Đồ án thiết kế hệ thống truyền động điện cho động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ

thiết kế hệ thống truyền động điện cho động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộChương 1 – Giới thiệu công nghệ, xây dưng phương án truyến độngChương 2 – Mô hình hóa hệ thống truyền động điệnChương 3 – Tổng hợp hệ thống truyền động điệnChương 4 – Mô phỏng kiểm nghiệm và đánh giá kết quả

Trang 1

ĐỒ ÁN MÔN HỌC : TỔNG HỢP HỆ THỐNG TĐ ĐIỆN GVHD: TS Lê Tiến Dũng

MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với việc công nghiệp và hiện đại hoá xã hội ngày càng phát triển, việc sử dụng hệ thống tự động hóa ngày càng tăng Vì vậy hệ thống truyền động điện điều khiển động cơ xoay chiều ba pha không đông bộ không thể thiếu trong các hệ thống đó Chính vì những yếu tố trên nên sự cần thiết phải trang bị, thiết kế một hệ thống điều khiển động cơ sao cho không những đảm bảo được tính thẩm mỹ, tiện dụng và an toàn cho người sử dụng Động cơ có rất nhiều ứng dụng trong đời sống Thử hỏi những hệ thống dây chuyền, băng tải, các máy móc hàng ngày thi đa số đều sử dụng động cơ Do vậy các yếu tố kể trên đòi hỏi sự ra đời và sự có mặt của hệ truyền động và điều khiển động cơ Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, tốc độ công nghiệp hoá tăng nhanh nên nhu cầu về các máy móc ngày càng tăng Để có thể đáp ứng được việc chế tạo và sử dụng máy móc một cách dễ dàng Vấn đề đặt ra ở đây là ta cần phải thiết kế, lắp đặt một hệ thống truyền động điều khiển động cơ đáp ứng được yêu cầu trên Một vấn đề nữa đặt ra đối với động cơ đó là phải vận hành êm, an toàn, chính xác lại luôn được coi trọng Chính những yêu cầu khắt khe của khách hàng khi sử dụng và lựa chọn máy móc đòi hỏi những chuyên gia, các hãng sản xuất ngày càng phải nâng cao, cải tiến công nghệ sao

cho chất lượng được tốt nhất Vì vậy việc triển khai đề tài: “thiết kế hệ

thống truyền động điện cho động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ”

nhằm giải pháp phần nào những yêu cầu về tính kinh tế, kỹ thuật cũng như tính công nghệ đang có xu hướng ứng dụng cao đối với quy trình sản xuất máy móc Xuất phát từ thực tiễn em muốn được đóng góp những phần nhỏ tìm tòi, nghiên cứu của mình vào việc nghiên cứu hệ truyền động điện tự động cho băng tải bằng động cơ không đồng bộ sử dụng bộ biến tần PWM Toàn bộ nội dung đề tài được trình bày với các nội dung sau đây:

SVTH: Ph m Đ c Thi n ạm Đức Thiện ức Thiện ện Page 1

Trang 2

Chương 1 – Giới thiệu công nghệ, xây dưng phương án truyến động Chương 2 – Mô hình hóa hệ thống truyền động điện

Chương 3 – Tổng hợp hệ thống truyền động điện

Chương 4 – Mô phỏng kiểm nghiệm và đánh giá kết quả

Đề tài này được thực hiện với sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy giáoTS.Lê TiếnDũng Nội dung của đề tài này chắc chắn còn nhiều thiếu sót, em rất mong được tiếp thu những ý kiến đóng góp bổ sung của các thầy cô giáo để đề tài của em đượchoàn chỉnh hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Trang 3

MỤC LỤC

Trang

Mở đầu:…… ……… 1

Chương 1 Giới thiêu công nghệ, xây dựng phương án truyền động… … 4

1.1 Giới thiệu công nghệ, bài toán……….41.2 Phân tích yêu cầu công nghệ, đặc tính cơ của tải………….41.3 Chọn phương án truyền động……… 61.4 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống truyền động điện……… …81.5 Tính chọn công suất động cơ………91.6 Xác định các tham sô hệ thống……… 14

Chương 2 Mô hình hóa hệ thống truyền động điện……… ……… 17

2.1 Mô hình toán học đông cơ……….172.2 Xây dựng mô hình toán học các khâu trong hệ thống… 332.3 Xây dựng mô hình toán học của cả hệ thống………38

Chương 3 Tổng hợp hệ thống truyền đông điện……… 39

3.1 Sơ đồ các mạch vòng của hệ thống truyền động điện… 39

Chương 4 Mô phỏng kiểm nghiệm và đánh giá chất lượng…… ……… 43

4.1 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm matlab-simulink… 434.2 Phân tích kết quả mô phỏng……….464.3 Đánh giá chất lượng hệ truyền động………47

Trang 4

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ, XÂY DỰNG PHƯƠNG

ÁN TRUYỀN ĐỘNG

1.1 Giới thiệu công nghệ

Thiết kế hệ thống truyền động điện cho động cơ xoay chiều ba pha không 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 : r = 0.12m; M= 5 Kg

Sơ đồ công nghệ

Hình 1 : sơ đồ công nghệ

1.2 Phân tích yêu cầu công nghệ, đặc tính cơ của tải

1.2.1 Yêu cầu công nghệ

- Sử dụng động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ điều khiển tốc độ của tải

theo yêu cầu như hình 2

- Nguồn điện sử dụng : 220V/380V

- Hệ thông hoạt động ổn định

- Sai số năm trong khoảng cho phép

- Điều khiển động cơ dễ dàng

Trang 5

Đồ thi mong muốn của tải

Hình 2 : đồ thi mong muốn của tải

1.2.2 Đặc tính cơ của tải

+ Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản của máy sản xuất: M c = f(ω)ω))

Pt đặc tinh cơ của tải

+ Ta có các trường hợp số mũ q ứng với các tải:

Khi q = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy tiện, doa, máy cuốn dây, cuốn giấy,

Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làm việc càng thấp thì mômen cản (ω)lực cản) càng lớn.

Khi q = 0, M c = M đm = const, tương ứng các cơ cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang máy, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt,

Khi q = 1, mômen tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, tương ứng các cơ cấu ma sát, máy bào, máy phát một chiều tải thuần trở

Trang 6

Khi q = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạy gió, máy nén

Ở hệ thống này , momen cản là loại băng tải có q = 0

Đồ thị đăc tinh cơ của tải :

hình 3 : đặc tinh cơ của tải

Trang 7

Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ bằng các phương pháp sau:

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch Rotor.

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn xoay chiều.

Trong đề tài này tôi chọn phương pháp thay đổi tần số của nguồn xoay chiều bằng biến tần gián tiếp để điều chỉnh tốc độ động cơ.

1.3.1 Điều chỉnh tôc độ bằng cách thay đổi tần số

- Tốc độ của động cơ KĐB n = n1(ω)1-s) = (ω)60f/p)(ω)1-s)

- Khi hệ số trượt thay đổi ít thì tốc độ tỷ lệ thuận với tần số.

- Mặt khác, từ biểu thức E1=4.44f1W1KdqØmax ta nhận thấy max tỷ lệ thuận với E1/f1

Hình 4 Sơ đồ cấu trúc biến tần gián tiếp

Hình 5 Sơ đồ nguyên lý biến tần gián tiếp 3 pha

Trang 8

- Người ta mong muốn giữ cho Ømax= const

- Muốn vậy phải điều chỉnh đồng thời cả E/f , có nghĩa là phải sử dụng một nguồn

điện đặc biệt , đó là các bộ biến tần công nghiệp.

- Do sự phát triển mạnh mẽ của kĩ thuật vi điện tử và điện tử công suất, các bộ

biến tần ra đời đã mở ra một triển vọng lớn trong lĩnh vực điều khiển động cơ xoay chiều bằng phương pháp tần số Sử dụng biến tần để điều khiển động cơ theo các quy luật khác nhau (ω) quy luật U/f, điều khiển véc tơ ) đã tạo ra những

hệ điều khiển tốc độ động cơ có các tính năng vượt trội.

1.4 Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống truyền động điện

1.4.1 Sơ đồ khối :

hình 6 : sơ đồ khối cấu trúc hệ thống đo lường

Hình 7 Sơ đồ cấu trúc truyền động

PI

Trang 9

1.4.2 Chức năng

- Đông cơ : truyền động cho tải (ω) biến đổi điện năng thành cơ năng )

- Bộ biến đổi (ω) BBĐ ): nhận năng lượng từ nguồn điện, biến đổi thành dạng thích

hợp cung cấp cho động cơ

- Bộ điều khiển : so sanh giá trị đặt và giá trị đo lường, thông qua các hàm chức

năng tạo ra tin hiệu điều khiển để điều khiển các thông số của bộ biến đổi

- Đo lường : đo lường các thông số của đông cơ (ω) tốc độ, điện áp, dòng điện… )

cung cấp thông tin cho bộ điều khiển

1.5 Tính chọn công suất động cơ

Muốn hệ thống truyền động điện tự động (ω)HT TĐĐTĐ) làm việc đúng các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế và an toàn, cần chọn đúng động cơ điện.

Nếu chọn động cơ không phù hợp, công suất động cơ quá lớn, sẽ làm tăng giá thành, giảm hiệu suất truyền động và giảm hệ số công suất cos.

Ngược lại, nếu chọn động cơ có công suất quá nhỏ so với yêu cầu thì có thể động cơ không làm việc được hoặc bị quá tải dẫn đến phát nóng quá nhiệt độ cho phép gây cháy hoặc giảm tuổi thọ động cơ.

Khi chọn động cơ phải căn cứ vào trị số và chế độ làm việc của phụ tải; phải xét đến

sự phát nóng của động cơ lúc bình thường cũng như lúc quá tải.

1.5.1 Tính chọn công suất động cơ

Do chê độ làm việc của động cơ kéo băng tải là liên tục, chế độ dài hạn Theo đề bai thì loại phụ tải này không đòi hỏi điều khiển tốc độ ở nhiều cấp khác nhau

Momen khởi động của động cơ

Trang 10

Hình 8 Đồ thị tốc độ mong muốn của tải.

Trang 11

ĐỒ ÁN MÔN HỌC : TỔNG HỢP HỆ THỐNG TĐ ĐIỆN GVHD: TS Lê Tiến Dũng -F ms lực ma sát: F ms = m.g.k = 5 10 1= 50 (ω)N) (ω) với k = 1 là hệ số ma sát)

- F qt là lực quán tính và bằng | f l | = m|a|

Với a là gia tốc của vật M : a= du

dt=r

dω dt

Phương trình tốc độ động cơ:25=at+0 với t = 1s ¿ >a=25 m/ s2

f l = m r a=5∗0.12∗25 = 15 (ω)N) Giai đoạn 4: 4s  6s động cơ chuyểnđộng với tốc độ 25 rad/s.

¿ >a=0 m/ s2

 f l = m r a=0 (ω)N.m) Giai đoạn 5: 6s  7s động cơ giảm tốc từ tốc độ 25 rad/s về 0.

Phương trình tốc độ động cơ:0=at+25 với t = 1s ¿ >a=−25 m/ s2

1s 0

(N)

50

65

35

Trang 12

Ta có phương trình momen tải quy đổi về trục động cơ

Với r = 0.12 (ω)m )ta có momen tải theo thời gian được biểu diễn trên đồ thị

Ta thấy T max = 7.8 N.m

C lập đồ thị phụ tải

Ta có : P = T × ω từ đó ta có đồ thị công suất theo thời gian

7s 6s 4s

0

Hình 10 Đồ thị lực cản của tải theo thời gian.

t(s) 7s

6s 4s

3s 1s

6s 4s

3s 1s

Trang 13

D tính chọn công suất động cơ

Ta thấy công suất lam việc cực đại của động cơ là P max = 195 w

Dự đoán công suất theo công suất đẳng trị :

Hệ số công suất khi 100% tải 79.5 %

Hệ số công suất khi 75% tải 77.9 %

Hình 12 Đồ thị công suất theo thời gian.

Trang 14

** Kiểm nghiệm lại các thông số động cơ :

 chọn gearbox DS047 có các thông số cơ bản sau :

Thông số Giá trị Đơn vị

momen lớn nhất của tải T tải = 7,8 < T =8,4 => thỏa mãn

 vậy động cơ đáp ưng được yêu cầu hệ thống truyền động

Yêu cầu điện áp ra bộ chỉnh lưu :

- điện áp định mức của động cơ U=380 v khi đấu Y

- điện áp yêu cầu đầu ra bộ nghich lưu :

Trang 15

Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 pha :

Hình 1.6.2 Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 pha.

Trang 16

ĐỒ ÁN MÔN HỌC : TỔNG HỢP HỆ THỐNG TĐ ĐIỆN GVHD: TS Lê Tiến Dũng Điện áp ngược đặt lên IGBT là:

Trang 17

CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

2.1 Mô hình toán học của động cơ

Muốn nâng cao chất lượng của hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều, cải thiện phương pháp thiết kế, trước tiên phải làm rõ bản chất trạng thái động của động cơ xoay chiều thông qua mô hình toán học

2.1.1 Đặc điểm của mô hình toán học trạng thái động của động cơ không đồng bộ

Khi nghiên cứu về động cơ điện một chiều ta nhận thấy: Từ thông của động cơ điện loại này được sinh ra bởi cuộn dây kích từ, có thể được xác lập từ trước mà không tham gia vào quá trình động của hệ thống (ω)trừ khi điều tốc bằng điều chỉnh

từ thông) Vì vậy mô hình toán học trạng thái động của nó chỉ có một biến vào (ω)đó

là điện áp mạch rotor) và một biến ra (ω)đó là tốc độ quay) Trong đối tượng điều khiển có chứa hằng số thời gian điện cơ Tm và hằng số thời gian điện từ mạch điệnrotor Te, nếu tính cả thiết bị chỉnh lưu điều khiển tiristor vào đó thì còn có cả hằng

số thời gian trễ f của khối chỉnh lưu Trong ứng dụng kỹ thuật, ở điều kiện cho trước một hệ số cho phép có thể biểu diễn hệ thống tuyến tính cấp III thành hệ thống một biến số (ω)một vào, một ra), và hoàn toàn có thể ứng dụng lý thuyết điều khiển tuyến tính kinh điển và phương pháp thiết kế kỹ thuật thực dụng và từ đó phát triển ra để tiến hành phân tích và thiết kế

Tuy nhiên, lý luận và phương pháp nói trên khi vận dụng vào việc phân tích và thiết kế hệ thống điều tốc xoay chiều thì gặp khá nhiều khó khăn, phải đưa ra một

số giả thiết mới có thể nhận được sơ đồ cấu trúc trạng thái động gần đúng, bởi vì

so sánh giữa mô hình toán học của động cơ điện xoay chiều và mô hình động cơ điện một chiều có sự khác nhau khá căn bản:

(ω)1) Lúc điều tốc biến tần động cơ không đồng bộ cần phải tiến hành điều khiển phối hợp điện áp và tần số, có hai biến số đầu vào độc lập là điện áp và tần số, nếu SVTH: Ph m Đ c Thi n ạm Đức Thiện ức Thiện ện Page 17

Trang 18

khảo sát điện áp 3 pha thì biến số đầu vào thực tế phải tăng lên Trong biến số đầu

ra, ngoài tốc độ quay, từ thông cũng được tính là một tham số độc lập Bởi vì động

cơ chỉ có một nguồn điện 3 pha, việc xác lập từ thông và sự thay đổi tốc độ quay làtiến hành đồng thời, nhưng muốn có chất lượng động tốt, còn muốn điều khiển đối với từ thông, làm cho nó không thay đổi trong trạng thái động, mới có thể khai thác được mô men lớn hơn Vì những nguyên nhân này nên động cơ không đồng

bộ là một hệ thống nhiều biến số (ω)nhiều đầu vào, nhiều đầu ra), mà giữa điện áp (ω)dòng điện), tần số, từ thông, tốc độ quay lại có ảnh hưởng lẫn nhau, nên nó là hệ thống nhiều biến có quan hệ với nhau rất chặt chẽ Trước khi tìm ra mô hình toán học rõ ràng, có thể dùng sơ đồ hình 2.1 để biểu diễn

(ω)2) Trong động cơ không đồng bộ, từ thông kéo theo dòng điện sinh ra mô men quay, tốc độ quay kéo theo từ thông nhận được sức điện động cảm ứng quay, bởi vìchúng đồng thời biến đổi, nên trong mô hình toán học có chứa hai biến nhân với nhau, như vậy, dù không khảo sát nhân tố bão hoà từ, mà mô hình toán học cũng làphi tuyến

Hình 2.1 : sơ đồ cấu trúc điều khiển nhiều biến của động cơ không đồng bộ

Trang 19

(ω)3) Mạch stator động cơ không đồng bộ có 3 nhóm cuộn dây, mỗi một nhóm khi sản sinh từ thông đều có quán tính điện từ riêng của nó, lại thêm vào quán tính cơ điện của hệ thống chuyển động, vì thế dù cho không xét tới yếu tố chậm sau trong thiết bị biến tần, thì mô hình toán học động cơ không đồng bộ ít nhất cũng là hệ thống bậc 7 Tóm lại, mô hình toán học động cơ không đồng bộ là hệ thống nhiều biến, bậc cao, phi tuyến, ràng buộc nhau rất chặt, hệ thống điều tốc biến tần lấy nó làm đối tượng có thể được thể hiện bằng hệ thống nhiều biến như trên hình 2.2

Hình 2.2 sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điều tốc biến tần của động cơ không

đồng bộ ba pha

2.1.2 Mô hình toán học nhiều biến của động cơ KĐB ba pha

Ba dòng điện pha hình sin phía stator của động cơ xoay chiều 3 pha KÐB khôngnối diểm trung tính:

Trang 20

Ba dòng điện pha sẽ là hình chiếu của vector Is xuống trục của các cuộn dây tương ứng

Biểu diễn các đại lượng 3 pha khác như điện áp stator, điện áp rotor, từ thông stator và từ thông rotor duới dạng vector us, ur, ∅ s và ∅ r

Tất cả các vector đều quay xung quanh gốc tọa độ với tốc độ ∅ s và ∅ r

Buớc tiếp theo: hình dung một hệ tọa độ với 2 trục d và q, quay đồng bộ với vector dòng điện is

.

Trang 21

Nếu trục d (ω)trục thực) của hệ tọa độ mới trùng với trục của vector từ thông rotor ∅ r

:

¿ > ¿ Thành phần trục q của từ r thông sẽ mất đi

¿ > ¿ Mối quan hệ giữa mômen quay, từ thông rotor và các thành phần dòng điện

như sau:

Nếu hệ tọa độ dq đứng yên tại một vị trí, sao cho trục thực d trùng với trục của

một trong ba cuộn dây pha (ω)ví dụ pha U), và ta đổi tên hệ trục tọa độ đó thành αβ

=> αβ là hệ tọa độ cố định với stator

=> Hình dung một phép tính chuyển đổi, thay thế hệ thống 3 cuộn dây pha U, V,

W bởi hệ thống 2 cuộn dây αvà β

Trang 22

Dòng điện chảy qua hai cuộn dây mới là i sα và i sβ

Công thức chuyển đổi Clarke uvw ¿ >αβ

Công thức chuyển dổi Park: αβ =¿dq

Trang 23

Tiêu đề	Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Điện Cho Động Cơ Xoay Chiều Ba Pha Không Đồng Bộ
Tác giả	Phạm Đức Thiện
Người hướng dẫn	TS. Lê Tiến Dũng
Trường học	Trường Đại Học
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện
Thể loại	Đồ Án Môn Học

Định dạng
Số trang	47
Dung lượng	2,73 MB