Thiết kế hệ thống truyền động điện cho động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ (Đồ án môn học)

ĐỒ ÁN MÔN HỌC : TỔNG HỢP HỆ THỐNG TĐ ĐIỆN

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 khơng 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
tồn, chính xác lại ln được coi trọng. Chính những yêu cầu khắt khe
của khách hàng khi sử dụng và lựa chọn máy móc địi 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 cơng 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 tịi, 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:

Page 1


Chương 1 – Giới thiệu công nghệ, xây dưng phương án truyến động
Chương 2 – Mơ 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 Tiến
Dũng. 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 cơ giáo để đề tài của em được
hoàn chỉnh hơn.
Xin chân thành cảm ơn!


MỤC LỤC
Trang
Mở đầu................................................................................................................1
Chương 1. Giới thiêu công nghệ, xây dựng phương án truyền động….......4
1.1.
Giới thiệu cơng nghệ, bài tốn…........................................4
1.2.
Phân tích u cầu cơng nghệ, đặc tính cơ của tải................4
1.3.
Chọn phương án truyền động..............................................6
1.4.
Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống truyền động điện…...............8
1.5.
Tính chọn cơng suất động cơ…...........................................9
1.6.
Xác định các tham sơ hệ thống..........................................14

Chương 2. Mơ hình hóa hệ thống truyền động điện…..................................17
2.1.
2.2.
2.3.

Mơ hình tốn học đơng cơ................................................17
Xây dựng mơ hình tốn học các khâu trong hệ thống......33
Xây dựng mơ hình toán học của cả hệ thống...................38

Chương 3. Tổng hợp hệ thống truyền đơng điện…........................................39
3.1.

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

Chương 4. Mô phỏng kiểm nghiệm và đánh giá chất lượng........................43
4.1.
4.2.
4.3.

Mô phỏng hệ thống trên phần mềm matlab-simulink.....43
Phân tích kết quả mơ phỏng…........................................46
Đánh giá chất lượng hệ truyền động...............................47


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 thơng 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 cơng nghệ

Hình 1 : sơ đồ cơng nghệ
1.2

Phân tích u cầu cơng 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

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: Mc = f(ω)ω))
Pt đặc tinh cơ của tải
Trong đó:
Mc - mơmen ứng với tốc độ ω).
Mco - mômen ứng với tốc độ ω) = 0.
Mđm - mơmen ứng với tốc độ định mức ω)đm

+ 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 mơmen cản (ω)lực cản) càng
lớn.
Khi q = 0, Mc = Mđm = 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
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
 MC = Mđm = const
Trong đó MC là momen cản
Ta có
MC = f(ω))

Đồ thị đăc tinh cơ của tải :

hình
3
:
đặc
tinh
cơ của
tải

1.3

Chọn

phương án truyền động
Phương trình đặc tính cơ của động cơ KĐB

M=




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 điện áp đặt vào mạch stato.




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.

Hình 4. Sơ đồ cấu trúc biến tần gián tiếp

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

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

-

Người ta mong muốn giữ cho Ømax= const


1.4

-

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 cơng 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.

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

PI

Hình 7. Sơ đồ cấu trúc truyền động


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, dịng điện…. )
cung cấp thơng tin cho bộ điều khiển

Tính chọn cơng suất động cơ

1.5

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 cơng suất q nhỏ so với u 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 q tải.
1.5.1

Tính chọn cơng 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 khơng địi hỏi điều khiển tốc độ ở nhiều cấp khác nhau.
Momen khởi động của động cơ
Mkđ = (ω)1,61,8)Mđm
Bởi vậy nên chọn động cơ truyện động là động cơ có hệ sơ trượt lớn, rãnh stator sâu
để momen mở máy lớn
Việc tinh chọn công suất động cơ cho hệ truyền động theo công suất cản tĩnh. Phụ tải
của hệ thống là cố định với khối lượng bằng 5 Kg nên không cần thiết phải kiếm tra
điều kiên phát nóng và quá tải


A . đồ thị tốc độ động cơ

(rad/s)

t(s)
0
1s

3s

4s

6s

7s

Hình 8. Đồ thị tốc độ mong muốn của tải.

(vịng/p)

t(s)
0
1s

3s

4s

6s

7s

Hình 9. Đồ thị tốc độ mong muốn của tải.
B . tính momen quy đổi về đầu trục động cơ
Ta có lực cản đặt lên vật M chính là 2 lực
F = Fqt + Fms

Trong đó :
-Fms lực ma sát: Fms = m.g.k = 5. 10 .1= 50 (ω)N) (ω) với k = 1 là hệ số ma sát)
- Fqt là lực quán tính và bằng | fl | = m|a|
Với a là gia tốc của vật M :
Tính lực quán tính : fl = m.|r |
Giai đoạn 1: 0s  1s động cơ đứng yên
 fl = 0 (ω)N.)
Giai đoạn 2: 1s  3s động cơ chuyển động với tốc độ 25 rad/s.
fl = (ω)N.)
Giai đoạn 3: 3s  4s động cơ đảo chiều và tăng tốc từ tốc độ 0 rad/s đến 25
rad/s.
Phương trình tốc độ động cơ: với t = 1s
fl = = 15 (ω)N)
Giai đoạn 4: 4s  6s động cơ chuyểnđộng với tốc độ 25 rad/s.
 fl =
(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: với t = 1s
fl = = - 15 (ω)N)

Vậy

F = Fqt + Fms

Được miêu tả bằng đồ thị :
(N)
65
50
35

0

1s

t(s)

3s
4s

6s

7s


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


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
(N.m)
7.8
6
4.2
1s

t(s)

3s

0
4
s

6s

7s

Hình 11. Đồ thị momen tải theo thời gian.
Ta thấy Tmax = 7.8 N.m
C . lập đồ thị phụ tải
Ta có

:

P = từ đó ta có đồ thị cơng suất theo thời gian

(w)
195
150
105

t(s)

0
1s

3s

4s

6s

7s


Hình 12. Đồ thị cơng suất theo thời gian.


D. tính chọn cơng suất động cơ
Ta thấy cơng suất lam việc cực đại của động cơ là Pmax = 195
w Dự đốn cơng suất theo cơng suất đẳng trị :

Với :
-

P1 = 150 w và t1=
P2 = 195 w và t2=
P3 = 150 w và t3=
P4 = 105 w và t4=

2s
1s
2s
1s

Chọn hệ số dự trữ k = 1,2 1,5 => chọn k = 1,4
Ta có :

P = Pđt . k = 152.23 * 1,4 = 213,122 (ω)w)

Từ đó ta chọn được động cơ M2AA 71B 6 của ABB, có các thông số cơ bản như sau :
Tên thông số
Công suất định mức
Điện áp định mức
Tần số định mức
Tốc độ định mức
Dòng điện định mức
Tỉ số dòng khởi động
Momen tự nhiên
Tỉ số
Tỉ số momen tối đa
Hệ số công suất khi 100% tải
Hệ số cơng suất khi 75% tải
Momen quan tính
Trọng lượng

Giá trị
0.25
380
50
2800
0.65
4.4
0.84
3.3
3
79.5
77.9
0

4.4

** Kiểm nghiệm lại các thông số động cơ :
- n = 2800 vòng/phút => nc = 239 vòng/phút
 cần sử dụng hộp số giảm tốc (ω) gearbox )

Đơn vị đo
kw
VY
Hz
Vòng/p
A
Nm
%
%
Kg.
Kg


tỉ lệ n =
 chọn gearbox DS047 có các thơng số cơ bản sau :
Thông số
Tỷ số
Momen đâu trục
Momen lớn nhất
Tốc độ đầu vào

Giá trị
10
19

57
5000

Đơn vị
N.m
N.m
Vịng/p

kiểm tra momen đơng cơ :
momen đầu trục : T = TN . 10 = 0,8410 = 8,4 N.m
momen lớn nhất của tải Ttải = 7,8 < T =8,4 => thỏa mãn
 vậy động cơ đáp ưng được yêu cầu hệ thống truyền động
-

Xác định các tham số của hệ thống
1.6.1 xác định thông số động cơ
1.6

Công suất P (ω)KW)
Điện áp (ω)V)
Tần số (ω)Hz)
Tốc độ (ω)vg/ph)
Điện trở stato Rs (ω)f)
Điện trở rotor Rr (ω)f)
Điện cảm tản stato LIS (ω)H)
Điện cảm tản rotor LIr (ω)H)
Điện cảm từ hố Lm (ω)H)
Số đơi cực (ω)p)
Mơ men qn tính J (ω)kg-m2)
1.6.2

Xác định các thông số biến

tần 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
: Vpha =
VDC = =
- ước lượng khả năng đáp ứng của bộ chỉnh lưu :

250
220/380
50
2800
0.445
0.586
2.124
2.233
2.125
2
0


VCL= = 514 V
Vậy bộ chỉnh lưu có khả năng đáp ứng yêu cầu
Tình chọn diode :
- Điện áp ngược lớn nhất : U =
chọn hệ số dự trử điện áp : K= 1,5 U = 1,5 . 538 = 800V
- Dịng điện trung bình

:

dịng điện định mức của động cơ : Iđm = 0.79 A => I = Iđm/6 = 0,13 A
chọn hệ số dự trử dòng điện là : K = 1,3 => I = 1,3 . 0,13 = 0,17A
Vậy chọn diode 36MT160
Tính chọn IGBT :
Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 pha :

Hình 1.6.2 Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 pha.
Điện áp ngược đặt lên IGBT là:

Điện áp ngược đặt lên Diode trong bộ nghịch lưu là:
Chọn IGBT : OM6502ST


CHƯƠNG 2 : MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
2.1

Mơ hình tốn 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 thơng qua mơ hình tốn học.
2.1.1. Đặc điểm của mơ hình tốn 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
khơng tham gia vào q trình động của hệ thống (ω)trừ khi điều tốc bằng điều chỉnh

từ thơng). Vì vậy mơ hình tốn 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 điện
rotor Te, nếu tính cả thiết bị chỉnh lưu điều khiển tiristor vào đó thì cịn 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 hồn tồn 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 mơ hình tốn học của động cơ điện xoay chiều và mơ 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
khảo sát điện áp 3 pha thì biến số đầu vào thực tế phải tăng lên. Trong biến số đầu
ra, ngồi tốc độ quay, từ thơng 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
là tiến hành đồng thời, nhưng muốn có chất lượng động tốt, cịn muốn điều khiển
đối với từ thơng, làm cho nó khơng thay đổi trong trạng thái động, mới có thể khai
thác được mơ men lớn hơn. Vì những ngun 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)dịng điện), tần số, từ thơng, tốc độ quay lại có ảnh hưởng lẫn nhau, nên nó là hệ