ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Để phục vụ cho quá trình học tập của sinh viên, học phần Điều khiển truyền động điện, bao gồm tích hợp các nội dung kiến thức về lý thuyết về Điều khiển truyền động điện là vô cùng bổ íc

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển đi lên của khoa học kỹ thuật, đòi hỏi công nghệ luôn luôn phải vận động để phù hợp với quá trình phát triển ấy Vì vậy, những kiến thức cơ bản để tính toán và phân tích cấu trúc của các hệ thống truyền động là hết sức cần thiết Để phục

vụ cho quá trình học tập của sinh viên, học phần Điều khiển truyền động điện, bao gồm tích hợp các nội dung kiến thức về lý thuyết về Điều khiển truyền động điện là vô cùng

bổ ích Song bên cạnh đó, học phần Đồ án môn học Tổng hợp hệ thông truyền động điện đóng vai trò như một bài kiểm tra khảo sát kiến thức về môn học và cũng là điều kiện để mỗi sinh viên ngành Tự động hóa tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về môn học cũng như ngành nghề đang theo học

Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Lê Tiến Dũng đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đồ án môn học này

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN

1.1 Giới thiệu công nghệ / bài toán

Thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha đồng bộ có các thông số kỹ thuật như sau:

Nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V/380V

Tải của hệ thống truyền được cho như hình vẽ: r1/r2 = 5; TL = 25Nm; JL = 0.2kg.m2

1.2 Phân tích yêu cầu công nghệ, đặc tính có của tải

Hệ truyền động điện được thiết kế để đáp ứng được những yêu cầu của tải:

- Động cơ sử dụng là động cơ điện xoay chiều 3 pha đồng bộ

- Động cơ phải chạy sao cho đáp ứng theo như đồ thị của tải

- Nguồn điện sử dụng là 220V/380V

- Hệ chạy ổn định, sai số là cho phép

1.2.1 Sơ đồ tốc độ mong muốn của động cơ Đối với hệ truyền động có sử dụng hộp số:

Ta có công thức quy đổi:

 Giai đoạn 4 (4s – 4.2s): Giai đoạn này là giai đoạn trễ khi tốc độ đột ngột giảm về

0 rad/s Chọn thời gian trễ là 0,2s

Suy ra sơ đồ tốc độ mong muốn của động cơ:

Tem= - (25+0,2.0

1).5= -125 (Nm) Khi 𝑡 = 3𝑠 → 4𝑠 : động cơ giảm tốc ( trạng thái hãm)

Tem = - (25+0,2.0−100

1 ).5= -25 (Nm) Khi 𝑡 = 4𝑠 → 6𝑠

𝑡 = 4𝑠 → 4,2𝑠 : động cơ đảo chiều, tăng tốc ( trạng thái động cơ)

Tem = - (25+0,2.0−(−110)

1 ).5= -235 (Nm) Vậy, ta có sơ đồ momen quay của động cơ:

4

6

t(s)T( N.m)

Từ đồ thị công suất của động cơ được đề cập trong phần 2, ta dễ dàng tìm ra được công suất đẳng trị, công suất đỉnh và momen đẳng trị của động cơ theo công thức:

Chọn động cơ ATO180ST-M48015, với các tham số:

- Kiểm tra tốc độ động cơ

Tốc độ tối đa của động cơ n = 1500

vòng/phút Trong khi đó tốc độ yêu cầu của

động cơ là nc = 210,08 vòng/phút Sử dụng

Gear box có tỉ số:

n = 1500210,08 = 7,14 Chọn Gearbox GBX080008K của hãng

-Tmax -235

Momen định mức của động cơ: Tđm = 48x7 = 336 (N.m) Động cơ làm việc quá tải trong khoảng thời gian t = 4→4,2s Tuy nhiên khoảng thời gian quá tải bé nên động cơ vẫn có thể hoạt động tốt

Momen cực đại: Tmax = = 96x7 = 672 (N.m)

Momen lớn nhất của tải Ttải = 425 < Tmax = 672 => Thỏa mãn yêu cầu của tải

Sơ đồ khối của hệ điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ ba pha:

Sơ đồ cấu trúc bao gồm:

- Bộ chỉnh lưu : có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp xoay chiều 3 pha sang điện áp 1 chiều

- Nguồn điện cung cấp là nguồn 3 pha 220V/380V

- Bộ chuyển đổi Inventor : có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ controller để xuất xung điều khiển cho các van công suất

- Động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ được sử dụng trong hệ thống này

- Encoder là thiết bị đo vận tốc của động cơ, sau đó phản hồi về cho controller

- Controller là một vi mạch có vi xử lí lập trình được, chứa toàn bộ chương trình thuật toán điều khiển cho hệ thống

1.5 Tính toán và chọn các thiết bị, phần tử trong hệ thống

1.5.1 Chọn động cơ (Động cơ đã chọn ở 1.3) 1.5.2 Bộ biến đổi

Đồ thị đặc tính cơ của động cơ đồng bộ 3 pha:

Tốc độ quay của động cơ được tính bằng biểu thức:

𝜔𝑠 =2𝜋𝑓𝑠

𝑃𝑝Trong đó, 𝑓𝑠 là tần số nguồn cung cấp

𝑃𝑝 là số đôi cực từ Vậy, để điều khiển tốc độ động cơ, ta có thể điều chỉnh tần số nguồn cấp Do vậy,

sử dụng bộ biến đổi tần số trong cấu trúc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ

Sơ đồ biến tần gián tiếp được xây dựng là:

Xác định các thông số biến tần

- Tính chọn IGBT

Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 pha:

Công suất trên 1 pha của bộ nghịch lưu: P = 𝑃đ𝑚

3 = 2,5 (KW) Dòng điện chạy qua van: Iv = I = 𝑃đ𝑚

√3𝑈 = 19,6 (A) Dòng điện cực đại chạy qua van: Ivmax = Iv + Ih = 19,6 + 0,4 = 20 (A)

Với Ih là dòng sóng hài chạy qua van (chọn Ih = 0,4 (A))

Chọn hệ số dự trữ dòng điện là KI = 1,5

→ Dòng điện tính chọn IGBT là IT = 20.1,5= 30 (A) (> 20 A)

Điện áp đầu ra khâu nghịch lưu là: U = 220 (V)

Điện áp pha cực đại của động cơ: 𝑈𝑓= 220√2 = 311,12 (V)

Điện áp cần cấp cho khâu nghịch lưu là: Ud =3

2.311,12 = 466,7 (V) Chọn hệ số an toàn về áp cho van là 3 Do vậy ta cần điện áp chiụ đựng yêu cầu cho van bán dẫn là: UV = 466,7.3 = 1400 (V)

Chọn IGBT: FGA20S140P

- Tính chọn diode chỉnh lưu cầu

Điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu cầu 3 pha là Ud = 3√6

𝜋 𝑈 = 3√6

𝜋 220 = 514 (V) Điện áp ngược cực đại đặt lên van của bộ chỉnh lưu: Ung =220 √6 = 538 V

Chọn hệ số dự trữ điện áp: KU = 1,5 Suy ra: Ung’ = Ung.1,5 = 808 V

Dòng điện trung bình qua các van:

Ta có, dòng định mức của động cơ: Iđm=20 A

Suy ra, dòng điện trung bình đi qua các van: Iv = 𝐼đ𝑚

6 = 20

6 =3,3 A

Chọn hệ số dự trữ dòng điện KI = 1,3 Suy ra, Iv’ = Iv .1,3 = 4,3 A

Vậy chọn diode HER508

U0 là điện áp đầu ra

Ui là điện áp đầu vào

Chọn C = 50 (μF) → L = 15 (𝜇H)

- Chọn bộ lọc nguồn

Trong đồ án này ta chọn tụ C = 30 (mF)

1.5.3 Cảm biến

Trong hệ này, ta sử dụng các cảm biến đo dòng và áp, cảm biến tốc độ

Trong đồ án này sử dụng

- Modun cảm biến dòng xoay chiều IPC-100-00-I-TTL-5-M8

- Modun cảm biến áp 3 pha WB 1990-T

Các tham số của diode HER508

- Điện áp ngược lớn nhất đặc lên diode: 900 (V)

- Dòng điện đầu ra lớn nhất: 5,5 (A)

- Điện áp rơi trên diode: 0,3 (V)

- Dòng rò: 0,1 (mA)

- Dãy nhiệt độ làm việc: -40 → 150℃

1.6.3 IGBT

Các tham số của IGBT FGA20S140P

- Điện áp cực đại đặc lên IGBT: 1400 (V)

- Dòng điện cực đại chạy qua Colector và Emitor: 800 (V)

- Công suất cực đại: 272(W)

- Dãy nhiệt độ làm việc: -55 → 175℃

- Điện áp E-C: 3,2 (V)

- Dòng rò C-E: 1 (mA)

- Dòng rò G-E: 0,5 (𝜇A)

Các tham số của cảm biến dòng IPC-100-00-I-TTL-5-M8

- Năng lượng tiêu thụ: < 3 (W)

- Dãy đo tuyến tính: ± 170 (A)

- Dãy đo lớn nhất: ± 210 (A)

- Dãy nhiệt độ làm việc: -40 → 125℃

- Độ phân giải: 7 (mA)

- Đầu ra: 4-20 (mA)

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUYỀN

SV PWM Isd*=0

Trong đó chức năng các khối như sau:

- Khối Inverter (khối nghịch lưu): Chuyển đại lượng xoay chiều trung gian đã qua lọcthành hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha Mạch nghịch lưu là hệ thống các van bándẫn đóng cắt theo các tín hiệu điều khiển

- Khâu điều chế vector SV PWM : Chuyển các điện áp usα và 𝑢 𝑠𝛽sang thời gian đóngcắt

- Khâu chuyển các hệ tọa độ: Chuyển đổi giữa các hệ tọa độ: abc, dq, α𝛽

- Các bộ PI: Điều khiển các mạch vòng tốc độ momen và dòng điện

2.2 Mô hình toán học bộ biến đổi

2.2.1 Mô hình toán học của biến đổi từ uvw sang dq

Dùng công thức Clarke để chuyển đổi 𝐮𝐯𝐰 sang 𝛂𝛃 :

𝜗𝑠 = 𝜗𝑠(0) + ∫ 𝜔𝑠𝑑𝑡 = ∫(𝜔 + 𝜔𝑟)𝑑𝑡 = ∫ (𝜔 + 𝑖𝑠𝑞

𝑇𝑟𝜓𝑟𝑑) 𝑑𝑡

Mô hình toán học của biến đổi từ 𝒖𝒔𝒅∗ ; 𝒖𝒔𝒒∗ sang 𝒖𝒔𝜶; 𝒖𝒔𝜷:

Theo công thức Clarke và công thức Park :

Lý tưởng hàm truyền 𝐺𝑛𝑙(s) = 1

Khâu chỉnh lưu:

Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu có điều khiển: Vdc = Vd0.cosα

Chọn nguyên tắc điều khiển arcos: α = arccos(Vđk/Vm)

Điện áp đầu ra của chỉnh lưu: Vdc = Vd0 (Vđk/Vm) = Kr Vd0

Hàm truyền đạt của bộ chỉnh lưu:

( )

1

r r

Sử dụng cảm biến đo dòng điện để đo dòng điện đáp ứng đầu ra của bộ nghịch lưu để

tính toán rồi phản hồi về bộ điều khiển Mô hình toán học của phản hồi dòng điện có thể biểu diễn bằng một hệ số khuếch đại H Trong một số trường hợp có sử dụng bộ lọc

thông thấp Khi đó hằng số thời gian của bộ lọc thường nhỏ hơn 1ms Ta chọn: H=1

Phản hồi tốc độ:

Sử dụng cảm biến tốc độ để đo tốc độ đáp ứng của động cơ rồi tính toán

phản hồi về cho bộ điều khiển Hàm truyền đạt của khâu phản hồi tốc độ:

𝐺𝜔 = 𝐾𝜔

𝑇𝜔𝑆+1

Trong đó:

K𝜔 là hệ số khuếch đại của cảm biến

T𝜔 là hằng số thời gian của bộ lọc

Ta chọn hệ số khuếch đại: 𝐾𝜔=1

Bỏ qua hằng số thời gian bộ lọc: 𝑇𝜔 = 0

=> Có nghĩa ta lý tưởng khâu phản hồi tốc độ 𝐺𝜔 = 1

2.2.3 Mô hình toán học của bộ điều khiển PID

Thuật toán của bộ điều khiển PID:

C(t) = 𝐾𝑝 [e(t) + 1

𝜏 𝐼∫ 𝑒(𝑡)0𝑡 dt + 𝜏𝐷𝑑𝑒(𝑡)

𝑑𝑡 ] Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:

𝐺𝑐(s) = 𝐶(𝑠)

𝐸(𝑠) = 𝐾𝑝[ 1 + 1

𝜏 𝐼 𝑠 +𝜏𝐷s]

Trong đó :

• e(t) - Sai số giữa giá trị thực và giá trị dặt

• 𝐾𝑝 - Hệ số tỷ lệ (khuếch đại) của bộ điều khiển, là một tham số chỉnh định

•I – Hằng số thời gian tích phân, là một tham số chỉnh định của bộ điều khiển đặc trưng cho thành phần tích phân

•D – Hằng số thời gian vi phân, là một tham số chỉnh định của bộ diều khiển đặc trưng cho thành phần tích phân

Bộ điều khiển cần dùng trong hệ thống PI:

- Hàm truyền bộ điều khiển PI:

𝑅𝜔 : Bộ PI điều khiển tốc độ động cơ

𝑅𝐼𝑑 : Bộ PI điều khiển dòng điện

𝑅𝐼𝑞 : Bộ PI điều khiển dòng điện

~

SV PWM Isd*=0

s n

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

~

SV PWM w*

s n

~

SV PWM Isd*=0

ϑ

DC- link

_

_ isq*

3.1.3 Phương pháp tổng hợp các mạch vòng điều khiển

Dựa trên sự hiểu biết về hệ thống, các mạch vòng điều khiển Và dựa trên sự hiểu

biết về bộ điều khiển PID cho hệ thống Cụ thể như sau:

- Về hệ thống truyền động, với việc mô hình hóa động cơ về các thành phần dòngđiện, điện áp cùng bản chất như động cơ điện một chiều Với việc đó đã giúp chúng ta hiểusâu về bên trong đối tượng, mà đối tượng ở đây là động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ rotor

nam châm vĩnh cữu Giúp cho quá trình tổng hợp mạch vòng, đưa ra cấu trúc điều khiển

dễ dàng gần giống như động cơ điện một chiều

- Về bộ điều khiển PID, giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số

 Khâu tỉ lệ (P): làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại Đáp ứng tỉ

lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp

 Khâu tích phân (I): tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai

số Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt

Thông số khởi động Thời gian Quá độ Thời gian xác lập Sai số ổn định Độ ổn định

𝐾𝑑 Giảm ít Giảm ít Giảm ít Không tác động Cải thiện nếu 𝐾𝑑 nhỏ

Qua đó, về sự hiểu biết về bộ điều khiển PID và bản chất hệ thống, bản chất động cơ

Em đã dựa trên đó và hiệu chỉnh các thông số PID bằng tay trên mô phỏng Matlab-Simulink

và đưa ra tổng hợp các mạch vòng dưới đây

Các bước tổng hợp mạch vòng điều khiển dòng điện được thực hiện như sau:

- Ta tăng các giá trị Kp cho 3 mạch vòng điều khiển sao cho đạt đến 1 giá trị thích hợp sao cho động cơ hoạt động và theo dõi các giá trị phản hồi về có trị số gần giá trị đặt bằng cách sử dụng các Scope đo có sẵn trong simulink , cụ thể là 𝑖𝑠𝑑 và 𝑖𝑠𝑞 của động cơ gần với giá trị đặt 𝑖𝑠𝑑∗ và 𝑖𝑠𝑞∗ Sau đó tăng dần hệ số Ki, để bộ điều khiển khử đi sai số xác lập

Tác động của việc tăng một thông số độc lập

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG, KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT

LƯỢNG

4.1.1 Sơ đồ hệ thống mô phỏng trong phần mềm Matlab – Simulink

Mạch động lực của hệ thống:

Tốc độ đặt vào hệ thống có đồ thị như sau:

4.1.2 Kết quả mô phỏng hệ thống

 Kết quả mô phỏng các mạch vòng điều khiển

- Đối với mạch vòng tổng hợp dòng điện 𝑖𝑠𝑞 sau khi ta đặt Kp=6, Ki=1,2 ta được đáp ứng của dòng 𝑖𝑠𝑑 như sau:

- Đối với mạch vòng tổng hợp dòng điện 𝑖𝑠𝑑 sau khi ta đặt Kp=6; Ki=1,2 ta được đáp ứng của dòng 𝑖𝑠𝑑 như sau:

- Sau khi ta đặt Kp=20, Ki=4 ta được đáp ứng của tốc độ ω như sau:

 Các giá trị đáp ứng của động cơ

- Moment

- Dòng điện

- Tốc độ của động cơ

- Về kết quả mô phỏng khi tổng hợp các mạch vòng điều khiển, ta thấy, với các giá trị của bộ điều khiển PI, các đáp ứng đầu ra bám khá sát với giá trị yêu cầu, tuy nhiên còn có dao động và chênh lệch nhỏ

- Về kết quả mô phỏng ta thấy những thành phần đáp ứng của động cơ như sau:

Về đáp ứng moment, đầu ra còn khá dao động quanh giá trị moment mong muốn trong những giai đoạn chuyển giao còn ở những thời điểm xác lập thì moment động

cơ bám khá sát với moment mong muốn

Về dòng điện động cơ thì dòng đầu ra chuẩn sin 3 pha, dòng qua động cơ khá ổn định Dòng ban đầu của động cơ khá lớn, động cơ có làm việc quá tải nhưng trong thời gian ngắn (4s-4,2s) nên vẫn đảm bảo động cơ có thể hoạt động tốt và chưa kịp phát nóng, có thể chấp nhận được Còn trong các khoảng thời gian còn lại, dòng điện luôn nằm dưới dòng định mức động cơ

Về tốc độ thì tốc độ đầu ra khá ổn định, giá trị bám sát với tốc độ yêu cầu Tuy nhiên, tại những khoảng thời gian động cơ tăng tốc hoặc giảm tốc, tốc độ có lệch so với tốc độ yêu cầu, tại những điểm nút chuyển dao giữa các giai đoạn thì tốc độ còn dao động

4.3 Đánh giá chất lượng hệ truyền động

Với kết quả mô phỏng và phân tích như trên thì bài toán về hệ truyền động đã được giải quyết với kết quả khá tốt Thứ nhất, moment động cơ còn một số thời điểm giao động khá lớn do việc tổng hợp các mạch vòng chưa chọn ra được các thông số bộ điều khiển PID tốt nhất Và thêm một điểm nữa là trong khoảng thời gian ban đầu động cơ tăng tốc từ 0 rad/s lên tốc độ ổn định và trong khoảng thời gian từ 4s-4,2s động cơ làm việc quá tải với dòng điện gần lớn gấp 2 lần so với dòng định mức của động cơ, tuy nhiên có thể chấp nhận được vì thời gian quá tải

là nhỏ so với quá trình làm việc của đông cơ nên sẽ không gây phát nóng Tốc độ động cơ đáp ứng khá tốt chỉ tại các nút dao của các quá trình thì tốc độ có dao động nhỏ và tốc độ động cơ ở một số thời điểm chưa hoàn toàn bám sát với tốc độ mong muốn

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 2

1.1 Giới thiệu công nghệ / bài toán 2

1.2 Phân tích yêu cầu công nghệ, đặc tính có của tải 3

1.2.1 Sơ đồ tốc độ mong muốn của động cơ 3

1.2.2 Sơ đồ Momen quay của động cơ 4

1.2.3 Đồ thị công suất động cơ 5

1.3 Tính chọn công suất động cơ 6

1.4 Sơ đồ khối cấu trúc của hệ truyền động điện 9

1.5 Tính toán và chọn các thiết bị, phần tử trong hệ thống 10

1.5.1 Chọn động cơ (Động cơ đã chọn ở 1.3) 10

1.5.2 Bộ biến đổi 10

1.5.3 Cảm biến 13

1.6 Xác định các tham số của hệ thống 13

1.6.1 Động cơ 13

1.6.2 Diode 13

1.6.3 IGBT 13

1.6.4 Gearbox 14

1.6.5 Cảm biến dòng 14

1.6.6 Encoder 14

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 15

2.1 Xây dựng mô hình toán học của các khâu trong hệ thống 15

2.2 Mô hình toán học bộ biến đổi 15

2.2.1 Mô hình toán học của biến đổi từ uvw sang dq 15

2.2.2 Mô hình toán học cảm biến 16

2.2.3 Mô hình toán học của bộ điều khiển PID 17

2.3 Xây dựng mô hình toán học của cả hệ thống 17

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 19