PBL2: Tổng hợp hệ truyền động điện

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN  ĐỒ ÁN LIÊN MÔN 2 PBL2 TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Hướng dẫn.

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN



ĐỒ ÁN LIÊN MÔN 2 PBL2: TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Hướng dẫn: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

Trợ giảng: HUỲNH QUỐC HÙNG

Nhóm thực hiện: NHÓM 3

Thành viên: NGUYỄN VĂN PHỤC

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN YÊU CẦU CỦA

TẢI VÀ TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 10

1.1 Tổng quan về hệ thống: 10

1.1.1 Giới thiệu yêu cầu đề tài, mô tả bài toán của đề tài: 10

1.1.2 Xây dựng sơ đồ tổng quát hệ truyền động điện: 11

1.2 Tính toán yêu cầu của tải: 13

1.2.1 Tính toán các thông số yêu cầu của tải: 13

1.2.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập: 17

1.2.3 Phân tích chọn phương án truyền động cho động cơ: 18

1.3 Tính chọn công suất động cơ: 21

1.3.1 Tính chọn động cơ: 21

1.3.2 Kiểm nghiệm các thông số điện cơ của động cơ: 23

1.3.3 Kiểm nghiệm động cơ bằng mô phỏng MATLAB / SIMULINK: 26

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 30

2.1 Tính chọn bộ biến đổi công suất: 30

2.1.1 Phân tích chọn bộ biến đổi công suất: 30

2.1.2 Tổng quan về bộ chỉnh lưu kép 3 pha: 30

2.1.3 Tính chọn linh kiện cho bộ biến đổi: 34

2.1.4 Tính toán chọn thiết bị bảo vệ cho mạch động lực: 35

2.2 Thiết kế mạch điều khiển phát xung: 36

2.2.1 Yêu cầu chung đối với mạch điều khiển: 36

2.2.2 Cấu trúc mạch điều khiển: 37

2.3 Mô phỏng bộ biến đổi công suất: 40

CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN PHẦN ĐO LƯỜNG, BỘ ĐIỀU KHIỂN, VÀ HOÀN THIỆN SƠ ĐỒ MẠCH PHẦN CỨNG TOÀN HỆ THỐNG 44

3.1 Tính chọn phần đo lường: 44

3.1.1 Tính chọn các cảm biến: 44

ACS712 30A 44

N3806-AB-400N 46

3.2 Tính chọn vi điều khiển: 47

3.3 Phân tích nguyên lí hoạt động của toàn hệ thống: 51

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, TỔNG HỢP PHẦN ĐIỀU KHIỂN 52

4.1 Xây dựng mô hình toán học của hệ truyền động điện: 52

4.1.1 Mô hình toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập: 52

4.1.2 Mô hình toán học của bộ chỉnh lưu kép: 54

4.1.3 Mô hình toán học của cảm biến: 56

4.1.4 Mô hình hóa hệ thống truyền động điện: 56

4.2 Tổng hợp mạch vòng hệ thống truyền động điện: 57

4.2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện: 57

4.2.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ: 59

4.3 Lập trình thuật toán điều khiển cho vi điều khiển: 61

4.3.1 Lưu đồ thuật toán: 61

4.3.2 Chương trình lập trình cho Arduino Uno: 61

4.3.3 Kiểm nghiệm chương trình lập trình cho Arduino Mega 2560: 64

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 68

5.1 Mô phỏng toàn hệ thống trên phần mềm MATLAB / SIMULINK: 68

5.1.1 Phân tích phần điều khiển: 69

5.1.2 Kết quả mô phỏng: 71

5.2 Đánh giá chất lượng hệ thống: 74

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Tải chuyển động tịnh tiến Hình 1 2 Đồ thị tốc độ mong muốn 10

Hình 1 3 Sơ đồ tổng quát của hệ truyền động điện 11

Hình 1 4 Sơ đồ tổng quát khối động lực 11

Hình 1 5 Sơ đồ tổng quát khối điều khiển 12

Hình 1 6 Đồ thị tốc độ góc mong muốn 13

Hình 1 7 Đồ thị tổng hợp tốc độ, mô men, công suất yêu cầu của tải 16

Hình 1 8 Đồ thị trạng thái hoạt động của động cơ 18

Hình 1 10 Đồ thị mô tả khởi động mềm 19

Hình 1 13 Sơ đồ mạch điện và đồ thị đặc tính cơ – điện của hãm động năng 20

Hình 1 14 Sơ đồ mạch thay đổi điện áp phần ứng và sơ đồ thay thế 20

Hình 1 15 Đồ thị đặc tính cơ – điện khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ 21

Hình 1 18 Động cơ điện một chiều ZD37 22

Hình 1 19 Hộp giảm tốc WPDS 23

Hình 1 20 Đồ thị khiểm nghiệm mô men điện từ của động cơ khi có hộp số 25

Hình 1 21 Đồ thị khiểm nghiệm công suất của động cơ khi có hộp số 26

Hình 1 22 Sơ đồ mô phỏng hoạt động động cơ 26

Hình 1 23 Đồ thị tốc độ theo thời gian với điện áp 220VDC 27

Hình 1 24 Đồ thị điện áp, dòng điện phần ứng với điện áp 220VDC 27

Hình 1 25 Đồ thị mô men theo thời gian với điện áp 220VDC 27

Hình 1 26 Đồ thị tốc độ theo thời gian với điện áp 110VDC 28

Hình 1 27 Đồ thị điện áp, dòng điện phần ứng với điện áp 110VDC 28

Hình 1 28 Đồ thị mô men theo thời gian với điện áp 110VDC 28

Hình 2 1 Sơ đồ mạch chỉnh lưu kép 3 pha 30

Hình 2 2 Sơ đồ mô tả chỉnh lưu kép 30

Hình 2 3 Các trạng thái hoạt động của bộ chỉnh lưu kép 31

Hình 2 4 Sơ đồ nguyên lí mạch chỉnh lưu cầu 3 pha 31

Hình 2 5 Đồ thị xung kích các van 31

Hình 2 6 Thyristor T22-10-07 34

Hình 2 7 Aptomat Schneider – EZ9F34306 35

Hình 2 8 Mạch bảo vệ quá áp trong cho van công suất 36

Hình 2 9 Sơ đồ chi tiết mạch động lực 36

Hình 2 10 Đồ thị mô tả phương pháp PWM và các dạng xung kích thyristor 37

Hình 2 11 Sơ đồ mạch phát xung 37

Hình 2 12 Opto quang P817 38

Hình 2 13 Sơ đồ mạch đồng bộ 38

Hình 2 14 Sơ đồ mô phỏng mạch đồng bộ 39

Hình 2 15 Kết quả mô phỏng 39

Hình 2 16 Sơ đồ mô phỏng bộ biến đổi công suất 40

Hình 2 17 Đồ thị dòng điện theo thời gian ở lần mô phỏng 1 41

Hình 2 18 Đồ thị điện áp theo thời gian ở lần mô phỏng 1 41

Hình 2 19 Đồ thị dòng điện theo thời gian ở lần mô phỏng 2 42

Hình 2 20 Đồ thị điện áp theo thời gian ở lần mô phỏng 2 42

Hình 2 21 Đồ thị dòng điện khi mô phỏng đảo chiều 42

Hình 2 22 Đồ thị điện áp khi mô phỏng đảo chiều 42

Hình 3 1 Cảm biến dòng ACS712 30A 44

Hình 3 2 Sơ đồ đấu nối cảm biến dòng 45

Hình 3 3 Encoder N3806-AB-400N 46

Hình 3 4 Sơ đồ đối nối encoder 46

Hình 3 6 Sơ đồ chức năng của các chân trên board Arduino Mega 48

Hình 3 7 Sơ đồ chi tiết mạch phần cứng của hệ truyền động điện 49

Hình 4 1 Mô hình tổng quát hệ truyền động điện 52

Hình 4 2 Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống 52

Hình 4 3 Sơ đồ cấu trúc động cơ 53

Hình 4 4 Hàm truyền động cơ 54

Hình 4 5 Phương pháp điều khiển arccos 55

MHình 4 6 Mô hình toán học của bộ biến đổi 55

Hình 4 7 Tổng hợp mô hình toán học của hệ thống 56

Hình 4 8 Sơ đồ mạch vòng dòng điện 57

Hình 4 9 Hàm truyền mạch vòng dòng điện của hệ thống 59

Hình 4 10 Sơ đồ mạch vòng tốc độ của hệ thống 59

Hình 4 11 Hàm truyền của hệ thống 60

Hình 4 12 Lưu đồ thuật toán điều khiển của hệ thống 61

Hình 4.13 Công cụ vẽ đồ thị Serial Plotter 64

Hình 4 14 Đồ thị khởi tạo giá trị tốc độ mong muốn trong chương trình 64

Hình 4 15 Sơ đồ mô phỏng bằng Proteus 65

Hình 4 17 IC cảm biến dòng ACS712 trong Proteus 65

Hình 4 18 Công cụ VIRTUAL TERMINAL trong Proteus 65

Hình 4 19 Mô phỏng đọc encoder và cảm biến dòng khi động quay thuận 66

Hình 4 20 Mô phỏng đọc encoder và cảm biến dòng khi động quay nghịch 66

Hình 5 1 Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống 68

Hình 5 2 Nhập vào giá trị tải 68

Hình 5 3 Sơ đồ mô phỏng phần điều khiển 69

Hình 5 4 Nhập tốc độ mong muốn vào khối Deisired speed 69

Hình 5 5 Phản hồi tốc độ 70

Hình 5 6 Sơ đồ mô phỏng khối thuật toán điều khiển 70

Hình 5 7 Đồ thị điện áp sau chỉnh lưu 71

Hình 5 8 Đồ thị tốc độ mong muốn: 71

Hình 5 9 Đồ thị tốc độ theo thời gian 72

Hình 5 10 Đồ thị so sánh tốc độ động cơ và tốc độ mong muốn 72

Hình 5 11 Đồ thị dòng điện đặt vào mạch vòng dòng điện 72

Hình 5 12 Đồ thị dòng điện phần ứng theo thời gian 73

Hình 5 13 Đồ thị so sánh dòng điện phần ứng và dòng điện mạch vòng 73

Hình 5 14 Đồ thị mô men động cơ 73

Hình 5 15 Đồ thị mối quan hệ dòng điện và momen thực của động cơ 74

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tốc độ mong muốn theo thời gian 13

Bảng 1 2 Giá trị mô men điện từ yêu cầu của tải theo thời gian 14

Bảng 1 3 Công suất tức thời yêu cầu của tải theo thời gian 15

Bảng 1 4 Thông số điện của động cơ 22

Bảng 1 5 Thông số kích thước của động cơ 22

Bảng 1 6 Thông số hộp giảm tốc 22

Bảng 1 7 Mô men điện từ yêu cầu của tải sau khi chọn động cơ và hộp số 23

Bảng 1 8 Công suất yêu cầu của tải sau khi đã chọn động cơ và hộp số 23

Bảng 1 9 Thông số các thiết bị 29

Bảng 2 1 Thông sô của Thyristor T22-10-07 34

Bảng 2 2 Thông số Aptomat LS MCB 3P 35

Bảng 2 3 Thông số của P817 38

Bảng 3 1 Thông số của cảm biến dòng ACS712 30A 44

Bảng 3 2 Thông số của Encoder N3806-AB-400N 46

Bảng 3 3 Thông số của Arduino Uno 47

Bảng 3 4 Các tham số phần cứng đã chọn 50

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của nền khoa học kỹ thuật đã tạo ra những thành tựu to lớn, trong đó ngành tự động hóa cũng góp phần không nhỏ vào thành công đó Một trong những vấn đề quan trọng trong các dây truyền tự động hoá sản xuất hiện đại là việc điều chỉnh tốc độ động cơ Động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp sản xuất hiện đại và trong nhiều lỉnh vực đời sống không thể thiếu các động cơ điện,vì vậy các loại động cơ điện được chế tạo ngày càng hoàn thiện hơn Từ trước đến nay, động cơ một chiều vẫn luôn là loại động cơ được sử dụng rộng rãi kể cả trong những

hệ thống yêu cầu cao

Với Đồ án Tổng hợp hệ thống truyền động điện đề tài: “Thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lâp” đã giúp chúng em hiểu

rõ hơn về động cơ điện một chiều kích từ độc lập, cũng như những ứng dụng thực tế của nó trong đời sống hiện nay Với đề tài này, giúp em thấy được sự cần thiết của đông cơ điện trong cuộc sống hiện tại, những phương pháp lựa chọn động cơ, tính toán tải … nhằm xây dựng một hệ thống điều khiển đảm bảo tính tin cậy, chính xác, đảm bảo các vấn đề kinh tế, kỹ thuật

Với đề tài trên bài báo cáo của em gồm các phần chính sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống, tính toán yêu cầu của tải và tính chọn công suất động cơ

Chương 2: Tính toán mạch điện tử công suất

Chương 3: Tính chọn phần đo lường, bộ điều khiển và hoàn thiện sơ đồ mạch phần cứng toàn hệ thống

Chương 4: Thiết kế, tổng hợp phần điều khiển

Chương 5: Mô phỏng đánh giá kết quả

Việc hoàn thành đề tài này không tránh được những sai lầm thiếu sót Em rất mong được nhận sự phê bình, đánh giá của các Thầy Cô để chúng em có thể rút ra được kinh nghiệm và cũng nhằm bổ sung kiến thức cho mình

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đề tài, nhóm chúng em đã nhận được sự giúp đỡ của các Thầy Cô trong ban dạy bộ môn PBL2, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình từ Thầy Lê Tiến Dũng, Thầy Giáp Quang Huy, Cô Trương Thị Bích Thanh và Thầy Ngô Đình Thanh để nhóm chúng em có thể hoàn thành đề tài này Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Ngoài ra chúng em cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến anh Huỳnh Quốc Hùng – trợ giảng chính cho đồ án liên môn này cũng như các bạn trong Khoa, trong Trường đã giúp em hoàn thành đồ án môn học này

Đà nẵng, ngày 26 tháng 12 năm 2021

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Ren (NT)

Phan Minh Thuận

Nguyễn Văn Phục Nguyễn Lương Tài Nguyễn Thanh Tẩn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN YÊU CẦU CỦA TẢI VÀ TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT

ĐỘNG CƠ

1.1 Tổng quan về hệ thống:

1.1.1 Giới thiệu yêu cầu đề tài, mô tả bài toán của đề tài:

Dự án này yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ hệ thống

truyền động sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập với tải chuyển động tịnh tiến

Yêu cầu hệ truyền động: điều khiển băng tải để vật có khối lượng M chuyển

động tịnh tiến (mô tả như Hình 1.1) với tốc độ mong muốn (mô tả như Hình 1.2) Cụ

thể trong đề tài này ta chọn tải là vật có khối lượng 120 kg Nguồn cấp cho hệ thống

là nguồn xoay chiều 3 pha 220/380V

- 𝑇𝑒𝑚 : Mô men điện từ của động cơ

- u : Tốc độ mong muốn của tải

- 𝑓𝐿 : Ngoại lực

Theo yêu cầu ta có tải ở dạng băng tải, để đáp ứng yêu cầu thì trục rotor của động cơ cần phải quay với tốc độ mong muốn và truyền động cho băng tải

Từ đồ thị tốc độ mong muốn của tải được mô tả ở Hình 1.2 ta xác định được

các giai đoạn hoạt động của động cơ như sau:

- Khởi động, tăng tốc lên tốc độ mong muốn

- Hoạt động ổn định ở tốc độ mong muốn

- Hãm dừng, giảm tốc độ về 0

- Đảo chiều và tăng tốc lên theo chiều ngược lại

- Hoạt động ổn định ở tốc độ mong muốn

- Hãm dừng, giảm tốc độ về 0

1.1.2 Xây dựng sơ đồ tổng quát hệ truyền động điện:

Từ yêu cầu chuyển động của tải ta đưa ra được mối quan hệ giữa các bộ phận của hệ truyền động:

- Tải chuyển động tịnh tiến được truyền động từ trục Rotor của động cơ

- Để động cơ hoạt động cần cấp một nguồn điện phù hợp với các thông số định mức động cơ → cần có bộ biến đổi công suất

- Để giám sát tốc độ động cơ cần phải có các cảm biến đo được các tín hiệu cần dùng → cần có các cảm biến dòng, cảm biến tốc độ

- Từ các giá trị cảm biến thu được và giá trị mong muốn hệ truyền động đáp

ứng, ta sẽ tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển cho động cơ → cần có bộ

điều khiển

Từ các phân tích trên ta đưa ra sơ đồ tổng quát của hệ truyền động điện:

Hình 1 3 Sơ đồ tổng quát của hệ truyền động điện

Từ sơ đồ tổng quát hệ truyện động ta sẽ đi phân tích chức năng của từng khối

để rõ hơn nguyên lí hoạt động của hệ truyện động:

❖ Khối động lực:

Ta có sơ đồ tổng quát khối động lực như Hình 1.4, khối động lực gồm có các

phần chính là bộ biến đổi công suất, động cơ điện, hộp số và băng tải như hình vẽ Dưới đây là mô tả và chức năng của từ phần trong khối động lực:

- Bộ biến đổi công suất: Các bộ biến đổi thường dùng trong các hệ truyền động điện hiện đại là các bộ biến đổi điện tử công suất như bộ chỉnh lưu, bộ băm điện áp, bộ điều áp xoay chiều, bộ biến tần Cụ thể ở đề tài này bộ công suất có nhiệm vụ biến đổi từ nguồn điện xoay chiều 3 pha cố định đã cho sang nguồn điện phù hợp cấp cho động cơ

- Động cơ: Sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập để truyền động cho tải Trục Rotor của động cơ có chức năng truyền động trực tiếp cho pulley băng chuyền

- Trong trường hợp chọn động cơ không đủ tải ta sẽ sử dụng hộp số để tăng momen của động cơ lên cho phù hợp với tải

- Băng tải: Pulley chuyển động quay và truyền động cho tải M chuyển động tịnh tiến thông qua băng tải

❖ Khối điều khiển:

Hình 1 5 Sơ đồ tổng quát khối điều khiển

Ta có sơ đồ tổng quát khối điều khiển như Hình 1.5, khối điều khiển có chức

năng giám sát, tính toán và đưa ra các giá trị điều khiển cho phần động lực để kết quả đầu ra bám sát yêu cầu mong muốn Dưới đây là mô tả và chức năng của từng phần trong khối điều khiển:

- Bộ cảm biến có chức năng đo và phản hồi các giá trị tốc độ góc và dòng điện của động cơ về bộ điều khiển

- Bộ điều khiển được lập trình các thuật toán điều khiển truyền động và điều chỉnh quá trình công nghệ Từ các thông tin phản hồi cùng với giá trị đặt mong muốn ở đầu vào, các thuật toán điều khiển thực hiện tính toán và đưa

ra các giá trị điều khiển cần thiết để điều khiển tốc độ thực của động cơ bám theo giá trị đặt mong muốn

1.2 Tính toán yêu cầu của tải:

Từ mô tả bài toán ta đi tính toán các thông số yêu cầu của tải, tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập và phân tích, đưa ra phương án truyền động cho động cơ

1.2.1 Tính toán các thông số yêu cầu của tải:

- Ta chọn các thông số mong muốn của tải:

 Khối lương tải: M = 120kg

 Bán kính Pulley: r = 0.15m

 Giả sử bỏ qua ma sát ổ trục và lực cản không khí

- Từ đồ thị tốc độ mong muốn được mô tả ở Hình 1.2 ta đi tính tốc độ góc 𝜔𝑚tương ứng theo từng mốc thời gian thông qua biểu thức:

𝜔𝑚 = 𝑢

𝑟

- Ta biểu diễn kết quả tính toán ở bảng sau:

Bảng 1.1 Tốc độ mong muốn theo thời gian

❖ Dựa vào đồ thị Hình 1.6 ta xác định được quá trình hoạt động động cơ:

- Quán trình tải chạy tới:

 Từ 0 đến 1s: tốc độ quay (𝝎𝒎) của động cơ tăng từ 𝟎 rad/s đến 𝟑𝟑 𝟑 rad/s

 Từ 1 đến 3s: động cơ hoạt động ổn định với tốc độ quay 𝝎𝒎 =

𝟑𝟑 𝟑 rad/s

 Từ 3 đến 3.5s: tốc độ quay của động cơ giảm về 𝝎𝒎 = 𝟎 rad/s

- Quán trình tải chạy lùi:

 Từ 3.5 đến 4s: động cơ đảo chiều, độ lớn tốc độ quay của tăng dần lên

𝝎𝒎 =𝟑𝟑 𝟑 rad/s

 Từ 4 đến 6s: động cơ hoạt động ổn định với độ lớn tốc độ quay 𝜔𝑚 =

33.3 rad/s

 Từ 6 đến 7s: tốc độ quay của động cơ giảm về 𝜔𝑚 = 0 rad/s và dừng

❖ Áp dụng định luật II Newton để đưa ra phương trình cân bằng của hệ:

- Theo định luật II Newton ta có:

- Từ các kết quả tính toán của mô men điện từ ta tính được công suất tức thời cần đáp ứng của tải thông qua biểu thức:

𝑃 = 𝑇𝑒𝑚𝜔𝑚

- Ta biểu diễn kết quả tính toán ở Bảng 1.3:

Bảng 1 3 Công suất tức thời yêu cầu của tải theo thời gian

- Từ hai Bảng 1.2 và Bảng 1.3 ta có được giá trị mô men cực đại và giá

trị công suất cực đại yêu cầu của tải:

Hình 1 7 Đồ thị tổng hợp tốc độ, mô men, công suất yêu cầu của tải

❖ Tiếp theo ta đi tính mô men đẳng trị 𝑇đ𝑡 và công suất đẳng trị 𝑃đ𝑡:

1.2.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

❖ Giới thiệu động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

- Khái niệm:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập là một động cơ trong đó phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ Từ thông chính được sinh ra bởi nguồn điện kích từ độc lập Dòng điện chạy qua cuộn dây phần ứng từ nguồn điện phần ứng làm cho phần ứng hoạt động như một nam châm

- Cấu tạo:

Những phần chính của động cơ điện một chiều gồm stator (phần cảm) và rotor (phần ứng) Stator là một nam châm điện được cấp điện từ nguồn điện một chiều, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều tạo ra dòng điện đặt trong từ trường, Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ

- 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 sinh ra sức điện động cảm ứng

❖ Mô hình toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

- Phương trình điện áp mạch phần ứng:

 𝑉 = 𝑒 (𝑡) + 𝑅 𝑖 (𝑡) + 𝐿 𝑑𝑖𝑎(𝑡)

(1.6)

(1.7)

- Suất điện động cảm ứng trong rotor:

1.2.3 Phân tích chọn phương án truyền động cho động cơ:

Sau khi tính toán mô men và tốc độ cần đáp ứng của động cơ ta xác định được các trạng thái hoạt động của động cơ:

Hình 1 8 Đồ thị trạng thái hoạt động của động cơ

Từ đồ thị biểu diễn các trạng thái hoạt động của động cơ Hình 1.8 và đồ thị tốc độ mong muốn Hình 1.6 ta xác định được các trạng thái hoạt động của động cơ ở

từng giai đoạn cụ thể:

- Từ 0 đến 3s: Động cơ hoạt động ở góc phần tư thứ I (chế độ động cơ)

- Từ 3 đến 3.5s: Động cơ hoạt động ở góc phần tư thứ II (chế độ máy phát)

- Từ 3.5 đến 4s: Động cơ hoạt động ở góc phần tư thứ III (chế độ động cơ)

- Từ 4 đến 7s: Động cơ hoạt động ở góc phần tư thứ IV (chế độ máy phát)

Ta suy ra được các trạng thái hoạt động của động cơ:

1.2.3.2 Chọn phương án khởi động động cơ:

khởi động mềm là sử dụng bộ biên đổi điện tử để điều chỉnh trơn điện áp phần ứng Va của động cơ, tăng dần từ một giá trị ban đầu Va Điện áp phần ứng được lập trình và cho phép đặt tham số để tăng theo quy luật tuyến tính/phi tuyến từ một giá trị được xác định đến một điện áp có định mức

Hình 1 9 Đồ thị mô tả khởi động mềm

- Phương trình đặt trưng khi đảo chiều:

 𝐼𝑎,đ𝑐 =−𝑉𝑎,đ𝑚−𝐾𝑒𝜙đ𝑚

2

𝑅𝑎 (đảo chiều điện áp phần ứng)

❖ Kết luận: Để tối ưu phần cứng cũng như giảm chi phí cho hệ thống, trong đề tài này ta chọn đảo chiều động cơ điện kích từ độc lập bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng

- Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động cơ đã tích lũy được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng, tạo ra mômen hãm

- Ta xét trường hợp hãm động năng kích từ độc lập:

 Khi động cơ đang quay muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích từ vẫn nối với nguồn như cũ

 Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị 𝜔ℎđ nên:

𝐸ℎđ = 𝐾𝑒𝜙𝜔ℎđ

(1.14)

(1.15)

(1.17)

 Và dòng điện hãm ban đầu, mô-men hãm ban đầu:

𝐼ℎđ =−𝐾𝑒𝜙𝜔ℎđ

𝑅𝑎 + 𝑅ℎ < 0

𝑀ℎđ = 𝐾𝑀𝜙𝐼ℎđ < 0

Hình 1 10 Sơ đồ mạch điện và đồ thị đặc tính cơ – điện của hãm động năng

- Khi hãm động năng kích từ độc lập tiêu thụ ít năng lượng từ lưới Năng lượng chủ yếu được tạo do động năng của động cơ tích được trong quá trình làm việc

❖ Phương pháp điều chỉnh điện áp cho phần ứng động cơ:

Hình 1 11 Sơ đồ mạch thay đổi điện áp phần ứng và sơ đồ thay thế

- Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển v.v… Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk

- Chúng ta có phương trình đặc tính cơ của hệ truyền động điện một chiều điều chỉnh điện áp phần ứng khi từ thông giữ không đổi và bằng định mức:

𝜔 = − 𝐸𝑏

𝐾𝑒𝜙 −

𝑅𝑎 + 𝑅𝑏

- Sự khác nhau giữa đặc tính cơ của động cơ và đặc tính cơ của hệ truyền động điện là độ sụt tốc độ  của hệ truyền động lớn hơn do sự xuất hiện điện trở trong Rb của bộ biến đổi

Hình 1 12 Đồ thị đặc tính cơ – điện khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ

- Khi điều chỉnh giá trị điện áp Uđk ta nhận được các giá trị 𝐸𝑏 khác nhau và được họ đặc tính cơ song song với các giá trị 0 (ứng với 𝐸𝑏 ) khác nhau Ta nhận thấy khi điều chỉnh điện áp phần ứng công suất động cơ tăng tuyến tính với tốc độ còn khả năng sinh mô men của động cơ không đổi

1.3 Tính chọn công suất động cơ:

1.3.1 Tính chọn động cơ:

❖ Sau khi tính toán các thông số yêu cầu của tải ở mục 1.2.1 ta có thể tính toán

và đưa ra các thông số định mức cho động cơ:

- Với các giá trị đẳng trị của momen và công suất đã tính, ta phải lựa chọn động cơ sao cho:

❖ Sau khi có các thông số định mức yêu cầu của động cơ ta đi chọn động cơ cụ thể:

- Dựa vào thông số định mức yêu cầu, ta chọn động cơ DZ37 và hộp giảm tốc WPDS với tỉ số truyền 1 ÷ 5

 Động cơ DZ37 có các thông số cụ thể như sau:

Bảng 1 4 Thông số điện của động cơ

Điện áp (VDC) Momen định

mức (N.m)

Momen cực đại (N.m)

Phạm vi tốc

độ (rpm)

Phần ứng

Kích

từ

Bảng 1 5 Thông số kích thước của động cơ

175 50 220 155 36 195 85 125 12 444 506 62 51 28 7 4 8 218

Hình 1 13 Động cơ điện một chiều ZD37

 Hộp giảm tốc WPDS có các thông số cụ thể như sau:

Bảng 1 6 Thông số hộp giảm tốc

Loại Tỉ số truyền Đường kính

trục vào (mm)

Rãnh cavet (mm)

Mô men quán tính (𝐊𝐠𝐦𝟐)

Hình 1 14 Hộp giảm tốc WPDS

1.3.2 Kiểm nghiệm các thông số điện cơ của động cơ:

 Với 𝐽𝑚 = 0.05 Kg𝑚2 lấy từ datasheet của hộp giảm tốc đã chọn

- Momen điện từ yêu cầu của tải sau khi đã chọn động cơ và hộp số:

Bảng 1 7 Mô men điện từ yêu cầu của tải sau khi chọn động cơ và hộp số.

1.3.2.2 Tính toán các thông số trên đầu trục ra hộp số:

- Mối quan hệ của các thông số của động cơ trước và sau khi qua hộp số được

biểu diễn bởi công thức sau:

 𝑛1𝑚𝑎𝑥 : Tốc độ cực đại của động cơ

 𝑛2𝑚𝑎𝑥 : Tốc độ cực đại trên đầu trục ra của hộp số

 𝑇1đ𝑚 : Mô men định mức của động cơ

 𝑇2đ𝑚 : Mô men định mức trên đầu trục ra của hộp số

 𝑇1𝑚𝑎𝑥 : Mô men cực đại của động cơ

 𝑇2𝑚𝑎𝑥 : Mô men cực đại trên đầu trục ra của hộp số

❖ Để so sánh các thông số trên đầu trục ra của hộp số và yêu cầu của tải ta so

sánh những đại lượng sau:

- Tốc độ cực đại mong muốn và tốc độ cực đại trên đầu trục ra của hôp số:

 𝑛2𝑚𝑎𝑥(360 vòng/phút) > 𝑛𝑚𝑎𝑥(318 vòng/phút)

- Mô men đẳng trị yêu cầu của tải và mô men định mức trên đầu trục ra của hộp số:

(1.23)

- Công suất đẳng trị yêu cầu của tải và công suất định mức của động cơ:

Hình 1 16 Đồ thị khiểm nghiệm công suất của động cơ khi có hộp số

❖ Kết luận:

- Từ hai đồ thị hình 2.9 và hình 2.10 ta thấy rằng mô men điện từ, công suất động cơ vượt quá giá trị định mức trong khoảng từ t = 3s đến t = 4s, tuy nhiên vẫn nằm trong khoảng giá trị cực đại nên sẽ không ảnh hưởng đến động cơ

- Qua so sánh và biễu diễn các thông số lên đồ thị ta kết luận động cơ và hộp

số đã chọn đạt yêu cầu của tài

1.3.3 Kiểm nghiệm động cơ bằng mô phỏng MATLAB / SIMULINK:

❖ Ta kiểm nghiệm việc cấp nguồn cho động cơ để hoạt động được với tải bằng cách thay đổi thông số nguồn cấp trực tiếp cho động cơ và thay đổi sơ đồ mạch điện

- Biểu diễn trên đồ thị các kết quả kiểm nghiệm về tín hiệu dòng điện, điện

áp, mô-men, tốc độ quay, từ thông, Phân tích các kết quả đáp ứng, kiểm nghiệm và hiệu chỉnh lại động cơ, tải

- Sơ đồ mô phỏng động cơ DC:

Hình 1 17 Sơ đồ mô phỏng hoạt động động cơ

- Ta kiểm nghiệm hoạt động của động cơ ở hai mức điện áp là 220VDC và 110VDC

- Vì có sửa dụng hộp số nên ta cần dùng khối Gain để tính toán tỉ số truyền động

- Dùng các khối To Workspace để xuất các đồ thị ra cửa sổ Workspace

❖ Kết quả mô phỏng:

- Với điện áp 220VDC:

Hình 1 18 Đồ thị tốc độ theo thời gian với điện áp 220VDC

Hình 1 19 Đồ thị điện áp, dòng điện phần ứng với điện áp 220VDC

Hình 1 20 Đồ thị mô men theo thời gian với điện áp 220VDC

- Với điện áp 110VDC:

Hình 1 21 Đồ thị tốc độ theo thời gian với điện áp 110VDC

Hình 1 22 Đồ thị điện áp, dòng điện phần ứng với điện áp 110VDC

Hình 1 23 Đồ thị mô men theo thời gian với điện áp 110VDC

- Tại t = 3s ta thực hiện đảo chiều động cơ bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng ở cả hai trường hợp Ta thấy tốc độ đổi chiều, dòng điện và mô men tăng cao và dần về hoạt động ở mức ổn định

- Ta thấy khi giảm điện áp phần ứng (220V => 110V) thì các thông số tốc độ quay, dòng điện phần ứng và mô men điện từ của động cơ cũng giảm theo

❖ Kết thúc phần tính chọn công suất động cơ ta có bảng thông số động cơ và tải cuối cùng:

Bảng 1 9 Thông số các thiết bị

Yêu cầu của tải

Mô men điện từ định mức 108.212 N.m

Tốc độ cực đại mong muốn 318 Vòng/phút

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 2.1 Tính chọn bộ biến đổi công suất:

2.1.1 Phân tích chọn bộ biến đổi công suất:

❖ Yêu cầu của bộ biến đổi công suất:

- Sau khi phân tích chọn các phương án truyền động cho động cơ ở mục 1.2.3

ta đưa ra các yêu cầu cho bộ biến đổi công suất như sau:

 Hoạt động với điện áp nguồn xoay chiều 3 pha 220/380V

 Đáp ứng đủ tải động cơ

 Có thể điều khiển động cơ hoạt động ở cả 4 góc phần tư

 Có thể điều chỉnh được điện áp cấp cho động cơ để phục vụ các nhiệm

vụ khởi động, tăng tốc, hãm và đảo chiều

- Từ các yêu cầu trên ta chọn bộ biến đổi công suất là bộ chỉnh lưu kép ba pha:

- Ta có sơ đồ mạch chỉnh lưu kép 3 pha như sau:

Hình 2 1 Sơ đồ mạch chỉnh lưu kép 3 pha

2.1.2 Tổng quan về bộ chỉnh lưu kép 3 pha:

❖ Cấu tạo: gồm hai bộ chỉnh lưu cầu 3 pha mắc song song ngược

Hình 2 2 Sơ đồ mô tả chỉnh lưu kép

❖ Chức năng: bộ chỉnh lưu kép có khả năng điều khiển dòng điện đi qua tải theo cả hai chiều, bao gồm hai bộ chỉnh lưu đơn ghép lại Bộ chỉnh lưu I điều khiển dòng điện qua tải theo chiều dương và bộ chỉnh lưu II điều khiển dòng qua tải theo chiều âm

Hình 2 3 Các trạng thái hoạt động của bộ chỉnh lưu kép

❖ Nguyên lí hoạt động của chỉnh lưu cầu 3 pha:

Hình 2 4 Sơ đồ nguyên lí mạch chỉnh lưu cầu 3 pha

- udA chỉ phụ thuộc vào góc kích đóng của nhóm linh kiện anode (V1, V3, V5) và điện áp nguồn, không phụ thuộc trạng thái kích của các thyristor nhóm cathode Tương tự với udK

lại để đảm bảo dòng liên tục

 Hai xung kích liên tiếp cách

❖ Điện áp và dòng điện chỉnh lưu:

6+𝛼

=3√3𝑈𝑚2𝜋 cos(𝛼) +𝑈𝑑𝐴 = 1

❖ Phương pháp điều khiển: có hai phương phải điều khiển bộ chỉnh lưu kép 3 pha là điều khiển riêng và điều khiển chung:

- Điều khiển riêng:

 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 làm việc còn sơ đồ kia thì nghỉ hoàn toàn

- Điều khiển chung:

 Tín hiều điều khiển được truyền đến cả hai sơ đồ chỉnh lưu

 Điều kiện để không có dòng ngắn mạch:

• 𝑈𝑑𝐼 + 𝑈𝑑𝐼𝐼 ≤ 0

• 𝑈𝑑0(𝑐𝑜𝑠𝛼𝐼 + 𝑐𝑜𝑠𝛼𝐼𝐼) ≤ 0

• (𝛼𝐼 + 𝛼𝐼𝐼) ≥ 𝜋

 Điều khiển phối hợp tuyến tính: 𝛼𝐼 + 𝛼𝐼𝐼 = 𝜋

• Bộ chỉnh lưu I được điều khiển với góc 𝛼𝐼 <𝜋

2 sẽ làm việc ở chế độ chỉnh lưu

• Bộ chỉnh lưu II được điều khiển với góc 𝛼𝐼𝐼 >𝜋

2 sẽ ở chế độ chờ

- So sánh hai phương pháp điều khiển:

- Có tốc độ tác động nhanh

- Xuất hiện dòng điện cân bằng

→ phải tăng kích thướng bộ biến đôi (do có cuộn kháng cân bằng), tăng công suất tính toán của máy biến áp để bù tonor thất dòng cân bằng

- Không có dòng tuần hoàn qua

bộ chỉnh lưu, không cần dùng cuộn kháng cân bằng

- Xuất hiện dòng dáng đoạn khi đảo chiều (vì phải đảm bảo bộ chỉnh lưu làm việc ở giai đoạn trước đã khóa một cách chắc chắn khi đảo dòng)

- Từ các phân tích trên ta chọn phương pháp điều cho bộ chỉnh lưu kép 3 pha là phương pháp điều khiển phối hợp tuyến tính

2.1.3 Tính chọn linh kiện cho bộ biến đổi:

❖ Với điện áp nguồn là điện xoay chiều 3 pha 220/380V ta đi tính toán các thông số định mức của Thyristors:

- Điện áp trung bình ra sau bộ chỉnh lưu:

Bảng 2 1 Thông sô của Thyristor T22-10-07

Loại Điện áp ngược cực

(2.11)

2.1.4 Tính toán chọn thiết bị bảo vệ cho mạch động lực:

❖ Bảo vệ dòng cho van bán dẫn:

- Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động, bảo vệ khi quá tải

và ngắn mạch thyristor, nghắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp,ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu.

- Sau khi tính toán và chọn thyristor ta có:

 Dòng điện trung bình qua van: 𝐼𝑣𝑡𝑏 = 5.6 (𝐴)

 Dòng điện cực đại qua van: 𝐼𝑣𝑚𝑎𝑥 = 10 (𝐴)

- Ta chọn Aptomat Schneider - EZ9F34306 có các thông số sau:

Bảng 2 2 Thông số Aptomat LS MCB 3P

Loại Điện áp định mức

(V)

Dòng điện định mức (A)

Dòng cắt ngắn mạch (KA)

Hình 2 7 Aptomat Schneider – EZ9F34306.

❖ Bảo vệ quá áp trong cho van công suất:

Bảo vệ quá điện áp cho quá trình đóng ngắt tyristor được thực hiệ bằng cách mắc R-C song song với thyristor Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích tu trong lớp ban dẩn phóng ra ngoài tạo dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng cực lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giửa anot và catot của thyristor, tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên thyristor không bị quá điện

áp

Hình 2 8 Mạch bảo vệ quá áp trong cho van công suất

- Theo kinh nghiệm R1= (5÷30)Ω; C1=(0,25÷4)F

- Chọn R1 = 5,1 (), C1 = 0,25 ( F )

❖ Sau khi tính toán chọn linh kiện ta được sơ đồ chi tiết mạch động lực:

Hình 2 9 Sơ đồ chi tiết mạch động lực

2.2 Thiết kế mạch điều khiển phát xung:

2.2.1 Yêu cầu chung đối với mạch điều khiển:

Mạch điều khiển phát xung cần thực hiện các nhiệm vụ sau:

- Phát xung điều khiển (xung kích mở van) đến các van công suất theo đúng pha và với góc điều khiển 𝛼 cần thiết

- Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển 𝛼𝑚𝑖𝑛÷ 𝛼𝑚𝑎𝑥 tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của mạch động lực

- Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu như chế độ khởi động, hãm và đảo chiều

- Đảm bảo xung điều khiển phát tới van công suất phù hợp để chắc chắn mở được van, cụ thể là thỏa các yêu cầu

 Đủ công suất về điện áp và dòng điện

 Có sường xung dốc đứng để mở van chính xác vào thời điểm quy định Thường tốc độ tăng áp điều khiển phải đạt 10V/us, tốc độ tăng điều khiển 0.1A/us

2.2.2 Cấu trúc mạch điều khiển:

❖ Để điều khiển xung cho bộ biến đổi cộng suất (bộ chỉnh lưu kép 3 pha), ta sử dụng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM được tích hợp trong vi điều khiển ở bộ điều khiển và được điều khiển bằng các thuật toán được lập trình bên trong vi điều khiển Xung kích có dạng xung chùm

Hình 2 10 Đồ thị mô tả phương pháp PWM và các dạng xung kích thyristor

❖ Vì các chân I/O của vi điều khiển thường có dòng thấp, không đủ để kích mở các linh kiện trong bộ biến đổi công suất, cụ thể ở đây là thyristor Để giải quyết vấn đề này ta cần thiết kế một mạch khuếch đại xung sử dụng Opto quang

- Ta có sơ đồ mạch như sau: