Xây dựng mạch điều khiển tốc độ cho hệ truyền động điện động cơ điện DC không đảo chiều có hai mạch vòng điều chỉnh dòng điện và tốc độ với bộ biến đổi là chỉnh lưu cầu ba pha

Ngày nay, động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của xã hội đặc biệt là ngành công nghiệp sản xuất hiện đại,và trong nhiều lĩnh vực đời sông không thể thiếu động cơ điện,vì vậy các động cơ điện được chế tạo ngày càng hoàn thiện hơn .Ngoài động cơ không đồng bộ 3 pha chiếm tỉ lệ lớn trong ngành công nghiệp thì còn động cơ một chiều cũng được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp bởi các ưu điểm : cấu tạo đơn giản ,công suất lớn ,dễ vận hành,dễ điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải.Tuy vậy nó có nhược điểm là giá thành cao ,chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp.Một số ưu điểm trên khiến động cơ điện một chiều không thể thiếu trong ngành công nghiệp sản xuất hiện đại.Mục đích của bài tập lớn là “ Xây dựng mạch điều khiển tốc độ cho hệ truyền động điện động cơ điện DC không đảo chiều có hai mạch vòng điều chỉnh dòng điện và tốc độ với bộ biến đổi là chỉnh lưu cầu ba pha

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của xã hội đặc biệt là ngành công nghiệp sản xuất hiện đại,và trong nhiều lĩnh vực đời sông không thể thiếu động cơ điện,vì vậy các động cơ điện được chế tạo ngày càng hoàn thiện hơn Ngoài động cơ không đồng bộ 3 pha chiếm tỉ lệ lớn trong ngành công nghiệp thì còn động cơ một chiều cũng được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp bởi các ưu điểm : cấu tạo đơn giản ,công suất lớn ,dễ vận hành,dễ điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải.Tuy vậy nó có nhược điểm là giá thành cao ,chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp.Một số ưu điểm trên khiến động cơ điện một chiều không thể thiếu trong ngành công nghiệp sản xuất hiện đại.

Mục đích của bài tập lớn là “ Xây dựng mạch điều khiển tốc độ cho hệ truyền động điện động cơ điện DC không đảo chiều có hai mạch vòng điều chỉnh dòng điện và tốc độ với bộ biến đổi là chỉnh lưu cầu ba pha

.”

Đồ án này được thực hiện với sự giúp đỡ của thầy NguyễnĐăng Toàn cùng các thầy cô trong bộ môn nhóm chúng em đã hoàn thành đồ án Trong qua trình làm vẫn còn nhiều thiếu sót chúng e rất mong nhận được lời dạy bảo của các thầy cô ! Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đăng Toàn cùng toàn thể các thầy cô bộ môn đã giúp đỡ chúng em !

Nội dung đồ án được chia làm 3 chương:

Chương 1: Xây dựng và phân tích sơ đồ cấu trúc điều khiển.

Chương 2: Tổng hợp và mô phỏng bộ điều chỉnh tốc độ.

Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch điều khiển tốc độ cho hệ truyền động điện.

Đề tài : Xây dựng mạch điều khiển tốcđộ cho hệ truyền động điện động cơ điện DC không đảo chiều có hai mạch vòng điều chỉnh dòng điện

và tốc độ với bộ biến đổi là chỉnh lưu cầu ba pha

Cho động cơ 1 chiều kích từ độc lập -91có các số liệu sau: Pđm= 55kW; Uưđm = 400V; Iđm = 155A; nđm=750 v/p; JĐC= 5,9 kg.m2 ; Rư = 0,4(Ω); LΩ); L); Lư= 0,15(Ω); LH).

BỘ ĐIỀU CHỈNH BỘ BIẾN ĐỔI



ĐỘNG CƠ

Chương 1: Xây dựng và phân tích sơ đồ cấu trúc điều khiển.

Hình 1.1.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển

1.1Khái niệm và chức năng của từng khối trong mạch

 Bộ điều chỉnh : Bộ điều chỉnh là một trong các phần tử quan trọng nhất

trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện bởi vì nó đảm bảo chất

lượng động và tĩnh của hệ Nó có 2 nhiệm vụ:

- Khuếch đại tín hiệu sai lệch nhỏ của hệ.

- Tạo hàm điều khiển đảm bảo chất lượng động và tĩnh của hệ tùy

theo loại tín hiệu điều khiển mà ta có các bộ điều chỉnh tương tự,

bộ điều chỉnh xung và bộ điều chỉnh số.

 Bộ biến đổi : Bộ biến đổi là thiết bị điện-điện tử nhằm biến đổi và điều

khiển năng lượng điện sao cho phù hợp với yêu cầu của bài toán điều

khiển,điều truyền động điện là một trong những lĩnh vực ứng dụngrộng

rãi các bộ biến đổi, nhất là điều chỉnh tốc độ động cơ Trọng hệ điều khiển

tự động, các bộ biến đổi thường dùng như: các bộ chỉnh lưu, bộ băm

xung, biến tần, điều áp xoay chiều… Trong bài sử dụng bộ biến đổi là

chỉnh lưu cầu 3 pha.

Uđ

 Động cơ : Là thiết bị dùng để biến đổi một dạng năng lượng nào đó thành

cơ năng Cơ năng này được sử dụng để, chẳng hạn, quay bánh công tác của bơm, quạt hoặc quạt đẩy, chạy máy nén, nâng vật liệu,vv… Các nguồn năng lượng có thể sử dụng để biến đổi thành cơ năng như dầu, xăng, điện….Các động cơ điện được sử dụng trong dân dụng (Ω); Lmáy xay, khoan, quạt gió) và trong công nghiệp là chính.Động cơ điện là thiết bị điện cơ học giúp chuyển điện năng thành cơ năng Có hai loại động cơ điện chính là động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều Ngoài

ra còn có một số động cơ điện đặc biệt khác như động cơ sercvo, động cơ bước, động cơ không chổi than…

Trong bài động cơ sử dụng là động cơ điện một chiều kích từ độc lập(Ω); LĐộng cơ một chiều kích từ độc lập nếu dòng cấp cho cuộn kích từ được cấp từ một nguồn riêng biệt thì đó là động cơ một chiều kích từ độc lập) Ta có sơ đồ của dộng cơ điện một chiều kích từ độc lập.

+) Mạch đảo chiều quay động cơ một chiều:

Nguyên lý hoạt động: ấn nút MT

cuộn hút KT có điện hút các tiếp

điểm KT thường mở đóng lại và

nguồn DC được đưa đến động cơ làm

động cơ quay theo chiều thuận.muốn

dừng động cơ ta ấn nút D ! động cơ

quay theo chiều nghịch ta ấn nút KN

dòng được đưa đến cuộn KN làm các

tiếp điểm KN đóng lại nguồn DC

được đưa đến động cơ làm động cơ

quay theo chiều nghịch muốn dừng t

ấn nút D

 Máy phát tốc: Máy phát tốc được dùng để nhằm mục đích ổn định tốc độ động cơ, lúc này tín hiệu đặt cần phải được so sánh với tín hiệu thực của động cơ để phát hiện sai lệch và ra lệnh điều chỉnh cho phù hợp Máy phát tốc là một máy phát điện Cấu tạo gồm rotor và Stator Rotor thường là nam châm vĩnh cữu Máy phát tốc được lắp ở trục động cơ, trục mát phát điện, hoặc 1 trục quay của máy sản xuất Khi trục động cơ quay, thì rotor của máy phát tốc cũng quay, phía Stator của máy phát tốc sẽ có điện áp Người ta trích lấy điện áp đó để cung cấp cho mạch kiểm soát tốc độ của trục động cơ/ trục máy phát/ trục quay nào đấy.Nó có các nhiệm vụ chính:

- Điều khiển quá trình tăng tốc của động cơ khi khởi động máy.

Giả sử ban đầu hệ thống đã được đóng vào lưới điện với điện áp thích hợp, lúc này động cơ vẫn chưa hoạt động Khi ta đặt một điện áp Uωd ứng với một tốc độ nào đó của động cơ Thông qua bộ điều chỉnh sẽ xuất hiện dòng điện và các xung tới bộ điều khiển Tại đây các tín hiệu sẽ được xử lý và biến dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều Dòng điện một chiều ứng với tốc độ đặt vào được đưa tới động cơ làm động cơ hoạt động.

Trong quá trình làm việc, nếu vì một nguyên nhân nào đó làm cho tốc độ động cơ thay đổi thì thông qua bộ phát tốc sẽ phát hiện ra và biến đổi tín hiệu tốc độ thành tín hiệu điện áp Uω.

Ta có ΔU= UU= Uωd- Uω

Khi tốc độ của động cơ tăng thì tín hiệu được truyền tới máy phát tốc Máy phát tốc có nhiệm vụ đo tốc độ và chiều tín hiệu tốc độ thành tín hiệu điện áp Uω Lúc này Uω giảm dẫn tới ΔU= UU tăng lên làm cho chỉnh lưu điều khiển giảm điện áp đặt vào động cơ làm cho động cơ chạy ổn định Đây là nguyên lý điều chỉnh tốc độ của động cơ.

Chương 2: Tổng hợp và mô phỏng bộ điều chỉnh tốc độ.

I.Tổng hợp động cơ một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp nào đó thì dây quấn kích từ sẽ có dòng điện

và mạch từ của máy sẽ có từ thông .Tiếp đó đặt một giá trị điện áp Uư lên mạch phầnthì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện Iưtương tác dòng điện phần ứng và từthông kích tư tạo thành mômen điện từ.Vậy ta có các phương trình cơ bản của động cơmột chiều

- Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:

Trong đó

Rư: Là điện trở cuộn dây phần ứng

Eư:là sức điện động phần ứng của động cơ

Rf:là điện trở phụ

Iư:là dòng phần ứng

K:là hê số cấu tạo của máy điện

Uư:là điện áp đặt vào phần ứng của động

𝝎:là tốc độ góc của động cơ

𝛷:là từ thong của động cơ

Chuyển các phương trình trên sang dạng toán tử Laplace:

U(Ω); Lp) = Rư.I(Ω); Lp) + L.I(Ω); Lp).p + E(Ω); Lp) (Ω); L2.5)M(Ω); Lp) - Mc(Ω); Lp) = I(Ω); Lp) 𝝎 (Ω); Lp).p

E(Ω); Lp)¿ K.𝝎(Ω); Lp)M(Ω); Lp)¿K.𝛷.I(Ω); Lp)

Ta thành lập được phương trình đặc tính cơ và hàm truyền của động cơ lần lượt nhưsau:

1/jp-Uw

K𝛷

- Thông số động cơ:

1/ R u 1+ p T u K𝛷

+) Hằng số thời gian điều khiển:Tđk=0.0001(Ω); L

+) Hằng số thời gian của máy phát tốc:T𝝎=0.01(Ω); Ls)

+)Hằng số thời gian máy biến dòng:Ti=0.001(Ω); Ls)

II.Tổng hợp bộ biến đổi

-Hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu:

Wbđ= K bđ

(1+T v p).(1+T đk p)= 33,33

(1+ 0,001 p) (1+0,0001 p)

II Thiết kế mạch vòng điều chỉnh dòng điện và tốc độ

2.1 Thiết kế mạch vòng dòng điện bỏ qua sức điện động E.

Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh dòng điện

U id I -U i

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện

  : hàm truyền của bộ biến đổi

Kbd : hệ số khuếch đại của bộ biến đổi

Tdk : hằng số thời gian của bộ điều khiển

Tv : hằng số thời gian của sự chuyển mạch của van bán dẫn

1

i i

K

T p

 : hàm truyền của cảm biến dòng điện

KI : Hệ số khuếch đại của cảm biến dòng điện

Thu gọn ta được sơ đồ như hình vẽ:

- -.1/

(Ω); L1 )(Ω); L1 )(Ω); L1 )

bd i u oi

dk v i u

K K R S

0,375 p)=33,485+33.485

0,125 p

K (1 T p).(1 T p)  

1/

1

u u

  : hàm truyền của bộ biến đổi

Kbd : hệ số khuếch đại của bộ biến đổi

Tdk : hằng số thời gian của bộ điều khiển

Tv : hằngsố thời gian của sự chuyển mạch của van bán dẫn

 : hàm truyền của cảm biến dòng điện

KI : Hệ số khuếch đại của cảm biến dòng điện

Từ kết quả tổng hợp mạch vòng dòng điện và bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động ta

có sơ đồ cấu trúc của mạch vòng bộ điều chỉnh :

U ωđ

-U ω

ω

1+ T ω P :Hàm truyền của máy phát tốc

K ω : Hệ số khuếch đại của máy phát tốc

T ω : hằng số thời gian của máy phát tốc

Hằng số thời gian cơ học:

Mô hình mô phỏng trên Simulink

Đặc tính dòng điện.

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1.1 Xây dựng mô hình vật lý.

Tín hiệu đặt

Sơ đồ khối của bộ điều khiển động cơ 1 chiều

Mạch điều khiển tiếp nhận giá trị điện áp đặt và giá trị điện áp phản hồi từ máy pháttốc sau đó xử lý tín hiệu và cấp tín hiệu xung PWM và tín hiệu nhận biết chiều củađộng cơ vào mạch công suất để điều chỉnh động cơ

3.1.2 Xây dựng mạch công suất

Mạch điều khiển

Bộ biến đổi

Máy phát tốc

Giới thiệu IC MC33883

IC MC33883 là 1 IC kích FET chuyên dùng để điều khiển cầu H

 Điện áp nguồn vcc2 cung cấp cho IC từ 5,5 đến 28v

3.1.4 Xây dựng mạy điều khiển

Tín hiệu đặt

Cấu trúc mạch điều khiển động cơ một chiều

Vi mạch khuếch đại thuật toán LM358 để xây dựng bộ điều khiển PID

- Độ lợi khuếch đại điện áp DC của LM324 tối đa khoảng 100dB

- Tần số hoạt động của LM324 là 1 MHz

- Khâu điện áp đặt

-Bô điều khiển

So

suất

- Sơ đồ nguyên lý khối điều chỉnh điện áo đặt.

- Ta chọn: Giá trị điện áp đặt U=5v, R1 = 50 k

- Sơ đồ nguyên lý mạch trừ

Sơ đồi nguyên lý mạch PID

Khối PID gồm 3 khâu: tỷ lệ, tích phân và vi phân Giá trị điện áp ra từ mạch trừ đượcđưa vào khối này, đầu ra của khối PID qua một mạch công thì ta sẽ có điện áo điềukhiển

- Khâu tỷ lệ: ta dử dụng 2 biến trở R3 và R8 để thay đổi hệ số P của bộ điềukhiển, sử dụng khóa sw1 ta có thể ngắt được bộ này ra khỏi mạch điều khiển Theo tính chất của khuếch địa thuật toán hệ số khuếch đại của khâu tỷ lệ:

Điện áp ra ngược pha so với điện áp vào, biến trở R3 gây ra hồi tiếp âm song song điện

áp làm cho hệ số khuếch đại giảm xuống

Vậy Up =−∆ U R 3

R 8

Ta chọn R3=100k và R8= 10k

- Khâu tích phân: ta sử dụng biến trở R5 để thay đổi hệ số I của bộ điều khiển, sửdụng khóa sw2 ta có thể ngắt được bộ này ra khỏi mạch điều khiể.

Theo tính chất của khuếch đại thuật toán ta có:

Sơ đồ nguyên lý mạch cộng điện áp

Mạch cộng điện áp thực hiện nhiệm vụ cộng giá trị điện áp Up, UI, UD lại

Nếu R15= R16=R17=R18, theo tính chất khuếch đại thuật toán ta có:

Udk= -(Ω); L Up+UI+ UD)

Ta chọn R15= 10k

- Khâu nhận biết chiều của tín hiệu điều khiển

Sơ đồ nguyên lý khâu nhận biết chiều của tín hiệu điều khiển

- Ta chọn R23= 4,7k và D1 là diode zener loại DZ5V1

- Mạch tách tín hiệu chiều vào độ lớn tín hiệu điều khiển sử dụng

IC CD4052

- CD4052B là 1 bộ dồn kênh- phân kênh 4 kênh tương tự Có haingõ chọn vòa nhị phân là A và B, và một hạn chế đầu vào Haitín hiệu đầu vào lựa chọn 1 trong 4 cặp kênh phải được bật vàkết nối các yếu tố đầu vào tương tự và ra sẽ được đầu ra

- Sơ đồ chân của CD4052

- Khi tách kênh dữ liệu vào chân COM OUT/IN, ra ở 4 kênh CHANNEL I/O.Ngược lại, khi dồn kênh thì dữ liệu song song vào các chân CHANNELOUT/IN và ra ở chân COM OUT/IN

- 2 ngõ chọn là A, B

Chân INH (Ω); Linhibit) cho phép dữ liệu được phép truyền ra

Sơ đồi nguyên lý mạch tách tín hiệu điều khiển dùng CD4052

- Dòng điện cung cấp: 6mA- 15mA

Điện áp logic ở mức cao: 0,5- 15v

Điện áp logic ở mức thấp: 0,03- 0,06v

Công suất lớn nhất là 60mW

Khi tụ C4 nạp ddienj ta có: T1= 0,693.C4.(Ω); LR7+ R27)

Khi tụ C4 phóng điện ta có : T2= 0,693.C4 R27

Vậy chu kì xung là T= T1+ T2 = 0,693.C4.(Ω); LR7+2 R27)

Để tạo dao động có tần số 10khz, tức là chu kỳ dao động T= 1/f = 10-4s

Khi mở transistor, tụ C3 phóng ddienj qua transistor, uc=0 Khi transistor khóa tụ C3

nạp điện từ +12v qua R2, điện áp trên tụ thay đổi theo quy luật hàm mũ với hằng sốthời gian là t= R29.c3.

Uc= 12.(Ω); L1- et l)

- Để lấy đonạ tuyến tính của điện áp trên tụ có thể chọn T=t/3

Chọn transistor là loại A1015 có các thông số sau:

Đây là mạch so sánh hai điện áp vào đó là : Điện áo răng cưa và điện áp điều khiển

Udk(Ω); L lấy từ bên ngoài vào)

Đồ thị so sánh điện áp:

Muốn xác địn được thời điểm mở van công suất(Ω); L góc mở a) thì ta tiến hành so sánh 2tín hiệu U và U Điện áp răng cưa được đưa vào cửa đảo khóa của khâu khuếch đại

thuật toán qua R25 để so sánh với điện áp điều khiển được đưua vào cửa không đảo,điện áo điều khiển được đưa vào cửa không đảo của khuếch đại thuật toán qua R24.

- Điốt D2 dùng để loại bỏ những phân xung âm Vì vậy điện áp ra chỉ còn phầnxung dương

- Tính toán khâu so sánh

Chọn điện trở R24=R25=R26= 4,7 kĐiốt dùng để giới hạn điện áp đầu ra chọn lại DZ5V1