THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BĂNG TẢI CÓ ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

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.. Trong thời b

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CƠ MỘT CHIỀU

Giảng viên hướng dẫn: TS GIÁP QUANG HUY

Sinh viên thực hiện: HOÀNG QUỐC HUY

NGUYỄN MINH CHUYÊN

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

CHƯƠNG 3 12

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 12

1 Mạch động lực 12

1.1 Khối biến áp: 13

1.2 Khối van chỉnh lưu: 13

1.3 Các phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu: 14

1.3 Khối lọc 15

2 Tính toán mạch động lực: 16

2.1 Tính chọn Thyristor: 16

2.2 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu: 17

2.3 Thiết kế bộ lọc: 18

CHƯƠNG 4 20

PHÂN TÍCH VÀ CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 20

1 Khái quát mạch điều khiển 20

1.1 Khái quát chung: 20

1.2 Phương pháp điều khiển thẳng đứng Arcos: 20

2 Nguyên lý hoạt động từng khâu trong mạch điều khiển: 20

2.1 Khâu đồng bộ 20

2.2 Khâu so sánh 21

2.3 Khâu tạo xung chùm 21

2.4 Khâu khuếch đại và phát xung 22

CHƯƠNG 5 24

VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG 24

1.Cảm biến dòng: Sử dụng IC ACS712 24

1.1 Khái quát cảm biến dòng IC ACS712 24

1.2 Nguyên lý hoạt động: 24

1.3 Code vi điều khiển: 24

2 Cảm biến tốc độ: Sử dụng Encorder 25

2.1 Khái quát Encoder Omron E6B2-CWZ6C 25

2.2 Nguyên lí hoạt động 25

2.3 Code điều khiển 26

3 Vi điều khiển: 28

CHƯƠNG 6 31

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK 31

1 Mô hình toán học 31

1.2 Tính các tham số hàm truyền động cơ 31

1.3 Tính toán thông số hàm truyền bộ chỉnh lưu 32

1.4 Hàm truyền cảm biến 32

1.5 Tổng hợp mạch vòng dòng điện: 32

1.6 Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ: 33

 Mạch mô phỏng hàm truyền toán học : 33

2 Mô hình hàm truyền toán học 33

 Kết quả mô phỏng: 34

3 Mô phỏng nguyên lý (Matlab Simulink) : 34

3.1 Sơ đồ mạch điều khiển 34

3.2 Kết quả mô phỏng đáp ứng tốc độ: 35

3.3 Kết quả mô phỏng đáp ứng dòng điện: 35

3.4 Kết quả mô phỏng đáp ứng Moment: 35

3.5Kết quả mô phỏng đáp ứng điện áp phần ứng: 36

DANH SÁCH HÌNH ẢNH VÀ BẢNG SỐ LIỆU 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 2

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

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

Hình 3 1 Sơ đồ tổng quát bộ điều khiển 12

Hình 3 2 Sơ đồ mạch động lực 12

Hình 3 3 Khối biến áp 13

Hình 3 6 Sơ đồ mạch lọc LC 19

Hình 4 1 Sơ đồ điều khiển Thyristor 20

Hình 4 2 Sơ dồ mạch khâu đồng bộ 21

Hình 4 3 Sơ đồ mạch khâu so sánh 21

Hình 4 5 Sơ đồ mạch tạo xung chùm và tín hiệu kích xung 22

Hình 4 6 Sơ đồ sóng dạng 𝑈𝐸 22

Hình 4 7 Sơ đồ mach khâu khuếch đại và phát xung 22

Hình 5 1 Cảm biến dòng IC ASC712 24

Hình 5 2 Sơ đồ nối dây của arduino với cảm biến 30

Hình 6 1 Sơ đồ khối hàm truyền động cơ 31

Hình 6 2 Hàm truyền bộ điều khiển dòng điện 33

Hình 6 3 Mô hình hàm truyền toán học 33

Hình 6 4 Mô hình toán học động cơ bằng matlab 33

Tài liệu tham khảo

1 Ned Mohan, Tore M Undeland, William P Robbins Power Electronics Converters,

Applications, and Design 2003

2 Electric drives - An integrative approach-NED-MOHAN

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 vậy các 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 lớp cúng với những kiến thức về điện tử công suất, truyền động điện, vi điều khiển, đo lường trong công 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: Vi điều khiển và cảm biến đo lường

CHƯƠNG 6: Mô phỏng hệ thống trên MATLAB SIMULINK

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: 𝛚 =𝑽

Tốc độ dài của băng tải :

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

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

Tốc độ quay của Rulo 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 ωM = 0 rad/s đến ωM = 314 rad/s

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

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

Quá trình băng chyền đảo chiều :

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

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

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

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

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

3.2 Momen quán tính quy đổi về trục động cơ:

12−10 1

36+3.10−4.−314−0

12−10 = −0,04(N m)

 Từ 12 đến giây 18:

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

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:

 Từ 0 đến 2 giây:

𝑃1 = 1

𝛥𝑡 0

2 0

10−8 0

12−10 0

, 04−314 − 0

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

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

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

Từ các thông số đã tính toán ở trên, ta chọn động cơ DC XD 3420 12V 30W

Đặc điểm chi tiết của động cơ:

- Loại sản phẩm: Động cơ DC chổi than Model: XD-3420

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

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

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 sinh ra

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 : 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 :

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

 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:

𝑀 = 𝑀𝑐 ⇒𝑑𝜔

𝑑𝑡 = 0 Suy ra : Động cơ hoạt động với tốc độ ổn định

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

B C: 𝐼𝑎 =−𝑈𝑎−𝐾𝑒𝜙𝜔

𝑅𝑎 < 0

𝑀𝐶 = 𝐾𝑀𝜙𝐼𝐴 < 0 Tại thời điểm 8s, điểm làm việc tai điểm A(lúc tốc độ ổn định không đổi)

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

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

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

𝜔 = −𝑉𝑎

𝜙𝑑𝑚 −

𝑅𝑎𝑀

𝐾𝑒𝐾𝑚𝜙𝑑𝑚Tại B:

𝑀 − 𝑀𝐶 < 0(≠ 0) ⇒ 𝑑𝜔

𝑑𝑡 < 0 Vậy tốc độ động cơ sẽ giảm dần đến khi 𝜔 = 0

Tại = 0 𝑀 > 𝑀𝐶, momen do động cơ

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

⇒ 𝑑𝜔

𝑑𝑡 = 0 Vậy nên tốc độ ổn định

 Từ 18-20s: Quá trình hãm động cơ

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

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

𝜔 = −𝑉𝑎

𝜙 𝑑𝑚− 𝑅𝑎𝑀

𝐾 𝑒 𝐾 𝑚 𝜙 𝑑𝑚Ngay khi đảo chiều điện áp, tốc độ chưa giảm ngay mà sẽ chuyển điểm làm việc sang đường đặc tính mới với 𝜔𝐷 = 𝜔𝐸

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

GVHD: TS.Giáp Quang Huy 12

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

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

1.1 Khối biến áp:

Hình 3 3 Khối biến áp

Chuyển đổi điện áp của lưới điện xoay chiều 𝑈1 sang điện áp 𝑈2 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 G1 và G2 đều nhận được xung mở tại mọi thời điểm

1.2.4 Điện áp và dòng chỉnh lưu

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

Số xung đập mạch 𝑝 = 6

Trị trung bình của điện áp chỉnh lưu

𝑈𝑑 = 12𝜋6

𝜋

6+𝛼+2𝜋6 𝜋

𝑅

Dòng điện qua thyristor: 𝐼𝑣1 𝑎𝑣 =𝐼𝑑

3

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 = Umcos𝜃

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

 Điện áp so sánh uss = Uc - Udb

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

 Khi 𝜃 = 𝛼 thì Uc = Udb =Umcos𝛼

 ⇒ Góc điều khiển 𝛼 = arccos (𝑈𝑐/𝑈𝑚)

 Điện áp chỉnh lưu: 𝑈𝑑 = 𝑈𝑑𝑜 × 𝑈𝑐/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 làm việc 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:

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

2 Tính toán mạch động lực:

2.1 Tính chọn Thyristor:

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:

𝑈𝑑 : Điện áp trung bình chỉnh lưu

𝑈2 : Điện áp nguồn xoay chiều

 Dòng điện làm việc của van:

𝐼hdv : Dòng hiệu dụng qua van

𝐾hdv : Hệ số hiệu dụng ứng với sơ đồ cầu 3 pha , 𝐾hdv = 1 0, 577

𝐼dm : Dòng qua tải

Hệ số bảo vệ là 2 Ihdv = 2×0.2885= 0.577(A)

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

Ta chọn Thyristor TNY0512 T0220

2.2 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu:

2.2.1 Điện áp chỉnh lưu trên tải:

U d0 cosmin U d    2 U V  U ba U dn

Trong đó :min   10 : góc dữ trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới

U v  2( )V sụt áp trên thyristor

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 𝐾𝑠 = 1,05

𝑃𝑑𝑀𝑎𝑥: Công suất phụ tải lúc cực đại

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

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: 𝑈1 = 220 (𝑉)

Điện áp cuộn dây thứ cấp:

0

1.8

d u

U U K

Số vòng dây của mỗi cuộn được tính:

410

U W