Hình 2.3. Sơ đồ mạch động lực
Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha: Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều có tần số f1 thành dòng một chiều.Gồm 6 diode lực được mắc với nhau như sơ đồ hình sau:
Hình 2.4. Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha
➢ Nguyên lý hoạt động:
Bộ chỉnh lưu có chức năng biến nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều, ở đây ta dùng mạch chỉnh lưu hình cầu không điều khiển, bộ chỉnh lưu bao gồm các nhóm van diode chỉnh lưu bằng máy biến áp.
- Van có tác dụng đóng mở tạo thành dòng một chiều.
- Máy biến áp có tác dụng biến đổi điện áp nguồn phù hợp với yêu cầu cần thiết của phụ tải, cách ly phụ tải lưới điện để vận hành an toàn, cải thiện được dạng sóng nguồn điện lưới. Ngoài ra còn có tác dụng hạn chế tốc độ tăng của dòng anode.
30
- Giá trị trung bình của điện áp ra: Ud = 6 2 2 6 6 6 cos( ) 2,34 2 U f d U f − - Số đập mạch: n = 6 - Dòng qua van: Iv = 3 d I
- Điện áp ngược trên van: Uvmax = 6U2f
➢ Khối lọc một chiều:
Hình 2.5. Hình dạng điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu
Là bộ phận không thể thiếu được trong mạch động lực cho phép thành phần một chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều. Nó có tác dụng san bằng điện áp tải sau khi chỉnh lưu, thực hiện chức năng nguồn áp cho bộ nghịch lưu. Hệ số san bằng
của khâu lọc: sb dmvao dmra k k
k
=
Các sóng hài bậc cao sẽ rẽ qua tụ Cf còn lại thành phần một chiều và một số song hài bậc thấp đi đến đầu vào của bộ nghịch lưu.
➢ Khối nghịch lưu:
Là bộ rất quan trọng trong bộ biến tần, nó biến đổi dòng điện một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều có tần số.
31
Hình 2.6. Khối nghịch lưu
➢ Nguyên lý hoạt động:
Cho góc mở của mỗi thyristor là 1800 và cứ 600 tiếp theo (kể từ khi thyristor trước đó mở thì cho 1 thyristor khác mở). Như vậy trong cùng 1 thời gian có 3 thyristor mở. Ở đây ta xét góc dẫn với tải đấu sao như thiết kế bằng cách xác định điện áp trên tải trong từng khoảng thời gian 600 (vì cứ 600 có một sự chuyển trạng thái mạch) với nguyên tắc van nào dẫn coi là thông mạch. Nhìn chung sơ đồ này có dạng một pha tải nối tiếp với 2 pha đấu song song nhau. Với giả thiết là tải đối xứng.
Tụ C có nhiệm vụ đảm bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi, mặt khác nó trao đổi năng lượng phản kháng với cuộn cảm.
Vai trò của các diode: Hoàn trả dòng phản kháng. Ở mỗi thời điểm sơ đồ đều có một pha mắc nối tiếp với 2 pha đấu song song do vậy điện áp pha trên tải chỉ có hai giá trị hoặc Ed/3 (khi pha đó đấu song song với một pha khác) hoặc 2Ed/3 (khi nó đấu nối tiếp với hai pha khác đấu song song).
Giả thiết 3 pha của động cơ là đối xứng, ta có giá trị hiệu dụng của điện áp pha.
2 2 0 1 2 2 3 pha pha n U u E = = 2.1.3. Phần mạch điều khiển
Ở đây em chỉ xin nêu ra một số khái niệm tổng quan về mạch điều khiển mà không đi sâu vào phần thiết kế vì đã tích hợp sẵn trong bộ biến tần mà em chọn. Để đảm bảo các yêu
32 cầu tần số, điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch điều khiển quyết định.
Bộ điều khiển nghịch lưu gồm 3 khâu:
Hình 2.7. Sơ đồ của hệ thống điều khiển
- Khâu phát xung chủ đạo: là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển đưa đến bộ phận phân phối xung điều khiển đến từng thyristor. Khâu này đảm nhận điều chỉnh xung một cách dễ dàng, ngoài ra nó còn thể đảm nhận luôn chức năng khuếch đại xung.
- Khâu phân phối xung: làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển vào khâu phát xung chủ đạo.
- Khâu khuếch đại trung gian: có nhiệm vụ khuếch đại xung nhận được từ bộ phận phân phối xung đưa đến đảm bảo kích thích mở van.
2.2. Tính toán chọn mạch lực
Nhận xét, cơ cấu nâng hạ sử dụng điện áp 3 pha có Ud = 380V trong khi đó, động cơ mà ta đã chọn dùng điện áp 400V. Do đó, ta không cần điều chỉnh điện áp DC bus của đầu ra chỉnh lưu. Do đó, mạch chỉnh lưu sẽ dùng diode và không cần mạch xung áp để thay đổi DC bus. Khi đó, theo hướng dẫn mà nhà sản xuất ABB đưa ra, dòng điện định mức của mỗi pha động cơ sẽ là:
Iđm-380= 1,05.Iđm-400=1,05.82,7=86,835 (A)
Trên cơ sở đó, ta chọn các van cho phù hợp. Mạch nghịch lưu có đầu vào là khâu trung gian một chiều, đầu ra là điện áp ba pha nối vào động cơ. Dòng cực đại mỗi pha động cơ chính là dòng đỉnh qua mỗi van. Bằng thuật toán điều khiển, ta có thể giới hạn dòng điện khởi động – là dòng cực đại qua mỗi pha động cơ không vượt quá 2,5 lần dòng điện định mức. Do đó, dòng hiệu dụng lớn nhất qua van.
max 2,5. dm 2,5.86,835 217,09( )
I = I = = A
Dòng một chiều của khâu trung gian một chiều.
max 252,137 0,861 d I I = = (A)
33 Dòng điện hiệu dụng qua van chỉnh lưu.
max 84, 04( ) 3 hd I I = = A
Điện áp 1 chiều DC BUS.
1
2, 34. / 3
d
U = U =514,8 (V)
Điện áp lớn nhất các van chỉnh lưu cũng như nghịch lưu phải chịu. Ungmax= 2,45. 1
3
U
= 537,51 (V)
2.2.1. Chọn van cho mạch nghịch lưu
Chọn hệ số dự trữ về dòng Kidt = 1,8. Khi đó dòng Collector của van bằng: Ic = 218,68.1,8 = 393,62 (A)
Điện áp đánh thủng Vbreak phải lớn hơn điện áp 1 chiều DC BUS. Chọn hệ số dự trữ về áp Kudt = 1,6. Khi đó:
Vbreak = Kudt.Ud = 1,6.514,8 = 823,68 (V) Vngmax = Kudt.Ungmax = 1,6.537,51 = 850,41 (V) Chọn 6 van IGBT MG300Q1US51 có thông số như sau:
• Nhà sản xuất: Toshiba • Ic max = 400 (A) • Vces = 1200 (V) • Pc max = 2500 (W) • Vce = 3,6 (V) • Cces = 4000 (uF)
2.2.2. Chọn van cho mạch chỉnh lưu
Mạch chỉnh lưu như trên đã phân tích dùng chỉnh lưu diode mắc theo sơ đồ cầu 3 pha để điện áp ra đạt nhấp nhô nhỏ nhất (đập mạch 6 lần trong 1 chu kỳ).
Chọn hệ số dự trữ về dòng Kidt = 2,3 suy ra dòng qua van. Iv = 2,3.Ihd = 2,3.84.04 = 193,3 A
Điện áp ngược trên diode Ungmax = 537,51 V. Chọn hệ số dự trữ về áp Kudt = 1,6. Suy ra:
34 Chọn 6 van diode B3-200 có thông số như sau:
• Nhà sản xuất Nga
• Dòng điện trung bình cho phép chạy qua diode: Itb = 200 (A)
• Dòng điện hiệu dụng cho phép chạy qua diode: Ihd = 320 (A)
• Giá trị cựu đại điện áp cho phép đặt lên diode: Uđm = 600 ÷1000 (V)
2.2.3. Chọn tụ cho khâu trung gian một chiều
Giá trị tụ lọc được tính gần đúng theo công thức:
1 1 w dm t dm C m R k =
Mà đối với mạch chỉnh lưu cầu ba pha ta có các thông số: Số lần đập mạch: mđm = 6
Hệ số đập mạch: kđm = 0,057 Tốc độ đồng bộ: w1 = 100π Điện trở tải Rt được xác định bởi:
3 d dcos P= U I 45*10 ^ 3 77, 3 3 cos 3 * 400 * 0,84 P I A U = = = Điện trở tải: R = Zcos = 4,35 (Ω) Vậy giá trị của tụ lọc là:
1 1 w dm t dm C m R k = = 2,14 (mF)
35
2.2.4. Chọn biến tần
Dựa vào Catalogue biến tần LS SV-IS7 như hình:
Hình 2.8. Catalogue biến tần LS
Biến tần được chọn là SV0450 iS7-4NOD có các thông số như sau:
- Hãng sản xuất: LS
- Sức chứa công suất động cơ: 45 kW
- Điện áp ra: 380 - 400 V
- Điện áp vào: 380 - 400 V
36 - Tần số ra: 0 - 300 Hz với điều khiển không cảm biến, 0 - 120 Hz với điều khiển vector.
Hình 2.9. Hình dạng biến tần
➢ Tủ điện:
Hình 2.10. Sơ đồ tủ điện
2.2.5. Tính điện trở hãm cho biến tần
Điện áp một chiều DC bus:
2, 43.220 514,8( )
dc
U = = V
Điện trở hãm có tác dụng tiêu tán năng lượng từ động cơ trả về lưới trong quá trình hãm.
Công suất tiêu thụ trên điện trở xấp xỉ 30 đến 40% công suất động cơ, chọn: 0,3. 13,5
r c
37 Điện trở hãm có giá trị: 2 dc h r U R P = =19,6 (Ω)
38
CHƯƠNG 3
MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 3.1. Mô phỏng SolidWorks
39
3.2. Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ bằng Matlab Simulink
3.2.1. Sơ đồ khối điều khiển
Hình 3.2. Khối điều khiển 3.2.2. Khối demux thu thập dữ liệu ra tín hiệu scope
40
3.2.3. Cấu trúc bộ điều khiển DTC
Hình 3.4. Cấu trúc bộ điều khiển DTC
3.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
➢ Tốc độ rotor ứng với nâng tải định mức M = 690 (N.m)
41 ➢ Tốc độ rotor ứng với nâng không tải M = 119 (N.m)
Hình 3.6. Tốc độ roto khi nâng không tải
➢ Tốc độ rotor ứng với hạ với tải định mức M = 483 (N.m)
42 ➢ Tốc độ rotor ứng với hạ không tải M = -12(N.m)
43
KẾT LUẬN
Trên đây là toàn bộ quá trình tìm hiểu của em về đề tài “Thiết kế hệ truyền
động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục”. Hệ thống được xây dựng hoàn toàn đáp ứng
được tương đối tốt yêu cầu công nghệ đã nêu, đồng thời thực hiện thành côngthuật
toán DTC điều chỉnh trực tiếp momen với chất lượng cao. Đáp ứng tốc độkhởi động
tương đối tốt.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy đã giúp em hoàn
thành đề tài này. Trong quá trình tìm hiểu đềtài sẽ không tránh khỏi sai sót, rất mong
nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy và giúp em hoàn thành đồ án này.
44
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Truyền động điện – Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền – NXB KHKT, Hà Nội, 1998.
[2] Điều chỉnh tự động truyền động điện – Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi – NXB KHKT, Hà Nội, 1999.
[3] Điện tử công suất – Nguyễn Bính – NXB KHKT, Hà Nội, 2000.
[4] Lý thuyết điều khiển tự động – Phạm Văn Ngô – NXB KHKT, Hà Nội, 2000. [5] Lý thuyết điều khiển tự động – PGS.TS Nguyễn Hoa Lư – NXB Đại học Vinh, Nghệ An, 2017.
[6] Matlab & Simulink cho kỹ sư – Nguyễn Quang Hoàng – NXB bách khoa Hà Nội, Hà Nội, 2019.