Thiết kế chế tạo mô hình bộ điều khiển ổn định tốc độ động cơ không đồng bộ 1 pha

Để điều khiển ổn định tốc độ động cơ không đồng bộ 1 pha, ta sử dụng phương pháp điều khiển ổn định tốc độ bằng cách thay đổi điện áp, vì phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện, tiết kiệm và phù hợp với động cơ ta đang sử dụng.

Mục lục I Giới thiệu động xoay chiều pha phương án điều khiển tốc độ động 1.1 Khái niệm, đặc điểm động không đồng 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Đặc điểm 1.2 Cấu tạo động không đồng pha 1.2.1 Stato (phần tĩnh) 1.2.1.1 Lõi thép stato 1.2.1.2 Dây quấn 1.2.1.3 Vỏ máy 1.2.2 Rôto (phần quay) 1.2.2.1 Rôto kiểu dây quấn 1.2.2.2 Rơto lồng sóc 1.2.3 Khe hở 1.3 Nguyên lí làm việc 1.4 Các phương trình cân điện từ động khơng đồng 1.4.1 Phương trình cân điện dây quấn stato 1.4.2 Phương trình cân điện dây quấn rơto 1.4.3 Phương trình cân từ động không đồng 10 1.5 Mở máy động không đồng pha 10 1.5.1 Dùng dây quấn phụ mở máy 10 1.5.2 Dùng vòng ngắn mạch cực từ 11 1.6 Các phương pháp thay đổi tốc độ động không đồng pha 11 1.6.1 Điều chỉnh tốc độ thay đổi tần số 12 1.6.2 Điều chỉnh tốc độ thay đổi số đôi cực 12 1.6.3 Thay đổi tốc độ thay đổi điện áp 13 hình hoá tạo khối cho sản phẩm 13 II 2.1 Bộ điểu khiển PID 13 2.1.1 Giới thiệu điều khiển PID 14 2.1.2 Các khâu hệ PID 14 2.1.2.1 Khâu tỉ lệ 14 2.1.2.2 Khâu tích phân 15 2.1.2.3 Khâu vi phân 15 2.1.3 Điều chỉnh PID 16 2.2 Giới thiệu chung hệ thống điều khiển ổn định 16 2.2.1 Sơ đồ khối tổng quát 16 2.2.2 Nguyên lí hệ thống 17 2.3 Mơ hình hóa động khơng đồng pha 18 2.3.1 Phương trình đặc tính động khơng đồng 18 2.3.2 Hàm truyền động 20 2.3.3 Tổng hợp mơ hình hóa hệ thống 21 III Thiết kế chế tạo mô hình điều khiển ổn định tốc độ động không đồng pha 24 3.1 Mạch công suất 24 3.2 Mơ hình hóa khối phản hồi 27 3.2.1 Giới thiệu Encoder 27 3.2.2 Nguyên lí 29 3.2.3 Mơ hình hoá Encoder 29 3.3 Mạch điều khiển 30 3.3.1 Arduino Uno R3 30 3.3.2 Màn hình LCD 16*2 module giao tiếp I2C 32 I Giới thiệu động xoay chiều pha phương án điều khiển tốc độ động 1.1 Khái niệm, đặc điểm động không đồng 1.1.1 Khái niệm - Máy điện không đồng độ máy điện xoay chiều làm việc theo nguyên lí cảm ứng điện từ, có tốc dộ quay roto(n) khác với tốc độ từ trường quay n1 - Máy điện khơng đồng có tính thuận nghịch, nghĩa làm việc chế độ động làm việc chế độ máy phát Hình 1.1 Động không đồng 1.1.2 Đặc điểm - Cấu tạo đơn giản, dễ vận hành - Có thể đấu trực tiếp vào lưới điện xoay chiều pha pha - Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, làm việc chắn, hiệu suất cao, giá thành rẻ, có khả làm việc môi trường độc hại nơi có nguy xáy cháy, nổ cao - Nhược điểm: Vì thơng số máy điện xoay chiều thông số biến đổi theo thời gian, chất phức tạp mặt cấu trúc động điện xoay chiều, việc tách riêng điều khiển moment từ thơng để điều khiển độc lập đòi hỏi hệ thống tính tốn nhanh xác việc quy đổi giá trị điện xoay chiều biến đơn giản Vì vậy, thời gian gần phần lớn động xoay chiều làm việc có ứng dụng tốc độ không đổi phương pháp điều khiển trước dùng cho máy điện thường đắt hiệu suất thấp hẳn 1.2 Cấu tạo động không đồng pha 1.2.1 Stato (phần tĩnh) 1.2.1.1 Lõi thép stato - Bộ phận dẫn từ máy có dạng hình trụ Vì từ trường qua lõi thép từ trường xoáy nên để làm giảm tổn hao, tránh dòng diện Fuco lõi thép cấu tạo gồm thép kĩ thuật điện dày 0.35~0.5mm phủ sơn cách điện - Phía có xe rãnh để đặt dây quấn Hình 1.2 Lõi thép stato 1.2.1.2 Dây quấn - Dây quấn stato dây đồng bọc lớp cách điện mỏng, đặt rãnh lõi thép 1.2.1.3 Vỏ máy - Vỏ máy làm nhôm gang - Hai đầu có nắp máy, nắp có ổ đỡ trục - Vỏ nắp máy dùng để bảo vệ máy - Vỏ máy có thiết kế cánh bên cạnh có tác dụng tăng sức chịu lực tản nhiệt cho máy 1.2.2 Rôto (phần quay) 1.2.2.1 Rôto kiểu dây quấn - Lõi thép gồm thép kĩ thuật điện giống stato, thép lấy từ phần sau dập thép stato Mặt ngồi có xẻ rãnh để đặt dây quấn rơto, có gắn với trục máy Trục máy gắn với lõi thép rôto làm thép tốt Hình 1.3 Lõi thép rơto dây quấn 1.2.2.2 Rơto lồng sóc Kết cấu khác rơto dây quấn, dây quấn đồng đặt rãnh lõi thép rôto, hai đầu dẫn nối với vòng đồng ngắn mạch để tạo thành “lồng sóc” Đối với động có công suất nhỏ, lồng chế tạo cách đúc nhôm vào rãnh lõi thép rôto, tạo thành nhơm, hai đầu đúc vòng ngắn mạch cánh làm mát Ngồi dây quấn lồng sóc khơng cần cách điện với lõi thép rãnh rơto làm thành dạng rãnh sâu thành rãnh gọi lồng sóc kép dùng cho máy có cơng suất lớn để thiện tính mở máy Với động cơng suất nhỏ, rãnh rơto thường chéo góc so với tâm trục Hình 1.4 Rơto lồng sóc 1.2.3 Khe hở - Giữa stato rơto có khe hở khơng khí, khe hở nhỏ thường 0.2~1mm Mạch từ động không đồng khép kín từ stato sang rơto qua khe hở khơng khí Khe hở khơng khí lớn dòng từ hóa gây từ thơng cho máy lớn hệ số cơng suất lớn 1.3 Ngun lí làm việc Khi dây quấn làm việc với lưới điện pha, dòng điện dây quấn stato sinh từ trường đập mạch B Vì khơng phải từ trường quay nên động chưa thể quay Nếu lúc ta lấy tay quay rôto theo hướng định rơto tiếp tục quay theo hướng Phân tích B thành hai từ trường quay B1 B2, quay ngược chiều nhau, với tốc độ n1 biên độ nửa biên độ từ trường đập mạch: B1m = B2m = Bm Hình 1.5 Đồ thị vecto Trên đồ thị vecto ta thấy rõ: từ trường B biến thiên chu kì B1 B2 quay vòng với chiều tương ứng Tốc độ quay B1 B2 tốc dộ từ trường đập mạch B: n1 = Từ trường B1 có chiều quay thuận tạo từ trường thuận Từ trường B2 có chiều quay ngược tạo từ trường ngược Các từ trường B1 B2 tác động vào dẫn rôto tạo nên momen quay thuận, ngược M1, M2 tương ứng Nếu tốc độ rơto n (vòng/phút) hệ số trượt từ trường thuận M1: Hệ số trượt từ trường quay ngược M2: Momen quay động tổng đại số hai momen M1 M2 Từ đường đặc tính momen: mở máy, s = = 1, momen M1, M2 nên Mmởmáy = 0, động không tự mở máy Nếu tác động rơto theo chiều đó, tức làm cho s lúc động có momen M 1, tiếp tục quay theo chiều Hình 1.6 Đường đặc tính momen động Do có từ trường ngược nên Mmax, ŋ, hệ số cosφ động KĐB pha nhỏ động điện pha cơng suất 1.4 Các phương trình cân điện từ động không đồng 1.4.1 Phương trình cân điện dây quấn stato Dây quấn stato động KĐB tương tự dây quấn máy biến áp Từ ta có phương trình cân điện áp dây quấn stato sau: ̇ ̇ ̇ ̅ U1 điện áp đặt lên pha dây quấn stato - I1 dòng điện đặt lên pha dây quấn stato - Z1 tổng trở phức pha dây quấn stato - E1 sức điện động pha dây quấn stato E1 = 4,44.w1.f.kdq1.∅m + w1 số vòng dây quấn stato + kdq1 hệ số dây quấn pha stato + ∅m biên độ từ thông từ trường quay 1.4.2 Phương trình cân điện dây quấn rơto Dây quấn rôto coi dây quấn thứ cấp máy biến áp, xong động rôto nối mạch chuyển động từ trường quay tốc độ trượt: Sức điện động dòng điện dây quấn rơto có tần số f2: Tần số suất điện động rôto quay đứng yên lệch hệ số Khi rơto đứng n tần số suất điện động dây quấn roto suất điện động dây quấn stato, trường hợp giống máy biến áp + Khi roto đứng yên s = 1, tần số suất điện động dòng điện roto f2 = f + Khi roto quay, s < 1, tần số suất điện động dòng điện roto f2 = fs + So sánh suất điện động lúc roto quay lúc đứng yên: E2s = E2 Phương trình cân điện lúc roto quay: ̇ ̇( ̇ ̇ ) 1.4.3 Phương trình cân từ động không đồng Khi động làm việc từ trường quay máy dòng điện dây quấn stato dây quấn roto sinh Dòng điện dây quấn stato sinh từ trường quay với tốc độ ŋ1 Dòng điện dây quấn roto sinh từ trường quay roto, quay với tốc độ ŋ2 so với điểm roto Roto quay so với stato tốc độ ŋ Tốc độ từ trường dây quấn roto so với stato: ŋ2 + ŋ = s ŋ1 + (1 – s) ŋ1 = ŋ1 Phương trình cân từ động điện: ̇ 1.5 ̇ ̇ ̇ ̇ Mở máy động không đồng pha 1.5.1 Dùng dây quấn phụ mở máy Dây quấn phụ có loại dùng để mở máy (mở máy xong ngắt khởi lưới điện) làm việc lâu dài động Dây quấn phụ có tác dụng tạo từ trường, phối hợp với từ trường dây quấn tạo từ trường quay sinh momen mở máy ban đầu Dây quấn phụ phải đặt số rãnh stato cho sinh từ thơng lệch với từ thơng góc 900, tạo chênh lệch 10 Hình 2.5 Đáp ứng tốc độ 800 vòng/phút 23 III Thiết kế chế tạo mơ hình điều khiển ổn định tốc độ động khơng đồng pha Mơ hình gồm có: - Mạch công suất - Mạch điều khiển - Mạch ổn áp nguồn - Encorde phản hồi tốc độ - Động không đồng 1pha Sơ đồ khối mơ hình: Hình 3.1 Sơ đồ khối mơ hình 3.1 Mạch công suất Em sử dụng module TAC 2200 để chạy công suất cho động 24 Thông số kĩ thuật: - Công suất tối đa 2200W - Điện áp hoạt động: AC 220V - Đóng cắt thay Relay tăng độ bền, khơng xảy tình trạng dính tiếp điểm 25 Hình ảnh mặt sau module TAC 2200 Mạch sử dụng linh kiện quan trọng triac BTA41-600B ic MOC3021 26 Hình ảnh MOC 3021 Hình ảnh triac BTA41-600B MOC 3021 chịu điện áp lên tới 400V, đầu cấp cho AC, triac, standard MOC dùng để cách ly khối cơng suất khác Với em sử dụng để điều khiển đóng mở triac để thay đổi độ rộng xung PWM đầu BTA41-600B loại triac có khả dẫn dòng điện chiều, dùng nhiều mạch điện tử với công suất lớn Dòng tối đa chịu 41A 3.2 Mơ hình hóa khối phản hồi 3.2.1 Giới thiệu Encoder Optical Encoder thiết bị dùng để xác định góc quay motor Hệ thống optical encoder bao gồm nguồn phát quang (thường hồng ngoại – infrared), cảm biến 27 quang đĩa có chia rãnh Optical encoder lại chia thành loại: encoder tuyệt đối (absolute optical encoder) encoder tương đối (incremental optical encoder) Trong đa số DC Motor, incremental optical encoder dùng đa số - Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc đĩa quay Đĩa quay bánh xe, trục động cơ, thiết bị quay cần xác định vị trí góc Trong tốn đo tốc độ động dùng để xác định khoảng dịch chuyển đối tượng thơng qua đếm số vòng quay trục - Encoder - Bộ mã hóa tín hiệu vòng quay tương đối ( hay gọi tắt mã hóa vòng quay, mã hóa tương đối) thiết bị điện có khả làm biến đổi chuyển động tuyến tính(chuyển động thẳng) chuyển động tròn thành tín hiệu số xung - Khi có thay đổi vị trí trục quay, mã hố sử dụng để kiểm tra góc lệch trục làm việc Các xung đầu mã hoá nhận kiểm soát phận cảm biến, để xác định vị trí máy tốc độ di chuyển Nhờ có encoder, động điện điều khiển vị trí xác theo tín hiệu điều khiển - Cấu tạo encoder quay quang: + Đĩa quay xẻ rãnh gắn vào trục 28 + Một nguồn sáng tế bào quang điện bố trí thẳng hàng + Mạch khuếch đại 3.2.2 Nguyên lí Encoder thực chất đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có lỗ (rãnh) Người ta dùng đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ khơng có lỗ (rãnh), đèn led khơng chiếu xun qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên đĩa, người ta đặt mắt thu Với tín hiệu có, khơng có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận đèn led có chiếu qua lỗ hay không Cứ lần qua lỗ, phải lập trình để thiết bị đo đếm lên Số lỗ đĩa định độ xác thiết bị đo Hình 3.5 Ngun lí hoạt động Encoder Ví dụ đĩa ta có lỗ tức bạn quay vòng thu thu xung, đĩa ta kht N lỗ có nghĩa vòng bạn thu N xung Như đo tốc độ bạn đếm số xung đơn vị thời gian, từ bạn tính số vòng đơn vị thời gian (hoặc bạn đo chu kì xung) Nếu đo tốc độ cao số lỗ khoét nhiều xác 3.2.3 Mơ hình hố Encoder Các thơng số kỹ thuật Encoder resolution 200 ppr Điện áp : 12 – 24 VDC Số xung phát ra: 200 xung/vòng 29 Pha output: A,B,Z Xác định hàm truyền động chiều khâu phản hồi tốc độ Ta có: Hàm truyền Encoder: Hệ số khuếch đại: Hằng số thời gian: Hệ số khuếch đại động cơ: Hàm truyền khâu phản hồi tốc độ: Gph 3.3 Mạch điều khiển 3.3.1 Arduino Uno R3 Em sử dụng mạch Arduino Uno R3 để điều khiển cho mạch Mạch Arduino Uno R3 ứng dụng nhiều để điều khiển mạch điện tử, phiên giúp người dùng tiếp cận với vi điều khiển cách nhanh chóng vơ thuận tiện Em chọn sử dụng phiên có chip nạp ATMEGA16U2 có tốc độ ổn định cao phiên sử dụng CH340G dễ dàng thay chip nạp xảy cố chập, cháy 30 Các thông số kĩ thuật mạch Vi điều khiển Atmega 328P PU Điện áp hoạt động 5V Điện áp khuyên dùng 7-11V Điện áp vào giới hạn 12V Digital I/O chân 14 (trong có chân băm xung) PWM Digital I/O chân Analog Input chân Cường độ dòng điện I/O 20mA chân Cường độ dòng điện 3,3V 50mA chân 31 Flash memory 32KB (Atmega328P) 0,5KB sử dụng bootloader SRAM 2KB (Atmega328P) EEPROM 1KB (Atmega328P) Chiều dài 68,6mm Chiều rộng 53,4mm Khối lượng 25g Nguồn cấp: Arduino Uno R3 cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB cấp nguồn ngồi với điện áp khuyên dùng 7-11V giới hạn 12V Thường ta sử dụng pin vng 9V để cấp nguồn tiện lợi sẵn thiết bị cấp nguồn ổn định cho mạch Nếu cấp nguồn vượt ngưỡng giới hạn làm arduino hoạt động sai, thâm chí gây hỏng mạch Các chân lượng: - GND (ground): cực âm nguồn cấp cho Arduino Uno - 5V: cấp điện áp 5V đầu ra, dòng tối đa cho phép 0,5A - 3,3V: cấp điện áp 3,3V đầu ra, dòng tối đa cho phép 0,05A - Vin (voltage input): để cấp nguồn ngài cho arduino, nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND - IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển arduino đo chân - RESET: việc nhấn nút board mạch reset vi điều khiển, tương đương ta nối chân reser với GND thông qua trở 10K 3.3.2 Màn hình LCD 16*2 module giao tiếp I2C 32 Hình ảnh hình LCD 16*2 Màn hình LCD 16*2 loại hình tinh thể lỏng, sử dụng driver HD44780, dùng để hiển thị chữ chữ số bảng mã ASCII Thông số kĩ thuật hình LCD: - Điện áp hoạt động: 5V - Kích thước: 80 x 36 x 12,5 mm - Khoảng cách chân kết nối 0,1 inch, tiện lợi kết nối Breadboard - Tên chân ghi mặt sau, tiện cho việc kết nối dây - Có đèn led nền, sử dụng biến trở PWM để điều chỉnh độ sáng - Có thể điều khiển với dây tín hiệu 33 Hinh ảnh module giao tiếp I2C Module I2C có kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng Dùng với điện áp 5v nên thích hợp sử dụng chung với hình lcd Việc sử dụng module nhằm mục đích tránh khỏi nhầm lẫn khơng đáng có đấu nối dây với hình tiết kiệm nhiều chân vi điều khiển 34 Lưu đồ thuật tốn chương trình 35 Khảo sát thời gian đạt tốc độ ổn định động khơng mang tải STT nđặt (vòng/phút) nthực (vòng/phút) Uđc (V) Tổn định (s) 300 305 45,4V 5,6 500 490 75,8V 8,6 800 815 121,4V 5,7 1000 1022 151,7V 7,6 1200 1191 182V 6,4 1450 1443 220V 9,2 36 KẾT LUẬN Quá trình thực đề tài : “ Thiết kế chế tạo điều khiển tự ổn định tốc độ cho động xoay chiều pha” em thực qua bước sau: Thu thập thông tin, khái qt mơ hình Tiến hành tổng hợp hệ thống, mô kết điều khiển hệ thống phần mềm Matlab – Simulink Thiết kế mạch điều khiển mạch công suất Xử lý khâu phản hồi tốc độ Lập trình vi điều khiển Tuy nhiên nhiều hạn chế kiến thức kinh nghiệm thực tiễn nên đồ án không tránh khỏi sai xót, em mong nhận đóng góp ý kiến bổ sung thầy cô để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 37 ... thông số điều chỉnh e : sai số Mục tiêu điều khiển đưa e tiến nhanh tốt Như vậy, Kp lớn tác động nhanh điều khiển lớn Tuy nhiên, quán tính mà việc điều khiển nhanh gây ổn định Ngược lại, độ lợi nhỏ... stato: √ √( [ ) ] Trong đó: - Xnm : điện kháng ngắn mạch - : điện trở roto - : điện trở roto quy stato - : điện trở tác dụng mạch từ hóa - : điện kháng ngắn mạch mạch từ hóa Từ phương trình ta... led chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên đĩa, người ta đặt mắt thu Với tín hiệu có, khơng có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận đèn led có chiếu qua lỗ hay khơng Cứ lần qua lỗ, phải lập trình