đề tài thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều tùy chọn loại động cơ một chiều

- Động cơ một chiều kích từu song song- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp- Động cơ một chiều từ hỗn hợp CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC HCD: phần tử hạn chế dòng điện trong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BM: CƠ ĐIỆN TỬ - KHOA CƠ KHÍTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

- oOo

THIẾT KẾ MÔN HỌC THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN

Mã SV:201301626Giảng viên hướng dẫn:

Năm học: 2023-2024

Hà Nội, ngày 10/10/2023

Yêu cầu: Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều (tùy chọn

loại động cơ một chiều)1 Tổng quan về động cơ điện một chiều 2 Xây dựng mô hình động cơ và các mạch vòng điều chỉnh (mạch vòng điều chỉnh dòng điện và tốc độ)

3 Mô phỏng các đặc tính của động cơ bằng Simulink

Đề số PdmkW Uđm V nđm v/ph Iđm A Rư Ω Lư H J kg.m2

×10−3

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 - Cấu tạo chung của động cơ một chiều:

Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạo giống nhau Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phần tĩnh) và phần ứng (phần quay ) - Phan cam (stator) Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa làvỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ dòng điện chạy trong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tínhliên tiếp luân phiên nhau

Cựu từ chính gần với vỏ máy nhờ các bulông Ngoài ra máy điện một chiều còncó nắp máy, cực từ phụ và cơ cấu chổi than

Cực từ chính

- Phan ing (rotor) Phần ứng của máy điện một chiều còn gọi là rôto, gồm lõi thép, dây quấn phầnứng, cổ góp và trục máy

Lá thép rôto Dây quấn phần ứng máy điện chiều

a) Phần tử dây quấn; b) Bồ tri phần tử dây quấn Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các là thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh để đặt dãy quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín Phần tử của dãy quấn là mộtbởi dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiển góp của vành góp.hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên

Cổ góp (vành góp) hay còn gọi là vành đối chiếu gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhận được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục máy

Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy

1.2- Nguyễn lý làm việc của động cơ điện một chiều

Trên hình khi cho điện áp một chiều U vào hai chối điện A và B, trong dây quần phản ứng có dòng điện Các thanh dẫn ai và cả mang dòng điện nằm trong tử trưởng sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụng lên rôto, làm quay rôto Chiếu lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái ()

Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi phản ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ah, có đổi chỗ nhau (hình 1.4b), nhớ có phiền gặp đối chiếu dòng điện, nên dòng điện một chiều biển đổi thành đồng điện xoay chiều đưa vào dãy quan phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

Các trị số định mức của động cơ điện một chiều Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện một chiều nói riêng là chế độ làm việctrong những điều kiện mà nhà chế tạo quy định Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là những đại lượng định mức

- Công suất định mức Pa (kW hay W) - Điện áp định mức Un (V) - Dòng điện định mức lan (A)

- Tốc độ định mức tai (vòng/ph).Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ Chú ý: Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện Đối với máy phát điện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ đó là công suất đưara trên đầu trục động cơ 1.4 Phân loại động cơ điện một chiều

Dựa theo cuộn kích tử, động cơ một chiều có các loại như sau:- Động cơ một chiều kích từ độc lập

- Động cơ một chiều kích từu song song- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp- Động cơ một chiều từ hỗn hợp

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC

HCD: phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quả độHệ truyền động một chiều thường được phân loại:

- Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì lượng đặt trước –

- Hệ điều chỉnh tự động truyền động tùy động( hệ bám) là hệ điều chỉnh vị trí trong đó cần điều khiển tự động theo lượng đặt trước biến thiên tùy ý,

chúng ta thường gặp ở truyền động quay ăng ten, quay rada, các cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại

- Hệ điều chỉnh tự động truyền động theo phương trình, thực chất là hệ điều khiển vị trí nhưng đại lượng điều khiển phải tuân theo một chương trình đặt trước, thông thường đại lượng điều khiển ở đây là các quỹ đạo chuyển động trong không gian phức tạp nên cấu trúc của nó thường gồm nhiều trục, chương trình điều khiển được ghi lại bằng bìa, băng, đĩa từ thường gặp các hệ điều khiển theo chương trình trong trung tâm gia công cắt gọt kim loại, hoạt động của ro bốt trong sản xuất

2.2 CÁC THÀNH PHẦN TRONG CẤU TRÚC2.2.1.Bộ biến đổi (BBĐ)

Dùng bộ biến đổi xung áp một chiều không đảo chiều, nội dung về bộ biến đổi xung áp một chiều không đảo chiều được nêu ở mục 1.4 chương 1

2.2.2 Các bộ điều chỉnh Ri, RoLà các bộ điều chỉnh dòng điện, bộ điều chỉnh tốc độ được tổng hợp trong các mạch vòng điều chỉnh dòng điện, mạch vòng điều chỉnh tốc độ trong mục 2.2.1và 2.2.2

2.2.3 Phần tử hạn chế dòng HCDĐóng vai trò làm phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ, phần tử hạn chế dòng thưởng dùng bằng điện trở

2.2.4 Các sensor phản hồi Si, SuLà các cảm biến để đo các đại lượng dòng điện, tốc độ đóng vai trò khâu phản hồi

a.Sensor dòng điện SĩĐóng vai trò là khâu phản hồi dòng điện, để lấy tín hiệu dòng điện quay trở lại đầu vào hệ thống người ta tạo một tín hiệu điện áp tỉ lệ với tín hiệu dòng điện.Có nhiều cách để lấy tín hiệu dòng điện

Yêu cầu đặt ra cho các bộ đo dòng điện một chiều, là ngoài việc đảm bảo về độ chính xác, còn phải đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển

Người ta thường dùng phương pháp biến điệu để truyền tin hiệu một chiều từ sơ cấp sang thứ cấp có cách ly bằng biến áp hoặc phần tử quang điện

Mạch nguyên lý đo dòng điện 1 chiều Mạch đo bao gồm khâu biến điệu, khâu chỉnh lưu nhạy pha, tín hiệu đo được sóng biến điệu chuyển qua biến thế sau đó chỉnh lưu thành tín hiệu xoay chiều Giữa sơ cấp và thứ cấp được cách ly bởi biến thế Thông thường sóng biến điệu có tần số cao do vậy biến thế ở đây dung lõi ferit nên giảm kích thước thiết bị để nhiễu xoay chiều không làm ảnh hưởng lớn đến bộ điều chỉnh ta phải chọn tần số dao động lớn hơn mười lần tần số cơ bản đầu ra của bộ chỉnh lưu.

Trên hình là sơ đồ cách ly các đại lượng một chiều dùng bán dẫn quang điện.Nó dùng mạch dao động xung tam giác đối xứng, mạch so sánh, mạch truyền xung và mạch tích phân

Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện:

W (p)=₁ 1+ TI PKI

Trong đó: TI - hằng số thời gian của máy biến dòngKI - hệ số phản hồi dòng điện

b Sensor tốc độ SaĐóng vai trò là khâu phản hồi tốc độ, trong mạch vòng tốc độ, người ta phải tạo ra một tín hiệu điện áp tỉ lệ với tốc độ động cơ Để làm được điều đó người ta thường dùng máy phát tốc một chiều, nó được nối cứng trục với động cơ.

Máy phát tốc một chiều :+ Khái niệm : máy phát tốc là một thiết bị đo tốc độ của động cơ+ Cấu tạo : Gồm hai phần là phần cảm và phần ứng

+ Máy phát tốc một chiều thực ra chỉ là một máy phát điện một chiều loại nhỏ tạo ra một tín hiệu điện áp tỉ lệ với tốc độ động cơ, được nối cứng với trục động

Yêu cầu đối với máy phát tốc một chiều là điện áp một chiều có chứa ít thành phần xoay chiều là tần số cao và tỉ lệ với tốc độ động cơ, không bị trễ nhiều về giá trị và dấu so với biến đổi đại lượng đo Điện áp một chiều phát ra không phụthuộc vào tải, vào nhiệt độ

Hình2.3: Sơ đồ đo tốc độ dùng máy phát tốc Khi từ thông máy phát tốc không đổi, điện áp đầu ra phát tốc :

Nếu chọn điện trở đủ lớn, gần đúng ta có:

2.2.5 Tổng hợp mạch vòng dòng điện

Hình 2.2: Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện Mạch vòng điều khiển có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện khi điều khiển động cơ một chiều, nó cũng hạn chế dòng điện của động cơ không vượt quá ngưỡng cho phép Mặt khác nhiệm vụ của bộ điều khiển là thiết lập giá trị dòng bằng giá trị điều khiển trước sự tác động cảu nhiễu

Đối với động cơ một chiều bộ điều khiển dòng có thể tổng hợp theo 2 cách:- Tổng hợp bộ điều khiển RI bỏ qua sức điện động phần ửng

- Tổng hợp bộ điều khiển RI có tính đến sức điện động phần ứngTrong trường hợp quán tính cơ rất lớn so với quán tính điện, nghĩa là tại thờiđiểm đó có thể xem sự thay đổi của dòng điện lớn hơn nhiều so với sự thay đổi củatốc độ và tại những điểm đó xem như tốc độ không đổi Khi cần điều khiển chính xác thì ta cần phải tính đến suất điện động của động cơ

 Tổng hợp bộ điều khiển RI

Trong các hệ thống truyền động điện tự động cũng như trong hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản có chức năng cơ bản của các mạch vòng dòng điện là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mô men kéo của độngcơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc

Hình2.3 : Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 1Trong đó:

T= LuRu là hằng số điện từ của động cơTi=R.C Hằng số thời gian của cảm biến( sensor) dòng điện Bỏ qua sự ảnh hưởng của suất điện động ta có:

2.2.6 Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độTrong cấu trúc điều khiển tốc độ người ta thường dùng cấu trúc nối tầng với vòng trong là vòng điều khiển dòng, vòng ngoài là vòng điều khiển tốc độ Tuy nhiên trong những trường hợp cấu trúc nhỏ và điều khiển tốc độ có yêu cầu chất lượng không cao thì người ta có thể bỏ qua mạch vòng d

2.3 Tính toán bộ điều khiển

Pdm =375×10−3(kW) Rư =5.5(Ω)

Udm = 190(V) Lư =0.05(H)ndm =1075(v/ph) J =0.0136(kg.m2)

Iđm =1(A)

a Tính toán mạch vòng dòng điệnTốc độ góc:

ωⅆm=2πndm

60=10759,55=112.56

Tính momen định mức:

Pdm=Mdm ωⅆm→ Mdm=Pdm

ωⅆm

= 375112.56=3.331 Nm

→ Kϕ=Mdm

Idm

=3.3311=3,331

Tu=LuRu

=0.055.5=0.01 s

Ta có:

Ud=Kcl Ucl

Chọn Udk=10 V

→ Kcl=UdmUdk

=19010=1.9

Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:

Ri=(Ru Tu)/(2 Kcl Ki Tsi)(1+ 1

p Tu)

Tsi=T Ti+ v+Tdk=2 ms+2,5ms+0,1ms=4,6.10−3sTu=0.01 s

Rư =5.5(Ω)

Kcl=1.9

Chọn Uid=5V

Ki=UidIdm

=51=5

Ri= 5,5.0,012.1,9 0,01.4,6 10−3(1+0,01

p )

→ Ri=¿314,65¿)

Tc=¿ ¿JR0,0067

RuKϕ Tc

= 5,53,331.0,0067=246,44

a Tính toán mạch vòng tốc độ

Uωd=Kω ω

Chọn Uωd=10 V

Kω= 10112,56=0,0888

T=0,01 s

Rω( p)=Ki.( Kϕ) Tc

Ru Kω.2.Tsi

=5, 5.3,331.0,00675,5.0,0888 2 0,01=12,56

Ru

( Kϕ) Tc

= 5,53,331.0,0067=246,44

CHƯƠNG IIIMÔ PHỎNG CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ BẰNG SIMULINK

3.1 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB- SIMULINKTrên matlap – simulink ta có thể dễ dàng tìm hiểu và thành lập mô hình mạch vòngđiều chỉnh tốc độ dựa trên mô hình đã tổng hợp được trên lý thuyết

Kϕ=3,71Ru=0.166Lu=0,033J=4Ki=0,085Kcl=44Ti=0.002Tu=0.198

Tdk=0.001Tv=0,025Tl=0.01Tw=0,01

Kết quả mô phỏng trên Simulink

Kết quả mô phỏng tốc độ của động cơ:

Kết quả mô phỏng như sau:

Dòng điện phần ứngKết quả mô phỏng như sau:

Mômen điện

Kết quả mô phỏng như sau:

Đáp ứng quá độ của hệ thốngKết quả mô phỏng như sau:

Kết luận mô phỏng:Trong quá trình mô phỏng động cơ DC sử dụng Simulink, em đã có cơ hội đánh giá và hiểu rõ hơn về hành vi của động cơ trong một hệ thống điều khiển Các bước thiết lập môhình, cấu hình thông số và chạy mô phỏng đã cung cấp cái nhìn chi tiết về cách động cơ phản ứng với điện áp đầu vào

Em đã quan sát được cách hệ thống ổn định, thời gian đáp ứng và các yếu tố khác có thể được ảnh hưởng bởi cảm biến, hệ số ma sát và các thông số khác của động cơ Mô phỏng đã giúp em phân tích ảnh hưởng của các yếu tố này đối với hiệu suất của hệ thống

Tuy nhiên, để đảm bảo tính chính xác và ứng dụng thực tế, em nhận thức rằng cần phải đối chiếu kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế và có thể cần điều chỉnh mô hình dựa trên các thử nghiệm thực tế hoặc dữ liệu thực tế.

Tổng cộng, mô phỏng bằng Simulink là một công cụ mạnh mẽ giúp em hiểu rõ hơn về động cơ DC và tương tác của nó với hệ thống điều khiển Điều này có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển và điều chỉnh các hệ thống điều khiển động cơ trongứng dụng thực tế

KẾT LUẬN:

Sau thời gian học tập và nghiên cứu, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy, em đã hoàn thành mọi nhiệm vụ được giao trong đồ án "Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập với mạch động lực sử dụng bộ băm xung khi không cần đảo chiều quay"

Trong đồ án, em đã giới thiệu động cơ một chiều kích từ độc lập và xây dựng mô hình cho nó Em đã xây dựng mô hình điều khiển truyển động cho hệ, chọn lựa bộ điều khiển phù hợp, và thực hiện mô phỏng đáp ứng trên Matlab Simulink với nhiều điều kiện tải khác nhau

Em thấu hiểu rằng trong quá trình thực hiện, có thể có những sai sót Vì vậy, em mong nhận được sự đánh giá và ý kiến đóng góp của thầy để có cơ hội rút kinh nghiệm và hoàn thiện bài làm của mình Em xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ và hướng dẫn từ thầy