Đồ án môn học: Tổng hợp hệ thống truyền động điện

Đồ án tổng hợp hệ thống truyền động điện trình bày nội dung qua 3 chương về giới thiệu công nghệ xây dựng phương án truyền điện, mô hình hóa hệ thống truyền động điện, tổng hợp hệ thống truyền động điện,... Mời các bạn cùng tham khảo.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ, XÂY DỰNG PHƯƠNG

ÁN TRUYỀN ĐỘNG

1.1 Giới thiệu công nghệ/ bài toán:

Thiết kế hệ thống truyền động điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập với

các số liệu ban đầu như sau:

 Nguồn điện xoay chiều 3 pha 220/380 V

 Tải của hệ thống truyền động điện được cho như hình vẽ với: r1/r2 =4;TL= 25 Nm;

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

a) Yêu cầu công nghệ:

-Sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập điều khiển tốc độ của tải

theo yêu cầu về tốc độ như Hình 2.

-Nguồn điện sử dụng : 220/380V, do đó cần sử dụng bộ biến đổi phù hợp

-Hệ thống hoạt động ổn định, bám càng sát với đồ thị tốc độ mong muốn thì càng tốt -Sai số nằm trong khoảng cho phép

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

Hình 2: Đồ thị tốc độ mong muốn của tải.

b) Đặc tính cơ của tải:

+ Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản của

máy sản xuất: Mc = f(ω) hay Mc = f(n)ω) hay Mc = f(n)) hay Mc = f(ω) hay Mc = f(n)n)

Trong đó: ω) hay Mc = f(n) - Tốc độ góc (ω) hay Mc = f(n)rad/s)

n - Tốc độ quay (ω) hay Mc = f(n)vg/ph)

Mc - Mômen cản (ω) hay Mc = f(n)N.m)

+ Phương trình đặc tính cơ của tải: Mc = Mco+ (ω) hay Mc = f(n)Mđm – Mco)(ω) hay Mc = f(n) ωđm ω )α

Trong đó: Mc - mômen ứng với tốc độ ω) hay Mc = f(n)

Mco - mômen ứng với tốc độ ω) hay Mc = f(n) = 0

Mđm - mômen ứng với tốc độ định mức ω) hay Mc = f(n)đm.

+ Ta có các trường hợp số mũ α ứng với các tải:

Khi α = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy tiện, doa, máycuốn dây, cuốn giấy,

Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làm việc càng thấp thì mômen cản (ω) hay Mc = f(n)lực cản) cànglớn

Khi α = 0, Mc = Mđm= const, tương ứng các cơ cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang máy,băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt,

Khi α = 1, mômen tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, tương ứng các cơ cấu ma sát, máy bào, máy phát một chiều tải thuần trở

Khi α = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạy gió,máy nén

Ở hệ thống này , momen cản là loại cơ cấu nâng hạ có α = 0

Mc = Mđm = const

ω(rad/s)

α=0

M đm

Hình 3: Đồ thị đặc tính cơ của tải.

1.3 Chọn phương án truyền động:

Chọn phương án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả

tính chọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một loạt các hệ truyền động có thể

thỏa mãn yêu cầu đặt ra Bằng việc phân tích, so sánh các chỉ tiêu kinh tế, kỹ

thuật các hệ truyền động này kết hợp tính khả thi cụ thể mà ta có thể lựa chọn

được một vài phương án hoặc một phương án duy nhất để thiết kế

Lựa chọn phương án truyền động tức là phải xác định được loại động cơ

truyền động một chiều hay xoay chiều, phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợpvới đặc tính tải, sơ đồ nối bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động

Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều (ω) hay Mc = f(n)có chổi than) là:

 Điều chỉnh điện áp phần ứng

 Điều chỉnh từ thông kích từ

 Kết hợp điều chỉnh từ thông kích từ và điện áp phần ứng

Phương pháp điều chỉnh điện trở phụ trong mạch phần ứng hầu như không được sử dụng trong các hệ có yêu cầu chất lượng cao do tổn hao công suất

- Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có đáp ứng được đặc trưng bằng hằng

số thời gian có giá trị nhỏ

- Ngược lại, hằng số thời gian đặc trưng cho đáp ứng của phương pháp điều chỉnh

từ thông kích từ có giá trị lớn hơn gấp 10-100 lần so với phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng

- Hằng số thời gian lớn làm cho phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ có đáp ứng chậm

- Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phù hợp cho việc điều chỉnh tốc độ động cơ dưới tốc độ định mức Còn phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ phù hợp để điều chỉnh trên tốc độ định mức.

- Các phương pháp điều chỉnh truyền động hiện đại: bộ điều khiển được tự động điều chỉnh trong quá trình hoạt động dựa trên các tham số(ω) hay Mc = f(n)dã được nhận dạng) củađộng cơ và của các thành phần khác trong hệ

- Phương pháp điều chỉnh nối tầng thường được sử dụng phổ biến với đặc điểm:+ mạch vòng dòng điện/momen đáp ứng nhanh

+ mạch vòng tốc độ đáp ứng chậm hơn

+ mạch vòng vị trị đáp ứng chậm nhất, hoặc không cần thiết

Ở đây ta chọn phương án truyền động cho động cơ một chiều kích từ độc lập, có đảo

chiều và hoạt động ở 2 góc phần tư, điều khiển đảo chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

1.4 Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống truyền động điện:

1.5 Tính chọn công suất động cơ:

Nguồn động lực trong một hệ thống truyền động điện là động cơ điện Các yêu cầu

kỹ thuật, độ tin cậy trong quá trình làm việc và tính kinh tế của hệ thống truyền động điện phụ thuộc chính vào sự lựa chọn đúng động cơ điện và phương pháp điều khiển động cơ

Chọn một động cơ điện cho một hệ thống truyền động điện bao gồm nhiều tiêu chuẩn phải đáp ứng:

 Động cơ phải có đủ công suất kéo

 Tốc độ phù hợp và đáp ứng được phạm vi điều chỉnh tốc độ với một phương pháp điều chỉnh thích hợp.

 Thỏa mãn các yêu cầu mở máy và hãm điện

 Phù hợp với nguồn điện năng sử dụng (ω) hay Mc = f(n)loại dòng điện, cấp điện áp )

 Thích hợp với điều kiện làm việc (ω) hay Mc = f(n)điều kiện thông thoáng, nhiệt độ, độ ẩm, khíđộc hại, bụi bặm, ngoài trời hay trong nhà )

Việc chọn đúng công suất động cơ có ý nghĩa rất lớn đối với hệ truyền động điện.Nếu nâng cao công suất động cơ chọn so với phụ tải thì động cơ sẽ kéo dễ dàng nhưng giá thành đầu tư tăng cao, hiệu suất kém và làm tụt hệ số công suất cosθ của lưới điện do động cơ chạy non tải Ngược lại nếu chọn công suất động cơ nhỏ hơn công suất tải yêu cầu thì động cơ hoặc không kéo nổi tải hay kéo tải một cách nặng

nề, dẫn tới các cuộn dây bị phát nóng quá mức, làm giảm tuổi thọ động cơ hoặc làm động cơ bị cháy hỏng nhanh chóng

Để tính chọn công suất động cơ trong hệ thống có điều chỉnh tốc độ cần phải biết những yêu cầu cơ bản sau:

a) Đặc tính phụ tải Pyc(ω) hay Mc = f(n)ω) hay Mc = f(n)), Myc(ω) hay Mc = f(n)ω) hay Mc = f(n)) và đồ thị phụ tải: Pc(ω) hay Mc = f(n)t), Mc(ω) hay Mc = f(n)t),ω) hay Mc = f(n)(ω) hay Mc = f(n)t);

b) Phạm vi điều chỉnh tốc độ: ω) hay Mc = f(n)max và ω) hay Mc = f(n)min.

c) Loại động cơ (ω) hay Mc = f(n)một chiều hoặc xoay chiều) dự định chọn

d) Phương pháp điều chỉnh và bộ biến đổi trong hệ thống truyền động cần

phải định hướng xác định trước

1.5.1 Xây dựng đồ thị mong muốn của động cơ:

-27,5

Hình 4: Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ.

1.5.2 Xây dựng đồ thị mô men mong muốn của tải:

Dựa vào đồ thị tốc độ mong muốn của tải và các thông số đã cho,ta tính được mô men mong muốn của tải tại từng thời điểm:

Ta có T2 = TL + JL

dw dt

Hình 5 : Đồ thị momen mong muốn của tải.

1.5.3 Xây dựng đồ thị mô men mong muốn của động cơ:

Mô men quy về trục động cơ: Tem = Wm Wl T2 = r 1 r 2 T2 = 4*T2

 Từ 0 đến 1s: Tem = 124 (ω) hay Mc = f(n)N.m)

31

31

126,4

Hình 6 : Đồ thị momen mong muốn của động cơ.

1.5.4 Lập biểu đồ phụ tải sơ bộ:

Quy đổi sang công suất động cơ:

Từ 3 đến 4s: P= Tem.ω) hay Mc = f(n)M = 124.(ω) hay Mc = f(n)100-25t) =12400-3100t (ω) hay Mc = f(n)w)

Tại 4s: P= Tem.ω) hay Mc = f(n)M = 364.(ω) hay Mc = f(n)-27,5) = -10010(ω) hay Mc = f(n)w)

Từ 4 đến 6s: P= Tem.ω) hay Mc = f(n)M = 100.(ω) hay Mc = f(n)-27,5) = -2750(ω) hay Mc = f(n)w)

Từ 6 đến 7s: P= Tem.ω) hay Mc = f(n)M = 126,4.(ω) hay Mc = f(n)27,5t-192,5) = 3476t-24332(ω) hay Mc = f(n)w)

124

P(w)

3100

Hình 7 :Đồ thị công suất động cơ.

Công suất cực đại Pmax = 10010 W

6 Dòng điện định mức (ω) hay Mc = f(n)A) 51

7 Dòng điện cực đại (ω) hay Mc = f(n)A) 67

8 Điện trở (ω) hay Mc = f(n)ohms) 0.162

9 Cảm kháng (ω) hay Mc = f(n)mH) 0.0082

10 Khối lượng (ω) hay Mc = f(n)kg) 14

Kiểm nghiệm lại các thông số động cơ :

 chọn gearbox có các thông số cơ bản sau :

momen lớn nhất động cơ mong muốn Tmax = 364 < T =441.7=> thỏa mãn

 vậy động cơ đáp ứng được yêu cầu hệ thống truyền động

Dòng điện định mức: Iđm = 51 (ω) hay Mc = f(n)A)

Mômen quán tính của động cơ: J = 0

Hằng số mômen Km = 0.59 (ω) hay Mc = f(n)N.m/A)

Hằng số thời gian của máy biến dòng: Ti = 0.001

Hằng số thời gian của máy phát tốc: Tω) hay Mc = f(n) = 0.01 (ω) hay Mc = f(n)s)

1.6.2 Chọn thyristor cho mạch chỉnh lưu:

Điện áp ngược cực đại đặt lên van: Unmax = knv.U2 (ω) hay Mc = f(n)1)Với U2 là điện áp pha hiệu dụng phía hạ áp của máy biến áp

Ta có: Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

Ud = ku.U..cosα = Udo.cosα (ω) hay Mc = f(n)2)

Từ công thức ta có thể suy ra: Điện áp trung bình lớn nhất của mạch chỉnh lưu khi

Theo đề yêu cầu ta có: Ud =Uđm= V ⇒ Unmax=110∗π3 = 115 (ω) hay Mc = f(n)V)

Để có thể chọn van hợp lý, điện áp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện áp làm việc được tính từ công thức trên qua hệ số dự trữ điện áp ku =1,8

Vậy điện áp ngược của van cần chọn:

Unv =1,8∗115 = 207(ω) hay Mc = f(n)V)

Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng của sơ đồ trên (ω) hay Mc = f(n)Iv= Ihd) Dòng điện hiệu dụng được tính: Ihd = khd.Id

Trong đó:

Ihd là dòng điện hiệu dụng của van

Id là dòng điện trung bình của mạch chỉnh lưu

khd là hệ số xác định dòng điện hiệu dụng Hệ số này được xác định theo

bảng 8.2 (ω) hay Mc = f(n)trang 249 sách ĐTCS của tác giả Lê Văn Doanh), ta có khd =

Với điều kiện làm việc trên: I1v =  10 30 %   Iđmv

Chọn I1v = 25%Iđmv hay hệ số dự trữ dòng điện ki= 4.

⇒ Iđmv = ki.I1v= 4*29,5 = 118(ω) hay Mc = f(n)A)

Từ hai thông số Unv và Iđmv ta chọn 12 thyristor loại T210 N có các thông số sau:

Đi n áp ngược cực đại của vanện áp ngược cực đại của van Unmax = 300 V

Dòng đi n định mức của vanện áp ngược cực đại của van Imax = 210 A

Đỉnh xung dòng đi nện áp ngược cực đại của van Ipikmax = 1000 A

Dòng đi n của xung điều khiểnện áp ngược cực đại của van Igmax = 150 mA

Đi n áp xung điều khiểnện áp ngược cực đại của van Ugmax = 2,5 V

Dòng đi n ròện áp ngược cực đại của van Irmax = 15 mA

Sụt áp trên thyristor ở trạng thái

Tốc đ biến thiên đi n ápộ biến thiên điện áp ện áp ngược cực đại của van du/dt = 500 V/s.

Nhi t đ làm vi c cực đại cho ện áp ngược cực đại của van ộ biến thiên điện áp ện áp ngược cực đại của van

o

C

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

2.1 Mô hình toán học của động cơ:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập được sử dụng rộng rãi trong thực tế.Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện và mạch từ của máy sẽ có từ thông Ф Tiếp đó đặt một giá trị điện áp V lên mạch phần ứngthì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện ia chạy qua, tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ Vậy ta có các phương trình cơ bản của động cơ một chiều

Để xây dựng mô hình toán học của động cơ một chiều kích từ độc lập ta xét động cơ làm việc ở chế độ quá độ Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều:

Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:

-Hình 8 : Mô hình toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Hàm truyền đạt của tốc độ/điện áp và tốc độ/momen tải:

ω ( s )=G ωV (s )V ( s)+G ωl (s )T l(s)

2.2 Xây dựng mô hình toán học của các khâu trong hệ thống :

2.2.1 Mô hình toán học của Bộ biến đổi :

Để có thể đảo chiều cho động cơ, sử dụng hai mạch chỉnh lưu cầu có điều khiển đấu songsong ngược, điều khiển theo phương pháp điều khiển chung Sơ đồ Bộ biến đổi như sau:

Hình 9 : Chỉnh lưu đảo chiều dùng 2 bộ biến đổi đấu song song ngược.

Điện áp ra của bộ chỉnh lưu : Vdc =3π√6.U.cosα

0.5

0 -0.5

Bộ chỉnh lưu hoạt động theo chu kì lấy mẫu của mạch điều khiển Khoảng thời gian lấy mẫu gây ra sự trễ của bộ biến đổi

Khi thay đổi điện áp điều khiển, hoặc khi các thyristor thay đổi trạng thái đóng mở, thì điện áp ra chưa thay đổi ngay lập tức

Góc trễ có thể được hiệu chỉnh và sẵn sàng để thực thi trong khoảng 60o giữa 2 khoảng góc mở của 2 thyristor

Vì vậy thời gian trễ có thể được lấy bằng một nửa khoảng trễ này:

Tr = 60/2360 x thời gian một chu kì = 121 1f

f = 50 (ω) hay Mc = f(n)Hz) => Tr = 1.667 (ω) hay Mc = f(n)ms)

Bộ chỉnh lưu do đó được mô hình hóa bằng hàm trễ:

Gr(ω) hay Mc = f(n)s) = Kr.e−Tr s

(ω) hay Mc = f(n)1.5)Trong trường hợp gần đúng ta có thể viết:

Gr(ω) hay Mc = f(n)s) = Tr s+1 KΦr (ω) hay Mc = f(n)1.6)Vậy ta có mô hình toán của bộ chỉnh lưu hình cầu ba pha như sau:

Kr Tr.s + 1

Hình 10: Mô hình toán chỉnh lưu hình cầu ba pha.

2.2.1 Mô hình toán học của Cảm biến :

Trong đó Kω) hay Mc = f(n) - hệ số khuếch đại của cảm biến

Tω) hay Mc = f(n) -hằng số thời gian của bộ lọc

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

cos W

Speed controller

Field winding

Armature

Tach

Load

V i

Phase-Giả thiết trường hợp mô-men tải tỷ lệ với tốc độ của động cơ và cho bởi công thức:

_ a

1

R +s.L

V(s) E(s)

I (s)

a _

a

K b e

a

I (s)

a _

1+s.T(1+s.T ).(1+ T s)1

m 2 1

m

I (s) aV(s)a

Trong đó, các hàm truyền đạt và hệ số như sau:

b m

K(ω) hay Mc = f(n)s)

JTB



Hàm truyền của bộ biến đổi (ω) hay Mc = f(n)đã xây dựng ở chương 2):

a r r

Speed controller

m 2 1

CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

3.1 Sơ đồ các mạch vòng của hệ thống điều khiển truyền động điện:

Nếu chúng ta chọn hằng số thời gian của bộ điều khiển dòng điện là : T c=T2

Thì hàm khuếch đại của hệ thống sẽ được đơn giản thành hệ bậc 2 như sau:

Xấp xỉ mô hình mạch vòng dòng điện thành mô hình bậc nhất

Để thiết kế mạch vòng tốc độ, mô hình bậc 2 của mạch vòng dòng điện cần được thay thế bằng một mô hình xấp xỉ bậc nhất

Mạch vòng dòng điện được xấp xỉ bằng cách cộng thêm hằng số thời gian trễ trong khối

bộ biến đổi vào hằng số T l của động cơ Kết quả ta có hàm truyền đạt và sơ đối khối của mạch vòng dòng điện như sau:

1(1+ s T3)

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG, KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

CHẤT LƯỢNG4.1 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm MATLAB-Simulink :