Thiết kế hệ thống tự động hóa quá trình NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Vinh, ngày tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Vinh, ngày tháng năm 2022 Giáo viên phản biện Thiết kế hệ thống tự động hóa quá trình GVHD Trần Duy Trinh SVTH Phan Văn Đức MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 3 CHƯƠNG I MÔ TẢ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 4 1 1 Đặt vấn đề 4 1 2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ một chiều 4 1 3 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 5 1 3 1 Cấu tạo và n.
MÔ TẢ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
Đặt vấn đề
Động cơ điện một chiều vượt trội trong việc điều chỉnh tốc độ so với các loại động cơ khác, nhờ vào khả năng điều chỉnh dễ dàng và cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản Hơn nữa, nó còn đảm bảo chất lượng điều chỉnh cao trong một dải tốc độ rộng.
Có hai phương pháp chính để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều: điều chỉnh điện áp cho phần ứng của động cơ và điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ.
Cấu trúc phần lực trong hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều luôn cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cung cấp nguồn cho mạch phần ứng hoặc mạch kích từ của động cơ Hiện nay, trong ngành công nghiệp, có bốn loại bộ biến đổi chính được sử dụng.
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ một chiều
Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ một chiều.
+ Bộ điều khiển tốc độ (speed controller).
+ Bộ giới hạn tốc độ (limiter).
+ Bộ điều chỉnh dòng (current controller).
+ Bộ biến đổi tiristor động cơ.
+ Động cơ một chiều kích từ độc lập.
GVHD: Trần Duy Trinh 4 SVTH: Phan Văn Đức
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
1.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều a: Cấu tạo.
Hình 1.2: Cấu tạo động cơ điện một chiều. Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và Phần động.
Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường Bao gồm các bộ phận sau.
Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài được sử dụng trong động cơ kích từ bằng nam châm điện Mạch từ được chế tạo từ vật liệu sắt từ như thép đúc hoặc thép đặc Dây quấn kích thích, hay còn gọi là dây quấn kích từ, được làm từ dây điện từ, và các cuộn dây điện từ này được mắc nối tiếp với nhau.
Cực từ chính là bộ phận tạo ra từ trường, bao gồm lõi sắt và dây quấn kích từ Lõi sắt được làm từ lá thép kỹ thuật điện hoặc thép cacbon dày từ 0,5 đến 1mm, được ép và tán chặt Trong các động cơ điện nhỏ, có thể sử dụng thép khối, và cực từ được gắn chắc chắn vào vỏ máy bằng bulông Dây quấn kích từ được làm từ dây đồng bọc cách điện, mỗi cuộn dây được bọc cách điện kỹ lưỡng và tẩm sơn cách điện trước khi lắp đặt lên các cực từ Các cuộn dây kích từ được kết nối nối tiếp với nhau trên các cực từ này.
Cực từ phụ là thành phần quan trọng, được đặt giữa các cực từ chính nhằm cải thiện khả năng đổi chiều Lõi thép của cực từ phụ có dây quấn tương tự như dây quấn của cực từ chính Để đảm bảo tính ổn định, cực từ chính được gắn chắc chắn vào vỏ bằng bulông.
Gông từ là bộ phận quan trọng trong động cơ điện, có chức năng kết nối các cực từ và làm vỏ máy Đối với động cơ điện nhỏ và vừa, gông từ thường được làm từ thép dày uốn và hàn, trong khi đó, động cơ điện lớn thường sử dụng thép đúc Đặc biệt, trong một số động cơ nhỏ, gang cũng có thể được sử dụng làm vỏ máy.
Nắp máy có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ máy khỏi các vật thể rơi vào, ngăn ngừa hư hỏng dây quấn và đảm bảo an toàn cho người sử dụng tránh tiếp xúc với điện Đối với các máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn đóng vai trò là giá đỡ ổ bi, thường được chế tạo từ chất liệu gang để đảm bảo độ bền và chắc chắn.
Cơ cấu chổi than là một phần quan trọng giúp dẫn dòng điện từ phần quay ra ngoài Nó bao gồm chổi than được đặt trong hộp chổi than, với một lò xo giữ chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than, cách điện với giá, và giá chổi than có khả năng quay để điều chỉnh vị trí chổi than Sau khi điều chỉnh xong, vị trí chổi than sẽ được cố định lại bằng vít.
Phần quay hay rôto: Bao gồm những bộ phận chính sau.
+) Phần sinh ra sức điện động gồm có:
Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kỹ thuật) xếp lại với nhau.
Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng
Cuộn dây phần ứng bao gồm nhiều bối dây kết nối theo quy tắc nhất định, với mỗi bối dây chứa nhiều vòng dây Các đầu dây của bối dây được kết nối với các phiến đồng, được gọi là phiến góp Những phiến góp này được cách điện với nhau và với trục, tạo thành cấu trúc gọi là cổ góp hay vành góp.
Tỳ trên cổ góp là cặp chổi than làm bằng graphit và được ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo.
Lõi sắt phần ứng là thành phần quan trọng trong động cơ điện, được chế tạo từ các tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm với lớp cách điện mỏng ở hai mặt để giảm thiểu tổn hao do dòng điện xoáy Các tấm thép này được dập hình dạng rãnh, tạo ra lỗ thông gió dọc trục khi ép lại thành lõi sắt Đối với các động cơ điện lớn, lõi sắt thường được chia thành các đoạn nhỏ, giữa chúng có khe hở thông gió Khi động cơ hoạt động, gió sẽ thổi qua các khe hở này, giúp làm nguội dây quấn và lõi sắt, đảm bảo hiệu suất hoạt động của máy.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được gắn trực tiếp vào trục Đối với động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có sử dụng giá rôto, giúp tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm trọng lượng của rôto.
Dây quấn phần ứng là thành phần quan trọng trong máy điện, chịu trách nhiệm phát sinh suất điện động và dẫn dòng điện Thông thường, dây quấn phần ứng không được làm bằng dây đồng mà có lớp cách điện Đối với máy điện nhỏ có công suất dưới vài KW, dây thường có tiết diện tròn, trong khi máy điện vừa và lớn thường sử dụng dây có tiết diện chữ nhật Ngoài ra, dây quấn cần được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Để ngăn chặn việc vật liệu bị văng ra do lực ly tâm khi quay, cần sử dụng niêm hoặc đai chặt dây quấn tại miệng rãnh Niêm có thể được làm từ các chất liệu như tre, gỗ hoặc bakelit để đảm bảo độ bền và hiệu quả.
Cổ góp là một cấu trúc bao gồm nhiều phiến đồng được cách điện bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm, tạo thành hình trục tròn Hai đầu của trục tròn được ghép chặt bằng hai hình ốp chữ nhật V, trong khi giữa vành ốp và trụ tròn cũng được cách điện bằng mica Đuôi của vành góp được thiết kế cao lên một chút để thuận tiện cho việc hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp.
Hình 1.3: Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều.
Khi áp dụng điện áp một chiều vào dây quấn phần ứng, dòng điện sẽ được sinh ra Các thanh dẫn mang dòng điện trong từ trường sẽ bị tác động bởi lực, khiến rôto quay Hướng của lực này được xác định theo quy tắc bàn tay trái.
Khi phần ứng quay nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ, nhưng chiều dòng điện vẫn giữ nguyên, dẫn đến chiều lực từ không thay đổi Các thanh dẫn khi quay sẽ cắt từ trường, tạo ra suất điện động Eư theo quy tắc bàn tay phải Do Eư ngược chiều dòng điện Iư, nó được gọi là sức phản điện động Từ đó, ta có phương trình: U = Eư + Rư.Iư.
1.3.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khi nguồn một chiều không đủ công suất, mạch điện phần ứng và mạch điện kích từ được kết nối với hai nguồn độc lập Trong trường hợp này, động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Ta có : Phương trình cân bằng điện áp:
Uư = Eư + (Rư + Rf).Iư (1.1) Với: Rư = rư + rcf + rb + rct
Sức điện động Eư được xác định qua biểu thức: là hệ số cấu tạo của động cơ
N: số đôi thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng động cơ P: số đôi cực từ chính
A: số đôi mạch nhánh song song
[Wb] : từ thông kích từ dưới một cực từ Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (v/ph) thì:
Như vậy đặc tính cơ điện của động cơ là: e u fu u e u I Φ K
Ta lại có mômen điện từ của động cơ: Mđt= KIư
Bộ chỉnh lưu
1.4.1 Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của bộ chỉnh lưu a: Sơ đồ nguyên lý.
Số van chỉnh lưu được xác định bằng hai lần số pha của điện áp nguồn cung cấp Trong đó, có m van với katôt nối chung (các van 1, 3, 5) tạo thành cực dương và m van có anôt chung (2, 4, 6) tạo thành cực âm của điện áp chỉnh lưu Mỗi pha của điện áp nguồn được kết nối với 2 van, một van ở nhóm anôt chung và một van ở nhóm katôt chung.
GVHD: Trần Duy Trinh 12 SVTH: Phan Văn Đức
Trong một nhóm van, khi chưa có van nào dẫn, có thể có nhiều van có điện áp anôt dương hơn điện áp anôt Tuy nhiên, chỉ một van sẽ được dẫn Việc xác định van nào dẫn tuân theo hai quy tắc quan trọng, áp dụng không chỉ cho sơ đồ cầu ba pha mà còn cho các sơ đồ mạch chỉnh lưu khác khi cần xác định van dẫn.
- Trong các van có catôt chung, van nào có anôt dương nhất van đó sẽ dẫn.
- Trong các van có anôt chung, van nào có catôt âm nhất van đó sẽ dẫn.
Sơ đồ cầu ba pha điều khiển hoàn toàn cho thấy rằng các van chỉ xác định điều kiện làm việc, trong khi việc hoạt động của chúng còn phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển.
Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống chỉnh lưu cầu ba pha và sơ đồ thay thế.
Để điều khiển điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều, ta cần thay đổi thời điểm đưa xung điều khiển đến các cực điều khiển của các van, từ đó làm thay đổi khoảng dẫn dòng của van và điện áp trung bình của chỉnh lưu Đặc điểm của các sơ đồ hình tia là trong các thời gian chuyển mạch của các van, dòng điện phụ tải id sẽ bằng dòng điện trong van đang mở.
Dòng điện trong mạch phụ tải được xác định bởi sức điện động pha làm việc của máy biến áp, trong khi độ sụt áp trong bộ biến đổi phụ thuộc vào độ sụt áp trên pha đó Trong sơ đồ cầu, ngoài chu kỳ chuyển mạch, hai van hoạt động đồng thời, cho phép dòng điện phụ tải chảy liên tiếp qua hai van và hai pha của máy biến áp Điều này xảy ra nhờ hiệu số sức điện động của các van tương ứng, tức là sức điện động dây Sau mỗi chu kỳ biến thiên của điện áp xoay chiều, cả sáu van của bộ biến đổi đều tham gia vào quá trình làm việc.
Trị số trung bình của sức điện động chỉnh lưu Ed trong trạng thái dòng điện liên tục được tính bằng công thức: Ed = Eđmcosα Trong đó, Eđm là trị số cực đại của sức điện động chỉnh lưu khi α = 0.
Trị số cực đại của sức điện động chỉnh lưu là: Eđm1 =1,17E2f (với sơ đồ 3 pha hình tia).Eđm2 =2,34E2f (với sơ đồ 3 pha hình cầu).
E2f là trị số hiệu dụng của sức điện động pha thứ cấp máy biến áp Dòng điện chỉnh lưu trên tải một chiều lặp đi lặp lại 2m (hoặc m) lần trong một chu kỳ điện áp nguồn, dẫn đến dòng qua tải cũng lặp lại tương ứng trong chế độ xác lập, phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu (tia hay cầu, số pha chẵn hay lẻ) Để xác định dòng và áp trên tải, ta chỉ cần biết trong khoảng thời gian 1/m chu kỳ hoặc góc độ điện 2m/q (với q = 2m hoặc q = m), dựa vào sơ đồ thay thế của chỉnh lưu trong thời gian làm việc của một van.
Hình 1.11: Sơ đồ thay thế của chỉnh lưu trong khoảng thời gian làm việc của van.
Trong mạch điện xoay chiều, tổng đại số điện áp nguồn tác động là u, liên quan đến các van dẫn dòng trong sơ đồ tại thời điểm xem xét Đối với sơ đồ tia, chỉ có một van mở, do đó u = uf Trong khi đó, với sơ đồ cầu, có hai van hoạt động ở hai pha khác nhau, tạo ra điện áp u.
Khi chọn thời điểm t = 0 là lúc mở van trong sơ đồ, Um đại diện cho biên độ điện áp nguồn (pha hoặc dây) và là góc pha đầu.
T đặc trưng cho van đang dẫn dòng, sơ đồ cầu là 2 van nối tiếp nhau, bỏ qua sụt áp trên van.
GVHD: Trần Duy Trinh 14 SVTH: Phan Văn Đức
Thời điểm thay đổi giá trị uđk u urc t 0 uđ k uđk1 uđk2
Thời điểm góc điều khiển thay đổi
Ed, Rd, Ld là các phần tử của phụ tải.
Ud, Id là dòng và áp trên tải.
Phương trình cân bằng điện áp từ sơ đồ thay thế:
Giải phương trình này ta nhận được biểu thức của dòng điện chỉnh lưu: t/ d 0 m 2 m 2
Tuỳ thuộc đặc tính phụ tải, dạng sơ đồ, giá trị góc điều khiển mà có thể có các chế độ làm việc khác nhau.
Nếu trong toàn bộ thời gian làm việc id>0 ta có chế độ dòng tải liên tục.
Trong một chu kỳ làm việc, khi dòng tải có q khoảng bằng không và q khoảng khác không, ta sẽ gặp chế độ dòng tải gián đoạn Cụ thể, nếu sử dụng sơ đồ tia, q sẽ bằng m, còn nếu là sơ đồ cầu, q sẽ bằng 2m.
Chế độ giới hạn giữa 2 chế độ nêu trên được gọi là chế độ dòng biên liên tục.
1.4.2 Mô tả toán học của bộ chỉnh lưu
Nghiên cứu sơ đồ chỉnh lưu cho thấy khi điều chỉnh điện áp đầu ra bằng tín hiệu điều khiển, tín hiệu ra thường thay đổi chậm hơn tín hiệu vào một khoảng thời gian nhất định τ.
Hình 1.12 Đồ thị minh họa sự chậm trễ của sự thay đổi góc điều khiển so với sự thay đổi u đk
Sau khi thay đổi giá trị tín hiệu điều khiển ở đầu vào khâu so sánh, hệ thống bắt đầu phát xung với giá trị góc điều khiển mới (α2) sau một khoảng thời gian bằng τ, tương đương với góc độ điện ωτ Điều này cho thấy tín hiệu đầu ra (điện áp chỉnh lưu trung bình Ud) thay đổi chậm hơn tín hiệu vào (điện áp điều khiển mạch phát xung uđk) một thời gian bằng τ Quan hệ đầu vào và đầu ra của thiết bị chỉnh lưu có điều khiển dùng tiristor có thể được biểu thị bằng hàm số bậc thang đơn vị để thể hiện sự chậm trễ này.
Với Eb là sức điện động đầu ra bộ biến đổi, nó cũng bằng điện áp chỉnh lưu trung bình khi không tải lý tưởng.
Theo định lý dịch chuyển của phép biến đổi Laplace, thì hàm số truyền là: d s
Giá trị của chịu ảnh hưởng bởi giá trị tín hiệu điều khiển ban đầu (uđk1), hướng thay đổi (tăng hay giảm), và giá trị tín hiệu điều khiển mới (uđk2).
Trong quá trình tính toán, giá trị của có thể tiến đến 0 hoặc T/q, với T là thời gian một chu kỳ điện áp nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu Thông thường, được xác định bằng trung bình cộng giữa giá trị max và min, do đó thường lấy = T/(2.q) Hệ số khuếch đại Kb của bộ chỉnh lưu là một đại lượng phi tuyến, nhưng trong các phép tính gần đúng, Kb thường được coi là hằng số và được xác định thông qua việc tuyến tính hóa đặc tuyến Ud=f(uđk).
Bảng 1.1 Thời gian trễ trung bình của các mạch điện chỉnh lưu (f P Hz)
Loại sơ đồ chỉnh lưu Thời gian trễ
Hình cầu 3 pha, tia 6 pha nửa khu kỳ
Biểu thức (1.6) chứa hàm số mũ e^(-τs), khiến hệ thống không phải là hệ thống pha cực tiểu, làm cho việc phân tích và thiết kế trở nên phức tạp Để đơn giản hóa, cần khai triển e^(-τs) thành chuỗi Taylor, từ đó biểu thức (1.6) sẽ được điều chỉnh.
Máy phát tốc
1.5.1 Nguyên lý làm việc và chức năng
Máy phát tốc là một loại máy phát điện một chiều, có chức năng chuyển đổi tốc độ n thành điện áp U (≈n) Để đảm bảo mối quan hệ U ≡ f(n) là bậc nhất, từ trường ( ) cần được giữ cố định, do đó máy thường sử dụng cực từ từ nam châm vĩnh cửu.
- Đặc tính U = f(n) phải là tuyến tính vì thế thường thiết kế với mạch từ chưa bão hòa
- Độ đập mạch của điện áp nhỏ nên số phần tử phải nhiều.
- Quán tính máy phát nhỏ.
Hình 1.14: Sơ đồ máy phát tốc.
1.5.2 Mô tả toán học của máy phát tốc
Bộ điều chỉnh PI
Tên gọi PI là chữ viết tắt của hai thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I)
- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỷ lệ).
- Làm việc và có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích phân).
Bộ điều khiển PI là một giải pháp phổ biến trong việc điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp, nhờ vào cấu trúc đơn giản và nguyên lý hoạt động hiệu quả Nhiệm vụ chính của bộ PI là giảm thiểu sai lệch e(t) của hệ thống về 0, đồng thời đảm bảo quá trình quá độ đáp ứng các yêu cầu chất lượng cơ bản.
- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần up(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn (vai trò khuếch đai ).
- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), PI vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trò của tích phân )
Bộ điều khiển PI được mô tả bằng mô hình vào - ra: t p
Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, được gọi là hệ số khuếch đại, T I là hằng số tích phân.
Từ mô hình vào-ra trên ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PI: p
Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số được chọn lựa Để đạt được chất lượng mong muốn, cần phân tích đối tượng và lựa chọn các tham số phù hợp Hiện nay, có nhiều phương pháp xác định các tham số cho bộ điều khiển PI, nhưng phương pháp tiện ích nhất trong ứng dụng vẫn là
- Phương pháp sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất của đối tượng.
- Phương pháp xác định tham số theo tổng T.
Hàm truyền bộ điều khiển PI:
Với : Kp là hệ số khuếch đại tỉ lệ của bộ điều khiển PI.
i là hằng số thời gian tích phân của bộ điều khiển PI.
1 là hằng số thời gian của bộ điều khiển PI.
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển động cơ một chiều
Hình 1.15 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc độ.
GVHD: Trần Duy Trinh 18 SVTH: Phan Văn Đức
ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN BẰNG BỘ CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU (CL-DC )
Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động CL-DC
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động CL-DC.
Bộ chỉnh lưu (CL) chuyển đổi nguồn điện xoay chiều 3 pha thành nguồn điện 1 chiều để cung cấp cho phần ứng của động cơ Đ Để điều chỉnh tốc độ động cơ, tín hiệu điều khiển được đặt lên biến trở R, sau đó được đưa vào bộ phát xung (FX) và tiếp tục truyền tín hiệu đến bộ chỉnh lưu.
Việc điều chỉnh điện áp Uđk cho phép thay đổi góc mở T, từ đó điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ và đạt được tốc độ vô cấp Tuy nhiên, hệ truyền động này có nhược điểm là T nhạy cảm với nhiệt độ và các đại lượng như điện áp, dòng điện, du/dt, di/dt vượt quá mức cho phép Do đó, cần thiết phải trang bị các thiết bị bảo vệ đáng tin cậy và đảm bảo điều kiện tản nhiệt phù hợp.
Khi hệ thống điều khiển quá sâu và góc mở T lớn, hệ số công suất giảm xuống thấp, gây ra sóng hài cao tần Điều này dẫn đến sự biến đổi của điện áp lưới điện và làm nhiễu các thiết bị xung quanh.
Phương trình đặc tính của hệ truyền động CL-DC
Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động CL-DC
Từ sơ đồ cấu trúc ta có phương trình đặc tính cơ điện của hệ truyền động là:
GVHD: Trần Duy Trinh 20 SVTH: Phan Văn Đức do v u b u dm
Nếu kể đến sụt áp trên các van ( U 0 ).
Phương trình đặc tính cơ là: do v b u
Nguyên lý làm việc của hệ truyền động CL-DC
Khi sức điện động của bộ chỉnh lưu biến thiên từ Edo đến -Edo, ta có được một tập hợp đặc tính song song nằm ở nửa bên phải của mặt phẳng tọa độ Điều này xảy ra do các van không cho phép dòng điện phần ứng đổi chiều Hệ CL-CD mềm có các đặc tính cơ do thành phần sụt áp, gây ra bởi hiện tượng chuyển mạch giữa các van bán dẫn.
Khi bộ biến đổi hoạt động ở chế độ chỉnh lưu, động cơ có thể hoạt động như một động cơ nếu sức điện động E lớn hơn 0 Nếu sức điện động E đổi chiều, động cơ sẽ chuyển sang chế độ hãm ngược.
Bộ biến đổi hoạt động ở chế độ nghịch lưu, chuyển đổi cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều cùng tần số lưới và trả về lưới điện, với động cơ hoạt động ở chế độ hãm tái sinh khi tải có tính thế năng Để khởi động động cơ, phương pháp khởi động với điện áp thấp được sử dụng Để tăng tốc độ động cơ vượt quá tốc độ cơ bản, cần giảm từ thông kích từ động cơ xuống dưới mức định mức Ngược lại, để giảm tốc độ động cơ xuống dưới tốc độ cơ bản, cần giảm điện áp phần ứng bằng cách tăng góc mở .
Dừng bằng phương pháp hãm động năng, với tải thế năng thì hãm ngược hoặc hãm tái sinh.
PID Đối tượng điều khiển (u )t uI u(p) u(t) e(t) e(t) u(t) uD
Hình 3.1 Điều khiển với bộ điều khiển PID
TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU
Nghiên cứu các phương pháp thiết kế bộ điều khiển
PID là viết tắt của ba thành phần chính trong bộ điều khiển: khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) Bộ điều khiển PID được coi là một hệ thống hoàn hảo nhờ sự kết hợp của ba tính cách khác nhau này.
- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỷ lệ).
- Làm việc và có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích phân).
Bộ điều khiển PID, với khả năng phản ứng nhanh nhạy và sáng kiến trong việc điều chỉnh theo tình huống, được ứng dụng rộng rãi trong việc điều khiển hệ thống SISO theo nguyên lý hồi tiếp Sự phổ biến của bộ PID xuất phát từ cấu trúc đơn giản và nguyên lý hoạt động hiệu quả của nó Nhiệm vụ chính của bộ PID là giảm sai lệch e(t) của hệ thống về 0, đảm bảo quá trình quá độ đạt được các yêu cầu chất lượng cơ bản.
- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần up(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn (vai trò khuếch đai ).
- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trò của tích phân )
- Nếu sự thay đổi sai lệch e(t) càng lớn thì thì thông qua thành phần uD(t) phản ứng thích nghi của u(t) sẽ càng nhanh (vai trò của vi phân ).
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào - ra:
GVHD: Trần Duy Trinh 22 SVTH: Phan Văn Đức
Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, được gọi là hệ số khuếch đại, T I là hằng số tích phân, là hằng số vi phân.
Từ mô hình vào-ra trên ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:
Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số được chọn Để đạt được chất lượng mong muốn, cần phân tích đối tượng và lựa chọn các tham số phù hợp Hiện nay, có nhiều phương pháp xác định các tham số cho bộ điều khiển PID, nhưng phương pháp tiện ích nhất trong ứng dụng vẫn là
- Phương pháp sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất của đối tượng.
- Phương pháp xác định tham số theo tổng T.
Không phải trong mọi trường hợp chúng ta đều cần xác định cả ba tham số của bộ điều khiển Ví dụ, nếu đối tượng đã có thành phần tích phân, thì chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PD để loại bỏ sai lệch tĩnh mà không cần thêm khâu tích phân Trong trường hợp tín hiệu thay đổi chậm và bộ điều khiển không phản ứng nhanh với sai lệch e(t), bộ điều khiển PI với tham số tích phân bằng 0 cũng có thể đủ để đảm bảo hiệu suất hệ thống.
3.1.2 Nguyên lý tối ưu độ lớn (Môdun)
Hệ thống điều khiển kín yêu cầu đáp ứng y(t) phải giống với tín hiệu lệnh ở đầu vào tại mọi tần số Điều này có nghĩa là bộ điều khiển lý tưởng R(s) cần đảm bảo rằng y(t) bám sát tín hiệu lệnh trong thời gian quá độ càng ngắn càng tốt.
Trong thực tế, việc yêu cầu bộ điều khiển R(s) thỏa mãn các tiêu chí cụ thể gặp nhiều khó khăn do hệ thống thực có tính quán tính và khả năng “cưỡng lại lệnh” từ bên ngoài Tuy nhiên, tính chất “xấu” này của hệ thống thường được giảm bớt khi hoạt động ở tần số cao, do đó, người ta thường chấp nhận bộ điều khiển R(s) nếu nó cung cấp các đặc tính mong muốn trong một dải tần số rộng gần 0.
Bộ điều khiển R(s) được xác định bởi độ rộng dải tần số thấp, gọi là bộ điều khiển tối ưu độ lớn Hình 3.2 minh họa nguyên tắc điều khiển tối ưu độ lớn Để đạt được hiệu quả cao, bộ điều khiển R(s) cần được lựa chọn sao cho miền tần số của biểu đồ Bode của hàm truyền hệ kín G(s) có giá trị = 0 lớn nhất Dải tần số càng rộng, chất lượng hệ kín càng được nâng cao.
Tên gọi "tối ưu độ lớn" trong bài viết này không mang ý nghĩa chặt chẽ về mặt toán học cho một bài toán tối ưu, vì không có phiếm hàm đánh giá chất lượng nào được sử dụng Do đó, không thể xác định liệu với bộ điều khiển R(s), phiếm hàm đó có giá trị lớn nhất hay không Thuần túy, thuật ngữ này chỉ mang tính chất định tính, chỉ ra rằng dải tần số mà G(s) thỏa mãn G(jω) ≈ 1 càng rộng càng tốt.
Việc tra cứu khi phải thiết kế bộ điều khiển tối ưu độ lớn được tổng kết lại như sau:
Nếu đối tượng có hàm truyền đạt với tất cả các hằng số thời gian nhỏ, chúng ta nên chọn bộ điều khiển I với các tham số đã được xác định.
Khi hàm truyền đạt của đối tượng có hằng số thời gian lớn vượt trội và các hằng số khác đủ nhỏ, nên lựa chọn bộ điều khiển PI với các tham số thích hợp.
Khi đối tượng có hằng số thời gian T1, T2 lớn vượt trội so với các hằng số khác T3, T4, , Tn nhỏ, chúng ta nên lựa chọn bộ điều khiển PID với các tham số phù hợp.
3.1.3 Nguyên lý tối ưu đối xứng
Phương pháp này thích hợp cho lớp đối tượng có thành phần tích phân.
- Hằng số thời gian tổng:
- Chọn cấu trúc của bộ điều khiển là:
Khi đó các thông số của bộ điều khiển được tính theo các biểu thức sau:
3 Mô phỏng để xác định chất lượng bộ điều khiển
GVHD: Trần Duy Trinh 24 SVTH: Phan Văn Đức
Phương pháp thiết kế này cho thấy độ quá điều chỉnh lớn, vượt quá 45% Để khắc phục vấn đề này, cần thiết kế thêm bộ lọc với hàm truyền đạt được xác định như sau: s/T.
Với Với bộ lọc này sẽ giảm được độ quá điều chỉnh nhỏ hơn 10% còn thời gian quá độ không đổi.
Trong phương pháp tối ưu đối xứng, việc thiết kế bộ điều khiển có thể thực hiện thông qua việc bù đắp các hằng số thời gian lớn nhất của đối tượng.
Với các thông số T1> T2> T3>…….>Tn thì xấp xỉ đối tượng về dạng:
- Hằng số thời gian tổng: 1 m j n
- Chọn cấu trúc của bộ điều khiển là:
Khi đó thông số bộ điều khiển như sau:
3 Tính chọn Kp theo công thức:
4 Mô phỏng để xác định chất lượng bộ điều khiển.
Thiết kế bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho động cơ
Nguyên tắc thiết kế hệ thống điều khiển nhiều mạch vòng bắt đầu từ vòng trong và mở rộng ra ngoài Đầu tiên, cần thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho mạch vòng dòng điện, sau đó coi mạch vòng này như một phần trong hệ thống điều chỉnh tốc độ quay, và cuối cùng là thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ quay.
Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc độ và dòng điện
3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện
Mạch vòng điều chỉnh dòng điện là thành phần cơ bản trong các hệ truyền động tự động và hệ chấp hành Chức năng chính của mạch vòng này là xác định mô men kéo của động cơ, đồng thời đảm bảo các chức năng bảo vệ và điều chỉnh gia tốc hiệu quả.
Bỏ qua khâu nhiễu loạn phụ tải và sức điện động động cơ ta có sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện:
Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng dòng điện.
Trong đó là bộ điều chỉnh dòng điện.
Hệ số khuếch đại của động cơ: Đ e
Hằng số thời gian điện từ của động cơ: e u
Hằng số thời gian cơ học
Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi: tb b đk
Hằng số thời gian của bộ biến đổi: 0 , 00167 ( s )
Giá trị dòng điện mà tại đó khâu ngắt tác động: I ngđm 1,5I 975(A)
Chọn giá trị U ng = 10 V tại thời điểm I = I ng, tín hiệu điện áp trên điện trở cũng đạt giá trị 10 V Hệ số này phụ thuộc vào biến dòng.
a Đơn giản hóa sơ đồ
GVHD: Trần Duy Trinh 26 SVTH: Phan Văn Đức β (-)
Quán tính cơ học lớn hơn nhiều so với quán tính điện từ (Tm >> Te), dẫn đến việc biến đổi tốc độ trong cơ học chậm hơn so với biến đổi tốc độ dòng điện Trong mạch vòng, dòng điện có thể được coi là ổn định, với thời gian T tổng cộng là 0.00167 giây và thời gian T oi được chọn là 0.0002 giây Do đó, bộ lọc dòng điện sẽ có thời gian phản hồi là T oi.
b Lựa chọn cấu trúc và xác định tham số bộ điều chỉnh
Xác định theo phương pháp tối ưu môdul: Đối tượng điều chỉnh là: b d i e i
Trong mạch vòng dòng điện, yêu cầu phải có tính năng bám tốt, vì vậy ta chọn khâu PI.
Hàm truyền hệ hở sau hiệu chỉnh: s ( T s 1 )
Theo tối ưu modul để ta chọn K i T i 0 , 5 (tương ứng )
Vậy hàm truyền của bộ điều khiển dòng điện là: β
3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ
Hệ thống điều chỉnh tốc độ là một hệ thống chuyên điều chỉnh tốc độ góc của động cơ, và nó được phát triển dựa trên hệ thống điều chỉnh dòng điện.
- Đơn giản hóa mạch vòng dòng điện thành một khâu tương ứng trong mạch vòng tốc độ.
Hàm truyền hệ kín mạch vòng dòng điện:
Sơ đồ cấu trúc tương đương:
Sau khi thay thế mạch vòng kín dòng điện bằng khâu tương đương của mạch vòng dòng điện, sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc độ quay sẽ được hình thành như hình dưới đây.
Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng tốc độ.
Hệ số phản hồi âm tốc độ:
a Đơn giản hóa sơ đồ.
Giả thiết Ic(s) =0 ta có:
GVHD: Trần Duy Trinh 28 SVTH: Phan Văn Đức
T 2T 0.0033(s) b Lựa chọn cấu trúc và xác định tham số bộ điều chỉnh
Xác định theo phương pháp tối ưu đối xứng: Đối tượng điều chỉnh là: d n m e n n
Mạch vòng tốc độ cần có khả năng chống nhiễu tốt do ảnh hưởng của nhiễu nguồn và nhiễu tải Để cân bằng hệ thống, cần thiết phải có khâu tích phân trước nhiễu, tương tự như sau nhiễu Đồng thời, mạch vòng tốc độ yêu cầu lượng quá điều chỉnh phải nhỏ, do đó việc sử dụng bộ điều chỉnh PI là phù hợp.
Theo tối ưu đối xứng: τ s
Với Hàm truyền hệ hở sau hiệu chỉnh:
Chọn độ rộng trung tần h = 100 ta có: τ 2 hT n 100.0.0033 0,33(s) ; n 2 2 2 2 n h 1 100 1
Vậy hàm truyền của bộ điều khiển tốc độ là: n PI
GVHD: Trần Duy Trinh 30 SVTH: Phan Văn Đức n(s)
KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG
Kiểm tra, đánh giá chất lượng trạng thái tĩnh
4.1.1 Kiểm tra sai lệch tĩnh của hệ thống
Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống với bộ điều khiển tốc độ và dòng điện được trình bày trong hình 4.1 Khi ucđ = 0, đầu vào chỉ có nhiễu Ic, dẫn đến độ lệch tốc độ quay n do nhiễu từ phụ tải, và có thể chuyển đổi sơ đồ này thành dạng như trong hình 4.2.
Dùng phép biến đổi tương đương sơ đồ khối, có thể được:
Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống sau khi có bộ điều khiển tốc độ và dòng điện.
Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống khi U cđ = 0
Sử dụng phép biến đổi đẳng trị ta có:
Khi đột ngột tăng tải:
Sai lệch tốc độ ở trạng thái ổn định (sai lệch tĩnh) do nhiễu phụ tải gây ra là:
Kiểm tra tính ổn định của hệ thống
Trong quá trình hoạt động của hệ thống truyền động điện tự động, sự ổn định của hệ thống có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu loạn và nhiều nguyên nhân khác Tính ổn định này được định nghĩa là khả năng của hệ thống trở về trạng thái ban đầu khi nhiễu loạn kết thúc, hoặc thiết lập một trạng thái ổn định mới khi có sự thay đổi trong đầu vào.
Một hệ thống được coi là ổn định khi quá trình quá độ giảm dần theo thời gian Để đánh giá tính ổn định của hệ thống, chúng ta cần xây dựng sơ đồ cấu trúc và hàm truyền của nó, sau đó áp dụng các tiêu chuẩn xét ổn định Nếu hệ thống không đạt yêu cầu ổn định, cần thực hiện hiệu chỉnh để cải thiện chất lượng hoạt động của hệ thống.
4.2.1 Tiêu chuẩn ổn định đại số a Điều kiện cần để hệ thống ổn định
Xét một hệ thống điều khiển tự động có phương trình đặc tính tổng quát sau:
N 0 n 1 n 1 n 1 n Vậy điều kiện cần để một hệ thống điều khiển tự động tuyến tính ổn định là tất cả các hệ số của phương trình đặc tính dương.
Trong việc đánh giá tính ổn định của hệ thống, có nhiều tiêu chuẩn khác nhau, tuy nhiên trong đồ án này, tôi sẽ tập trung vào tiêu chuẩn ổn định Hurwitz Tiêu chuẩn Hurwitz là một phương pháp quan trọng để xác định sự ổn định của hệ thống, giúp phân tích và đảm bảo rằng hệ thống hoạt động một cách hiệu quả và tin cậy.
Để đảm bảo hệ thống tuyến tính ổn định, cần thỏa mãn điều kiện rằng hệ số a0 và tất cả các định thức Hurwitz đều phải dương Định thức Hurwitz được xác định từ ma trận hệ số theo một quy tắc cụ thể.
- Theo đường chéo của ma trận, viết các hệ số từ a1 đến an.
- Phía trên đường chéo các hệ số tăng dần, phía dưới giảm dần.
- Các hệ nhỏ hơn a0 và lớn hơn an đều bằng 0.
4.2.2 Xét tính ổn định của hệ thống
Để đánh giá tính ổn định của hệ thống, cần dựa vào các tiêu chuẩn ổn định cụ thể Qua đó, chúng ta có thể thực hiện các điều chỉnh cần thiết nhằm đảm bảo rằng hệ thống hoạt động một cách an toàn và tin cậy.
GVHD Trần Duy Trinh, SVTH Phan Văn Đức, đã trình bày các yêu cầu mong muốn liên quan đến hệ thống điều khiển Dựa vào sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống sau khi tích hợp bộ điều khiển tốc độ và dòng điện, như đã thiết kế ở chương 3, chúng ta có thể xác định hàm truyền kín của hệ thống, được thể hiện trong hình 4.1.
Phương trình đặc trưng của hệ thống là:
Hệ số a0 = 0,0033; a1 = 1; a2 = 152,8; a3 = 463 đều dương Định thức Hurwitz:
Theo tiêu chuẩn ổn định Hurwitz, để một hệ thống được coi là ổn định, cần đảm bảo rằng hệ số a0 và các định thức Hurwitz đều dương Nhận thấy rằng tất cả các điều kiện của hệ thống đã cho đều được thỏa mãn, ta có thể kết luận rằng hệ thống tuyến tính này là ổn định.
Kiểm tra, đánh giá chất lượng động của hệ thống bằng phần mềm Matlab Simulink
4.3.1 Kiểm tra đánh giá mạch vòng dòng điện
Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện trên Matlab Simulink.
Hình 4.3: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng dòng điện. Đặc tính động của dòng điện khi sử dụng Matlab Simulink.
Hình 4.4: Kết quả mô phỏng dòng điện. Đánh giá kết quả: Từ đặc tính mô phỏng dòng điện ta thấy hệ thống ổn định, lượng quá điều khiển
; tốc độ đáp ứng 0,005(s); thời gian điều chỉnh 0,027(s) thỏa mãn yêu cầu của công nghệ
4.3.2 Kiểm tra chất lượng động của tốc độ sau khi có bộ điều khiển tốc độ
Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ trên Matlab Simulink
Hình 4.5: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng tốc độ. Đặc tính động của tốc độ và dòng điện khi sử dụng Matlab Simulink
GVHD: Trần Duy Trinh 34 SVTH: Phan Văn Đức
Hệ thống ổn định với lượng quá điều khiển rất nhỏ (σ % n max), thời gian điều chỉnh chỉ 0,12 giây, đáp ứng yêu cầu công nghệ Nhờ vào khâu bão hòa, bộ điều khiển tốc độ duy trì dòng điện và mômen lớn nhất và không đổi khi khởi động động cơ, giúp rút ngắn thời gian khởi động và chu kỳ làm việc, từ đó nâng cao năng suất sản xuất.