Giới thiệu tổng quan động cơ điện một chiều

Khác với máy điện đồng bộ, ở máy điện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh còn phần ứng là ở rôto.Phần tĩnh stato: Hình 1: Động cơ điện một chiều.... Khi máy làm việc gió thổi qu

Mục lục

Mục lục 1

Phần 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2

1.1 Tổng quan về động cơ điê ̣n một chiều 2

1.1.1 Khái niệm 2

1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 2

1.1.3 Nguyên lí hoạt động 5

1.2 Động cơ điện một chiều kích từ song song 5

1.2.1 Giới thiệu 5

1.3 Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều 5

1.3.1 Phương pháp thay đổi điê ̣n áp phần ứng: 6

1.3.2 Phương pháp thay đổi từ thông động cơ 6

1.3.3 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng 7

Phần 2 PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 8

2.1 Phân tích vật lý 8

2.1.1 Phần ứng: 8

2.1.2 Phần kích từ: 9

Phần 3 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH 10

3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph 10

3.1.1 Các bước thực hiện 10

Phần 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH GÓC QUAY CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG 14

4.1 Mô phỏng đặc tính góc quay 14

4.2 Hệ thống điều khiển động cơ kích từ song song 15

4.2.1 Xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ P với hệ thống 16

4.2.2 Xét ảnh hưởng PI với hệ thống 17

4.2.3 Xét ảnh hưởng PD với hệ thống 19

4.2.4 Xét ảnh hưởng PID với hệ thống 20

Phần 5 KẾT LUẬN 22

Danh mục hình ảnh

Hình 1: Động cơ điện một chiều 3

Hình 2: Cấu tạo Stator 4

Hình 3: Cấu tạo Rotor 5

Hình 4: Sơ đồ điện động cơ điện một chiều kích từ song song 6

Hình 5:Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều 7

Hình 6:Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều 8

Hình 7:Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều 8

Hình 8:Phân tíc sơ đồ mạch điện 9

Hình 9: Sơ đồ hệ hở 15

Hình 10: Nhập thông số 15

Hình 11: Tác động của các thông số bộ điều khiển PID 16

Hình 12: Bộ điều khiển P 17

Hình 13: Bộ điều khiển P với Kp=1 17

Hình 14: Bộ điều khiển P với Kp=50 18

Hình 15: Bộ điều khiển PI 18

Hình 16: Bộ điều khiển PI với Kp=1, Ki=1 19

Hình 17: Bộ điều khiển PI với Kp=10, Ki=100 19

Hình 18: Bộ điều khiển PD 20

Hình 19: Bộ điều khiển PI với Kp=1,Kd=1 20

Hình 20: Bộ điều khiển PI với Kp=2, Kd=200 21

Hình 21: Bộ điều khiển PID 21

Hình 22: Bộ điều khiển PID với Kp=1,Ki=1,Kd=1 22

Hình 23: Bộ điều khiển PID với Kp=0.8,Ki=800,Kd=800 22

Phần 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Tổng quan về động cơ điê ̣n một chiều

1.1.1 Khái niệm

Động cơ điện một chiều là loại máy điện biến điện năng dòng một chiềuthành cơ năng Ở động cơ một chiều từ trường là từ trường không đổi Để tạo ra từtrường không đổi người ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện đượccung cấp dòng điện một chiều

Công suất lớn nhất của máy điện một chiều vào khoảng 5-10 MW Hiệntượng tia lửa ở cổ góp đã hạn chế tăng công suất của máy điện một chiều Cấp điện

áp của máy một chiều thường là 120V, 240V, 500V và lớn nhất là 1000V Khôngthể tăng điện áp lên nữa vì điện áp giới hạn của các phiến góp là 35V

1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Giống như những máy điện quay khác nó cũng gồm phần tĩnh (stato) và phầnquay (rotor) Về chức năng máy điện một chiều cũng được chia thành phần cảm(kích từ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng) Khác với máy điện đồng bộ, ởmáy điện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh còn phần ứng là ở rôto

Phần tĩnh (stato):

Hình 1: Động cơ điện một chiều.

Hình 2: Cấu tạo Stator.

Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm lõi sắt cực từ và dây quấnkích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ được làm bằng những lá thép kĩthuật điện hay thép cacbon dày 0.5 đến 1mm ép lại và tán chặt Dây quấn kích từđược quấn bằng dây đồng bọc cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dâykích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau

Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính Lõi thép của cực từphụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạogiống như dây quấn ở cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ nhữngbulông

Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏmáy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trongmáy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm

Phần quay (rotor):

Hình 3: Cấu tạo Rotor.

Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điệndày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòngđiện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dâyquấn vào Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt

Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động

và có dòng điện chạy qua, dây quán phần ứng thường được làm bằng dây đồng cóbọc cách điện Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùngnêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn Nêm có thể bằng tre, gỗ hoặc bakelit

Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằnglớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một trục hình tròn Hai đầu trục tròndùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điệnbằng mica Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dâyquấn và các phiến góp được dễ dàng

Các bộ phận khác:

Cánh quạt: Cánh quạt dùng để làm mát động cơ Cánh quạt được lắp trêntrục động cơ để hút gió từ ngoài qua các khe hở trên nắp máy, khi động cơ làm việcgió từ ngoài vào qua các khe hở trên nắp máy , khi động cơ làm việc gió hút vàolàm nguội dây quấn, mạch từ

Trục máy: Trục máy được làm bằng loại thép cứng nhiều cacbon Trên trụcmáy đặt lõi thép phần ứng và cổ góp Hai đầu của trục máy được gối lên 2 vòng bi

ở nắp máy

1.1.3 Nguyên lí hoạt động

Khi cấp điện áp một chiều U ư vào mạch phần ứng, trong dây quấn phần ứng

có điện Các thanh dẫn có dòng điện Iư nằm trong từ trường Φ do stator sinh ra sẽchịu lực F (lực Lorentz) tác dụng làm rotor quay, chiều của lực được xác định bằngquy tắc bàn tay trái (mũi tên màu đỏ ở hình dưới) Khi cuộn dây phần ứng quayđược nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiếu góp nên chiềudòng điện trong cuộn dây phần ứng được dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụngkhông thay đổi Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điệnđộng Eư chiều của suấtđiện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động

cơ chiều sức điện động Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phảnđiện động

1.2 Động cơ điện một chiều kích từ song song

1.2.1 Giới thiệu

Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn kích từ được cấp điện từnguồn điện mộtchiều nối song song với nguồn điện cấp cho rotor Cuộn kích từ vàcuộn dây phần ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn điện thì động cơ là loại kích

từ song song Trường hợp này nếu nguồn điện có công suất rất lớn so với công suấtđộng cơ thì tính chất động cơ sẽ tương tự động cơ một chiều kích từ độc lập Khiđộng cơ làm việc, rotor mang cuộn dây phần ứng quay trong từ trường của cuộn dâyphần cảm (cuộn kích từ) nên trong cuộn dây phần ứng sẽ xuất hiện một sức điệnđộng cảm ứng có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ

Hình 4: Sơ đồ điện động cơ điện một chiều kích từ song song.

1.3 Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều.

Ta có phương trình tốc đô ̣ quay của đô ̣ng cơ:

1.3.1 Phương pháp thay đổi điê ̣n áp phần ứng:

Khi thay đổi điê ̣n áp cấp cho cuô ̣n dây phần ứng, ta có các họ đă ̣c tính cơứng với các tốc đô ̣ không tải khác nhau, song song và có cùng đô ̣ cứng Điê ̣n áp Uchỉ có thể thay đổi về phía giảm (U<U đm) nên phương pháp này chỉ cho phép điều

chỉnh giảm tốc đô ̣

Hình 5:Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều

1.3.2 Phương pháp thay đổi từ thông động cơ.

Để thay đổi từ thông đô ̣ng cơ: ta tiến hành thay đổi dòng điện kích từ củađộng cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ Rõ ràng phương pháp nàychỉ có thể thay đổivề phía giảm từ thông Khi giảm từ thông, đặc tính dốc hơnvà cótốc độ không tải lớn hơn

Hình 6:Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều

1.3.3 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng

Khi tăng điện trở phần ứng, đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc

độ không tải lý tưởng Đặc điểm củaphương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thayđổi điệntrở ở mạch phần ứng:

Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơcàng mềm và độ ổn định tốc độ càngkém, sai số tốc độ càng lớn

Hình 7:Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều

Phần 2 PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1 Phân tích vật lý.

Hình 8:Phân tíc sơ đồ mạch điện.

Mạch mắc song song nên ta có:

L ư là giá trị điện cảm phần ứng (H).

R ư là giá trị điện trở phần ứng (Ω).

θlà góc xoay động cơ

Laplace 2 vế phương trình 2.3 ta được:

U(s)=sL ư I ư(s)+R ư I ư(s)+sK θ(s) (2.4)

U(s)=sL kt .(I(s)−I ư(s))+R kt (I(s)−I ư(s)) (2.9)

 U(s)=(I(s)−I ư(s))+(R¿¿kt +sL kt) ¿ (2.10)

 I(s)= U(s)

R kt +sL kt +I ư(s) (2.11)Thay (2.6) vào (2.11) ta được:

I(s)= U(s)

R kt +sL kt+

U(s)−sK θ(s)

sL ư +R ư (2.12)Phương trình chuyển động quay của phần động cơ:

¨θ= K t i −b ˙θ

J

Với : K = K t là hệ số.

b là hệ số cản của động cơ (Nms/rad)

J là momen quán tính (Nms/rad)

Ki =J ¨θ +b ¨θ (2.13)Laplace 2 vế phương trình (2.13) ta được:

K I(s)=J s2

θ(s)+b s θ(s) (2.14)

 I ( s )=J s2θ (s ) +b s θ (s )

+ Điện cảm phần ứng L ư: 17.5.10−3 H

Phần 3 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH

3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph.

3.1.1 Các bước thực hiện.

Bước 1: Mỗi vị chí trong mạch có điện thế khác nhau thì đặt các Junction 0

đối với phần tử điện

Bước 2: Chèn mỗi phần tử mạch (Rư, Lư, Rkt, Lkt) bằng kết nối nó với junctions bằng đường power bond.

1-Bước 3: Gán chiều công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ.

Bước 4: Tại các vị trí có thế đất đã được xác định, xóa bỏ các 0-junctions và

tất cả các bonds kết nối đến nó

Bước 5: Đơn giản hoá sơ đồ.

Biểu đồ Bond Graph có hai phía Một bên là phần tử điện bao gồm điện ápđặt

vào, điện trở phần ứng và điện cảm phần ứng, điện trở kích từ và điện cảm kích từ.Bên còn lại chứa các thành phần quán tính và độ cản quay

Phần 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH GÓC QUAY CỦA ĐỘNG

CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG.

4.1 Mô phỏng đặc tính góc quay.

Hình 9: Sơ đồ hệ hở.

Nhập các thông số cho hệ thống:

Hình 10: Nhập thông số.

Kết quả:

Nhận xét: khi chưa có bộ điều khiển, góc quay tăng dần đến vô cực và khôngthể điều khiển được góc quay theo ý muốn, hệ thống không ổn định Do đó cần thiết

kế bộ điều khiển cho hệ thống

4.2 Hệ thống điều khiển động cơ kích từ song song.

Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộđiều khiển phản hồi PID là viết tắt của Proportional (tỷ lệ), Integral (tích phân) vàDerivative (vi phân) Điều khiển PID thực hiện 3 quá trình điểu khiển khác nhau vớihàm sai số Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đothông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đasai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào

Hình 11: Tác động của các thông số bộ điều khiển PID.

4.2.1 Xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ P với hệ thống.

Hình 12: Bộ điều khiển P.

Đặc điểm của bộ điều khiển P:

+ Tín hiệu đầu ra trùng pha với tín hiệu đầu vào

+ Hệ số Kp càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ (luôn tồn tại sai số xác lập).+ Tuy nhiên nếu hệ số tỉ lệ càng lớn sẽ làm độ vọt lố càng cao, hệ thống càngkém ổn định

Kết quả:

Hình 13: Bộ điều khiển P với Kp=1.

Nhận xét: Với các thông số ban đầu (Kp=1), thời gian đáp ứng còn lớn, cần

tăng Kp để giảm thời gian đáp ứng của hệ thống

Hình 14: Bộ điều khiển P với Kp=50.

Nhận xét: Khi tăng Kp lớn hệ thống mất ổn định.

4.2.2 Xét ảnh hưởng PI với hệ thống.

Hình 15: Bộ điều khiển PI.

Đặc điểm của khâu PI:

+ Khâu hiệu chỉnh PI làm chậm đáp ứng quá độ

+ Tăng độ vọt lố

+ Triệt tiêu sai số xác lập của hệ thống

Hình 16: Bộ điều khiển PI với Kp=1, Ki=1.

Nhận xét: Với Kp=1, Ki=1: Độ vọt lố cao, chậm thời gian đáp ứng, hệ thống

mất ổn định

Hình 17: Bộ điều khiển PI với Kp=10, Ki=100.

Nhận xét: Với Kp=10, Ki=100 sai số xác lập đã được loại bỏ, hệ thống hoạt

động ổn định

4.2.3 Xét ảnh hưởng PD với hệ thống.

Hình 18: Bộ điều khiển PD.

Đặc điểm của khâu PD:

+ Khâu hiệu chỉnh PD làm chậm đáp ứng quá độ + Triệt tiêu sai số xác lập của hệ thống

Hình 19: Bộ điều khiển PI với Kp=1,Kd=1.

Nhận xét: Với Kp=1, Kd=1: Thời gian đáp ứng chậm.

Hình 20: Bộ điều khiển PI với Kp=2, Kd=200.

Nhận xét: Với Kp=2, Kd=200: Thời gian đáp ứng ngắn, hệ thống làm việc

ổn định

4.2.4 Xét ảnh hưởng PID với hệ thống.

Hình 21: Bộ điều khiển PID.

Đặc điểm của khâu PID:

+ Khâu hiệu chỉnh PID làm giảm độ vọt lố

+ Làm nhanh đáp ứng quá độ của hệ thống

+ Tuy nhiên cũng làm cho hệ thống rất nhạy với nhiễu tần số cao

Hình 22: Bộ điều khiển PID với Kp=1,Ki=1,Kd=1.

Nhận xét: Với Kp=1, Ki=1, Kd=1: Độ vọt lố cao, thời gian đáp ứng chậm.

Hình 23: Bộ điều khiển PID với Kp=0.8,Ki=800,Kd=800.

Nhận xét: Với Kp=0.8, Ki=800, Kd=800: Sai số xác lập được cải thiện đáng

kể Không còn độ vọt lố Hệ thống hoat động ổn định

Phần 5 KẾT LUẬN

Qua quá trình nghiên cứu, tìm hiểu,chúng em nắm được cấu tạo, nguyên lýhoạt động và các thông số kỹ thuật của động cơ điện một chiều Khi tìm hiều và giảiquyết những vấn đề đặt ra trong yêu cầu của bài tập chúng em đã xây dựng dượcphương trình trạng thái mô tả động cơ điện một chiều kích từ song song, đồng thờithiết kế và xây dựng biểu đồ bond graph bằng phần mềm 20-sim để mô phỏng chođộng cơ điện một chiều kích từ song song và hệ thống điều khiển động cơ điện 1chiều kích từ song song và có thể áp dụng cho các động cơ khác Ngoài ra, học phầncũng hoàn thiện việc nghiên cứu các cơ sở tính toán bằng việc xây dựng biểu đồbond graph, sử dụng phần mềm 20-sim để đánh giá hệ thống động cơ điện mộtchiều Cuối cùng, một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS.Phan ĐìnhHiếu, thầy đã hướng dẫn và chỉ bảo nhóm em suốt thời gian qua để em có thể hoànthành bài tập lớn này

Nhóm em xin chân thành cảm ơn!