DỰ án LIÊN môn kỹ THUẬT điều KHIỂN và tự ĐỘNG hóa 2 đề tài điểu KHIỂN và GIÁM sát tốc độ ĐỘNG cơ một CHIỀU sử DỤNG VI điều KHIỂN (cầu TRỤC)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN

DỰ ÁN LIÊN MƠN
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA 2 (PBL2)
ĐỀ TÀI:

ĐIỂU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỐC ĐỘ ĐỘNG
CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN
(CẦU TRỤC)

Người hướng dẫn: TS. GIÁP QUANG HUY
Sinh viên thực hiện:

ĐINH PHÚ GIANG (20TDH1)
TRẦN LÊ CƠNG ẨN (20TDH2)
NGUYỄN HỒNG MIN (20TDH1)
LÊ KHẮC CƯỜNG (20TDH2)
NGUYỄN TRƯỜNG BẢO NGÂN (20TDH2)

Nhóm HP / Lớp: 20.32A
Ngành:

KỸ THUẬT ĐIỂU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TỐN U CẦU CỦA TẢI VÀ
TÍNH CHỌN CƠNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ....................................................................

1.1 Phân tích chọn phương án truyền động..........................................................................
1.1.1

Cơ cấu truyền động tải cầu trục

4

1.1.2

Đồ thị tốc độ dự kiến của tải và động cơ...............................................................5

1.1.3 Xác định moment, moment quán tính của hệ và quy đổi
1.1.4 Tính cơng suất động cơ
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH CƠNG SUẤT, CHỈNH LƯU........................................6
2.1 Tính tốn mạch động lực
2.1.1 Mơ hình mạch chỉnh lưu cầu 1 pha kép điều khiển động cơ
2.1.2 Tính chọn Thyristor
2.1.3 Tính tốn máy biến áp lực
CHƯƠNG 3: LỚP ĐA 33C................................................................................................7
3.1 Báo cáo của lớp 33c.....................................................................................................7
CHƯƠNG 4: PBL NHĨM 36 +37..................................................................................... 8
4.1 Tính mach cs............................................................................................................... 8
KẾT LUẬN CHUNG......................................................................................................... 9
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 10

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

2

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1. 1 Thêm hình chương 1 và đánh số............................................................. 5
Hình 1. 2 Hình của nhóm 36, 37.............................................................................6


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1. 1 Thêm bảng chương 1 và đánh số.......................................................................5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TỐN U CẦU CỦA
TẢI VÀ TÍNH CHỌN CƠNG SUẤT ĐỘNG CƠ
1.1

Phân tích chọn phương án truyền động

1.1.1 Cơ cấu tuyền động tải cầu trục

Hình 1. 1 Mơ phỏng truyền động cho tải bang chuyền

1.1.2 Đồ thị tốc độ dự kiến của tải và động cơ
Tốc độ dự kiến của tải: V = 2,5 m/s, bánh kính của trống tời tịnh tiến R = 0,15m.
V
2,5
=16,67 rad/s.
Suy ra tốc độ quay của trống tời: ω= =
R

0,15


Chọn hộp số có tỉ số truyền 15. Suy ra tốc độ cực đại của trống tời quy về trục
động cơ là ω0=¿ω×15=¿¿250rad/s.
Tốc độ dài của tải

Hình 1.2 Đồ thị tốc độ mong muốn của
tải Tốc độ quay của trống tời

Đồ thị tốc độ mong muốn của trống tời

w (rad/s)

16.67

20

15
10
5
000
0
0123456789
-5
-10
-15-16.67
-20

Hình 1.3 Đồ thị tốc độ quay mong muốn của trống tời

Tốc độ quay của động cơ


Đồ thị mong muốn của động cơ

w (rad/s)

250

300
200
100
0
0
0
-100

1

2

0
4

3

5

6

-200

7

0
8

9

-250

-300

Hình 1.4 Tốc độ quay mong muốn của động cơ
Dựa vào đồ thị trên Hình 1.4, ta xác định được quá trình hoạt động của động cơ
như sau:
Quá trình chuyển động theo chiều kim đồng hồ
• [0s ; 1s]: tốc độ quay của động cơ tăng dần từ ωđc =0 Rad / s đến ωđc =250 Rad / s
• [1s ; 3s]: tốc độ quay của động cơ ổn định ở ωđc =250 Rad / s
• [3s ; 4s]: tốc độ quay của động cơ giảm dần từ ωđc =250 Rad / s đến
ωđc =0 Rad / s

Q trình đảo chiều
• [4s ; 5s]: động cơ đảo chiều, tốc độ tăng dần từ ωđc =0 Rad / s đến
ωđc =250 Rad / s

• [5s ; 7s]: động cơ quay ổn định ở ωđc =250 Rad / s
• [7s ; 8s]: tốc độ động cơ giảm dần từ ωđc =250 Rad / s đến ωđc =0 Rad / s
1.1.3 Xác định momen, momen quán tính của hệ và quy đổi
• Khối lượng trống tời: mt = 3 kg

• Khối lượng tải: m = 17 kg

ω

• K là hệ số truyền của hộp số: k = 0 = 15
ωt

• M Momen thế của tải quy về trục động cơ:
M
c:

c

mgr 17.0,15.10
15
=1,7 Nm
= k =


• Jqđ: Momen quán tính của động cơ quy về trục động cơ
Jqđ =

mr 2
2

k

2 = 0.00395
17.0,152 +3. 0,15
t

2.15
152
+2 k =

m r2

• Ta có: ⃗M +⃗M

c =J qđ

dω
dt

• Giai đoạn kéo tải đi lên: M =
Jqđ

+ Từ 0 – 1s: M =
J

dω +
dt M c

(ω0−0)
mgr
+
qđ
1
k

= 2.6875 Nm

= 1.7 Nm

Từ 1 – 3s: M =
+ mgr
k

+ Từ 3 – 4s: M =
J

(0−ω0)
mgr
+
qđ
1
k

• Giai đoạn tải đi xuống: M = Jqđ
+ Từ 4 – 5s: M =
Jqđ

ω0−0
−M
1

= 0.7125 Nm

dω −
dt M c
=−0.7125 Nm

c

+ Từ 5 – 7s: M = - Mc = - 1.7 Nm
+ Từ 7 – 8s: M =
Jqđ

0−ω0
−M
1

=¿-2.6875 Nm

c


Đồ thị Momen động cơ

M (nm)
3 2.6875
1.7

2

0.7125

1
0

0

1

2

3

4-0.7125 5

-1

6

7

-1.7

-2
-3

• Suy ra: Mđt =

-2.6875

√

∑
i

1

i

i
2

M t . ∆t

= 1,851 Nm

• Suy ra: Mđm = 1,851x 1.2 =2.22 Nm

0
8

9


1.1.4 Tính cơng suất động cơ
• P = Mω (W)
• Từ 0 – 1s: ω=250 t
1

1

0

0

+ P = ∫ Mωd ( t )=∫ 2.6875∗250 t∗d (t )=335.93W

• Từ 1 – 3s: ω=250 rad / s
P= ω∗M =250∗1.7=425 W
• Từ 3 – 4s: ω=−250 t + 1000
4

4

+ P = ∫ Mωd (t )=∫ 0.7125∗(−250 t +1000 )∗d (t )=89.06 W
3

3

• Từ 4 – 5s: ω=−250 t + 1000
5

5

+ P = ∫ Mωd (t )=∫ −0.7125∗(−250 t + 1000)∗d (t )=89.06 W
4

4

• Từ 5 – 7s: ω=−250 rad / s, M=
-1.7Nm P= ω∗M
=−250∗(−1.7 )=425 W

• Từ 7 – 8s: ω=250 t −2000
8

8

+ P = ∫ Mωd ( t )=∫ −2.6875∗( 250t −2000)∗d (t )=335.93 W
7

7

Đồ thị công suất động cơ

M (Nm)
800
700 671.875
600
500
400
300
200
100
0

425

425

178.125
0

0

1

2

3

4

5

6

70

8

9


• Suy
ra
Pđt =

√

=347.14 W

i

∑

P2∗t 1

i

1

∑

ti

1

• Suy ra Pđm = Pdt*1.3=451.282
Từ những tính tốn ở trên ta chọn động cơ : IP54 Pallet


• Điện áp định mức: 12V
• Dòng điện định mức: 70A
• Tốc độ định mức: 2500RPM


1.2

Tìm hiểu về cấu tạo và hoạt động

1.2.1

Cấu tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Động cơ điện một chiều có cấu tạo hai phần riêng biệt: phần cảm bố trí ở phần
tĩnh (stato),

phần ứng (roto). Hình

2. 1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Cấu tạo bao gồm:
• Stator: có kết cấu là nam châm vĩnh cửu, hoặc nam châm điện.
• Rotor: cấu tạo trục có quấn các cuộn dây tạo thành nam châm điện.
• Cổ góp (commutator): tiếp xúc để truyền điện cho các cuộn dây trên rotor.
Số điểm tiếp xúc tương ứng với số cuộn dây quấn trên Rotor.
• Chổi than (brushes): tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp.
• Một phần cũng khá quang trọng là bộ phận chỉnh lưu, nhiệm vụ chính của
nó là biến đổi dịng điện trong khi Rotor quay liên tục.
• Trục động cơ: dùng để quay băng tải
1.2.2

Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Nguyên lý làm việc: Khi đặt một điện áp vào phần úng của động cơ, trong dây

quấn phần ứng có dịng điện được đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng tương
hổ lên nhau tạo nên momen tác
dụng lên rotor, làm rotor quay. Khi rotor quay với tốc độ nhất định thì các thanh


dẫn của dây quấn
phần ứng sẽ cắt từ trường của phần cảm, theo định luật cảm ứng điện từ, trong
khung dây sinh ra
sức điện động cảm ứng
1.2.3 Các trạng thái hoạt động:

Các trạng thái hoạt động (khởi động, hãm liên quan đến đồ thị vận tốc trong chương
trước,
tìm hiểu sự liên quan với các trạng thái hoạt động dự kiến sẽ thiết kế cho động cơ như đã
trình
bày trong chương 1).
•

Từ 0 đến 1s : Q trình khởi động :
Khỏi động bằng cách cấp nguồn trực tiếp cho động cơ với các giá trị định
mức và động cơ
số hoạt động trên đặc tính tự nhiên sau :


 Từ 1s đến 3s : Tốc độ hoạt động ổn định

Sau quá trình khỏi động, đến thời điểm momen điện từ do động cơ sinh ra bằng
với momen
cản: ⃗M

=J qđ

dω

=
0
Suy ra : Động cơ hoạt động với tốc độ ổn định
 Từ 3 dến 4s : Quá trình hãm tốc độ động cơ về 0:
Do lúc này momen cản của tải ngược chiều với tốc độ quay của động cơ
nên đc sẽ tự hãm bằng momen cản của tải và do momen cản của tải lớn hơn so với
momen hãm nên đc cần sinh ra momen cùng chiều với tốc độ để hãm đc theo yêu

cầu:
(0−ω0) mgr
+
M=J
= 0.7125 Nm
c

+⃗M

dt

qđ

1

•

k

Từ 4-5s : Đảo chiều động cơ
Do lúc này momen cản của tải cùng chiều với tốc độ mong muốn và lớn hơn so
với gia tốc góc mong muốn nên động cơ cần sinh ram omen điện từ để hãm lại tốc độ của
động cơ :
M=
Jqđ

ω0−0
−M
1

=−0.7125 N

c

 Từ 5-7 s : động cơ hoạt động với tốc độ ổn định:

+ Lúc này thì động cơ phải sinh ra momen hãm ngược bằng với momen cản
của tải để động cơ hoạt động với tốc độ ổn định: : M = - Mc = - 1.7 Nm


 Từ 7- 8 s : động cơ giảm tốc về không:


Động cơ lúc này phải sinh ra momen hãm để giảm tốc độ của tải về không
+ M = Jqđ 0−ω0
−M
1

=¿-2.6875 Nm

c

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH CHỈNH LƯU
2.1

Tính tốn mạch động lực

2.1.1 Mơ hình mạch chỉnh lưu cầu 1 pha kép điều khiển động cơ

Hình

2.1.2 Tính chọn Thyristor:
Khi lựa chọn van ta dựa vào hai thông số cơ bản và quan trọng nhất là dòng điện
qua van và điện áp ngược lớn nhất mà van chịu được.
2.1.2.1 Điện áp ngược qua thyristor


Ung = √ 2×U 2 (V)


2 2
U =
ìU
2ìcos (V)
d


ã Ud Max => cos = 1;

ã Ud : Điện áp trung bình chỉnh lưu
• U2 : Điện áp nguồn điện xoay chiều
• Theo điện áp định mức của động cơ:
=> U =
2

π

2 √2

×12=13.33(V )

=> Ungmax = 2ì 13.33=18.85 (V )
ã in ỏp ngc ca van cần chọn:
U ngv =k dt ×Ungmax=1.5 ×18.85=28.28

(V)
2.1.2.2 Dịng điện làm việc của van
I hdv

( A)

=
√2

đm

×I
2
=

I đm =

500
12× 0.8

=52.08( A)

Pđ
m
Uđ

m
×
0.8
√ 2 ×52.08=36.83( A)
=
h
=> I d 2
v

• Ihdv : Dịng điện hiệu dụng qua
van
• Iđm : Dịng điện qua tải
• Dịng điện hiệu dụng của van
cần được chọn:
I hd=kdt ×I
hdv=1.3
×52.08=6
7.7 ( A)

Dựa vào Ungcv và Ihd ta chọn van
• Điện áp ngược van: 1600 V


• Dòng điện
làm việc cực
đại: 80 A

+
dn

• α

• Dòng điện
xung điều
khiển: 450
mA

min=10o

: góc dự
trữ khi
có sự
suy giảm
điện áp
lưới

• Dịng điện
duy trì:
100mA

• ∆U v: sụt
áp trên
thyristor

2.1.3 Tính tốn máy biến
áp lực
2.1.3.1 Điện áp chỉnh lưu
trên tải
U
d

0

×
c
o
s
α
m
in

=
U
d

+
2
×
∆
U
v


• ∆U dn: sụt áp dây nối
• ∆U ba: sụt áp trên điện trở và điện kháng của máy biến ỏp
=> U ba=6 % ìU d =6 % ì12=0.72V
ã U

U d +2 ×∆U v +∆U ba +∆ U dn 12+2× 1.43+0.72+0
=d 0
=

=15.82 V
cos 10
cos 10

2.1.3.2 Công suất biểu kiến của MBA
• Cơng suất tối đa của tải: Pdmax =Ud 0 ×I đm=15.82 ×52.08=823.9 W
• Cơng suất biểu kiến: S = K s ìPdmax=1.23 ì823.9=1013.39 VA
ã Ks : H s cụng suất theo sơ đồ cầu 1 pha
2.1.3.3 Mạch từ
• Tiết diện trụ của lõi thép biến áp:
Q Fe=k q×

√

√

S
1013.39
m× =6 × 1×50 =27 ( cm 2 )
f

+ m : số pha máy biến áp
+ f : tần số

+ kq : hệ số phụ thuốc phương thức làm mát
2.1.3.4 Dây quấn
• Điện áp cuộn dây sơ cấp: U1 = 220V
• Điện áp cuộn dây thứ cấp:U =

Ud 0

=

15.82

2

0.9

=17.58 V
0.9

• Cơng thức tính số vịng dây:
n=

U ×104
4.44 ×f ×QF ×B

+ B: từ cảm. Chọn B = 1 T

e

• Số vịng dây cuộn sơ cấp: n1 = 367 vịng
• Số vịng dây cuộn thứ cấp: n2 = 29 vịng
• Dịng điện của các cuộn dây:
S
1013.39
I 1 =m×U 1 = 220 =4.6 A
S
1013.39

I =
=
=57.64 A
2
m×U 2
17.58


2.1.3.5 Tiết diện dây dẫn

S=

I

(mm2)
d

J

+ I : dòng điện chạy qua cuộn
dây
J: mật độ dòng điện trong

+

máy biến áp, chọn J = 2,5 (
A

¿
mm2

• Tiết diện dây quấn cuộn sơ cấp:

d1

2 2.5
.
5

• Tiết diện cuộn
dây thứ cấp:

d2

I1
S =
4.6
=
=1.84
mm2

I2
S =
57.64
=
=23.06
mm2
2.5

2.5

• Đường kớnh cun dõy s cp:
d =



4 ì Sd 1

=1.53 mm
1

ã Huong kính cuộn dây thứ cấp:
d =

√

4 × Sd 2

π

=5.42 mm
2

π

2.1.3.6 Bộ lọc
Chức năng: Để hạn chế thành phần xoay
chiều của điện áp chỉnh lưu đe giảm độ nhấp
nhô của dòng điện và điện áp tải.
Ta chọn bộ lọc LC:

• Hệ số san bằng :
đánh giá hiệu quả
khâu lọc.


Ksb =

qin

U (1 )ì U
=
U (1) ìU din

dout



out

qout

ã Gi sử độ sụt áp một chiều trên bộ lọc không đáng kể:Udin ≈U dout
K ¿

U σ ( 1)∈¿

¿=

XL

−1 →L

sb

U σ ( 1) out

XC

F

Ksb +1

=

ìC
F

( pì 2 ìf )2

ã H số Ksb càng lớn hơn 1 thì càng tốt nên ta chọn Ksb=10, ta có :
LF × C

=
F

10+ 1
(2× 2 π ×50)

=2.78 × 10−5
2

Do C mặc định và L chế tạo được nên ta chọn C=100μF trước và còn lại ta
chọn L=2.78mH.
KẾT LUẬN :
Vậy dựa vào kết quả tính tốn trên ta chọn:
• Thyristor CMA80E1600HB
• Chọn máy biến áp với các thông số: U 1=220V; U2= 17.58V; : n1 = 367 vòng; n2 =
29 vòng; I1=4.6A; I2=57.64A;S=1013.3VA; d1=1.53mm; d2=5.42mm.
Chọn mạch lọc với: C=100μFvà L=5.07mH.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT, MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1

Giới thiệu chung:

3.1.1 Sơ đồ khối điều khiển thyristor:


• Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa U RC (thường là điện áp dạng
răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp thyristor.
• Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều
khiển Uđk , tìm thời điểm hai điện áp bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra
gửi sang tầng khuếch đại.
• Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor. Xung để mở
thyristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu
thyristor mở tức thời khi có xung điểu khiển (thường gặp loại xung này là
xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ độ rộng với độ rộng xung lớn hơn thời
gian mở của thyristor, đủ công suất, cách ly giữa mạch điều khiển với mạch

động lực (nếu điện áp động lực quá lớn).
3.1.2 Yêu cầu của mạch điều khiển
Mạch điều khiển là khâu quan trọng nhất trong bộ biến đổi thyristor vì nó đóng vai
trị chủ đạo quan trọng trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi.
Yêu cầu của mạch điểu khiển có thể tóm tắt trong 6 điểm chính sau:
• Độ rộng xung điều khiển
• Độ lớn xung điều khiển
• Yêu cầu về tốc độ của rang
• Sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển
• Yêu cầu về độ tin cậy: Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để thyristor
không tự mở khi dịng rị tăng. Xung điều khiển ít phụ thuốc vào dao động
nhiệt độ, dao đông điện áp nguồn. Cần khử được nhiễu cảm ứng để tránh
mở nhầm.
• Yêu cầu về lắp ráp và vận hành: Thiết bị thay thế để lắp ráp và điều chỉnh,
mỗi khối có khả năng làm việc độc lập cao.
3.1.3 Nhiệm vụ mạch điều khiển
Là tạo xung vào ở những thời điểm mong muốn để mở các van động lực của bộ
chỉnh lưu
Chức năng của mạch điều khiển:
• Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương
điện áp đặt trên anode – cathode của thyristor.