đề tài thiết kế điều khiển truyền động hệ t đ sử dụng mạch cầu 3 pha có tải mc tỉ lệ thuận với vận tốc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰCKHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN MÔN HỌCNGÀNH: CÔNG NGHỆ KTĐK&TĐHCHUYÊN NGÀNH: TĐH&ĐKTBĐCNHỌC PHẦN: ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG HỆ T-Đ SỬDỤNG MẠCH CẦU 3 PHA CÓ TẢI MC TỈ LỆ THUẬN VỚIVẬN TỐC

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Ngọc Khoát

Nhóm sinh viên/ sinh viên thực hiện: Nhóm 5

Nguyễn Lưu Tùng Minh– MSV: 19810430139 Nguyễn Quang Hiếu – MSV : 19810430133

Vũ Ngọc Phước – MSV: 19810430161

Trần Hưng Thịnh – MSV: 19810430189 Nguyễn Văn Thạch – MSV : 19810430025

Lớp: D14TDH&DKTBCN2

HÀ NỘI, 4/2023

Nhiệm vụ đồ án môn học

Họ tên sinh viên: Vũ Ngọc Phước

Mã số sinh viên: 19810430161 Lớp: D14TDH&DKTBCN2Chuyên ngành: Tự Động Hóa Và Điều Khiển Thiết Bị Điện Công Nghiệp

1 Tên đề tài đồ án:

Thiết kế điều khiển truyền động hệ T-Đ sử dụng mạch cầu 3 pha có tải Mc tỉ lệthuận với vận tốc

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

Pđm = 20 kW, nđm = 963,8 v/p, Udm = 461 V, Idm = 10 A, Rư = 0,2 Ω, Lư = 2 mH, J = 0,12 kgm2 Bộ chỉnh lưu thyristor cầu 3 pha điều khiển, nguồn 3x380V, 50Hz, tải Mc tỉ lệ thuận với vận tốc

Hà Nội, Ngày 22 Tháng 4 Năm 2023Giảng Viên Hướng Dẫn

Nguyễn Ngọc Khoát

Lời Nói Đầu

Trong công cuộc đổi mới công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước hiện nay, vấnđề áp dụng khoa học kĩ thuật vào các quy trình sản xuất là vấn đề được ưu tiên Cùngvới sự phát triển của một số ngành như điện tử, công nghệ thông tin, ngành kĩ thuậtđiều khiển và tự động hóa đã phát triển vượt bậc Tự động hóa các quy trình sản xuấtđang được phổ biến, có thể thay sức lao động con người, đem lại năng suất cao chấtlượng sản phẩm tốt.

Hiện nay, các hệ thống dây chuyền tự động trong các nhà máy, xí nghiệp đượcsử dụng rất rộng rãi, vận hành có độ tin cậy cao Vấn đề quan trọng trong các dâychuyền sản xuất là điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ hay đảo chiều quay động cơđể nâng cao năng suất.

Với hệ truyền động điện một chiều được ứng dụng nhiều trong các yêu cầuđiều chỉnh cao, cùng với sự phát triển không ngừng của kỹ thuật điện tử và kỹ thuật viđiện tử Hệ truyền động một chiều điều khiển sử dụng chỉnh lưu được sử dụng rộngrãi, vì nó khá đơn giản nhưng hiệu quả cao Có thể điều chỉnh được điện áp ra như ýmuốn Hệ truyền động T-Đ không cồng kềnh như hệ F-Đ và không yêu cầu tần số làmviệc cao như hệ băm xung- động cơ Ngoài ra việc đảo chiều quay cho động cơ ở hệT-Đ cũng rất dễ thiết kế.

Trong quá trình làm đồ án, em xin cảm ơn thầy Nguyễn Ngọc Khoát đã hướngdẫn và chỉ bảo em để em có thể hoàn thành được đồ án này Tuy nhiên em sẽ khôngthể tránh khỏi thiếu sót Kính mong quý thầy cô chỉ bảo để em được hiểu thêm, cókiến thức nhất định để phục vụ cho chuyên ngành của mình sau này.

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Giới thiệu về động cơ một chiều kích từ độc lập 1

1.2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều 1

1.3 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập 3

1.4 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều 3

CHƯƠNG II: HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 8

2.1 Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều 8

2.1.1 Khái niệm chung về hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều 8

2.1.2 Giới thiệu sơ đồ hệ thống chỉnh lưu – động cơ một chiều 8

2.2 Mô hình hóa bộ chỉnh lưu ( cầu 3 pha) 12

2.3 Mô hình hóa động cơ một chiều kích từ độc lập 12

CHƯƠNG III: Thiết Kế Mạch Điều Khiển 17

3.1 Sơ đồ khối cấu trúc hai mạch vòng điều chỉnh của hệ truyền động điện T-Đ 17

3.2 Giới thiệu phương pháp tổng hợp mạch vòng theo chuẩn tối ưu modun 18

3.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện 18

3.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ 21

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 23

4.1 Mô phỏng hệ thống trên matlab 23

KẾT LUẬN 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

DANH SÁCH HÌ

Hình 1 1 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập 3

Hình 1 2 Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụmạch phần ứng 4

Hình 1 3 Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm áp đặt vàophần ứng động cơ 5

Hình 1 4 Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) khi thay đổi từ thông 5

YHình 2 1 Sơ đồ hệ thống chỉnh lưu – động cơ một chiều 8

Hình 2 2 Họ đặc tính cơ của hệ 10

Hình 2 3 Mô hình hóa bộ chỉnh lưu 11

Hình 2 4 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều 12

Hình 2 5 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều 14

Hình 2 6 Sơ đồ cấu trúc mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập 15

Hình 2 7 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập có từ thông không đổi 16

Hình 3 1 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 17

Hình 4 7 Đáp ứng tốc độ chế độ có tải Mc, không có các mạch vòng điều chỉnh 26

Hình 4 8 Đáp ứng momen chế độ có tải Mc, không có các mạch vòng điều chỉnh 26

Hình 4 9 Đáp ứng tốc độ chế độ không tải, có mạch vòng điều chỉnh 27

Hình 4 10 Đáp ứng momen chế độ không tải, có mạch vòng điều chỉnh 27Hình 4 11 Đáp ứng tốc độ chế độ có tải, có mạch vòng điều chỉnh 28

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG1.1 Giới thiệu về động cơ một chiều kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều là loại máy điện biến điện năng dòng một chiều thành cơnăng Ở động cơ một chiều từ trường là từ trường không đổi Để tạo ra từ trườngkhông đổi người ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện được cung cấpdòng điện một chiều

Động cơ điện một chiều được phân loại theo kích từ thành những loại sau: - Kích từ độc lập

- Kích từ song song - Kích từ nối tiếp - Kích từ hỗn hợp

Công suất lớn nhất của máy điện một chiều vào khoảng 5-10 MW Hiện tượngtia lửa ở cổ góp đã hạn chế tăng công suất của máy điện một chiều

Cấp điện áp của máy một chiều thường là 120V, 240V, 400V, 500V và lớnnhất là 1000V Không thể tăng điện áp lên nữa vì điện áp giới hạn của các phiến góplà 35V

1.2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều

Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần :- Phần tĩnh (stator)

Cực từ phụ:

Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều

Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Thườnglàm bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diệntròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấnđược cách điện với rãnh của lõi thép.

Cổ góp:

Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòngđiện xoay chiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạncách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn.Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vàocác phiến góp được dễ dàng.

Các bộ phận khác:

Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy.

1.3 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Hình 1 1 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lậpTa có phương trình đặc tính cơ:

Sau đây ta sẽ lần lượt đi xét những ảnh hưởng của từng tham số đó:

1.4 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiềuẢnh hưởng của điện trở phần ứng :

Giả thiết: Uư=Uđm=const  = đm=const

Khi ta đổi điện trở mạch phần ứng ta có tốc độ không tải lý tưởng:

R

tn có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đườngđặc tính có điện trở phụ Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tínhbiến trở có dạng như hình 1.3 Ứng với một phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốcđộ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũnggiảm Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện vàđiều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.

Hình 1 2 Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụmạch phần ứng

Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:

Giả thiết:

 = dm = const Rư = const

Khi thay đổi điện áp phần ứng: Uư<Uđm ta có: Tốc độ không tải lý tưởng:

Như vậy khi ta thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặctính cơ song song đặc tính cơ tự nhiên (hình 1.5) Ta thấy khi thay đổi điện áp (giảmáp) thì mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm ứng với phụ tải

nhất định Do đó phương pháp này cũng có thể sử dụng để điều chỉnh tốc độ và hạnchế dòng điện khởi động

Hình 1 3 Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm áp đặt vàophần ứng động cơ

Ảnh hưởng của từ thông:

Giả thiết:

Uư = Uđm = const Rư = const

Khi ta thay đổi từ thông tức là ta thay đổi dòng kích từ (Ikt) động cơ.Tốc độ không tải lý tưởng:

ω0 x=

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông Nên khi

từ thông giảm thì ω0x tăng, còn β sẽ giảm Ta có một họ đặc tính cơ với ω0x

tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông.

Hình 1 4 Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) khi thay đổi từ thôngTa nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:

Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì khigiảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên

Kết luận

Qua những phân tích cụ thể 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ trên ta thấy mỗi phươngpháp điều chỉnh đều có những ưu nhược điểm riêng phù hợp với từng yêu cầu côngnghệ

Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều (hay hệ T-Đ),bộ biến đổi điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển có điện áp ra tải Ud phụ thuộc vàogiá trị của góc điều khiển

Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kíchthích động cơ, tuỳ theo yêu cầu cụ thể của truyền động mà có thể dùng các sơ đồchỉnh lưu thích hợp

Căn cứ công nghệ của đề tài ta thấy phương pháp thay đổi tốc độ bằng cách điều chỉnhđiện áp mạch phần ứng động cơ có nhiều ưu điểm như:

 Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng  Điều chỉnh trơn và điều chỉnh vô cấp

 Sai lệch tĩnh nhỏ, =const trong toàn dải điều chỉnh  Để thực hiện tự động hoá

 Mức độ phù hợp tải  Mc = const  Pc = var

Do đó ta chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp mạch phầnứng động cơ.

CHƯƠNG II: HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU2.1 Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều

2.1.1 Khái niệm chung về hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều

Là bộ chỉnh lưu liên hệ nguồn xoay chiều với tải một chiều, nghĩa là đổi điệnáp xoay chiều của nguồn thành điện áp một chiều trên phụ tải.

Điện áp một chiều trên tải không được lý tưởng như điện áp của ắc quy mà cóchứa các thành phần xoay chiều cùng với một chiều.

Đầu ra của các sơ đồ chỉnh lưu được coi là một chiều nhưng thực sự là điện ápđập mạch Trị số điện áp một chiều, hiệu áp suất ảnh hưởng của chúng do nguồn xoaychiều rất khác nhau.

Bộ biến đổi Thyristor với chuyển mạch tự nhiên có điện áp (dòng điện) ra là 1chiều là các thiết bị biến nguồn điện xoay chiều 3 pha thành điện áp 1 chiều điềukhiển ngược.

Hoạt động của mạch do nguồn điện xoay chiều quyết định vì nhờ đó mà có thểthực hiện được các chuyển mạch dòng điện giữa các phần tử lực.

Việc phân loại chỉnh lưu phụ thuộc nhiều yếu tố:

- Theo số pha có: Chỉnh lưu 1 pha, chỉnh lưu 3 pha

- Theo sơ đồ nối có: Chỉnh lưu nửa chu kỳ, chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ, chỉnh lưuhình cầu, chỉnh lưu hình tia

- Theo sự điều khiển có: Chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển,chỉnh lưu bán điều khiển.

2.1.2 Giới thiệu sơ đồ hệ thống chỉnh lưu – động cơ một chiều

Hình 2 1 Sơ đồ hệ thống chỉnh lưu – động cơ một chiều

Trong quá trình làm việc, nếu vì một nguyên nhân nào đó làm cho tốc độ độngcơ giảm thì qua biểu thức : UĐK = Uđ - n.

khi n giảm UĐK tăng  giảm Ud tăng  n tăng về điểm làm việc yêu cầu Khi ntăng quá mức cho phép thì quá trình diễn ra ngược lại Đây là nguyên lý ổn định tốcđộ.

* Đặc tính cơ của hệ thống truyền động:

Chế độ dòng điện liên tục:

Dòng điện chỉnh lưu Id chính là dòng phần ứng.Dựa vào sơ đồ thay viết được sơ đồ đặc tính.



 

)( 

Các đặc tính cơ của hệ T - Đ mềm hơn các đặc tính cơ của hệ F - Đ bởi thànhphần sụt áp Ukdo hiện tượng chuyển mạch giữa các van bán dẫn gây nên.

Hình 2 2 Họ đặc tính cơ của hệ

+ Khi 0 2

 

: Bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu, động cơ có thể làmviệc ở chế độ động cơ nếu sđđ E > 0 và ở chế độ hãm ngược nếu sđđ E đổi chiều.

+ Khi 2  max

: Bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc,biến cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều cùng tần số lưới và trả về lưới điện.Động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh khi tải có tính thế năng.

Dòng điện trung bình của mạch phần ứng:



Phương trình đặc tính:

do.cos 

- Chế độ dòng điện gián đoạn:

Trong thực tế tính toán hệ T - Đ chỉ cần xác định biên giới vùng dòng điện gián đoạn,là đường phân cách giữa vùng dòng điện liên tục và dòng điện gián đoạn Trạng tháibiên liên tục là trạng thái mà góc dẫn  = 2 /p và góc chuyển mạch  0.

Đường biên liên tục gần là đường elip.

Để giảm độ lớn của trục nhỏ elip, tăng số pha của chỉnh lưu Tuy nhiên khităng số pha chỉnh lưu sơ đồ sẽ phức tạp.

Đánh giá chất lượng của hệ thống

+ Trong thành phần của hệ biến đổi có MBA nên hệ số cos thấp

+ Do vai trò chỉ dẫn dòng một chiều nên việc chuyển đổi chế độ làm việckhó khăn với các hệ thống đảo chiều.

+ Do có vùng làm việc gián đoạn của đặc tính nên không phù hợp truyềnđộng có tải nhỏ.

2.2 Mô hình hóa bộ chỉnh lưu ( cầu 3 pha)

Hình 2 3 Mô hình hóa bộ chỉnh lưu

f m

Vậy hàm truyền của bộ chỉnh lưu là:46,1( )

Us Ts

2.3 Mô hình hóa động cơ một chiều kích từ độc lập

Mạch điện thay thế của động cơ một chiều như hình 2.3:

Hình 2 4 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều

Hệ thống mô tả động cơ ĐC thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầuvào (tín hiệu điều khiển) thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ Uk, tín hiệu rathường là tốc độ góc của động cơ ω, mômen quay M, dòng điện phần ứng I hoặc vị trícủa rotor ϕ Mômen tải MC là mômen do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ,mômen tải MC là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền động điện tự động.

Mô hình toán ở chế độ quá độ của động cơ một chiều kích từ độc lập

Hệ phương trình được viết cho động cơ dưới dạng toán tử Laplace:

Mạch kích từ có hai biến là dòng điện kích từ Ik và từ thông Φ phụ thuộc phi tuyến bởiđường cong từ hoá của lõi sắt:

Mạch kích từ có hai biến là dòng điện kích từ Ik và từ thông Φ phụ thuộc phi tuyến bởiđường cong từ hoá của lõi sắt:

UKT(s) = RKT.IKT + NKT.s(s) (2.11)Trong đó: Nk là số vòng dây cuộn kích từ.

Với mạch phần ứng:

Uu(s) = Ru.Iu(s) + Lu.s.Iu(s) + E(s) (2.12)Uu(s) = Ru.Iu(s) + Lu.s.Iu(s) + E(s)

Lư là điện cảm mạch phần ứng.

Iư( p )=1/ Rư

1+Tưp[U ( p)∓ NNp ( p)−E ( p)]

J là mômen quán tính c ủa các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ.

Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều:

Hình 2 5 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều

Ta thấy rằng sơ đồ này là phi tuyến mạch Như vậy ta có thể tuyến tính hóa lân cậnđiểm làm việc và các phương trình tuyến tính hóa được viết như sau:

K.I0 ∆(s) + K.0 ∆I(s) - ∆M0(s) = Js.∆ω(s)

Từ hệ phương trình trên ta xác định được sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa như sau:

Hình 2 6 Sơ đồ cấu trúc mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Nhìn vào sơ đồ ta thấy rằng để điều chỉnh tốc độ ω ta có thể thực hiện theo 2 cách:o Giữ nguyên điện áp mạch kích từ Ub và điều chỉnh điện áp mạch phần ứng Ua.o Giữ nguyên điện áp mạch phần ứng và điều chỉnh điện áp Ub: điều chỉnh từ

Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi

Khi xét tới động cơ một chiều kích từ độc lập và không điều khiển từ thông thì có thểxem từ thông là một hằng số Khi đó, ta không còn mạch kích từ mà chỉ còn phươngtrình cân bằng mạch phần ứng Vì vậy, ta có thể bỏ các chỉ số để chỉ mạch kích từ vàmạch phần ứng Trong trường hợp này mô hình toán của động cơ chỉ có hai phươngtrình là phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng và chuyển động cơ học:

Phương trình cân bằng mạch phần ứng: ( ) ( ).(1 ) ( )

U s R I s T s E s (2.15)Với

 E s( )K  ( )s

,