Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho hệ truyền động động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha Lời nhận xét của giáo viên hướng dẫn ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………..………… Lời nhận xét của giáo viên phản biện ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN II THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho hệ truyền động động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha a Số liệu cơ bản của hệ truyền động: • Tham số động cơ điện: Công suất: Pđm=2,2kW Điện áp: Uđm = 380…420V; 2p = 4, 2a =2; Tần số: f =50Hz Dòng điện: Iđm = 5.0A Hệ số công suất: 0.81 Tốc độ: nđm 1430 vòngphút Vùng điều chỉnh tốc độ yêu cầu: 1:50 b Yêu cầu: Hệ truyền động đáp ứng các yêu cầu sau: Khởi động, hãm và đảo chiều quay. Có khả năng ổn định được tốc độ ở mọi giá trị đặt Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ trong phạm vi: 1:50 và tốc độ yêu cầu điều chỉnh để thay đổi theo lượng đặt như sau: nđặt1 nđặt1 = nđm nđặt2 = 0.7(nđm) nđặt3 = 1.2(nđm) nđặt4 = 0.2(nđm) nđặt5 = nđm t t1 =2s t2 =5s t3 =7s t4 =10s t5 =12s Bảo vệ hệ truyền động c Nội dung thực hiên: Mô tả động cơ điện xoay chiều KĐB 3 pha. Thiết kế mạch lực hệ truyền động tự động. + Thiết kế cấu trúc mạch lực + Tính chọn các tham số mạch lực Thiết kế điều khiển hệ truyền động tự động. + Thiết kế cấu trúc điều khiển hệ truyền động + Thiết kế bộ điều khiển bao gồm: Thiết kế cấu trúc bộ điều khiển cho các mạch vòng và tính chọn tham số bộ điều khiển. Xây dựng mô hình và mô phỏng đánh giá chất lượng hệ truyền động trên phần mềm MatlabSimulink. Kết luận d Tài liệu tham khảo: 1 Bùi Quốc Khanh cùng các tác giả Cơ sở truyền động điện; NXBKHKT 2005 2 Bùi quốc Khanh, Nguyễn Văn Liễn,......Điều chỉnh tự động truyền động điện; NXBKHKT2003 3 Nguyễn Doãn Phước Lý thuyết điều khiển hệ tuyến tính; NXBKHKT2002 Duyệt bộ môn Giảng viên hướng dẫn MỤC LỤC ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN II 3 MỤC LỤC 5 LỜI MỞ ĐẦU 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ AC KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 9 1.1.Khái niệm động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha 9 1.2 Cấu tạo của động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha 10 1.2.1 Stato 11 1.2.2 Roto 12 1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha 14 1.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha 15 1.4.1 Thay đổi tần số f 17 1.4.2 Thay đổi số đôi cực p 18 1.4.3 Thay đổi điện áp cung cấp cho stato 19 1.4.4 Thay đổi điện trở mạch roto 20 1.5 Sơ đồ thay thế động cơ AC KĐB 3 pha và các phương trình cơ bản 21 1.6 Ảnh hưởng của các thông số đến đường đặc tính cơ 25 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH LỰC HỆ TRUYỀN ĐỘNG TỰ ĐỘNG 25 2.1. Tổng quan về phương pháp truyền động động cơ xoay chiều KĐB 3 pha 25 2.1.1. Phương pháp biến tần – động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha 25 2.2. Thiết kế cấu trúc mạch lực 28 2.3. Tính toán tham số mạch lực 30 2.3.1 Tính toán tham số mạch chỉnh lưu 30 2.3.2.Tính toán tham mạch nghịch lưu 31 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG TỰ ĐỘNG 32 3.1. Khái quát về xây dựng vecto không gian 32 3.1.1. Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian 35 3.1.2. Khái quát ưu thế của việc mô tả động cơ xoay chiều ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor 36 3.2. Tìm hiểu cấu trúc điều khiển vector tựa theo từ thông Field Orientated Control – FOC 38 3.2.1. Mô hình của động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ từ thông roto 39 3.2.2. Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển 41 3.3. Tính chọn các tham số bộ điều khiển 44 3.3.1. Tính chọn mạch vòng dòng điện 45 3.3.2. Tính chọn mạch vòng tốc độ 47 3.3.3. Xây dựng bộ tính toán từ thông và tốc độ động cơ 49 3.3.4. Tính toán tham số bộ điều khiển 51 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB SIMULINK 54 4.1. Giới thiệu về phần mềm matlab 54 4.2. Mô hình hệ thống 55 4.2.1 Sơ đồ mô phỏng trên MatlabSimulink 55 4.2.2 Kết quả mô phỏng 57 4.3. Kết luận 57 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện điện tử tin học nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thay đổi từng ngày. Trong hoàn cảnh đó, để đáp ứng được những điều kiện thực tiễn của sản xuất đòi hỏi những người kĩ sư điện tương lai phải được trang bị những kiến thức chuyên ngành một cách sâu rộng. Trong quá trình học môn thiết kế hệ thống tự động hóa quá trình em được nhận đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho hệ truyền động động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha” Do kiến thức còn hạn chế, trong phạm vi thời gian có hạn, lượng kiến thức lớn nên không khỏi có những sai sót. Em mong nhận được sự góp ý xây dựng của các thầy, cô giáo cũng như bè bạn để bản đồ án được hoàn thiện hơn. Trong quá trình làm đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô giáo cũng như sự góp ý xây dựng của các bạn bè. Đặc biệt là sự giúp đỡ của thầy giáo Trần Duy Trinh và các thầy cô giáo công tác trong khoa điện. Em xin chân thành cảm ơn Vinh, Ngày…… tháng 08 năm 2022 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thanh Hiếu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ AC KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 1.1.Khái niệm động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha Động cơ không đồng bộ (KĐB) hay còn gọi là động cơ dị bộ, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, chiếm tỉ lệ lớn so với động cơ khác nhờ những ưu điểm như kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, vận hành an toàn, chắc chắn, tin cậy, giảm chi phí khi vận hành và sửa chữa, có thể vận hành trong nhiều môi trường làm việc. Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha, không cần các thiết bị biến đổi. Động cơ KĐB được khai thác tiềm năng sử dụng nhờ sự phát triển của công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kĩ thuật điện tử. Tuy nhiên động cơ không đồng bộ vẫn còn một số nhược điểm như: Mômen tỉ lệ với bình phương điện áp, cho nên khi điện áp lưới giảm xuống sẽ làm cho mômen khởi động và mômen tới hạn giảm xuống rất nhiều. Khe hở không khí nhỏ làm cho độ tin cậy giảm. Khi điện áp lưới tăng dễ sinh tình trạng nóng quá mức đối với stato cũng như khi điện áp lưới giảm xuống dễ làm rôto nóng quá mức Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý, các hệ thống điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và là công cụ không thể thiếu trong quá trình tự động hóa. Cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa thì phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi. Vì có những ưu điểm vượt trội nên ngày nay động cơ không đồng bộ được sử dụng rất phổ biến trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW. Các hệ thống truyền động điện được sử dụng trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải và trong các thiết bị điện dân dụng. 1.2 Cấu tạo của động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha Hình 1.1: Mặt cắt của động cơ KĐB 3 pha Các thông số trên động cơ không đồng bộ 3 pha là: Công suất Pđm Điện áp dây stato Uđm Dòng điện dây Stato Iđm Tần số dòng điện stato f Tốc độ quay roto n Hệ số công suất Cos φ Hiệu suất η Cấu tạo của máy điện không đồng bộ 3 pha gồm hai bộ phận chính là: stato và roto, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy 1.2.1 Stato Stato là phần tĩnh gồm hai phần chính là lõi thép và dây quấn. • Lõi thép stato Lõi thép stato do nhiều lá thép kỹ thuật điện đã dập sẵn, ghép cách điện với nhau. Chiều dày các lá thép từ 0.35mm ÷ 0.5mm, phía trong có các rãnh đặt dây quấn. Các lá thép được sơn cách điện với nhau để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Nếu lá thép ngắn thì có thể ghép lại thành một khối, nếu lá thép quá dài thì ghép lại thành các thếp, mỗi thếp dài từ 6cm ÷ 8cm, cách nhau 1cm để thông gió. Lõi thép được ép và bên trong vỏ máy. Hình 1.2: Lõi thép stato có các rãnh hướng trục • Dây quấn stato Dây quấn stato làm bằng dây quấn bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh lõi thép. Hình dưới là sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt trong 12 rãnh của stato, dây quấn pha A trong các rãnh 1, 4, 7, 10, pha B đặt trong các rãnh 3, 6, 9,12, pha C đặt trong các rãnh 2, 5, 8, 11. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VINH KHOA ĐIỆN 0&0 - ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho hệ truyền động động xoay chiều không đồng pha Sinh viên thực : Nguyễn Thanh Hiếu Mã sinh viên :1405190459 Lớp : DHTDHCK14A1 Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Duy Trinh NGHỆ AN, THÁNG NĂM 2022 Lời nhận xét giáo viên hướng dẫn ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………… Lời nhận xét giáo viên phản biện ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN II THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho hệ truyền động động xoay chiều không đồng pha a/ Số liệu hệ truyền động: • Tham số động điện: Công suất: Pđm=2,2kW Điện áp: Uđm = 380…420V; 2p = 4, 2a =2; Tần số: f =50Hz Dòng điện: Iđm = 5.0A Hệ số công suất: 0.81 Tốc độ: nđm 1430 vòng/phút Vùng điều chỉnh tốc độ yêu cầu: 1:50 b/ Yêu cầu: Hệ truyền động đáp ứng yêu cầu sau: - Khởi động, hãm đảo chiều quay - Có khả ổn định tốc độ giá trị đặt - Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ phạm vi: 1:50 tốc độ yêu cầu điều chỉnh để thay đổi theo lượng đặt sau: n 1.2(nđm) nđm nđặt 0.7(nđm) 0.3(nđm) t - 2s 5s 7s 10s nđặt1 nđặt1 = nđm nđặt2 = 0.7(nđm) nđặt3 = 1.2(nđm) nđặt4 = 0.2(nđm) nđặt5 = nđm t t2 =5s t5 =12s t1 =2s t3 =7s Bảo vệ hệ truyền động t4 =10s c/ Nội dung thực hiên: - Mô tả động điện xoay chiều KĐB pha - Thiết kế mạch lực hệ truyền động tự động + Thiết kế cấu trúc mạch lực + Tính chọn tham số mạch lực - Thiết kế điều khiển hệ truyền động tự động + Thiết kế cấu trúc điều khiển hệ truyền động + Thiết kế điều khiển bao gồm: Thiết kế cấu trúc điều khiển cho mạch vịng tính chọn tham số điều khiển - Xây dựng mơ hình mô đánh giá chất lượng hệ truyền động phần mềm Matlab/Simulink - Kết luận d/ Tài liệu tham khảo: 1/ Bùi Quốc Khanh tác giả Cơ sở truyền động điện; NXBKHKT 2005 2/ Bùi quốc Khanh, Nguyễn Văn Liễn, Điều chỉnh tự động truyền động điện; NXBKHKT2003 3/ Nguyễn Doãn Phước Lý thuyết điều khiển hệ tuyến tính; NXBKHKT2002 Duyệt mơn Giảng viên hướng dẫn MỤC LỤC ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN II MỤC LỤC .5 LỜI MỞ ĐẦU .8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ AC KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA 1.1.Khái niệm động xoay chiều không đồng pha .9 1.2 Cấu tạo động xoay chiều không đồng pha 10 1.2.1 Stato 11 1.2.2 Roto 12 1.3 Nguyên lý làm việc động xoay chiều không đồng pha 14 1.4 Điều chỉnh tốc độ động xoay chiều không đồng pha .15 1.4.1 Thay đổi tần số f 17 1.4.2 Thay đổi số đôi cực p 18 1.4.3 Thay đổi điện áp cung cấp cho stato 19 1.4.4 Thay đổi điện trở mạch roto .20 1.5 Sơ đồ thay động AC KĐB pha phương trình 21 1.6 Ảnh hưởng thông số đến đường đặc tính .25 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH LỰC HỆ TRUYỀN ĐỘNG TỰ ĐỘNG .25 2.1 Tổng quan phương pháp truyền động động xoay chiều KĐB pha 25 2.1.1 Phương pháp biến tần – động xoay chiều không đồng pha 25 2.2 Thiết kế cấu trúc mạch lực 28 2.3 Tính tốn tham số mạch lực 30 2.3.1 Tính tốn tham số mạch chỉnh lưu .30 2.3.2.Tính tốn tham mạch nghịch lưu 31 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG TỰ ĐỘNG 32 3.1 Khái quát xây dựng vecto không gian .32 3.1.1 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian 35 3.1.2 Khái quát ưu việc mô tả động xoay chiều ba pha hệ tọa độ từ thông rotor 36 3.2 Tìm hiểu cấu trúc điều khiển vector tựa theo từ thông Field Orientated Control – FOC .38 3.2.1 Mơ hình động khơng đồng hệ toạ độ từ thông roto 39 3.2.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển .41 3.3 Tính chọn tham số điều khiển 44 3.3.1 Tính chọn mạch vòng dòng điện .45 3.3.2 Tính chọn mạch vịng tốc độ .47 3.3.3 Xây dựng tính tốn từ thơng tốc độ động 49 3.3.4 Tính tốn tham số điều khiển .51 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB SIMULINK 54 4.1 Giới thiệu phần mềm matlab 54 4.2 Mô hình hệ thống 55 4.2.1 Sơ đồ mô Matlab-Simulink 55 4.2.2 Kết mô 57 4.3 Kết luận 57 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 LỜI MỞ ĐẦU Ngày phát triển nhanh chóng cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung lĩnh vực điện - điện tử - tin học nói riêng làm cho mặt xã hội thay đổi ngày Trong hồn cảnh đó, để đáp ứng điều kiện thực tiễn sản xuất đòi hỏi người kĩ sư điện tương lai phải trang bị kiến thức chuyên ngành cách sâu rộng Trong q trình học mơn thiết kế hệ thống tự động hóa q trình em nhận đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho hệ truyền động động xoay chiều không đồng pha” Do kiến thức hạn chế, phạm vi thời gian có hạn, lượng kiến thức lớn nên khơng khỏi có sai sót Em mong nhận góp ý xây dựng thầy, cô giáo bè bạn để đồ án hoàn thiện Trong trình làm đồ án em nhận giúp đỡ, hướng dẫn, bảo nhiệt tình thầy, giáo góp ý xây dựng bạn bè Đặc biệt giúp đỡ thầy giáo Trần Duy Trinh thầy cô giáo công tác khoa điện Em xin chân thành cảm ơn! Vinh, Ngày…… tháng 08 năm 2022 Sinh viên thực Nguyễn Thanh Hiếu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ AC KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA 1.1.Khái niệm động xoay chiều không đồng pha Động khơng đồng (KĐB) hay cịn gọi động dị bộ, ứng dụng rộng rãi công nghiệp, chiếm tỉ lệ lớn so với động khác nhờ ưu điểm kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, vận hành an tồn, chắn, tin cậy, giảm chi phí vận hành sửa chữa, vận hành nhiều môi trường làm việc Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha, không cần thiết bị biến đổi Động KĐB khai thác tiềm sử dụng nhờ phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất kĩ thuật điện tử Tuy nhiên động khơng đồng cịn số nhược điểm như: Mơmen tỉ lệ với bình phương điện áp, điện áp lưới giảm xuống làm cho mômen khởi động mômen tới hạn giảm xuống nhiều Khe hở khơng khí nhỏ làm cho độ tin cậy giảm Khi điện áp lưới tăng dễ sinh tình trạng nóng q mức stato điện áp lưới giảm xuống dễ làm rơto nóng q mức Với phát triển mạnh mẽ kỹ thuật bán dẫn công suất lớn kỹ thuật vi xử lý, hệ thống điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày sử dụng rộng rãi công cụ thiếu q trình tự động hóa Cùng với phát triển sản xuất điện khí hóa tự động hóa phạm vi ứng dụng động khơng đồng ngày rộng rãi Vì có ưu điểm vượt trội nên ngày động không đồng sử dụng phổ biến ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW Các hệ thống truyền động điện sử dụng thiết bị dây chuyền sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải thiết bị điện dân dụng 1.2 Cấu tạo động xoay chiều không đồng pha Hình 1.1: Mặt cắt động KĐB pha Các thông số động không đồng pha là: Công suất Pđm Điện áp dây stato Uđm Dòng điện dây Stato Iđm Tần số dòng điện stato f Tốc độ quay roto n Hệ số công suất Cos φ Hiệu suất η Cấu tạo máy điện không đồng pha gồm hai phận là: stato roto, ngồi cịn có vỏ máy nắp máy 1.2.1 Stato Stato phần tĩnh gồm hai phần lõi thép dây quấn Lõi thép stato Lõi thép stato nhiều thép kỹ thuật điện dập sẵn, ghép cách điện với Chiều dày thép từ 0.35mm ÷ 0.5mm, phía có rãnh đặt dây quấn Các thép sơn cách điện với để giảm tổn hao dịng điện xốy gây nên Nếu thép ngắn ghép lại thành khối, thép dài ghép lại thành thếp, thếp dài từ 6cm ÷ 8cm, cách 1cm để thơng gió Lõi thép ép bên vỏ máy Hình 1.2: Lõi thép stato có rãnh hướng trục Dây quấn stato Dây quấn stato làm dây quấn bọc cách điện (dây điện từ) đặt rãnh lõi thép Hình sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt 12 rãnh stato, dây quấn pha A rãnh 1, 4, 7, 10, pha B đặt rãnh 3, 6, 9,12, pha C đặt rãnh 2, 5, 8, 11 Dòng điện xoay chiều ba pha chạy ba dây quấn stato tạo từ trường quay 10