hệ thống động cơ điện một chiều kích từ song song hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và hệ thống điều khiển con lắc ngược

Trong bài báo cáo nhóm em xin sẽ làm rõ về hệ thống động cơ điện một chiều kích từ song song, hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và hệ thống điều khiển con lắc ngược bằng cách phân

Mục Lục

Lời mở đầu 1

Câu 1: 2

1 Tổng quan về hệ thống động cơ điện một chiều kích từ song song 2

1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều 2

1.2 Điều khiển hệ thống động cơ điện 1 chiều: 4

1.3 Động cơ điện một chiều kích từ song song: 5

2 Xây dựng phương trình động cơ điện một chiều bằng phương pháp vật lý 6

2.1 Phương trình mô tả động cơ điện một chiều 6

2.2 Phân tích vật lý 8

3 Xây dựng biểu đồ bondgraph 11

3.1 Xây dựng biểu đồ bondgraph mô phỏng động cơ điện một chiều: 12

3.2 Xây dựng hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 15

4 Mô phỏng và đánh giá trên phần mềm 20-Sim 16

4.1 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm 20-Sim 16

4.2 Khảo sát hệ thống khi thêm bộ điều khiển PD 17

4.3 Khảo sát hệ thống khi thêm bộ điều khiển PI: 20

4.4 Khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PID 22

Câu 2: 27

1 Tổng quan về động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 27

1.1 Khái niệm 27

1.2 Phân loại động cơ nam châm vĩnh cửu 27

1.3 Cấu tạo và nguyên lý động cơ nam châm vĩnh cửu 281.4 Những ưu điểm của động cơ nam châm vĩnh cửu so với động cơ cảm ứng 30

1.5 Ứng dụng 31

1.6 Các phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều 31

2 Phương trình mô tả động cơ điện một chiều 35

2.1 Mô hình hóa hệ thống bằng phương pháp phân tích vật lý: 35

2.2 Xây dựng biểu đồ Bond graph 36

3 Mô phỏng hệ thống và bộ điều khiển 40

3.1 Mô phỏng hệ thống 40

3.2 Mô phỏng bộ điều khiển 41

Câu 3: 50

1 Tổng quan và các ứng dụng về hệ thống treo của xe ôtô 50

1.1 Giới thiệu về hệ thống treo 50

1.2 Công dụng, yêu cầu và phân loại hệ thống treo 50

1.3 Một số hệ thống treo thông dụng 51

1.4 Một số ứng dụng về hệ thống treo 54

1.5 Phương trình mô tả hệ treo 55

2 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo và hệ thống điều khiển hệ treo xe bus 60

2.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo trên ứng dụng 20-SIM 60

2.2 Xây dựng hệ thống điều khiển cho hệ treo xe bus 61

3 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính giao động của thân xe sử dụng phần mềm 20- sim 64

3.1 Mô phỏng khi chưa có bộ điều khiển 64

Câu 4: 68

1 Sử dụng phương pháp phân tích vật lí để thiết lập phương trình mô tả hệ treo 681.1 Đề yêu cầu bài toán 68

1.2 Dùng phương pháp Newton để lập phương trình mô tả hệ cơ 68

2 Mô phỏng và đánh giá đặc tính hệ thống điều khiển tốc độ hệ cơ bằng phần mềm 20-sim 71

2.1 Các bước xây dựng biểu đồ Bond Graphs 71

2.2 Mô phỏng và đánh giá hệ thống hở 73

2.3 Mô phỏng và đánh giá hệ thống kín gồm hệ cơ và bộ điều khiển PID 74

2.4 Mô phỏng và đánh giá hệ thống ổn định với giảm chấn 76

Kết Luận 80

1

Lời mở đầu

Trong quá trình sản xuất công nghiệp như hiện nay, các sản phẩm cơ điện tử từ chỗ là sản phẩm cơ khí, tự động hóa cứng đã được cải tiến, thiết kế mới thành các sản phẩm tích hợp Các mạch điện tử đã thay thế một phần chức năng của hệ cơ khí làm cho các bộ phận cơ khí nhỏ gọn và đơn giản hơn, đồng thời đảm đương chức năng thực hiện chương trình hóa Thế hệ các máy móc cồng kềnh đã được thay thế bằng thiết bị nhỏ gọn, tin cậy hơn nhờ các thành tựu mới trong lĩnh vực điện- điện tử và từ đó tác động trở lại quá trình thiết kế và chế tạo các bộ phận cơ khí Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ về điều khiển, tự động hoá, điện tử và kỹ thuật máy tính cùng với những ứng dụng rộng rãi vào việc thiết kế và chế tạo sản phẩm, khái niệm Cơ điện tử tiếp tục phát triển sau này và có nhiều các định nghĩa khác nhau Nhưng chung quy lại hệ thống cơ điện tử là để sản phẩm có thể hoạt động một cách dễ dàng, thuận lợi với yêu cầu của hệ thống đề ra Trong bài báo cáo nhóm em xin sẽ làm rõ về hệ thống động cơ điện một chiều kích từ song song, hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và hệ thống điều khiển con lắc ngược bằng cách phân tích vật lí hệ thống đem ra phương trình mô tả hệ thống, biểu đồ Bond Graph và xây dựng mô hình hóa hệ thống mô phỏng, đánh giá trên phần mềm 20-sim

Động cơ điện một chiều

Động cơ điện 1 chiều là loại động cơ đồng bộ, hoạt động bằng dòng điện 1 chiều Tốc độ quay của 1 động cơ điện 1 chiều tỉ lệ thuận với nguồn điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay cũng tỷ lệ thuận đối với dòng điện Chính vì 2 đặc tính trên mà động cơ DC được coi là thành phần không thể thiếu trong các hệ thống máy móc kỹ thuật đòi hỏi mô men khởi động lớn

3

 Cấu tạo của động cơ điện một chiều:

Cấu tạo động cơ điện một chiều

 Nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều:

Stato củ động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, (có thể dùng nam châm điện), còn rotor có các cuộn dây quấn, chúng được nối với nguồn điện 1 chiều Còn bộ phận chỉnh lưu sẽ có nhiệm vụ là làm đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là chuyển động liên tục Thông thường bộ phận này bao gồm có 1 bộ cổ góp và 1 bộ chổi than được mắc tiếp xúc với cổ góp

Nếu trục quay của một động cơ điện 1 chiều được kéo bằng 1 lực từ bên ngoài,

4 động cơ sẽ hoạt động tương tự như 1 chiếc máy phát điện 1 chiều để tạo ra một sức điện động cảm ứng có tên là Electromotive force (EMF) Trong quá trình vận hành bình thường, rotor sẽ quay và phát ra 1 điện áp (còn gọi là sức phản điện động) có tên là counter - EMF (CEMF) hoặc còn gọi là sức điện động đối kháng

Sức điện động này hoạt động tương tự như sức điện động được phát ra khi động cơ được sử dụng giống như 1 chiếc máy phát điện Khi đó, điện áp đặt trên động cơ đã bao gồm 2 thành phần đó là: sức phản điện động cùng với điện áp giáng tạo ra do điện trở ở bên trong của các cuộn dây phần ứng

- Dòng điện chạy qua động cơ lúc này sẽ được tính theo biểu thức sau: 𝐼 = (𝑉𝑛𝑔𝑢𝑜𝑛− 𝑉𝑝ℎ𝑎𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜𝑛𝑔)

- Công suất cơ mà động cơ đưa ra sẽ được tính bằng công thức: 𝑃 = 𝐼 𝑉𝑝ℎ𝑎𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜𝑛𝑔

Có rất nhiều phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều mà bạn đọc có thể tham khảo dưới đây:

 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 giúp chúng ta có thể điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều 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 điểu 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 điểu khiển điện áp phần ứng:

Chúng ta có thể lựa chọn điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ

5 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

1.3 Động cơ điện một chiều kích từ song song:

 Cấu tạo:

Động cơ điện kích từ song song: cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng

Mạch điện động cơ điện 1 chiều kích từ song song

 Nguyên lý làm việc của động cơ điện kích từ song song:

Thông thường, chiều dòng điện vào động cơ là I, dòng điện phần ứng là Iư, dòng

điện kích từ là Ikt thì sẽ được tính theo công thức: I = Iư + Ikt Để mở máy, người ta

thường dùng biến trở để mở máy (gọi là Rmở)

Để điều chỉnh tốc độ của động cơ, người ta thường điều chỉnh Rđc để thay đổi

dòng điện kích từ Ikt, đồng thời thay đổi cả từ thông Φ Phương pháp này hiện đang sử dụng rất rộng rãi, song cần chú ý một điều rằng, khi giảm từ thông Φ, có thể dòng điện

trong phần ứng Iư sẽ tăng lên quá trị số cho phép Khi đó, cần có bộ phận bảo vệ để cắt điện kịp thời, không cho động cơ làm việc trong trường hợp từ thông giảm xuống quá nhiều

 Ưu và nhược điểm của động cơ điện kích từ song song:

- Ưu điểm: Dễ điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh Rđc - Nhược điểm:

+ Song theo biểu thức moment điện từ M = kM.Iư.Φ, cần chú ý khi giảm từ thông Φ có thể dòng điện phần ứng Iư tăng quá trị số cho phép Vì thể cần có bộ phận bảo vệ, cắt điện không cho động cơ làm việc, khi từ thông giảm quá nhiều

6 + Có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ

 Phương pháp điều khiển động cơ kích từ song song:

Để điều chỉnh tốc độ của động cơ, người ta thường điều chỉnh Rđc để thay đổi dòng điện kích từ Ikt, đồng thời thay đổi cả từ thông Φ Phương pháp này hiện đang sử dụng rất rộng rãi, song cần chú ý một điều rằng, khi giảm từ thông Φ, có thể dòng điện trong phần ứng Iư sẽ tăng lên quá trị số cho phép Khi đó, cần có bộ phận bảo vệ để cắt điện kịp thời, không cho động cơ làm việc trong trường hợp từ thông giảm xuống quá nhiều

 Ứng dụng của động cơ kích từ song song:

Chúng được dùng nhiều trong các máy cắt kim loại, các máy công cụ Máy dao tiện (Máy tiện rơ-vôn-ve), Máy phay-dao phay-dao Endomiru Máy bào ngang-dao bào ngang Máy bào-dao bào Máy khoan lỗ-mũi khoan-mũi khoan làm trơn Máy tiện doa lỗ

tiện-2 Xây dựng phương trình động cơ điện một chiều bằng phương pháp vật lý 2.1 Phương trình mô tả động cơ điện một chiều

 Khái quát hệ thống:

Mạch động cơ điện một chiều kích từ song song

7

Cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động cơ điện một chiều kích từ song song

+ 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:

+ Điện cảm phần ứng Lư: 17.5 10−3 H + Điện trở phần ứng Rư: 0.5 Ω

+ Điện trở mạch kích từ Rkt: 0.4 Ω + Điện cảm kích từ Lkt: 60 10−3 H + Hệ số cản b = 6.6 10−3Nms/rad + Momen quán tính J= 0.166 𝑁𝑚𝑠/𝑟𝑎𝑑 + Hệ số momen K= 1.53

+ Đầu vào (U): Điện áp nguồn + Đầu ra (𝜃): Góc quay động cơ

8

2.2 Phân tích vật lý

Phân tích sơ đồ mạch điện

 Mạch mắc song song nên ta có:

𝑈𝑅ư = 𝑅ư 𝑖ư(𝑡)

𝑈𝐿ư = 𝐿ư 𝑑𝑖ư𝑑𝑡𝐸ư = 𝐾 𝑑𝜃

9 + 𝜃 là góc xoay động cơ

Laplace 2 vế phương trình (*) ta được:

𝑈ư(𝑠) = 𝑠𝐿ư 𝐼ư(𝑠) + 𝑅ư 𝐼ư(𝑠) + 𝑠𝐾 𝜃(𝑠) (1) => 𝑈ư(𝑠) = 𝐼ư(𝑠) (𝑠𝐿ư + 𝑅ư) + 𝑠𝐾 𝜃(𝑠) (2) => 𝐼ư(𝑠) = 𝑈(𝑠)−𝑠𝐾.𝜃(𝑠)

𝑑𝑡 −𝑑𝑖ư

𝑑𝑡) + 𝑅𝑘𝑡 (𝑖(𝑡) − 𝑖ư(𝑡)) (5) Laplace 2 vế của phương trình (5) ta được:

𝑈(𝑠) = 𝑠𝐿𝑘𝑡 (𝐼(𝑠) − 𝐼ư(𝑠)) + 𝑅𝑘𝑡 (𝐼(𝑠) − 𝐼ư(𝑠)) (6) => 𝑈(𝑠) = (𝐼(𝑠) − 𝐼ư(𝑠)) ∗ (𝑅𝑘𝑡 + 𝑠𝐿𝑘𝑡) (7) => 𝐼(𝑠) = 𝑈(𝑠)

10 b là hệ số cản của động cơ (Nms/rad)

J là momen quán tính (Nms/rad)

𝑅𝑘𝑡 + 𝑠𝐿𝑘𝑡 + 𝑠𝐿ư + 𝑅ư(𝑅𝑘𝑡+𝑠𝐿𝑘𝑡)(𝑠𝐿ư+ 𝑅ư)

11

3 Xây dựng biểu đồ bondgraph

 Đối với hệ thống điện

Bước 1: Tại mỗi vị trí trong mạch điện có điện thế khác nhau, đặt các Junction 0 Bước 2: Chèn mỗi phần tử 1 cổng bằng cách kết nối với các Junction 1 bằng các đường kiên kết và chèn vào giữa các Junciton 0 có liên quan

Bước 3: Gán các 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

Bước 5: Tối giản hóa sơ đồ theo nguyên tắc

 Đối với hệ thống cơ

Bước 1: Tại mỗi vị trí có vận tốc khác nhau đặt các Junction 1

Bước 2: Đưa các phần tử dung kháng, trở kháng theo chiều năng lượng kết nối với 1 sử dụng kết nối với 0

Bước 3: Gán chiều công suất cho tất cả các phần tử trong hệ thống

Bước 4: Loại bỏ tất cả cá kết nối với 1 có vận tốc bằng 0 và các kết nối với nó

Bước 5: Tối giản hóa sơ đồ theo nguyên tắc

12

Bước 1: Đặt các Junction 0 tại các vị trí có điện thế khác nhau:

Bước 2: Chèn các phần tử của hệ thống bằng cách kết nối với các Junction 1 và đặt vào giữa các Junction 0 có liên quan:

Se: nguồn điện

Iư: cuộn dây phần ứng Rư: điện trở phần ứng

MGY: Chuyển đổi tốc độ momen xoắn Rkt: điện trở phần cảm

13 Bước 3: Liên kết các Junction 0 và Junction 1và gán chiều công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ:

Bước 4: Các vị trí có thế đất đã được xác định thì xoá bỏ các Junction 0 và các đường liên kết với nó

14 Bước 5: Tối giản hoá sơ đồ:

+ Trong đồ thị bond graph, hệ số của MGY được tính bằng cách lấy tích số của hằng số tốc độ mô-men xoắn

+ Vận tốc quay ở phía cơ học chịu ảnh hưởng bởi dòng điện tạo ra do hiện tượng cảm ứng điện từ và hệ số momen của trục động cơ

+ Sử dụng khối multiplydivide để kết nối phần kích từ với phần tử biến đổi điện năng thành cơ năng nên ta có biểu đồ bondgraph cho cả hệ thống:

15

3.2 Xây dựng hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

Từ yêu cầu của đề tài, ta tiến hành thiết lập bộ điều khiển hệ thống:

Các phần tử trong hệ thống:

 Khối chức năng gồm: bộ điều khiển (controller) và mạch điện điều khiển (plant)

 Bộ tổng: giúp tính số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi

 Giá trị đặt: là giá trị mong muốn trong quá trình điều khiển

 Giá trị phản hồi: là giá trị hiển thị sau khi thực hiện quá trình điều khiển

Theo yêu cầu, Hệ thống điều khiển động cơ 1 chiều kích từ song song với tín hiệu đặt là V, tín hiệu vào của mạch điện động cơ là điện áp và tín hiệu đầu ra của hệ thống là tốc độ của động cơ

Trong các phương pháp điều khiển tốc độ quay của động cơ thì phương pháp sử dụng bộ điều khiển PID chính xác Khâu hiệu chỉnh PID là trường hợp riêng của khâu hiệu chỉnh sớm trễ pha, có thể xem PID là khâu PI mắc nối tiếp với khâu PD nên nó tối ưu và mang những ưu điểm của cả khâu PI và PD

Khâu hiệu chỉnh PID cải thiện đáp ứng quá độ và sai số xác lập

Theo đó, tín hiệu đặt V là tốc độ quay mong muốn của hệ thống sẽ được mô phỏng bằng khối constant với giá trị góc tốc độ không đổi V=250 rad/s Tín hiệu phản hồi về từ động cơ là tốc độ quay thực tế, khi đó lỗi sẽ đưa vào khâu hiệu chỉnh PID để đạt sai số nhỏ nhất

16 Biểu đồ bond graph mô tả hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ song song

4 Mô phỏng và đánh giá trên phần mềm 20-Sim 4.1 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm 20-Sim

Khảo sát hệ thống khi chưa có bộ điều khiển

Nhập thông số đề bài vào hệ thống: Nhập đầu vào cho hệ thống là 230 và đầu ra là 250

17 Nhận xét: Khi chưa có bộ điều khiển, tốc độ của động cơ là 260,9, thời gian đáp ứng hệ thống là 0.4s, độ vọt lố 10,9

4.2 Khảo sát hệ thống khi thêm bộ điều khiển PD

Hệ thống khi thêm bộ điều khiển PD

18 Khi thêm bộ điều khiển PD với Kp=50 độ vọt lố của hệ thống tăng và không ổn định nhưng thời gian đáp ứng đã được cải thiện giảm còn 0,005s

Khi tăng Kp=70 độ vọt lố của hệ thống tiếp tục tăng

19 Khi giảm Kp=30 độ vọt lố của hệ thống giảm

Giảm Kp=15 độ vọt lố của hệ thống đã giảm và khi ở trạng thái ổn định đầu ra của hệ thống là 249 sát với tín yêu cầu đầu ra là 250

Nhận xét: khi thêm bộ điều khiển PD vào hệ thống thì thời gian đáp ứng của hệ

20 thống giảm nhưng độ vọt lố của hệ thống tăng so với khi chưa có bộ điều khiển Khi tăng Kp thì độ vọt lố của hệ thống tăng, thời gian đáp ứng của hệ thống giảm Khi giảm Kp thì độ vọt lố của hệ thống giảm thời gian đáp ứng của hệ thống tăng

4.3 Khảo sát hệ thống khi thêm bộ điều khiển PI:

21 Khảo sát hệ thống với Kp=1, Ki=10

Khi thêm bộ điều khiển PI với KI=10 thì không có độ vọt lố và không ổn định hệ thống Thời gian đáp ứng chậm

22 Khi tăng PI với KI=20 sai số xác lập của hệ thống giảm Thời gian đáp ứng chậm

Giữ nguyên KI=20 và KP=10

Nhận xét: Ta thấy khi tăng Ki thì sai số xác lập của hệ thống đã giảm và đáp ứng đầu ra của hệ thống ở mức 246,9 Có độ vọt lố nhẹ

4.4 Khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PID

23 Khi thêm bộ điều khiển PID và cho Kp=50, Ki=1, Kd=1 ta được đáp ứng của hệ thống Độ vọt lố của hệ thống tăng lên 309.829 và sau đó ổn định ở mức 249,852

24 Khi giảm Kp=25 độ vọt lố của hệ thống đã giảm

Khi tăng Kd=10 và giữ nguyên Kp=25, Ki=1

25 Giảm Kp=15, tăng Kd=20, Ki=10

26 Nhận xét: Sau khi giảm Kp và tăng Kd, thêm Ki thì độ vọt lố của hệ thống giảm sát so với đáp ứng hệ thống- khi chưa có bộ điều khiển, đáp ứng đầu ra ở mức 249,985 và thời gian đáp ứng của hệ thống đã giảm

Do đó, các cuộn dây của phần ứng đặt trên stator giúp cho pm motor dễ dàng dẫn nhiệt từ các cuộn dây đi ra ngoài vỏ, cũng như sử dụng các phương pháp làm mát cưỡng bức khác nếu cần Vì vậy, động cơ BLDC có mật độ công suất lớn hơn hẳn so với động cơ 1 chiều truyền thống

Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu không sử dụng chổi than BLDC từ lâu đã đƣợc sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các hệ truyền động có công suất nhỏ (từ vài W đến vài chục W) như trong các ổ đĩa quang, động cơ nam châm vĩnh cửu máy giặt, quạt làm mát trong máy tính cá nhân, các thiết bị văn phòng (máy in, máy scan, ) Trong các ứng dụng đó, mạch điều khiển được chế tạo một cách đơn giản và có độ tin cậy cao hơn

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

28 (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,…

1.3 Cấu tạo và nguyên lý động cơ nam châm vĩnh cửu 1.3.1 Cấu tạo

Động cơ BLDC sử dụng để chuyển mạch điện tử thay cho kết cấu cổ góp chổi than để chuyển mạch cho dòng điện cấp vào trong các cuộn dây thuộc phần ứng Có thể gọi đây là cơ cấu chuyển đổi mạch tĩnh

Để làm được điều đó thì phần ứng của động cơ cũng phải tĩnh Như vậy, về mặt kết cấu, chúng ta có thể thấy rằng động cơ BLDC và động cơ 1 chiều truyền thống có sự hoán đổi vị trí giữa 2 phần cảm và phần ứng: phần cảm chuyển lên trên rotor và phần ứng ở trên stator

Động cơ đồng bộ 1 nam châm vĩnh cửu chính là sự kết hợp của động cơ xoay chiều đồng bộ được kích từ vĩnh cửu sử dụng bộ chuyển đổi chiều điện tử nhằm chuyển mạch theo vị trí rotor Việc xác định vị trí rotor được thực hiện thông qua các cảm biến vị trí Hầu hết các cảm biến vị trí rotor (còn gọi là cực từ) sử dụng cảm biến Hall, cũng

29 có 1 số động cơ sử dụng các cảm biến quang học

Mặc dù hầu hết các động cơ được xem chính thống và có năng suất cao đều là động cơ đồng bộ 3 pha, tuy nhiên động cơ BLDC 2 pha cũng được sử dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động của nó rất đơn giản

1.3.2 Nguyên lý hoạt động

Động cơ BLDC hoạt động hầu hết dựa trên quá trình chuyển mạch của dòng điện Động cơ BLDC có 3 cảm biến Hall được đặt trên stator Trong khi các cực của nam châm ở trên rotor chuyển động đến vị trí của cảm biến Hall thì đầu ra của cảm biến này sẽ có mức logic cao hoặc thấp, điều này còn tùy thuộc vào đó là cực N hay S

Dựa vào tổ hợp các tín hiệu logic của 3 loại cảm biến để xác định trình tự và thời điểm diễn ra chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha trên bộ phận stator Trong quá trình hoạt động, tại thời điểm này chỉ có 2 cuộn dây pha được cung cấp điện, còn cuộn dây thứ 3 sẽ không được cấp điện Cũng chính vì vậy, việc chuyển mạch của dòng điện từ cuộn dây này sang cuộn dây khác sẽ tạo ra các từ trường quay, đồng thời làm cho roto phải quay theo

Như vậy, thứ tự chuyển mạch của dòng điện giữa các cuộn dây pha sẽ phải căn cứ vào chiều quay của phần rotor Thời điểm chuyển mạch cho dòng điện từ pha này sang pha khác sẽ được xác định sao cho mô men của nó đạt giá trị lớn nhất và đập mạch mô men do trong quá trình chuyển mạch thì dòng điện là nhỏ nhất

Để đạt được yêu cầu trên, chúng ta sẽ phải cấp điện cho cuộn dây vào đúng thời điểm sao cho dòng điện chuyển động trùng pha với sức điện động cảm ứng Và lúc này dòng 18 điện cũng được điều chỉnh lại để đạt được biên độ không đổi trong 1 góc khoảng cách có độ rộng là 120 độ điện Nếu không trùng pha với sức điện động thì lúc này dòng điện cũng sẽ có giá trị lớn, đồng thời cũng gây thêm tổn hao trên bộ phận stato làm giảm đi hiệu suất của động cơ

Do có mối liên hệ đặc biệt giữa sức điện động cảm ứng pha và vị trí của rotor nên việc xác định chính xác thời điểm cấp điện cho các cuộn dây pha trên phần stato còn có thể thực hiện được bằng phương pháp xác định vị trí của các rotor nhờ vào các con cảm biến vị trí

30 Thời điểm chuyển mạch của dòng điện chính là thời điểm mà 1 trong 3 tín hiệu cảm biến Hall đã được thay đổi mức độ logic Trong một chu kỳ điện có 6 sự chuyển mức logic của 3 con cảm biến Hall Do đó, trình tự chuyển mạch này còn được gọi là trình tự chuyển mạch 6 bước của động cơ BLDC

1.4 Những ưu điểm của động cơ nam châm vĩnh cửu so với động cơ cảm ứng

Động cơ nam châm vĩnh cửu không cần sắp xếp cho kích thích trường Hơn nữa, chúng không có công suất đầu vào tiêu thụ để thực hiện kích thích làm tăng cường hiệu suất cho động cơ DC

Động cơ BLDC không có cuộn dây trường, vì vậy không gian cho cuộn dây trường cũng sẽ được lưu lại làm giảm đi kích thước tổng thể của động cơ

Hơn nữa, động cơ BLDC cũng rẻ hơn và tiết kiệm hơn cho các ứng dụng xếp hạng KW phân số Trong trường hợp này, điều đáng lưu ý là động cơ DC có thể không được bù lại Do đó, cường độ của từ trường có thể bị suy yếu đi do phản ứng dị ứng gây tình trạng mài mờ

Ngoài ra, động cơ BLDC còn có 1 cơ hội nhận được các cực từ 1 cách bán khống vĩnh viễn (chỉ 1 phần) do dòng điện áp sinh ra quá nhiều trong quá trình khởi động, gây ra sự đảo ngược và tình trạng quá tải của động cơ

Một bất lợi lớn hơn nữa của động cơ cảm ứng là từ trường trong khoảng cách không khí được cố định và luôn đặt ra giới hạn khiến nó không thể được kiểm soát từ bên ngoài Do đó, việc kiểm soát tốc độ rất nhanh của động cơ DC khi ở trong loại động cơ này là cực kỳ khó

BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử để thay thế cho việc chuyển mạch cơ Đồng thời, điện áp rơi trên các linh kiện điện tử cũng nhỏ hơn điện áp được điều khiển rơi trên chổi than

Do BLDC không có chổi than, cổ góp nên sẽ không phải bảo trì chổi than hay cổ góp Đồng thời, BLDC sẽ không có tia lửa điện khi vận hành, vì vậy cũng ít gây nhiễu hơn

Với động cơ BLDC, chỉ có các cuộn dây của phần ứng phát sinh nhiệt độ khi làm

31 việc Ngoài ra, các cuộn dây phần ứng cũng được bố trí ở stator cho phép tản nhiệt tốt hơn qua phần vỏ của động cơ Với động cơ 1 chiều thông thường, những tổn hao nhiệt xuất hiện ở cả phần dây quấn stator và rotor Ngoài ra, việc tỏa nhiệt của phần dây quấn rotor sẽ trở nên khó khăn hơn

Động cơ BLDC sử dụng các nam châm vĩnh cửu được chế tạo bằng vật liệu tiên tiến, do đó sẽ không có tổn hao gì trên rotor

Mô men quán tính của rotor động cơ BLDC thường nhỏ hơn so với mô men quán tính của rotor động cơ 1 chiều thông thường

1.5 Ứng dụng

Nhờ những ứng dụng của động cơ điện mà việc lắp đặt, vận hành máy móc, cũng như các hoạt động liên quan đến các lĩnh vực khác nhau được thực hiện một cách nhanh chóng, hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn đáng kể

Động cơ điện hiện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, phổ biến và thay thế dần cho những loại động cơ truyền thống Bởi lẽ, loại động cơ này không chỉ hoạt động bền bỉ, linh hoạt, có thể lắp đặt và vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bị khác nhau, mà còn tiết kiệm năng lượng tiêu thụ đáng kể Chính vì thế, ứng dụng của loại động cơ này cũng trở nên đa dạng và phổ biến hơn cả

Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đời sống: trong tivi, 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

Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, loại động cơ này còn xuất hiện trong các máy vi tính, cụ thể là được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang,

1.6 Các phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều 1.6.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng

Trong phương pháp này người ta giữ 𝑈 = 𝑈đ𝑚,𝜙 = 𝜙đ𝑚 và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng

32 Độ cứng của đường đặc tính cơ:

𝛽 = ∆𝑀∆𝜔 =

(𝐾𝜙𝑘𝑡)2𝑅𝑢+ 𝑅𝑘𝑡

Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng

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

Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng thêm điện trở)

Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng cho nên tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở càng lớn

1.6.2 Phương pháp thay đổi từ thông

Giả thiết 𝑈 = 𝑈đ𝑚, 𝑅ư = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Rõ ràng phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa là chỉ có thể giảm dòng điện kích từ (Ikt ≤ Iktđm) do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông Khi giảm từ thông, đặc tính dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn

33

Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi từ thông

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông có các đặc điểm sau: - Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn

- Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông

- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D ~ 3:1 - Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng

=> Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắt nhau và do đó, với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm Còn ở vùng tải lớn (M2) tốc độ có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức

Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ là (1÷10)% dòng định mức của phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp

1.6.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

Từ thông động cơ được giữ không đổi Điện áp phần ứng được cấp từ một bộ biến đổi Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có các họ đặc tính cơ ứng với các tốc độ không tải khác nhau, song song và có cùng độ cứng Điện áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U)

34

Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng

Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện pháp thay đổi điện áp phần ứng có các đặc điểm sau:

- Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ - Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh

- Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh Do vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh

- Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể: D ~ 10:1

- Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với Uư ≤ Uđm)

=> Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thay đổi trơn điện áp ra

35

2 Phương trình mô tả động cơ điện một chiều.

- Điện cảm phần ứng L: 1 10−3 H

- Điện trở phần ứng R: 0.8 Ω - Hệ số cản b = 8.6 10−3Nms/rad - Momen quán tính J= 0.1 𝑁𝑚𝑠2/𝑟𝑎𝑑 - Hệ số momen K= 0.3

- Tín hiệu vào: điện áp V

- Tín hiệu ra: góc quay 𝜃 của động cơ

2.1 Mô hình hóa hệ thống bằng phương pháp phân tích vật lý:

Áp dụng định luật Kirchhoff cho mạch kín: 𝑉 = 𝑈𝑅+ 𝑈𝐿 + 𝐸

36 {𝑉(𝑠) = 𝑅 𝐼(𝑠) + 𝐿 𝑠 𝐼(𝑠) + 𝐾 𝑠 𝜃(𝑠) (3)

𝐾 𝐼(𝑠) = 𝐽 𝑠2 𝜃(𝑠) + 𝑏 𝑠 𝜃(𝑠) (4)Từ (4) có phương trình:

𝐼(𝑠) =𝐽 𝑠

2 𝜃(𝑠) + 𝑏 𝑠 𝜃(𝑠)𝐾

2.2 Xây dựng biểu đồ Bond graph

Các bước xây dựng biểu đồ Bond Graph

 Phần điện:

B1: Mỗi vị trí trong mạch điện mà điện thế khác nhau, thì đặt 0-juctions

B2: Chèn mỗi phần tử mạch “single port” bằng kết nối nó với 1-junctions bằng đường power bond

B3: Gán chiều công suất tới tất cả các bond trong mô hình

B4: Nếu các vị trí có thế đất đã được xác định, thì xóa bỏ 0-juntions tại đó và tất cả các bonds kết nối đến nó

B5: Đơn giản hóa các bond graphs theo các nguyên tắc

37

 Phần cơ:

B1: Với mỗi vận tốc khác nhau thiết lập 1-junction

B2: Đưa vào các phần tử dung kháng và trở kháng tới power bonds và kết nối chúng tới 1-junctions 1 sử dụng 0-junctions Phần tử quán tính được thêm vào 1- juntions

B3: Gán chiều công suất tới các bonds

B4: Loại bỏ tất cả 1-junctions có vận tốc 0 và tất cả các bonds kết nối tới nó B5: Đơn giản hóa bằng sử dụng các nguyên tắc tối giản

Xác định các điểm có điện thế khác nhau

Đưa vào các phần từ trở kháng và cảm kháng