Đề tài Tính toán, thiết kế và mô phỏng hệ truyền động máy mài tròn

Phụ lục LỜI NÓI ĐẦU..2 LỜI NÓI ĐẦU Sự bùng nổ cua tiến bộ khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực điên-điện tử-tin học trong những năm gần đây đã dẫn đến những thay đổi sâu sắc về cả mặt lý thuyết lẫn thực tiễn trong lĩnh vực truyền điện tự động.Đó là sự ra đời và ngày càng hoàn thiệncủa các bộ biến đổi ông suất,với kích thước gọn nhẹ,độ tác dộng nhanh,dễ dàng ghép nối với các mạch điều khiển dùng vi mạch điện tử,vi xử lý,Các hệ truyền động điện tử động ngày nay thường sử dụng nguyên tắc điều khiển vecto 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 hóa chế tạo các hệ truyền động điện hiện đại có nhiều đặc tính làm việc khác nhau,dễ dàng ứng dụng theo yêu cầu công nghệ sản xuất. Do vậy,đồ án môn học tổng hợp hệ điện cơ giúp chúng ta nắm chắc hơn những kiến thức cơ sở những hệ thống truyền động điện kinh điện đồng thời nó cũng nhằm mục đích cho chúng ta từng bước tiếp cân với thực tế,tiếp cận với những hệ truyền động điện đại. Nội dung đồ án được chia làm 2 chương: Chương 1: Cơ sơ tý thuyết. Chương 2: Tính toán ,thiết kế và mô phỏng hệ truyền động máy mài tròn. Để có thể hoàn thành được đồ án này,bên cạnh sự cố gắng của cá nhân em cũng như các bạn trong nhóm,còn nhờ sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của 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 thiếu sót. Em rất mong các thầy hướng dẫn và bổ sung thêm để đồ án này được hoàn chỉnh hơn. Nghệ An, ngày 16 tháng 02 năm 2017 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Giới thiệu chung Máy mài có hai loại chính: Máy mài tròn và máy mài phẳng. Ngoài ra, còn có các loại máy khác nhau: máy mài vô tâm, máy mài rãnh, máy mài cắt, máy mài răng... Thường trên máy mài có ụ chi tiết hoặc bàn để kẹp chi tiết và ụ đá mài, trên đó có trục chính với đá mài. Cả hai ụ đều đặt trên bệ máy. Hình 1.1. Sơ đồ phân loại máy mài công nghiệp Máy mài tròn có hai loại: máy mài tròn ngoài và máy mài tròn trong. Sơ đồ biểu diễn công nghệ mài tròn được biểu diễn trên hình 1-2. Hình 1.2. Sơ đồ gia công chi tiết trên máy mài tròn Các dạng chuyển động trong máy mài tròn gồm có: - Chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài. - Chuyển động ăn dao là di chuyển tịnh tiến của ụ đá ăn dao theo hường dọc trục (ăn dao dọc trục) hoặc theo hướng ngang trục (ăn dao ngang), hoặc chuyển động quay của chi tiết (ăn dao vòng). - Chuyển động phụ là di chuyển nhanh của ụ đá hoặc chi tiết... 1.2. Yêu cầu truyền động điện máy mài tròn 1.2.1. 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 máy mài cỡ nặng, để duy trì tốc độ cắt không đổi khi mòn đá 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 ÷ 4)/1 với công suất không đổi. Ở máy mài trung bình và nhỏ v = 50 ÷ 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 ÷ 48000 vòng/phút hoặc có thể lên tới 150000 ÷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 ÷20% mômen định mức. Mômen quá tính của đá và cơ cấu truyền lực lại lớn 500 ÷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 quay đá. 1.2.2. Truyền động ăn dao Ở 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 ÷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 ÷ 25)/1 còn truyền động ăn dao ngang sử dụng thuỷ lực. 1.2.3. Truyền động phụ Sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. 1.3. Đặc tính cơ của máy mài Đặc tính của cơ cấu sản xuất được khái quát bằng phương trình: trong đó: Mco - Mômen ứng với tốc độ ω=0 Mdm - Mômen ứng với tốc độ định mức ωdm Mc - Mômen ứng với tốc độ α - số mũ phụ thuộc vào loại cơ cấu sản xuất. Với máy mài nói riêng và máy cắt gọt kim loại nói chung, q thường nhận hai giá trị α=1 (ứng với truyền động chính và α = const) và α=0 (ứng với truyền động ăn dao Mco = Mđm = const). Từ đó, ta thấy nói chung momen tải là không đổi. Tuy nhiên, trong vùng tốc độ thấp, lượng ăn dao nhỏ, lực cắt bị hạn chế bởi chiều sâu cắt tới hạn. Trong vùng này, tốc độ ăn dao giảm làm cho lực ăn dao và momen cũng giảm theo. Vùng tốc độ cao thì bị giới hạn bởi công suất của động cơ truyền động nên tại đó, momen cũng phải giảm để không làm công suất của truyền động quá lớn. Tóm lại, ta có đặc tính cơ phụ tải truyền động quay chi tiết nhưsau: Hình 1.3. Đồ thị đặc tính phụ tải của máy mài Như vậy, nhiệm vụ của truyền động động cơ là phải làm đặc tính điều chỉnh của nó giốngđặc tính cơ của máy cắt. - Chế độ làm việc: Khi gia công mài, chi tiết quay liên tục còn đá mài di chuyển trên bề mặt vùng cần gia công. Do đó, chế độ làm việc của truyền động ăn dao là chế độ làm việc dài hạn và không yêu cầu đảo chiều. - Chế độ tải: Khi hệ thống làm việc, chi tiết được lắp trên trục của tang trống và quay với vận tốc tỉ lệ với tốc độ của trục động cơ. Do đó, động cơ mang tải ngay từ đầu. Do chế độ gia công khác nhau, các chi tiết khác nhau, nên không qui đổi momen quán tính của chi tiết về trục động cơ mà coi chi tiết như một tải có sẵn trên trục động cơ. - Độ ổn định tốc độ: Rõ ràng, tốc độ quay càng ổn định thì chất lượng gia công càng cao, bề mặt mài càng nhẵn, bóng. Yêu cầu đối với truyền động ăn dao máy mài: Δω% ≤ (5÷10)% - Tính kinh tế: Thiết bị cho hệ truyền động phải rẻ, nhưng vẫn đủ cung cấp hiệu quả cao nhất cho hệ. Đồng thời, thiết bị phải dễ kiếm và hoạt động tin cậy trong chế độ dài hạn. Căn cứ vào yêu cầu đề ra, ta phải thiết kế hệ thống đạt được những yêu cầu sau: - Dải điều chỉnh tốc độ: D = ωmax : ωmin = 480 : 48 = 10 : 1. - Điều chỉnh vô cấp tốc độ, không yêu cầu đảo chiều. - Điều chỉnh giữ mômen không đổi và bám theo momen tải. - Điều chỉnh giữ ổn định tốc độ. - Làm việc dài hạn, tin cậy. - Giá thành hạ CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN,THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG MÁY MÀI TRÒN 2.1. Chọn phương án truyền động Như trên đã nói, chuyển động quay của chi tiết mài chính là chuyển động ăn dao. Đối với máy mài tròn, ở các máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết (truyền động ăn dao) thường dùng động cơ không đồng bộ nhiều cấp tốc độ, điều tốc bằng cách điều chỉnh số đôi cực. Ở các máy lớn thì dùng hệ thống bộ biến đổi - động cơ một chiều/động cơ đồng bộ. Công suất mà đề bài yêu cầu là nhỏ, do đó ở đây sẽ dùng động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sócđể truyền động quay chi tiết. Trước đây, động cơ điện một chiều thường được ưa chuộng hơn, kể cả trong dải công suất nhỏ vì tính điều chính đơn giản và tuyến tính của nó. Tuy nhiên, ngày nay, công nghệ điện tử và vi điều khiển phát triển mạnh mẽ, việc điều khiển động cơ không đồng bộ không còn là khó khăn nữa, hơn nữa động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc rẻ hơn động cơ một chiều cùng công suất nhiều và rất phổ biến trên thị trường với dải công suất rộng, do đó, hoàn toàn phù hợp cho ứng dụng của chúngta. Do yêu cầu điều chỉnh trơn tốc độ nên ta dùng bộ biến tầnđể cấp nguồn cho động cơ. Hơn nữa, việc dùng biến tần cho ta dễ dàng mở rộng dải điều chỉnh, dễ dàng áp đặt các kỹ thuật điều khiển hiện đại, áp đặt nhanh và chính xác momen, điều chỉnh trơn và ổn định tốc độ. Ngoài ra, biến tần hoạt động tin cậy và chắc chắn, dễ dàng cài đặt tham số điều khiển, có thể dùng 1 biến tần cho nhiều loại truyền động. Do đó, việc sử dụng biến tần đã trở thành một chuẩn công nghiệp. Có nhiều hãng lớn sản xuất biến tần rất nổi tiếng như ABB, Siemens, với các sản phẩm rất nổi tiếng trên thị trường, tuy nhiên ở đây, ta sẽ thiết kế lại bộ biến tần để phục vụ cho bài toán yêu cầu mà không sử dụng biến tần sẵn có. Biến tần có 2 loại: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp. Sau đây sẽ phân tích ưu nhược điểm của từng loại để chọn ra loại biến tần thích hợp nhất với ứng dụng của ta. 2.1.1. Biến tần trực tiếp(Cycloconverter) Hình 2.1: Biến tần trực tiếp sơ đồ tia 3 pha. Ưu điểm: Mạch chỉ cần dùng van Tiristor thông thường, quá trình chuyển mạch theo điện áp lưới. Bộ biến tần không sử dụng khâu trung gian một chiều nên hiệu suất rất cao. Có khả năng làm việc ở tần số thấp thậm chí ngay cả khi có sự cố. Thường sử dụng cho dải công suất rất lớn đến vài chục MW. Nhược điểm: Sử dụng nhiều van bán dẫn làm cho mạch điều khiển rất phức tạp. Hệ số công suất thấp. Tóm lại, với ứng dụng là hệ truyền động cho máy mài, ta không dùng loại biến tần này. 2.1.2. Biến tần gián tiếp: Biến tần gián tiếp khác biến tần trực tiếp ở chỗ nó có khâu trung gian một chiều. Nhờ có khâu trung gian một chiều này mà khâu chỉnh lưu và khâu nghịch lưu là cách ly nhau và điều chỉnh độc lập với nhau. Tần số đầu ra nhờ đó có thể được điều chỉnh mà không phụ thuộc tần số đầu vào. Tùy thuộc vào khâu trung gian một chiều mà phân ra thành biến tần nguồn dòng và biến tần nguồn áp. a.Biến tần nguồn dòng Hình 2.2. Biến tần nguồndòng Khâu trung gian một chiều là cuộn kháng Lf, thực hiện chức năng nguồn dòng cho bộ nghịch lưu. Ưu điểm: Có khả năng trả năng lượng về lưới. Không sợ chế độ ngắn mạch vì dòng điện một chiều được giữ không đổi. Phù hợp cho dải công suất lớn trên 100 kW Nhược điểm: Hiệu suất kém ở dải công suất nhỏ. Cồng kềnh vì có cuộn kháng. Hệ số công suất thấp và phụ thuộc vào phụ tải nhất là khi tải nhỏ. Do đó, với ứng dụng máy mài với tải chỉ vào khoảng 2,2kW của ta, biến tần nguồn dòng rõ ràng là không phù hợp. b. Biến tần nguồn áp Khâu trung gian một chiều là tụ Cf, thực hiện chức năng nguồn áp cho bộ nghịch lưu. Ưu điểm: Phù hợp với tải nhỏ, dưới 30kW Hệ số công suất của mạch lớn (gần bằng 1) Hình dạng và biên độ điện áp ra không phụ thuộc tải, dòng điện cho tải qui định. Có thể áp dụng kỹ thuật PWM để giảm tổn hao do sóng hài bậc cao, khử đập mạch momen. Nhược điểm: Không trả được năng lượng về lưới, nếu muốn trả năng lượng về lưới phải mắc thêm một khâu chỉnh lưu mắc song song ngược với khâu chỉnh lưu ban đầu hoặc dùng chỉnh lưu PWM hay biến tần 4 góc phần tư. Như vậy, đến đây, ta thống nhất chọn bộ biến đổi là biến tần nguồn áp. Phần tiếp theo sẽ chọn phương pháp điều khiển cho loại biến tần này. 2.1.3 Phương pháp điều khiển biến tần Có rất nhiều phương pháp điều khiển cho biến tần nguồn áp. Phổ biến trong công nghiệp là điều khiển theo luật const , điều khiển theo hệ số trượt, điều khiển tựa từ thông rotor (FOC) và gần đây điều khiển trực tiếp momen (DTC) cũng xuất hiện trong các bộ biến tần công nghiệp thay thế cho FOC. Đồ án này chủ định nghiên cứu ứng dụng phương pháp DTC cho điều khiển bộ biến tần nguồn áp vì một số lí do sau Phương pháp DTC cho phép áp đặt rất nhanh momen do đó, hoàn toàn phù hợp với ứng dụng máy mài. Phương pháp DTC cho phép có thể điều chỉnh với độ chính xác là tùy ý. Mô hình đơn giản, không phụ thuộc nhiều tham số, do đó, không bị ảnh hưởng bởi sai lệch do tham số của động cơ như các phương pháp khác. Không phải thực hiện phép quay tọa độ do đó, thời gian tính toánnhanh. Tuy vậy, DTC cũng có nhược điểm: đáp ứng ở tốc độ thấp rất kém; đáp ứng momen không trơn, độ nhấp nhô momen phụ thuộc dải trễ và khó có thể khắc phục sự nhấp nhô momen này. Và một lý do nữa, là DTC dù ra đời đã lâu nhưng chưa phổ biến ở Việt Nam (ở Việt Nam phổ biến dùng DTC và U/f) mà phổ biến ở các nước châu Âu. Trong quá trình hội nhập, các bộ điều khiển của nước ngoài chắc chắn sẽ tràn vào Việt Nam, cho nên, em muốn đi sâu tìm hiểu, học hỏi và thử nghiệm phương pháp DTC nhằm ứng dụng sau này. 2.2. Tính chọn động cơ và thiết kế mạch lực 2.2.1. Tính chọn động cơ Yêu cầu của hệ thống: Momen cực đại (Mmax) : 25Nm Tốc độ quay chi tiết (n) : 48 ÷ 480 vòng/phút Tỉ số truyền (i) : 3 Hiệu suất (η) : 0,8 Momen quán tính cơ cấu (J) : 0,009 kg/s2 Phạm vi điều chỉnh tốc độ, quy đổi về trục động cơ Tốc độ bé nhất của chi tiết Tốc độ quay lớn nhất chi tiết: Dải điều chỉnh: Quy đổi về trục động cơ qua hộp số có tỉ số truyền i=3. Tính momen quy đổi về trục động cơ: Momen cực đại ở tang trống Mmax=25Nm. momen quy đổi là : Công suất cơ cực đại yêu cầu của động cơ: Ngoài ra còn cần phải chọn hệ số an toàn về công suất trong trường hợp quá tải, lấy hệ số an toàn k=1,2 (k = 1,21,5). Pcần =1,2 . 1,57=1.884 kw Vì vậy ta chọn động cơ: cần có công suất lớn hơn Pmax = 1,884 kW, có Momen định mức ≥ 10,42Nm, có dải điều chỉnh ít nhất là D = (10:1), và tốc độ định mức cỡ 150,9 rad/s tức là cỡ 1440 vòng/phút. Trên cơ sở đó, ta chọn động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc ABB có thông số như sau Tên : M3AA 100LC 3GAA 102 313 - CG2. Công suất định mức : Pđm = 2,2 kW Điện áp dây định mức : U1đm = 400V Tần số định mức : f = 50Hz Số đôi cực : p = 2 Tốc độ định mức : nđm = 1450 vòng/phút Hiệu suất : η = 86,8% Hệ số công suất : cosφ = 0,77 , sinφ = 0,638 Dòng Stator định mức : I1dm = 4,8A Dòng Stator khởi động : Is = 4,8 . 8,5 = 40,8 A. Momen định mức : Mdm = 14,5Nm Momen khởi động định mức(s=1): Ms = 14,5 . 4 = 58 Nm Momen tới hạn : Mth = 14,5 . 4,6 = 66,7 Momen quán tính : J = 0,009 kgm2 Trọng lượng : m = 25kg Tính toán tham số động cơ Hình 2.3: Mạch điện thay thế một pha động cơ không đồng bộ Do yêu cầu xây dựng bộ điều khiển cho động cơ, ta phải xây dựng được mô hình động cơ. Để xây dựng được mô hình động cơ, ta phải xác định các đại lượng R1, R2, X1, X2, Xµ. Ta có: (1) Tốc độ đồng bộ: vòng/phút (2) Hệ số trượt định mức: (3) Tổng trợ một pha: (4) Momen trên trục động cơ: (5) Trong đó: (6) (7) (8) (9) Khi đó S = Sdm = 0,033 ta có momen định mức: (10) Khi S = 1, ta có monen khởi động: (11) Giải hệ phương trình (10) và (11) với ẩn là a, Sth ta có: (12) (13) Tiếp tục giải 3 phương trình (6,12,13). Giả thiết ta có: (14) Suy ra Tính điện kháng từ hóa . Xuất phát từ mạch điện thay thế một pha động cơ không đồng bộ ta có (15) Suy ra: (16) Ở chế độ định mức: s = sđm = 0,033 và Zin = 48,11 Ω; =0,77. Thay vào (16) ta tính được: Ta có: và (17) Cuối cùng, ta còn phải quy đổi momen quán tính của hệ thống về đầu trục động cơ. Để cho đơn giản, ta giả thiết các bánh răng của hộp số là lý tưởng (nghĩa là không có mômen quán tính) và chi tiết chưa được gắn lên tang trống. Do đó, momen quán tính qui đổi được tính bởi công thức: (18) 2.2.2. Thiết kế mạch lực Sơ đồ mạch lực củ hệ truyền động Hình 2.4. Sơ đồ mạch lực của hệ truyền động Mạch lực bao gồm + Khối chỉnh lưu: 6 diode + Khối nghich lưu: 6 Transistor, 6 diode ng­îc + Khối lọc a. Tính toán thông số mạch lực Máy mài sử dụng điện áp lưới 3 pha có Udây = 380V trong khi động cơ ta chọn sử dụng điện áp 400V nên không cần điều chỉnh điện áp DC bus của đầu ra chỉnh lưu. Do đó mạch chỉnh lưu sẽ dùng diode và không cần mạch xung áp để thay đổi DC bus. Khi đó ta có dòng định mức mỗi pha của động cơ: Bằng thuật toán điều khiển, ta có thể giới hạn dòng khởi động-là dòng cực đại qua mỗi pha động cơ không vượt quá 2,5 lần dòng điện định mức. Do đó, dòng điện cực đại qua mỗi pha: Ipmax = 2,5 . 5,04 = 12,6 A Do ta xét tải ở đây đấu sao nên ta có: Mạch chỉnh lưu gồm 6 diode mắc với nhau theo sơ đồ: Hình 2.5. Sơ đồ mạch chỉnh lưu 3 pha hình cầu Nguyên lý hoạt động. Bộ chỉnh lưu có chức năng biến nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều, ở đây ta dùng mạch chỉnh lưu hình cầu không điều khiển, bộ chỉnh lưu bao gồm các nhóm van diode chỉnh lưu bằng máy biến áp. Van có tác dụng đóng mở tạo thành dòng một chiều. Máy biến áp có tác dụng biến đổi điện áp nguồn phù hợp với yêu cầu cần thiết của phụ tải, cách ly phụ tải lưới điện để vận hành an toàn, cải thiện được dạng sóng nguồn điện lưới. Giá trị trung bình của điện áp ra: Số đập mạch: n = 6. Dòng trung bình qua van: Điện áp ngược max trên van: Hình 2.6. Hình dạng điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu Mạch chỉnh lưu sử dụng ở đây là chỉnh lưu cầu 3 pha dùng diode. Mạch chỉnh lưu như trên đã phân tích dùng chỉnh lưu cầu 3 pha diode để điện áp ra đạt nhấp nhô nhỏ nhất (đập mạch 6 lần trong 1 chu kỳ). Dòng qua diode: Điện áp sau chỉnh lưu (điện áp 1 chiều DC bus) là: Từ công thức: Ta có giá trị điện áp hiệu dụng là : Điện áp ngược đặt lên Diode: Chọn hệ số an toàn Ku =1,2 nên điện áp ngược lớn nhất đặt lên Diode là: Chọn hệ số dự trữ dòng Ki=1,3 ta có dòng làm việc của Diode là: Iv = 1,3 . ID =1,3 . 4,2 = 5,46 A Vậy ta chọn Diode do Nga chế tạo có tham số sau: Diode Dòng điện hiệu dụng Dòng điện trung bình Điện áp cực đại đặt lên diode Sụt áp trên diode B10; BЛ10 16A 10 (A) 100÷1200 (V) 0.6 (V) Bảng 1. Thông số diode Khối lọc 1 chiều. Là bộ phận không thể thiếu được trong mạch động lực cho phép thành phần một chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều. Nó có tác dụng san bằng điện áp tải sau khi chỉnh lưu, thực hiện chức năng nguồn áp cho bộ nghịch lưu. Hệ số san bằng của khâu lọc: Trong đó: là hệ số đập mạch đầu vào là hệ số đập mạch đầu ra Các sóng hài bậc cao sẽ rẽ qua tụ , còn lại thành phần một chiều và một số sóng hài bậc thấp đi đến đầu vào của bộ nghịch lưu. Ta có tổng trở của mạch là: Rt = Z.cos = 24,71 . 0,77 = 19,02 Ω Mục đích của của việc tính toán bộ lọc là xác định các trị số cần thiết của điện cảm và tụ điện lọc sao cho thoả mãn hệ số đập mạch cho trước đồng thời hiệu chỉnh để có kích thước vừa phải. Trị số điện dung C có thể tính gần đúng dựa theo biểu thức: Trong đó: mdm là hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ điện áp nguồn xoay chiều. Ở đây với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có hệ số đập mạch là mdm = 6. là tần số góc của điện áp xoay chiều kdmr là hệ số đập mạch đầu ra, đặc trưng cho khả năng giảm độ đập mạch của bộ lọc. Vậy thay số vào ta có: b. Khối nghịch lưu Là bộ phận rất quan trọng trong bộ biến tần, nó biến đổi dòng điện một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều với tần số f2 Hình 2.7. Khối nghịch lưu Nguyên lý hoạt động : Cho góc mở của mỗi transistor là 1800 và cứ 600 tiếp theo (kể từ khi tranzistor trước đó mở thì cho 1 tranzistor khác mở). Như vậy trong cùng 1 thời gian có 3 tranzistor mở. Tụ C có nhiệm vụ đảm bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi, mặt khác nó trao đổi năng lượng phản kháng với cuộn cảm Vai trò của các diode: Hoàn trả dòng phản kháng. Ở mỗi thời điểm sơ đồ đều có một pha mắc nối tiếp với 2 pha đấu song song do vậy điện áp pha trên tải chỉ có hai giá trị hoặc Ed/3 (khi pha đó đấu song song với một pha khác) hoặc 2Ed/3 (khi nó đấu nối tiếp với hai pha khác đấu song song). Giả thiết 3 pha của động cơ là đối xứng, ta có giá trị hiệu dụng của điện áp pha: T 0÷60o 60o÷120o 120o ÷180o 180o÷240o 240o÷300o 300o÷360o T1 1 1 1 0 0 0 T2 0 1 1 1 0 0 T3 0 0 1 1 1 0 T4 0 0 0 1 1 1 T5 1 0 0 0 1 1 T6 1 1 0 0 0 1 Bảng 2. Bảng trạng thái quá trình đóng mở của các van điều khiển D1 1 0 0 0 0 0 D2 0 1 0 0 0 0 D3 0 0 1 0 0 0 D4 0 0 0 1 0 0 D5 0 0 0 0 1 0 D6 0 0 0 0 0 1 Bảng 3. Bảng trạng thái quá trình đóng mở của các diode Ta tính điện áp trên từng pha: - Trong khoảng (hình a) - Trong khoảng (hình b ) - Trong khoảng (hình c) - Trong khoảng (hình d) - Trong khoảng (hình e) - Trong khoảng (hình f) Hình 2.8. Nguyên lý chuyển mạch của bộ nghịch lưu Hình 2.9. Giản đồ dạng sóng nghịch lưu khi động cơ chạy thuận Bộ nghịch lưu được sử dụng là 3 pha nên tại mỗi thời điểm chỉ có 2 van dẫn, vì vậy điện áp ngược đặt lên các van còn lại chính là điện áp sau chỉnh lưu. Chọn hệ số quá áp . Dùng tản nhiệt nhôm cho van nên chọn hệ số dự trữ là . Mạch nghịch lưu có đầu vào là khâu trung gian một chiều, đầu ra là điện áp 3 pha nối vào động cơ. Dòng cực đại qua mỗi pha động cơ chính là dòng đỉnh qua mỗi van. Bằng thuật toán điều khiển, ta có thể giới hạn dòng khởi động là dòng cực đại qua mỗi pha động cơ không vượt quá 2,5 lần dòng điện định mức. Do đó, dòng hiệu dụng lớn nhất qua mỗi van là: Imax = 2,5 . Iđm = 2,5 . 5,04 =12,6 A Chọn hệ số dự trữ . Dòng điện lớn nhất mà van phải chịu: IIGBT = Ic = 2,5 . 12,6 = 31,5 A Điện áp ngược đặt lên van IGBT ( hay dòng Collector ) là: UngIGBT = Ku . Ung = 1,6 . 539 = 862,4 (V) Trên cơ sở dòng điện chạy qua và điện áp ngược đặt qua van nghịch lưu ta chọn loại IGBT Tên van IGBT UCE max IC UCE (bão hòa) P(W) R(K/W) BSM10GD120DN1 1200 (V) 15 (A) 2,7 80 1,52 Bảng 4. Thông số IGBT 2.2.3. Mạch điều khiển Là bộ phận không thể thiếu quyết định sự làm việc của mạch động lực, để đảm bảo yêu cầu về tần số, hình dáng điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch điều khiển quyết định. Bộ điều khiển nghịch lưu gồm 3 khâu: Phátxungchủđạo Phânphốixung Khuyếchđạixung Van Hình 2.10. Sơ đồ của hệ thống điều khiển Khâu phát xung chủ đạo là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển đưa đến bộ phận phân phối xung điều khiển đến từng tranzistor. Khâu này đảm nhận điều chỉnh xung một cách dễ dàng, ngoài ra nó còn thể đảm nhận luôn chức năng khuếch đại xung. Khâu phân phối xung làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển vào khâu phát xung chủ đạo. Khâu khuếch đại trung gian có nhiệm vụ khuếch đại xung nhận được từ bộ phận phân phối xung đưa đến đảm bảo kích thích mở van. 2.3. Tổng hợp bộ điều chỉnh DTC 2.3.1. Nguyên lý của phương pháp DTC DTC là từ viết tắt của Direct Torque Control, tức là phương pháp điều khiển trực tiếp mômen. Đây là một phương pháp mới xuất hiện vào giữa những năm 80, do Depenbrock và Takahashi độc lập đề xuất trong hai tài liệu : “Mirekte Selbstregelung (DSR) fur hochdynamische Drehfeldantriebe mit Stromrichterspeisung” – Depenbrock 1988 và “ A new quick Response and High-Efficiency control sreategy of an induction motor” – Takahashi 1986. Động cơ không đồng bộ đầu tiên được điều khiển bằng phương pháp DTC được ra mắt vào năm 1995 do hãng ABB chếtạo. Đây là một phương pháp mới, trong đó việc phối hợp điều khiển bộ biến tần và động cơ không đồng bộ là rất chặt chẽ. Logic chuyển mạch của biến tần dựa trên trạng thái điện từ của động cơ không đồng bộ mà không cần đến điều chế độ rộng xung áp của biến tần. Do sử dụng công nghệ bán dẫn tiên tiến với các phần tử tính toán có tốc độ cao mà phương pháp điều chỉnh trực tiếp mômen cho các đáp ứng đầu ra thay đổi rất nhanh, cỡ vài phần nghìngiây. Phương pháp điều khiển DTC cho phép điều khiển động cơ không đồng bô theo một nguyên lý đơn giản: (1-1) Đây là biểu thức tính mômen trong hệ tọa độ tĩnh, gắn chặt với trục dây quấn stator (α, β) Véc tơ từ thông rotor thường biến thiên chậm hơn véc tơ từ thông stator, do đó có thể đạt được giá trị mômen theo yêu cầu bằng cách quay véctơ từ thông stato cáng nhanh càng tốt theo hướng nào đó, làm thay đổi góc mômen δ. Biến đổi (1 – 1) tacó: (1-2) Trong phương trình điện áp stato: Nếu bỏ qua sụt áp trên điện trở thuần Rs thì: hay Véctơ Trong đó Udc là điện áp một chiều.Sa,Sb,Sc là các hàm đóng cắt của các van tương ứng của mạch lực của biến tần Mỗi khóa Sa,Sb,Sc lấy giá trị 1 khi nối vào +Udc hoặc 0 khi nối vào -Udc.Ta tưởng tượng chia không gian điện áp thành 6 phần sectors (S1,S2,S3,S4,S5,S6) với hai trạng thái của ba khóa Sa,Sb,Sc ta có 8 trường hợp V1,V2,V3,V4,V5,V6 tương ứng với giá trị trên, còn = 111 và = 000. Hình 2.11 Các hàm đóng cắt và thực hiện các véctơ áp Có thể điều khiển phân ly biên độ từ thông stator và mômen điện từ M bằng cách tác động vào các thành phần hướng kính và thành phần tiếp tuyến của vétơ từ thông móc vòng stator trong quỹ đạo của nó. Pha V0 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 A 0 1 1 0 0 0 1 1 B 0 0 1 1 1 0 0 1 C 0 0 0 0 1 1 1 1 Bảng 5: Véctơ điện áp ứng với trạng thái khóa Từ phương trình ta thấy, giả sử, vector từ thông Stator đang ở một sector nào đó. Bằng việc thực hiện một vertor điện áp thích hợp sẽ làm cho modul vector từ thông Stator, góc momen δ và do đó, momen thayđổi. Hình 2.12: Sự thay đổi của véctơ từ thông theo véctơ điện áp Như vậy, bằng việc thay đổi vector điện áp một cách thích hợp, vector từ thông sẽ quay tròn trong không gian với modul nằm trong một dải trễ nào đó. Bằng việc phân tích yêu cầu tăng giảm từ thông và momen trong mỗi sector, ta thu được bảng 5 là chiến lược đóng cắt tối ưu cho nghịch lưu áp để thực hiện DTC Hình 2.13: Quý đạo từ thông T S1 S2 S3 S4 S5 S6 FI TI V2 V3 V4 V5 V6 V1 T= V0 V7 V0 V7 V0 V7 TD V6 V1 V2 V3 V4 V5 FD TI V3 V4 V5 V6 V1 V2 T= V7 V0 V7 V0 V7 V0 TD V5 V6 V1 V2 V3 V4 Bảng 6: Bảng chọn véctơ điện áp tối ưu Bằng việc thực hiện điều chỉnh Momen và từ thông bằng các khâu Relay, đáp ứng của momen sẽ có dạng nhưsau: Hình 2.14: Đáp ứng kiểu relay của momen 2.3.2. Mô hình hệ thống DTC Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý phương pháp DTC Hình 2.15 là sơ đồ đơn giản nhất của phương pháp DTC. Sai lệch giữa từ thông ước lượng và từ thông đặt (đầu ra của bộ điều chỉnh từ thông) được đưa vào khâu Relay 2 vị trí, sai lệch giữa mômen ước lượng và mômen đặt (đầu ra của bộ điều chỉnh tốc độ) được đưa vào khâu Relay 3 vị trí. Đầu ra của các khâu Relay mang thông tin về yêu cầu tăng hay giảm momen và từ thông cùng với thông tin về góc từ thông Stator (cho ta biết vị trí của vector từ thông Stator đang ở trong Sector nào) cũng được ước lượng và đưa vào bảng chọn 6 kết quả, ở đầu ra bảng chọn, ta có vector điện áp cần phải thực hiện để thực hiện yêu cầu tăng giảm momen và từ thông nói trên. Từ nguyên lý trên, dễ dàng rút ra các nhận xét sau đây về độ chính xác của phương pháp điều khiển: -Độ chính xác điều khiển hoàn toàn phụ thuộc vào độ chính xác của phép ước lượng momen, từ thông và vịtrí. -Độ chính xác điều khiển phụ thuộc vào dải trễ momen và từ thông. Rõ ràng, dải trễ momen càng hẹp thì đáp ứng momen càng mịn, dải trễ từ thông càng hẹp quĩ đạo của từ thông càng tròn tức là dòng Stator càng sin. Tuy nhiên việc thu hẹp dải trễ sẽ kéo theo các van IGBT phải tăng tần số chuyểnmạch. 2.3.3. Các vấn đề về ước lượng và nâng cao độ chính xác Như trên đã nhận xét, việc ước lượng đúng các tham số của hệ thống sẽ nâng cao chất lượng điều chỉnh. Xuất phát từ phương trình cân bằng áp trong hệ tọa độ αβ. (1-3) Suy ra: (1-4) Phương trình (1-4) được dùng để ước lượng từ thông Stator. Cụ thể như sau: (1-5) Các giá trị được tính từ các giá trị đo được từ phái đầu ra của nghịch lưu theo qui tắc chuyển đổi abc sang αβ.( không cần tính do giả thiết tải động cơ là đối xứng nên hiển nhiên : và ua+ub+uc=0) ó (1-6) Từ công thức (1-1) có thể viết lại công thức momen như sau (1-7) Nhận xét: Phương pháp DTC được thực hiện dựa trên các phương trình từ (1 – 5) đến (1– 7). Ta nhận thấy, toàn bộ phương pháp chỉ dùng đúng một tham số của động cơ đó là điện trở Stator Rs, các thông số khác đều được tính toán ước lượng. Điện trở Stator là thông số dễ dàng đo lường với độ chính xác cao, dễ dàng bù nhiệt độ. Ngoài ra, mô hình không hề dùng đến các phép quay hệ trục tọa độ (như phương pháp FOC) – một phép toán tốn nhiều tài nguyên và thời gian thực hiện với độ chính xác phụ thuộc lớn vào khả năng của vi xử lý. Do đó, có thể nói phương pháp DTC tin cậy, đơn giản và chính xác hơn các phương pháp khác nhiều. 2.4. Mô phỏng hệ thống trên simulink và cài đặt trên biến tần a.Mô hình điều khiển ĐKKĐB roto lồng sóc DTC b.Khối DTC e. Khối demux: Hình 2.16. Nguồn lưới điện đầu vào Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab-Simulink thu được tín hiệu: Hình 2.17. Dòng stato khi khởi động. Hình 2.18. Tốc độ Rotor Hình 2.19. Đáp ứng momen của động cơ. Hình 2.20. Dòng điện một chiều Udc Nhận xét: Ở trên đồ thị Rotor Speed ,tốc độ động cơ luôn bám sát tốc độ đặt Trong quá trình hãm của động cơ,Udc không bị tăng quá cao nên không gây nguy hiểm cho mạch chỉnh lưu. Dòng khởi động và momen khởi động nằm trong giới hạn cho phép. Động cơ có thời gian quá độ nhỏ. KẾT LUẬN Hệ thống được xây dựng trên hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu công nghệ đã nêu, đồng thời thực hiện thành công thuật toán DTC điều chỉnh trực tiếp momen với chất lượng cao. Đáp ứng tốc độ lúc khởi động hầu như không có quá điều chỉnh, khi có tải, tốc độ chỉ mắc phải quá điều chỉnh đến 5%. Hệ thống có động học cao và đơn giản, do đó, hoàn toàn thích hợp với ứng dụng truyền động cho động cơ quay tròn chi tiết mài. Hệ thống chỉ sử dụng Rs - điện trở Stator - là tham số dễ dàng nhận dạng và dễ dàng bù sự thay đổi do nhiệt độ, nên không bị ảnh hưởng lớn bởi sai lệch của mô hình động cơ, do đó, nâng cao tính kháng nhiễu, hoạt động tin cậy. Tuy nhiên, đáp ứng ở tốc độ thấp chưa tốt. Không kiểm soát được dòng Stator. Đáp ứng momen chưa được mịn. Đây cũng chính là nhược điểm cơ bản của phương pháp DTC và cần có nhiều thời gian để nghiên cứu khắc phục. Ở mức độ đồ án môn học, đồ án đã phân tích, đưa ra yêu cầu về truyền động và thiết kế hệ thống thực hiện thành công yêu cầu đề ra. Em kính mong nhận được những lời nhận xét chỉ bảo của các thầy cô để làm cho đồ án hoàn thiện hơn, khắc phục được những nhược điểm, phát huy những ưu điểm của đồ án. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Hoa Lư cũng như các thầy cô trong bộ môn Kỹ Thuật Điều Khiển & Tự Động Hóa, đã ân cần hướng dẫn em hoàn thành bản đồ án. Em xin chân thành cảm ơn. Tài liệu tham khảo [1] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện , Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật Hà Nội 1999. [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền ,Truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật Hà Nội 1998. [3] Phạm Công Ngô ,Lý thuyết điều khiển tự động , Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật Hà nội 2000. [4] Nguyễn Bính ,Điện tử công suất , NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội 2000. [5] Cyril W.Lander ( Người dịch Lê Văn Doanh) ,Điện tử công suất và Điều khiển động cơ điện, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội 1997