Lời mở đầu Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và khoa học kỹ thuật đã góp phần không nhỏ vào công nghiệp hóa hiện đại hóa và đã đi sâu vào tất cả các lĩnh vực của đời sồng và xã hội, ở những đâu cần đòi hỏi tự động hóa, giảm thiểu sự có mặt không cần thiết của con người cũng như những nơi con người không thể có mặt ở đó thường xuyên để điều khiển do môi trường, do những hoàn cảnh không có lợi tác động hay cúng chính do thời gian, sức khỏe không cho phép. Một trong những khía cạnh của trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống đặt ra là cần điều khiển tự động vị trí của xe là một yêu rất quan trọng, nó không những giảm sự có mặt không cần thiết của con người mà còn khắc phục nhừng ngoại cảnh tác động nên vị trí của xe khi không có mặt của người điều khiển. Với yêu cầu đặt ra là xây dựng bộ điều khiển vị trí của xe sử dụng động cơ dị bộ xoay chiều ba pha là một trong những bộ phần quan trọng nhất của toàn hệ thống. Đây cũng chính là nhiệm vụ của của em trong lần nhận đồ án lần này. Vì trình độ và thời gian có hạn, chắc chắn đề tài còn nhiều thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. Nhân đây em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Điện Tự Động Công Nghiệp, đặc biệt là thầy TRẦN TIẾN LƯƠNG đã giúp em hoàn thành đề tài này đúng thời gian quy định. 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CƠ – XE 1.1. Giới thiệu về hệ truyền động điện. Hệ điện cơ là các hệ thống dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng và khống chế tự động cơ năng đó. Phần cơ bản của hệ điện cơ là hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện. Mục tiêu cơ bản của hệ điều chỉnh tự động truyền đông điện là phải đảm bảo giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc động của các đại lượng nhiễu lên hệ điều chỉnh. Một hệ điều chỉnh tự động truyền động điện gồm có những thành phần chính là: bộ điều khiển, bộ biến đổi, các thiết bị đo lường, cơ cấu chấp hành, đối tượng cần điều khiển. Cấu trúc chung của một hệ điều chỉnh tự động truyền động điện như sau: Trong đó: - THĐ: Tín hiệu đặt. - R: Bộ điều khiển. - BĐ: Bộ biến đổi. - ĐC: Động cơ hay gọi là cơ cấu chấp hành. 2 - MSX: Máy sản suất hay gọi là đối tượng cần điều khiển. - ĐL: Thiết bị đo lường. - NL: Tín hiệu nhiễu loạn tác động lên hệ thống. 1.2. Đặc điểm của hệ thống. 1.2.1. Bộ điều khiển. Bộ điều khiển R nhận tín hiệu thông báo các sai lệch về trạng thái làm việc của hệ thống tự động thông qua việc so sánh giữa tín hiệu đặt và tín hiệu đo lường các đại lượng đầu ra của hệ thống. Tín hiệu sai lệch này khi qua bộ điều chỉnh R sẽ được khuếch đại và tạo hàm chức năng điều khiển (tích phân, vi phân) sao cho đảm bảo chất lượng động và tĩnh của hệ thống tự động. Tín hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh được dùng để điểu khiển bộ biến đổi BĐ. 1.2.2. Bộ biến đổi. Bộ biến đổi BĐ trong hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện có hai chức năng: Chức năng thứ nhất là biến đổi năng lượng điện từ dạng này sang dạng khác, thích ứng với động cơ truyền động. Chức năng thứ hai là mang thông tin điều khiển để điều khiển các tham số đầu ra của bộ biến đổi (như công suất P, điện áp U, dòng điện I, tần số f, ). 1.2.3. Động cơ thực hiện truyền động. Động cơ thực hiện truyền động ĐC là khâu làm nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng để cung cấp cho đối tượng cần điều khiển ở đây là xe điện. Động cơ điện có thể là động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều dị bộ hay đồng bộ, các lại động cơ bước,…Ở đồ án này dùng động cơ di bộ xoay chiều 3 pha làm động cơ thực hiện truyền động. 1.2.4. Thiết bị đo lường. 3 Các khâu đo lường ĐL có nhiệm vụ biến đỏi dạng tín hiệu đầu ra về dạng tín hiệu điện áp hoặc dòng điện phù hợp với tín hiệu đặt và có giá trị tỷ lệ với đại lượng điều chỉnh đầu ra. 1.2.5. Đối tượng cần điều khiển. Đối tượng cần điều khiển có thể là máy sản xuất, tải thế năng, xe điện,…Ở đồ án này là xe điện tải trọng. Như hình vẽ: 1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha. Động cơ điện không đồng bộ hiện nay được sử dụng rất phổ biến, nhưng với các hệ truyền động điều khiển tốc độ thì ít được sử dụng so với các hệ trền động một chiều vì có nhược điểm là điều chỉnh tốc độ khó khăn hơn. Tuy nhiên, với sự phát triển cua công nghệ bán dẫn và điện tử tin học thì việc điều khiển tốc độ của độg cơ không đồng bộ trở nên dễ dàng hơn rất nhiều và đồng thời hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ trở thành hệ truyền động cạnh tranh hiệu quả với hệ truyền động động cơ một chiều. Để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng 4 bộ, ta có thể tác động vào mạch roto hoặc mạch stator của động cơ. Trong thực tế, với các hệ truyền động người ta hay dùng các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ như sau: - Điều khiển bằng phương pháp thay đổi điện áp sơ cấp vào stator của động cơ. - Điều khiển bằng phương pháp thay đổi điện trở mạch rotor. - Điều khiển bằng phương pháp điều chỉnh công suất trượt. - Điều khiển bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp vào stator động cơ. Tùy vào từng trường hợp cụ thể mà người ta có thể sử dụng từng phương pháp cho thích hợp. Sau đây là phần trình bày cơ bản của các phương pháp đã nêu. 1.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng điều khiển điện áp stator. Do mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp stator, do đó có thể điều chỉnh được mômen và tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stator trng khi giữ nguyên tần số. đây là phương pháp đơn giản nhất, chỉ sử dụng một bộ biến đổi điện năng để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stator. Phương pháp này kinh tế nhương họ đặc tính thu được không được tốt. Khi mômen sẽ tăng hay giảm so với momen đang làm việc tốc dộ không đổi thì nó sẽ làm việc ổn định tại điểm xác lập mới. Ta có: M= )2^2)^/'21((**0 '2*2^1*3 XnmsRRsw RU ++ Với U 1 = var, f 1 = const, R 2 ’= const, Xnm= const thì độ trượt tới hạn không đổi còn mômen tới hạn tỷ lệ với bình phương điện áp lưới: S th = ± Xnm R '2 = const M th = ± Xnmw U *0*2 2^1*3 = var 5 Để thay đổi điện áp cấp vào stator của động cơ, ta có thể sử dụng máy biến áp hoặc cuộn kháng đặt vào stator hoặc đổi nối Y - ∆ hoặc dùng các bộ điều áp bằng Tiristor. Đối với các hệ truyền động động cơ rotor lồng sóc, người ta thường sử dụng các bộ điều áp để thay đổi cả dòng điện và điện áp mà không làm thay đổi tần số để điều chỉnh tốc độ và hạn chế dòng mở máy bằng phương pháp giảm điện áp khi khởi động. Ta có sơ đồ đơn giản của phương pháp: Hình 1.1: Sơ đồ đơn giản của phương pháp thay đổi điện áp stator Khi giảm điện áp vào stator của động cơ, ta được các đặc tính như sau: 6 Hình 1.2: Đặc tính cơ khi thay đổi điện áp vào stator Dựa vào đặc tính cơ ta có thể nhận thấy khi giảm điện áp thì mômen giảm rất nhiều. Do đó, phương pháp này chỉ thích hợp với tải có momen tỷ lệ với tốc độ, không thích hợp với tải có momen không đổi. 1.3.2. Điều chỉnh tốc độ bằng điều khiển điện trở rotor. Để điều chỉnh tốc độ, ngoài việc tác động vào stator, người ta còn có thể tác động vào mạch rotor để thay đổi dòng điện rotor dẫn đến làm thay đổi momen của động cơ. Phương pháp điều chỉnh điện trở mạch rotor là phương pháp chỉ áp dụng cho động cơ không đồng bộ rotor dây quấn nhờ nối tiếp cuộn dây rotor với bộ biến đổi điện trở mạch ngoài. Do độ trượt tới hạn tỷ lệ với giá trị điện trở rotor nên khi điện trở rotor thay đôi thì độ trượt tới hạn sẽ thay đổi theo trong khi momen tới hạn không thay đổi do tần số, điện áp giữ nguyên. Ta có sơ đồ đơn giản của phương pháp này: 7 Hình 1.3: Sơ đồ đơn giản của phương pháp điều chỉnh điện trở phụ mạch rotor Với U 1 = const, f 1 = const, R 2 ’= var, Xnm= const thì độ trượt tới hạn của động cơ thay đổi, còn mômen tới hạn của động cơ không thay đổi. S th = ± Xnm R '2 = var M th = ± Xnmw U *0*2 2^1*3 = const Họ đường đặc tính thu được khi thay đổi như sau: 8 Hình 1.4: Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở rotor. Khi thay đổi giá trị điện trở rotor nhưng momen tơi hạn không thay đổi nên có thể thay đổi tốc độ của động cơ cho tải là không đổi. Phương pháp này chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm tốc độ và sự ổn định về tốc độ cũng kém hơn do đặc tính dốc hơn. Tuy nhiên, phương pháp này có ưu điểm lớn là có thể điều chỉnh điện trở phụ sao cho M nm bằng M th để mở máy động cơ với momen lớn nhất cũng như là dùng điện trở phụ để hạn chế dòng điện mở máy. 1.3.3. Điều chỉnh tốc độ bằng điều khiển công suất trượt. Đối với động cơ không đồng bộ, công suất trượt ∆ P s = s*P đt của tần số f 2 = s*f 1 sẽ bị tiêu tán trên điện trở của rotor. Với các máy có công suất lớn thì tổn hao công suất này là đáng kể đặc biệt là khi điều chỉnh ở tốc độ thấp (s lớn). Do đó, từ việc tiết kiệm điện năng mới nảy sinh yêu cầu tận dụng công suất này. Để tận dụng công suất tổn hao này, người ta dùng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt, năng lượng tiêu hao trên điện trở phụ được chỉnh lưu thành năng lượng điện một chiều sau đó qua bộ nghịch lưu được biến thành năng luwjng điện xoay chiều để đưa trả ngược 9 về lưới. Trong điều kiện nguồn cấp không đổi P đt = const thay đổi công suất trượt ∆ P s ta sẽ thay đổi được độ trượt s do đó làm thay đổi được tốc độ động cơ. Ta có sơ đồ như sau: Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh công suất trượt. P 1 = P 2 + ∆ P s Khi thay đổi góc mở chậm của Tiristor ở trạng thái nghịch lưu, ta sẽ làm cho ∆ P s thay đổi dẫn đến độ trượt s cũng sẽ thay đổi. Vậy việc điều chỉnh tốc độ động cơ được thực hiện bằng cách thay đổi góc mở Tiristor của bộ nghịch lưu. Quan hệ của tốc độ hoặc hệ số trượt s của động cơ với góc mở α được xác định như sau: Gọi k Đ = 1*1 2*2 kdqw kdqw là tỷ lệ số vòng dây có kể đến hệ số quấn dây của rotor và stator thì điện áp ở rotor động cơ là s*k Đ *U và điện áp ở đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha là: U CL = 1,35*s*k Đ *U Gọi k B là tỷ số biến áp của máy biến áp thì điện áp trung bình ở bộ nghịch lưu cầu có biểu thức: U NL = 1,35*k B *U*cos α U CL và U NL phải bằng nhau và ngược dấu suy ra: 10 [...]... phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nơi khi muốn thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha 14 CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 2.1 Đề xuất cấu trúc điều khiển Trong đó: φ : Là vị trí đặt mong muốn Rφ: Là bộ điều khiển vị trí Rω: Là bộ điều khiển tốc độ RI : Là bộ điều khiển dòng điện BBD : Là bộ biến đổi công suất M : Là động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha Đo : Là thiết bị đo các đại... việc điều chỉnh ổn định ψ rd tại mọi điểm công tác của động cơ, đồng thời thay đổi được dòng i sq là đại lượng liên quan trực tiếp đến momen động cơ thì ta hoàn toàn khống chế được tốc độ và momen của động cơ dị bộ rotor lồng sóc Với ý tưởng này, động cơ dị bộ rotor lồng sóc vó thể điều khiển tương tự như động cơ một chiều Ta có mô hình điều khiển như động cơ một chiều như sau: 23 Hình 2.2: Mô hình điều. .. xây dựng được cấu trúc mô hình động cơ dị bộ xoay chiều 3 pha trên hệ tọa độ dq 2.2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển vecto động cơ không đồng bộ Hệ truyền động sử dụng động cơ lồng sóc đạng ngày càng chiếm ưu thế trên thị trường vì lý do chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ Mặt khác do sự phát triển mạnh mẽ của vi xử lý và các van công suất đã cho phép điều khiển cả tốc độ và momen của động cơ. .. Giả sử việc điều khiển các dòng i sd và isq được thực hiện bởi một bộ điều khiển dòng, ta thu được cấu trúc một hệ thống điều khiển giống với hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ một chiều Tín hiệu vào của bộ điềi khiển dòng là giá trị đặt của dòng isd và isq, đầu ra của bộ điều khiển dòng được đưa tới biến tần điều biến độ rộng xung PWM nhằm thực hiện việc điều chỉnh các giá trị điện áp 3 pha. .. tổng Các hệ tọa độ quan sát động cơ: Việc quan sát mô hình toán của động cơ dị bộ xoay chiefu 3 pha được thực hiện trên các hệ tọa độ khác nhau bao gồm: hệ toajddooj stator (hệ tọa độ αβ), hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq) Như đã biết việc mô tả toán học của động cơ trên hệ tọa độ dq là hết sức quan trọng đối với việc tổng hợp bộ điều khiển cho động cơ dị bộ điều khiển bởi biến tần Ta quy ước... động cơ một chiều như sau: 23 Hình 2.2: Mô hình điều khiển động cơ một chiều Ta sẽ xây dựng một hệ điều khiển tương tự cho động cơ không đồng bộ như trên tọa độ dq Như vậy động cơ cũng phải biểu diễn trên dq, lượng đặt là w và i sd như hình sau: Hình 2.3: Tư tưởng điều khiển động cơ không đồng bộ Nhưng trong hệ thống thực, nguồn cấp cho động cơ là 3 pha abc (hay là uvw), và các đại lượng dòng phản hồi... thu được bộ điều khiển dòng Isq như sau: Risq = 1+ T 1* s Tσ 1 = *(1 + ) 2 * Tnl * Knl * K1* s 2 * Tnl * Knl * K 2 Tσ * s (2.29) - Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ 30 Như ta đã phân tích ở trên và đựa theo sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ dị bộ như (hình 2.4) ta thấy rằng tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển tốc độ chính là tín hiệu vào của bộ điều khiển dòng I sq Kết hợp với phương trình chuyển động (2.6)... sẽ thêm vào một bộ lọc trước mạch vòng điều khiển tốc độ, tùy theo độ quá điều chỉnh và thời gian tác động nhanh mà sẽ chọn giá trị cho hằng số thời gian của bộ lọc Floc = 1 1 + Tδ * s Và cấu trúc mạch vòng kín bộ điều khiển tốc độ sẽ có dạng như sau: Hình 2.8: Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ có thêm bộ lọc - Tổng hợp mạch vòng vị trí 32 Ta có cấu trúc điều khiển mạch vòng kín vị trí như sau: Hình... Mô tả toán học động cơ không đồng bộ 3 pha Đối với các hệ truyền động điện đã được số hóa hoàn toàn, để điều khiển biến tần người ta sử dụng phương pháp điều chế vecto không gian Khâu điều khiển biến 15 tần là khâu ghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển và điều chỉnh bằng số với khâu chấp hành Như vậy cần mô tả động cơ thành các phương trình toàn học Quy ước: A, B, C chỉ thứ tự pha các cuộn dây... ta có hai phương pháp điều khiển vecto: - Phương pháp điều khiển trực tiếp - Phương pháp điều khiển gián tiếp Như đã phân tích ở trên, để thực hiện phương pháp điều khiển vecto, mô hình động cơ không đồng bộ phải được miêu tả ở hệ tọa độ từ thông rotor dq để có được đặc tính giống động cơ 1 chiều Tuy nhiên trong hệ thống thực, nguồn điện cấp cho động cơ là nguồn hình sin 3 pha Do đó phải thực hiện phép . tác động nên vị trí của xe khi không có mặt của người điều khiển. Với yêu cầu đặt ra là xây dựng bộ điều khiển vị trí của xe sử dụng động cơ dị bộ xoay chiều ba pha là một trong những bộ phần. năng thành cơ năng để cung cấp cho đối tượng cần điều khiển ở đây là xe điện. Động cơ điện có thể là động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều dị bộ hay đồng bộ, các lại động cơ bước,…Ở. mong muốn. Rφ: Là bộ điều khiển vị trí. Rω: Là bộ điều khiển tốc độ. RI : Là bộ điều khiển dòng điện. BBD : Là bộ biến đổi công suất. M : Là động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha. Đo : Là thiết