GIỚI THIỆU YÊU CẦU BÀI TOÁN
Hình 1.1 Sơ đồ bài toán
• JM : mompulley.đm quán tính
• M = 2.5 kg : khối lượng của tải
Bài toán yêu cầu sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha với điện áp 220V/380V để truyền động cho băng tải mang vật có khối lượng 2.5kg, đảm bảo vật này có đồ thị tốc độ như hình 1.2 Hệ thống cần duy trì tốc độ của vật M ổn định, ngay cả khi có ngoại lực tác động Đồng thời, khi tốc độ đặt vào thay đổi, hệ thống phải tự động điều chỉnh để vật M di chuyển với tốc độ mới mà không cần thay đổi phần cứng hoặc phần mềm.
-Đồ thị tốc độ mong muốn của tải:
Hình 1.2 đồ thị tốc độ mong muốn của tải
Để đạt được hiệu suất tối ưu, động cơ cần thực hiện các thao tác như tăng tốc, giảm tốc và đảo chiều quay Đồ thị tốc độ đo được phải phản ánh chính xác các biến động này để đảm bảo sự đồng nhất trong hoạt động của động cơ.
SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ HỆ THỐNGLỖI! THẺ ĐÁNH DẤU KHÔNG ĐƯỢC XÁC ĐỊNH 1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG
TẢI
Hình 1.4: Tải của hệ thống Độ dài băng tải L=l trên +l dưới + l trái +lphải
=> chọn băng tải PVC có chiều dài L0m; chiều rộng D=0.25m; độ dày H=1mm Loại băng tải này có khối lượng trên mỗi đơn vị diện tích là m=1kg/m 2
=> Khối lượng băng tải : Mbăng tải = m× 𝐿 × 𝐷=1 × 30 × 0.25 = 7.5 kg
MẠCH ĐỘNG LỰC LỖI! THẺ ĐÁNH DẤU KHÔNG ĐƯỢC XÁC ĐỊNH 1.2.4 MẠCH ĐIỀU KHIỂN
MCB (Miniature Circuit Breaker) là thiết bị đóng cắt nguồn điện cho mạch động lực, giúp ngắt điện khi xảy ra sự cố ngắn mạch Việc này đảm bảo sự cố không phát triển thêm và bảo vệ hoạt động của các thiết bị điện khác bên ngoài hệ thống.
K: Contactor để đóng cắt thường xuyên động cơ
Role nhiệt RN có chức năng bảo vệ động cơ khỏi tình trạng quá tải Khi động cơ hoạt động vượt quá giới hạn cho phép, role nhiệt RN sẽ tự động ngắt nguồn cung cấp điện cho động cơ, giúp ngăn chặn hư hỏng do quá tải.
Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha : Sử dụng 6 diot Biến đổi nguồn điện xoay chiều 3 pha thành 1 chiều để cung cấp cho mạch nghịch lưu
Mạch lọc L,C : Để loại bỏ các sóng hài bậc cao trong nguồn điện 1 chiều sau mạch chỉnh lưu
Mạch nghịch lưu sử dụng 6 IGBT để biến đổi nguồn điện một chiều thành dòng xoay chiều 3 pha, cung cấp cho động cơ hoạt động Tín hiệu điều khiển từ mạch điều khiển đảm bảo động cơ M, là động cơ không đồng bộ 3 pha, hoạt động với tốc độ 𝜔 đã được thiết lập trước, từ đó truyền động cho tải.
Dòng điện cấp vào stato động cơ được chuyển đổi từ hệ trục tọa độ abc sang hệ trục tọa độ dq s, sau đó tiếp tục chuyển sang hệ trục tọa độ dq e Kết quả là dòng điện cấp cho stato thực chiếu theo trục q 𝑖 𝑞𝑠 𝑒 và dòng điện cấp cho stato thực chiếu theo trục 𝑖 𝑑𝑠 𝑒.
Tốc độ đo từ động cơ được so sánh với giá trị tốc độ đặt 𝜔ref để tính dòng điện đặt 𝑖 𝑞𝑠 𝑒∗ trong bộ điều khiển tốc độ Dòng điện này sau đó được so sánh với tín hiệu thu được 𝑖 𝑞𝑠 𝑒 để tính điện áp đặt 𝑉 𝑞𝑠 𝑒∗ Điện áp này được chuyển từ hệ tọa độ dq e sang dq s để điều khiển bộ phát xung SVPWM, nhằm phát xung kích cho IGBT trong mạch nghịch lưu Tương tự, tốc độ đặt được đưa vào bộ điều khiển từ thông để tính dòng điện đặt 𝑖 𝑑𝑠 𝑒∗, và dòng điện này được so sánh với tín hiệu thu được 𝑖 𝑑𝑠 𝑒 để xác định điện áp đặt 𝑉 𝑑𝑠 𝑒∗ Cuối cùng, điện áp 𝑉 𝑑𝑠 𝑒∗ cũng được chuyển đổi sang hệ tọa độ dq s để điều khiển bộ phát xung SVPWM cho IGBT trong mạch nghịch lưu.
Hệ thống cần nguồn cấp 220/380V 3 pha và yêu cầu thiết kế mạch bảo vệ chống quá tải và ngắn mạch Việc lựa chọn thiết bị bảo vệ phải dựa trên các thông số kỹ thuật của động cơ để đảm bảo bảo vệ hiệu quả.
Để đảo chiều hoạt động của động cơ, cần sử dụng bộ biến đổi tần số chỉnh lưu cầu 3 pha để chuyển đổi nguồn xoay chiều thành một chiều Sau đó, bộ nghịch lưu cầu 3 pha với các van công suất đóng cắt nhanh sẽ biến đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều 3 pha cung cấp cho động cơ Tần số đóng cắt của bộ nghịch lưu được điều khiển bằng phương pháp điều chế vectơ không gian SVPWM, dựa trên giá trị điện áp 𝑢 𝛼 và 𝑢 𝛽 đầu vào để tạo ra các chùm xung kích thích điều khiển điện áp cho động cơ Đặc biệt, với một tần số nhất định, tốc độ động cơ sẽ giữ nguyên mặc dù tải có thay đổi Việc lựa chọn các cảm biến dòng và encoder phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất của hệ thống.
1.4 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG
- Từ 0 – 1s: trục pulley tăng tốc dần lên từ 0 đến 14.28 rad/s
- Từ 1 – 3s: trục pulley chạy ổn định ở 14.28 rad/s
- Từ 3 – 3.5s: trục pulley giảm tốc về 0 rad/s
- Từ 3.5 – 4s: trục pulley đảo chiều, tăng tốc 0 đến -14.28 rad/s
- Từ 4 – 6s: trục pulley chạy ổn định ở -14.28 rad/s
- Từ 6 – 7s: trục pulley giảm tốc về 0 rad/s
Ta có đồ thị ωm như sau :
Hình 1.7 Đồ thi tốc độ tính toán của động cơ
1.4.2 Momen điện từ của động cơ
Do ban đầu chưa chọn động cơ nên Jm và fL nên cho bằng 0, nên ta có
7−6 5 (Nm) Momen điện từ đẳng trị:
7 202 (Nm) Chọn hệ số dự trữ Kdt = 1.4 => 𝑇 𝑒𝑚 = 1.4 𝑇 𝑒𝑚𝑑𝑡 = 1.4 × 16.202 = 22.683 (Nm) Đồ thị momen điện từ của động cơ như sau :
Hình 1.8 Đồ thị momen điện từ tính toán của động cơ
- Từ 0 – 1s: Công suất tằng đều từ 0 đến 250W
- Từ 3 – 3.5s: Công suất tăng đều từ -500 đến 0 W
- Từ 3.5 – 4s: Công suất tăng đều từ 0 đến 500W
- Từ 6 – 7s: Công suất tăng đều từ -220 đến 0W Đồ thị công suất động cơ P :
Hình 1.9 Đồ thị công suất động cơ
7 #1.5 (W) Chọn hệ số dự trữ Kdt = 1.4 => 𝑃 đ𝑐 = 1.4 𝑃 𝑑𝑡 = 324.2 (W)
1.4.4 Đặc tính cơ của tải
Hình 1.10: Đồ thị đặc tính cơ
Dựa vào tốc độ và momen trong các giai đoạn, ta thấy động cơ làm việc ở 4 góc phần tư
• Góc phần tư thứ I, động cơ quay theo chiều dương
• Góc phần tư thứ II, động cơ ở trạng thái hãm
• Góc phần tư thứ III, động cơ quay ngược
• Góc phần tư thứ IV, động cơ hãm
Trong tổng thời gian quay, động cơ tăng, giảm tốc độ, đảo chiều quay trong thời gian ngắn để đảm bảo sát với tốc độ mong muốn
Công suất biến đổi nhanh và từ 3 – 3.5s và 6 – 7s âm nên bộ biến đổi có thể trả ngược công suất về nguồn
1.5 TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC
1.5.1 Chọn động cơ Để cho hệ thống làm việc đảm bảo các yêu cầu về kĩ thuật, an toàn, kinh tế thì việc chọn động cơ là hết sức quan trọng Nếu chọn động cơ công suất lớn quá thì giá thành cao hiệu suất truyền động thấp, giảm hệ số cos𝜑 Còn nếu chọn động cơ có công suất nhỏ hơn yêu cầu thì động cơ dễ bị quá tải thậm chí không làm việc được ảnh hưởng đến vận hành hệ thống và cả tuổi thọ động cơ Vì vậy cần tính toán các số liệu một cách chính xác cụ thể để từ đó lựa chọn động cơ phù hợp nhất
𝑃 đ𝑐 = 324.2𝑊=>Chọn động cơ M6VA 71A của ABB có thông số : Điện áp định mức 220/380 V Momen định mức 1.25 N.m
Công suất định mức 370 W Momen tối đa 3.8 N.m
Dòng điện định mức 1.6 A Tốc độ quay định mức 2840 vòng/p
Dòng điện tức thời tối đa 5.5 A Momen quán tính roto 4 × 10 −4 𝑘𝑔 𝑚 2 Đường kính trục roto 12mm
Hình 1.11 : Động cơ M6VA 71A của ABB
Tốc độ tối đa của M : u=5m/s
=> tốc độ quay tối đa của trục pulley : npulley = 𝑢×60
Động cơ được chọn có tốc độ định mức 136.42 vòng/phút, nhưng momen định mức lại thấp hơn so với momen cần thiết cho hệ chuyển động Do đó, việc sử dụng hộp giảm tốc là cần thiết để tăng momen truyền đến pulley và điều chỉnh tốc độ quay của pulley cho phù hợp với yêu cầu của hệ thống.
20.86 Dựa vào tốc độ, kích thước động cơ, momen tải và tỉ số truyền ta chọn được hộp số
Wittenstein Alpha NP 016 MF 1/20 có các thông số như sau:
Hình 1.12: Hộp số Wittenstein Alpha
Chọn Contactor ST10 có thông sỗ kĩ thuật như sau:
Chọn cảm biến dòng điện T201DCH100 của hãng SENECA với các thông số:
Hình 1.14 Cảm biến dòng T201DCH100
Momen tối đa đầu ra 56 Nm
Tốc độ tối đa đầu vào 10000 vòng/p Điện áp định mức 380V-400V Dòng điện định mức 9A Điện áp điều khiển 64VDC Điện áp cung cấp 100V
Tín hiệu đầu ra 0-28mA
Thời gian đáp ứng 0.8-2 s Độ sai số 0.30%
Ta sử dụng encoder XCC3916PS84SGN của Schneider có các thông số :
Hình 1.15 : encoder XCC3916PS84SGN
1.5.6 Chọn Diode cho mạch chỉnh lưu
Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu: 𝑈 𝑑 = 3√6
𝜋 220 = 514.6 (V) Giá trị trung bình điện áp ngược cực đại: 𝑈 𝑖𝑚 = √6 𝑈 𝑑𝑚 = √6 220 = 538.9 (V)
Dòng điện định mức của động cơ là 1.6 A
=> dòng điện trung bình qua van :𝐼 𝐷 = 1.6
Chọn diode BYM66 E có thông số:
Dòng điện định mức Iđm = 6.3A Điện áp ngược cực đại Ung.max = 1000V
Thời gian đóng cắt Trr = 76ns
1.5.7 Chọn IGBT cho mạch nghịch lưu
Vì IGBT mắc trực tiếp với động cơ nên:
Dòng điện chạy qua van: I V = P đm
Chọn hệ số dự trữ dòng điện là K I = 1,4
Chọn dòng sóng hài chạy qua van có cường độ I h = 1,1 A
Dòng điện tinh chọn LGBT là:
I L = K I (I h + I V )= 1,4.(0,971 + 1,1 ) = 2,9 (A) Điện áp đầu ra khâu nghịch lưu là: U = 220 (V) Điện áp cần cấp cho khâu nghịch lưu là: U d = 2√2
√3.220 = 359,2 (V) Chọn hệ số an toàn về áp cho van là 3 Do vậy ta cần điện áp chiụ đựng yêu cầu cho van bán dẫn là: U V = 359,2 *3 = 1077,6 (V) Độ phân giải 4096 S/R
Tốc độ định mức 3000 vòng/p Tốc độ tối đa 6000 vòng/p Đường kính trục 16mm
Ta chọn IGBT 1600V NPT FGL40N160AN với các thông số:
Hình 1.16 : IGBT 1600V NPT FGL40N160AN
Do động cơ ta chọn có dòng định mức Iđm= 1.6 A nên ta chọn MCB 3P BH-D10 1.6A type
D có khả năng vừa bảo vệ quá tải vừa bảo vệ ngắn mạch với thông số kĩ thuật như sau :
1.6 KIỂM TRA CÁC THÔNG SỐ
1.6.1 Kiểm tra tốc độ băng tải
Trong đó u : tốc độ băng tải (m/s) n :tốc độ động cơ (vòng/s) i : tỉ số truyền của hộp số r : bán kính pulley (m)
Khi động cơ quay với tốc độ định mức thì
=> 𝑢 đ𝑚 > 𝑢 đặ𝑡 => đảm bảo yêu cầu tốc độ động cơ
Khi động cơ quay với tốc độ tối đa thì
20× 2𝜋 × 0.35 = 7.33 (𝑚 𝑠⁄ ) Để băng tải quay với tốc độ 5m/s thì tốc độ động cơ là :
Dòng điện cực đại 40A Điện áp cực đại 1000V Công suất cực đại 500W
Số cực 3P điện áp cách điện định mức 440V
Dòng cắt định định 10kA
Hình 1.18 : Đồ thị tương quan 𝑢, 𝑢 đ𝑚 , 𝑢 𝑚𝑎𝑥
Vận tốc của vật luôn được duy trì trong giới hạn của uđm, điều này cho thấy rằng động cơ và hộp số đã được lựa chọn một cách hợp lý để đảm bảo khả năng điều khiển vận tốc cho toàn bộ hệ thống.
1.6.2 Kiểm tra momen tại trục pulley
Trong đó : Tpulley : momen tại pulley 𝑖
Tđc : momen động cơ tạo ra
Jđc : momen quán tính của động cơ
𝜔 đ𝑐 : tốc độ quay của động cơ
H : hiệu suất của hộp số i : tỉ số truyền của hộp số Khi động cơ làm việc với momen định mức :
Do độ lớn lớn nhất của gia tốc góc pulley đạt được từ khoảng 3-4s là 28.57 rad/s 2
độ lớn lớn nhất của gia tốc góc roto là 28.57 × 20 = 571.4 rad/s 2
⁄ 20 = 69.67 ( 𝑁 𝑚 ) Đồ thị tương quan Tcơ ,Tpulley.đm , Tpulley.max
Hinh 1.19: Đồ thị tương quan T cơ ,T pulley.đm , T pulley.max
Động cơ luôn hoạt động trong giới hạn Tpulley.max và chỉ vượt quá Tpulley.đm trong thời gian ngắn Do đó, động cơ chỉ trải qua tình trạng quá tải tạm thời, vì vậy động cơ và hộp số được lựa chọn đảm bảo khả năng điều khiển mô men cho động cơ.
Kết luận : động cơ và hộp số đã chọn đảm bảo yêu cầu của hệ thống
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC
Mô hình hóa là quá trình phân tích và nhận diện các nguyên lý cùng tính chất vật lý của đối tượng, nhằm chi phối hoạt động của hệ thống Quá trình này bao gồm việc viết ra các phương trình đại số và vi phân dựa trên các định luật, sau đó rút gọn các phương trình này thành dạng phương trình sai phân tích hợp Phương trình sai phân này được gọi là mô hình hóa của hệ thống.
2.1 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ KĐB 3
-Phương trình điện áp trên 3 cuộn dây stator u s = R s i s + dψ s dt +jωsψ s -Phương trình điện áp rotor (rotor ngắn mạch)
0 = R r + i r + dψ r dt + jωsψ r -Phương trình từ thông stator và rotor quan hệ với các dòng stator và rotor ψ s = Lsis + Lmir ψ r = Lmis + Lrir
2 zp lm{ψ r ∗ ir} -phương trình chuyển động mM = 𝑚 𝑇 + J
𝑍 𝑝 dω dt mM : Momen động cơ
J : Momen quán tính của động cơ
𝑍 𝑝 : Số đôi cực từ của động cơ
Việc phát triển mô hình toán cho động cơ không đồng bộ ba pha trên các hệ tọa độ khác nhau dựa vào các phương trình cơ bản của động cơ này.
2.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ TRÊN HỆ TỌA ĐỘ
Hình 2.1 hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor( hệ tọa độ dq)
Mô hình toán học của động cơ trên hệ tọa độ dq phương trình điện áp stator: u s f = R s i s f + dψ s f dt +jωsψ 𝑠 𝑓 Phương trình điện áp rotor(rotor ngắn mạch):
0 = R r i r r + dψ r r dt + jωsψ 𝑟 𝑓 Phương trình từ thông stator và rotor quan hệ với các dòng stator và rotor: ψ s = Lsis + Lmir ψ r = Lmis + Lrir
Chúng tôi tập trung vào việc loại bỏ các yếu tố không quan trọng, bao gồm dòng điện không đo được của mạch rotor và từ thông stator Sau đó, chúng tôi chuyển các thành phần vi phân sang vế trái và diễn đạt chúng dưới dạng các thành phần của vector Các biến trạng thái chính cần chú ý là dòng điện stator và từ thông rotor.
Hệ phương trình viết dưới dạng thành phần như sau:
Từ datasheet của động cơ ta tính được: 𝑇 𝑠 = 0.00485 𝑇 𝑟 = 0.00445, σ= 0.9999 (1)
Mô hình không gian trạng thái: 𝑑𝑋 𝑓
Từ đó ta có mô hình trạng thái và mô hình toán của động cơ trên hệ tọa độ dq
Hình 6.6 Mô hình trạng thái và mô hình toán của động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ dq
Trong hệ thống động cơ không đồng bộ ba pha, đại lượng tốc độ ω đóng vai trò quan trọng Trong hệ tọa độ dq, từ thông và mô men quay có thể được đo thông qua các tham số biến thiên Cụ thể, từ thông ψ rd (s) được biểu diễn dựa trên các thành phần của vector dòng stator, với công thức ψ rd (s) = L m.
+ Zp : Số cặp cực từ
+ ψ rd : từ thông roto trên hệ tọa độ dq
+ i sd,isq : các thành phần của dòng điện stato
+ Lm : hỗ cảm giữa stato và roto
R r : hằng số thời gian rotor
TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG
MOMEN ĐIỆN TỪ CỦA ĐỘNG CƠ
Do ban đầu chưa chọn động cơ nên Jm và fL nên cho bằng 0, nên ta có
7−6 5 (Nm) Momen điện từ đẳng trị:
7 202 (Nm) Chọn hệ số dự trữ Kdt = 1.4 => 𝑇 𝑒𝑚 = 1.4 𝑇 𝑒𝑚𝑑𝑡 = 1.4 × 16.202 = 22.683 (Nm) Đồ thị momen điện từ của động cơ như sau :
Hình 1.8 Đồ thị momen điện từ tính toán của động cơ
CÔNG SUẤT CỦA TẢI
- Từ 0 – 1s: Công suất tằng đều từ 0 đến 250W
- Từ 3 – 3.5s: Công suất tăng đều từ -500 đến 0 W
- Từ 3.5 – 4s: Công suất tăng đều từ 0 đến 500W
- Từ 6 – 7s: Công suất tăng đều từ -220 đến 0W Đồ thị công suất động cơ P :
Hình 1.9 Đồ thị công suất động cơ
7 #1.5 (W) Chọn hệ số dự trữ Kdt = 1.4 => 𝑃 đ𝑐 = 1.4 𝑃 𝑑𝑡 = 324.2 (W)
ĐẶC TÍNH CƠ CỦA TẢI
Hình 1.10: Đồ thị đặc tính cơ
TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC
CHỌN ĐỘNG CƠ
Việc lựa chọn động cơ phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả về kỹ thuật, an toàn và kinh tế Nếu chọn động cơ có công suất quá lớn, chi phí sẽ cao và hiệu suất truyền động sẽ thấp, dẫn đến giảm hệ số cos𝜑 Ngược lại, nếu động cơ có công suất nhỏ hơn yêu cầu, nó sẽ dễ bị quá tải và có thể không hoạt động, ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống và tuổi thọ của động cơ Do đó, việc tính toán các thông số một cách chính xác là cần thiết để chọn được động cơ tối ưu nhất.
𝑃 đ𝑐 = 324.2𝑊=>Chọn động cơ M6VA 71A của ABB có thông số : Điện áp định mức 220/380 V Momen định mức 1.25 N.m
Công suất định mức 370 W Momen tối đa 3.8 N.m
Dòng điện định mức 1.6 A Tốc độ quay định mức 2840 vòng/p
Dòng điện tức thời tối đa 5.5 A Momen quán tính roto 4 × 10 −4 𝑘𝑔 𝑚 2 Đường kính trục roto 12mm
Hình 1.11 : Động cơ M6VA 71A của ABB
CHỌN HỘP GIẢM TỐC
Tốc độ tối đa của M : u=5m/s
=> tốc độ quay tối đa của trục pulley : npulley = 𝑢×60
Động cơ đã chọn có tốc độ định mức 136.42 vòng/phút, nhưng momen định mức của nó lại thấp hơn so với momen cần thiết cho hệ chuyển động Do đó, việc sử dụng hộp giảm tốc là cần thiết để tăng momen truyền đến pulley và điều chỉnh tốc độ quay của pulley cho phù hợp với yêu cầu của hệ thống.
20.86 Dựa vào tốc độ, kích thước động cơ, momen tải và tỉ số truyền ta chọn được hộp số
Wittenstein Alpha NP 016 MF 1/20 có các thông số như sau:
Hình 1.12: Hộp số Wittenstein Alpha
CHỌN CONTACTOR
Chọn Contactor ST10 có thông sỗ kĩ thuật như sau:
CHỌN CẢM BIẾN DÒNG
Chọn cảm biến dòng điện T201DCH100 của hãng SENECA với các thông số:
Hình 1.14 Cảm biến dòng T201DCH100
Momen tối đa đầu ra 56 Nm
Tốc độ tối đa đầu vào 10000 vòng/p Điện áp định mức 380V-400V Dòng điện định mức 9A Điện áp điều khiển 64VDC Điện áp cung cấp 100V
Tín hiệu đầu ra 0-28mA
Thời gian đáp ứng 0.8-2 s Độ sai số 0.30%
CHỌN ENCODER
Ta sử dụng encoder XCC3916PS84SGN của Schneider có các thông số :
Hình 1.15 : encoder XCC3916PS84SGN
CHỌN DIODE CHO MẠCH CHỈNH LƯU
Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu: 𝑈 𝑑 = 3√6
𝜋 220 = 514.6 (V) Giá trị trung bình điện áp ngược cực đại: 𝑈 𝑖𝑚 = √6 𝑈 𝑑𝑚 = √6 220 = 538.9 (V)
Dòng điện định mức của động cơ là 1.6 A
=> dòng điện trung bình qua van :𝐼 𝐷 = 1.6
Chọn diode BYM66 E có thông số:
Dòng điện định mức Iđm = 6.3A Điện áp ngược cực đại Ung.max = 1000V
Thời gian đóng cắt Trr = 76ns
CHỌN IGBT CHO MẠCH NGHỊCH LƯU
Vì IGBT mắc trực tiếp với động cơ nên:
Dòng điện chạy qua van: I V = P đm
Chọn hệ số dự trữ dòng điện là K I = 1,4
Chọn dòng sóng hài chạy qua van có cường độ I h = 1,1 A
Dòng điện tinh chọn LGBT là:
I L = K I (I h + I V )= 1,4.(0,971 + 1,1 ) = 2,9 (A) Điện áp đầu ra khâu nghịch lưu là: U = 220 (V) Điện áp cần cấp cho khâu nghịch lưu là: U d = 2√2
√3.220 = 359,2 (V) Chọn hệ số an toàn về áp cho van là 3 Do vậy ta cần điện áp chiụ đựng yêu cầu cho van bán dẫn là: U V = 359,2 *3 = 1077,6 (V) Độ phân giải 4096 S/R
Tốc độ định mức 3000 vòng/p Tốc độ tối đa 6000 vòng/p Đường kính trục 16mm
Ta chọn IGBT 1600V NPT FGL40N160AN với các thông số:
Hình 1.16 : IGBT 1600V NPT FGL40N160AN
CHỌN MCB
Do động cơ ta chọn có dòng định mức Iđm= 1.6 A nên ta chọn MCB 3P BH-D10 1.6A type
D có khả năng vừa bảo vệ quá tải vừa bảo vệ ngắn mạch với thông số kĩ thuật như sau :
KIỂM TRA CÁC THÔNG SỐ
KIỂM TRA TỐC ĐỘ BĂNG TẢI
Trong đó u : tốc độ băng tải (m/s) n :tốc độ động cơ (vòng/s) i : tỉ số truyền của hộp số r : bán kính pulley (m)
Khi động cơ quay với tốc độ định mức thì
=> 𝑢 đ𝑚 > 𝑢 đặ𝑡 => đảm bảo yêu cầu tốc độ động cơ
Khi động cơ quay với tốc độ tối đa thì
20× 2𝜋 × 0.35 = 7.33 (𝑚 𝑠⁄ ) Để băng tải quay với tốc độ 5m/s thì tốc độ động cơ là :
Dòng điện cực đại 40A Điện áp cực đại 1000V Công suất cực đại 500W
Số cực 3P điện áp cách điện định mức 440V
Dòng cắt định định 10kA
Hình 1.18 : Đồ thị tương quan 𝑢, 𝑢 đ𝑚 , 𝑢 𝑚𝑎𝑥
Vận tốc của vật luôn được duy trì trong giới hạn của uđm, điều này cho thấy động cơ và hộp số đã được lựa chọn một cách hợp lý để đảm bảo khả năng điều khiển vận tốc cho toàn bộ hệ thống.
KIỂM TRA MOMEN TẠI TRỤC POLLEY
Trong đó : Tpulley : momen tại pulley 𝑖
Tđc : momen động cơ tạo ra
Jđc : momen quán tính của động cơ
𝜔 đ𝑐 : tốc độ quay của động cơ
H : hiệu suất của hộp số i : tỉ số truyền của hộp số Khi động cơ làm việc với momen định mức :
Do độ lớn lớn nhất của gia tốc góc pulley đạt được từ khoảng 3-4s là 28.57 rad/s 2
độ lớn lớn nhất của gia tốc góc roto là 28.57 × 20 = 571.4 rad/s 2
⁄ 20 = 69.67 ( 𝑁 𝑚 ) Đồ thị tương quan Tcơ ,Tpulley.đm , Tpulley.max
Hinh 1.19: Đồ thị tương quan T cơ ,T pulley.đm , T pulley.max
Nhận xét cho thấy rằng Tcơ luôn nằm trong khoảng Tpulley.max và chỉ vượt quá Tpulley.đm trong thời gian ngắn Do đó, động cơ chỉ bị quá tải tạm thời, vì vậy động cơ và hộp số được chọn cần đảm bảo khả năng điều khiển mô men cho động cơ.
Kết luận : động cơ và hộp số đã chọn đảm bảo yêu cầu của hệ thống
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC
Mô hình hóa là quá trình phân tích và nhận diện các nguyên lý cùng tính chất vật lý của đối tượng, từ đó xây dựng các phương trình đại số và vi phân dựa trên các định luật Quá trình này giúp rút gọn các phương trình thành dạng phương trình sai phân tích hợp, được gọi là mô hình hóa của hệ thống.
2.1 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ KĐB 3
-Phương trình điện áp trên 3 cuộn dây stator u s = R s i s + dψ s dt +jωsψ s -Phương trình điện áp rotor (rotor ngắn mạch)
0 = R r + i r + dψ r dt + jωsψ r -Phương trình từ thông stator và rotor quan hệ với các dòng stator và rotor ψ s = Lsis + Lmir ψ r = Lmis + Lrir
2 zp lm{ψ r ∗ ir} -phương trình chuyển động mM = 𝑚 𝑇 + J
𝑍 𝑝 dω dt mM : Momen động cơ
J : Momen quán tính của động cơ
𝑍 𝑝 : Số đôi cực từ của động cơ
Việc phát triển mô hình toán cho động cơ không đồng bộ ba pha trên các hệ tọa độ khác nhau dựa trên các phương trình cơ bản của động cơ này.
2.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ TRÊN HỆ TỌA ĐỘ
Hình 2.1 hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor( hệ tọa độ dq)
Mô hình toán học của động cơ trên hệ tọa độ dq phương trình điện áp stator: u s f = R s i s f + dψ s f dt +jωsψ 𝑠 𝑓 Phương trình điện áp rotor(rotor ngắn mạch):
0 = R r i r r + dψ r r dt + jωsψ 𝑟 𝑓 Phương trình từ thông stator và rotor quan hệ với các dòng stator và rotor: ψ s = Lsis + Lmir ψ r = Lmis + Lrir
Chúng ta cần loại bỏ các yếu tố không quan trọng, bao gồm dòng điện không đo được của mạch rotor và từ thông stator Tiếp theo, chuyển các thành phần vi phân sang vế trái và viết dưới dạng các thành phần của vector Các biến trạng thái quan trọng cần chú ý là dòng điện stator và từ thông rotor.
Hệ phương trình viết dưới dạng thành phần như sau:
Từ datasheet của động cơ ta tính được: 𝑇 𝑠 = 0.00485 𝑇 𝑟 = 0.00445, σ= 0.9999 (1)
Mô hình không gian trạng thái: 𝑑𝑋 𝑓
Từ đó ta có mô hình trạng thái và mô hình toán của động cơ trên hệ tọa độ dq
Hình 6.6 Mô hình trạng thái và mô hình toán của động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ dq
Trong hệ thống động cơ KĐB 3 pha, tốc độ ω là đại lượng quan trọng Trong hệ tọa độ dq, từ thông và mômen quay có thể được xác định thông qua các phần tử của vector dòng stator, với công thức ψ rd (s) = L m.
+ Zp : Số cặp cực từ
+ ψ rd : từ thông roto trên hệ tọa độ dq
+ i sd,isq : các thành phần của dòng điện stato
+ Lm : hỗ cảm giữa stato và roto
R r : hằng số thời gian rotor
Từ 6 phương trình trên cho thấy có thể điều khiển từ thông rotor ψ rd (s) thông qua việc điều khiển dòng stator isd, đặc biệt mối quan hệ giữa 6 đại lượng này là mối quan hệ tuyến tính bậc 1 với hằng số thời gian Tr Ta có thể điều khiển momen quay mM thông qua việc điều khiển dòng isq từ đó có thể điều khiển tốc độ của động cơ i sd → r i sq → m M → khi đó, việc điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha gần giống như điều khiển động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập cho phép xây dựng hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ điện 3 pha KĐB tương tự như trường hợp của sử dụng động cơ điện 1 chiều Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha ω thông qua điều khiển 6 thành phần của dòng điện is là isd và isq
2.3 ƯU ĐIỂM CỦA MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA TRONG
HTĐ DQ SO VỚI HTĐ 𝜶𝜷:
1 Các đại lượng không biến thiên dạng sin theo thời gian
2 Hệ phương trình đơn giản hơn (rq=0)
3 Phân ly điều khiển từ thông rotor r và momen Te (tốc độ )
4 Gần giống với điều khiển động cơ một chiều
2.4 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA CÁC KHÂU TRONG HỆ
Khâu nghịch được coi như một khâu có quán tính Có thể coi gần đúng khâu nghịch lưu là khâu quán tính bậc nhất: nl nl nl
+ Các tham số của bộ nghịch lưu:
Tần số nghịch lưu chọn: f NL = 6,6kHz
Chu kỳ băm xung PWM: pwm 3
Hệ số khuếch đại khâu nghịch lưu: nl ra ch
= = 2.4.2 Mô hình toán học của cảm biến
Mô hình toán học của phản hồi dòng điện có thể biểu diễn bằng một hệ số khuếch đại
𝐻 𝑐 Trong đa số trường hợp không yêu cầu có bộ lọc ta chọn H c =1
Hàm truyền đạt của khâu phản hồi tốc độ:
𝐾 𝜔 là hệ số khuếch đại của cảm biến
𝑇 𝜔 là hằng số thời gian của bộ lọc
Ta chọn hệ số khuếch đại 𝐾 𝜔 =1
Bỏ qua hằng số thời gian của bộ lọc 𝑇 𝜔 =0
2.4.3 Mô hình toán học bộ chuyển đổi đổi abc/αβ (Chuyển đổi Clarke):
2.4.4 Mô hình toán học của bộ điều khiển PI
Bộ điều khiển cần dùng trong hệ thống PI:
- Hàm truyền bộ điều khiển PI
Gồm 3 bộ PI để điều khiển hệ thống : 𝑅 𝜔 ; 𝑅 𝐼𝑑 ; 𝑅 𝐼𝑞
𝑅 𝜔 : Bộ PI điều khiển tốc độ động cơ
𝑅 𝐼𝑑 : Bộ PI điều khiển dòng điện
𝑅 𝐼𝑞 : Bộ PI điều khiển dòng điện
2.4.5 Mô hình toán học bộ chuyển đổi αβ/dq (Chuyển đổi Park ):
Mô hình toán của 𝑖 𝑠 trên hệ tọa độ αβ i sα = i su
Mô hình toán của is trên hệ tọa độ dq i sd = i s cos a + i s sin a i sq = - i s sin a + i s cos a
2.4.6 Mô hình toán học khối mô hình từ thông
K là hệ số khuếch đại ;K=1;
2.5 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO CẢ HỆ THỐNG
Hình 2.3 Mô hình toán học của cả thống
CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
3.1 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC PHẦN ĐIỀU KHIỂN
Cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông roto ( 𝑇 4 𝑅) kinh điển :
Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông roto ( 𝑇 4 𝑅) kinh điển
3.2 SƠ ĐỒ CÁC MẠCH VÒNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.2.1 Mạch vòng điều khiển dòng điện
Hình 3.6 : Mạch vòng điều khiển dòng điện
3.2.2 Mạch vòng điều khiển tốc độ
Hình 3.3 Mạch vòng điều khiển tốc độ
3.2.3 Mạch vòng điều khiển từ thông
Hình 3.4 : Mạch vòng điều khiển từ thông
3.3 PHÂN TÍCH CÁC KHÂU ĐIỀU KHIỂN PI
Sai số xác lập giảm
Giảm thời gian đáp ứng
Tăng thời gian đáp ứng
3.4 XÁC ĐỊNH THAM SỐ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN
Bằng việc thay đổi các tham số trong mô phỏng ta tìm được các hệ số Kp,Ki của các bộ điều khiên như sau:
Bộ điều khiển tốc độ :Kp(8 ;Ki=4
Bộ điều khiển từ thông :Kp ;Ki=1.8
Bộ điều khiển dòng Isd :Kp(.4 ;Ki=1.2
Bộ điều khiển dòng Isd :KpQ ;Ki=3
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG, KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG
4.1 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB-
Hình 4.1 Mô phỏng mạch động lục hệ thống trên matlab-simulink
Hình 4.2 Mô phỏng cấu trúc điều khiển T4R trên matlab-simulink
4.1.3 Khối chuyển đổi abc-𝜶𝜷-dq
Hình 4.3 Khối chuyển đổi abc-𝜶𝜷-dq
4.1.4 Khổi chuyển đổi Park ngược ( dq- 𝛂𝛃)
Hình 4.4 Khối chuyển đổi Park ngược
Hình 4.6 Khối phát xung PWM
4.2 KẾT QUẢ MO PHỎNG TREN MATLAB-SIMULINK
4.2.1 Kết quả mô phỏng tốc độ mong
Hình 4.6 Đồ thi mô phỏng tương quan tốc độ giữa băng tải và tốc độ đặt
Tốc độ của động cơ gần đạt yêu cầu mong muốn, tuy nhiên, khi bắt đầu gia tốc, vẫn có sự sai lệch từ 1-3m/s trong một khoảng thời gian nhất định.
0.1-0.6s nên cần hiệu chỉnh thêm các tham số của các bộ điều khiển để động cơ it sai lệch hơn
4.2.2 Kết quả mô phỏng momen
Hình 4.7 Đồ thị mô phỏng tương quan momen động cơ với momen tải
Momen của động cơ gần như bám sát với momen tải, nhưng khi có sự thay đổi về gia tốc, momen của động cơ vẫn còn sai lệch đáng kể trong khoảng thời gian ngắn Tuy nhiên, sai lệch này vẫn nằm trong giới hạn từ -Tmax đến Tmax của động cơ Cần tiếp tục hiệu chỉnh các tham số để cải thiện kết quả.
4.2.3 Kết quả mô phỏng Isd và Isq
Hình 4.8 : Kết quả mô phỏng Isd
Hình 4.9 : Kết quả mô phỏng Isq
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG
ƯU ĐIỂM CỦA MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA TRONG HTĐ DQ SO VƠI
HTĐ DQ SO VỚI HTĐ 𝜶𝜷:
1 Các đại lượng không biến thiên dạng sin theo thời gian
2 Hệ phương trình đơn giản hơn (rq=0)
3 Phân ly điều khiển từ thông rotor r và momen Te (tốc độ )
4 Gần giống với điều khiển động cơ một chiều.
MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA CÁC KHÂU TRONG HỆ THỐNG
Khâu nghịch được coi như một khâu có quán tính Có thể coi gần đúng khâu nghịch lưu là khâu quán tính bậc nhất: nl nl nl
+ Các tham số của bộ nghịch lưu:
Tần số nghịch lưu chọn: f NL = 6,6kHz
Chu kỳ băm xung PWM: pwm 3
Hệ số khuếch đại khâu nghịch lưu: nl ra ch
= = 2.4.2 Mô hình toán học của cảm biến
Mô hình toán học của phản hồi dòng điện có thể biểu diễn bằng một hệ số khuếch đại
𝐻 𝑐 Trong đa số trường hợp không yêu cầu có bộ lọc ta chọn H c =1
Hàm truyền đạt của khâu phản hồi tốc độ:
𝐾 𝜔 là hệ số khuếch đại của cảm biến
𝑇 𝜔 là hằng số thời gian của bộ lọc
Ta chọn hệ số khuếch đại 𝐾 𝜔 =1
Bỏ qua hằng số thời gian của bộ lọc 𝑇 𝜔 =0
2.4.3 Mô hình toán học bộ chuyển đổi đổi abc/αβ (Chuyển đổi Clarke):
2.4.4 Mô hình toán học của bộ điều khiển PI
Bộ điều khiển cần dùng trong hệ thống PI:
- Hàm truyền bộ điều khiển PI
Gồm 3 bộ PI để điều khiển hệ thống : 𝑅 𝜔 ; 𝑅 𝐼𝑑 ; 𝑅 𝐼𝑞
𝑅 𝜔 : Bộ PI điều khiển tốc độ động cơ
𝑅 𝐼𝑑 : Bộ PI điều khiển dòng điện
𝑅 𝐼𝑞 : Bộ PI điều khiển dòng điện
2.4.5 Mô hình toán học bộ chuyển đổi αβ/dq (Chuyển đổi Park ):
Mô hình toán của 𝑖 𝑠 trên hệ tọa độ αβ i sα = i su
Mô hình toán của is trên hệ tọa độ dq i sd = i s cos a + i s sin a i sq = - i s sin a + i s cos a
2.4.6 Mô hình toán học khối mô hình từ thông
K là hệ số khuếch đại ;K=1;
MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO CẢ HỆ THỐNG
Hình 2.3 Mô hình toán học của cả thống
TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
SƠ ĐỒ CÁC MẠCH VÒNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
3.1 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC PHẦN ĐIỀU KHIỂN
Cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông roto ( 𝑇 4 𝑅) kinh điển :
Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông roto ( 𝑇 4 𝑅) kinh điển
3.2 SƠ ĐỒ CÁC MẠCH VÒNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.2.1 Mạch vòng điều khiển dòng điện
Hình 3.6 : Mạch vòng điều khiển dòng điện
3.2.2 Mạch vòng điều khiển tốc độ
Hình 3.3 Mạch vòng điều khiển tốc độ
3.2.3 Mạch vòng điều khiển từ thông
Hình 3.4 : Mạch vòng điều khiển từ thông
3.3 PHÂN TÍCH CÁC KHÂU ĐIỀU KHIỂN PI
Sai số xác lập giảm
Giảm thời gian đáp ứng
Tăng thời gian đáp ứng
3.4 XÁC ĐỊNH THAM SỐ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN
Bằng việc thay đổi các tham số trong mô phỏng ta tìm được các hệ số Kp,Ki của các bộ điều khiên như sau:
Bộ điều khiển tốc độ :Kp(8 ;Ki=4
Bộ điều khiển từ thông :Kp ;Ki=1.8
Bộ điều khiển dòng Isd :Kp(.4 ;Ki=1.2
Bộ điều khiển dòng Isd :KpQ ;Ki=3
XÁC ĐỊNH THAM SỐ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG
4.1 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB-
Hình 4.1 Mô phỏng mạch động lục hệ thống trên matlab-simulink
Hình 4.2 Mô phỏng cấu trúc điều khiển T4R trên matlab-simulink
MÔ PHỎNG, KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG
KÊT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB-SIMULINK
4.2.1 Kết quả mô phỏng tốc độ mong
Hình 4.6 Đồ thi mô phỏng tương quan tốc độ giữa băng tải và tốc độ đặt
Tốc độ của động cơ gần đạt yêu cầu mong muốn; tuy nhiên, khi bắt đầu gia tốc, tốc độ vẫn còn sai lệch từ 1-3 m/s trong một khoảng thời gian nhất định.
0.1-0.6s nên cần hiệu chỉnh thêm các tham số của các bộ điều khiển để động cơ it sai lệch hơn
4.2.2 Kết quả mô phỏng momen
Hình 4.7 Đồ thị mô phỏng tương quan momen động cơ với momen tải
Momen của động cơ gần như khớp với momen tải, tuy nhiên khi bắt đầu gia tốc, momen của động cơ vẫn có sự sai lệch đáng kể trong khoảng thời gian ngắn Dù vậy, sai lệch này vẫn nằm trong giới hạn từ -Tmax đến Tmax của động cơ Cần tiếp tục điều chỉnh các tham số để cải thiện kết quả.
4.2.3 Kết quả mô phỏng Isd và Isq
Hình 4.8 : Kết quả mô phỏng Isd
Hình 4.9 : Kết quả mô phỏng Isq