Đề t ài thi ết kế hệ t hống truyền động điện sử dụng động cơ đi ện xoay chi ều 3 pha kđb (inducti on mot or)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐI ỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐI ỀU KHI ỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐI ỆN Đề t ài: Thi ết kế hệ t hống truyền động điện sử dụng động cơ đi ện xoay chi ều 3 pha K

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐI ỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐI ỀU KHI ỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐI ỆN

Đề t ài: Thi ết kế hệ t hống truyền động điện sử dụng động cơ đi ện xoay

chi ều 3 pha KĐB (Inducti on Mot or)

Người hướng dẫn : PGS TS LÊ TI ẾN DŨNG

Si nh vi ên t hực hi ện : TRẦN CHÍ NHÂN

Mã số si nh vi ên : 105180308

Lớp/ nhó m hp : 18TDH1

MỤC L ỤC

MỤC LỤC 1

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 4

CHƯƠNG 1: GI ỚI THI ỆU BÀI TOÁN, TÍ NH TOÁN THI ẾT KẾ PHẦN ĐỘNG LỰC 5

1 1 Bài t oán: 5

Hì nh 1 1 Đồ t hị t ốc độ mong muốn của động cơ 5

1 2 Sơ đồ t ổng t hể của hệ t hống TĐĐ: 6

Hì nh 1 2 Sơ đồ t ổng thể của hệ t hống TDĐ 6

1 3 Các yêu cầu của hệ truyền động đi ện: 7

1 4 Phương án truyền động: 8

1 5 Xác đị nh sơ đồ cụ t hể hơn của hệ t hống TĐĐ: 10

Hì nh 1 3 Sơ đồ cụ t hể hơn của hệ t hống 10

Hì nh 1 4 Đồ t hị t ốc độ mong muốn của động cơ 11

Hì nh 1 5 Đồ t hị mo men động cơ si nh ra 12

Hì nh 1 6 Đồ t hị công suất động cơ 13

Hì nh 1 7 Lựa chọn động cơ 14

Hì nh 1 8 Gear box 15

Hì nh 1 9 Đồ t hị ki ể m nghi ệ m mo men động cơ 16

Hì nh 1 10 Đồ t hị ki ểm nghi ệ m l ại t ốc độ đông cơ 16

Hì nh 1 11 Cả m bi ến dòng đi ện 17

1 7 Sơ đồ chi tiết của mạch động l ực: 18

Hì nh 1 12 Sơ đồ mạch động l ực 18

Chương 2 : Mô hì nh hóa hệ t hống truyền động đi ện 20

2 1 Mô hì nh t oán học của động cơ đi ện xoay chi ều 3 pha không đồng bộ: 20

Hì nh 2 1 Mô hì nh trạng t hái của động cơ 23

2 2 Mô hì nh t oán của bộ bi ến đổi công suất: 24

2 3 Mô hì nh t oán cảm bi ến dòng: 24

2 4 Mô hì nh t oán encoder 25

2 5 Mô hì nh t ổng quát của hệ t hống: 26

Hì nh 2 2 Mô hì nh t ổng quát của hệ t hống 26

Hì nh 2 6 Mô hì nh t oán học của hệ t hống 26

Chương 3: Tổng hợp hệ t hống truyền động điện 27

3 1 Sơ đồ cấu trúc đi ều khi ển 27

Hì nh 3 1 Cấu trúc đi ều khi ển T4R ki nh đi ển 27

3 2 Các l uật, t huật t oán đi ều khi ển: 29

3 2 1 Khối nghị ch l ưu: 29

Hì nh 3 2 Khối nghị ch l ưu 29

3 2 2 Khâu đi ều chế vect or SVP WM: 30

Hì nh 3 3 Khâu đi ều chế vect or SVP WM 30

3 2 3 Khối chuyển t ọa độ uvw sang dq ( khối 3+5): 30

Hì nh 3 4 Khối chuyển t ọa độ uvw sang dq 31

3 2 4 Khối chuyển t ọa độ dq sang ( khối 4): 31

Hì nh 3 5 Khối chuyển t ọa độ dq sang aB 31

3 2 5 Khối mô hì nh từ t hông ( khối 9): 31

Hì nh 3 6 Mô hì nh t ừ thông 32

3 2 6 Các bộ đi ều khiển PI 33

Hì nh 3 7 Các khối điều khi ển PI 33

Chương 4: Mô phỏng, kiể m nghi ệ m và đánh gi á kết quả 35

4 1 sơ đồ mô phỏng tổng quát: 35

Hì nh 4 1 Sơ đồ mô phỏng t ổng quát 35

4 2 Sơ đồ khối bộ đi ều khi ển T4R controller: 36

Hì nh 4 2 Sơ đồ khối bộ đi ều khi ển T4R controller 36

4 3 Thông số: 36

4 3 1 Thông số động cơ: 36

4 3 2 Đồ t hị đặt vào: 36

Hì nh 4 4 Tốc độ đặt 37

4 4 Kết quả mô phỏng và phân tích kết quả: 37

4 4 1 Thành phần đi ện áp: 37

Hì nh 4 5 Thành phần đi ện áp nguồn 37

Hì nh 4 6 Điện áp đầu ra khâu chỉ nh l ư 38

Hì nh 4 7 Điện áp đầu ra khâu nghị ch l ưu 38

4 4 2 Thành phần dòng đi ện: 38

Hì nh 4 8 Dòng đi ện đưa vào động cơ 39

Hì nh 4 9 Thành phần dòng isd 39

Hì nh 4 10 Thành phần dòng isq và dòng isq đặt 40

4 4 3 Mo men động cơ: 40

Hì nh 4 11 Moo men động cơ 40

4 4 4 Tốc độ động cơ: 41

Hì nh 4 12 Tốc độ động cơ 41

4 4 5 Tr ường hợp đáp ứng của động cơ khi tải t hay đổi: 41

Hì nh 4 14 Tốc độ của động cơ khi moo men tải t hay đổi 42

Hì nh 4 15 Đồ t hị dòng isq khi có mo ment hay đổi 42

4 5 Kết l uận: 43

TÀI LI ỆU THA M KHẢO

1 PGS TS Lê Ti ến Dũng, Giáo trì nh Đi ều khiển truyền động đi ện

2 Nguyễn Phùng Quang, Điều khi ển t ự động truyền động đi ện xoay chi ều ba pha,

(tái bản lần t hứ 1), NXB Gi áo dục, Hà Nội , 1998

3 Nguyễn Phùng Quang, Đi ều khi ển vect or truyền động xoay chi ều ba pha, NXB Bách khoa Hà Nội, 2016

CHƯƠNG 1: GI ỚI THI ỆU BÀI TOÁN, TÍNH TOÁN THI ẾT KẾ PHẦN ĐỘNG L ỰC

J  kg m Sử dụng nguồn xoay chi ều 3 pha 220 V/ 380 V cung cấp cho động cơ Hệ

t hống được đi ều khi ển bởi một bộ đi ều khiển với t huật t oán được l ập trì nh sẵn và chạy

t ự động t heo gi á trị được đặt vào

Hì nh 1 1 Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ

Nội dung: Để t hi ết kế 1 hệ t hống truyền động đi ện t a sẽ đi vào từng nội dung sau:

Phần 1: Xác đị nh sơ đồ t ổng t hể của hệ t hống TĐĐ, phân tích chọn phương án truyền động, xác đị nh sơ đồ chi tiết của mạch động l ực, tính t oán t hi ết kế phần động l ực

Phần 2: Xây dựng mô hì nh t oán học của t ừng t hành phần trong hệ t hống và đi đến xây dựng mô hì nh t oán học của hệ t hống

Phần 3: Xác đị nh sơ đồ cấu trúc của phần đi ều khi ển Xác đị nh các l uật, t huật t oán điều khi ển Thi ết kế chi tiết phần đi ều khi ển Xác đị nh các t ha m số của t huật t oán đi ều

khi ển bên trong phần đi ều khi ển

Phần 4: Mô phỏng, kiể m nghi ệ m và đánh giá chất l ượng

1 2 Sơ đồ tổng thể của hệ thống TĐĐ:

Hì nh 1 2 Sơ đồ tổng thể của hệ thống TDĐ

*Những t hành phần và chức năng của hệ t hống:

- Nguồn 220v/ 380v AC- 50 Hz: có nhi ệm vụ cung cấp đi ện cho mạch động l ực

- Bộ bi ến đổi công suất: bi ến đổi công suất cố đị nh t ừ nguồn t hành công suất mong muốn để cấp cho động cơ

- Động cơ đi ện 3 pha không đồng bộ: bi ến đổi đi ện năng t hành cơ năng

- Bộ cả m bi ến: đo và đưa các gi á trị cần t hi ết về bộ đi ều khi ển

- Bộ đi ều khi ển: tiếp nhận tí n hi ệu và tí nh t oán ra tí n hi ệu yêu cầu cho động cơ

- Phát xung đi ều khi ển: tiếp nhận tí n hi ệu t ừ bộ đi ều khi ển, phát xung đi ều khi ển cho bộ bi ến đổi công suất

*Nguyên l ý hoạt động:

Có t hể chi a hệ t hống t hành hai t hành phần: phần mạch động l ực và phần mạch đi ều khi ển

- Mạ ch động l ực được cấp nguồn đi ện xoay chi ều ba pha 220/ 380VAC- 50 Hz, sau

đó được bi ến đổi t hông qua bộ chỉ nh l ưu không đi ều khi ển, trở thành dòng đi ện một chi ều Ti ếp t heo, dòng đi ện một chi ều sẽ được bi ến đổi t hành dòng đi ện xoay chi ều ba pha nhờ bộ nghị ch l ưu được đi ều khi ển đóng mở các van bởi

mạch đi ều khi ển Cuối cùng, dòng đi ện cung cấp cho st at or của động cơ ba pha

- Mạ ch đi ều khi ển gồ m bộ đi ều khi ển nhận giá trị đặt vào l à t ốc độ mong muốn của động cơ, cùng với đó l à các gi á trị đo được l à t hành phần dòng đi ện, t ốc độ Sau đó t hực hi ện tí nh toán t heo t huật t oán có sẵn, đưa ra gi á trị các xung kí ch cho bộ nghị ch l ưu t heo tí nh t oán Nhờ đó động cơ có t hể chạy đúng t heo t ốc độ mong muốn

Để Bộ đi ều khi ển đúng yêu cầu và chất l ượng, ta cần phải t hiết kế đồng t hời 3 yếu t ố:

t hi ết kế cấu trúc đi ều khi ển, xây dựng t huật t oán đi ều khi ển và xác đị nh các t ha m số

đi ều khi ển Chất l ượng đi ều khi ển t ự động của hệ t hống phụ t huộc rất l ớn vào Bộ đi ều khi ển, đặc bi ệt là ở cấu trúc đi ều khi ển và thuật t oán đi ều khi ển Bên cạnh đó yêu cầu

chất l ượng của nguồn cấp, bộ bi ến đổi, bộ cả m bi ến hay động cơ cũng cần phải được quan t â m Đồ án này tập trung vào t hi ết kế Bộ đi ều khi ển, l ựa chọn t huật t oán đi ều khi ển phù hợp với yêu cầu bài t oán

1 3 Các yêu cầu của hệ truyền động đi ện:

Dựa vào đồ t hị t ốc độ mong muốn của t ải trên Ta có t ốc độ của tải t heo t hời gi an như sau:

 Gi ai đoạn 1: Động cơ khởi động, tải quay với t ốc độ tăng dần t ừ 0rad/s đến

100rad/s trong vòng 1s

 Gi ai đoạn 2: Khi đã đạt t ốc độ 100rad/s t hì gi ữ nguyên t ốc độ quay trong 2s

 Gi ai đoạn 3: t ừ gi ây thứ 3 t hì tải quay t huận với t ốc độ gi ả m dần t ừ 100rad/s xuống 0rad/ s trong 0.5s, trong 0 5s ti ếp t heo t ải quay ngược với t ốc độ t ăng t ừ 0rad/s đến 70rad/s

 Gi ai đoạn 4: Khi tải quay ngược với t ốc độ 70rad/s t hì gi ữ nguyên t ốc độ đó trong 2s

 Gi ai đoạn 5: tại giây thứ 6 động cơ quay chậ m l ại, trong vòng 1 gi ây t hì dừng

1 4 Phương án truyền động:

Như đã phân tích trong mục trên, động cơ sử dụng trong bài t oán là l oại động cơ có

đi ều chỉ nh t ốc độ và đảo chi ều quay Như vậy để t hực hi ện vi ệc truyền động cho động

cơ đúng yêu cầu, chúng ta có 2 phương pháp truyền động sau:

- Dùng hệ truyền động chỉ nh l ưu – Trisist or cho động cơ 1 chi ều có đảo chi ều quay

- Dùng hệ truyền động xoay chi ều có đi ều chỉ nh t ốc độ

Tuy nhi ên, trong bài toán trên ta sử động cơ xoay chi ều ba pha nên ta l ựa chọn hệ

truyền động đi ện xoay chi ều có đi ều chỉ nh t ốc độ Mà cụ t hể hơn, ta dùng hệ truyền động xoay chi ều có điều chỉ nh t ốc độ dựa trên phương pháp đi ều chỉ nh tần số nguồn cung cấp vì những ưu đi ể m: nó đi ều chỉ nh công suất đi ện đầu vào động cơ, đặc tí nh

cơ có độ cứng không t hay đổi trong dải đi ều chỉ nh rộng Tại đây, chúng ta có 2

phương án là:

- Dùng bộ bi ến đổi nguồn đi ện xoay chi ều trực ti ếp

- Dùng bộ nghị ch l ưu có đi ều khi ển t ừ nguồn một chi ều

Tr ong phương án dùng bộ bi ến đổi nguồn điện xoay chi ều trực tiếp, bộ bi ến đổi sẽ phức t ạp hơn, t uy nhiên độ chí nh xác trong đi ều khi ển chưa cao Do đó, ta l ựa chọn phương án dùng bộ nghị ch l ưu có đi ều khiển t ừ nguồn một chi ều, có mức độ đi ều

khi ển đơn gi ản hơn nhưng vẫn đáp ứng được tiêu chí đi ều khi ển Tuy nhi ên, trong bài

t oán yêu cầu sử dụng nguồn đi ện xoay chi ều 3 pha, nên trước hết phải t hông qua một khâu chỉ nh l ưu, đưa điện áp về nguồn đi ện một chi ều, sau đó qua khâu nghị ch l ưu có

đi ều khi ển để cung cấp đi ện cho động cơ

Ta có đồ t hị trạng t hái là m vi ệc của động cơ như sau:

Để đi ều khi ển t ốc độ động cơ ta sẽ đi ều khiển mo men đi ện t ừ t heo phương trì nh

Từ đó t a sẽ t hay đổi mo me n đi ện t ừ bằng cách t hay đổi dòng isq

- Lựa chọn phương pháp đi ều khi ển t ựa t heo t ừ t hông( FOC)

- Sử dụng t huật t oán điều chế vect or không gi an ( SVP WM)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15

Chart Title

1 5 Xác đị nh sơ đồ cụ thể hơn của hệ thống TĐĐ:

Hì nh 1 3 Sơ đồ cụ thể hơn của hệ thống

Ở đây bộ bi ến đổi công suất dùng bộ chỉ nh l ưu nối tiếp với nghị ch l ưu có đi ều khi ển, có nhi ệ m vụ bi ến đổi công suất cố đị nh t ừ nguồn đi ện t hành công suất có đi ều khi ển được để cấp cho động cơ

1 6 Tí nh toán các yêu cầu của động cơ

Hì nh 1 4 Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ

Mo men động cơ si nh ra ngược chi ều với bánh răng nên ta có:

1 1

Công suất của động cơ:

Áp dụng công t hức tính công suất: P T em m

Xét các khoảng t hời gi an:

 Ki ể m tra l ại mo men đầu trục động cơ :

Với tỉ số truyền 10 : 1 suy ra mo men t ối đa

Hì nh 1 9 Đồ thị ki ể m nghi ệ m mo men động cơ

 Ki ể m tra l ại t ốc độ động cơ: Tốc độ đị nh mức của động cơ: 156 rad/ s

Suy ra t ốc độ: 156: 10=15, 6

Hì nh 1 10 Đồ thị ki ể m nghi ệ m l ại tốc độ đông cơ

Nên hộp số đã chọn t hỏa mãn yêu cầu

 Chọn Encoder

Động cơ được tích hợp sẵn encoder với:

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Dòng đi ện max: 800A

Tí n hi ệu ngõ ra: 4-20mA

Thời gi an đáp ứng; 100 ms

Tần số hoạt động: 20-1000 Hz

Hì nh 1 11 Cả m bi ến dòng đi ện

1 7 Sơ đồ chi ti ết của mạch động l ực:

Đi ện áp đầu ra khâu nghị ch l ưu: 220V

Đi ện áp đầu vào khâu nghị ch l ưu:

 Đi ện áp chị u đựng cho van bán dẫn là :

2

1

h ih

Chọn C=50(F) L 14,95(H)

Tr ong đồ án này ta chọn t ụ: C30(mF)

Chương 2 : Mô hì nh hóa hệ t hống truyền động đi ện

Từ chương 1, ta có sơ đồ t ổng t hể của hệ t hống truyền động đi ện của động cơ không đồng bộ:

Từ đây t a có bảng các t hành phần đặc tí nh vào ra t ương ứng:

Mo me n t ải T L Tốc độ 

Cả m bi ến dòng đi ện Dòng đi ện t hực I Dòng đi ện I

2 1 Mô hì nh t oán học của động cơ đi ện xoay chi ều 3 pha không đồng bộ:

Mô hì nh trạng t hái liên t ục của động cơ trên hệ t ọa độ dq:

Tập hợp các phương trì nh đi ện áp và t ừ t hông của động cơ t a có:

vế trái, đồng t hời chuyển sang vi ết dưới dạng các t hành phần của vect or

Các bi ến trạng t hái cần quan tâ m: Dòng điện stator và t ừ t hông rotor

Sau một vài bi ến đổi ta t hu được hệ phương trì nh vi ết dưới dạng t hành phần như sau:

1 0

10

Hì nh 2 1 Mô hì nh trạng thái của động cơ

Mô hì nh trạng t hái của động cơ XC 3 pha KĐB trên hệ t ọa độ dq có tí nh phi

t uyến yếu Các đại l ượng đầu vào gồ m: u u sd, sq và s

Tr ong ma trận hệ t hống có chứa đại l ượng t ốc độ  được coi là t ha m số hà m

bi ến t hi ên có t hể đo được

2 2 Mô hì nh t oán của bộ bi ến đổi công suất:

- Bộ nghị ch l ưu nhận đầu vào l à đi ện áp mong muốn, và đầu ra là đi ện áp cấp cho

3 pha của động cơ Do đó, nếu hoạt động tốt t hì bộ nghị ch l ưu sẽ cho ra đi ện áp cấp cho 3 pha động cơ bằng đi ện áp mong muốn: u s uvwu*

- Vậ y mô hì nh t oán của bộ nghị ch l ưu l à khâu khuếch đại với hệ số bằng 1

2 3 Mô hì nh t oán cả m bi ến dòng:

Mô hì nh t oán học của phản hồi dòng đi ện có t hể bi ểu di ễn bằng hệ số khuếch đại

Hc trong tr ường hợp không yêu cầu bộ l ọc (đa số)

Tr ong trường hợp cần dùng bộ l ọc, một bộ l ọc t hông t hấp được sử dụng Hằng

Chọn hệ số khếch đại:H c 1

2 4 Mô hì nh t oán encoder

Tr ong các hệ t hống trước đây, t hường dùng máy phát để đo t ốc độ Một bộ l ọc t hông

t hấp có hằng số t hời gi an dưới 10 ms t hường được sử dụng

Hà m truyền đạt của khâu hà m truyền t ốc độ:

1

K G