Đề tài Thiết kế hệ thống điều khiển và khống chế động cơ điện không đồng bộ ba pha

LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đay, nghành điện công nghiệp ở nươc ta đang ngày càng được chú trọng và đầu tư phátt triển. Sự phát triển đó được đánh dấu bằng việc cho ra đời hàng các phương pháp để điều khiển động cơ ngoài mục đich đáp ứng nhu cầu phục hồi khả năng làm việc như ban đầu của động cơ Để làm được điều đú, người thợ cần phải hoàn thiện tất cả các khâu trong việc thiết kế mạch điều khiển, mạch động lực,đưa ra phương pháp tối ưu và lắp đặt ngoai ra cón phải đưa ra nhưng sai hỏng và cách khắc phục. Từ những gì chúng em đã đươc biết qua học trên lớp và tìm hiểu nguồn tài liệu bên ngoai,chúng em đã tiến hành mạch khởi động động cơ KĐB 3 pha.vơi mong muốn đưa ra phương pháp điều khiển khởi động động cơ một cách tối ưu Với lòng say mê tìm hiểu và ham học hỏi chúngng em đã cố gắng tận dụng tất cả những kiến thức đã học được từ thầy cô, bạn bè trong những năm tháng học tập vừa qua, mong hoàn thành tốt đề tài này. Những sản phẩm, những kết quả đạt được ngày hiện nay chưa phải lớn lao nhưng lại cú một ý nghĩa quan trọng đối với chúng em. Bởi nó đánh giá thành quả trong suốt một thời gian dài học tập tại trường.. Cùng với sản phẩm chúng em đã hoàn thành quển thuyết minh với hy vọng có thể trở thành tài liệu tham khảo cho học sinh, sinh viên nghành kỹ thuật điện. Trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy và cô và các bạn để đề tài của chúng em ngày một hoàn thiện hơn. Nhóm sinh viên thực hiện.  ĐỀ TÀI MÔN HỌC Giao Viên Hướng Dẫn: Thầy Đỗ công Thắng Nhóm sinh viên thực hiện : 1. NguyÔn V¨n Kh¶i 2.NguyÔn V¨n Linh 3. NguyÔn Quang Huy Khoá học : Ngành đào tạo : Kỹ thuật Điện Tên đề tài: Thiết kế hệ thốngđiều khiển và khống chế động cơ điện không đồng bộ ba pha Có đảo chiều quay. Khởi động qua ba cấp điện trở phụ với thời gian lần lượt là 1s,2s và 1,5s Bảo vệ các sự cố quá tải, ngắn mạch, quá áp Số liệu cho trước: Các trang thiết bị, máy móc. Phần mềm PLC, vi điều khiển…. Tài liệu chuyên môn Nội dung cần hoàn thành: Phân tích, lựa chọn phương án Lý thuyết và các vấn đề liên quan . Phân tích, lựa chọn thiết bị. Lập trình điều khiển và mô phỏng. Sản phẩm của đề tài : Quyển thuyết minh và các bản vẽ , chương trình phần mềm, Folie mô tả đầy đủ nội dung của đề tài, sẩn phẩm. NHẬN XÉT ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ CHƯƠNG I: CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN 1.1. Khái niệm chung Khi mở máy các động cơ có công suất trung bình và lớn người ta phải dùng các thiết bị hạn chế dòng khởi động như: Điện trở, điện kháng, máy biến áp tự ngẫu..... Trong quá trình khởi động muốn tốc độ động cơ tăng dần đến giá trị định mức, thì ta phải tìm cách loại dần các thiết bị hạn chế đó ra. Một cách tổng quát ta có sơ đồ mạch động lực, đặc tính tĩnh, đặc tính động của quá trình mở máy động cơ điện 1 chiều, xoay chiều như hình vẽ. Nhìn vào đặc tính tĩnh và đặc tính động ta có nhận xét: Quá trình khởi động đi theo chiều mũi tên, tốc độ động cơ tăng dần ứng với việc loại dần các cấp điện trở phụ. Nếu ta sử dụng các thiết bị để đo khoảng thời gian từ 0- t1, t1-t2 bằng các rơle thời gian và tại đó ta phát các lệnh điều khiển làm thay đổi tham số của mạch điện ( RP, XP..) và điều khiển quá trình theo mong muốn gọi là tự động khống chế theo nguyên tắc thời gian. Nếu như ta sử dụng các thiết bị đo tốc độ như rơle ly tâm, máy phát tốc để đo tốc độ n1, n2 và tương tự như trên ta có tự động khống chế theo nguyên tắc tốc độ. Nếu sử dụng rơ le dòng điện để đo dòng điện I1, I2 và tương tự ta có phương pháp tự động khống chế theo nguyên tắc dòng điện. Trong thực tế có nhiều bộ phận của máy làm việc bị giới hạn bởi góc quay hay quãng đường nhất định khi đó người ta sử dụng phương pháp khống chế theo nguyên tắc hành trình. 1.2 Các nguyên tắc điều khiển hệ thống truyền động điện kiểu hở 1.2.1 Nguyên tắc điều khiển theo thời gian. Nội dung nguyên tắc Điều khiển theo nguyên tắc thời gian dựa trên cơ sở là thông số làm việc của mạch biến đổi theo thời gian. Những tín hiệu điều khiển phát ra theo quy luật thời gian cần thiết để làm thay đổi trạng thái của hệ thống. Những phần tử thụ cảm được thời gian để phát tín hiệu cần được chỉnh định dựa theo ngưỡng chuyển đổi của đối tượng. Ví dụ như tốc độ, dòng điện, mô men của mỗi động cơ được tính toán chọn ngưỡng cho thích hợp cho từng hệ thống truyền động điện cụ thể. Những phần tử thụ cảm được thời gian có thể gọi là rơ le thời gian. Nó tạo nên được một khoảng thời gian trễ (duy trì) kể từ lúc có tín hiệu đưa vào (mốc không) đầu vào của nó đến khi nó phát được tín hiệu ra đưa vào phần tử chấp hành. Các cơ cấu duy trì thời gian có thể là: cơ cấu con lắc, cơ cấu điện từ, khí nén, cơ cấu điện tử, tương ứng là rơ le loại đó,… Bằng giải tích hoặc bằng đồ thị mà người ta xác định số cấp điện trở phụ mở máy, giá trị điện trở của từng cấp, đặc tính động để chỉnh định thời gian tác động của rơ le, các khoảng thời gian được tính tương đối như sau: t = J là mô men quán tính Mđg1, Mđg2 là mô men động Ví dụ minh hoạ Mạch mở máy động cơ điện một chiều qua hai cấp điện trở phụ trong mạch phần ứng: Hình 2.2 Mạch điều khiển theo nguyên tắc thời gian Trong sơ đồ không giới thiệu cách cấp nguồn nhưng cần phải lưu ý rằng ở mọi chỗ có nguồn đều phải được cấp đầy đủ trước khi vận hành, nhất là cần chú ý đến nguồn kích từ.. Trạng thái ban đầu sau khi cấp nguồn động lực và điều khiển thì rơ le thời gian 1KT được cấp điện mở ngay tiếp điểm thường kín đóng chậm 1KT. Để khởi động ta phải ấn nút mở máy S2 công tắc tơ K1 hút để đóng các tiếp điểm ở mạch động lực, phần ứng động cơ điện được đấu vào lưới điện qua các điện trở phụ khởi động r1, r2. Dòng điên qua các điện trở phụ lớn gây sụt áp trên điện trở r1. Điện áp đó vượt quá mức điện áp hút của rơ le thời gian 2KT làm cho nó hoạt động mở ngay tiếp điểm thừơng đóng đóng chậm 2KT, trên mạch K3 cùng với sự hoạt động của rơle 1KT chúng bảo đảm không cho công tắc tơ K1, K2 có điện trong giai đoạn đầu của quá trình khởi động. Tiếp điểm phụ K1 dóng để tự duy trì cho cuộn hút công tắc tơ K1 khi ta thôi không ấn nút S2 nữa. Tiếp điểm K1 mở ra cắt rơ le thời gian 1KT đưa rơ le thời gian này vào hoạt động để chuẩn bị phất tín hiệu chuyển trạng tháu hoạt động của truyền động điện. Mốc không của thời gian t có thể được xem là thời điểm K1 mở cắt điện 1KT. Thời gian chỉnh định ở mõi cấp điện trở được tính theo công thức : ti= Tci ln Trong đó Tci : hằng số thời gian điên cơ của động cở đặc tính có điện trở phụ ở cấp thứ i Sau khi rơ le thời gian 1RTh nhả, cơ cấu duy trì thời gian sẽ tính thời gian từ gốc không cho đến đạt trị số chỉnh định thì đóng tiếp điểm thường kín đóng chậm 1KT. Lúc này cuộn dây công tắc tơ gia tốc K1 được cấp điên và hoạt động đóng tiếp điểm chính của nó ở mạch động lựcvà cấp điện trở phụ khởi động thứ nhất r1 bị nối ngắn mạch . động cơ sẽ chuyển sang khởi động trên đường đặc tính cơ thứ hai việc ngắn mạch điện trở r1 làm cho rơle thời gian 2KT mất điện và cơ cấu duy trì thời gian của nó cũng sẽ tính thời gian tương tự như đối với rơle 1KT, khi đạt trị số chỉnh định nó sẽ đóng tiếp điểm thường đóng đóng chậm 2KT. Công tắc tơ gia tốc K3 có điện hút tiếp điểm chính K3 ngắn mạch cấp điện trở thứ hai r2 động cơ sẽ chuyển sang tiếp tục khởi động trên đường đặc tính cơ tự nhiên cho đến điểm làm việc ổn định Những yếu tố ảnh hưởng đến nguyên tắc Khi tính toán các đường đặc tính mở máy động cơ thường ta xét ở chế độ định mức. Nhưng thực tế do điện lưới, mô men cản, mô men quán tính và nhiệt độ thay đổi so với tính toán, các yếu tố đó ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính khởi động. 1.2.2 Nguyên tắc khống chế theo tốc độ Nội dung nguyên tắc Để khống chế theo nguyên tắc này ta phải đo được tốc độ động cơ, có thể đo trực tiếp bằng rơle kiểm tra tốc độ, nhưng khi hệ thống khống chế có nhiều cấp điện trở thì việc điều khiển gặp rất nhiều khó khăn do đó thực tế ít sử dụng. Ngoài ra ta còn có thể đo tốc độ bằng máy phát tốc nhưng trong các hệ thống đơn giản thì chỉ tiêu kinh tế thấp (máy phát tốc có giá thành cao) nên ít dùng loại này. Thông thường người ta sử dụng phương pháp đo gián tiếp. + Đối với động cơ điện 1 chiều, đo tốc độ thông qua sđđ phần ứng của động cơ. EĐ= Ke.F.n (dùng rơ le điện áp mắc song song với phần ứng động cơ). + Đối với động cơ KĐB, đo tốc độ gián tiếp qua sđđ rotor, tần số dòng điện rotor và hệ số trượt. Sơ đồ đặc trưng. Hình 2.4 Theo định luật Kirchhoff 2 ta có: Vòng 1 UG1= Eư + Iư Rư = Ke.f.n2+ Iư Rư Vòng 2 UG2= + Iư( Rư+R2) =Ke.f.n1+ Iư( Rư+R2) Xét trường hợp 1: Khi tốc độ động cơ tăng đến tốc độ n1 nào đó thì UG1= Eư + Iư Rư = Ke.f.n2+ Iư Rư = UG1tđ Dẫn đến rơle điện áp G1 tác động đóng tiếp điểm G1 lại loại bỏ cấp điện trở phụ R1 ra khỏi mạch phần ứng động cơ. Xét trường hợp 2: Khi tốc độ động cơ tăng đến tốc độ n2 nào đó thì UG1= Eư + Iư( Rư+R2) = Ke.f.n2+ Iư( Rư+R2) = UG1tđ Dẫn đến rơle điện áp G2 tác động đóng tiếp điểm G2 lại loại bỏ cấp điện trở phụ R2 ra khỏi mạch phần ứng động cơ. Nhận xét: + Ưu điểm: Đơn giản, rẻ tiền + Nhược điểm: Khi mô men cản, điện áp lưới và nhiệt độ thay đổi cũng làm thay đổi thời gian mở máy của động cơ. Việc chỉnh định điện áp hút của các rơ le cũng gặp nhiều khó khăn. Ví dụ: Mạch điều khiển mở máy động cơ 1 chiều KTĐL qua 2 cấp điện trở phụ và hãm động năng. Hình 2.5 . Trị số của dòng điện mở máy của động cơ dao động giới hạn được xác định từ I2 tới I1, giá trị của dòng điện I1= 2,2¸2,5 dòng Iđm được xác định căn cứ vào điều kiện vận hành của động cơ và giá trị cho phép của dòng điện phần ứng động cơ. Giá trị dòng điện I2 = (1,8¸2)Iđm được xác định căn cứ vào việc đảm bảo gia tốc tối thiểu khi mở máy động cơ ở phụ tải đã cho đến I1, I2 luôn lớn hơn Iđm này.Muốn khống chế theo nguyên tắc dòng điện ta sử dụng một số rơ le dòng điện mắc nối tiếp với phần ứng của động cơ điện 1 chiều hoặc mắc nối tiếp với 1 pha của động cơ xoay chiều. Ví dụ minh hoạ. Hoạt động của sơ đồ: ấn nút S2 công tắc tơ K1 có điện, tiếp điểm K1 đóng duy trì, tiếp điểm K1 mạch động lực đóng cấp điện cho mạch phần ứng, động cơ hoạt động qua r1. Lúc này rơle dòng RI, rơle khoá RK cùng có điện , cùng tác động nhưng phải đảm bảo yêu cầu như sau: RI có thời gian tác động nhanh hơn RK. Lúc đó tiếp điểm thường đóng RI mở ra trước sau đó tiếp điểm thường mở RK đóng. Động cơ hoạt động, dòng điện giảm dần ( từ I1 đến I2) thì RI đạt trị số và nhả, dẫn đến công tắc tơ K2 tác động, tiếp điểm K2 đóng lại duy trì và ngắn mạch r1. Động cơ hoạt động ở đường đặc tính tự nhiên. Tiếp điểm thường mở K2 song song với tiếp điểm RI có vai trò không cho K2 mất điện với bất cứ lý do nào sau này (như do quá tải,….) nghĩa là không đưa r1 vào mạch phần ứng. Nhận xét: Có thể duy trì MĐ trong quá trình khởi động ở mức xác định. Quá trình khởi động không phụ thuộc vào nhiệt độ của dây quấn rơ le. Không đảm bảo giữ nguyên thời gian khởi động. 1.2.3Nguyên tắc điều khiển theo hành trình. Nội dung nguyên tắc. Khống chế theo nguyên tắc hành trình nghĩa là 1 khâu hay một bộ phận nào đó của máy khi chuyển động phụ thuộc vào vị trí không gian của các bộ phận khác Ví dụ: Bàn dao của máy cắt gọt, bàn máy, buồng thang của thang máy. Ví dụ minh hoạ: Hình 2.7 1.2.4 Nguyên tắc điều khiển hệ thống truyền động điện kiểu hệ kín. 1.2.5 Sơ đồ khối của hệ thống tự động điều chỉnh Hình 2.8 BD là biến dòng BBĐ là bộ biến đổi, có thể là máy phát, khuếch đại từ, bán dẫn. Đk là khối điều khiển Kn , KI là hệ số phản hồi tốc độ và dòng điện. Rn, RI bộ điều chỉnh tốc độ, dòng điện Các bộ điều chỉnh tốc độ, dòng điện (Rn, RI) là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống vì nó quyết định chất lượng tĩnh và chất lượng động của hệ thống. Nó có 2 chức năng như sau: Khuếch đại các sai lệch điều khiển nhỏ của hệ thống. Đảm bảo chất lượng và độ chính xác của hệ 1.2.6 Các nguyên tắc điều chỉnh 1.2.6.1 Khái niệm chung. Đối với hệ thống truyền động điện làm việc ở các trạng thái hở, trong quá trình hãm, khởi động, đảo chiều, ăn tải, nhả tải thường gây ra các sai lệch lớn so với giá trị cho phép. Trong khi đó nhiều máy lại yêu cầu phải đảm bảo duy trì tốc độ không đổi hay các đại lượng khác theo yêu cầu của chất lượng tĩnh cũng như chất lượng động đặt ra.Trong trường hợp như vậy ta phải dùng hệ thống điều khiển tự động kiểu hệ kín. Đối với hệ thống sử dụng động cơ điện1 chiều làm việc trong hệ thống truyền động điên kiểu hệ kín thường người ta phải sử dụng các bộ biến đổi để cung cấp nguồn điện áp một chiều cho phần ứng động cơ hay cung cấp cho cuộn kích từ của động cơ điều khiển tự động hệ kín người ta thường sử dụng bộ biến tần, hoặc điều khiển xung trở mạch rotor... ... Trong hệ thống điều khiển tự động truyền động điện kiểu hệ kín người ta thường tiến hành lấy một số phản hồi cơ bản sau: Phản hồi âm: Tác động ngược chiều điện áp đặt Phản hồi dương: Tác động cùng chiều với điệ náp đặt. Phản hồi có ngắt: Tín hiệu phản hồi được so sánh với một lượng bên ngoài, nếu nó vượt qua giá trị đó thì khâu phản hồi mới tham gia tác động vào hệ thống. Phản hồi thẳng: Tín hiệu ra quay trở lại trực tiếp đầu vào. 1.2.6.2 Khâu phản hồi âm điện áp. Sơ đồ nguyên lý. Hình 2.9 BBĐ có thể sử dụng các bộ biến đổi máy điện, bộ biến đổi van .. BBĐ cung cấp điện áp 1 chiều cho phần ứng động cơ điện1 chều kích từ độc lập. Để ổn định và nâng cao chất lượng tĩnh của khâu đk ta dùng biến trở R1, R2 làm khâu phản hồi lấy điện áp quay trở lại khống chế điện áp cung cấp cho đông cơ. Thành lập phương trình đặc tính cơ. a= R1/R1+R2 ( hệ số phản hồi) Giải hệ phương trình ta được Từ hệ phương trình đặc tính cơ ta vẽ được đặc tính cơ như hình vẽ Dnk Dnh Để cho tốc độ không tải của hệ thống hở và kín bằng nhau thì điện áp đặt của hệ thống kín lớn hơn hệ thống hở là (1+KP) lần. Độ sụt tốc độ (sai lệch tĩnh) trong hệ thống kín sẽ nhỏ hơn trong hệ thống hở là (1+KP) lần. Như vậy phản hồi âm điện áp tạo nên đặc tính Của hệ kín cao hơn so với hệ hở. Nhưng luôn Thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên điều đó chứng tỏ khả năng duy trì tốc độ của khâu phản hồi âm điện áp là kém. Phản hồi dương dòng điện. Sơ đồ nguyên lý. Hình 2.10 Từ sơ đồ nguyên lý ta viết được phương trình cân bằng sau: Uå =Uđ +b.I.R với b= Rđo/R = Rđo/RP + RĐ n bKP> 1 n0 bKP=1 bKP<1 EP = KP. Uå UĐ = EP - I.RP UĐ =EĐ + I.RĐ EĐ = Ke.f.n Giải hệ ta được: n = Từ phương trình đặc tính cơ ta có đặc tính cơ như hình vẽ. Nhận xét: - Đối với phản hồi dương dòng điện thì điện áp đặt vào hệ hở và hệ kín là như nhau. Mặc dù có hể tạo nên đường đặc tính cơ có độ cứng rất cao ( độ sụt tốc độ Dn% =0 thậm chí Dn%<0). - Hệ thống không có đường đặc tính giới hạn do đó khi sử dụng phả hồi dương dòng điện trong các bộ biến đổi mang tính phi tuyến mạnh thì độ chính xác của hệ thống bị suy giảm cho nên phản hồi dương dòng điện thường được kết hợp với các phản hồi khác mà không sử dụng độc lập. 1.2.6.4 Phản hồi âm tốc độ. Sơ đồ nguyên lý Hình 2.11 Iđm n n0 hở kín TN giới hạn FT là máy phát tốc BBĐ là bộ biến đổi điện hoặc điện tử. Phương trình đặc tính cơ I Kết hợp giải hệ ta được: n = K= KP.KĐ = KP/ Kef ; R= RĐ + RP Từ phương trình đặc tính cơ ta vẽ được đường đặc tính cơ như hình vẽ. Nhận xét: Để cho tốc độ không tải lý tưởng của hệ thống hở và hệ thống kín bằng nhau, thì điện áp đặt lên hệ hở sẽ nhỏ hơn điện áp đặt lên hệ kín là (1+gk) lần. Độ cứng đặc tính cơ của hệ kín cao hơn hệ hở là (1+gk) lần. Đường đặc tính giới hạn Phản hồi âm dòng điện có ngắt a, Khái niệm: Trong quá trình làm việc động cơ phải trải qua các giai đoạn như, quá trình quá độ và phải làm việc ổn điịnh nếu như dòng điện phần ứng vượt quá giá trị cho phép thì ta phải tìm biện pháp hạn chế công suất đầu vào. Phản hồi âm dòng có ngắt sẽ hạn chế phụ tải tĩnh khi cho động cơ bị quá tải và tạo nên đường đặc tính có dạng điển hình gọi là đường đặc tính máy xúc. Ta thấy ở H.a Đặc tính gồm 2 đoạn: Đoạn 1 là đoạn N0B chỉ có cá khâu duỳ trì tốc độ tham gia nó đảm bảo độ cứng cao để máy làm việc có năng suất chất lượng sản phẩm. Đoạn 2 là đoạn BC lúc này trong hệ thống chỉ còn duy nhất 1 khâu phản hồi âm dòng điện có ngắt tham gia vào hệ thống. Nó tạo ra đường đặc tính có độ dốc lớn, nếu động cơ bị quá tải nặng nó sẽ dừng lại tại điểm C. Trong thực tế có thể chúng ta gặp trường hợp đặc tính tĩnh có 3 đoạn như hình H.b Đoạn AB là đoạn duy trì tốc độ có khâu phản hồi âm tốc độ tác động. Đoạn BC Là đọan có thêm khâu phản hồi âm dòng có ngắt tham gia vào hệ thống. Đoạn CD là đoạn chỉ có khâu phản hồi âm dòng có ngắt tham gia vào HT b. Hệ thống điều khiển tự động với khâu phản hồi âm áp và âm dòng có ngắt. Sơ đồ nguyên lý Hình 2.12 Khâu phản hồi âm dòng có ngắt không phải tham gia hoàn toàn vào hệ thống, mà chỉ tham gia vào hệ thống khi động cơ bị quá dòng. URđo > Uss . 1 1 I < Ing I Phương trình đặc tính cơ Từ sơ đồ ta viết được hệ phương trình sau: Uå=Uđ- aUĐ -bDIRđo.1[DI] EP = KP.Uå UĐ =EP - I.RP UĐ = EP + IRĐ EĐ = Kfn Khi giải hệ ta được phương trình đặc tính cơ. n = Từ phương trình đặc tính cơ ta vẽ được đặc tính cơ như hình vẽ. c, Hệ thống điềukhiển tự động dùng phản hồi âm tốc độ + âm dòng có ngắt. Hình 2.13 I n01 n02 Ing Id n A B C Tương tự như các phần trên dể thành lập phương trình đặc tính cơ, ta viết hệ phương trình câ bằng điện áp của hệ, sau đó giải hệ ta được phương trình đặc tính cơ. n = Một số sơ đồ điều khiển động cơ. Tự động khống chế đ