(Đồ án) đồ án môn học truyền động điện đề tài tìm hiểu điều khiển cắt chopper hệ truyền động điện với động cơ điện 1 chiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HĨA ĐỒ ÁN MƠN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHUN NGÀNH: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỀ TÀI: Tìm hiểu điều khiển cắt chopper hệ truyền động điện với động điện chiều Giảng viên hướng dẫn: Mai Hồng Cơng Minh Sinh viên thực hiện: Tạ Cao Cường – 18810410002 Nguyễn Tùng Dương – 18810410124 Nguyễn Đình Đức – 18810410213 Lớp: D13 CNKTDK HÀ NỘI, 6/2022 h NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Tên đề tài đồ án: Tìm hiểu điều khiển cắt chopper hệ truyền động điện với động chiều Nhiệm vụ: - Giới thiệu chung hệ truyền động điện - Tìm hiểu Speed Torque convention and Multiquadrant Operation - Tìm hiểu quy đổi mơ men trục động - Tìm hiểu đặc điểm Momen tốc độ động chiều (Torque-Speed characteristic of DC Motors) : động kích từ độc lập (shunt), động nối tiếp (serie) - Tìm hiểu điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập (Speed Control of Separtely Excited DC Motor): điện trở phần ứng (armature resistance control), điện áp phần ứng (armature voltage control), từ thông (field control), v.v - Tìm hiểu điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ nối tiếp(Speed Control of Series Motor) - Các chế độ hãm động chiều kích từ độc lập (Braking of Separate Excited): hãm tái sinh (regenerative braking), hãm động lực (dynamic braking), plugging - Single phase Full Controlled Converter-Fed Separately Excited Dc Motor: discontinuous armature current (Điều khiển hoàn toàn đơn pha động chiều kích từ độc lập: dịng phần ứng ngắt qng), continuous operation - Single phase Half Controlled Converter-Fed Separately Excited Dc Motor discontinuous current operation, continuous current operation - Chopper fed DC Drives - Dynamic Braking Using DC chopper - Close loop control of DC Drives h MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 Cấu trúc phân loại hệ thống truyền động điện .1 1.1.1 Cấu trúc hệ thống truyền động điện 1.1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện 1.2 Các khái niệm hệ thống truyền động điện 1.2.1 Đặc tính máy sản xuất 1.2.2 Đặc tính động điện 1.2.3 Trạng thái làm việc hệ TĐĐ 1.3 Tính đổi đại lượng học 1.3.1 Mômen lực quy đổi 1.3.2 Quy đổi mômen quán tính khối lượng quán tính Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 10 2.1 Giới thiệu chung động chiều kích từ độc lập 10 2.1.1 Nguyên lý hoạt động động chiều kích từ độc lập 10 2.1.2 Đặc tính động chiều kích từ độc lập 10 2.1.4 Đặc tính trạng thái hãm 18 2.2 Giới thiệu chung động chiều kích từ nối tiếp 23 2.2.1 Sơ đồ nối dây động kích từ nối tiếp 23 2.2.2 Các trạng thái hãm 25 2.2.3 Đảo chiều 28 2.2.4 Nhận xét động chiều kích từ nối tiếp 29 2.3 Một số ứng dụng động chiều 30 Chương 3: ĐIỀU KHIỂN CẮT CHOPPER HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VỚI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 31 3.1 Giới thiệu điều khiển chopper động chiều 31 3.1.1 Kiểm soát kháng 31 3.1.2. Bộ động máy phát điện (Bộ MG) 32 3.1.3. AC Link Chopper (Biến tần-Chỉnh lưu) 32 3.1.4. DC Chopper (Bộ chuyển đổi nguồn DC sang DC) 32 3.2 Nguyên lý hoạt động chopper 33 3.3 Kiểm soát tỷ lệ thời gian 35 3.4 Kiểm soát giới hạn .37 h 3.5 Điều khiển Chopper Bộ truyền động động DC kích thích riêng biệt 38 Chương 4: MÔ PHỎNG 42 4.1 Giới thiệu phần mềm mô matlab/Simulink 42 4.2 Mô hệ thống 44 KẾT LUẬN .46 h DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Mơ tả cấu trúc chung hệ TĐĐ .6 Hình Đặc tính số MSX .8 Hình Độ cứng đặc tính 10 Hình Trạng thái làm việc truyền động điện 13 Hình Sơ đồ nguyên lý động chiều kích từ độc lập 15 Hình 2 Đồ thị đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 17 Hình Đồ thị đặc tính điều chỉnh động cách thay đổi điện trợ phụ 20 Hình Đồ thị đặc tính điều chỉnh động cách thay đổi điện áp phần ứng 21 Hình Đồ thị đặc tính điều chỉnh động cách thay đổi từ thơng .22 Hình Đặc tính hãm tái sinh 23 Hình Đặc tính hãm ngược 24 Hình Sơ đồ hãm động kích từ độc lập của động chiều kích từ độc lập 26 Hình Sơ đờ hãm động kích từ của động điện một chiều kích từ độc lập 27 Hình 10 Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích từ nối tiếp 28 Hình 11 Đặc tính từ hóa động chiều kích từ nối tiếp 29 Hình 12 Sơ đồ nguyên lý đặc tính động chiều kích từ nối tiếp thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng 30 Hình 13 Sơ đồ nguyên lý đặc tính động chiều kích từ nối tiếp đảo chiều điện áp phần ứng .31 Hình 14 Sơ đồ nguyên lý đặc tính động chiều kích từ nối tiếp hãm động kích từ độc lập 32 Hình 15 Sơ đồ nguyên lý đặc tính động chiều kích từ nối tiếp hãm động kích từ tự kích 33 Hình 16 Sơ đồ nguyên lý đặc tính động chiều kích từ nối tiếp đảo chiều 34 Hình AC-Link chopper 32 Hình Symbol of chopper 33 Hình 3 Elementary chopper circuit 33 Hình Dạng sóng điện áp dịng điện 34 Hình Constant Frequency Control 35 Hình Current Limit control 37 Hình Động DC kích thích riêng biệt cung cấp máy cắt 38 Hình Mơ kiểm soát tốc độ động DC sử dụng Chopper 42 Hình Kết mơ kiểm soát tốc độ động DC sử dụng Chopper dùng điều chỉnh PI 43 Hình Kết mơ kiểm sốt tốc độ động DC sử dụng Chopper dùng điều chỉnh PID 43 h LỜI MỞ ĐẦU Trong công đổi cơng nghiệp hoa đại hố đất nước nay, vấn đề áp dụng khoa hoa kỹ thuật vào quy trinh sản suất vấn đề cấp bách hàng đầu Cùng với phát số nghành điện tử, công nghệ thông tin , nghành kỹ thuật điều khiển tự động hoa phát triển vược bậc Tự động hoá quy trình sản suất phổ biển, thay sức lao động người, đem lại suất cao chất lượng sản phẩm tốt Vì vậy hôm chúng em sẽ tìm hiểu về đề tài “Tìm hiểu điều khiển cắt chopper hệ truyền động điện với động điện chiều” Trong quá trình nghiên cứu không thể tránh khỏi thiếu sót kính mong quý thầy cô chỉ bảo để bọn em dược hiểu thêm, có kiến thức nhất định để phục vụ cho chuyên ngành của mình sau này h Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 Cấu trúc phân loại hệ thống truyền động điện 1.1.1 Cấu trúc hệ thống truyền động điện Hệ truyền động điện tổ hợp thiết bị điện, điện tử, v.v phục vụ cho cho việc biến đổi điện thành cung cấp cho cấu công tác máy sản suất, gia cơng truyền tín hiệu thơng tin để điều khiển q trình biến đổi lượng theo u cầu cơng nghệ Hình 1 Mô tả cấu trúc chung hệ TĐĐ BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động điện; MSX: Máy sản xuất; R RT: Bộ điều chỉnh truyền động công nghệ; K : Bộ đóng cắt phục vụ truyền động công nghệ; GN: Mạch ghép nối; VH: Người vận hành Cấu trúc hệ TĐĐ TĐ gồm phần chính: - Phần lực (mạch lực): từ lưới điện nguồn điện cung cấp điện đến biến đổi (BBĐ) động điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX) Các biến đổi như: biến đổi máy điện (máy phát điện chiều, xoay chiều, máy điện khuếch đại), biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà), biến đổi điện tử, bán dẫn (Chỉnh lưu tiristor, điều áp h chiều, biến tần transistor, tiristor) Động có loại như: động chiều, xoay chiều, loại động đặc biệt - Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm cấu đo lường, điều chỉnh tham số cơng nghệ, khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ cơng nghệ cho người vận hành Đồng thời số hệ TĐĐ TĐ khác có mạch ghép nối với thiết bị tự động khác với máy tính điều khiển 1.1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện - Truyền động điện khơng điều chỉnh: thường có động nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với tốc độ định - Truyền động có điều chỉnh: tuỳ thuộc vào u cầu cơng nghệ mà ta có hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh mô men, lực kéo, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí Trong hệ hệ truyền động điện tự động nhiều động - Theo cấu trúc tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động điện tự động điều khiển số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện tự động điều khiển theo chương trình - Theo đặc điểm truyền động ta có hệ truyền động điện tự động động điện chiều, động điện xoay chiều, động bước, v.v - Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động không tự động hệ truyền động điện tự động - Ngồi ra, cịn có hệ truyền động điện khơng đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v 1.2 Các khái niệm hệ thống truyền động điện 1.2.1 Đặc tính máy sản xuất + Đặc tính máy sản xuất quan hệ tốc độ quay mômen cản máy sản xuất: (1.1) h + Đặc tính máy sản xuất đa dạng, nhiên phần lớn chúng biếu diễn dạng biểu thức tổng quát: (1.2) Trong đó: - - mômen ứng với tốc độ  - - mômen ứng với tốc độ = - - mômen ứng với tốc độ định mức đm Hình Đặc tính số MSX  Ta có trường hợp số mũ q ứng với tải: - Khi q = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng cấu hình máy tiện, doa, máy dây, giấy, (1) Đặc điểm loại máy tốc độ làm việc thấp mơmen cản (lực cản) lớn - Khi q = 0, Mc = Mđm = const, tương ứng cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang máy, băng tải, cấu ăn dao máy cắt gọt, (2) - Khi q = 1, mômen tỷ lệ bậc với tốc độ, tương ứng cấu ma sát, máy bào, máy phát chiều tải trở…(3) - Khi q = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng cấu máy bơm, quạy gió, máy nén,…(4) h  Ngồi ra, số máy sản xuất có đặc tính khác, như: - Mơmen phụ thuộc vào góc quay Mc = f();hoặc mômen phụ thuộc vào đường Mc = f(s), máy cơng tác có pittơng, máy trục khơng có cáp cân có đặc tính thuộc loại - Mơmen phụ thuộc vào số vịng quay đường Mc = f( ,s) loại xe điện - Mômen phụ thuộc vào thời gian Mc = f(t) máy nghiền đá, nghiền quặng 1.2.2 Đặc tính động điện Đặc tính động điện quan hệ tốc độ quay mômen động cơ: M = f()  (1.3) Thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ: + Đặc tính tự nhiên: đặc tính có động nối theo sơ đồ bình thường, khơng sử dụng thêm thiết bị phụ trợ khác thông số nguồn động định mức Như động có đặc tính tự nhiên + Đặc tính nhân tạo hay đặc tính điều chỉnh: đặc tính nhận thay đổi thông số nguồn, động nối thêm thiết bị phụ trợ vào mạch, sử dụng sơ đồ đặc biệt Mỗi động có nhiều đặ tính nhân tạo Độ cứng đặc tính cơ: + Đánh giá so sánh đặc tính cơ, người ta đưa khái niệm “độ cứng đặc tính ” tính: (1.4) đặc tính tuyến tính thì: (1.5) Hoặc theo hệ đơn vị tương đối: lượng sai phân mômen M  h Chương 3: ĐIỀU KHIỂN CẮT CHOPPER HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VỚI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 3.1 Giới thiệu điều khiển chopper động chiều Trong nhiều trường hợp, cần phải chuyển đổi điện áp nguồn cung cấp chiều sang mức khác nhau. Ví dụ, ô tô điện ngầm, xe buýt xe chạy pin cấp điện từ nguồn cung cấp điện áp chiều cố định. Nhưng để kiểm soát tốc độ chúng, cần chuyển đổi nguồn điện chiều điện áp cố định thành nguồn điện chiều điện áp thay đổi Điều khiển dao cắt động DC chopper thiết bị điện tử chuyển đổi điện áp DC cố định thẳng điện áp DC thay đổi cho máy cắt bước lên bước xuống Tương tự máy biến áp máy cắt hoạt động với DC máy biến áp hoạt động với cắt AC sử dụng để điều khiển tốc độ động DC Động DC máy điện có đầu vào điện đầu máy cắt hoạt động tần số cao hơn, hiệu suất máy cắt tỉ lệ nghịch với tần số cắt Nghĩa tần số máy cắt tăng lên làm giảm hiệu suất máy băm nghiền Động DC sử dụng lực kéo công nghiệp Bộ điều khiển cắt truyền động có hiệu tính linh hoạt cách thay đổi điện áp phản ứng điều khiển tốc độ động DC Nó có kích thước nhỏ thời gian đáp ứng nhanh 3.1.1 Kiểm soát kháng Trong phương pháp này, điện trở thay đổi đưa vào tải nguồn. Hạn chế phương pháp lãng phí nhiều lượng điện áp đầu định, yêu cầu điện trở có giá trị khác giá trị khác dòng tải. Phương pháp sử dụng cho sở lắp đặt lực kéo cũ 31 h Hình AC-Link chopper 3.1.2. Bộ động máy phát điện (Bộ MG) Máy phát điện chiều kích thích riêng biệt cung cấp điện áp thay đổi từ giá trị không đến giá trị danh định với hai cực. Nó có nhược điểm chi phí cao hơn, số lượng lớn, hiệu suất thấp phản ứng chậm thời gian trường máy phát khơng đổi 3.1.3. AC Link Chopper (Biến tần-Chỉnh lưu) Trong phương pháp này, nguồn điện chiều chuyển đổi thành nguồn điện xoay chiều biến tần (bộ chuyển đổi điện chiều sang xoay chiều). Nguồn cung cấp xoay chiều thu sau tăng giảm máy biến áp sau chỉnh lưu trở lại chiều chỉnh lưu. Vì hai giai đoạn chuyển đổi, việc thiết lập tốn kém, cồng kềnh hiệu 3.1.4. DC Chopper (Bộ chuyển đổi nguồn DC sang DC) Bộ cắt chiều công tắc tĩnh để cung cấp điện áp chiều thay đổi từ nguồn có điện áp chiều không đổi. Choppers sử dụng khắp giới cho hệ thống vận chuyển nhanh chóng. Chúng sử dụng xe đẩy hàng, tời kéo hàng hải, xe nâng công cụ rà phá hầm mỏ. Những tơ điện tương lai có khả sử dụng giảm tốc để kiểm soát tốc độ phanh. Hệ thống chopper cung cấp khả điều khiển trơn tru, hiệu cao, phản hồi tái tạo nhanh 32 h 3.2 Nguyên lý hoạt động chopper Bộ cắt chiều công tắc bán dẫn bật / tắt tốc độ cao kết nối tải với ngắt kết nối khỏi nguồn cung cấp tạo điện áp tải cắt nhỏ từ điện áp cung cấp đầu vào khơng đổi. Vì cơng tắc bật / tắt nguồn tải, biểu thị cách tượng trưng cơng tắc S bên hình chữ nhật có chấm, thể Hình 3.2. Trên thực tế, trực thăng bao gồm thiết bị bán dẫn công suất với chế bật tắt chúng. Trong mạch chopper cơng suất thấp, bóng bán dẫn công suất, GTO, v.v sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, mạch chopper công suất cao, thyristor sử dụng phổ biến Hình Symbol of chopper Hình 3.3 minh họa nguyên lý hoạt động máy băm cỏ. Cơng tắc đóng mở cách cung cấp xung bật / tắt cho nó. Ở chế gửi xung tới công tắc chưa trình bày. Một diode ngắt D FW được cung cấp tải để tự hóa dịng tải cơng tắc S tắt. Khi cơng tắc S đóng, điện áp nguồn V, giả sử điện áp rơi công tắc S trạng thái bật không đáng kể, xuất tải thời gian cơng tắc đóng Hình 3 Elementary chopper circuit 33 h Khoảng thời gian định T on . Sau loại bỏ xung để chuyển mạch, tải ngắt khỏi nguồn. Năng lượng lưu trữ cuộn cảm luân chuyển dòng điện qua điốt quay tự D FW . Kết tải bị ngắn mạch điện áp giảm xuống dịng điện qua tải giảm theo cấp số nhân, minh họa Hình 3.4. Khoảng thời gian mà cơng tắc tắt gọi thời gian tắt T tắt . Do đó, tổng thời gian xung cho T = T bật + T tắt Hình Dạng sóng điện áp dịng điện Do đó, điện áp cắt chiều tạo đầu nối tải dòng tải liên tục Hình. 3,4 Từ Hình 3.4, điện áp tải trung bình Va được cho  (3.25) Trong α = T on / T gọi chu kỳ làm việc mạch. Nó tương tự tỷ lệ biến đổi máy biến áp xoay chiều. Giá trị α khoảng từ đến Do điện áp đầu thay đổi điện áp nguồn V Trong trường hợp tại, điện áp đầu nhỏ điện áp cung cấp. Do đó, gọi trực thăng bậc xuống. Trong cắt, gọi cắt nấc, điện áp đầu nhiều điện áp cung cấp Dạng sóng dịng điện điện áp tải, Hình 3,4 dành cho tải RL. Tuy nhiên, trường hợp tải điện trở sử dụng đầu ra, dạng sóng dịng điện điện áp có biến thể tương tự minh họa 34 h Trong trường hợp tải RL, cuộn cảm hấp thụ lượng từ nguồn thời gian chờ lượng tương tự giải phóng thời gian khơng hoạt động. Chúng ta viết, cách sử dụng nguyên lý bảo toàn lượng; Năng lượng hấp thụ = Năng lượng giải phóng (3.26) Quan hệ tương tự máy biến áp xoay chiều. Ở a, chu kỳ làm việc, tương ứng với tỷ số biến đổi máy biến áp.  3.3 Kiểm soát tỷ lệ thời gian Kiểm sốt tần số khơng đổi Theo sơ đồ điều khiển này, chu kỳ cắt T không đổi độ rộng xung T thay đổi để điều khiển đầu ra. Do đó, gọi điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM). Sơ đồ minh họa Hình 3.5. Trong hình bên, thời gian T = T bật + T tắt là khơng đổi T bật và T tắt đều thay đổi. Các chu kỳ làm việc α = 0,75 0,50 thể tương ứng Hình. 3,5 (a) (b) Hình Constant Frequency Control Điều khiển tần số biến đổi có số nhược điểm so với phương pháp điều khiển tần số khơng đổi là: 35 h - Tần số cắt yêu cầu phải thay đổi phạm vi lớn để kiểm sốt đầu ra. Do đầu có dải hài rộng. Việc thiết kế lọc để loại bỏ loạt sóng hài khó khăn - Để điều khiển chu kỳ làm việc, khoảng thời gian tắt lớn đến mức dịng tải giảm xuống hai xung liên tiếp. Điều dẫn đến dịng tải khơng liên tục khơng mong muốn - Đối với việc kiểm soát chu kỳ làm việc a, biến thể tần số rộng. Do đó, có khả gây nhiễu cho đường dây tín hiệu điện thoại điều khiển điều tần Vì lý trên, điều khiển PWM ưu tiên điều khiển FM mạch chopper 3.4 Kiểm soát giới hạn Theo sơ đồ này, chopper bật tắt giới hạn dòng tải. Khi dòng tải vượt giới hạn trên, máy cắt tắt. Dòng tải tự đạt đến giá trị thấp theo quy định. Khi dòng tải đạt đến giới hạn thấp hơn, cắt bật. Vì hoạt động quay vịng tự có liên quan đến lược đồ này, nên phần tử lưu trữ điều cần thiết trình tải. Vì dịng tải thay đổi hai giới hạn quy định, nên sơ đồ áp dụng tần số không đổi thời gian bật T khơng đổi  Các dạng sóng để điều khiển giới hạn dịng điện thể Hình 3.6. Trong trường hợp này, dòng tải liên tục khác biệt giá trị dòng điện định tần số chuyển mạch. Ở giá trị chênh lệch dòng điện nhỏ, tần số chuyển mạch cao. Kết gợn sóng đầu giảm bớt. Ví dụ, tần số chuyển mạch cắt cho I a max và I a max khi giới hạn dòng điện / T 'và / T I' a max