Thiết kế, chế tạo mô hình băng tải vận chuyển hàng linh hoạt

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu và thực hiện đồ án tốt nghiệp, chúng em đã học hỏi
được rất nhiều điều bổ ích từ các thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử và các bạn.
Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy giáo – cô giáo trong khoa Điện –
Điện Tử trường ĐHSP Kỹ Thuật Hưng Yên đã dạy bảo, truyền đạt những kiến thức và
kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong suốt những năm học tập tại trường.
Đặc biệt, nhóm sinh viên chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy
Giang Hồng Bắc và thầy Nguyễn Tiến Dũng – người đã trực tiếp hướng dẫn, cung
cấp những tài liệu, kiến thức quý giá và tạo mọi điều kiện về trang thiết bị trong suốt
quá trình làm đồ án để chúng em có thể hoàn thành đồ án này một cách tốt nhất.
Sau cùng, chúng em xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và những
người bạn trong lớp ĐK9Lc.1 và những người bạn trong khoa Điện – Điện Tử đã luôn
bên cạnh giúp đỡ, động viên và đóng góp ý kiến cho chúng em trong suốt quá trình
học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp.

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 1

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước nhiều ngành
công nghiệp phụ vụ quá trình công nghiệp phát triển của đất nước. Như khai thác
khoáng sản vận chuyển nguyên vật liệu trong các bến cảng, trong các nhà máy. Băng
tải dùng để vận chuyển các vật liệu nhờ những ưu điểm là có khả năng vận chuyển

hàng hóa đi xa, làm việc êm năng xuất cao và tiên hoa năng lượng không lớn lắm làm
cho việc sản xuất đây chuyền dễ dàng hơn. Chính nhờ những ưu điểm đó mà băng tải
được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực, khai thách hầm mỏ bến cảng...
Nhận thấy tầm quan trọng của băng tải trong các ngành công nghiệp và đây là
một hệ thống cần có sự cải tiến và thiết kế mới trong lĩnh vực trang bị điện do vậy
chúng em đã mạnh dạn nhận đề tài “ thiết kế, chế tạo mô hình băng tải vận chuyển
hàng linh hoạt ”
Trong đề tài này chúng em chủ yếu đi sâu vào việc dùng thuật toán PID vào điều
khiển động cơ truyền lực cho băng tải. Động cơ ở đề tài của chúng em là động cơ một
chiều. Thuật toán PID ở đây chúng em dùng là PID số.
Vì khả năng và thời gian có hạn nên chúng em không tránh khỏi những thiếu sót
trong đề tài. Do vậy chúng em mong thầy cô và bạn bè đóng góp xây dựng để đề tài
của chúng em được hoàn thiện hơn.

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 2

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 3

Nhóm 3

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
PHỤ
LỤC..............................................................................................................58 DANH

MỤC HÌNH VẼ

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 4

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay cùng với sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước nhiều
ngành công nghiệp phụ vụ quá trình công nghiệp phát triển của đất nước. Như khai
thác khoáng sản vận chuyển nguyên vật liệu trong các bến cảng, trong các nhà máy.
Băng tải dùng để vận chuyển các vật liệu nhờ những ưu điểm là có khả năng vận
chuyển hàng hóa đi xa, làm việc êm năng xuất cao và tiên hoa năng lượng không lớn
lắm làm cho việc sản xuất đây chuyền dễ dàng hơn.Vì vậy để cải thiện hiệu năng và ổn
định của băng tải chúng em xin chọn đề tài: “thiết kế, chế tạo mô hình băng tải vận
chuyển hàng linh hoạt”
2. Chọn phương án thiết kế
Với đồ án này chúng em xin chú trọng vào phần trang bị điện – điện tử cho băng
tải. Cụ thể ở đây đối tượng chính của băng tải là động cơ 1 chiều lên các phương án

thiết kế sẽ xoay quanh các phương pháp điều khiển động cơ 1 chiều. Vậy các phương
pháp thay đổi tốc độ động cơ 1 chiều:
- Thay đổi từ thông: Khi từ thông thay đổi thì mômen, dòng điện cũng thay đổi,
nên khó tính được chính xác dòng điều khiển và momen tải suy ra phương pháp này ít
dùng
- Thay đổi điện trở phụ: Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản tốc độ điều
chỉnh liên tục, nhưng do them Rp nên tổn hao tăng, không kinh tế.
- Thay đổi điện áp phần ứng: Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh
tốc độ động cơ điện một chiều bằng điện áp:
+ Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ.
+ Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ.
Trong đó thông thường người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phần ứng.
Khi thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ điện thay đổi. Vì từ thông của động
cơ không đổi nên độ dốc đặc tính cơ không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng tùy
thuộc vào giá trị điện áp điều khiển của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều
khiển này là triệt để.
 Kết luận:
Sau quá trình tìm hiều và phân tích chúng em đã lựa chọn phương pháp thay
đổi điện áp phần ứng để điều khiển tốc độ động cơ.
3. Phạm vi của đề tài
Phạm vi là điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập, điện áp 210V DC,
công suất 0.37KW. Mạch lái là mạch cầu H, mạch điều khiển tốc độ của động cơ.

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 5

Nhóm 3

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
4. Các ứng dụng của đề tài
Sản phẩm không chỉ có ứng dụng trong băng tải mà có thể ứng dụng mạch
trang bị điện – điện tử này vào các sản phẩm khác trong công nghiệp rất hữu ích vì nó
đem lại hiệu suất cao và độ chính xác vì là điều khiển có phản hồi.
Sử dụng hổ trợ một phần trong các đề tài tốt nghiệp,đồ án, tiểu luận.
Sử dụng trong giảng dạy (mô hình thí nghiệm trong điều khiển tự động).
- Điều khiển vị trí và vận tốc các cơ cấu servo:
- Dùng trong Robot.
- Trong các máy điều khiển chương trình số.
- Trong máy in và máy vẽ.

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 6

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1.1. Hệ thống băng tải
Băng tải thường dùng để vận chuyển vật liệu thể bột mịn, thể hạt hoặc kích
thước nhỏ theo phương nằm ngang hoặc theo phương mặt phẳng nghiêng với góc
nghiêng nhỏ hơn 30 , với các cơ cấu kéo(băng chở vật liệu) đa dạng như băng cao su,
băng bằng thép tấm,....
1.1.1.Cấu tạo và đặc điểm trang bị điện băng tải:

Hình 1.1.Băng tải cố định

Kết cấu của băng tải lắp cố định được biểu diễn trên hình 1.1, bao gồm có giá đỡ
10 với con lăn đỡ trên 12 và hệ thống con lăn đỡ phía dưới 11, băng tải chở vật liệu 7
di chuyển trên các hệ thống con lăn đó bằng 2 tang truyền động: tang chủ động 8 và
tang thụ động 5. Tang chủ động 8 được lắp trên giá đỡ cố định và kết nối cơ khí với
động cơ truyền động qua một cơ cấu truyền lực dùng dây curoa hoặc một hộp tốc độ.
Cơ cấu tạo sức căng ban đầu cho băng tải gồm đối trọng 1, hệ thống định vị và dẫn
hướng 2, 3 và 4. Vật liệu cần vận chuyển từ phễu 6 đổ xuống băng tải và đổ vào phễu
nhận hàng 9.
Băng tải được chế tạo từ bố vải có độ bền cao, ngoài bọc cao su với khổ
rộng( 900

1200mm). Khi vận chuyển vật liệu có nhiệt độ cao(tới 300) thường dùng

băng tải bằng thép có độ dày(0,8 1,2mm) với khổ rộng(350 800mm).
Cơ cấu truyền lực trong hệ truyền động băng tải thường dùng 3 loại:

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 7

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đối với băng tải cố định thường dùng hộp tốc độ và hộp tốc độ kết hợp với xích
tải(hình 1.1 c,d).
Đối với băng tải lắp không cố định(có thể di dời) dùng tang quay lắp trực tiếp
với trục động cơ (hình 1.1e) với kết cấu của hệ thống gọn hơn.
Đối với một số băng tải di động cũng có thể dùng cơ cấu truyền lực dùng puliđai truyền nối động cơ truyền động với tang chủ động.
Năng suất của băng tải được tính theo biểu thức:

Q=
[kg/s]
Q=
= 3,6.
[tấn/h]

Trong đó:

– khối lượng tải trên một đơn vị chiều dài của băng tải, kg/m

v - tốc độ di chuyển của băng tải, m/s
Khối lượng tải trên một đơn vị chiều dài:
= S.

[kg/m]

Trong đó: – khối lượng riêng của vật liệu, tấn/m3
S – tiết diện cắt ngang của vật liệu trên băng, m 2
1.1.2. Các loại băng tải
Có nhiệu loại băng tải được ứng dụng trong các điều kiện và tính chất làm việc
khác nhau.
a. Băng tải cao su
Hệ thống băng chuyền bằng băng tải cao su là một hệ thống vận chuyển nguyên
liệu mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất so với các hệ thống cùng chức năng. Hệ thống
vận chuyển nguyên liệu bằng Băng tải cao su có thể được lắp đặt ở mọi địa hình, mọi
khoảng cách.
b. Băng tải xích
Băng tải xích chủ yếu được sử dụng để vận chuyển tải nặng đơn vị, ví dụ như tấm
nâng hàng, hộp lưới điện, và các đồ chứa công nghiệp. Những băng tải có thể được
một hoặc hai sợi dây chuyền trong cấu hình. Tải được đặt trên các dây chuyền, ma sát

kéo tải phía trước . Nhiều ngành công nghiệp sử dụng công nghệ băng tải xích trong
dây chuyền sản xuất của họ. Ngành công nghiệp ô tô thường sử dụng các hệ thống
băng tải xích để truyền tải phụ tùng xe hơi thông qua các nhà máy sơn. Xích băng tải

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 8

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
cũng đã sử dụng rộng rãi trong các hàng hoá màu trắng và nâu, hoàn tất kim loại và
các ngành công nghiệp phân phối.

Hình 1.2. Băng tải xích
c. Băng tải con lăn
Băng tải con lăn là hệ thống băng tải gồm những con lăn được bố trí trên các giá
dựng đứng, sử dụng trong các kho chứa các hộp sản phẩm, hệ thống giá con lăn thuận
tiện cho viêc đặt giỡ các thùng hàng.
Băng tải con lăn có các loại đề bạn lựa chọn như:
-

Băng tải con lăn nhựa

-

Băng tải con lăn nhựa PVC :
+ Băng tải con lăn thép mạ kẽm
+ Băng tải con lăn truyền động bằng motor

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 9

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.3. Băng tải con lăn
d.

Băng tải đứng
Băng tải đứng thường được gọi là thang máy và thang máy vận chuyển hàng hóa
vật chất - là hệ thống băng tải sử dụng để tăng hoặc vật liệu thấp hơn các mức khác
nhau của một cơ sở trong quá trình xử lý.

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 10

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 1.4. Băng tải đứng
e.

Băng tải xoắn ốc

Băng tải xoắn ốc có thể tải vận chuyển vật liệu trong một dòng chảy liên tục. Các
ngành công nghiệp đòi hỏi phải có một sản lượng cao hơn các vật liệu – thực phẩm và
nước giải khát, bao bì trường hợp bán lẻ, dược phẩm – kết hợp các băng tải vào của họ
trên hệ thống tiêu chuẩn băng tải do dọc để họ có khả năng tạo thuận lợi cao. Thông
thường băng tải xoắn ốc nhất cũng có một góc độ thấp hơn của nghiêng hoặc từ chối
(11 độ hoặc thấp hơn) để ngăn chặn trượt và nhào lộn trong quá trình hoạt động.

Hình 1.5. Băng tải xoắn ốc
f. Băng tải linh hoạt
Các băng tải linh hoạt dựa trên một chùm băng tải trong nhôm hoặc thép không
gỉ, với đường ray trượt ma sát thấp. Sản phẩm sẽ được chuyển đi trực tiếp trên băng
tải, hoặc trên tấm nâng hàng / nhà cung cấp. Những băng tải có thể được làm việc
xung quanh chướng ngại vật và giữ cho dây chuyền sản xuất chảy. Chúng được sử
dụng trong bao bì thực phẩm, đóng gói hồ sơ, và các ngành công nghiệp dược phẩm
mà còn trong các cửa hàng bán lẻ như Wal-Mart và Kmart .
g. Băng tải rung
Một băng tải rung là một máy với một bề mặt rắn vận chuyển được bật lên trên
một bên để tạo thành một máng. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng
thực phẩm cấp, nơi vệ sinh và bảo trì thấp là rất cần thiết. Băng tải rung cũng phù hợp
với môi trường khắc nghiệt, rất nóng, dơ bẩn, hoặc ăn mòn.

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 11

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
h. Băng tải khí nén

Mỗi hệ thống khí nén, sử dụng các ống hoặc ống dẫn gọi là đường giao thông hỗn
hợp mang tài liệu và một dòng không khí.Những vật liệu này là như là hoặc miễn phí
hoặc ánh sáng chảy vật liệu bột…nghiền thành bột khô như xi măng, tro bay v.v…

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cho đến ngày nay động cơ điện một chiều dùng rất phổ biến trong các hệ thống
truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều từ vài W đến
hàng MW. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt
hơn so với các loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ
dàng mà cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất
lượng điều chỉnh trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.
Để thiết kế một hệ thống điều chỉnh tốc độ cho động cơ điện một chiều trước tiên
ta xét:

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 12

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều.
2.1.1. Cấu tạo
Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều gồm 2 phần chính là phần cảm và phần ứng.
a. Phần cảm: để tạo ra từ trường một chiều, đó là các cuộn dây 5 (cuộn kích từ ) quấn
quanh các cực từ 4 được làm bằng thép đúc (hình 2.1).
b. Phần ứng: là cuộn dây 7 có dòng điện một chiều chạy qua, đặt trong từ trường của
phần cảm. Khi đó các dây dẫn phần ứng bị một lực từ tác dụng, roto sẽ quay.
Do roto quay nên dòng một chiều cấp cho phần ứng phải đưa vào qua hệ chổi

than cổ góp.

Hình 2.1. Cấu tạo của động cơ điện một chiều
1. cổ góp điện; 2. chổi than; 3. rôto; 4. cực từ; 5. cuộn cảm (cuộn kích từ)
6. stato; 7. cuộn ứng; 8. quạt làm mát; 9. nắp
Tuỳ theo cách mắc mạch kích từ so với mạch phần ứng mà động cơ điện một
chiều được chia ra :
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (hình 2.2a)
Động cơ điện một chiều kích từ song song(hình 2.2b)
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (hình 2.2c)
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp (hình 2.2d)

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 13

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý nối dây động cơ điện một chiều
kích từ độc lập (a); kích từ song song (b); kích từ nối tiếp ( c) ; kích từ hỗn hợp (d)
2.1.2. Nguyên lý
Hình 2.3 mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều. Khi cho điện áp
một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện I ư. các thanh dẫn
ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng lực từ F đt tác dụng làm rôto
quay.
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí ab, cd đổi chỗ cho nhau do có phiến góp
đổi chiều dòng diện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo cho động cơ có

chiều quay không đổi.

Hình 2.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sđđ E ư, Chiều sđđ xác
định theo quy tắc bàn tay phải. Ở động cơ điện một chiều Eư ngược chiều với dòng.
Phương trình điện áp là:
U = Eư + Iư Rư
2.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Tuỳ theo cách kích thích từ, động cơ một chiều có những tính năng khác nhau
biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc, đặc tính cơ khác nhau.

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 14

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Ta xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.
Rư
Iư

U

U

Eư

Eư

Hình 2.4. Sơ đồ thay thế động cơ một chiều.
Trong đó: Eư - Sức điện động phần ứng của động cơ.
Rư - Điện trở phần ứng của động cơ.
Từ sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều ta có các phương trình:
U = Eư + Iư.Rư
Eư = K.Φ.ω

(1-1)

M = K.Φ.Iư
Trong đó:
p.N
K = 2π .a : Hệ số phụ thuộc kết cấu của động cơ.

p - Số đôi cực.
N - Tổng số thanh dẫn của dây quấn phần ứng.
a - Số đôi mạch nhánh song song.
Từ hệ phương trình (1-1) ta có đặc tính cơ điện:

Đặc tính cơ:

R
U
− ­ .I ­
ω = K.Φ K.Φ

(1-2)

R­

U
−
.M
2
ω = K.Φ (K.Φ )

(1-3)

U
Đặt ωo = K .Φ : Tốc độ không tải lý tưởng.
Biểu thức (1-3) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều, biểu diễn
quan hệ giữa mômen và tốc độ động cơ ω = f(M). Đây là phương trình đặc tính tự
nhiên của động cơ, có dạng đường thẳng.

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 15

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2.5. Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều
Động cơ một chiều kích từ độc lập, do cuộn kích từ được đấu độc lập với dây
quấn phần ứng động cơ( cấp bởi nguồn riêng ) cho nên khi động cơ làm việc nếu tăng
Ukt làm cho dòng Ikt tăng lên( không ảnh hưởng đến dòng phần ứng) dẫn đến tốc độ
động cơ tăng lên và ngược lại. Hơn nữa I kt thường rất nhỏ nên việc thay đổi tốc độ
động cơ đơn giản nhưng nhược điểm là phải dùng nguồn riêng.
Động cơ một chiều kích từ song song, cuộn kích từ mắc song song với phần ứng

động cơ và dòng Ikt phụ thuộc vào điện áp nguồn, ít phụ thuộc vào mômen tải nên
động cơ này có đặc tính cơ rất cứng (tốc độ ít phụ thuộc vào tải).
Động cơ một chiều kích từ nối tiếp, cuộn kích từ mắc nối tiếp với phần ứng động
cơ, dòng Ikt = Iư. Khi chạy không tải mômen nhỏ, tốc độ tăng cao dễ làm hỏng động cơ
về mặt cơ khí ví vậy tránh dùng động cơ điện một chiều ở không tải.
Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có tính chất như động cơ kích từ song song
và động cơ kích từ nối tiếp.
2.3. Mô hình toán học của động cơ điện một chiều:
2.3.1. Khái quát chung về động cơ điện một chiều:
Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện một chiều được biểu diễn như sau:

Hình 2.6. Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 16

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trong đó:
CKĐ: Dây quấn kích từ độc lập
CKN: Dây quấn kích từ nối tiếp
CB : Dây quấn bù
CF : Dây quấn cực từ phụ
Uk :Điện áp kích thíc
U :Điện áp phần ứng
N, p’, Lư, Rư: Là số thanh dẫn td, số đôi cực, số đôi mạch nhánh, hệ số tự cảm

và điện trở phần ứng.
- ω, M, Mc: Là tốc độ góc, momen điện từ và momen cản của động cơ.
2.3.2. Chế độ xác lập của động cơ một chiều
Khi đặt lên dây quấn kích từ của một điện áp U k nào đó, thì trong dây quấn kích
từ sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông . Tiếp đó lại đặt giá trị
điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua.
Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông mạch kích từ sẽ tạo ra momen điện từ
có giá trị:
(2)
Với là hệ số kết cấu của máy.
Momen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục => sinh ra sức điện động:
(3)
Trong chế độ xác lập, có thể tính toán được tốc độ qua phương trình cân
bằng điện áp phần ứng
U = E + Rư.Iư

(4)
Từ phương trình này ta có thể vẽ được họ đặc tính cơ M (ω) của động cơ 1 chiều
khi = const.
2.3.3. Chế độ của động cơ một chiều
a. Mô tả chung
Các phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 1.1.a là:
• Mạch kích từ:
Uk(t)=Rk..ik(t) + Nk.
Nk: số vòng dây cuộn kích từ
Rư: điện trở cuộn dây kích từ
 Biến đổi Laplace ta được
UK(P) = RK.IK(P) + NK.P.(P)

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 17

(5)

(6)

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
-

Mạch phần ứng:
U(t)=Rư.i(t) + Lư. NN. + e(t)
NN: số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp
 U(P) = Rư.I(P) + Lư.P.I(P) NN.P.(P) + E(P)

(7)
(8)

Hoặc dạng dòng điện:
I(P)=.[U(P) NN.P.(P)+E(P)]

 M(P)

Với ư = Lư/Rư hằng số thời gian của mạch phần ứng
Phương trình chuyển động của hệ thống
M(t) – [mc(t) + mms(t)] = J.
- [MC(P) + Mms(P)] = J.P.ω(P)

(9)
Trong đó J là momen tổn hao do ma sát
Từ các phương trình trên thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện 1 chiều

• Ở dạng đầy đủ:

Hình 2.7. Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều dạng đủ
Sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến, trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình
tuyến tính hóa quanh điểm làm việc.

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 18

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2.8. Mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc của động cơ điện một chiều
Tại điểm làm việc xác lập có: điện áp phần ứng U 0; dòng phần ứng I0, tốc độ ωB,
điện áp kích từ UKo, từ thông 0 dòng kích từ IKo và momen tải MCB biến thiên nhỏ của
đại lượng trên tương ứng là ∆U(P); ∆I(P); ∆ω(P); ∆UK(P); ∆IK(P); ∆(P); ∆MC(P)
-Đối với động cơ 1 chiều kích từ độc lập thì NN = 0 => các phương trình sau:
•

Mạch phần ứng: u(t) = R.i(t) + L. + e
=>Uo + ∆U(P) = Rư[I0+∆I(P)] + P.Lư[I0+∆I(P)] + K.[0+∆(P)][ωB+∆ω(P)]

(10)

• Mạch kích từ:
UKo+∆UKo=RK[I0+∆I(P)]–P.LK[I0+∆IK(P)]

(11)

• Phương trình chuyển động có học, từ pt:
mđt(t) – (mc(t)+ mms(t) = J.)
K[0 + ∆(P)][I0 + ∆I(P)] – [MB + ∆MC(P)] – f.[ωB + ∆ω(P)] = J.P.[ωB + ∆ω(P)] (12)
Từ các phương trình trên, nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương
trình trên có thể viết được các phương trình của gia số:
∆U(P) – [K.ωB.∆(P) + K.0.∆ω(P)] = Rư.∆I(P).(1+P.τư)
(13)
∆UK(P)= RK.∆IK(P).( 1+P.τư)
(14)
τk=
K.I0.∆(P)+K.0.∆I(P)-f.∆ω(P)=J.P.∆ω(P)
(15)
Từ đây ta có sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa theo các phương trình (13) và (15)

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 19

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa của động cơ điện một chiều

b. Trường hợp khi từ thông kích từ không đổi:
K = Cu = const
Phương trình phần ứng:
U(P) = Rư.I(P).(1 + P.τư) + Cu.ω(P)
(16)
Phương trình cân bằng momen:
Cu.I(P) – [MC(P) + Mms(P)] = J.P.ω(P)
(17)
Cu.I(P) - MC(P) – f.ω(P) = J.P.ω(P)
(18)
Từ các phương trình trên ta có sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi:
Sơ đồ đầy đủ:

Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
- Bằng phương pháp đại số ta có sơ đồ thu gọn:
+ Theo tốc độ

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 20

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2.11. Sơ đồ thu gọn theo tốc độ
2.4. Điều khiển tốc độ động cơ
Như đã giới thiệu ở lời mở đầu chúng ta có rất nhiều phương pháp để thay đổi
tốc độ động cơ điện một chiều như điều khiển từ thông, thay đổi điện trở phần ứng,

điều chỉnh điện áp phần ứng. Tùy theo mục đích sử dụng, phương pháp thiết kế, ưu
nhược điểm của các phương pháp mà người ta lựa chọn các phương pháp khác nhau.
Sau khi tìm hiểu và phân tích thì chúng em lựa chọn phương pháp thay đổi điện áp
phần ứng để điều khiển tốc độ động cơ vì:
Hệ có khả năng điều chỉnh triệt để, nghĩa là có thể thay đổi tốc độ không tải lý
tưởng(khi M=0).
Độ cứng đặc tính cơ điều chỉnh được giữ không đổi.
Dải điều chỉnh tương đối rộng. Phạm vi điều chỉnh càng lớn càng tốt và phụ
thuộc vào yêu cầu của từng hệ thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh.
2.4.1. Bộ băm xung áp một chiều.
Bộ băm xung áp một chiều có nhiều ưu điểm trong truyền động động cơ. Bộ
băm xung áp biến đổi được điện áp một chiều từ 0 đến giá trị điện áp nguồn U S một
cách trơn liên tục.
Nguyên lý:
Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác nhau.

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 21

Nhóm 3


Hình 2.12. Sơ đồ nguyên lý của bộ BBĐ một chiều và dạng xung ra của BBĐ.
T

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

t2

t1

Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t 1 và độ nghỉ t2. Điện áp ra bằng
giá trị trung bình của điện áp xung. Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là điều
khiền các phần tử công suất bằng phương pháp xung. Để có hiệu suất lớn thì điện áp
sụt trên các phần tử công suất ở trạng thái mở phải nhỏ, dòng qua nó ở trạng thái mở
rất nhỏ.
Phương pháp điều chỉnh điện áp ra :
Có hai phương pháp:

Thay đổi độ rộng xung (t1).

Thay đổi tần số xung (T hoặc f).
a. Phương pháp thay đổi độ rộng xung.
Nội dung của phương pháp này là thay đổi t 1, giữ nguyên T ⇒ Giá trị trung
bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
U tai =

Trong đó đặt:

t
ε= 1
T

t1 .U S
= ε .U S
T

là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ.

Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < ε ≤ 1).

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 22

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
b. Phương pháp thay đổi tần số xung.
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1=const. Khi đó:
U tai =

Vậy Ura= US khi

1
f =
t1

t1
.U S = t1 . f .U S
T

và Ura= 0 khi f = 0.

Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên. Thực tế phương pháp biến đổi
độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi
kèm.
Nhận xét:

Ở đây ta chọn cách thay đổi độ rộng xung, phương pháp này gọi là PWM (Pulse
Width Modulation). Theo phương pháp này tân số băm xung sẽ là hằng số. Việc điều
khiển trạng thái đóng mở của van dựa vào viêc so sánh một điện áp điều khiển với một
sóng tuần hoàn (thường là dạng tam giác(Sawtooth)) có biên độ đỉnh không đổi. Nó sẽ
thiết lập tần số đóng cắt cho van, tần số đóng cắt này là không đổi với dải tẩn từ 400Hz
đến 200kHz. Khi

uControl > u st

thì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa van.

Hình 2.12.Tín hiệu điều khiển van
2.4.2 .Các sơ đồ băm xung:
- Sơ đồ nguyên lý như sau:

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 23

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 2.13. Sơ đồ băm xung giảm áp
Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá S (van bán dẫn điều khiển).
Đặc điểm của sơ đồ này là khoá S, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có tính chất
cảm kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc L & C. Diode mắc ngược với U d để thoát
dòng tải khi khoá K ngắt.
+ S đóng ⇒ U được đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tưởng thì ud = U (nếu bỏ qua sụt
áp trên các van trong bộ biến đổi).

+ S mở ⇒ hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng i d do năng lượng tích
luỹ trong cuộn L và Ltải, dòng chạy qua D, do đó ud=0.
Như vậy, Ud ≤ U. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
Đặc tính truyền đạt:
WI =

Ud
=α
U

-Sơ đồ như sau:

Hình 2.14. Sơ đồ băm xung tăng áp
Đặc điểm: L nối tiếp với tải, khoá S mắc song song với tải. Cuộn cảm L không
tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này.
+ S đóng, dòng điện từ +U qua L → S → -U. Khi đó D tắt vì trên tụ có U C (đã
được tích điện trước đó).
+ S ngắt, dòng điện chạy từ +U qua L → D → Tải. Vì từ thông trong L không
giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm e L

dΦ
=w
dt

, có

cùng cực tính U. Do đó tổng điện áp: ud =U + eL. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp.
Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục và
năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn.

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 24

Nhóm 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đặc tính truyền đạt:
WI =

Ud
1
=
U 1− ε

2.5. Bộ băm xung một chiều có đảo chiều
2.5.1. Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.15. Sơ đồ băm xung có đảo chiều
Ở đây ta sử dụng van bán dẫn MOSFET. Bộ BXMC(băm xung một chiều) dùng
van điều khiển hoàn toàn MOSFET có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo
chiều dòng điện tải.Trong các hệ truyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do
đó bộ biến đổi này thường hay dùng để cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độc
lập có nhu cầu đảo chiều quay.
Các van MOSFET làm nhiệm vụ khoá không tiếp điểm . Các Diode D1, D2, D3,
D4 dùng để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện quá trình hãm tái sinh.
Có các phương pháp điều khiển khác nhau như : điều khiển không đối xứng và
điều khiển đối xứng
2.5.2. Các phương pháp điều khiển

a. Phương pháp điều khiển đối xứng.
Nếu ta muốn động cơ chạy theo chiều nào thì ta sẽ chỉ cho một cặp van chạy ,cặp
còn lại sẽ khoá.
+ Muốn cho động cơ quay thuận cho S1, S2 dẫn, S3, S4 nghỉ.
+ Muốn cho động cơ quay nghịch cho S1, S2 nghỉ, S3, S4 dẫn.
Giả sử động cơ quay theo chiều thuận (động cơ sẽ làm việc ở góc phần tư thứ 1
và thứ 2) tương ứng với cặp van S1, S2 làm việc, S3,S4 luôn bị khoá.
Xét trong một chu kỳ đóng mở:
Trong chế độ điều khiển đối xứng thì cả 4 van S1÷S4 đều hoạt động. Giả thiết S3
và S4 đang dẫn dòng tải chảy qua (theo chiều từ B → A).
- Tại thời điểm t=0 đưa xung mở S1 và S2. Vì trước thời điểm phát xung một
khoảnh khắc thì iS3=IS4>>0 nên đến θ=0, muốn khoá S3 & S4 ta cần khoá cưỡng bức

GVHD : Giang Hồng Bắc

Trang: 25

Nhóm 3