tốc độ đặt nào đó ở chiều quay thuận, lúc này tiếp điểm T đóng, Ucđ mang dấu dương khiến điện áp ra của khâu khuyếch đại trung gian IC10 có dấu dương và điện áp điều khiển sẽ có dấu dương. Điện áp này sẽ làm cho nhóm van katốt chung mở với góc mở a1900, tức là làm việc ở chế độ nghịch lưu đợi. Trong qúa trình làm việc nếu có sự thay đổi của tải, giả sử tải tăng khiến tốc độ động cơ giảm Þ (Ucđ - ¡n) sẽ tăng Þ điện áp điều khiển sẽ tăng Þ góc mở a1 giảm Þ Ud1 tăng kéo tốc độ động cơ trở lại điểm làm việc yêu cầu. Nếu tải giảm qúa trình diễn ra ngược lai. Đó chính là nguyên lý ổn định tốc độ. Chất lượng của qúa trình ổn định tốc độ được đánh giá qua chỉ tiêu: S*=1,8% Khi muốn thay đổi tốc độ ta điều chỉnh biến trở WR3 khi đó điện áp chủ đạo sẽ thay đổi, dẫn đến điện áp điều khiển thay đổi Þ góc mở a thay đổi Þ điện áp chỉnh lưu thay đổi Þ tốc độ động cơ thay đổi theo. Điện áp chủ đạo được điều chỉnh nhờ biến trở WR3 là vô cấp do đó tốc độ động cơ cũng được điều chỉnh vô cấp. 4.2.2 Khả năng hạn chế phụ tải Giả sử trong qúa trình làm việc tải của hệ thống tăng quá mức cho phép khi đó dòng phần ứng động cơ sẽ tăng quá mức cho phép, điều này là không cho phép. Trong hệ thống có tính đến khả năng này. Khi dòng phần ứng tăng quá giá trị ngắt thì khâu ngắt dòng sẽ tham gia tác động làm giảm điện áp điều khiển Þ góc mở a có xu hướng tiến tới 900 làm cho điện áp chỉnh lưu giảm và dòng phần ứng sẽ không tăng quá lớn. Mặt khác, khi điện áp chỉnh lưu giảm Þ tốc độ động cơ sẽ giảm (đủ nhỏ) lúc này khối cải thiện cất lượng động sẽ tác động tiếp tục hạn chế góc mở và dòng điện phần ứng sẽ được hạn chế nhỏ hơn mức cho phép, giá trị này là 18A. 4.2.3 Quá trình đảo chiều động cơ Để đảo chiều quay động cơ ta thay đổi đóng mở tiếp điểm T, N, tức là đảo chiều điện áp chủ đạo. Giả sử T đang đóng và động cơ đang quay theo chiều thuận nếu ta đồng thời mở T và đóng N thì điện áp chủ đạo đảo từ dương sang âm Þ điện áp đầu ra của khâu khuyếch đại trung gian sẽ đảo dấu từ âm sang dương. Tuy nhiên lúc này động cơ vẫn quay thuận nên khối cải thiện chất lượng động sẽ tham gia tác dụng làm cho động cơ được hãm tái sinh. Khi tốc độ động cơ giảm dần thì điốt D khoá lại khiến điện áp điều khiển của nhóm van anốt chung có giá trị dương Þ động cơ chuyển từ hãm tái sinh sang hãm ngược. Khi n = 0 động cơ sẽ được tự động khởi động theo chiều ngược lại. 4.2.4 Hãm dừng Muốn hãm dừng ta chỉ việc ngắt Ucđ bằng cách mở các tiếp điểm T hoặc N đang ở trạng thái đóng. Lúc này qúa trình hãm diễn ra tương tự qúa trình đảo chiều. CHƯƠNG V XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH TĨNH 5.1 Đặt vấn đề Xây dựng đặc tính tĩnh của hệ thống là xây dựng đặc tính n=¦(I) hoặc n=¦(M) qua đó kiểm tra được độ sụt tốc độ, tức là đánh giá được sai lệch tĩnh của hệ thống xem có đảm bảo yêu cầu đặt ra của công nghệ hay không; đồng thời cũng kiểm tra các giá trị dòng điện ngắt, dòng điện dừng, hãm xem có đảm bảo an toàn cho hệ thống hay không. Từ đó đánh giá được năng lực quá tải của hệ thống; khả năng tác động nhanh của hệ thống cũng như độ an toàn của hệ thống trong quá trình làm việc. Do động cơ một chiều kích từ độc lập có đặc tính n = ¦(I) và n = ¦(M) đồng dạng nhau tức là có thể suy ra đặc tính n= ¦(M) từ đặc tính n= ¦(I) do đó ta chỉ xây dựng quan hệ n = ¦(I) và gọi là đặc tính cơ của hệ thống . Khi xây dựng đặc tính ta đưa ra các giả thiết sau: + Động cơ làm việc ở chế độ dài hạn. + Hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi là hằng số. + Tiristo là phần tử bán dẫn tác động nhanh không có quán tính. + Điện trở phần ứng động cơ không thay đổi trong suốt qúa trình làm việc. + Điện cảm phần ứng của động cơ và các cuộn kháng đủ lớn để duy chì dòng điện tải là liên tục. 5.2 Xây dựng đặc tĩnh 5.2.1 Xây dựng đặc tính trong vùng làm việc Viết phương trình kiếc hốp cho động cơ ta có: Ud = Ke f n + DU +UR DU = 1,4 V là sụt áp trên các tiristo Þ n = (Ud - IưR - DU )KĐ với KĐ = 1/ Ke f = 7,8 KTGKTHKHC KBĐ KĐ ¡ n Ucđ DU + IưR (-) Hình 5.1: Sơ cấu trúc hệ thống Từ sơ đồ cấu trúc ta viết được: n = (Ucđ - ¡n).KTGKTHKBĐKHCKĐ - (DU +IưR).KĐ Trong đó: K là hệ số khuyếch đại của hệ thống: K = 447779 R là điện trở mạch phần ứng ; R = 1,51 W + Khi: n = nmax ; Iđm = 100 A Þ Ucđ = Ucđ max = 12,0029V + Khi: n = nmin; Iđm = 9 A Þ Ucđ = Ucđmin = 0,0153 V * Điểm không tải lý tưởng (I = 0) * Điểm giới hạn vùng làm việc, chọn Ing = 12,5 A Ucđ = Ucđmax Þ n = 1499, 979 v/ ph Ucđ = Ucđmin Þ n = 1,976 v/ph * Đánh giá chất lượng tĩnh: S* = ( n0min - nmin ) / n0min = ( 2,037 - 2 )/ 2,037 = 0,0181 = 1,81 % [ S*] < 3 % Như vậy sai lệch tốc độ tĩnh đảm bảo yêu cầu. 5.2.2 Xây dựng đặc tính ở vùng ngắt dòng (1- a)K'HC KTGKTH KBĐ ¡ n Ucđ (-) a.b'(I - Ing) (-) (-) DU + IưR KĐ Đặc tính khi khâu cải thiện chất lượng động chưa tham gia và khâu KĐTG chưa bão hoà: Hình 5.2: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống khi khâu cải thiện chất lượng động chưa tham gia và khâu KĐTG chưa bão hoà. Điện áp điều khiển được tính như sau: ( ở đây ta bỏ qua dòng điện rẽ qua R43 vì dòng này nhỏ ) Với K'HC = R43 2 / R43 = 0,323 Đặt R23 / ( R22 + R23 ) = a Þ uđk = [ uTG (1- a) - a.b( I - Ing) ] K'HC Từ sơ đồ khối của mạch lúc này ta viết được: n = (Ucđ - ¡n) KTHKTGK'HC (1- a)KBĐKĐ - a .b'K'HCKBĐKĐ(I - Ing) – - (DU + I.R ) . KĐ (1) Điểm C có toạ độ: (12,5 ; 1499,979) phải nằm trên đường (1). do đó ta có: (Tức là đường ngắt dòng phải cắt đường làm việc ở toạ độ I = 12,5A) Từ đây ta tìm được: K1(1 - a) = K Với K1 = KTGKTHKBĐKĐK'HC(1 - a) Và K = KTHKHCKTGKBĐKĐ Þ (1 - a) = KHC / K'HC = 0,3/ 0,323 = 0,9285 Þ a = 0,0714 Từ đây ta chọn R22 : 500/ ( 500 + R22) = 0,0714 Þ R22 = 6,5 KW Hệ số phản hồi dòng b' sẽ được chọn khi ta xây dựng xong đường đặc tính có sự tham gia của khâu cải thiện cất lượng động. * Đặc tính khi có sự tham gia của khâu cải thiện chất lượng động: Đánh giá sự tham gia của khối: để khối tác động thì diốt D7 phải mở. Tức là: (Ucđ - ¡n) KTHKTG ³ 2,51 + 0,005631. n + Khi Ucđ = Ucđmax = 12,0029 V thì n £ 1499,967 v/ph + Khi Ucđ = Ucđmin =0,0135 V thì n £ 1,9386 v/ph Ta biết rằng : điều kiện để khâu KĐTG bão hoà là ½Ucđ - ¡n½ ³ 13/ ( KTHKTG Khi Ucđ = Ucđmax thì n £ 1499,953 v/ph Khi Ucđ = Ucđmin thì n £ 1,606 v/ph n (-) DU + IưR KĐ 2,51 + 0,005631.n 0,323KBĐ Như vậy đặc tính tĩnh sẽ không có vùng khâu KĐTG bão hoà vì trước đó khâu cải thiện chất lượng động đã tác dụng. Sơ đồ khối lúc này là: Từ sơ đồ khối ta có: n = (2,51 + 0,005631.n).0,323.KBĐKĐ - (DU + I.R)KĐ n = 7056,3 - 392,9I (*) (*) là phương trình đường thẳng, với n = 1499,968 v/ph thì I = 13,88 A Điểm toạ độ ( 13,88 ; 1499,968 ) phải nằm trên đường (1) khi Ucđ = Ucđmax Ta có: Với K1 = KTHKTGK'HCKBĐKĐ(1- a) = 447779 Giải phương trình trên ta được: b' = 1,4471 Như vậy t của vùng ngắt dòng chỉ có khâu ngắt dòng tác động là: n = 133,3047Ucđ + 0,044 - 0,008595 I * Đặc tính cao nhất đi qua các điểm: A (9;1500,041) , B (9;1500) , C (12,5;1499,979) , E (13,88; 1499,968) , F (18; 0) . * Đặc tính thấp nhất đi qu các điểm: D (0; 2,037) G (12,5; 1,976) , H (17,95; 1,9836), K (18; 0). n(v/ph) A C E D 0 G H F I (A) Hình 5.3: Đặc tính tĩnh của hệ thống CHƯƠNG VI XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG XÉT ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG 6.1 Mục đích và ý nghĩa Trong qúa trình làm việc của hệ thống truyền động điện tự động, do nhiễu loạn hoặc do nhiều nguyên nhân khác mà hệ thống có thể bị mất ổn định. Tính ổn định của hệ thống là tính hệ thống có thể trở lại trạng thái ban đầu khi nhiễu loạn mất đi sau một khoảng thời gian nào đó hoặc khả năng xác lập trạng thái ổn định mới khi sai lệch đầu vào thay đổi. Xét ổn định cho hệ thống là xem hệ thống có ổn định hay không dựa vào các tiêu chuẩn ổn định. Từ đó ta tiến hành hiệu chỉnh hệ thống để hệ thống làm việc an toàn, tin cậy đặt được các yêu cầu mong muốn. Dựa vào đặc tính tĩnh của hệ thống ta thấy rằng các phản hồi âm dòng và âm tốc độ luôn có xu hướng làm ổn định hệ thống. Chỉ có phần đặc tính làm việc có đặc tính cơ cứng nhất là dễ mất ổn định hơn cả. Do đó ta chỉ xét ổn định ở vùng này, trong vùng này chỉ có phản hồi âm tốc độ tác dụng. 6.2 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ thống Các tham số cơ bản: g: Hệ số phản hồi âm tốc độ g = 0,25 RS : Tổng điện trở mạch phần ứng RS = 0,193 (W). Iư: Trị số dòng điện trên tải, tính theo dòng định mức động cơ Iưđm = 114(A) Kd: Hệ số khuếch đại của động cơ. Tính Tính Kp : Để tính hệ số khuếch đại của bộ biến đổi (Kp) ta xây dựng đặc tính biểu diễn quan hệ Ud = f(Uđk) sau đó tuyến tính hoá đặc tính này ra đặc tính hệ số góc của đoạn đặc tính đó. Hệ số của đoạn đặc tính cơ là hệ số khuếch đại của bộ biến đổi Kp = tgj = Quan hệ Ud = f(Uđk) xuất phát từ hai quan hệ: Ud = f(a) và a = f(Uđk) * Xây dựng quan hệ Ud = f(a): Coi hệ thống làm việc ở chế độ dòng điện liên tục: Ud = Ud0.cosa Trong đó: Uđ0 = 257,3 (V) là điện áp chỉnh lưu không tải của bộ biến đổi a là góc điều khiển. Cho a biến thiên từ a = (0 ¸ p/2) ta được các trị số Ud lập thành bảng sau: a 0 p/12 p/6 p/4 p/3 p/2 Ud (V) 257,3 257,2 240,2 257,23 257,2 0 * Xây dựng quan hệ a = f(Uđk) Khi thay đổi giá trị điện áp điều khiển (Uđk) thì giá trị góc điều khiển a cũng thay đổi theo. Ứng với mỗi (Uđk) khác nhau ta nhận được các giá trị của a. Căn cứ vào đồ thị của Uđk và điện áp tựa Urc, ta thấy góc a biến đổi theo Uđk với quy luật sau: a = . Mặt khác với vi mạch khuếch đại thuật toán thì tín hiệu là Urcmax = ± 14 (V) nên biên độ cực đại của Urc là Urcmax = 14 (V). Song khi thực hiện so sánh thì Urc được dịch đi sao cho Urc = 0 khi a = p/2, nghĩa là ta chỉ sử dụng nửa biên độ cực đại của Urc Þ Uđk = Cho a biến thiên từ a = (0 ¸ p/2) ta được các trị số Uđk lập thành bảng : a 0 p/12 p/6 p/4 p/3 p/2 Uđk (V) 7 5,83 4,7 3,5 2,33 0 Þ Quan hệ Ud = f(Uđk): Ud 240,25 240,247 240,24 240,227 240,2 0 Uđk (V) 7 5,83 4,7 3,5 2,33 0 Tuyến tính hoá đọan đặc tính AB, ta tính được hệ số khuếch đại của bộ biến đổi như sau. Ta có : Kp = 36,76; g = 0,25; Iư = 114 (A); RS = 0,193 (W); Kd = 7,58; St £ 3% ; D = 20; nđm = 1500 (v/p) thay vào công thức ta được: Tính ky: ta có K = Ky.Kp.Kd Þ Ky = K/ Kp .Kd « * Hệ số khuếch đại yêu cầu (Kyc) của toàn hệ thống Kyc = Ky.Kp .Kd .g = 1,1.36,76.7,58.0,25 = 1,348 * Tóm lại mạch khuếch đại trung gian có hệ số khuếch đại là KYC = 0,348. Để thực hiện mạch khuếch đại trung gian này, sử dụng các vi mạch khuếch đại thuật toán mắc nối tiếp cùng với các điện trở chức năng. Trong quá trình làm việc của hệ thống truyền động điện tự động do có ảnh hưởng của nhiễu loạn bên ngoài mà hệ thống có thể bị mất cân bằng so với định mức. Khảo sát hệ thống là để xét xem hệ thống đó có ổn định hay không, để từ đó tiến hành hiệu chỉnh hệ thống đảm bảo yêu cầu tin cậy, đặt được các chỉ tiêu mong muốn. Khảo sát chế độ động của hệ thống, là việc khảo sát hệ thống tín hiệu với khái niệm. Khi sự chuyển biến trạng thái của hệ thống sảy ra một cách đột ngột, hoặc rất nhanh mà tốc độ biến thiên năng lượng điện từ, năng lượng điện cơ là không thể bỏ qua nghĩa là các khâu quán tính đóng vai trò quan trọng trong quá trình làm việc của hệ thống. Khi khảo sát chế động của hệ thống cần nghiên cứu, khảo sát đặc điểm làm việc trong thời gian chuyển từ trạng thái xác lập này sang trạng thái xác lập khác. Một hệ thống được gọi là ổn định nếu quá trình quá độ tắt dần theo thời gian. Để khảo sát hệ thống, ta thành lập sơ đồ cấu trúc của hệ thống và sau đó xây dựng hàm truyền của hệ thống và sử dụng các tiêu chuẩn xét ổn định để xem hệ thống đó có ổn định hay không. Còn nếu như hệ thống chưa ổn định thì phải hiệu chỉnh để nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống. 6.2.1 Khảo sát chế độ động của hệ thống Sơ đồ cấu trúc của hệ thống khi chưa hiệu chỉnh. Ucđ w3 w1 w2 w4 w6 w5 w7 (-) w (-) (-) Trong đó: Ucđ: Tín hiệu đặt điện áp tốc độ (điện áp chủ đạo). Hàm truyền của mạch khuyếch đại trung gian: w1 = wy = Ky/Tf.p + 1 Với Ky, Tf là hệ số khuyếch đại của mạch và hằng số thời gian của các bộ phân lọc. Hàm truyền của bộ biến đổi: Với là hệ số khuyếch đại của chỉnh lưu. Tv0 là hằng số thời gian ; Trong đó m và w là các pha chỉnh lưu và tần số góc của nguồn điện. Hàm truyền của các khâu quán tính điện từ: Hàm truyền của các khâu quán tính cơ : Hàm truyền của các khâu nhiễu sức điện động của động cơ.: Ta có: Với : Rư, Lư là điện trở, điện cảm mạch phần ứng động cơ. Tư là hằng số thời gian của mạch phần ứng: Tư = Lư/Rư. TM là hằng số thời gian cơ học: TM = J.Rư/(kf)2 Kd là hệ số khuếch đại của động cơ. Hàm truyền của khâu phản hồi âm dòng có ngắt: w6 = wI = KI/Tip + 1 Ti là hằng số thời gian của mạch lọc trong xen xơ dòng điện. KI = 0,03 Hàm truyền của khâu phản hồi âm tốc độ: w7 = ww = Kw /Tw p + 1. 6.2.1.1 Tính toán các hằng số thời gian và hệ số khuyếch đại (theo góc tốc độ w) Hằng số thời gian của mạch phần ứng: Ta có: ; Trong đó: J = 22,25 (kgm2) Tốc độ góc: (rad/s) Ta có: Ky = 1,1 và g = 0,25 đã tính ở phần trước Þ Kw = g.w = 0,25.157 = 39,25 Vậy K = KY.Kp.Kd = 1,39 Trong các phép tính trên sử dụng các đại lượng Kd(n), g(n) là các hệ số tính theo tốc độ 6.2.1.2 Xây dựng hàm truyền của hệ thống Để xây dựng hàm truyền của hệ thống ta biến đổi tương đương sơ đồ cấu trúc của hệ thống. Chuyển sang sơ đồ tương đương Ta có hàm truyền Chuyển sang sơ đồ tương đương Ta có hàm truyền Chuyển sang sơ đồ tương đương Ta có hàm truyền hệ thống: Û Û Û Û Thay các giá trị của hệ số và các hằng số thời gian ta được Wht = 6.3 Xét ổn định và hiện chỉnh hệ thống 6.3.1. Xét tính ổn định của hệ thống Xét ổn định cho hệ thống theo tiêu chuẩn ổn định Jury VD: Cho hệ thống có phương trình bậc ba a0p3 + a1p2 + a2p + a3 = 0 Các định thức Hurwitez sẽ là Tiêu chuẩn để ổn định là: + Áp dụng tiêu chuẩn để xét ổn định cho hệ thống Phương trình đặc tính của hệ thống: 9,99.10-3p3 + 1,999p2 + 1,21p + 1,348 có hệ số a0 = 9,99.10-3 ; a1 = 1,999; a2 = 1,21; a3 = 1,348 Áp dụng tiêu chuẩn ổn định jury ta có: Như vậy ta thấy điều kiện thứ (2) không thỏa mãn nên hệ chưa ổn định Kết luận: Hệ thống tuyến tính không ổn định 6.4 Hiệu chỉnh hệ thống 6.4.1 Hàm truyền BBĐ của hệ thống Phân tích chuỗi Furier, gần đúng ta có: trong đó: TĐK hằng số thời gian mạch điều khiển van bán dẫn. Lấy TĐK = 0,001s Khi thiết kế mạch điều khiển chọn: Uđk max = 10 (V) KBĐ==25,73 Vậy: WBĐ = 6.4.2 Hàm truyền của động cơ điện một chiều Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều như sau: -E U I -Mc w Trong đó hệ số J là mômen quán tính của hệ thống, được quy đổi về trục của động cơ. Tham số của động cơ : P = 20 KW, Uđm = 220V, Iđm = 114 A, n = 1500 vòng/phút, Rư = 0,193(W) w = = 157(Rad/s) Lư điện cảm phần ứng động cơ được tính theo công thức Umanxki-Linđvil: Hằng số g chọn bằng 0,25 Hằng số thời gian của phần ứng: Tư = Lư/ Rư = 6,14/0,193 = 31,8 (ms) » 0,0318 (s) Tính (k.F) : Ta có công thức sau : k.F = = » 1,26 Mômen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ: M(p) – Mc(p) = Jpw(p) => J = (M(p) – Mc(p)/ pw(p) trong trường hợp Mc = 0 => J = M(p)/ w =KFđm/ w = 1,26/157 = 0,008 Hằng số thời gian của bộ biến đổi: Tvo = (s) Hằng số thời gian của mạch điều khiển chỉnh lưu chọn bằng: Tđk = 0,001(s) Hệ số hàm truyền phản hồi dòng điện Ki: 1,26 1,26 w Mc U E _ 6.4.3 Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động và mômen cản Mc động cơ Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện như (hình 4 - 5), trong đó Ri là bộ điều chỉnh dòng điện, BĐ là bộ biến đổi một chiều, Si là xenxơ dòng điện. Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều cũng như xoay chiều là xác định momen kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng khác như bảo vệ, điều chỉnh gia tốc.... Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện như sau: - E Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện như sau: Uiđ Iư Ri Uda - Ui Hằng số thời gian của bộ lọc: Tf = 0,001s Hằng số thời gian cơ học : Tc = ==0,00097 (s) Vì phản ứng của mạch phần ứng (sđđ )chậm hơn nhiều so với phản ứng của bộ điều chỉnh dòng điện Ri, nên khi tổng hợp mạch vòng dòng điện ta có thể bỏ qua khâu phản hồi E = k... Đối tượng điều chỉnh có hàm truyền đạt : Soi = . Ta thấy các hằng số thời gian Tf, Tdk,Tvo và Ti là rất nhỏ so với Tư .Nên ta đặt Ts = Tf + Tdk + Tvo + Ti = 0,001 + 0,001 + 0,005 + 0,001 = 0,008(s) Soi = . và sơ đồ mạch vòng dòng điện có dạng như sau: Ri Uid -Ui Iu.Ki Do ta đã gộp luôn mạch phản hồi dòng điện Si vào trong một đối tượng điều chỉnh để trở thành mạch phản hồi đơn vị. Nên để được mạch tương đương thì dòng điện ra phải là Ki.Iư . Gọi F1’ là hàm truyền đạt của sơ đồ ta có : F1’ áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu : F1’ = Trong đó = min(Ts,Tư) = Ts = 0,008s Ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu PI (tỷ lệ, tích phân) : Ri(p) = =>F1’ = và hàm truyền đạt của mạch vòng dòng điện là : Fi = . Thay số vào các hàm truyền trên ta có: Fi = 33,33 Ta có mạch tạo nên khâu PI : - + Ura Ui Uid R1 R2 R3 C Với R2.C = Tư Ucđ E Iư _ Vậy sơ đồ tổng hợp mạch vòng dòng điện là: 6.4.4. Tổng hợp hệ mạch vòng tốc độ. Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lượng được điều chỉnh là tốc độ góc của động cơ điện, các hệ này rất hay gặp trong thực tế kỹ thuật. Hệ thống này được hình thành từ hệ thống điều chỉnh dòng điện. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống có mạch vòng điều chỉnh tốc độ như sau: Rw Uwđ _ KFđm - Uw M -Mc w Sw Ta có thể chuyển nút cộng Mc ra ngay sau khối KFđm. Hằng số thời gian cơ học: Tc = Þ KFđm = Rw Uwđ - Uw w Sw 1/KFđm Mc - Ic I Do Ts là hằng số thời gian nhỏ (Ts = Tf + Tdk + Tvo + Ti), nên có thể bỏ qua thành phần 2T2sp2 trong biểu thức hàm truyền đạt F1. Từ đó ta có sơ đồ cấu trúc sau: Hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh: Sow = Đặt T’s = 2Ts+Tw . Þ Sow » Như vậy sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ sẽ có dạng như sau: Rw - Uw Uwđ wKw Do ta đã gộp luôn mạch phản hồi tốc độ Sw vào trong đối tượng điều chỉnh để trở thành mạch phản hồi đơn vị, nên để được mạch tương đương thì tốc độ ra là wKw. Gọi F’2 là hàm truyền đạt của sơ đồ F’2 = (wKw)/Uwđ = KwF2 = Þ Rw = Tổng hợp mạch theo tiêu chuẩn tối ưu môđun thì : F’2 = Trong đó ta chọn ts = T’s . Rw = Þ F’2 = Vậy bộ điều chỉnh tốc độ Rw là một khâu P, có hàm truyền đạt: Rw = và hàm truyền đạt của mạch vòng tốc độ là: F2 = Với T’s = 2Ts+Tw = 2.0,008 + 0,001 = 0,017s Thay số ta có: F2 = Rw = = 6,2 Ta có mạch tạo nên khâu P: - + - + Uwđ Uw R1 R1 R2 R3 R3 Uiđ P Với R2 = 0,065.R1 Tổng hợp các khối lại ta có sơ đồ cấu trúc hệ thống . Rw Ri FBBĐ KFđm KFđm Uđm Uw Ui Iư Uda Mc CHƯƠNG VII ỨNG DỤNG MATLAB ĐỂ KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG 7.1 Giới thiệu phần mềm Matlab/Simulink MATLAB – phần mềm nổi tiếng của công ty MathWorks, là một ngôn ngữ hiệu năng cao cho tính toán kỹ thuật như được viết trong logo của phần mềm này. Nó tích hợp tính toán, hiện thị và lập trình trong một môi trường dễ sử dụng. Các ứng dụng tiêu biểu của MATLAB bao gồm: Khả năng tính toán mạnh. Phát triển thuật toán. Chứa Simulink là môi trường mạnh để mô phỏng các hệ thống động học tuyến tính và phi tuyến. Đồ họa khoa học và kỹ thuật Phát triển ứng dụng với các giao diện đồ họa. Có kiến trúc mở, ủng hộ việc xây dựng thêm các module tính toán kỹ thuật theo chuẩn công nghiệp. Tên của phần mềm MATLAB bắt nguồn từ thuật ngữ “Matrix Laboratory”. Đầu tiên nó được viết bằng FORTRAN để cung cấp truy nhập dễ dàng tới phần mềm ma trận được phát triển bởi các dự án LINPACK và EISPACK. Sau đó nó được viết bằng ngôn ngữ C trên cơ sở các thư viện nêu trên và phát triển thêm nhiều lĩnh vực của tính toán khoa học và các ứng dụng kỹ thuật. Ngoài MATLAB cơ bản với các khả năng rất phong phú sẽ được đề cập sau, phần mềm MATLAB còn được trang bị thêm các ToolBox – các gói chương trình (thư viện) cho các lĩnh vực ứng dụng rất đa dạng như xử lý tín hiệu, nhận dạng hệ thống, xử lý ảnh, mạng nơ ron, logic mờ, tối ưu hóa, phương trình đạo hàm riêng, sinh tin học,... Đây là các tập hợp mã nguồn viết bằng chính MATLAB dựa theo các thuật toán mới, hữu hiệu mà người dùng có thể chỉnh sửa hoặc bổ sung thêm các hàm mới. Simulink là phần mềm mô phỏng các hệ thống động học trong môi trường Matlab. Đặc điểm của Simulink là lập trình ở dạng sơ đồ cấu trúc của hệ thống. Nghĩa là, để mô phỏng một hệ thống đang được mô tả ở dạng phương trình vi phân, phương trình trạng thái, hàm truyền đạt hay sơ đồ cấu trúc thì chúng ta cần chuyển sang chương trình Simulink dưới dạng các khối cơ bản khác nhau theo cấu trúc cần khảo sát. Với cách lập trình như vậy người nghiên cứu hệ thống sẽ thấy trực quan và dễ hiểu. Trong môi trường Simulink có thể tận dụng được các khả năng tính toán, phân tích dữ liệu, đồ hoạ của Matlab và sử dụng các khả năng của toolbox khác như toolbox xử lý tín hiệu số, logic mờ và điều khiển mờ, nhận dạng, điều khiển thích nghi, điều khiển tối ưu …v v.Việc Simulink kết hợp được với các toolbox đã tạo ra công cụ rất mạnh để khảo sát động học các hệ tuyến tính và phi tuyến trong một môi trường thống nhất. 7.2 Thư viện khối chuẩn của Simulink: Môi trường lập trình Simulink được tạo nên từ các khối chuẩn trong các thư viên của Simulink. Các thư viện Simulink bao gồm các khối sau: Hình 7.1:Thư viện khối chuẩn của Simulink Sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiệu cụ thể tác dụng và cách làm việc của các khối hay dùng trong các thư viện . 7.2.1 Thư viện các khối Sources (Khối phát tín hiệu): Thư viện này gồm các khối tạo nguồn tín hiệu khác nhau. Trong thư viện Sources có các khối như trong bảng dưới đây: Tên khối Chức năng Band-LimitedWhite Noise Đưa nhiễu trắng vào hệ Chirp- Signal Tạo sóng sin tần số bất kỳ Clock Cấp thời gian thực Constant Tạo đại lượng không đổi, tín hiệu đầu vào không đổi Digital Clock Cấp thời gian, với thời gian lấy mẫu Discrete Pulse Generator Khối phát tín hiệu dao động rời rạc From Workspace Đọc dữ liệu trong vùng nhớ đệm From file Đọc dữ liệu từ một file Pule Generator Tạo các xung với các chu kỳ khác nhau Ramp Phát tín hiệu đường y= ax +b Random Number Tạo các số ngẫu nhiên phân bố chuẩn Repeating Sequence Tạo tín hiệu tuỳ ý lặp lại theo chu kỳ Signal Generator Tạo các dạng tín hiệu khác nhau Sine Wave Tạo tín hiệu hình sin Step Tạo tín hiệu dạng hàm bậc thang đơn vị (hàm bước nhảy) Uniform Random Number Tạo các số ngẫu nhiên phân bố đều + Constant: Khối tạo nên hắng số. Hằng số đó có thể là véctơ hay matrận, hay tín hiệu đơn tùy ta khai báo ở constant. Muốn vậy nháy đúp vào khối ta sẽ mở ra cửa sổ Block Parameters và có thể nhập các tham số sau đó ấn OK. Ở ô interpret vecto parameters nếu chọn ta có thể khai báo tham số là véctơ hàng hay véctơ cột, nếu không chọn véctơ hàng hay cột mà ta khai báo chỉ có thể dùng như véctơ với chiều dài n. + Step và Ram: Dùng để tạo tín hiệu bậc thang hay tín hiệu dốc dốc tuyến tính. Chúng ta có thể khai báo giá trị đầu/ giá trị cuối và cả thời điểm bắt đầu của bước nhẩy. Trong hộp parameter ta nhập Step time: nhập thời gian bắt đầu của bước nhẩy. Initial value: Nhập giá trị ban đầu trước khi có bước nhẩy. Final value: giá trị cuối của bước nhẩy. Sample time: 0 khi mô phỏng cho hệ liên tục; 1 khi mô phỏng cho hệ gián đoạn. + Signal Generator và Pulse Generator: Signal Generator tạo các tín hiệu kích thích khác nhau ví dụ như sin, răng cưa còn Pulse Generator tạo xung chữ nhật với biên độ và tần số độ rộng xung có thể thay đổi. + SINE WAVE: Tạo tín hiệu hình sin cho cả hai loại liên tục( sample time = 0) và cho gián đoạn với ( sample time = 1). cơ sở quan hệ y=Amplitude.sin(Fequency.time+phase) + Repeating Sequency: tạo tín hiệu tuần hoàn tuỳ ý. 7.2.2 Thư viện các khối Sinks Ở đây gồm các khối dùng để hiển thị hoặc ghi lại kết quả mô phỏng ở đầu ra một khối trong hệ thống được khảo sát. Trong thư viện Sinks có các khối sau: Tên khối Chức năng Display Hiển thị tín hiệu dưới dạng chữ số Scope Khối quan sát Stop simulation Ngừng quá trình mô phỏng khi lượng vào khác không To File Ghi dữ liệu vào File To Workspace Ghi dữ liệu vào vùng làm việc XY graph Hiển thị đồ thị XY của tín hiệu trên cử sổ đồ thị MATLAB Thư viện Sink(bao gồm các khối truy suất chuẩn của Simulink) + Scope Nhờ scope ta có thể hiển thị các tín hiệu của quá trình mô phỏng. Khi có đồ thị hiện ra chúng ta có thể zoom để xem tín hiệu theo ý muốn, ngoài ra khi vào hộp thoại scope chúng ta thấy Number of axes: tại đây ta nhập số trục toạ độ tương ứng với sô tín hiệu đầu vào. Time range: nếu điền một thời gian cụ thể đồ thị sẽ biểu diễn cho tới thời điểm giá trị của số xác định, nếu không đặt là auto Tick lables: nhãn cho trục sẽ hiện các giá trị tại các trục hay không. XYGaph: biểu diễn hai tín hiệu vào scalar trên toạ độ XY dưới dạng đồ thị của matlab ta có thể đặt giới hạn cho trục. Đầu vào thứ nhất tương ứng với trục x đầu vào thứ hai tương ứng với trục y. 7.2.3 Thư viện các khối Continuous. Trong thư viện này có các khối của hệ thống liên tục tuyến tính, các khối biểu diễn các hàm tuyến tính chuẩn. Thư viện Linear gồm các khối sau: Tên khối Chức năng Derivative Tính vi phân theo thời gian của lượng vào ( d/dt) Integrator Tích phân tín hiệu Memory Bộ nhớ ghi lại dữ liệu State- Space Biểu diễn hệ thống trong không gian trạng thái tuyến tính Transfer Fcn Hàm truyền đạt tuyến tính của các khâu hoặc hệ thống Transport Delay Giữ chậm lượng vào theo giá trị thời gian cho trước. Variable Transport Delay Giữ chậm lượng vào với khoảng thời gian biến đổi Zero- pole Hàm truyền theo Pole(điểm cực) và Zero(điểm không) + Derivative: Phép tính đạo hàm tín hiệu đầu vào được thực hiện nhờ khối derivative. Tín hiệu ở đầu ra có dạng Du/Dt. Trong đó D là biến thiên của đại lượng cần tính kể từ bước tính liền trước đó. + Integrator: Khối Integrator lấy tích phân tín hiệu đầu vào của khối. Giá trị ban đầu khai báo tại hộp thoại cảu khối tại ônInitial condition. NếuInitial condition được chọn là exterrnal thì trên biểu tượng của khối xuất hiện một đầu vào thứ hai giành cho giá trị ban đầu lấy nguồn ngoài của khối. Đầu ra của khối Integrator tại ô external reset có thể chọn một trong các giá trị rising, falling, erithr hay leve, khối này sẽ tự động giành thêm một đầu giành cho giá trị reset. + State- Space: Là mô hình trạng thái của hệ tuyến tính.. (xem control systerm toolbox). + Transfer Fcn: Là mô hình hoá hàm truyền đại tương đương với lệnh tf(num,den) của control systerm toolbox. 7.2.4 Thư viện các khối Dicrete (tín hiệu rời rạc hay tín hiệu số Z) Thư viện này có các khối cơ bản của hệ thống rời rạc, các khối tính toán trong miền thời gian rời rạc. Cụ thể bao gồm các khối như trong bảng sau: Tên khối Chức năng DiscreteTransferEcn Biểu diễn hàm truyền trong hệ rời rạc Discrete Zero- pole Biểu diễn hàm truyền trong hệ rời rạc thông qua Pole và Zero Discrete -Filter Biểu diễn các bộ lọc HR và FIR DiscreteState- Space Biểu diễn hệ thống trong không gian trạng thái rời rạc Discrete-Time Integrator Biểu diễn tích phân tín hiệu rời rạc theo thời gian Fist Order Hold Khâu tạo dạng bậc nhất Unit Display Hiển thị tín hiệu trong một chu kỳ rời rạc Zero order Hold Khâu tạo dạng bậc thang không 7.2.5 Thư viện các khối Nonlinear (các khâu phi tuyến). Thư viện Nonlinear có các khối biểu diễn các hàm phi tuyến điển hình các khối trong hệ thống phi tuyến. Cụ thể bao gồm các khối sau: Dead Zone Mô tả vùng không nhạy (vùng chết). Quantizer Lượng tử hoá tìn hiệu vào trong các khoảng xác định. Rate Limiter Hạn chế phạm vi thay đổi của tín hiệu Relay Khâu rơle. Saturation Khâu bão hoà tín hiệu (khâu hạn chế). Switch Chuyển mạch giữa hai lượng vào. 7.2.6 Thư viên khối Signal & System: Thư viện Signal & System có các khối biểu diễn tín hiệu và hệ thống. Cụ thể bao gồm các khối chính như sau: Tên khối Chức năng Sub&Systems Xây dựng hệ thống con bên trong hệ thống lớn In1 Tạo cổng vào cho một hệ thống Demux (phân kênh) Tách tín hiệu véctơ thành các tín hiệu vô hướng Mux (Dồn kênh) Gộp các tín hiệu thành một véctơ Out1 Tạo cổng ra cho một hệ thống 7.2.7 Thư viện chứa các khối toán học Math: Thư viện Math có các khối biểu diễn hàm toán học. Cụ thể bao gồm các khối chính như sau: Tên khối Chức năng Abs Biểu diễn giá trị tuyệt đối của lượng vào Combuanatoril logic Biểu diễn bảng chân lý. Dot product Nhân giữ hai véctở Product Thực hiện nhân các lượng vào Gain Bộ (khâu) khuyếch đại Matrix gain BKĐ có hệ số khuyếch đại là một Ma trận Math function Các hàm toán học MinMax Tìn giá trị min, max Relational Toán tử quan hệ Sum Tính tổng của các lượng vào Trigonometric Function Hàm lượng giác Các khối trong thư viện này có chức năng ghép toán học các tín hiệu khác nhau. Sau đây sẽ mô tả một số khối hay dùng. + Sum: Đầu ra của khối sum là tổng các tín hiệu vào. Với khối sum ta có thể cộng hoặc trừ nhiều tín hiệu bằng cách khai báo vào Lits of signs: + Khối Product và Dot Product: Khối dot product cho ta tích vô hướng của các véc tơ đầu vào. Khối product thực hiện phép nhân từng phần tử hay từng ma trận , cũng như phép chia tín hiệu đầu vào Tại Number of inputs: ta nhập số đầu vào. Tại Multiplication: Chọn element-wise khi cần nhân hoặc chia của từng phần tử hoặc tín hiệu, chọn Matrix nếu muốn nhân hoặc chia tín hiệu dạng matrận. + Khối Gain, Matrix Gain, Slider Gain: Khối gain có tác dụng khuyếch đại tín hiệu đầu vào Bằng biểu thức khai báo ở ô Gain khi ta nháy đúp vào khối này. Khối Slider Gain Cho phép người sử dụng thay đổi giá trị khuyếch đại trong quá trình mô phỏng. Khi nhấy kép chuột trái vào khối, cửa sổ khối ta nhập vào giá trị bế nhất, và lớn nhất, ta có thể thay đổi giá trị khuyếch đại trong khoảng này bằng thanh trượt. Matrix Gian cũng giống như gian nhưng khác ở chỗ chúng ta phẩi khai báo tham số thích hợp để thực hiện phép nhân giữa ma trận Gain với đầu vào. 7.2.8 Thư viện chứa các khối Function & Tables: Tên khối Chức năng Fcn Ứng dụng biểu thức toán nhất định cho lượng vào. Matlab Fcn Ứng dụng hàm Matlab cho lượng vào. look- Up Table 2-D Biểu diễn tuyến tính từng đoạn của hai lượng vào S -Function Đưa một S-Function vào trong một khối 7.2.9 Thư viện các khối mở rộng của Simulink: Additional Discrete: Khối mở rộng khối tín hiệu rời rạc. Additional linear: Khối mở rộng khối tín hiệu tuyến tính Additional Sinks: Khối mở rộng khối quan sát. Filp Flops: Khối mở rộng chứa khối Trigơ. Linearization: Khối mở rộng tuyến tính hoá. Transformations: Khối mở rộng các khối biến đổi toán học. 7.3 Ứng dụng Matlab khảo sát tính ổn định của hệ thống 7.3.1 Mô phỏng bộ biến đổi của hệ thống a) Sơ đồ cấu trúc b) Mô phỏng Hình 7.2 Kết quả mô phỏng bộ biến đổi của hệ thống 7.3.2 Mô phỏng hoạt động của động cơ điện một chiều a) Sơ đồ cấu trúc b) Mô phỏng Hình 7.3 Kết quả mô phỏng hoạt động của động cơ điện một chiều 7.3.3 Mô phỏng hoạt động của mạch vòng dòng điện a) Sơ đồ cấu trúc b) Mô phỏng Hình 7.4 Kết quả mô phỏng hoạt động của mạch vòng dòng điện 7.3.4 Mô phỏng khâu phản hồi tốc độ của hệ truyền động a) Sơ đồ cấu trúc. b) Mô phỏng. Hình 7.5 Kết quả mô phỏng khâu phản hồi tốc độ của hệ truyền động 7.3.5 Mô phỏng đồ thị khâu phản hồi tác động a) Sơ đồ cấu trúc b) Mô phỏng + Kết quả khi chạy thuận a) + Kết quả khi chạy ngược b) Hình 7.6 Kết quả mô phỏng đồ thị khâu phản hồi tốc độ khi chạy thuận (a); khi chạy ngược (b) Kết luận Sau hơn hai tháng nghiên cứu tài liệu và được sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy giáo Vũ Anh Tuấn em đã hoàn thiện bản đồ án của mình. Trong quá trình làm đồ án em đã nghiên cứu tìm hiểu tài liệu trong thư viện nhà trường, trên mạng internet cũng như tài liệu, giáo trình của thầy Vũ Anh Tuấn tìm giúp. Và với sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy, cô trong bộ môn em đã thu được một số thành quả nhất định: + Biết được cách trình bày kết cấu cơ bản của một bản đồ án. + Biết tìm tòi, chắt lọc những tài liệu phù hợp cho nội dung của đồ án. + Qua đồ án của mình em đã hiểu được quy trình công nghệ của thiết kế hệ thống truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều. Mặc dù do thời gian làm đồ án còn ngắn và trình độ kiến thức của bản thân còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô cùng các bạn để đồ án của em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Nguyễn Thị Chinh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2006. [2] TS. Trần Thọ, PGS.TS. Võ Quang Lạp, Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội. [3] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội. [4] Nguyễn Mạnh Tiến, Vũ Quang Hồi, Trang bị điện – điện tử máy gia công kim loại, Nhà xuất bản giáo dục. [5] Vũ Quang Hồi, Nguyễn Văn Chất, Nguyễn Thị Liên Anh, Trang bị điện – điện tử máy công nghiệp dùng chung, Nhà xuất bản giáo dục. [6] Bộ môn TĐ-TL, Khoa Điện, Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ, [7] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2004. [8] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2006.