BÀI TẬP LỚN MÔN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ , Sử dụng phương pháp vật lý và sử dụng bond graph để biểu diễn Động cơ điện một chiều kích từ song song, Mô phỏng và đánh giá các đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20sim
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN MƠN: MƠ HÌNH HĨA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn : ThS LÊ NGỌC DUY Sinh viên thực : Nhóm MSV Phan Bá Hiếu 2018605605 Đinh Việt Hoàng 2019600743 Nguyễn Huy Hoàng 2019603486 : Hà Nội – 2022 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU PHẦN I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái quát động điện chiều .2 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Cấu tạo động điện chiều .2 1.1.3 Nguyên lý hoạt động động điện chiều 1.1.4 Phân loại động điện chiều 1.1.5 Ưu, nhược điểm động điện chiều 2.1 Động điện chiều kích từ song song 2.1.1 Phương trình cân dòng, áp 2.1.2 Đặc tính tốc độ 2.1.3 Đặc tính momen theo dịng phần ứng PHẦN II: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ ĐỂ VIẾT PHƯƠNG TRÌNH MƠ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU PHẦN III: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU .11 3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph 11 3.2 Thiết lập nhân Bond Graph 12 3.3 Xây dựng hệ thống động điện chiều .13 3.3.1 Hệ thống có điều khiển Kp .13 3.3.2 Hệ thống có điều khiển PD 14 3.3.3 Hệ thống có điều khiển PI 14 3.4 Mô đánh giá đặc tính tốc độ động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng phần mềm 20-sim 15 3.4.1 Đặc tính tốc độ động điện chiều chưa có điều khiển .15 3.4.2 Hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng điều khiển tỉ lệ P 16 3.4.3 Hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng điều khiển tỉ lệ PD 18 3.4.4 Hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng điều khiển tỉ lệ PI 19 3.4.5 Hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng điều khiển tỉ lệ PID 20 KẾT LUẬN 22 DANH MỤC THAM KHẢO 23 LỜI NÓI ĐẦU Đối với kỹ sư điều khiển - tự động hóa nói riêng người nghiên cứu khoa học - kỹ thuật nói chung, mô công 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 mạnh có hiểu biết phương pháp mơ hình hóa, người kỹ sư có khả rút ngắn thời gian giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sản phẩm cách đáng kể Điều đặc biệt có ý nghĩa sản phẩm hệ thống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế lớn Động điện chiều ngày sử dụng rộng rãi sản xuất công nghiệp tính mà mang lại như: khơng cần nguồn xoay chiều, thực việc thay đổi tốc độ động cách dễ dàng,… Chính lí mà em giao đề tài động chiều đối tượng để mô làm PHẦN I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái quát động điện chiều 1.1.1 Khái niệm Động điện chiều máy điện quay dùng để biến đổi lượng điện chiều thành Hình 1.1 Động điện chiều 1.1.2 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều phân thành hai phần chính: - Phần tĩnh (Stator) - Phần động (Rotor) Phần tĩnh (stator) hay gọi phần kích từ động cơ, phận sinh từ trường gồm có: - Dây quấn kích thích: 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) - Cực từ chính: Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với - Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ - Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy - Các phận khác: Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ngồi Gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lị xo tì chặt lên cổ góp Hình 1.2 Cấu tạo Stator Phần động ( rotor): Bao gồm phận sau: - Phần sinh sức điện động: Gồm có mạch từ làm vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với Trên mạch từ có rãnh để lồng dây quấn phần ứng - Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dịng điện xốy gây nên - Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần phát sinh suất điện động có dịng điện chạy qua - Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có mạ cách điện với hợp thành hình trục trịn Hình 1.3 Cấu tạo Rotor 1.1.3 Ngun lý hoạt động động điện chiều Khi đặt vào từ trường dây dẫn cho dòng điện chạy qua dây dẫn từ trường tác dụng lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn) làm dây dẫn chuyển động.Chiều từ lực xác định quay tắc bàn tay trái.Động điện nói chung động điện chiều nói riêng chúng hoạt đơng theo quy tắc 1.1.4 Phân loại động điện chiều Dựa theo cách kích thích từ trường động Ta có loại động điện chiều thường sử dụng: - Động điện chiều kích từ độc lập: Phần ứng phần kích từ cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ - Động điện chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ mắc song song với phần ứng - Động điện chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tếp với phần ứng - Động điện chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có cuộn dây kích từ, cuộn mắc song song với phần ứng cuộn mắc nối tiếp với phần ứng 1.1.5 Ưu, nhược điểm động điện chiều 1.5.1 Ưu điểm Có thể dùng làm động điện hay máy phát điện điều kiện làm việc khác Song ưu điểm lớn động điện chiều điều chỉnh tốc độ khả tải Nếu thân động không đồng đáp ứng đáp ứng phí thiết bị biến đổi kèm (như biến tần ) đắt tiền động điện chiều khơng điều chỉnh rộng xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng cao 1.5.2 Nhược điểm Có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành tin cậy khơng an tồn mơi trường rung chấn, dễ cháy nổ 2.1 Động điện chiều kích từ song song Động điện chiều kích từ song song có cuộn kích từ cuộn ứng cấp điện nguồn điện Khi nguồn điện chiều có cơng suất vơ lớn điện áp khơng đổi phần ứng phân kích từ thường mắc song song 𝑹𝒇 : Là điện trở dây quấn kích thích (phần cảm) 𝑹𝒌𝒕 : Là điện trở nối tiếp phần cảm 𝑹ư : Điện trở dây quấn phần ứng n: Tốc độ quay rotor (tốc độ quay động cơ) 𝛟𝒌𝒕 : Từ thơng kích thích tạo dây quấn phần cảm dịng điện kích thích 𝑰𝒌𝒕 2.1.1 Phương trình cân dịng, áp Các phương trình cân dịng áp xây dựng từ mạch tương đương động DC kích từ song song ghi nhận sau: V = (𝑅𝑓 + 𝑅𝑘𝑡 ) 𝐼𝑘𝑡 V = E + 𝐼ư 𝑅ư Trong đó: E = (𝐾𝑒 𝜙𝑘𝑡 ).n 𝐼𝑛 = 𝐼ư + 𝐼𝑘𝑡 Dòng 𝐼𝑛 dòng từ nguồn cấp đến động Đối với mạch kích thích khơng cần điều chỉnh thay đổi tốc độ động cách thay đổi từ thơng kích thích, ta chỉnh cho 𝑅𝑘𝑡 = 0, khơng đấu nối tiếp điện trở với mạch phần cảm Từ phương trình cân áp mạch phần ứng, nhân hai vế quan hệ cho dịng 𝐼ư Ta có: V.𝐼ư = E.𝐼ư + R.𝐼ư ⇒ V.𝐼𝑛 = E.𝐼ư + R.𝐼ư + V.𝐼𝑘𝑡 Công suất điện cấp đến động cơ: 𝑃đ𝑖ệ𝑛 = V.𝐼𝑛 Công suất điện từ, công suất đưa trục động chưa trừ ma sát cơ, quạt gió tổn hao thép: 𝑃đ𝑖ệ𝑛 𝑡ừ = E.𝐼ư Tổn hao dây quấn phần ứng tác dụng Joule, tổn hao đồng phân ứng: 𝑃𝑗,ư = R.𝐼ư Tổn hao mạch kích thích: P = V.𝐼𝑘𝑡 = (𝑅𝑓 + 𝑅𝑘𝑡 ).𝐼𝑘𝑡 Hiệu suất động cơ: H= 𝑃2 𝑃1 2.1.2 Đặc tính tốc độ Đặc tính tốc độ động đồ thị mô tả quan hệ tốc độ quay n động với dòng điện Iư qua mạch phần ứng Khử E, ta có phương trình quan hệ: n= 𝑉− 𝑅ư 𝐼ư 𝐾𝑒 𝜙𝑘𝑡 Đồ thị đặc tính tốc độ có dạng đường thẳng: y = Ax + B, A< B >0 Đặc tuyến qua hai điểm đặc biệt Giao điểm đồ thị với trục hồnh (dịng điện Iư ): n = ⇒ 𝐼ư = Giao điểm đồ thị với trục tung (trục tốc độ n): I = ⇒ n = 𝑉 𝑅ư 𝑉 𝐾𝑒 𝜙𝑘𝑡 Muốn hiểu ý nghĩa vật lý giao điểm đồ thị với trục tung, quan sát đặc tính tốc độ động hình: Tại thời điểm bắt đầu khởi động động (điểm a); dòng mở máy (hay khởi động trực tiếp) qua phần ứng có giá trị In; động tăng dần tốc độ từ giá trị Khi rotor quay: tốc độ động tăng dần, dòng qua phần ứng giảm dần Tại chế độ không tải, động không mang tải trục, tốc độ động tiếp tục tăng dòng điện qua phần ứng giảm thấp giá trị định mức, điểm làm việc đọan cd Tóm lại, chế độ không tải điểm làm việc động đặc tính tốc độ nằm gần vị trí d Tuy nhiên, chế độ không tải điện làm việc động khơng thể vị trí d, dịng điện qua mạch phần ứng Iư = (khơng có dịng điện qua dẫn phần ứng) khơng hình thành lực điện từ để tạo momen quay rotor Thực động tiến vùng cận điểm d q trình họat động khơng tải; lý điểm d gọi điểm không tải lý tưởng; tốc độ động d 𝑛𝑜 gọi tốc độ không tải lý tưởng PHẦN II: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ ĐỂ VIẾT PHƯƠNG TRÌNH MƠ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Chúng ta có đầu vào hệ thống nguồn điện áp (U) áp dụng cho phần ứng động cơ, đầu tốc độ quay trục 𝜃̇ Các thông số động cơ: - Điện áp nguồn: U (V) - Điện trở phần kích từ: 𝑅1 (Ω) - Điện cảm phần kích từ: 𝐿1 (mH) - Điện trở phần ứng: 𝑅2 (Ω) - Điện cảm phần ứng: 𝐿2 (mH) - Hệ số cản: b (Nms/rad) - Hệ số moment: K - Hằng số sức điện động: 𝐾𝑒 - Tốc độ góc quay trục động cơ: 𝜃̇ (rad/s) Mô-men xoắn tạo động DC tỷ lệ với dòng điện cường độ từ trường Chúng ta giả định từ trường số, mô men xoắn động tỉ lệ thuận với dòng điện phần ứng hệ số không đổi K cho đề M = K.𝑖2 (1) Xuất điện động E tỷ lệ thuận với vận tốc góc trục hệ số K không đổi đề bài: E = 𝐾𝑒 𝜃̇ (2) Phương trình cân momen động : M = J𝜃̈ + b𝜃̇ (3) Từ (1) (3) ta có phương trình: J𝜃̈ + b𝜃̇ = K.𝑖2 (4) Áp dụng định luật Kirchhoff: U + 𝑈𝑅2 + 𝑈𝐿2 – E = ⇒ 𝑅𝑖2 + L 𝑑𝑖2 𝑑𝑡 (5) =U-E Trong đó: 𝜃̇ = 𝑑𝜃 𝑑𝑡 (6) = 𝜔 tốc độ góc động đơn vị (rad/s) Laplace hai vế (4) (6): 𝑠 J𝜃(s) + sb𝜃(s) = K𝐼2 (s) (7) sLI(s) + RI(s) = U(s) - s𝐾𝑒 𝜃(s) (8) Tốc độ góc miền Laplace có liên quan đến vị trí góc theo cơng thức sau:𝜔(s)=s𝜃(s) Từ ta có mối liên hệ tốc độ đầu động với đầu vào điện áp : 𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝜔(𝑠) 𝑈(𝑠) = 𝜃(𝑠) 𝑈(𝑠) = (𝐽𝑠+𝑏)(𝐿 −𝐾 𝑠+ 𝑅2 )+ 𝐾𝑒 𝐾 10 PHẦN III: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph Các bước xây dựng biểu đồ Bond Graph: - Bước 1: Mỗi vị trí mạch điện có điện khác đặt 0-Junctions - Bước 2: Chèn phần tử mạch “Single Port” kết nối với 1-Junctions đường Power bond - Bước 3: Gắn chiều công suất với tất bond mơ hình - Bước 4: Nếu vị trí đất xây dựng xóa bỏ 0-Junctions tất bond nối với - Bước 5: Đơn giản hóa Bonds theo nguyên tắc 11 3.2 Thiết lập nhân Bond Graph Quy tắc: - Phần tử Se: causal gần juntion juntion - Phần tử I: causal xa juntion juntion - Phần tử C: causal gần juntion juntion - Tại juntion có phần tử causal gần - Tại juntion có phần tử causal xa - Cuối xác định causal R 12 3.3 Xây dựng hệ thống động điện chiều 3.3.1 Hệ thống có điều khiển Kp 13 3.3.2 Hệ thống có điều khiển PD 3.3.3 Hệ thống có điều khiển PI 14 3.4 Mơ đánh giá đặc tính tốc độ động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng phần mềm 20-sim 3.4.1 Đặc tính tốc độ động điện chiều chưa có điều khiển - Đặc tính tốc độ động moment xoắn động điện chiều - Đặc tính dịng điện động điện chiều Nhận xét: - Khi chưa có điều khiển, động cấp nguồn điện chiều 240V - Động điện quay với tốc độ cao 250 (rad/s) khoảng 2387(vòng/phút) ổn định khoảng 0.5(s) cần cần moment khởi động lớn 270(N.m) - Từ đặc tính dịng điện cho thấy động cần dòng điện đầu vào cao 298.4(A) 15 3.4.2 Hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng điều khiển tỉ lệ P Tốc độ đặt động 100 rad/s - Khi Kp=1, tốc độ động 55 rad/s, moment xoắn đầu 10.3 N.m (moment khởi động 47 N.m) - Khi Kp=10, tốc độ động 95 rad/s, moment đầu 10.7N.m (moment khởi động 924N.m),thời gian đáp ứng t=0.2s 16 - Khi Kp=100, tốc độ động 99.5 rad/s, moment đầu 10.66N.m (moment khởi động 11800 N.m), thời gian đáp ứng t=0.005s Nhận xét: - Khi động điện chiều sử dụng điều khiển tỉ lệ P đáp ứng tốc độ động nhanh đạt đến giá trị đặt cần moment khởi động lớn - Khi sử dụng thời gian dài làm giảm tuổi thọ động 17 3.4.3 Hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng điều khiển tỉ lệ PD Bộ điều khiển PD - Khi kp=1, kd=1, tốc độ 54.7 rad/s, moment 10.36N.m (khởi động 17.4 N.m) - Khi kp=10,kd=1, tốc độ 94.88 rad/s, moment 10.63N.m (khởi động 25 N.m) t=5s 18 - Khi kp=100,kd=1, tốc độ 99.5 rad/s, moment 10.66N.m (khởi động 26.3 N.m) t=7s 3.4.4 Hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng điều khiển tỉ lệ PI Bộ điều khiển PI - Kp=1,ki=1, tốc độ 100 rad/s, moment 10.66N.m (khởi động 52 N.m) t=4s 19 - Kp=10,ki=1, tốc độ 100 rad/s, moment 10.66N.m (khởi động 932N.m) t=0.5s 3.4.5 Hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng điều khiển tỉ lệ PID - Kp=1,ki=1,kd=0.001, tốc độ 100 rad/s, moment 10.66N.m (khởi động 52N.m) t=0.4s 20 - Kp=300,ki=100,kd=0.3, tốc độ 100 rad/s, moment 64 N.m (khởi động 52N.m) t=2s 21 KẾT LUẬN Qua trình nghiên cứu, tìm hiểu,chúng em nắm cấu tạo, nguyên lý hoạt động thông số kỹ thuật động điện chiều Ngoài ra,học phần hoàn thiện việc nghiên cứu sở tính tốn việc xây dựng biểu đồ bond graphs,sử dụng phần mềm 20-sim để đánh giá hệ thống ĐC điện điện chiều Cuối cùng, lần em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS Lê Ngọc Duy, thầy hướng dẫn bảo em suốt thời gian qua để em hồn thành tập lớn Chúng em xin chân thành cảm ơn! 22 DANH MỤC THAM KHẢO Sách, giáo trình chính: [1] Bộ mơn Cơ điện tử, Đề cương giảng mơn mơ hình hóa mơ hệ thống điện tử, ĐHCNHN Sách, tài liệu tham khảo: [2] Nguyễn Công Hiền, Phạm Thị Thục Anh (2005), Mơ hình hóa hệ thống mơ phỏng, NXB Khoa học kỹ thuật [3] Huỳnh Thái Hoàng ( 2012), Mơ hình hóa nhận dạng hệ thống, ĐHBK TPHCM [4] Shuvra Das (2009), Mechatronics modeling and simulation using Bond Graphs, CRC press 23 ... qua để em hồn thành tập lớn Chúng em xin chân thành cảm ơn! 22 DANH MỤC THAM KHẢO Sách, giáo trình chính: [1] Bộ mơn Cơ điện tử, Đề cương giảng mơn mơ hình hóa mơ hệ thống điện tử, ĐHCNHN Sách,... TRÌNH MƠ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Chúng ta có đầu vào hệ thống nguồn điện áp (U) áp dụng cho phần ứng động cơ, đầu tốc độ quay trục