Bài tập lớn môn học mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử

- 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.. Nguyễn Anh Tú Th.S Lê Ngọc Duy Trang 6

lOMoARcPSD|39474592 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn: Th.S Lê Ngọc Duy Sinh viên thực hiện: Dương Văn Tuấn – 2020606298 Dương Quang Trường – 2020600623 Nguyễn Thành Trung - 2020606138 Hà Nội-2022 Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM I Thông tin chung 1 Tên lớp: ……………… Khóa: K15 2 Tên nhóm: Nhóm 22 3.Họ và tên thành viên: Dương Văn Tuấn - 2020606298 Dương Quang Trường – 2020600623 Nguyễn Thành Trung – 2020606138 NỘI DUNG HỌC TẬP 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; 𝜃 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: 1 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 𝑁𝑚𝑠2/𝑟𝑎𝑑 - Hệ số momen K= 0.3 Hình 1 Hình 2 Yêu cầu: Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 - Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả động cơ điện một chiều - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều - 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 Bài số 2 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: 2500kg - Khối lượng bánh xe: 320kg - Độ cứng hệ treo K1 : 80000N/m - Độ cứng lốp xe K2 : 500000N/m - Hệ số cản hệ treo b1 : 350Ns/m - Hệ số cản hệ treo b2 : 15020Ns/m Hình 1 Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 Hình 2 Yêu cầu: - Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về hệ thống treo của xe ôtô - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ treo - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo và hệ thống điều khiển hệ treo xe bus - Mô phỏng và đánh giá các đặc tính giao động của thân xe sử dụng phần mềm 20-sim Bài số 3 Cho cấu trúc hệ thống điều khiển con lắc như hình 1 và con lắc hình 2 Trong đó: Trong đó: R là tín hiệu đặt góc nghiêng con lắc; 𝜃 là góc nghieng côn lắc; u là tín hiệu điều khiển Các thông số của con lắc như sau: - Khối lượng thân xe: 0.5kg - Khối lượng con lắc: 0.2kg - Chiều dài con lắc : 0.3m - Moomen quán tính con lắc : 0.006kg*m2 - Hệ số ma sát của xe : 0.1N/m/s Hình 1 Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 Hình 2 Yêu cầu: - Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về con lắc ngược - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ con lắc - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả con lắc và hệ thống điều khiển hệ con lắc - Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc nghiêng của con lắc sử dụng phần mềm 20- sim KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS Nguyễn Anh Tú Th.S Lê Ngọc Duy Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 BÀI TẬP 1: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN I: TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Giới thiệu tổng quan Động cơ nam châm vĩnh cửu là gì? Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current) 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 Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu là động cơ điện 1 chiều được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu 1.2: Phân loại động cơ nam châm vĩnh cửu − Trong thực tế, động cơ nam châm vĩnh cửu được chia thành 2 loại chủ yếu dưới đây: • Động cơ nam châm vĩnh cửu có kích từ bằng điện với dải công suất lớn từ vài trăm tới vài nghìn MW Cuộn kích từ được cuốn theo 1 cực ẩn hoặc cực lồi • Động cơ nam châm vĩnh cửu với dải công suất nhỏ Hiện nay còn có 1 loại động cơ đặc biệt: động cơ bước, hay còn gọi là step motor − Theo kết cấu thì có thể chia thành: • Máy điện đồng bộ cực ẩn: Thích hợp với những chiếc máy điện có tốc độ cao (Thường có số cực là 2p = 2) • Máy điện đồng bộ có cực lồi: Thích hợp với những máy có tốc độ thấp (Thường có số cực là 2p ≥ 4) − Theo chức năng, máy điện đồng bộ lại được chia thành: • Máy phát điện đồng bộ: Sử dụng tua bin nước, tua bin hơi hoặc là động cơ diezen…giúp kéo trục Rotor để phát ra điện • Động cơ điện đồng bộ: Thường được chế tạo theo kiểu cực lồi và kéo được các tải ít có yêu cầu điều chỉnh lại tốc độ hay khởi động lại • Máy bù đồng bộ: Được dùng chủ yếu để cải thiện hệ số Cosφ bên trong lưới điện Ngoài ra, động cơ nam châm vĩnh cửu còn có các máy điện đồng bộ đặc biệt như: máy đồng bộ tần số cao, máy biến đổi 1 phần ứng, các máy đồng bộ công suất nhỏ thường dùng trong các thiết bị tự động, các thiết bị điều khiển, chẳng hạn như: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ đồng bộ từ trễ, động cơ bước, động cơ đồng bộ phản kháng… Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 Hình 1:Động cơ nam châm vĩnh cửu còn có các máy điện đồng bộ đặc biệt 1.3: Cấu tạo và nguyên lý động cơ nam châm vĩnh cửu 1.3.1: Cấu tạo của động cơ nam châm vĩnh cửu Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều thường gồm những bộ phận chính như sau: • Stator: Là phần đứng yên, được chế tạo sử dụng từ 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, có thể là nam châm điện • Rotor: Là phần quay được, nó chính là lõi được quấn các cuộn dây nhằm mục đích tạo thành nam châm điện • Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp • Cổ góp (còn được gọi là commutator): Thực hiện nhiệm vụ tiếp xúc và chia điện đều cho các cuộn dây ở trên phần rotor (phần quay) Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 Hình 2:Cấu tạo động cơ điện 1 chiều DC Căn cứ vào phương pháp kích từ, có thể chia động cơ điện 1 chiều thành những loại chính: • Động cơ điện 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu • Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập • Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp • Động cơ điện 1 chiều kích từ song song • Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp bao gồm 2 cuộn dây kích từ, 1 cuộn được mắc nối tiếp với phần ứng, 1 cuộn được mắc song song với phần ứng 1.3.2: Nguyên lí hoạt động của động cơ nam châm vĩnh cửu Stato của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện, rotor gồm có các cuộn dây quấn và được kết nối với nguồn điện một chiều một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều chính là bộ phận chỉnh lưu, bộ phận này làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong chuyển động quay của rotor là liên tục thông thường, bộ phận này sẽ có 2 thành phần: một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 Hình 3:Nguyên tắc hoặt động của động cơ điện 1 chiều Nếu trục của động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài thì động cơ này sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một xuất điện động cảm ứng Electromotive force Khi vận hành ở chế độ bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp được gọi là sức phản điện động counter-EMF hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại với điện áp bên ngoài đặt vào động cơ Sức điện động này sẽ tương tự như sức điện động được phát ra khi động cơ sử dụng như một máy phát điện Như vậy điện áp đặt trên động cơ sẽ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phản ứng Dòng điện chạy qua động cơ sẽ được tính theo công thức sau: 𝐼 = (𝑉𝑁𝑔𝑢ồ𝑛−𝑉𝑝ℎ𝑎𝑛 𝑑𝑖𝑒𝑛 𝑑𝑜𝑛𝑔) 𝑅𝑝ℎ𝑎𝑛 𝑢𝑛𝑔 (1.1) Công suất cơ mà động cơ đưa ra được sẽ tính bằng: 𝑃 = 𝐼 𝑉𝑝ℎ𝑎𝑛 𝑑𝑖𝑒𝑛 𝑑𝑜𝑛𝑔 (1.2) 1.4: Những ưu điểm và nhược điểm của động cơ nam châm vĩnh cửu ➢ Ưu điểm: − Hiệu suất cao do sử dụng rotor nam châm vĩnh cửu nên không có tổn hao trên rotor − Tuổi thọ cao do không có chuyển mạch cơ khí − Không gây nhiễu khi hoạt động − Dải tốc độ rộng Những ưu điểm và nhược điểm củ − Mật độ công suất lớn − Vận hành nhẹ nhàng (dao động mô men nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác) Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 − Mô men điều khiển được ở vị trí bằng không − Kết cấu gọn − Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn ➢ Nhược điểm: − Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo có giá thành cao − Nếu dùng các loại nam châm sắt từ thì dễ bị từ hóa, khả năng tích từ không cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ − Có tiếp điểm trượt giữa cổ góp và chổi than gây ra tia lửa điện có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ và mài mòn cơ học Dưới đây là ưu và nhược điểm của động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu sử dụng chổi than và không sử dụng chổi than: Ưu Động cơ chổi than Động cơ không chổi than điểm - Hiệu suất cao 85-90%, vận hành - Hiệu suất ổn định 75-80% nhẹ nhàng, êm ái dù ở vận tốc thấp - Cấu tạo đơn giản không cần bộ hay cao điều khiển riêng biệt cho động cơ như động cơ không chổi than - Do được kích từ nam châm vĩnh - Bật tắt đơn giản với một công tắc cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt, - Chi phí ban đầu rẻ đồng thời giảm hao tốn năng lượng - Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn - Tiết kiệm được chi phí bảo trì, thay thế chổi than và vành trượt - Độ bền cao hơn - Độ bền động cơ thấp hơn Nhược - Năng lượng thất thoát nhiều do sự - Giá thành cao hơn, khó phổ biến điểm ma sát giữ chổi than và roto khiến trên nhiều sản phẩm mài mòn cuộn dây - Phải thay thế bàn chải (chổi than) đã mòn sau một thời gian sử dụng Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com)