Bài tập lớn mô hình hóa và mô phỏng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Xuân Thuận Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Trường.

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân Thuận

Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Văn Trường – 2018601263

Vũ Công Tuyền – 2018600418

Đoàn Duy Toàn ̶ 2018600565

Hà Nội -2020

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM

I Thông tin chung

1 Tên lớp: Cơ điện tử 1 Khóa: K13

2 Tên nhóm: Nhóm 5

Họ và tên thành viên: Vũ Công Tuyền – 2018600418

Nguyễn Văn Trường – 2018601263 Đoàn Duy Toàn – 2018600565

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động cơ điện một

chiều kích từ song song như hình 1 Và mạch động cơ điện một chiều như hình 2 Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ; 𝜃 là góc quay của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ Các thông số của động cơ như sau:

Hình 2

2 Yêu cầu:

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều kích từ song song và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết chương trình mô tả động

cơ điện một chiều

- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

- Mô 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

3 Hoạt động của sinh viên

- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống (L1.1)

- Nội dung 2: Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống (L1.1; L1.2)

- Nội dung 3: Viết báo cáo

4 Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch.

KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Nguyễn Anh Tú TS Nguyễn Xuân Thuận

LỜI NÓI ĐẦU

Đối với kỹ sư điều khiển – tự động hóa nói riêng và những người nghiên cứu khoa học – kỹ thuật nói chung, mô hình hóa, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo sát các đối tượng hệ thống hay quá trình kỹ thuật – vật lý, mà không nhất thiết phải có đối tượng hay hệ thống thực Được trang bị một công cụ mô phỏng và

có hiểu biết về các phương pháp mô hình hóa, người kỹ sư sẽ có khả năng rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghuên cứu – phát triển sản phẩm một cách đáng kể Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị kỹ thuật phức tạp với giá trị kinh tế lớn

Động cơ điện một chiều ngày nay vẫn đang được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp bởi những tính năng mà nó mang lại như: không cần nguồn xoay chiều, thực hiện việc thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng,… Chính vì những lý

do đó mà chúng em đã chọn đề tài về động cơ một chiều kích từ song song làm đối tượng để mô phỏng của mình

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Tổng quan về động cơ một chiều

1.1.1 Cấu tạo phân loại động cơ điện một chiều

a Khái niệm động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều là máy điện được dùng để biến đổi năng lượng điện một chiều thành cơ năng Động cơ điện một chiều bao gồm: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập, song song, nối tiếp, hỗn hợp

b Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần động Ngoài ra còn có bộ phận chổi than, cổ góp

− Phần tĩnh hay stator hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường nó gồm có các cực từ chính và cực từ phụ Dây quấn cực từ chính được đặt trên các cực từ chính và được nối nối tiếp với nhau Dây quấn cực từ phụ được đặt trên các cực từ phụ, nó tạo ra từ trường phụ:

o Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau

o Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn

kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích

từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau

o Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính Lõi thép của cực từ

phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông

o Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ

máy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

− Phần động hay rotor gồm lõi thép, dây quấn phần ứng cổ góp và trục máy

o Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0.5 mm,

phủ sơn cách điện ghép lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Trên các lá thép được dập các lỗ thông gió và các rãnh để đặt dây quấn phần ứng Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rotor Dùng giá rotor có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhự trọng lượng rotor

o Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động

và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường là bằng dây đồng có bọc cách điện Truong máy điện nhỏ có công suất dưới vài KW thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa và lướn thường dùng dây tiết diện chữ nhật, dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm,

ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit

o Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng được mạ cách điện với nhau bằng lớp

mica dày từ 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần từ dây quấn và các phiến góp được dễ dàng

− Các bộ phận khác:

o Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn

và an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn

có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang

o Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than

bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại

− Khi roto quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do có phiến góp nên chiều dòng điện vẫn giữ nguyên, làm cho chiều lực từ không thay đổi Khi quay các thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ sinh ra suất điện động phần ứng, chiều của suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải

e Ưu, nhược điểm và ứng dụng của động cơ điện một chiều

− Ưu điểm

o Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có moment mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động

o Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt

o Tiết kiệm điện năng

o Bền bỉ, tuổi thọ lớn

− Nhược điểm

o Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sủa chữa cẩn thận, thường xuyên

o Tia lủa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất

là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ

o Giá thành đắt mà công suất không cao

− Ứng dụng

o Ứng dụng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in, 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,…

1.1.2 Động cơ điện một chiều kích từ song song

Động cơ điện một chiều kích từ song song là động cơ điện một chiều được mắc bố trí sao cho nguồn một chiều cấp cho phần ứng và cấp cho kích từ song song với nhau Ta có phương trình cân bằng của động cơ kích từ song song

{𝑈 = 𝑈𝑘𝑡 = 𝑈ư

𝑖ư + 𝑖𝑘𝑡 = 𝑖

Sơ đồ nối dây

1.2 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

1.2.1 Chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ

Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu sau:

Sai số tốc độ

Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt và được đánh giá thông qua:

i + 1  i: hệ thống điều khiển liên tục

i + 1  i: hệ thống điều khiển nhảy cấp

Mong muốn  → 1: hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá trong suốt dải điều chỉnh

Dải điều khiển tốc độ

Dải điều khiển tốc độ (D) là tỉ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc

độ làm việc ứng với mômen tải đã cho:

𝐷 = 𝜔𝑚𝑖𝑛

𝜔 𝑚𝑎𝑥

Mong muốn D càng lớn càng tốt

Ngoài ra còn các chỉ tiêu khác như: chỉ tiêu kinh tế, kích thước…

1.2.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Về việc điều chỉnh tốc độ, động cơ một chiều có nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác: điều chỉnh dễ dàng, chất lượng điều chỉnh cao trong một dải rộng… Xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:

Thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:

Phương pháp 1: Thay đổi điện trở phần ứng

Đây là phương pháp kinh điển dùng để điều khiển tốc độ động cơ trong nhiều năm Nguyên lý điều khiển

Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm;  = đm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Như vậy, khi ta thay đổi Rf ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên

− Đặc điểm của phương pháp

o Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn

o Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)

o Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động

cơ điện trong cần trục

− Đánh giá các chỉ tiêu

o Tính liên tục: phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp

o Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh

D = max / min càng nhỏ Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D= 3 : 1

o Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn

o Chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản

Phương pháp 2: Thay đổi từ thông 

Nguyên lý điều khiển

Giả thiết U= Uđm; Rư = const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ

Thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ

Bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa ( =

max) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông  tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức

Khi giảm  thì tốc độ không tải lý tưởng 𝜔0 =𝑈đ𝑚

𝐾.∅ tang, còn độ cứng đặc tính cơ

𝑅ư

Ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên

Hình 1 1: Đặc tính của động cơ điện khi giảm từ thông

Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi Vì vậy muốn giữ cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm Mttheo cùng tỉ lệ

− Đặc điểm của phương pháp

o Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng

o Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức

o Việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch

o Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi

− Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển

o Sai số tốc độ lớn: đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên

o Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 :1

o Tính liên tục: vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên

ta có thể điều khiển liên tục với   1

o Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và kinh tế (vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ = (1 – 10) %Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp)

→ Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển

Phương pháp 3: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp Nguyên lý làm

Khi thay đổi phần ứng (thay đổi theo chiều giảm điện áp), vì từ thông của động

cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải

lí tưởng o = U /k. thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng

Do đó ta thu được họ đặc tính mới song song và thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên tức là vùng điều khiển tốc độ nằm dưới tốc độ định mức

− Đặc điểm của phương pháp:

o Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng thấp

o Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh

o Độ cứng đặc tính cơ cao và được giữ không đổi trong toàn dải điều chỉnh

o Chỉ thay đổi tốc độ về phía giảm

o Rất dễ tự động hóa khi dùng chỉnh lưu có điều khiển

o Phương pháp này điều khiển với moomen không đổi với  và 𝐼ư đều không đổi

− Đánh giá chi tiêu điều khiển

o Sai số tốc độ lớn (sai số tốc độ bằng sai số tốc độ của đặc tính cơ tự nhiên)

o Tính liên tục: điện áp của động cơ được điều khiển bằng bộ biến đổi Các bộ biến đổi hiện này đều có công suất bé nên có thể điều chỉnh liên tục

o Dải điều chỉnh có thể đạt được D=10:1

o Đây là phương pháp duy nhất có thể điều chỉnh liên tục tốc độ động cơ trong vùng tốc độ thấp hơn tốc độ định mức đối với động cơ một chiều

Qua việc xét ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ta thấy phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là triệt để và có nhiều ưu điểm hơn cả nên ta chọn phương pháp này để điều khiển tốc độ động cơ một chiều

CHƯƠNG II PHÂN TÍCH VẬT LÝ

Ta có mạch mắc song song nên:

314,9

CHƯƠNG III XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH

Động cơ điện 1 chiều kích từ song song có sơ đồ nối mạch sau:

− Hệ thống động cơ điện 1 chiều song song gồm các phần tử:

− Nguồn cấp cho mạch là nguồn U, nguồn này cấp cho động cơ hoạt động

− Xây dựng biểu đồ Bond Graph cho hệ thống điện

o Mỗi vị trí trong mạch điện mà điện thế khác nhau thì đặt 1 “0-junction” junction 1, 0-junction 2, 0-junction 3, 0-junction 4, 0-junction 5)

(0-o Chèn mỗi phần tử mạch “single p(0-ort” bằng cách kết nối nó với “1-juncti(0-on” bằng đường bond

o Nguồn vào Se được nối với “0-junction” qua “1-junction”

Từ đó ta xây dựng được sơ đồ Bond Graph đầu tiên

Sơ đồ Bond Graph được đã được đơn giản hóa

- Gắn chiều nhân quả:

+ Chỉ duy nhất một “Causal stroke” đi vào “0-junction” còn lại các “Causal

stroke” khác đều đi ra

+ Chỉ duy nhất một “Causal stroke” đi ra “1-junction” còn lại các “Causal

stroke” khác đều đi vào

Từ đó ta có giản đồ Bond Graph