Thiết kế môn học: Truyền động điện xung áp DC đảo chiều động cơ DC
Thiết kế môn học truyền động điện: Phân tích hệ truyền động xung áp một chiều, đảo chiều động cơ DC kích từ độc lập. Tìm hiểu ngay!
Trường đại học
Trường Đại Học Giao Thông Vận TảiChuyên ngành
Cơ KhíNgười đăng
Ẩn danhThể loại
Thiết kế môn họcPhí lưu trữ
30 PointMục lục chi tiết
Tóm tắt
I. Truyền Động Điện DC Tổng Quan Các Loại Động Cơ
Động cơ điện một chiều là loại máy điện biến điện năng dòng một chiều thành cơ năng. Trong động cơ điện một chiều, từ trường là từ trường không đổi. Để tạo ra từ trường không đổi, người ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện được cung cấp dòng điện một chiều. Công suất lớn nhất của máy điện một chiều vào khoảng 5-10 MW. Hiện tượng tia lửa ở cổ góp đã hạn chế tăng công suất của máy điện một chiều. Cấp điện áp của máy một chiều thường là 120V, 240V, 400V, 500V và lớn nhất là 1000V. Không thể tăng điện áp lên nữa vì điện áp giới hạn của các phiến góp là 35V.
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh (Stato) và phần động (Rotor). Stato là bộ phận sinh ra trường, bao gồm mạch từ và dây cuốn kích từ. Rotor là phần quay, bao gồm mạch từ, cuộn dây phần ứng và cổ góp. Các cuộn dây phần ứng được nối với các phiến đồng gọi là phiến góp, tạo thành cổ góp hay vành góp. Tỳ trên cổ góp là cặp chổi than làm bằng than graphit.
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều, động cơ điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng. Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn, nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
Người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ và chia thành 4 loại thường sử dụng: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập, động cơ điện một chiều kích từ song song, động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp.
1.1. Ưu Điểm Nhược Điểm Của Truyền Động Điện DC
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Ưu điểm lớn nhất là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. So với động cơ không đồng bộ, động cơ điện một chiều có thể điều chỉnh rộng và chính xác, cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao.
Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ.
1.2. Nguyên Lý Hoạt Động Của Động Cơ DC Kích Từ Độc Lập
Khi nguồn điện một chiều cơ công suất không đủ lớn thì mắc độc lập mạch điện phần ứng và mạch kích từ vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. Ở đây, động cơ một chiều nam châm kích từ độc lập nên có từ thông Φ không đổi nên không cần quan tâm đến vấn đề kích từ. Nếu momen do động cơ điện sinh ra lớn hơn momen cản, rotor bắt đầu quay và suất điện động Eư sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n. Do sự xuất hiện và tăng lên của Eư, dòng điện Iư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn. Tăng dần Iư bằng cách tăng Uư hoặc giảm điện trở mạch điện phần ứng cho tới khi máy đạt tốc độ định mức. Trong quá trình tăng Iư cần chú ý không để lớn quá so với Iđm để không xảy ra cháy động cơ.
II. Bài Toán Điều Khiển Tốc Độ Thách Thức Giải Pháp DC
Bài toán điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều là một bài toán quan trọng trong thực tế, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ thay đổi liên tục và chính xác. Tuy nhiên, việc điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều gặp nhiều thách thức, bao gồm tính phi tuyến của hệ thống, ảnh hưởng của tải thay đổi, và sự xuất hiện của các nhiễu. Các phương pháp điều khiển tốc độ truyền thống như thay đổi điện trở phụ, thay đổi từ thông, hoặc thay đổi điện áp phần ứng có những hạn chế nhất định về dải điều chỉnh, độ chính xác, và hiệu suất. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển tốc độ tiên tiến cho động cơ điện một chiều là cần thiết.
2.1. Các Phương Pháp Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ DC Cổ Điển
Có ba phương pháp chính để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều: Phương pháp thay đổi điện trở phụ thường được áp dụng để hạn chế dòng điện khởi động và điều khiển tốc độ động cơ dưới tốc độ cơ bản. Tuy nhiên, phương pháp này điều khiển tốc độ không triệt để. Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh momen điện từ của động cơ và suất điện động quay của động cơ. Khi giảm từ thông để tăng tốc độ động cơ thì độ cứng giảm. Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên. Khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì momen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch giảm và tốc độ động cơ cũng giảm với một phụ tải nhất định nhưng độ cứng không đổi. Do đó phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.
2.2. Hạn Chế Của Phương Pháp Điều Khiển Truyền Thống
Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều truyền thống có những hạn chế nhất định. Phương pháp thay đổi điện trở phụ gây tổn thất năng lượng lớn. Phương pháp thay đổi từ thông có dải điều chỉnh hạn chế. Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng yêu cầu nguồn điện áp có thể điều chỉnh được. Do đó, các phương pháp điều khiển này không đáp ứng được yêu cầu cao về hiệu suất và độ chính xác trong các ứng dụng hiện đại.
III. Phân Tích Hệ Truyền Động Xung Áp DC Đảo Chiều Cách Hoạt Động
Bộ băm xung một chiều (BXMC) là thiết bị biến đổi điện áp DC thành các xung điện áp DC có độ rộng xung điều chỉnh được. Nguyên lý cơ bản của BXMC là cho van đóng cắt với quy luật: trong khoảng thời gian van dẫn, điện áp ra bằng điện áp nguồn. Từ thời gian van không dẫn, tải bị ngắt khỏi nguồn. Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ nhận được là U = γE. Việc điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách thay đổi tham số γ. Có hai phương pháp chính cho phép thay đổi tham số γ là : Thay đổi thời gian, còn giữ chu kỳ T không đổi, dùng cách thay đổi độ rộng của xung điện áp ra tải (PWM) và Thay đổi chu kỳ T, giữ thời gian không đổi (xung - tần).
3.1. Nguyên Lý Băm Xung Một Chiều Điều Chế PWM
Nguyên lý băm xung một chiều là biến đổi điện áp một chiều thành các xung điện áp có độ rộng thay đổi được. Có hai phương pháp điều chế chính là điều chế độ rộng xung (PWM) và điều chế tần số xung. Phương pháp PWM được sử dụng phổ biến hơn do dễ điều khiển và có hiệu suất cao hơn. Phương pháp này không thuận lợi khi phải điều chỉnh điện áp trong một dải rộng, vì tần số biến thiên nhiều sẽ làm thay đổi mạnh giá trị trở kháng khi mạch có chứa các điện cảm hoặc tụ điện nên khó tính toán thiết kế, nhất là các hệ thống điều chỉnh kín vì lúc đó mạch thuộc hệ có tham số biến đổi.
3.2. Băm Xung Áp DC Đảo Chiều Ứng Dụng Điều Khiển DC
Bộ băm xung áp một chiều dùng van điều khiển hoàn toàn IGBT có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện phụ tải. Trong các hệ truyền động tự động thường có yêu cầu đảo chiều dòng điện phụ tải. Trong các hệ truyền động tự động thường có yêu cầu đảo chiều động cơ, do đó bộ biến đổi xung áp loại này thường hay dùng để cấp nguồn cho các động cơ một chiều kích từ độc lập có nhu cầu đảo chiều quay. Hoạt động của sơ đồ phụ thuộc vào cách phối hợp điều khiển 4 van động lực. Phương pháp điều khiển bộ băm xung áp sử dụng phương pháp điều chế đơn cực giảm tổn thất chuyển mạch, điện áp ra là đơn cực ở mỗi chiều quay của động cơ, điện áp trung bình là V = DV.
IV. Phương Pháp Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ DC Bằng Xung Áp
Sử dụng bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều, có thể điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi hệ số điều chế γ. Khi thay đổi γ ta được họ đường thẳng song song có độ cứng β = const và tốc độ không tải lí tưởng ωo thay đổi theo γ. Nếu nguồn vô cùng lớn thì ta có thể bỏ qua R , khi đó độ cứng của đặc tính cơ của hệ có độ cứng là (KΦ )2/R = const. Bộ nguồn xung áp cần ít van dẫn nên vốn đầu tư ít, hệ đơn giản chắc chắn. Độ cứng của đặc tính cơ lớn. Điện áp dạng xung nên gây ra tổn thất phụ khá lớn trong động cơ. Khi làm việc ở trạng thái dòng điện gián đoạn thì đặc tính làm việc kém ổn định và tổn thất năng lượng nhiều.
4.1. Điều Chỉnh Tốc Độ Bằng Hệ Số Điều Chế Gamma
Khi thay đổi hệ số điều chế γ, ta có thể điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều một cách liên tục. Tốc độ không tải lý tưởng ωo phụ thuộc vào γ. Tuy nhiên, biểu thức chỉ đúng với trạng thái dòng liên tục. Khi dòng điện đủ nhỏ thì hệ sẽ chuyển trang thái từ dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn. Khi đó các phương trình đặc tính điều chỉnh nói trên không còn đúng nữa mà lúc này đặc tính của hệ là những đường cong rất dốc.
4.2. Ưu Điểm Nhược Điểm Của Phương Pháp Xung Áp DC
Phương pháp xung áp DC có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, vốn đầu tư ít, và độ cứng của đặc tính cơ lớn. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm là gây ra tổn thất phụ khá lớn trong động cơ do điện áp dạng xung, và đặc tính làm việc kém ổn định khi dòng điện gián đoạn.
V. Mô Hình Hóa Mô Phỏng Hệ Thống Truyền Động Xung Áp DC
Để phân tích và thiết kế hệ thống truyền động xung áp DC, cần xây dựng mô hình toán học của hệ thống, bao gồm mô hình động cơ điện một chiều, mô hình bộ băm xung áp, và mô hình điều khiển. Các thông số hệ thống cần được xác định chính xác để đảm bảo độ chính xác của mô hình. Mô hình có thể được mô phỏng bằng phần mềm MATLAB/Simulink để kiểm tra tính đúng đắn và hiệu quả của hệ thống.
5.1. Xây Dựng Mô Hình Toán Học Động Cơ DC Băm Xung
Mô hình toán học của động cơ điện một chiều có thể được xây dựng dựa trên các phương trình điện và cơ của động cơ. Mô hình bộ băm xung áp có thể được mô hình hóa như độ trễ bậc 1 với mức tăng của Kr. Khi có hằng số thời gian phần ứng và tham số mạch kích từ ta có thể viết được các phương trình mô tả sơ đồ thay thế như sau: U = RI + (NN/Lư)s... Mạch kích từ có hai biến dòng điện kích từ ik và từ thông máy Ф là phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hóa của lõi sắt: Mạch phần ứng: U(p) = R ưI +
5.2. Mô Phỏng Hệ Thống Trên MATLAB Simulink Hướng Dẫn
Phần mềm MATLAB/Simulink cung cấp các công cụ mạnh mẽ để mô phỏng hệ thống truyền động xung áp DC. Người dùng có thể xây dựng sơ đồ khối của hệ thống bằng các khối có sẵn trong Simulink, và chạy mô phỏng để quan sát các tín hiệu như tốc độ, dòng điện, và điện áp. Với giao diện trực quan và khả năng tùy biến cao, Matlab cho phép ta thấy mỗi phần tử cơ bản của Matlab là một ma trận, kết nối dễ dàng với hàm truyền, và sử dụng trong Command Window
VI. Tổng Hợp Mạch Vòng Điều Chỉnh PID Tối Ưu Cho DC
Để điều khiển hệ thống truyền động xung áp DC, cần tổng hợp các mạch vòng điều chỉnh, bao gồm mạch vòng điều chỉnh dòng điện và mạch vòng điều chỉnh tốc độ. Bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến trong các mạch vòng điều chỉnh do tính đơn giản và hiệu quả. Cần lựa chọn các tham số PID phù hợp để đảm bảo hệ thống có độ ổn định cao, đáp ứng nhanh, và sai số nhỏ.
6.1. Các Phương Pháp Thiết Kế Bộ Điều Khiển PID Phổ Biến
PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp. Lý do bộ PID được sử dụng rộng rãi là tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng. Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào - ra, chất lượng hệ thống phụ thuộc vào các tham số k p , TI , TD . Muốn hệ thống có được chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi trên cơ sở đó chọn các tham số đó cho phù hợp, cũng như sử dụng các mô hình xấp xỉ bậc nhất của đối tượng
6.2. Giải Pháp Anti Windup Chống Bão Hòa Tích Phân PID
Windup là một hiện tượng gây ra do tương tác của khâu tích phân trong bộ PID và sự bão hòa. Trong một hệ thống điều khiển với dải tần hoạt động rộng, các biến điều khiển có thể đạt tới giới hạn của cơ cấu chấp hành. Giải pháp chống bão hòa tích phân là PID tracking anti-windup cho kết quả tốt nhất, nó không phụ thuộc nhiều vào đối tượng điều khiển. Theo dõi giá trị thực của tín hiệu điều khiển bị giới hạn phản hồi về bộ điều khiển để thực hiện thuật toán bù nhằm giảm thành phần tích phân.
18/09/2025
