ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN DỰ ÁN LIÊN MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ (PBL2) ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng Sinh viên thực hiện: Huỳnh Thái Bảo Bùi Đức Lâm Lê Đức Thành Hồng Lê Nhật Trường Nhóm học phần: 20Nh34B Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hoá PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện PGS.TS Lê Tiến Dũng MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DỰ ÁN 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.1.1 LÝ DO CHỌN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1.2 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.2 DANH SÁCH KIỂM TRA PHẠM VI DỰ ÁN 1.2.1 Bảng phân chia công việc 1.2.2 Sơ đồ Gantt dự án CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ TẢI 2.1 Giới thiệu khái quát hệ thống truyền động điện 2.1.1 Mô tả hệ thống: 2.1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động 2.2 Tính chọn động tải 2.2.1 Đồ thị tốc độ dự kiến động 2.2.2 Tốc độ dự kiến đầu động 2.2.3 Tính chọn momen công suất 2.2.4 Chọn công suất động 11 2.2.5 Kiểm nghiệm lại động 11 CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 13 a b c d Bộ chỉnh lưu: 13 Chức năng: 13 Ứng dụng: 13 Phân loại: 13 Ưu điểm: 14 a b c Bộ nghịch lưu: 14 Chức năng: 14 Ứng dụng: 14 Phân loại: 14 3.1 3.2 3.3 Biến tần 14 a Chức năng: 14 b Phân loại: 14 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện PGS.TS Lê Tiến Dũng MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Bảng phân chia cơng việc Hình Sơ đồ Gantt Hình Mơ hình hoạt động động Hình 2 Sơ đồ hệ thống truyền động Hình Đồ thị đặc tính tải động Hình Đồ thị tốc độ dự kiến động Hình Đồ thị momen động Hình Đồ thị công suất động 10 Hình Động DC 89831004 11 Hình Đồ thị momen, tốc độ động 12 Hình Đặc tính điện động 12 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện PGS.TS Lê Tiến Dũng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DỰ ÁN 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Động điện chiều ngày sử dụng rộng rãi sản xuất cơng nghiệp tính mà mang lại như: không cần nguồn xoay chiều, thực việc thay đổi tốc độ động cách dễ dàng,… Chính lí mà chúng em chọn động chiều để thực thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động chiều kích từ độc lập 1.1.1 LÝ DO CHỌN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Vì động điện chiều có moment mở máy lớn, kéo tải nặng khởi động 1.1.2 Khả điều chỉnh tốc độ tải tốt Tiết kiệm điện Bền bỉ, tuổi thọ lớn Động điện chiều có chổi than có hiệu suất tốt Mật độ mơ-men xoắn tương đối cao động Động chiều chạy êm phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng Khả tải tốt nhiễu điện từ nhỏ KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Động điện chiều máy điện quay dùng để biến đổi lượng điện chiều thành Động điện chiều bao gồm: Động điện chiều kích từ độc lập, song song, nối tiếp, hỗn hợp Máy điện chiều máy phát động điện có cấu tạo giống Những phần máy điện chiều gồm phần cảm (phần tĩnh) phần ứng (phần quay) Ngồi cịn có phận chổi than, cổ góp PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện PGS.TS Lê Tiến Dũng 1.2 DANH SÁCH KIỂM TRA PHẠM VI DỰ ÁN 1.2.1 Bảng phân chia cơng việc Hình 1 Bảng phân chia công việc 1.2.2 Sơ đồ Gantt dự án 10/09/2022 20/09/2022 30/09/2022 10/10/2022 20/10/2022 30/10/2022 09/11/2022 19/11/2022 29/11/2022 09/12/2022 Phân chia nhóm chọn loại động cơ, tải Tính tốn số liệu cần thiết cho u cầu tải Thiết kế mạch công suất Thiết kế mạch điều khiển Mô Bản vẽ chi tiết Thi cơng thực nghiệm mơ hình Tổng hợp báo cáo Hồn thiện mơ hình hiệu chỉnh báo cáo Hình Sơ đồ Gantt PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện PGS.TS Lê Tiến Dũng CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ TẢI 2.1 Giới thiệu khái quát hệ thống truyền động điện 2.1.1 Mô tả hệ thống: Yêu cầu đề tài: - Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động chiều kích từ độc lập Các số liệu ban đầu: - Nguồn điện xoay chiều pha 220V/380V - Tải hệ thống truyền động điện hình vẽ Hình Mơ hình hoạt động động Từ yêu cầu đề tài, ta thiết kế điều khiển tốc độ cho động cho hệ thống có khả điều chỉnh tốc độ theo giá trị mong muốn tải PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện 2.1.2 PGS.TS Lê Tiến Dũng Sơ đồ hệ thống truyền động Hình 2 Sơ đồ hệ thống truyền động 2.2 Tính chọn động tải 2.2.1 Đồ thị tốc độ dự kiến động 60 u(cm/s) 50 50 40 20 t(s) 0 10 13 15 18 23 -20 -40 -50 -60 𝑟𝑚 = 𝑟1 = 90 𝑚𝑚 ωm = -50 Hình Đồ thị đặc tính tải động 𝑟 𝑣à 𝑟2 = 53 𝑚𝑚 → ≈ 1,7 𝑟2 u 500 = ≈ 5,56 (rad/s) ≈ 333,6 (vòng/phút) rm 90 26 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện PGS.TS Lê Tiến Dũng 2.2.2 Tốc độ dự kiến đầu động ωm(rad/s) 5.56 5.56 t(s) 0 10 13 15 18 23 -5.56 -5.56 26 -2 -4 -6 -8 Hình Đồ thị tốc độ dự kiến động Dựa vào đồ thị tốc độ dự kiến đầu động cơ, ta xác định trình diễn giai đoạn: - Giai đoạn (từ giây đến giây 0,5): Tốc độ quay động tăng từ 𝜔𝑚 = 0(𝑟𝑎𝑑/𝑠) đế𝑛 𝜔𝑚 ≈ 5,56(𝑟𝑎𝑑/𝑠) - Giai đoạn (từ giây 0,5 đến giây 4): Tốc độ quay động ổn định với 𝜔𝑚 ≈ 5,56(𝑟𝑎𝑑/𝑠) - Giai đoạn (từ giây đến giây 4,5): Tốc độ quay động giảm dần 𝜔𝑚 = 0(𝑟𝑎𝑑/𝑠) - Giai đoạn (từ giây 4,5 đến giây 5): Tốc độ quay động ổn định với 𝜔𝑚 = 0(𝑟𝑎𝑑/𝑠) - Giai đoạn (từ giây đến giây 5,5): Động đảo chiều, tốc độ quay động tăng từ 𝜔𝑚 = 0(𝑟𝑎𝑑/𝑠) đế𝑛 𝜔𝑚 ≈ − 5,56(𝑟𝑎𝑑/𝑠) - Giai đoạn (từ giây đến giây 10): Tốc độ quay động ổn định với 𝜔𝑚 ≈ − 5,56(𝑟𝑎𝑑/𝑠) - Giai đoạn (từ giây 10 đến giây 11): Tốc độ quay động giảm dần 𝜔𝑚 = 0(𝑟𝑎𝑑/𝑠) PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện PGS.TS Lê Tiến Dũng 2.2.3 Tính chọn momen cơng suất Momen điện từ động cung cấp: 𝑇𝑒𝑚 = 𝑟 𝑚 Với 𝐽𝑚 𝑑𝜔𝑚 𝑑𝑡 𝑑𝜔𝑚 𝑑𝑡 + 𝑟 𝑓𝑙 + 𝐽𝑚 𝑑𝜔𝑚 𝑑𝑡 momen yêu cầu để quay động cơ, đồng thời nhỏ nên tạm thời ta tính momen điện từ theo cơng thức: 𝑇 = 𝑟 𝑚 𝑑𝜔𝑚 𝑑𝑡 + 𝑟𝑓𝑙 (m=2000 kg) Bỏ qua ma sát ổ trục fl=167 - Giai đoạn 1: 𝑇1 = 𝑟 𝑚 - Giai đoạn 2: 𝑇2 = 𝑟 𝑚 - Giai đoạn 3: 𝑇3 = 𝑟 𝑚 - Giai đoạn 4: 𝑇4 = 𝑟 𝑚 - Giai đoạn 5: 𝑇5 = 𝑟 𝑚 - Giai đoạn 6: 𝑇6 = 𝑟 𝑚 - Giai đoạn 7: 𝑇7 = 𝑟 𝑚 𝑑𝜔𝑚 𝑑𝑡 𝑑𝜔𝑚 𝑑𝑡 𝑑𝜔𝑚 𝑑𝑡 𝑑𝜔𝑚 𝑑𝑡 𝑑𝜔𝑚 𝑑𝑡 𝑑𝜔𝑚 𝑑𝑡 𝑑𝜔𝑚 𝑑𝑡 + 𝑟𝑓𝑙 ≈ 45 (𝑚𝑁 𝑚) + 𝑟𝑓𝑙 ≈ 15(𝑚𝑁 𝑚) + 𝑟𝑓𝑙 ≈ −15 (𝑚𝑁 𝑚) + 𝑟𝑓𝑙 ≈ (𝑚𝑁 𝑚) + 𝑟𝑓𝑙 ≈ −45 (𝑚𝑁 𝑚) + 𝑟𝑓𝑙 ≈ −15 (𝑚𝑁 𝑚) + 𝑟𝑓𝑙 ≈ 15 (𝑚𝑁 𝑚) Đồ thị momen điện từ động sau tính tốn: T(𝑚𝑁.𝑚) 45 50 40 30 15 20 15 10 t(s) -10 -20 10 15 20 -15 25 -15 -30 -40 -45 -50 Hình Đồ thị momen động Công suất động điện chiều xác định qua biểu thức: 𝑃 = 𝑇𝜔𝑚 30 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện - Tại t=0(s): Tại t=3(s): Tại t=10(s): Tại t=13(s): Tại t=15(s): Tại t=18(s) Tại t=23(s) Tại t=26(s) 𝑃 𝑃 𝑃 𝑃 𝑃 𝑃 𝑃 𝑃 = 𝑇𝜔𝑚 = 𝑇𝜔𝑚 = 𝑇𝜔𝑚 = 𝑇𝜔𝑚 = 𝑇𝜔𝑚 = 𝑇𝜔𝑚 = 𝑇𝜔𝑚 = 𝑇𝜔𝑚 PGS.TS Lê Tiến Dũng = 45 ∗ = 0(𝑊) = 15 ∗ 5,56 = 84(𝑊) = −14,99 ∗ 5,56 ≈ −83(𝑊) = ∗ = 0(𝑊) = 45 ∗ = 0(𝑊) = −15 ∗ −5,56 ≈ 83(𝑊) = 15 ∗ −5,56 ≈ −83(𝑊) = ∗ ≈ 0(𝑊) P(w) 100 84 84 80 60 40 20 t(s) 0 10 15 20 25 30 -20 -40 -60 -80 -83 -100 -83 Hình Đồ thị cơng suất động ➔ Phương trình đường thẳng P qua giai đoạn có dạng P = at + b: - Từ → 3(s): P = 28t (W) - Từ → 10(s): P = 155,6-23,68t (W) - Từ 10 → 13(s): P = -359,67 + 27,67t (W) - Từ 13 → 15(s): P = (W) - Từ 15 → 18(s): P = -420+28t (W) - Từ 18 → 23(s): P = 685,2-33,4t (W) - Từ 23 → 26(s): P = -719,33 + 27,67 (W) ➔ Momen đẳng trị công suất đẳng trị: ∑𝑛1 𝑇𝑛2 ∆𝑡𝑛 𝑇𝑑𝑡 = √ ∑𝑛1 ∆𝑡𝑛 (45)2 + (15)2 + (−15)2 3+02 + (−45)2 + (−15)2 + (15)2 =√ 26 ≈ 25(𝑁 𝑚) PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện 𝑃𝑑𝑡 = √ ∑𝑛1 𝑃2𝑛 ∆𝑡𝑛 ∑𝑛1 ∆𝑡𝑛 = √ 𝐴=∫ (28𝑡)2 𝐴 26 10 13 𝑑𝑡 + ∫ (155,6 − 23,86𝑡) 𝑑𝑡 + ∫ (−359,67 + 27,67𝑡)2 𝑑𝑡 15 PGS.TS Lê Tiến Dũng 10 18 23 + ∫13 (0)2 𝑑𝑡 + ∫15 (−420 + 28t)2 𝑑𝑡 + ∫18 (685,2 − 33,4t)2 𝑑𝑡 + 26 ∫23 (−719,33 + 27,67𝑡)2 𝑑𝑡 = 55756,943 (W) → 𝑃𝑑𝑡 = 46,31 (W) Với giá trị momen đặc trị công suất đặc trị vừa tính nên ta lựa chọn động cơ: 𝑃𝑑𝑚 = (1 ÷ 1,3)𝑃𝑑𝑡 𝑇𝑑𝑚 = (1 ÷ 1,3)𝑇𝑑𝑡 Chọn hệ số dự trữ k = 1,3 → Công suất định mức momen định mức: 𝑃𝑑𝑚 = 1,3 𝑃𝑑𝑡 = 1,2.46,31 = 55,572(𝑊) 𝑇𝑑𝑚 = 1,3 𝑇𝑑𝑡 = 1,2 25 = 30(𝑚N m) 2.2.4 Chọn công suất động Dựa vào công suất momen định mức trên, chọn động DC 89831004 ▪ ▪ ▪ ▪ Tốc độ khơng tải: 570 RPM (570vịng/phút) Voltage: 12 VDC Cơng suất: 57 W Momen: 65,85 (mN.m) Hình Động DC 89831004 2.2.5 Kiểm nghiệm lại động Tốc độ quay cực đại mong muốn động cơ: 𝜔𝑚 = 𝑢 500 = ≈ 5,56 (rad/s) ≈ 333,6 (vòng/phút) 𝑟 90 Từ đồ thị tốc độ momen điện từ ta thấy tốc độ động cần đáp ứng lớn 333,6 vòng/phút tốc độ định mức 570 vòng/phút momen điện từ cần đáp ứng lớn so với momen định mức → Sử dụng thêm hộp số để tăng momen giảm tốc độ cho động PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện Hệ số tỉ lệ hộp số: 𝑛 = 570 333,6 PGS.TS Lê Tiến Dũng = 1,7 Sau thực kiểm nghiệm động Matlab: Hình Đồ thị momen, tốc độ động Hình Đặc tính điện động PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện PGS.TS Lê Tiến Dũng CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 3.1 Bộ chỉnh lưu: a Chức năng: Biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều b Ứng dụng: Cấp nguồn cho tải chiều: Động điện chiều, nạp ac quy, mạ điện phân, máy hàn chiều, nam châm điện, truyền tải điện chiều cao áp,… c Phân loại: • Dựa theo số pha nguồn cấp cho van chỉnh lưu: pha, pha, pha, pha,… • Dựa theo loại van bán dẫn: o Mạch dùng hoàn toàn diode (chỉnh lưu không điều khiển) o Mạch dùng kết hợp diode thyristor (chỉnh lưu bán điều khiển) o Mạch dùng hoàn toàn thyristor (chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn) Dựa theo sơ đồ mắc van: ▪ Sơ đồ hình tia: - Số van = số pha nguồn cung cấp - Các van đấu chung đầu với nhau, Anode chung, Cathode chung ▪ Sơ đồ hình cầu : - Một nửa số van mắc chung Anode, nửa số van mắc chung Cathode • PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện d Ưu o o o o PGS.TS Lê Tiến Dũng điểm: Mạch đơn giản, nhỏ gọn Chi phí thấp Dễ kết nối Số linh kiện mạch 3.2 Bộ nghịch lưu: a Chức năng: Chuyển đổi lượng từ nguồn điện chiều không đổi sang dạng lượng xoay chiều b Ứng dụng: - Cung cấp lượng cho tải xoay chiều - Các nghịch lưu tạo thành phận chủ yếu cấu tạo biến tần… c Phân loại: - Theo số lượng pha: Một pha, Ba pha, Nhiều pha - Theo sơ đồ: Hình cầu, Hình tia - Theo đặc điểm nguồn: Nguồn áp, Nguồn dòng 3.3 Biến tần a Chức năng: Dùng để biến đổi lượng xoay chiều cách thay đổi tần số b Phân loại: - Phân loại theo số lượng pha: Một pha, Ba pha, m-pha - Phân loại theo sơ đồ: Trực tiếp, Gián tiếp (Nguồn áp, Nguồn dòng)