Mô Hình hóa mô phỏng Điều khiển động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Ghi : TL, BTL, ĐA/DA (Tiểu luận, tập lớn, đồ BỘ CÔNG THƯƠNG án/dự án) TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - BÁO CÁO TL, BTL, ĐA/DA THUỘC HỌC PHẦN: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU: Động Cơ Điện Một Chiều Kích Từ Nối Tiếp Giáo viên hướng dẫn: ThS LÊ NGỌC DUY Sinh viên: Phạm Quang Trà 201860786 Nguyễn Văn Tú Đỗ Hữu Tuấn 2018604047 2018604775 Lớp: Cơ điện tử Hà Nội - 2020 Khóa: 13 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: Cơ điện tử 2 Tên nhóm: nhóm Khóa: k13 Họ tên thành viên: Phạm Quang Trà Nguyễn Văn Tú Đỗ Hữu Tuấn 201860786 2018604047 2018604775 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống điều khiển động điện chiều Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Tổng quan hệ thống - Nội dung 2: Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả động điện chiều (L1.1; L1.2) - Nội dung 3: Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều - Nội dung 4: Mô đánh giá đặc tính góc quay động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng phần mềm 20-sim Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch mơ hình sản phẩm (Nếu có) III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành đồ án theo thời gian quy định (từ ngày …/…/… đến ngày …/…/….) Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề giao trước hội đồng đánh giá IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: Giáo trình mơn học Cảm biến hệ thống đo, vi điều khiển Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính, linh kiện dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ThS Lê Ngọc Duy MỤC LỤC Chương I LỜI NÓI ĐẦU Chương II tổng quan động điện chiều 1.2 khái niệm 2.2 Cấu tạo phân loại động điện chiều 3.2 Nguyên tắc hoạt động động điện chiều 4.2 Ưu, nhược điểm ứng dụng động điện chiều Chương III động điện chiều kích từ nối tiếp 10 1.3 cấu tạo động điện chiều kích từ nối tiếp 10 Chương IV Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả động điện chiều .11 Chương V Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều 12 Chương VI.Mô đánh giá đặc tính góc quay động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng phần mềm 20-sim 13 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Cấu tạo động điện chiều Hình 2: Nguyên tắc hoạt động động chiều Hình 3: Sơ đồ nối dây Hình 4:Cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động điện chiều kích từ nối tiếp .10 Hình 5: Biểu đồ Bond Graph mơ tả điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều 12 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: biểu đồ Bond graph phần mềm 20 -sim 13 Bảng 2: Bảng giá trị 14 Bảng 3: Biểu đồ dòng điện kích từ dịng điện phần ứng theo thời gian 14 Bảng 4: Biểu đồ Momen xoắn tải theo thời gian 15 Bảng 5: Biểu đồ Momen xoắn tốc độ quay động theo thời gian .15 CHƯƠNG I LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, khoa học kỹ thuật phát triển ngày mạnh mẽ tất lĩnh vực đời sống xản xuất Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào hoạt động sản xuất đòi hỏi người phải không ngừng học hỏi nâng cao trình độ hiểu biết để kịp thời cập nhật tiến giới Chính vậy, phát triển ngành điện tử có ý nghĩa quan trọng sản phẩm ngành phục vụ tất ngành khác kinh tế như: phục vụ lĩnh vực tự động hóa, kỹ thuật robot, chế tạo, điều khiển cảm ứng, … Trong đề tài đồ án môn “ xây dựng hệ thống điều khiển động điện chiều” này, nhóm sinh viên chúng em xin trình bày cách cụ thể trình nghiên cứu tìm hiểu tính tốn, thiết kế mơ hình Thơng qua áp dụng vào nghiên cứu khoa học hay vào đồ án tốt nghiệp chuyên ngành trường Để báo cáo hoàn thiện hơn, nhóm chúng em hi vọng nhận góp ý từ phía thầy Qua đây, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô Khoa Cơ khí nói chung thầy mơn Cơ điện tử nói riêng nhiệt tình hướng dẫn đồ án môn cho chúng em Hà Nội, ngày … tháng … năm 2020 Bài số 6: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động điện chiều kích từ nối tiếp hình Và mạch động điện chiều hình Trong đó: R tín hiệu đặt tốc độ; góc quay động cơ; u tín hiệu điều khiển động Các thông số động sau: - Điện cảm phần ứng L: 10 H - Điện trở phần ứng R: 1.75 - Điện trở mạch kích từ: - Điện cảm kích từ L: 10 H - Hệ số cản b = 6.6Nms/rad - Momen quán tính J= 0.006 - Hệ số momen K= 1.53 Hình Hình Yêu cầu: - Giới thiệu tổng quan ứng dụng động chiều kích từ nối tiếp hệ thống điều khiển động điện chiều - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả động điện chiều - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều - Mô đánh giá đặc tính góc quay động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng phần mềm 20-sim CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU II.1 khái niệm Động chiều DC (DC từ viết tắt Direct Current Motors) động điều khiển dịng có hướng xác định hay nói cách khác loại động chạy nguồn điện áp DC - điện áp chiều II.2 Cấu tạo phân loại động điện chiều Cấu tạo động điện chiều thường gồm phận sau:  Stator: hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu nam châm điện  Rotor: phần lõi quấn cuộn dây để tạo thành nam châm điện  Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc tiếp điện cho cổ góp  Cổ góp (commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc chia nhỏ nguồn điện cho cuộn dây rotor Số lượng điểm tiếp xúc tương ứng với số cuộn dây rotor Hình 1: Cấu tạo động điện chiều -Phân loại động điện chiều Căn vào phương pháp kích từ, chia động điện chiều thành dịng sau:  Động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu  Động điện chiều kích từ độc lập  Động điện chiều kích từ nối tiếp  Động điện chiều kích từ song song  Động điện chiều kích từ hỗn hợp bao gồm cuộn dây kích từ, cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn mắc song song với phần ứng II.3 Nguyên tắc hoạt động động điện chiều Stato động điện chiều thường nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện, rotor gồm có cuộn dây quấn kết nối với nguồn điện chiều Một phần quan trọng khác động điện chiều phận chỉnh lưu, phận làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện chuyển động quay rotor Hình 2: Nguyên tắc hoạt động động chiều liên tục Thông thường, phận có thành phần: cổ góp chổi than tiếp xúc với cổ góp Nguyên tắc hoạt động động điện chiều Nếu trục động điện chiều kéo lực ngồi động hoạt động máy phát điện chiều, tạo xuất điện động cảm ứng Electromotive force Khi vận hành chế độ bình thường, rotor quay phát điện áp gọi sức phản điện động counter-EMF sức điện động đối kháng, đối kháng lại với điện áp bên ngồi đặt vào động Sức điện động tương tự sức điện động phát động sử dụng máy phát điện Như điện áp đặt động bao gồm thành phần: sức phản điện động điện áp giáng tạo điện trở nội cuộn dây phản ứng Dòng điện chạy qua động tính theo cơng thức sau: I=(Vnguon-Vphandiendong)/Rphanung Cơng suất mà động đưa tính bằng: P=I*Vphandiendong II.4 Ưu, nhược điểm ứng dụng động điện chiều -Ưu điểm động điện chiều:  Ưu điểm bật động điện chiều có moment mở máy lớn, kéo tải nặng khởi động  Khả điều chỉnh tốc độ tải tốt  Tiết kiệm điện  Bền bỉ, tuổi thọ lớn -Nhược điểm động điện chiều  Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền hay hư hỏng trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cẩn thận, thường xuyên  Tia lửa điện phát sinh cổ góp chổi than gây nguy hiểm, điều kiện môi trường dễ cháy nổ  Giá thành đắt mà công suất không cao -Ứng dụng động điện chiều đa dạng lĩnh vực đời sống: tivi, máy công nghiệp, đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt công nghiệp giao thông vận tải, thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi lớn CHƯƠNG III III.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP cấu tạo động điện chiều kích từ nối tiếp Động điện chiều kích từ nối tiếp (ĐMnt): nguồn chiều cấp chung cho phần ứng nối tiếp với kích từ Hình 3: Sơ đồ nối dây Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy dịng kích từ dịng phần ứng, nên từ thông động phụ thuộc vào dịng phần ứng phụ tải động Có thể viết phương trình cân điện áp mạch phần ứng sau: U =Uư +Uktnt +E = Iư.Rư +Ikt.Rkt+E (Iư = Ikt =I E=kφω) => U=I.( Rư + Rkt ) + kφω Đặc tính điện động điện chiều kích từ nối tiếp có dạng đường hypebol mềm Tuy nhiên, thực tế quan hệ phi tuyến nên việc viết phương trình vẽ đặc tính đơng điện chiều kích từ nối tiếp khó khăn Vì nhà chế tạo động thường cho trước đường cong thực nghiệm Các phương pháp điều khiển tốc độ động điện chiều Ta có phương trình tốc độ quay động điện chiều Từ phương trình muốn thay đổi tốc độ quay động điện chiều có phương pháp: - Điều chỉnh R phần ứng cách mắc nối tiếp điện trở R* - Điều chỉnh từ thông Ø - Điều chỉnh điện áp U phần ứng 1.Điều chỉnh R phần ứng cách mắc nối tiếp điện trở R* Khi mắc nối tiếp điện trở phụ R* vào phần ứng từ công thức ta thấy tốc độ quay đông điện chiều tăng lên , mắc thêm R* tổn hao tăng lên , khơng kinh tế => Phương pháp sử dụng 2.Điều chỉnh từ thông Ø Khi từ thông giảm tốc độ quay động chiều tăng lên phạm vi giới hạn Nhưng từ thơng thay đổi Momen , dịng điện thay đổi theo nên khó tính tốn xác dịng động Momen tải => Phương pháp sử dụng 3.Điều khiển điện áp phần ứng Uư Thực tế có phương pháp điều khiển động điện chiều điện áp: - Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng động - Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động Khi điện áp Uư cấp vào phần ứng tăng tốc độ quay động điện chiều tăng theo, phương pháp điều khiển triệt để sử dụng phổ biến để điều khiển tốc độ động DC CHƯƠNG IV SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ ĐỂ VIẾT PHƯƠNG TRÌNH MƠ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Hình 4:Cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động điện chiều kích từ nối tiếp Áp dụng định luật II Niuton cho phần ta có phương trình: J + b = Ki (1) Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có: L + Ri = V - K ( E = k ) (2) Biến đổi Laplace: s.(J.s +b) = K.I(s) (3) (L.s+R).I(s) = V - Ks (4) Từ phương trình (3) ta có: I(s) = (5) Thế (5) vào (4) biến đổi ta được: (6) Vì hàm bậc suy giảm nhanh dạng hàm bậc nên ta coi hàm truyền hệ (7) Xây dựng phương trình khơng gian trạng thái: Ta chọn tốc độ quay dòng điện biến trạng thái Điện áp đầu vào, đầu tốc độ quay Từ phương trình (1) (2) ta có: =- +.I (8) =-.-i+ (9) Vậy ta có phương trình khơng gian trạng thái = +v (10) = (11) CHƯƠNG V XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Hình 5: Biểu đồ Bond Graph mơ tả điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều Biểu đồ Bond Graph có hai phía Một bên phần tử điện bao gồm điện áp đặt vào, điện trở phần ứng (R1) điện cảm phần ứng (I1) , điện trở kích từ (R) điện cảm kích từ (I1) Bên cịn lại chứa thành phần quán tính (I2) độ cản quay (I2) Ta thấy mạch có chỗ có điện áp khác nên ta đặt Junction Ta có, mạch kích từ nối tiếp với mạch phần ứng động điện chiều đặt điện áp V Vì vậy, ta có phần tử nguồn e (sourse effort) – Se kết nối với Junction Sau đó, Se chia sẻ dịng (flow) tới hai thành phần L (Điện cảm phần kích từ I ) (Điện trở phần kích từ R) Do đó, liên kết (Junction 1) dùng để kết nối hai thành phần với nguồn e Tiếp theo ta thấy mạch phần ứng kết nối với phần kích từ liên kết với thành phần điện trở phần ứng R1 điện cảm phần ứng I2 thông qua Junction 1.Thêm vào đó, phần tử MGY ( Modulated Gyrator Element) sử dụng liên kết bên phần tử điện bên lại phần tử khí Phần tử MGY mơ tả mối quan hệ tốc độ góc động (wm) với suất điệnđộng (vm) (mechanical flow and electrical effort) dịng điện (im) với mơmen quay (Tm) (electrical flow and mechanical effort) Bên phía khí, tải bên bao gồm quán tính I2 độ cản quay R2 Do đó, hai thành phần liên kết với MGY thông qua liên kết (Junction 1) CHƯƠNG VI MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH GÓC QUAY CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG PHẦN MỀM 20-SIM Mô đánh giá đặc tính góc quay động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng phần mềm 20-sim.Ta vẽ biểu đồ Bond graph phần mềm 20 -sim Bảng 1: biểu đồ Bond graph phần mềm 20 -sim Thêm giá trị thành phần vào bảng để vẽ biểu đồ: Bảng 2: Bảng giá trị Ta vẽ biểu đồ dịng điện kích từ dịng điện phần ứng theo thời gian 20- sim Bảng 3: Biểu đồ dịng điện kích từ dịng điện phần ứng theo thời gian -Dịng điện phần ứng phần kích từ mạch mắc phần kích từ phần ứng nối tiếp Momen xoắn tải theo thời gian: Bảng 4: Biểu đồ Momen xoắn tải theo thời gian Ta thấy mômen xoắn lúc đầu lớn sau giảm dần theo thời gian, momen xoắn giảm dòng điện mạch giảm Momen xoắn tốc độ quay động theo thời gian: Bảng 5: Biểu đồ Momen xoắn tốc độ quay động theo thời gian - Một số đặc điểm điển hình động chiều kích từ nối tiếp chúng thay đổi tốc độ đáng kể điều kiện tải thay đổi Ngồi mơmen khởi động cao Các ứng dụng điển hình loại động máy tời kéo, tàu điện, băng tải, thang máy, ô tô điện, v.v Động chiều kích từ nối tiếp khơng khởi động mà khơng có tải tốc độ cao  ... điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi lớn CHƯƠNG III III.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP cấu tạo động điện chiều kích từ nối tiếp Động điện chiều kích từ nối tiếp (ĐMnt): nguồn chiều. .. GRAPH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Hình 5: Biểu đồ Bond Graph mô tả điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều Biểu đồ Bond Graph có hai phía Một. .. điện chiều -Phân loại động điện chiều Căn vào phương pháp kích từ, chia động điện chiều thành dịng sau:  Động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu  Động điện chiều kích từ độc lập  Động điện chiều