Bài tập lớn mô hình hóa và mô phỏng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Xuân Thuận Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Trường.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN MƠ HÌNH HĨA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân Thuận Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trường – 2018601263 Vũ Công Tuyền – 2018600418 Đoàn Duy Toàn ̶ 2018600565 Hà Nội -2020 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: Cơ điện tử Khóa: K13 Tên nhóm: Nhóm Họ tên thành viên: Vũ Công Tuyền – 2018600418 Nguyễn Văn Trường – 2018601263 Đoàn Duy Toàn – 2018600565 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động điện chiều kích từ song song hình Và mạch động điện chiều hình Trong đó: R tín hiệu đặt tốc độ; 𝜃 góc quay động cơ; u tín hiệu điều khiển động Các thông số động sau: - Điện cảm phần ứng L: 17,5.10-3 H - Điện trở phần ứng R: 0,6 𝛺 - Điện trở mạch kích từ: 0,4 𝛺 - Điện cảm kích từ L: 80 10-3 H - Hệ số cản: b = 6,6 10-3 Nms/rad - Momen quán tính: J = 0,166 Nms/rad - Hệ số Momen: K= 1,53 Hình Hình 2 Yêu cầu: - Giới thiệu tổng quan ứng dụng động chiều kích từ song song hệ thống điều khiển động điện chiều - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết chương trình mơ tả động điện chiều - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều - Mô đánh giá đặc tính góc quay động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng phần mềm 20-sim Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Tổng quan hệ thống (L1.1) - Nội dung 2: Xây dựng mơ hình mơ hệ thống (L1.1; L1.2) - Nội dung 3: Viết báo cáo Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS Nguyễn Anh Tú TS Nguyễn Xuân Thuận LỜI NÓI ĐẦU Đối với kỹ sư điều khiển – tự động hóa nói riêng người nghiên cứu khoa học – kỹ thuật nói chung, mơ hình hóa, mơ cơng cụ quan trọng cho phép khảo sát đối tượng hệ thống hay trình kỹ thuật – vật lý, mà không thiết phải có đối tượng hay hệ thống thực Được trang bị cơng cụ mơ có hiểu biết phương pháp mơ hình hóa, người kỹ sư có khả rút ngắn thời gian giảm chi phí nghuên cứu – phát triển sản phẩm cách đáng kể Điều đặc biệt có ý nghĩa sản phẩm hệ thống thiết bị kỹ thuật phức tạp với giá trị kinh tế lớn Động điện chiều ngày sử dụng rộng rãi sản xuất cơng nghiệp tính mà mang lại như: khơng cần nguồn xoay chiều, thực việc thay đổi tốc độ động cách dễ dàng,… Chính lý mà chúng em chọn đề tài động chiều kích từ song song làm đối tượng để mơ CHƯƠNG I TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Tổng quan động chiều 1.1.1 Cấu tạo phân loại động điện chiều a Khái niệm động điện chiều Động điện chiều máy điện dùng để biến đổi lượng điện chiều thành Động điện chiều bao gồm: Động điện chiều kích từ độc lập, song song, nối tiếp, hỗn hợp b Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều phân thành hai phần chính: Phần tĩnh phần động Ngồi cịn có phận chổi than, cổ góp − Phần tĩnh hay stator hay cịn gọi phần kích từ động cơ, phận sinh từ trường gồm có cực từ cực từ phụ Dây quấn cực từ đặt cực từ nối nối tiếp với Dây quấn cực từ phụ đặt cực từ phụ, tạo từ trường phụ: o Mạch từ dây kích từ lồng ngồi mạch từ (nếu động kích từ nam châm điện), mạch từ làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấn kích thích hay cịn gọi dây quấn kích từ làm dây điện từ, cuộn dây điện từ mắc nối tiếp với o Cực từ chính: Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại tán chặt Trong động điện nhỏ dùng thép khối Cực từ gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulông Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối, tẩm sơn cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với o Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống dây quấn cực từ Cực từ phụ gắn vào vỏ máy nhờ bulông o Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động điện nhỏ vừa thường dùng thép dày uốn hàn lại, máy điện lớn thường dùng thép đúc Có động điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy − Phần động hay rotor gồm lõi thép, dây quấn phần ứng cổ góp trục máy o Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm thép kĩ thuật điện dày 0.5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại để giảm tổn hao dòng điện xoáy gây nên Trên thép dập lỗ thơng gió rãnh để đặt dây quấn phần ứng Trong động điện chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng ép trực tiếp vào trục Trong động điện lớn, trục lõi sắt có đặt giá rotor Dùng giá rotor tiết kiệm thép kỹ thuật điện giảm nhự trọng lượng rotor o Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần phát sinh suất điện động có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường dây đồng có bọc cách điện Truong máy điện nhỏ có cơng suất vài KW thường dùng dây có tiết diện trịn Trong máy điện vừa lướn thường dùng dây tiết diện chữ nhật, dây quấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép Để tránh quay bị văng lực li tâm, miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt đai chặt dây quấn Nêm làm tre, gỗ hay bakelit o Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng mạ cách điện với lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2 mm hợp thành hình trục trịn Hai đầu trục trịn dùng hai hình ốp chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp trụ trịn cách điện mica Đi vành góp có cao lên để hàn đầu dây phần từ dây quấn phiến góp dễ dàng − Các phận khác: o Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ vừa nắp máy cịn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp nắp máy thường làm gang o Cơ cấu chổi than: Để đưa dịng điện từ phần quay ngồi Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lị xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than cố định giá chổi than cách điện với giá Giá chổi than quay để điều chỉnh vị trí chổi than cho chỗ, sau điều chỉnh xong dùng vít cố định lại c Phân loại Căn vào phương pháp kích từ, chia động điện chiều thành loại sau: − Động điện chiều kích từ độc lập: phần ứng phần kishc từ cung cấp từ hai nguồi riêng rẽ − Động điện chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với phần ứng − Động điện chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ mắc song song với phần ứng − Động điện chiều kích từ hỗn hợp bao gồm cuộn dây kích từ, cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn mắc song song với phần ứng d Nguyên lý hoạt động − Khi cung cấp điện áp chiều cho dây quấn phần ứng Dây dẫn có dịng điện nằm từ trường phần cảm sinh chịu lực tác động làm roto quay, chiều lực tác động xác định quy tắc bàn tay trái − Khi roto quay nửa vịng, vị trí dẫn đổi chỗ cho Do có phiến góp nên chiều dòng điện giữ nguyên, làm cho chiều lực từ không thay đổi Khi quay dẫn chuyển động từ trường sinh suất điện động phần ứng, chiều suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải e Ưu, nhược điểm ứng dụng động điện chiều − Ưu điểm o Ưu điểm bật động điện chiều có moment mở máy lớn, kéo tải nặng khởi động o Khả điều chỉnh tốc độ tải tốt o Tiết kiệm điện o Bền bỉ, tuổi thọ lớn − Nhược điểm o Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền hay hư hỏng trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sủa chữa cẩn thận, thường xuyên o Tia lủa điện phát sinh cổ góp chổi than gây nguy hiểm, điều kiện môi trường dễ cháy nổ o Giá thành đắt mà công suất không cao − Ứng dụng o Ứng dụng lĩnh vực sống: tivi, máy công nghiệp, đài FM, ổ đĩa DC, máy in, đặc biệt công nghiệp giao thông vận tải, thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi lớn,… 1.1.2 Động điện chiều kích từ song song Động điện chiều kích từ song song động điện chiều mắc bố trí cho nguồn chiều cấp cho phần ứng cấp cho kích từ song song với Ta có phương trình cân động kích từ song song { 𝑈 = 𝑈𝑘𝑡 = 𝑈ư 𝑖ư + 𝑖𝑘𝑡 = 𝑖 Sơ đồ nối dây 1.2 Hệ thống điều khiển động điện chiều 1.2.1 Chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ Điều chỉnh tốc độ nội dung truyền động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ máy sản xuất Để đánh giá chất lượng hệ thống truyền động điện thường vào số tiêu sau: Sai số tốc độ Sai số tĩnh tốc độ đại lượng đặc trưng cho độ xác trì tốc độ đặt đánh giá thông qua: 𝑠% = 𝜔𝑑 − 𝜔 100% 𝜔𝑑 Mong muốn: sai số đ =  s% nhỏ tốt Tính liên tục (độ trơn dải điều chỉnh) 𝛾= 𝜔𝑖+1 𝜔𝑖 i +  i: hệ thống điều khiển liên tục i +  i: hệ thống điều khiển nhảy cấp Mong muốn  → 1: hệ truyền động làm việc ổn định giá suốt dải điều chỉnh Dải điều khiển tốc độ Dải điều khiển tốc độ (D) tỉ số giá trị lớn giá trị nhỏ tốc độ làm việc ứng với mômen tải cho: 𝐷= 𝜔𝑚𝑖𝑛 𝜔𝑚𝑎𝑥 Mong muốn D lớn tốt Ngồi cịn tiêu khác như: tiêu kinh tế, kích thước… 1.2.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động chiều Về việc điều chỉnh tốc độ, động chiều có nhiều ưu điểm so với loại động khác: điều chỉnh dễ dàng, chất lượng điều chỉnh cao dải rộng… Xét phương trình đặc tính động điện chiều: 𝜔= 𝑈 𝐾. − 𝑀.𝑅𝑢 𝐾.2 Ta thấy việc điều chỉnh động điện chiều thực cách thay đổi đại lượng: Rư, , Uư Thực tế có phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều: Phương pháp 1: Thay đổi điện trở phần ứng Đây phương pháp kinh điển dùng để điều khiển tốc độ động nhiều năm Nguyên lý điều khiển Trong phương pháp người ta giữ U = Uđm;  = đm nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Độ cứng đường đặc tính cơ: 𝛽= ∆𝑀 ∆𝜔 = (𝐾.∅đ𝑚 )2 𝑅ư + 𝑅𝑓 Ta thấy điện trở lớn 𝛽 nhỏ nghĩa đặc tính dốc mềm Ứng với Rf = ta có độ cứng tự nhiên TN có giá trị lớn nên đặc tính tự nhiên có độ cứng lớn tất đường đặc tính có điện trở phụ Như vậy, ta thay đổi Rf ta họ đặc tính thấp đặc tính tự nhiên − Đặc điểm phương pháp o Điện trở mạch phần ứng tăng độ dốc đặc tính lớn, đặc tính mềm, độ ổn định tốc độ sai số tốc độ lớn o Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ phía giảm) o Chỉ áp dụng cho động điện có cơng suất nhỏ, tổn hao lượng điện trở phụ làm giảm hiệu suất động thực tế thường dùng động điện cần trục − Đánh giá tiêu o Tính liên tục: phương pháp điều khiển liên tục mà phải điều khiển nhảy cấp o Dải điều chỉnh phụ thuộc vào số mơmen tải Tải nhỏ dải điều chỉnh D = max / min nhỏ Phương pháp điều chỉnh dải D= : o Giá thành đầu tư ban đầu rẻ không kinh tế tổn hao điện trở phụ lớn o Chất lượng không cao dù điều khiển đơn giản Phương pháp 2: Thay đổi từ thông  Nguyên lý điều khiển Giả thiết U= Uđm; Rư = const Muốn thay đổi từ thông động ta thay đổi dịng điện kích từ Thay đổi dịng điện mạch kích từ cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Bình thường động làm việc chế độ định mức với kích thích tối đa ( = max) mà phương pháp cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên điều chỉnh theo hướng giảm từ thơng  tức điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức Khi giảm  tốc độ khơng tải lý tưởng 𝜔0 = 𝑈đ𝑚 𝐾.∅ tang, cịn độ cứng đặc tính 𝛽=− (𝐾.∅)2 𝑅ư Ta thu họ đặc tính nằm đặc tính tự nhiên Hình 1: Đặc tính động điện giảm từ thông Khi tăng tốc độ động cách giảm từ thơng dịng điện tăng tăng vượt mức giá trị cho phép mơmen khơng đổi Vì muốn giữ cho dịng điện không vượt giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thơng ta phải giảm Mt theo tỉ lệ − Đặc điểm phương pháp o Phương pháp thay đổi tốc độ phía tăng o Phương pháp điều khiển vùng tải không lớn so với định mức o Việc thay đổi từ thơng khơng làm thay đổi dịng điện ngắn mạch o Việc điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông phương pháp điều khiển với công suất không đổi − Đánh giá tiêu điều khiển o Sai số tốc độ lớn: đặc tính điều khiển nằm dốc đặc tính tự nhiên o Dải điều khiển phụ thuộc vào phần máy Có thể điều khiển trơn dải điều chỉnh D = :1 o Tính liên tục: cơng suất cuộn dây kích từ bé, dịng điện kích từ nhỏ nên ta điều khiển liên tục với   o Phương pháp áp dụng tương đối phổ biến, thay đổi liên tục kinh tế (vì việc điều chỉnh tốc độ thực mạch kích từ với dịng kích từ = (1 – 10) %Iđm phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp) → Đây phương pháp gần động điện chiều cần điều chỉnh tốc độ lớn tốc độ điều khiển Phương pháp 3: Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp Nguyên lý làm việc Để điều chỉnh điện áp phần ứng động chiều cần có thiết bị nguồn (máy phát điện chiều kích từ độc lập, chỉnh lưu điều khiển…) Ở phương pháp này: U = var; đm = const; Rf = Khi thay đổi phần ứng (thay đổi theo chiều giảm điện áp), từ thông động giữ không đổi nên độ cứng đặc tính khơng đổi, cịn tốc độ khơng tải lí tưởng o = U /k. thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng Do ta thu họ đặc tính song song thấp đặc tính tự nhiên tức vùng điều khiển tốc độ nằm tốc độ định mức − Đặc điểm phương pháp: o Điện áp phần ứng giảm, tốc độ động thấp o Điều chỉnh trơn toàn dải điều chỉnh o Độ cứng đặc tính cao giữ khơng đổi tồn dải điều chỉnh o Chỉ thay đổi tốc độ phía giảm o Rất dễ tự động hóa dùng chỉnh lưu có điều khiển o Phương pháp điều khiển với moomen không đổi với  𝐼ư không đổi − Đánh giá chi tiêu điều khiển o Sai số tốc độ lớn (sai số tốc độ sai số tốc độ đặc tính tự nhiên) o Tính liên tục: điện áp động điều khiển biến đổi Các biến đổi có cơng suất bé nên điều chỉnh liên tục o Dải điều chỉnh đạt D=10:1 o Đây phương pháp điều chỉnh liên tục tốc độ động vùng tốc độ thấp tốc độ định mức động chiều Qua việc xét ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động ta thấy phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng triệt để có nhiều ưu điểm nên ta chọn phương pháp để điều khiển tốc độ động chiều CHƯƠNG II PHÂN TÍCH VẬT LÝ Ta có mạch mắc song song nên: U = Uö = Ukt Áp dụng định luật Kirchhoff với nút A mạch ta được: i = ikt + iö  iö = i − i kt Áp dụng định luật Kirchoff với mạch điện ta có: Phần ứng: = Lư diư d + Rö iö + K dt dt Laplace vế: Uö = sLö I ö (s) + Rö I ö (s) + Ks (s)  Uö = ( sLö + Rö ) I ö (s) + Ks (s)  Iö = Uö − Ks sLö + Rö (1) Phần kích từ: di kt + Rkt i kt dt  di di   Ukt = Lkt  − ö  + Rkt i − Rkt iö  dt dt  Ukt = Lkt Laplace vế ta có: U kt = sLkt ( I (s) − I ö (s) ) + Rkt ( I (s) − I ö (s) )  U kt = ( sLkt + Rkt )( I (s) − I ö (s) )  I (s) = U kt ( sLkt + Rkt ) + I ö (s) (2) Thay (1) vào (2) ta được: I= U U − Ks + sLkt + Rkt sLö + Rư (3) Phương trình cần Momen động cơ: d dt d d 2  Ki = b +J dt dt Ki − b = J Laplace vế ta có: KI (s) = bs (s) + Js2 (s) bs + Js2 I = K Từ (3) (4) ta được: (4) U U − Ks bs + Js2 + = sLkt + Rkt sLö + Rö K    bs + Js2 1 Ks  U  + +  =   sLö + Rö  sLkt + Rkt sLö + Rö   K 1 +  sL + Rö sLkt + Rkt  = ö U bs + Js2 Ks + K sLö + Rö   U = K ( sLö + Rö + sLkt + Rkt ) s( sLkt + Rkt ) (b + Js)(sLö + Rö ) + K  Thay số ta được:  = ( 1,53 17,5.10−3 s + 0,6 + 80.10−3 s + 0,4 ( ) ) s 80.10−3 s + 0.4 (6,6.10−3 + 0,166s)(17,5.10−3 s + 0,6) + 1,532   14,9.10−3 s + 1,53  = U 2, 324.10−4 s4 + 9,14.10−3 s3 + 0,227s2 + 0, 938s U    CHƯƠNG III XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH Động điện chiều kích từ song song có sơ đồ nối mạch sau: − Hệ thống động điện chiều song song gồm phần tử: o Điện cảm phần ứng L: 17.5 10−3 H o Điện trở phần ứng R: 0.6 Ω - Điện trở mạch kích từ: 0.4 Ω o Điện cảm kích từ L: 80 10−3 H o Hệ số cản b = 6.6 10−3 Nms/rad o Momen quán tính J= 0.166 𝑁𝑚𝑠/𝑟𝑎𝑑 o Hệ số momen K= 1.53 − Nguồn cấp cho mạch nguồn U, nguồn cấp cho động hoạt động − Xây dựng biểu đồ Bond Graph cho hệ thống điện o Mỗi vị trí mạch điện mà điện khác đặt “0-junction” (0junction 1, 0-junction 2, 0-junction 3, 0-junction 4, 0-junction 5) o Chèn phần tử mạch “single port” cách kết nối với “1-junction” đường bond o Nguồn vào Se nối với “0-junction” qua “1-junction” Từ ta xây dựng sơ đồ Bond Graph Sơ đồ Bond Graph được đơn giản hóa - Gắn chiều nhân quả: + Chỉ “Causal stroke” vào “0-junction” lại “Causal stroke” khác + Chỉ “Causal stroke” “1-junction” lại “Causal stroke” khác vào Từ ta có giản đồ Bond Graph CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Biểu đồ Bond Graph mơ tả động điện chiều kích từ song song phần mềm 20-sim 4.1.1 Nhập giá trị cho phần tử hệ thống: Hình cho thấy tổng dòng điện dòng điện qua mạch phần ứng phần kích từ: Mơ men đầu vận tốc góc: Thiết kế điều khiển PID, khảo sát đáp ứng hệ thống với đầu vị trí góc theta: Với Kp = 10, Kd = 0.03, Ki = 15, ta có phản hồi hệ thống: Hệ thống đáp ứng sau gần 4s độ vọt lố đạt 11.3% Thiết kế điều khiển PID, khảo sát hệ thống với đầu vận tốc góc: Với Kp = 10, Kd = 0.01, Ki = 0.1, ta có đáp ứng hệ thống sau: Hệ thống đáp ứng sau khoảng 0.3s, độ vọt lố đạt 16% ... khác vào Từ ta có giản đồ Bond Graph CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Biểu đồ Bond Graph mơ tả động điện chiều kích từ song song phần mềm 20-sim 4.1.1 Nhập giá trị cho phần tử hệ thống: Hình. .. lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2 mm hợp thành hình trục trịn Hai đầu trục trịn dùng hai hình ốp chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp trụ tròn cách điện mica Đi vành góp có cao lên để hàn đầu dây phần từ... Duy Toàn – 2018600565 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động điện chiều kích từ song song hình Và mạch động điện chiều hình Trong đó: R tín hiệu đặt tốc độ;