Điều khiển và giám sát động cơ điện 1 chiều sử dụng vi điều khiển

Điều khiển và giám sát động cơ điện 1 chiều sử dụng vi điều khiển Điều khiển và giám sát động cơ điện 1 chiều sử dụng vi điều khiển Điều khiển và giám sát động cơ điện 1 chiều sử dụng vi điều khiển Điều khiển và giám sát động cơ điện 1 chiều sử dụng vi điều khiển

Trang 1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Giảng viên hướng dẫn: TS GIÁP QUANG HUY

Sinh viên thực hiện: HOÀNG QUỐC HUY

NGUYỄN MINH CHUYÊN

Trang 2

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 2

THIẾT KẾ CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ HỆ THỐNG BĂNG TẢI 2

1 Cơ cấu truyền động tải băng chuyền 2

2 Đồ thị tốc độ dự kiến của tải và động cơ 2

3 Xác định momen quán tính và momen quán tính của hệ và quy đổi 3

3.1 Momen quán tính: 3

3.2 Momen quán tính quy đổi về trục động cơ: 4

3.3 Momen tải: 4

3.4 Xác định Momen đẳng trị: 5

3.5 Xác định công suất cơ yêu cầu của hệ 5

3.6 Kết luận: 7

3.7 Chọn động cơ: 7

CHƯƠNG 2 8

PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 8

1 Tìm hiểu về cấu tạo và hoạt động: 8

1.1 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập: 8

1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: 9

1.6 Các trạng thái hoạt động: 9

2 Lựa chọn phướng pháp điều khiển dự kiến và kết luận: 12

CHƯƠNG 3 13

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 13

1 Mạch động lực 13

1.1 Khối biến áp: 14

1.2 Khối van chỉnh lưu: 14

1.3 Các phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu: 15

1.3 Khối lọc 16

2 Tính toán mạch động lực: 17

Trang 3

2.1 Tính chọn Thyristor: 17

2.2 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu: 18

2.3 Thiết kế bộ lọc: 19

CHƯƠNG 4 21

PHÂN TÍCH VÀ CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 21

1 Khái quát mạch điều khiển 21

1.1 Khái quát chung: 21

1.2 Phương pháp điều khiển thẳng đứng Arcos: 21

2 Nguyên lý hoạt động từng khâu trong mạch điều khiển: 21

2.1 Khâu đồng bộ 21

2.2 Khâu so sánh 22

2.3 Khâu tạo xung chùm 22

2.4 Khâu khuếch đại và phát xung 24

CHƯƠNG 5 25

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK 25

1 Mô hình toán học 25

1.2 Tính các tham số hàm truyền động cơ 25

1.3 Tính toán thông số hàm truyền bộ chỉnh lưu 26

1.4 Tổng hợp mạch vòng dòng điện: 26

1.5 Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ: 27

2 Mạch mô phỏng hàm truyền toán học : 27

2.1 Mô hình hàm truyền toán học 27

2.2 Kết quả mô phỏng: 27

3 Mô phỏng nguyên lý (Matlab Simulink) : 28

3.1 Sơ đồ mạch điều khiển 28

3.2 Kết quả mô phỏng đáp ứng tốc độ: 28

3.3 Kết quả mô phỏng đáp ứng dòng điện: 29

3.4 Kết quả mô phỏng đáp ứng Moment: 29

3.5 Kết quả mô phỏng đáp ứng điện áp phần ứng: 29

4 Mô phỏng mạch bằng Proteus 29

Trang 4

4.1 Sơ đồ mạch điều khiển Proteus: 30

DANH SÁCH HÌNH ẢNH VÀ BẢNG SỐ LI Hình 1 1 Mô phỏng truyền động cho tải băng chuyền 2

Hình 1 2 Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ của băng chuyền 3

Hình 1 3 Đồ thị momen điện từ của động cơ 5

Hình 1 4 Đồ thị công suất của động cơ 7

Hình 1 5 Hình ảnh thực tế đông cơ 7

Y Hình 2 1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 8

Hình 3 1 Sơ đồ tổng quát bộ điều khiển 13

Hình 3 2 Sơ đồ mạch động lực 13

Hình 3 3 Khối biến áp 14

Hình 3 6 Sơ đồ mạch lọc LC 20

Hình 4 1 Sơ đồ điều khiển Thyristor 21

Hình 4 2 Sơ dồ mạch khâu đồng bộ 22

Hình 4 3 Sơ đồ mạch khâu so sánh 22

Hình 4 5 Sơ đồ mạch tạo xung chùm và tín hiệu kích xung 23

Hình 4 6 Sơ đồ sóng dạng 23

Hình 4 7 Sơ đồ mach khâu khuếch đại và phát xung

Hình 5 1 Sơ đồ khối hàm truyền động cơ 25

Hình 5 2 Hàm truyền bộ điều khiển dòng điện 26

Hình 5 3 Mô hình hàm truyền toán học 27

Hình 5 4 Mô hình toán học động cơ bằng matlab 27

Y Bảng 3 1 Thời điểm mở, khóa các van thyristor 26

Trang 5

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện điện tử, công nghệ thông tin, ngành

kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới Tự động hóa quá trình sản xuất đang được phổ biến rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chúng và ở Việt Nam nói riêng Tự động hóa không những làm giảm nhẹ sức lao động của con người mà còn góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm

Trong thời buổi đất nước ta đang bước vào quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa, động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của xã hội đặc biệt là ngành công nghiệp sản xuất hiện đại, và trong nhiều lĩnh vực đời sống không thể thiếu động cơ điện, vì vậycác động cơ điện được chế tạo rất đa dạng về chủng lại và ngày càng hiện đại hướng tới giảm tổn hao về điện năng, tăng hiệu suất và công suất làm việc Trong các ngành công nghiệp chủ yếu sử dụng động cơ ba pha với ưu điểm công suất lớn, đáp ứng yêu cầu làm việc của ngành nghiệp nặng Tuy nhiên việc điểu khiển và điểu chỉnh tốc độ của động cơ ba pha rất khó đạt được độ chính xác cần thiết chính vì vậy người ra sử dụng động cơ DC với nhiều ưu điểm hơn,nhưng cũng như động cơ ba pha, động cơ DC cũng có nhược điểm đó là bộ phần cổ góp dễ hỏng

Nhận thấy động cơ DC có nhiều ứng dụng trong thực tiễn liên quan đến bài học trên lớpcúng với những kiến thức về điện tử công suất, truyền động điện, vi điều khiển, đo lường trongcông tác kỹ thuật hiện đại, Nhóm chúng em đã chọn đề tài: “Điều khiển và giám sát động cơ điện 1 chiều sử dụng vi điều khiển” Em xin cảm ơn Tiến sĩ Giáp Quang Huy đã hướng dẫn chúng em

Do việc sắp xếp thời gian để tiến hành nghiên cứu các đồ án chưa được hợp lý và kiến thức còn thiếu nhiều nên đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót, mong thầy bổ sung thêm để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Đồ án gồm các chương:

CHƯƠNG 1: Thiết kế chọn động cơ

CHƯƠNG 2: Phân tích và lựa chọn phương án truyền động điện

CHƯƠNG 3: Phân tích và chọn mạch động lực

CHƯƠNG 4: Phân tích và chọn mạch điều khiển

CHƯƠNG 5: Mô phỏng hệ thống trên Matlab Simulink

Trang 6

CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ HỆ THỐNG BĂNG TẢI

CHƯƠNG 1 THIẾT KẾ CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ HỆ THỐNG BĂNG TẢI

1 Cơ cấu truyền động tải băng chuyền

Hình 1 1 Mô phỏng truyền động cho tải băng chuyền

2 Đồ thị tốc độ dự kiến của tải và động cơ.

Tốc độ dự kiến của băng tải: V = 0.7(m/s), bán kính của Rulo R = 0,08 (m).Suy ra: Tốc độ quay của Rulo: (rad/s) = 83,5 (vòng/phút)

Chọn tốc độ của động cơ là 3000(vòng/phút) tương đương với 314(rad/s) Nên ta có tỉ

số truyền :

Tốc độ dài của băng tải :

Trang 7

Tốc độ quay của Rulo

Hình 1 2 Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ của băng chuyền

Dựa vào đồ thị trên Hình 1.2, ta xác định được quá trình hoạt động của động cơ như sau :

Quá trình động cơ chuyển động theo chiều kim đồng hồ :

 Từ 0 đến 2 giây: tốc độ quay của động cơ tăng từ ω = 0 rad/s đến ω = 314 rad/s.M M

 Từ 2 đến 8 giây: động cơ hoạt động ổn định với tốc độ quay ω = 314 rad/s.M

 Từ 8 đến 10 giây: tốc độ quay của động cơ giảm ngay về ω = 0 rad/s M

Quá trình băng chyền đảo chiều :

 Từ 10 đến 12 giây: động cơ đảo chiều, độ lớn tốc độ quay của tăng dần lên ω = 314 Mrad/s

 Từ 12 đến 18 giây: động cơ hoạt động ổn định với độ lớn tốc độ quay ω = 314 rad/s.M

 Từ giây 18 đến 20s tốc độ quay của động cơ giảm ngay về ω = 0 rad/s M

3 Xác định momen quán tính và momen quán tính của hệ và quy đổi

3.1 Momen quán tính:

Chọn kích thước dự kến cho cấu trúc của hệ:

- Rulo của băng chuyền có kích thước R = 8 (cm), h = 2 (cm), băng chuyền có tất cả 4 rulo

- Bánh răng có kích thước h = 2 (cm), Khối lượng vật m = 50 (kg)

Momen quán tính của một Rulo

Trang 8

3.2 Momen quán tính quy đổi về trục động cơ:

Trang 9

Từ đây ta có đường đồ thị của momen điện từ của động cơ sau khi tính toán sơ bộ:

Hình 1 3 Đồ thị momen điện từ của động cơ.

3.5 Xác định công suất cơ yêu cầu của hệ

Công suất của động cơ điện một chiều được xác định qua biểu thức:

Trang 10

 Tại t=10s

 Tại t=12s

 Tại t=18s

 Tại t=20s

Từ đây ta có đường đồ thị của công suất của động cơ sau khi tính toán sơ bộ:

Hình 1 4 Đồ thị công suất của động cơ.

Trang 11

- Chiều dài trục đầu ra: 26mm / 1.02 inch

- Mô-men xoắn: 1kgf.cm

- Khối lượng: 460g

Hình 1 5 Hình ảnh thực tế đông cơ

Trang 12

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1 Tìm hiểu về cấu tạo và hoạt động:

1.1 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập:

Động cơ điện một chiều có cấu tạo hai phần riêng biệt: phần cảm bố trí ở phần tĩnh (stato), phần ứng (roto)

Hình 2 1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Cấu tạo bao gồm:

 Stator: có kết cấu là nam châm vĩnh cửu, hoặc nam châm điện

 Rotor: cấu tạo trục có quấn các cuộn dây tạo thành nam châm điện

 Cổ góp (commutator): tiếp xúc để truyền điện cho các cuộn dây trên rotor

Số điểm tiếp xúc tương ứng với số cuộn dây quấn trên Rotor

 Chổi than (brushes): tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp

 Một phần cũng khá quang trọng là bộ phận chỉnh lưu, nhiệm vụ chính của

nó là biến đổi dòng điện trong khi Rotor quay liên tục

 Trục động cơ: dùng để quay băng tải

GVHD: TS.Giáp Quang Huy 8

Trang 13

1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Nguyên lý làm việc: Khi đặt một điện áp vào phần úng của động cơ, trong dây quấn phần ứng có dòng điện được đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng tương hổ lên nhau tạo nên momen tác dụng lên rotor, làm rotor quay Khi rotor quay với tốc độ nhất định thì các thanh dẫn của dây quấn phần ứng sẽ cắt từ trường của phần cảm, theo định luật cảm ứng điện từ, trong khung dây

1.6 Các trạng thái hoạt động:

Các trạng thái hoạt động (khởi động, hãm liên quan đến đồ thị vận tốc trong chương trước, tìm hiểu sự liên quan với các trạng thái hoạt động dự kiến sẽ thiết kế cho động cơ như đã trình bày trong chương 1)

 Từ 0 đến 2s : Quá trình khởi động :

Trang 14

Khỏi động bằng cách cấp nguồn trực tiếp cho động cơ với các giá trị định mức và động

cơ số hoạt động trên đặc tính tự nhiên sau :

 Từ 2 đến 8s : Tốc độ hoạt động ổn định

Sau quá trình khỏi động, đến thời điểm momen điện từ do động cơ sinh ra bằng với momen cản

Suy ra : Động cơ hoạt động với tốc độ ổn định

 Từ 8 dến 12s : Quá trình đảo chiều động cơ

B → C :

Tại thời điểm 8s, điểm làm việc tai điểm A(lúc tốc độ ổn định không đổi)

MA

M

AB

C

Trang 15

Lúc này để đảo chiều động cơ ta đảo chiều điện áp cấp vào mạch phần ứng

Khi đảo chiều điện áp , tốc độ w chưa thay đổi ngay lập tức mà điểm làm việc sẽ chuyển sang đường đặc tính mới A → B :

Tại B

Vậy tốc độ động cơ sẽ giảm dần đến khi

Tại , momen do động cơ

Sinh ra lớn hon momen cản nên sẽ kéo động cơ đảo chiều quay

Để hãm dần tốc độ của động cơ, ta tiến hành đảo chiều điện áp, cấp cho phần ứng 1 điện

áp V , từ đó ta được một đường đặc tính cơ như ban đầu:a

Ngay khi đảo chiều điện áp, tốc độ chưa giảm ngay mà sẽ chuyển điểm làm việc sang đường đặc tính mới với

Tại E: sẽ giảm

Mà và

giảm

Tốc độ giảm dần về 0

Lúc này sẽ cắt điện áp phần ứng thì động cơ sẽ dừng lại

Trang 16

2 Lựa chọn phướng pháp điều khiển dự kiến và kết luận:

 Giai đoạn khởi động từ 0 đến 2s:

Ta sử dụng phương pháp Starting registors: Nối thêm các cấp điện trở phụ trong mạch phần ứng của động cơ và cắt dần ra trong quá trình khởi động

 Giai đoạn đảo chiều từ 8 đến 12s:

Ta sử dụng phương pháp đảo chiều điện áp phần ứng Va và thêm điện trở phụ

 Giai đoạn hãm dừng động cơ: Ta sử dụng phương pháp hãm ngược do

động năng

Trang 17

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

Sơ đồ tổng quát bộ điều khiển công suất:

Hình 3 1 Sơ đồ tổng quát bộ điều khiển

1 Mạch động lực

Hình 3 2 Sơ đồ mạch động lực

1.1 Khối biến áp:

Trang 18

Hình 3 3 Khối biến áp

Chuyển đổi điện áp của lưới điện xoay chiều 1 sang điện áp 2 thích hợp với tải � �Biến đổi số pha của nguồn lưới (1,2,3,6,12,… pha )

Cách ly với điện áp lưới

1.2 Khối van chỉnh lưu:

1.2.1 Cấu tạo

Gồm 2 (hai) bộ chỉnh lưu cầu ba pha dùng Thyristor đấu song song ngược

Từng bộ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu hoặc nghịch lưu phụ thuộc

Cả hai bộ biến đổi G và G đều nhận được xung mở tại mọi thời điểm.1 2

1.2.4 Điện áp và dòng chỉnh lưu

Số xung đập mạch

Trang 19

Trị trung bình của điện áp chỉnh lưu

Dòng trung bình qua tải:

Dòng điện qua thyristor:

1.3 Các phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu:

a Khái niệm chung:

Sơ đồ khâu phát ung – bộ điều khiển:

c.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos:

 Điện áp điều khiển Uc là điện áp một chiều

 Điện áp đồng bộ Udb là một đường cosin: Udb = Umcos �

 Điện áp so sánh uss = Uc - Udb

 Khi Uc = Udb uss = 0 là thời điểm so sánh tạo xung điều khiển ⇒

 Khi = thì Uc = Udb =Umcos � � �

 ⇒ Góc điều khiển � = arccos (��/�� )

Trang 20

 Điện áp chỉnh lưu: �� /Um = ×

d.Phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu cầu ba pha kép:

 Phương pháp điều khiển chung:

Từng bộ chỉnh lưu làm việc độc lập, trong khi đó bộ chỉnh lưu còn lại không làm việc Khi làm việc thì chỉ có một trong hai sơ đồ chỉnh lưu được cấp tín hiệu điều khiển và làmviệc còn sơ đồ kia thì nghỉ hoàn toàn

 Điều kiện điều khiển chung: để không có dòng ngắn mạch giữa 2 bộ chỉnh lưu thì phải thỏa:

Khi lựa chọn van ta dựa vào hai thông số cơ bản và quan trọng nhất là dòng điện qua van

và điện áp ngược lớn nhất mà van chịu được

Chỉnh lưu cầu 3 pha ta có:

Trang 21

 Trong tính toán ta phải tính sao cho Ud lớn nhất, cos� = 1.

 Điện áp ngược lên van:

� �� = � ��

U ngmax 6U2

6 5.1312.57( )V

�� : Điện áp trung bình chỉnh lưu

�2 : Điện áp nguồn xoay chiều

 Dòng điện làm việc của van:

1 0.577 0.5 0.2885( ) 3

hdv dm

I  I    A

�hdv : Dòng hiệu dụng qua van

�hdv : Hệ số hiệu dụng ứng với sơ đồ cầu 3 pha , �hdv =

2.2 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu:

2.2.1 Điện áp chỉnh lưu trên tải:

Trang 22

U dn0sụt áp trên dây nối

U baU r U xsụt áp trên điện trở và điện kháng MBA Chọn sơ bộ vào khoảng (5 – 10)%

: Hệ số công suất theo sơ đồ cầu 3 pha �� = 1,05

� ��: Công suất phụ tải lúc cực đại

Trong đó: k : hệ số phụ thuộc phương thức làm mát (kQ = 6 biến áp khô)Q

m: số pha của máy biến áp

f: tần số

2.2.5 Tính toán dây quấn biến áp:

Điện áp cuộn dây sơ cấp: �1 = 220 ( )�

Điện áp cuộn dây thứ cấp:

0

1.8

d u

U U K

U: điện áp cuộn dây cần tính

B: từ cảm (thường chọn trong khoảng 1T ÷ 1,8T) Chọn B = 1 (T)

 Số vòng dây cuộn sơ cấp:

4 1

220 10

26434,44 50 3.75 1

Trang 23

 Số vòng dây cuộn thứ cấp:

4 2

9.261 10

1114,44 50 3.75 1

 Dòng điện của các cuộn dây:

1 1

0.013( )3

8.49220



 Trong đó: I: dòng điện chạy qua cuộn dây

J: mật độ dòng điện trong biến áp, thường chọn 2 ÷ 2,75 ( 2

A

Chọn 2,75 2

A J

 Đường kính dây quấn cuộn sơ cấp:

1 1

0,09( mm)

Cu

S d

 Đường kính dây quấn cuộn thứ cấp:

2 2

0.44( mm)

Cu

S d

Định dạng
Số trang	42
Dung lượng	7,03 MB