Báo cáo bài tập lớn môn mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử ĐHCNHN Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song s.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MÔN : MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM

I Thông tin chung

1 Tên lớp: Cơ điện tử 3 Khóa: K14

2 Tên nhóm: nhóm 20

Họ và tên thành viên: 1.Trần Đình Phụng - 2019604742

2.Trần Văn Phú - 2019605985

3.Bùi Bảo Phương - 2019604976

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

2 Hoạt động của sinh viên

- Nội dung 1: Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều kích từ

nối tiếp và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

- Nội dung 2: Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả

động cơ điện một chiều

- Nội dung 3: Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ

thống điều khiển động cơ điện một chiều

- Nội dung 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 dụng phần mềm 20-sim.

3 Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch và mô hình sản phẩm

III Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án

1 Tài liệu học tập: Giáo trình môn học Cảm biến và hệ thống đo, vi điều khiển

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính, linh kiện và dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng

KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phan Đình Hiếu

Mục Lục

Mục Lục 3

Mục lục danh mục hình ảnh 4

MỞ ĐẦU 6

I, Chủ đề nghiên cứu 6

II, Nội dung 7

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 9

1.1 Giới thiệu về động cơ điện một chiều 9

1.2 Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều kích từ song song 12

1.3 Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 15

CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ 20

2.1 Phân tích mô hình hệ thống động cơ điện một chiều kích từ song song 20

2.2 Phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ song song 21

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 23

3.1 Xây dựng biểu đồ bond graph mô tả động cơ điện một chiều kích từ song song 23

3.2 Xây dựng biểu đồ bond graph mô tả hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ song song 27

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 DỤNG PHẦN MỀM 20 – SIM 31

4.1 Mô phỏng và đánh giá đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ song song 31

4.2 Mô phỏng và đánh giá đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ song song khi được điều khiển bằng hệ thống PID 35

4.3 Tổng kết 50

KẾT LUẬN 51

Tài liệu tham khảo 52

Mục lục danh mục hình ảnh

Hình 1: Sơ đồ hệ thống 6

Hình 2: Mạch điện động cơ một chiều kích từ song song 7

Hình 3: Cấu tạo stato 10

Hình 4: Cấu tạo roto 11

Hình 5: Sơ đồ nối dây 13

Hình 6: Bộ điều khiển động cơ BDC 16

Hình 7: Bộ điều khiển động cơ BLDC 17

Hình 8: Bộ điều khiển động cơ bước 17

Hình 9: Bộ điều khiển động cơ servo 18

Hình 10: Mạch điện động cơ một chiều kích từ song song 20

Hình 11: Mạch động cơ một chiều kích từ song song 23

Hình 12: Đặt vị trí 0 - junctions 24

Hình 13: Đặt vị trí 1 - junctions 24

Hình 14: Gán chiều công suất tới tất cả các bond trong mô hình 25

Hình 15: Biểu đồ Bond graph tối giản 25

Hình 16: Quan hệ nhân quả của biểu đồ bond graph tối giản 26

Hình 17: Biểu đồ Bond graph động cơ điện một chiều kích từ song 26

Hình 18: Thay thế phần tử Se bằng phần tử MSe 28

Hình 19: Bộ điều khiển PID động cơ điều chỉnh điện áp phần ứng 28

Hình 20: Thay thế phần tử R bằng phần tử MR 29

Hình 21: Bộ điều khiển PID động cơ điều chỉnh điện trở phần ứng 29

Hình 22: Thay thế phần tử R bằng phần tử MR 30

Hình 23: Bộ điều khiển PID động cơ điều chỉnh từ thông kích từ 30

Hình 24:Kết quả mô phỏng tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song không mang tải 32

Hình 25:Kết quả mô phỏng tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song mang tải 33

Hình 26: So sánh đặc tính tốc độ của động cơ khi tải tăng dần 34

Hình 27: Xác định hệ số K th 37

Hình 28: Xác định hệ số T th 37

Hình 29: Kết quả mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song không mang tải bằng PID 39 Hình 30: Kết quả mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song mang tải

Hình 31: Kết quả mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song mang tải bằng PID theo phương pháp điều chỉnh điện trở phần ứng (tải bằng 1) 403 Hình 32: Kết quả mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song mang tải bằng PID theo phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ (tải bằng 1) 404 Hình 33: Bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ song song 405 Hình 34: Kết quả mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song mang tải bằng PI (tải bằng 1) 406 Hình 35: Bộ điều khiển PD điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ song song 407 Hình 36: Kết quả mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song mang tải bằng PD (tải bằng 1) 408

Hình 2: Mạch điện động cơ một chiều kích từ song song

II, Nội dung

- Nội dung 1: 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

- Nội dung 2: Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả

động cơ điện một chiều

- Nội dung 3: Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

- Nội dung 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 dụng phần mềm 20-sim

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

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Giới thiệu về động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều

1.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều gồm hai phần chính: Phần tĩnh (Stator) và phần động (Rotor)

- Cực từ phụ: Làm bằng thép khối, trên thân quấn dây như cực từ chính Dây quấn cực từ phụ được đặt trên các cực từ phụ (giữa các cực từ chính)

- Vỏ máy: Vật liệu làm thường là gang, thép Để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy

- Cơ cấu vành góp: Gồm các miếng đồng ghép cách điện với nhau

- Cơ cấu chổi than: Làm bằng than graphit đặt trong hộp có lò xo tì chặt lên vành góp

Hình 3: Cấu tạo stato

Hình 4: Cấu tạo roto

1.1.2 Nguyên lý hoạt động

- Khi cung cấp điện áp 1 chiều cho dây quấn phần ứng Dây dẫn có dòng điện nằm trong từ trường do phần cảm sinh ra sẽ chịu lực tác động làm roto quay, chiều của lực tác động xác định bằng quy tắc bàn tay trái

- 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

1.1.3 Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều

+, Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải , cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng

(như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn Nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại

- Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc

độ và khả năng quá tải Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao

- Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ

1.2 Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều kích từ song song

+, Động cơ điện một chiều kích từ song song: là một loại động cơ điện một chiều tự kích thích trong đó các cuộn dây trường được nối với hoặc được nối song song với cuộn dây phần ứng của động cơ Vì chúng được nối song song nên phần ứng và cuộn dây trường được tiếp xúc với cùng một điện áp nguồn

Hình 5: Sơ đồ nối dây

+, Đặc điểm cấu tạo so đặc trưng

- Các cuộn dây phần ứng phải được tiếp xúc với một lượng hiện tại

đó là cao hơn nhiều so với các cuộn dây lĩnh vực hiện nay, như các mô-men xoắn là tỉ lệ với dòng điện phần ứng

- Cuộn dây trường phải được quấn nhiều vòng để tăng liên kết từ thông, vì liên kết từ thông giữa cuộn trường và dây quấn phần ứng cũng tỷ lệ với mômen

=> Động cơ điện một chiều kích từ song song đã được thiết kế theo cách, cuộn dây trường có số vòng cao hơn nhiều để tăng liên kết từ thông ròng và có đường kính ruột dẫn nhỏ hơn để tăng điện trở (giảm dòng điện) so với đến dây quấn phần ứng của động cơ điện một chiều

Đặc tính cơ tự nhiên (TN): đặc tính cơ có các tham số định mức và không

có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ:

𝜔 = 𝑈đ𝑚

𝐾𝜙đ𝑚− 𝑅đ𝑚

Đặc tính cơ nhân tạo (NT): đặc tính cơ có một trong các tham số khác định

mức hoặc có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ

Khi ω = 0, thì:

- Dòng điện phần ứng:

𝐼ư = 𝑈ư−𝐸

1.3.1 Giới thiệu tổng quan hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

+, Mục đích sử dụng của bộ điều khiển động cơ là để quản lý hiệu suất của động cơ điện Không phân biệt loại động cơ, thiết bị điện tử này có thể đáp ứng các chức năng sau:

• khởi động / dừng động cơ

• thay đổi hướng quay

• kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn

• cung cấp bảo vệ quá tải

• ngăn ngừa sự cố về điện +, Các loại bộ điều khiển động cơ một chiều:

• Bộ điều khiển động cơ BDC

-, Sử dụng cho động cơ DC có chổi than ,sử dụng một cổ góp cơ học với chổi than

Hình 6: Bộ điều khiển động cơ BDC

• Bộ điều khiển động cơ BLDC -, Sử dụng cho động cơ DC không chổi than, sử dụng bộ điều khiển điện tử để chuyển đổi cực tính

Hình 7: Bộ điều khiển động cơ BLDC

• Bộ điều khiển động cơ bước -, Sử dụng cho động cơ bước

Hình 8: Bộ điều khiển động cơ bước

• Bộ điều khiển động cơ Servo -, Sử dụng cho động cơ Servo

Hình 9: Bộ điều khiển động cơ servo

+, Có 3 phương pháp để điều khiển động cơ:

- Điều chỉnh điện áp phần ứng: Trong phương pháp này, điện áp kích từ được giữ cố định và phần ứng được cung cấp với các điện áp khác nhau Điện áp trên phần ứng được thay đổi với sự trợ giúp của thiết bị đóng cắt phù hợp

- Điều chỉnh điện trở mắc nối tiếp phần ứng: nếu chúng ta thêm điện trở nối tiếp với phần ứng, cường độ dòng điện phần ứng giảm và do đó, tốc độ cũng giảm Điện trở mắc nối tiếp với phần ứng càng lớn thì tốc độ giảm càng lớn

- Điều chỉnh dòng điện kích từ (hay điều chỉnh từ thông) : tốc độ của động

cơ một chiều tỷ lệ nghịch với từ thông trên mỗi cực Do đó, bằng cách giảm

từ thông, tốc độ có thể được tăng lên và ngược lại

1.3.2 Các ứng dụng về hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị và hệ thống có tuổi thọ hoạt động lâu dài, bao gồm:

CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG BẰNG PHƯƠNG

PHÁP VẬT LÝ 2.1 Phân tích mô hình hệ thống động cơ điện một chiều kích từ song song

Hình 10: Mạch điện động cơ một chiều kích từ song song

+, Hệ số momen K= 1.53

+, Vận tốc góc của động cơ: 𝜔 (rad/s)

+, Momen tải: T (Nm)

+, Từ thông qua cuộn dây: 𝜙 (wb)

2.2 Phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ song song

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

3.1 Xây dựng biểu đồ bond graph mô tả động cơ điện một chiều kích từ song song

Hình 11: Mạch động cơ một chiều kích từ song song

Các thông số: +, Điện cảm phần ứng Lư (Iu): 17.5 10−3 H

+, Điện cảm kích từ Lkt (Ikt): 80 10−3 H

3, Gán chiều công suất tới tất cả các bond trong mô hình

Hình 14: Gán chiều công suất tới tất cả các bond trong mô hình

4, Đơn giản hóa các bond graph

Hình 15: Biểu đồ Bond graph tối giản

5, Thiết lập quan hệ nhân quả

Hình 16: Quan hệ nhân quả của biểu đồ bond graph tối giản

Biểu đồ bond graph cho động cơ điện một chiều kích từ song song có tốc độ momen xoắn và tải không đổi được biểu diễn:

3.2 Xây dựng biểu đồ bond graph mô tả hệ thống điều khiển động

cơ điện một chiều kích từ song song

Như đã giới thiệu ở chương 1, đối với động cơ điện một chiều kích từ song song

có 3 phương pháp điều khiển động cơ:

+) Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng:

-) Đây là phương pháp phổ biến nhất

+) Phương pháp điều chỉnh điện trở phần ứng

-) Phương pháp này gây tổn hao nên ít được sử dụng

+) Phương pháp thay đổi từ thông kích từ

-) Thực hiện bằng cách thay đổi điện trở phần kích từ

Từ biểu đồ bond graph (Hình 17):

Có thể xây dựng được 3 hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ song song như sau:

Biểu đồ Bond graph động cơ điện một

chiều kích từ song song