xây dựng mô hình thí nghiệm đặc tính động cơ điện một chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU S K C 0 9 MÃ SỐ: T2011- 43 S KC 0 3 Tp Hồ Chí Minh, 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Mã số: T2011 - 07 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Vinh Quan Người tham gia: Trần Quang Thọ TP HCM, 2011 ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU Ngày sống ngày thƣờng xuyên gặp hệ truyền động điện nơi đâu Nhƣ nhà máy xí nghiệp dây chuyền sản xuất Trong sống hàng ngày cần sử dụng nhiều nhƣ thang máy, cầu trục, cần trục, Nhƣ nói truyền động điện khẳng định đƣợc vai trò sống lao động sản xuất Do phát triển ngày mạnh mẽ kỹ thuật điện tử tin học nên hệ truyền động điện có bƣớc phát triển nhảy vọt Nhƣ biết hệ thống truyền động điện thiếu động điện Động điện tạo moment quay để kéo cấu sản xuất hoạt động nên đóng vai trò quan trọng hệ truyền động điện cấu sản xuất Để chọn đƣợc loại động hoạt động phù hợp với tính chất tải ta cần phải biết đặc tính động điện đặc tính tải Một vấn đề đặt thực tế có nhiều động bị nhãn để ta chọn đƣợc cho phù hợp với yêu cầu hoạt động sản xuất Chính lẽ mà tác giả chọn đề tài: Khảo Sát Đặc Tính Cơ Của Động Cơ Một Chiều Ngoài với đề tài cung cấp cho sinh viên ngành có liên quan đến môn điện có cách nhìn trực quan thực tế đặc tính động Trong đề tài nội dung nghiên cứu đƣợc xếp theo chƣơng:  Chƣơng 1: Chƣơng mở đầu  Chƣơng 2: Giới thiệu chung động chiều  Chƣơng 3: Đặc tính động chiều  Chƣơng 4: Mạng neuron  Chƣơng 5: Thi công ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Trong ngành sản xuất nay, công nghệ tiên tiến, dây chuyền thiết bị hiên đại du nhập vào nƣớc ta Tác dụng công nghệ mới, thiết bị đại góp phần tích cực thúc đẩy nghiệp công nghiệp hoá đại hoá Các máy điện đại lĩnh vực đa phần hoạt động nhờ vào điện thông qua thiết bị chuyển đổi điện thành năng, nhiệt dây chuyền đại, thiết bị máy móc khác muốn hoạt động, vận hành không kể đến động điện Trong nhiều máy móc cần đến loại động điện chiều với mức công suất khác phù hợp với chức hoạt động Động điện chiều dùng để biến đổi điện thành hay thành điện Động điện chiều gồm có loại: o Động điện chiều kích từ độc lập o Động điện chiều kích từ song song o Động đện chiều kích từ nối tiếp o Động điện chiều kích từ hỗn hợp hay kích từ nam châm vĩnh cửu Nói tóm lại động điện chiều đƣợc sử dụng rộng rãi phổ biến dây chuyền sản xuất, cấu vận hành nhƣ thang máy, máy nâng, Nó có vai trò quan trọng cần thiết trình công nghiệp hoá đại hoá đất nƣớc ta Với cấu tạo không phức tạp khó khăn cho chế tạo sửa chữa Góp phần cải thiện sống, sức lao động ngƣời nói chung nhân dân Việt Nam ta nói riêng ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 2.1 Cấu tạo động điện chiều Cấu tạo động điện chiều gồm phần chính: phần tĩnh (Stator) phần động (Rotor) Hình 2.1: Phần tĩnh phần động động điện chiều Các thành phần: Frame: võ máy Pole Piece: cực từ Field Winding: cuộn cảm Armature: phần ứng Commutator: cổ góp Carbon Brush: chổi than 2.1.1 Phần tĩnh 2.1.1.1 Cực từ Cực từ phần sinh từ trƣờng gồm có lõi sắt cuộn dây: Lõi sắt cực từ đƣợc làm từ thép kỹ thuật thép cacbon đƣợc ép lại với tán chặt thành khối cực từ đƣợc gắn vào vỏ máy bulông Một cặp cực từ (đôi cực) gồm hai cực nam - bắc đặt đối xứng với qua trục động cơ, tuỳ theo động mà số cặp cực từ có 1,2,3, nhiều ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 Các máy điện nhỏ cực từ đƣợc làm thép khối Dây quấn kích từ làm dây đồng có tiết diện tròn chữ nhật đƣợc sơn cách điện đƣợc quấn thành cuộn Các cuộn dây đƣợc mắc nối tiếp với Các cuộn dây đƣợc bọc cách điện cẩn thận trƣớc đặt vào cực từ Hình 2.2: Cực từ 2.1.1.2 Cực từ phụ Cực từ phụ đƣợc đặt cực từ để cải thiện tình trạng đổi chiều Cực từ phụ đƣợc làm thép khối đặt cuộn dây quấn Dây quấn cực từ phụ tƣơng tự nhƣ dây quấn cực từ 2.1.1.3 Gông từ Gông từ phần nối tiếp cực từ Đồng thời gông từ làm vỏ máy, từ thông móc vòng qua cuộn dây khép kín chạy mạch từ Trong máy điện lớn gông từ làm thép đúc, máy điện nhỏ gông từ làm thép đƣợc uốn lại thành hình trụ tròn hàn ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 2.1.1.4 Các phận khác - Nắp máy: Nắp máy dùng để bảo vệ chi tiết máy tránh không cho vật bên rơi vào máy làm hỏng cuộn dây, mạch từ Đồng thời nắp máy để cách ly ngƣời sử dụng với phận máy động quay, có điện Ngoài nắp máy giá đỡ ổ bi trục động - Cơ cấu chổi than (chổi điện): Cơ cấu chổi than để đƣa dòng điện từ vào máy động đƣa dòng điện máy phát điện Cơ cấu chổi than gồm có chổi than làm từ than cacbon thƣờng hình chữ nhật Hai chổi than đƣợc đựng hộp chổi than tỳ lên hai vành góp nhờ lò xo Hộp chổi than thay đổi đƣợc vị trí cho phù hợp 2.1.2 Phần quay 2.1.2.1 Lõi sắt phần ứng Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thƣờng đƣợc làm tôn Silic dầy 0,5mm có phủ lớp cách điện sau đƣợc ép lại để giảm tổn hao dòng điện xoáy Phucô gây Trên thép có dập rãnh để ép lại tạo thành rãnh đặt cuộn dây phần ứng vào Lõi sắt hình trụ tròn đƣợc ép cứng vào với trục tạo thành khối thống Hình 2.3: Lõi sắt phấn ứng ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 Trong máy điện công suất trung bình trở lên ngƣời ta thƣờng dập rãnh để ép lại tạo thành lỗ thông gió làm mát cuộn dây mạch từ 2.1.2.2 Dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng sinh suất điện động có dòng điện chạy qua Trong máy điện nhỏ dây quấn phần ứng có tiết diện tròn, với động có công suất vừa lớn tiết diện dây hình chữ nhật Khi đặt dây quấn phần ứng vào rãnh Rotor ngƣời ta phải dùng nêm, chèn lên bề mặt cuộn dây, nêm nằm rãnh đặt cạnh dây quấn để tránh cho dây không bị văng dây chịu lực điện từ tác động 2.1.2.3 Cổ góp Cổ góp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành chiều Cổ góp gồm nhiều phiến góp đồng ghép lại thành hình trụ tròn sau đƣợc ép chặt vào trục Các phiến góp đƣợc cách điện với mica đặt Đuôi phiến góp nhô cao để hàn đầu dây cuộn dây phần ứng, phiến góp có đuôi hàn đầu dây tạo thành cuộn dây phần ứng nối tiếp 2.1.2.4 Các phận khác - Cánh quạt: Cánh quạt dùng để làm mát động Cánh quạt đƣợc lắp trục động để hút gió từ qua khe hở nắp máy, động làm việc gió từ vào qua khe hở nắp máy, động làm việc gió hút vào làm nguội dây quấn, mạch từ - Trục máy: Trục máy đƣợc làm loại thép cứng nhiều cacbon Trên trục máy đặt lõi thép phần ứng cổ góp Hai đầu trục máy đƣợc gối lên vòng bi nắp máy 2.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều Để động hoạt động ta phải cấp nguồn cho cuộn dây kích từ để tạo từ trƣờng, cấp nguồn cho cuộn dây phần ứng đƣợc đƣa vào nhờ hai chổi than tì vào hai cổ góp phần ứng ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 Hình 2.4: phƣơng pháp đƣa điện vào cuộn dây phần ứng Đầu tiên ta cấp điện cho cuộn dây kích từ, cuộn cảm sinh ta từ trƣờng hƣớng từ cực bắc sang cực nam nhƣ hình vẽ Nếu nối hai chổi điện A, B vào nguồn điện chiều, dòng chiều chạy dẫn ab, cd Tác dụng từ trƣờng nam châm lên dẫn có dòng điện sinh lực điện từ Độ lớn lực điện từ đƣợc xác định theo công thức: F = B.l.i (2-1) B - cảm ứng từ trung bình khe hở, l - chiều dài dẫn nằm từ trƣờng, i - dòng điện chạy dẫn Chiều lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái (xem hình 2.5) Lực điện từ tác dụng lên dẫn vùng cực có chiều không đổi nên mômen lực điện từ sinh có chiều không đổi, làm cho khung dây quay theo chiều định Đó nguyên lý làm việc động điện chiều ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 Hình 2.5: Mô tả nguyên lý làm việc động chiều ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011  iq1  a' (netiq1 ) w qji  jq , cho q = Q, Q-1, , j - Bước (Lặp lại bƣớc học k ): Nếu k < p Thì k = k + trở bƣớc 1; Mặt khác, đến bƣớc - Bước (Kiểm tra tổng sai số): Nếu eE < Emax Thì kết thúc trình huấn luyện xuất trọng số cuối cùng; Mặt khác thiết lập E = 0, k = 1, khởi động chu kỳ huấn luyện cách lại bƣớc 4.4 Xây dựng thuật toán cho khảo sát đặc tính cơ: Cấu trúc mạng: Vì đặc tính hàm số n= f(M), theo mô hình đƣợc thiết kế khảo sát với đặc tính điện n= f(I), cấp vận tốc ta nhận đƣợc dòng điện tƣơng ứng Nên cấu trúc mạng mạng neuron truyền thẳng gồm lớp vào vận tốc, lớp dòng điện Theo thực nghiệm chọn số lớp ẩn không hội tụ, ngõ neuron không trùng ngõ mong muốn nhƣng chọn nhiều lớp ẩn việc huấn luyện lâu Do chọn mƣời lớp ẩn Mô hình cấu trúc mạng: h1 h2 Vận tốc x y Dòng điện h3 Lớp vào (1 tế bào) Đ Đ Đ ú ú ú n n n g g g Lớp (1 tế bào) h10 Lớp ẩn (10 tế bào) Hình 4.9: Cấu trúc mạng thuật toán khảo sát đặc tính ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 CHƢƠNG 5: 5.1 THI CÔNG Thi công phần cứng: 5.1.1 Thi công mạch động lực: Mô hình tổng thể đồ án Bao gồm phần tử: (1) Bảng tên đồ án (2) Động chiều (3) Mạch điều khiển (4) Hộp dây, nguồn (5) CB cấp nguồn (6) Động dùng để hãm Hình 5.1: Tổng thể mô hình ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 5.1.2 Thi công mạch điều khiển, hiển thị: 5.1.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển: Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển hiển thị 5.1.2.2 Mô tả chức khối:  Khối MCU (đơn vị điều khiển chính): Điều khiển chuyển đổi ADC, điều khiển hiển thị số liệu LCD, thực truyền liệu máy tính  Khối ADC (chuyển đổi tƣơng tự sang số): Thực chuyển đổi tín hiệu điện áp dòng điện từ tƣơng tự sang số để vi điều khiển xử lý, hiển thị cho máy tính làm việc  Khối MOTOR: Dùng để điều khiển động cơ, gồm cầu H IC cảm biến dòng điện ACS712  Khối Rs232: Thực truyền nhận tín hiệu mạch điều khiển máy tính ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011  Khối Power: Là khối nguồn cấp cho mạch điều khiển hoạt động  Khối Reset: Dùng để reset vi điều khiển 5.1.2.3 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển hiển thị: Hình 5.3: Sơ đồ mạch in mạch điều khiển hiển thị Hình 5.4: Sơ đồ xếp linh kiện mạch điều khiển hiển thị ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 5.2 Kết mô 5.2.1 Giới thiệu giao diện làm việc: Giao diện làm việc có tiêu đề khảo sát đặc tính cơ, gồm có thẻ: thẻ Control Panel thẻ Khảo sát  Thẻ Control Panel: hiển thị dòng điện vận tốc lúc lấy mẫu, có nút nhấn: RUN, SAVE, NEURON, READ, CLOSE với chức năng: o RUN/STOP: nút nhấn điều khiển động hoạt động dừng đồng thời bắt đầu việc lấy mẫu o SAVE: nút nhấn dùng để lƣu lại giá trị mẫu vừa lấy vào Excel o NEURON: nút nhấn điều khiển trình huấn luyện mạng o READ: đọc giá trị mẫu o CLOSE: thoát khỏi giao diện làm việc  Thẻ khảo sát: o Vận tốc (rpm): nhập giá trị vận tốc o Dòng điện (A): giá trị dòng điện giá trị vận tốc đƣợc nhập Hình 5.5: Giao diện làm việc ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 5.2.2 Khảo sát đặc tính cơ: 5.2.2.1 Thực lấy mẫu liệu: Hình 5.6: Giao diện bắt đầu lấy mẫu liệu Hình 5.7: Giao diện hoàn tất việc lấy mẫu ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 Khi nhấn nút động hoạt động có tín hiệu tốc độ dòng điện, nhờ mạch điều khiển truyền tín hiệu máy tính Matlab ghi lại thông số nhận Để việc huấn luyện mạng đƣợc thuận lợi xác ta nên lấy nhiều mẫu Sau lấy mẫu xong ta nhấn nút kết thúc trình lấy mẫu liệu 5.2.2.2 Lưu giá trị mẫu liệu: Sau lấy mẫu xong ta lƣu lại mẫu liệu vừa lấy đƣợc Nhấn nút liệu vừa lấy đƣợc nhập vào bảng Excel nhờ liên kết Matlab Excel Lƣu lại đặt tên để thuận tiện cho việc tìm kiếm bƣớc huấn luyện mạng Nhấn nút chọn đƣờng dẫn > đặt tên > save Hình 5.8: Lƣu giá trị mẫu liệu ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 5.2.2.3 Huấn luyện mạng Neuron: Sau có liệu thích hợp ta đến bƣớc huấn luyện mạng Nhấn nút > chọn tập tin liệu vừa lƣu (file Excel) > open Matlab bắt đầu huấn luyện mạng Hình 5.9: Giao diện liệu đƣợc huấn luyện ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 Sau huấn luyện xong tín hiệu ngõ neuron trùng với tín hiệu ngõ mong muốn Hình 5.10: Tín hiệu ngõ neuron trùng với tín hiệu ngõ 5.2.2.4 Khảo sát vận tốc dòng điện: Sau huấn luyện mạng xong ta nhập vận tốc vào thẻ Khảo sát giao diện làm việc ta đƣợc giá trị tƣơng ứng thực tế dòng điện qua động cần khảo sát ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 Hình 5.5: khảo sát giá trị vận tốc dòng điện Bảng giá trị khảo sát vận tốc dòng điện Vận tốc(rpm) Dòng điện(A) Vận tốc(rpm) Dòng điện(A) 900 5.7365 1500 3.0155 950 5.5099 1550 2.789 1000 5.2831 1600 2.5624 1050 5.0563 1650 2.3355 1100 4.8297 1700 2.1086 1150 4.6029 1750 1.8823 1200 4.376 1800 1.6539 1250 4.1492 1850 1.4258 1300 3.9226 1900 1.2073 1350 3.6959 1950 0.9997 1400 3.4691 2000 0.80006 1450 3.2422 … … ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 Kết việc khảo sát nhiều điểm từ bảng giá trị khảo sát: Hình 5.62: Khảo sát nhiều giá trị vận tốc dòng điện ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 MỤC LỤC CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1 Cấu tạo động điện chiều 2.1.1 Phần tĩnh 2.1.1.1 Cực từ 2.1.1.2 Cực từ phụ 2.1.1.3 Gông từ 2.1.1.4 Các phận khác 2.1.2 Phần quay 2.1.2.1 Lõi sắt phần ứng 2.1.2.2 Dây quấn phần ứng 2.1.2.3 Cổ góp 2.1.2.4 Các phận khác 2.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều CHƢƠNG 3: PHƢƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ 3.1 Động điện chiều kích từ độc lập song song 3.1.1 Phƣơng trình đặc tính 10 3.1.2 Ảnh hƣởng thông số với đặc tính 15 3.1.2.1 ảnh hƣởng điện trở phần ứng: 15 3.1.2.2 ảnh hƣởng điện áp phần ứng: 16 3.1.2.3 ảnh hƣởng từ thông: 17 3.2 Động điện chiều kích từ nối tiếp: 18 3.2.1 Sơ đồ nối dây đặc tính cơ: 18 3.2.2 Đặc tính vạn động chiều kích từ nối tiếp: 21 ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 CHƢƠNG 4: MẠNGNEURON 23 4.1 Giới thiệu chung mạng neuron: 23 4.1.1 Lịch sử phát triển 23 4.1.2 Ứng dụng 24 4.1.3 Mạng neuron sinh học 25 4.1.4 Mạng neuron nhân tạo 26 4.2 Các khái niệm mạng neuron: 28 4.2.1 Đơn vị xử lý 28 4.2.2 Hàm xử lý 29 4.2.2.1 Hàm kết hợp 29 4.2.2.2 Hàm kích hoạt (hàm truyền) 29 4.2.3 Các hình trạng mạng 30 4.2.3.1 Mạng truyền thẳng 30 4.2.3.2 Mạng hồi quy 31 4.2.4 Mạng học 31 4.2.4.1 Học có giám sát 32 4.2.4.2 Học tăng cƣờng 32 4.2.4.3 Học giám sát 33 4.2.5 4.3 Hàm mục tiêu 33 Mạng neuron truyền thẳng nhiều lớp thuật toán lan truyền ngƣợc: 33 4.3.1 Thiết kế cấu trúc mạng 33 4.3.1.1 Số lớp ẩn 34 4.3.1.2 Số đơn vị lớp ẩn 34 4.3.2 Mạng neuron truyền thẳng nhiều lớp thuật toán lan truyền ngƣợc 36 4.3.2.1 Các thông số học 41 4.3.2.2 Luật cập nhật 43 ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG 2011 4.3.2.3 Thuật toán huấn luyện 45 4.4 Xây dựng thuật toán cho khảo sát đặc tính cơ: 46 CHƢƠNG 5: THICÔNG 47 5.1 Thi công phần cứng: 47 5.1.1 Thi công mạch động lực: 47 5.1.2 Thi công mạch điều khiển, hiển thị: 48 5.1.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển: 48 5.1.2.2 Mô tả chức khối: 48 5.1.2.3 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển hiển thị: 49 5.2 Kết mô : 50 5.2.1 Giới thiệu giao diện làm việc: 50 5.2.2 Khảo sát đặc tính cơ: 51 5.2.2.1 Thực lấy mẫu liệu: 51 5.2.2.2 Lƣu giá trị mẫu liệu: 52 5.2.2.3 Huấn luyện mạng Neuron: 53 5.2.2.4 Khảo sát vận tốc dòng điện: 54