Đề t ài thi ết kế hệ t hống truyền động điện sử dụng động cơ đi ện xoay chi ều 3 pha kđb (inducti on mot or)

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.33 MB, 44 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐI ỆN </b>

<b>ĐỒ ÁN MÔN HỌC </b>

<b>TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐI ỀU KHI ỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐI ỆN </b>

<i><b>Đề t ài: Thi ết kế hệ t hống truyền động điện sử dụng động cơ đi ện xoay chi ều 3 pha KĐB (Inducti on Mot or) </b></i>

<b>Người hướng dẫn : PGS. TS LÊ TI ẾN DŨNG Si nh vi ên t hực hi ện : TRẦN CHÍ NHÂN </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

MỤC L ỤC

MỤC LỤC . . . 1

TÀI LI ỆU THAM KHẢO . . . 4

CHƯƠNG 1: GI ỚI THI ỆU BÀI TỐN, TÍ NH TOÁN THI ẾT KẾ PHẦN ĐỘNG LỰC

1. 5. Xác đị nh sơ đồ cụ t hể hơn của hệ t hống TĐĐ: . . . 10

Hì nh 1. 3 Sơ đồ cụ t hể hơn của hệ t hống . . . 10

Hì nh 1. 4 Đồ t hị t ốc độ mong muốn của động cơ . . . 11

Hì nh 1. 5 Đồ t hị mo men động cơ si nh ra . . . 12

Hì nh 1. 6 Đồ t hị công suất động cơ . . . 13

Hì nh 1. 7 Lựa chọn động cơ . . . 14

Hì nh 1. 8 Gear box . . . 15

Hì nh 1. 9 Đồ t hị ki ể m nghi ệ m mo men động cơ . . . 16

Hì nh 1. 10 Đồ t hị ki ểm nghi ệ m l ại t ốc độ đơng cơ . . . 16

Hì nh 1. 11 Cả m bi ến dòng đi ện . . . 17

1. 7 Sơ đồ chi tiết của mạch động l ực: . . . 18

Hì nh 1. 12 Sơ đồ mạch động l ực . . . 18

Chương 2 : Mơ hì nh hóa hệ t hống truyền động đi ện . . . 20

2. 1 Mơ hì nh t ốn học của động cơ đi ện xoay chi ều 3 pha không đồng bộ: . . . 20

Hì nh 2. 1 Mơ hì nh trạng t hái của động cơ . . . 23

2. 2 Mơ hì nh t ốn của bộ bi ến đổi công suất: . . . 24

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

2. 3 Mơ hì nh t oán cảm bi ến dòng: . . . 24

2. 4 Mơ hì nh t oán encoder . . . 25

2. 5 Mơ hì nh t ổng qt của hệ t hống: . . . 26

Hì nh 2. 2 Mơ hì nh t ổng quát của hệ t hống . . . 26

Hì nh 2. 6 Mơ hì nh t ốn học của hệ t hống . . . 26

Chương 3: Tổng hợp hệ t hống truyền động điện . . . 27

3. 1 Sơ đồ cấu trúc đi ều khi ển . . . 27

Hì nh 3. 1 Cấu trúc đi ều khi ển T4R ki nh đi ển . . . 27

3. 2 Các l uật, t huật t oán đi ều khi ển: . . . 29

3. 2. 1 Khối nghị ch l ưu: . . . 29

Hì nh 3. 2 Khối nghị ch l ưu . . . 29

3. 2. 2 Khâu đi ều chế vect or SVP WM: . . . 30

Hì nh 3. 3 Khâu đi ều chế vect or SVP WM . . . 30

3. 2. 3 Khối chuyển t ọa độ uvw sang dq ( khối 3+5): . . . 30

Hì nh 3. 4 Khối chuyển t ọa độ uvw sang dq . . . 31

3. 2. 4 Khối chuyển t ọa độ dq sang ( khối 4): . . . 31

Hì nh 3. 5 Khối chuyển t ọa độ dq sang aB . . . 31

3. 2. 5 Khối mô hì nh từ t hơng ( khối 9): . . . 31

Hì nh 3. 6 Mơ hì nh t ừ thơng . . . 32

3. 2. 6 Các bộ đi ều khiển PI . . . 33

Hì nh 3. 7 Các khối điều khi ển PI . . . 33

Chương 4: Mô phỏng, kiể m nghi ệ m và đánh gi á kết quả . . . 35

4. 1 sơ đồ mô phỏng tổng quát: . . . 35

Hì nh 4. 1 Sơ đồ mô phỏng t ổng quát . . . 35

4. 2 Sơ đồ khối bộ đi ều khi ển T4R controller: . . . 36

Hì nh 4. 2 Sơ đồ khối bộ đi ều khi ển T4R controller . . . 36

4. 3 Thông số: . . . 36

4. 3. 1 Thông số động cơ: . . . 36

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Hì nh 4. 6 Điện áp đầu ra khâu chỉ nh l ư . . . 38

Hì nh 4. 7 Điện áp đầu ra khâu nghị ch l ưu . . . 38

4. 4. 5 Tr ường hợp đáp ứng của động cơ khi tải t hay đổi: . . . 41

Hì nh 4. 14 Tốc độ của động cơ khi moo men tải t hay đổi . . . 42

Hì nh 4. 15 Đồ t hị dịng isq khi có mo ment hay đổi . . . 42

4. 5 Kết l uận: . . . 43

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

TÀI LI ỆU THA M KHẢO

1. PGS. TS Lê Ti ến Dũng, Giáo trì nh Đi ều khiển truyền động đi ện

<b>2. Nguyễn Phùng Quang, Điều khi ển t ự động truyền động đi ện xoay chi ều ba pha, </b>

(tái bản lần t hứ 1), NXB Gi áo dục, Hà Nội , 1998

3. Nguyễn Phùng Quang, Đi ều khi ển vect or truyền động xoay chi ều ba pha, NXB Bách khoa Hà Nội, 2016

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

CHƯƠNG 1: GI ỚI THI ỆU BÀI TOÁN, TÍNH TỐN THI ẾT KẾ PHẦN ĐỘNG L ỰC

<i>J</i>  <i>kg m</i> . Sử dụng nguồn xoay chi ều 3 pha 220 V/ 380 V cung cấp cho động cơ. Hệ t hống được đi ều khi ển bởi một bộ đi ều khiển với t huật t oán được l ập trì nh sẵn và chạy t ự động t heo gi á trị được đặt vào.

Nội dung: Để t hi ết kế 1 hệ t hống truyền động đi ện t a sẽ đi vào từng nội dung sau: Phần 1: Xác đị nh sơ đồ t ổng t hể của hệ t hống TĐĐ, phân tích chọn phương án truyền động, xác đị nh sơ đồ chi tiết của mạch động l ực, tính t ốn t hi ết kế phần động l ực. Phần 2: Xây dựng mô hì nh t ốn học của t ừng t hành phần trong hệ t hống và đi đến xây dựng mơ hì nh t ốn học của hệ t hống.

Phần 3: Xác đị nh sơ đồ cấu trúc của phần đi ều khi ển. Xác đị nh các l uật, t huật t oán điều khi ển. Thi ết kế chi tiết phần đi ều khi ển. Xác đị nh các t ha m số của t huật t oán đi ều khi ển bên trong phần đi ều khi ển.

Phần 4: Mô phỏng, kiể m nghi ệ m và đánh giá chất l ượng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

1. 2. Sơ đồ tổng thể của hệ thống TĐĐ:

<i>Hì nh 1. 2 Sơ đồ tổng thể của hệ thống TDĐ </i>

*

Những t hành phần và chức năng của hệ t hống:

- Nguồn 220v/ 380v AC- 50 Hz: có nhi ệm vụ cung cấp đi ện cho mạch động l ực. - Bộ bi ến đổi công suất: bi ến đổi công suất cố đị nh t ừ nguồn t hành công suất mong muốn để cấp cho động cơ.

- Động cơ đi ện 3 pha không đồng bộ: bi ến đổi đi ện năng t hành cơ năng. - Bộ cả m bi ến: đo và đưa các gi á trị cần t hi ết về bộ đi ều khi ển.

- Bộ đi ều khi ển: tiếp nhận tí n hi ệu và tí nh t ốn ra tí n hi ệu yêu cầu cho động cơ. - Phát xung đi ều khi ển: tiếp nhận tí n hi ệu t ừ bộ đi ều khi ển, phát xung đi ều khi ển

cho bộ bi ến đổi công suất. *Nguyên l ý hoạt động:

Có t hể chi a hệ t hống t hành hai t hành phần: phần mạch động l ực và phần mạch đi ều khi ển.

- Mạ ch động l ực được cấp nguồn đi ện xoay chi ều ba pha 220/ 380VAC- 50 Hz, sau đó được bi ến đổi t hông qua bộ chỉ nh l ưu không đi ều khi ển, trở thành dòng đi ện một chi ều. Ti ếp t heo, dòng đi ện một chi ều sẽ được bi ến đổi t hành dòng đi ện xoay chi ều ba pha nhờ bộ nghị ch l ưu được đi ều khi ển đóng mở các van bởi mạch đi ều khi ển. Cuối cùng, dòng đi ện cung cấp cho st at or của động cơ ba pha

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

- Mạ ch đi ều khi ển gồ m bộ đi ều khi ển nhận giá trị đặt vào l à t ốc độ mong muốn của động cơ, cùng với đó l à các gi á trị đo được l à t hành phần dòng đi ện, t ốc độ. Sau đó t hực hi ện tí nh tốn t heo t huật t oán có sẵn, đưa ra gi á trị các xung kí ch cho bộ nghị ch l ưu t heo tí nh t ốn. Nhờ đó động cơ có t hể chạy đúng t heo t ốc độ mong muốn.

t hi ết kế cấu trúc đi ều khi ển, xây dựng t huật t oán đi ều khi ển và xác đị nh các t ha m số

<i>đi ều khi ển. Chất l ượng đi ều khi ển t ự động của hệ t hống phụ t huộc rất l ớn vào Bộ đi ều khi ển, đặc bi ệt là ở cấu trúc đi ều khi ển và thuật t oán đi ều khi ển. Bên cạnh đó yêu cầu </i>

chất l ượng của nguồn cấp, bộ bi ến đổi, bộ cả m bi ến hay động cơ cũng cần phải được quan t â m. Đồ án này tập trung vào t hi ết kế Bộ đi ều khi ển, l ựa chọn t huật t oán đi ều khi ển phù hợp với yêu cầu bài t oán.

1. 3. Các yêu cầu của hệ truyền động đi ện:

Dựa vào đồ t hị t ốc độ mong muốn của t ải trên. Ta có t ốc độ của tải t heo t hời gi an như sau:

 Gi ai đoạn 1: Động cơ khởi động, tải quay với t ốc độ tăng dần t ừ 0rad/s đến 100rad/s trong vòng 1s.

 Gi ai đoạn 2: Khi đã đạt t ốc độ 100rad/s t hì gi ữ nguyên t ốc độ quay trong 2s.  Gi ai đoạn 3: t ừ gi ây thứ 3 t hì tải quay t huận với t ốc độ gi ả m dần t ừ 100rad/s

xuống 0rad/ s trong 0.5s, trong 0. 5s ti ếp t heo t ải quay ngược với t ốc độ t ăng t ừ

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

1. 4. Phương án truyền động:

Như đã phân tích trong mục trên, động cơ sử dụng trong bài t oán là l oại động cơ có đi ều chỉ nh t ốc độ và đảo chi ều quay. Như vậy để t hực hi ện vi ệc truyền động cho động cơ đúng yêu cầu, chúng ta có 2 phương pháp truyền động sau:

- Dùng hệ truyền động chỉ nh l ưu – Trisist or cho động cơ 1 chi ều có đảo chi ều quay.

- Dùng hệ truyền động xoay chi ều có đi ều chỉ nh t ốc độ.

Tuy nhi ên, trong bài toán trên ta sử động cơ xoay chi ều ba pha nên ta l ựa chọn hệ truyền động đi ện xoay chi ều có đi ều chỉ nh t ốc độ. Mà cụ t hể hơn, ta dùng hệ truyền động xoay chi ều có điều chỉ nh t ốc độ dựa trên phương pháp đi ều chỉ nh tần số nguồn cung cấp vì những ưu đi ể m: nó đi ều chỉ nh công suất đi ện đầu vào động cơ, đặc tí nh cơ có độ cứng khơng t hay đổi trong dải đi ều chỉ nh rộng. Tại đây, chúng ta có 2 phương án là:

- Dùng bộ bi ến đổi nguồn đi ện xoay chi ều trực ti ếp. - Dùng bộ nghị ch l ưu có đi ều khi ển t ừ nguồn một chi ều.

Tr ong phương án dùng bộ bi ến đổi nguồn điện xoay chi ều trực tiếp, bộ bi ến đổi sẽ phức t ạp hơn, t uy nhiên độ chí nh xác trong đi ều khi ển chưa cao. Do đó, ta l ựa chọn phương án dùng bộ nghị ch l ưu có đi ều khiển t ừ nguồn một chi ều, có mức độ đi ều khi ển đơn gi ản hơn nhưng vẫn đáp ứng được tiêu chí đi ều khi ển. Tuy nhi ên, trong bài t oán yêu cầu sử dụng nguồn đi ện xoay chi ều 3 pha, nên trước hết phải t hông qua một khâu chỉ nh l ưu, đưa điện áp về nguồn đi ện một chi ều, sau đó qua khâu nghị ch l ưu có đi ều khi ển để cung cấp đi ện cho động cơ.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Ta có đồ t hị trạng t hái là m vi ệc của động cơ như sau:

Để đi ều khi ển t ốc độ động cơ ta sẽ đi ều khiển mo men đi ện t ừ t heo phương trì nh

Từ đó t a sẽ t hay đổi mo me n đi ện t ừ bằng cách t hay đổi dòng isq - Lựa chọn phương pháp đi ều khi ển t ựa t heo t ừ t hông( FOC) - Sử dụng t huật t oán điều chế vect or không gi an ( SVP WM)

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

1. 5. Xác đị nh sơ đồ cụ thể hơn của hệ thống TĐĐ:

<i>Hì nh 1. 3 Sơ đồ cụ thể hơn của hệ thống </i>

Ở đây bộ bi ến đổi công suất <small>dùng bộ chỉ nh l ưu nối tiếp với nghị ch l ưu có đi ều khi ển, có nhi ệ m vụ bi ến đổi công suất cố đị nh t ừ nguồn đi ện t hành cơng suất có đi ều khi ển được để cấp </small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Mo men động cơ si nh ra ngược chi ều với bánh răng nên ta có:

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Công suất của động cơ:

Áp dụng công t hức tính cơng suất: <i>P T</i> <i><sub>em m</sub></i>

Xét các khoảng t hời gi an:

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

 Ki ể m tra l ại mo men đầu trục động cơ : Với tỉ số truyền 10 : 1 suy ra mo men t ối đa

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

 Ki ể m tra l ại t ốc độ động cơ: Tốc độ đị nh mức của động cơ: 156 rad/ s Suy ra t ốc độ: 156: 10=15, 6

Nên hộp số đã chọn t hỏa mãn yêu cầu.

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Dòng đi ện max: 800A Tí n hi ệu ngõ ra: 4-20mA Thời gi an đáp ứng; 100 ms Tần số hoạt động: 20-1000 Hz

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

1. 7 Sơ đồ chi ti ết của mạch động l ực:

Mạ ch động l ực gồ m: bộ chỉ nh l ưu không điều khi ển 6 van di ode, t ụ l ọc nguồn DC, bộ nghị ch l ưu 6 van I BGT có đi ều khi ển, động cơ và hệ t hống cơ cấu t ải

Tí nh chọn các t hi ết bị cho bộ chỉ nh l ưu và nghị ch l ưu: Đi ện áp đầu ra khâu nghị ch l ưu: 220V

Đi ện áp đầu vào khâu nghị ch l ưu:

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

 Đi ện áp chị u đựng cho van bán dẫn là :

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

Chương 2 : Mơ hì nh hóa hệ t hống truyền động đi ện

Từ chương 1, ta có sơ đồ t ổng t hể của hệ t hống truyền động đi ện của động cơ không đồng bộ:

Từ đây t a có bảng các t hành phần đặc tí nh vào ra t ương ứng:

Mo me n t ải <i>T <sub>L</sub></i> <sup>Tốc độ </sup>

Cả m bi ến dòng đi ện Dòng đi ện t hực I Dòng đi ện I

2. 1 Mơ hì nh t oán học của động cơ đi ện xoay chi ều 3 pha không đồng bộ:

Mô hì nh trạng t hái liên t ục của động cơ trên hệ t ọa độ dq:

Tập hợp các phương trì nh đi ện áp và t ừ t hông của động cơ t a có:

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Tì m cách khử 1 số đại l ượng không quan trọng trong hệ trên đó là dịng( khơng đo được) của mạch rot or và cả t ừ t hông stat or. Sau đó chuyển các t hành phần vi phân sang vế trái, đồng t hời chuyển sang vi ết dưới dạng các t hành phần của vect or.

<b>Các bi ến trạng t hái cần quan tâ m: Dòng điện stator và t ừ t hông rotor. </b>

Sau một vài bi ến đổi ta t hu được hệ phương trì nh vi ết dưới dạng t hành phần như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

<i>Hì nh 2. 1 Mơ hì nh trạng thái của động cơ </i>

Mơ hì nh trạng t hái của động cơ XC 3 pha KĐB trên hệ t ọa độ dq có tí nh phi t uyến yếu. Các đại l ượng đầu vào gồ m: <i>u u<sub>sd</sub></i>, <i><sub>sq</sub></i> và <i><sub>s</sub></i>.

Tr ong ma trận hệ t hống có chứa đại l ượng t ốc độ  được coi là t ha m số hà m bi ến t hi ên có t hể đo được.

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

2. 2 Mô hì nh t ốn của bộ bi ến đổi công suất:

- Bộ nghị ch l ưu nhận đầu vào l à đi ện áp mong muốn, và đầu ra là đi ện áp cấp cho 3 pha của động cơ. Do đó, nếu hoạt động tốt t hì bộ nghị ch l ưu sẽ cho ra đi ện áp cấp cho 3 pha động cơ bằng đi ện áp mong muốn: <i>u<sub>s</sub><sup>uvw</sup></i><i>u</i><sup>*</sup>

- Vậ y mô hì nh t ốn của bộ nghị ch l ưu l à khâu khuếch đại với hệ số bằng 1.

2. 3 Mơ hì nh t oán cả m bi ến dòng:

Mơ hì nh t ốn học của phản hồi dòng đi ện có t hể bi ểu di ễn bằng hệ số khuếch đại H<small>c</small> trong tr ường hợp không yêu cầu bộ l ọc (đa số).

Tr ong trường hợp cần dùng bộ l ọc, một bộ l ọc t hông t hấp được sử dụng. Hằng

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

Chọn hệ số khếch đại:<i>H<sub>c</sub></i> 1.

2. 4 Mơ hì nh t oán encoder

Tr ong các hệ t hống trước đây, t hường dùng máy phát để đo t ốc độ. Một bộ l ọc t hông t hấp có hằng số t hời gi an dưới 10 ms t hường được sử dụng.

Hà m truyền đạt của khâu hà m truyền t ốc độ:

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

2. 5 Mô hì nh t ổng quát của hệ thống:

<i>Hì nh 2. 2 Mơ hì nh tổng qt của hệ thống </i>

<i>Hì nh 2. 6 Mơ hì nh tốn học của hệ thống </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

Chương 3: Tổng hợp hệ thống truyền động đi ện 3. 1 Sơ đồ cấu trúc đi ều khi ển

Tr ên cơ sở mơ hì nh tốn học động cơ không đồng bộ 3 pha t hu được ở chương trước. Ta xây dựng được 1 hệ truyền động dùng động cơ KĐB nuôi bởi nghị ch l ưu nguồn áp và đi ều chỉ nh t ựa t heo t ừ t hông rot or ki nh đi ển.

Mục đí ch của phương pháp t ựa t heo t ừ t hông r ot or chí nh l à t ạo ra một công cụ cho phép tách các t hành phần tạo ra t ừ t hơng và dịng t ạo mo men quay t ừ dòng đi ện xoay chi ều trong cuộn dây st at or của động cơ.

Chức năng của các khối trong sơ đồ cấu trúc:

Khối nghị ch l ưu ( 1): Chuyển đại l ượng một chi ều trung gi an đã qua l ọc t hành hệ t hống đi ện áp xoay chi ều 3 pha. Mạch nghị ch l ưu là hệ t hống các van bán dẫn đóng ngắt t heo các tí n hi ệu đi ều khi ển là t hời gi an đóng ngắt <i>t t t . <sub>u v</sub></i>, , <sub>w</sub>

Khâu đi ều chế vect or (2): Chuyển các đi ện áp <i>u u<sub>s</sub></i><sub></sub>, <i><sub>s</sub></i><sub></sub> sang t hời gi an đóng ngắt van <small>w</small>

, ,

</div>