HỆ THỐNG điều KHIỂN và TRUYỀN ĐỘNG điện đề tài THIẾT kế hệ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG điện CHO ĐỘNG cơ XOAY CHIỀU BA PHA ĐỒNG bộ tải QUAY

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG -  - PBL2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA ĐỒNG BỘ TẢI QUAY Sinh viên thực Giáo viên hướng dẫn Nhóm HP Nhóm TH Đà Nẵng 12/2021 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o0o PBL2: HTĐK VÀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN NHÓM 2: ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA – TẢI QUAY Giáo viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Khánh Quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đình Long Đặng Ngọc Minh Phạm Tấn Linh Nguyễn Phước Hưng Ngày nhận đề Ngày hoàn thành NHÓM Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ Phụ Lục CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ, XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG I PHÂN TÍCH U CẦU CƠNG NGHỆ , CÁC U CẦU CỦA TẢI 1.1 Giới thiệu hệ thống tải .4 1.2 cơ: Phân tích u cầu cơng nghệ dựa đồ thị tốc độ mong muốn động 1.3 Phân tích yêu cầu cơng nghệ, đặc tính tải 6 TÍNH CHỌN CƠNG SUẤT ĐỘNG CƠ II Moment xoắn động cơ: Tốc độ mong muốn động cơ: Công suất mong muốn động 10 Tính chọn Mô mem đẳng trị Tep, Công suất đẳng trị Pep 11 Dựa vào Tđm Pđm ta vừa tìm trên, chọn động PM-AW160L3 có thơng số sau: Ta kiểm định lại động Chọn hộp số cho động Phần Ⅱ: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA TẢI QUAY CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỀU KHIỂN (S-PWM) • Nguyên lý điều chế SPWM pha • Nguyên lý điều chế PSWM pha CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN • Bộ nghịch lưu: • Bộ chỉnh lưu : I Tính chọn diode chỉnh lưu: II Tính tốn máy biến áp : Điện áp chỉnh lưu không tải Xác định công suất tối đa t Công suất biến áp nguồn cấp Dòng điện hiệu dụng thứ cấp m Dòng điện hiệu dụng sơ cấp m III Bảo vệ dòng điện cho van IV Bảo vệ điện áp nội tại: V Bảo vệ nhiệt độ cho van bán dẫn: SƠ ĐỒ CHI TIẾT MẠCH ĐỘNG LỰC CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG – KIỂM NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG I Sơ đồ hệ thống điều khiển truyền động điện NHÓM 2 Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG II ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ Kết mô 30 Đáp ứng đầu tốc độ moment động 30 Đáp ứng đầu dòng điện hệ thống 30 Điện áp đầu hệ thống 32 III Phân tích đánh giá chất lượng hệ thống 32 NHÓM Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ, XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG I PHÂN TÍCH U CẦU CƠNG NGHỆ , CÁC YÊU CẦU CỦA TẢI 1.1 Giới thiệu hệ thống tải Thiết kế hệ thống truyền động điện cho động xoay chiều ba pha đồng tải quay có thơng số kỹ thuật sau: - Nguồn điện xoay chiều pha 220V/380V đồ: Tải hệ thống truyền động điện cho sơ ➢ ➢ ➢ ➢ r1/r2=4 TL= 24 Nm JL= Kg.m2 JM=0 Sơ đồ công nghệ ₋ Từ yêu cầu nêu tốn đặt hệ thống TDD phải hoạt động ổn định, tốt bền, sai số nằm phạm vi cho phép gồm: • Phần cơ: tải cần truyền động (yêu cầu tải theo yêu cầu công nghệ máy) Xác định vị trí động đặt vào tải để truyền động • Để truyền động cho tải phải thiết kế hệ TDD (động cơ, biến đổi, cảm biến, thành hệ kín) • Từ nguồn điện ⇒ chọn biến đổi phù hợp • Từ yêu cầu tải ⇒ u cầu động ( • Tính chọn cảm biến phù hợp hệ thống ,) • Bộ biến đổi gồm mạch điều khiển phát xung để điều khiển góc mở • Nếu phần điều khiển động lực biến đổi hoạt động tốt NHÓM Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG ⇒ u = u* ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ Trong phần thiết kế phần điều khiển phải thiết kế cấu trúc điều khiển, xây dựng thuật tốn điều khiển từ xác định tham số điều khiển để điều khiển tốc độ động chạy sát với yêu cầu đặt tải cho sẵn Hệ điều khiển tiếp nhận tín hiệu tốc độ quay từ trục động thông qua Encoder, tín hiệu dịng điện từ cảm biến dịng sau xử lý điều khiển theo thuật tốn xây dựng Bộ điều khiển tính toán dựa theo tham số tự động điều chỉnh cho phù hợp với yêu cầu mong muốn đề tài, dễ dàng linh hoạt việc thay đổi để phù hợp với thay đổi tải Chất lượng điều khiển tự động hệ thống phụ thuộc lớn vào điều khiển, đặc biệt cấu trúc điều khiển thuật toán điều khiển Bên cạnh yêu cầu chất lượng nguồn cấp, biến đổi, cảm biến hay động cần phải quan tâm Đồ án tập trung vào thiết kế điều khiển, lựa chọn thuật toán điều khiển phù hợp với yêu cầu tốn • Dựa vào sơ đồ tổng thể hình 1.3, hệ thống thiết kế với phần: • Nguồn cung cấp: nguồn điện xoay chiều pha 220/380V, nguồn 5VDC để cấp cho điều khiển cảm biến • Động cơ: động điện xoay chiều pha đồng kích từ vĩnh cửu • Bộ biến đổi: Bộ biến tần pha gián tiếp nguồn áp để biến đổi nguồn cấp cho động NHÓM Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ • Đo lường: đo tốc độ trục động cơ, đo dòng điện vào khâu so sánh với mục đích điều chỉnh tốc độ mong muốn 1.2 Phân tích yêu cầu công nghệ dựa đồ thị tốc độ mong muốn động cơ: Đồ thị mong muốn động lúc này: ₋ Dựa vào đồ thị trên, ta xác định q trình diễn giai đoạn • Giai đoạn 1: Động từ L=0 rad/s đến L=100 rad/s vịng giây • Giai đoạn 2: Động giữ nguyên tốc độ L=100 rad/s vịng giây • Giai đoạn 3:Tốc độ động giảm M=0 rad/s xét t=0,59s • Giai đoạn 4: Động quay theeo chiều ngược lại, tốc độ từ L= rad/s đến L=-70 rad/s xét t=0,41s • Giai đoạn 5: Động giữ nguyên tốc độ L=-70 rad/s vịng giây • Giai đoạn 6: Động tắt dần L=0 rad/s vòng giây ₋ Yêu cầu hệ thống hoạt động ổn định, đồ tốc độ mơ phụ tải cần phải bám sát với đồ thị yêu cầu với sai số nằm khoảng cho phép ₋ Điều khiển động dễ dàng, có đảo chiều quay Có khả giảm L=0 rad/s đảo chiều quay đến L= -70 rad/s ₋ Sử dụng loại cảm biến, thiết bị đo, thuật toán điều khiển xác 1.3 Phân tích u cầu cơng nghệ, đặc tính tải Sử dụng động xoay chiều ba pha đồng điều khiển tốc độ tải theo yêu cầu hình ₋ NHÓM Nguồn điện sử dụng: 220V/380V Hệ thống hoạt động ổn định Sai số năm khoảng cho phép Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ Điện áp vào nghịch lưu: Ufmax = = U U d Điện áp ngược lớn đặt lên IGBT: Ung = Ud = 466,7 (V) Vì tải đấu hình Y nên dịng cực đại qua IGBT dòng sau mạch nghịch lưu, tức Id = Idm = 48,67 (A) Tuy nhiên khởi động động cơ, dòng mở máy tang lên nên ta phải chọn IGBT có thông số giới hạn cao Chọn Km = 2,5 Với Ku = 1,7 ; Ki = 1,2 ta chọn IGBT có : Ungmax = Ku Ung = 1,7 466,7 = 793,39 (V) It = km Ki ID = 2,5 1,2 48,67 = 146,01 (A) Từ hai thông số ta chọn IGBT BSM150GAL120DN2 IGBT BSM150GAL120DN2 NHÓM 22 Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG Thơng Điện áp C Dịng C Điện áp điều k Nhiệt độ tố Công suất tổ Thời gian trễ Thời gian Thời gian trễ Thời gian g Thời gian chuy Diode forward • Bộ chỉnh lưu : I Tính chọn diode chỉnh lưu: Điện áp pha thứ cấp MBA: Ucl = U 2mba = U 2mba Điện áp ngược lớn đặt lên diode : Uđm = √6.U2mba = √6 200 = 490(V) NHÓM 23 Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ Dòng qua diode: ID = = 31479,54/466,7 = 22.48 (A) 3 Với Ku = 1,7 ; KI = 1,2 ta chọn diode có : UD = Ku Uđm = 1,7.490 = 784 (V) ID = Km Ki ID =2,5 1,2 22,48 = 67,44 (A) Từ hai thông số ta chọn diode 80PF80W Diode 80PF80W Thông số kỹ thuật: KÝ HIỆU 80PF80W Chú thích: • • • • • • • Imax – Dòng điện chỉnh lưu cực đại Un – Điện áp ngược điơt Ipik – Đỉnh xung dịng điện ∆U – Tổn hao điện áp trạng thái mở điơt Ith – Dịng điện thử cự đại Ir – Dòng điện rò nhiệt độ 150 oC Tcp – Nhiệt độ cho phép • II Tính tốn máy biến áp : Để chọn thiết bị mạch động lực mạch bảo vệ, trước hết cần xác định điện áp chỉnh lưu NHÓM 24 Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ Chọn máy biết áp pha trụ sơ đồ đấu dây ∆/Y , làm mát tự nhiên khơng khí Máy biến áp phận quan trọng hệ thống điện, thực chức sau: + Biến đổi điện áp nguồn phù hợp với yêu cầu sơ đồ phụ tải : + Đảm bảo cách ly phụ tải lưới điện để vận hành an tồn thuận tiện + Hạn chế dịng điện ngắn mạch chỉnh lưu hạn chế mức tang dòng Anot để bảo vệ van + Cải thiên hình dáng song điện lưới làm cho đỡ biễn dạng so với hình sin, nâng cao chất lượng điện áp lưới Điện áp chỉnh lưu không tải Udo.cosamin = Ud + 2∆Uv + ∆Udn + ∆Uba Trong đó: • amin = 10o góc dự trữ có suy giảm điện lưới; • ∆Uv = 0,7(V) sụt áp diode; • ∆Udn ≈ sụt áp dây nối; • ∆Uba = ∆Ur + ∆Ux sụt áp điện trở điện kháng máy biến áp; - Chọn sơ bộ: ∆Uba = 5%.Ud = 5%.220 = 11(V)  10 Udo = 220+2.0,7+0+11 ≈ 236 (V) Xác định công suất tối đa tải Pdmax = Udo Id = 236 52 = 12272 (W) Công suất biến áp nguồn cấp Sba = Ks Pdmax = 1,05 12272 = 12885.6 (W) Trong đó: Sba – cơng suất biểu kiến máy biến áp [W]; Ks – hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực (tra bảng 8.2 sách đtcs Lê Văn Doanh) NHÓM 25 Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG - Pdmax – công suất cực đại tải [W] Điện áp pha sơ cấp máy biến áp: U1 = 220 (V); -Điện áp pha thứ cấp máy biến áp: U2 = ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ Udo = 236/2,34 = 101 (V) Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp: I2 = K2.Id = 0,82.52 = 42,64 (A) Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp: I1 = KBA.I2 = I2 = 101 52 = 23,87 (A) III 220 Bảo vệ dòng điện cho van: - Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực tự động cắt mạch tải ngắn mạch van công suất, ngắn mạch đầu biến đổi, ngắn mạch thứ cấp MBA, ngắn mạch chế độ nghịch lưu Dòng điện làm việc chạy qua Aptomat: Ilv = + Dòng điện aptomat cần chọn: Iđm = 1,1.Ilv = 1,1 33,82 = 37,2 (A) √3.220 = 12885.6 + √3.220 = 33,82 (A) + Có tiếp điểm chính, đóng cắt tay nam châm điện Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 2,5 Ilv = 2.5 33,82 = 84,55 (A) + - Dòng tải: Iqt = 1,5 Ilv = 1,5 33,82 = 50,73 (A) Chọn cầu dao có dịng định mức: Iđm = 1,1 Ilv = 1,1 33,82 = 37,2 (A) + Cầu dao dung để tạo khe hở an toàn sửa chữa hệ thống truyền động dùng để đóng cắt nguồn chỉnh lưu khoảng cách từ nguồn cấp tới chỉnh lưu đáng kể + Dùng dây chảy: Tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch van công suất, ngắn mạch đầu chỉnh lưu + Nhóm 1cc: Dịng điện định mức dây chảy nhóm 1cc  I1cc = 1,1 I2 = 1,1 52 = 57,2 (A) Chọn 1cc loại 60 A + Nhóm 2cc: Dịng điện định mức dây chảy nhóm 2cc  I2cc = 1,1 Ihd = 1,1.67,44 = 74,18 (A) Chọn 2cc loại 75 A + Nhóm 3cc: Dịng điện định mức dây chảy nhóm 3cc NHĨM 26 Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ I1cc = 1,1 I2 = 1,1 52 = 57,2 (A)  Chọn 1cc loại 60 A IV Bảo vệ điện áp nội tại: - Khi có chuyển mạch, điện tích tích tụ lớp bán dẫn phóng ngồi tạo dịng điện ngược khoảng thời gian ngắn, biến thiên nhanh chóng dịng điện ngược gây sức điện động cảm ứng lớn điện cảm làm cho điện áp Anot Catot van công suất Khi có mạch RC mắc song song với diode IGBT tạo mạch vịng phóng điện tích q trình chuyển mạch nên diode IGBT khơng bị điện áp Thông thường ta chọn: R = (5 ÷ 30) Ω; C = (0,25÷4) μF + V Bảo vệ nhiệt độ cho van bán dẫn: - Khi van bán dẫn làm việc, có dịng điện chạy qua, van có sụt áp ∆U, dó có tổn hao công suất ∆P Tổn hao sinh nhiệt, đốt nóng van bán dẫn Mặt khác, van bán dẫn phép làm việc nhiệt độ cho phép (T cp), nhiệt độ cho phép van bị hỏng Để van bán dẫn hoạt động an tồn, khơng bị đánh thủng, cần chọn thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lý - Tính tốn cánh tỏa nhiệt: - Thơng số cần có: • Tổn thất công suất diode: ∆P = ∆U Ilv = 1,55 22,48 = 34,844 (A) • Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: STN = Trong đó: ∆P: Tổn hao cơng suất (W) ‫ح‬: Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường; Chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 40oC; Nhiệt độ làm việc cho phép diode: Tcp = 125oC; Chọn nhiệt độ cánh tỏa nhiệt: Tlv = 80 oC; ‫ = ح‬Tlv – Tmt = 40oC; Km: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu xạ, chọn Km = W/m2oC; NHÓM 27 Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG Vậy STN = + 34,844 8.40 ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ = 0,109 m2 Chọn loại cánh tản nhiể có 12 cánh, kích thước cánh: a × b = × (cm×cm) + Tổng diện tích tản nhiệt cánh: Stn = 12×12×7×7 = 1176 (cm2) = 0,1176 (m2) Hình chiếu cánh tản nhiệt SƠ ĐỒ CHI TIẾT MẠCH ĐỘNG LỰC NHÓM 28 Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG – KIỂM NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG I Sơ đồ hệ thống điều khiển truyền động điện Hình 4.1:Sơ đồ hệ thống TDD điều khiển động PMSM matlab simulink Hình 4.2 Thơng số động PMSM NHÓM 29 Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ II Kết mô Đáp ứng đầu tốc độ moment động Hình 3.3 Đáp ứng đầu tốc độ moment động NHẬN XÉT: • Tốc độ động Tốc độ mô đáp ứng tốt so với thực tế Tại điểm đóng tải với momen lớn tốc độ có dao động lớn Những thời điềm tốc độ thay đổi đột ngột, tốc độ có dao động nhỏ • Moment động Đồ thị đáp ứng gần với giá trị momen tính tóa ban đầu Kết mơ có dao động nhiễu Tại thời điểm momen thay đổi đột ngột, momen có dao động sau bám sát với đồ thị momen tính tốn NHĨM Đáp ứng đầu dòng điện hệ thống 30 Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ Hình 3.4 :Đáp ứng đầu dịng điện pha hệ thống Hình 3.5: Dịng điện đầu pha hệ thống NHẬN XÉT: Dạng sóng hình sin mạch nghịch lưu tạo dao động lớn chấp nhận Tại thời điểm tốc độ cao tần số dịng điện cao Đồ thị dòng điện đảo chiều ta đảo chiều tốc độ NHÓM 31 Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ Điện áp đầu hệ thống Hình 3.6 : Điện áp đầu hệ thống NHẬN XÉT: Ban đầu khởi động động cơ, điện áp cịn dao động sau nhanh chóng trở trạng thái xác lập III Phân tích đánh giá chất lượng hệ thống - Tốc độ động bám sát với tốc độ mong muốn tải không sai số nhiều - Sai số xác lập nhỏ, số lần dao động Việc xuất sai số sai số thể q trình tính chọn thiết bị, làm trịn số liệu, số liệu khơng có cho theo thông số gần tham khảo - Moment cho kết moment mong muốn , khoảng thay đổi có dao động tăng lên không đáng kể - Hệ thống làm việc hoàn toàn yêu cầu tốc độ xuất nhấp nhô, nhỏ không đáng kể  Từ ta thấy hệ thống hoạt động tốt, mơ có đáp ứng đầu tương đối xác, bám sát với mong muốn, sai số không đáng kể ➢ Đề xuất phương án tốt : NHÓM 32 Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com GVHD: TS.NGUYỄN KHÁNH QUANG ĐỒ ÁN HTĐK VÀ TĐĐ Ta cải thiện hệ thống cách sử dụng phương pháp điều khiển mạch vịng sử dụng tín hiệu phản hồi để cải thiện dao động tốc độ momen động bám sát với yêu cầu đề NHÓM 33 Lớp 19DCLC1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com ... Dựa vào sơ đồ tổng thể hình 1.3, hệ thống thiết kế với phần: • Nguồn cung cấp: nguồn điện xoay chiều pha 220/380V, nguồn 5VDC để cấp cho điều khiển cảm biến • Động cơ: động điện xoay chiều pha đồng. .. HTĐK VÀ TĐĐ CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ, XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG I PHÂN TÍCH U CẦU CƠNG NGHỆ , CÁC YÊU CẦU CỦA TẢI 1.1 Giới thiệu hệ thống tải Thiết kế hệ thống truyền động điện cho động. .. trí động đặt vào tải để truyền động • Để truyền động cho tải phải thiết kế hệ TDD (động cơ, biến đổi, cảm biến, thành hệ kín) • Từ nguồn điện ⇒ chọn biến đổi phù hợp • Từ yêu cầu tải ⇒ u cầu động