Dự án liên môn kỹ thuật Điều khiển và tự Động hóa 2 (pbl2) Đề tài thiết kế hệ thống Điều khiển và giám sát tốc Độ Động cơ Điện

Yêu cầu đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ hệ thống truyền động sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập với tải chuyển động tịnh tiến.. Sau khi tính toán các thông

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn: TS GIÁP QUANG HUY

Sinh viên thực hiện:

PHAN HỮU ANH ĐỨC

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH SÁCH HÌNH ẢNH 5

DANH SÁCH CÁC BẢNG 8

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI VÀ TÍNH TOÁN YÊU CẦU 10

1.1 Tổng quan về hệ thống 10

1.1.1 Mô tả đề tài 10

1.1.2 Tính toán yêu cầu tải 11

1.1.3 Giải pháp cấp nguồn và khởi động 17

CHƯƠNG 2: ĐỘNG CƠ VÀ BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 18

2.1 Động cơ 1 chiều kích từ độc lập 18

2.1.1 Cấu tạo 18

2.1.2 Nguyên lý làm việc 20

2.1.3 Đặc tính cơ của động cơ 1 chiều kích từ độc lập 20

2.1.4 Khởi động, đảo chiều 24

2.1.5 Hãm dừng động cơ 27

2.2 Bộ biến đổi công suất 33

2.2.1 Giới thiệu chung 33

2.2.2 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển: 35

2.2.3 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn: 37

2.2.4 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển: 39

2.2.5 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha chỉnh lưu kép điều khiển hoàn toàn: 41

2.2.6 Chế độ làm việc nghịch lưu phụ thuộc của bộ chỉnh lưu 42

 Nguồn xoay chiều nhận năng lượng  dòng i phải ngược chiều với Ud dα 43

 Tải RLE, phát năng lượng  dòng id và s.đ.đ E cùng chiều nhau 43ư

2.2.7 Hiện tượng trùng dẫn: 43

2.2.8 Phương pháp đảo chiều động cơ 44

2.2.9 Chọn bộ chỉnh lưu: 45

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 47

3.1 Mạch động lực 47

3.1.1 Chức năng 47

3.2 Tính toán mạch động lực 48

3.2.1 Tính chọn Thyristor 48

3.2.2 Tính chọn thông số máy biến áp 50

CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU 52

4.1 Khái niệm chung 52

4.2 Yêu cầu của mạch điều khiển 52

4.3 Nhiệm vụ của mạch điều khiển 53

4.3.1 Chức năng của mạch điều khiển: 53

4.4 Nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính: 54

4.5 Nguyên tắc arccos 54

4.6 Nguyên lí hoạt động từng khâu: 55

4.6.1 Khâu đồng pha: 55

4.6.2 Khâu so sánh: 56

4.6.3 Khâu tạo xung chùm: 57

4.6.4 Khâu khuếch đại: 59

4.7 Sơ đồ mạch điều khiển: 60

4.8 Lựa chọn, tính toán, chọn phần tử mạch điều khiển 1

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3

5.1 Khâu phát xung và mạch tạo xung răng cưa 3

5.2 Mạch nguyên lý toàn bộ hệ thống 4

5.3 Phân tích kết quả với góc αbất kì: 0÷ π 5

5.4 Mạch điện và mô hình thực tế 6

KẾT LUẬN CHUNG 7

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tải băng chuyền chuyển động tịnh tiến 9

Hình 1.2 Đồ thị tốc độ mong muốn của tải 10

Hình 1.3 Hình 1.3 Đồ thị tốc độ góc mong muốn 11

Hình 1.4 Đồ thị momen quy đổi theo theo thời gian 13

Hình 1.5 Đồ thị công suất theo thời gian 14

Hình 2.1 Cấu trúc động cơ DC kích từ độc lập 16

Hình 2.2 Cấu tạo của stator 17

Hình 2.3 Cấu tạo của rotor 17

Hình 2.4 Nguyên lý tạo ra từ trường quay động cơ DC 18

Hình 2.5 Mạch tương đương và đặc tính cơ 18

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý động cơ 1 chiều kích từ độc lập 19

Hình 2.7 Đặc tính cơ điện 20

Hình 2.8 Ảnh hưởng của điện trở phụ mạch phần ứng 21

Hình 2.9 Ảnh hưởng của điện áp mạch phần ứng 21

Hình 2.10 Ảnh hưởng của từ thông kích từ 22

Hình 2.11 Sơ đồ khởi động động cơ DC kích từ độc lập qua 3 cấp điện trở 23

Hình 2.12 Đặc tính khởi động mềm động cơ DC kích từ độc lập 23

Hình 2.13 Hãm tái sinh 25

Hình 2.14 Hãm tái sinh do động năng 26

Hình 2.15 Hãm tái sinh do thế năng 27

Hình 2.16 Hãm ngược do thế năng 28

Hình 2.17 Hãm ngược do động năng 29

Hình 2.18 Hãm động năng kích từ độc lập 30

Hình 2.19 Hãm động năng tự kích từ 31

Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lí mạch chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển 33

Hình 2.21 Đồ thị điện áp và dòng điện 34

Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lí mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn 35

Hình 2.23 Đồ thị dạng sóng điện áp và dòng điện 36

Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lí mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển thyristor Cathote mắc chung 37

Hình 2.25 Đồ thị dạng sóng điện áp và dòng điện 37

Hình 2.26 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha kép điều khiển hoàn toàn 39

Hình 2.27 Hiện tượng trùng dẫn chỉnh lưu cầu 1 pha điêu khiển hoàn toàn 41

Hình 2.28 Đồ thị dạng sóng khi xảy ra hiện tượng trùng dẫn chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn 41

Hình 2.29 Sơ đồ nối dây công tắc đảo chiều động cơ DC 42

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát bộ điều khiển 44

Hình 3.2 Sơ đồ mạch động lực 44

Hình 3.3 Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển 45

Hình 3.4 Thông số của Thyristor BT151 47

Hình 3.5 Thông số của Diode 47

Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển 49

Hình 4.2 Nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính 51

Hình 4.3 Nguyên tắc arccos 51

Hình 4.4 Sơ đồ mạch khâu đồng pha 52

Hình 4.5 Sơ đồ dạng sóng của U , U , UA B C 53

Hình 4.6 Sơ đồ mạch khâu so sánh 53

Hình 4.7 Sơ đồ dạng sóng của U , U , UA B C,UD 54

Hình 4.8 Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm 54

Hình 4.9 Sơ đồ mạch tạo xung chùm dùng khuếch đại thuật toán 55

Hình 4.10 Sơ đồ dạng sóng UE 55

Hình 4.11 Sơ đồ mạch khâu khuếch đại 56

Hình 4.12 Sơ đồ mạch điều khiển thyristor 57

Hình 4.13: Giản đồ các đường cong mạch điều khiển 57

Hình 5.1 Sơ đồ mạch điều khiển 3

Hình 5.2 Đồ thị xung điều khiển và điện áp răng cư 3

Hình 5.3 Sơ đồ mạch nguyên lý 4

Hình 5.4 Đồ thị điện áp sau chỉnh lưu 5

Hình 5.5 Mạch điện thực tế 6

Hình 5.6 Mô hình thực tế 7

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tốc độ mong muốn theo thời gian 10Bảng 1.2 Các giá trị yêu cầu tải 11Bảng 1.3 Bảng thông số động cơ 14

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

Ngày Tháng Năm 2024

Giáo viên hướng dẫn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI VÀ TÍNH TOÁN YÊU CẦU.

1.1.1 Mô tả đề tài.

Yêu cầu đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ hệ thống truyền động

sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập với tải chuyển động tịnh tiến

Yêu cầu hệ truyền động: điều khiển băng tải để vật có khối lượng M chuyển độngtịnh tiến ( Hình 1.1) với tốc độ v= 0.8m/s (Đồ thị tốc độ mong muốn như Hình 1.2) Nguồncấp cho hệ thống là nguồn xoay chiều

Hình 1.1 Tải băng chuyền chuyển động tịnh tiến.

 𝑇𝑒𝑚 : Mô men điện từ của động cơ

 u : Tốc độ mong muốn của tải

 𝑓𝐿 : Ngoại lực

Hình 1.2 Đồ thị tốc độ mong muốn của tải.

Từ đồ thị tốc độ mong muốn của tải được mô tả, ta xác định được các giai đoạn hoạtđộng của động cơ như sau:

 Khởi động, tăng tốc lên tốc độ đặt

1.1.2 Tính toán yêu cầu tải.

Xem như bỏ qua ma sát ở ổ trục và lực cản không khí

Bảng 1.1 Tốc độ mong muốn theo thời gian.

- Từ bảng trên ta có đồ thị tốc độ góc mong muốn như sau:

Hình 1.3 Hình 1.3 Đồ thị tốc độ góc mong muốn.

 Giả sử hiệu suất truyền động: η=1 (lý tưởng)

 Tính mẫu: từ 0s > 2s ( chuyển động nhanh dần đều )

+ a= ΔU

Δt= U s −U t

T s −T t= 0.82−00

− = 0.4 (m/s )2+ F=ma=600x0.4=240 (N)

+ Momen quy về trục: MC=Fpη1 =240x

15.330.8x 1= 36 (Nm)+ Trong đó: p=ω

u

+ J d ω

dt = 13.5x5.332 −0

−0 =36 (kgm )2+ Thế vào (2) : M = M + C J d ω

dt = 36 + 36 = 72 (Nm)+ P=M = 72x 5.33=384 (W)𝜔

Bảng 1.2 Các giá trị yêu cầu tải

cầu của tải:

 Mmax= 144(Nm)

 𝑃max = 768 (W)

Hình 1.4 Đồ thị momen quy đổi theo theo thời gian.

- Chọn thông số động cơ, phương pháp công suất đẳng trị:

Chọn động cơ có công suất P ≥ P Nếu động cơ có khả năng quá tải thì mômenđm đtcho phép của động cơ phải lớn hơn mômen lớn nhất của phụ tải : M ≥ Mcp maxpt

= 36 (Nm)

+ Công suất đẳng trị P : đt

12

= 271.53 W

Sau khi tính toán các thông số yêu cầu của tải ta có thể đưa ra các thông số định mứccho động cơ:

- Với các giá trị đẳng trị của momen và công suất đã tính, ta phải lựa chọn động cơ với hệ

=> Chọn phương pháp khởi động mềm: Để tránh bị quá dòng, đột ngột khi khởi động

động cơ và tăng dần dần công suất đến mức định mức, giúp bảo vệ động cơ và hệ thống điệnkhỏi tác động mạnh

CHƯƠNG 2: ĐỘNG CƠ VÀ BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT

2.1.1 Cấu tạo

Giống như những máy điện quay khác nó cũng gồm phần đứng im (stato) và phầnquay (rô to) Về chức năng máy điện một chiều cũng được chia thành phần cảm (kích từ) vàphần ứng (phần biến đổi năng lượng) Khác với máy điện đồng bộ ở máy điện mộtchiềuphần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh còn phần ứng là ở roto

Hình 2.7 Cấu tạo của stator

2.1.2 Nguyên lý làm việc

Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện Các thanh dẫn códòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều của lực được xácđịnh bằng quy tắc bàn tay trái

Hình 2.9 Nguyên lý tạo ra từ trường quay động cơ DC

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do cóphiến góp chiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi Khiquay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động E chiều của suất điện độngưđược xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ 1 chiều suất điện động E ngược chiềuưdòng điện I nên E được gọi là sức phản điện động.ư ư

2.1.3 Đặc tính cơ của động cơ 1 chiều kích từ độc lập

Hình 2.10 Mạch tương đương và đặc tính cơ

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý động cơ 1 chiều kích từ độc lập

Phương trình cân bằng điện áp:

Iư: Dòng điện phần ứng (A)

Kϕ−R ư +R f

Kϕ I

𝜔0 = Kϕ U (rad/s)Dòng điện ngắn mạch:

Inm = R U

ư +R f (A)

 Ảnh hưởng của điện trở phụ mạch phần ứng:

Hình 2.13 Ảnh hưởng của điện trở phụ mạch phần ứng

𝜔 = Kϕ U−R ư +R f

(Kϕ )2 M 0 < R < R < R f1 f2 f3 Nhận xét:

- Tốc độ không tải lý tưởng không đổi

- Độ dốc đường đặc tính cơ thay đổi, tỷ lệ thuận với điện trở phụ

 Ảnh hưởng của điện áp mạch phần ứng:

Hình 2.14 Ảnh hưởng của điện áp mạch phần ứng

𝜔 = V a

Kϕ− R ư

( Kϕ)2M V a, đm > V >V > V > … a1 a2 a3 Nhận xét:

 Đường đặc tính dịch chuyển song song với đường đặc tính tự nhiên khi điện áp mạchphần ứng thay đổi

 Ảnh hưởng của từ thông kích từ

Hình 2.15 Ảnh hưởng của từ thông kích từ

Vì điện trở cuộn dây phần ứng R thường rất nhỏ, nên dòng khởi động của động cơưrất lớn, thường gấp 10 đến 25 lần dòng định mức của động cơ Với dòng khởi động lớn, sẽkhông cho phép chuyển mạch ở vành góp, sụt áp trên nguồn điện và gây xung lực trong các

cơ cấu truyền động Mô men khởi động lớn có thể gây vặn xoắn, gãy trục nối giữa động cơvới tải nên cần phải có các giải pháp khởi động an toàn

Từ biểu thức dòng điện khởi động I ta thấy có thể giảm dòng khởi động bằng 2 cáchkđsau:

 Điện trở khởi động: Nối thêm các cấp điện trở phụ trong mạch phần ứng của động

cơ và cắt dần ra trong quá trình khởi động Thường chọn dòng khởi động Ikđ=2.5Iđm vàtrong quá trình khởi động chọn giới hạn dưới để ngắt dần điện trở phụ I =2(1.2÷1.5)Iđm.

Hình 2.16 Sơ đồ khởi động động cơ DC kích từ độc lập qua 3 cấp điện trở

 Khởi động mềm: Khởi động với điện áp phần ứng ban đầu có giá trị nhỏ, sau đó

tăng dần ra trong quá trình khởi động Sử dụng bộ biến đổi điện tử để điều chỉnh trơnđiện áp phần ứng của động cơ, tăng dần từ 1 giá trị ban đầu Va

Hình 2.17 Đặc tính khởi động mềm động cơ DC kích từ độc lập

Có 2 cách đảo chiều động cơ 1 chiều kích từ độc lập:

+ Đảo chiều điện áp phần ứng

+ Đảo chiều từ thông kích từ

Phương trình đặc tính cơ đảo chiều:

2.1.5 Hãm dừng động cơ

2.1.5.1 Hãm tái sinh

 Hãm tái sinh khi ω > ω 0 : lúc này máy sản xuất như nguồn động lực quay rôto động

cơ, làm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả về nguồn

Mômen động cơ đổi chiều (M < 0) và trở nên ngược chiều với tốc độ, trở thànhmômen hãm (M ).h

Mh = K.ϕ I h < 0

Hãm tái sinh do động năng: Khi giảm điện áp phần ứng (U < U )2 1

Khi điện áp nguồn giảm → tốc độ không tải lý tưởng ω giảm, mặt khác tốc độ hệ0truyền động ω chưa kịp giảm → tốc độ trục động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (ω >

ω02) Lúc này Mc là dạng mômen thế năng (M = M ) c tn

Về mặt năng lượng, do động năng tích luỹ ở tốc độ cao lớn sẽ tuôn vào trục động cơlàm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả lại nguồn (hay còn gọi là hãm táisinh)

Hình 2.19 Hãm tái sinh do động năng

Hãm tái sinh do thế năng: Khi đảo chiều điện áp phần ứng M có dạng mômen thế năngc(Mc = M ) Đảo chiều điện áp phần ứng → đảo chiều tốc độ + ω → – ω , động cơ sẽ dầntn 0 0chuyển sang đường đặc tính – U, và sẽ làm việc tại điểm B (|ω | > |ω |).B 0

Về mặt năng lượng, do thế năng tích luỹ ở trên cao lớn sẽ tuôn vào động cơ, làm cho động

cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả lại nguồn

Hình 2.20 Hãm tái sinh do thế năng

2.1.5.2 Hãm ngược

a Hãm ngược do thế năng

Đưa điện trở lớn vào mạch phần ứng:

Hình 2.22 Hãm ngược do động năng

Khi đổi chiều điện áp phần ứng, động cơ từ điểm làm việc A (chế độ động cơ) sangđiểm B (chế độ hãm), điểm C và xác lập ở D nếu phụ tải ma sát Đoạn BC là đoạn hãmngược, lúc này dòng hãm và mômen hãm của động cơ:

Hình 2.23 Hãm động năng kích từ độc lập

Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng nếu mômen cản là phản kháng thì động

cơ sẽ dừng hẳn (các đoạn B hoặc B ) 10 20

Nếu mômen cản là thế năng thì dưới tác dụng của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngượclại tại các điểm C và C (ω hoặc ω1 2 ôđ1 ôđ2)

Hình 2.24 Hãm động năng tự kích từ

Trong quá trình hãm, tốc độ giảm dần và dòng kích từ cũng giảm dần, do đó từ thôngcủa động cơ cũng giảm dần và là hàm của tốc độ, vì vậy các đặc tính cơ khi hãm động năng

tự kích từ giống như đặc tính không tải của máy phát tự kích từ

So với phương pháp hãm ngược, hãm động năng có hiệu quả hơn khi có cùng tốc độhãm ban đầu, nhất là tốn ít năng lượng hơn

2.2.1 Giới thiệu chung

 Dựa theo số pha nguồn cấp cho các van chỉnh lưu: 1 pha, 2 pha, 3 pha, 6 pha

 Dựa theo loại van bán dẫn:

- Mạch chỉnh lưu không điều khiển

- Mạch chỉnh lưu bán điều khiển.

 Dựa theo sơ đồ mắc van:

 Sơ đồ hình tia: Số van bằng số pha nguồn cung cấp Các van đấu chung một đầu nào

đó với nhau: Anode chung hoặc Cathode chung

 Sơ đồ hình cầu: Một nữa số van mắc chung nhâu Anode, một nữa số van mắc chungCathode

2.2.1.3 Đặc điểm của điện áp và dòng điện chỉnh lưu:

p: Số xung đập mạch của sóng điện áp chỉnh lưu

f σ(1): Tần số của sóng điều hòa bậc 1 thành phần xoay chiều của ud.

I σ (n)= U σ (n)

√R2

+[ω σ (n ) L]2Với:

i d: Giá trị tức thời của dòng điện chỉnh lưu

iD2= i ; i = i = 0.d D4 D3

- Trong nửa chu kỳ sau ωt = π đến 2π, điện áp - u dương, khi đó cặp van D và D bị2 1 2phân cực ngược, nên không dẫn điện Còn cặp van D và D phân cực thuận nên dẫn điện4 3cho dòng điện qua tải Khi đó ta có: uD4 = u = 0; u = u = uD3 D1 D2 2≤0; u = - ud 2≥0; i = i = id ;D4 D3

iD1 = i = 0.D2

Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự

2.2.2.3 Điện áp và dòng điện chỉnh lưu:

 Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu :

Các chu kỳ tiếp theo lặp lại tương tự.

2.2.3.3 Điện áp và dòng điện chỉnh lưu:

 Điện áp trung bình trên tải:

Utải = 2.21

π∫

α

π +α

√2U2sinωtdt= 0,9U cos 2 α

 Dòng điện trung bình qua Thyristor :

2.2.4 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển:

2.2.4.1 Sơ đồ nguyên lí:

Hình 2.29 Sơ đồ nguyên lí mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển thyristor

Cathote mắc chung

2.2.4.2 Nguyên lí làm việc:

- Trong khoảng:α -> π thì van T và D dẫn.1 2

- Trong khoảng: π -> π +α thì van T và D dẫn.1 1

- Trong khoảng:π +α -> 2π thì van T và D dẫn.2 1

- Trong khoảng: 2π -> 2π +α thì van T và D dẫn.2 2

Quá trình các chu kỳ sau được lặp lại tương tự

Qua đây ta thấy khi mạch làm việc có hai đoạn có hiện tượng dẫn thẳng hàng của haivan: T và D ; van T và D Do đó khoảng thời gian này điện áp trên tải bị ngắn mạch u = 01 1 2 2 d (v) Các đoạn khác ud bám theo điện áp nguồn Như vậy dòng điện qua tải id vẫn liên tụccòn dòng điện qua máy biến áp nguồn thì gián đoạn Điều này có lợi về mặt năng lượng vìnăng lượng không cần lấy từ nguồn mà vẫn duy trì được trong tải

2.2.4.3 Điện áp và dòng điện chỉnh lưu:

 Điện áp trung bình trên tải :