Đang tải... (xem toàn văn)
Các khái niệm cơ bản về mô phỏng và các hệ điện cơ Các khái niệm cơ bản về mô phỏng và các hệ điện cơ Các khái niệm cơ bản về mô phỏng và các hệ điện cơ Các khái niệm cơ bản về mô phỏng và các hệ điện cơ
Chơng Mô hệ truyền động điện chiều 5.1 Mô tả toán học, hàm truyền sơ đồ cấu trúc động chiều 5.1.1 Động chiều kích từ độc lập Trên hình 5.1 trình bày sơ lợc động điện chiều kích từ độc lập Các trình điện từ điện đợc mô tả phơng trình có dạng sau: di � U f L f f rf i f � dt � dia U a La ia ea � � dt � d m J Me ML � � dt � k i f � � ea k E m � M k M m (5.1) Hình 5-1 Động điện chiều kích từ độc lập Trong phơng trình (5.1) biến tham số đợc đánh dấu số f tơng ứng với cuộn dây kích từ, biến tham số đợc đánh dấu số a tơng ứng với phần ứng, hệ số k , ke , km số kết cấu máy điện Đa phơng trình (5.1) dạng không thứ nguyên, tiếp nhận giá trị định mức biến động dạng đơn vị sở: U f NOM ,U a NOM , NOM , 0 NOM U a NOM U , M L NOM k M NOM a NOM ke NOM � di f i � dt � � di a U a Ta i a m � dt � � d m Tm i a M L � dt � ' � k i f � U f Tf (5.2) Trong ®ã: uf ua ia uf ;ua ; iФ ; f U f NOM U a NOM UФ a NOM Ф ; M m NOM m ; 0 NOM M L ML L HOM lµ biến tơng ứng trạng thái động L U L J 0 NOM ' T f f , Ta a , Tm , k k f NOM tham số rf M L NOM r f NOM động Phơng trình (5.2) đa dạng: u a ( sTa 1) � iФ m ,� a � sTФ L, � m im M a � ' Ф k i f , � u f ( sT f 1) if (5.3) mà mô hình phù hợp với đợc đa hình 5.2 a Mô hình cã hai cỉng ®iỊu khiĨn: U a - điều khiển theo mạch phần ứng, U f - điều khiển theo mạch kích từ đầu theo nhiễu L - đại lợng nhiễu theo mô men tải Khối (Transfer Fcn) mô mạch kÝch tõ (h»ng sè thêi gian cđa m¹ch Т f 0.5s ) Khối (Transfer Fcn1) mô mạch phần øng (h»ng sè thêi gian Ta 0.02s ) C¸c khối (Product, Product1) thực phép nhân tơng ứng với phơng trình hệ thống (5.3) Các khối (Sum1, Gain, Integrator) thực phơng trình thứ ba hệ thống (5.3) Trên hình 5.2 b cho thấy cửa sổ cài đặt thông số mô phỏng, hình 5.2 c trình bày kết mô động mà đợc điều khiển theo mạch phần ứng Sự điều khiển theo mạch kích từ đạt đợc sớm nhiều thời điểm tác động điều khiển tác động nhiễu máy có từ thông Theo hình 5.2 b,c tất thời gian mô nhận giá trị 10s, tín hiệu điều khiển bắt đầu sau đoạn 2s tính từ thời điểm bắt đầu mô phỏng, đại lợng nhiễu sau 5s từ thời điểm bắt đầu mô Trên hình 5.2 c mô tả trình độ theo tốc độ mô men a b) c) Hình 5-2 Mô hình (a), cửa sổ cài đặt thông số mô (b) kết mô (c) động điện chiều kích từ độc lập Từ thông động với kích từ độc lập coi không đổi Trong trờng hợp mô hình động trở nên đơn giản hơn, mô hình đợc giới thiệu hình 5.3 Tiếp theo mô hình đợc dùng để tổng hợp thiết bị truyền động điện điều khiển theo mạch phần ứng Hình 5-3 Mô hình động điện chiều với kích từ không đổi Trong truyền động điện chiều với động kích từ độc lập thờng sử dụng với hai vùng điều chỉnh Trong trờng hợp động đợc điều khiển theo mạch phần ứng mạch kích từ Theo mạch phần ứng với từ thông kích từ không đổi điều khiển đợc thực mômen trục lớn, điều khiển theo mạch kích từ mômen nhỏ Trên hình 5.4 b trình bày kết mô điều chỉnh hai vùng động cơ, giá trị mômen nhỏ cần phải nhận tốc độ lớn tốc độ không tải lý tởng Để thực điều hệ thống thực ngời ta giảm từ thông động Trong cửa sổ cài đặt khối ( U f , hình 5.4 a) thÊy râ r»ng sau khëi ®éng 5s từ thông động giảm lần, vận tốc tăng lên lần Sự mô diễn mômen tải L 0.1 L NOM Mô làm việc động chế độ xác lập nhận đợc đặc tính đợc hình 5.5 a, b có hiệu điện phần ứng u a 0.8 Trong mô hình mômen tải đợc tính tích phân từ tín hiệu không đổi (các khối Step1, Gain với k = 0.005 Integrator1 hình 5.5 a) Sử dụng khối XY Graph để quan sát đặc tính Các kết mô đợc hình 5.5 b, trục hoành đặt mômen, trục tung vận tốc Hình 5-4 Cửa sổ cài đặt (a) kết mô (b) động điện chiều với điều khiển theo mạch phần ứng kích từ a b Hình 5-5 Mô hình nhận đặc tính (a) kết mô (b) 5.1.2 Động chiều kích từ song song Trong động ®iƯn mét chiỊu víi kÝch tõ song song th× cn dây kích từ song song với phần ứng (hình 5.6) Trong trờng hợp u f u a u vµ tõ (5.3) ta cã: � � u ( sTa 1) � iФ m ,� a � sTФi L, � m m M a � ' Ф k i f , � u ( sT f 1) � if (5.4) Hình 5-6 Động điện chiều với kích từ song song Mô hình động xây dựng theo điều khiển đợc thể hình 5.7 a Các kết mô đợc đa hình 5.7 b cho thấy trình độ động theo điều khiển kéo dài chút so với động kích từ độc lập Trên hình 5.7 c đa cửa sổ cài đặt khối Step, khối thực mômen tải a b c Hình 5-7 Mô hình (a), kết mô (b) động điện chiều cửa sổ cài đặt (c) với kích từ song song Khảo sát đặc tính động kích từ song song diễn mô hình đợc hình 5.8 a Đặc tính đợc hình 5.8 b Các điều kiện mô đợc thực từ cửa sổ cài đặt khối Step nh hình 5.8 c Các kết mô động khuyếch đại mô men khởi động nhỏ có vận tốc lớn trình chạy không tải so với động kích từ độc lập a) b) c) Hình 5-8 Mô hình (a), đặc tính (b) cửa sổ cài đặt (c) động điện chiều kích từ song song 5.1.3 Động chiều kích từ nối tiếp Trên hình 5.9 giới thiệu sơ lợc động điện chiều với kích từ nối tiếp Các phơng trình mô tả động có dạng nh sau: u La L f di r dt d m M M L, dt Ф k i, J ea kФ E m M k M iФ a � rf i ea , � � � � � � � � (5.5) Hình 5-9 Động ®iƯn mét chiỊu víi kÝch tõ nèi tiÕp C¸c gi¸ trị sở biến: U NOM U U M , L NOM k Ф M NOM NOM NOM , NOM , 0 NOM kФ r a r f E NOM Các phơng trình (5.5) đa dạng không thứ nguyên: di i k I i m , � � dt � d m Tm kI i M L ,� � dt � (5.6) u T Trong ®ã : T La L f rf , kI U NOM rf �I NOM - tham số động Đa phơng trình (5.6) vỊ d¹ng sau: u (Ts 1)i k I i m , � � � Tm s m k I i M L , � (5.7) Mô hình động đợc xây dựng theo hệ phơng trình (5.7) đợc giới thiệu hình 5.10 a với bớc nhảy điều khiển thời điểm 0.5s bớc nhảy đại lợng nhiễu thời điểm 5s a b Hình 5-10 Mô hình (a) kết mô (b) động chiều kích từ nối tiếp Các trình độ đợc đa hình 5.10 b xác nhận khởi động mômen động với kích từ nối tiếp lớn hẳn mômen động kích từ độc lập động kích từ song song Điều khiến đợc sử dụng rộng rãi thiết bị truyền động điện nặng nề (nâng đỡ vận tải) Nhng động kích từ nối tiếp có tải vận tốc dẽ giảm nhanh Để khảo sát đặc tính xây dựng mô hình tơng tự nh trớc mô tả động điện chiều (hình 5.11 a) Các kết mô đa hình 5.11 b, đặc tính động phi tuyến Khi giá trị mômen nhỏ đặc tính trở nên mềm, giá trị mômen lớn cứng a) 10 Hình 5-61 Quá trình độ trạng thái lớn hệ thống điều chỉnh vận tốc ảo vòng điều chỉnh 5.10 Mô hình ảo trực quan hai vòng điều chỉnh tốc độ động chiều điều chế độ rộng xung Mô hình ảo hệ thống điều chỉnh tốc độ động hai vòng điều chỉnh với điều chế độ rộng xung đợc thể hình 5-62 Các thông số điều chỉnh mô hình đợc tính toán mục 5.6 Quá trình độ hệ thống trạng thái nhỏ lớn đợc thể hình 5-63, 564 Hình 5-62 Mô hình ảo hệ thống điều chỉnh tốc độ hai vòng điều chỉnh 63 Hình 5-63 Các trình độ trạng thái nhỏ hệ thống điều chỉnh tốc độ với hai vòng điều chỉnh Hình 5-64 Quá trình độ trạng thái lớn hệ thống điều chỉnh tốc độ với hai vòng điều chỉnh 64 Thời gian mô mô hình ảo lớn nhiều so với thời gian mô mô hình cấu trúc Vì mô hình ảo đợc dùng để khảo sát trình điện từ trình chuyển hóa lợng điện hệ kín Ngoài mô hình ảo cần thiết để giải đáp câu hỏi tính tơng thích, phân tích phổ, hỏng hóc Trong thí dụ đặt toán xây dựng mô hình ảo hệ thống điện chiều kiểm tra tính thích hợp chúng cách so sánh động học với mô hình cấu trúc tơng ứng Sử dụng mô hình ảo cho mục đích chế tạo hệ thống khác mở khả lớn để khảo sát đặc tính động học nh trình điện từ, lợng, phổ đặc tính khác hệ kín điều kiện tơng ứng với điều kiện thật Dới ví dụ sử dụng mô hình ảo hệ hai vòng điều chỉnh để nhận đợc đặc tính cơ, điện từ đặc tính lợng 5.11 Nghiên cứu đặc tính tĩnh hệ thống chiều mô hình ảo trực quan Mô hình đợc thể hình 5-65 Mô hình khác so với mô hình (hình 5-62) ta bổ xung thêm khối Measurement để đo biến cần thiết tơng tự nh khối đợc xem xét Hình 5-65 Mô hình ảo để khảo sát đặc tính tĩnh hệ thống chiều 65 Mô hình khối đo đợc thể hình 5-66 Thay đổi moment tải với giá trị khác tín hiệu đầu vào, ta đo đợc: Cờng độ dòng điện mạch nguồn khối Fourier Id(0); Cờng độ dòng điện hiệu điện đầu khối điều chế ®é réng xung bëi c¸c khèi Fourier IH(0), Fourier UH(0); Moment vận tốc động Tất giá trị liệt kê đợc xác định theo thể khối Display Giá trị đại lợng đo đợc mô tả không gian làm việc MATLAB để khảo sát xây dựng liên hệ cần thiết Các giá trị đợc thể hình 5-67 Đặc tính hình 5-67, tơng ứng với tín hiệu cực đại đầu vào hệ Hình 5-66 Khối đo 66 Hình 5-67 Đặc tính tĩnh hệ thống hai vòng điều chỉnh 5.12 Thí nghiệm mô ảo hệ thống chiều hộp công cụ Sim Power System Trong phiên phiển gói Sim Power System đợc bổ xung thêm th viện thiết bị truyền động điện chiều đợc thể hình 5-68 67 Hình 5-68 Các giá thí nghiệm mô hệ thống chiều gãi Sim Power System Th viƯn nµy cã chøa thiết bị truyền điện không đảo chiều (Two-Quadrant) đảo chiều (Four-Quadrant) với pha (Single-Phase) bé ba pha (Three-Phase) bé chØnh lu (Rectifier) vµ bé điều chế độ rộng xung (Chopper) Tất thiết bị truyền động điện đợc xây dựng tơng tự có chứa động thực hiện, thiết bị biến đổi bán dẫn dòng, điều chỉnh dòng điều chỉnh vận tốc Khối sơ đồ cho tất thí nghiệm mô giống đợc thể hình 5-69 Thế nhng thiết lập thông số thiết bị truyền động điện đợc dùng ®Ĩ t¹o giao diƯn sư dơng cđa ngêi dïng (GUIGrafic User Interface), cho phép đa vào thông số động chấp hành, biến đổi mạch lực, điều chỉnh dòng điện vận tốc 68 Hình 5-69 Sơ đồ khối thí nghiệm mô Chúng ta xem xét thiết bị truyền động điện chiều ví dụ truyền động điện có đảo chiều mét pha ®iỊu khiĨn chØnh lu (Four-Quadrant Single-Phase Rectifier DC Drive) Sơ đồ chức hệ đợc thể hình 5-70 Sơ đồ có: Hai chỉnh lu cầu điều khiển pha (Singlephase full convertor) với sơ đồ điều khiển (Bridge firing unit); Bộ điều chỉnh PI dòng điện vận tốc (PI Current controller, PI Speed controller); Cuộn cảm, thiết bị giới hạn lu thông dòng điều khiển chỉnh lu điện cảm làm phẳng mạch phần ứng (Circulating current iductors and smoothing inductance); Động chấp hành chiều (DC motor); Thiết bị đo vận tốc dòng điện (Speed sensor, Current measurement); Khoá chuyển mạch (Regulation switch) cho phÐp ®iỊu chØnh vËn tèc (Speed reference) hay moment (Torque 69 reference) hƯ thèng BiĨu ®å khối cửa sổ thiết lập thông số đợc thể hình 5-71 Cửa sổ thiết lập thông số trờng hợp bảng điều khiển thí nghiệm mô đợc xây dựng với sử dụng công cụ thiết bị GUI-giao diện đồ họa cho ngời dùng Hình 5-70 Sơ đồ chức trun ®éng ®iƯn mét chiỊu víi bé chØnh lu ®iỊu khiển thuận nghịch pha Trong bảng có ba phụ trơng DC Machine, Converter, Controller, cho phép ta đa vào thông số khối hệ thống Dạng bảng nhập thông số động DC Machine có dạng nh hình 5-72 Trong trờng hợp cửa sổ bảng điều khiển cho phép nhập vào thông số sau: Mutual inductance (H)-điện cảm tơng hỗ trêng Electrical parameteres; Resistance (Ohm), Inductance (H) – điện trở điện cảm phần ứng trờng Armature; Resistance (Ohm), Inductance (H) điện trở 70 điện cảm cuộn dây kích từ trờng Field; Inertia (kgm^2), Viscous friction coefficient (Nms), Coulomb friction (Nm), Initial speed (rad/s) moment quán tính động với tải, hệ số ma sát nhớt, moment ma sát khô, vận tốc ban đầu trờng Mechanical parameteres Trên phụ chơng Model detail level từ danh sách thả xuống chọn mô hình xác (Detailed), hay mô hình theo giá trị trung bình (Average) Thông số máy điện đợc đặt file (Load) ghi vào file (Save) Hình 5-71 Biểu tợng truyền động điện chiều cửa sổ thiết lập thống số Trong phụ chơng Converter (hình 7.44) đa thông số: Smoothing inductance (H), Field DC source (V), Circulating current iductors điện cảm làm phẳng 71 mạch phần ứng, hiệu điện nguồn điện mạch kích từ điện cảm giới hạn dòng lu thông trờng DC bus and excitation circuit; Resistance (Ohm) Capacitance (F) – ®iƯn trë, ®iƯn dung mạch chống rung (Snubbers) trờng Converter tơng tù Converter 2; On-state resistance (Ohm), Forward voltage (V) điện trở sụt áp Thyristor mở trờng Converter tơng tự Converter 2; Hình 5-72 Bảng nhập thông số động điện chiều Trong phụ lục Controller cho thông số điều chỉnh vận tốc (Speed controller), điều chỉnh dòng điện (Current controller) sơ đồ ®iỊu khiĨn chØnh lu (Bridge 72 firing unit) Trong phơ lục Speed controller (Hình 5-73) cho thông số sau: Trong trờng Regulation type từ danh sách thả xuống chọn dạng điều chỉnh 1.Speed regulation ®iÒu chØnh vËn tèc, Torque regulation – bé ®iÒu chØnh moment , Sampling time (s) –chu kú lÊy mÉu cđa vi ®iỊu khiĨn; Nominal speed (rpm) – vËn tốc định mức, Initial speed (rpm) vận tốc ban đầu, Low-pass cutof frequency (Hz) tần số cắt lọc tần số thấp mạch hồi tiếp, trêng Speed controller; Proportional gain – HƯ sè trun tû lƯ cđa bé ®iỊu chØnh, Integral gain - hƯ số truyền tích phân điều chỉnh trờng PI regulator; Acceleration (rpm/s) – sù giíi h¹n gia tốc, Deceleration (rpm/s) giới hạn độ giảm trờng Speed ramps 73 Hình 5-73 Bảng điều khiển để nhập thông số điều chỉnh vận tốc Phụ lơc Schematic cho phÐp xem xÐt cÊu tróc cđa bé điều chỉnh vận tốc dòng điện (hình 5-74) Tín hiệu đầu vào điều chỉnh đợc cho đơn vị tơng đối (pour units) tín hiệu thực vận tốc đợc chia giá trị vận tốc định mức, đợc nhập trờng Nominal speed bảng điều khiển (hình7.45) Tơng tự ®iỊu chØnh dßng ®iƯn, tÝn hiƯu thùc cđa dßng ®iƯn đợc chia giá trị cờng độ dòng điện định mức 74 Hình 5-74 Sơ đồ chức điều chỉnh vận tốc dòng điện Bảng điều khiển thông số điều chỉnh dòng điện đợc thể hình 5-75 Cửa sổ tiện ích nh bảng điều khiển điêu chỉnh vận tốc có bổ xung thêm vào giá trị công suất toàn phần (Power (VA)) hiệu điện (Voltage (V)) đầu tính toán cờng độ dòng điện định mức, giới hạn đầu điều chỉnh vận tốc theo đơn vị tơng đối (Symmetrical reference limit) Các thông số sơ đồ điều khiển chỉnh lu đợc cho hình 5-76: Sự giới hạn góc điều khiển (Alpha min, Alpha max); Tần số đồng hiệu điện (tần số lới điện) (Frequence synchronization voltage (V)); 75 Độ rộng xung điều khiển (Pulse width (degrees)) Hình 5-75 Bảng nhập thông số chỉnh dòng 76 Hình 5-76 Bảng nhập thông số sơ đồ điều khiển chỉnh lu 77 ... Mđm Các dòng điện xác định đặc tính lợng truyền động điện đợc thể hình 5. 21 18 Hình 5- 20 Các trình độ trạng thái lớn theo mômen vận tốc hệ truyền động điện với CL a) b) Hình 5- 21 Các trình điện. .. a) b) Hình 5- 16 Mô hình chức hệ truyền động điện (a) với CL (b) Trên hình 5- 17 Mô tả trình độ hệ kín truyền động trạng thái nhỏ xây dựng điều chỉnh với hệ thống liên tục 15 Hình 5- 17 Các trình... = 0.0 05 Integrator1 hình 5. 5 a) Sử dụng khối XY Graph để quan sát đặc tính Các kết mô đợc hình 5. 5 b, trục hoành đặt mômen, trục tung vận tốc Hình 5- 4 Cửa sổ cài đặt (a) kết mô (b) động điện chiều