Đề tài thiết kế hệ thống truyền Động Điện sử dụng Động cơ Đồng bộ 3 pha tải chuyển Động quay

- Từ phương trình trên và đồ thị yêu cầu của tải, ta được đồ thị mong muốn của động cơ:Hình 1.3 Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ - Dựa vào đồ thị trên, ta có thể xác định quá trình di

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thanh Hòa - 105220390

Đinh Viết Đạt – 105220290

Đoàn Luật Phú Hàn – 105220388 Phan Đình Quý – 105220362 Hoàng Ngọc Thành - 105220365 Nhóm HP : 22.33A

Đà Nẵng - 2024

PHẦN I: TỔNG QUAN YÊU CẦU VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA TẢI VÀ CHỌN ĐỘNG CƠ

1.1 Tổng quan hệ thống và phân tích yêu cầu công nghệ:

1.1.1 Yêu cầu

- Mục đích của bài toán là thiết kế 1 hệ thống truyền động điện, sử dụng động cơ 3 pha đồng

bộ (PMSM – động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu) để tải chuyển động quay theo yêu cầu

Hình 1.1: Sơ đồ truyền động của hệ thống

* Yêu cầu:

- Nguồn cung cấp động cơ: Nguồn AC 3 pha 220V/380V

- Đối với hệ thống: + Tỉ số bán kính 2 bánh răng: r 2 r 1=6

Hình 1 Đồ thị tốc độ tải mong muốn

- Điều khiển động cơ dễ dàng, có đảo chiều quay

- Tính chọn được các thiết bị, cơ cấu chấp hành của của hệ thống (động cơ, gearbox, biếntần,…)

1.1.2 Sơ đồ tổng quát của hệ thống

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát của hệ thống

1.2 Tính các thông số và chọn động cơ

1.2.1 Phân tích yêu cầu của hệ thống

- Do tính chất của tải quay, 2 bánh răng sẽ quay chiều ngược nhau và sẽ quay cùng tốc độdài, nên ta có công thức:

ω M r1=−ω L r2

- Từ phương trình trên và đồ thị yêu cầu của tải, ta được đồ thị mong muốn của động cơ:

Hình 1.3 Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ

- Dựa vào đồ thị trên, ta có thể xác định quá trình diễn ra trong 6 giai đoạn, ta tạm quy ướcđộng cơ quay nghịch với ω M<0 và quay thuận với ω M>0

 Giai đoạn 1: Từ 0s→1s động cơ quay nghịch và tăng tốc từ ω M = 0 𝑟𝑎𝑑/𝑠 đến ω M =

1.2.2 Tính toán momen điện từ yêu cầu của động cơ

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống truyền động điện tải quay

- Vì chưa chọn được động cơ và momen quán tính trên trục động cơ cũng tương đối nhỏ nên

ta tạm thời bỏ qua JM , ta tạm tính sơ bộ momen động cơ cung cấp cho tải quay

T em=¿−(T L +J L

d ω L

dt )r1

r2 Lúc này ta có:

Hình 1 Đồ thị momen điện từ của động cơ mong muốn khi tính toán sơ bộ

1.2.3 Tính công suất của động cơ

- Ta có công thức tính công suất động cơ:

M=−100

Hình 1 Đồ thị công suất động cơ tính sơ bộ

1.2.4 Tính momen đẳng trị, công suất đẳng trị của động cơ

- Quá trình hoạt động của động cơ chỉ trong thời gian ngắn (7s), vì vậy nếu có quá tải xảy ra,

nó cũng chỉ quá tải trong 1 khoảng thời gian rất ngắn, không gây ảnh hưởng xấu đến động

cơ Cho nên, ta sẽ chọn động cơ theo cái giá trị công suất và momen đẳng trị (trung bình) đểtối ưu chí phí cũng như vận hành của động cơ được ổn định

- Ta đi tính Tđt và Pđt của động cơ

1.2.5 Lựa chọn phương án truyền động

- Ta thấy, ω đm của động cơ lớn hơn nhiều lần so với ω m, trong khi T đm của động cơ thì lại béhơn nhiều lần so với T m cho nên ta cần có 1 phương pháp để hạ tốc độ của động cơ xuống vàtăng momen lên

⇒Vì vậy ta sẽ chọn hộp số giảm tốc có tỉ lệ 1:5

1.3 Kiểm nghiệm lại cái thông số động cơ

1.3.1 Kiểm nghiệm tốc độ quay trên đầu trục động cơ và đầu ra của hộp số

Hình 1 Đồ thị kiểm nghiệm tốc độ đầu ra của hộp số

- Ta thấy, ω'

đm >ω max trong phần lớn thời gian, trong khoảng từ 1 s →3 s tốc độ động cơ vượttốc độ định mức của động cơ, tuy nhiên nó chỉ lớn hơn không qua nhiều và cũng chỉ xuấthiện trong 1 khoảng thời gian ngắn nên động cơ và hộp số đã đáp ứng được yêu cầu

1.3.2 Kiểm nghiệm momen điện từ của động cơ và momen đầu ra của hộp số

Bảng 1 Momen của động cơ sau khi có được J M

- Ta tính momen đẳng trị của động cơ:

Hình 1 Đồ thị kiểm nghiệm momen đầu ra của hộp số

- Dựa vào đồ thị trên, ta thấy T ' đt <T ' đm và trong khoảng 0s→1s và 3s→4s thì momen momenđầu ra của hộp số lớn hơn momen định mức, nhưng vẫn nhỏ hơn giá trị momen xoắn cực đại,cho nên hộp số và động cơ vẫn đáp ứng được yêu cầu của tải

1.3.3 Kiểm nghiệm công suất động cơ

Giai đoạn Tốc độ quay

Bảng 1 Bảng tính công suất động cơ sau khi chọn được đủ các thông số

- Ta đi tính công suất điện từ P ' đt

P ' đt=√ ∑P ' i2 ∆ t i

∑t i =√P '12 ∆ t1+P '

3 2

∆ t2+P '

5 2

∆ t3+P '

7 2

∆ t4+P '

9 2

∆ t5+P '

11 2

Hình 1 Đồ thị kiểm nghiệm công suất của động cơ

- Từ đồ thị trên, ta thấy P ' đt <P đm nên động cơ đáp ứng được yêu cầu của tải, có những

khoảng thời gian nhỏ công suất của động cơ vượt công suất định mức nhưng chỉ trong 1khoảng thời gian nhỏ nên không ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của động cơ

⇒Động cơ và hộp số đáp ứng được yêu cầu hoạt động của tải

PHẦN II: TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

2.1 Tính toán và chọn linh kiện mạch động lực:

2.1.1 Phân tích chọn bộ biến đổi công suất:

➢ Yêu cầu của bộ biến đổi công suất:

- Sau khi phân tích và lựa chọn phương án truyền động cho động cơ, ta đưa ra yêu cầu về bộbiến đổi công suất như sau:

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

- Ban đầu điện áp xoay chiều 3 pha sẽ được đưa vào bộ chỉnh lưu cầu diode để chuyển thànhđiện áp một chiều Sau đó đưa qua mạch lọc LC để lọc bớt các thành phần sóng hài, sanphẳng điện áp một chiều sau bộ chỉnh lưu Sau đó qua tiếp mạch nghịch lưu có điều khiển đểbiến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng Điều chỉnh biên độ và tần

số điện áp 3 thông qua xung kích cho IGBT

2.1.3 Bộ chỉnh lưu

Hình 2.1 Sơ đồ mạch chỉnh lưu

→Sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển với các van bán dẫn là các diode côngsuất

- Điện áp ngõ vào: điện áp xoay chiều ba pha: 220V/380V

- Trị trung bình của điện áp sau chỉnh lưu: U d=3√6

π ∗220=515V

- Điện áp ngược đặt lên mỗi diode: U ng =U√6=220√6=539V

- Dòng điện định mức của động cơ: I đm =100 A

- Dòng điện trung bình qua các van: I v=I d

3=100

3 A

- Chọn hệ số dự trữ: k U=1.6 và k I=1.2

+ Điện áp: U ' ng =U ng ∗1.6=862.4 V

+ Dòng điện: I ' ng =I ng ∗1.2=40 A

- Từ điện áp ngược đặt lên diode và dòng điện trung bình chạy qua diode ta chọn được diodephù hợp cho bộ chỉnh lưu:

→Ta chọn Diode Infineon IDW60C120 có thông số datasheet như bảng 2.1:

Loại Điện áp ngược

cực đại U RRM (V )

Dòng điện quavan cực đạiI max ( A )

Bảng 2 Bảng thông số diode Infineon IDW60C120

Hình 2 Diode Infineon IDW60C1202.1.4 Bộ lọc 1 chiều

- Phần này bao gồm tụ điện và cuộn cảm để làm phẳng các gợn sóng và tích trữ nguồn

DC Chức năng chính của liên kết DC là nhận, lưu trữ và cung cấp nguồn DC

Hình 2 Sơ đồ mạch nghịch lưu dùng IGBT, điều khiển động cơ 3 pha

- Điện áp vào của bộ nghịch lưu: U d =515V

- Điện áp đặt ngược lớn nhất trên IGBT: U ng =U d =515V

- Vì tải đấu hình sao (Y) nên dòng cực đại qua mỗi IGBT bằng với dòng sau mạch nghịchlưu: I đm =I d =100 A

- Tuy nhiên khi khởi động động cơ thì dòng điện khởi động lớn hơn nhiều so với dòng địnhmức nên phải chọn IGBT có thông số giới hạn cao hơn

- Chọn hệ số dự trữ: k U=1.6 và k I=1.2

+ Điện áp: U ' ng =U ng ∗1.6=824 V

+ Dòng điện: I '

ng =I ng ∗1.2=120 A

→Ta chọn IGBT IRGP4066DPBF để làm các van điều khiển cho mạch nghịch lưu

Loại Điện áp ngược

cực đại U RRM (V )

Dòng điện quavan cực đạiI max ( A )

Hình 2.1 IGBT IRGP4066DPBF

PHẦN 3: MÔ PHỎNG CÁC THÀNH PHẦN CẤU TẠO NÊN MẠCH ĐỘNG LỰC 3.1 Mô phỏng động cơ:

Hình 3.1 Mô phỏng động cơ PMSM

Hình 3.2 Các thông số của động cơ

Hình 3.3 Momen tải

- Ta cho động cơ chạy với nguồn điện 3 pha đối xứng 220/380, tần số 50Hz và momen điện từ của động cơ như ta đã tính ở phần 1

→ Kết quả mô phỏng.

Hình 3.4 Đồ thị tốc độ động cơ

40 =78.54 rad /s, khi khởi động hoặc khi ta thay đổi momen tải thì sẽ

xảy ra quá trình quá độ trong 1 khoảng thời gian ngắn rồi sau đó sẽ về lại tốc độ định mức

- Đối với momen của động cơ, khi các giá trị tải thay đổi thì momen của động cơ sẽ xảy raquá độ trong 1 khoảng thời gian ngắn rồi sẽ về giá trị momen bằng momen tải để cân bằng

⟹Động cơ đáp ứng được yêu cầu.

3.2 Mô phỏng mạch chỉnh lưu

Hình 3.6 Mô phỏng mạch chỉnh lưu

- Như đã giới thiệu và tính toán các linh kiện ở phần 1, ta mô phỏng mạch chỉnh lưu cầukhông điều khiển (dùng diode), mạch lọc LC có các giá trị C=0.001F, L=0.15H, ngoài ra tadùng thêm 1 điện trở R mắc song song với tụ C để tránh hiện tượng ngắn mạch, ta chọnR=100Ω

⟶Kết quả mô phỏng

Hình 3.7 Đồ thị điện áp sau chỉnh lưu

Hình 3.8 Đồ thị dòng điện sau chỉnh lưu

3.3 Mô phỏng mạch nghịch lưu

3.3.1 Mô phỏng mạch nghịch lưu với xung kích π

Hình 3.9 Giản đồ xung kích nghịch lưu

- Hoạt động: Thứ tự kích mở các van như giản đồ xung kích, mỗi van kích chậm hơn van kếtrước nó 1 khoảng π3 , mỗi van sẽ kích mở trong khoảng π để đảm bảo không có 2 van nàotrên cùng 1 đường thẳng kích mở cùng lúc để tránh trường hợp ngắn mạch

Hình 3.10 Mô phỏng mạch nghịch lưu dùng xung kích π

Hình 3.11 Đồ thị điện áp pha A sau nghịch lưu

Hình 3.12 Điện áp pha sau nghịch lưu

Hình 3.13 Điện áp dây sau nghịch lưu

Hình 3.14 Dòng điện dây sau nghịch lưu

⇒ Nhận xét: Điện áp, dòng điện pha và dây sau nghịch lưu đúng với lí thuyết đặt ra Tuynhiên, điện áp chưa được sin hóa, khi lắp vào động cơ thì sẽ không hoạt động ổn định mà xảy

ra nhiều khoảng nhấp nhô Nên ta cần 1 phương pháp để tạo ra điện áp 3 pha tương tự nhưdạng sóng sin điều hòa

⇒ Sử dụng phương pháp điều khiển SPWM

3.3.2 Mô phỏng mạch nghịch với xung kích được điều khiển bằng PWM

⇒ Nguyên tắc chung: Phương pháp này có thể cho ra điện áp gần dạng sine và đồng thờiđiều chỉnh được điện áp ra, do vậy không cần nguồn điện một chiều điều chỉnh điện áp.Dạng sóng ra của bộ biến tần điều rộng xung có dạng gần sin hơn so với bộ biến tần 6 bước.Các dòng qua IGBT cũng có dạng nhảy bậc giống xung kích Do sử dụng chuỗi xung điềurộng ở tần số cao hơn, công suất tiêu tán của khối biến tần điều rộng xung cũng thấp hơn

⇒ Yêu cầu: Vấn đề chính trong điều chế độ rộng xung ba pha là phải có ba sóng sin chuẩn cóbiên độ chính xác bằng nhau và lệch pha nhau chính xác 120° trong toàn bộ dải điều chỉnh

Cần phải bảo đảm dạng xung điều khiển ra đối xứng và khoảng dẫn của mỗi khóa bán dẫnphải được xác định chính xác.

⇒ Giản đồ kích đóng khóa bán dẫn của bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơbản:

- Sóng mang (sóng tam giác) URC có tần số cao

- Sóng điều khiển Uđk hoặc sóng điều chế dạng sin

+ Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều Tuy nhiên, tần sốđóng ngắt cao sẽ làm tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt tăng

+ Sóng điều khiển Uđk mang thông tin về độ lớn, trị số hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bảncủa điện áp ngõ ra

Hình 3.15 Giản đồ thời gian hoạt động của bộ biến tần điều chế độ rộng xung PWM

- Trong quá trình điều khiển thì ta thấy để điều khiển cho pha A chúng ta sẽ điều khiển khóaT1 và T4 bằng cách ta so sánh điện áp sóng mang với tín hiệu của sóng sin UA và giao điểmgiữa 2 điểm chính là thời gian phát xung, trong thời gian này ta thấy nếu mà sóng sin lớn hơn

sóng mang thì ngõ ra là bằng 1 Tương tự, từ đó ta sẽ tạo ra 3 tín hiệu điều khiển Uđka,Uđkb, Uđkc tương ứng cho khóa T1, T3, T5; còn khóa T4 là đảo pha so với T1, T6 đảo pha

so với T3, và T2 đảo pha so với T5 Điều này để tránh cho việc 2 van trên cùng một nhánhkhông được cùng dẫn trong một thời điểm

- Ta thực hiện nghịch lưu, dùng 1 nguồn DC 514.5V ứng với điện áp xác lập sau mạch chỉnhlưu, tải RL nối tiếp R=100Ω, L=0.15H, tần số sóng mang 2000Hz

Hình 3.16 Mô phỏng mạch nghịch lưu dùng SPWM điều khiển xung kích

Hình 3.17 Điện áp dây sau nghịch lưu dùng PWM

Hình 3.18 Điện áp dây sau nghịch lưu dùng PWM

Hình 3.19 Điện áp pha A sau nghịch lưu dùng PWM

Hình 3.20 Dòng điện dây sau nghịch lưu dùng PWM

⇒Nhận xét: Khi dùng PWM để điều khiển, điện áp sau nghịch lưu được sin hóa, mượt hơnkhông còn bị rời rạc như khi dùng xung kích dạng π như phần 3.3.1 Với điện áp trên khiđược dùng để làm nguồn cho động cơ thì động cơ sẽ hoạt động mượt mà hơn, giảm các tìnhtrạng hoạt động không ổn định.

PHẦN 4: MÔ PHỎNG TOÀN BỘ HẾ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VÀ KIỂM

NGHIỆM CHẤT LƯỢNG4.1 Mô phỏng hệ thống truyền động điện

Hình 4.1 Hệ thống truyền động điện đầy đủ

- Phân tích mạch động lực của hệ thống:

+ Đầu tiên, ta sử dụng nguồn điện 3 pha đối xứng 220/380VAC để đưa vào mạch chỉnh lưucầu không điều khiển (dùng diode) Điện áp, dòng điện sau bộ chỉnh lưu có độ đập mạch lớn(p=6), không đảm bảo chất lượng để sử dụng, vì vậy ta cần sử dụng 1 bộ lọc LC để làmphẳng điện áp và dòng điện sau chỉnh lưu

+ Sau khi điện áp và dòng điện sau chỉnh lưu đã được làm phẳng tương đối, ta sử dụngnguồn đó để đưa vào mạch nghịch lưu cầu điều khiển hoàn toàn bằng MOSFET, điều khiển

xung kích đóng, mở các MOSFET bằng SPWM để tạo ra điện áp, dòng điện, tần số, momenđáp ứng với mong muốn.

- Phân tích mạch điều khiển SPWM:

+ Khối TOC_DO chính là khối tốc độ động cơ ta mong muốn, ta vẽ đồ thị tốc độ động cơtheo thời gian mà ta đã tính toán được ở phần I

+ Sau khi có khối tốc độ, ta nhân khối TOC_DO với 2 π p =2 π4 =0.637 để tạo ra tần số của sóngđiều khiển, cũng chính là tần số của điện áp sau nghịch lưu, bởi vì đây là động cơ đồng bộnên tốc độ của động cơ n=60 f

ω dt, sau khâu tích phân này ta

thu đượcθ (rad ), tiếp tục ta công θ với 3 hệ số [0 −2 π3 2 π3 ] để tạo ra 3 giá trị lệch tương ứngvới nguồn 3 pha đối xứng Sau đó ta lấy giá trị đó kết hợp với khối sin để tạo ra 3 sóng điềuhòa 3 pha đối xứng, có biên độ là 1 Ta cần phải khống chế biên độ của tín hiệu điều khiểnthấp hơn tín hiệu sóng mang để mà không bị quá điều chế nên ta sử dụng khối Gain để nhânvới hệ số điều chế là 0.86

+ Sóng mang ở đây là sóng răng cưa có biên độ là 1, tần số cao 10kHz, tần số càng cao thì kếtquá điện áp ra nghịch lưu càng được sin hóa, tuy nhiên đóng mở với tần số cao gây ra tổnhao về năng lượng

+ Sau khi điều chế được sóng mang (biên độ 1, tần số 10kHz), sóng điều khiển 3 pha đốixứng (có tần số bằng 0.637ω mong muốn, biên độ bằng 0.86) Ta đi so sánh giá trị của sóngđiều khiển với giá trị sóng mang, nếu giá trị của sóng điều khiển lớn hơn giá trị của sóngmang thì sẽ kích các van lẻ, ngược lại thì kích van chẵn, cụ thể:

{x(sin(θ))≥ x (mang)thì kích mở van S 1

x(sin(θ))≤ x (mang)thì kích mở van S 4

+ Ta nối các tín hiệu điều khiển vàng các chân G của MOSFET tương ứng

* Ta quy ước ω ≥ 0 thì động cơ quay thuận, ω ≤ 0 thì động cơ quay nghịch

Hình 4.2 Đồ thị tốc độ động cơ mong muốn

- Tốc độ động cơ ở đây bằng giá trị của tốc độ mong muốn sau hộp số nhân với hệ số giảmtốc của hộp số là 5

Hình 4.3 Đồ thị momen động cơ mong muốn

- Momen động cơ mong muốn chính bằng giá trị momen mong muốn sau hộp số chia cho hệ

số giảm tốc là 5

Hình 4.4 Đồ thị giữa 3 sóng điều khiển 3 pha đối xứng và sóng mang

Hình 4.5 Tốc độ động cơ mong muốn

Hình 4.6 Tốc độ sau hộp số