Đề tài “Thiết kế hệ thống truyềnđộng điện truyền động cho bẳng tải” không chỉ được thực hiện với mục đích nghiêncứu các nguyên lý hoạt động và cấu tạo của hệ thống, mà còn hướng đến việc
TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Đặt vấn đề
Trong ngành công nghiệp hiện đại, truyền động đóng vai trò quan trọng, đặc biệt liên quan đến thiết bị cơ khí và tự động hóa Những thiết bị này không chỉ là bộ phận kỹ thuật chuyển động mà còn góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu sự cố trong quá trình vận hành.
Thiết bị truyền động điện chuyển đổi điện năng thành năng lượng cơ học, phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau tùy theo mục đích sử dụng Người dùng có thể kiểm soát hoàn toàn quá trình vận hành của hệ thống, giúp duy trì hiệu suất ngay cả khi mất điện, từ đó đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm.
Việc thiết kế một hệ thống truyền động điện hoàn chỉnh rất quan trọng và thực tiễn cho sinh viên ngành tự động hóa, giúp họ áp dụng kiến thức vào công việc tương lai.
Các mô hình ứng dụng hiện nay
Truyền động điện có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp đến gia đình và giao thông
Máy móc công nghiệp hoạt động dựa vào động cơ điện và hệ thống truyền động, giúp vận hành các thiết bị sản xuất như máy cắt, máy hàn, máy gia công kim loại, và máy ép.
Bơm và quạt là thiết bị quan trọng trong hệ thống cung cấp nước, làm mát và thông gió, được vận hành bởi động cơ điện.
Cảm biến và thiết bị điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc tự động hóa quy trình sản xuất và kiểm soát hệ thống, thường được kết hợp với truyền động điện để nâng cao hiệu quả hoạt động.
Xe ô tô và xe động cơ: Động cơ điện được sử dụng trong các xe điện và xe hybrid để cung cấp chuyển động.
Hệ thống đường sắt và đường cao tốc sử dụng truyền động điện để cung cấp sức mạnh và kiểm soát tốc độ cho tàu điện và xe lửa.
Các thiết bị gia dụng như máy giặt, tủ lạnh, máy rửa chén và máy là hoạt động dựa trên động cơ điện và hệ thống truyền động, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong cuộc sống hàng ngày.
Thiết bị điều khiển thông minh sử dụng truyền động điện, thường được tích hợp trong các sản phẩm như robot hút bụi, hệ thống an ninh và thiết bị điều khiển từ xa.
1.2.4 Năng lượng tái tạo Điện gió và điện mặt trời: Truyền động điện được sử dụng để chuyển động cơ của các máy phát điện từ năng lượng gió và năng lượng mặt trời thành điện năng.
1.2.5 Thương mại và Dịch vụ
Thang máy và cầu thang cuốn sử dụng động cơ điện và hệ thống truyền động để hoạt động hiệu quả trong các tòa nhà thương mại và cao tầng.
Hệ thống tự động hóa trong nhà máy và tòa nhà sử dụng truyền động điện để tối ưu hóa quy trình và kiểm soát hiệu quả các hệ thống Việc áp dụng công nghệ này không chỉ nâng cao năng suất mà còn giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu chi phí vận hành.
Lựa chọn và phân tích yêu cầu đối tượng nghiên cứu
Dự án này tập trung vào việc thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ cho hệ thống truyền động sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha KĐB, phục vụ cho băng tải trong ứng dụng chuyển động tịnh tiến.
Hình 1.1 Băng tải mô phỏng trên SolidWorks
Hệ truyền động cần được thiết kế để điều khiển băng tải, giúp vật có khối lượng 12kg chuyển động tịnh tiến với tốc độ 2m/s Các thông số ban đầu được quy định là bán kính r = 0.02 m.
Hình 1.2 Tải chuyển động tịnh tiến
Trong đó: J m : Momen quán tính của động cơ
M: Khối lượng của tải r: Bán kính băng tải ω m : Tốc độ quay của động cơ
T em : Momen điện từ của động cơ u: Tốc độ của tải f L : Thành phần ngoại lực
Để đáp ứng yêu cầu tải băng tải, trục rotor của động cơ cần quay với tốc độ mong muốn nhằm truyền động hiệu quả cho băng tải.
Hình 1.3 Đồ thị tốc độ mong muốn
Từ đồ thị tốc độ mong muốn của tải được mô tả ở Hình 1.3 ta xác định được các giai đoạn hoạt động của động cơ như sau:
- Khởi động, tăng tốc lên tốc độ mong muốn
- Hoạt động ổn định ở tốc độ mong muốn
- Hãm dừng, giảm tốc độ về 0
- Đảo chiều và tăng tốc lên theo chiều ngược lại
- Hoạt động ổn định ở tốc độ mong muốn
- Hãm dừng, giảm tốc độ về 0
Yêu cầu tổng quan hệ thống
Hình 1.4 Tổng quan hệ thống
Từ yêu cầu bài toán, ta xây dựng sơ đồ khối cấu trúc hệ thống gồm 3 khối chính:
- Khối nguồn điện: Có nhiệm vụ cung cấp điện áp phù hợp cho hệ thống bằng cách sử dụng nguồn trực tiếp từ lưới điện 220V.
- Khối biến đổi công suất, gồm các thành phần:
+ Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều AC thành một chiều DC.
+ Mạch lọc có nhiệm phụ làm phẳng dòng, phẳng áp theo yêu cầu đầu vào của nghịch lưu.
Bộ nghịch lưu chuyển đổi điện áp một chiều DC thành điện áp xoay chiều AC, phù hợp với từng góc mở α, để điều khiển động cơ thông qua khối phát xung.
- Khối tải: theo yêu cầu bài toán là băng tải truyền động tịnh tiến vật M.
Phân tích yêu cầu truyền động của động cơ
1.5.1 Tốc độ mong muốn của tải
Công thức liên hệ giữa tốc độ mong muốn của tải và tốc độ của động cơ cần phải đáp ứng: ω m = u r
Dựa vào công thức đã nêu, chúng ta liên hệ với đồ thị tốc độ mong muốn của tải hình 1.2 Khi chọn r = 0.02(m), ta có thể lập bảng tốc độ quay của động cơ cần đáp ứng.
Bảng 1.1 Tốc độ quay của động cơ
- Quá trình động cơ chạy thuận:
Từ 0 → 1s tốc độ của động cơ tăng từ ω m = 0 (rad/s) đến ω m = 100 (rad/s)
Từ 1 → 3s tốc độ của động cơ hoạt động ổn định với ω m = 100 (rad/s)
Từ 3 → 3.5s tốc độ của động cơ giảm về ω m = 0 (rad/s)
- Quá trình động cơ chạy nghịch:
Từ 3.5s → 4s động cơ đảo chiều tăng dần lên với ω m = 100 (rad/s).
Từ 4 → 6s động cơ hoạt động ổn định với ω m = 100 (rad/s)
Từ 6 → 7s tốc độ quay của động cơ giảm dần với ω m 0 (rad/s)
Kết thúc một chu kì của động cơ.
1.5.2 Tính toán momen xoắn của động cơ Để khối vật M chuyển động thì cần phải có lực mà lực được tạo ra bởi băng tải Theo định luật 2 Newton ta có 𝑓 = 𝑀 du dt 𝑑𝑡 +𝑓𝐿, với 𝑢 = 𝑟 ω m , ta tính được Momen tải theo công thức:
Momen yêu cầu để quay động cơ được ký hiệu là J m ¿), nhưng do chưa chọn động cơ, giá trị này tạm thời bị bỏ qua Sau khi lựa chọn động cơ, chúng ta sẽ kiểm nghiệm lại Đồng thời, thành phần ngoại lực 𝑓𝐿 = 0 cũng bị loại trừ Trong trường hợp này, Momen xoắn của động cơ được coi là bằng Momen tải.
Từ những công thức ở trên ta thành lập được bảng Momen điện từ của động cơ với r = 0,02 (m) và M = 12 (kg).
Giai đoạn Phương trình ω m (rad/s) Momen T em (N.m)
Bảng 1.2 Moment điện từ của động cơ
Hình 1.5 Đồ thị Momen điện từ của động cơ
Từ đây ta tính được momen đẳng trị của động cơ
1.5.3 Tính toán công suất của động cơ
Ta có biểu thức liên hệ giữa công suất động cơ với Momen điện từ và tốc độ quay của động cơ:
P là công suất của động cơ
T em là Momen điện từ của động cơ ω m là tốc độ quay của động cơ
Giai đoạn Phương trình ω m (rad/s) Momen T em (N.m) P = T em ω m
Ta có bảng giá trị mối liên hệ giữa các đại lượng:
Bảng 1.3 Mối liên hệ giữa tốc độ, moment và công suât động cơ
Hình 1.6 Đồ thị công suất động cơ
Từ đồ thị tốc độ, momen và công suất của động cơ ta có đồ thị các đường đặc tính theo thời gian:
1.5.4 Lựa chọn phương án truyền động điện
Từ momen và tốc độ đáp ứng của động cơ, ta có trạng thái làm việc của động cơ:
Hình 1.7 Đồ thị trạng thái hoạt động 4 góc phần tư
Dựa vào đồ thị đặc tính cơ trạng thái làm việc của động cơ, ta nhận thấy tốc độ và momen đảo chiều giữa các góc phần tư khác nhau Do đây chỉ là điều khiển mà không có phản hồi, nhóm đã áp dụng phương pháp điều chế SPWM để thay đổi tần số.
Khi thay đổi tần số f1, giá trị ω1 = 2πf1 sẽ thay đổi, từ đó điều chỉnh được tốc độ động cơ Tuy nhiên, việc thay đổi f1 về mức f1đm có thể tác động đến chế độ làm việc của động cơ.
Trong đó: E 1 – sđđ cảm ứng trong cuộn dây stato, ϕ – từ thông móc vòng qua cuộn dây stato, c – hằng số tỉ lệ, f 1 – tần số của dòng điện stato.
Nếu bỏ qua sự sụt áp trên tổng trở cuộn dây stato: U 1 E 1 c ϕ f 1
Khi thay đổi tần số f1 trong hệ thống điện, nếu giữ điện áp stato U1 không đổi, thì điện áp ϕ sẽ thay đổi tương ứng Do đó, để điều chỉnh tốc độ, người ta thường kết hợp việc thay đổi tần số f1 với việc điều chỉnh điện áp stato U1.
Với phụ tải M c =const nên ta có tỉ số điều chỉnh tần số và điện áp như sau:
Phân tích quá trình thay đổi của điểm làm việc:
Từ 0s → 1s Khi tăng tần số f 1 và U 1đồng thời, các thông số sau sẽ thay đổi: ω 1 = 2 πf 1 p tăng ; S th = R ' 2
U 1 / f 1= U 1dm/ f 1 dm 0/50 Điểm làm việc thay đổi từ A -> A’ rồi làm việc ổn định tại điểm B
Từ 1 s → 3s làm việc ổn định tại điểm B với điện áp và tần số định mức.
Từ 3s → 3.5s Sau khi thay đổi tần số và điện áp giảm dần về 0 Lúc này các thông số thay đổi: ω 1 = 2 πf 1 p giảm; S th = R ' 2
Từ 3.5s → 4s Bắt đầu quá trình đảo chiều đảo 2 trong 3 pha tần số và điện áp bắt đầu tăng lên với giá trị bằng giá trị định mức: ω 1 = 2 πf 1 p tăng ; S th = R ' 2
Từ 4s → 6s giữ nguyên U và f định mức (làm việc ổn định tại D)
Từ 6s → 7s giảm dần điện áp và tần số về 0 lúc này có các phương trình ω 1 = 2 πf 1 p giảm; S th = R ' 2
2 ω 1 ¿¿ không đổi Điểm làm việc từ D trở về E rồi về A.
1.5.5 Tính chọn công suất động cơ
Từ các thông số công suất và momen đặc trị, hệ số dự trữ ta tính ra các công suất và momen tối thiểu để chọn lựa động cơ:
Chọn hệ số dự trữ k dt = 1.2
Từ đó chọn được động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ như sau:
Hình 1.8 Động cơ 3 pha KĐB TS4506N9922E200
+ Tên loại động cơ: TS4506N9922E200
+ Công suất định mức: 0.1 kW
+ Tốc độ định mức: 3000 (rpm)
Tốc độ quay lớn nhất của động cơ đạt 100 rad/s (954 rpm), trong khi tốc độ định mức là 3000 rpm Momen điện từ mong muốn của động cơ là 0.96 N.m, vượt trội so với momen định mức 0.318 N.m Do đó, hộp số được chọn có tỉ số truyền n = 3, nhằm đảm bảo ω' ω đm = T đm.
Như vậy ta cần gắn thêm hộp số có tỉ số truyền 3:1 để đáp ứng tốc độ và momen như mong muốn
Ta chọn WAB series - Helical Gear Planetary Gearbox
Hình 1.9 Helical Gear Planetary Gearbox
Từ đó, ta tính được tốc độ định mức quy đổi và Momen định mức quy đổi của động cơ sử dụng hộp số: ω ' đm = ω đm
Các thông số cần thiết để chọn động cơ và hộp giảm tốc phù hợp cho hệ truyền động được xác định Để đáp ứng yêu cầu kiểm nghiệm ở mục tiếp theo, ta cần xem xét các thông số đầu ra của động cơ sau khi đi qua hộp giảm tốc.
- Công suất định mức P đm = 100 (W)
- Tốc độ định mức n đm = 1000 (rpm)
- Momen định mức T đm = 0.954 (Nm)
- Momen cực đại T max = 2.61 (Nm)
Kiểm nghiệm lại các thông số của động cơ và hộp số
1.6.1 Kiểm nghiệm tốc độ động cơ quy đổi (sau khi qua hộp số)
Hình 1.10 Đồ thị kiểm nghiệm tốc độ động cơ khi qua hộp số
Tốc độ quay định mức sau hộp số là khoảng 1000 vòng/phút (rpm), tương đương với 104,72 rad/s Tốc độ này không chênh lệch nhiều so với tốc độ cực đại mong muốn là 100 rad/s, cho thấy động cơ đã chọn phù hợp với yêu cầu về tốc độ của băng tải.
1.6.2 Kiểm nghiệm momen động cơ quy đổi (sau khi qua hộp số)
Do động cơ có công suất nhỏ, momen quán tính của rotor thường không lớn (T=0.09 10 −4 kg m 2) và không ảnh hưởng đáng kể đến momen của động cơ, vì vậy ta có thể lược bỏ momen quán tính trong tính toán.
T em =r 𝑓 = r 2 M ¿ ) Thay số vào ta lập được bảng:
Giai đoạn Phương trình ω m (rad/s) Momen T em (N.m) P = T em ω m
Momen đẳng trị của động cơ:
Hình 1.11 Đồ thị kiểm nghiệm momen động cơ qua sau khi qua hộp số
Đồ thị cho thấy động cơ bị quá tải trong khoảng thời gian từ 3s đến 4s, nhưng do thời gian này ngắn nên không ảnh hưởng đến tốc độ của động cơ Bên cạnh đó, momen cực đại của động cơ khi qua hộp số là Tmax = 2.61 Nm, lớn hơn 0.96 Nm.
Nm nên động cơ vẫn hoạt động bình thường Từ đây ta có thể kết luận động cơ và hộp số đã chọn đáp ứng yêu cầu về momen
1.6.3 Kiểm nghiệm công suất trên động cơ
Ta có công suất trên động cơ sau khi qua hộp số trong từng giai đoạn được thể hiện ở bảng dưới sau:
Giai đoạn Phương trình ω m (rad/s) Momen T em (N.m) P = T em ω m
Công suất đẳng trị của động cơ:
Hình 1.12 Đồ thị kiểm nghiệm công suất của động cơ
Theo đồ thị, động cơ bị quá tải trong khoảng thời gian từ 3 giây đến 4 giây, nhưng do thời gian này ngắn, nên không ảnh hưởng đến chất lượng hoạt động của động cơ Vì vậy, động cơ vẫn có khả năng đáp ứng công suất yêu cầu Kết luận cho thấy động cơ đã được lựa chọn phù hợp với yêu cầu tải về công suất.
1.6.4 Kiểm nghiệm nguồn cấp cho động cơ
Hình 1.13 Mô phỏng kiểm nghiệm nguồn cấp cho động cơ
Hình 1.14 Đồ thị điện áp 3 pha cấp cho động cơ
Hình 1.15 Đồ thị dòng 3 pha cấp cho động cơ
Kết luận cuối chương
Kết quả kiểm nghiệm cho thấy động cơ 3 pha không đồng bộ TS4506N9922E200 và hộp giảm tốc Helical Gear Planetary Gearbox đáp ứng đầy đủ yêu cầu tải Sau khi hoàn tất kiểm nghiệm, chúng tôi sẽ tiến hành tính toán và thiết kế hệ thống, nội dung này sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo của báo cáo.
TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Tính toán và chọn các linh kiện mạch động lực
2.1.1 Phân tích yêu cầu bộ biến đổi công suất
Sau khi phân tích, ta đưa ra yêu cầu về bộ biến đổi công suất như sau:
+ Hoạt động với điện áp nguồn xoay chiều 1 pha 220V.
+ Đáp ứng đủ tải động cơ
+ Có thể điều khiển động cơ hoạt động ở 4 góc phần tư
+ Có thể điều chỉnh tần số của điện áp cấp cho động cơ để phục vụ cho các nhiệm vụ: khởi động, đảo chiều, hãm.
Từ các yêu cầu trên ta lựa chọn bộ biến đổi công suất là bộ biến tần kết hợp mạch chỉnh lưu, mạch lọc và mạch nghịch lưu
Ta có sơ đồ bộ biến tần như sau:
Hình 2.1 Sơ đồ bộ biến tần 2.1.2 Nguyên lí hoạt động của bộ biến tần
Điện áp xoay chiều 1 pha được chuyển đổi thành điện áp 1 chiều qua bộ chỉnh lưu, sau đó được lọc để loại bỏ sóng hài và làm phẳng điện áp Tiếp theo, điện áp 1 chiều này được biến đổi thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng thông qua mạch nghịch lưu có điều khiển, với tần số 3 pha được điều chỉnh bằng cách kích hoạt các van.
2.1.3 Tính chọn Diode cho mạch chỉnh lưu
Dựa trên yêu cầu về điện áp đầu ra và chất lượng điện áp không cần quá cao, cùng với việc sử dụng nguồn cấp dân dụng xoay chiều một pha, lựa chọn tối ưu là bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển.
Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển sử dụng các diode công suất làm van bán dẫn, với điện áp ngõ vào là 220V xoay chiều 1 pha.
Trị trung bình điện áp sau chỉnh lưu:
U d = 2 √ 2 π U = 2 √ 2 π ×220 = 198 (V) Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode:
U RWM = √ 2 ×U = √ 2 ×220 = 311(V) Dòng điện định mức của động cơ: I đm = 0.9 A
Dòng điện trung bình qua các van:
2 = 0.9 2 = 0.45 (A) Chọn hệ số dự trữ: K u =1.5 và K i = 1.2
Vậy chọn diode 10A10 10A1000V có các thông số cơ bản sau:
D ò n g đ i ệ n q u a v a n c ự c đ ạ Đi ện áp rơ i trê n Di od e
Bảng 2.1 Các thông số cơ bản của diode Hình 2.3 Diode 10A10 10A1000VMô phỏng chỉnh lưu cầu 1 pha
Hình 2.4 mô phỏng mạch chỉnh lưu và Hình 2.5 thể hiện đồ thị điện áp cùng dòng điện qua chỉnh lưu Trong phần 2.1.4, việc tính chọn bộ lọc một chiều được nhấn mạnh Điện áp xoay chiều một pha qua mạch chỉnh lưu cầu diode được chuyển đổi thành điện áp một chiều, nhưng vẫn chứa nhiều sóng hài bậc cao Do đó, việc sử dụng bộ lọc một chiều là cần thiết để cải thiện chất lượng điện áp.
Có 4 loại bộ lọc cơ bản: lọc điện cảm, lọc điện dung, lọc LC, lọc hình π (CLC) a Lọc điện cảm
Thành phần cuộn kháng L được mắc nối tiếp giữa chỉnh lưu và tải cho phép dòng điện 1 chiều đi qua và chặn dòng điện xoay chiều.
Về bản chất vật lý cuộn cảm sinh ra sức điện động phản kháng, hạn chế sự biến thiên của dòng điện xoay chiều
Hình 2.6 Dạng điện áp vào và ra của bộ lọc L
Cảm kháng Xd (Xd = ωL) càng lớn so với điện trở tải Rd thì hiệu quả lọc càng cao Do tải công suất lớn thường có giá trị Rd nhỏ, điều kiện Xd ≪ Rd dễ dàng đạt được, vì vậy loại lọc này trở nên phổ biến trong các mạch công suất lớn Lọc điện dung cũng là một phương pháp quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của mạch điện.
Thành phần tụ điện C được kết nối song song với tải, cho phép dòng xoay chiều đi qua và trở về nối đất, trong khi các thành phần một chiều khác trong tín hiệu sẽ được thu thập tại đầu ra.
Về bản chất vật lý tụ điện nạp xả điện áp làm giảm sự nhấp nhô của điện áp.
Hình 2.7 Dạng điện áp vào và ra của bộ lọc C
Dung kháng X C (X C = 1 ωC) càng nhỏ so với trở tải R d thì khả năng lọc càng tốt Do đó, khi sử dụng tải công suất lớn hoặc điện trở tải nhỏ, việc đạt được điều kiện này trở nên khó khăn Vì vậy, lọc bằng tụ chỉ phù hợp cho tải công suất nhỏ Lọc LC là một giải pháp thay thế hiệu quả trong những trường hợp này.
Bộ lọc này kết hợp giữa lọc điện cảm và điện dung, với thành phần một chiều được đưa ra toàn bộ ở tải, trong khi thành phần xoay chiều được giữ lại qua quá trình lọc.
Hình 2.8 Dạng điện áp vào và ra của bộ lọc LC
* Nhận xét: Nhìn chung chất lượng điện áp đầu ra bộ lọc LC có cải thiện hơn so với bộ lọc L và C. d Lọc hình π (CLC).
Thực chất đây là một bộ lọc gồm hai mắt lọc là bộ lọc C và LC mắc nối tiếp nhau.
Hình 2.9 Dạng điện áp vào và ra của bộ lọc CLC
Hệ số san bằng của nó được tính bằng tích hệ số san bằng của các bộ khác, dẫn đến việc có hệ số san bằng cao (k sb > 50) Tuy nhiên, hệ số này chỉ áp dụng cho dải công suất trung bình và nhỏ.
Trong các bộ lọc trên, bộ lọc LC có các tiêu chí phù hợp với dự án này nhất:
- chất lượng điện áp đầu ra tốt chỉ sau lọc hình π (CLC)
- kích thước vừa phải chỉ có hai linh kiện tụ điện C và cuộn cảm L
Các tham số L và C có quan hệ
Đối với động cơ có công suất nhỏ (100W), việc lựa chọn hệ số san bằng K sb = 10 là hợp lý, nhằm đảm bảo độ đập mạch đầu ra và tối ưu hóa chi phí linh kiện cũng như kích thước mạch.
=> C = 1000 uF và L= 30mH. Điện áp sau chỉnh lưu có U max = 220×√ 2 11V
Nên chọn tụ hóa 1000uF 450V có các thông số cơ bản sau:
Tên Đi ện du ng (u F) Điệ n áp đán h thủn g(V) 1000 uF45 0V
Bảng 2.2 Các thông số cơ bản của tụ
Hình 2.10 Tụ hóa 1000uF450V và cuộn cảm lọc ET24
Chọn cuộn cảm lọc ET24 33mH có thông số như sau:
Bảng 2.3 Các thông số cơ bản của cuộn cảm
Mô phỏng chỉnh lưu qua mạch lọc:
Hình 2.11 Mô phỏng mạch chỉnh lưu qua mạch lọc LC
Hình 2.12 Đồ thị điện áp và dòng điện qua chỉnh lưu lọc LC
2.1.5 Tính chọn IGBT cho mạch nghịch lưu
Hình 2.13 Bộ nghịch lưu cầu 3 pha
Hệ thống sử dụng bộ nghịch lưu điều khiển hoàn toàn với 6 van điều khiển đóng cắt để điều chỉnh điện áp sau nghịch lưu theo giá trị mong muốn Trong trường hợp này, IGBT được chọn vì nó kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thông thường, làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến trong biến tần.
Diode mắc song song ngược với IGBT có vai trò bảo vệ IGBT và hoàn năng lượng:
Khi các van chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái đóng, xuất hiện suất điện động phản kháng U L, tạo ra điện áp ngược lớn lên van Do đó, cần lắp diode song song ngược với van để dẫn dòng, giúp giảm U L và bảo vệ van khỏi hiện tượng đánh thủng.
Diode là thành phần quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng khi động cơ hoạt động ở chế độ máy phát, giúp năng lượng từ tải được truyền ngược về nguồn qua diode Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp đầu vào của bộ nghịch lưu.
√ 3 = 244.9 (V) Điện áp ngược lớn nhất đặt lên IGBT:
Ung = U d = 244.9 (V)Dòng điện định mức mỗi pha:
Vì tải đấu Y nên dòng cực đại qua mỗi IGBT bằng với dòng sau mạch nghịch lưu:
I d = I đm = 0.17 Chọn hệ số dự trữ: K u = 1.5 K i =1.2
Chọn IGBT H20R1203 20A 1200V có các thông số cơ bản như sau:
IGBT Điệ áp ng ượ cực đại
( V ) Đi ện áp bả o hò a
Bảng 2.4 Các thông số cơ bản của IGBT
Mô phỏng mạch nghịch lưu:
Hình 2.15 Mô phỏng mạch nghịch lưu
Hình 2.16 Đồ thị điện áp cấp cho động cơ
Phân tích và tính toán khâu điều khiển phát xung cho bộ biến tần
2.2.1 Phân tích khâu điều khiển biến tần
- Khâu điều khiển là một bộ điều khiển được lập trình để xuất ra các xung điều khiển các van.
- Có nhiều cách để điều khiển van nghịch lưu: kích 6 bước, SPWM, SVPWM
Nhóm đã chọn phương pháp điều chế SPWM do tính đơn giản trong lập trình và khả năng thay đổi tần số cũng như điện áp đầu ra Chất lượng điện áp pha đầu ra của bộ nghịch lưu gần giống với sóng sin, mang lại hiệu suất cao trong ứng dụng.
Hình 2.17 Phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM
Thuật ngữ SPWM, viết tắt của “Sinusoidal Pulse Width Modulation”, là một kỹ thuật điều chế độ rộng xung quan trọng trong bộ biến tần Kỹ thuật này so sánh tín hiệu điều khiển dạng sóng sin với tín hiệu mang dạng sóng tam giác để tạo ra các xung gating Độ rộng của các xung này thay đổi theo biên độ của tín hiệu điều khiển, với nhiều xung được tạo ra trong mỗi nửa chu kỳ Nhờ vào phương pháp này, việc điều chỉnh điện áp đầu ra trở nên hiệu quả hơn bằng cách khuếch đại hoặc giảm độ rộng của các xung mà vẫn giữ nguyên tỷ lệ hình sin.
Hình 2.18 Mô phỏng khâu tạo xung kích cho van nghịch lưu
Hình 2.19 Đồ thị xung kích trên các van lẻ
2.2.2 Tính toán khâu điều khiển phát xung cho bộ biến tần
Khâu phát xung (Gate Driver) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện, nằm giữa bộ điều khiển và mạch động lực Chức năng chính của nó là khuếch đại điện áp và dòng tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển (BDK) để kích mở van dẫn của bộ nghịch lưu Ngoài ra, khâu phát xung còn cung cấp khả năng cách ly tín hiệu điều khiển và dòng động lực, giúp bảo vệ BDK và ngăn chặn nhiễu tín hiệu điều khiển.
Hình 2.20 Khâu phát xung (Gate Drive)
Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha được chia thành hai nhóm van: van phía cao (high side) và van phía thấp (low side) Hiện tượng lơ lửng xảy ra ở các van phía cao, khiến việc kích mở van trở nên khó khăn hơn so với các van phía thấp Do đó, IC IR2101 là lựa chọn phù hợp để kích các van phía cao một cách hiệu quả.
Hình 2.21 Sơ đồ mạch nguyên lí của gate drive
- Để cách ly tín hiệu điều khiển ở đây dùng opto cách ly quang PC817
Các điện trở hạn dòng input cho opto được tính theo công thức:
Ic: dòng định mức INPUT(datasheet của PC817 Ic = 20mA)
- Đầu vào HI và LI của IR2101 là các tín hiệu điều khiển, đầu ra HO điều khiển van phía trên, LO điều khiển các van phía dưới.
TÍNH CHỌN PHẦN ĐO LƯỜNG, BỘ ĐIỀU KHIỂN, HOÀN THIỆN SƠ ĐỒ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG
Phần đo lường
3.1.1 Tính chọn các cảm biến a Cảm biến đo dòng điện.
Cảm biến đo dòng là thiết bị quan trọng để giám sát dòng điện tiêu thụ của động cơ, giúp phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường như quá tải hoặc ngắn mạch Việc sử dụng cảm biến này không chỉ bảo vệ động cơ mà còn nâng cao hiệu suất làm việc và đảm bảo an toàn cho thiết bị điện.
Module cảm biến dòng điện hall ACS712 30A sử dụng ic ACS712ELC-30B dựa trên hiệu ứng Hall chuyển dòng điện cần đo thành giá trị điện thế.
Cảm biến Hall ACS712 là một IC cảm biến dòng tuyến tính hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, cho phép đo dòng điện một cách chính xác Chân Vout của ACS712 sẽ xuất ra tín hiệu analog biến đổi tuyến tính theo dòng điện cần đo (Ip) trong cả hai chế độ DC và AC, trong phạm vi cho phép Để giảm thiểu nhiễu, cảm biến được trang bị tụ Cf, góp phần nâng cao độ ổn định của tín hiệu đo.
Hình 3.1 Cảm Biến Dòng Điện Hall ACS712 30A
Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp.
Thời gian tăng của đầu ra để đỏp ứng với đầu vào là 5às.
Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ.
Độ nhạy đầu ra từ 63-190mV/A.
Điện áp ra cực kỳ ổn định.
Cảm biến ACS712 có độ chính xác khoảng ±1.5% ở dòng điện danh định, tuy nhiên, độ chính xác này có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện môi trường và cách kết nối Mặc dù độ tán xạ kết quả đo của ACS712 là tương đối thấp, vẫn có thể xảy ra sai số do nhiễu điện từ hoặc các yếu tố bên ngoài khác Thời gian phản hồi của cảm biến khá nhanh, thường chỉ trong vài mili giây, nhưng tín hiệu đầu ra có thể tạo ra độ trễ trong việc đọc dữ liệu, phụ thuộc vào cách tổ chức mạch và phương pháp thu thập dữ liệu.
Việc đo tốc độ động cơ (RPM) rất quan trọng để gửi dữ liệu về bộ điều khiển tính toán, nhằm đảm bảo sự ổn định và hiệu suất tối ưu cho động cơ.
Ta có tốc độ tối đa của động cơ sau khi qua bộ giảm tốc là 954 (vòng/phút).
Tốc dộ xung nhịp của Arduino Uno là 16MHZ nên ta chọn
Encoder có độ phân giải không được vượt quá: 16 x 10 6
Encoder 600 xung 5-24VDC, hay còn gọi là bộ mã hóa vòng quay, được kết nối với động cơ hoặc các cơ cấu để xác định tọa độ, đo tốc độ quay, gia tốc và chiều dài của vật thể Thiết bị này có 02 kênh xung A và B hình chữ nhật, sử dụng cực thu hở NPN và cần kéo trở để đạt mức cao Encoder được ứng dụng rộng rãi trong việc đo tốc độ động cơ, xác định tọa độ cánh tay robot, máy cán tôn, máy cắt thép, máy dán tem sản phẩm và băng chuyền.
Loại ngõ ra: NPN cực thu hở (cần mắc trở kéo lên VCC để tạo mức cao High)
Encoder 600 xung cung cấp độ chính xác cao trong việc đo vị trí và tốc độ, nhưng cần chú ý đến sự ổn định của cơ cấu để tránh sai số tích lũy Độ tán xạ trong kết quả đo có thể do rung động cơ học hoặc môi trường không ổn định, đặc biệt với encoder NPN có đầu ra cực thu hở, dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu Mặc dù encoder thường có thời gian phản hồi nhanh, độ trễ trong việc lấy mẫu và xử lý tín hiệu có thể xảy ra, nhất là khi sử dụng dây cáp dài; tuy nhiên, độ trễ này thường không đáng kể và chỉ nằm trong mili giây trong hầu hết các ứng dụng.
Sai số tương đối của encoder được tính bằng cách chia sai số ngẫu nhiên cho tổng số xung Ví dụ, với encoder 600 xung và sai số ngẫu nhiên là 1 xung, sai số tương đối sẽ là (1/600) * 100 = 0.167% Để giám sát tốc độ trên băng tải và dòng điện tiêu thụ của động cơ, chúng tôi sử dụng màn hình LCD 16x02 kết hợp với Module I2C để giao tiếp.
Hình 3.3 Màn hình LCD 16x02 và module I2C
Màu hiển thị LCD 1602: đèn nền xanh dương
Góc quan sát rộng với độ tương phản cao
Bên trong tích hợp chip HD44780 cho điều khiển LCD
Dạng hiển thị: ký tự Hiển thị: 2 dòng, mỗi dòng 16 ký tự
Điện áp hoạt động: 5V DC.
Kích thước Module: 80mm x 35mm x 9mm.
Kích thước hiển thị: 64.5mm x 16mm.
3.1.2 Tính chọn thiết bị điều khiển
Với mức độ phổ biến cao và giá thành hợp lý, Arduino Uno R3 được nhóm em lựa chọn làm bộ điều khiển phù hợp cho sinh viên.
Điện áp vào khuyên dùng: 7-12V
Điện áp vào giới hạn: 6-20V
Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin (5V): 20mA
Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin (3.3V): 50mA
Flash Memory: 32KB trong đó 0.5KB được sử dụng bởi bootloader
3.1.3 Giao tiếp cảm biến với vi điều khiển a Cảm biến dòng điện.
Cổng đo của module cảm biến ACS712 (Mesure) cần được kết nối nối tiếp với dòng điện cần đo Khi thực hiện đo dòng điện AC, không cần lo lắng về chiều dòng vì dòng điện AC không có chiều xác định.
Khi cấp nguồn 5V cho module mà chưa có tải mắc nối tiếp với domino, điện áp đầu ra Vout sẽ là 2.5V Khi có dòng xoay chiều Ip, điện thế Vout sẽ thay đổi theo dạng sóng sin, với độ lớn tuyến tính từ 0 đến 5V, tương ứng với dòng điện AC từ -30A đến 30A.
Hình 3.5 Sơ kết nối của modul cảm biến dòng ACS712 với Arduino b Cảm biến đo tốc độ động cơ.
Sơ đồ chân: VCC: màu đỏ, GND: màu đen, xung A: màu trắng, xung B: màu xanh lá.
Kết nối kênh A của Encoder với một ngắt ngoài (chân 2) và kênh B với một chân bất kỳ (chân 4) Mỗi khi có xung xuất hiện trên kênh A, trình phục vụ ngắt ngoài sẽ được kích hoạt Trong trình phục vụ này, chúng ta kiểm tra mức của kênh B; nếu mức kênh B cao, biến đếm xung sẽ tăng lên 1, ngược lại sẽ giảm đi 1 Qua đó, ta có thể xác định tốc độ quay của động cơ, cũng như hướng quay và chiều quay của nó.
Tính tốc độ quay của động cơ từ số xung của kênh B trả về bằng dụng công thức:
RPM = số xung giây × 60 s độ phân giải
Để kết nối màn hình LCD1602 với Arduino qua giao diện I2C, cần sử dụng một module I2C riêng biệt Module này giúp đơn giản hóa quá trình kết nối, giảm số lượng chân cần thiết và hỗ trợ lập trình hiệu quả hơn.
Để thiết lập địa chỉ I2C cho màn hình LCD1602, màn hình này được kết nối với module I2C qua hai chân SDA (Data) và SCL (Clock) Để Arduino nhận diện module I2C, cần xác định địa chỉ của module, thường là 0x27.
Kết nối màn hình LCD1602 với module I2C yêu cầu xác định địa chỉ I2C trước Sau đó, kết nối màn hình LCD1602 với module I2C qua các chân SDA và SCL, đồng thời kết nối các chân VCC và GND của màn hình với Arduino.
Hình 3.7 Sơ đồ kết nối LCD 1602 + I2C với Arduino
Phân tích sơ đồ hoạt động của toàn hệ thống
3.2.1 Các thành phần của hệ thống
+ Nguồn điện xoay chiều 220VAC 50Hz: cấp điện cho mạch động lực
Bộ biến tần là thiết bị chuyển đổi công suất từ nguồn điện cố định thành công suất có thể điều khiển, phục vụ cho việc cung cấp năng lượng cho động cơ Động cơ điện 3 pha không đồng bộ được sử dụng để kéo tải trong các hệ thống băng chuyền.
+ Băng tải: Nhận momen xoay từ trục của động cơ, để chuyển hóa thành chuyển động tịnh tiến vật khối lượng M, theo vận tốc u tương ứng.
Bộ điều khiển nhận thông tin về tốc độ mong muốn và giá trị thực từ cảm biến Dựa trên mô hình toán học, cấu trúc điều khiển và thuật toán điều khiển, bộ điều khiển tính toán điện áp và tần số cần thiết Kết quả này được gửi đến bộ biến đổi công suất để thực hiện việc điều khiển động cơ hiệu quả.
+ Bộ cảm biến: Lấy tín hiệu đo cần thiết từ động cơ (Dòng điện, tốc độ quay ).
Khối phát xung điều khiển nhận tín hiệu từ bộ điều khiến và phát xung điều khiển cho biến tần, giúp điều chỉnh điện áp cung cấp cho động cơ, từ đó cho phép động cơ hoạt động với tốc độ mong muốn.
Hình 3.8 Sơ đồ đầy đủ của hệ thống truyền động truyền động cho băng tải 3.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Nguồn điện xoay chiều 1 pha được kết nối với bộ điều khiển công suất, bao gồm bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển và bộ nghịch lưu có điều khiển Để giảm độ trễ khi điều khiển trực tiếp các van IGBT bằng vi điều khiển, tín hiệu điều khiển sẽ đi qua mạch Gate Driver Qua đó, bộ nghịch lưu nhận tín hiệu điều khiển từ bộ phát xung PWM qua mạch trung gian Gate Driver, giúp đóng mở các van công suất và tạo ra điện áp 3 pha đối xứng tại ngõ ra Điện áp này cung cấp cho động cơ hoạt động, trong khi trục động cơ được kết nối với tải băng chuyền thông qua hộp số, phục vụ cho việc kéo tải có khối lượng M di chuyển với tốc độ u theo chỉ định.
Thô ng số Đơn vị Đ ộ n g c ơ M S S I 0 5 5 H - Điệ n áp địn h mứ c
Cô ng suất địn h mứ c
Mo me n địn h mứ c Mo me n cực đại
Dò ng điệ n địn h mứ c
Dò ng điệ n cực đại G e a r b o x g iả m t ố c
Dò ng điệ n cực đại Điệ n áp ngư ợc cực đại I
Dò ng điệ n cực đại
3 Điệ n áp ngư ợc cực đại
63-190 Độ chí nh xác Điệ n áp làm việ c Độ nhạ y Điệ n trở dây dẫn tron g
Dò ng tiêu thụ x u n g 5 V Đư ờng kín h trục
Chi ều dài cab le Sai số tươ ng đối
Bảng 3.1 Bảng đầy đủ tham số và thiết bị sử dụng:
MÔ PHỎNG – THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
Mô phỏng toàn hệ thống trên Matlab-Simulink
Hình 4.1 Mô phỏng toàn hệ thống trên Matlab - Simulink
Sau khi kiểm nghiệm các phần riêng lẻ như chỉnh lưu, chỉnh lưu qua mạch lọc, và nghịch lưu, cùng với việc kiểm nghiệm nguồn cấp cho động cơ, chúng tôi tiến hành mô phỏng toàn bộ hệ thống trên Matlab-Simulink để xác định tính chính xác của kết quả tính toán Để đánh giá kết quả mô phỏng, chúng tôi dựa vào đồ thị điện áp và dòng điện đầu ra của bộ nghịch lưu, cũng như momen và tốc độ đạt được sau khi kết nối các phần đơn lẻ lại với nhau.
Hình 4.2 Đồ thị điện áp 3 pha cấp cho động cơ
Hình 4.3 Đồ thị dòng điện cấp cho động cơ
Phân tích kết quả mô phỏng
Hình 4.4 Tốc độ và momen đầu ra của động cơ đã qua hộp giảm tốc
- Đồ thị tốc độ động cơ:
Khi khởi động, động cơ tăng tốc từ 0 đến 100 rad/s trong 1 giây, sau đó duy trì tốc độ này từ giây thứ 1 đến giây thứ 3 Tiếp theo, động cơ giảm tốc từ 100 rad/s về 0 và đảo chiều ngay sau đó Tốc độ 100 rad/s được duy trì trong 2 giây tiếp theo Cuối cùng, vào giây thứ 6, tốc độ động cơ lại giảm dần về 0 và đến giây thứ 7, tốc độ động cơ hoàn toàn bằng 0.
- Đồ thị momen điện từ:
Sau khi khởi động, momen của động cơ dao động trong khoảng 0.3 N.m đến 0.7 N.m trong khoảng thời gian từ 0s đến 1s, sau đó giảm về 0 Trong khoảng thời gian từ 3s đến 4s, tốc độ động cơ thay đổi, momen động cơ dao động từ 0.8 N.m đến 1.4 N.m, đạt 3 N.m tại 3.5s Khi tốc độ quay ổn định, momen động cơ gần như bằng 0 trong khoảng từ 4s đến 6s, và cuối cùng khi tốc độ giảm từ 100 rad/s.
0 rad/s, momen động cơ lại tăng lên, giao động trong khoảng 0.3 N.m đến 0.7 N.m.
Đánh giá chất lượng của hệ thống
Hình 4.5 Đồ thị so sánh tốc độ thực và tốc độ mong muốn
Hệ thống đã đáp ứng tương đối yêu cầu về tốc độ, nhưng vẫn chưa đạt yêu cầu về ổn định và gặp hiện tượng vọt lố khi đảo chiều Việc điều chỉnh thủ công mà không có phản hồi khiến cho việc kiểm soát tốc độ động cơ gặp khó khăn, đặc biệt trong các tình huống vọt lố Do đó, cần thiết phải có một hệ thống phản hồi và bộ điều khiển để giải quyết các vấn đề này, nhằm tăng cường tính ổn định cho hệ thống.
Thực nghiệm
Sau khi mô phỏng và phân tích kết quả, nhóm đã đủ điều kiện để tiến hành thực nghiệm hệ thống truyền động điện cho băng tải Tuy nhiên, do thời gian hạn chế và thiếu kinh nghiệm trong việc hiện thực hóa từ lý thuyết, sản phẩm vẫn chưa hoàn thiện Nhóm hy vọng sẽ hoàn thành dự án theo mục tiêu đã đặt ra trong thời gian tới.
Dưới đây là các hình ảnh về các công việc mà nhóm đã thực hiện để hiện thực hóa hệ thống:
Hình 4.6 Sơ đồ đấu nối dây của hệ thống
Hình 4.7 Mạch PCB chỉnh lưu
Hình 4.8 Mô phỏng 3D Visualizer chỉnh lưu
Hình 4.9 Mạch chỉnh lưu thực tế
Hình 4.10 Mạch PCB nghịch lưu
Hình 4.11 Mô phỏng 3D Visualizer nghịch lưu
Hình 4.12 Mạch nghịch lưu thực tế
Hình 4.13 Mạch PCB phát xung IGBT
Hình 4.14 Mô phỏng 3D Visualizer mạch phát xung IGBT
Hình 4.15 Mạch phát xung IGBT thực tế
Qua việc mô phỏng và đánh giá, chúng ta đã hiểu rõ các nguyên tắc và phương pháp cần thiết để xây dựng hệ thống truyền động điện cho băng tải và các loại tải khác Đây là nền tảng quan trọng để phát triển hệ thống truyền động điện tự động, đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao trong tương lai.
PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ Ở CHẾ ĐỘ XÁC LẬP
VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐẾN ĐẶC TÍNH
Khi xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ ở chế độ xác lập, cần đưa ra một số giả thiết quan trọng để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình phân tích.
- Ba pha của động cơ là đối xứng, khe hở không khí là đồng đều.
Các thông số của động cơ không thay đổi theo nhiệt độ, trong khi điện trở cuộn dây rotor không bị ảnh hưởng bởi tần số dòng điện Hơn nữa, mạch từ của máy điện vẫn chưa bão hòa, dẫn đến các điện kháng giữ nguyên giá trị.
- Tổng dẫn mạch từ hóa không thay đổi, dòng điện từ hóa không phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stato động cơ.
- Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép.
Điện áp lưới hoàn toàn là dạng sóng sin và đối xứng ba pha Để xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ, chúng ta áp dụng sơ đồ thay thế Hình vẽ minh họa sơ đồ thay thế gần đúng một pha của động cơ không đồng bộ.
- U1 – Trị số hiệu dụng của điện áp pha stato
- Iμ , I1 , I’2 – Các dòng điện từ hóa, dòng điện stator và dòng điện rotor đã quy đổi về stator.
- Xμ ,X1σ, X’2σ – Điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tản stator và điện kháng tản rotor đã quy đổi về stator
- Rμ ,R1 ,R’2 – các điện trở tác dụng của mạch từ hóa của cuộn dây stator và của mạch rotor đã quy đổi về stator.
Tốc độ góc của từ trường quay, ký hiệu là ω 1, do dòng điện trong cuộn dây stator tạo ra, được gọi là tốc độ đồng bộ Công thức tính tốc độ góc này là ω 1 = 2 πf 1 p.
Trong đó f 1 −¿Tần số của điện áp nguồn đặt vào Stato (Hz) p - Số đôi cực từ động cơ ω 1 −¿Tốc độ góc của động cơ (rad/s)
Từ sơ đồ thay thế ta tính được dòng điện stator:
X nm = X 1σ + X 2σ ' là điện kháng ngắn mạch Khi ω =0, s=1 thì I 1= I 1nm
I nm : Dòng điện ngắn mạch
I μ : Dòng điện từ hóa có tác dụng tạo ra từ trường quay Đặc tính Tốc độ - Dòng điện stator của động cơ 3 pha không đồng bộ
Ta cũng tính được dòng điện rotor quy đổi về stator:
√ ( R 1 + R s ' 2 ) 2 + X n m 2 Đặc tính Tốc độ - Dòng điện rotor của động cơ 3 pha không đồng bộ: Đặc tính Tốc độ - Dòng điện rotor của động cơ 3 pha không đồng bộ
Dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: Công suất điện từ chuyển từ stator sang rotor:
Mđt là mômen điện từ của động cơ.
Nếu bỏ qua các tổn thất cơ học thì Mđt = Mcơ = M
Công suất điện từ chia thành 2 phần:
Pcơ: công suất cơ đưa ra trên trục động cơ (nếu bỏ qua tổn thất cơ khí) ΔP2 : công suất tổn hao đồng trong rôto
Ta có phương trình tương đương
Kết hợp cùng công thức đã chứng minh ở phần trên ta tìm được phương trình đặc tính cơ của động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ: ¿
Lại có: dM ds = 0 Dấu ¿(+) ứng với trạng thái động cơ, dấu (-) ứng với trạng thái máy phát nên ta có:
Đồ thị đặc tính cơ của động cơ 3 pha không đồng bộ được mô tả bằng công thức 2ω1(R1 ± √(R1² + Xnm²)) Để hiểu rõ hơn về đặc tính này, chúng ta cần quan sát góc phần tư thứ 4 của đồ thị.
Với đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Xét trong giới hạn 0 < s < 1, các công thức sth và Mth trên mang dấu “+”
KA: Đoạn đặc tính làm việc của động cơ. Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ
Từ phương trình đặc tính cơ động cơ không đồng bộ, ta thấy các thông số ảnh hưởng đặc tính cơ bao gồm:
- Ảnh hưởng của điện áp stato.
- Ảnh hưởng điện trở, điện kháng mạch stato (nối thêm điện trở phụ Rf1 và X1f vào mạch stato).
- Ảnh hưởng của số đôi cực từ.
- Ảnh hưởng điện trở mạch rotor (nối thêm điện trở phụ R2f vào mạch rôto đối với động cơ rôto quấn dây ).
- Ảnh hưởng của thay đổi tần số lưới cấp cho động cơ f 1. a) Ảnh hưởng của suy giảm điện áp lưới cấp cho stator động cơ
Khi điện áp lưới giảm, mômen tới hạn sẽ giảm theo bình phương mức độ suy giảm của điện áp, trong khi tốc độ đồng bộ và độ trượt tới hạn không thay đổi Ngoài ra, ảnh hưởng của điện trở và điện kháng phụ mạch stator cũng không thay đổi, với tần số ω 1 = 2 πf 1 p giữ nguyên.
Khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ, đặc tính cơ của động cơ sẽ có sự biến đổi, với Mth = const Đối với động cơ KĐB, đặc tính cơ cũng thay đổi khi số đôi cực được điều chỉnh, trong khi công suất P được giữ cố định Ngoài ra, điện trở phụ trong mạch rotor cũng ảnh hưởng đến động cơ không đồng bộ, thường được sử dụng để hạn chế dòng điện khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ động cơ Tần số góc ω 1 được xác định bởi công thức ω 1 = 2 πf 1 p, và trong trường hợp này, nó không thay đổi.
2 ω 1 ( R 1 ± √ R 1 2 + X nm 2 ) Không thay đổi e) Ảnh hưởng của thay đổi tần số lưới điện f 1 cấp cho động cơ
Xuất phát từ biểu thức: ω 1= 2 πf 1 p
Ta thấy rằng thay đổi tần số sẽ làm thay đổi tốc độ từ trường quay và tốc độ động cơ thay đổi
VẤN ĐỀ VỀ KHỞI ĐỘNG VÀ ĐẢO CHIỀU
1 Khởi động động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ a) Phương pháp khởi động trực tiếp: Direct online (DOL) starting Đây là kỹ thuật dễ nhất và rẻ nhất để sử dụng Trong khởi động DOL, các cực stator của động cơ được kết nối trực tiếp với nguồn điện Theo tiêu chuẩn IEC, cần có các thiết bị bảo vệ quá tải, bảo vệ ngắn mạch, điều khiển đóng/cắt nguồn cấp,
Khi khởi động động cơ bằng cách cấp nguồn điện áp định mức vào stator, tốc độ động cơ ban đầu là 0, với hệ số trượt s = 1 Tốc độ tương đối giữa từ trường quay và rotor lớn, dẫn đến suất điện động cảm ứng cao, làm cho dòng khởi động có giá trị lớn, thường gấp 5 đến 8 lần dòng điện định mức Dòng khởi động lớn này gây sụt áp trong nguồn điện, đặc biệt trong mạng điện yếu, ảnh hưởng đến việc cung cấp điện cho các thiết bị khác.
Dòng điện khởi động lớn không chỉ gây ra nhiệt độ cao cho các cuộn dây của động cơ mà còn làm giảm tuổi thọ của nó Điều này đặc biệt nghiêm trọng đối với các hệ truyền động điện cần khởi động thường xuyên.
Khởi động trực tiếp dol:
- Dòng khởi động: 5 đến 8 lần dòng định mức
- Mômen khởi động: 0.5 đến 1.5 lần mômen định mức
+ Thời gian khởi động ngắn
+ Dòng khởi động lớn, gây sụt áp lưới + Gây sốc và hao mòn cơ khí động cơ Ứng dụng:
Với động cơ công suất nhỏ
Yêu cầu mômen khởi động lớn là cần thiết trong các ứng dụng đầy tải Để hạn chế dòng điện khởi động, có thể sử dụng các phương pháp thông qua mạch đóng cắt có tiếp điểm, được gọi chung là phương pháp cơ điện.
- Phương pháp đổi nối Sao/Tam giác
- Phương pháp sử dụng điện trở (hoặc điện kháng) mở máy
- Phương pháp dùng máy Biến áp tự ngẫu
Mỗi phương pháp trong nhóm cơ điện đều có những nhược điểm riêng, bao gồm việc không chuyển đổi đồng thời các pha của động cơ sang nguồn điện, yêu cầu bảo trì thường xuyên, và nguy cơ hỏng hóc các bộ phận chuyển động Ngoài ra, có khả năng xảy ra dính tiếp điểm hoặc không phục hồi tiếp điểm, dẫn đến mất nguồn Quá trình chuyển đổi mạch nối có thể gây ra ngắn mạch tạm thời, tạo ra xung dòng điện và mômen có hại cho động cơ.
Giảm dòng điện khởi động không chỉ làm giảm mômen khởi động mà còn hạn chế khả năng truyền động của động cơ đối với mọi loại mômen tải.
Khởi động bằng phương pháp đổi nối sao – tam giác:
- Dòng khởi động: 2 tới 3 lần dòng định mức
- Mômen khởi động: 0.3 tới 0.6 mômen định mức
+ Hạn chế sốc cơ khí
+ Xung dòng điện tại thời điểm chuyển dổi sao – tam giác
+ Cần động cơ 6 đầu ra
- Ứng dụng: Khởi động không tải hoặc tải nhỏ, động cơ 6 đầu ra
Khởi động bằng phương pháp thêm điện trở phụ vào mạch roto:
- Đặc điểm khởi động động cơ rôto dây quấn:
+ Dòng khởi động nhỏ Ik = 2 → 4 In
+ Mômen khởi động Mk = 2 → 2.5 Mđm
khởi động bằng phương pháp dùng máy biến áp tự ngẫu:
- Đặc điểm khởi động động cơ dùng máy biến áp tự ngẫu:
+ Dòng khởi động nhỏ Ik = 2 → 3 In
+ Mômen khởi động Mk = 2 → 4 Mđm
0.25 0.5 0.75 c) Phương pháp khởi động dùng khởi động mềm: Soft-starter