Điều khiển duy trì tốc độ không đổi (bằng 0,95 lần tốc độ định mức) khi tải là cơ cấunâng hạ có mô men MC = (0,4 ÷1)M đm ; Có đảo chiều quay.Trong đồ án môn học lần này, chúng em được giao nhiệm vụ làm báo cáo với các vấn đề sau:1. Giới thiệu chung về động cơ một chiều, phân tích hệ truyền động XAĐ có đảo chiều2. Tính toán thiết kế mạch lực3. Tính toán thiết kế mạch điều khiển4. Mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm Matlab hoặc PSIM
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 🙣🕮🙡 ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Đề tài: Thiết kế hệ truyền động hệ XA-Đ có đảo chiều, phương pháp điều khiển khơng đối xứng Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Chuyên ngành: Tự động hóa và điều khiển thiết bị điện công nghiệp Lớp: Năm học: 2022-2023 Hà Nội, tháng năm NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ tên sinh viên: Mã số sinh viên: Lớp: Chuyên ngành: Tự động hóa điều khiển thiết bị công nghiệp Tên đề tài đồ án: Thiết kế hệ truyền động XA – Đ có đảo chiều, phương pháp điều khiển khơng đối xứng Các số liệu liệu ban đầu: Thông số động cơ: P đm = 15,3kW; U ư.đm = 480V; n đm = 1530v/ph; I ư.đm = 70A; R = 1Ω; L =18,6mH; J = 0,08kg.m Yêu cầu: Điều khiển trì tốc độ không đổi (bằng 0,95 lần tốc độ định mức) tải cấu nâng hạ có mơ men MC = (0,4 ÷1)M đm ; Có đảo chiều quay Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: Hà Nội, ngày tháng năm Giảng viên hướng dẫn MỤC LỤC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung động chiều 1.1.1 Cấu tạo 1.1.2 Phân loại 1.1.3 Ứng dụng động chiều đời sống thực tế 1.1.4 Nguyên lý làm việc động điện chiều kích từ độc lập 1.1.5 Xây dựng phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 1.1.6 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 1.2 Phân tích hệ băm xung áp có đảo chiều sử dụng phương pháp điều khiển không đối xứng Error! Bookmark not defined 13 Mơ hình hóa hệ truyền động 12 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH LỰC 19 2.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 19 2.2 Tính chọn cơng suất biến đổi…………………………………………………… 20 2.3 Tính chọn phần tử bảo vệ……………………………………………………… 21 CHƯƠNG III: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ 23 3.1 Sơ đồ khối cấu trúc hai mạch vòng điều chỉnh hệ TDD XA – Đ 23 3.2 Giới thiệu phương pháp tổng hợp mạch vòng theo chuẩn tối ưu modun 23 3.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện 24 3.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ 26 3.5 Tính tốn thơng số 27 CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG 31 4.1 Mạch động lực điều khiển…………………………………………………………33 4.2 Mạch điều khiển 33 4.3 Đáp ứng tốc độ chưa có tải 33 4.4 Đồ thị đáp ứng momen trường hợp không tải 34 4.5 Đáp ứng dịng điện, momen có tải .35 4.6 Đáp ứng tốc độ có tải thay đổi .36 KẾT LUẬN 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO .38 MỞ ĐẦU Truyền động điện có nhiệm vụ thực cơng đoạn cuối công nghệ sản xuất Đặc biệt dây truyền sản xuất tự động đại, truyền động điện góp phần quan trọng việc nâng cao suất chất lượng sản phẩm Trong thời đại công nghệ nay, truyền động điện chiếm tỷ lệ lớn sản suất công nghiệp giới đặc biệt hệ thống dây chuyền tự động nhà máy xí nghiệp sử dụng rộng rãi vận hành có độ tin cậy cao Vấn đề quan trọng dây chuyền sản suất điều khiển để điều chỉnh tốc độ động hay đảo chiều quay động để nâng cao tính linh hoạt nâng cao chất lượng sản phẩm tối ưu hóa cơng suất Trong đồ án môn học lần này, chúng em giao nhiệm vụ làm báo cáo với vấn đề sau: Giới thiệu chung động chiều, phân tích hệ truyền động XA-Đ có đảo chiều Tính tốn thiết kế mạch lực Tính tốn thiết kế mạch điều khiển Mô kiểm chứng phần mềm Matlab PSIM Dưới hướng dẫn trực tiếp Cô ,chúng em dạy tiếp thu kiến thức môn Truyền Động Điện, nắm kiến thức ứng dụng thực tế Trong báo cáo cố gắng nhóm,chúng em hồn thành xong kiến thức mà Cô hướng dẫn Tuy nhiên với thời gian kiến thức có hạn, dù chúng em cố gắng khó tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận góp ý Thầy Cô để báo chúng em hồn thiện Em xin phép trình bày phần tìm hiểu nhóm em đề tài giao CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung động chiều 1.1.1 Cấu tạo Hình 1 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều gồm có phần : - Phần tĩnh (stator) gồm phần sau: + Cực từ chính: Cực từ phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện Cực từ gắn chặt vào vỏ nhờ bulơng Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện + Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều + Gông từ: Dùng để làm mạch từ nối liền cực từ đồng thời làm vỏ máy + Các phận khác: Nắp máy(Frame), Cơ cấu chổi than.(Brush Assembly) - Phần động (rôtor) gồm phần sau: + Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ thông thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm phủ cách điện hai đầu ép chặt lại Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây quấn vào + Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần sinh s.đ.đ có dịng điện chạy qua Thường làm dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện trịn, máy điện vừa lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn cách điện với rãnh lõi thép + Cổ góp: Cổ góp hay cịn gọi vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình nhạn cách điện với lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm hợp thành hình trụ trịn Đi vành góp có cao lên để để hàn đầu dây phần tử dây quấn vào phiến góp dễ dàng + Các phận khác: Cánh quạt (dùng để quạt gió làm nguội máy) 1.1.2 Phân loại Tùy thuộc vào phương pháp kích từ, tiến hành chia động điện chiều thành loại nhỏ đây: -Động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu -Động điện chiều có kích từ độc lập -Động điện chiều với kích từ nối tiếp -Động điện chiều với kích từ song song -Động điện chiều với kích từ hỗn hợp, bao gồm cuộn dây kích từ, cuộn mắc nối tiếp vào phần ứng, cuộn mắc song song vào phần ứng 1.1.3 Ứng dụng động chiều đời sống thực tế Với đa dạng động chiều nay, loại động ứng dụng nhiều đời sống, lĩnh vực kỹ thuật Ứng dụng động chiều cụ thể kể đến như: -Động chiều thiết bị gia dụng, đồ chơi trẻ em -Động chiều tivi, ổ CD, đài FM -Động chiều máy in, máy photo, máy công nghiệp -Động chiều ứng dụng thiết bị giao thông vận tải, thiết bị cần tốc độ hoạt động liên tục phạm vi lớn -Động chiều ứng dụng băng tải công nghiệp, bàn xoay, phay, động thủy lực Hình Ứng dụng động điện chiều 1.1.4 Nguyên lý làm việc động điện chiều kích từ độc lập Nguyên lý: máy điện biến đổi dạng lượng điện dòng chiều thành năng, phần lượng q trình biến đổi dịng điện xoay chiều bị tiêu hao tổn thất mạch phần ứng mạch kích từ Phần cịn lại lượng biến thành trục động Khi dòng điện chiều chạy vào dây kích thích dây phần ứng sinh Từ trường phần tĩnh có tác dụng tương hỗ lên dòng điện dây phần ứng tạo momen tác dụng lên rotor làm cho quay, nhờ có vành đảo chiều nên dịng điện xoay chiều chỉnh lưu thành dòng điện chiều đưa vào dây quấn phần ứng Điều làm cho lực từ tác dụng lên dẫn dây quấn phần ứng không bị đổi chiều làm cho động quay theo hướng Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích từ độc lập 1.1.5 Xây dựng phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Giả thiết mạch từ động chưa bão hịa khe hở khơng khí khơng đều, phản ứng phần ứng bù đủ, thông số động khơng đổi Ta lập sơ đồ thay máy điện chiều kích từ độc lập sau: Hình 1.4: Sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập Từ sơ đồ thay ta có phương trình cân điện áp: Uư = Eư + (Rư + Rf).Iư (1.1) Trong đó: Uư: điện áp phần ứng (V) Eư: sức điện động phần ứng (V) Eư Rư: điện trở mạch điện phần ứng () Rf: điện trở phụ mạch phần ứng () Iư: dòng điện mạch phần ứng (A) rư : điện trở cuộn dây phần ứng rcf : điện trở cuộn cực từ phụ, rb : điện trở cuộn bù, rct : điện trở tiếp xúc chổi điện phiến góp Với Rư= rư + rcf + rb - rct Sức điện động Eư phần ứng động xác định theo biểu thức: Eư = K (1.3) Trong đó: K = pN : hệ số cấu tạo động 2 P : số đơi cực từ N: số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng, cặp cực từ a: số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng : từ thơng kích từ cực từ : tốc độ góc, rad/s Nếu Rf = 0: Uư = Eư + Rư Iư (1.4) E = Ke n (1.5) Trong đó: Ke pN : hệ số sức điện động động 60a Ke K 0,105 K 9.55 Từ (1.1) (1.3), ta có: = U u Ru I u K (1.6) K Mặt khác momen điện từ Mđt động xác định bởi: Iư M đt (1.7) K Thay giá trị Iư vào (1.6), ta được: Hệ số san để đánh giá hiệu lọc : Ksb = (K đmv / Kđmr ) = ( 0.057/0.0057 ) = 10 Ksb : hệ số san để đánh giá lọc Kđmv : hệ số đập mạch đầu vào Kđmr : hệ số đập mạch đầu – hệ số đập mạch mong muốn C= 10(𝑘𝑠𝑏+1) 𝐿.𝑚2 đ𝑚 = 10.(10+1) 0.26×36 = 7.68 μF (2.5) Tính tốn mạch bảo vệ van R-C Để bảo vệ xung điện áp q trình đóng cắt van dùng mạch R-C mắc song song với van bán dẫn sơ đồ mạch lực : R1-C1 , R2-C2, R3-C3 , R4-C4 có chuyển mạch phóng điện từ van nên tạo xung điện áp trê n bề mặt tiếp giáp van Dựa theo sách điện tử cơng suất thầy Lê Văn Doanh chọn gần điện trở R = ( ÷ 30 )Ω ; tụ điện C = ( 0.5 ÷ )μF Theo thực nghiệm ta có dịng điện lớn điện trở nhỏ ; tụ điện lớn Dịng nhỏ điện trở lớn , tụ điện nhỏ Trong đề tài ta có Iđm = 70A nên ta chọn { 𝑅1 = 𝑅2 = 𝑅3 = 𝑅4 = 30 Ω 𝐶1 = 𝐶2 = 𝐶3 = 𝐶4 = 0.5𝑚𝐹 22 CHƯƠNG III: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ 3.1 Sơ đồ khối cấu trúc hai mạch vòng điều chỉnh hệ TDD XA – Đ Hình Sơ đồ khối cấu trúc hai mạch vòng điều chỉnh hệ TDD XA – Đ Hệ thống gồm mạch vòng nối theo cấp: mạch vòng bên mạch vịng dịng điện, mạch vịng bên ngồi mạch vòng điều chỉnh tốc độ Rw, Ri: điều khiển tốc độ, dòng điện Các sensor đo dòng điện, tốc độ Uwd,Uw: điện áp tương ứng với tốc độ đặt tốc độ thực Uid, Ui: điện áp tương ứng với dòng điện đặt dòng điện thực 3.2 Giới thiệu phương pháp tổng hợp mạch vòng theo chuẩn tối ưu modun Hàm chuẩn tối ưu module Fm ( s) 1 2 s 2 s Với : số thời gian toàn hệ Đặc điểm: - Ở dải tần số thấp: F ( jw) - Hiểu chỉnh lại đặc tính tần số vùng thấp trung bình - Khơng đảm bảo trước tính ổn định hệ thống 23 - Thời gian độ: 4,7 - Thời gian điều chỉnh: 8.4 - Độ điều chỉnh: 4,3% - Sai số xác lập: 2% Hàm truyền hệ kín: F ( s) Rs R( s).S0 (s) R( s).S0 (s) (3.1) (3.2) 2 s(1 s) S0 ( s) Để F ( s ) FMD ( s ) 3.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện Hằng số thời gian mạch phần ứng: Tu Lu 0,00259 0,00178 s Ru 1, 45 (3.5) Momen động điện: kdm M dm 85, 04 2.57 I dm 33 (3.6) Hằng số thời gian học: Tc Ru J 1, 45.0, 07 0, 015( s) ( K ) 2,57 (3.7) Hàm truyền băm xung: S BX ( s) K BX 40 sTBX 0, 002s (3.8) Vì Tc khơng lớn nhiều Tư nên ta chọn phương pháp tổng hợp mạch vịng dịng điện tính đến sức điện động động Sơ đồ thay thế: 24 Hình Sơ đồ thay mạch vịng dịng điện Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu mô dun để tìm cấu trúc tham số điều chỉnh: SOI ( s) sTc / Ru K BX K I T BX s (1 Tu s)(1 T2 s) (3.9) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modun để tổng hợp điều chỉnh dòng điện: RI ( s) (3.10) 2. s(1 s) S0 I ( s) Hàm truyền RI (s): R( s) R( s) 2. s (1 s ) (3.11) sTc / Ru K BX K I T BX s (1 Tu s )(1 T2 s ) Tu s Tu K BX K I TBX K BX K I TBX K BX K I TBX s s Ru Ru Ru (3.12) Chọn TBX Hàm truyền đối tượng: SOI ( s) sTc / Ru K BX TBX s Tc s TuTc s K I (3.13) Áp dụng tiểu chuẩn tối ưu module: 25 RI ( s) RI ( s ) 2. s(1 s).(1 s).S0 I ( s) 2. s(1 s) (3.14) (3.15) sTc / Ru K BX KI TBX s (1 T1s ).(1 T2 s ) Giả sử : T2 < TBX < T1 Chọn = T2 Rút gọn RI(s): RI ( s ) RI ( s ) (1 TBX s ) (1 T2 s) 2.T K K T 2.T K K T ( u I BX c ).s ( u I BX c ).s Ru Ru (3.16) (1 0, 002 s) (1 0, 001s) 2.0, 0186.400.0, 043 2.0, 0186.400.0, 043 ( ).s ( ).s 1 K p1 0, 003 => K i1 1, K p 0, 0015 K i 1, 3.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ Sau tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện, tiến hành tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện Sơ đồ thay thế: Hình Sơ đồ thay mạch vòng điều chỉnh tốc độ 26 Tổng hợp điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu mô đun: S ( s) 1/ Ki K K 2.Ti s Js T s (3.17) Bộ điều chỉnh tốc độ: Rw ( s ) (3.18) 1/ K i K 2 s (1 s) K 2Ti s Js T s Thông thường Tw và Ti nhỏ nên lấy gần đúng: (1 2Ti s)(1 T s ) (2Ti T ) s T 's s T 's s 2Ti s T Chọn T 's Rw ( s) (3.29) J K w 0, 08 0,98 K p 2.T 's K K 2.0, 03.1,36.1 3.5 Tính tốn thơng số Tên thơng số Kí hiệu Thơng số Cơng suất động Pđm 15,3 kW Điện áp định mức Uđm 480 V Tốc độ định mức nđm 1530 v/p Dòng điện định mức Iđm 70 A Điện cảm mạch phần ứng Lư 0,00186(H) Điện trở mạch phần ứng Rư 1(Ω) 27 Momen qn tính J 0,08 (kgm2) Tính tốn thông số động Tốc độ định mức: dm ndm 1530 160.209 rad / s 9,55 9,55 (3.31) Momen định mức: M dm Pdm dm 15300 95.5 Nm 160, 209 (3.32) Từ thông: KΦdm U dm Idm R u 480 70.1 2,55 Wb ωdm 160, 209 (3.33) Hằng số thời gian mạch phần ứng: Tu Lu 0,0186 0,0186 s Ru 01 (3.34) Hàm truyền động cơ: WD / Ru 1/ 0, 48 Tu s 0,0186s 0,0186s (3.35) Hệ số khuếch đại cảm biến dòng: KI U dk 10 0.15 I dm 70 (3.36) Hệ số băm xung: K BX E U dk max 400 40 10 (3.37) Hằng số thời gian học: Tc Ru J 0.08 8, 77 6 ( s) 2 ( K ) 95.5 (3.38) Chu kì băm xung: 28 Chọn tần số băm xung f = 500 Hz TBX T 2.103 103 s 2 (3.39) Trong đó: - TBX: chu kì băm xung - KBX: hệ số khuếch đại băm xung - E: điện áp đầu vào băm xung - Uđk - điện áp điều khiển đưa vào mạch (chọn Uđk = 10 V) Hàm truyền băm xung áp S BX ( s) K BX 40 s.TBX 0.001s (3.40) Hàm truyền điều chỉnh có tính đến sức điện động E: RI ( s ) (1 TBX s ).(1 T2 s ) 2.T K K T ( u I BX c ) Ru 2.Tu K I K BX Tc Ru Đặt a = 2.Tu K I K BX Tc 2.0, 0186.0,15.40.8, 77 6 a 5.107 Ru R( s) (3.41) (1 TBX s) (1 T2 s ) a.s s (3.42) (3.43) Tính khâu Chọn R 10() TI 5.107 K p1 R TBX 10 103 R1 a R1 a (3.44) R1 5.103 () C1 5, 7.106 (F) Tính khâu Chọn R 10() 29 TI 5.107 K p2 R 10 0,5 T2 R3 20 (3.45) R1 5.103 () C2 0,1(F) Hàm truyền điều chỉnh tốc độ Bộ điều chỉnh tốc độ: Rw ( s ) 1/ K i K 2 s (1 s) K 2Ti s Js T s (3.46) Chọn R2 10() Rw ( s) J K i R Kp 2.T 's K K R1 (3.47) Rw ( s) R 0, 08.0, 01 K p 3,9 2.0, 002.2,55.0, 02 R1 (3.47) Vậy R1 2,55() 30 CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG 4.1 Mạch động lực và điều khiển Hình Mạch động lực điều khiển 4.2 Mạch điều khiển Hình Mạch điều khiển 4.3 Đáp ứng tốc độ chưa có tải 31 Hình Đáp ứng tốc độ chưa có tải 4.4 Đồ thị đáp ứng momen trường hợp khơng tải Hình 4 Đồ thị đáp ứng momen trường hợp không tải 32 4.5 Đáp ứng dịng điện, momen có tải Hình Đáp ứng dịng điện, momen có tải 33 4.6 Đáp ứng tốc độ có tải thay đổi Nhận xét: Ta thấy bắt đầu khởi động dòng động tăng lên giảm sau khoảng 0,25s động khởi động xong, dịng điện trì mức ổn định động hoạt động hoạt đông tốc độ 1900 vòng/phút Sau thời gian 2s bắt đầu đóng tải Mc = 100 N.m dịng điện động momen điện từ tăng đần tốc độ bị giảm đến giây thứ 2,5s động dần ổn định với tốc độ khoảng 1800 vòng/phút, ta thay đổi Mc = 0,7Mđm động giữ nguyên tốc độ 34 KẾT LUẬN Sau trình học tập nghiên cứu với hướng dẫn Cô Nguyễn Thị Điệp Em bạn hoàn thành nhiệm vụ giao đồ án : Thiết kế hệ truyền động hệ XA-Đ có đảo chiều, phương pháp điều khiển không đối xứng Kết đạt được: Chương 1: - Đã tìm hiểu cấu tạo động chiều, phương pháp điều chỉnh tốc độ - Mơ hình hóa động điện chiều, mơ hình hóa băm xung áp Chương 2: -Chọn sơ đồ mạch lực băm xung áp chiều cho động điện chiều -Tìm hiểu tính tốn mạch bảo vệ Chương 3: -Giới thiệu phương pháp tiêu chuẩn tối ưu module - Tổng hợp mạch vịng dịng điện, tốc độ -Tính tốn thông số từ đề Chương 4: -Mô động matlab - Mơ mạch vịng dịng điện, mạch vòng tốc độ - Đưa đồ thị tốc độ, momen động khơng có mạch vịng điều chỉnh, có mạch vịng điều chỉnh Trong q trình thực hiện, làm em có nhiều sai sót, em mong nhận ý kiến đóng góp Cơ Em xin chân thành cảm ơn! 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh: Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học Kỹ Thuật, 2009 [2] Bùi Quốc Khánh: Truyền động điện [3] Võ Quang Lạp: Kỹ thuật biến đổi [4] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh: Điện tử công suất, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2004 [5] https://vi.wikipedia.org/wiki/Động_cơ_một_chiều 36