Bài tập lớn mô phỏng và mô hình hóa hệ thống cơ điện tử

BÀI TẬP LỚN MÔN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ , Sử dụng phương pháp vật lý và sử dụng bond graph để biểu diễn Động cơ điện một chiều kích từ song song, 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 20sim

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

BÀI TẬP LỚN MÔN: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

CƠ ĐIỆN TỬ

Giáo viên hướng dẫn : ThS LÊ NGỌC DUY

Phan Bá Hiếu 2018605605 Đinh Việt Hoàng 2019600743 Nguyễn Huy Hoàng 2019603486

Hà Nội – 2022

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

PHẦN I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2

1.1 Khái quát về động cơ điện một chiều 2

1.1.1 Khái niệm 2

1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 2

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 4

1.1.4 Phân loại động cơ điện một chiều 4

1.1.5 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều 4

2.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song 5

2.1.1 Phương trình cân bằng dòng, áp 5

2.1.2 Đặc tính tốc độ 6

2.1.3 Đặc tính momen theo dòng phần ứng 8

PHẦN II: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ ĐỂ VIẾT PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 9

PHẦN III: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 11

3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph 11

3.2 Thiết lập nhân quả trong Bond Graph 12

3.3 Xây dựng hệ thống động cơ điện một chiều 13

3.3.1 Hệ thống có bộ điều khiển Kp 13

3.3.2 Hệ thống có bộ điều khiển PD 14

3.3.3 Hệ thống có bộ điều khiển PI 14

3.4 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 15

3.4.1 Đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều khi chưa có bộ điều khiển 153.4.2 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ P 163.4.3 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ PD 183.4.4 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ PI 193.4.5 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ PID 20KẾT LUẬN 22DANH MỤC THAM KHẢO 23

1

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 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 mạnh 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 nghiên 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 hợp 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 lí do đó mà em đã được giao đề tài về động cơ một chiều là đối tượng để mô phỏng trong bài làm của mình

Hình 1.1 Động cơ điện một chiều

1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính:

- Phần tĩnh (Stator)

- Phần động (Rotor)

Phần tĩnh (stator) hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường

nó gồm có:

- Dây quấn kích thích: 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)

- 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 Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau

- Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính

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

- Các bộ phận khác:

3

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

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

đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp

Hình 1.2 Cấu tạo Stator

Phần động ( rotor): Bao gồm những bộ phận chính sau:

- Phần sinh ra sức điện động: Gồm có mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá

thép kĩ thuật) xếp lại với nhau Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng

- Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày

0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên

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

có dòng điện chạy qua

- Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau và hợp

thành một hình trục tròn

Hình 1.3 Cấu tạo Rotor

4

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

Khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn) và làm dây dẫn chuyển động.Chiều của từ lực được xác định bằng quay tắc bàn tay trái.Động cơ điện nói chung

và động cơ điện một chiều nói riêng thì chúng đều hoạt đông theo quy tắc này

1.1.4 Phân loại động cơ điện một chiều

Dựa theo cách kích thích từ trường của các động cơ Ta có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng:

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp

từ hai nguồn riêng rẽ

- Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song

với phần ứng

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tếp với

phần ứng

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một cuộn

mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng

1.1.5 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều

1.5.1 Ưu điểm

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

1.5.2 Nhược điểm

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

5

2.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song

Động cơ điện một chiều kích từ song song có cuộn kích từ và cuộn ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn điện Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì phần ứng và phân kích từ thường mắc song song

𝑹𝒇: Là điện trở của dây quấn kích thích (phần cảm)

𝑹𝒌𝒕: Là điện trở ngoài nối tiếp phần cảm

𝑹ư: Điện trở dây quấn phần ứng

n: Tốc độ quay của rotor (tốc độ quay của động cơ)

𝛟𝒌𝒕: Từ thông kích thích tạo bởi dây quấn phần cảm và dòng điện kích thích 𝑰𝒌𝒕

2.1.1 Phương trình cân bằng dòng, áp

Các phương trình cân bằng dòng và áp xây dựng từ mạch tương đương của động

cơ DC kích từ song song ghi nhận như sau:

Công suất điện từ, công suất cơ đưa ra trục động cơ nhưng chưa trừ đi ma sát cơ, quạt gió và tổn hao thép:

Đặc tính tốc độ của động cơ là đồ thị mô tả quan hệ giữa tốc độ quay n của động

cơ với dòng điện Iư qua mạch phần ứng

Khử E, ta có phương trình quan hệ:

n = 𝑉− 𝑅ư.𝐼ư

𝐾𝑒.𝜙𝑘𝑡

7

Đồ thị của đặc tính tốc độ có dạng đường thẳng: y = Ax + B, A< 0 và B >0

Đặc tuyến này đi qua hai điểm đặc biệt

Giao điểm của đồ thị với trục hoành (dòng điện Iư ): n = 0 ⇒ 𝐼ư = 𝑉

quay: tốc độ động cơ tăng dần, trong khi dòng qua phần ứng giảm dần

Tại chế độ không tải, động cơ không mang tải trên trục, tốc độ động cơ tiếp tục tăng và dòng điện qua phần ứng giảm thấp hơn giá trị định mức, điểm làm việc trên đọan

cd Tóm lại, tại chế độ không tải điểm làm việc của động cơ trên đặc tính tốc độ nằm

gần vị trí d

Tuy nhiên, tại chế độ không tải điện làm việc của động cơ không thể ở đúng vị trí

d, vì tại đây dòng điện qua mạch phần ứng là Iư = 0 (không có dòng điện qua các thanh

dẫn phần ứng) như vậy không hình thành lực điện từ để tạo momen quay rotor

Thực sự động cơ chỉ có thể tiến về vùng cận của điểm d trong quá trình họat động không tải; do lý do này điểm d được gọi là điểm không tải lý tưởng; tốc độ động cơ tại

d là 𝑛𝑜 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng

có dạng đường thẳng qua gốc tọa độ: y=Ax(A>0)

Từ phương trình trên cho thấy đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ song song có

dạng đường thẳng: y= A.x +B (A<0, B>0)

9

PHẦN II: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ ĐỂ VIẾT

PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Chúng ta có đầu vào của hệ thống là nguồn điện áp (U) được áp dụng cho phần ứng của động cơ, trong khi đầu ra là tốc độ quay của trục 𝜃̇

- Tốc độ góc quay trục động cơ: 𝜃̇ (rad/s)

Mô-men xoắn được tạo ra bởi một động cơ DC tỷ lệ với dòng điện và cường độ của từ trường Chúng ta giả định rằng từ trường là hằng số, mô men xoắn động cơ tỉ lệ thuận với dòng điện phần ứng bởi một hệ số không đổi K như được cho bởi đề bài

Tốc độ góc trong miền Laplace có liên quan đến vị trí góc theo công thức sau:𝜔(s)=s𝜃(s) Từ đó ta có mối liên hệ giữa tốc độ đầu ra của động cơ với đầu vào điện

11

PHẦN III: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT

CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph

Các bước xây dựng biểu đồ Bond Graph:

- Bước 1: Mỗi vị trí trong mạch điện có điện thế khác nhau thì đặt 0-Junctions

- Bước 2: Chèn mỗi phần tử mạch “Single Port” bằng kết nối nó với 1-Junctions bằng đường Power bond

- Bước 3: Gắn chiều công suất với tất cả các bond trong mô hình

- Bước 4: Nếu vị trí có thế đất đã được xây dựng thì xóa bỏ 0-Junctions tại đó và tất cả các bond nối với nó

- Bước 5: Đơn giản hóa các Bonds theo các nguyên tắc

12

3.2 Thiết lập nhân quả trong Bond Graph

Quy tắc:

- Phần tử Se: causal ở gần 1 juntion và 0 juntion

- Phần tử I: causal ở xa 1 juntion và 0 juntion

- Phần tử C: causal ở gần 1 juntion và 0 juntion

- Tại 0 juntion chỉ có 1 phần tử causal ở gần

- Tại 1 juntion chỉ có 1 phần tử causal ở xa

- Cuối cùng xác định causal của R

13

3.3 Xây dựng hệ thống động cơ điện một chiều

3.3.1 Hệ thống có bộ điều khiển Kp

14

3.3.2 Hệ thống có bộ điều khiển PD

3.3.3 Hệ thống có bộ điều khiển PI

15

3.4 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

3.4.1 Đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều khi chưa có bộ điều khiển

- Đặc tính tốc độ động cơ và moment xoắn của động cơ điện một chiều

- Đặc tính dòng điện của động cơ điện một chiều

Nhận xét:

- Khi chưa có bộ điều khiển, động cơ được cấp nguồn điện một chiều là 240V

- Động cơ điện quay với tốc độ cao 250 (rad/s) khoảng 2387(vòng/phút) và ổn định trong khoảng 0.5(s) nhưng cần cần moment khởi động lớn 270(N.m)

- Từ đặc tính dòng điện cho thấy động cơ cần dòng điện đầu vào cao 298.4(A)

16

3.4.2 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ P

Tốc độ đặt của động cơ là 100 rad/s

- Khi Kp=1, tốc độ động cơ 55 rad/s, moment xoắn đầu ra 10.3 N.m (moment khởi động

là 47 N.m)

- Khi Kp=10, tốc độ động cơ là 95 rad/s, moment đầu ra là 10.7N.m (moment khởi động

là 924N.m),thời gian đáp ứng t=0.2s

17

- Khi Kp=100, tốc độ động cơ là 99.5 rad/s, moment đầu ra là 10.66N.m (moment khởi động là 11800 N.m), thời gian đáp ứng là t=0.005s

Nhận xét:

- Khi động cơ điện một chiều sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ P thì đáp ứng tốc độ động

cơ nhanh đạt đến giá trị đặt nhưng cần moment khởi động rất lớn

- Khi sử dụng trong thời gian dài sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ

18

3.4.3 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ PD

Bộ điều khiển PD

- Khi kp=1, kd=1, tốc độ là 54.7 rad/s, moment là 10.36N.m (khởi động là 17.4 N.m)

- Khi kp=10,kd=1, tốc độ là 94.88 rad/s, moment là 10.63N.m (khởi động là 25 N.m) t=5s

20

- Kp=10,ki=1, tốc độ là 100 rad/s, moment là 10.66N.m (khởi động là 932N.m)

t=0.5s

3.4.5 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ PID

- Kp=1,ki=1,kd=0.001, tốc độ là 100 rad/s, moment là 10.66N.m (khởi động là 52N.m) t=0.4s

21

- Kp=300,ki=100,kd=0.3, tốc độ là 100 rad/s, moment là 64 N.m (khởi động là 52N.m) t=2s

điện 1 chiều Cuối cùng, một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới ThS

Lê Ngọc Duy, thầy đã hướng dẫn và chỉ bảo em suốt thời gian qua để em có thể hoàn

thành bài tập lớn này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Sách, tài liệu tham khảo:

[2] Nguyễn Công Hiền, Phạm Thị Thục Anh (2005), Mô hình hóa hệ thống và mô phỏng,

NXB Khoa học và kỹ thuật

[3] Huỳnh Thái Hoàng ( 2012), Mô hình hóa và nhận dạng hệ thống, ĐHBK TPHCM [4] Shuvra Das (2009), Mechatronics modeling and simulation using Bond Graphs,

CRC press