Xem mẫu
ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG
TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN HỆ
THỐNG ĐIỆN CƠ
Biên soạn: Đỗ Công Thắng
Khoa Điện-Điện tử 2013
1
Biên soạn: Đỗ Công Thắng
MỤC LỤC
CHƯƠNG I: NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN KHI XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU
CHỈNH TỰ ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VÀ TỔNG HỢP HỆ TĐĐ .............. 4
1.1 Khái niệm và phân loại ................................................................................. 4
1.1.1 Khái niệm: ............................................................................................. 4
1.1.2. Phân loại: .............................................................................................. 4
1.2 Những vấn đề chung khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện. .. 5
1.3 Độ chính xác của hệ điều chỉnh tự động truyền động điện trong chế độ xác lập
và tựa xác lập. .................................................................................................... 6
1.3.1 Các hệ số sai lệch. .................................................................................. 6
1.3.2 Tiêu chuẩn sai lệch................................................................................. 8
1.3.3 Bù sai lệch tĩnh ở hệ hữu sai. ............................................................... 14
1.3.4 Bù sai lệch tĩnh, sai lệch tốc độ và sai lệch gia tốc ở hệ vô sai cấp 1. ... 15
1.4 Tổng hợp các mạch vòng điều khiển nối cấp dùng phương pháp hàm chuẩn
môdun tối ưu. ................................................................................................... 16
1.4.1 Khái niệm. ........................................................................................... 16
1.4.2 Áp dụng tiêu chuẩn môdun tối ưu. ....................................................... 17
1.4.3 Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. .................................................... 22
1.4.4 Tổng hợp các bộ điều chỉnh theo nhiễu loạn. ....................................... 25
CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU ................................................................................................................. 27
2.1. Động cơ điện một chiều ............................................................................. 27
2.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều.......................................... 27
2.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều. ......................................... 30
2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện.................................................................. 35
2.2.1 Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện........................................ 35
2.2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động động cơ. .... 37
2.2.3 Tổng hợp mạch vòng dòng điện có tính đến sức điện động động cơ..... 39
2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện có tính đến vùng gián đoạn
của dòng điện phần ứng ................................................................................ 40
2.3 Tổng hợp hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ. .................................... 41
2.3.1 Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ P. ............. 43
2.3.2. Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI.
..................................................................................................................... 46
2.3.3 Hệ thống điều chỉnh tốc độ khi không có mạch vòng dòng điện........... 47
2.3.4 Hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh hai thông số. ............................ 49
Khoa Điện-Điện tử 2013
2
Biên soạn: Đỗ Công Thắng
CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ ............................................................................................ 53
3.1 Mô tả động cơ không đồng bộ .................................................................... 53
2. Phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ: .................................................. 57
3. Hệ phương trình cơ bản của động cơ trong không gian vectơ: ...................... 59
3.1. Phương trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định : .......................... 61
3.2. Phương trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq:............ 64
3.2 Mạch vòng dòng điện. .............................................................................. 67
3.3 Điều chỉnh tốc độ thông qua việc điều chỉnh điện áp. ................................. 70
2.3.1 Sơ đồ nguyên lý. .................................................................................. 70
2.3.2 Điều chỉnh điện áp động cơ lồng sóc. ................................................... 71
2.3.3 Điều chỉnh điện áp động cơ rôto dây quấn............................................ 71
3.4 Điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện trở rôto.......................................... 74
3.4.1 Sơ đồ nguyền lý. .................................................................................. 74
3.4.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh. ...................................................... 75
3.4.3 Xây dựng các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ.................................. 76
3.5 Điều chỉnh tốc độ thông qua việc điều chỉnh công suất trượt. ..................... 76
3.5.1 Sơ đồ nguyền lý. .................................................................................. 76
2.5.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh. ...................................................... 77
2.5.3 Xây dựng các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ.................................. 81
3.6 Điều chỉnh tốc độ thông qua việc điều chỉnh tần số nguồn cấp. .................. 81
3.6.1 Luật điều khiển giữ khả năng quá tải không đổi. .................................. 81
3.6.2 Luật điều chỉnh từ thông không đổi. ..................................................... 82
3.6.3 Điều chỉnh tần số điện áp ..................................................................... 84
Phần bài tập chương ............................................................................................. 99
Khoa Điện-Điện tử 2013
3
Biên soạn: Đỗ Công Thắng
CHƯƠNG I:
NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN KHI XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU CHỈNH TỰ
ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VÀ TỔNG HỢP HỆ TĐĐ
1.1 Khái niệm và phân loại
1.1.1 Khái niệm:
Hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện là hệ thống điều chỉnh tự động đảm
bảo các giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào tác động của
các nhiễu liên hệ điều chỉnh.
Cấu trúc chung của hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện :
Hình 1.1. Hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện
- Động cơ truyền động M quay máy sản xuất Mx và thiết bị biến đổi năng lượng BĐ
- Các thiết bị đo lường
- Bộ điều chỉnh R
- Tín hiệu điều khiển hệ thống(tín hiệu đặt ) THĐ
- Các tín hiệu nhiễu loạn tác động lên hệ thống.
1.1.2. Phân loại:
Việc phân loại hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện tùy thuộc vào mục đích.
Nếu như quan tâm tới động cơ truyền động thì ta có truyền động động cơ một chiều, truyền
động động cơ xoay chiều … Nếu quan tâm tới tín hiệu điều chỉnh tương tự và số. Mặt
khác nếu quan tâm tới cấu trúc hoặc thuật điều khiển ta có truyền động điều chỉnh thích
nghi, Truyền động điều chỉnh vectơ…
Khi xét nhiệm vụ chung của hệ thống chúng ta có thể phân thành ba loại như sau:
- Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì theo lượng đặt trước
không đổi. Ví dụ như duy trì tốc độ không đổi, mômen không đổi hoặc công suất không
đổi…
Khoa Điện-Điện tử 2013
4
Biên soạn: Đỗ Công Thắng
- Hệ điều chỉnh tùy động (hệ bám) là hệ điều chỉnh vị trí trong đó cần điều khiển
truyền động theo lượng đặt trươc biến thiên tùy ý như truyền động quay anten, rada, các
cơ cấu ăn dao của máy cắt gọt kim loại…
- Hệ điều chỉnh trương trình : Thực chất là hệ điều chỉnh vị trí nhưng đại lượng điều
khiển lại tuân theo chương trình đặt trước. Thông thường đại lượng điều khiển ở đây là các
quỹ đạo truyền động trong không gian phức tạp cho nên cấu trúc của nó thường gồm nhiều
trục. Chương trình điều khiển ở đây được mã hóa ghi vào bìa, băng từ, đĩa từ… Chúng ta
thường gặp hệ truyền động điều khiển ở các trung tâm gia công cắt gọt kim loại, các dây
truyền sản xuất có robot. Hệ điều khiển chương trình có cấu trúc phức tạp nhất. Thông
thường nó cần thỏa mãn yêu cầu của cả hai hệ truyền động trên và dùng điều khiển số có
máy tính điện tử CNC ( compurter numeric controller)
1.2 Những vấn đề chung khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện.
Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần phảI đảm bảo hệ thực hiện
được tất cả các yêu cầu đặt ra, đó là các yêu cầu về công nghệ về chỉ tiêu chất lượng và các
yêu cầu về kinh tế. Chất lượng của hệ được thể hiện trong trạng thái động và tĩnh. Trong
trạng tháI tĩnh yêu cầu quan trọng là độ chính xác điều chỉnh. Đối với trạng thái động có
các yêu cầu vể ổn định và các chỉ tiêu về chất lượng động là độ quá điều chỉnh, tốc độ điều
chỉnh , thời gian điều chỉnh và số lần dao động. ở các hệ điều chỉnh tự động truyền động
điện, cấu trúc mạch điều khiển, luật điều khiển và tham số của các bộ điều khiển có ảnh
hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ. Vì vậy khi thết kế ta phải thực hiện các bài toán về
phân tích và tổng hợp hệ để tìm ra lời giải hợp lý, sao cho đáp ứng được yêu cầu kinh tế và
kỹ thuật đề ra.
Đối với bài toán tổng hợp hệ, người ta thường đưa ra ba loại : tổng hợp chức năng,
tổng hợp tham số và tổng hợp cấu trúc tham số
1. Bài toán tổng hợp chức năng thực hiện trong trường hợp đã biết cấu trúc và tham số
của mạch điều khiển ta phải xác định luật điều khiển đầu vào sao cho hệ đảm bảo chất
lượng.
2. Bài toán tổng hợp tham số thực hiện khi đã biết cấu trúc hệ và lượng tác động đầu vào
của hệ ta cần xác định tham số các hệ điều khiển.
3. Bài toán tổng hợp cấu trúc tham số thực hiện khi đã biết quy lật biến thiên của lượng
đầu vào và ra của từng phần tử trong hệ thống, ta cần xác định cấu trúc của hệ và tham số
các bộ điều chỉnh.
Để thực hiện ba bài toán tổng hợp hệ, ta có thể dùng các phương pháp phân bố
nghiệm và phương pháp hàm chuẩn modul tố ưu. Đối với hệ có cấu trúc phức tạp người ta
thường dùng phương pháp không gian trạng thái hoặc tổng hợp hệ với máy tính số với
ngôn ngữ chuyên dụng. ở hệ điều chỉnh số, có đặc thù riêngvề mô tả toán học, tuy vậy các
Khoa Điện-Điện tử 2013
5
Biên soạn: Đỗ Công Thắng
nguon tai.lieu . vn
TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN HỆ
THỐNG ĐIỆN CƠ
Biên soạn: Đỗ Công Thắng
Khoa Điện-Điện tử 2013
1
Biên soạn: Đỗ Công Thắng
MỤC LỤC
CHƯƠNG I: NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN KHI XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU
CHỈNH TỰ ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VÀ TỔNG HỢP HỆ TĐĐ .............. 4
1.1 Khái niệm và phân loại ................................................................................. 4
1.1.1 Khái niệm: ............................................................................................. 4
1.1.2. Phân loại: .............................................................................................. 4
1.2 Những vấn đề chung khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện. .. 5
1.3 Độ chính xác của hệ điều chỉnh tự động truyền động điện trong chế độ xác lập
và tựa xác lập. .................................................................................................... 6
1.3.1 Các hệ số sai lệch. .................................................................................. 6
1.3.2 Tiêu chuẩn sai lệch................................................................................. 8
1.3.3 Bù sai lệch tĩnh ở hệ hữu sai. ............................................................... 14
1.3.4 Bù sai lệch tĩnh, sai lệch tốc độ và sai lệch gia tốc ở hệ vô sai cấp 1. ... 15
1.4 Tổng hợp các mạch vòng điều khiển nối cấp dùng phương pháp hàm chuẩn
môdun tối ưu. ................................................................................................... 16
1.4.1 Khái niệm. ........................................................................................... 16
1.4.2 Áp dụng tiêu chuẩn môdun tối ưu. ....................................................... 17
1.4.3 Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. .................................................... 22
1.4.4 Tổng hợp các bộ điều chỉnh theo nhiễu loạn. ....................................... 25
CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU ................................................................................................................. 27
2.1. Động cơ điện một chiều ............................................................................. 27
2.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều.......................................... 27
2.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều. ......................................... 30
2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện.................................................................. 35
2.2.1 Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện........................................ 35
2.2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động động cơ. .... 37
2.2.3 Tổng hợp mạch vòng dòng điện có tính đến sức điện động động cơ..... 39
2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện có tính đến vùng gián đoạn
của dòng điện phần ứng ................................................................................ 40
2.3 Tổng hợp hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ. .................................... 41
2.3.1 Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ P. ............. 43
2.3.2. Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI.
..................................................................................................................... 46
2.3.3 Hệ thống điều chỉnh tốc độ khi không có mạch vòng dòng điện........... 47
2.3.4 Hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh hai thông số. ............................ 49
Khoa Điện-Điện tử 2013
2
Biên soạn: Đỗ Công Thắng
CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ ............................................................................................ 53
3.1 Mô tả động cơ không đồng bộ .................................................................... 53
2. Phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ: .................................................. 57
3. Hệ phương trình cơ bản của động cơ trong không gian vectơ: ...................... 59
3.1. Phương trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định : .......................... 61
3.2. Phương trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq:............ 64
3.2 Mạch vòng dòng điện. .............................................................................. 67
3.3 Điều chỉnh tốc độ thông qua việc điều chỉnh điện áp. ................................. 70
2.3.1 Sơ đồ nguyên lý. .................................................................................. 70
2.3.2 Điều chỉnh điện áp động cơ lồng sóc. ................................................... 71
2.3.3 Điều chỉnh điện áp động cơ rôto dây quấn............................................ 71
3.4 Điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện trở rôto.......................................... 74
3.4.1 Sơ đồ nguyền lý. .................................................................................. 74
3.4.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh. ...................................................... 75
3.4.3 Xây dựng các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ.................................. 76
3.5 Điều chỉnh tốc độ thông qua việc điều chỉnh công suất trượt. ..................... 76
3.5.1 Sơ đồ nguyền lý. .................................................................................. 76
2.5.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh. ...................................................... 77
2.5.3 Xây dựng các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ.................................. 81
3.6 Điều chỉnh tốc độ thông qua việc điều chỉnh tần số nguồn cấp. .................. 81
3.6.1 Luật điều khiển giữ khả năng quá tải không đổi. .................................. 81
3.6.2 Luật điều chỉnh từ thông không đổi. ..................................................... 82
3.6.3 Điều chỉnh tần số điện áp ..................................................................... 84
Phần bài tập chương ............................................................................................. 99
Khoa Điện-Điện tử 2013
3
Biên soạn: Đỗ Công Thắng
CHƯƠNG I:
NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN KHI XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU CHỈNH TỰ
ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VÀ TỔNG HỢP HỆ TĐĐ
1.1 Khái niệm và phân loại
1.1.1 Khái niệm:
Hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện là hệ thống điều chỉnh tự động đảm
bảo các giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào tác động của
các nhiễu liên hệ điều chỉnh.
Cấu trúc chung của hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện :
Hình 1.1. Hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện
- Động cơ truyền động M quay máy sản xuất Mx và thiết bị biến đổi năng lượng BĐ
- Các thiết bị đo lường
- Bộ điều chỉnh R
- Tín hiệu điều khiển hệ thống(tín hiệu đặt ) THĐ
- Các tín hiệu nhiễu loạn tác động lên hệ thống.
1.1.2. Phân loại:
Việc phân loại hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện tùy thuộc vào mục đích.
Nếu như quan tâm tới động cơ truyền động thì ta có truyền động động cơ một chiều, truyền
động động cơ xoay chiều … Nếu quan tâm tới tín hiệu điều chỉnh tương tự và số. Mặt
khác nếu quan tâm tới cấu trúc hoặc thuật điều khiển ta có truyền động điều chỉnh thích
nghi, Truyền động điều chỉnh vectơ…
Khi xét nhiệm vụ chung của hệ thống chúng ta có thể phân thành ba loại như sau:
- Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì theo lượng đặt trước
không đổi. Ví dụ như duy trì tốc độ không đổi, mômen không đổi hoặc công suất không
đổi…
Khoa Điện-Điện tử 2013
4
Biên soạn: Đỗ Công Thắng
- Hệ điều chỉnh tùy động (hệ bám) là hệ điều chỉnh vị trí trong đó cần điều khiển
truyền động theo lượng đặt trươc biến thiên tùy ý như truyền động quay anten, rada, các
cơ cấu ăn dao của máy cắt gọt kim loại…
- Hệ điều chỉnh trương trình : Thực chất là hệ điều chỉnh vị trí nhưng đại lượng điều
khiển lại tuân theo chương trình đặt trước. Thông thường đại lượng điều khiển ở đây là các
quỹ đạo truyền động trong không gian phức tạp cho nên cấu trúc của nó thường gồm nhiều
trục. Chương trình điều khiển ở đây được mã hóa ghi vào bìa, băng từ, đĩa từ… Chúng ta
thường gặp hệ truyền động điều khiển ở các trung tâm gia công cắt gọt kim loại, các dây
truyền sản xuất có robot. Hệ điều khiển chương trình có cấu trúc phức tạp nhất. Thông
thường nó cần thỏa mãn yêu cầu của cả hai hệ truyền động trên và dùng điều khiển số có
máy tính điện tử CNC ( compurter numeric controller)
1.2 Những vấn đề chung khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện.
Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần phảI đảm bảo hệ thực hiện
được tất cả các yêu cầu đặt ra, đó là các yêu cầu về công nghệ về chỉ tiêu chất lượng và các
yêu cầu về kinh tế. Chất lượng của hệ được thể hiện trong trạng thái động và tĩnh. Trong
trạng tháI tĩnh yêu cầu quan trọng là độ chính xác điều chỉnh. Đối với trạng thái động có
các yêu cầu vể ổn định và các chỉ tiêu về chất lượng động là độ quá điều chỉnh, tốc độ điều
chỉnh , thời gian điều chỉnh và số lần dao động. ở các hệ điều chỉnh tự động truyền động
điện, cấu trúc mạch điều khiển, luật điều khiển và tham số của các bộ điều khiển có ảnh
hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ. Vì vậy khi thết kế ta phải thực hiện các bài toán về
phân tích và tổng hợp hệ để tìm ra lời giải hợp lý, sao cho đáp ứng được yêu cầu kinh tế và
kỹ thuật đề ra.
Đối với bài toán tổng hợp hệ, người ta thường đưa ra ba loại : tổng hợp chức năng,
tổng hợp tham số và tổng hợp cấu trúc tham số
1. Bài toán tổng hợp chức năng thực hiện trong trường hợp đã biết cấu trúc và tham số
của mạch điều khiển ta phải xác định luật điều khiển đầu vào sao cho hệ đảm bảo chất
lượng.
2. Bài toán tổng hợp tham số thực hiện khi đã biết cấu trúc hệ và lượng tác động đầu vào
của hệ ta cần xác định tham số các hệ điều khiển.
3. Bài toán tổng hợp cấu trúc tham số thực hiện khi đã biết quy lật biến thiên của lượng
đầu vào và ra của từng phần tử trong hệ thống, ta cần xác định cấu trúc của hệ và tham số
các bộ điều chỉnh.
Để thực hiện ba bài toán tổng hợp hệ, ta có thể dùng các phương pháp phân bố
nghiệm và phương pháp hàm chuẩn modul tố ưu. Đối với hệ có cấu trúc phức tạp người ta
thường dùng phương pháp không gian trạng thái hoặc tổng hợp hệ với máy tính số với
ngôn ngữ chuyên dụng. ở hệ điều chỉnh số, có đặc thù riêngvề mô tả toán học, tuy vậy các
Khoa Điện-Điện tử 2013
5
Biên soạn: Đỗ Công Thắng