Mô hình hóa Mô phỏng Điều khiển động cơ điện một chiều kích từ song song

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG 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 Song Song Giáo viên hướng dẫn: ThS LÊ NGỌC DUY Sinh viên: Nguyễn Đức Thụy 2018603596 Lê Bá Toàn Đặng Văn Trà Lớp: Cơ điện tử 2018602028 2018602320 Khóa: 13 Hà Nội - 2020 Ghi : TL, BTL, ĐA/DA (Tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án) PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: Cơ điện tử Khóa: k13 Tên nhóm: nhóm Họ tên thành viên: Nguyễn Đức Thụy 2018603596 Lê Bá Toàn 2018602028 Đặng Văn Trà 2018602320 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 Lê Ngọc Duy Mục lục CHƯƠNG :Giới thiệu tổng quan 1.1 Tổng quan động điện chiều kích từ song song 1.1.1 Động chiều gì? 1.1.2 Cấu tạo động điện chiều 1.1.3 Nguyên lí hoạt động .9 1.1.4 Đảo chiều động 11 1.1.5 Các ứng dụng động điện chiều kích từ song song 12 1.2 Hệ thống điều khiển động điện chiều 12 1.2.1 Bộ điều khiển động điện chiều ? .12 1.2.2 Phương pháp điều khiển động điện chiều .12 CHƯƠNG :Phương trình mơ tả động điện chiều kích từ song song 15 CHƯƠNG :xây dựng biểu đồ bond graph mô tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều 18 CHƯƠNG :mô đánh giá đặc tính góc quay động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng phần mềm 20-sim 21 Danh mục hình ảnh Hình 1-1:Cực từ động điện chiều Hình 1-2: Phần ứng (rotor) Hình 1-3: cấu tạo cổ góp Hình 1-4: nguyên lý hoạt động 10 Hình 1-5: đảo chiều động 11 Hình 1-6: cấu tạo động 13 Hình 1-7: động chiều 13 Hình 2-1: sơ đồ mạch kích từ song song 15 Hình 3-1: điểm có điện khác 18 Hình 3-2: đặt junction vị trí A,B,C,D 18 Hình 3-3: Chèn phần tử vào Bond Graph 19 Hình 3-4:Gán chiều cơng suất tới tất đường liên kết sơ đồ 19 Hình 3-5:Bond Graph rút gọn 20 Hình 3-6: bond graph tối giản 20 Hình 4-1:Biểu đồ Bond graph phần mềm 20 -sim 21 Hình 4-2:Biểu đồ dịng điện kích từ dòng điện phần ứng theo thời gian 22 Hình 4-3: Biểu đồ Momen theo thời gian 22 Hình 4-4:Biểu đồ Momen xoắn tốc độ quay động theo thời gian 23 Danh mục bảng biểu bảng 4-1: giá trị thành phần 21 LỜI NÓI ĐẦU Động điện chiều đời từ lâu với phát triển trình độ khoa học kỹ thuật, ưu điểm chúng ngày tận dụng cách triệt để, tinh vi sáng tạo Để động điện chiều hoạt động theo yêu cầu công nghệ, ta cần nhiều yếu tố công nghệ chế tạo, người vận hành Ngày động điện chiều tạo điện máy phát điện, sử dụng điện motor điện bơm nước, motor quạt máy,… Vậy định nghĩa máy điện chiều gì, phân loại, công dụng, cấu tạo máy điện chiều nào? Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, chúng em giao tập lớn mơn học mơ hình hóa mơ hệ thống điện tử với đề tài: " tìm hiểu, xây dựng mô hệ thống diều khiển động điện chiều kích từ song song " Với cố gắng thân nói riêng nhóm nói chung với hướng dẫn thầy cô giáo môn đặc biệt thầy Lê Ngọc Duy trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án Đồ án gồm bốn phần sau: - Giới thiệu tổng quan ứng dụng động chiều kích từ song song 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 Do lần đầu làm báo cáo tập lớn mơ hình hóa mơ hệ thống điện tử chưa có kinh nghiệm nên em khơng tránh khỏi sai sót, mong thầy giúp đỡ, hướng dẫn , bảo để tập lớn em hoàn thiện Cuối em xin chân thành cảm ơn ! Bài số 5: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động điện chiều kích từ song song 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 thơng số động sau: - Điện cảm phần ứng L: 17.5 H - Điện trở phần ứng R: 0.6 - Điện trở mạch kích từ: 0.4 - Điện cảm kích từ L: 80 - Hệ số cản b = 6.6 H Nms/rad - Momen quán tính J= 0.166 - Hệ số momen K= 1.53 Hình Hình Yêu cầu: - Giới thiệu tổng quan ứng dụng động chiều kích từ song song 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 :Giới thiệu tổng quan 1.1 Tổng quan động điện chiều kích từ song song 1.1.1 Động chiều gì? 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 1.1.2 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều cấu tạo gồm hai thành phần chính: phần cảm (stator), phần ứng (roto) Phần cảm (stator) Phần cảm phần tạo từ trường tỉnh động gồm có phần sau : - Cực từ : Là phận sinh từ trường , gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng lõi sắt cực từ + Lõi sắt kịch từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép lại tán chặt + Dây quấn kích từ : quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối và tẩm sơn cách điện trước đặt cực từ Hình :Giới thiệu tổng quan-1:Cực từ động điện chiều - Cực từ phụ : đặt cực dùng để cải thiện đổi chiều , lơi thép thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn giống cực từ Gơng từ : dùng để làm mạch từ nối liền cực từ đồng thời làm vỏ máy - Chổi than : Cacbon tiếp xúc với cổ góp để đưa dịng điện từ nguồn chiều vào rôto Chổi than đặt trung tính hình học động Phần ứng ( rotor ) : Phần ứng phần cho dịng điện chiều chạy , tương tác dịng điện I từ thơng sinh mộmcn quay Nó gồm ba phần : Lơi thép : thép kĩ thuật điện ( Fe - Si ) mòng ghép lại với , có xẻ rãnh để đặt bối dây Hình :Giới thiệu tổng quan-2: Phần ứng (rotor) - Dây quấn phần ứng : phần sinh sức điện động có dịng điện chạy qua , gồm ba phần chính: - Lõi thép : thép kĩ thuật điện ( Fe - Si ) mỏng ghép lại với , có xẻ rãnh để đặt bối dây - Dây quấn phần ứng phần sinh sức điện động có dịng điện chạy qua , cấu tạo gồm dây đồng tròn ghép thành phần tử ( bối dây ) , bối dây ghép theo kiểu dây quấn xếp đơn hay dây quấn phức tạp tuỷ yêu cầu mômen lớn hay nhỏ - Cổ ghóp : gồm phiến góp cách điện với , phiến góp nối với đầu mút bối dây để đưa dòng điện vào phần ứng , Ngồi cịn có phận khác gồm cánh quạt dùng để làm ngội máy , trục máy Tùy theo phương pháp kích từ người ta chia động chiều thành dạng kích từ nối tiếp , kích từ song song , kích từ hỗn hợp , kích từ độc lập Hình :Giới thiệu tổng quan-3: cấu tạo cổ góp * 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 khơng cao 1.1.3 Ngun lí hoạt động Động điện chiều hoạt động chủ yếu dựa vào định luật cảm ứng điện từ faraday Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh lõi sắt non , cạnh phía bên cực dương bị tác động lực hướng lên , cạnh đối diện lại bị tác động lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái Fleming Các lực gây tác động quay lên cuộn dây , làm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục chiều , cổ góp điện làm chuyển mạch dịng điện sau vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề mặt cuộn dây song song với đường sức từ trường Nghĩa lực quay động khí cuộn dây lệch 90 ° so với phương ban đầu , rotor quay theo quán tính Nếu trục động điện chiều kéo lực , động hoạt động máy phát điện chiều , tạo sức điện động cảm ứng Khi vận hành bình thường , rotor quay phát điện áp gọi sức phản điện động sức điện động đối kháng , đối kháng lại điện áp bên đặt vào động Sức điện động tương tự sức điện động phát động sử dụng máy phát điện Hình :Giới thiệu tổng quan-4: nguyên lý hoạt động  Pha 1: Từ trường rotor cực với stator, đẩy tạo chuyển động quay rotor  Pha 2: Rotor tiếp tục quay  Pha 3: Bộ phận chỉnh điện đổi cực cho từ trường stator rotor dấu, trở lại pha * Nguyên tắc hoạt động động điện chiều kích từ Khi đặt lên dây quấn kích từ điện áp Ukt đó, dây quấn kích từ xuất dịng điện kích từ Ikt Dịng kích từ sinh từ thông chạy mạch từ động Nếu ta đặt lên mạch phần ứng động điện áp U thông qua hệ thống chổi than cổ góp dây quấn phần cứng có dịng điện I chạy qua Tương tác dịng điện phần ứng I từ thơng kích từ sản sinh momen điện từ Giá trị momen điện từ tính sau: Với K hệ số kết cấu động Momen điện từ kéo phân ứng động quay quanh trục Trong máy điện chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối nhiều phiến góp khác cổ góp Nhờ dịng điện lực quay liên tục không bị thay đổi theo vị trí khác roto 1.1.4 Đảo chiều động Khi ta cấp điện dương vào cực động cấp điện âm vào cực cịn lại động quay theo chiều cố định ta cấp điện ngược lại đảo chiều dương âm động quay theo chiều ngược lại Cụ thể để đảo chiều quay động điện chiều ta có cách sau: Đảo chiều từ thông biết từ đảo chiều dòng điện cảm dễ thực với động kích từ độc lập va song song mạch tư cơng suất nhỏ Đảo chiều dịng điện phần ứng Hình :Giới thiệu tổng quan-5: đảo chiều động 1.1.5 Các ứng dụng động điện chiều kích từ song song Ứng dụng động điện chiều đa dạng lĩnh vực đàn sống tay , 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  Động chiều dùng nhiều máy công cụ lớn , yêu cầu tốc độ số vòng quay cao  Động chiều thường thấy ứng dụng đồ chơi , xe mơ hình , động sử dụng pin để hoạt động động chiều  Như động chiều ứng dụng hầu hết thiết bị : ổ đĩa máy photocopy 1.2 Hệ thống điều khiển động điện chiều 1.2.1 Bộ điều khiển động điện chiều ? Bộ điều khiển động chiều thiết bị nhóm thiết bị phục vụ để điều chỉnh cách xác định trước hiệu suất động chiều Bộ điều khiển động chiều bao gồm phương tiện thủ công tự động để khởi động dừng động cơ, chọn chuyển tiếp quay ngược, chọn điều chiỉnh tốc độ, điều chỉnh giới hạn momen xoắn, bảo vệ chống tải lỗi 1.2.2 Phương pháp điều khiển động điện chiều Điều khiển tốc độ động điện chiều cách sử dụng điện trở Đây xem phương pháp đơn giản nhất, cần mắc nối tiếp điện trở vào phần ứng, độ dốc đường đặc tính giảm, số vòng quay giảm tốc độ chậm tương ứng Điều khiển tốc độ động điện chiều cách điều khiển từ thông Điều chỉnh từ thơng hay cịn gọi điều chỉnh momen điện từ sức điện động động Khi từ thơng giảm tốc độ quay động tăng lên Tuy nhiên, thực tế, phương pháp sử dụng khó để thực Hình :Giới thiệu tổng quan-6: cấu tạo động Điều khiển tốc độ động điện chiều cách điều khiển điện áp phần ứng Chúng ta lựa chọn điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng động điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động Khi thay đổi điện áp phần ứng tốc độ quay động thay đổi tương ứng Hình :Giới thiệu tổng quan-7: động chiều Phương pháp điều khiển động chiều không phức tạp Chỉ cần tuân thủ nguyên tắc hoạt động trang bị số kiến thức, kỹ định bạn hồn tồn điều khiển loại động cách nhanh chóng hiệu Thông số cần quan tâm điều khiển động chiều - Kích thước - Nguồn cấp -Kiểu điều khiển: điều khiển vô cấp tốc độ mô men động cơ, mơ men tồn phần tốc độ không … - Điện áp điều khiển động - Sai lệch tĩnh, ví dụ: < 1% trường hợp,… - Khả giới hạn dòng điện điện áp điều chỉnh - Dải công suất - Ngồi có số khác như: bảo vệ pha điện áp lưới, bảo vệ kích từ động cơ, gia tốc tăng giảm điều chỉnh được, khả chống tải, kết cấu gọn nhẹ, tuổi thọ,… CHƯƠNG :Phương trình mơ tả động điện chiều kích từ song song Hình :Phương trình mơ tả động điện chiều kích từ song song-8: sơ đồ mạch kích từ song song Khi đặt lên dây quấn kích từ điện áp dây quấn kích từ có dịng điện mạch từ máy có từ thơng Ф Tiếp đặt giá trị điện áp Uư lên mạch phần ứng dây quấn phần ứng có dòng điện Iư chạy qua, tương tác dòng điện phần ứng từ thơng kích từ tạo thành mơmen điện từ Vậy ta có phương trình động chiều - Phương trình cân điện áp phần ứng: Uư = Eư + Iư (Rư + Rf) Sức điện động phần ứng Eư tính theo biểu thức: Eư = k.Φ.ω Phương trình cân mô men động cơ: M(t) – MC(t) = J Trong đó: Rư: Là điện trở cuộn dây phần ứng Eư: Là sức điện động phần ứng động Rf: Là điện trở phụ Iư: Là dòng phần ứng K: Là hệ số cấu tạo máy điện M: Là mô men động Uư: Là điện áp đặt vào phần ứng động ω: Là tốc độ góc động Φ: Là từ thông động Chuyển phương trình sang dạng tốn tử Laplace: U(p) = Rư.I(p) + Lư.I(p).p + E(p) M(p) - MC(p) = J(p) ω (p).p E(p) = K ω (p) M(p) = k.Φ.I(p) Áp dụng định luật II Niuton cho phần ta có phương trình: (2.1) Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có: ) (2.2) Biến đổi Laplace: (2.3) (2.4) Từ phương trình (3) ta có: (2.5) Thế (5) vào (4) biến đổi ta được: (2.6) Vì hàm bậc suy giảm nhanh dạng hàm bậc nên ta coi hàm truyền hệ (2.7) Xây dựng phương trình khơng gian trạng thái: Ta chọn tốc độ quay dịng điện biến trạng thái Điện áp đầu vào, đầu tốc độ quay Từ phương trình (1) (2) ta có: =- + I (2.8) =- - i+ (2.9) Vậy ta có phương trình khơng gian trạng thái = = + v (2.10) (2.11) CHƯƠNG :xây dựng biểu đồ bond graph mô tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều Hình :xây dựng biểu đồ bond graph mô tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều-9: điểm có điện khác Ta nhận thấy có vị trí có điện khác A, B,C,D Bước 1: Mỗi vị trí mạch có điện khác đặt Junction vị trí A, B , C, D Hình :xây dựng biểu đồ bond graph mô tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều-10: đặt junction vị trí A,B,C,D Bước 2: Chèn phần tử cổng cách kết nối với Junction liên kết chèn Junction có liên quan phần tử: + Nguồn cấp: Se + Điện trở phần ứng: R1 + Điện cảm phần ứng: I1 + Điện trở mạch kích từ:R + Điện cảm kích từ L:I + Hệ số cản b:R2 + Momen quán tính J:I2 +MGY: sử dụng liên kết bên phần tử điện bên lại phần tử khí Hình :xây dựng biểu đồ bond graph mơ tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều-11: Chèn phần tử vào Bond Graph Bước 3: Gán chiều công suất tới tất đường liên kết sơ đồ Hình :xây dựng biểu đồ bond graph mô tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều-12:Gán chiều công suất tới tất đường liên kết sơ đồ Bước 4: Nếu vị trí đất xác định xố bỏ Junction đường liên kết với Hình :xây dựng biểu đồ bond graph mơ tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều-13:Bond Graph rút gọn Bước 5: Tối giản hoá sơ đồ thêm quan hệ nhân quả: Hình :xây dựng biểu đồ bond graph mơ tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều-14: bond graph tối giản CHƯƠNG :mơ đánh giá đặc tính góc quay động điện chiều hệ thống điều khiển động điện 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 Hình :mơ đánh giá đặc tính góc quay động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng phần mềm 20-sim-15:Bi ểu đồ Bond graph phần mềm 20 -sim Thêm giá trị thành phần vào bảng để vẽ biểu đồ: bảng :mơ đánh giá đặc tính góc quay động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng phần mềm 20-sim-1: giá trị thành phần Ta vẽ biểu đồ dịng điện kích từ dịng điện phần ứng theo thời gian 20- sim Hình :mơ đánh giá đặc tính góc quay động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng phần mềm 20-sim-16:Bi ểu đồ dịng điện kích từ dịng điện phần ứng theo thời gian Biểu đồ cho ta thấy biến thiên cường độ dòng điện phần ứng dịng điện kích từ qua thời gian dịng điện kích từ nhỏ điện trở phần kích từ cao Hình :mơ đánh giá đặc tính góc quay động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng phần mềm 20-sim-17: Biểu đồ Momen theo thời gian Cho thấy biến thiên momen theo thời gian tổng lượng momen xoắn sử dụng để truyền tải ,momen dẫn động quán tính động , momen cản Hình :mơ đánh giá đặc tính góc quay động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng phần mềm 20-sim-18:Bi ểu đồ Momen xoắn tốc độ quay động theo thời gian Cho thấy tỷ lệ nghịch momen tốc độ quay động theo thời gian momen cao tốc độ nhỏ, momen ổn định giảm tốc độ quay động tăng  ... tả động điện chiều kích từ song song Hình :Phương trình mơ tả động điện chiều kích từ song song-8: sơ đồ mạch kích từ song song Khi đặt lên dây quấn kích từ điện áp dây quấn kích từ có dịng điện. .. ứng dụng động điện chiều kích từ song song 12 1.2 Hệ thống điều khiển động điện chiều 12 1.2.1 Bộ điều khiển động điện chiều ? .12 1.2.2 Phương pháp điều khiển động điện chiều ... biểu đồ bond graph mô tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều Hình :xây dựng biểu đồ bond graph mô tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều- 9: điểm có điện khác Ta nhận