Đề tài thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập

tDưới đây là mô tả và chức năng của t phần trong kh i động lực: ừ ố - Bộ biến đổi công su t: Các b biấ ộ ến đổi thường dùng trong các h truy n ệ ềđộng điện hiện đại là các bộ biến đổi đi

Trang 1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Thành viên: NGUYỄN VĂN PHỤC

Trang 2

PBL2: Tổng h p h truyợ ệ ền động điện GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng

Nhóm thực hiện: Nhóm 3 Trang 2

TẢI VÀ TÍNH CH N CÔNG SUỌ ẤT ĐỘNG CƠ 10

1.1 Tổng quan v h ề ệ thống: 10

1.1.1 Giới thiệu yêu cầu đề tài, mô t bài toán cả ủa 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 c u cầ ủa tải: 13

1.2.2 Tổng quan v ề động cơ điện m t chi u kích tộ ề ừ 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 nghi m các thông sệ ố 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 b biộ ến đổi công su 30ất: 2.1.1 Phân tích ch n bọ ộ biến đổi công suất: 30

2.1.2 Tổng quan v b ề ộ chỉnh lưu kép 3 pha: 30

2.1.3 Tính chọn linh ki n cho b biệ ộ ến đổi: 34

2.1.4 Tính án ch n thito ọ ết bị b o v cho mả ệ ạch động lực: 35

2.2 Thiết kế mạch điều khi n phát xung: 36ể 2.2.1 Yêu cầu chung đối với mạch điều khiển: 36

2.2.2 Cấu trúc mạch điều khi n: 37ể 2.3 Mô phỏng b biộ ến đổi công su 40ất: 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 c m bi n: 44ả ế ACS712 30A 44

Trang 3

N3806-AB-400N 46

3.2 Tính chọn vi điều khiển: 47

3.3 Phân tích nguyên lí hoạt động c a toàn h ủ ệ thống: 51

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

4.1 Xây dựng mô hình toán học c a hủ ệ truyền động điện: 52

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

4.1.2 Mô hình toán học c a b ủ ộ 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 m ch vòng hạ ệ thống truyền động điện: 57

4.2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện: 57

4.2.2 Tổng hợp m ch vòng tạ ốc độ: 59

4.3 Lập trình thuật toán điều khiển cho vi điều khi n: 61ể 4.3.1 Lưu đồ thuật toán: 61

4.3.2 Chương trình l p trình cho Arduino Uno: 61ậ 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 ph n mầ ềm MATLAB / SIMULINK: 68

5.1.1 Phân tích phần điều khi n: 69ể 5.1.2 Kết quả mô ph ng: 71ỏ 5.2 Đánh giá chất lượng h ệ thống: 74

Trang 4

DANH M C HÌNH Ụ ẢNH

Hình 1 1 Tải chuyển động tịnh tiến Hình 1 2 Đồ thị tốc độ mong mu n 10ố

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

Hình 1 4 Sơ đồ ổ t ng quát khối động l c 11ự Hình 1 5 Sơ đồ tổng quát khối điều khiển 12

Hình 1 6 Đồ tthị c độ góc mong mu n 13ố ố Hình 1 7 Đồ tthị ng h p tổ ợ ốc độ, mô men, công suất yêu cầu c a tải 16ủ Hình 1 8 Đồ thị trạng thái hoạt động c a động cơ 18ủ Hình 1 10 Đồ thị mô tả khởi động m m 19ề 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 c a động cơ khi có hộp s 25ủ ố Hình 1 21 Đồ khithị ểm nghiệm công su t của động cơ khi có hộp số 26ấ Hình 1 22 Sơ đồ mô ph ng hoỏ ạt động động cơ 26

Hình 1 23 Đồ tthị ốc đ theo thời gian với điện áp 220VDC 27ộ Hình 1 24 Đồ thị điện áp, dòng điện phần ứng với đi n áp 220VDC 27ệ Hình 1 25 Đồ mô men theo th i gian vthị ờ ới điện áp 220VDC 27

Hình 1 26 Đồ tthị ốc đ theo thời gian với điện áp 110VDC 28ộ Hình 1 27 Đồ thị điện áp, dòng điện phần ứng với đi n áp 110VDC 28ệ Hình 1 28 Đồ mô men theo th i gian vthị ờ ới 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 xung kích các van 31thị Hình 2 6 Thyristor T22-10-07 34

Hình 2 7 Aptomat Schneider EZ9F34306 35–

Hình 2 8 Mạch bảo v quá áp trong cho van công su 36ệ ất Hình 2 9 Sơ đồ chi tiết mạch động lực 36

Hình 2 10 Đồ thị mô tả phương pháp PWM và các d ng xung kích thyristor 37ạ Hình 2 11 Sơ đồ ạ m ch phát xung 37

Trang 5

Hình 2 12 Opto quang P817 38

Hình 2 13 Sơ đồ mạch đồng bộ 38

Hình 2 14 Sơ đồ mô ph ng mỏ ạch đồng bộ 39

Hình 2 15 Kết quả mô ph ng 39ỏ Hình 2 16 Sơ đồ mô ph ng b biỏ ộ ến đổi công suất 40

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

Hình 2 18 Đồthị điện áp theo thời gian ở ần mô ph ng 1 41 l ỏ Hình 2 19 Đồ thị dòng điện theo th i gian ờ ở lần mô phỏng 2 42

Hình 2 20 Đồthị điện áp theo thời gian ở ần mô ph ng 2 42 l ỏ Hình 2 21 Đồ thị dòng điện khi mô phỏng đảo chiều 42

Hình 2 22 Đồ thị điện áp khi mô phỏng đảo chi u 42ề Hình 3 1 Cảm biến dòng ACS712 30A 44

Hình 3 2 Sơ đồ đấu nối c m biả ến 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 m ch ph n cứng c a hệ ạ ầ ủ truyền động điện 49

Hình 4 1 Mô hình tổng quát h truyệ ền động điện 52

Hình 4 2 Sơ đồ cấu trúc chung c a hệ th ng 52ủ ố Hình 4 3 Sơ cđồ ấu trúc động cơ 53

Hình 4 4 Hàm truyền động cơ 54

Hình 4 5 Phương pháp điều khi n arccos 55ể MHình 4 6 Mô hình toán học c a bủ ộ biến đổi 55

Hình 4 7 Tổng h p mô hình toán hợ ọc của h ệ 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 t c đ c a hệ thống 59ố ộ ủ Hình 4 11 Hàm truy n cề ủa hệ thống 60

Hình 4 12 Lưu đồ thuật toán điều khi n cể ủa hệ thống 61

Hình 4.13 Công cụ vẽ đồ Serial Plotter 64thị Hình 4 14 Đồ thị kh i t o giá tr tở ạ ị ốc độ mong muốn trong chương trình 64

Hình 4 15 Sơ đồ mô ph ng b ng Proteus 65ỏ ằ Hình 4 16 MOTOR-ENCODER trong Proteus 65

Trang 6

Hình 4 17 IC cảm bi n dòng ACS712 trong Proteus 65ế

Hình 4 18 Công cụ VIRTUAL TERMINAL trong Proteus 65

Hình 4 19 Mô phỏng đọc encoder và cảm biến dòng khi động quay thu n 66ậ Hình 4 20 Mô phỏng đọc encoder và cảm biến dòng khi động quay nghịch 66

Hình 5 1 Sơ đồ mô ph ng toàn hệ th ng 68ỏ ố Hình 5 2 Nhập vào giá tr t 68ị ải Hình 5 3 Sơ đồ mô ph ng phỏ ần điều khiển 69

Hình 5 4 Nhập tốc độ mong muốn vào kh i Deisired speed 69ố Hình 5 5 Phản hồi tốc độ 70

Hình 5 6 Sơ đồ mô ph ng kh i thuỏ ố ật toán điều khiển 70

Hình 5 7 Đồ thị điện áp sau chỉnh lưu 71

Hình 5 8 Đồ tthị ốc 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 mu n 72ố 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 m ch vòng 73ạ Hình 5 14 Đồ thị mô men động cơ 73

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

Trang 7

DANH M C BỤ ẢNG

Bảng 1.1 Tốc độ mong mu n theo thố ời 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 c u cầ ủa tải theo thời gian 15

Bảng 1 4 Thông s ố điện của động cơ 22

Bảng 1 5 Thông s ố kích thước của động cơ 22

Bảng 1 6 Thông s h p giố ộ ảm 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 su t yêu c u cấ ầ ủa tải sau khi đã chọn động cơ và hộp số 23

Bảng 1 9 Thông s các thiố ết 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 s c a P817 38ố ủ Bảng 3 1 Thông s cố ủa cảm biến dòng ACS712 30A 44

Bảng 3 2 Thông s cố ủa Encoder N3806-AB-400N 46

Bảng 3 3 Thông s cố ủa Arduino Uno 47

Bảng 3 4 Các tham s ph n cố ầ ứng đã chọn 50

Trang 8

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát tri n không ng ng c a n n khoa h c kể ừ ủ ề ọ ỹ thuật đã tạo ra những thành t u to lự ớn, trong đó ngành tự động hóa cũng góp phần không nh vào ỏthành công đó Một trong những vấn đề quan trọng trong các dây truyền tự động hoá sản xu t hiấ ện đại là việc điều chỉnh tốc độ động cơ Động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đờ ối s ng xã hội, đặc bi t là trong các ngành công nghiệ ệp sản xu t hiấ ện đại và trong nhi u l nh về ỉ ực đời s ng không th ố ể thiếu các động cơ điện,vì vậy các loại động cơ điện được chế ạ t o ngày càng hoàn thi n ệ hơn T ừ trước đến nay, động cơ một chiều vẫn luôn là loại động cơ được sử dụng rộng rãi kể cả trong những

Với đề tài trên bài báo cáo của em gồm các ph n chính sau: ầ

Chương 1: T ng quan v h ổ ề ệ thống, tính toán yêu c u cầ ủa tải và tính ch n ọ công suất động cơ

Chương 2: Tính toán mạch đi n tử công suất ệ

Chương 3: Tính chọn phần đo lường, bộ điều khiển và hoàn thiện sơ đồ

m ch ph n c ng toàn h ạ ầ ứ ệ thống

Chương 4: Thiết kế, tổng hợp phần điều khiển

Chương 5: Mô phỏng đánh giá kết quả

Việc hoàn thành đ tài này không tránh được những sai lầm thiếu sót Em rất ềmong 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

Trang 9

Trong thời gian thực hiện đề tài, nhóm chúng em đã nhận được sự giúp đỡcủa các Thầy Cô trong ban d y bạ ộ môn PBL2, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình t ừThầy Lê Tiến Dũng Thầ, y Giáp Quang Huy, Cô Trương Thị Bích Thanh và Th y ầNgô Đình Thanh nhóm để 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 l i cờ ảm ơn sâu sắc đến anh Huỳnh Qu c Hùng ố – trợ ảng chính cho đồ gi 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 th ực hiện: Nguyễ n Quang Ren (NT) Phan Minh Thu n ậ

Nguyễn Văn Phục Nguyễn Lương Tài Nguyễn Thanh T n ẩ

Trang 10

1.1.1 Giới thiệu yêu cầu đề tài, mô t bài toán cả ủa đề tài:

D án này yêu c u thi t k hự ầ ế ế ệ thống điều khi n và giám sát tể ốc độ ệ thố h ng truyền động s dử ụng động cơ một chi u kích t ề ừ độc lập v i tớ ải chuyển động t nh ti n ị ế

Yêu c u h truyầ ệ ền động: điều khiển băng tải để ậ v t có khối lượng M chuyển

động t nh tiến (mô tị ả như Hình 1.1 với tốc độ mong muốn (mô t ) ả như Hình 1.2) C ụ

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

là nguồn xoay chi u 3 pha 220/380V ề

- 𝑇𝑒𝑚: Mô men điện từ của động cơ

- u : Tốc độ mong mu n cố ủa tải

Trang 11

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

T yêu c u chuyừ ầ ển động của tải ta đưa ra được m i quan h giố ệ ữa các bộ ph n ậcủa hệ truyền động:

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

- Để động cơ hoạt động c n c p m t nguầ ấ ộ ồn điện phù hợp với các thông s nh ố địmức động cơ → cần có b biộ ến đổi công suất

- Để giám sát tốc đ động cơ cầộ n ph có các cải ảm biến đo được các tín hiệu cần dùng → cần có các cảm biến dòng, c m bi n tả ế ốc độ

- Từ các giá trị ảm biến thu đượ c c và giá tr mong mu n h ị ố ệ truyền động đáp ứng, ta sẽtính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển cho động cơ → c n có bộ ầđiều khiển

T ừ các phân tích trên ta đưa ra sơ đồ ổ t ng quát của hệ truyền động điện:

Hình 1 3 Sơ đồ ổ t ng quát c a h truyủ ệ ền động điện

T ừ sơ đồ ổ t ng quát h truyệ ện động ta s ẽ đi phân tích chức năng của từng khối

đểrõ hơn nguyên lí hoạt động của hệ truyện ng: độ

❖ Khố ội đ ng lực:

Sơ đồ tổng quát khối động lực

Trang 12

Ta có sơ đồ ổ t ng quát khố ội đng lực như Hình 1.4, khối động lực gồm có các

phần chính là b biộ ến đổi công suất, động cơ điện, h p s và ộ ố băng ải như hình vẽ tDưới đây là mô tả và chức năng của t phần trong kh i động lực: ừ ố

- Bộ biến đổi công su t: Các b biấ ộ ến đổi thường dùng trong các h truy n ệ ềđộng điện hiện đại là các bộ biến đổi điện tử công suất như bộ chỉnh lưu, bộbăm điện áp, bộ điều áp xoay chiều, bộ biến tần Cụ thể ở đề tài này bộ công suất có nhiệm vụ biến đổ ừ ngui t ồn điện xoay chi u 3 pha c ề ố định đã cho sang nguồn điện phù hợp cấp cho động cơ

- Động cơ: Sử ụng động cơ mộ d t chiều kích từ độc lập để truyền động cho tải Trục Rotor của động cơ có chức năng truyền động trực tiếp cho pulley băngchuyền

- Trong trường h p chợ ọn động cơ không đủ ả t i ta s s d ng h p sẽ ử ụ ộ ố để tăng momen của động cơ lên cho phù hợp vớ ải i t

- 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 ổ t ng quát khối điều khiển như Hình 1.5, khối điều khi n có chể ức 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 c u mong muầ ốn Dưới đây là mô tả và chức năng của từng phần trong khối điều khi n: ể

- Bộ cảm biến có chức năng đo và phản h i các giá trồ ị tốc độ góc và dòng điện

của động cơ về b điều khiển ộ

- Bộ điều khiển được lập trình các thuật toán điều khi n truyể ền động và đ ều ichỉnh quá trình công nghệ Từ các thông tin phản hồi cùng với giá trị đặt mong muốn ở đầu vào, các thuật toán điều khi n thể ực hiện tính toán và đưa

ra các giá trị điều khi n c n thiể ầ ết để điều khi n tể ốc đ thực của động cơ bám ộtheo giá trị đặt mong mu n ố

Trang 13

1.2 Tính toán yêu cầu của tải:

T mô t bài toán ta ừ ả đi tính toán các thông s yêu c u cố ầ ủa tả ổi, t ng quan v ềđộng 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 s yêu c u c a tố ầ ủ ải:

- Ta chọn các thông số mong muốn c a tủ ải:

 Khối lương tải: M = 120kg

 Bán kính Pulley: r = 0.15m

 Giả s b qua ma sát ử ỏ ổ trục và l c cự ản không khí

- Từ đồ thị tốc độ mong mu n ố được mô tả ở Hình 1.2 ta đi tính tốc độ góc 𝜔𝑚

tương ứng theo từng mốc thời gian thông qua biểu thức:

𝜔𝑚= 𝑢𝑟

- Ta biểu di n kễ ết quả tính toán b ng sau: ở ả

B ảng 1.1 Tốc độ mong muốn theo thời gian

Trang 14

❖ Dựa vào đồ thị Hình 1.6 ta xác định được quá trình hoạ ộng động cơ: t đ

- Quán trình tải chạy t i: ớ

 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 v ề𝝎𝒎= 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:

Trang 15

- Từ các kết quả tính toán của mô men điệ ừ ta tính đượn t c công su t tấ ức thời cần đáp ứng của tải thông qua biểu thức:

𝑃 = 𝑇𝑒𝑚𝜔𝑚

- Ta biểu di n kễ ết quả tính toán ở Bảng 1.3:

B ảng 1 3 Công suấ ứt t c thời yêu c u của t i theo th i gian.ầ ả ờ

Trang 16

Hình 1 7 Đồ t ng h p tthị ổ ợ ốc độ, mô men, công su t yêu c u c a t ấ ầ ủ ải

❖ Tiếp theo ta đi tính mô men đẳng trị 𝑇đ𝑡 và công suấ ẳt đng trị 𝑃đ𝑡:

Trang 17

1.2.2 T ổng quan v ề động cơ điện mộ t chi u kích t ề ừ độc lập:

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

- Khái niệm:

Động cơ điện m t chi u kích tộ ề ừ độ ậc l p là một động cơ trong đó phầ ứn ng và phần kích từ được cung c p t hai nguấ ừ ồn riêng r Tẽ ừ thông chính được sinh ra bởi nguồn điện kích từ độc lập Dòng điện chạy qua cuộn dây phần ứng từ nguồn điện phần ng làm cho phứ ần ứng hoạt động như một nam châm

- Cấu t o: ạ

Những ph n chính cầ ủa động cơ điện m t chi u g m stator (ph n c m) và rotor ộ ề ồ ầ ả(phần ng) Stator là mứ ột nam châm điện được cấp điện t nguừ ồn điện m t chi u, ộ ềrotor có các cu n dây quộ ấn và được n i v i nguố ớ ồn điện m t chi u tộ ề ạo ra dòng điện

đặt trong từ trư ng, Phần ứng và phần kích từ ờ được cung cấp từ hai ngu n riêng rẽ ồ

- Nguyên lý làm vi c : ệ

Khi đặt một điện áp vào ph n úng cầ ủa động cơ, trong dây quấn phần ứng có dòng điện được đặt trong t ừ trường s ẽ chịu tác dụng tương hổ lên nhau t o nên momen ạtác d ng lên rotor, làm rotor quay Khi rotor quay v i tụ ớ ốc độ nhất định thì các thanh dẫn của dây qu n phấ ần ứng s c t tẽ ắ ừ trường c a ph n củ ầ ảm, theo định lu t cậ ảm ứng điện từ, trong khung dây sinh ra sức điện động cảm ứng

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

Trang 18

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

1.2.3.1 Các trạng thái hoạt động của động cơ:

Sau khi tính toán mô men và tốc độ ần đáp ứ c ng của động cơ ta xác định được các trạng thái hoạt động của động cơ:

Hình 1 8 Đồ ng thái hothị trạ ạt động của động cơ

Từ đồ thị ể bi u di n các tr ng thái hoễ ạ ạt động của động cơ Hình 1.8 và đồ thị

tốc độ mong muốn Hình 1.6 ta xác định được các tr ng thái hoạ ạt động của động cơ ởtừng giai đoạn cụ thể:

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

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

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

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

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

- Khởi động

- Hãm

- Đảo chi u ề

(1.8) (1.9) (1.10)

Trang 19

1.2.3.2 Chọn phương án khởi động động cơ:

khởi động m m là s d ng b ề ử ụ ộ biên đổi điệ ử để điền t u chỉnh trơn điện áp phần ng Va cứ ủa động cơ, tăng dần từ một giá tr ịban đầu Va Điện áp ph n ng ầ ứđược lập trình và cho phép đặt tham số tăng theo quy luật tuyến tính/phi tuyến từ đểmột giá trị được xác định đến một điện áp có định mức

Hình 1 9 Đồ mô t khthị ả ởi động mềm

1.2.3.3 Chọn phương án đả o chiều động cơ:

- Phương trình đặt trưng khi đảo chiều:

 𝐼𝑎,đ𝑐=−𝑉 𝑎,đ𝑚 −𝐾 𝑒 𝜙 đ𝑚2

𝑅 𝑎 (đảo chiều điện áp ph n ng) ầ ứ

❖ Kết luận: Để ối ưu phầ t n cứng cũng như giả chi phí cho hệ thống, trong đề m tài này ta chọn đảo chiều động cơ điện kích từ độc lập b ng cách o chi u ằ đả ềđiện áp phần ứng

1.2.3.4 Chọn phương án hãm dừng cho động cơ:

- 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 phầ ứng động cơ khỏi lưới điện n m t chiộ ều và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích từ ẫ v n 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)

Trang 20

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

𝐼ℎđ=−𝐾𝑒𝜙𝜔ℎđ𝑅 + 𝑅

𝑎 ℎ < 0 𝑀ℎđ= 𝐾𝑀𝜙𝐼ℎđ< 0

Hình 1 10 Sơ đồ ạ m ch điện và đồ thị đặc tính cơ – điệ n của hãm động năng

- Khi hãm động năng kích từ độc lập tiêu th ụ ít năng lượng từ lưới Năng lượng ch yủ ếu được tạo do động năng của động cơ tích được trong quá trình làm việc

1.2.3.5 Chọn phương án điề u khiển tốc độ động cơ:

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

Hình 1 11 Sơ đồ ạch thay đổi điệ m n áp phần ứng và sơ đồ thay thế

- Để điều chỉnh điện áp ph n ầ ứng động cơ một chi u c n có thiề ầ ết bị ngu n ồnhư 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 chi u có sề ức điện động E bđiều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển U đk

- 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 = −𝐾𝐸𝑏

Trang 21

- Sự khác nhau giữa đặc tính cơ của động cơ và đặc tính cơ của hệ truyền động điện là độ sụt tốc đ  của hệ truyộ ền 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 ph n ầ ứng động cơ

- Khi điều ch nh giá tr ỉ ị điện áp Uđk ta nhận được các giá trị 𝐸𝑏 khác nhau và được họ đặc tính cơ song song với các giá tr ị0 ( ng vứ ới 𝐸𝑏 ) khác nhau Ta nhận thấy khi điều chỉnh điện áp ph n ng công suầ ứ ất động cơ tăng tuyến tính v i tớ ốc đ còn kh ộ ả năng sinh mô men của động cơ không đổ i

1.3 Tính ch n công suọ ất động cơ:

1.3.1 Tính c ọn động cơ: h

❖ Sau khi tính toán các thông s yêu c u cố ầ ủa tải ở ụ m c 1.2.1 ta có th tính toán ể

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

- Với các giá trị ng tr cđẳ ị ủa momen và công suất đã tính, ta ph i lựả a ch n ọđộng cơ sao cho:

Trang 22

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

B ảng 1 4 Thông số điệ n của động cơ

Phạm vi tốc

độ (rpm) Phần

ứng

Kích

từ

B ảng 1 5 Thông số kích thước của động cơ

Hình 1 13 Động cơ điện một chiều ZD37

 Hộp giảm t c WPDS có các thông s cụ ố ố thể như sau:

B ảng 1 6 Thông số ộ h p gi m t c ả ố

trục vào (mm)

Rãnh cavet (mm)

Mô men quán tính (𝐊𝐠𝐦𝟐)

Trang 23

Hình 1 14 Hộp giảm tốc WPDS

1.3.2 Kiểm nghi m các thông sệ ố điện cơ của động cơ:

1.3.2.1 Tính toán lại các thông số yêu cầu của t i sau khi chả ọn động cơ và hộp số:

- Sau khi chọn được động cơ và hộp giảm tốc ta sẽ tính toán lại momen và công suất yêu c u cầ ủ ải để ki m nghia t ể ệm

- Lúc này ta xác định momen điện từ yêu cầu của tải là:

 𝑇𝑒𝑚= 𝐽𝑚𝑑 𝜔 𝑚

𝑑𝑡 + 𝑟2𝑀𝑑𝜔 𝑚

𝑑𝑡

 Với 𝐽𝑚 = 0.05 Kg𝑚2 l y t datasheet cấ ừ ủa hộp giảm tốc đã chọn

- Momen điện t yêu c u cừ ầ ủa tải sau khi đã chọn động cơ và h p s : ộ ố

B ảng 1 7 Mô men điệ ừn t yêu c u c a t i sau khi chầ ủ ả ọn động cơ và hộp số

Trang 24

Trang 25

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

- Mối quan h c a các thông sệ ủ ố của động cơ trước và sau khi qua hộp số được biểu di n b i công thễ ở ức sau:

 𝑇1đ𝑚 : Mô men định mức của động cơ

 𝑇2đ𝑚 : Mô men định mức trên đầu tr c ra cụ ủa hộp s ố

 𝑇1𝑚𝑎𝑥 : Mô men cực đạ ủa động cơ i c

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

❖ Để so sánh các thông s ố trên đầu trục ra của h p s và yêu c u c a tộ ố ầ ủ ải ta so

sánh những đại lượng sau:

- Tốc đ cộ ực đại mong mu n và tố ốc độ ực đại trên đầ c u trục ra của hôp s : ố

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

- Mô men đẳng trị yêu c u c a t i và mô ầ ủ ả men định mức trên đầu trục ra c a hủ ộp số:

(1.23)

Trang 26

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

Hình 1 16Đồ thị khi m nghi m công su t cể ệ ấ ủa động cơ khi có hộp s ố

❖ Kết luận:

- Từ hai đồ thị hình 2.9 và hình 2.10 ta th y rấ ằng mô men điệ ừn t , công suất động cơ vượt quá giá tr ịđịnh m c trong kho ng t ứ ả ừ t = 3s đến t = 4s, tuy nhiên vẫn n m trong kho ng giá tr cằ ả ị ực đại nên s không ẽ ảnh hưởng đến động cơ

- Qua so sánh và bi u di n các thông sễ ễ ố lên đồ thị ta k t luế ận động cơ và hộp

số đã chọn đạt yêu cầu của tài

1.3.3 Kiểm nghiệm động cơ bằng mô ph ng MATLAB / SIMULINK: ỏ

❖ Ta kiểm nghiệm việc cấp nguồn cho động cơ để hoạt động được vớ ải bằi t ng cách thay đổi thông số ngu n cồ ấp trực tiếp cho động cơ và thay đổi sơ đồ mạch điện

- Biểu diễn trên đồ thị các kết quả ểm nghiệ ki m v ề tín hiệu dòng điện, điện

áp, mô-men, tốc độ quay, t ừ thông, Phân tích các kết quả đáp ứng, kiểm nghiệm và hi u ch nh lệ ỉ ại động cơ, tải

- Sơ đồ mô phỏng động cơ DC:

Hình 1 17Sơ đồ mô ph ng hoỏ ạt động động cơ

Trang 27

- 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 c n dùng khầ ối Gain để tính toán t s truy n ỉ ố ềđộng

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

❖ Kết quả mô ph ng: ỏ

- Với điện áp 220VDC:

Hình 1 18 Đồ tthị ốc độ theo th i gian vờ ới điện áp 220VDC

Hình 1 19 Đồ thị điện áp, dòng điện ph n ng vầ ứ ới điện áp 220VDC

Hình 1 20 Đồ mô men theo th i gian vthị ờ ới điện áp 220VDC

Trang 28

- Với điện áp 110VDC:

Hình 1 21 Đồ tthị ốc độ theo th i gian vờ ới điện áp 110VDC

Hình 1 22 Đồ thị điện áp, dòng điện ph n ng vầ ứ ới điện áp 110VDC

Hình 1 23 Đồ mô men theo th i gian vthị ờ ới điện áp 110VDC

Trang 29

- Tại t = 3s ta th c hiự ện đảo chiều động cơ bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng ở cả hai trường hợp Ta thấy tốc độđổi chiều, dòng điện và mô men tăng cao và dần v hoề ạt động mở ứ ổn định c

- Ta th y khi giấ ảm điện áp phần ứng (220V => 110V) thì các thông s tố ốc độquay, dòng điện phần ứng và mô men điện từ của động cơ cũng giảm theo

❖ Kết thúc phần tính ch n công suọ ất động cơ ta có bảng thông s ố động cơ và tải cuối cùng:

B ảng 1 9 Thông số các thi t bị ế

Tên thi t b ế ị Thông số Giá trị Đơn vị

Yêu cầu của t i ả

Trang 30

2.1 Tính chọn bộ biến đổi công su ất:

2.1.1 Phân tích chọn b ộ biến đổ i công su ất:

❖ Yêu cầu c a b biủ ộ ến đổi công suất:

- Sau khi phân tích chọn các phương án truyền động cho động cơ ở ụ m c 1.2.3

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

 Hoạt động với điện áp ngu n xoay chiồ ều 3 pha 220/380V

 Đáp ứng đủ ải động cơ t

 Có thể điều khiển động cơ hoạt động c 4 góc phở ả ần tư

 Có thể điều chỉnh được điện áp cấp cho động cơ để ph c v các nhiụ ụ ệm

vụ khởi động, tăng tốc, hãm và đảo chi u ề

- Từ các yêu cầu trên ta ch n b biọ ộ ến đổi công suất là bộ chỉnh lưu kép ba pha:

- Ta có sơ đồ m ch chạ ỉnh lưu kép 3 pha như sau:

Hình 2 1 Sơ đồ ạ m ch ch ỉnh lưu kép 3 pha

2.1.2 Tổng quan v b ề ộ chỉnh lưu kép 3 pha:

❖ Cấu t o: gạ ồm 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 chi u, bao gề ồm hai bộ chỉnh lưu đơn ghép lại B ộ chỉnh lưu I điều khiển dòng điện qua tải theo chiều dương và bộ chỉnh lưu II điều khiển dòng qua t i theo chi u âm ả ề

Trang 31

Hình 2 3 Các tr ng thái hoạ ạt động c a b ủ ộ 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 ngu n, không phồ ụ thuộc tr ng thái kích cạ ủa các thyristor nhóm cathode Tương tự với udK

Trang 32

Trang 33

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

- Điều khi n riêng: ể

 Từng bộ chỉnh lưu làm việc độ ập, trong khi đó bộ chỉnh lưu còn lại c lkhông làm việc

 Khi làm vi c thì ch có mệ ỉ ột trong hai sơ đồ chỉnh lưu được cấp tín hi u ệđiều khiển và làm việc còn sơ đồ kia thì nghỉ hoàn toàn

- Điều khi n ể chung:

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

 Điều kiện để không có dòng ng n mắ ạch:

• 𝑈𝑑𝐼+ 𝑈𝑑𝐼𝐼≤ 0

• 𝑈𝑑0(𝑐𝑜𝑠𝛼𝐼+ 𝑐𝑜𝑠𝛼𝐼𝐼) ≤ 0

• (𝛼𝐼+ 𝛼𝐼𝐼) ≥ 𝜋

 Điều khi n phể ối hợp tuy n tính: ế 𝛼𝐼+ 𝛼 = 𝜋𝐼𝐼

• Bộ chỉnh lưu I được điều khiển v i góc ớ 𝛼𝐼<𝜋

2 s làm viẽ ệc ở chế độchỉnh lưu

• Bộ chỉnh lưu II được điều khi n vể ới góc 𝛼𝐼𝐼>𝜋

2 s ẽ 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 b ộ

biến đôi (do có cuộn kháng

cân bằng), tăng công suất tính

toán c a máy biủ ến áp để bù

tonor thất dòng cân b ng ằ

- Không có dòng tu n hoàn qua ầ

bộ chỉnh lưu, không cần dùng cuộn kháng cân bằng

- Xuất hiện dòng dáng đoạn khi đảo chi u (vì phề ải đảm b o b ả ộchỉnh 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

Trang 34

2.1.3 Tính ch n linh ki n cho bọ ệ ộ biến đổ i:

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

- Điện áp trung bình ra sau bộ chỉnh lưu:

B ảng 2 1 Thông sô của Thyristor T22-10-07

(2.11)

Trang 35

2.1.4 Tính toán ch n thi t b b o v cho mọ ế ị ả ệ ạch động lực:

❖ Bảo v dòng cho van bán d n: ệ ẫ

- Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động, bảo v khi quá tệ ải

và ng n m ch thyristor, ngh n mắ ạ ắ ạch đầu ra bộ biến đổi, ng n m ch th ắ ạ ứcấp máy bi n áp,ng n m ch ế ắ ạ ở chế độ nghịch lưu

- Sau khi tính toán và ch n ọ 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 các thông s sau:có ố

B ảng 2 2 Thông số Aptomat LS MCB 3P

(V)

Dòng điện nh địmức (A)

Dòng cắt ngắn mạch (KA)

Hình 2 7 Aptomat Schneider EZ9F34306.–

❖ Bảo v quá áp trong cho van công su t: ệ ấ

B o vả ệ quá điện áp cho quá trình đóng ngắt tyristor được th c hi b ng cách ự ệ ằmắc R-C song song v i thyristor Khi có s chuy n mớ ự ể ạch, các điện tích tích tu trong lớp ban d n phóng ra ngoài tẩ ạo dòng điện ngược trong kho ng th i gian ng n S ả ờ ắ ựbiến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng c c lự ớn 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 chuy n m ch nên thyristor không bể ạ ị quá điện

áp

Trang 36

Hình 2 8 Mạch b o v quá áp trong cho van công su ả ệ ất

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

- Chọn R = 5,1 (1 ), C1 = 0,25 ( F )

❖ Sau khi tính toán ch n linh ki n ọ ệ 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 khi n phát xung: ể

2.2.1 Yêu cầu chung đối i m vớ ạch điều khiển:

Mạch đi u khi n phát xung c n thề ể ầ ực 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 khi n c n thi ể 𝛼 ầ ết

- Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khi n ể 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 khở ội đng, hãm và đảo chi u ề

- Đảm bảo xung điều khiển phát tới van công suất phù hợp để chắc ch n m ắ ởđược van, cụ thể là thỏa các yêu c u ầ

 Đủ công suất về điện áp và dòng điện

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

Trang 37

2.2.2 Cấu trúc m ạch điều khiển:

❖ Để điều khiển xung cho bộ biến đổi cộng suất (bộ chỉnh lưu kép 3 pha), ta sửdụng phương pháp điều chỉnh độ ộng xung PWM đượ r c tích hợp trong vi điều khiển ở b ộ điều khiển và được điều khiển b ng các thuật toán được lập ằtrình bên trong vi điều khiển Xung kích có dạng xung chùm

Hình 2 10 Đồ mô t thị ả phương pháp PWM và các d ng xung kích thyristor.ạ

❖ Vì các chân I/O của vi điều khiển thường có dòng thấp, không đủ để kích mở các linh kiện trong b biộ ến đổi công su t, c ấ ụ thể ở đây là thyristor Để ải giquyết vấn đề này ta cần thiế ế một k t mạch khuếch đại xung s d ng Opto ử ụquang

- Ta có sơ đồ mạch như sau:

Hình 2 11 Sơ đồ mạch phát xung

Tiêu đề	Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Điện Sử Dụng Động Cơ Một Chiều Kích Từ Độc Lập
Tác giả	Nguyễn Văn Phục, Nguyễn Quang Rền, Nguyễn Lương Tài, Nguyễn Thanh Tấn, Phan Minh Thuận
Người hướng dẫn	PGS.TS Lê Tiến Dũng
Trường học	Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại Học Bách Khoa
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa
Thể loại	Đồ án liên môn
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	11,51 MB