rong công cuộc công nghiệp hoá và hiện đại hoá hiện nay, ngành tự động hoá đóng một vai trò hết sức quan trọng. Việc áp dụng các hệ thống truyền động theo vòng kín nhằm tăng năng suất và tăng hiệu quả kinh tế. Một hệ thống làm việc ổn định thì sẽ cho ra những sản phẩm đảm bảo chất lượng cao. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, đặc biệt là ngành điện tử công suất. Với việc phát minh ra các linh kiện bán dẫn đã và đang ngày càng đáp ứng được các yêu cầu của các hệ thống truyền động. Ưu điểm của việc sử dụng các linh kiện bán dẫn mà làm cho hệ thống trở nên gọn nhẹ hơn, giá thành thấp hơn và có độ chính xác tác động cao hơn. Với nhu cầu sản suất và tiêu dùng như hiện nay, thì việc tự động hoá cho xí nghiệp trong đó sử dụng các linh kiện gọn nhẹ là một nhu cầu hết sức cấp thiết. Sau gần 4 năm học tập và nghiên cứu ở trường, em đã được làm quen với các môn học thuộc ngành. Để áp dụng lý thuyết với thực tế trong học kỳ này chúng em được giao đồ án môn học Tổng hợp hệ điện cơ với yêu cầu “ Thiết kế hệ thống TBĐ TĐH cho máy sản xuất”. Với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của cô giáo hướng dẫn Nguyễn Thị Thanh Nga và các thầy cô giáo trong bộ môn, đến nay đồ án của em đã được hoàn thành.
LỰA CHỌN CẤU TRÚC HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN, QUY ĐỔI THÔNG SỐ VỀ TRỤC ĐỘNG CƠ
Lựa chọn cấu trúc hệ thống truyền động
Để thiết kế hệ thống truyền động cho một đối tượng cụ thể, cần xem xét đặc điểm công nghệ và chỉ tiêu chất lượng để đưa ra phương án hợp lý Mỗi đối tượng truyền động có thể sử dụng nhiều loại truyền động khác nhau, mỗi phương án đều có ưu nhược điểm riêng Phương án lựa chọn phải đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và kinh tế, trong đó yêu cầu kỹ thuật là quan trọng nhất Thông thường, hệ thống tốt về mặt kỹ thuật sẽ tốn kém hơn về kinh tế Do đó, tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng và độ chính xác của sản phẩm, việc chọn hệ thống truyền động điện là cần thiết để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu mong muốn.
Việc lựa chọn phương án truyền động điện đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất Lựa chọn đúng sẽ giúp tăng năng suất làm việc, giảm thiểu hành trình thừa và cải thiện chất lượng sản phẩm, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế Ngược lại, lựa chọn sai lầm có thể dẫn đến tổn thất nghiêm trọng và ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động sản xuất.
* Lựa chọn phương án truyền động điện phù hợp
Để lựa chọn hệ thống phù hợp với yêu cầu, cần đưa ra các phương án đáp ứng tiêu chí kỹ thuật, sau đó tiến hành đánh giá ưu nhược điểm của từng phương án để đưa ra quyết định hợp lý.
* Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống
M là động cơ điện dùng để truyền động cho máy sản xuất Mx.
BĐ là thiết bị biến đổi điện năng, toàn bộ các thiết bị trên được gọi là phần lực.
Các thiết bị đo lường ĐL và bộ điều chỉnh R được gọi là phần điều khiển
Tín hiệu đầu vào hệ thống THĐ để điều khiển hệ thống được gọi là tín hiệu đặt
NL là các tín hiệu nhiễu (nhiễu loạn) tác động lên hệ
1.1.2 Cấu trúc của điều khiển số
Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển số
Đối tượng điều khiển (ĐT) là những thiết bị cần thiết để tạo ra các đại lượng vật lý mà công nghệ yêu cầu, chẳng hạn như lò gia nhiệt để đạt được nhiệt độ mong muốn hoặc động cơ để điều chỉnh tốc độ.
SS là khối thiết bị đo có chức năng đo các đại lượng vật lý tương tự thực tế (không điện) và chuyển đổi chúng thành đại lượng điện, thường là điện áp hoặc dòng điện Các thiết bị này thuộc loại thiết bị tương tự.
Khối khuếch đại chuẩn hóa A/A có chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự chưa chuẩn ở đầu vào thành tín hiệu tương tự chuẩn hóa ở đầu ra, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính chính xác và ổn định của tín hiệu Đây là một thiết bị tương tự thiết yếu trong các hệ thống điện tử.
Hiện nay thường dùng các chuẩn:
+ A/D, D/A: khối chuyển đổi tín hiệu tương tự - số, số - tương tự Đây là thiết bị số.
Vi xử lý tín hiệu (μP) là bộ phận quan trọng trong hệ thống điều khiển, có chức năng ghi và đọc chương trình điều khiển cũng như chương trình bảo vệ Nó đảm nhận việc đọc giá trị tín hiệu số tương ứng với các đại lượng vật lý trong chương trình, thực hiện so sánh và đưa ra quyết định tín hiệu điều khiển Để thực hiện các nhiệm vụ này, vi xử lý cần điều khiển trạng thái tổng trở của các chân vào (pinin) và chân ra (pinout).
Vi xử lý có nhiệm vụ đọc chương trình bảo vệ và giá trị các đại lượng vật lý cần bảo vệ, sau đó so sánh với ngưỡng bảo vệ đã được cài đặt Khi giá trị vượt quá ngưỡng, vi xử lý sẽ phát lệnh dừng hệ thống và gửi tín hiệu thông báo cho người vận hành để tiến hành sửa chữa Đồng thời, vi xử lý cũng kiểm soát hệ thống và thông báo chế độ làm việc cũng như mã lỗi thông qua các mã lệnh.
CCĐC, hay cơ cấu điều chỉnh, có vai trò nhận tín hiệu điều khiển và thực hiện các quy luật để điều tiết đối tượng, nhằm biến đổi đại lượng vật lý đầu ra theo chương trình công nghệ Thiết bị này tương tự như các bộ biến đổi và biến trở.
Trong thực tế, các khối có thể được chế tạo hợp bộ, như khối CCĐC được kết hợp với đối tượng ĐT, và khối SS được chế tạo hợp bộ với khối chuẩn hóa tín hiệu.
Phân tích và lựa chọn động cơ truyền động
1.2.1 Đặt vấn đề Động cơ là một phần tử rất quan trọng trong dây truyền truyền sản xuất, thường xuyên phải làm việc với nhiều trạng thái như là khởi động (quá trình quá độ), trạng thái quá tải, trạng thái hãm Để có truyển động của MSX thì cần phải có động cơ truyền truyển động Hiện nay chia ra làm hai loại động cơ chính là:
+ Động cơ điện xoay chiều
+ Động cơ điện một chiều
1.2.2 Phân tích các loại động cơ
Động cơ xoay chiều có cấu tạo đơn giản, giá thành thấp và vận hành tin cậy hơn động cơ một chiều, nhưng động cơ một chiều lại có ưu thế trong việc điều chỉnh tốc độ trong dải rộng Động cơ một chiều thường được sử dụng trong các ứng dụng cần điều khiển tốc độ từ bên ngoài, trong khi động cơ xoay chiều hiệu quả hơn trong các ứng dụng yêu cầu duy trì hiệu suất năng lượng cao Đối với yêu cầu điều chỉnh tốc độ rộng, động cơ một chiều là lựa chọn phù hợp Trong các loại động cơ một chiều, động cơ kích từ hỗn hợp có cấu tạo phức tạp và chi phí cao, do đó không phổ biến Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có đặc tính cơ dạng hyperbol, phù hợp với tải định mức nhưng không thể hoạt động không tải do tốc độ quá cao gây hư hỏng Ngược lại, động cơ một chiều kích từ độc lập có đặc tính cơ dạng đường thẳng với dốc âm, giúp việc điều chỉnh tốc độ dễ dàng và ổn định hơn.
=> Để thuận tiện trong việc điều chỉnh tốc độ với dải điều chỉnh rộng và điều chỉnh trơn nên em chọn động cơ một chiều kích từ độc lập
1.2.3 Động cơ một chiều kích từ độc lập
1.2.3.1 Sơ đồ nguyên lí và đặc tính cơ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ mắc vào nguồn một chiều độc lập (hình 1.3) (đối nguồn có công suất không đủ lớn) và cũng có thể cuộn kích từ mắc song song với mạch phần ứng (đối nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn).
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ được kết nối riêng biệt với phần ứng, dẫn đến tiết diện dây nhỏ và điện trở lớn Điều này khiến cho dòng kích từ không bị ảnh hưởng bởi tính chất của tải, tạo ra những đặc tính cơ riêng biệt cho loại động cơ này.
Phương trình đặc tính cơ:
Với nguồn một chiều có công suất lớn, cuộn dây kích từ nối song song với phần ứng động cơ không ảnh hưởng đến điện áp cấp cho phần ứng của động cơ.
Từ thông trong động cơ chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ, không phụ thuộc vào tính chất của tải Việc điều chỉnh tốc độ có thể thực hiện bằng cách thay đổi từ thông Đường đặc tính cơ của động cơ là đường thẳng, và khi động cơ hoạt động ổn định với tốc độ không đổi, mô men điện từ sẽ bằng mô men trên trục động cơ Điểm làm việc sẽ tương ứng với giao điểm giữa đặc tính tải và đặc tính cơ tự nhiên.
Phạm vi điều chỉnh tốc độ của máy phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm độ bền cơ khí của kết cấu, khả năng chuyển mạch của cổ góp và khả năng duy trì tốc độ ổn định khi có sự dao động của phụ tải tĩnh.
Động cơ có đặc tính cơ cứng với mô men khởi động lớn, cho phép điều chỉnh mô men thông qua các phương pháp cưỡng bức, chẳng hạn như việc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng.
1.2.3.2 Phân tích và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ a) Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
Khi thay đổi điện áp phần ứng
Tốc độ không tải lý tưởng: Độ cứng đặc tính cơ:
Hình 1.4 Đặc tính cơ khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ
Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ, ta nhận được một họ đặc tính song song với đặc tính cơ tự nhiên (β=const) Sự thay đổi điện áp dẫn đến việc mô men ngắn mạch của động cơ giảm, trong khi độ cứng β vẫn không đổi, gây ra sự thay đổi trong tốc độ động cơ Hơn nữa, điện áp đặt vào phần ứng động cơ có thể điều chỉnh theo ý muốn, cho phép chúng ta điều chỉnh và ổn định tốc độ ở mọi dải điều chỉnh.
- Khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ phải giữ cho từ thông kích từ không đổi và định mức.
Đối với mỗi tải, độ sụt tốc độ trong toàn dải điều chỉnh là đồng nhất Sai lệch tốc độ tương đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đường đặc tính thấp nhất.
- Dải điều chỉnh rộng D/1 và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản.
- Phương pháp này cần có bộ nguồn để thay đổi điện áp. b) Phương pháp thay đổi từ thông
Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ :
Khi điều chỉnh từ thông ta giữ cho điện áp đặt vào phần ứng động cơ không đổi và định mức Uđm =const, Rư =const, Φkt =var
Tốc độ không tải lý tưởng: ox dm x
Độ cứng đặc tính cơ:
Hình 1.5 Đặc tính cơ khi điều chỉnh từ thông Nhận xét:
Do cấu tạo của động cơ, thường xảy ra tình trạng giảm từ thông Khi từ thông giảm, tốc độ góc ( ox) tăng lên, trong khi độ cứng () lại giảm Điều này dẫn đến đặc tính cơ của động cơ với tốc độ góc tăng dần và độ cứng đặc tính cơ giảm dần khi từ thông giảm.
Khi từ thông giảm, tốc độ ω vượt quá giá trị ω0 và độ dốc tăng lên khi từ thông giảm nhỏ Nếu từ thông giảm xuống một mức nhất định, khả năng chuyển mạch của cổ góp có thể bị suy giảm, dẫn đến hiện tượng hồ quang.
Dải điều chỉnh D=3/1 và thường điều chỉnh trên tốc độ cơ bản.
Khi tốc độ tăng làm cho truyền động mất ổn định.
Giảm mô men khởi động, ít tổn hao do điều chỉnh, kinh tế.
Điều chỉnh từ thông chỉ hiệu quả khi cần tăng tốc độ vượt quá tốc độ định mức, vì vậy phương pháp này không được áp dụng Thay vào đó, có thể sử dụng phương pháp đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng của động cơ.
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng (Uđm =const, Φkt định mức, R = var)
Tốc độ không tải lý tưởng: Độ cứng đặc tính cơ:
Hình 1.6 Đặc tính cơ khi đưa thêm điện phụ
Khi thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng, độ cứng đặc tính cơ sẽ giảm Đối với một phụ tải Mc nhất định, nếu giá trị Rf tăng lên, tốc độ động cơ sẽ giảm, cùng với đó là sự giảm của dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch.
Mô men khởi động và dòng khởi động giảm nhỏ, điều này cho thấy khi điện trở phụ tăng lên, đặc tính cơ của hệ thống trở nên mềm hơn Tuy nhiên, đây là một hiện tượng không mong muốn trong quá trình vận hành.
1.2.4 Chọn Phương pháp điều chỉnh tốc độ
Phân tích chọn Bộ biến đổi điện áp
Bộ biến đổi điện áp có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, cung cấp cho phần ứng của động cơ Hiện nay, các bộ biến đổi này được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng.
- Bộ biến đổi máy điện: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều.
- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu Tiristor.
- Bộ biến đổi xung áp một chiều: Tiristor - Tranzitor.
1.3.1 Bộ biến đổi máy phát - Động cơ (F-Đ)
Bộ biến đổi này bao gồm một máy phát một chiều với kích từ độc lập, cung cấp điện áp cho mạch phần ứng của động cơ Máy phát thường được quay bởi một động cơ sơ cấp không đồng bộ 3 pha với tốc độ quay không đổi Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được mô tả như sau:
Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý hệ F-Đ
Người ta đã chứng minh được :
KF KF KF KF KF i U R
K F: Hệ số cấu trúc máy phát
C : Hệ số góc của đặc tính từ hoá
Vậy sức điện động của máy phát tỉ lệ điện áp kích thích bởi hệ số hằng
Khi ta thay đổi sẽ thay đổi được tức là thay đổi được điện áp đặt lên động cơ.
Nếu đặt thì ta có phương trình đặc tính của hệ như sau :
b) Đặc tính từ hoá và đặc tính tải:
Hình 1.8 Đặc tính từ hoá và đặc tính tải hệ F-Đ
Khi điều chỉnh dòng kích thích của máy phát, ta có thể kiểm soát được tốc độ không tải, trong khi độ cứng của đặc tính cơ vẫn giữ nguyên.
1.3.2 Bộ biến đổi Tiristor -Động cơ
Hệ chỉnh lưu điều khiển cho động cơ một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện áp phần ứng, sử dụng bộ chỉnh lưu bán dẫn để chuyển đổi trực tiếp điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều mà không cần qua khâu trung gian Điều này mang lại nhiều ưu điểm như kết cấu nhẹ, không yêu cầu nền móng, không gây tiếng ồn, hiệu suất cao, thuận tiện cho tự động hóa, độ tác động nhanh và dễ dàng theo dõi.
-Xây dựng phương trình đặc tính cơ
Ta xét trường hợp dòng điện phần ứng chảy liên tục khi đó có sơ đồ thay thế hệT-Đ không đảo chiều
Hình 1.9 Sơ Đồ thay thế mạch phần ứng hệ T-Đ
Ed là nguồn sức điện động thay thế cho bộ chỉnh lưu.
RCL điện trở trong của bộ chỉnh lưu.
Mặt khác ta có quan hệ α =f(Uđk) thì xác định được Ed theo Uđk như sau:
Ed =Udo.cosα =KCL.Uđk
KcL Hệ số khuyếch đại điện áp của bộ chỉnh lưu nếu coi chỉnh lưu là tuyến tính thì: Đặc tính cơ hệ T-Đ
Như đã biết phương trình:
Ta có Uư =Udo.cosα thay vào phương trình trên ta được: hoặc
1.3.3 Bộ biến đổi đi ốt – xung điện áp
Hiện nay, hệ xung áp – động cơ đang được ứng dụng rộng rãi do ưu điểm về độ tin cậy, khả năng điều chỉnh, độ ổn định và kích thước trọng lượng Đối với các bộ biến đổi công suất nhỏ (vài KW) và trung bình (hàng chục KW), bóng bán dẫn lưỡng cực IGBT thường được sử dụng Trong khi đó, với công suất lớn (vài trăm KW), GTO là lựa chọn phổ biến, và cho các ứng dụng công suất cao hơn, người ta thường sử dụng Tiristor.
Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi – xung điện áp :
Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi – xung điện áp Điện áp đặt lên động cơ có dạng xung áp: t1 t 2
Trong đó: t1 là thời gian đóng t2 là thời gian cắt
T là độ rộng xung, TCK là chu kỳ của 1 vòng xung.
Bằng cách thay đổi giá trị của ta sẽ thay đổi được giá trị của Utb và tốc độ của động cơ thay đổi theo.
Về lý thuyết có 3 cách thay đổi là :
+ Giữ nguyên Tck và thay đổi t1
+ Giữ nguyên t1 và thay đổi Tck
+ Kết hợp cả hai cách trên, nhưng phức tạp và ít dùng thông thường dùng cách một.
Phương trình đặc tính cơ điện: BLT đm đm
Phương trình đặc tính cơ: BLT đm đm 2
Sau khi xem xét ba phương án điều chỉnh điện áp phần ứng cho động cơ, cả ba đều đáp ứng yêu cầu đề bài Tuy nhiên, bộ biến đổi F-Đ, mặc dù có kết cấu đơn giản, lại sử dụng bộ truyền cơ khí để kết nối máy phát và động cơ, dẫn đến nguy cơ mỏi và biến dạng theo thời gian, làm sai lệch các thông số Hơn nữa, việc điều chỉnh điện áp qua nhiều thiết bị dễ gặp phải nhiễu và phức tạp hơn do can thiệp vào mạch phần kích từ của máy phát Do đó, hiện nay, các MSX ít sử dụng bộ biến đổi F-Đ, vì vậy trong đề bài này, tôi không chọn phương án này.
Bộ biến đổi T-Đ đang trở thành lựa chọn phổ biến nhờ vào giá thành hợp lý và chất lượng điện áp đầu ra ổn định Với thiết kế mạch động lực đơn giản, ít linh kiện, bộ biến đổi này giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng, đồng thời sử dụng các van thyritor để đảm bảo hiệu suất hoạt động cao.
Khi van mở với điện áp lý tưởng là 0V, việc điều chỉnh góc mở van sẽ ảnh hưởng đến điện áp đầu ra Sự thay đổi này yêu cầu độ chính xác cao trong mạch điều khiển Khác với mạch lực đơn giản, mạch điều khiển chứa nhiều linh kiện điện tử liên kết chặt chẽ, do đó, việc sửa chữa khi gặp sự cố sẽ tốn nhiều công sức.
Bộ biến đổi xung áp đã khắc phục nhược điểm của bộ biến đổi T-Đ, tuy nhiên, nó yêu cầu nhiều linh kiện hơn trong mạch lực Điều này đồng nghĩa với việc nguồn cung cấp cho bộ xung áp cần có chất lượng cao, dẫn đến giá thành cao hơn.
Dựa trên những đặc điểm đã nêu và yêu cầu của đề bài, tôi quyết định chọn bộ biến đổi T-Đ Bộ biến đổi này phù hợp với đối tượng học sinh mà tôi đang giảng dạy và tôi đã tìm hiểu khá kỹ về nó Hơn nữa, bộ biến đổi T-Đ còn đáp ứng tốt các yêu cầu về công nghệ hiện nay.
Phân tích lựa chọn các mạch vòng phản hồi
Để đáp ứng yêu cầu về sai lệch tĩnh S t = 4% và đảm bảo hệ thống tự động hạn chế phụ tải, cần thiết kế các mạch vòng phản hồi nhằm ổn định tốc độ Sau khi tốc độ được ổn định, việc hạn chế phụ tải trở nên quan trọng, giúp dòng tải không vượt quá giá trị cho phép, tránh tình trạng xấu cho động cơ và máy sản xuất Trong hệ thống, có mạch vòng phản hồi chính và mạch vòng phản hồi phụ, và có bốn loại phản hồi mà chúng ta đã học.
Phản hồi âm là mối liên hệ giữa phản hồi và tín hiệu với dấu hiệu ngược lại hoặc ngược pha, giúp duy trì sự ổn định Để tạo ra phản hồi âm, cần thực hiện việc đấu nối và ghép nối.
Phản hồi dương là mối liên hệ giữa phản hồi và tín hiệu có cùng dấu hoặc cùng pha, giúp nâng cao hệ số khếch đại hoặc tạo ra hệ tự kích Để tạo ra phản hồi dương, cần thực hiện việc đấu nối và ghép nối thích hợp.
Phản hồi cứng là mối liên hệ phản hồi hoạt động ở cả chế độ quá độ và chế độ xác lập, với hiệu quả chính xác nhất ở chế độ xác lập, giúp nâng cao chất lượng hệ thống Để tạo ra phản hồi cứng, cần sử dụng các thiết bị không phản ứng với tần số như mạch điện trở, can nhiệt và máy phát tốc Ngược lại, phản hồi mềm chỉ hoạt động ở chế độ quá độ, không tham gia vào chế độ xác lập, có tác dụng cải thiện chất lượng quá độ như tăng độ nhạy, giảm dao động và giảm lượng quá điều chỉnh Thiết bị cần dùng cho phản hồi mềm thường phản ứng với tần số và tạo ra hàm vi phân, như mạch RC, RL, biên áp vi phân và cầu động.
Với hệ thống yêu cầu giữ ổn định ở chế độ xác lập nên ta chỉ quan tâm tới phản hồi âm và dương.
1.4.2 Phân tích lựa chọn mạch vòng phản hồi
Để đáp ứng yêu cầu hạn chế phụ tải và sai lệch tĩnh s t 4%, hệ thống cần thiết phải có mạch vòng phản hồi Giả sử với hệ hở như sau:
Hình 1.11 Sơ đồ cấu trúc hệ thống (mạch hở)
Hệ thống BBĐ được điều khiển bằng dải điện áp một chiều, cho phép biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều Điều này giúp điều chỉnh giá trị điện áp một chiều trong mạch phần ứng của động cơ, từ đó thay đổi tốc độ động cơ Phương pháp này không yêu cầu đảo chiều, chỉ cần một bộ biến đổi Để tăng tốc độ động cơ Đ, cần giảm giá trị điện áp đặt vào mạch.
Để giảm tốc độ của động cơ Đ, cần tăng điện áp c Hệ thống này rất đơn giản và dễ sử dụng Tuy nhiên, khi khối lượng M c tăng trong quá trình làm việc, tốc độ sẽ giảm do M cđt lớn hơn M d, dẫn đến dtω nhỏ hơn 0.
Để khắc phục nhược điểm của hệ thống động cơ khi gặp tình trạng giảm tốc, cần thiết phải có các mạch vòng phản hồi Khi mô men cản (M c) tăng, tốc độ động cơ sẽ giảm sâu đến khi dừng lại, đặc biệt trong chế độ ngắn mạch với tải phản kháng Nếu M c trở lại bình thường, tốc độ cần một khoảng thời gian lớn để phục hồi Do đó, để ổn định tốc độ và hạn chế dòng tải, cần áp dụng phản hồi âm cho tốc độ và dòng điện có ngắt.
1.4.3 Xác định mạch vòng phản hồi cho hệ thống
1.4.3.1 Hệ điều tốc vòng kín với phản hồi âm tốc độ và âm dòng có ngắt
Sau khi phân tích các mạch vòng phản hồi riêng lẻ cho hệ thống, cần kết hợp chúng để đáp ứng yêu cầu ổn định tốc độ và tự động hạn chế phụ tải Do đó, ta sẽ có mạch vòng phản hồi âm cho cả tốc độ và dòng điện có ngắt, dẫn đến hai trường hợp xảy ra.
+ Tín hiệu phản hồi được tổng hợp chung 1 bộ khuếch đại
Để làm rõ vấn đề về tín hiệu phản hồi, chúng ta cần phân tích đặc điểm cụ thể của hai bộ khuếch đại trong việc tổng hợp tín hiệu Qua đó, có thể đưa ra những nhận định hợp lý nhằm lựa chọn phương pháp tổng hợp phù hợp cho hệ thống.
Ta có sơ dồ nguyên lý hệ thống như sau:
Hình 1.12 Hệ ĐCTĐTĐĐ có phản hồi âm tốc độ và âm dòng điện có ngắt
Sơ đồ hình 1.28 bao gồm khối KĐ, có nhiệm vụ tổng hợp và khuếch đại tín hiệu để gửi đến BBĐ BBĐ chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, với giá trị thay đổi tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển từ khối KĐ.
Khâu ngắt (KN) có đặc điểm là khi tín hiệu đầu vào ( I d) có trị tuyệt đối nhỏ hơn tín hiệu ngắt (Ung = I ng), thì tín hiệu đầu ra sẽ bằng không Ngược lại, khi trị tuyệt đối của tín hiệu đầu vào vượt quá giá trị tín hiệu ngắt, tín hiệu đầu ra sẽ được tính bằng công thức I d I ng .
Khối khuếch đại KĐ thường có từ một đến nhiều tầng khuếch đại, với các tín hiệu đầu vào như u, cđ - n, và - (Id - Ing) có thể được kết hợp tại một khối đầu vào hoặc phân chia vào các khối khác nhau Cụ thể, tín hiệu ucđ và -n sẽ được tổng hợp ở khối đầu vào, trong khi tín hiệu ra của khối này sẽ kết hợp với tín hiệu phản hồi âm dòng - (Id - Ing) tại khối tiếp theo Nguyên lý hoạt động của hệ thống sẽ khác nhau tùy thuộc vào cách bố trí các tín hiệu, dẫn đến sự khác biệt trong sơ đồ khối của hệ thống.
1.4.3.2 Trường hợp khi các tín hiệu được tổng hợp riêng rẽ
Hệ ĐCTĐTĐĐ có phản hồi âm tốc độ và âm dòng điện được thiết kế với sơ đồ khối rõ ràng, trong đó các tín hiệu vào của hệ được tổng hợp riêng biệt.
Hình 1.14 Đặc tính cơ điện của hệ ĐCTĐTĐĐ có phản hồi âm tốc độ và âm dòng có ngắt khi sử dụng khâu tổng hợp riêng rẽ
Bộ khuếch đại trung gian được chia thành hai khâu nối tiếp, trong đó khâu đầu tiên tổng hợp điện áp chủ đạo với tín hiệu phản hồi âm tốc độ, có hệ số khuếch đại Kn Khâu thứ hai tổng hợp tín ra của khâu đầu tiên với tín hiệu phản hồi âm dòng điện có ngắt và hệ số khuếch đại KI Hệ số khuếch đại tổng của bộ khuếch đại là KKĐ = Kn.KI Hiện nay, các bộ khuếch đại trung gian thường sử dụng các khuếch đại thuật toán với hệ số khuếch đại lớn nhưng có đặc tính bão hòa khi tín hiệu vào lớn Khi tín hiệu âm dòng có ngắt tác động mạnh, tốc độ động cơ giảm nhiều, dẫn đến khâu Kn bị bão hòa, khiến tín hiệu điều khiển BĐ không còn phụ thuộc vào phản hồi âm tốc độ Hệ thống thường có bốn vùng làm việc khác nhau khi dòng động cơ thay đổi từ 0 đến Inm: vùng 1 chỉ có tác động của phản hồi âm tốc độ; vùng 2 có cả hai phản hồi tham gia; vùng 3 là vùng làm việc không có phản hồi; và vùng 4 là khi khâu Kn đã bão hòa, chỉ còn tín hiệu phản hồi âm dòng điện có ngắt.
Tín hiệu điều khiển bộ biến đổi:
(1) uđk = Kn.KI.(ucđ - n) = KKĐ.(ucđ - n) khi Id < Ing.
(2) uđk = KI.[ Kn (ucđ - n) -.(I d – Ing)]
Khi Id > Ing nhưng khâu thứ nhất của bộ khuếch đại chưa bị bão hòa.
(3) uđk = KI.Ubh khâu thứ nhất của bộ khuếch đại bị bão hòa và Id < Ing.
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống
Dựa trên các lập luận từ mục 1.1 đến 1.4, tôi đã giải quyết cơ bản các khối trong hệ thống của đề bài Tôi đã xây dựng sơ đồ khối cấu trúc hệ thống, bao gồm khối tổng hợp và khuếch đại, khối bộ biến đổi, các mạch vòng phản hồi, động cơ, và phương pháp điều khiển động cơ Sơ đồ khối được trình bày như sau:
Hình 1.15 Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống
Tính toán, quy đổi thông số về trục động cơ
Một hệ thống TĐĐ thường bao gồm nhiều truyền động (chuyền động tịnh tiến, chuyền động quay, v.v )
Để viết phương trình chuyển động của hệ thống, cần quy đổi tất cả các đại lượng liên quan trong các chuyển động thành phần về một số đại lượng đặc trưng tại một điểm cụ thể, thường là điểm trên trục động cơ.
1.6.2 Cấu trúc cơ khi tổng quát
Hình 1.16 Sơ đồ động học.
(1) Động cơ điện, (2) Hộp tốc độ, (3) tải phản kháng Trong đó:
- Jđ, đ, Mđ: mômen quán tính, tốc độ quay, mômen của động cơ.
- Jqđ, Mqđ: mômen quán tính và mômen quy đổi.
- i, : tỉ số và hiệu suất của bộ truyền.
- Jc, c , Mc: mômen quán tính, tốc độ quay, mômen của tải.
1.6.3 Tính toán, quy đổi thông số về trục động cơ
Theo đề tài ta có :
- Mc = const, Mmax = 40 Nm, nmax = 300 v/ph, n = 10, = 90%.
- Tốc độ góc lớn nhất : c.max max n 300
- Công suất cơ của tải:
- Momen quy đổi về trục động cơ: max cqđ
- Tốc độ quy đổi về trục động cơ: tt n t 10.30, 41 304,1(rad / s) 26 12
THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC
Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực
Mạch động lực trong hệ thống truyền động điện cung cấp điện năng cho động cơ điện, giúp chuyển đổi điện năng thành cơ năng trên trục động cơ Tải có thể là máy công cụ trong công nghiệp hoặc các hệ thống nâng hạ, cẩu Điện năng cung cấp có thể là dòng một chiều hoặc xoay chiều Động cơ điện được chọn phù hợp với tải là động cơ một chiều kích từ độc lập, không đảo chiều, với phạm vi điều chỉnh D/1 và sai lệch tĩnh St=4%.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ hiệu quả là thay đổi điện áp trong mạch phần ứng Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ vô cấp, duy trì độ dốc đặc tính không đổi và có dải điều chỉnh rộng Ngoài ra, chỉ tiêu năng lượng được đánh giá cao, giúp ổn định tốc độ động cơ tốt hơn so với các phương pháp khác Do đó, việc lựa chọn bộ biến đổi và thiết bị phụ cho mạch động lực là rất cần thiết.
2.1.1 Phân tích và lựa chọn sơ đồ bộ biến đổi
2.1.1.1 Bộ biến đổi Thyristor – Động cơ ( Chỉnh lưu hình tia 3 pha có điot D 0 )
1 Sơ đồ chỉnh lưu Tia 3 pha 3 Thyristor có D 0
Hình 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha có D o a) Giới thiệu sơ đồ
BA : Máy biến áp điện lực dùng biến đổi điện áp cao thành điện áp phù hợp với các tiristor.
T1,T2 ,T3 : các tiristor có điều khiển ĐC : Động cơ 1 chiều kích từ độc lập.
L : Cuộn kháng lọc dùng để lọc thành phần xoay chiều. b) Nguyên lý làm việc và giản đồ điện áp ,dòng điện.
Hinh 2.3 Giản đồ điện áp ,dòng điện tia 3 pha có Do
Ta giả thiết sơ đồ có Ld=, sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm bắt đầu xét.
Với sơ đồ này, tuỳ thuộc vào giá trị góc điều khiển mà có thể xẩy ra 2 trường hợp:
Khi 300 ≥ α ≥ 0, van D0 không hoạt động, do đó sơ đồ hoạt động tương tự như khi không có D0 Các biểu thức tính toán trong trường hợp này cũng giống như khi không có D0.
* khi 1500 >300 lúc này D0 sẽ làm việc, sự làm việc của sơ đồ được tóm tắt như sau:
- Từ t = 0 t = /3 van T3 dẫn dòng, ta có:
+ Trên T1 có iT1 = 0; uT1 = uac + Trên Do có iDo= 0; ud uc
+ Trên T2 có iT2 = 0; uT2 = ubc + Trên T3 có iT3 = id; uT3
- Các khoảng : từ t = /3 t = 1= /6 + , từ t = t = 2, từ
+ Trên T1 có iT1 = 0; uT1 = ua + Trên T3 có iT3 = id; uT3 uc.
+ Trên T2 có iT2 = 0; uT2 = ub + Trên Do có iDo = id; ud 0.
+ Trên T1 có iT1=id ;uT1=0 + Trên T3 có iT3=0
+ Trên T2 có iT2=0 ;uT2=uba + Trên Do có iDo=0; ud=ua
+ Trên T1 có iT1 = 0; uT1 = uab + Trên T3 có iT3 = 0; uT3 ucb
+ Trên Do có iDo = 0; ud = ub + Trên T2 có iT2=id; uT2
- Từ t=3t =7/3 van T3 dẫn dòng và quá trình lặp lại theo chu kỳ. c) Các công thức cơ bản với , th max 2 ng max 2
Qua phân tích nguyên lý làm việc của sơ đồ tia 3 pha, có thể thấy rằng dạng sóng điện áp ra đã được cải thiện đáng kể với 3 lần đập mạch trong một chu kỳ điện áp nguồn Điều này dẫn đến việc tăng điện áp ra trung bình, giúp phù hợp với điện áp định mức của động cơ Đặc biệt, khi sử dụng thêm Do, các tirisror sẽ chịu điện áp nhỏ hơn so với khi không có Do, từ đó tăng tuổi thọ cho các thiết bị.
2.1.1.2 Sơ đồ nối dây hình Cầu
Phổ biến hiện nay là sử dụng sơ đồ cầu 1 pha và 3 pha.
Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha :
+ Sơ đồ hình a ( Sử dụng 4T : Cầu 1 pha điều khiển toàn phần ).
Sơ đồ hình b và c sử dụng 2 transistor (2T) và 2 diode (2D) để thực hiện chỉnh lưu hai nửa sóng với điều khiển bán phần Trong khi đó, sơ đồ hình d áp dụng 4 diode (4D) và 1 transistor (1T), trong đó transistor có nhiệm vụ điều khiển và 4 diode thực hiện chức năng chỉnh lưu.
Các sơ đồ có hoặc không có D0 tuỳ thuộc vào tính chất của tải
Trong các sơ đồ điều khiển động cơ, việc sử dụng hai bộ điều khiển đảo chiều mắc song song ngược là khả thi, với sơ đồ hình a là lựa chọn hợp lý cho việc đảo chiều động cơ Đối với tải không cần đảo chiều, sơ đồ hình c mang lại hiệu quả tối ưu nhất.
T2 chỉnh lưu , D1 D2 có vai trò như D0 )
Các dạng điện áp ra có dạng gần giống nhau , để tổng quát ta phân tích nguyên lý hoạt động sơ đồ hình a
Giản đồ điện áp và dòng điện như hình vẽ
Hinh 2.4 Giản đồ điện áp ,dòng điện cầu 1 pha
+ Giả sử trước thời điểm v1 T3 , T4 vẫn dẫn dòng
Từ u t = 0 v 1 và từ u t = v2 v 3 , u 1 > 0 và có xung điều khiển T3 T4 dẫn dòng: iT3 = iT4 = id =Id; Ut3 = Ut4 =0;
Ud = -U2; UT1 = UT2 = U2; iT1 = iT2 = 0.
Từ u t = v1 v 2 thì 2 van T1và T2 dẫn dòng: iT1 = iT2 = id =Id; Ut3 = Ut4 = -U2;
Ud = U2; UT1 = UT2 = 0; iT3 = iT4 = 0
Điện áp trên tải như hình vẽ
2.1.1.3 Chọn sơ đồ chỉnh lưu.
Các sơ đồ chỉnh lưu điện áp thường có dạng tương tự nhau, nhưng để giảm dòng qua các T và cải thiện độ bằng phẳng của điện áp ra, cần tăng số pha chỉnh lưu Trong ngành công nghiệp, điện áp 3 pha được sử dụng phổ biến, do đó, sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha và cầu 3 pha là những lựa chọn thông dụng nhất.
Trong 2 loai sơ đồ hình tia 3 pha và hình cầu 3 pha Sơ đồ hình tia 3 pha đơn giản hơn sử dụng ít T hơn nên đỡ tốn kém hơn Điện áp chỉnh lưu trên sơ đồ cầu 3 pha là lớn hơn , dạng điện áp ra cũng bằng phẳng hơn, cũng đi kèm với sử dụng nhiều T hơn dẫn đến vấn đề về kinh tế tốn kém và mạch lực khó xây dựng hơn so với sơ đồ hình tia Vậy lên phù hợp với yêu cầu bài toán em sẽ chọn sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có D 0
2.1.2 Phân tích và lựa chọn phương pháp hãm dừng động cơ
2.1.2.1 Các phương pháp hãm dừng động cơ
Hãm là trạng thái mà động cơ tạo ra momen quay ngược lại với tốc độ quay Đối với động cơ điện một chiều có kích từ độc lập, có ba phương pháp hãm chính: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng Việc lựa chọn phương pháp hãm phù hợp với công nghệ là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của động cơ.
Để tăng năng suất mà không cần hãm chính xác, việc hãm dừng nhanh là cần thiết, với yêu cầu công nghệ không đảo chiều quay Bài viết này sẽ phân tích các chế độ hãm của động cơ điện một chiều kích từ độc lập nhằm lựa chọn phương pháp hãm phù hợp.
Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ vượt quá tốc độ không tải, khiến động cơ hoạt động như một máy phát điện song song với lưới điện Trong chế độ này, dòng điện và mô-men hãm sẽ đổi chiều, được xác định theo biểu thức cụ thể.
Trị số hãm lớn dần lên cho đến khi cân bằng với moomen phụ tải của cơ cấu thì hệ thống làm việc ổn định với
Đường đặc tính cơ của đoạn hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ 2 và thứ 4 của mặt phẳng tọa độ, thể hiện mối quan hệ giữa các đại lượng trong quá trình hãm tái sinh.
Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện hãm sẽ đổi chiều và công suất được trả về lưới với giá trị P (E U).I = - Phương pháp này được xem là hãm kinh tế nhất vì động cơ tạo ra điện năng hữu ích Đoan BC trong hình 2.5 thể hiện đoạn hãm tái sinh.
Hình 2.5 Đặc tính hãm tái sinh
Trạng thái hãm ngược của động cơ xảy ra khi phần ứng chịu tác động từ động năng tích lũy trong các bộ phận chuyển động hoặc do momen thế năng quay ngược chiều với momen điện từ của động cơ Trong tình huống này, momen sinh ra bởi động cơ sẽ chống lại sự chuyển đổi của cơ cấu sản xuất.
Với bộ biến đổi Thyristor- Động cơ ta có thể thực hiện hãm ngược bằng các cách sau:
* Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng
Phương trình đặc tính cơ:
(Phương trình đặc tính cơ là phương trình đặc tính biến trở)
Nhận xét: Khi hãm ngược ta vẫn sử dụng điện lưới do đó sẽ không thực hiện được khi sự cố mất điện.
Bộ biến đổi đơn không cho phép dòng điện dẫn ngược, dẫn đến việc không thể thực hiện hãm tái sinh trong hệ truyền động khi dòng điện đưa lên lưới bị đảo chiều trong chế độ hãm ngược.
*) Đảo chiều điện áp phần ứng cùng với đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng
Tính chọn thiết bị máy động lực
II-22 2,2 220 12,5 3000 1,220 0,0334 0,055 Động cơ truyền động được sử dụng cho hệ truyền động là động cơ một chiều kích từ độc lập Dựa vào các thông số của đề tài mà ta chọn được loại động cơ như ở phần 1 Động cơ có các thông số sau:
* Các thông số cơ bản còn lại của động cơ
+ Vận tốc góc và từ thông định mức: đm đm n 2 3000.2
+ Momen định mức và ngắn mạch
Mômen điện từ của động cơ ở chế độ định mức, bỏ qua tổn hao cơ và sắt từ thì có thể coi: M = Mcơ ≈ Mđt = KФđm.Iđm = 0,65.12,5 = 8,125 (Nm)
Dòng điện ngắn mạch của dộng cơ: Inm = Uđm/Ru = 220/1,220 0,3 (A)
Mômen ngắn mạch: Mnm = KФđm.Inm = 0,65 180,3 = 118(Nm)
+ Dòng tải khi quy đổi về trục động cơ cqđ c đm
+ n tt 2621(v / p)� tt 304,1(rad / s)thì điện áp phần ứng cần là: uđm tt c u
2.2.2 Chọn máy biến áp cho mạch động lực.
Khi chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ với sơ đồ đấu dây Y/Y 0 và hệ thống làm mát bằng không khí tự nhiên, cần dựa vào các thông số của tàu và bộ chỉnh lưu để tính toán các thông số cần thiết cho máy.
Máy biến áp được chọn theo điều kiện:
+ U2fdm ≥ Ku.Kr.Kσ.Ka.Udm
* Tính toán các thông số cơ bản
+ Công suất biểu kiến máy biến áp s d
+ Điện áp pha sơ cấp máy biến áp
+ Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp được chọn theo biểu thức:
, U dđm U v 2 U ba U dn U Trong đó:
- ∆Uv = 1,6 (v) là sụt áp trên mỗi Tiristor
- ∆Uba là sụt áp trên máy biến áp, chọn ∆Uba = 6% Uđm = 0,06.220 = 13,2
- ∆Udn là sụt áp trên điện trở dây nối, có thể bỏ qua, ∆Udn ≈ 0
Với đm 10 0 là góc dự trữ khi có suy giảm điện lưới:
Từ đó ta tính được điện áp pha thứ cấp của máy biến áp là:
+ Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp
Trong đó: k2 là hệ số dòng điện hiệu dụng thứ cấp, với Tia 3 pha thì k2 = 3
+ Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp
+ Điện trở, điện kháng máy biến áp: Điện trở, điện kháng máy biến áp được chọn theo thành phần điện áp ngắn mạch thứ cấp máy biến áp.
Thành phần điện áp ngắn mạch thứ cấp máy biến áp gây bởi điện trở dây quấn thứ cấp thường được chọn UKR% = 3%
Do đó điện trở dây quấn thứ cấp máy biến áp.
Thành phần ngắn mạch thứ cấp máy biến áp gây bởi điện kháng UKX% 10% Do đó điện kháng máy biến áp
� Vậy máy biến áp được chọn có thông số như sau:
Kiểu U1đm (v) U2fđm (V) Sđm (KVA) I1đm (A) I2đm (A) U K%
Aptomat (AB) là thiết bị quan trọng trong việc bảo vệ hệ thống điện khỏi sự cố ngắn mạch và quá tải, đặc biệt trên các đường dây cung cấp điện cho bộ biến đổi và đầu vào máy biến áp Bên cạnh đó, aptomat còn đóng vai trò là thiết bị đóng cắt nguồn cho toàn bộ hệ thống điện Khi lựa chọn aptomat, cần xem xét các thông số như đmAB, đmmang, đmAB, i qt và d 1BA để đảm bảo hiệu suất và an toàn cho hệ thống.
U đmAB: Là điện áp định mức Aptomát được chọn. đmmang
U : Là điện áp định mức lưới điện.
I đmAB: Là dòng điện định mức Aptomát được chọn.
I 1BA: Là dòng điện sơ cấp máy biến áp.
K a 1,11: Là sơ đồ phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưu.
K qt 1, 2: Là hệ số qúa tải cho phép.
K d 1, 05 : Là hệ số dự trữ có tính đến khả năng sai khác giữa Ia và Id.
I K K K I 1,11.1, 2.1,05.3,9 5,5 A Căn cứ vào các thông số này ta chọn được Aptomat có các thông số sau đây:
Iđm(A) Uđm(V) Kích thước (mm) Khối lượng
IN(KA) Cao Rộng Sâu
Thyristor là thiết bị bán dẫn để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện
Khi chọn Thyristor cho mạch chỉnh lưu một chiều, cần đảm bảo chúng hoạt động tin cậy và an toàn trong điều kiện làm việc nặng nề Việc lựa chọn phải dựa trên sơ đồ chỉnh lưu và đảm bảo rằng các van chịu được áp lực khi tải thay đổi Đặc biệt, các Thyristor phải đảm bảo độ tin cậy và chính xác ngay cả khi điện áp chỉnh lưu đạt mức tối đa tại góc điều khiển min.
ng ung ng max tb dt T
K dt: là hệ số dự trữ dòng điện qua van, thường K đt 1,8 2, � chọn K d t 2
K ung :hệ số dự trữ điện áp thường K ung 1 , 2 1,5 � chọn K ung 1 , 2 1,5 � ngmax
U :Giá trị điện áp ngược lớn nhất đặt vào mạch các cực K-A của van
I : T Giá trị tính toán của dòng điện trung bình qua van đối với sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha
U : 2 Trị hiệu dụng của điện áp pha thứ cấp máy biến áp động lực.
I : d Dòng điện chạy qua động cơ do bộ chỉnh lưu cung cấp ( là giá trị trung bình của dòng điện tải ).
Ta có giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu, đối với sơ đồ chỉnh lưu Tia 3 pha được xác định theo biểu thức.
ng ung ng max tb dt T
� Như vậy căn cứ vào các kết quả tính toán được và điều kiện để chọn Thyristor ta chọn Thyristor loại thông thường có các thông số sau:
2.2.5 Tính chọn diot cho mạch động lực. Điot D 0 mắc song song với phần ứng động cơ có tác dụng hạn chế sự gián đoạn của dòng điện phụ tải Ta chọn D0 theo điều kiện:
- Điện áp ngược đặt lên D0 là :
U 2.U 2.205 290(V)Kết hợp kết quả tính toán trên với điều kiện sau :
Ta chọn được D0 có thông số sau :
2.2.6 Tính toán cuộn kháng san bằng.
* Xác định góc mở cực tiểu và cực đại:
+ Chọn góc mở cực tiểu min 10 o Với góc mở min là dự trữ ta có thể bù được sự giảm của điện lưới.
+ Khi góc mở nhỏ nhất min thì điện áp trên tải là lớn nhất d max do min
U U cos và tương ứng tốc độ sẽ là lớn nhất n maxđm n
+ Khi góc mở lớn nhất max thì điện áp trên tải là nhỏ nhất d min do max
U U cos và tương ứng tốc độ động cơ sẽ là nhỏ nhất n min
Ta có: d min d min max d0 2f
Trong đó U d min được xác định như sau: dđm udm u max min d min udm u
d min d min udm u d min 2 min udm u BA dt
Dựa vào công thức 2.8 trang 27 – Giáo trình Tổng hợp hệ điện cơ ta có:
; là hệ số san bằng
+ K v 100%; hệ số san bằng đầu vào, do ta giả thiết.
+ K r (10 30)%� ; hệ số san bằng mong muốn, ta chọn K r 10%.
+ m = 3; số lần đập mạch điện áp đầu ra của bộ biến đổi tia 3 pha
Vậy giá trị điện kháng của kháng lọc là:
LCK = Ld – (Lư + 2Lba) = 0,186 – 0,0334 ( 2.9,1.10 3 ) 0,1344 H Điện trở cuộn kháng lọc: dm ck dm
Điện áp rơi trên cuộn kháng: U R I R dm CK 12,5.0,35 4,375(V)
2.2.7 Chọn các phần tử R-C của mạch bảo vệ quá áp cho các Thyristor
Mạch R-C mắc song song với Thyristor có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các tiristor khỏi hiện tượng quá gia tốc du/dt trong quá trình quá độ Ngoài ra, nó còn giúp ngăn ngừa tình trạng quá điện áp do sự tích tụ điện tích xảy ra trong quá trình chuyển mạch.
Khi điện áp thuận tại các cực A-K của tiristor tăng nhanh hơn mức cho phép du/dt, tiristor có thể tự động mở mà không cần điều khiển (ig = 0), dẫn đến sự cố không mong muốn Có hai nguyên nhân chính gây ra hiện tượng quá điện áp này.
Nguyên nhân bên ngoài gây ra hiện tượng không mong muốn như đóng cắt không tải máy biến áp hoặc sét đánh có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng mạch R-C mắc song song với thyristor Mạch này giúp bảo vệ quá điện áp do nhiều yếu tố gây ra Theo luật đóng mở, điện áp đột biến tăng sẽ biến thiên liên tục tại thời điểm quá độ qua tụ C, giúp duy trì điện áp trên Anot của thyristor (so với Katot) không bị tăng đột ngột ngay cả khi có tốc độ tăng trưởng điện áp lớn.
Ta có biểu thức tính toán giá trị của R-C là: d T ngT 2
Ta có dòng điện hãm khi thực hiện hãm động cơ là:
Trong đó: R u 1, 220( ) là điện trở phần ứng động cơ. nđm 3000(v / p) là tốc độ định mức của động cơ.
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Giới thiệu chung
Bộ biến đổi T-Đ sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha với điot D 0 cho phép điều chỉnh giá trị điện áp cung cấp cho động cơ một chiều kích từ độc lập Để thay đổi điện áp ở mạch phần ứng, cần thiết kế mạch điều khiển để mở và đóng các van Thyristor Trong đồ án này, hệ thống điều khiển được thiết kế theo kiểu kín, bao gồm hai phần cần thiết phải phát triển.
+ Phần mạch phát xung để điều khiển đóng mở các van
+ Phần mạch tổng hợp và khuếch đại trung gian
Thiết kế mạch phát xung điều khiển các van chỉnh lưu
3.2.1 Lựa chọn phương pháp phát xung điều khiển các van chỉnh lưu a) Giới thiệu chung
Hệ thống điều khiển cho các bộ biến đổi phụ thuộc vào nguyên tắc điều khiển pha đứng, được minh họa trong Hình 3.1 Trong các bộ biến đổi này, các tiristo được điều khiển mở bằng các xung tại thời điểm chậm pha so với điểm chuyển mạch tự nhiên một góc α, gọi là góc điều khiển Điểm chuyển mạch tự nhiên có thể là các điểm điện áp nguồn qua không (chỉnh lưu một pha) hoặc các điểm điện áp nguồn cắt nhau (chỉnh lưu ba pha) Khâu đầu tiên trong hệ thống điều khiển là khâu đồng pha, có nhiệm vụ tạo ra hệ thống điện áp tựa, đồng bộ với điện áp lưới, từ đó xác định giá trị đầu của góc điều khiển α.
Bộ điều khiển cho bộ biến đổi yêu cầu góc điều khiển α thay đổi trong khoảng 0÷180º Tuy nhiên, do các chế độ làm việc hạn chế sự thay đổi của góc này, sơ đồ cần phải đảm bảo rằng phạm vi điều chỉnh của α, từ αmin đến αmax, không bị ảnh hưởng bởi sự biến đổi của điện áp lưới Hình 3.2 minh họa rõ ràng điều này.
Hình 3.2 Giới hạn góc điều khiển α
Khâu tạo xung và khuyếch đại xung đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra xung có biên độ và độ rộng phù hợp để cung cấp cho các tiristo trong mạch lực Xung này được truyền đến cực điều khiển của tiristo thông qua các mạch cách ly, sử dụng biến áp xung hoặc các phần tử photocoupler Các yêu cầu đối với xung điều khiển các thyristor cần được đảm bảo để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của mạch.
Yêu cầu về tín hiệu điều khiển tiristor:
+ Đủ công suất thể hiện biên độ điện áp (UGK), dòng điện (IGK).
Độ rộng xung là yếu tố quan trọng để đảm bảo dòng IV vượt quá giá trị dòng duy trì Ih, giúp van giữ được trạng thái dẫn khi ngắt xung Thực tế, độ rộng xung điều khiển chỉ cần từ 300-500µs là đủ để mở van với các dạng tải khác nhau.
Để mở van một cách chính xác vào thời điểm quy định, cần có sườn xung dốc đứng Tốc độ tăng điện áp điều khiển phải đạt 10V/ás và tốc độ tăng dòng điều khiển là 0,1A/ás.
Chú ý: Đối với sơ đồ 3 pha thì thời điểm mở tự nhiên của các van điều chậm sau
Trong hệ thống điều khiển, điện áp UAK được xác định là điện áp dây, do đó cần thiết phải bổ sung khâu dịch pha trong mạch phát xung điều khiển Việc lựa chọn mạch phát xung phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống.
Hiện nay trong công nghiệp có 2 loại mạch phát xung chủ yếu :
+ Mạch phát xung tương tự
Mạch phát xung số có nhiều ưu điểm nổi bật so với mạch phát xung tương tự, trong đó hạn chế việc tính toán linh kiện điện tử là một yếu tố quan trọng Điều này giúp giảm thiểu sai số và nâng cao chất lượng tín hiệu, đáp ứng tốt hơn các yêu cầu kỹ thuật.
+ Giảm được quá trình thiết kế và gia công mạch phát xung cụ thể : Ghép nối, hàn linh kiện trên board mạch.
+ Giảm thời gian tác động, giảm quán tính hệ thống
Trong đồ án này, tôi sẽ thiết kế một mạch phát xung số tích hợp trên một board mạch, không sử dụng linh kiện rời rạc Việc tạo ra xung điều khiển sẽ hoàn toàn dựa vào các thuật toán và được phát triển thành mã lệnh, sau đó sử dụng một vi xử lý để thực hiện quá trình chuyển hóa này.
Arduino được thiết kế cho những người không chuyên về điện tử, giúp họ dễ dàng thực hiện các dự án mà không cần lo lắng về việc làm mạch Tất cả các thành phần đã được chuẩn bị sẵn, cho phép người dùng tập trung vào lập trình và điều khiển Khi gặp sự cố, việc kiểm tra lỗi trở nên đơn giản hơn, vì mọi vấn đề thường nằm ở mã code thay vì ở mạch điện.
Arduino rất dễ sử dụng, trực quan, trên mạch có ký hiệu rất rõ ràng, đầy đủ các chân, cực kỳ thuận tiện trong quá trình sử dụng.
3.2.2 Giới thiệu về vi xử lý – vi điều khiển a Sơ lược về AVR ARDUINO là gì?
Arduino là nền tảng mã nguồn mở lý tưởng cho việc phát triển ứng dụng điện tử, bao gồm board mạch lập trình được và phần mềm IDE hỗ trợ lập trình Với khả năng dễ dàng lập trình và tích hợp, Arduino mang đến nhiều lợi ích cho cả người mới bắt đầu và các chuyên gia trong lĩnh vực điện tử.
Arduino hiện nay được ưa chuộng trong cộng đồng người mới bắt đầu học điện tử nhờ vào tính đơn giản, hiệu quả và khả năng tiếp cận dễ dàng Khác với các loại vi điều khiển khác, Arduino mang lại trải nghiệm học tập thú vị và trực quan.
Arduino không yêu cầu công cụ chuyên biệt để nạp code, trái ngược với PIC cần có Pic Kit Việc nạp code cho Arduino rất dễ dàng, chỉ cần kết nối với máy tính qua cáp USB.
Thiết kế board mạch nhỏ gọn và tính năng đa dạng mang lại nhiều lợi ích cho Arduino, nhưng sức mạnh thực sự của nó nằm ở phần mềm Môi trường lập trình thân thiện và ngôn ngữ Wiring dễ hiểu, dựa trên C/C++, rất quen thuộc với kỹ sư Đặc biệt, số lượng thư viện mã nguồn mở phong phú do cộng đồng chia sẻ càng tăng cường khả năng của Arduino.
Môi trường lập trình Arduino IDE hỗ trợ ba nền tảng phổ biến: Windows, Macintosh OSX và Linux Với tính chất mã nguồn mở, Arduino IDE hoàn toàn miễn phí và cho phép người dùng có kinh nghiệm mở rộng các tính năng của nó.
Ngôn ngữ lập trình C++ có khả năng mở rộng thông qua các thư viện, cho phép người dùng tích hợp mã nguồn viết bằng AVR C vào chương trình, nhờ vào nền tảng ngôn ngữ C của AVR.
Thiết kế mạch
3.3.1 Phân tích lựa chọn khâu đồng bộ hóa
Khối đồng bộ đảm bảo mối quan hệ về góc pha cố định với điện áp của mạch lực, giúp xác định điểm gốc để tính góc điều khiển α Điều này tạo ra điện áp có dạng phù hợp, phục vụ như xung nhịp cho hoạt động của khâu tạo điện áp tựa phía sau.
Khâu tạo điện áp tựa có mối quan hệ chặt chẽ với chức năng đồng bộ, vì vậy trong một số trường hợp đơn giản, hai chức năng này thường được gộp lại trong một mạch duy nhất Mạch đồng pha thường đảm bảo chức năng đồng bộ Để thực hiện chức năng này, người ta sử dụng máy biến áp, tùy thuộc vào loại chỉnh lưu một pha hay ba pha, sẽ có khâu đồng bộ tương ứng là máy biến áp một pha hoặc ba pha, hoặc các phần tử cách ly quang.
Để đồng bộ với vi điều khiển, cần tín hiệu lật trạng thái tại thời điểm điện áp bằng 0 Áp dụng chế độ làm việc bão hòa của IC khuếch đại thuật toán giúp tạo ra xung hình chữ nhật, đặc biệt là có thời điểm lật trạng thái đúng tại điện áp bằng 0.
Sơ đồ mạch đồng bộ được em thiết kế như sau:
Hình 3.6 Sơ đồ mạch đồng bộ
* Tính toán với mạch đồng bộ:
Máy biến áp đồng bộ 3 pha với sơ đồ đấu nối / Y giúp đồng bộ hóa thời điểm góc mở của van với thời gian điện áp pha bằng 0 và chuyển sang dương Nhờ đó, không cần sử dụng mạch dịch pha để điều chỉnh góc mở 30 độ, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của máy.
BA kiểu đấu dây / Yđã làm phía thứ cấp chậm sau phía sơ cấp 30 o điện.
+ Điện áp phía sơ cấp U 1 220(V); chọn điện áp phía thứ cấp U 2 12(V)
- Chọn IC KĐTT LM741 với các thông số kỹ thuật sau:
+ Điện áp cung cấp max :+/- 12V
+ Công suất cực đại: 500 mW
+ Dải nhiệt độ hoạt động: 0 70 C: o
- Diot D ,D mác song song ngược với đầu vào của IC có tác dụng mong muốn 1 2
IC chỉ làm việc với chế độ bão hòa vì điện áp rơi trên diot (silic) � 0,7Vcòn điện áp vào bão hòa của IC � 0,4V
- Biến trở có tác dụng giữ điện áp đầu ra IC �5V(thỏa mãn giá trị điện vào I/O của arduino) Chọn giá trị WR 10(k )
3.3.2 Phân tích lựa chọn khâu truyền xung Để xung có đầy đủ các thông số yêu cầu cần thiết ta phải thực hiện việc khuếch đại xung, cụ thể là đủ công xuất ta cần khuếch đại tín hiệu lên và thực hiện cách ly điện áp giữa mạch lực và mạch điều khiển, bên cạnh đó cũng cần cấm xung chạy ngược lại VXL từ van Từ các yêu cầu này em đã thiết kế ra mạch khuếch đại xung có dạng sau:
Để đảm bảo xung đạt đầy đủ các thông số cần thiết, việc khuếch đại xung là rất quan trọng Ngoài ra, trong một số trường hợp, cần phải phân chia xung trước khi truyền xung từ đầu ra của mạch phát xung đến cực điều khiển và Katốt của Thyristor.
* Tính toán với sơ đồ mạch khuếch đại
- Diode 1N4007 là một diode silic chỉnh lưu phổ biến 1A thường được sử dụng trong các adapter AC cho các thiết bị gia dụng thông thường.
- Biến áp xung: + Chọn tỷ số máy biến áp m 1
2 + Với điện áp phía thứ cấp : U 2đk 3(V)
+ Dòng điện phía thứ cấp : I 2đk 75(mA)
+ Dòng điện phía sơ cấp là:
3.3.3 Phân tích lựa chọn cảm biến dòng điện cho mạch vòng phản hồi Để đo dòng điện qua động cơ (tải) ta có các cách sau:
+ Sử dụng điện sở Shun mắc nối tiếp trong mạch phần ứng của động cơ
+ Sử dụng cảm biến hall để đo dòng bằng cách để dòng phần ứng đi qua cảm biến.
Trong đồ án thiết kế điều khiển số, tôi đã chọn cảm biến Hall để đo dòng điện qua phần ứng của động cơ Cụ thể, với thông số kỹ thuật của động cơ, tôi quyết định sử dụng cảm biến dòng điện DC/AC Hall 35A WCS1800.
Cảm biến dòng điện Hall 35A WCS1800 hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, cho phép đo cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn Hiệu ứng Hall nhạy cảm với từ trường, được sinh ra từ dòng điện, giúp xác định chính xác mức độ dòng điện khi dây dẫn được đưa gần thiết bị đo.
Cảm biến dòng điện cung cấp tín hiệu analog và digital, giúp kết nối dễ dàng với vi điều khiển Với thiết kế nhỏ gọn, cảm biến này thường được sử dụng để phát hiện quá dòng trong động cơ thông minh, bảo vệ ngắn mạch và giám sát dòng điện hiệu quả.
+ Điện áp làm việc: 5 VDC
+ Phạm vi phát hiện dòng điện: +- 35A (DC), 25A
AC: 25A Độ tuyến tính: K = 60mV / A
Tín hiệu quá dòng có thể điều chỉnh bằng biến trở, độ phân giải cài đặt là:
1.5A Đèn báo tín hiệu quá dòng ngõ ra
Hình 3.7 Hình ảnh cảm biến hall 35A WCS1800
3.3.4 Phân tích lựa chọn nguồn nuôi cho mạch điều khiển Để mạch điều khiển hoạt động ổn định thì ta cần thiết kế mạch nguồn phù hợp.
Vì mạch điều khiển sử dụng Arduino với nguồn cung cấp 5VDC thì việc tạo ra nguồn
5 VDC là hoàn toàn cần thiết Dưới đây là sơ đồ nguồn nuôi cho mạch điều khiển.
Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện nguồn nuôi cho mạch điều khiển
Mạch tạo nguồn nuôi sử dụng hai bộ chỉnh lưu diot tia ba pha mắc song song ngược, kết hợp với các tụ lọc và IC ổn áp, nhằm duy trì điện áp nguồn nuôi ổn định.
* Tính toán với mạch nguồn nuôi:
- Chọn các tụ lọc có giá trị: + Tụ hóa C 2200 F
+ Tụ không phân cực C 100nF
- Các IC ổn áp họ 78xx và 79xx
3.3.5 Phân tích và lựa chọn cảm biến đọc tốc độ cho mạch vòng phản hồi
Trong mạch điều khiển số, việc ưu tiên sử dụng các thiết bị số là rất quan trọng Do đó, tôi đã quyết định chọn encoder để đo tốc độ động cơ, nhằm đạt được độ chính xác cao hơn nhiều lần so với máy phát tốc.
Trên thị trường hiện có đa dạng loại encoder, nhưng trong đồ án của tôi, chỉ cần đo tốc độ theo một hướng mà không cần đo tốc độ quay ngược Do đó, tôi chỉ sử dụng một pha của encoder để đọc xung Cụ thể, tôi đã chọn encoder LPD3806-400BM-G5-24C, AB để thực hiện nhiệm vụ này.
Hai pha 5-24V 400 xung Bộ mã hóa quay quang học tăng dần.
Thông số kỹ thuật của LPD3806-400BM-G5-24C:
- Bộ mã hóa quay quang tăng dần hai pha AB 400 xung, ngõ ra cực thu hở NPN.
- Điện áp hoạt động: DC5-24V
- Tốc độ cơ học tối đa: 5000 vòng / phút
- Tần số đáp ứng điện: 20K / giây
- Tốc độ tích hợp: 2000 vòng / phút
- Kích thước: Kích thước thân bộ mã hóa: φ38mm; trục φ6 × 13mm; nền trục:
Cao 5mm, φ20mm; sửa các lỗ cho: vít M3
- Ba lỗ lắp trên hình tròn 30, và ba lỗ lắp còn lại trên hình tròn 28; bên đủ điều kiện.
+ 5000 / phút Tốc độ quay vòng tối đa
+ Tần số đáp ứng điện 20K / giây
+ 2000 vòng / phút Tốc độ tích hợp
Hình 3.9 Hình ảnh encoder LPD3806-400BM-G5-24C
Sơ đồ khối mạch phát xung điều khiển thyristor
Sơ đồ khối mạch tạo xung số có dạng như sau:
Hình 3.10 Sơ đồ khối mạch tạo xung điều khiển thyristor
Trong đó khối (3) được lập trình bằng phần mềm IDE, trong chương trình tạo xung sẽ làm nhưng công việc sau:
Tạo xung theo thời điểm do người dùng điều khiển đóng vai trò như một mạch so sánh, trong khi việc điều chỉnh độ rộng của xung đầu ra tương tự như chức năng của mạch sửa xung.
Thiết kế bộ điều khiển số
3.5.1 Mô tả hệ thống rời rạc bằng hàm truyền a) Định nghĩa:
Hàm truyền của hệ thống là tỉ số giữa biến đổi Laplace của tín hiệu ra và biến đổi
Laplace của tín hiệu vào khi điều kiện đầu bằng 0.
Hàm truyền được định nghĩa là tỉ số giữa biến đổi Laplace của tín hiệu ra và tín hiệu vào, nhưng nó không phụ thuộc vào các tín hiệu này mà chỉ dựa vào cấu trúc và thông số của hệ thống Điều này cho phép hàm truyền được sử dụng để mô tả hệ thống một cách chính xác.
Hình 3.11 Quá trình lấy mẫu
Lấy mẫu là quá trình chuyển đổi tín hiệu liên tục theo thời gian thành tín hiệu rời rạc Trong đó, tín hiệu đầu vào là x(t) và tín hiệu đầu ra là tín hiệu rời rạc.
x t * , quá trình lấy mẫu có thể được miêu tả bởi biểu thức toán học sau: x (t) x(t).s(t) *
Trong đó s(t) là chuỗi xung dirac: k s(t) � (t kT)
� Giả sử x(t)=0 khi t < 0 ta được:
Biến đổi laplace 2 vế ta được:
Định lý Shannon là một biểu thức toán học quan trọng trong quá trình lấy mẫu, cho phép phục hồi dữ liệu mà không bị méo dạng Để đảm bảo điều này, tần số lấy mẫu cần phải đáp ứng điều kiện c f ≥ 2f.
; với f c là tần số cắt của tín hiệu cần lấy mẫu
Trong các hệ thống điều khiển thực tế, việc bỏ qua sai số lượng tử hóa cho phép các khâu chuyển đổi A/D hoạt động như các khâu lấy mẫu Bên cạnh đó, khâu lưu giữ dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Khâu lưu giữ là khâu chuyển tín hiệu rời rạc theo thời gian thành tín hiệu liên tục theo thời gian.
Khâu lưu giữ có nhiều dạng khác nhau, trong đó khâu giữ bậc 0 (zero-Order Hold – ZOH) là loại đơn giản và phổ biến nhất trong các hệ thống điều khiển rời rạc.
Hình 3.12 Khâu giữ bậc 0 (ZOH)
Hàm truyền của khâu ZOH có thể được xác định bằng cách phân tích tín hiệu vào là xung Dirac, dẫn đến tín hiệu ra là xung vuông với độ rộng bằng T.
Hàm truyền của khâu giữ bậc 0 là một yếu tố quan trọng trong quá trình chuyển đổi tín hiệu Nếu có thể bỏ qua sai số lượng tử hóa, các khâu chuyển đổi A/D sẽ hoạt động như các khâu lưu giữ bậc 0.
Bước 1: Thành lập phương trình vi phân mô tả quan hệ vào – ra của phần tử bằng cách:
+ Áp dụng các định luật Kirchoff, quan hệ dòng – áp trên điện trở, tụ điện, cuộn cảm,… đối với các phần tử điện.
Áp dụng các định luật Newton giúp hiểu rõ mối quan hệ giữa lực ma sát và vận tốc, cũng như mối liên hệ giữa lực tác động và biến dạng của lò xo trong các phần tử cơ khí.
+ Áp dụng các định luật truyền nhiệt, định luật bảo toàn năng lượng,… đối với các phần tử nhiệt.
Bước 2: Biến đổi Laplace hai vế phương trình vi phân vừa thành lập ở bước 1, ta được hàm truyền cần tìm.
Chú ý: Đối với các mạch điện có thể tìm hàm truyền theo phương pháp tổng trở phức.
3.5.3 Hàm truyền hệ rời rạc:
Quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ thống rời rạc được mô tả bằng phương trình sai phân:
Trong đó n, n gọi là bậc của hệ thống rời rạc Biến đổi z hai vế phương trình trên ta được: n (n 1)
Hai cách biểu diễn trên hoàn toàn tương đương nhau, trong thực tế hàm truyền dạng thứ hai được sử dụng nhiều hơn.
Tính toán các hệ số khuếch đại của hệ thống
3.6.1 Mô hình toán học và hàm truyền của hệ thống điều tốc
Sau khi xác định hàm truyền cho từng khâu, dựa trên sơ đồ nguyên lý của hệ thống và áp dụng lý thuyết điều khiển tự động, chúng ta có thể biểu diễn sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống.
Hình 3.13 Sơ đồ cấu trúc truyền động động cơ một chiều
Trong đó: Động cơ và bộ biến đổi đã biết (tính chọn ở mục 2), vì vậy hàm truyền được xác định với:
, là hệ số sức điện động
; là hệ số khuếch đại động cơ + K m 9,55K e 9,55.0,0855 0,82 , là hệ số mô men
, là hằng số thời gian điện từ + GD 2 = 0,055 [kgm 2 ]là mô men vô lăng
là hệ số khuếch đại của bộ biến đổi
: là hằng số thời gian của bộ biến đổi (với chu kì lấy mẫu của bộ điều khiển số chọn T mâu 0,01(s) )
+ Uđk = f() là quan hệ giữa góc mở của van và điện áp điều khiển (mối quan hệ giữa Udk và trong bộ phát xung số)
o o là quan hệ giữa góc mở của van và điện áp ra của chỉnh lưu ( do 2
+ Ud = f(uđk) là quan hệ giữa điện áp điều khiển và điện áp ra của chỉnh lưu
+ , , là các hệ số phản hồi dòng điện, tốc độ Để đơn giản khi tổng hợp thường chọn trước các hệ số phản hồi sau đó chỉnh.
Để tính hệ số khuếch đại của bộ biến đổi (Kb), ta cần xây dựng đặc tính biểu diễn mối quan hệ giữa ud và uđk, sau đó thực hiện tuyến tính hóa đặc tính này để xác định hệ số góc của đoạn đặc tính Hệ số của đoạn đặc tính cơ sẽ bao gồm hệ số khuếch đại của bộ biến đổi cộng với d b k.
Quan hệ Ud=f(Uđk) xuất phát từ hai quan hệ: Ud = f() và = f(uđk)
+ Xây dựng quan hệ Ud = f(): coi hệ thống làm việc ở chế độ dòng điện liên tục. + Với sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có D 0 : do d
+ Udo là điện áp chỉnh lưu không tải của bộ biến đổi
Cho biến thiên từ = (0 ) ta được các trị số U d lập thành bảng sau:
Xây dựng quan hệ Uđk=f() :
Khi giá trị điện áp điều khiển (Uđk) thay đổi, góc điều khiển (α) cũng sẽ thay đổi tương ứng Mỗi giá trị Uđk khác nhau sẽ dẫn đến các giá trị α khác nhau, cho thấy mối quan hệ biến đổi giữa góc α và điện áp điều khiển Uđk theo một quy luật nhất định.
Với điện áp điều kiện tối đa Uđk max = 5V, tín hiệu đầu ra của vi mạch khuếch đại thuật toán đạt giá trị Urmax = 5V, dẫn đến biên độ cực đại Umax = 5V Khi thay đổi tham số α từ 0 đến π, ta có mối quan hệ Uđk = f(α) thể hiện sự biến đổi của điện áp điều kiện theo góc α.
Từ bảng quan hệ trên ta xây dựng được đường đặc tính thể hiện mối quan hệ Ud f(uđk) như sau:
Hình 3.14 Đồ thị quan hệ giữa U d và U dk
Tuyến tính hoá đoạn đặc tính trên ta được : d b dk
- Để tính hằng số thời gian điện từ ta cần tính toàn bộ tổng trở và tổng kháng có mặt trong hệ thống.
Ta có: L � L u L BA L CK 0,0334 9,1.10 3 0,1344 0,2(H) u BA CK T
Hệ số , với sơ đồ dùng cảm biến hall và encoder sẽ được tính như sau:
Hệ số quy đổi từ dòng điện phần ứng sang điện áp cho Arduino là yếu tố quan trọng, giúp chuyển đổi dải đo từ 0-35A (dải đo của cảm biến dòng đã chọn) sang dải 0-5V Để đơn giản hóa quá trình quy đổi, mối quan hệ này được tuyến tính hóa, đảm bảo hiệu quả trong việc đo lường.
Tượng tự với đại lượng quy đổi từ tốc độ trên trục động cơ thành tín hiệu điện áp cho Arduino, encoder là thiết bị đọc xung cần thực hiện phép quy đổi từ số xung mà encoder ghi nhận trong một đơn vị thời gian (thời gian lấy mẫu của hệ thống) để tính toán tốc độ của động cơ Sau đó, tốc độ được quy đổi từ 0-3000 v/p sang dải 0-5 v Để đơn giản hóa quá trình quy đổi, mối quan hệ này được tuyến tính hóa.
3.6.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện W I
Trong mạch vòng dòng điện có thời gian quá độ ngắn, khi điều chỉnh dòng điện, E Đ được xác định bởi công thức E Đ = K n e Đại lượng này phụ thuộc vào hằng số thời gian cơ học, do đó trong quá trình tính toán bộ điều chỉnh dòng, E Đ được coi là hằng số (E Đ = const) và không tham gia vào quá trình điều chỉnh.
Iu, vì vậy gần đúng bỏ qua Khi mạch vòng dòng điện tác dụng đồng nghĩa I u �I ng
Sơ đồ biến đổi tương đương như sau:
Theo phương pháp modul tối ưu ta có:
Hay bộ điều khiển WI là khâu PI, từ bộ điều chỉnh liên tục ta thực hiện rời rạc hóa với thời gian lấy mẫu là T, ta có: đk(z)
Chuyển sang phương trình sai phân ta có: đk(k) đk(k 1) p I v(k) p v(k 1)
�� Đây là phương trình để xây dựng code bộ điều chỉnh dòng điện.
3.6.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ W n
Sau khi hoàn thiện thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện, toàn bộ mạch vòng dòng điện được tối ưu hóa theo hàm modul với giá trị đã chọn Kết quả là ta có được cấu trúc mạch vòng tốc độ hiệu quả.
Sơ đồ biến đổi tương đương như sau: m c(s) 2 2 2 u u
; hàm truyền của hệ hở
Do T u 0,0033, đã chọn trong mạch vòng dòng điện có giá trị nhỏ, nên
Theo phương pháp modul tối ưu ta có: n(s) c(s) n n
Hay bộ điều khiển Wn là khâu P, từ bộ điều chỉnh liên tục ta thực hiện rời rạc hóa với thời gian lấy mẫu là T, ta có:
Chuyển sang phương trình sai phân ta có: đk(k) p v(k)
Với K p 0,16 Đây là phương trình để xây dựng code bộ điều chỉnh tốc độ.
Xây dựng hệ thống trên phần mềm mô phỏng matlab simulink
Hình 3.16 Sơ đồ hệ thống hở
Hình 3.17 Sơ đồ mô phỏng hệ thống kín với phản hồi âm tốc độ và âm dòng có ngắt tổng hợp riêng rẽ.
3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
Hình 3.18 Sơ đồng nguyên lí mạch điều khiển.
Xây dựng hệ thống trên phần mềm proteus
Hình 3.19 Sơ đồ hệ thống được xây dựng trên phần mềm proteus
Hình 3.20 Giản đồ điện áp 3 pha sau máy biến áp
Hình 3.20 Kết quả mô phỏng của pha A
Pha A với xung đồng bộ màu vàng đã được dịch, trong khi xung vuông xanh lục là tín hiệu đồng sau khi xử lý qua IC KĐTT ở chế độ bão hòa Xung vàng được sử dụng để điều khiển van T1, với mỗi xung có biên độ 5V và độ rộng khoảng 3 độ điện.