Nội dung 4: Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện mộtchiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim.3.. Đồ án được gồm bốnphần chính sa
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Tổng quan động cơ điện một chiều kích từ song song
1.1.1 Động cơ 1 chiều là gì? Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current Motors) là động cơ được điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp 1 chiều.
1.1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều cấu tạo gồm hai thành phần chính: phần cảm (stator),phần ứng (roto).
Phần cảm là phần tạo ra từ trường tỉnh của động cơ gồm có các phần sau:
- Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường, nó gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ.
+ Lõi sắt kịch từ được làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép lại
+ Dây quấn kích từ: được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ
Hình1.1 :Giới thiệu tổng quan-1:Cực từ chính động cơ điện một chiều
-Cực từ phụ: được đặt giữa các cực chính và dùng để cải thiện đổi chiều, lôi thép thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn giống như cực từ chính
-Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy
-Chổi than: là các thanh Cacbon được tiếp xúc với cổ góp để đưa dòngđiện từ nguồn một chiều vào rôto Chổi than được đặt ở trung tính hình học của động cơ
Phần ứng là phần cho dòng điện một chiều chạy trong nó, tương tác giữa dòng điện I và từ thông 4 sinh ra mộmcn quay Nó gồm ba phần chính: Lôi thép: là các lá thép kĩ thuật điện (Fe - Si) mòng ghép lại với nhau, trên có xẻ rãnh để đặt các bối dây
Hình1.2: Giới thiệu tổng quan-2: Phần ứng (rotor)
-Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua, nó gồm ba phần chính:
-Lõi thép: là các lá thép kĩ thuật điện (Fe - Si) mỏng ghép lại với nhau, trên có xẻ rãnh để đặt các bối dây.
-Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua, nó được cấu tạo gồm các dây đồng tròn được ghép thành các phần tử (bối dây), các bối dây được ghép theo kiểu dây quấn xếp đơn hay dây quấn phức tạp tuỷ yêu cầu mômen lớn hay nhỏ.
-Cổ ghóp: gồm các phiến góp được cách điện với nhau, các phiến góp được nối với các đầu mút của các bối dây để đưa dòng điện vào phần ứng, Ngoài ra còn có các bộ phận khác gồm cánh quạt dùng để làm ngội máy, trục máy Tùy theo phương pháp kích từ người ta chia động cơ một chiều thành các dạng kích từ nối tiếp, kích từ song song, kích từ hỗn hợp, kích từ độc lập.
Hình1.3: Giới thiệu tổng quan-3: cấu tạo cổ góp
*Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều
- Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có moment mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động.
- Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt.
- Tiết kiệm điện năng- Bền bỉ, tuổi thọ lớn.
*Nhược điểm của động cơ điện 1 chiều
- Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trongquá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cẩn thận, thường xuyên.
- Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ.
- Giá thành đắt mà công suất không cao.
1.1.3 Nguyên lí hoạt động Động cơ điện 1 chiều hoạt động chủ yếu dựa vào định luật cảm ứng điện từ của faraday
Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khí cuộn dây lệch 90 ° so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính.
Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng. Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điện động hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện.
Hình1.4: Giới thiệu tổng quan-4: nguyên lý hoạt động
• Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor
• Pha 2: Rotor tiếp tục quay
• Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1
* Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều kích từ
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp Ukt nào đó, trong dây quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng điện kích từ Ikt Dòng kích từ này sẽ sinh từ thông chạy trong mạch từ của động cơ Nếu ta đặt lên mạch phần ứng của động cơ một điện áp U thông qua hệ thống chổi than và cổ góp thì trong dây quấn phần cứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng I và từ thông kích từ sẽ sản sinh ra một momen điện từ Giá trị của momen điện từ được tính như sau:
Với K là hệ số kết cấu của động cơ Momen điện từ này kéo phân ứng của động cơ quay quanh trục Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của roto.
Khi ta cấp điện thế dương vào một cực của động cơ và cấp điện thế âm vào cực còn lại thì động cơ sẽ quay theo một chiều cố định và khi ta cấp điện thế ngược lại đảo chiều dương âm thì động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại
Cụ thể để đảo chiều quay của động cơ điện một chiều ta có cách sau: Đảo chiều từ thông biết từ đảo chiều dòng điện vẫn cảm dễ thực hiện với động cơ kích từ độc lập va song song vì mạch tư công suất nhỏ. Đảo chiều dòng điện phần ứng.
Hình1.5: Giới thiệu tổng quan-5: đảo chiều động cơ
1.1.5 Các ứng dụng về động cơ điện một chiều kích từ song song Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đàn sống trong tay, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in photo, đặc biệt trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn
• Động cơ một chiều được dùng nhiều trong các máy công cụ lớn, yêu cầu tốc độ và số vòng quay cao.
• Động cơ 1 chiều chúng ta thường thấy nhất là trong các ứng dụng đồ chơi, xe mô hình, động cơ sử dụng pin để hoạt động đều là động cơ một chiều
• Như vậy động cơ 1 chiều được ứng dụng trong hầu hết các thiết bị như: ổ đĩa.máy photocopy
Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều
1.2.1 Bộ điều khiển động cơ điện một chiều là gì ?
Bộ điều khiển động cơ 1 chiều là 1 thiết bị hoặc 1 nhóm thiết bị phục vụ để điều chỉnh một cách xác định trước hiệu suất của động cơ 1 chiều.
Bộ điều khiển động cơ 1 chiều có thể bao gồm phương tiện thủ công hoặc tự động để khởi động và dừng động cơ, chọn chuyển tiếp hoặc quay ngược, chọn và điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh hoặc giới hạn momen xoắn, bảo vệ chống quá tải và lỗi.
1.2.2 Phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách sử dụng điện trở. Đây được xem là phương pháp đơn giản nhất, chỉ cần mắc nối tiếp điện trở vào phần ứng, độ dốc của đường đặc tính sẽ giảm, số vòng quay giảm và tốc độ sẽ chậm đi tương ứng. Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách điều khiển từ thông. Điều chỉnh từ thông hay còn được gọi là điều chỉnh momen điện từ và sức điện động của động cơ Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ sẽ tăng lên Tuy nhiên, trên thực tế, phương pháp này ít được sử dụng vì khá khó để thực hiện Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách điều khiển điện áp phần ứng.
Chúng ta có thể lựa chọn điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ hoặc điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ Khi thay đổi điện áp của phần ứng thì tốc độ quay của động cơ cũng thay đổi tương ứng.
Hình1.7: Giới thiệu tổng quan-7: động cơ 1 chiều
Phương pháp điều khiển động cơ 1 chiều không hề phức tạp Chỉ cần tuân thủ nguyên tắc hoạt động cũng như trang bị một số kiến thức, kỹ năng nhất định là bạn hoàn toàn có thể điều khiển loại động cơ này một cách nhanh chóng
Thông số cần quan tâm của bộ điều khiển động cơ 1 chiều.
Kiểu điều khiển: điều khiển vô cấp tốc độ và mô men động cơ, mô men toàn phần ngay ở tốc độ không … Điện áp điều khiển động cơ
Sai lệch tĩnh, ví dụ: < 1% trong mọi trường hợp,…
Khả năng giới hạn dòng điện và điện áp điều chỉnh được.
Ngoài ra các có các chỉ số khác như: bảo vệ mất pha điện áp lưới, bảo vệ mất kích từ động cơ, gia tốc tăng giảm điều chỉnh được, khả năng chống quá tải, kết cấu gọn nhẹ,tuổi thọ,…
PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Hình2.1: Phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ song song-8: sơ đồ
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện và mạch từ của máy sẽ có từ thông Ф Tiếp đó đặt một giá trị điện áp Uư lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện Iư chạy qua, tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ Vậy ta có các phương trình cơ bản của động cơ một chiều
- Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:
Uư = Eư + Iư (Rư + Rf)
Sức điện động phần ứng Eư được tính theo biểu thức:
Phương trình cân bằng mô men của động cơ:
Rư: Là điện trở cuộn dây phần ứng
Eư: Là sức điện động phần ứng động cơ
Rf: Là điện trở phụ
Iư: Là dòng phần ứng
K: Là hệ số cấu tạo của máy điện
M: Là mô men động cơ
Uư: Là điện áp đặt vào phần ứng động cơ ω: Là tốc độ góc động cơ Φ: Là từ thông động cơ
Chuyển các phương trình trên sang dạng toán tử Laplace:
M(p) = k.Φ.I(p) Áp dụng định luật II Niuton cho phần cơ ta có phương trình:
(2.1) Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có:
Từ phương trình (2.3) ta có:
Thế (2.5) vào (2.4) và biến đổi ta được:
Vì hàm bậc 3 suy giảm rất nhanh về dạng hàm bậc 2 nên ta có thể coi hàm truyền của hệ là
Xây dựng phương trình không gian trạng thái:
Ta có thể chọn tốc độ quay và dòng điện là các biến trạng thái Điện áp là đầu vào, đầu ra là tốc độ quay.
Vậy ta có phương trình không gian trạng thái:
XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Hình3.1: Xây dựng biểu đồ bond graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều-9: các điểm có điện thế khác nhau
Ta nhận thấy có 4 vị trí có điện thế khác nhau A, B,C,D
Bước 1: Mỗi vị trí trong mạch có điện thế khác nhau thì đặt các Junction 0 tại các vị trí A, B , C, D
Hình3.2: Xây dựng biểu đồ bond graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều-10: đặt các junction 0 tại các vị trí A,B,C,D
Bước 2: Chèn mỗi phần tử một cổng bằng cách kết nối nó với Junction 1 bằng các liên kết và chèn giữa Junction 0 có liên quan các phần tử:
+ Điện trở mạch kích từ:R
+MGY: được sử dụng như là một liên kết giữa một bên là phần tử điện và bên còn lại là phần tử cơ khí.
Hình3.3:Xây dựng biểu đồ bond graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều-11: Chèn các phần tử vào Bond Graph
Bước 3: Gán chiều công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ
Hình3.4: Xây dựng biểu đồ bond graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều-12: Gán chiều công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ
Bước 4: Nếu các vị trí có thế đất đã được xác định thì xoá bỏ các Junction 0 và các đường liên kết với nó
Hình3.5 :Xây dựng biểu đồ bond graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều-13:Bond Graph rút gọn Bước 5: Tối giản hoá sơ đồ và thêm các quan hệ nhân quả:
Hình3.6 :Xây dựng biểu đồ bond graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều-14: bond graph tối giản
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH GÓC QUAY CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU SỬ DỤNG PHẦN MỀM 20-SIM
Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim.Ta vẽ được biểu đồ Bond graph trên phần mềm 20 -sim
Hình4.1: Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim-15:Biểu đồ
Bond graph trên phần mềm 20 -sim
Thêm giá trị của các thành phần vào bảng để vẽ biểu đồ:
Bảng 1: Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim-1: Giá trị các thành phần
Ta vẽ được biểu đồ của dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng theo thời gian bằng 20- sim
Hình4.2: Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim-16:Biểu đồ của dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng theo thời gian
Biểu đồ trên cho ta thấy sự biến thiên của cường độ dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ qua thời gian dòng điện kích từ nhỏ do điện trở phần kích từ cao.
Hình4.3: Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim-17: Biểu đồ Momen theo thời gian
Cho thấy sự biến thiên của momen theo thời gian Tổng lượng momen xoắn được sử dụng để truyền tải, momen dẫn động quán tính động cơ, và momen cản
Hình4.4 :Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim-18:Biểu đồ
Momen xoắn và tốc độ quay của động cơ theo thời gian
Cho thấy sự tỷ lệ nghịch giữa momen và tốc độ quay của động cơ theo thời gian khi momen cao thì tốc độ nhỏ, khi momen ổn định và giảm thì tốc độ quay của động cơ tăng.
-Hệ thống mô tả có thêm bộ điều khiển PD
Hình 4.5: Biểu đồ bond graph mô tả hệ thống điều khiển ĐC
Tốc độ quay của ĐC khi chưa có bộ điều khiển,tốc độ quay động cơ 9.
Hình 4.6: Mô phỏng động cơ điện một chiều
Nhập đầu vào với bộ điều khiển PD,tốc độ quay động cơ mong muốn %0.
Ta xét trường hợp sau
Giữ nguyên KĐ=1,thay đổi KP.
Hình 4.7: Mô phỏng hệ thống ĐC khi Kp=1
Cho thấy tốc độ quay thực tế chưa đạt được với tốc độ mong muốn,với tốc độ còn thấp và chưa ổn định.
Hình 4.8: Mô phỏng hệ thống ĐC khi Kp
Khi Kp thì tốc độ thực tế đã thay đổi rất nhiều gần đạt được với tốc độ mong muốn nhưng vẫn chưa ổn định.
Hình 4.9: Mô phỏng hệ thống ĐC khi Kp0
Với Kp0 thì so với tốc độ mong muốn thì gần đúng Ta có thể thấy tốc độ thực tế đã ổn định thông qua biểu đồ trên.
Theo như mô phỏng trên hệ thống ĐC khi Kp0 có tốc độ thực tế thoả mãn tốc độ mong muốn và tốc độ ổn định.
Qua quá trình nghiên cứu, tìm hiểu,chúng em nắm được cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các thông số kỹ thuật của ĐC điện 1 chiều.
Ngoài ra,học phần cũng hoàn thiện việc nghiên cứu các cơ sở tính toán bằng việc xây dựng biểu đồ bond graphs,sử dụng phần mềm 20-sim để đánh giá hệ thống ĐC điện điện 1 chiều Cuối cùng, một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Phan Đình Hiếu, thầy đã hướng dẫn và chỉ bảo em suốt thời gian qua để em có thể hoàn thành đồ án này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!