CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 4.1 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính tốc độ của động cơ điện 1 chiều....
Tổng quan động cơ điện một chiều
Đặc điểm
- Chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ và ngược lại.
- Đa phần hoạt động theo nguyên lý điện từ.
- Tùy vào cấu tạo động cơ sẽ có nguyên lý hoạt động khác nhau: lực tĩnh điện hay hiệu ứng điện áp.
Cấu tạo động cơ điện một chiều
Stato là còn gọi là phần cảm, gồm lõi thép bằng thép đút, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy Các cực từ chính có dây quấn kích từ Stato động cơ điện một chiều đóng vai trò đơn giản là nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện.
Rôto của máy điện một chiều được gọi là phần ứng gồm lõi thép và dây quấn phần ứng a) Lõi thép:
Dạng hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm, phủ sơn cách điện, ghép lại Trên các lá thép có dập lỗ thông gió để làm mát và rãnh để đặt dây quấn rôto. b) Dây quấn
Dây quấn rôto gọi là dây quấn phần ứng, thường làm bằng dây đồng, có cách điện với nhau và với lõi thép Dây quấn phần ứng có những đặc điểm sau:
- Đặt trong các rãnh lõi thép rôto thành 2 lớp trên và dưới.
- Gồm nhiều phần tử (bối dây), mỗi phần tử có các vòng dây và hai đầu nối với hai phiến góp.
- Hai cạnh tác dụng của phần tử (phần của bối dây đặt trong rãnh) đặt dưới hai cực từ khác tên.
- Tạo thành các mạch nhánh gồm nhiều cạnh tác dụng của các phần tử ghép lại
Vì mỗi rãnh có hai lớp thì một cạnh tác dụng đặt ở lớp trên, thì cạnh tác dụng kia được xếp ở lớp dưới.
Dây quấn phần ứng của máy điện có 4 phần tử (1-2, 3-4, 5-6 và 7-8).
Hình 1-3 Mạch nhánh dây quấn phần ứng (mỗi cạnh tác dụng được biểu diễn bằng một suất điện động
1.1.1.3 Cổ góp và chổi điện
Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục.
Hình vẽ cắt cổ góp để dễ thấy rõ hình dạng các phiến góp và hình phiến góp.
Chổi điện (chổi than) làm bằng than graphit Các chổi tì chặt lên cổ góp nhờ lò so và giá chổi điện gắn trên nắp máy.
Nguyên lí hoạt động
Động cơ điện 1 chiều hoạt động chủ yếu dựa vào định luật cảm ứng điên từ của faraday Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường của stato, sẽ chịu lực Fdt tác dụng làm cho roto quay Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau, do đó phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi.
Hình bên dưới mô tả nguyên lý của động cơ điện một chiều.
Hình 1-6 Nguyên lý hoạt động
Hình 1-5 Cổ góp, phiến góp và chổi điện
Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động Eư Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở động cơ chiều sức điện động
Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còn được gọi là sức phản điện Phương trình điện áp sẽ là: U = E ư +R ư I ư
Các ứng dụng về động cơ điện một chiều
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
- 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 là động cơ một chiều hết nha các bạn.
- Như vậy động cơ 1 chiều được ứng dụng trong hầu hết các thiết bị như : ổ đĩa, máy photocopy,….
Công suất và momen của máy điện một chiều
Công suất điện từ
Momen điện từ
M đt =P đt Ω r =K M I u Φ (2.5) Tốc độ quay của rotor Ω r =2πnn
Động cơ điện 1 chiều kích từ song song
Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song
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.
1.4.1 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song
Phương trình đặc tính cơ là đồ thị miêu tả mối quan hệ giữa mô men điện từ
Mđt và tốc độ góc ω của động cơ. Đặc tính cơ:
Từ phương trình cân bằng điện áp: { E E 0 0 =U =K Φ ω − I R u
Đặc tính làm việc
Đường đặc tính làm việc được xác định khi điện áp và dòng điện kích từ không đổi Đó là các đường quan hệ giữa tốc độ n, moment M dòng điện phần ứng Iư và hiệu suất N theo công suất cơ trên trục P2.
Hình 1-9 Đặc tính làm việc
Nhận xét: động cơ điện kích từ song song có đặc tính cơ cứng và tốc độ hầu như không đổi khi công suất trên trục P2 thay đổi, chúng được dùng nhiều trong các máy cắt kim loại, các máy công cụ … Khi có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ ta dùng động cơ kích từ độc lập.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ
Động cơ điện một chiều có đặc điểm là:
Hình 1-8 Đồ thị đường đặc tính cơ
- Ưu điểm: Điều chỉnh tốc độ dễ dàng, nhiều kênh điều khiển.
- Nhược điểm: Sử dụng nguồn điện một chiều.
Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn như hiện nay máy điện một chiều đã trở thành một cơ cấu không thể thiếu trong truyền động điện.
Từ phương trình về vận tốc: ω= U
Ta có các phương pháp điều chỉnh tốc động động cơ điện một chiều như sau:
1.5.1 Thay đổi tốc độ đông cơ bằng cách thay đổi điện áp: Đặc điểm: Đặc tính cơ là các đường song song với đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, do đó độ cứng của đặc tính cơ không thay đổi.
Do U chỉ có thể giảm do đó chỉ có thể điều chỉnh giảm tốc độ của động cơ.
Có thể thay đổi U bằng các van bán dẫn.
1.5.2 Thay đổi điện trở phần ứng R u Đặc điểm:
Khi thêm Ruf vào phần ứng động cơ thì độ cứng của đặc tính cơ giảm hay đặc tính cơ của động cơ giảm đi có nghĩa là với một sư thay đổi rất nhỏ của tải sẽ dẫn đến một sự thay đổi rất lớn của ω nên không ổn định do đó trên thực tế điều chỉnh tốc độ bằng Ru ít được sử dụng.
Ngoài ra khi thêm Ru vào phần ứng cũng có nghĩa là tăng tổn hao làm nóng động cơ Phương pháp này chỉ sử dụng để giảm dòng mở máy khi khởi động động cơ.
1.5.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông: Đặc điểm:
-Vì từ thông trong lõi thép rất dễ bão hoà nên người ta thường chỉ điều chỉnh giảm từ thông trong động cơ.
-Khi từ thông Φ dm giảm đến Φ i thì có một Mi nào đó, khi Mc < Mik việc giảm Φ sẽ làm tăng tốc độ động cơ, khi Mc > Mik việc giảm Φ sẽ làm giảm tốc độ động cơ. Trên thực tế điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là rất khó thực hiện vì quan hệ Φ(ω) là phi tuyến.
1.5.4 Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ
Từ các phân tích trên, ta thấy trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ trên thì phương pháp điều chỉnh tốc độ trên thì phương pháp điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện áp phần ứng là khả thi và tin cậy nhất bởi vì dễ điều chỉnh và có dặc tính cơ cứng.
Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều
Hình 1-10 Hệ thống điều khiển động cơ
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.
Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative): là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị
"sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.
PHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG 10
Yêu cầu, thông số
Hình 2-1 mạch động cơ 1 chiều kích từ song song
R là tín hiệu đặt tốc độ; θ ´ là vận tốc góc của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ Các thông số của động cơ như sau:
- Điện trở mạch kích từ: 0.4 Ω
- Hệ số cản b = 6.610 −3 Nms/rad
- Momen quán tính J= 0.166Nms/rad
Phân tích vật lý
Dựa vào mạch động cơ điện một chiều ta có các phương trình sau.
Phương trình mạch cân bằng điện áp phần ứng. u ư =L ư d i ư dt +R ư i ư +K e ω(t) Phương trình momen điện từ.
Vậy phương trình (6) chính là phương trình mô tả động cơ điện 1 chiều kích từ song song theo phương pháp vật lý
XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 12
Xây dựng biểu đồ bond graph cho động cơ điện
Hình 3-11 Mạch điện động cơ điện 1 chiều kích từ song song
Bước 1: Đặt 0 functions tại các nút, chèn phần tử điện, cơ và 1 function, gán chiều công suất cho các phần tử Bên điện được kết nối với bên cơ bằng phần tử chuyển đổi GY.
Hình 3-12 Bước 1 chèn các phần tử function, điện, cơ
Bước 2: Rút gọn sơ đồ xóa bỏ 0 và 1 function, các bond không cần thiết.
Hình 3-13 Bước 2 rút gọn sơ đồ
Bước 3: Xét quan hệ nhân quả gán caulsal stroke cho sơ đồ.
Hình 3-14 Bước 3 gắn caulsal stroke
Ilkt, Ilư: phần tử cảm kháng cuộn cảm kích từ, ứng.
GY: con quay chuyển hồi, phần tử chuyển đổi điện sang cơ.
Ij: phần từ cảm kháng của momen quán tính.
Rb: phần tử trở kháng ̣ ma sát.
Gy mô tả mối quan hệ giữa tốc độ góc động cơ với suất điện động và giữa dòng điện với momen quay.
Xây dựng hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều
Theo yêu cầu, Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều kích từ song song với tín hiệu đặt là R, tín hiệu vào của mạch điện động cơ là điện áp và tín hiệu đầu ra của hệ thống là tốc độ quay của động cơ.
Trong các phương pháp điều khiển góc 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 giảm sai số xác lập.
Theo đó, tín hiệu đặt R là tốc độ mong muốn của hệ thống sẽ được mô phỏng bằng khống constant Tín hiệu phản hồi về từ động cơ là tốc độ thực tế, khi đó lỗi sẽ đưa vào khâu hiệu chỉnh PID để đạt sai số nhỏ nhất.
Hình 3-5 Biểu đồ bondgraph cho hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ
Mô phỏng và đánh giá các đặc tính tốc độ của động cơ điện 1 chiều
Hình 4-2 Biểu đồ bond graph khảo sát tốc độ được mô phỏng trên 20-sim
1.1.1.4 Cài đặt thông số Đưa ra thông số:
- Điện trở mạch kích từ: 0.4 Ω
- Hệ số cản b = 6.610 −3 Nms/rad
- Momen quán tính J= 0.166 Nms / rad
Hình 4-3 Cài đặt thông số trên 20-sim
Giả sử động cơ mang tải MtN.m và điện áp định cấp nối tiếp cho phần kích từ và phần ứng là 240VDc Tiến hành khảo sát đặc tính tốc độ của động cơ.
Hình 4-4 Tốc độ động cơ theo thời gian Động cơ tăng tốc và đạt tốc độ ổn định 253rad/s sau nửa giây ̣(0.5s)
Sau khi cấp nguồn xuất hiện dòng ứng tạo momen điện từ làm động cơ quay sau đó dòng ứng giảm xuống ổn định khiến tốc độ quay động cơ giữ nguyên hình 4-7 Gíá trị tốc độ và dòng khảo sát
Hình 4-5 Tốc độ động cơ hình 4-6 Tốc độ và dòng điện ứng
Từ mô phỏng cho ta thấy moment đầu ra bằng moment tải cộng moment dẫn động quán tính trừ đi moment masat và bằng 11,6N
Hình 4-10 Moment và tốc độ
Moment output ban đầu đi lên rồi xuống thể hiện quá trình tăng tốc của động cơ phải thắng được moment dẫn động quán tính và moment tải khi động cơ quay đều luôn giữ nguyên moment output.
Giả sử động cơ đang mang tải trọng M t 10 N m
Qua đồ thị khảo sát đặc tính tốc độ của động cơ, động cơ quay đều sau khi khởi động thắng lực momnent cản masat, dẫn động quán tính trong 0,5s
Với v%3rad/s và quay với moment 11N
Mô phỏng và đánh giá các đặc tính tốc độ của hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều
4.2.1 Mô phỏng Ảnh hưởng của các khâu hiệu chỉnh đối với hệ thống:
Xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ P đến đặc tính của hệ thống:
-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 càng kém ổn định.
Xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ PI đến đặc tính của hệ thống:
-Khâu hiệu chỉnh PI làm chậm đáp ứng quá độ.
-Triệt tiêu sai số xác lập của hệ thống.
Xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ PD đến đặc tính của hệ thống:
-Khâu hiệu chỉnh PD 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.
Với bộ tham số PID: Kp=1; Ki=1; Kd=1 Tín hiệu đặt 100rad/s do chỉ có thể điều chỉnh giảm tốc độ động cơ.
Hình 4-11 Đặc tính vận tốc khi kp=ki=kd=1 Đánh giá: thời gian quá độ dài, sai số xác lập nhỏ, không có vọt lố. Yêu cầu: giảm thời gian quá độ
Giải pháp: tăng hệ số Kd.
Chọn bộ tham số PID: Kp=1; Ki=1; Kdp.
Hình 4-12 Đặc tính vận tốc khi kp=1;ki=1;kd Đánh giá: vẫn còn sai số xác lập, vận tốc vẫn chưa bám sát ngay tín hiệu đặt, độ vọt vẫn còn
Giải pháp: tăng dần hệ số Ki và Kp.
Chọn bộ tham số PID: Kp=6; Ki=1; Kdp.
Hình 4-13 Đặc tính tốc độ khi kp=6;ki=1;kdp Đánh giá:
- Sai số xác lập được cải thiện đáng kể
- Thời gian quá độ nhỏ hơn nhiều so với hệ số trước.
- Độ vọt lố rất thấp.
Hình 4-14 Thông số cài đặt hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều
Sử dụng bộ điều khiển PID cho hệ thống động cơ điện một chiều khắc phục được các yếu tố gây ra mất ổn định cho hệ thống Xét về đặc tính tốc dộ của động cơ điện một chiều kích từ song song như trên, ban đầu động cơ quay với vận tốc không đổi sau 0,5s Khi thêm bộ điều khiển PID vào hệ thống đã kiểm soát tốc độ của động cơ trong một phạm vi của giá trị tốc độ mong muốn