Hệ điện cơ 1 - Chương 1: Những khái niệm và chỉ tiêu cơ bản của hệ điện cơ

BÀI GIẢNG MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ 1 Khoa Điện - Bộ môn TĐH Trường Đại học KTCN Thái Nguyên GIỚI THIỆU MÔN HỌC Chương I: Những khái niệm và chỉ tiêu cơ bản của hệ điện cơ Chương II: Tổng hợp hệ điều chỉnh tự động điều khiển tốc độ động cơ một chiều Chương III: Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều sử dụng nhiều mạch vòng Chương IV: Hệ thống truyền động đảo chiều Chương V: Hệ thống truyền động động cơ một chiều sử dụng BBĐ một chiều - một chiều (Xung điện áp) Chương VI: Hệ thống tùy động GIỚI THIỆU MÔN HỌC Chương VII: Các loại hình cơ bản của hệ điều tốc động cơ không đồng bộ hệ thống điều tốc điều chỉnh điện áp Chương VIII: Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp thay đổi tần số Chương IX: Hệ thống điều tốc nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây quấn Chương X: Hệ thống điều tốc biến tần động cơ đồng bộ - Sách, giáo trình chính : Giáo trình Tổng hợp hệ điện cơ do bộ môn Tự động hoá - Khoa Điện biên soạn - Sách tham khảo: [1]. Trần Thọ, Võ Quang Lạp (biên khảo); Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện; NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội,2004 [2]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi; Điều chỉnh tự động truyền động điện; NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2002. [3]. Bùi Đình Tiếu; Cơ sở truyền động điện tự động; NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 1984. [4]. Võ Quang Lạp, Trần Xuân Minh; Giáo trình Kỹ thuật biến đổi; Trường đại học kỹ thuật công nghiệp, Thái Nguyên, 1998. [5]. Cyril W. Lander; Power Electronics; 1993. [6]. Μ. Γ. Чиликин, Μ. Μ. Соклов, В. Μ. Терехов, А. В. Шинянский; ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕТРОПРИВОДА; Энергия, Москва, 1974. Chương 1: Những khái niệm và chỉ tiêu cơ bản của hệ điện cơ 1.1. Khái niệm chung về hệ điện cơ 1.1.1. Khái niệm chung Hệ điện cơ là các hệ thống dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng và khống chế tự động cơ năng đó. Phần cơ bản của hệ điện cơ là hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện (ĐCTĐTĐĐ). Mục tiêu cơ bản của hệ ĐCTĐTĐĐ là phải đảm bảo giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc tác động của các đại lượng nhiễu lên hệ điều chỉnh. Chương 1: Hệ thống ĐCTĐTĐĐ có cấu trúc chung được trình bày trên hình 1.1. BĐ M MXR NL (Nhiễu loạn) THĐ ĐL - Hình 1.1: Cấu trúc chung của hệ ĐCTĐTĐĐ Chương 1: 1.1.2. Phân loại hệ điện cơ Việc phân loại hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện thường có nhiều cách, tuỳ vào mục đích. Phân loại theo động cơ truyền động: - Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ một chiều - Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ - Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ xoay chiều đồng bộ - Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ bước Chương 1: 1.1.2. Phân loại hệ điện cơ Phân loại theo bộ điều chỉnh và tín hiệu vào bộ điều chỉnh: - Hệ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh tương tự (analog) - Hệ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh số (digital) - Hệ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh lai tương tự-số (analog- digital) Phân loại theo cấu trúc hoặc thuật toán điều khiển: - Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển thích nghi - Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển mờ Chương 1: 1.1.2. Phân loại hệ điện cơ Phân loại theo nhiệm vụ chung: - Hệ ĐCTĐTĐĐ duy trì đại lượng điều chỉnh (đại lượng ra) theo lượng đặt trước không đổi. Ví dụ: Hệ duy trì tốc độ, - Hệ ĐCTĐTĐĐ tùy động (hệ bám), là hệ điều khiển vị trí yêu cầu điều khiển tự động lượng ra theo lượng đặt biến thiên tùy ý. Các hệ này thường gặp ở các các hệ truyền động quay anten, ra đa, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, Chương 1: 1.1.2. Phân loại hệ điện cơ Phân loại theo nhiệm vụ chung: - Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển chương trình, thực chất cũng là hệ điều khiển vị trí nhưng đại lượng điều chỉnh được điều khiển tự động tuân theo lượng đặt biến thiên theo một chương trình định trước. Đại lượng điều chỉnh trong hệ thống này thường là các quỹ đạo chuyển động phức tạp trong không gian, cho nên cấu trúc của nó thường nhiều trục. Chương trình điều khiển ở đây được mã hóa ghi vào bìa, băng từ, đĩa từ, Chương 1: 1.1.2. Phân loại hệ điện cơ Phân loại theo nhiệm vụ chung: Chúng ta thường gặp các hệ điều khiển chương trình ở các trung tâm gia công cắt gọt kim loại, các dây chuyền sản xuất có robot. Hệ điều khiển chương trình có cấu trúc phức tạp nhất và thường được thiết kế ở dạng điều khiển số (NC) hoặc điều khiển số có sử dụng máy tính (CNC - Computer Numeric Control). Chương 1: 1.2. Các bài toán tổng hợp hệ thống 1/ Bài toán tổng hợp chức năng: thực hiện trong trường hợp đã biết cấu trúc và tham số của mạch điều khiển, ta cần phải xác định luật điều khiển đầu vào để hệ đảm bảo chất lượng. 2/ Bài toán tổng hợp tham số: thực hiện khi đã biết cấu trúc và lượng tác động đầu vào của hệ, ta cần xác định các tham số của các bộ điều khiển. 3/ Bài toán tổng hợp cấu trúc - tham số: thực hiện khi đã biết qui luật biến thiên của lượng đầu vào và ra của hệ, ta cần xác định cấu trúc của hệ và đặc tính, tham số các bộ điều khiển. Chương 1: 1.3. Các chỉ tiêu cơ bản 1.3.1. Các chỉ tiêu chung Để đánh giá các hệ điều chỉnh tự động truyền động điện người ta thường dựa vào một số chỉ tiêu chung như sau: 1. Đặc tính phụ tải 2. Phạm vi điều chỉnh tốc độ 3. Độ trơn (độ bằng phẳng) điều chỉnh 4. Sai lệch tĩnh max min n D n  i 1 i n n   oi i t 0i n n s n   0i it oi n n s % 100% n   Chương 1: 1.3. Các chỉ tiêu cơ bản 1.3.2. Độ chính xác của hệ thống ĐCTĐTĐĐ trong chế độ xác lập và tựa xác lập 1.3.2.1. Các hệ số sai lệch .. N1 N2 Nn R(t), e(t), C(t) C(t F0(s) TMR(s) (-) E(s) C(s) Hình 1.2: Sơ đồ khối (a) và đặc tính quá độ (b) ) R(t) e(t) t a b Chương 1: 1.3.2.1. Các hệ số sai lệch          i iC s F s .R s F s .N s   - F(s) là hàm truyền kín của hệ theo THĐ và được xác định theo biểu thức sau:       0 0 F s F s 1 F s              idR t d R t e t R t C t C .R t C . ... C .                 1 1 1 n n 0 1 i i 1 1 0 N 1 1 N i N n 0 N n 1 N dt dt dN t d N t +C .N t C ... C dt dt +... dN t +C .N t C . d          n i n i N d N t ... C t dt + t     Chương 1: 1.3.2.1. Các hệ số sai lệch Ci, CiNj với i =1  , j = 1  n là các hằng số,  (t) là thặng dư. Khi giả thiết bỏ qua tác động của các tín hiệu nhiễu và thặng dư , sai lệch của hệ được biểu diễn gọn lại:            i 0 1 i dR t d R t e t R t C t C .R t C . ... C . ... dt dt        Các hằng số C0, C1, , Ci, được gọi là các hệ số sai lệch. C0: Hệ số sai lệch vị trí. C1: Hệ số sai lệch tốc độ. C2: Hệ số sai lệch gia tốc. Một hệ có tất cả các hệ số sai lệch đều bằng không thì được gọi là hệ chính xác tuyệt đối. Chương 1: 1.3.2.2. Các biểu thức xác định các hệ số sai lệch a/ Xác định các hệ số Ci theo hàm truyền sai lệch: F0(s) R(s) (-) E(s) C(s) Hình 1.3 Hàm truyền sai lệch theo tín hiệu vào:      e E s F s R s                0 0 F s E s R s C s R s R s . 1 F s              0 e 0 0 F s 1 F s 1 1 F s 1 F s         2 ie 0 1 2 iF s C C s C s ... C .s ...      Chương 1: 1.3.2.2. Các biểu thức xác định các hệ số sai lệch a/ Xác định các hệ số Ci theo hàm truyền sai lệch: Kết hợp (1.5) với (1.8), rút ra:     0 e s 0 C lim F s 1 C lim F s C                  1 e 0 s 0 2 e 0 12s 0 i 1 j i e jis 0 j 0 s 1 C lim F s C C s s ... 1 C lim F s C s s                                      (1.9) Chương 1: 1.3.2.2. Các biểu thức xác định các hệ số sai lệch b/ Xác định các hệ số Ci theo hàm truyền hệ thống kín Ta có thể xác định hàm truyền sai lệc của hệ theo hàm truyền hệ kín: (1.10)         e R s C s F s 1 F s R s     Dựa vào (1.9) và (1.10) nếu F(s) có dạng: (1.11) Kết hợp các biểu thức (1.9), (1.10) với (1.11) ta rút ra:     1 2 m 0 1 2 m 1 2 n 1 2 n b b .s b s ... b s F s m n 1 a .s a s ... a s           Chương 1: Kết hợp các biểu thức (1.9), (1.10) với (1.11) ta rút ra: (1.12)     0 0 1 1 0 1 1 2 2 0 2 1 1 2 3 3 0 3 1 2 2 1 3 C 1 b C a C a b C a C a C a b C a C a C a C a b ...                      Chú ý: ai = 0  i > n, còn bi = 0  i > m. Khi một hệ có với hàm truyền kín dạng (1.11) có m = n và b0 = 1, b1 = a1, b2 = a2, và bm = am thì hệ sẽ có tất cả các hệ số sai lệch đều bằng không, tức hệ chính xác tuyệt đối. i 1 i i z i z i z 0 C a C .a b               Chương 1: 1.3.3. Các tiêu chuẩn sai lệch 1. Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) Theo tiêu chuẩn này, chất lượng của hệ được đánh giá bởi tích phân sau:  min (1.14)     T 2 2 0 0 I e t dt e t dt     2. Tiêu chuẩn tích phân tích thời gian với giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE) Theo tiêu chuẩn này, chất lượng của hệ được đánh giá bởi tích phân sau:phân sau:  min (1.16)    T 0 0 I t e t dt t e t dt     2. Tiêu chuẩn tích phân tích thời gian với bình phương sai lệch (ITSE) Theo tiêu chuẩn này, chất lượng của hệ được đánh giá bởi tích phân sau:  min (1.18)     T 2 2 0 0 I te t dt te t dt    