Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập. Hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập với bộ biến đổi là bộ băm xung áp. Mô phỏng trên phần mềm matlab simulink.
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BÁO CÁO PROJECT BASED LEARNING THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ Giáo viên hướng dẫn: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH Danang, 2021 LỜI NĨI ĐẦU Hiện lĩnh vực điều khiển tự động ngày phát triển trở thành phần thiếu công nghiệp đại Phần lớn loại máy móc, thiết bị dân dụng hay cơng nghiệp sử dụng động điện, từ động điện máy công cụ, máy CNC, cánh tay robot,… đến thiết bị gia dụng máy giặt, điều hịa, máy hút bụi, máy vi tính Những thiết bị yêu cầu độ xác cao, tiết kiệm lượng, tuổi thọ chu kì bảo dưỡng dài Một yêu cầu cần đáp ứng để đạt tiêu điều khiển tốc độ động điện cách ổn định, đáp ứng nhanh, vận hành trơn tru xác lập thay đổi trạng thái Là kỹ sư Tự động hóa tương lai, chúng em nhận thức rõ vai trò hệ thống điều khiển giám sát sản xuất công nghiệp đại Do đó, chúng em lựa chọn đề tài “ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ” Dự án chúng em bao gồm hai khâu quan trọng khâu điều khiển khâu giám sát Khâu điều khiển bao gồm mạch điều khiển mạch cơng suất, cịn khâu giám sát chúng em tiến hành gửi liệu lên hệ thống giám sát mà chúng em làm bao gồm tốc độ động cơ, điện áp, dịng điện, cơng suất Vì lý dịch bệnh phức tạp nên nhóm chúng em tiến hành dự án hồn tồn mơ bao gồm mô matlab proteus Do khả tiếp thu kiến thức cịn hạn hẹp thời gian có hạn nên báo cáo đồ án em khơng thể tránh khỏi có lỗi sai sót mặt hình thức nội dung kiến thức Em xin chân thành cảm ơn bạn, anh chị khóa thầy giúp em làm đồ án mong người góp ý cho em để em chỉnh sửa đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU GIỚI THIỆU CHUNG Chọn đề tài: Thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động chiều kích từ độc lập Ứng dụng đề tài Phân chia công việc CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TỐN U CẦU CỦA TẢI VÀ TÍNH CHỌN CƠNG SUẤT ĐỘNG CƠ .8 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tổng quan động điện chiều .9 1.3 Động điện chiều kích từ độc lập 1.4 Đặc tính động 10 1.5 Các trạng thái hoạt động động 12 1.5.1 Các trạng thai làm việc động 12 1.5.2 Khởi động 13 1.5.3 Khởi động mềm 14 1.6 Các phương pháp thay đổi tốc độ động 14 1.6.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng .14 1.6.2 Phương pháp thay đổi từ trường 15 1.6.3 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng .15 1.7 Chọn tải 17 1.8 Tính tốn thơng số tải 18 1.9 Chọn động 20 1.10 Hộp số động 21 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN MẠCH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT 22 2.1 Mạch động lực 22 2.1.1 Biến áp lực 22 2.1.2 Tính chọn biến áp 23 2.1.3 Mạch chỉnh lưu 23 2.1.4 Tính chọn Diode 24 2.1.5 Mạch lọc 25 2.1.6 Sơ đồ mạch chỉnh lưu lọc 26 2.1.7 Mạch cầu H 26 2.1.8 Tính chọn van cơng suất 28 2.1.9 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H .30 2.2 Mạch điều khiển .31 2.2.1 Nguyên lý băm xung áp .31 2.2.2 Mạch tạo dao động 32 2.2.3 Mạch tạo xung cưa 33 2.2.4 Mạch so sánh .34 2.2.5 Sơ đồ mạch tạo dạo động mạch so sánh 36 CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN ĐO LƯỜNG, BỘ ĐIỀU KHIỂN, SƠ ĐỒ MẠCH TOÀN HỆ THỐNG 37 3.1 Mạch đo 37 3.1.1 Đo tốc độ động 37 3.1.2 Lựa chọn encoder 38 3.1.3 Đo dòng điện .39 3.2 Vi điều khiển (Aduino uno) 40 3.3 Sơ đồ mạch hệ thống .41 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN 42 4.1 Mơ hình tốn động điện chiều .42 4.2 Tổng hợp hệ thống điều khiển .44 4.2.1 Xác định cấu trúc điều khiển .44 4.2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 47 4.2.3 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 48 4.3 Lưu đồ thuật toán 50 4.4 Code Arduino 51 4.5 Xây dựng hệ thống giám sát điều khiển 55 4.5.1 Code .55 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 60 5.1 Mô Matlab Simulink 60 5.1.1 Mơ hình tốn điều khiển động kết hợp mạch vòng tốc độ dòng điện .60 5.1.2 Mơ hình tốn điều khiển động khơng có mạch vịng dịng điện .63 5.1.3 Mơ hệ thống điều khiển 64 Khối nguồn 64 5.2 Mô phần mềm proteus 67 5.2.1 Truyền thông số PID vào arduino 71 5.3 Phân tích đánh giá mơ mơ hình thực 72 5.4 Thi cơng thiết kế mạch in 73 GIỚI THIỆU CHUNG Chọn đề tài: Thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động chiều kích từ độc lập Hệ thống truyền động điện sử dụng động chiều kích từ độc lập với biến đổi băm xung áp Hình : sơ đồ tổng quát Lý nhóm chúng em chọn đề tài chúng em muốn hiểu rõ nguyên lý hoạt động động chiều cách thay đổi tốc độ động dựa nguyên lý thay đổi độ rộng xung ứng dụng hệ thống điều khiển băm xung áp cơng nghiệp Hình : sơ đồ khối tổng quát Ứng dụng đề tài Trong đời sống hệ thống sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực : công nghiệp hệ thống tải, y học dùng để điều khiển robot, giáo dục để giảng dạy cho học sinh, sinh viên nghiên cứu … Để hiểu cách trực quan nhóm chúng em ứng dụng mơ hình vào để điều khiển tốc độ tải theo mong muốn Hình : Sơ đồ chung hệ thống điều khiển Phân chia cơng việc Hình : Sơ đồ phân chia cơng việc CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TỐN U CẦU CỦA TẢI VÀ TÍNH CHỌN CƠNG SUẤT ĐỘNG CƠ 1.1 Đặt vấn đề Cùng với phát triển ngày mạnh mẽ ngành công nghiệp chiều rộng lẫn chiều sâu,điện máy điện đóng vai trị quan trọng, khơng thể thiếu phần lớn ngành công nghiệp đời sống sinh hoạt người Nó ln trước bước làm tiền đề mũi nhọn định thành công hệ thống sản xuất công nghiệp Không quốc gia nào, sản xuất không sử dụng điện máy điện Do tính ưu việt hệ thống điện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền tải , máy phát động điện xoay chiều có cấu tạo đơn giản công suất lớn, dễ vận hành mà máy điện (động điện) xoay chiều ngày sử dụng rộng rãi phổ biến Tuy nhiên động điện chiều giữ vị trí định cơng nghiệp giao thơng vận tải, nói chung thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi rộng (như máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Mặc dù so với động không đồng để chế tạo động điện chiều cỡ giá thành đắt sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp ưu điểm mà máy điện chiều khơng thể thiếu sản xuất đại Ưu điểm động điện chiều dùng làm động điện hay máy phát điện điều kiện làm việc khác Song ưu điểm lớn động điện chiều điều chỉnh tốc độ khả tải Nếu thân động không đồng đáp ứng đáp ứng phí thiết bị biến đổi kèm (như biến tần ) đắt tiền động điện chiều khơng điều chỉnh rộng xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng cao 1.2 Tổng quan động điện chiều Khi xem xét động điện chiều máy phát điện chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ động Theo ứng với cách ta có loại động điện : Kích từ độc lập : nguồn chiều có cơng suất không đủ lớn, mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập : I= I Kích từ song song : nguồn chiều có cơng suất vơ lớn điện áp khơng đổi,mạch kích từ mắc song song với mạch phần ứng nên : I = I + I t Kích từ nối tiếp : cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vịng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có : I =I + I t Với loại động tương ứng với đặc tính, đặc điểm kĩ thuật điều khiển ứng dụng tương đối khác phụ thuộc vào nhiều yếu tố Trong đề tài ta xét đến động chiều kích từ độc lập Ưu điểm động điện chiều dùng làm động điện hay máy phát điện điều kiện làm việc khác Song ưu điểm lớn động điện chiều điều chỉnh tốc độ khả tải Nhược điểm chủ yếu động điện chiều có hệ thống cổ góp – chổi than nên vận hanh tin cậy khơng an tồn mơi trường rung chấn, dễ cháy nổ 1.3 Động điện chiều kích từ độc lập Hình : Sơ đồ nối dây động điện chiều kích từ độc lập Nguyên lý hoat động : Khi cho điện áp chiều vào dây quấn phần ứng có điện Các dẫn có dịng điện nằm từ trường chịu lực tác dụng làm roto quay, chiều lực xác định quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay nửa vòng, vị trí dẫn đổi chỗ cho Do có phiếu góp chiều dịng điện giữ ngun làm cho chiều lực từ tác dụng hay không thay đổi Khi quay, dẫn cắt từ trường cảm ứng với suất điện động Eư chiều suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải động chiều suất điện động Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư gọi sức phản điện động Khi ta có phương trình : U = Eư + Rư.Iư Khi nguồn chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập Lúc động gọi động điện chiều kích từ độc lập Ta có phương trình cân điện áp mạch phần ứng sau U =Eư + R I Trong : U : Điện áp phần ứng Eư : Sức điện động phần ứng Rư : Điện trở mạch phần ứng I : Dòng điện mạch phần ứng Sức điện động Eư phần ứng động xác định theo biểu thức: Eư = PN Фω = KФω лa Trong : P: Số đơi cực từ N: Số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng a: Số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng Ф: Từ thơng kích từ cực từ ω : Tốc độ góc (rad/s) 1.4 Đặc tính động Phương trình đặc tính : phương trình biểu thị mối quan hệ tốc độ ( ω ) momen (M) xây dựng từ phương trình động có dạng chung ω = Uư Rư Iư KeФ Ke Ф Phương trình đặc tính điện động Mặc khác, momen điện từ Mđt động xác định 10