Báo cáo đồ án liên môn pbl2 đề tài thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ

Báo cáo đồ án liên môn PBL2 về thiết kế hệ thống truyền động điện với động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ, cung cấp kiến thức chuyên sâu.

• Tác giả: Đặng Bảo Chiến
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Điện Sử Dụng Động Cơ Xoay Chiều 3 Pha Không Đồng Bộ
• Loại tài liệu: báo cáo đồ án
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI ĐẦU TIÊN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ. GIỚI THIỆU HỆ TRUYỀN ĐỘNG
• 1.1. Yêu cầu đề tài
• 1.2. Nguyên lí chung của toàn bộ hệ thống
• 1.3. Tính chọn động cơ cho hệ
• 1.4. Kiểm nghiệm lại hệ thống, chọn tỉ lệ hộp số
• 1.5. Mô phỏng động cơ
• 2. CHƯƠNG 2: BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT
• 2.1. Tổng quan về bộ biến đổi công suất
• 2.2. Lựa chọn bộ biến đổi công suất
• 2.3. Biến tần nguồn áp gián tiếp
• 2.4. Tính chọn linh kiện
• 2.5. Phương pháp điều khiển
• 2.6. Mô phỏng và nhận xét
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN PHẦN ĐO LƯỜNG, BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ HOÀN THIỆN SƠ ĐỒ MẠCH PHẦN CỨNG TOÀN HỆ THỐNG
• 3.1. Tính chọn cảm biến
• 3.2. Tính chọn vi điều khiển
• 3.3. Giao tiếp các cảm biến với vi điều khiển
• 3.4. Sơ đồ chi tiết mạch phần cứng của hệ truyền điện
• 3.5. Bảng liệt kê các thiết bị sử dụng
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG
• 4.1. Phân tích kết quả mô phỏng
• 4.2. Đánh giá chất lượng của hệ thống
• MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Điện

Hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ đang trở thành xu hướng trong ngành công nghiệp hiện đại. Thiết kế hệ thống này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn nâng cao độ tin cậy trong vận hành. Động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ được ưa chuộng nhờ vào khả năng hoạt động ổn định và hiệu suất cao. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các thành phần của hệ thống là rất quan trọng để đảm bảo thiết kế thành công.

1.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Động Cơ Xoay Chiều

Động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ hoạt động dựa trên nguyên lý từ trường quay. Khi dòng điện 3 pha được cấp vào cuộn dây, nó tạo ra một từ trường quay, làm cho rotor quay theo. Nguyên lý này giúp động cơ có thể hoạt động hiệu quả với tải nặng mà không cần bảo trì thường xuyên.

1.2. Các Thành Phần Chính Của Hệ Thống

Hệ thống truyền động điện bao gồm các thành phần chính như động cơ, bộ biến đổi công suất, cảm biến và bộ điều khiển. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Điện

Thiết kế hệ thống truyền động điện không chỉ đơn thuần là lựa chọn động cơ mà còn phải đối mặt với nhiều thách thức khác nhau. Các vấn đề như hiệu suất, độ tin cậy và khả năng điều khiển chính xác là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng. Việc lựa chọn động cơ phù hợp với yêu cầu tải là một trong những thách thức lớn nhất.

2.1. Vấn Đề Hiệu Suất Động Cơ

Hiệu suất của động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thiết kế, vật liệu và điều kiện hoạt động. Việc tối ưu hóa hiệu suất là cần thiết để giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng cường hiệu quả hoạt động.

2.2. Độ Tin Cậy Trong Vận Hành

Độ tin cậy của hệ thống truyền động điện là yếu tố quan trọng trong thiết kế. Các sự cố có thể xảy ra do quá tải, nhiệt độ cao hoặc hư hỏng linh kiện. Cần có các biện pháp bảo trì và giám sát để đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Điện

Để thiết kế một hệ thống truyền động điện hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc lựa chọn động cơ, bộ biến đổi công suất và cảm biến là rất quan trọng. Các phương pháp mô phỏng cũng giúp đánh giá hiệu suất của hệ thống trước khi triển khai thực tế.

3.1. Lựa Chọn Động Cơ Phù Hợp

Việc lựa chọn động cơ phù hợp với yêu cầu tải là rất quan trọng. Cần xem xét các thông số như công suất, momen và tốc độ để đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả trong điều kiện thực tế.

3.2. Sử Dụng Bộ Biến Đổi Công Suất

Bộ biến đổi công suất giúp điều chỉnh điện áp và tần số cung cấp cho động cơ. Việc lựa chọn bộ biến đổi phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Thống Truyền Động Điện

Hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ có nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Từ các dây chuyền sản xuất tự động đến các thiết bị gia dụng, hệ thống này giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí vận hành.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp

Trong ngành công nghiệp, hệ thống truyền động điện được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất tự động. Động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ giúp điều khiển chính xác tốc độ và momen, từ đó nâng cao hiệu suất sản xuất.

4.2. Ứng Dụng Trong Đời Sống Hằng Ngày

Ngoài ứng dụng trong công nghiệp, hệ thống truyền động điện còn được sử dụng trong các thiết bị gia dụng như quạt, máy giặt và máy bơm. Điều này giúp cải thiện chất lượng cuộc sống và tiết kiệm năng lượng.

V. Kết Luận Về Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Điện

Thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Việc áp dụng các công nghệ hiện đại và phương pháp thiết kế khoa học sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Tương lai của hệ thống này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho ngành công nghiệp và đời sống.

5.1. Tương Lai Của Hệ Thống Truyền Động Điện

Với sự phát triển của công nghệ, hệ thống truyền động điện sẽ ngày càng được cải tiến. Các nghiên cứu mới về vật liệu và công nghệ điều khiển sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí.

5.2. Lời Khuyên Cho Các Kỹ Sư Thiết Kế

Các kỹ sư thiết kế cần nắm vững các nguyên lý cơ bản và áp dụng các công nghệ mới nhất để tối ưu hóa hệ thống. Việc thường xuyên cập nhật kiến thức và kỹ năng sẽ giúp nâng cao chất lượng thiết kế.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các hệ thống sản xuất công nghiệp hiện đại, ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử và Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa quy trình vận hành và nâng cao năng suất lao động. Việc nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống điều khiển truyền động điện có khả năng thay đổi cấu trúc, tham số linh hoạt nhằm duy trì ổn định tốc độ cho các hệ thống phi tuyến và phụ tải thực tế là một yêu cầu kỹ thuật quan trọng.

Đồ án liên môn PBL2 (Project Based Learning 2) với đề tài "Thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ" được thực hiện nhằm tích hợp và vận dụng kiến thức chuyên ngành từ bốn môn học cốt lõi: Điện tử công suất, Kỹ thuật đo lường, Kỹ thuật vi điều khiển và Truyền động điện. Đề tài giải quyết bài toán điều khiển tự động tốc độ của cơ cấu truyền động kéo tải băng chuyền công nghiệp theo một chu trình chuyển động xác định trước.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

1. Phân tích yêu cầu phụ tải cơ học, xây dựng biểu đồ phụ tải và tính chọn động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ đáp ứng các chỉ tiêu về mômen, công suất và tốc độ làm việc.
2. Tính toán, lựa chọn tỷ số truyền và kiểm nghiệm sự phối hợp giữa động cơ với hộp giảm tốc nhằm tối ưu hóa điểm làm việc của hệ truyền động.
3. Nghiên cứu, thiết kế và tính chọn thông số kỹ thuật cho bộ biến đổi công suất gián tiếp AC-DC-AC (bao gồm mạch chỉnh lưu cầu Diode, bộ lọc một chiều LC, nghịch lưu áp ba pha dùng IGBT, mạch lái Gate Drive và các thiết bị bảo vệ).
4. Tính chọn vi điều khiển và các thiết bị đo lường (cảm biến dòng điện, cảm biến tốc độ) phục vụ mạch điều khiển và giám sát.
5. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink và Proteus nhằm kiểm nghiệm đáp ứng động học và chất lượng điều khiển của toàn hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống truyền động điện xoay chiều sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha điều khiển qua biến tần nguồn áp gián tiếp kéo tải băng chuyền. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian và thời gian được thực hiện tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng, hoàn thành vào tháng 01 năm 2025. Thông số giới hạn của phụ tải băng chuyền bao gồm: chiều dài 30 m, chiều rộng 0,25 m, độ dày 1 mm; bán kính rulo gắn tải $r = 0,35\text{ m}$; khối lượng tải trọng đặt lên băng chuyền $M \le 7\text{ kg}$; tốc độ dài tối đa đạt $7\text{ m/s}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài dựa trên nền tảng lý thuyết truyền động điện, máy điện xoay chiều, điện tử công suất và kỹ thuật điều khiển số. Hệ thống phương trình động học truyền động cơ bản được áp dụng bao gồm:

• Định luật II Newton mô tả lực kéo tải: $F = M \frac{du}{dt} + f_L$, trong đó $u$ là vận tốc dài và $f_L$ là lực cản.
• Mối liên hệ giữa vận tốc dài và tốc độ góc trục tải: $\omega_m = \frac{u}{r}$.
• Phương trình cân bằng mômen trên trục động cơ: $T_{em} = J_M \frac{d\omega_M}{dt} + T_L$.
• Phương pháp tính toán mômen đẳng trị ($T_{eq}$) và công suất đẳng trị ($P_{eq}$) theo chu kỳ làm việc: $$T_{eq} = \sqrt{\frac{\sum T_{emi}^2 \cdot t_i}{T_{ck}}}$$
• Nguyên lý điều khiển tần số cho động cơ không đồng bộ ba pha theo luật tỷ lệ điện áp/tần số ($V/f$) và phương pháp điều biến độ rộng xung hình sin (Sinusoidal Pulse Width Modulation - SPWM) dựa trên việc so sánh điện áp chuẩn hình sin $U_{ref}$ tần số $f_0$ với sóng mang hình răng cưa/tam giác $U_c$ tần số $f_c$.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa tính toán giải tích kỹ thuật và mô phỏng số hóa:

• Phương pháp tính toán giải tích: Tính chọn công suất động cơ theo phương pháp tổn hao đẳng trị, tính toán chọn tỷ số truyền hộp giảm tốc, tính chọn dòng điện - điện áp chịu đựng của linh kiện bán dẫn (IGBT, Diode), tính giá trị điện cảm $L$ và điện dung $C$ cho bộ lọc DC.
• Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng công cụ Matlab/Simulink để mô phỏng đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp, tần số, tải trọng; mô phỏng mạch chỉnh lưu cầu ba pha, mạch nghịch lưu áp và toàn bộ hệ thống truyền động hở. Sử dụng phần mềm Proteus để mô phỏng mạch đệm khuếch đại xung kích Gate Drive cho van công suất.
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu xuất phát từ yêu cầu công nghệ của bài toán tải băng chuyền, kết hợp với các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn từ bảng tra cứu thiết bị công nghiệp (động cơ SGP, hộp giảm tốc PHL, IGBT Fairchild/ON Semiconductor, thiết bị đóng cắt bảo vệ LS, vi điều khiển STMicroelectronics).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống truyền động điện được thiết kế thành hai phân hệ chính: mạch động lực và mạch điều khiển - đo lường.

Cấu trúc mạch động lực

Mạch động lực nhận nguồn điện xoay chiều 3 pha (220/380 VAC, 50 Hz), qua thiết bị bảo vệ gồm Aptomat khối (MCB) và Rơ le nhiệt, đưa vào bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển dùng Diode. Điện áp một chiều sau chỉnh lưu được san phẳng qua bộ lọc thông thấp LC trung gian. Khâu nghịch lưu 3 pha sử dụng 6 van IGBT được đóng cắt theo thuật toán SPWM để tạo ra hệ thống điện áp 3 pha có tần số và biên độ điều chỉnh được, cấp nguồn cho động cơ không đồng bộ 3 pha. Động cơ kết nối với tải băng chuyền qua hộp giảm tốc cơ khí tỷ lệ 7:1.

Phân loại thiết bị	Tên thiết bị / Mã linh kiện	Thông số kỹ thuật danh định
Động cơ điện	IE1-71M2-4 (Hãng SGP)	$P_{\text{đm}} = 370\text{ W}$, $U_{\text{đm}} = 220/380\text{ VAC}$, $T_{\text{đm}} = 2,7\text{ Nm}$, $n_{\text{đm}} = 1330\text{ rpm}$, $I_{\text{đm}} = 1,12\text{ A}$, $I_s = 3,38\text{ A}$, $\cos\varphi = 0,75$, $\eta = 67%$, $J_M = 0,01\text{ kg}\cdot\text{m}^2$, $2p = 4$
Hộp giảm tốc	PHL90	Tỷ số truyền $7:1$, Mômen định mức $125\text{ Nm}$, Mômen cực đại $225\text{ Nm}$, Tốc độ vào định mức $4000\text{ rpm}$, Hiệu suất $\ge 97%$
Van nghịch lưu	IGBT FGL40N120AN	$V_{CES} = 1200\text{ V}$, $I_C = 40\text{ A}$, $P_D = 500\text{ W}$, công nghệ NPT
Diode chỉnh lưu	BYM26E	$I_{\text{đm}} = 2,3\text{ A}$, $U_{ng.\max} = 1000\text{ V}$, $T_{rr} = 75\text{ ns}$
Bộ lọc một chiều	Mạch lọc LC	$L = 3\text{ H}$, $C = 1\ \mu\text{F}$, hệ số san bằng $k_{sb} = 10$
Aptomat bảo vệ	MCB LS BKN-b 3P 10A	Điện áp định mức $415\text{ V}$, Dòng định mức $10\text{ A}$, Dòng cắt $10\text{ kA}$
Rơ le nhiệt	LS MT-32 (4-6A) 3P	Điện áp định mức $690\text{ V}$, Dải chỉnh định dòng điện $4 - 6\text{ A}$
Vi điều khiển	STM32F103C8T6	Lõi ARM Cortex-M3, tần số $72\text{ MHz}$, bộ định thời Timer tạo PWM
Cảm biến đo lường	Module WCS1700 & Encoder NPN	Cảm biến dòng Hall WCS1700; Cảm biến tốc độ Encoder 400 xung/vòng

Cấu trúc mạch điều khiển và đo lường

Mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển 32-bit STM32F103C8T6. Tín hiệu tốc độ thực tế từ Encoder NPN (400 xung) và tín hiệu dòng điện từ cảm biến dòng Hall WCS1700 được thu thập về vi điều khiển để tính toán sai lệch so với giá trị đặt. Tín hiệu điều khiển PWM xuất từ vi điều khiển có mức điện áp thấp ($3,3\text{V} - 5\text{V}$) không đủ công suất kích trực tiếp cực cổng của IGBT, do đó được đưa qua mạch khuếch đại đệm cách ly (Gate Drive) để tạo xung kích áp/dòng thích hợp điều khiển đóng mở các nhánh van IGBT.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ. GIỚI THIỆU HỆ TRUYỀN ĐỘNG.

Chương 1 thiết lập các yêu cầu kỹ thuật và phân tích động học của phụ tải băng chuyền. Chu trình làm việc mong muốn của tải trong khoảng thời gian một chu kỳ $t = 7\text{ s}$ được chia thành 5 giai đoạn:

1. Giai đoạn $0\text{s} - 1\text{s}$: Khởi động và tăng tốc từ $0\text{ rad/s}$ lên $20\text{ rad/s}$.
2. Giai đoạn $1\text{s} - 3\text{s}$: Vận hành ổn định ở tốc độ thuận $20\text{ rad/s}$.
3. Giai đoạn $3\text{s} - 4\text{s}$: Hãm và đảo chiều quay từ $+20\text{ rad/s}$ về $-20\text{ rad/s}$.
4. Giai đoạn $4\text{s} - 6\text{s}$: Vận hành ổn định ở tốc độ nghịch $-20\text{ rad/s}$.
5. Giai đoạn $6\text{s} - 7\text{s}$: Giảm tốc từ $-20\text{ rad/s}$ về $0\text{ rad/s}$ và dừng hẳn.

Dựa trên khối lượng tải $M = 7\text{ kg}$ và bán kính trục $r = 0,35\text{ m}$, đồ án tính toán mômen cản tĩnh $T_c = 17,15\text{ Nm}$, mômen đẳng trị $T_{eq} = 15,45\text{ Nm}$ và công suất đẳng trị $P_{eq} = 317,6\text{ W}$. Với hệ số dự trữ chọn $k = 1,4$, công suất định mức yêu cầu là $444,64\text{ W}$. Động cơ tiêu chuẩn IE1-71M2-4 ($370\text{ W}$, $1330\text{ rpm}$) được lựa chọn kết hợp cùng hộp giảm tốc PHL90 có tỷ số truyền $R = 7:1$. Sau hộp giảm tốc, tốc độ định mức đạt $19,9\text{ rad/s} \approx 20\text{ rad/s}$ và mômen định mức đạt $18,9\text{ Nm}$, đáp ứng đầy đủ yêu cầu kéo tải.

Chương này cũng thực hiện mô phỏng động cơ trên Matlab/Simulink để khảo sát các trường hợp: giảm điện áp từ $380\text{V}$ xuống $190\text{V}$ (tốc độ xác lập giảm xuống $153\text{ rad/s}$); giảm tần số từ $50\text{Hz}$ xuống $25\text{Hz}$; điều chỉnh đồng thời điện áp và tần số ($190\text{V} - 25\text{Hz}$, tốc độ giảm về $78\text{ rad/s}$); và đóng tải $50\text{ Nm}$ tại thời điểm $t = 0,5\text{ s}$. Kết quả cho thấy thời gian đáp ứng quá độ của động cơ đạt từ $0,3\text{s} - 0,4\text{s}$, không xuất hiện hiện tượng vọt lố nghiêm trọng.

CHƯƠNG 2: BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT.

Chương 2 trình bày chi tiết về cấu trúc và tính toán tham số của biến tần nguồn áp gián tiếp AC-DC-AC:

• Tính chọn IGBT: Dựa trên dòng điện định mức động cơ $I_{\text{đm}} = 1,12\text{ A}$, hệ số dự trữ dòng $K_I = 1,4$ và dòng sóng hài $I_h = 1,1\text{ A}$; điện áp một chiều $U_d = \frac{2\sqrt{2}}{\sqrt{3}} \cdot 220 = 359,2\text{ V}$, với hệ số an toàn điện áp bằng 3 ta có $U_V = 1077,6\text{ V}$. Lựa chọn van FGL40N120AN ($1200\text{ V}$, $40\text{ A}$, $500\text{ W}$).
• Tính chọn bộ lọc LC: Với hệ số san bằng $k_{sb} = 10$ và chọn tụ $C = 1\ \mu\text{F}$, giá trị cuộn cảm tính được xấp xỉ $L \approx 3\text{ H}$.
• Tính chọn Diode: Điện áp ngược cực đại tính toán $U_{ng.\max} = 1000\text{ V}$, dòng trung bình $I_D = 0,37\text{ A}$, lựa chọn diode BYM26E ($2,3\text{ A}$, $1000\text{ V}$, thời gian phục hồi $T_{rr} = 75\text{ ns}$).
• Mạch lái và thiết bị bảo vệ: Thiết kế mạch Gate Drive trên Proteus, kết quả kiểm tra dạng sóng cho thấy xung điều khiển đầu ra khuếch đại chuẩn xác chu kỳ $T$ và thời gian dẫn $t_{on}$. Chọn MCB LS BKN-b 3P 10A và Rơ le nhiệt LS MT-32 dải chỉnh định $4 - 6\text{ A}$.
• Phương pháp điều khiển SPWM: Thiết lập nguyên tắc phát xung không trùng dẫn giữa hai van cùng nhánh, điều chỉnh biên độ sóng mang để thay đổi điện áp ra và điều chỉnh tần số sóng sin chuẩn để thay đổi tần số ra.
• Mô phỏng hệ hở trên Simulink: Mô phỏng dạng sóng nguồn 3 pha đầu vào, điện áp và dòng điện sau chỉnh lưu lọc LC, điện áp băm xung 3 pha sau nghịch lưu và dòng điện tải sin hóa có tần số cơ bản $50\text{ Hz}$. Thời gian quá độ của khâu chỉnh lưu dưới $0,1\text{ s}$ và của khâu nghịch lưu dưới $0,2\text{ s}$.

CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN PHẦN ĐO LƯỜNG, BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ HOÀN THIỆN SƠ ĐỒ MẠCH PHẦN CỨNG TOÀN HỆ THỐNG.

Chương 3 tập trung vào thiết kế phần cứng điều khiển và ghép nối tín hiệu:

• Tính chọn cảm biến dòng điện WCS1700 hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, cho phép đo dòng AC/DC và cách ly điện áp an toàn.
• Lựa chọn Encoder quang học NPN độ phân giải 400 xung/vòng gắn trên trục động cơ để phản hồi chính xác vị trí và vận tốc góc.
• Cấu hình vi điều khiển STM32F103C8T6: sử dụng các kênh Timer chức năng PWM để phát 6 kênh xung điều khiển biến tần, sử dụng ngắt Encoder để đọc tín hiệu tốc độ và kênh ADC để đọc điện áp từ cảm biến dòng.
• Xây dựng sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch phần cứng mô tả kết nối giữa khối nguồn 3 pha, khối bảo vệ, cầu Diode, lọc LC, cầu 6 van IGBT, mạch Gate Drive, STM32F103C8T6 và các cảm biến hồi tiếp.

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG.

Chương 4 tích hợp toàn bộ các khối động lực và điều khiển để chạy mô phỏng tổng thể hệ truyền động kéo tải:

• Phân tích dạng sóng điện áp và dòng điện tại các nút: đầu vào 3 pha, thanh cái DC sau lọc, và đầu ra cấp cho cuộn dây stator động cơ.
• Đánh giá chất lượng đáp ứng động học: Đồ thị tốc độ thực tế của động cơ bám sát đồ thị tốc độ đặt qua các giai đoạn tăng tốc, ổn định thuận ($20\text{ rad/s}$), đảo chiều ($-20\text{ rad/s}$) và giảm tốc về 0.
• Đồ thị mômen điện từ đáp ứng chính xác mômen tải yêu cầu; trong khoảng thời gian đảo chiều $3\text{s} - 4\text{s}$, mômen có hiện tượng tăng cao tạm thời nhưng nằm trong giới hạn chịu đựng cực đại của động cơ và hộp số ($T_{\max dc} = 56,7\text{ Nm} > 15,45\text{ Nm}$), không gây mất ổn định cho hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

1. Tính toán và phối ghép thông số chính xác: Thiết lập thành công chu trình làm việc của tải băng chuyền với tải trọng $7\text{ kg}$, tốc độ góc $20\text{ rad/s}$; lựa chọn chính xác động cơ IE1-71M2-4 ($370\text{ W}$) kết hợp hộp số PHL90 tỷ số truyền $7:1$, đáp ứng mômen định mức sau hộp số $18,9\text{ Nm}$ (vượt mômen cản tĩnh $17,15\text{ Nm}$) và tốc độ định mức $19,9\text{ rad/s}$.
2. Thiết kế hoàn chỉnh bộ biến đổi AC-DC-AC: Xác định đầy đủ tham số phần cứng: van nghịch lưu IGBT $1200\text{ V}/40\text{ A}$, diode chỉnh lưu $1000\text{ V}/2,3\text{ A}$, bộ lọc DC ($L = 3\text{ H}, C = 1\ \mu\text{F}$), bảo vệ bằng MCB 10A và rơ le nhiệt $4 - 6\text{ A}$.
3. Mô phỏng kiểm chứng chất lượng làm việc: Dạng sóng điện áp và dòng điện sau các khâu biến đổi đạt độ phẳng và hình sin chuẩn xác. Thời gian xác lập quá độ của hệ thống ngắn (dưới $0,4\text{ s}$ với động cơ và dưới $0,2\text{ s}$ với biến tần), sai số tốc độ xác lập nhỏ, bám sát quỹ đạo vận tốc đặt.

Đóng góp của đề tài

Đồ án đã thực hiện hoàn chỉnh quy trình thiết kế kỹ thuật từ khâu tính toán tải động học cơ khí, tính chọn thiết bị điện - điện tử công suất, thiết kế mạch lái và vi điều khiển điều khiển số đến khâu mô phỏng kiểm nghiệm đa phần mềm (Matlab/Simulink và Proteus). Báo cáo cung cấp một tài liệu thiết kế hệ thống truyền động xoay chiều có căn cứ tính toán định lượng rõ ràng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Toàn bộ các kết quả đánh giá chất lượng truyền động và dạng sóng trong đồ án mới dừng lại ở mức độ mô phỏng số trên phần mềm Matlab/Simulink và Proteus, chưa tiến hành gia công chế tạo mạch in thực tế và đo kiểm thực nghiệm trên mô hình phần cứng vật lý. Thuật toán điều khiển bộ nghịch lưu mới áp dụng phương pháp điều chế SPWM hệ hở, chưa triển khai các thuật toán điều khiển vector không gian (SVPWM) hay điều khiển tựa từ thông (FOC) có vòng kín phản hồi dòng điện và tốc độ.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Gia công chế tạo phần cứng bo mạch động lực và bo mạch điều khiển STM32F103C8T6 thực tế; lập trình nhúng thuật toán điều khiển vòng kín dòng điện và tốc độ (sử dụng bộ điều khiển PI/PID); tiến hành thử nghiệm kéo tải băng chuyền vật lý trong phòng thí nghiệm để đánh giá sai số thực tế và tối ưu hóa thời gian quá độ khi đảo chiều.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử khi thực hiện các học phần Đồ án môn học (PBL), Đồ án Điện tử công suất, Đồ án Truyền động điện hoặc Khóa luận tốt nghiệp.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao gồm:

• Quy trình giải tích tính toán mômen đẳng trị, công suất đẳng trị từ biểu đồ phụ tải và phương pháp chọn phối hợp động cơ - hộp giảm tốc.
• Phương pháp tính chọn tham số điện áp, dòng điện cho van IGBT, Diode và thông số bộ lọc một chiều $L, C$.
• Sơ đồ nguyên lý mạch lái cổng Gate Drive mô phỏng trên Proteus và mô hình mô phỏng hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ trên Matlab/Simulink.

Câu hỏi thường gặp

1. Chu trình chuyển động yêu cầu của tải băng chuyền trong đồ án được xác lập như thế nào?
Chu trình làm việc của tải được thiết lập trong khoảng thời gian $7\text{ s}$ gồm 5 giai đoạn: từ $0\text{s} - 1\text{s}$ tăng tốc từ $0$ lên $20\text{ rad/s}$; từ $1\text{s} - 3\text{s}$ duy trì ổn định $20\text{ rad/s}$; từ $3\text{s} - 4\text{s}$ hãm và đảo chiều từ $+20\text{ rad/s}$ về $-20\text{ rad/s}$; từ $4\text{s} - 6\text{s}$ duy trì ổn định $-20\text{ rad/s}$; từ $6\text{s} - 7\text{s}$ giảm tốc từ $-20\text{ rad/s}$ về $0\text{ rad/s}$ và dừng hẳn.

2. Tại sao đồ án phải sử dụng thêm hộp giảm tốc PHL90 với tỷ số truyền 7:1?
Động cơ điện IE1-71M2-4 có tốc độ định mức cao ($1330\text{ rpm} \approx 139,28\text{ rad/s}$) nhưng mômen định mức nhỏ ($2,7\text{ Nm}$), không đủ kéo trực tiếp trục rulo băng tải vốn yêu cầu tốc độ $20\text{ rad/s}$ và mômen cản $17,15\text{ Nm}$. Việc sử dụng hộp số giảm tốc tỷ số $7:1$ giúp giảm tốc độ xuống xấp xỉ $19,9\text{ rad/s}$ và tăng mômen định mức lên $18,9\text{ Nm}$, phù hợp hoàn toàn với yêu cầu phụ tải.

3. Van IGBT và Diode trong bộ biến đổi công suất được tính chọn dựa trên những tiêu chí nào?
Van IGBT FGL40N120AN ($1200\text{ V}, 40\text{ A}$) được chọn dựa trên dòng định mức có tính đến sóng hài $I_h = 1,1\text{ A}$, hệ số an toàn dòng $K_I = 1,4$ và hệ số an toàn điện áp bằng 3 trên thanh cái DC ($U_d = 359,2\text{ V} \Rightarrow U_V = 1077,6\text{ V}$). Diode BYM26E ($1000\text{ V}, 2,3\text{ A}, T_{rr} = 75\text{ ns}$) được chọn dựa trên điện áp ngược cực đại $1000\text{ V}$ và dòng điện chỉnh lưu trung bình qua van $0,37\text{ A}$.

4. Mạch điều khiển và đo lường của hệ thống sử dụng những linh kiện chính nào?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển 32-bit STM32F103C8T6 để xử lý thuật toán và phát xung SPWM; mạch khuếch đại Gate Drive để nâng công suất xung kích mở IGBT; cảm biến dòng điện Hall WCS1700 để đo dòng điện mạch động lực; và Encoder NPN độ phân giải 400 xung/vòng để phản hồi tốc độ quay của động cơ.

5. Kết quả mô phỏng hệ thống trên Matlab/Simulink và Proteus chứng minh điều gì?
Kết quả mô phỏng chứng minh hệ thống mạch động lực (chỉnh lưu, lọc LC, nghịch lưu IGBT) và mạch lái Gate Drive hoạt động ổn định, các van đóng cắt đúng định mức. Động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ đáp ứng tốt quá trình khởi động, thay đổi tốc độ theo luật $V/f$, đảo chiều và hãm dừng với thời gian quá độ nhanh ($0,3\text{s} - 0,4\text{s}$) và bám sát quỹ đạo vận tốc yêu cầu.

Kết luận

Báo cáo đồ án liên môn PBL2 đã hoàn thành toàn diện nhiệm vụ tính toán, thiết kế và mô phỏng hệ thống truyền động điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ điều khiển bằng biến tần nguồn áp gián tiếp kéo tải băng chuyền. Thông qua việc phối hợp động cơ IE1-71M2-4 với hộp giảm tốc PHL90 ($7:1$) và bộ biến đổi AC-DC-AC sử dụng IGBT điều khiển SPWM, hệ thống đáp ứng đầy đủ các yêu cầu công nghệ về mômen, dải điều chỉnh tốc độ và chu trình đảo chiều. Các kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink và Proteus đã xác chứng tính đúng đắn của phương pháp tính toán lý thuyết và cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy cho việc triển khai chế tạo phần cứng thực nghiệm tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề - Tải là băng chuyền - Khối lượng đặt lên băng chuyền không quá 7kg. - Tốc độ tối đa yêu cầu của tải là 7m/s. - Thiết kế băng chuyền: Dài: 30m, Rộng: 0,25m, Dày: 1mm , rộng 7cm. - Bánh răng gắn với tải là r=35cm.

PAGE \* MERGEFORMAT 66  Nhóm đã chọn hệ thống tương đối phổ biến, có tính ứng dụng cao.1 Hình ảnh mô phỏng sản phẩm III. Yêu cầu đề tài 1. Phân tích đề tài: - Tải của đề tài là một băng tải, được sử dụng để vận chuyển - Từ yêu cầu thực tế sản xuất, phải thiết kế hệ thống đảm bảo yêu cầu chạy với tốc độ ổn định, mượt mà, có khả năng làm việc liên tục trong thời gian dài. - Momen do động cơ sinh ra phải đủ sức kéo tải.

Khi khối lượng trên băng tải thay đổi thì hệ thống có thể tự động thay đổi momen cho phù hợp với yêu cầu tốc độ đặt ra. - Băng tải khi làm việc phải luôn căng, không xuất hiện hiện tượng đứt, chùn từ đầu đến cuối suốt chiều dài của nó. - Hệ thống có thời gian khởi động ngắn, đáp ứng nhanh. Có khả năng điều chỉnh được tốc độ phù hợp với yêu cầu sản xuất.

Yêu cầu khi thực hiện hệ thống: - Thiết kế 1 hệ thống điều khiển tốc độ động cơ theo yêu cầu đặt ra, theo 1 đồ thị mong muốn cho trước. - Vận dụng được tất cả các kiến thức: truyền động điện, điện tử công suất, kĩ thuật vi điều khiển, kĩ thuật đo lường, máy điện, điều khiển tuyến tính, …. - Từ đó, hiểu được hệ thống để có thể tuỳ chỉnh bất cứ trường hợp nào đặt ra. PAGE \* MERGEFORMAT 66 IV.

Nguyên lí chung của toàn bộ hệ thống Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống Các thông số: Nguồn AC (U0, f0), điện áp cấp cho động cơ (u(t)), tốc độ thực tế của động cơ (w ), dòng điện trên động cơ (i), tốc độ của động cơ cảm biến ^ ), dòng điện trên động cơ cảm biến trả về (i^ ), tốc độ mong muốn (w∗¿ trả về (w ), điện áp điều khiển (u*(t)). - Mô tả sơ đồ phần cứng gồm: Phần mạch động lực và phần mạch điều khiển. - Phần mạch động lực: Nguồn AC 3 pha cấp cho bộ biến đổi xoay chiều.

Từ đó có được nguồn điện phù hợp, có thể thay đổi được bằng bộ biến đổi xoay chiều để cung cấp cho động cơ xoay chiều 3 pha KĐB, điều khiển được tốc độ quay của động cơ, trục động cơ truyền cho tải. - Phần mạch điều khiển: Ta gắn cảm biến dòng điện và cảm biến tốc độ vào động cơ để lấy giá trị phản hồi về đưa vào bộ điều khiển, đầu vào bộ điều khiển là giá trị phản hồi và giá trị đặt mong muốn, bộ điều khiển tính toán để đưa ra điện áp điều khiển cho bộ phát xung điều khiển truyền tới bộ biến đổi xoay chiều cấp điện áp mong muốn cho động cơ. Tính chọn động cơ cho hệ PAGE \* MERGEFORMAT 66 Yêu cầu tốc độ Hình 1. Đồ thị tốc độ mong muốn của phụ tải Dựa vào đồ thị.

Tải sẽ hoạt động như sau : - Từ 0s đến 1s : Tải bắt đầu khởi động và tốc độ tăng từ 0 rad/s đến 20 rad/s. - Từ 1s đến 3s : Tải ổn định có tốc độ là 20 rad/s. - Từ 3s đến 4s: Tải đảo chiều từ 20 rad/s về -20 rad/s - Từ 4s đến 6s: Tải ổn định ở -20 rad/s - Từ 6s đến 7s: Tải tăng từ -20 rad/s đến 0 rad/s *Nhận xét: Tải phải hoạt động ổn định , bắt buộc phải bám sát tốc độ mong muốn của tải, sai số phải nhỏ, hãm tốc độ nhanh Yêu cầu momen Hình 1. Mô tả phân tích lực hệ thống  Với các đại lượng như sau: PAGE \* MERGEFORMAT 66 - T em : Momen trên đầu trục động cơ - Khối lượng tối đa trên tải : M = 7kg - ω L là tốc độ góc trên tải - Thời gian thực hiện : t (s) - Bán kính của trục trên tải: r = 0.35 (m) - Theo định luật II newton, ta có: du F = M.

dt + f L (1) U - Với U là tốc độ dài, tốc độ góc trên trục là: w m= r d Wm - Moment tải là: T = r. f L (2) d wM dw - Moment động cơ là: T em = J m.7 = dt 1  Thời gian t(s)=[1;3] d ωL 2 20−20 T em2= r 2 M = 0.10 = 17,15 (Nm) dt 7−6 Yêu cầu công suất Từ momen của động cơ đi tính công suất của động cơ :. T em ω M (5) P= + Tại t=0s: = P0 T em1 ω M. ω M = 0 W PAGE \* MERGEFORMAT 66 P4 =T em3.0 = 0 W Tính chọn Mô mem đẳng trị Teq, công suất đẳng trị Peq Teq ¿ √ S T 2emi .1 ¿ 7 = 15,45 (Nm) √ 2 2 2 2 2 Tương tự ta được Peq = 3 43 .1 7 = 317,6 (W) Chọn hệ số dự trữ k = 1,4 vậy nên ta phải chọn động cơ có moment đẳng trị Teq và công suất đẳng trị Peq như sau: +Tđm = 1,4.

317,6= 444,64 (W) PAGE \* MERGEFORMAT 66 Hình 1. Đồ thị các đặc tính động cơ cần đáp ứng PAGE \* MERGEFORMAT 66 Hình 1. Đồ thị trạng thái làm việc động cơ theo yêu cầu tải Dựa trên đồ thị ta có nhận xét và các trạng thái làm việc như sau: Ban đầu: điểm làm việc tại A: M = Mc = 17,15 N.m với tốc độ bằng 0, muốn tăng tốc độ lên mà đường đặc tính cơ không đổi ta dùng phương pháp thay đổi tần số làm việc của động cơ: 2 πf ω¿ p Khi điểm làm việc thay đổi đi từ A đến B từ 0 đến 1s và ổn định tại B trong 2s (1s đến 3s) tại t = 3s. Muốn dừng động cơ thì ngắt nguồn điện sau đó đóng điện trở vào để hãm nhanh hơn.

Đồ thị đặc tính cơ thay đổi, lúc này điểm làm việc tại D và tốc độ động cơ chưa thay đổi nên điểm làm việc vẫn đang ở tốc độ ω D = ω B. Khi đó M < Mc suy ra tốc độ giảm xuống. Khi tốc độ giảm về 0 PAGE \* MERGEFORMAT 66 (tại E), cùng lúc đó từ thông của động cơ cũng giảm- đồ thị giảm tốc của động cơ lúc này phi tuyến. Tại E, M = Mc suy ra động cơ dừng (lúc này t= 4s).

Từ 4s đến 5s động cơ bắt đầu đảo chiều: tại t = 4s đổi chiều từ thông kích từ bằng cách đổi 2 trong 3 dây pha : −U ω 0¿ K φ Ta có đường đặc tính cơ mới, tại t=4s thì ω = 0, ta thay đổi tần số từ 0 đến 44,5Hz cũng như tốc độ động cơ ω thay đổi từ 0 rad/s đến -20rad/s, động cơ làm việc ổn định tại F trong vòng 2s ( từ 4s đến 6s) với M = -34,3 Nm và ω = -20rad/s. Muốn dừng động cơ: ta ngắt điện áp và đóng điện trở vào để thực hiện hãm nhanh hơn. Tại t=6s động cơ bắt đầu hãm và dừng lại ở dây thứ 7s và kết thúc 1 quá trình làm việc của động cơ. Sau đó cứ lặp đi lặp lại theo trình tự như thế này.

* Kết luận chọn động cơ: Dựa vào Tđm và Pđm ta vừa tìm được ở trên, nhóm quyết định chọn động cơ IE1-71M2-4 của SGP có các thông số như sau: PAGE \* MERGEFORMAT 66 Hình 1. Động cơ IE1-71M2-4 Công suất định mức : Pdm = 370 (W) Điện áp định mức : U đm =220 /380 (VAC) Momen định mức : T đm=2 ,7 ( Nm ) Momen cực đại : Tmax = 8,1 (Nm) Tốc độ định mức : n d m=1 330(vòng/ phút) Dòng điện định mức : I đm=1 ,12 ( A ) Dòng điện khởi động : Is = 3,38 (A) Hệ số công suất : 0,75 4 Hiệu suất : H=67 % JM = 0,01 (kg.m2) Số cực từ : Momen quán tính : * Nhận xét: - Động cơ được chọn là 1 loại khá phổ biến trên thị trường. Dễ thay thế nếu có sự cố về sau. PAGE \* MERGEFORMAT 66 - Hệ số dự trữ đã bù cho các yếu tố chúng ta bỏ qua như moment tải, ma sát trên đầu trục động cơ, các yếu tố môi trường tác động.

- Cần 1 hộp số để tăng moment và giảm tốc độ động cơ, để phù hợp với yêu cầu của tải. Kiểm nghiệm lại hệ thống, chọn tỉ lệ hộp số Tính toán tỷ lệ truyền tổng của hệ: Ta có tốc độ quay tối đa của trục pulley : M × 60 7 × 60 npulley = 2 πr = 2 π ×0.35 = 191 vòng/phút Động cơ ta đã chọn có tốc độ định mức lớn hơn tốc độ của pulley rất nhiều nhưng momen định mức động cơ tạo ra lại thấp hơn so với momen cần thiết để hệ chuyển động theo yêu cầu. Nên cần sử dụng hộp giảm tốc vừa để tăng momen truyền đến pulley vừa để tốc độ quay của pulley phù hợp với yêu cầu hệ thống. Ta cần hộp số để điểu chỉnh các thông số trên tải phù hợp với mong muốn n pulley 191 1 Tỉ số hộp số R ≥ n = 1330 = 7 dcđm - Chọn hệ số truyền = 7 - Momen định mức của động cơ là T đm=2 ,7 Nm và Momen mong muốn trên tải là 21,63 Nm.

Tốc độ định mức động cơ là 1 330 vòng/phút = 139,28 rad/s. mà tốc độ quay yêu cầu trên tải là 20 rad/s.  Động cơ thoả mãn yêu cầu của tải. - Sau khi chọn được động cơ và hộp số thì ta được các đại lượng như sau: T đc =15 , 45/7=2 ,20 ( Nm ) (< Tđm) ω đ c =20.7=1 40 ( rads )(¿ ω ) dm Tính chọn hộp số: PAGE \* MERGEFORMAT 66 Từ các thông số ở trên, nhóm đã lựa chọn hộp số PHL90 có các thông số: Hình 1.

Hộp số PHL90 Tỉ lệ : 7:1 Momen đầu ra định mức : 125 Nm Momen đầu ra cực đại : 225 Nm Tốc độ đầu vào định mức : 4000 vòng/phút Tốc độ vào tối đa : 8000 vòng/phút Hiệu suất : ≥97% Kiểm nghiệm động cơ và hộp số: - Momen quán tính của rotor : J M = 0,01 kg.m2 - Momen khi kiểm nghiệm động cơ có công thức như sau: dω M 2 dω L T em=J m +r. M dt dt  Thời gian t(s)=[0;1] dω M 2 dω L = 0,01. M dt dt 1−0  Thời gian t(s)=[1;3] dω M 2 dω L 1 40−1 40 T em2=J m +r .