Thiết kế hệ thốngđiều khiển và khống chế động cơ điện không đồng bộ ba pha

Thiết kế hệ thốngđiều khiển và khống chế động cơ điện không đồng bộ ba pha

LOI NOI DAU Trong những năm gần đay, nghành điện công nghiệp 6 nuoc ta đang ngày càng được chú trọng và đầu tư phátt triển Sự phát triển đó được đánh dấu bằng việc cho ra đời hàng các phương pháp để điều khiển động cơ ngoài mục địch đáp ứng nhu cầu phục

hồi khả năng làm việc như ban đầu của động cơ

Để làm được điều đú, người thợ cần phải hoàn thiện tất cả các khâu trong việc thiết kế mạch điều khiển, mạch động lực,đưa ra phương pháp tối ưu và lắp đặt ngoai

ra con phải đưa ra nhưng sai hỏng và cách khắc phục

Từ những gì chúng em đã được biết qua học trên lớp và tìm hiểu nguồn tài liệu bên ngoai,chúng em đã tiến hành mạch khởi động động cơ KĐB 3 pha.vơi mong muốn đưa

ra phương pháp điều khiển khởi động động cơ một cách tối ưu

Với lòng say mê tìm hiểu và ham học hỏi chúngng em đã cố gắng tận dụng tất cả

những kiến thức đã học được từ thầy cô, bạn bè trong những năm tháng học tập vừa

qua, mong hoàn thành tốt đề tài này Những sản phẩm, những kết quả đạt được ngày hiện nay chưa phải lớn lao nhưng lại cú một ý nghĩa quan trọng đối với chúng em Bởi

nó đánh giá thành quả trong suốt một thời gian dài học tập tại trường

Cùng với sản phẩm chúng em đã hoàn thành quển thuyết minh với hy vọng có thể

trở thành tài liệu tham khảo cho học sinh, sinh viên nghành kỹ thuật điện

Trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Chúng em rất mong,

nhận được những ý kiến đóng góp của thầy và cô và các bạn để đề tài của chúng em

ngày một hoàn thiện hơn

"Nhóm sinh viên thực hiện

ĐỀ TÀI MÔN HỌC

Giao Viên Hướng Dẫn: Thầy Đỗ công Thắng

Nhóm sinh viên thực hiện :

1 NguyOn Vn Kh{ji 2.NguyÔn V'n Linh

3 NguyOn Quang Huy

Nganh dao tao : Ky thuat Dién

Tên đề tài: Thiết kế hệ thốngđiều khiển và khống chế động cơ điện không đồng bộ ba pha

Có đảo chiều quay

Khởi động qua ba cấp điện trở phụ với thời gian lần lượt là

1s,2s và 1,5s

Bảo vệ các sự cố quá tải, ngắn mạch, quá áp

» SỐ liệu cho trước:

Các trang thiết bị, máy móc

Phần mềm PLC, vi điều khiển

Tài liệu chuyên môn

Nội dung cần hoàn thành:

1, Phân tích, lựa chọn phương án

Lý thuyết và các vấn đề liên quan

Phân tích, lựa chọn thiết bị

Lập trình điều khiển và mô phỏng

Sản phẩm của đề tài : Quyển thuyết minh và các bản vẽ , chương trình phần mềm, Folie mô tả đầy đủ nội dung của đề tài, sẩn phẩm

NHAN XET

CHUONG I: CAC NGUYEN TAC DIEU KHIEN

1.1 Khái niệm chung

Khi mở máy các động cơ có công suất trung bình và lớn người ta phải dùng các

thiết bị hạn chế dòng khởi động như: Điện trở, điện kháng, máy biến áp tự ngẫu Trong quá trình khởi động muốn tốc độ động cơ tăng dần đến giá trị định mức, thì ta

phải tìm cách loại dần các thiết bị hạn chế đó ra Một cách tổng quát ta có sơ đồ mạch

động lực, đặc tính tĩnh, đặc tính động của quá trình mở máy động cơ điện 1 chiều, xoay chiều như hình vẽ

Nhìn vào đặc tính tĩnh và đặc tính động ta có nhận xét:

Quá trình khởi động đi theo chiều mũi tên, tốc độ động cơ tăng dần ứng với việc loại dần các cấp điện trở phy

Nếu ta sử dụng các thiết bị để đo khoảng thời gian từ 0- tị, t.-t; bằng các

rơle thời gian và tại đó ta phát các lệnh điều khiển làm thay đổi tham số của mạch điện ( Rp, X; ) và điều khiển quá trình theo mong muốn gọi là tự động khống chế theo nguyên tắc thời gian

Nếu như ta sử dụng các thiết bị đo tốc độ như rơle ly tâm, máy phát tốc để

đo tốc độ n¡, n; và tương tự như trên ta có tự động khống chế theo nguyên tắc tốc

độ

Nếu sử dụng rơ le dòng điện để đo dòng điện I¡, I; và tương tự ta có

phương pháp tự động khống chế theo nguyên tắc dòng điện

Trong thực tế có nhiều bộ phận của máy làm việc bị giới hạn bởi góc quay

hay quãng đường nhất định khi đó người ta sử dụng phương pháp khống chế theo nguyên tắc hành trình

1.2 Các nguyên tắc điều khiển hệ thống truyền động điện kiểu hở

1.2.1 Nguyên tắc điều khiển theo thời gian

°

Điều khiển theo nguyên tắc thời gian dựa trên cơ sở là thông số làm việc của

mạch biến đổi theo thời gian Những tín hiệu điểu khiển phát ra theo quy luật thời gian

cần thiết để làm thay đổi trạng thái của hệ thống Những phần tử thụ cảm được thời gian để phát tín hiệu cần được chỉnh định dựa theo ngưỡng chuyển đổi của đối tượng

Ví dụ như tốc độ, dòng điện, mô men của mỗi động cơ được tính toán chọn ngưỡng cho thích hợp cho từng hệ thống truyền động điện cụ thể

Những phần tử thụ cảm được thời gian có thể gọi là rơ le thời gian Nó tạo nên

được một khoảng thời gian trễ (duy trì) kể từ lúc có tín hiệu đưa vào (mốc không) đầu

vào của nó đến khi nó phát được tín hiệu ra đưa vào phần tử chấp hành

Các cơ cấu duy trì thời gian có thể là: cơ cấu con lắc, cơ cấu điện từ, khí nén, cơ

cấu điện tử, tương ứng là rơ le loại đó,

Bằng giải tích hoặc bằng đồ thị mà người ta xác định số cấp điện trở phụ mở máy, giá trị điện trở của từng cấp, đặc tính động để chỉnh định thời gian tác động của

rơ le, các khoảng thời gian được tính tương đỐi như sau:

t= OO, Mu

Man- Mụ: Maz

J là mô men quán tính

Mủäg,, Mđg; là mô men động

Hình 2.2 Mạch điều khiển theo nguyên tắc thời gian

Trong sơ đồ không giới thiệu cách cấp nguồn nhưng cần phải lưu ý rằng ở mọi chỗ có nguồn đều phải được cấp đầy đủ trước khi vận hành, nhất là cần chú ý đến nguồn kích tỪ Trạng thái ban đầu sau khi cấp nguồn động lực và điểu khiển thì rơ le thời gian 1KT được cấp điện mở ngay tiếp điểm thường kín đóng chậm 1KT Để khởi động ta phải ấn nút

mở máy S2 công tắc tơ K1 hút để đóng các tiếp điểm ở mạch động lực, phần ứng động cơ điện được đấu vào lưới điện qua các điện trở phụ khởi động r1, r2 Dòng điên qua các điện trở phụ lớn gây sụt áp trên điện trở r1 Điện áp đó vượt quá mức điện áp hút của rơ le thời gian 2KT làm cho nó hoạt động mở ngay tiếp điểm thừơng đóng đóng chậm 2KT, trên mạch K3 cùng với sự hoạt động của rơle 1KT chúng bảo đảm không cho công tắc tơ K1, K2 có điện trong giai đoạn đầu của quá trình khởi động Tiếp điểm phụ K1 dóng để tự duy trì cho cuộn hút công tắc tơ K1 khi ta thôi không ấn nút S2 nữa Tiếp điểm K1 mở ra cắt rơ le thời gian 1KT đưa rơ le thời gian này vào hoạt động để chuẩn bị phất tín hiệu chuyển trạng tháu hoạt động của truyền động điện Mốc không của thời gian t có thể được xem là thời điểm K1

mở cắt điện 1KT

Thời gian chỉnh định ở mõi cấp điện trở được tính theo công thức :

M,—Mc M,—Mc

Trong đó T : hằng số thời gian điên cơ của động cở đặc tính có điện trở phụ ở cấp thứ ¡

Sau khi rơ le thời gian 1RTh nhả, cơ cấu duy trì thời gian sẽ tính thời gian từ gỐc không cho đến đạt trị số chỉnh định thì đóng tiếp điểm thường kín đóng chậm 1KT

Lúc này cuộn dây công tắc tơ gia tốc K1 được cấp điên và hoạt động đóng tiếp điểm chính của nó ở mạch động lựcvà cấp điện trở phụ khởi động thứ nhất r1 bị nối ngắn mạch động cơ sẽ chuyển sang khởi động trên đường đặc tính cơ thứ hai việc ngắn mạch điện trở r1 làm cho rơle thời gian 2KT mất điện và cơ cấu duy trì thời gian cỦa nó cũng sẽ tính thời

t= Ta In

gian tương tự như đối với rơle 1KT, khi đạt trị số chỉnh định nó sẽ đóng tiếp điểm thường đóng đóng chậm 2KT Công tắc tơ gia tốc K3 có điện hút tiếp điểm chính K3 ngắn mạch cấp điện trở thứ hai r2 động cơ sẽ chuyển sang tiếp tục khởi động trên đường đặc tính cơ tự

nhiên cho đến điểm làm việc ổn định

Những yếu tố ảnh hưởng đến nguyên tắc

Khi tính toán các đường đặc tính mở máy động cơ thường ta xét ở chế độ định

mức Nhưng thực tế do điện lưới, mô men cản, mô men quán tính và nhiệt đỘ thay đổi

so với tính toán, các yếu tố đó ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính khởi động

1.2.2 Nguyên tắc khống chế theo tốc độ

Để khống chế theo nguyên tắc này ta phải đo được tốc độ động cơ, có thể đo trực tiếp bằng rơle kiểm tra tốc độ, nhưng khi hệ thống khống chế có nhiều cấp điện

trở thì việc điều khiển gặp rất nhiều khó khăn do đó thực tế ít sử dụng Ngoài ra ta còn

có thể đo tốc độ bằng máy phát tốc nhưng trong các hệ thống đơn giản thì chỉ tiêu kinh

tế thấp (máy phát tỐc có giá thành cao) nên ít dùng loại này Thông thƯờng người ta sử dụng phương pháp đo gián tiếp

+ Đối với động cơ điện 1 chiều, đo tốc độ thông qua sđđ phần ứng của động cơ

Ep= K ®.n (dùng rơ le điện áp mắc song song với phần ứng động cơ)

+ Đối với động cơ KĐB, đo tốc đỘ gián tiếp qua sdd rotor, tần số dòng điện rotor va hệ

Theo định luật Kirchhoff 2 ta có:

Vongl = Ua Ey +IyRu = Ke.b.mt ly Ry

Vong 2 Uco= + I RưtRạ) =Ke.È.n¡+ Iự( RưtR;)

Xét trường hợp 1: Khi tốc độ động cơ tăng đến tốc đỘ n¡ nào đó thì

Uai= Eu + Iu Ru = Ke.o.no+ Iu Ru = Ucna

Dẫn đến rơle điện áp G¡ tác động đóng tiếp diém Gi lai loai bỏ cấp điện trở phụ R¡ ra khỏi mạch phần ứng động cơ

Xét trường hợp 2: Khi tốc độ động cơ tăng đến tốc đỘ n; nào đó thì

Uei= Eự + lự( RưtR¿) = Ke.@.n¿t Iu( RưtR¿) = Ueta

Dẫn đến rơle điện áp G tác động đóng tiếp điểm G¿ lại loại bỏ cấp điện trở phụ R¿ ra khỏi mạch phần ứng động cơ

Nhận xét:

+ Ưu điểm: Đơn giản, rẻ tiền

+ Nhược điểm: Khi mô men cản, điện áp lưới và nhiệt độ thay đổi cũng làm thay

đổi thời gian mở máy của động cơ

Việc chỉnh định điện áp hút cỦa các rơ le cũng gặp nhiều khó khăn

Ví dụ: Mạch điều khiển mở máy động cơ 1 chiều KTĐL qua 2 cấp điện trở phụ và

Trị số của dòng điện mở máy của động cơ dao động giới hạn được xác định tl’ Ltéi L, giá trị của dòng điện I,= 2,2 2,5 dòng Iạ„ được xác định căn cứ vào điều kiện

vận hành của động cơ và giá trị cho phép của dòng điện phần ứng động cơ Giá trị dòng

điện I; = (1,8: 2)I¿„ được xác định căn cứ vào việc đảm bảo gia tốc tối thiểu khi mở

máy động cơ ở phụ tải đã cho đến I, I; luôn lớn hơn Ia„ này.Muốn khống chế theo

nguyên tắc dòng điện ta sử dụng một số rơ le dòng điện mắc nối tiếp với phần ứng

của động cơ điện 1 chiều hoặc mắc nối tiếp với 1 pha của động cơ xoay chiều

Hoạt động của sơ đỒ: ấn nút S2 công tắc tơ

KI có điện, tiếp điểm K1 đóng duy trì, tiếp điểm K1 Iˆ

mạch động lực đóng cấp điện cho mạch phần ứng,

động cơ hoạt động qua r1 Lúc này role dong RI, role

khoá RK cùng có điện , cùng tác động nhưng phải I,

đảm bảo yêu cầu như sau: RI có thời gian tác động

nhanh hơn RK, Lúc đó tiếp điểm thường đóng RI mở L-

trước sau đó tiếp điểm thường mở RK đóng Động 2

cơ hoạt động, dòng điện giảm dần ( từ 11 đến I2) thì |

RI đạt trị số và nhả, dẫn đến công tắc tơ K2 tác |

động, tiếp điểm K2 đóng lai duy tri và ngắn mạch r1

Động cơ hoạt động ở đường đặc tính tự nhiên

Tiếp điểm thường mở K2 song song với tiếp điểm RI có vai trò không cho K2 mất điện với bất cứ lý do nào sau này (như do quá tải, ) nghĩa là không đưa r1 vào mạch phần ứng

Ta

t

Nhận xét:

- C6 thé duy tri Mp trong quá trình khởi động ở mức xác định

- Quá trình khởi động không phụ thuộc vào nhiệt độ của dây quấn rơ le.

- Không đẩm bảo giữ nguyên thời gian khởi động

1.2.3Nguyên tắc điều khiển theo hành trình

Khống chế theo nguyên tắc hành trình nghĩa là 1 khâu hay một bộ phận nào đó

của máy khi chuyển động phụ thuộc vào vị trí không gian của các bộ phận khác

Vi du: Bàn dao của máy cắt gọt, bàn máy, buồng thang của thang máy

BBD 14 b6 biến đổi, có thể là máy phát, khuếch đại từ, bán dẫn

Ðk là khối điều khiển

K¿, K¿ là hệ số phản hồi tốc đỘ và dòng điện

R,, R: bộ điều chỉnh tốc độ, dòng điện

Các bộ điều chỉnh tốc độ, dòng điện (Ra, Ri) là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống vì nó quyết định chất lượng tĩnh và chất lượng động của hệ thống Nó có 2 chức năng như sau:

- Khuếch đại các sai lệch điều khiển nhỏ của hệ thống

- Đảm bảo chất lượng và đỘ chính xác của hệ

1.2.6 Các nguyên tắc điều chỉnh

1.2.6.1 Khái niệm chung

Đối với hệ thống truyền động điện làm việc ở các trạng thái hở, trong quá trình hãm, khởi động, đảo chiều, ăn tải, nhả tải thường gây ra các sai lệch lớn so với giá trị cho phép Trong khi đó nhiều máy lại yêu cầu phải đảm bảo duy trì tốc độ không đổi

hay các đại lượng khác theo yêu cầu của chất lượng tĩnh cũng như chất lượng động đặt ra.Trong trường hợp như vậy ta phải dùng hệ thống điều khiển tự động kiểu hệ

kín

Đối với hệ thống sử dụng động cơ điện1 chiều làm việc trong hệ thống truyền

động điên kiểu hệ kín thường người ta phải sử dụng các bộ biến đổi để cung cấp

nguồn điện áp một chiều cho phần ứng động cơ hay cung cấp cho cuộn kích từ của động cơ điều khiển tự động hệ kín người ta thường sử dụng bộ biến tần, hoặc điều

khiển xung tré mach rotor

Trong hệ thống điều khiển tự động truyền động điện kiểu hệ kín người ta

thường tiến hành lấy một số phản hồi cơ bản sau:

- Phản hồi âm: Tác động ngược chiều điện áp đặt

- Phản hồi dương: Tác động cùng chiều với điệ náp đặt

- Phản hồi có ngắt: Tín hiệu phản hồi được so sánh với một lượng bên ngoài,

nếu nó vượt qua giá trị đó thì khâu phản hồi mới tham gia tác động vào hệ thống

- Phản hồi thẳng: Tín hiệu ra quay trở lại trực tiếp đầu vào

1.2.6.2 Khâu phản hồi âm điện áp

BBD cé thé sử dụng các bộ biến đổi máy điện, bộ biến đổi van

BBĐ cung cấp điện áp 1 chiéu cho phần ứng động cơ điện1 chều kích từ độc lập

Để ổn định và nâng cao chất lượng tĩnh của khâu đk ta dùng biến trở R¡, R; làm khâu

phản hồi lấy điện áp quay trở lại khống chế điện áp cung cấp cho đông cơ

K,U, I[R, +R, (+a.K, |

Từ hệ phương trình đặc tính cơ ta vẽ được đặc tính cơ như hình vẽ

Để cho tốc độ không tải của hệ thống

hở và kín bằng nhau thì điện áp đặt của hệ

thống kín lớn hơn hệ thống hổ là (1+Kn) lần

Độ sụt tốc độ (sai lệch tĩnh) trong hệ

thống kín sễ nhỏ hơn trong hệ thống hở là

(1+Kn) lần

Như vậy phản hồi âm điện áp tạo nên đặc

tính Của hệ kín cao hơn so với hệ hở Nhưng

luôn Thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên điểu đó chứng tỏ khả năng duy trì tốc độ của khâu phản hồi âm điện áp là kém

Giải hệ phương trình ta được n

Từ sơ đồ nguyên lý ta viết được phương trình cân bằng sau:

Us =UstB.LR với B= Ra/R = Rạ/Rn+ Rp

_ KuU, _IRq-Kn)

Kg Ko

Từ phương trình đặc tính cơ ta có đặc tính cơ như hình vẽ

Nhận xét:

- Đối với phản hồi dương dòng điện thì điện áp đặt vào hệ hở và hệ kín là như nhau Mặc dù

có hể tạo nên đường đặc tính cơ có đỘ cứng rất cao ( độ sụt tốc độ An% =0 thậm chí An

%<0)

- Hệ thống không có đường đặc tính giới hạn do đó khi sử dụng phả hồi dương dòng

điện trong các bộ biến đổi mang tính phi tuyến mạnh thì đỘ chính xác của hệ thống bị

suy giảm cho nên phản hồi dương dòng điện thường được kết hợp với các phản hồi khác mà không sử dụng độc lập

1.2.6.4 Phản hồi âm tốc độ

TIL BB§

- _ Để cho tốc độ không tải lý tưởng của hệ thống hở và hệ thống kín bằng

nhau, thì điện áp đặt lên hệ hở sẽ nhỏ hơn điện áp đặt lên hệ kín là (1+yk) lần

-_ ĐỘ cứng đặc tính cơ của hệ kín cao hơn hệ hở là (1+yk) lần

Trong quá trình làm việc động cơ phải trải qua các giai đoạn như, quá trình quá

độ và phải làm việc ổn điịnh nếu như dòng điện phần ứng vượt quá giá trị cho phép thì

ta phải tìm biện pháp hạn chế công suất đầu vào Phản hồi âm dòng có ngắt sẽ hạn

chế phụ tải tĩnh khi cho động cơ bị quá tải và tạo nên đường đặc tính có dạng điển hình gọi là đường đặc tính máy xúc

Ha H.b

Ta thấy 6 H.a Dac tính gồm 2 đoạn:

= Đoạn 1 là đoạn NẹB chỉ có cá khâu duỳ trì tốc độ tham gia nó đảm bảo độ cứng cao để máy làm việc có năng suất chất lượng sản phẩm

- Đoạn 2 là đoạn BC lúc này trong hệ thống chỉ còn duy nhất 1 khâu phản hồi

âm dòng điện có ngắt tham gia vào hệ thống Nó tạo ra đường đặc tính có độ dốc lớn, nếu động cơ bị quá tải nặng nó sẽ dừng lại tại điểm C Trong thực tế có thể chúng ta gặp trường hợp đặc tính tĩnh có 3 đoạn như hình H.b

- Đoạn AB là đoạn duy trì tốc độ có khâu phản hồi âm tốc đỘ tác động

= Đoạn BC Là đọan có thêm khâu phản hồi âm dòng có ngắt tham gia vào hệ

thống

- Đoạn CD là đoạn chỉ có khâu phản hồi âm dòng có ngắt tham gia vào HT

b Hệ thống điều khiển tự động với khâu phản hồi âm áp và âm dòng có ngắt

Khi giải hệ ta được phương trình đặc tính cơ

Từ phương trình đặc tính cơ ta vẽ được đặc tính cơ như hình vẽ

Tương tự như các phần trên dể thành lập phương n

trình đặc tính cơ, ta viết hệ phương trình câ bằng điện n_Ê

áp của hệ, sau đó giải hệ ta được phương trình đặc — P1 7

KU, _IRK,{1- B.K,1A()]

Một số sơ đồ điều khiển động cơ

1 Tự động khống chế động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc

220V

| APL 4 sod-7, + 3