Bài số 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu như hình 1. Và mạch phần ứng động cơ điện một chiều như hình 2. Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ; là góc quay của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ. Các thông số của động cơ như sau: Điện cảm phần ứng L: 2. H Điện trở phần ứng R: 0.8 Hệ số cản b = 6.6 Nmsrad Momen quán tính J= 0.1 Hệ số momen K= 0.3 Cho cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và mô hình hệ thống treo xe bus như hình 1 và 2. Trong đó: u là tín hiệu điều khiển hệ thống treo. Các thông số của động cơ như sau: Khối lượng thân xe: 3500kg Khối lượng bánh xe: 420kg Độ cứng hệ treo K1 : 80000Nm Độ cứng lốp xe K2 : 500000Nm Hệ số cản hệ treo b1 : 350Nsm Hệ số cản hệ treo b2 : 15020Nsm
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN MƠN HỌC MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giảng viên hướng dẫn: Lê Ngọc Duy Mai Văn Lập Nhóm 13: Phạm Quang Linh Nguyễn Đăng Lợi Hà Nội, 2022 Bài số 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động điện chiều nam châm vĩnh cửu hình Và mạch phần ứng động điện chiều hình Trong đó: R tín hiệu đặt tốc độ; góc quay động cơ; u tín hiệu điều khiển động Các thông số động sau: - Điện cảm phần ứng L: H - Điện trở phần ứng R: 0.8 - Hệ số cản b = 6.6 Nms/rad - Momen quán tính J= 0.1 - Hệ số momen K= 0.3 Yêu cầu: - Giới thiệu tổng quan ứng dụng động chiều nam châm vĩnh cửu hệ thống điều khiển động điện chiều - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương 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 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU Động chiều nam châm vĩnh cửu 1.1 Động chiều DC (DC từ viết tắt Direct Current) động điều khiển dịng có hướng xác định hay nói cách khác loại động chạy nguồn điện áp DC - điện áp chiều Động điện chiều nam châm vĩnh cửu động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu Cấu tạo phân loại động điện chiều 1.2 1.2.1 Cấu tạo động điện chiều Cấu tạo động điện chiều thường gồm phận sau: - Stator: hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu nam châm điện - Rotor: phần lõi quấn cuộn dây để tạo thành nam châm điện - Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc tiếp điện cho cổ góp - Cổ góp (Commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc chia nhỏ nguồn điện cho cuộn dây rotor Số lượng điểm tiếp xúc tương ứng với số cuộn dây rotor Hình 1: Cấu tạo động điện chiều 1.2.2 Phân loại động điện chiều - Động điện chiều phân loại theo kích từ thành loại: Kích từ độc lập Kích từ song song Kích từ nối tiếp Kích từ hỗn hợp - Động điện chiều phân loại theo kết cấu cực từ: Động điện chiều cực từ nam châm điện Động điện chiều cực từ nam châm vĩnh cửu 1.3 Nguyên lý hoạt động động điện chiều Khi cấp điện áp chiều Uư vào mạch phần ứng, dây quấn phần ứng có điện Các dẫn có dịng điện Iư nằm từ trường Φ stator sinh chịu lực F (lực Lorentz) tác dụng làm rotor quay, chiều lực xác định quy tắc bàn tay trái (mũi tên màu đỏ hình dưới) Hình 2: Nguyên lý hoạt động động điện chiều Khi cuộn dây phần ứng quay nửa vịng, vị trí dẫn đổi chỗ cho nhau, có phiếu góp nên chiều dịng điện cuộn dây phần ứng nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi Khi quay, dẫn cắt từ trường cảm ứng với suất điện động Eư chiều suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải, động chiều sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư gọi sức phản điện động 1.4 Các phương pháp điều khiển động điện chiều 1.4.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng 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= 𝛥𝑀 𝛥𝜔 = (𝐾𝑘𝑡 )2 𝑅𝑢 +𝑅𝑘𝑡 Hình 3: Đặc tính động thay đổi điện trở phần ứng - Điện trở mạch phần ứng tăng, độ dốc đặc tính lớn, đặc tính mềm độ ổn định tốc độ kém, sai số tốc độ lớn - Phương pháp cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ phía giảm (do tăng thêm điện trở) - Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng tổn hao công suất dạng nhiệt điện trở lớn 1.4.2 Phương pháp thay đổi từ thông 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 Rõ ràng phương pháp cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa giảm dịng điện kích từ (Ikt ≤ Iktđm) thay đổi phía giảm từ thơng Khi giảm từ thơng, đặc tính dốc có tốc độ khơng tải lớn Hình 4: Đặc tính động thay đổi từ thông Phương pháp điều chỉnh tốc độ thay đổi từ thơng có đặc điểm sau: - Từ thơng giảm tốc độ khơng tải lý tưởng đặc tính tăng, tốc độ động lớn - Độ cứng đặc tính giảm giảm từ thơng - Có thể điều chỉnh trơn dải điều chỉnh: D ~ 3:1 - Chỉ điều chỉnh thay đổi tốc độ phía tăng - Do độ dốc đặc tính tăng lên giảm từ thơng nên đặc tính cắt đó, với tải khơng lớn (M1) tốc độ tăng từ thơng giảm Cịn vùng tải lớn (M2) tốc độ tăng giảm tùy theo tải Thực tế, phương pháp sử dụng vùng tải không lớn so với định mức - Phương pháp kinh tế việc điều chỉnh tốc độ thực mạch kích từ với dịng kích từ (1÷10)% dịng định mức phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp 1.4.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Từ thông động giữ không đổi Điện áp phần ứng cấp từ biến đổi Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có họ đặc tính ứng với tốc độ khơng tải khác nhau, song song có độ cứng Điện áp U thay đổi phía giảm (U Hình 5: Đặc tính động thay đổi điện áp phần ứng Điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập biện pháp thay đổi điện áp phần ứng có đặc điểm sau: - Điện áp phần ứng giảm, tốc độ động nhỏ - Điều chỉnh trơn toàn dải điều chỉnh - Độ cứng đặc tính giữ khơng đổi tồn dải điều chỉnh - Độ sụt tốc tuyệt đối tồn dải điều chỉnh ứng với mơmen Độ sụt tốc tương đối lớn đặc tính thấp dải điều chỉnh Do vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) đặc tính thấp khơng vượt q sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh - Dải điều chỉnh phương pháp có thể: D ~ 10:1 - Chỉ điều chỉnh tốc độ phía giảm (vì thay đổi với Uư ≤ Uđm) - Phương pháp điều chỉnh cần nguồn để thay đổi trơn điện áp 1.5 Ưu, nhược điểm động điện chiều nam châm vĩnh cửu 1.5.1 Ưu điểm động điện chiều + Ưu điểm bật động điện chiều có moment mở máy lớn, kéo tải nặng khởi động + Khả điều chỉnh tốc độ tải tốt + Tiết kiệm điện + Bền bỉ, tuổi thọ lớn 1.5.2 Nhược điểm động điện chiều + Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền hay hư hỏng trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cẩn thận, thường xuyên + Tia lửa điện phát sinh cổ góp chổi than gây nguy hiểm, điều kiện môi trường dễ cháy nổ + Giá thành đắt mà công suất không cao 1.6 Các ứng dụng động điện chiều nam châm vĩnh cửu Nhờ ứng dụng động điện mà việc lắp đặt, vận hành máy móc, hoạt động liên quan đến lĩnh vực khác thực cách nhanh chóng, hiệu tiết kiệm chi phí đáng kể Động điện ngày ứng dụng rộng rãi, phổ biến thay dần cho loại động truyền thống Bởi lẽ, loại động không hoạt động bền bỉ, linh hoạt, lắp đặt vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bị khác nhau, mà cịn tiết kiệm lượng tiêu thụ đáng kể Chính thế, ứng dụng loại động trở nên đa dạng phổ biến Ứng dụng động điện chiều đa dạng lĩnh vực đời sống: tivi, máy công nghiệp, đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt công nghiệp giao thông vận tải, thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi lớn Trong lĩnh vực công nghệ thơng tin, loại động cịn xuất máy vi tính, cụ thể sử dụng ổ cứng, ổ quang, CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MƠ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÍ 2.1 Phân tích mơ hình hệ thống động điện chiều Hình 1: Mơ hình động điện chiều - Điện cảm phần ứng L: 10−3 H - Điện trở phần ứng R: 0.8 Ω - Hệ số cản b = 6.6 10−3Nms/rad - Momen quán tính J= 0.1 𝑁𝑚𝑠 /𝑟𝑎𝑑 - Hệ số momen K= 0.3 - Tín hiệu vào điện áp: V - Tín hiệu góc quay : 2.2 Mơ hình hóa hệ thống Mơ hình hóa hệ thống hàm truyền phương trình khơng gian trạng thái * Áp dụng định luật II Niuton cho phần ta có phương trình: J.𝜃̈ + b.𝜃̇ = T Trong : T = K.i(t) (2.1) (2.2) +T : moment rotor (Nm) +i : dịng điện phần ứng (A) Từ phương trình (2.1) (2.2) ta có : J.𝜃̈ + b.𝜃̇ = K.i(t) (2.3) * Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có: L 𝑑𝑖 𝑑𝑡 + Ri = V - E (2.4) Trong : E điện áp cảm ứng : E = K.ω = K 𝜃̇ (V) (2.5) V điện áp phần ứng Từ phương trình (2.4) (2.5) ta có: di L dt + Ri = V - K 𝜃̇ (2.6) Biến đổi Laplace (2.3) (2.6) : s.(J.s +b) 𝜃(𝑠) = K.I(s) (2.7) (L.s+R).I(s) = V - Ks 𝜃(𝑠) (2.8) Từ phương trình (2.7) ta có: I(s) = s.(J.s +b).𝜃(𝑠) (2.9) 𝐾 Thế (2.9) vào (2.8) biến đổi ta được: θ V = K (2.10) s.((J.s+b).(L.s+R)+K2) Vậy hàm truyền hệ H( s ) = θ V = K LJs3 +(bJ+JR)s2 +(bR+K2)s (2.11) Xây dựng phương trình khơng gian trạng thái: Ta chọn tốc độ quay dịng điện biến trạng thái Điện áp đầu vào, đầu tốc độ quay Từ phương trình (2.3) (2.6) ta có: 𝑑θ 𝑑𝑡 dθ̇ dt di dt = θ̇ b K = − θ̇ + i J J 𝐾 𝑅 𝑉 = − θ̇ − 𝑖 + 𝐿 𝐿 𝐿