KỸ THUẬT điều KHIỂN và tự ĐỘNG hóa 2 (PBL2) 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

1.1.2

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

4

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 NHÓM 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

Hình 1.

2 Hình của nhóm 36, 37.................

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

3

Thêm hình chương

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A


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

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

4

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A


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
Suy ra tốc độ quay của trống tời: ω= =
=16,67 rad/s.
R
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

5

0,15
Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A


Chọn hộp số có tỉrad/ssốtruyền. 15. Suy ra tốc độ cực đại của trống tời quy về trục động cơ là ω0=¿ω×15=¿¿250

Tốc độ dài của tải

Tốc độ quay của trống tời
w (rad/s)
20
15
10

5
0
-5

0
0

-10
-15
-20

Tốc độ quay của động cơ

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

6

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A


w (rad/s)
300
200
100
0
0

0

-100

-200
-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

Quá trình đảo chiều
[4s

; 5s]: động cơ đảo chiều

ωđc=250 Rad /s

1.1.3

[5s

; 7s]: động cơ quay ổn định ở

[7s

; 8s]: tốc độ động cơ giảm dầ

Xác định momen, momen quán tính của hệ và quy đổi
Khối lượng trống tời: mt = 3 kg
Khối lượng tải: m = 17 kg
K là hệ số truyền của hộp số: k =

Mc: Momen thế của tải quy về trục động cơ: Mc =
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

7


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

Jqđ =

mr2

k2
⃗⃗

Ta có: M

Giai đoạn kéo tải đi lên: M = Jqđ

dω

+M c

+ Từ 0 – 1s: M =
+ Từ 1 – 3s: M =

mgr
k = 1.7 Nm

+ Từ 3 – 4s: M =
Giai đoạn tải đi xuống: M = Jqđ
+ Từ 4 – 5s: M =
+ Từ 5 – 7s: M = - Mc = - 1.7 Nm
+ Từ 7 – 8s: M =
M (nm)

00

Suy ra: Mđt =
Suy ra: Mđm = 1,851x 1.2 =2.22 Nm
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B


8
1.1.4 Tính cơng suất động cơ
P=Mω(W)
Từ 0 – 1s: ω=250 t
+ P = ∫Mωd (t )=∫
Từ 1 – 3s: ω=250 rad /s
P= ω∗M=250∗1.7=425 W
Từ 3 – 4s: ω=−250 t +1000

+ P = ∫Mωd (t )=∫
Từ 4 – 5s: ω=−250 t +1000

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

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

M (Nm)

800

700

600

500

400

300

200

100
0

0

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

9


√
Suy ra Pđt =

1

1

∑i P ∗ti
2

=347.14 W

∑ti
1

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

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

10

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A

Điện áp định mức: 12V
Dòng điện định mức: 70A
Tốc độ định mức: 2500RPM
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

11

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A


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 dòng 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
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

12

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A


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 : Quá 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 :

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

13

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A


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
=0
⃗
dω
cản: M +Mc=J

qđ

dt

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:
M = Jqđ

(0−ω0)

1k

+

mgr

= 0.7125 Nm

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 :
ω0−0
M = Jqđ
−M c=−0.7125
N1

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:
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A

14

Động cơ lúc này phải sinh ra momen hãm để giảm tốc độ của tải về kh
+

M = Jqđ

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× U2 (V)
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

15

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A


2

Ud =

π

√2

× U2 × cosα (V)

Ud Max => cosα = 1;
Ud : Điện áp trung bình chỉnh lưu
U2 : Điện áp nguồn điện xoay chiều
Theo điện áp định mức của động cơ:

=> U2= 2

π

√2 ×12=13.33(V )

=> Ungmax = √2× 13.33=18.85 (V )
Điện áp ngược của van cần chọn: Ungv =k dt × Ungmax=1.5 ×18.85=28.28 (V)
2.1.2.2 Dịng điện làm việc của van
I hdv=

√ 2

2 ×I

đm

( A)

I

đm

=> I

hdv=

√ 2

2 ×52.08=36.83( A)

Ihdv : Dòng điện hiệu dụng qua van
Iđm : Dòng điện qua tải
Dòng điện hiệu dụng của van cần được chọn:
I hd=kdt × Ihdv=1.3 ×52.08=67.7 ( A)

Dựa vào Ungcv và Ihd ta chọn van
Điện áp ngược van: 1600 V
Dòng điện làm việc cực đại: 80 A
Dòng điện xung điều khiển: 450 mA
Dòng điện duy trì: 100mA
2.1.3 Tính tốn máy biến áp lực
2.1.3.1 Điện áp chỉnh lưu trên tải
U d 0 × cos αmin=Ud +2 × ∆ Uv +∆ Uba +∆ U

dn

αmin=10o: góc dự trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới

∆U

: sụt áp trên thyristor

v

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

16

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A


∆U

: sụt áp dây nối
∆U
ba: sụt áp trên điện trở và điện kháng của máy biến áp
=> ∆ U ba=6 % × Ud =6 % ×12=0.72V
U +2 × ∆ U +∆ U +∆ U
v
ba
dn = 12+2× 1.43+0.72+0 =15.82 V
Ud 0= d
dn

cos 10cos 10

2.1.3.2 Công suất biểu kiến của MBA
Công suất tối đa của tải: Pdmax =Ud 0 × I đm=15.82 ×52.08=823.9 W
Công suất biểu kiến: S = Ks × Pdmax=1.23 ×823.9=1013.39VA
Ks : Hệ số công suất theo sơ đồ cầu 1 pha

2.1.3.3 Mạch từ
Tiết diện trụ của lõi thép biến áp:

√

=

QFe kq ×
+

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
U
15 . 82
Điện áp cuộn dây thứ cấp:U2= 0.d90 = 0 . 9
=17.58 V Cơng thức tính số vịng dây:
n=
+

B: từ cảm. Chọn B = 1 T

Số vòng dây cuộn sơ cấp: n1 = 367 vòng
Số vòng dây cuộn thứ cấp: n2 = 29 vòng
Dòng điện của các cuộn dây:
I

I
2

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

17


2.1.3.5 Tiết diện dây dẫn

I

Sd = J (mm2 )
+

I : dòng điện chạy qua cuộn dây

+

J: mật độ dòng điện trong máy biến áp, chọn J = 2,5 (

mm

A

2

¿ Tiết diện dây quấn cuộn sơ cấp:

I

4. 6

Sd 1=2 .15 = 2 . 5 =1.84 mm2

Tiết diện cuộn dây thứ cấp:

I

Sd 2=2.5 2 =

57.64

2.5 =23.06 mm

2

Đường kính cuộn dây sơ cấp:

√

d 1=

4 × Sd 1
=1.53 mm

π

Huong kính cuộn dây thứ cấp:

√

d 2=

4 × Sd 2
=5.42 mm
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 nhơ của dịng điện và điện áp tải.
Ta chọn bộ lọc LC:

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

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

18

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A


qin

Ksb=
Giả sử độ sụt áp một chiều trên bộ lọc khơng đáng kể:

LF× CF=
π ×50)

10+1
2

U

din

≈U

qout
dout

(2× 2

Hệ số Ksbcàng lớn hơn 1 thì càng tốt nên ta chọn Ksb=10, ta có :
=2.78 ×10−5
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: U1=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=100 Fvà L=5.07mH.

μ

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

Giới thiệu chung:

3.1.1 Sơ đồ khối điều khiển thyristor:

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

19

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A


Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa URC (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
khơng 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.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

20

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A


Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở thyristor độ rộng xung tx < 10μs.

I

tx= didt

dt

Idt: dịng duy trì của thyristor.

di

dt : tốc độ tăng trưởng của dòng tải.

Đối tượng cần điểu khiển được đặc trưng bởi đại lượng điều khiển là góc α.
3.1.4 Nguyên tắc điều khiển
Mạch điều khiển của thyristor có thể phân loại theo nhiều cách. Song các mạch
điều khiển đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có hai nguyên lý khống
chế ngang và khống chế đứng.
Khống chế ngang là phương pháp tạo ra góc α thay đổi bằng cách dịch chuyển
điện áp sang hình sin theo phương pháp ngang so với điện áp tựa. Nhước điểm của
phương pháp này là góc α phụ thuộc vào dạng điện áp và tần số lưới, do đó độ chính xác
của góc điều khiển thấp.
Khống chế đứng là phương pháp tạo ra góc α thay đổi bằng cách dịch chuyển điện
áp chủ đạo theo phương thẳng đứng so với điện áp tựa. Phương pháp này có độ chính xác
cao và khoảng điều khiển rộng (0 ÷ 180o)
Có hai phương pháp điều khiển thẳng đứng là tuyến tính và arccos.
Ta chọn phương pháp điểu khiển thẳng đứng tuyến tính.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

21

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A

3.2

Nguyên lý hoạt động từng khâu:

3.2.1 Khâu đồng pha

Hình
Nguyên lý hoạt động:
Tại OPAMP A1:
Trong nửa chu kỳ dương: U+(A1)>U-(A1) => UB>0
Trong nửa chu kỳ âm: U+(A1)>U-(A1) => UB>0
Tại OPAMP A2:
Khi UB > 0 thì T1 khóa U+(A2)>U-(A2). Ta xét mạch tích phân gồm: biến trở R3, tụ
t

C1, và OPAMP A2 lúc đó Uđb=Uc=∫0
Vì UB = const => hàm tuyến tính.
Khi UB < 0 thì T1 mở UB < U-(A2), diode D1 khóa. Lúc này, U-(A2)=UC1=0
=> Có dịng qua tụ tăng => Điện áp tại Uc âm để cân bằng điện áp về 0.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

22

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A


Hình
3.2.2 Khâu so sánh:

Hình
Nguyên lý làm việc:
Tại OPAMP A3 ta có: U-(A3) = URC + Uđk; U+(A3) = 0
Khi URC + Uđk < 0  U-(A3) < U+(A3) => UD = Vcc

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

23

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A


Hình
3.2.3 Khâu tạo xung chum:
Đối với một sơ đồ mạch, để giảm dịng cơng suất cho tầng khuếch đại và tăng số
lượng cho xung kích mở, nhằm đảm bảo cho thyristor mở một cách chắc chắn, người ta
hay phát xung chùm cho các thyristor. Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng
khuếch đại, ta đưa chèn thêm một cổng AND với tín hiệu nhận từ tầng so sánh và từ bộ
phát xung chùm như hình vẽ:

Hình

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B

24

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A