112Equation Chapter 2 Section 1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
Người hướng dẫn
Sinh viên thực hiện
Số thẻ sinh viên
Nhóm HP / Lớp
Ngành

: TS. LÊ TIẾN DŨNG
: NGUYỄN LINH ĐĂNG
: 105170431
: 17TDHCLC2
: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa

Đà Nẵng, 09/2020

Mục lục


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

2


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển đi lên của khoa học kỹ thuật, địi hỏi cơng nghệ ln ln
phải vận động để phù hợp với quá trình phát triển ấy. Vì vậy, những kiến thức cơ bản để
tính tốn và phân tích cấu trúc của các mạch điện tử công suất là hết sức cần thiết. Để
phục vụ cho quá trình học tập của sinh viên, học phần Điều khiển truyền động điện, bao
gồm tích hợp các nội dung kiến thức về lý thuyết về điều khiển hệ thống truyền động
điện là vơ cùng bổ ích. Song bên cạnh đó, học phần Đồ án môn học Điều khiển hệ thống
truyền động điện đóng vai trị như một bài kiểm tra khảo sát kiến thức về môn học và
cũng là điều kiện để mỗi sinh viên ngành Tự động hóa tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến
thức về môn học cũng như ngành nghề đang theo học.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Lê Tiến Dũng đã nhiệt tình hướng dẫn
và giúp đỡ em hồn thành đồ án mơn học này. Mặc dù đã thực sự cố gắng trong quá trình
thiết kế nhưng chắc chắn khơng tránh khỏi những sai sót, rất mong các thầy, cơ cùng các
bạn đóng góp những ý kiến xây dựng.

3


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG


SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU BÀI TỐN, TÍNH TỐN THIẾT KẾ PHẦN
ĐỘNG LỰC
1.1 Phân tích u cầu cơng nghệ, u cầu của tải:
1.1.1 Phân tích u cầu cơng nghệ:
• Thơng số ban đầu :
- Nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V/380V, máy biến áp.
- Tải có hệ thống truyền điện được cho như hình vẽ: /=6; ;
- Động cơ một chiều kích từ độc lập
- Bộ điều khiển Controller
- Các biến đo dòng điện, tốc độ quay
- Bộ biến đổi: 2 bộ chỉnh lưu cầu 3 pha mắc song song ngược.
• Nhiệm vụ của đồ án:

- Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện chất lượng cao gồm động cơ, bộ biến
đổi điện áp, bộ điều khiển, nguồn theo sơ đồ cấu trúc như hình vẽ, phân tích các u cầu
của tải, tính chọn động cơ , tính chọn cảm biến phù hợp với u cầu của bài tốn, tính
chọn bộ biến đổi và tính chọn thuật tốn điều khiển cho hệ thống truyền động
• u cầu cơng nghệ:
- Vì sử dụng đảo chiều động cơ nên ta dùng bộ chỉnh lưu kép trong hệ thống
- Hệ thống thiết kế phải đảm bảo chất lượng, truyền động chính xác theo yêu cầu ban
đầu đề ra và bám sát với đồ thị tốc độ của tải.
- Các khâu trong hệ thống hoạt động linh hoạt và đáp ứng nhanh.
1.1.2 Phân tích các yêu cầu của tải:

- Đồ thị mong muốn của tải như hình sau:

Hình 1.1 Đồ thị tốc độ mong muốn của tải


4


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

Để có thể tìm hiểu rõ u cầu cơng nghệ, từ đồ thị tốc độ mong muốn của phụ tải đã
cho sẵn, tìm ra đồ thị tốc độ của động cơ, từ đó có thể phần tích u cầu cơng nghệ
Vì động cơ và tải quay ngược chiều với nhau và có tốc độ bằng nhau nên ta có:

Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ lúc này như sau:

Hình 1.2 Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ

- Dựa vào “Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ” ta có thể xác định q trình diễn ra
trong 5 giai đoạn:
o

Giai đoạn 1: Từ 0s - 1s, động cơ khởi động từ ωM = 0 rad/s đến ωM = -16.7 rad/s.

o

Giai đoạn 2: Từ 1s - 3s, động cơ giữ nguyên tốc độ ωM = -16.7 rad/s.

o

Giai đoạn 3: Từ 3s - 4s, tốc độ động cơ tăng từ ωM = -16.7 rad/s đến ωM = 11.7
rad/s, động cơ đảo chiều quay.


o

Giai đoạn 4: Từ 4s - 6s, động cơ giữ nguyên tốc độ ωM = 11.7 rad/s.

o

Giai đoạn 5: Từ 6s - 7s, động cơ tắt dần về ωM = 0 rad/s.

1.1.3 Các yêu cầu của tải:

- Đảo chiều tốc độ góc
- Tốc độ góc và momen của tải liên hệ với nhau qua biểu thức:

1.2 Phương án truyền đợng:
- Động cơ hoạt động ở 4 góc phần tư: I, II, III, IV.

5


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

- Điều khiển đảo chiều và tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.
- Điện áp phần ứng được thay đổi bằng cách điều chỉnh bộ chỉnh lưu kép với phương
pháp điều khiển chung không đối xứng thông qua góc mở α.
- Ta sẽ chọn 2 bộ chỉnh lưu cầu thyristor 3 pha đấu song song ngược để được bộ chỉnh
lưu có điều khiển và đảo chiều có đầu ra phù hợp với yêu cầu điểu khiển động cơ của
chúng ta.

- Bộ điều khiển lúc này nhận tín hiệu từ cảm biến dòng đưa về và điều chỉnh điện áp đầu
ra của bộ biến đổi cấp cho động cơ phù hợp yêu cầu tải đặt ra.

Hình 1.3 Sơ đồ mạch chỉnh lưu kép 3 pha Thyristor

6


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

Chọn nguyên tắc điều khiển Arccos:

V 
α = cos −1  c ÷
 Vcm 
Điện áp ra của bộ chỉnh lưu:
=

7


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

1.2.1

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

Sơ đồ công suất của hệ thống trùn đợng điện:


Hình 1.4 Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống truyền động điện

Các thành phần trong sơ đồ khối:
- Controller: So sánh giá trị đặt và giá trị cảm biến đo được, thông qua các
hàm tính tốn các giá trị để điều khiển.
- Bộ chỉnh lưu: Biến đổi từ nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều điều
khiển động cơ, có 2 bộ chỉnh lưu mắc song song ngược để đảo chiều động cơ.
- Động cơ: Biến đổi điện năng thành cơ năng quay tải theo yêu cầu
- Cảm biến: Đo các giá trị dòng điện phần ứng, tốc độ quay của động cơ phản
hồi về bộ điều khiển controller.
- Nguồn: Cấp nguồn cho hệ thống hoạt động

8


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

1.4 Tính tốn momen và cơng suất đợng cơ:
Tính tốn momen u cầu cho động cơ theo công thức:

- Với r1/r2 = 6; TL = 20 Nm; JL = 4 kg.m2 (Đề bài đã cho), JM là giá trị của động cơ nhưng
lúc này ta chưa lựa chọn được nên sẽ bỏ qua giá trị này (JM = 0) và chỉ tính sơ bộ
Momen của động cơ theo công thức:
- Xét theo đường “Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ” ta có:
o

Từ 0s đến 1s:


o

Từ 1s đến 3s:

o

Từ 3s đến 4s:

o

Từ 4s đến 6s:

o

Từ 6s đến 7s:

Hình 1.5 Đồ thị momen tính tốn theo u cầu của động cơ

Tính tốn cơng suất theo thời gian của động cơ theo công thức:

o

Tại t = 0s:

o

Tại t = 1s:

9



GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

o

Tại t = 3s:

o

Tại t = 4s:

o

Tại t = 6s:

o

Tại t = 7s:

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

Hình 1.6 Đồ thị công suất yêu cầu của động cơ

Phương pháp mômen đẳng trị:

Phương pháp công suất đẳng trị:

- Chọn hệ số dự trữ k = 1.4, vậy nên ta phải chọn động cơ có moomen đẳng trị
Tdt và cơng suất đẳng trị Pdt như sau:

10


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

- Tđm = 1.4 x Teq = 1.4 x 706.023 = 988.432 (Nm)
- Pđm = 1.4 x Peq = 1.4 x 8374.226 = 11723.972 (W)

Tính chọn các thành phần của hệ thống điều khiển trùn đợng điện:
1.5.1 Tính chọn đợng cơ:
1.5

- Dựa vào Tđm và Pđm ta vừa tìm được ở trên, chọn động cơ Z4-112/4-1 có các thơng số
như sau:
-

Cơng suất định mức
: �đ� = 12 (�� )
Điện áp định mức
: � đ = 440 ()
Momen định mức
: � đ = 79.5 (�� )
Điện áp cực đại
: Khơng có thơng tin
Tốc độ định mức
: � đ = 3000 (ò/
(ò/ú
ℎ ú)

Tốc độ tối đa
: ���� = 3500 (ò/
(ò/ú
ℎú)
Dòng điện định mức
: �đ = 28.9 (� )
Điện trở phần ứng
: � � = 0.939 (Ω)
Điện cảm phần ứng
: � � = 9 (�� )
Hiệu suất
: � = 82%
Momen quán tính của rotor : �� = 0.128 ( . � 2)
Khối lượng
: � = 84 (��)
Hệ số ma sát
: B1 = 0.03 (Nm/rad/s)

Kiểm nghiệm lại động cơ, ta thấy tốc đọ quay đỉnh của động cơ là:
Chọn hộp số:
Tdt = 706.023
- Ta thấy momen
đẳng
trị
của
bài
(Nm), trong khi đó momen định mức của
Tdm = 79.5
động cơ là
(Nm). Do đó ta nên sử dụng bộ Gearbox giảm tốc với hệ số ratio

= 706.023 ÷ 79.5 = 8.8 ⇒
chọn ratio = 9
- Sau khi qua hộp số:
Tdm = 79.5 × 9 = 715.5
(Nm)

1.5.2 Tính chọn cảm biến dịng điện:
- Ta chọn cảm biến dịng HC-PSG50V4B15 của KOHSHIN với thơng số như sau:

11


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

Hình 1.7 Cảm biến dịng
• Dịng cực đại:
• Dịng bão hịa:

±50A

±90A

• Điện áp đầu ra định mức:
• Điện áp dư:

±4V ± 2%

±100mV


• Điện áp nguồn ni:

±15V

1.5.3 Tính chọn cảm biến tốc đợ:
- Ta chọn Encoder 400 xung 5-24V NPN Trục GTA3806-400 với các thơng số kĩ thuật
như sau:

• Là encoder quang học

Hình 1.8 Encoder
12


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

•
•
•
•

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

Hiệu suất: 400 xung/vịng
Điện áp làm việc: 5-24VDC
Tốc độ tối đa: 5000rpm
Đường kính trục: 6mm

1.5.4 Tính chọn Thyristor cho mạch chỉnh lưu:

Điện áp ngược lớn nhất mà thyristor phải chịu:

U n max = knv × U 2 = knv ×

Ud
=
ku

Trong đó:

U d ,U 2 ,U n max

k nv , ku

: điện tải áp, điện tải nguồn xoay chiều, điện áp ngược của van.

: các hệ số điện áp ngược và điện tải áp
knv = 6, ku =

Đối với bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng thì

3 6
π

Điện áp ngược mà Thyristor cần chọn

U nv = kdt × U n max = 1.4 × 460.8 = 738V
Dịng làm việc của van được tính theo dịng hiệu dụng:
I lv = khd × I d =


22.7
= 13.1A
3

Trong đó:

khd
Id

: hệ số xác định dịng điện hiệu dụng

 1 

÷
 3

: dịng điện tải (A)

Chọn điều kiện làm việc của van có cánh tỏa nhiệt và đầy đủ diện tích tỏa nhiệt. Khơng
có quạt đối lưu khơng khí, với điều kiện đó thì dịng định mức của van cần chọn là:
13


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

I dm = Ki × I lv = 3.2 ×13.1 = 41.92 A
Ki


Với

là hệ số dự trữ dòng điện chọn bằng 3.2

Từ các thơng số vứa tính ở trên, ta chọn 12 van Thyristor loại ACR44U08LE với các
thông số như sau:
Điện áp ngược cực đại: 800V
Dòng điện cực đại: 44A
Đỉnh xung dòng điện: 554A
Dòng điều khiển: 200mA
Điện áp của xung điều khiển: 3V
Sụt ỏp ln nht ca Thyristor lỳc dn: 2.7V
6à s
ã Thi gian chuyển mạch:
•
•
•
•
•
•

Ta sẽ mắc 2 bộ chỉnh lưu song song ngược để được bộ chỉnh lưu có điều khiển và đảo
chiều đầu ra phù hợp với yêu cầu điều khiển động cơ.

1.6 Xác định các tham số của hệ thống:
1.6.1 Tham số của đợng cơ Z4-112/4-1:
Động cơ Z4-112/4-1 có các tham số như sau:
-

Công suất định mức

Điện áp định mức
Momen định mức
Điện áp cực đại

:
:
:
:

-

Tốc độ định mức
Tốc độ tối đa
Dòng điện định mức
Điện trở phần ứng
Điện cảm phần ứng
Hiệu suất
Momen quán tính của rotor
Khối lượng
Hệ số ma sát

:
:
:
:
:
:
:
:
:


Pdm = 12(kW )
U dm = 440(VDC )
Tdm = 79.5( Nm)

Không có thơng
tin
ndm = 3000
nmax = 3500 (v/p)
I dm = 28.9( A)(v/p)

Ra = 0.939(Ω)
La = 9( mH )

H = 82%
J M = 0.128(kg .m2 )
m = 84kg

B1 = 0.03(Nm/rad/s)

1.6.2 Tham số Thyristor HT25/04OG2:
-

Điện áp ngược cực đại: 800V
14


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

-


SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

Dòng điện cực đại: 44V
Đỉnh xung dòng điện: 554A
Dòng điều khiển: 200mA
Điện áp của xung điều khiển: 3V
Sụt áp lớn nhất của Thyristor lúc dẫn: 2.7V
6µ s
Thời gian chuyển mạch:

1.6.3 Tham số Gearbox:
Sử dụng Gearbox GBX0600080551F của hãng Schneider có các thơng số sau:

Hình 1.9 Gearbox GBX0600080551F
Thơng số

Giá trị

Ratio

9

Đường kính trục

60

Hiệu suất

96%


Bảo hành

18

Đơn vị đo

mm

tháng

15


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

Hình 1.9 Sơ đồ phần cứng của hệ thống truyền động

16


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HĨA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

 Sau khi tính toán ra được sơ đồ nguyên lý ở chương I thì ta có được mơ hình tốn


học của hệ thống dựa trên nguyên lý đó với các biến vào/ra như trên hình

2.1 Mơ hình tốn học của đợng cơ:

Hình 2.1 Sơ đồ tương đương của động cơ
-

Ta có mơ hình tốn học của động cơ một chiều kích từ độc lập là:

17


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

Hình 2.2 Sơ đồ khối hàm truyền của động cơ
-

Vì ta chọn phương án thay đổi điện áp phần ứng và từ thông khơng đổi nên:

ωdm = ndm ×

K .Φ ktdm = K × ϕdm =

2π
2π
= 3000 ×
= 100π

60
60

U dm − I dm Ra 440 − 28.9 × 0.939
=
= 1.314
ωdm
100π

-

Dựa theo các thơng số của động cơ đã chọn và kết quả trên thay vào Hình 2.2, ta
có:

-

Động cơ một chiều kích từ độc lập là một hệ thống tuyến tính, vì vậy theo tính xếp
chồng đáp ứng của cả 2 đầu điện áp và momen tải chúng ta:

ω ( s ) = GωV ( s )V ( s) + Gωl ( s )Tl ( s )

2.2 Bộ chỉnh lưu:

18


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG


Hình 2.3 Sơ đồ mạch chỉnh lưu 3 pha điều khiển hoàn toàn

-

Điện ỏp ra ca b chnh lu:
U dc =

ã
ã
-

3 6
U ì cos α
π

Trong đó:
U : Điện áp hiệu dụng của nguồn
α

: Góc kích mở bằng Thyristor

Chọn ngun tắc điều khiển thẳng đứng arccos ta có:
cos α =

U dk
Um

, chọn

U dkm = 5V


là điện áp một chiều có thể thay đổi biên

độ theo 2 chiều âm dương
⇒

U m = 5V

19


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

U DC =
⇒ Điện áp sau chỉnh lưu là:

U DC =
⇒

3 6 U dk
U
= K r .U dk
π
Um

U
3 6
.24. dk = 11.22.U dk

π
5

Bộ chỉnh lưu hoạt động theo chu kì lấy mẫu của mạch điều khiển. Khoảng thời
gian lấy mẫu gây ra sự trễ của bộ biến đổi.
• Khi thay đổi điện áp điều khiển hoặc khi các Thyristor thay đổi trạng thái đóng mở
thì điện áp ra chưa thay đổi ngay lập tức.
•

Góc trễ có thể được hiệu chỉnh và sẵn sàng để thực thi trong khoảng
khoảng góc mở của 2 thyristor.
• Vì vậy thời gian trễ có thể lấy bằng 1 na khong tr ny:
ã

Tr =

Vi

60 / 2
ì
360

f s = 50

(Hz)

=

thi gian 1 chu kỳ


→ Tr = 1.667

(ms)

60°

giữa 2

1 1
×
12 f s

= 0.001667

(s)

Bộ biến đổi do đó được mơ hình hóa bằng hàm trễ:

Gr ( s ) =

Kr
51.46
−
Tr s + 1 0.001667 s + 1

Đa số các hệ truyền động một chiều, mơ hình này đủ để mơ tả bộ chỉnh lưu 3 pha điều
khiển hoàn toàn hoạt động trên 2 góc phần 4
Vậy ta có mơ hình tốn học của bộ biến đổi chỉnh lưu cầu 3 pha như sau:

2.3 Mơ hình hóa cảm biến:

a. Phản hồi dịng điện:
- Đối với cảm biến dịng thì mơ hình hóa sẽ được biểu diễn bằng một hệ số khuyếch

đại

HC

. Ta chọn

HC = 1
20


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

b. Phản hồi tốc đợ:
- Ta có hàm truyền của bộ điều khiển tốc độ:

Gω ( s ) =

Hω
Tω s + 1

Trong đó:
Hω
•
: Hệ số khuếch đại của cảm biến
Tω

•
: Hằng số thời gian của bộ lọc
Tω = 0.005 H ω = 1
- Trong điều kiện lý tưởng thì
và
-

2.4 Xây dựng mơ hình toán học cho cả hệ thống:

21


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

22


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
3.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện:
Giả thiết momen tải tỷ lệ với tốc độ của động cơ theo công thức:

Tl = Bl .ωm
Biến đổi sơ đồ khối hàm truyền đạt của động cơ:


Hay ta có:

Suy ra:

23


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

Xét các hàm truyền:

ωm ( s )
K .Φ kt
=
ia ( s) Bt (1 + s.Tm )
ia ( s )
1 + s.Tm
= K1
Va ( s )
(1 + s.T1 )(1 + s.T2 )
Bt = B1 + B = 0.03 + 0.015 = 0.045
Tm =
Ta có:

(với

B = 0.015


)

J m 0.128
=
= 2.844
Bt 0.045

−1 −1  Tm Ra 
1  Tm Ra   ( K .Φ kt ) 2 + RaTm 
= 
+ ÷+
+ ÷− 

÷
T1
2  J M La 
4  J M La  
J M La

2
2
−1 −1  2.844 0.939 
1  2.844 0.939   ( 1.314 ) + 0.939 × 2.844 
⇒
= 
+
+
÷
÷+


÷ −
÷
T1
2  0.128 0.009 
4  0.128 0.009  
0.128 × 0.009


24


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN LINH ĐĂNG

⇒ T1 = 0.0201
Tương tự với:
2
2
−1 −1  Tm Ra 
1  Tm Ra   ( K .Φ kt ) + RaTm 
÷
= 
+
+
÷−

÷ −
÷
T2

2  J M La 
4  J M La  
J M La


⇒ T2 = 0.012
K1 =

Tm
2.844
=
= 0.65
( K .Φ kt ) 2 + RaTm (1.314) 2 + 0.939 × 2.844

25