Đồ Án liên môn (pbl2) Đề tài thiết kế hệ thống truyền Động Điện sử dụng Động cơ Đồng bộ 3 phatải chuyển Động quay

6 Đồ thị công suất mong muốn của động cơ sau khi tính toán sơ bộ .... 2 Tải hệ thống truyền động điện Bài toán của chúng ta ở đây là thiết kế hệ thống truyền động điện để là cho cơ cấu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TẢI CHUYỂN ĐỘNG QUAY

Giảng viên hướng dẫn TS.Nguyễn Khánh Quang

Sinh viên thực hiện Nguyễn Quang Quân-105210329

Trần Đức Thịnh - 105210337 Nguyễn Xuân Bình - 105210306

Lê Viết Tâm – 105170310 Lớp học phần 21.32B

Đà Nẵng - 2024

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

VÀ TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 4

1.1 Tổng quan hệ thống và phân tích yêu cầu công nghệ: 6

1.2 Tính chọn động cơ: 7

1.2.1 Tốc độ mong muốn của động cơ: 7

1.2.2 Tính toán momen yêu cầu của tải: 8

1.2.3 Công suất trên trục động cơ: 10

1.2.4 Momen đẳng trị và công suất đẳng trị: 11

1.2.5 Lựa chọn động cơ: 12

1.2.6 Lựa chọn hộp số động cơ: 13

1.2.7 Kiểm nghiệm lại động cơ 15

1.3 Mô phỏng động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ bằng Matlab Simulink: 18

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 22

2.1 Lựa chọn phương án truyền động: 22

2.2 Tính chọn các thành phần của hệ thống điều khiển truyền động điện: 24

2.2.1 Tính chọn mạch chỉnh lưu: 24

2.2.2 Tính chọn nghịch lưu: 27

2.2.3 Tính chọn bộ lọc: 29

2.2.4 Kết luận 30

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG PHẦN MẠCH ĐỘNG LỰC 31

3.1 Mô phỏng mạch chỉnh lưu diode: 31

3.2 Mô phỏng mạch nghịch lưu: 33

3.3 Sơ đồ mô phỏng tổng quát: 36

3.4 Phương pháp điều khiển độ rộng xung 39

3.4.1 Giới thiệu về PWM 39

3.4.2 Nguyên lí của phương pháp PWM 40

3.4.3 Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển 41

3.4.4 Ưu nhược điểm của mạch PWM dùng làm mạch điều khiển động cơ 41

CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ MẠCH TOÀN HỆ THỐNG – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 42

4.1 Mô hình toàn bộ hệ thống trên phần mềm Matlab-Simulink 42

4.2 Bộ phát xung SPWM 42

4.3 Đồ thị các thông số và đánh giá kết quả 43

4.4 Đánh giá kết quả và hướng phát triển: 45

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ 6

Hình 1 2 Tải hệ thống truyền động điện 6

Hình 1.3 Đồ thị tốc độ mong muốn của tải 7

Hình 1 4 Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ 8

Hình 1 5 Đồ thị momen mong muốn của động cơ sau khi tính toán sơ bộ 9

Hình 1 6 Đồ thị công suất mong muốn của động cơ sau khi tính toán sơ bộ 11

Hình 1 7 Động cơ P21R 225 S4 13

Hình 1 8 Hộp số Worm Gear 1:7.5 14

Hình 1 9 Đồ thị momen động cơ sau khi kiểm nghiệm 16

Hình 1 10 Đồ thị công suất của động cơ sau kiểm nghiệm 18

Hình 1 11 Mô phỏng động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ trong Matlab Simulink 18

Hình 1 12 Lựa chọn thông số động cơ 19

Hình 1 13 Điền thông số của tải đặt vào động cơ 20

Hình 1 14 Đồ thị biểu thị tốc độ và momen điện từ của động cơ 21

Hình 2 1 Sơ đồ mạch điện của biến tần 23

Hình 2 2 Biến đổi điện áp/tần số qua biến tần 23

Hình 2 3 Bộ biến tần 23

Hình 2 4 Cấu tạo mạch chỉnh lưu cầu 3 pha diode 24

Hình 2 5 Đồ thị điện áp dây sau chỉnh lưu 24

Hình 2 6 Diode D42-32-06-N0 26

Hình 2 7 Sơ đồ điện áp ra sau nghịch lưu 27

Hình 2 8 Cấu trúc bộ nghịch lưu 28

Hình 2 9 IGBT STGW80H65DFB 28

Hình 2 10 Mạch lọc 1 chiều LC 29

Hình 3 1 Sơ đồ mô phỏng mạch chỉnh lư bằng Matlab – Simulink 31

Hình 3 2 Đồ thị điện áp nguồn 32

Hình 3 3 Đồ thị đòng điện sau chỉnh lưu 32

Hình 3 4 Sơ đồ mô phỏng mạch nghịch lưu bằng Matlab - Simulink 33

Hình 3 5 Đồ thị điện áp ra sau nghịch lưu 34

Hình 3 6 Đồ thị dòng điện ra sau chỉnh lưu 34

Hình 3 7 Đồ thị dòng điện pha a sau nghịch lưu 35

Hình 3 8 Đồ thị điện áp giữa pha a và pha b sau nghịch lưu 35

Hình 3 9 Sơ đồ mô phỏng tổng quát phần mạch động lực 36

Hình 3 10 Sơ đồ dòng điện sau khi qua chỉnh lưu 37

Hình 3 11 Sơ đồ điện áp sau khi ra bộ chỉnh lưu 37

Hình 3 12 Sơ đồ tốc độ và momen của động cơ 38

Hình 3 13 Dạng sóng đầu vào và đầu ra của so sánh 40

Hình 3 14 Độ rộng xung 40

Hình 4 1 Sơ đồ mạch toàn hệ thống trên Matlab - Simulink 42

Hình 4 2 Bộ phát xung SPWM 42

Hình 4 3 Đồ thị biểu diễn tốc độ và moment của động cơ khi không tải 43

Hình 4 4 Đồ thị biểu diễn moment đặt vào động cơ 44

Hình 4 5 Đồ thị biểu diễn tốc độ và momen của động cơ khi có tải 44

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN YÊU CẦU CỦA TẢI VÀ TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ

1.1 Tổng quan hệ thống và phân tích yêu cầu công nghệ:

Mô tả dự án:

Hình 1 1 Hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ

Thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha đồng bộ gồm 2 bánh răng có bán kính 𝑟1 và 𝑟2 với các số liệu ban đầu như sau:

• Nguồn cấp cho động cơ: nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V/380V

• Tải của hệ thống truyền động điện được cho như hình vẽ với:

𝑟1𝑟2= 4,5 ; 𝑇𝐿 = 30(𝑁𝑚) ; 𝐽𝐿 = 3 (𝑘𝑔 𝑚

2)

Hình 1 2 Tải hệ thống truyền động điện

Bài toán của chúng ta ở đây là thiết kế hệ thống truyền động điện để là cho cơ cấu bánh

răng hoạt động, và quay được tải chạy đúng theo yêu cầu mà hệ mong muốn

Ta có đồ thị tốc độ mong muốn của tải:

Điều khiển động cơ dễ dàng, điều khiển động cơ có đảo chiều quay

Tính chọn được các thiết bị của hệ thống (động cơ, gearbox, biến tần…) các thiết bị được

chọn đảm bảo yều cầu kĩ thuật và yêu cầu kinh tế

Từ đồ thị tốc độ mong muốn của phụ tải đã cho sẵn, tìm ra đồ thị tốc độ của động cơ

1.2.1 Tốc độ mong muốn của động cơ:

Từ đồ thị tốc độ mong muốn của phụ tải đã cho sẵn, tìm ra đồ thị tốc độ của động cơ

Vì động cơ và tải quay ngược chiều với nhau, và có tốc độ dài bằng nhau nên ta có:

Đồ thị mong muốn của động cơ lúc này như sau:

Hình 1.3 Đồ thị tốc độ mong muốn của tải

Hình 1 4 Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ

Dựa vào đồ thị trên, ta có thể xác định quá trình diễn ra trong 6 giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Động cơ từ 𝜔𝑀 = 0 𝑟𝑎𝑑/𝑠 đến 𝜔𝑀 = −22.22𝑟𝑎𝑑/𝑠 trong vòng 1s

• Giai đoạn 2: Động cơ giữ nguyên tốc độ 𝜔𝑀= −22.22 𝑟𝑎𝑑/𝑠 trong vòng 2s

• Giai đoạn 3 : Động cơ tăng ngay lập tức về 𝜔𝑀 = 0 𝑟𝑎𝑑/𝑠 trong vòng 0,59s

• Giai đoạn 4: Động cơ quay theo chiều ngược lại, tốc độ từ 𝜔𝑀 = 0 𝑟𝑎𝑑/𝑠 đến 𝜔𝑀

= 15.56 𝑟𝑎𝑑/𝑠 trong vòng 0,41s

• Giai đoạn 5: Động cơ giữ nguyên tốc độ 𝜔𝑀= 15.56 𝑟𝑎𝑑/𝑠 trong vòng 2s

• Giai đoạn 6: Động cơ tắt dần về 𝜔𝑀 = 0 𝑟𝑎𝑑/𝑠 trong vòng 1s

1.2.2 Tính toán momen yêu cầu của tải:

Vì chưa chọn động cơ nên ta bỏ qua giá trị 𝐽𝑀, Ta có công thức tính sơ bộ momen cần để động cơ cung cấp cho tải như sau:

1.2.3 Công suất trên trục động cơ:

Công thức tính công suất của động cơ theo từng giai đoạn:

Hình 1 6 Đồ thị công suất mong muốn của động cơ sau khi tính toán sơ bộ

1.2.4 Momen đẳng trị và công suất đẳng trị:

Tính chọn Momen đẳng trị Tđt và công suất đẳng trị Pđt

= √P1 ∆t1+P3 ∆t2+P5 ∆t3+P7 ∆t4+P9 ∆t5+P112 ∆t6

t1+t2+t3+t4+t5+t6

= √(32997)2 1+(3000)2 2+02 0.59+(33765)2 0.41+(−2101)2 2+02 1

- Trong quá trình vận hành, công suất động cơ tức thời đạt giá trị max với Pmax=

47840W, Chọn Service Factor = 1.2, vậy nên ta phải chọn động cơ có công suất động cơ

Pmotor như sau:

➢ Pmotor > Pmax

1.2 = 47840

1.2 = 39867 (W)

1.2.5 Lựa chọn động cơ:

Dựa vào Pđm , ta tính được ở trên, suy ra Pmotor > 39867 (W), ta chọn động cơ P21R 225 S4

có các thông số như sau:

Hình 1 7 Động cơ P21R 225 S4

1.2.6 Chọn hộp số động cơ:

Ta có tốc độ định mức của động cơ là 157.08 rad/s trong khi tốc độ lớn nhất ta tính theo yêu cầu là 22.22 rad/s nên ta chọn hộp số động cơ có hệ số truyền bằng 7.5

Hình 1 8 Hộp số Worm Gear 1:7.5

1.2.7 Bảng vẽ hộp số

1.2.7 Kiểm nghiệm lại động cơ

Từ đó ta tính được mô men định mức quy đổi của động cơ khi qua hộp số:

Kiểm nghiệm lại mô men trên đầu trục động cơ:

Gọi Jeq là mô men quán tính tương đương quy về động cơ

Theo phương trình động năng của hệ ta có:

- Giai đoạn 4: Từ 3,58 đến 4s

Ta thấy mô men điện từ trước và sau khi chọn động cơ đều xấp xỉ bằng nhau.

Hình 1 9 Đồ thị momen động cơ sau khi kiểm nghiệm

Kiểm nghiệm lại công suất của động cơ:

Tại đây ta áp dụng công thức tính công suất của động cơ (1.5) như sau:

𝑃 = 𝑇𝑒𝑚 𝜔𝑀

Lúc này ta có:

Hình 1 10 Đồ thị công suất của động cơ sau kiểm nghiệm

1.3 Mô phỏng động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ bằng Matlab Simulink:

Các bước thực hiện mô phỏng:

• Dùng công cụ Simulink library browser để lấy ra các khối cần để mô phỏng Sau

đó nối các khối lại với nhau theo hình trên

• Nhấn đúp vào khối động cơ và chọn loại động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ thích hợp:

Hình 1 12 Lựa chọn thông số động cơ

• Nối các đầu dương của nguồn với các điểm A,B,C trên động cơ để cấp nguồn điện xoay chiều cho động cơ Đầu còn lại nối đất Chọn giá trị điện áp 220*√2, Tần số 50Hz và chọn giá trị pha tương ứng 0𝑜, −120𝑜, −240𝑜

• Chọn khối Step dùng làm tải

Hình 1 13 Điền thông số của tải đặt vào động cơ

• Lấy ra tín hiệu tốc độ Rotor và Momen điện từ từ động cơ đưa vào khối Scope để

hiển thị đồ thị

• Thêm tải vào thời điểm 1s

Chức năng của các khối:

• Khối Step: dùng làm tải

• Khối Scope: Hiển thị đồ thị

• Vôn kế: Để đo điện áp xoay chiều ba pha

*Lưu ý: Phải thêm khối Powergui để có thể chạy được mô phỏng

Kết quả mô phỏng:

Hình 1 14 Đồ thị biểu thị tốc độ và momen điện từ của động cơ

Nhận xét:

- Tốc độ: Lúc khởi động do moment và dòng điện lớn nên tốc độ động cơ có dao động,

sau đó ổn định.Sau đó 1s, khi đóng tải, đồ thị lại dao động do momen và dòng điện thay đổi đột ngột và sau một khoảng thời gian lại ổn định, tốc độ động cơ không đổi

- Moment điện từ: Momen động cơ tỉ lệ với dòng điện và tỉ lệ với đòng điện đặt trong từ

trường Khi đóng tải, tốc độ bị sụt giảm tạo ra dao động nên dòng điện sẽ tăng lên nên momen điện từ cũng tăng lên.Sau thời gian ngắn moment điện từ cân bằng với moment tải thì tốc độ quay sẽ ổn định

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỆN TỬ

CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Giới thiệu nội dung của chương: Trong chương này, nhóm sẽ đưa ra sự lựa chọn về

mạch công suất điều khiển động cơ cũng như trình bày quá trình tính toán các thành phần của mạch công suất để có thể bước vào quá trình mô phỏng, phân tính và đánh giá – quá trình này cũng được thể hiện trong nội dung của chương

2.1 Lựa chọn phương án truyền động:

Với động cơ điện xoay chiều 3 pha đồng bộ, có thể thay đổi tốc độ bằng nhiều cách: thay đổi điện áp cấp vào động cơ, điều chỉnh điện trở rotor, bộ biến tần… Cần phải lựa chọn phương án phù hợp với yêu cầu bài toán

Tốc độ quay của động cơ được tính bằng biểu thức: 𝝎𝒔=𝟐𝝅𝒇

𝒑 (2.1) Trong đó f là tần số nguồn cung cấp; p là số cặp cực của động cơ

Từ công thức trên ta thấy điều chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ điều chỉnh được tốc độ động

cơ Do vậy cấu trúc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bao giờ cũng có bộ biến đổi tần số

Vì thế phương án truyền động đưa ra là điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần

số thông qua điều khiển các van bán dẫn của bộ nghịch lưu

• 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, hiệu quả năng lượng cao

• Nhược điểm: Giá thành cao, cần bảo trì đều đặn để đảm bảo độ bền và hiệu suất của

bộ biến tần

Vậy ta sử dụng biến tần (Inverter) để thay đổi tần số của nguồn xoay chiều 3 pha, từ đó

thay đổi được tốc độ động cơ mong muốn

Hình 2 1 Sơ đồ mạch điện của biến tần

Hình 2 2 Biến đổi điện áp/tần số qua biến tần

Hình 2 3 Bộ biến tần

2.2 Tính chọn các thành phần của hệ thống điều khiển truyền động điện:

2.2.1 Tính chọn mạch chỉnh lưu:

Nguyên lý của bộ chỉnh lưu:

Hình 2 4 Cấu tạo mạch chỉnh lưu cầu 3 pha diode

Hình 2 5 Đồ thị điện áp dây sau chỉnh lưu

• Từ 150° đến 180°

Ở chu kì điện áp U3 lớn nhất nên V5 dẫn, U1 nhỏ nhất nên V4 dẫn Dòng điện đi từ nguồn U3 qua V5, qua tải, đến V4 về nguồn U1 Nên điện áp chỉnh lưu Ud = U3 – U1

Cấu trúc bộ chỉnh lưu cầu 3 pha:

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

- Điện áp xoay chiều 3 pha: 220/380V

- Điện áp sau bộ chỉnh lưu:

𝑈𝑛𝑔 = 𝑈√6 = 220√6 = 539 𝑉 (2.3)

-Chọn hệ số dự trữ 𝐾 = 1,3

Nên điện áp ngược 𝑈′𝑛𝑔 = 𝐾𝑈𝑛𝑔 = 1,3.539 = 700 𝑉

Dòng điện định mức của động cơ: 𝐼đ𝑚 = 78𝐴

Suy ra dòng điện trung bình qua các van:

𝐼𝑣𝑎𝑛 =𝐼đ𝑚

𝐼′𝑣𝑎𝑛 = 𝐾𝐼𝑣𝑎𝑛 = 1,3.26 = 33,8𝐴

Vậy chọn diode D42-32-06-N0 có các thông số:

- Điện áp ngược: Ung = 600 V

- Dòng định mức: Iđm= 32 A

2.2.2 Tính chọn nghịch lưu:

Nguyên lý mạch chỉnh lưu:

Hình 2 7 Sơ đồ điện áp ra sau nghịch lưu

Để tạo ra điện áp 3 pha đối xứng, luật dẫn điện của các van phải tuân theo:

• T1 và T4 dẫn lệch nhau 𝜋 và tạo ra pha A

• T2 và T5 dẫn lệch nhau 𝜋 và tạo ra pha C

• T3 và T6 dẫn lêch nhau 𝜋 và tạo ra pha B

Các pha lệch nhau góc 2𝜋

3 Dạng điện áp ra trên tải được xác định:

• Trong khoảng 0 -> t1: T1, T6, T5 dẫn,ta thấy 𝑈𝑍𝐴 = E/3

• Trong khoảng t1 -> t2: T1, T2, T6 dẫn,ta thấy 𝑈𝑍𝐴 = 2E/3

• Trong khoảng t2 -> t3: T1, T2, T3 dẫn, ta thấy 𝑈𝑍𝐴 = E/3

• Trong khoảng t3 -> t4: T2, T3, T4 dẫn, ta thấy 𝑈𝑍𝐴 = -E/3

• Trong khoảng t4 -> t5: T3, T4, T5 dẫn, ta thấy 𝑈𝑍𝐴 = -2E/3

• Trong khoảng t5 -> t6: T4, T5, T6 dẫn, ta thấy 𝑈𝑍𝐴 = -E/3

Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 pha:

Hình 2 8 Cấu trúc bộ nghịch lưu

Ta chọn hệ số dự trữ điện áp: 𝑲𝒖 = 𝟏, 𝟐

- Điện áp ngược đặt lên IGBT là: 𝑼𝒏𝒈 = 𝑲𝒖𝑼𝒅 = 𝟏, 𝟐 𝟓𝟏𝟓 = 𝟔𝟏𝟖 𝑽 (2.5)

- Dòng điện qua mỗi van: 𝑰đ𝒎 = 𝑷đ𝒎

2.2.3 Tính chọn bộ lọc:

Để giảm sự nhấp nhô của dòng điện sau chỉnh lưu ta có thể dùng cuộn cảm L và để giảm

sự nhấp nhô của điện áp sau chỉnh lưu ta dùng tụ điện C Vì thế chọn bộ lọc LC tuân thủ

2.2.4 Kết luận

Thành phần trong hệ thống truyền đồng điện:

Động cơ P21R 225 S4 Công suất định mức 45 KW

Tốc độ định mức 1500 vòng/phút Dòng điện định mức 78A

Momen quán tính của roto 0,269 Kg 𝑚2Hộp số Worm Gear 1:7.5 Công suất đầu vào 0.06 – 45KW (4 poles

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG PHẦN MẠCH ĐỘNG LỰC

3.1 Mô phỏng mạch chỉnh lưu diode:

Hình 3 1 Sơ đồ mô phỏng mạch chỉnh lưu bằng Matlab – Simulink

Nhận xét: Đồ thị dòng điện và điện áp đầu ra cho thấy được dòng điện sau bộ chỉnh lưu

là dòng 1 chiều, đúng với yêu cầu Nhưng giá trị của dòng điện và điện áp vẫn còn nhấp nhô khá lớn do chưa có bộ lọc

Hình 3 5 Đồ thị điện áp ra sau nghịch lưu

Hình 3 6 Đồ thị dòng điện ra sau nghịch lưu

Hình 3 7 Đồ thị dòng điện pha a sau nghịch lưu

Hình 3 8 Đồ thị điện áp giữa pha a và pha b sau nghịch lưu

Nhận xét: Do bộ điều khiển là bộ điều chế độ rộng xung-PWM nên tín hiệu ra của bộ điều

khiển là xung vuông (so sánh điện áp điều khiển hình sin và điện áp tam giác cân)

Từ nguồn 1 chiều DC, sau khi qua bộ nghịch lưu thì dòng điện và điện áp đã chuyển sang

3.3 Sơ đồ mô phỏng tổng quát:

Hình 3 9 Sơ đồ mô phỏng tổng quát phần mạch động lực

Sơ đồ bao gồm:

• Động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ

• 3 nguồn điện xoay chiều 220√2 V có số pha lần lượt là 0°, −120° , −240° cấp cho mạch chỉnh lưu

• 6 diode trong mạch chỉnh lưu

• Cuộn dây L và tụ điện C tính toán ở phần mạch lọc

• 6 IGBT trong mạch nghịch lưu

• Khối phát xung PWM Generator cấp xung cho 6 van của IGBT

• Khối Step cấp tải vào động cơ

• Khối Powergui để có thể mô phỏng sơ đồ

• Các Scope để thấy được tín hiệu đầu ra