Dự Án liên môn hệ thống Điều khiển và truyền Động Điện

MỤC LỤCCHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN YÊU CẦU CỦA TẢI VÀTÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG LỰC1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ, các yêu cầu của tải 1.2 Phân tích yêu cầu công nghệ dựa t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn: TS NGUYỄN KHÁNH QUANG

Sinh viên thực hiện: ĐINH MẠNH HIẾU

ĐẶNG THANH PHI NGUYỄN TẤN PHƯỚC NINH ĐỨC VƯỢNG

ĐỖ TRƯỜNG PHÚC NGUYỄN LONG TUYỀN

Nhóm HP / Lớp: 22.28B

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

MỤC LỤCCHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN YÊU CẦU CỦA TẢI VÀTÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG LỰC

1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ, các yêu cầu của tải

1.2 Phân tích yêu cầu công nghệ dựa trên đồ thị tốc độ mong muốn của động

cơ

1.3 Tính chọn động cơ

1.3.1 Theo phương trình động lực học của truyền động điện

1.3.2 Từ đồ thị tốc độ mong muốn của tải ta có momen sơ bộ của động cơ1.4 Trạng thái làm việc của động cơ

1.4.1 Momen đẳng trị

1.4.2 Công suất đẳng trị

1.5 Chọn động cơ

1.6 Sơ đồ cụ thể của hệ thống truyền động

1.7 Lựa chọn phương án truyền động

1.8 Kiểm nghiệm lại động cơ bằng phần mềm Matlab

2.3 Thiết kế bộ biến tần cho tải 3 pha xoay chiều

2.3.1 Thiết kế mạch chỉnh lưu không điều khiển

2.3.2 Thiết kế mạch nghịch lưu có điều chỉnh bằng bộ phát xung PWM

2.3.3 Thiết kế bộ biến tần

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ MẠCH TOÀN HỆ THỐNG

3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống truyền động điện

3.1.1 Sơ đồ điều khiển SPWM điều khiển theo phương pháp U/f3.1.2 Phương pháp điều khiển U/f

3.2 Tính toán điều khiển cho động cơ

3.3 Phân tích nguyên lý hoạt động của hệ thống

3.4 Thiết bị sử dụng cho toàn hệ thống

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

4.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống truyền động điện

DANH MỤC HÌNH ẢNHHình 1: Sơ đồ công nghệ

Hình 2: Sơ đồ tổng thể của hệ truyền động

Hình 3: Đồ thị tốc độ mong muốn của tải

Hình 4: Đồ thị của momen theo thời gian

Hình 5: Đồ thị công suất sơ bộ của động cơ

Hình 6: Đồ thị trạng thái làm việc của động cơ

Hình 7: Động cơ SM3L-061ABBDV

Hình 8: Hộp số 60ZDWE10-145014

Hình 9:

Hình 10: Đồ thị kiểm nghiệm công suất của động cơ

Hình 11: Đồ thị kiểm nghiệm tốc độ mong muốn của tải

Hình 12:

Hình 13: Sơ đồ mô phỏng động cơ

Hình 14: Đồ thị kết quả điện áp

Hình 15: Đồ thị kết quả tốc độ và momen của động cơ

Hình 16: Đồ thị kết quả tốc độ và momen của động cơ khi động cơ đảo chiềuHình 17: Sơ đồ nguyên lí bộ biến tần gián tiếp

Hình 18: Dạng sóng qua từng giai đoạn của bộ biến tần

Hình 24: Aptomat 3RV2011-1GA10 SIEMENS

Hình 25: Mạch chỉnh lưu 3 pha không điều khiển

Hình 26: Kết quả đồ thị điện áp nguồn AC đầu vào

Hình 27: Kết quả đồ thị dòng điện AC

Hình 28: Kết quả đồ thị điện áp DC đầu ra khi có tải là R=

Hình 29: Kết quả đồ thị dòng điện DC đầu ra khi có tải là R=

Hình 30: Sơ đồ mạch nghịch lưu điều chỉnh bằng bộ phát xung PWMHình 31: Sơ đồ mô phỏng mạch phát xung

Hình 32: Mạch so sanh OA

Hình 33: Cổng logic not

Hình 34: Nguyên lý của phương pháp điều chế độ sung

Hình 35: Sơ đồ điện áp tại các pha

Hình 36: Sơ đồ kết nối các khóa trong bộ nghịch lưu

Hình 37: Đồ thị mô phỏng song sin so sánh với song mang

Hình 38: Sơ đồ mạch

Hình 39: Mạch tạo xung dùng mạch op-amp so sánh

Hình 40: Kết quả đồ thị cảu điện áp sau khi qua bộ nghịch lưu

Hình 41: Kết quả đồ thị của dòng điện sau khi qua bộ nghịch lưu

Hình 51: Đồ thị điện áp sau khi nghịch lưu

Hình 52: Sơ đồ hệ thống được mô hình hóa bằng Simscape MultibodyHình 53: Tốc độ mong muốn của tải sau khi được mô phỏng

DANH MỤC BẢNGBảng 1: Tốc độ quay của động cơ theo thời

Bảng 2: Momen điện từ sơ bộ của động cơ theo thời gianBảng 3: Công suất sơ bộ của động cơ theo thời gia

Bảng 4: Momen điện từ của động cơ theo thời gian

Bảng 5: Công suất của động cơ theo thời gian

Bảng 6: Thiết bị sử dụng cho toàn hệ thống

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN YÊU CẦU CỦA

TẢI VÀ TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ, các yếu cầu của tải

a Giới thiệu về hệ thống

Hệ truyền động điện là một tổ hợp các thiết bị điện, điện tử, v.v phục vụcho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công táctrên các máy sản xuất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiểnquá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ

Nội dung của đồ án này là trình bày những kiến thức cơ bản về truyềnđộng điện Bao gồm phân tích cá đặc tính của hệ thống truyền động cho hệthống tải tịnh tiến Tính toán và thiết kế sơ đồ điều khiển hệ thống truyền độngvới động cơ điện

Thiết kệ hệ thống truyền động điện cho động cơ xoay chiều bap ha đồng

bộ có các thông số kỹ thuật sau:

+ Nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V/380V

+ Tải của hệ thống truyền động điện được cho như sơ đồ sau: R= 0,12 m;

M = 6 Kg

b Sơ đồ công nghệ:

Hình 1: Sơ đồ công nghệ

1.2 Phân tích yêu cầu công nghệ dựa trên đồ thị mong muốn của động cơ:

- Sử dụng động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ điều khiển tốc độ của tải theo

yêu cầu như hình 2

- Nguồn điện sử dụng: 220V/380V

- Hệ thống hoạt động ổn định

- Sai số nằm trong khoảng cho phép

- Điều khiển động cơ dễ dàng

a Sơ đồ tổng thể của hệ thống truyền điện:

- Vì chuyển độn của khố vật M thay đổi, tốc độ quay của động cơ phải thay

đổi, ở đây ra thay đổi tốc độ của động cơ bằng cách thay ddooir tần số nên ta

sử dụng biến tần Với nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V/380V dã cho ta thiết

kế những hệ thống gồm có:

+ Bộ biến tần: Biến đổi từ nguồn xoay chiều 3 pha cố định đã cho sang

nguồn điện cấp cho động cơ với điện áp và tần số thay đổi để tốc độ động cơ

đạt theo tốc độ mong muốn

b Đồ thị mong muốn của phụ tải:

Hình 3: Đồ thị mong muốn của phụ tải

Ta có:

u=ω r ⇒ ω= u

r

- Để đạt được yêu cầu cho khối M chuyển động với tốc độ u mong muốn thì tốc độ

quay ω m của rôt động cơ phải bằng bao nhiều, để cho động cơ quay thì phải cầnmomen để động cơ quay là bao nhiêu và công suất động cơ sinh ra là bao nhiêu.Thì ta phải tính toán và phân tích chọn động cơ cho phù hợp với yêu cầu bài toán

0 1 2 3 4 5 6 7 8

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

ĐỒ THỊ TỐC ĐỘ QUAY CẦN ĐÁP ỨNG

Hình 3: Đồ thị tốc độ mong muốn của tải

- Dựa vào đồ thị, ta có thể xác định qua trình diễn ra trong 6 giao đoạn

+ Giai đoạn 1: Động cơ từ ω m=0 rad /sđến ω m=41,67 rad /s trong vòng 1 giây

+ Giai đoạn 2: Động cơ giữ nguyên tốc độ ω m=41,67 rad /s trong vòng 2 giây

+ Giai đoạn 3: Động cơ giảm ngay lập tức về ω m=0 rad /s, có thể xét trong vòng 0.5 giây +Giai đoạn 4: Động cơ đảo chiều từ ω m=0 rad /s đến ω m=−41,67 rad/s, trong vòng 0.5 giây+ Giai đoạn 5: Động cơ giữ nguyên tốc độ ω m=−41,67 rad /s trong vòng 2 giây

+ Giai đoạn 6: Động cơ giảm tốc độ từ ω m=−41,67 rad/s đến ω m=0 rad /s trong vòng 1 giây

Nhận xét: Động cơ khởi động tăng tốc lên → chạy với tốc độ ổn định → hãm dừng, giảm

tốc độ về 0 → đảo chiều tăng tốc kên chiều ngược lại → chạy với tốc độ ổn định → giảm tốc độ về 0

1.3.2 Từ đồ thị tốc độ mong muốn của tải ta có momen sơ bộ của động cơ:

 Công thức tính công suất của động cơ như sau

ĐỒ THỊ CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CẦN ĐÁP ỨNG

Hình 5: Đồ thị công suất sơ bộ của động cơ

1.4 Trạng thái làm việc của động cơ

- Để điều khiển hoạt động biến tần với mục đích điều chỉnh được giá trị điện áp và dòng điện về biên độ và tần số, tối thiểu hóa tổng các thành phần sóng hài ta có 2 phương pháp điều chế:

+ Điều chế độ rộng xung (SPWM)

+ Điều chế vector không gian (SVPWM)

- Về kỹ thuật điều chế vecto không gian (SVPWM) cho thấy kỹ thuật điều chế vecto không gian được sử dụng hiệu quả và độ méo do sóng hài ít hơn so với điều chế độ rộngxung (SPWM)

Kết luận: Ta chọn phương pháp điều khiển tựa từ thông roto (FOC) và thuật toán điều chế rộng xung (SPWM) làm phương án truyền động của hệ.

Hình 6: Đồ thị trạng thái làm việc của động cơ

- Từ đồ thị momen điện từ và công suất của động cơ cần đáp ứng ta tính được:

- Chọn Mđm ≥ 1,3 Mđt =4,329 (N.m)

1.5 Chọn động cơ

Dựa vào công suất định mức và momen định mức trên, chọn động cơ SM3L-061ABBDC

của hãng MOONS’ có các thông số:

Gearbox giảm tốc với hệ sốratio n=4,3290, 64 = ¿6,73, ta chọn hệ số ratio: n = 10

- Từ tỉ số truyền n = 10 ta chọn được Gearbox giảm tốc 60ZDWE10-145014 có:

1.6 Kiểm nghiệm lại động cơ đã chọn

 Kiểm nghiệm lại momen trên trục động cơ

Hình 9: Đồ thị kiểm nghiệm momen điện từ của động cơ

 Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy rằng động cơ quá tải ở khoảng thời gian t = 3s – 4s, tuy

nhiên do thời gian quá tải nhỏ nên sẻ không ảnh hưởng đến động cơ

Ta có: T dm = 6,4 > T dt= 3,33 => momen đầu trục động cơ là thỏa mãn

 Kiểm nghiệm lại công suất trên trục động cơ

- Công thức tính công suất của động cơ như sau

P=T em ω

Lúc này ta lai có:

Tại t = 0s: P0 =T em1 ω M=3 , 601.0=0(W )

P đt=138,92(W )

Hình 10: Đồ thị kiểm nghiệm công suất của động cơ

 Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy P dm = 200 > P dt= 138,92 và trong khoảng thời gian nhỏtrọng đoạn t = 3s – 4s động cơ bị quá tải tuy nhiên khoảng thời gian quá tải đó rất nhỏnên không ảnh hưởng đến hoạt động làm việc của động cơ và động cơ vẫn đáp ứngđược công suất Từ các kiểm nghiệm trên, ta thấy động cơ và hộp số đã chọn thỏa mãnđược các yêu cầu của bài toán

Hình 1: Đồ thị kiểm nghiệm tốc độ mong muốn của tải

 Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy tốc độ của động cơ sau khi qua hộp số xấp xỉ với tốc độ

cực đại của tải nên động cơ và hộp số đã chọn phù hợp với yêu cầu của tải

Sơ đồ cụ thể của hệ thống truyền động

- Sơ đồ cụ thể gồm:

 Nguồn điện cung cấp là nguồn xoay chiều 3 pha 220/380V

 Động cơ đồng bộ xoay chiều 3 pha (IM)

 Bộ biến tần:

+ Bộ chỉnh lưu: chuyển đổi điện xoay chiều thành một chiều

+ Mạch lọc: làm phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu

+ Bộ nghịch lưu: có chức năng biến đổi điện áp một chiều thành thành xoay chiều với tần số và điện áp thay được bằng các van bán dẫn

Hình 2: Sơ đồ cụ thể của hệ truyền động

Lựa chọn phương án truyền động

- Bộ biến đổi phải điều chỉnh được điện áp để động cơ chạy với đồ thị tải mong muốn

- Phương trính đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ:

- R1 là điện trở tác dụng của cuộn dây stato (Ω).)

- R2’ là điện trở tác dụng mạch roto quy đổi về stato (Ω).)

- Xmn là điện kháng ngắn mạch (Ω).)

Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ bằng cácphương pháp sau:

- Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch Rotor

- Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực

- điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn xoay chiều

- Trong đồ án này lựa chọn phương án điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần

số nguồn xoay chiều

+ Ưu điểm: Thích hợp với mọi loại tải, phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc

độ một cách liên tục trong phạm vi rộng

+ Nhược điểm: Giá thành cao

➔ Ta sử dụng biến tần gián tiếp để thay đổi tần số của nguồn xoay chiều 3 pha

Kiểm nghiệm lại động cơ bằng phần mềm Matlap

Hình 3: Sơ đồ mô phỏng động cơ

- Thông số trong sơ đồ mô phỏng

Ta có : - 3 nguồn đầu vào 3 pha: + Ua = 220√ 2sinωt (V)

 Khi điện áp đầu vào có biên độ U =220√2 V

Hình 14: Đồ thị kết quả điện áp

 Nhận xét: Dạng sóng sin ở đồ thị có biên độ đã phù hợp với điện áp đầu vào

 Kết quả mô phỏng tốc độ, dòng điện stator và momen của động cơ

 Tốc độ và momen của động cơ khi điện áp đầu vào có biên độ U =220√2 V

Hình 15: Đồ thị kết quả tốc độ và momen của động cơ

 Nhận xét: - Ban đầu động cơ mới khởi động momen và tốc độ xảy ra quá trình quá

độ:

+ Tốc độ tăng lên do một số dao động lúc cấp nguồn trực tiếp, sau một khoảng thời giankhoảng 0,05s thì tốc độ dần đi vào ổn định, sau thời điểm 0,2s (thời điểm đóng tải) tốc

độ động cơ giảm xuống do M <M c ⇒ dω

dt <0 (hệ giảm tốc), sau thời điểm 0,25s tốc độ động

cơ tăng lên do M >M c ⇒ dω

dt >0 (hệ tăngtốc), từ thời điểm 0,3s trở đi tốc độ động cơ chạy ổnđịnh do M=M c ⇒ dω

dt =0(hệ ổn định)

+ Sau thời điểm 0,2s (thời điểm đóng tải), momen và dòng điện tăng vì dòng điện tỉ lệvới momen do M >M c (hệ tăng tốc), bắt đầu từ thời điểm 0,25s hệ bắt dầu chạy ổn định

M=M c

 Kết quả mô phỏng tốc độ và momen của động cơ khi đảo chiều

- Ta thực hiện đảo pha a và pha c với nhau để đảo chiều được động cơ

Hình 16: Đồ thị kết quả tốc độ và momen của động cơ khi động cơ đảo chiều

 Nhận xét: - Ban đầu động cơ mới khởi động momen và tốc độ xảy ra quá trình quá

độ:

+ Tốc độ đảo chiều tăng lên do một số dao động lúc cấp nguồn trực tiếp, sau mộtkhoảng thời gian khoảng 0,05s thì tốc độ dần đi vào ổn định, sau thời điểm 0,2s (thờiđiểm đóng tải) tốc độ động cơ giảm xuống do M <M c ⇒ dω

dt <0 (hệ giảm tốc), sau thời điểm0,25s tốc độ động cơ tăng lên và ổn định do M >M c ⇒ dω

dt >0 (hệ tăng tốc)+ Sau thời điểm 0,2s (thời điểm đóng tải), momen và dòng điện tăng vì dòng điện tỉ lệvới momen do M >M c (hệ tăng tốc), bắt đầu từ thời điểm 0,25s hệ bắt dầu chạy ổn định

M=M c

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

2.1 Chọn mạch công suất

Để đáp ứng các trạng thái làm việc của động cơ đã chọn ở Chương 1 ta chọn

bộ biến tần gián tiếp để điều khiển động cơ làm việc

Hình: Sơ đồ nguyên lí bộ biến tần gián tiếp

 Nguyên lý hoạt động của bộ biến tần:

- Nguồn điện xoay chiều 3 pha được cấp cho bộ biến tần sẽ được biến đổi thànhđiện áp một chiều sau khi đi qua mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển sửdụng diode

- Điện áp một chiều lúc này vẫn còn nhấp nhô nên sẽ dùng mạch lọc LC để lọctất cả các thành phần xoay chiều và đưa ra thành phần một chiều bằng phẳnghơn

- Điện áp một chiều sau khi qua bộ lọc sẽ bằng phẳng hơn và được đưa quamạch nghịch lưu cầu 3 pha sử dụng IGBT để biến đổi thành điện áp xoay chiều

3 pha đối xứng có thể thay đổi được giá trị biên độ và tần số tùy vào chế độ điềukhiển

- IGBT là một loại transitor lưỡng cực có cổng cách ly được điều khiển bằngphương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

Hình: Dạng sóng qua từng giai đoạn của bộ biến tần

Ta chọn bộ biến tần để điều khiển động cơ vì nó mang lại những lợi ích:

- Biến tần có thể thay đổi biên độ và tần số điện áp đầu vào nên từ đó có thểthay đổi được tốc độ và đảo chiều cho động cơ để đáp ứng cho các trạng tháilàm việc

- Giảm dòng điện khởi động của động cơ so với việc khởi động trực tiếp và khởiđộng đổi nối sao - tam giác

- Giảm tốc độ khi khởi động của động cơ giúp cho động cơ tránh được việc phảimang tải lớn khi khởi động Từ đó giúp động cơ giảm được hư hỏng các phần

cơ khí và tăng tuổi thọ làm việc cho động cơ

- Giảm tốc độ động cơ khi khởi động giúp tiết kiệm chi phí và năng lượng dùngcho việc khởi động

- Có thể tránh được sụt áp quá lớn trên hệ thống điện khi hoạt động cùng vớinhững thiết bị điện khác, từ đó giảm tổn thất điện năng và bảo vệ an toàn cho hệthống điện

- Có thể giám sát và điều khiển an toàn cho động cơ nhờ những công nghệ tíchhợp với bộ biến tần

2.2 Tính toán và chọn linh kiện

U lv=K nv U d

K u=

π

3.220=230,38 V

- Dòng điện định mức của động cơ: I đm=1,5 A

Dòng điện làm việc của van

Từ các thông số trên ta chọn 6 diode loại SKN20/04 cho mạch chỉnh lưu cầu 3 pha

+ Dòng điện chỉnh cực đại: Imax = 20 A

+ Điện áp ngược cực đại của diode : Un = 400 V

2.2.1.2 Bộ nghịch lưu:

- Vì điện áp ra sau nghịch lưu thay đổi theo như giá trị mong muốn do vậy hệthống này ta sử dụng bộ nghịch lưu điều khiển hoàn toàn với van đóng cắt đượcchọn là IGBT vì nó là sợ kết hợp giữa khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET

- Điện áp ra sau bộ chỉnh lưu là điện áp vào bộ nghịch lưu:

Hình: Datasheet IGBT loại BSM10GD120DN2

2.3 Thiết kế bộ biến tần cho tải 3 pha xoay chiều

- Bộ biến tần gồm 2 mạch chỉnh lưu và nghịch lưu tạo nên

2.3.1 Thiết kế mạch chỉnh lưu không điều khiển

Hình 25: Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển

- Mô tả mạch: mạch chỉnh lưu 3 pha không điều khiển dùng 6 diode để điềuchỉnh nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều với tải là 1 điện trở có giá trị R=2