Thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện công nghiệp: Phần 2

Nội dung trong cuốn sách Thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện công nghiệp sẽ trình bày cơ sở xây dựng mô hình toán các thành phần trên Matlab/Simulink và mô phỏng điều khiển vận hành với các giả định gần với thực tiễn nhất có thể. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 2 cuốn sách.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện công nghiệp: Phần 2 CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 3.1 Mô hình động cơ Hình 3‑1. Mạch điện tương đương của động cơ một chiều Động cơ điện một chiều kích từ độc lập được ứng dụng khá phổ biến [37], [38] do sử dụng và điều khiển đơn giản, mô men khởi động lớn. Ngoài ra, thiết bị điều khiển điện tử công suất dùng cho động cơ một chiều ngày càng phát triển với nhiều tính năng điều khiển hiện đại trong khi giá thành ngày càng rẻ. Khái niệm “độc lập” trong chương này được hiểu là từ thông không thay đổi theo dòng phần ứng. Mạch điện tương đương của phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập được thể hiện trên hình 3-1. Trong đó, Vt là điện áp nguồn cấp cho đầu cực phần ứng động cơ, Ea là sức phản điện động của phần ứng. Ra và La lần lượt là điện trở và điện cảm của phần ứng động cơ. Ia là dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng. Để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập, phương pháp điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng là phương pháp phổ biến nhất vì tính ổn định và hiệu quả cao. Việc điều chỉnh điện áp nguồn phần ứng có thể dùng bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc bộ chopper. Độ cứng đặc tính cơ trong phương pháp này không bị giảm. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất [39]. Đặc tính cơ khi điều chỉnh điện áp phần ứng có dạng như hình 3-2. 105 Hình 3‑2. Đặc tính cơ khi giảm điện áp phần ứng Trong tài liệu này, việc tính toán thông số liên quan đến các bộ biến đổi được áp dụng các kết quả có sẵn trong lĩnh vực điện tử công suất. Do đó, các công thức áp dụng sẽ không được chứng minh, độc giả có thể tự tham khảo thêm các tài liệu về điện tử công suất [40]. 3.1.1 Mô hình liên tục Từ sơ đồ thay thế mạch điện của phần ứng ở hình 3-1, có thể viết lại phương trình điện áp động cơ: di ( t ) Vt ( t ) = Kf * w ( t ) + i a ( t ) R a + La a (3‑1) dt Và phương trình mô men: d w (t ) Td (t ) − TL (t= ) J + Bw (t ) (3‑2) dt Trong đó: La là điện cảm của dây quấn phần ứng, B là hệ số ma sát dính. Lấy Laplace (3-1) và (3-2), ta được: Vt ( s ) = K .f * w ( s ) + i a (s)*R a + La .s * ia ( s ) (3‑3) Td (s) − TL (= s) J .s * w (s) + B*w (s) (3‑4) Với: Ea ( s) = K .f * w ( s) (3‑5) Td ( s ) = K .f * I a ( s ) (3‑6) là sức điện động phần ứng và mô men động cơ. Từ đó, có thể suy ra: Td ( s) − TL (s) w (s)= (3‑7) B(1 + t ms) 106 Vt ( s) − E a (s) Ia (s)= R a (1 + t es) (3‑8) Trong đó: te là hằng số thời gian điện từ, tm là hằng số thời gian cơ học và được xác định như sau: La te = (3‑9) Ra J tm = (3‑10) B Với từ thông Kf được xác định theo mô men và dòng điện định mức của phần ứng: Tn Kf = (3‑11) I an Giả sử chọn động cơ 50hp, 1750vg/ph có thông số như sau: Bảng 3‑1: Thông số động cơ và tải Đại lượng Giá trị Vt 240V Ra 0.1113W La 0.001558H B 0.007 J 0.205 kgm2 Ian 175A Tn 210.6Nm Tf 5.28Nm TL 204Nm Khi đó ta sẽ có mô hình động cơ như hình 3-3, trong đó, ngõ vào của động cơ là điện áp Vt, mô men tải TL và tổn hao ma sát Tf, ngõ ra là tốc độ, mô men, và dòng điện. Mô hình điều khiển động cơ như hình 3-4, trong đó converter là hàm truyền của bộ biến đổi điện áp. Kết quả mô phỏng của mô hình điều khiển ở hình 3-5 và 3-6. 107 Hình 3‑3. Mô hình động cơ một chiều trong miền liên tục Hình 3‑4. Mô hình điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập Hình 3‑5. Đáp ứng của điện áp và dòng điện phần ứng (a) Đáp ứng của điện áp, (b) Đáp ứng của dòng điện 108 Hình 3‑6. Đáp ứng của tốc độ và mô men động cơ (a) Đáp ứng của tốc độ, (b) Đáp ứng của mô men Tốc độ cài đặt bằng định mức trong khoảng thời gian 0-3s, sau thời điểm 3s chuyển sang 50% định mức bằng hàm nấc. Mô men tải cũng được cài đặt 50% định mức trong khoảng 0-5s, sau thời điểm 5s chuyển sang 100% định mức bằng hàm nấc. Các kết quả cho thấy thời gian xác lập nhỏ hơn 0.3s và không có sai số xác lập. 3.1.2 Mô hình rời rạc Việc mô phỏng trên mô hình rời rạc giúp ta dễ dàng nhúng xuống phần cứng khi tiến hành thí nghiệm. Khi đó, kết quả mô phỏng trên các mô hình rời rạc thường cho kết quả gần với kết quả thí nghiệm hơn. Do đó, các mô hình nên chuyển sang dạng rời rạc. Bằng cách sử dụng công cụ c2d của Matlab để chuyển đổi mô hình sang dạng rời rạc như sau: Để chuyển đổi hàm truyền liên tục converter trong mô hình liên tục sang rời rạc, thực hiện các bước sau: Trong cửa sổ Command window của Matlab, gõ: H1=tf(1,[0.02 1]) và nhấn Enter. Kết quả sẽ như hình 3-7. Sau đó, chuyển sang ...