CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1. Hiện nay, trong nền công nghiệp, truyền động là một khái niệm cực kỳ quan trọng, đặc biệt là khi nó liên quan đến các thiết bị cơ khí và tự động hóa. Những thiết bị này không chỉ đơn thuần là những bộ phận kỹ thuật để chuyển động từ một bộ phận này sang bộ phận khác mà còn đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu sự cố trong quá trình vận hành. Thiết bị truyền động điện là dạng thiết bị chuyển đổi điện năng thành năng lượng cơ học.
Tùy vào mục đích sử dụng mà thiết bị có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Hơn thế, khi sử dụng các thiết bị truyền động điện người dùng có thể hoàn toàn kiểm soát quá trình hệ thống vận hành. Điều này giúp duy trì hiệu suất ngay cả khi bị mất điện. Từ đó, đảm bảo năng suất, chất lượng của thành phẩm.
Từ dẫn chứng trên, với những ứng dụng thực tế và vô cùng thiết thực, việc thiết kế nên một hệ thống truyền động điện hoàn chỉnh trở thành một bài toán cần lời giải đáp đối với những sinh viên tự động hóa để ứng dụng vào các công việc trong tương lai.2 Các mô hình ứng dụng hiện nay. Truyền động điện có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp đến gia đình và giao thông. Máy móc công nghiệp: Sử dụng động cơ điện và hệ thống truyền động để vận hành các máy móc trong sản xuất, như máy cắt, máy hàn, máy gia công kim loại, và máy ép. Bơm và quạt: Động cơ điện được sử dụng để vận hành các bơm và quạt trong hệ thống cung cấp nước, hệ thống làm mát, hệ thống thông gió, và các ứng dụng khác.
Cảm biến và thiết bị điều khiển: Truyền động điện thường được kết hợp với các cảm biến và thiết bị điều khiển để tự động hóa quy trình sản xuất và kiểm soát hệ thống. Xe ô tô và xe động cơ: Động cơ điện được sử dụng trong các xe điện và xe hybrid để cung cấp chuyển động. Trang 9 GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Hệ thống đường sắt và đường cao tốc: Truyền động điện được sử dụng trong hệ thống tàu điện và xe lửa để cung cấp sức mạnh và kiểm soát tốc độ. Thiết bị gia dụng: Các thiết bị như máy giặt, tủ lạnh, máy rửa chén, và máy là được vận hành bằng động cơ điện và hệ thống truyền động.
Thiết bị điều khiển thông minh: Truyền động điện thường được tích hợp trong các thiết bị điều khiển như robot hút bụi, hệ thống an ninh, và các thiết bị điều khiển từ xa.4 Năng lượng tái tạo. Điện gió và điện mặt trời: Truyền động điện được sử dụng để chuyển động cơ của các máy phát điện từ năng lượng gió và năng lượng mặt trời thành điện năng.5 Thương mại và Dịch vụ. Thang máy và cầu thang cuốn: Động cơ điện và hệ thống truyền động được sử dụng để vận hành thang máy và cầu thang cuốn trong các tòa nhà thương mại và tòa nhà cao tầng. Hệ thống tự động hóa trong nhà máy và tòa nhà: Truyền động điện được sử dụng để tự động hóa quy trình và kiểm soát hệ thống trong các nhà máy và tòa nhà.3 Lựa chọn và phân tích yêu cầu đối tượng nghiên cứu.
Dự án này yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ hệ thống truyền động sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha KĐB với tải chuyển động tịnh tiến. Đối tượng: băng tải Kích thước: + Dài 707mm + Rộng 100 mm Trang 10 GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Hình 1.1 Băng tải mô phỏng trên SolidWorks Yêu cầu hệ truyền động: Điều khiển băng tải để vật có khối lượng M chuyển động tịnh tiến với tốc độ mong muốn (2m/s). Với các thông số quy định ban đầu là r = 0.2 Tải chuyển động tịnh tiến Trong đó: J m: Momen quán tính của động cơ M: Khối lượng của tải r: Bán kính băng tải ω m: Tốc độ quay của động cơ T em: Momen điện từ của động cơ u: Tốc độ của tải f L: Thành phần ngoại lực Theo yêu cầu ta có tải ở dạng băng tải, để đáp ứng yêu cầu thì trục rotor của động cơ cần phải quay với tốc độ mong muốn và truyền động cho băng tải. Trang 11 GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Hình 1.3 Đồ thị tốc độ mong muốn Từ đồ thị tốc độ mong muốn của tải được mô tả ở Hình 1.3 ta xác định được các giai đoạn hoạt động của động cơ như sau: - Khởi động, tăng tốc lên tốc độ mong muốn - Hoạt động ổn định ở tốc độ mong muốn - Hãm dừng, giảm tốc độ về 0 - Đảo chiều và tăng tốc lên theo chiều ngược lại - Hoạt động ổn định ở tốc độ mong muốn - Hãm dừng, giảm tốc độ về 0 1.4 Yêu cầu tổng quan hệ thống.4 Tổng quan hệ thống Từ yêu cầu bài toán, ta xây dựng sơ đồ khối cấu trúc hệ thống gồm 3 khối chính: - Khối nguồn điện: Có nhiệm vụ cung cấp điện áp phù hợp cho hệ thống bằng cách sử dụng nguồn trực tiếp từ lưới điện 220V.
- Khối biến đổi công suất, gồm các thành phần: + Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều AC thành một chiều DC. + Mạch lọc có nhiệm phụ làm phẳng dòng, phẳng áp theo yêu cầu đầu vào của nghịch lưu. + Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều DC thành điện áp xoay chiều AC tương ứng với từng góc mở α cấp cho động cơ được điều khiển bởi khối phát xung. Trang 12 GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng - Khối tải: theo yêu cầu bài toán là băng tải truyền động tịnh tiến vật M.5 Phân tích yêu cầu truyền động của động cơ.1 Tốc độ mong muốn của tải.
Công thức liên hệ giữa tốc độ mong muốn của tải và tốc độ của động cơ cần phải đáp ứng: u ωm = r Từ công thức đã nêu trên, liên hệ với đồ thị tốc độ mong muốn của tải hình 1.1 Tốc độ quay của động cơ - Quá trình động cơ chạy thuận: Từ 0 →1s tốc độ của động cơ tăng từ ω m = 0 (rad/s) đến ω m = 100 (rad/s) Từ 1 → 3s tốc độ của động cơ hoạt động ổn định với ω m= 100 (rad/s) Từ 3 → 3.5s tốc độ của động cơ giảm về ω m = 0 (rad/s) - Quá trình động cơ chạy nghịch: Từ 3.5s→ 4s động cơ đảo chiều tăng dần lên với ω m= 100 (rad/s). Từ 4 →6s động cơ hoạt động ổn định với ω m = 100 (rad/s) Từ 6→ 7s tốc độ quay của động cơ giảm dần với ω m 0 (rad/s) Kết thúc một chu kì của động cơ.2 Tính toán momen xoắn của động cơ. Để khối vật M chuyển động thì cần phải có lực mà lực được tạo ra bởi băng tải. Theo định luật 2 Newton ta có 𝑓 = 𝑀.
ω m, ta tính được du T em=J m ¿ ) + r 2 M ¿ ) + r.m) Momen tải theo công thức: Trang 13 GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Với J m ¿) là momen yêu cầu để quay động cơ, vì chưa chọn động cơ nên tạm ta bỏ qua thành phần ngoại lực 𝑓𝐿 = 0. Lúc này ta coi như Momen xoắn của động thời bỏ qua giá trị này, sau khi chọn được động cơ ta sẽ kiểm nghiệm lại, đồng thời T em=r. 𝑓 = r 2 M ¿ ) cơ chính bằng Momen tải: Từ những công thức ở trên ta thành lập được bảng Momen điện từ của động cơ với r = 0,02 (m) và M = 12 (kg). Giai đoạn Phương trình ω m (rad/s) Momen T em (N.2 Moment điện từ của động cơ Hình 1.5 Đồ thị Momen điện từ của động cơ Từ đây ta tính được momen đẳng trị của động cơ T Đẳng trị=¿¿ √ ∑ ∆ ti √ ∑ T 2i .3 Tính toán công suất của động cơ.
Ta có biểu thức liên hệ giữa công suất động cơ với Momen điện từ và tốc độ quay của động cơ: Trang 14 GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng P = T em × ω m Trong đó: P là công suất của động cơ T em là Momen điện từ của động cơ ω m là tốc độ quay của động cơ Giai đoạn Phương trình ω m (rad/s) Momen T em (N.48 48t – 336 Ta có bảng giá trị mối liên hệ giữa các đại lượng: Bảng 1.3 Mối liên hệ giữa tốc độ, moment và công suât động cơ Hình 1.6 Đồ thị công suất động cơ Công suất đẳng trị P Đẳngtrị=¿ ¿ √ ∑ ∑ P 2i ∆ t i ∆ ti √ P 1 .97(W) 7 Trang 15 GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Từ đồ thị tốc độ, momen và công suất của động cơ ta có đồ thị các đường đặc tính theo thời gian: Trang 16 GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng 1.4 Lựa chọn phương án truyền động điện. Từ momen và tốc độ đáp ứng của động cơ, ta có trạng thái làm việc của động cơ: Hình 1.7 Đồ thị trạng thái hoạt động 4 góc phần tư Dựa vào đồ thị đặc tính cơ trạng thái làm việc của động cơ theo yêu cầu của tải, ta thấy tốc độ và momen đảo chiều từ dương sang âm và âm sang dương tương ứng với các góc phần tư khác nhau. Vì ở đây chỉ là điều khiển mà không có phản hồi nên nhóm sử dụng phương pháp điều chế SPWM nhằm mục đích thay đổi tần số. 2π f 1 Về nguyên lý, khi thay đổi tần số f 1 thì ω 1 = sẽ thay đổi và p điều chỉnh được tốc độ động cơ.
Nhưng khi thay đổi f 1=f 1đmthì có thể ảnh hưởng đến chế độ làm việc của động cơ. Giả sử mạch stato: E≈c .f 1 Trong đó: E 1– sđđ cảm ứng trong cuộn dây stato, ϕ – từ thông móc vòng qua cuộn dây stato, c – hằng số tỉ lệ, f 1 – tần số của dòng điện stato. Nếu bỏ qua sự sụt áp trên tổng trở cuộn dây stato: U 1 E1 c. f 1 Nếu thay đổi f 1 mà giữ U 1 = const → ϕ sẽ thay đổi tương ứng.
Vì vậy, khi thay đổi tần số f 1 để điều chỉnh tốc độ, người ta thường kết hợp thay đổi điện áp stato U 1. Với phụ tải M c =const nên ta có tỉ số điều chỉnh tần số và điện áp như sau: Trang 17 GVHD: PGS.