KỸ THUẬT điều KHIỂN và tự ĐỘNG hóa 2 (PBL2) đề tài điểu KHIỂN và GIÁM sát tốc độ ĐỘNG cơ một CHIỀU sử DỤNG VI điều KHIỂN (cầu TRỤC)

 Trục động cơ: dùng để quay băng tải 1.2.2 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 qu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

DỰ ÁN LIÊN MÔN

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 2 (PBL2)

ĐỀ TÀI:

ĐIỂU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỐC ĐỘ ĐỘNG

CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN

(CẦU TRỤC)

Người hướng dẫn: TS GIÁP QUANG HUY

Sinh viên thực hiện: ĐINH PHÚ GIANG (20TDH1)

TRẦN LÊ CÔNG ẨN (20TDH2) NGUYỄN HOÀNG MIN (20TDH1)

LÊ KHẮC CƯỜNG (20TDH2) NGUYỄN TRƯỜNG BẢO NGÂN (20TDH2) Nhóm HP / Lớp: 20.32A

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỂU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG

MỤC LỤC

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

TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ

1.1 Phân tích chọn phương án truyền động

1.1.1 Cơ cấu truyền động tải cầu trục 4

1.1.2 Đồ thị tốc độ dự kiến của tải và động cơ 5

1.1.3 Xác định moment, moment quán tính của hệ và quy đổi 1.1.4 Tính công suất động cơ CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT, CHỈNH LƯU 6

2.1 Tính toán mạch động lực 2.1.1 Mô hình mạch chỉnh lưu cầu 1 pha kép điều khiển động cơ 2.1.2 Tính chọn Thyristor 2.1.3 Tính toán máy biến áp lực CHƯƠNG 3: LỚP ĐA 33C 7

3.1 Báo cáo của lớp 33c 7

CHƯƠNG 4: PBL NHÓM 36 +37 8

4.1 Tính mach cs 8

KẾT LUẬN CHUNG 9

TÀI LIỆU THAM KHẢO 10

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Thêm hình chương 1 và đánh số 5Hình 1 2 Hình của nhóm 36, 37 6

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Thêm bảng chương 1 và đánh số 5

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

TẢI VÀ TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ

1.1.1 Cơ cấu tuyền động tải cầu trục

Hình 1 1 Mô phỏng truyền động cho tải bang chuyền

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

Tốc độ dự kiến của tải: V = 2,5 m/s, bánh kính của trống tời tịnh tiến R = 0,15m.Suy ra tốc độ quay của trống tời: ω= V R= 2,50,15=16,67 rad/s

Chọn hộp số có tỉ số truyền 15 Suy ra tốc độ cực đại của trống tời quy về trụcđộng cơ là ω0=¿ω×15=¿¿250rad/s.

Tốc độ dài của tải

Hình 1.2 Đồ thị tốc độ mong muốn của tảiTốc độ quay của trống tời

Quá trình chuyển động theo chiều kim đồng hồ

 [0s ; 1s]: tốc độ quay của động cơ tăng dần từ ω đc =0 Rad /s đến ω đc =250 Rad /s

 [1s ; 3s]: tốc độ quay của động cơ ổn định ở ω đc =250 Rad /s

 [3s ; 4s]: tốc độ quay của động cơ giảm dần từ ω đc =250 Rad /s đến

ω đc =0 Rad /s

Quá trình đảo chiều

 [4s ; 5s]: động cơ đảo chiều, tốc độ tăng dần từ ω đc =0 Rad /s đến

ω đc =250 Rad /s

 [5s ; 7s]: động cơ quay ổn định ở ω đc =250 Rad /s

 [7s ; 8s]: tốc độ động cơ giảm dần từ ω đc =250 Rad /s đến ω đc =0 Rad /s

1.1.3 Xác định momen, momen quán tính của hệ và quy đổi

 Khối lượng trống tời: mt = 3 kg

 Khối lượng tải: m = 17 kg

 K là hệ số truyền của hộp số: k = ω ωt0 = 15

 Mc: Momen thế của tải quy về trục động cơ: Mc = mgr k = 17.0,15.1015 =1,7 Nm

 Jqđ: Momen quán tính của động cơ quy về trục động cơ

1.1.4 Tính công suất động cơ

425

0

Đồ thị công suất động cơ

M (Nm)

 Điện áp định mức: 12V

 Dòng điện định mức: 70A

 Tốc độ định mức: 2500RPM

1.2 Tìm hiểu về cấu tạo và hoạt động

1.2.1 Cấu tạo của động cơ điện một 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

1.2.2 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

số hoạt động trên đặc tính tự nhiên sau :

M = J qđ (0−ω0 )

1 + mgr k = 0.7125 Nm



Từ 4-5s : Đảo chiều động cơ

Do lúc này momen cản của tải cùng chiều với tốc độ mong muốn và lớn hơn sovới gia tốc góc mong muốn nên động cơ cần sinh ram omen điện từ để hãm lại tốc độ củađộng cơ :

M = J qđ ω01−0−M c =−0.7125 N

 Từ 5-7 s : động cơ hoạt động với tốc độ ổn định:

+ Lúc này thì động cơ phải sinh ra momen hãm ngược bằng với momen cảncủa tải để động cơ hoạt động với tốc độ ổn định: : M = - Mc = - 1.7 Nm

 Từ 7- 8 s : động cơ giảm tốc về không:

Động cơ lúc này phải sinh ra momen hãm để giảm tốc độ của tải về không+ M = J qđ 0−ω1 0−M c= ¿-2.6875 Nm

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH CHỈNH LƯU

2.1.1 Mô hình mạch chỉnh lưu cầu 1 pha kép điều khiển động cơ

U d= 2

√

π × U2× cosα (V)

 Ud Max => cosα = 1;

 Ud : Điện áp trung bình chỉnh lưu

 U2 : Điện áp nguồn điện xoay chiều

 Theo điện áp định mức của động cơ:

=> U2= π

2

√

=> Ungmax =

√

 Điện áp ngược của van cần chọn: U ngv =k dt × U ngmax =1.5×18.85=28.28 (V)

2.1.2.2 Dòng điện làm việc của van

 Ihdv : Dòng điện hiệu dụng qua van

 Iđm : Dòng điện qua tải

 Dòng điện hiệu dụng của van cần được chọn:

I hd =k dt × I hdv =1.3 ×52.08=67.7(A)

Dựa vào Ungcv và Ihd ta chọn van

 Điện áp ngược van: 1600 V

 Dòng điện làm việc cực đại: 80 A

 Dòng điện xung điều khiển: 450 mA

 Dòng điện duy trì: 100mA

2.1.3 Tính toán máy biến áp lực

2.1.3.1 Điện áp chỉnh lưu trên tải

U d 0 × cosα min =U d +2× ∆ U v +∆ U ba +∆ U dn

 α min=10o: góc dự trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới

 ∆ U v: sụt áp trên thyristor

2.1.3.2 Công suất biểu kiến của MBA

 Công suất tối đa của tải: P dmax =U d0 × I đm =15.82 ×52.08=823.9 W

 Công suất biểu kiến: S = K s × P dmax =1.23×823.9=1013.39VA

 Ks : Hệ số công suất theo sơ đồ cầu 1 pha

 Điện áp cuộn dây sơ cấp: U1 = 220V

 Điện áp cuộn dây thứ cấp:U2=U d 0

2.1.3.5 Tiết diện dây dẫn

S d = I

J

(

)

Ksb=qout qin = U σ(1)∈¿× U dout

U σ(1)out ×U din¿

 Giả sử độ sụt áp một chiều trên bộ lọc không đáng kể:U din ≈ U dout

 Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa URC (thường là điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp thyristor.

 Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển

Uđk , tìm thời điểm hai điện áp bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra gửi sang tầng khuếch đại

 Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor Xung để mở thyristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu thyristor mở tức thời khi có xung điểu khiển (thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ độ rộng với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của thyristor, đủ công suất, cách ly giữa mạch điều khiển với mạchđộng lực (nếu điện áp động lực quá lớn)

3.1.2 Yêu cầu của mạch điều khiển

Mạch điều khiển là khâu quan trọng nhất trong bộ biến đổi thyristor vì nó đóng vaitrò chủ đạo quan trọng trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi.Yêu cầu của mạch điểu khiển có thể tóm tắt trong 6 điểm chính sau:

 Độ rộng xung điều khiển

 Độ lớn xung điều khiển

 Yêu cầu về tốc độ của rang

 Sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển

 Yêu cầu về độ tin cậy: Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để thyristorkhông tự mở khi dòng rò tăng Xung điều khiển ít phụ thuốc vào dao độngnhiệt độ, dao đông điện áp nguồn Cần khử được nhiễu cảm ứng để tránh

mở nhầm

 Yêu cầu về lắp ráp và vận hành: Thiết bị thay thế để lắp ráp và điều chỉnh,mỗi khối có khả năng làm việc độc lập cao

3.1.3 Nhiệm vụ mạch điều khiển

Là tạo xung vào ở những thời điểm mong muốn để mở các van động lực của bộchỉnh lưu

Chức năng của mạch điều khiển:

 Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dươngđiện áp đặt trên anode – cathode của thyristor

 Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở thyristor độ rộng xung tx < 10μs.

t x=I di dt

dt

Idt: dòng duy trì của thyristor

di

dt: tốc độ tăng trưởng của dòng tải

Đối tượng cần điểu khiển được đặc trưng bởi đại lượng điều khiển là góc α

3.1.4 Nguyên tắc điều khiển

Mạch điều khiển của thyristor có thể phân loại theo nhiều cách Song các mạchđiều khiển đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có hai nguyên lý khốngchế ngang và khống chế đứng

Khống chế ngang là phương pháp tạo ra góc α thay đổi bằng cách dịch chuyểnđiện áp sang hình sin theo phương pháp ngang so với điện áp tựa Nhước điểm củaphương pháp này là góc α phụ thuộc vào dạng điện áp và tần số lưới, do đó độ chính xáccủa góc điều khiển thấp

Khống chế đứng là phương pháp tạo ra góc α thay đổi bằng cách dịch chuyểnđiện áp chủ đạo theo phương thẳng đứng so với điện áp tựa Phương pháp này có độchính xác cao và khoảng điều khiển rộng (0÷ 180 o)

Có hai phương pháp điều khiển thẳng đứng là tuyến tính và arccos

Ta chọn phương pháp điểu khiển thẳng đứng tuyến tính

3.2 Nguyên lý hoạt động từng khâu:

3.2.1 Khâu đồng pha

Hình

Nguyên lý hoạt động:

Tại OPAMP A1:

Trong nửa chu kỳ dương: U+(A1)>U-(A1) => UB>0

Trong nửa chu kỳ âm: U+(A1)>U-(A1) => UB>0

Tại OPAMP A2:

Khi UB > 0 thì T1 khóa U+(A2)>U-(A2) Ta xét mạch tích phân gồm: biến trở R3, tụ

Khi UB < 0 thì T1 mở UB < U-(A2), diode D1 khóa Lúc này, U-(A2)=UC1=0

=> Có dòng qua tụ tăng => Điện áp tại Uc âm để cân bằng điện áp về 0

3.2.2 Khâu so sánh:

Hình

Nguyên lý làm việc:

Tại OPAMP A3 ta có: U-(A3) = URC + Uđk; U+(A3) = 0

Khi URC + Uđk < 0  U-(A3) < U+(A3) => UD = Vcc

3.2.3 Khâu tạo xung chum:

Đối với một sơ đồ mạch, để giảm dòng công suất cho tầng khuếch đại và tăng sốlượng cho xung kích mở, nhằm đảm bảo cho thyristor mở một cách chắc chắn, người tahay phát xung chùm cho các thyristor Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầngkhuếch đại, ta đưa chèn thêm một cổng AND với tín hiệu nhận từ tầng so sánh và từ bộphát xung chùm như hình vẽ:

Hình

Nguyên lý làm việc:

Giả sử lúc đầu ngõ ra UE = VCC => U+(A4) = R6× V cc

R6+R7 Lúc này, tụ C được nạp theochiều từ ngõ ra qua R8 về GND, tụ càng nạp điện áp trên tụ càng tăng, cho đến khi điện

áp trên tụ bằng UC = U-(A4) > U+(A4) = R R6× V cc

6+R7 thì lúc đó UE sẽ đổi trạng thái sang mứcbảo hòa âm UE = − ¿VCC => U+(A4) = −R6×V cc

R6+R7 Lúc này, tụ C sẽ xả theo chiều ngược lại, tụ càng xả điện áp trên tụ càng giảm, cho đến khi UC = U-(A4) <U+(A4) = −R6×V cc

R6+R7

Tụ C sẽ bắt đầu nạp trở lại, quá trình nạp xả tiếp nối luân phiên như vậy tạo nên xung chùm đa hài UE

3.2.4 Khâu khuếch đại:

HìnhVới nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor như đã nêu trên, tầng khuếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng transistor công suất như hình vẽ Để có xung dạng kim gửi đến thyristor, ta dung biến áp xung (BAX), để có thể khuếch đại công suất ta dùng transistor T2, diode D2 và D3 để bảo vệ T2 và cuộn dây sơ cấp BAX khi T2 khóa đột ngột

Trong thực tế xung điều khiển cần có độ rộng bé (cỡ 10 ÷ 200 μs), mà thời gian mở thông của transistor công suất dài (tối đa tới một nửa chu kì 0.01s), làm cho công suất tỏanhiệt dư của transistor quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp BAX lớn Để giảm nhỏ công suất tỏa nhiệt T2 và kích thước dây sơ cấp BAX, ta có thể them tụ nối tầng C3 Theo

sơ đồ này, T2 chỉ cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ nên dòng điện hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần.

3.2.5 Sơ đồ mạch điều khiển

Hình

Hình

3.3 Tính toán thông số mạch điều khiển:

Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu mở thyristor Do đó ta có thoogn

số cơ bản để tính mạch điều khiển:

 Điện áp điều khiển Thyristor: Uđk =

 Dòng điện điều khiển Thyristor: Iđk = Ig = 0.18A

 Thời gian mở Thyristor: tm =

 Độ rộng xung điều khiển: tx = 2 x tm = μs

 Tần số xung điều khiển: f x= 1t

 Điện áp thứ cấp của MBA xung: U2 = Uđk =

 Điện áp đặt lên cuộn thứ cấp MBA xung: U1 = m x U2 =

 Dòng điện thứ cấp của MBA xung: I2 = Iđk =

 Dòng điện sơ cấp của MBA xung:I1=I m2= ¿

3.3.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng:

Chọn transistor công suất loại 2SC911 NPN vật liệu bán dẫn silic

 Điện áp giữa Collector và Bazo khi hở mạch Emitter: UCBO = 40V

 Điện áp giữa Emitter và Bazo khi hở mạch Collector: UEBO= 4V

 Dòng điện lớn nhất mà Collector có thể chịu đựng: 𝐼max= 500 mA

 Công suất tiêu tán ở Collector: 𝑃𝑐 = 1,7 W

 Nhiệt độ lớn nhất của mặt tiếp giáp: 𝑇1 = 175°𝐶

 Hệ số khuếch đại: 𝛽 = 50

 Dòng điện Collector max: IC3max = 0,5 A

 Dòng điện làm việc của Collector: 𝐼𝐶3 = 𝐼1 =

 Dòng điện làm việc của Bazơ: I B3=I β C3= ¿

Ta thấy rằng với loại Thyristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé: 𝑈đ𝑘 = V,

𝐼đ𝑘 = A

Do đó ta chỉ cần một tầng khuếch đại cũng đủ công suất điều khiển Tranzitor

Chọn nguồn cấp cho biến áp xung E = 15 V, với nguồn E = 15 V ta phải mắc thêmđiện trở 𝑅10 nối tiếp với cực Emitter của T3 Ta có: IC3 = I1 ≈ IE

 Nguồn nuôi IC: VCC = 3÷18V, ta chọn Vcc = 12V

 Nhiệt độ làm việc: Tlv = −40÷ 800C

 Điện áp nguồn nuôi: 𝑉𝑐𝑐 = ± 18𝑉 chọn Vcc = ± 12V

 Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: ± 30𝑉

 Nhiệt độ làm việc: T = −25 ÷ 850C

 Công suất tiêu thụ: P = 0.68 W

 Tổng trở đầu vào: 𝑅𝑖𝑛 = 106MΩ

 Dòng điện đầu ra: 𝐼𝑟𝑎 = 30 𝑝𝐴

 Dòng điện đầu vào: 𝐼𝑣 = 1 𝑚𝐴

 Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du dt =13( V

Để thuận tiện việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch R3 thường được chọn biến trở R3lớn hơn 10 𝑘Ω để điều chỉnh

Tranzitor loại PNP làm bằng Si.

Điện áp giữa Emitter và Bazơ lúc mạch Collector: UEBO = 7V

Dòng điện lớn nhất có Collector có thể chịu được: IC-max = 100 mA

Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: TCP = 150º

Hệ số khuếch đại : β = 250

Dòng cực đại của bazo: I B1=I β c

Điện trở để hạn chế dòng điện đi vào Bazơ Tranzitor T1 được chọn như sau:

Chọn R2 thõa mãn điều khiển:

R2≥ V cc

I B = ¿Chọn điện áp đồng pha:UA =

Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại đi vào khuếch đại thuật toán A1 thường chọn R1 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán: Iv < 1 mA

Do đó: R1≥ U A

I v

3.3.8 Tạo nguồn nuôi

Ta cần tạo ra nguồn điện áp U = ± 12V để cấp cho máy biến áp xung nuôi IC, các

bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ Ở mạch cầu 1 pha, ta có:

Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 và 7912 Các thông số chung của vi mạch là:

 Điện áp đầu vào: UV = 7 ÷ 35V

 Điện áp đầu ra: Ura = 12V với IC 7812

 Điện áp đầu ra: Ura = -12V với IC 7912

KẾT LUẬN CHUNG

Abcde

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Mohamed Hassan Ali, Abdelhamid Rabhi, Ahmed El hajjaji and Giuseppe M.Tina “Real Time Fault Detection in Photovoltaic Systems”, 2016, Turin, ITALY