Thiết kế mạch điều khiển

Lời mở đầu Sự bùng nổ của tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện-điện tử-tin học trong những năm gần đây đã dẫn đến những thay đổi sâu sắc cả về mặt lý thuyết lẫn thực tiễn trong lĩnh vực truyền động điện tự động.Đó là sự ra đời và ngày càng hoàn thiện của các bộ biến đổi công suất,với kích thước gọn nhẹ,độ tác động nhanh,dễ dàng ghép nối với các mạch điều khiển dùng vi mạch điện tử,vi xử lý,…Các hệ truyền động điện tự động ngày nay thường sử dụng nguyên tắc điều khiển vectơ cho các động cơ xoay chiều.Phần lớn các mạch điều khiển đó dùng kỹ thuật số với phần mềm linh hoạt,dễ dàng thay đổi cấu trúc,tham số cũng như luật điều khiển.Điều này làm cho các hệ truyền động điện tăng độ chính xác,làm cho việc chuẩn hoá chế tạo các hệ truyền động điện hiện đại có nhiều đặc tính làm việc khác nhau,dễ dàng ứng dụng theo yêu cầu của công nghệ sản suất. Do vậy,đồ án môn học Tổng hợp hệ điện cơ giúp chúng ta nắm chắc hơn những kiến thức cơ bản,những hệ thống truyền động điện kinh điển đồng thời nó cũng nhằm mục đích cho chúng ta từng bước tiếp cận với thực tế,tiếp cận với những hệ truyền động điện hiện đại. Nội dung của đồ án được chia làm 4 phần: Chương I : Giới thiệu chung về công nghệ máy mài và hệ thống truyền động cho động cơ quay chi tiết máy mài tròn. Chương II : Chọn phương án truyền động. Tính chọn công suất động cơ và mạch lực. Chương III : Xây dựng cấu trúc điều khiển tổng hợp hệ truyền động . Chương IV : Thiết kế mạch điều khiển. Chương V : Mô phỏng(Simulink). Để có thể hoàn thành được đồ án này, bên cạnh sự cố gắng của cá nhân em cũng như của các bạn trong nhóm còn nhờ có sự hướng dẫn và chỉ bảo nhiệt tình của các thầy giáo hướng dẫn. Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu ngắn và trình độ bản thân còn hạn chế nên đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong các thầy hướng dẫn và bổ sung thêm để đồ án này được hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cám ơn ! Chương I Giới thiệu về công nghệ và hệ thống truyền động cho động cơ quay chi tiết máy mài tròn. I.Đặc điểm công nghệ Trong ngành chế tạo cơ khí hiện đại, các loại máy mài chiếm một đơn vị quan trọng. Là vì máy mài gia công rất dễ đạt độ chính xác cấp hai. Máy mài chủ yếu dùng để gia công láng sau khi đã gia công trên máy tiện, phay, bào, vì lượng thừa gia công trên máy mài rất ít, phạm vi lượng thừa cũng chỉ độ vài phần mười ly. Ưu điểm lớn của máy mài là gia công được các chi tiết tôi mà trên nhiều máy khác không làm nổi. Dùng phương pháp mài dễ đạt độ chính xác cao do lực cắt gọt tương đối lớn, đặc biệt là độ dày của lát mài mỏng, do đó, công việc mài không thể tiến hành một lần mà cần phải qua nhiều lần cắt gọt. II.Phân loại máy mài công nghiệp. Sơ đồ gia công chi tiết trên máy mài tròn Máy mài tròn có chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài, chuyển động ăn dao là di chuyển tịnh tiến của ụ đá dọc trục (ăn dao dọc trục) hoặc di chuyển tịnh tiến theo hướng ngang trục (ăn dao ngang trục) hoặc chuyển động quay của chi tiết (ăn dao vòng). Chuyển động phụ là di chuyển nhanh ụ đá hoặc chi tiết. III.Truyền động điện của máy mài. 1.Truyền động chính Thông thường truyền động chính máy mài không yêu cầu điều chỉnh tốc độ nên sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. ở những máy mài cỡ nặng, để duy trì tốc độ cắt không đổi khi đá bị mòn hay kích thước chi tiết gia công thay đổi, thường sử dụng truyền động động cơ có phạm vi điều chỉnh tốc độ là D=(2 á 4):1 với cs không đổi. Máy mài trung bình và nhỏ v = 50 á 80 m/s nên đá mài có đường kính lớn thì tốc độ quay của đá khoảng 1000 vòng/phút. ở những máy có đường kính nhỏ, tốc độ đá rất cao. Động cơ truyền động là các động cơ đặc biệt có tốc độ 24000 á 48000 vòng/phút hoặc có thể lên tới 150000 á 200000 vòng/phút, đá mài gắn trên trục động cơ. Nguồn của động cơ là các bộ biến tần, có thể là các máy phát tần số cao - biến tần quay hoặc là các bộ biến tần tĩnh - biến tần thyristor. Mômen cản tĩnh trên trục động cơ thường là 15 á 20% mômen định mức.Mômen quá tính của đá và cơ cấu truyền lực lớn 500 á 600% mômen quán tính của động cơ, do đó cần hãm cưỡng bức động cơ quay đá và không yêu cầu đảo chiều quay động cơ . 2. Truyền động ăn dao Máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết dùng động cơ không đồng bộ nhiều cấp tốc độ (điều chỉnh số đôi cực p) với D = (2 á 4) : 1. ở các máy lớn thì dùng hệ thống bộ biến đổi - động cơ điện một chiều (BBĐ - ĐM), hệ KĐT - ĐM có D = 10 : 1 với phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng. Truyền động ăn dao dọc của bàn máy tròn cỡ lớn thực hiện theo hệ BBĐ - ĐM với dải điều chỉnh tốc độ D = (20 á 25) : 1 còn truyền động ăn dao ngang sử dụng thuỷ lực. 3.Truyền động phụ Sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. 4.Đặc tính cơ của máy sản xuất Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng. Tuy vậy có thể biểu diễn dưới dạng biểu thức tổng quát: Trong đó : MC0 : Mômen ứng với tốc độ w=0; Mđm : Mômen ứng với tốc độ định mức wđm Mc : Mômen ứng với tốc độ w a : Số mũ phụ thuộc vào loại cơ cấu sản xuất. Với máy mài nói riêng và máy cắt gọt kim loại nói chung, a thường nhận hai giá trị: a=1 (ứng với truyền động chính và P = const) a=0 (ứng với truyền động ăn dao Mc = Mđm = const). Trong thực tế, đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất không giữ được cố định theo một quy luật trong toàn bộ phạm vi điều chỉnh tốc độ mà thay đổi theo điều kiện công nghệ hoặc điều kiện tự nhiên. Đối với truyền động chính máy mài tròn, nói chung công suất không đổi (P = const) khi tốc độ thay đổi còn mômen tỷ lệ ngược với tốc độ . Như vậy, ở tốc độ thấp, mômen có thể lớn nên kích thước các bộ phận cơ khí phải chọn lớn lên, điều đó không có lợi. Mặt khác, thực tế sản xuất cho thấy rằng các tốc độ thấp chỉ dùng cho các chế độ làm việc nhẹ (Fz và Pz nhỏ). Vì vậy, ở vùng tốc độ thấp, người ta giữ mômen không đổi còn công suất thay đổi theo quan hệ bậc nhất với tốc độ. Đối với truyền động ăn dao, nói chung mômen không đổi khi điều chỉnh tốc độ. Tuy nhiên, ở vùng tốc độ thấp, lượng ăn dao s nhỏ, lực cắt Fz bị hạn chế bởi chiều sâu cắt tới hạn t. Trong vùng này, khi tốc độ ăn dao giảm, lực ăn dao và mômen ăn dao cũng giảm theo. ở vùng tốc độ cao, tương ứng với tốc độ vz của truyền động chính cũng phải lớn, nếu giữ Fad lớn như cũ thì công suất truyền động sẽ quá lớn. Do đó, cho phép giảm nhỏ lực ăn dao trong vùng này, mômen truyền động ăn dao cũng giảm theo. 5.Đồ thị đặc tính phụ tải của máy mài Một hệ thống truyền động điện có điều chỉnh gọi là tốt nếu đặc tính điều chỉnh của nó giống đặc tính cơ của máy. Khi đó, động cơ được sử dụng hợp lý nhất tức là có thể làm việc đầy tải ở mọi tốc độ. Nhờ đó, hệ thống truyền động đặt được các chỉ tiêu năng lượng cao. Nói cách khác, có thể lựa chọn động cơ có kích thước nhỏ nhất cho máy. Một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng một hệ thống truyền động điện là độ ổn định tốc độ Dw%. Đường đặc tính cơ càng cứng thì độ ổn định tốc độ càng cao. Nói chung, truyền động chính yêu cầu Dw% Ê (5 á 15)% còn truyền động ăn dao yêu cầu Dw% Ê (5 á 10)%. Chương II Chọn phương án truyền động. Tính chọn công suất động cơ và mạch lực. I.Các phương án truyền động Chọn phương án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả tính chọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một loạt các hệ truyền động có thể thoả mãn yêu cầu đặt ra. Bằng việc phân tích, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật các hệ truyền động này, kết hợp tính khả thi cụ thể mà ta có thể lựa chọn được một vài phương án hoặc một phương án duy nhất để thiết kế. Từ những phân tích về đặc điểm công nghệ, yêu cầu truyền động của máy mài tròn và nhiệm vụ thiết kế, để điều chỉnh tốc độ động cơ quay chi tiết máy mài tròn, ta phải điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ, giữ từ thông không đổi. Với phương án điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng và giữ từ thông động cơ không đổi thì ta có các phương án truyền động sau: +Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (Hệ F-Đ). +Hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển thyristor- động cơ một chiều . +Hệ thống điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều ( Hệ XA-Đ). +Hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ dùng phương pháp điều chỉnh tần số (Hệ Biến tần - Động cơ). 1.Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (F-Đ) Hệ thống máy phát - động cơ (hệ F-Đ hay Ward-Léonard) là hệ truyền động điện mà mạch phần ứng của động cơ điện một chiều được cung cấp từ một máy phát điện riêng có khả năng biến đổi sức điện trong một phạm vi rộng. - Đặc điểm của hệ truyền động F - Đ + Đặc tính cơ hệ F- Đ mềm hơn đặc tính cơ Đ do có thêm Rưf. + Có thể làm việc ở cả bốn góc phần tư. + Điều chỉnh Uktf dẫn đến điều chỉnh tốc độ không tải của động cơ. - Ưu điểm: + Dễ điều chỉnh, vùng điều chỉnh rộng 30:1. + Đảo chiều êm, tin cậy. - Nhược điểm + Công suất lắp đặt bằng ba lần công suất vận hành. + Kích thước lắp đặt lớn. + Vốn đầu tư lớn, ồn. 2.Hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển thyristor- động cơ một chiều . Do điện năng được sản xuất và phân phối chủ yếu ở dạng xoay chiều có tần số công nghiệp. Để cung cấp cho các động cơ một chiều từ lưới điện xoay chiều, phải dùng thiết bị biến đổi. Nguyên lý chung của các bộ biến đổi được mô tả như sau: Các van cho dòng điện đi qua trong một phần chu kỳ gọi là khoảng dẫn, và ngắt mạch trong phần còn lại của chu kỳ (khoảng đóng). Trong thực tế người ta sử dụng các loại van có điều khiển thời điểm đầu khoảng thông nhưng không thể ngắt mạch khi dòng điện chưa giảm về không. Đồ thị biều diễn dòng điện và điện áp là những đường cong phức tạp có chứa thành phần một chiều và xoay chiều. Do thành phần xoay chiều có ảnh hường xấu đến quá trình phát nóng và chuyển mạch của máy điện nên ta phải hạn chế nó. - Đặc điểm của hệ truyền động T- Đ. + Hệ chỉ làm việc ở góc phần tư thứ nhất do các van không cho dòng điện chạy theo chiều ngược lại. + Đặc tính cơ mềm hơn đặc tính cơ tự nhiên nhưng cứng hơn đặc tính cơ của hệ F - Đ. - Để hệ có thể làm việc ở cả bốn góc phần tư của trục, hệ truyền động T - Đ có đảo chiều ra đời: +Phương pháp điều khiển đổi nối mạch phần ứng. +Phương pháp điều khiển mạch kích từ. +Phương pháp điều khiển chung Thyristo nối ngược. +Phương pháp điều khiển chung Thyristo nối chéo. +Phương pháp điều khiển riêng. - Ưu điểm: +Độ tác động nhanh cao. +Không gây ồn. +Dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuyếch đại công suất cao. - Nhược điểm: +Van bán dẫn nên thông số đầu ra có dạng phi tuyến cao. +Dạng chỉnh lưu có biên độ dập mạch cao gây tổn thất phụ trong máy điện. +Hệ số công suất nói chung là thấp. 3.Hệ thống điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều ( Hệ XA-Đ). Điều chỉnh điện áp động cơ cũng có thể thực hiện bằng phương pháp xung, nếu ta đóng động cơ vào nguồn và cắt ra khỏi nguồn một cách chu kỳ. Khi đóng động cơ vào nguồn, năng lượng được truyền qua động cơ. Phần chủ yếu của năng lượng này được truyền qua trục động cơ vào máy sản xuất, phần còn lại được tích ở dạng động năng và năng lượng điện từ. Khi ngắt động cơ ra khỏi nguồn, hệ thống truyền động vẫn làm việc nhờ năng lượng điện từ đó. Đặc điểm: Độ nhạy cao, tác động nhanh. Tần số đóng cắt lớn 4.Hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng biến tần. Biến đổi tần số là phép biến đổi điện năng một chiều hoặc xoay chiều có tần số cố định thành dòng điện xoay chiều có tần số biến đổi nhờ các khoá điện tử. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách biến đổi tần số cho phép mở rộng phạm vi sử dụng truyền động điện không đồng bộ trong nhiều ngành công nghiệp.Trước hết chúng ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ không đồng bộ cùng lúc như các động cơ truyền động của một nhóm máy dệt, băng tải, băng lăn,… Phương pháp điều chỉnh này còn được áp dụng cả trong những thiết bị đơn lẻ, nhất là ở những cơ cấu yêu cầu tốc độ làm việc cao như máy ly tâm, máy mài… . Bộ biến tần được nối vào lưới có tần số f1,U1 không đổi. Đầu ra của nó là f2,U2 biến đổi theo. Để biến đổi tần số, người ta có thể dùng các thiết bị máy điện hoặc bán dẫn với nguyên lý hoạt động và cấu trúc khác hẳn nhau. Ưu điểm: + Là phương pháp có rất nhiều triển vọng. + Khi sử dụng các bộ biến tần thích hợp có thể đạt được điều chỉnh trơn. + Sử dụng cùng với động cơ không đồng bộ nên giảm được chi phí máy điện. Nhược điểm: + Bộ biến tần còn tương đối phức tạp nên giá thành chế tạo cao. + Nếu sử dụng bộ biến tần gián tiếp hiệu suất sẽ giảm đi so với biến tần trực tiếp. Với các đặc điểm của hệ truyền động một chiều và xoay chiều trên đây, ta thấy rằng các phương pháp đều có thể ứng dụng vào truyền động động cơ quay chi tiết máy mài tròn. ở đây, ta chọn động cơ không đồng bộ với phương pháp biến đổi tần số là vì các lý do chủ yếu sau đây: + Đây là loại máy điện có kết cấu đơn giản. + Sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như đời sống. + Sử dụng điện áp xoay chiều tần số công nghiệp, dễ dàng cho việc lắp đặt, vận hành và sử dụng. + Biến tần là thiết bị hiện đại, trong tương lai sẽ được sử dụng nhiều hơn khi mà các thiết bị bán dẫn với ưu thế ngày càng phát triền. + Có khả năng lập trình, tiện lợi cho ghép nối máy tính, nền tảng cho phát triển sau này. + Và cuối cùng là tính kinh tế của sử dụng biến tần. II.Tính toán các thông số của động cơ theo giả thiết: Các thông số kỹ thuật hệ thống - Mômen cực đại (Mmax): 20 (Nm) - Tốc độ quay chi tiết (n): 40 á800 (Vòng/phút) - Tỷ số truyền (i): 2 - Hiệu suất (h): 0,85 - Mômen quán tính cơ cấu (J): 0,006 (kg/s2) Để tính chọn công suất động cơ trong trường hợp truyền động có điều chỉnh tốc độ, ta cần xác định các yêu cầu cơ bản sau: Đặc tính phụ tải truyền động Pc(w), Mc(w): Phụ tải truyền động yêu cầu điều chỉnh tốc độ với M = const. Khi đó, công suất yêu cầu cực đại Pmax = Mđm.wmax Đặc tính phụ tải Phạm vi điều chỉnh tốc độ wmax và wmin. wmin = i. wcmin = i.=2. = 8.38(rad/s) hay nmin= 80(vòng/phút) wmax = i. wcmax = i.=2.= 167.55(rad/s) hay nmax=1600(vòng/phút) Dải điều chỉnh tốc độ: =20:1 Phương pháp điều chỉnh và bộ biến đổi trong hệ thống truyền động: Điều chỉnh điện áp phần ứng sử dụng biến tần nguồn áp điều chế độ rộng xung. Loại động cơ truyền động: động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. Đặc điểm của phụ tải truyền động động cơ quay chi tiết máy mài tròn là giữ M = const trong phạm vi điều chỉnh tốc độ. Do đó, ta có yêu cầu công suất cực đại Pmax = .Mđm.wmax = .Mcmax.wcmax = .20. 2216,5 (W) 2,2 (kW) Ngoài ra còn cần phải chọn hệ số an toàn về công suất trong trường hợp quá tải, lấy hệ số an toàn k=1,5 (k=1,2 á 1,5) Ta chọn loại động cơ như sau: (Các đặc tính của động cơ trong truyền đồng điện) MTM112_6 có thông số sau: Pđm = 3,5(kW) cosjđm=0,75 rst=4,33(W) nđm = 900(vg/ph) cosj0 = 0,13 xst=1,67(W) Istđm= 9,5(A) rr=0,725(W) J = 0,0675(kg/s2) Ist0 = 7,25(A) xr=0,595(W) Q= 88(kg) Ir = 13,5(A) ke = 2,02 Ta tính được hệ số trượt khi làm việc ở tốc độ định mức: Đồng thời mômen định mức tính như sau: Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ như sau: Với các giá trị: r1= 4,33(W) x1= 1,67(W) r2= 0,725(W) x2= 0,595(W) Quy đổi các đại lượng rôto sang stato: Như vậy ta có tổng trở của động cơ: III.Thiết kế mạch lực: Sơ đồ mạch lực của hệ truyền động như sau: Mạch lực bao gồm: + Khối chỉnh lưu: 6 Thyrsistor. + Khối nghịch lưu: 6 Transistor, 6 Diôt ngược + Khối lọc: tụ C, cuộn cảm L. 1.Tính chọn van điều khiển: Dùng kiểu điều khiển khi góc dẫn là 180 độ, tải là động cơ đấu sao. Đồ thị dẫn của van và dạng dòng, áp ra tải như sau: Tải đấu sao, góc dẫn của van là 180 độ, tại bất kỳ thời điểm nào cũng có ba van dẫn. Tính toán các giá trị: Dòng điện cơ sở : Trị số hiệu dụng dòng điện pha: Dòng điện trung bình tiêu thụ từ nguồn: a.Đối với mạch chỉnh lưu: Coi bộ sụt áp trên bộ lọc bằng 0. Dòng điện đầu ra của bộ chỉnh lưu Id=8,77 A Điện áp ra của bộ chỉnh lưu: Ud= En=466,7 V Do mạch cầu ba pha nên dòng trung bình qua các Thyristor là Id/3=2,92 A Điện áp ngược đặt lên Thyristor Ung=2,45*Ul. Mặt khác ta có: Ud=2,34*Ul => Ul ằ200 V; ị Ung = 490 V Chọn loại Thyristor C15 do hãng G.E của Mỹ chế tạo có các thông số sau: Mã hiệu tiristor Ung V Itb A toff ms di/dt A/ms C15 25á600 5,1 30 60 b.Đối với nghịch lưu: Ta có dòng điện pha A: + q = 0 á p/3 + q = p/3 á 2p/3 + q = 2p/3 á p Trong khoảng từ 0 á p/3 ứng với q1 thì Ia=0 Dòng điện trung bình đi qua Transistor sẽ là: = 4,351(A) Điện áp ngược đặt lên Transistor: Từ đó ta chọn Transistor có các thông số sau đây: Mã hiệu VCE V VCE0 V VCE,sat V IC A I A tf ms ton ms ts ms pm W BUX 47A 1000 450 1,5 9 1,2 0,8 1 3 125 Trong khoảng 0 á q1 thì Thyr không dẫn, toàn bộ dòng sẽ đi qua Diot, như vậy biểu thức chọn Diot như sau: = 7,259(A) Do đó ta chọn loại Diôt B-10 do Liên Xô(cũ) chế tạo có các thông số sau: Itb = 10 (A) Ung= 100á1000(V) DU = 0,7(V) 2.Tính chọn bộ lọc: Ta áp dụng công thức : Trong đó: e1 :Độ nhấp nhô của điện áp đầu ra chỉnh lưu e1 = Uda /Ud0 = 1 e2 :Độ nhấp nhô của điện áp mong muốn sau bộ lọc 5% á 10% lấy e2 = 5% = 0,05 n :Số lần đập mạch trong một chu kỳ n = 6 ;w = 2pf = 314rad/s Tụ C được tính dựa trên sự trao đổi công suất phản kháng với động cơ KĐB bởi công thức: ứng với dòng điện khởi động lớn nhất của động cơ ta có : m = 1; Ucdm = 600 V; e2 = 0,05 ,fm = 2,5 á 50 KHz j tương ứng với cosj1 = 0,2 á 0,3 chọn cosj1 = 0,2 ị j1 = 780 Do đó 3.Tính chọn các thiết bị đo a.Máy phát tốc Máy phát tốc là thiết bị đo tốc độ trong hệ truyền động . Mạch nguyên lý đo tốc độ bằng máy phát tốc một chiều. Uw = Kw . w Khi từ thông máy phát tốc không đổi điện áp đầu ra máy phát tốc Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốc Trong đó: Kw hệ số khuếch đại Kw= Uw/w Uw = 10V, w=94,25 rad/s Kw =0,11 tf là hằng số thời gian của bộ lọc và <5ms.Chọn tf = 0,001s = 1ms Hàm truyền máy phát tốc: b.Máy đo dòng : Sơ đồ đo dòng xoay chiều ba pha đơn giản là dùng biến dòng: gồm ba biến dòng lắp ở ba pha với điện trở tải Ro. Điện áp sơ cấp biến dòng qua mạch chỉnh lưu cầu điôt 3 pha , mạch lọc RC lọc thành phần xoay chiều sau chỉnh lưu. Điện áp đầu ra mạch chỉnh lưu U2d = R1.I1 trong đó Trong mạch bố trí R1 nối tiếp với điôt D0. Khi điôt dẫn điện áp Ud0 = 0,5 V. chọn l =2,5 ti = RC hằng số thời gian của bộ lọc Chọn ti = 0,001s Hàm truyền của máy đo dòng như sau: Chương III : Tổng hợp và điều chỉnh hệ thống. I.Mô tả động cơ không đồng bộ. Động cơ không đồng bộ (ĐK) là loại máy điện được dùng rộng rãi trong kỹ thuật truyền động do có các ưu điểm sau: + Khả năng quá tải về mômen lớn. + Có thể làm việc ở tốc độ rất cao hoặc rất thấp. + Động cơ rôto lồng sóc có kết cấu đơn giản, ở phần quay không có yêu cầu về cách điện. + Có thể làm việc trong cả môi trường có hoạt tính cao hoặc trong nước. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách biến đổi tần số cho phép mở rộng phạm vi sử dụng truyền động điện không đồng bộ trong nhiều ngành công nghiệp.Trước hết chúng ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ không đồng bộ cùng lúc như các động cơ truyền động của một nhóm máy dệt, băng tải, băng lăn,… Phương trình cân bằng điện áp của mỗi dây quấn như sau: Trong đó, chỉ số k là tên của dây quấn pha: Từ thông móc vòng của mỗi dây quấn là: Khi j=k: điện cảm tự cảm. j ạ k: điện cảm hỗ cảm. Như vậy ta có: Thay vào công thức tính điện áp ta có: Coi các dây quấn động cơ là đối xứng và khe hở không khí giữa roto và stato là đều thì: Hỗ cảm giữa các pha dây quấn ở roto và stato phụ thuộc vào góc lệch của dây quấn này, tức là vào tốc độ quay. Khi hai dây quấn này trùng nhau thì hỗ cảm lớn nhất: LaA = LAa = LbB = LBb = LCc = LcC = M.cosq LaB = LAb = LbC = LBc = LcA = LCa = M.cos(q +2p/3) LAb = LaB = LBc = LbC = LCa = LaC = M.cos(q -2p/3) Đặt các vector như sau: Đặt: Do đó: Các ma trận thông số như sau: Thay các đại lượng, ta được phương trình từ thông dạng vector: Phương trình điện áp: Các hệ phương trình trên là các hệ phương trình vi phân phi tuyến có hệ số biến thiên theo thời gian bởi vì góc quay phụ thuộc vào thời gian. II . Nguyên lý điều chỉnh tần số: 1.Luật điều chỉnh tần số điện áp theo khả năng quá tải: Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng, từ thông, dòng điện .. của động cơ thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì phải điều chỉnh cả điện áp. Đối với hệ thống biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả năng quá tải về mômen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ. Mômen cực đại mà động cơ sinh ra được chính là mômen tới hạn Mth, khả năng quá tải về mômen được quy định bằng hệ số quá tải mômen: Nếu bỏ qua điện trở của dây quấn stato Rs = 0 thì ta có thể tính được mômen tới hạn như sau: Điều kiện để giữ hệ số quá tải không đổi là: Kết hợp với hai phương trình trên ta có: Đặc tính cơ gần đúng của máy sản xuất được viết như sau: Đối với máy mài thì x=-1; Khi truyền động ổn định thì: 2.Điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ: Xét phần nghịch lưu của biến tần: Giả sử các van dẫn 1800. Chức năng của các diot sẽ giải thích sau. Sơ đồ dẫn của các van cùng với điện áp từng pha được biểu diễn ở mục dưới đây: 3.Cấu trúc hệ điều khiển từ thông stato: Để khai thác hết công suất mạch từ ĐK, yêu cầu về từ thông stato luôn được giữ không đổi và bằng đại lượng định mức. a.Các phương trình tổng hợp: M - Mc = Jpw Mô hình này chứa nhiều khâu phi tuyến phức tạp có thể tuyến tính hoá các phương trình này và áp dụng các tiêu chuẩn tối ưu để thiết kế các bộ điều chỉnh tuyến tính. Hàm Fi(ws) có thể thay thế bằng khâu khuếch đại đơn giản: Tuyến tính hoá biểu thức tính mômen động cơ: ,tại (M1,ws1,I1) Trong cấu trúc trên đã bỏ qua quá trình điện từ của máy điện trừ mạch vòng dòng điện. Trong sơ đồ tuyến tính hoá các hằng số A (ws1,Is1), B(ws1,Is1) lại thay đổi tuỳ theo điểm làm việc ban đầu được chọn . Vì vậy để tăng độ chính xác thì bộ điều chỉnh cần có cấu trúc và tham số thích nghi để điều khiển chế độ thích nghi có thể dùng tín hiệu tốc độ hoặc mômen động cơ Cấu trúc điều khiển từ thông khi bỏ qua hằng số thời gian điện từ b.Tính toán các thông số: Khâu khuyếch đại Kf: Isđm :dòng điện định mức của động cơ Isđm = 9,5A wsđm = we - wđm = swe we = wsđm = swe = 0,1.104,67 = 10,47(rad/s) ị Khâu: Trong đó : T là hằng số thời gian động cơ và bộ lọc. Kb = Kcl .Knl Knl = ị Kb = 46,67.38 = 1773,46 Lf = 3,35.10-3 H Rf = 0 R = 2Rs = 2.4,33 = 8,66(W) ị Tính các hệ số A,B trong sơ đồ tuyến tính hóa: Chọn điểm tuyến tính hoá là điểm định mức. 5,82 Tính J quy đổi của hệ thống : Jcc=0,006(kg/s2) Mômen quán tính của cơ cấu, cần quy đổi về trục động cơ theo công thức sau: 0,0015(kg/s2) Trong đó i là tỷ số truyền đã cho. Jđc = 0,0675(kg/s2) Jht = Jccqđ + Jđc = 0,0015 + 0,0675 = 0,069(kg/s2) III.Tổng hợp các mạch vòng 1.Tổng hợp mạch vòng dòng điện Trong các hệ truyền động tự động cũng như các hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là trực tiếp (hoặc gián tiếp ) xác định mômen kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ điều chỉnh gia tốc ... Việc tổng hợp chính xác mạch vòng dòng điện stato gặp nhiều khó khăn do thông số của đối tượng như tổng hợp động cơ , hằng số thời gian điện từ ,biến thiên theo tải ..Ta có sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Ta có hàm truyền của đối tượng điều chỉnh : áp dụng tiêu chuẩn tối ưu ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu PI Bộ điều chỉnh PI có sơ đồ nguyên lý : Hàm truyền cuối cùng của mạch vòng dòng điệnlà: Bỏ qua thành phần đạo hàm bậc cao ta được: 2.Tổng hợp mạch vòng tốc độ: Ta bỏ qua quá trình điện từ ta có sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ ở đây ta bỏ qua MC = 0 Ta có sơ đồ tương đương S0w là hàm truyền của đối tượng cần điều chỉnh áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có Ta nhận thấy 2Tw.Ts = 2.0,001.0,001=0,000002 rất nhỏ nên có thể bỏ qua Với Tsw = Ts + 2.Ti = 0,001 + 2.0,001 = 0,003 là hằng số thời gian bé Chọn Ta được bộ điều chỉnh PI nối tiếp với một khâu trễ . Thời gian trễ Ta có thể bỏ qua thời gian trễ do đó Rw chỉ là một khâu PI Chương IV Mô phỏng bằng Simulink 1.Mô phỏng mạch vòng dòng điện Đặc tính quá độ của mạch vòng dòng điện 2.Mô phỏng mạch vòng tốc độ: Đặc tính quá độ của mạch vòng tốc độ tài liệu tham khảo Điều chỉnh tự động truyền động điện – Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi – Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật Hà Nội 1999. Truyền động điện – Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền – Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật Hà Nội 1998. Lý thuyết điều khiển tự động – Phạm Công Ngô - Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật Hà nội 2000. Điện tử công suất – Nguyễn Bính – NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội 2000. Điện tử công suất và Điều khiển động cơ điện – Cyril W.Lander - Người dịch Lê Văn Doanh) – NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội 1997.