Đồ Án: Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Điện Dùng Động Cơ Đồng Bộ 3 Pha

Đồ án liên môn PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện dùng động cơ đồng bộ 3 pha cho tải quay. Tìm hiểu về động cơ & ứng dụng thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Quang Quân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Khánh Quang
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Điện
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Điện Sử Dụng Động Cơ Đồng Bộ 3 Pha - Tải Chuyển Động Quay
• Loại tài liệu: Đồ án liên môn
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN YÊU CẦU CỦA TẢI VÀ TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ
• 1.1. Tổng quan hệ thống và phân tích yêu cầu công nghệ:
• 1.2. Tính chọn động cơ:
• 1.2.1. Tốc độ mong muốn của động cơ:
• 1.2.2. Tính toán momen yêu cầu của tải:
• 1.2.3. Công suất trên trục động cơ:
• 1.2.4. Momen đẳng trị và công suất đẳng trị:
• 1.2.5. Lựa chọn động cơ:
• 1.2.6. Lựa chọn hộp số động cơ:
• 1.2.7. Kiểm nghiệm lại động cơ.
• 1.3. Mô phỏng động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ bằng Matlab Simulink:
• 2. CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
• 2.1. Lựa chọn phương án truyền động:
• 2.2. Tính chọn các thành phần của hệ thống điều khiển truyền động điện:
• 2.2.1. Tính chọn mạch chỉnh lưu:
• 2.2.2. Tính chọn nghịch lưu:
• 2.2.3. Tính chọn bộ lọc:
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG PHẦN MẠCH ĐỘNG LỰC
• 3.1. Mô phỏng mạch chỉnh lưu diode:
• 3.2. Mô phỏng mạch nghịch lưu:
• 3.3. Sơ đồ mô phỏng tổng quát:
• 3.4. Phương pháp điều khiển độ rộng xung
• 3.4.1. Giới thiệu về PWM
• 3.4.2. Nguyên lí của phương pháp PWM
• 3.4.3. Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển
• 3.4.4. Ưu nhược điểm của mạch PWM dùng làm mạch điều khiển động cơ
• 4. CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ MẠCH TOÀN HỆ THỐNG – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 4.1. Mô hình toàn bộ hệ thống trên phần mềm Matlab-Simulink
• 4.2. Bộ phát xung SPWM
• 4.3. Đồ thị các thông số và đánh giá kết quả
• 4.4. Đánh giá kết quả và hướng phát triển:

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế truyền động điện động cơ đồng bộ 3 pha

Một hệ truyền động điện hiện đại là tổ hợp của nhiều thiết bị điện, điện tử và cơ khí, có nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng để cung cấp cho các cơ cấu sản xuất. Trái tim của hệ thống này chính là động cơ điện. Trong đó, động cơ đồng bộ 3 pha, đặc biệt là loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), ngày càng được ưa chuộng nhờ hiệu suất cao, mật độ công suất lớn và khả năng điều khiển chính xác. Việc thiết kế một hệ thống hoàn chỉnh đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc từ cơ sở lý thuyết đến ứng dụng thực tiễn. Quá trình này bắt đầu bằng việc phân tích yêu cầu công nghệ của tải, từ đó thực hiện tính toán công suất động cơ để lựa chọn động cơ phù hợp. Giai đoạn tiếp theo là thiết kế phần cứng, bao gồm thiết kế mạch lực (bộ chỉnh lưu, nghịch lưu) và thiết kế mạch điều khiển. Cuối cùng, các thuật toán điều khiển được lập trình và toàn bộ hệ thống được xác thực thông qua mô phỏng Matlab/Simulink trước khi triển khai thực tế. Bài viết này sẽ đi sâu vào từng bước trong quy trình thiết kế, dựa trên cơ sở phân tích từ đồ án 'THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3 PHA' của nhóm sinh viên Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng.

1.1. Khám phá nguyên lý hoạt động và cấu tạo động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ 3 pha hoạt động dựa trên nguyên tắc tương tác giữa từ trường quay của stator và từ trường của rotor. Stator, phần tĩnh của động cơ, bao gồm các cuộn dây 3 pha được đặt lệch nhau 120 độ trong không gian. Khi được cấp nguồn điện xoay chiều 3 pha, các cuộn dây này tạo ra một từ trường quay với tốc độ không đổi, gọi là tốc độ đồng bộ (ωs = 2πf/p). Rotor, phần quay, có thể là loại nam châm vĩnh cửu (PMSM) hoặc loại dây quấn kích từ. Từ trường của rotor sẽ 'khóa' vào từ trường quay của stator và quay cùng tốc độ với nó. Đây là đặc điểm cốt lõi làm nên tên gọi 'đồng bộ'. Cấu tạo động cơ đồng bộ 3 pha quyết định đến hiệu suất và đặc tính cơ của động cơ đồng bộ. Việc nắm vững nguyên lý hoạt động động cơ đồng bộ là nền tảng cơ bản để xây dựng mô hình toán học động cơ đồng bộ và phát triển các thuật toán điều khiển hiệu quả.

1.2. Tại sao lựa chọn động cơ phù hợp là bước quyết định

Việc lựa chọn động cơ phù hợp là giai đoạn quan trọng nhất trong thiết kế hệ truyền động. Một động cơ có công suất quá lớn sẽ gây lãng phí năng lượng và chi phí đầu tư ban đầu. Ngược lại, động cơ có công suất quá nhỏ sẽ không đáp ứng được yêu cầu của tải, dẫn đến quá tải, giảm tuổi thọ hoặc không thể vận hành. Như trong tài liệu tham khảo, nhóm nghiên cứu đã phải thực hiện một quy trình tính toán chi tiết dựa trên đồ thị tốc độ và momen của tải để xác định công suất đẳng trị (Pđt) và công suất cực đại (Pmax). Kết quả tính toán yêu cầu một động cơ có công suất lớn hơn 39.867W. Dựa trên thông số này, động cơ P21R 225 S4 với công suất 45KW đã được chọn. Quyết định này không chỉ đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định mà còn tối ưu về mặt kinh tế, thể hiện rõ tầm quan trọng của bước tính toán công suất động cơ ban đầu.

II. Phân tích tải và cách lựa chọn động cơ đồng bộ chính xác

Bước đầu tiên trong mọi dự án thiết kế truyền động điện là phải hiểu rõ 'kẻ thù' - tức là phụ tải. Phân tích yêu cầu của tải không chỉ dừng lại ở việc biết momen và tốc độ định mức. Nó đòi hỏi phải xây dựng được biểu đồ vận hành theo thời gian, bao gồm các giai đoạn tăng tốc, chạy ổn định, giảm tốc và hãm. Từ đồ thị tốc độ mong muốn của tải, các kỹ sư phải quy đổi về trục động cơ thông qua tỉ số truyền. Như trong đồ án nghiên cứu, từ đồ thị tốc độ tải (Hình 1.3), nhóm đã suy ra đồ thị tốc độ động cơ (Hình 1.4). Dựa trên đó, momen và công suất yêu cầu cho từng giai đoạn được tính toán. Quá trình này giúp xác định các chỉ số quan trọng như momen đẳng trị và công suất đẳng trị, làm cơ sở vững chắc cho việc lựa chọn động cơ phù hợp. Giai đoạn này đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối, vì mọi sai sót đều có thể dẫn đến lựa chọn thiết bị sai lầm, ảnh hưởng toàn bộ hiệu quả của hệ truyền động điện.

2.1. Bí quyết tính toán momen và công suất yêu cầu từ tải

Để tính toán momen động cơ, cần xác định momen động (liên quan đến gia tốc và momen quán tính) và momen tĩnh (momen cản của tải). Công thức tổng quát được áp dụng trong tài liệu là Tem = Jeq * (dωm/dt) - TL * (r1/r2). Trong đó, Jeq là momen quán tính tương đương quy đổi về trục động cơ. Quá trình tính toán được chia thành từng giai đoạn vận hành riêng biệt (6 giai đoạn trong đồ án). Ví dụ, trong giai đoạn 1 (0-1s), momen được tính ra là -1491 Nm. Từ các giá trị momen và tốc độ tức thời, công suất trên trục động cơ được xác định bằng công thức P = Tem * ωM. Các giá trị này sau đó được dùng để tính momen đẳng trị (Tđt) và công suất đẳng trị (Pđt), đại diện cho yêu cầu tải trung bình của động cơ trong suốt chu trình làm việc. Phương pháp này đảm bảo động cơ được chọn không bị quá nhiệt khi vận hành lâu dài.

2.2. Quy trình kiểm nghiệm lại động cơ sau khi lựa chọn

Sau khi lựa chọn động cơ phù hợp (động cơ P21R 225 S4) và hộp số (tỉ số truyền 7.5), một bước không thể bỏ qua là kiểm nghiệm lại. Quá trình này tính toán lại momen yêu cầu trên trục động cơ, nhưng lần này bao gồm cả momen quán tính của chính rotor động cơ (Jm = 0,269 kg.m2). Công thức tính Jeq lúc này trở thành Jeq = JM + JL * (r1/r2)^2. Việc này mang lại kết quả chính xác hơn so với tính toán sơ bộ. Kết quả kiểm nghiệm trong đồ án cho thấy đồ thị momen sau khi chọn động cơ (Hình 1.9) xấp xỉ với đồ thị tính toán sơ bộ. Điều này khẳng định rằng động cơ và hộp số đã được lựa chọn chính xác, có khả năng đáp ứng đầy đủ các yêu cầu động học của tải, từ đó đảm bảo sự ổn định và bền bỉ cho toàn bộ hệ truyền động điện.

III. Hướng dẫn thiết kế mạch lực cho hệ truyền động điện PMSM

Mạch lực là bộ phận trực tiếp chuyển đổi và cung cấp năng lượng cho động cơ. Đối với động cơ đồng bộ 3 pha, mạch lực tiêu chuẩn là một bộ biến tần cho động cơ đồng bộ, bao gồm hai khối chính: khối chỉnh lưu và khối nghịch lưu, được nối với nhau qua một khâu một chiều (DC link). Khối chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha từ lưới điện thành điện áp một chiều. Khối nghịch lưu sau đó sẽ 'băm' điện áp một chiều này để tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha có tần số và biên độ thay đổi được, cấp cho động cơ. Việc thiết kế mạch lực đòi hỏi phải tính toán và lựa chọn cẩn thận các linh kiện bán dẫn công suất như Diode và IGBT để chịu được điện áp và dòng điện yêu cầu. Ngoài ra, bộ lọc DC link (thường là tụ điện C và cuộn cảm L) cũng đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc làm phẳng điện áp và dòng điện, đảm bảo bộ nghịch lưu hoạt động ổn định và giảm sóng hài.

3.1. Tính toán và lựa chọn linh kiện cho mạch chỉnh lưu

Trong đồ án, một bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển sử dụng diode đã được lựa chọn. Với nguồn cấp 3 pha 220V, điện áp một chiều sau chỉnh lưu được tính toán là Ud = (3√6/π) * 220 ≈ 515V. Điện áp ngược lớn nhất mà mỗi diode phải chịu là Ung = 220√6 ≈ 539V. Để đảm bảo an toàn, một hệ số dự trữ (K=1.3) được áp dụng, yêu cầu diode phải chịu được điện áp ngược U'ng ≈ 700V. Về dòng điện, với dòng định mức động cơ là 78A, dòng trung bình qua mỗi van là Ivan = Iđm/3 = 26A. Dựa trên các thông số này, diode D42-32-06-N0 (Ung=600V, Iđm=32A) được chọn. Quy trình tính toán chi tiết này đảm bảo thiết kế mạch lực có độ tin cậy cao.

3.2. Thiết kế bộ nghịch lưu 3 pha và bộ lọc DC link tối ưu

Bộ nghịch lưu là thành phần quyết định khả năng điều khiển động cơ. Nó sử dụng 6 van bán dẫn công suất, thường là IGBT, để tạo ra điện áp 3 pha. Việc lựa chọn IGBT cũng dựa trên các tính toán tương tự như diode. Điện áp ngược đặt lên IGBT là Ung = Ku * Ud = 1.2 * 515 = 618V. Dòng điện qua mỗi van là Iđm = Pđm / (3 * Upha) = 45000 / (3 * 220) ≈ 118A. Với hệ số dự trữ 1.3, dòng yêu cầu là 153.7A. IGBT STGW80H65DFB (Umax=650V, Imax=120A) đã được lựa chọn. Bên cạnh đó, bộ lọc LC được thêm vào khâu DC link để giảm nhấp nhô. Giá trị của L và C được tính toán dựa trên công thức LC = (Ksb+1)/(p*2*π*f)^2, nhằm đảm bảo điện áp một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu được phẳng và ổn định, nâng cao chất lượng điều khiển.

IV. Phương pháp điều khiển và mô phỏng động cơ đồng bộ 3 pha

Sau khi hoàn tất thiết kế phần cứng, phần hồn của hệ thống nằm ở thuật toán điều khiển và quá trình kiểm chứng thông qua mô phỏng. Đối với động cơ đồng bộ 3 pha, việc thay đổi tốc độ được thực hiện bằng cách điều chỉnh tần số của nguồn cấp. Phương pháp điều khiển độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) là kỹ thuật phổ biến nhất để điều khiển các van IGBT trong bộ nghịch lưu. Cụ thể, kỹ thuật SPWM (Sinusoidal PWM) tạo ra các xung điều khiển bằng cách so sánh một sóng sin tham chiếu (đại diện cho điện áp mong muốn) với một sóng tam giác tần số cao (sóng mang). Kết quả là một chuỗi xung có độ rộng thay đổi theo dạng hình sin, giúp tái tạo lại điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra. Toàn bộ hệ truyền động điện, từ mạch lực đến động cơ và tải, đều được mô hình hóa và mô phỏng trên Matlab/Simulink để kiểm tra đáp ứng của hệ thống trước khi chế tạo, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.

4.1. Ứng dụng phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM

SPWM là một phương pháp điều khiển moment và tốc độ hiệu quả. Nguyên tắc của nó là tạo ra một điện áp trung bình ở đầu ra bộ nghịch lưu có dạng hình sin bằng cách thay đổi độ rộng của các xung điện áp một chiều. Trong mô phỏng của đồ án, một khối 'PWM Generator (2-level)' được sử dụng để tạo ra tín hiệu SPWM. Khối này nhận tín hiệu điều chế (sóng sin 3 pha) và tạo ra 6 xung kích cho 6 IGBT tương ứng. Ưu điểm của phương pháp này là cấu trúc đơn giản, dễ thực hiện và giảm được các sóng hài bậc thấp. Tuy nhiên, để đạt được hiệu suất điều khiển cao hơn, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu đáp ứng động học nhanh, các phương pháp tiên tiến hơn như điều khiển tựa từ thông hay điều khiển vector (FOC) thường được sử dụng.

4.2. Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống bằng Matlab Simulink

Phần mềm Matlab/Simulink là công cụ không thể thiếu cho các kỹ sư truyền động điện. Nó cho phép xây dựng một mô hình ảo của toàn bộ hệ thống. Như trong Hình 4.1 của tài liệu, mô hình bao gồm nguồn xoay chiều, khối chỉnh lưu (sử dụng các diode), bộ lọc LC, khối nghịch lưu (sử dụng các IGBT), khối phát xung SPWM, và mô hình động cơ đồng bộ 3 pha có sẵn trong thư viện Simscape Electrical. Tải được mô phỏng bằng một khối 'Step' để đưa momen cản vào động cơ tại một thời điểm nhất định. Các khối 'Scope' được dùng để quan sát các đại lượng quan trọng như điện áp, dòng điện, tốc độ và momen. Quá trình mô phỏng Matlab/Simulink này giúp đánh giá tính đúng đắn của thiết kế và hiệu quả của thuật toán điều khiển.

V. Đánh giá kết quả mô phỏng hệ truyền động điện thực tế

Giai đoạn đánh giá kết quả là bước cuối cùng để xác nhận lại toàn bộ quá trình tính toán và thiết kế. Bằng cách so sánh đáp ứng của mô hình mô phỏng với các yêu cầu thiết kế ban đầu, các kỹ sư có thể đưa ra kết luận về hiệu năng của hệ thống. Trong đồ án nghiên cứu, việc đánh giá được thực hiện trong hai trường hợp: không tải và có tải. Các đồ thị kết quả từ mô phỏng Matlab/Simulink cung cấp một cái nhìn trực quan về hoạt động của hệ truyền động điện. Nó cho thấy tốc độ động cơ bám theo giá trị đặt như thế nào, momen điện từ đáp ứng với sự thay đổi của tải ra sao, và chất lượng dòng điện, điện áp tại các điểm khác nhau trong mạch. Những phân tích này không chỉ chứng minh tính khả thi của thiết kế mà còn chỉ ra những điểm cần cải thiện, ví dụ như tối ưu hóa bộ lọc hoặc tinh chỉnh bộ điều khiển PID để giảm dao động.

5.1. Phân tích đáp ứng của động cơ đồng bộ khi không có tải

Trong chế độ không tải, momen cản trên trục động cơ gần như bằng không. Kết quả mô phỏng (Hình 4.3) cho thấy tốc độ động cơ bám khá sát với tốc độ đặt. Tuy nhiên, đồ thị momen điện từ vẫn có sự nhấp nhô và dao động quanh giá trị 0. Nhóm tác giả nhận xét rằng nguyên nhân có thể do 'bộ lọc LC chưa tối ưu nhất dẫn đến việc dòng điện 1 chiều sau khi qua bộ nghịch lưu chưa phải là dòng điện 1 chiều tiêu chuẩn'. Phân tích này rất quan trọng, nó cho thấy sự ảnh hưởng trực tiếp của chất lượng mạch lực đến hiệu năng điều khiển. Dù tốc độ đã đạt yêu cầu, sự dao động của momen cho thấy hệ thống vẫn còn tổn hao và chưa hoạt động ở trạng thái lý tưởng.

5.2. Khảo sát hoạt động của hệ truyền động điện khi có tải

Khi mô phỏng với tải (momen cản được đặt vào động cơ), kết quả (Hình 4.5) cho thấy hệ thống có khả năng đáp ứng. Tốc độ động cơ vẫn bám theo giá trị mong muốn, và momen điện từ tăng lên để cân bằng với momen tải. Tuy nhiên, các đồ thị cũng chỉ ra những vấn đề tồn tại. Nhóm nghiên cứu kết luận: 'tốc độ đáp ứng... vẫn còn dao động nhiều tại thời điểm động cơ khởi động và lúc động cơ chuyển trạng thái' và 'Moment điện từ vẫn còn dao động, chưa ổn định'. Những nhận xét này cho thấy mặc dù thiết kế mạch lực và lựa chọn động cơ đã chính xác, khâu điều khiển vẫn cần được cải tiến. Đây chính là cơ sở để đề xuất các hướng phát triển như sử dụng các bộ điều khiển PID được tinh chỉnh tốt hơn hoặc áp dụng các thuật toán điều khiển nâng cao.

VI. Kết luận và hướng phát triển cho truyền động điện hiện đại

Quá trình thiết kế truyền động điện sử dụng động cơ đồng bộ 3 pha là một bài toán kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi kiến thức tổng hợp về cơ khí, điện, điện tử công suất và lý thuyết điều khiển tự động. Đồ án được phân tích đã thực hiện thành công các bước cốt lõi: từ tính toán chọn động cơ, thiết kế mạch lực, đến mô phỏng và đánh giá hệ thống. Kết quả cho thấy hệ thống đáp ứng được các yêu cầu cơ bản về tốc độ và momen. Tuy nhiên, vẫn còn những hạn chế về độ ổn định và đáp ứng động học. Đây là những thách thức chung trong ngành và cũng là tiền đề cho những nghiên cứu phát triển trong tương lai. Các ứng dụng của động cơ đồng bộ ngày càng đòi hỏi độ chính xác và hiệu suất cao hơn, thúc đẩy việc tìm kiếm các giải pháp điều khiển tiên tiến, vượt qua những giới hạn của các phương pháp điều khiển kinh điển.

6.1. Tổng kết những kết quả chính của quá trình thiết kế

Nghiên cứu đã thành công trong việc lựa chọn động cơ P21R 225 S4 (45KW) và các linh kiện công suất (diode, IGBT) phù hợp với yêu cầu của tải. Hệ thống đã được mô hình hóa thành công trên Matlab/Simulink, cho phép kiểm chứng các tính toán lý thuyết. Kết quả mô phỏng khẳng định rằng tốc độ động cơ có thể được điều khiển để bám theo quỹ đạo mong muốn cả khi không tải và có tải. Những thành công này là nền tảng vững chắc, chứng minh rằng các bước thiết kế cơ bản đã được thực hiện một cách chính xác và khoa học. Tuy nhiên, các phân tích về dao động trong tốc độ và momen cũng là một kết quả quan trọng, chỉ ra sự cần thiết phải cải thiện khâu điều khiển.

6.2. Hướng phát triển với phương pháp điều khiển vector FOC

Để khắc phục những hạn chế về dao động và cải thiện đáp ứng động học, hướng phát triển tự nhiên là áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại. Điều khiển vector (Field-Oriented Control - FOC) là một trong những phương pháp tiên tiến nhất cho điều khiển tốc độ động cơ PMSM. Không giống như điều khiển V/f (tỷ lệ điện áp/tần số) của SPWM, FOC cho phép điều khiển độc lập giữa hai thành phần dòng điện stator: thành phần sinh ra từ thông và thành phần sinh ra momen. Điều này biến động cơ xoay chiều thành một hệ thống có đặc tính điều khiển tương tự động cơ một chiều, cho phép đáp ứng momen cực nhanh và độ chính xác cao. Việc tích hợp các cảm biến như encoder và resolver để có thông tin chính xác về vị trí rotor là yêu cầu bắt buộc khi triển khai FOC. Đây là hướng đi đầy hứa hẹn để nâng cấp hệ thống, đáp ứng các ứng dụng của động cơ đồng bộ trong robot, xe điện và máy CNC.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN YÊU CẦU CỦA TẢI VÀ TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 1.1 Tổng quan hệ thống và phân tích yêu cầu công nghệ: Mô tả dự án: Hình 1. 1 Hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ Thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha đồng bộ gồm 2 bánh răng có bán kính 𝑟1 và 𝑟2 với các số liệu ban đầu như sau: • Nguồn cấp cho động cơ: nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V/380V • Tải của hệ thống truyền động điện được cho như hình vẽ với: 𝑟1 = 4,5 ; 𝑇𝐿 = 30(𝑁𝑚) ; 𝐽𝐿 = 3 (𝑘𝑔. 2 Tải hệ thống truyền động điện Bài toán của chúng ta ở đây là thiết kế hệ thống truyền động điện để là cho cơ cấu bánh răng hoạt động, và quay được tải chạy đúng theo yêu cầu mà hệ mong muốn. 6 PBL2:TK hệ thống truyền động điện-21TDH2 GV hướng dẫn: TS.

Nguyễn Khánh Quang Ta có đồ thị tốc độ mong muốn của tải: Hình 1.3 Đồ thị tốc độ mong muốn của tải Điều khiển động cơ dễ dàng, điều khiển động cơ có đảo chiều quay. Tính chọn được các thiết bị của hệ thống (động cơ, gearbox, biến tần…) các thiết bị được chọn đảm bảo yều cầu kĩ thuật và yêu cầu kinh tế Từ đồ thị tốc độ mong muốn của phụ tải đã cho sẵn, tìm ra đồ thị tốc độ của động cơ.2 Tính chọn động cơ: Để tính chọn công suất động cơ, ta phải tính toán giá trị momen và công suất của động cơ sao cho tốc độ của động cơ bám sát với yêu cầu của bài toán đặt ra. Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ được tính từ tốc độ mong muốn của tải, từ tốc độ mong muốn của động cơ ta tính tiếp các giá trị công suất, momem thông qua các biểu thức liên hệ, từ đó chọn được động cơ phù hợp.1 Tốc độ mong muốn của động cơ: Từ đồ thị tốc độ mong muốn của phụ tải đã cho sẵn, tìm ra đồ thị tốc độ của động cơ. Vì động cơ và tải quay ngược chiều với nhau, và có tốc độ dài bằng nhau nên ta có: 𝜔𝑀 .1) 𝜔𝐿 𝑟1 𝜔𝐿 ⇒ =− = −4,5 → 𝜔𝑀 = − 𝜔𝑀 𝑟2 4,5 Đồ thị mong muốn của động cơ lúc này như sau: 7 PBL2:TK hệ thống truyền động điện-21TDH2 GV hướng dẫn: TS.

Nguyễn Khánh Quang Hình 1. 4 Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ Dựa vào đồ thị trên, ta có thể xác định quá trình diễn ra trong 6 giai đoạn: • Giai đoạn 1: Động cơ từ 𝜔𝑀 = 0 𝑟𝑎𝑑/𝑠 đến 𝜔𝑀 = −22.22𝑟𝑎𝑑/𝑠 trong vòng 1s • Giai đoạn 2: Động cơ giữ nguyên tốc độ 𝜔𝑀 = −22.22 𝑟𝑎𝑑/𝑠 trong vòng 2s • Giai đoạn 3 : Động cơ tăng ngay lập tức về 𝜔𝑀 = 0 𝑟𝑎𝑑/𝑠 trong vòng 0,59s • Giai đoạn 4: Động cơ quay theo chiều ngược lại, tốc độ từ 𝜔𝑀 = 0 𝑟𝑎𝑑/𝑠 đến 𝜔𝑀 = 15.56 𝑟𝑎𝑑/𝑠 trong vòng 0,41s • Giai đoạn 5: Động cơ giữ nguyên tốc độ 𝜔𝑀 = 15.56 𝑟𝑎𝑑/𝑠 trong vòng 2s • Giai đoạn 6: Động cơ tắt dần về 𝜔𝑀 = 0 𝑟𝑎𝑑/𝑠 trong vòng 1s 1.2 Tính toán momen yêu cầu của tải: 𝜔𝑀 Ta có: 𝑇1 .4) 𝑑𝑡 𝜔𝑀 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑟2 𝑑𝑡 8 PBL2:TK hệ thống truyền động điện-21TDH2 GV hướng dẫn: TS. Nguyễn Khánh Quang Vì chưa chọn động cơ nên ta bỏ qua giá trị 𝐽𝑀 , Ta có công thức tính sơ bộ momen cần để động cơ cung cấp cho tải như sau: 𝑑 𝜔𝐿 𝑟 𝑇𝑒𝑚 = − (𝑇𝐿 + 𝐽𝐿 ) 1 (1.5) 𝑑𝑡 𝑟2 Lúc này ta có: • Từ 0s đến 1s: 𝑑 𝜔𝐿 𝑟 100−0 𝑇𝑒𝑚1 = − (𝑇𝐿 + 𝐽𝐿 ) 1 = − (30 + 3 ) 4. 5 Đồ thị momen mong muốn của động cơ sau khi tính toán sơ bộ 9 PBL2:TK hệ thống truyền động điện-21TDH2 GV hướng dẫn: TS.

Nguyễn Khánh Quang 1.3 Công suất trên trục động cơ: Công thức tính công suất của động cơ theo từng giai đoạn: 𝑃 = 𝑇𝑒𝑚 .6) Lúc này ta có: • Tại t= 0s: 𝑃0 = 𝑇𝑒𝑚1. 0 = 0(𝑊) 10 PBL2:TK hệ thống truyền động điện-21TDH2 GV hướng dẫn: TS. Nguyễn Khánh Quang Hình 1. 6 Đồ thị công suất mong muốn của động cơ sau khi tính toán sơ bộ 1.4 Momen đẳng trị và công suất đẳng trị: Tính chọn Momen đẳng trị Tđt và công suất đẳng trị Pđt ∑ Temi 2 .∆t6 =√ 0 t1 +t2 +t3 +t4 +t5 +t6 11 PBL2:TK hệ thống truyền động điện-21TDH2 GV hướng dẫn: TS.

Nguyễn Khánh Quang P 2 .34(𝑊) 7 - Trong quá trình vận hành, công suất động cơ tức thời đạt giá trị max với Pmax= 47840W, Chọn Service Factor = 1.2, vậy nên ta phải chọn động cơ có công suất động cơ Pmotor như sau: P 47840 ➢ Pmotor > max = = 39867 (W) 1.5 Lựa chọn động cơ: Dựa vào Pđm , ta tính được ở trên, suy ra Pmotor > 39867 (W), ta chọn động cơ P21R 225 S4 có các thông số như sau: + Công suất định mức (Pđm ): 45 KW + Điện áp định mức (Uđm ) : 380 V + Tần số định mức (f): 50 Hz + Tốc độ định mức (nđm ): 1500 vòng/phút = 157.08 rad/s + Momen định mức (Tđm ): 287 Nm + Momen quán tính (Jm ): 0,269 kg.𝑚2 + Khối lượng: 270 Kg + Dòng điện định mức: 78 A 12 PBL2:TK hệ thống truyền động điện-21TDH2 GV hướng dẫn: TS. Nguyễn Khánh Quang Hình 1.6 Chọn hộp số động cơ: Ta có tốc độ định mức của động cơ là 157.08 rad/s trong khi tốc độ lớn nhất ta tính theo yêu cầu là 22.22 rad/s nên ta chọn hộp số động cơ có hệ số truyền bằng 7.5 13 PBL2:TK hệ thống truyền động điện-21TDH2 GV hướng dẫn: TS. Nguyễn Khánh Quang Hình 1. 8 Hộp số Worm Gear 1:7.7 Bảng vẽ hộp số 14 PBL2:TK hệ thống truyền động điện-21TDH2 GV hướng dẫn: TS.

Nguyễn Khánh Quang 1.7 Kiểm nghiệm lại động cơ Từ đó ta tính được mô men định mức quy đổi của động cơ khi qua hộp số: Tđm = 287 x 7.5 𝑠 Kiểm nghiệm lại mô men trên đầu trục động cơ: Gọi Jeq là mô men quán tính tương đương quy về động cơ. Theo phương trình động năng của hệ ta có: ωM 2 ωM 2 ωL 2 Jeq = JM + JL (1.9) 2 2 2 ωL 2 r =>Jeq = JM + JL =JM + JL ( 1 )2 =0,269+3. 𝑚2 ωM 2 r2 dωm r Ta có: Tem = Jeq − TL 1 dt r2 - Giai đoạn 1: Từ 0 đến 1s dωm r1 −22.22 − 0 Tem1 = Jeq − TL = 61.5 = −1491 (𝑁𝑚) dt r2 1 - Giai đoạn 2: Từ 1 đến 3s dωm r1 −22.22) Tem2 = Jeq − TL = 61.5 = −135 (𝑁𝑚) dt r2 1 - Giai đoạn 3: Từ 3 đến 3,58s dωm r1 0 − (−22.22) Tem3 = Jeq − TL = 61.5 = 2163 (𝑁𝑚) dt r2 0,59 - Giai đoạn 4: Từ 3,58 đến 4s 15 PBL2:TK hệ thống truyền động điện-21TDH2 GV hướng dẫn: TS. Nguyễn Khánh Quang dωm r1 15.56 − 0 Tem4 = Jeq − TL = 61.5 = 2181 (𝑁𝑚) dt r2 0,41 - Giai đoạn 5: Từ 4 đến 6s dωm r1 15.56 Tem5 = Jeq − TL = 61.5 = −135 (𝑁𝑚) dt r2 2 - Giai đoạn 6: Từ 6 đến 7s dωm r1 0 − 15.56 Tem6 = Jeq − TL = 61.5 = −1084 (𝑁𝑚) dt r2 1 Ta thấy mô men điện từ trước và sau khi chọn động cơ đều xấp xỉ bằng nhau.

9 Đồ thị momen động cơ sau khi kiểm nghiệm Kiểm nghiệm lại công suất của động cơ: Tại đây ta áp dụng công thức tính công suất của động cơ (1. 𝜔𝑀 Lúc này ta có: 16 PBL2:TK hệ thống truyền động điện-21TDH2 GV hướng dẫn: TS. Nguyễn Khánh Quang • Tại t= 0s: 𝑃0 = 𝑇𝑒𝑚1. 0 = 0(𝑊) 17 PBL2:TK hệ thống truyền động điện-21TDH2 GV hướng dẫn: TS.

Nguyễn Khánh Quang Hình 1. 10 Đồ thị công suất của động cơ sau kiểm nghiệm 1.3 Mô phỏng động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ bằng Matlab Simulink: Hình 1. 11 Mô phỏng động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ trong Matlab Simulink Các bước thực hiện mô phỏng: 18 PBL2:TK hệ thống truyền động điện-21TDH2 GV hướng dẫn: TS. Nguyễn Khánh Quang • Dùng công cụ Simulink library browser để lấy ra các khối cần để mô phỏng.

Sau đó nối các khối lại với nhau theo hình trên. • Nhấn đúp vào khối động cơ và chọn loại động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ thích hợp: Hình 1. 12 Lựa chọn thông số động cơ 19 PBL2:TK hệ thống truyền động điện-21TDH2 GV hướng dẫn: TS. Nguyễn Khánh Quang • Nối các đầu dương của nguồn với các điểm A,B,C trên động cơ để cấp nguồn điện xoay chiều cho động cơ.

Đầu còn lại nối đất. Chọn giá trị điện áp 220*√2, Tần số 50Hz và chọn giá trị pha tương ứng 0𝑜 , −120𝑜 , −240𝑜. • Chọn khối Step dùng làm tải Hình 1. 13 Điền thông số của tải đặt vào động cơ • Lấy ra tín hiệu tốc độ Rotor và Momen điện từ từ động cơ đưa vào khối Scope để hiển thị đồ thị.

• Thêm tải vào thời điểm 1s Chức năng của các khối: • Khối Step: dùng làm tải. • Khối Scope: Hiển thị đồ thị. • Vôn kế: Để đo điện áp xoay chiều ba pha. *Lưu ý: Phải thêm khối Powergui để có thể chạy được mô phỏng.

20 PBL2:TK hệ thống truyền động điện-21TDH2 GV hướng dẫn: TS. Nguyễn Khánh Quang Kết quả mô phỏng: Hình 1. 14 Đồ thị biểu thị tốc độ và momen điện từ của động cơ Nhận xét: - Tốc độ: Lúc khởi động do moment và dòng điện lớn nên tốc độ động cơ có dao động, sau đó ổn định.Sau đó 1s, khi đóng tải, đồ thị lại dao động do momen và dòng điện thay đổi đột ngột và sau một khoảng thời gian lại ổn định, tốc độ động cơ không đổi. - Moment điện từ: Momen động cơ tỉ lệ với dòng điện và tỉ lệ với đòng điện đặt trong từ trường.

Khi đóng tải, tốc độ bị sụt giảm tạo ra dao động nên dòng điện sẽ tăng lên nên momen điện từ cũng tăng lên.Sau thời gian ngắn moment điện từ cân bằng với moment tải thì tốc độ quay sẽ ổn định.4 Kết luận Trong chương này, nhóm đã chọn được động cơ phù hợp cho dự án thông qua việc tính toán động cơ theo tải. Đồng thời đã kiểm nghiệm được chất lượng của nó thông qua việc mô phỏng và đánh giá trên phần mềm MATLAB – SIMULINK. 21 PBL2:TK hệ thống truyền động điện-21TDH2 GV hướng dẫn: TS.