Yêu cầu đề tài: Dự án thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ yêu cầu sinh viên cùng làm việc trong nhóm để thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát
Tổng quan về hệ thống
Yêu cầu đề tài
Dự án thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ yêu cầu sinh viên làm việc nhóm để phát triển hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện Hệ thống này sẽ điều chỉnh tốc độ động cơ tự động theo yêu cầu, cho phép tải hoạt động hiệu quả Để đạt được sự tự động hóa, cần thiết kế một bộ điều khiển điều chỉnh động cơ qua bộ biến đổi công suất, nhằm tạo ra điện áp và tần số phù hợp cho động cơ.
Dự án cung cấp các sản phẩm bao gồm bản vẽ mô hình hệ thống tải, mạch nguyên lý và sơ đồ mô phỏng Ngoài ra, còn có mô phỏng bộ điều khiển động cơ khi mang tải và đo lường giá trị tốc độ cùng dòng điện.
Công việc Nhân công Thời gian thực hiện (tuần)
Lựa chọn đề tài Cả nhóm 1/7
Tìm hiểu lý thuyết truyền động điện Cả nhóm 2
Tìm hiểu mạch điều khiển và bộ biến đổi công suất
Tính toán yêu cầu của tải T.Bảo, G.Bảo 2
Mô phỏng trên Matlab, proteus N.Cát, V.Trường 2
Tính chọn mạch biến đổi công suất N.Cát, V.Trường, T.Bảo 3
Lập trình Arduino V.Trường, G.Bảo, P.Duy, T Bảo 1
Khởi chạy hệ thống, sửa lỗi G.Bảo, P.Duy 3
Lựa chọn, mua linh kiện,
Lắp ráp mô hình Cả nhóm 4
Viết báo cáo P.Duy, G.Bảo 1 và hiển thị thông số đó trên máy tính Trong trường hợp quay lại trường sớm các nhóm làm prototype sản phẩm.
Tiến hành mô phỏng hệ truyền động điện, kiểm tra và hiệu chỉnh, làm cơ sở cho việc lắp ráp hệ thống, thực nghiệm và viết báo cáo.
Cấu trúc của hệ thống
1 1 bộ nguồn xoay chiều ba pha.
6 1 động cơ xoay chiều ba pha.
Chức năng của các khối hệ thống
- Nguồn điện (Source): Là nơi cấp nguồn điện áp xoay chiều hoặc điện áp một chiều cho bộ biến đổi công suất( Nguồn AC, DC).
Bộ biến đổi công suất (Power inverter) là thiết bị quan trọng trong các hệ thống truyền động hiện đại, bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ băm điện áp, bộ điện áp xoay chiều và bộ biến tần, với các linh kiện công suất đặc trưng Trong hệ truyền động truyền thống, các bộ biến đổi này chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều để cung cấp năng lượng cho rotor hoạt động hiệu quả.
Động cơ điện bao gồm động cơ điện một chiều, động cơ ba pha không đồng bộ và động cơ ba pha đồng bộ, hoạt động chủ yếu ở chế độ động cơ để chuyển đổi dòng điện xoay chiều hoặc một chiều từ bộ biến đổi công suất thành cơ năng, cung cấp cho tải hoặc máy sản xuất Khi hoạt động ở chế độ máy phát điện, động cơ điện giảm động năng, biến cơ năng thành điện năng để cung cấp lại cho nguồn hoặc tiêu tán qua điện trở hãm.
Tải (Load) là tập hợp các loại động cơ được sử dụng trong hệ thống truyền động, như động cơ xe máy và dây chuyền sản xuất Đây là thiết bị giúp trục động cơ tiếp nhận năng lượng Tải có thể được phân loại thành hai loại chính: tải truyền động tịnh tiến và tải truyền động quay.
Bộ điều khiển, bao gồm vi xử lý, vi điều khiển, máy tính công nghiệp, PLC và Arduino, được lập trình để thực hiện các thuật toán điều khiển truyền động và điều chỉnh quá trình công nghệ Bằng cách sử dụng thông tin phản hồi về tốc độ và dòng điện cùng với giá trị mong muốn ở đầu vào, các thuật toán này tính toán ra các giá trị đầu vào U* và f* cần thiết để điều khiển tốc độ thực của động cơ theo giá trị đặt mong muốn.
Cảm biến được sử dụng để đo lường phản hồi về tốc độ và dòng điện của động cơ Trong các hệ thống truyền động kín, tín hiệu phản hồi này sẽ được gửi về bộ điều khiển để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Nguyên lí hoạt động của hệ thống
Phần điện cung cấp nguồn điện có thể là xoay chiều hoặc một chiều cho bộ biến đổi công suất, giúp chuyển đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều Dòng điện xoay chiều này được cấp vào động cơ điện, làm quay rotor và tạo ra cơ năng.
- Phần cơ: Cơ năng được tạo ra bởi rotor cấp vào tải.
Trong phần tín hiệu, các cảm biến sẽ đọc lại các giá trị thực như tốc độ quay và cường độ dòng điện, sau đó cung cấp cho bộ điều khiển giá trị phản hồi Bộ điều khiển nhận giá trị đặt mong muốn và điều chỉnh giá trị thực để đạt được giá trị đặt này, từ đó cung cấp điện áp cho bộ biến đổi công suất Bộ biến đổi công suất sẽ điều chỉnh các thông số phù hợp với yêu cầu đầu vào của động cơ điện.
Tính toán yêu cầu của tải và tính chọn công suất động cơ
Tính toán yêu cầu của tải
Hình 1.2 Sơ đồ tải chuyển động quay.
Tem: mô-men của động cơ (N.m)
JM: mô-men quán tính của động cơ (kg.m 2 )
r1, r2: bán kính của bánh răng (m)
T1, T2: lần lượt là mô-men trên các bánh răng r1, r2
ωM: tốc độ trên trục động cơ (rad/s)
ωL: tốc độ của tải (rad/s)
TL: mô-men của tải (Nm)
JL: mô-men quán tính của tải (kg.m 2 )
Tốc độ mong muốn của động cơ
Vì động cơ và tải quay cùng chiều và có cùng tốc độ nên ta có:
Dựa vào bảng số liệu trên ta có được đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ:
Hình 1.3 Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ.
Dựa vào Hình 1.3, ta xác định được quá trình diễn ra trong các giai đoạn:
Trong giai đoạn từ 0 – 0.25s: động cơ được cấp điện, tốc độ độn cơ tăng dần từ
Trong giai đoạn từ 0.25 – 0.75s: động cơ quay ổn định với tốc độ xác lập bằng
Trong khoảng thời gian từ 0.75 đến 1.25 giây, động cơ chuyển sang trạng thái hãm, với tốc độ giảm dần từ 8.33 rad/s xuống 0 rad/s Sau đó, tốc độ của động cơ bắt đầu tăng trở lại từ 0 rad/s lên 8.33 rad/s theo chiều ngược lại.
Trong giai đoạn từ 1.25 – 1.75s: động cơ quay với tốc độ xác lập 8.33 (rad/s).
Trong giai đoạn từ 1.75 - 2s: động cơ rơi vào trạng thái hãm, tốc độ động cơ g iảm dần từ 8.33 (rad/s) về 0 (rad/s)
Momen xoắn của động cơ
Từ tốc độ mong muốn của động cơ, ta tính momen động cơ như sau:
Công thức Momen: ( T em − J M dω dt M ) ω ω M L
Hệ số từ datasheet động cơ:
T em =4(N m) , J M =0.33 ( kg m 2 ) ω M &4.3(rad/s)(Rpm%00) , dω dt M =8.3 (3)
Giai đoạn Phương trình ω m Momen T L
Dựa vào bảng số liệu trên ta có được đồ thị momen của động cơ:
Hình 1.4 Đồ thị momen của động cơ.
Dựa vào đồ thị momen của động cơ ta tính được momen đẳng trị:
Chọn hệ số dự trữ Kp =1.5, ta có:
T đẳng trịmax =Kp ×T đẳng trị =1.5×20√20√2B,42 (N.m)
Công suất động cơ
Công suất của động cơ:
Giai đoạn Phương trình ω m Momen T L Công suất
Dựa vào bảng số liệu trên ta có được đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ:
Hình 1.5 Đồ thị công suất của động cơ.
Dựa vào đồ thị của công suất động cơ ta tính được công suất đẳng trị:
Chọn hệ số dự trữ Kp=1.2, ta có:
Lựa chọn phương án truyền động điện
đồ thị đặc tính cơ tự nhiên và các tham số cần thiết
Để xác định phương án truyền động phù hợp cho động cơ, cần xem xét góc phần tư hoạt động và các trạng thái tải mà động cơ sẽ trải qua Điều này đòi hỏi phân tích trạng thái làm việc ban đầu của động cơ cùng với các tham số ảnh hưởng đến hiệu suất của nó.
Các tham số ảnh hưởng đến đồ thị đặc tính cơ:
Phương trình đặc tính cơ: ω 1 =2π × f 1
Phương trình Moment điện từ:
Phương trình Moment chuyển động:
M−M c =Jdω dtHình 1.6 Đồ thị đặc tính cơ tự nhiên ở chế độ xác lập
Động cơ hoạt động ở trạng thái ổn định khi M −M c =Jdω dt =0.
Động cơ tăng dần tốc độ khi M −M c =J dω dt >0.
Động cơ giảm dần tốc độ khi M −M c =J dω dt 0, động cơ tăng tốc
Ở góc phần tư thứ II, khi đảo chiều hai dây pha của động cơ và kết nối các điện trở phụ, động cơ chuyển sang trạng thái máy phát Trong khoảng thời gian từ 0.75s đến 1s, quá trình hãm ngược diễn ra, dẫn đến sự thay đổi các tham số trong phương trình, cụ thể là ω 1 = 2π × f 1.
√ R 1 2 + X nm 2 > 0 , S th tăng thay đổi góc cong
I 1 =U 1 [ √ R μ 2 1 + X 2 μ ] Dòng Stator không thay đổi
→ Dòng Rotor tăng và Moment điện từ giảm
M−M c=J dω dt 0, tốc độ động cơ tăng.
Trong góc phần tư thứ IV, động cơ được đảo chiều 2 dây pha và kết nối các điện trở phụ để thay đổi đường đặc tính cơ Trong khoảng thời gian từ 1,75s đến 2s, động cơ hoạt động trên đường đặc tính cơ mới ở trạng thái máy phát và thực hiện hãm ngược, với các phương trình tham số ω 1 = 2π × f 1.
Phương án truyền động
→ Dòng Rotor tăng và Moment điện từ giảm
M−M c=J dω dt