Dự Án liên môn hệ thống Điều khiển và truyền Động Điện Đề tài thiết kế hệ thống Điều khiển và truyền Động Điện cho băng tải sử dụng Động cơ xoay chiều 3 pha không Đồng bộ

---MỤC LỤCCHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN YÊU CẦU CỦA TẢI VÀ TÍNH 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 ng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN -  -

G.v hướng dẫn Ts Nguyễn Khánh Quang

Sinh viên thực hiện Hoàng Kha

Nguyễn Văn Nhật Vinh

 -MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN YÊU CẦU CỦA TẢI VÀ TÍNH 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

a) Theo phương trình động lực học của truyền động điện

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

1.4 Trạng thái làm việc của động cơ

a) Momen đẳng trị

b) Công suất đẳng trị

1.5 Chọn động cơ

1.6 Kiểm nghiệm lại động cơ đã chọn

1.7 Sơ đồ cụ thể của hệ thống 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

a) Thiết kế mạch chỉnh lưu không điều khiển

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

c) 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

a) Sơ đồ điều khiển SPWM

3.2 Phân tích nguyên lý hoạt động của hệ thống

3.3 Thiết bị sử dụng cho toàn hệ thống

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 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: Động cơ SM3L-061ABBDV

Hình 7: Hộp số 60ZDWE10-145014

Hình 8: Đồ thị kiểm nghiệm momen điện từ của động cơ

Hình 9: Đồ thị kiểm nghiệm công suất của động cơ

Hình 10: Sơ đồ cụ thể của hệ thống truyền động

Hình 11: Sơ đồ mô phỏng động cơ

Hình 12: Đồ thị kết quả điện áp

Hình 13: Đồ thị kết quả tốc độ và momen của động cơ

Hình 14: Đồ thị kết quả tốc độ và momen của động cơ khi động cơ đảo chiềuHình 15: Sơ đồ nguyên lí bộ biến tần gián tiếp

Hình 16: Dạng sóng qua từng giai đoạn của bộ biến tần

Hình 22: Aptomat 3RV2011-1GA10 SIEMENS

Hình 23: Mạch chỉnh lưu 3 pha không điều khiển

Hình 24: Kết quả đồ thị điện áp nguồn AC đầu vào

Hình 25: Kết quả đồ thị dòng điện AC

Hình 26: Kết quả đồ thị điện áp DC đầu ra khi có tải là R= 2 Ω

Hình 27: Kết quả đồ thị dòng điện DC đầu ra khi có tải là R=2 Ω

Hình 28: Sơ đồ mạch nghịch lưu điều chỉnh bằng bộ phát xung PWMHình 29: Sơ đồ mô phỏng mạch phát xung

Hình 30: Bộ biến tần

Hình 31: Kết quả dòng điện và điện áp sau chỉnh lưu

Hình 32: Kết quả điện áp sau nghịch lưu

Hình 33: Sơ đồ cấu trúc điều khiển

Bảng 1: Tốc độ quay của động cơ theo thời gian

Bảng 2: Momen điện từ sơ bộ của động cơ theo thời gian

Bảng 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 ĐỘNG

a Giới thiệu về hệ thống

− Hệ truyền động điện là một tổ hợp các thiết bị điện, điện tử, v.v phục vụ cho việc biếnđổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công tác trên các máy sản xuất,cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá 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 truyền động điện Baogồm phân tích cá đặc tính của hệ thống truyền động cho hệ thống tải tịnh tiến Tính toán

và thiết kế sơ đồ điều khiển hệ thống truyền động với động cơ điện

− Thiết kệ hệ thống truyền động điện cho động cơ xoay chiều ba pha 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= 0,18 (m); M = 8 (Kg )

− 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 động của khối vật M thay đổi, tốc độ quay của động cơ phải thay đổi, ở đây rathay đổi tốc độ của động cơ bằng cách thay đổi tần số nên ta sử dụng biến tần Vớinguồn điện xoay chiều 3 pha 220V/380V đã 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 cấpcho động cơ với điện áp và tần số thay đổi để tốc độ động cơ đạt theo tốc độ mongmuốn.

+ Bộ phát xung : có vai trò tạo ra các tín hiệu xung vuông, để điều khiển hoạt động củacác linh kiện trong mạch như bóng bán dẫn, thyristor, vi điều khiển hoặc các bộ điềukhiển khác

Hình 2: Sơ đồ tổng thể của hệ truyền động

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 cần momen đểđộng cơ quay là bao nhiêu và công suất động cơ sinh ra là bao nhiêu Thì ta phải tínhtoán và phân tích chọn động cơ cho phù hợp với yêu cầu bài toán

− Từ mối liên hệ ωm= u

r ta có bảng đồ thị tốc độ quay của động cơ cần phải đáp ứng:

Bảng 1: Tốc độ quay của động cơ theo thời gian

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 / s đến ω m =27.77 rad / s trong vòng 1 giây

+ Giai đoạn 2: Động cơ giữ nguyên tốc độ ω m =27.77 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 =−27.77 rad / s, trong vòng 0.5

giây

+ Giai đoạn 5: Động cơ giữ nguyên tốc độ ωm=−27.77 rad /s trong vòng 2 giây.

+ Giai đoạn 6: Động cơ giảm tốc độ từ ωm =−27.77 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

ρ

Trong đó:( ρ=ω

V ,V =r ω→ ρ=1

r) ⇒ T c =f r

Trong đó: F =M a=M d ω m

dt mà F =f −f L ⇔ f −f L =M d ω m

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

Bảng 2: Momen điện từ sơ bộ của động cơ theo thời gian

Hình 4: Đồ thị của momen theo thời gian

 Công thức tính công suất của động cơ như sau:

P =T em ω

Bảng 1: Công suất sơ bộ của động cơ theo thời gian

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

8 7

6 5

4 3

2 1

– 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 rộng xung (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

Δ t3+P4 2

Δ t4+P5

2

Δ t5+P6 2

 Chọn hộp số cho động cơ : Ta thấy momen đẳng trị của bài toán yêu cầu là M đ m= 8.66

(N.m), còn momen định mức của động cơMđm= 1.8 (N.m) Do đó ta sử dụng bộ Gearbox

giảm tốc với hệ sốratio n= ω dm

 Kiểm nghiệm lại momen trên trục động cơ

H ình 8: Đồ thị kiểm nghiệm

momen điện từ của động cơ

rằng động cơ không bị quá tải

Ta có: T dm = 18 > T dt= 6,67=> 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 m

Bảng 3: Công suất của động cơ theo thời gian



 Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy Pdm = 250 > Pdt= 185 W và trong khoảng thời gian nhỏ trọng đoạn t

= 3s – 4s động cơ bị quá tải tuy nhiên khoảng thời gian quá tải đó rất nhỏ nên không ảnh hưởng đếnhoạt động làm việc của động cơ và động cơ vẫn đáp ứng được công suất Từ các kiểm nghiệm trên,

ta thấy động cơ và hộp số đã chọn thỏa mãn được các yêu cầu của bài toán

1.7 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 không 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 10: Sơ đồ cụ thể của hệ truyền động

Hình 11: Sơ đồ mô phỏng động cơ

- Thông số trong sơ đồ mô phỏng

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

 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

 Kiểm nghiệm lại động cơ bằng phần mềm Matlab

Hình 13: 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 gian khoảng0,05s thì tốc độ dần đi vào ổn định, sau thời điểm 0,2s (thời điểm đóng tải) tốc độ động cơ giảm

–Sau thời điểm 0,2s (thời điểm đóng tải), momen và dòng điện tăng vì dòng điện tỉ lệ với

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 14: 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 một khoảng thờigian khoảng 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 <Mc ⇒ dω

dt <0(hệ giảmtốc ), sau thời điểm 0,25s 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 lệ vớimomen 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

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

Hình15: 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 thành điện áp một chiềusau khi đi qua mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển sử dụng diode

- Điện áp một chiều lúc này vẫn còn nhấp nhô nên sẽ dùng mạch lọc LC để lọc tất cả các thành phầnxoay chiều và đưa ra thành phần một chiều bằng phẳng hơn

- Điện áp một chiều sau khi qua bộ lọc sẽ bằng phẳng hơn và được đưa qua mạch nghịch lưu cầu 3pha sử dụng IGBT để biến đổi thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng có thể thay đổi được giá trịbiên độ và tần số tùy vào chế độ điều khiển

- IGBT là một loại transitor lưỡng cực có cổng cách ly được điều khiển bằng phương pháp điều chế

độ rộng xung (PWM)

Hình16: 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 thể thay đổi được tốc độ vàđảo chiều cho động cơ để đáp ứng cho các trạng thái làm việc

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

Giảm tốc độ khi khởi động của động cơ giúp cho động cơ tránh được việc phải mang tải lớn khikhởi động Từ đó giúp động cơ giảm được hư hỏng các phần cơ khí và tăng tuổi thọ làm việc chođộng cơ

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

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

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

2.2 Tính toán và chọn linh kiện:

a Tính chọn bộ chỉnh lưu:

- Ta sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển với các van dẫn là các diode

- Điện áp AC 3 pha: 220/380V

- Điện áp định mức của tải: Udm = 220V

- Điện áp ra sau bộ chỉnh lưu:

Hệ số dự trữ điện áp ku = 1,6; Hệ số dự trữ về dòng điện Ki = 1,2

Ta có các thông số cần chọn:

U nv =k u U ng =1,6.539=862, 4 V

I ' v=K i I v=1,2.0,2633=0 ,32 A

Từ các thông số trên ta chọn 6 diode loại 1N4007 cho mạch chỉnh lưu cầu 3 pha

+ Dòng điện chỉnh cực đại: Imax = 1 A

+ Điện áp ngược cực đại của diode : Un = 1000 V

Hình 18: Datasheet Diode loại 1N4007 Hình17: Diode loại 1N4007

b Tính chọn bộ nghịch lưu:

- Vì điện áp ra sau nghịch lưu thay đổi theo như giá trị mong muốn do vậy hệ thống này ta sử dụng

bộ nghịch lưu điều khiển hoàn toàn với van đóng cắt được chọn là IGBT vì nó là sợ kết hợp giữakhả năng đóng cắt nhanh của MOSFET

- Điện áp ngược đặt lên IGBT (ku=1,6):

c Tính chọn bộ lọc 1 chiều:

- Trong mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có hệ số xung đập mạch p=6, vì có 6 xung điện áp DC trong mỗichu kỳ của nguồn AC 3 pha.

- Chọn hệ số san bằng K sb= 10

L f C f= K sb+1

( p.2 π f )2= 10+1

(6.2 π 50)2≈ 3,096.10−6 Chọn C f =1( μF) và Lf =7(mH )

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ MẠCH TOÀN HỆ THỐNG

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

Hình 33: Sơ đồ cấu trúc điều khiển

3.2 Phân tích nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống

 Từ nguồn cung cấp điện đến bộ biến tần:

− Nguồn điện được cung cấp là điện áp xoay chiều 3 pha dạng sóng sin có điện áp mỗi pha là220V và tần số 50Hz

− Điện áp và tần số của nguồn cung cấp không thay đổi được

− Điện áp và dòng điện sau bộ lọc sẽ bằng phẳng hơn và đi vào mạch nghịch lưu

− Điện áp và dòng điện một chiều sau bộ lọc đi qua mạch nghịch lưu sẽ được biến đổi thành điện

áp xoay chiều 3 pha dạng xung vuông

− Giá trị hiệu dụng, tần số của điện áp và dòng điện xoay chiều sau mạch nghịch lưu có thể thayđổi được nhờ việc điều khiển đóng mở van IGBT bằng bộ điều khiển PWM

 Bộ điều khiển PWM:

− Từ bộ Controller sẽ tạo được điện áp điều khiển dạng sin (tín hiệu liên tục) để cung cấp cho bộPWM

− Điện áp điều khiển sau khi đi qua bộ PWM sẽ được biến đổi thành dạng xung vuông

− Tín hiệu điều khiển dạng xung vuông sẽ cấp cho các van IGBT

− Trong một chu kỳ mỗi van sẽ được kích mở một lần và 2 hoặc 3 van sẽ được kích mở cùng lúc.Tuy nhiên 2 van nối tiếp nhau không được kích mở cùng lúc mà phải cách nhau một chu kì

 Động cơ đến tải:

− Điện áp sau khi nghịch lưu sẽ được cấp cho động cơ làm việc làm quay rotor

− Rotor của động cơ quay cung cấp momen làm quay tải

3.3Thiết bị sử dụng cho toàn hệ thống

Bảng 6: Thiết bị sử dụng cho toàn hệ thống

4.2 Kết quả mô phỏng

a Đồ thị mô phỏng tốc độ động cơ

Hình 35: Đồ thị tốc độ của động cơ

Nhận xét:

- Tốc độ mô phỏng đáp ứng gần đúng so với tốc độ mong muốn của tải

- Tốc độ mô phỏng vẫn còn dao động do quá trình khởi động và vẫn còn sai lệch khi tăng tốc, giảmtốc độ và đảo chiều quay của động cơ và do đây là hệ hở nên chưa có khâu phản hồi về lại bộ điềukhiển để điều chỉnh điện áp

b Đồ thị mô phỏng momen điện từ của động cơ

Hình 36: Đồ thị momen điện từ và dòng điện ngang trục của động cơ

 Nhận xét: