Bài tập lớn học phần mô hình hoá mô phỏng hệ thống cơ điện tử

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.. Mô phỏng và đánh giá các đặc tính vị trí của đ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Nguyễn Văn Thành

Hà Nội-2023

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Giáo viên chấm phản biện

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

BÀI 1 BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG 8

1.1 Tổng quan về hệ thống động cơ điện một chiều kích từ song song 8

1.2 Xây dụng phương trình mô tả động cơ điện một chiều bằng phương pháp vật lý 12 1.3 Xây dựng biểu đồ bondgraph 16

1.4 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 19

BÀI 2 BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU 28

2.1 Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 28

2.2 Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều 30

2.3 Mô hình hóa hệ thống bằng hàm truyền và phương trình không gian trạng thái 32

2.4 Xây dựng biểu đồ bond graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều 33

2.5 Xây dựng hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 37

2.6 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính vị trí của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim 39

BÀI 3 BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO TRÊN XE BUS 47

3.1 Tổng quan về hệ thống 47

3.2 Phân tích vật lí hệ thống 49

3.3 Mô phỏng và đánh giá đặc tính hệ thống 51

KẾT LUẬN 61

DANH MỤC HÌNH ẢNH

BÀI 1:

Hình 1 1 Động cơ điện một chiều 12

Hình 1 2 Cấu tạo động cơ điện một chiều 12

Hình 1 3 Ứng dụng của động cơ điện một chiều 15

Hình 1 4 Cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động cơ điện một chiều kích từ song song 16

Hình 1.5 Sơ đồ mạch điện của động cơ điện 1 chiều kích từ song song 16

Hình 1.6: Phân tíc sơ đồ mạch điện 17

Hình 1.7 Biểu đồ Bond Graph được mô phỏng trong 20-sim 23

Hình 1.8 Thiết lập tham số cho hệ thống 23

Hình 1.9 Đồ thị biểu diễn dòng điện mạch phần ứng và mạch kích từ 24

Hình 1.10 Đồ thị biểu diễn momen đầu ra và vận tốc góc của động cơ 24

Hình 1.11 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng bộ điều khiển P 25

Hình 1.12 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P với Kp=1 25

Hình 1.13 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng bộ điều khiển PI 27 Hình 1.14 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI với Kp=10, Ti =1s 27

Hình 1.15 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI với Kp=10, Ti=0.1s 28

Hình 1.16 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng bộ điều khiển PD 29 Hình 1.17 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với Kp=10, Td =1s 29

Hình 1.18 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với Kp=10, Td =10s 30

Hình 1.19 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng bộ điều khiển PID 30

Hình 1.20 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ PID với Kp=1, Ti =1s, Td=1s 31

Hình 1.21 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ PID với Kp=10, Ti =200ms, Td=10s 31

BÀI 2:

Hình 2.1: Cấu tạo động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 32

Hình 2.2: Ứng dụng động cơ điện nam châm vĩnh cửu 34

Hình 2.3: Biểu đồ Bond Graph của hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 41

Hình 2.4 : Quan hệ nhân quả giữa các phần tử trong hệ thống 41

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống hở 43

Hình 2.6 Nhập thông số đầu vào cho động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu 44

Hình 2.7 Vị trí của động cơ khi chưa có bộ điều khiển 44

Hình 2.8 Biểu đồ Bond Graph với bộ điều khiển P 45

Hình 2.9 Biểu đồ Bond Graph với bộ điều khiển PD 46

Hình 2.10 Vị trí của động cơ khi Kp=1 và Kd=1 47

Hình 2.11 Khảo sát vị trí của động cơ khi Kp=1 và Kp thay đổi 47

Hình 2.12 Biều đồ Bond Graph với bộ điều khiển PI 48

Hình 2.13 Vị trí của động cơ với Kp=1 và Ki =1

48

Hình 2.14 Khảo sát vị trí của động cơ với Kp=1 và Ki thay đổi 49

Hình 2.15 Biểu đồ Bond Graph với bộ điều khiển PID 49

Hình 2.16 Vị trí của động cơ với Kp=1, Kd=1, Ki=1 50

BÀI 3: Hình 3.1.Cấu tạo của hệ thống treo thực tế 51

Hình 3.2 Mô hình hệ thống treo xe bus 53

Hình 3.3.Phân tích lực tác động vào thân xe 54

Hình 3.4.Phân tích lực tác động vào hệ treo 54

Hình 0.5.Cấu trúc hệ thống treo xe bus 56

Hình 0.6.Biểu đồ bond graph hệ thống treo xe bus 57

Hình 0.7.Biểu đồ bond graph tối giản hệ thống treo xe bus 57

Hình 0.8.Biểu đồ band graph cho hệ hở 58

Hình 0.9.Biểu đồ band graph cho hệ kín 58

Hình 0.10.Các thông số của hệ hở 59

Hình 0.11.Biên độ giao động của xe khi chưa có bộ điều khiển 60

Hình 0.12 Sơ đồ bộ điều khiển vòng kín hồi tiếp âm 60

Hình 0.12.Các thông số ban đầu của hệ điều khiển vòng kín 61

Hình 0.13.Biên độ giao động khi chưa hiệu chỉnh các hệ số của bộ điều khiển 61

Hình 0.14.Biên độ giao động khi thay đổi giá trị Td 62

Hình 0.15.Biên độ giao động khi thay đổi giá trị Kp 62

Hình 0.16.Biên độ giao động khi thay đổi giá trị Ti 63

Hình 0.17 Biên độ giao động khi thay đổi giá trị Kp, Ki, Kd 64

BÀI 1 BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

KÍCH TỪ SONG SONG

1.1 Tổng quan về hệ thống động cơ điện một chiều kích từ song song

1.1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều là loại máy điện biến điện năng dòng một chiều thành cơ năng Ở động cơ một chiều từ trường là từ trường không đổi Để tạo ra từ trường không đổi người ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện được cung cấp dòng điện một chiều

Hình 1.1 Động cơ điện một chiều Công suất lớn nhất của máy điện một chiều vào khoảng 5-10 MW Hiện tượng tia lửa ở cổ góp đã hạn chế tăng công suất của máy điện một chiều Cấp điện áp của máy một chiều thường là 120V, 240V, 500V và lớn nhất là 1000V Không thể tăng điện áp lên nữa vì điện áp giới hạn của các phiến góp là 35V

 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Hình 1 1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Gồm có các bộ phận như sau:

- Stator: Thông thường được tạo thành từ 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu,

có khi là nam châm điện

- Rotor: Chính là phần lõi có quấn các cuộn dây nhằm mục đích tạo thành nam châm điện

- Chổi than (còn gọi là brushes): Có nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho bộ phận

cổ góp

- Cổ góp (còn gọi là commutator): Có nhiệm vụ tiếp xúc và chia điện đều cho các cuộn dây ở trên phần rotor Số lượng các điểm tiếp xúc thông thường phải tương ứng với số cuộn có trên rotor

 Nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều

Stato của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, (có thể dùng nam châm điện), còn rotor có các cuộn dây quấn, chúng được nối với nguồn điện 1 chiều Còn bộ phận chỉnh lưu sẽ có nhiệm vụ là làm đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là chuyển động liên tục Thông thường bộ phận này bao gồm có 1 bộ cổ góp và 1 bộ chổi than được mắc tiếp xúc với cổ góp

Nếu trục quay của một động cơ điện 1 chiều được kéo bằng 1 lực từ bên ngoài, động cơ sẽ hoạt động tương tự như 1 chiếc máy phát điện 1 chiều để tạo ra một sức điện động cảm ứng có tên là Electromotive force (EMF) Trong quá trình vận hành bình thường, rotor sẽ quay và phát ra 1 điện áp (còn gọi là sức phản điện động) có tên là counter - EMF (CEMF) hoặc còn gọi là sức điện động đối kháng

Sức điện động này hoạt động tương tự như sức điện động được phát ra khi động

cơ được sử dụng giống như 1 chiếc máy phát điện Khi đó, điện áp đặt trên động cơ đã bao gồm 2 thành phần đó là: sức phản điện động cùng với điện áp giáng tạo ra do điện trở ở bên trong của các cuộn dây phần ứng

- Dòng điện chạy qua động cơ lúc này sẽ được tính theo biểu thức sau:

- Công suất cơ mà động cơ đưa ra sẽ được tính bằng công thức:

P  I V phandiendong

1.1.2 Động cơ điện một chiều kích từ song song

Thông thường, chiều dòng điện vào động cơ là I, dòng điện phần ứng là Iư, dòng

điện kích từ là Ikt thì sẽ được tính theo công thức: I = I ư + I kt Để mở máy, người ta

thường dùng biến trở để mở máy (gọi là R mở)

Để điều chỉnh tốc độ của động cơ, người ta thường điều chỉnh Rđc để thay đổi

dòng điện kích từ Ikt, đồng thời thay đổi cả từ thông Φ Phương pháp này hiện đang sử dụng rất rộng rãi, song cần chú ý một điều rằng, khi giảm từ thông Φ, có thể dòng điện

trong phần ứng Iư sẽ tăng lên quá trị số cho phép Khi đó, cần có bộ phận bảo vệ để cắt điện kịp thời, không cho động cơ làm việc trong trường hợp từ thông giảm xuống quá nhiều

1.1.3 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều

Ưu điểm của động cơ điện một chiều:

- Có momem mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động

- Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt

- Tiết kiệm điện năng

- Bền bỉ, tuổi thọ lớn

Nhược điểm của động cơ điện một chiều:

- Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa thường xuyên

- Tia lửa 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

- Giá thành đắt mà công suất không cao

1.1.4 Các ứng dụng của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và trở thành một phần

ko thể thiếu trong quá trình tăng trưởng kinh tế non sông

Loại động cơ này được ứng dụng trong hồ hết các lĩnh vực của đời sống như: trong tivi, máy công nghiệp, máy photocopy, đài FM, truyền động DC, trong ngành giao thông vận tải, trong các thiết bị điều khiển điều khiển vận tốc quay liên tục trên một phạm vi lớn……

Hình 1.3 Ứng dụng của động cơ một chiều Động cơ điện hiện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, phổ biến và thay thế dân cho những loại động cơ truyền thống Bởi lẽ, loại động cơ này không chỉ hoạt động bền bỉ, linh hoạt, có thể lắp đặt và vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bị khác nhau,

mà còn tiết kiệm năng lượng tiêu thụ đáng kể Chính vì thế, ứng dụng của loại động cơ này cũng trở nên đa dạng và phổ biến hơn cả

Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đời sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, 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

Động cơ DC cũng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp robot,…

1.1.5 Điều khiển hệ thống động cơ điện 1 chiều

Ta có phương trình tốc độ quay của động cơ:

+ 𝜃 là góc quay của động cơ

+ u là tín hiệu điều khiển động cơ

Hình 1.5 Sơ đồ mạch điện của động cơ điện 1 chiều kích từ song song

1.2.2 Mô hình hóa hệ thống bằng hàm truyền

Hình 1.6: Phân tíc sơ đồ mạch điện

 Mạch mắc song song nên ta có:

+ Phần ứng:

𝑈ư(𝑡) = 𝐿ư.𝑑𝑖ư

𝑑𝑡 + 𝑅ư 𝑖ư(𝑡) + 𝐾.𝑑𝜃

𝑑𝑡 (2.3)Với: 𝑈(𝑡) = 𝑈ư(𝑡) là điện áp đầu vào (V)

- Phương trình chuyển động quay của phần động cơ:

𝜃̈ =𝐾𝑡𝑖 − 𝑏𝜃̇

𝐽Với: 𝐾 = 𝐾𝑡 là hệ số

𝑏 là hệ số cản của động cơ (Nms/rad)

𝐽 là momen quán tính (Nms/rad)

+ Momen quán tính 𝐽 = 0.166 Nms/rad

+ Hệ số momen 𝐾 = 1.53

 Ta được hàm truyền của hệ thống:

−3𝑠 + 1,3771,743 10−4 𝑠4+ 6,15 10−3 𝑠3+ 0,174 𝑠2+ 0,938𝑠

1.3 Xây dựng biểu đồ bondgraph

1.3.1 Xây dựng biểu đồ bondgraph mô phỏng động cơ điện một chiều

Bước 1: Đặt các Junction 0 tại các vị trí có điện thế khác nhau

Bước 2: Chèn các phần tử của hệ thống bằng cách kết nối với các Junction 1 và đặt vào giữa các Junction 0 có liên quan

Bước 3: Liên kết các Junction 0 và Junction 1 và gán chiều công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ

Bước 4: các vị trí có thế đất đã được xác định thì xoá bỏ các Junction 0 và các đường liên kết với nó

Bước 5: Tối giản hoá sơ đồ

1.4 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

1.4.1 Mô phỏng và đánh giá hệ thống khi chưa có bộ điều khiển

Sau khi đã xây dựng được biểu đồ Bond Graph cho hệ thống, ta sẽ tiến hành mô phỏng trên 20-sim Biểu đồ Bond được xây dựng trong 20-sim như hình sau:

Hình 1.7 Biểu đồ Bond Graph được mô phỏng trong 20-sim Thiết lập các thông số cho hệ thống

Hình 1.8 Thiết lập tham số cho hệ thống

1.4.2 Đánh giá hệ thống khi chưa có bộ điều khiển

Giả sử động cơ mang tải Mt= -10 N.m và điện áp cấp cho phần kích từ và phần ứng là 240V DC

Khi chưa có bộ điều khiển, dòng điện qua mạch phần ứng Iư và mạch kích từ Ikt

như sau:

Hình 1.9 Đồ thị biểu diễn dòng điện mạch phần ứng và mạch kích từ Theo tính chất của động cơ điện một chiều kích từ song song, suất điện động phần ứng được mô tả như sau: Eư = K.Φ.ω Do đó suất điện động phần ứng tỷ lệ thuận với tốc

độ quay của động cơ Mô phỏng dưới đây thể hiện mối quan hệ giữa momen đầu ra và vận tốc góc của động cơ:

Hình 1.10 Đồ thị biểu diễn momen đầu ra và vận tốc góc của động cơ

Nhận xét: Tại thời điểm ban đầu suất điện động phần ứng rất nhỏ, vì vậy dòng điện

phần ứng và momen cao Khi tốc độ quay của động cơ càng tăng thì dòng điện phần ứng

và momen đầu ra càng giảm

1.4.3 Thiết kế bộ điều khiển P cho hệ thống:

a Xây dựng bộ điều khiển P

Biểu đồ Bond Graph cho hệ thống được xây dựng như sau:

Hình 1.11 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng bộ điều khiển P

b Đánh giá chất lượng điều khiển

Ta đặt khối constant với V = 200 rad/s

Với Kp=1 ta có đáp ứng hệ thống như sau:

Hình 1.12 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P với Kp=1

Nhận xét: Tốc độ đầu ra của hệ thống là 139,418 rad/s Ta thấy vẫn tồn tại sai số xác lập khi hệ thống ổn định

Tiếp tục tăng Kp = 1000, ta thu được đáp ứng như sau:

Nhận xét: Tốc độ đầu ra của hệ thống là 199,92 rad/s Vậy sai số xác lập hệ thống

tiếp tục giảm nhưng độ vọt lố tăng và hệ dao động mạnh

Kết luận: bộ điều khiển P có ưu điểm là giảm sai số xác lập Hệ số Kp càng lớn

thì sai số xác lập càng nhỏ (luôn tồn tại sai số xác lập) Tuy nhiên khi Kp quá lớn sẽ làm

độ vọt lố càng cao, hệ thống càng kém ổn định

1.4.4 Thiết kế bộ điều khiển PI cho hệ thống:

a Xây dựng bộ điều khiển P

Biểu đồ Bond Graph cho hệ thống được xây dựng như sau:

Hình 1.13 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng bộ điều khiển PI

b Đánh giá chất lượng điều khiển

Đặt khối constant có giá trị V = 200 rad/s

Với Kp = 10; Ti = 1s, ta có đáp ứng hệ thống như sau:

Hình 1.14 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI với Kp=10, Ti =1s

Nhận xét: Tốc độ đầu ra của hệ thống là 199,9 rad/s Ta thấy đáp ứng hệ thống của

bộ điều khiển PI tốt hơn bộ điều khiển P

Giảm Ti = 0.1s và giữ nguyên Kp = 10, ta thu được đáp ứng hệ thống như sau:

Hình 1.15 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI với Kp=10, Ti=0.1s

Nhận xét: Tốc độ đầu ra của hệ thống là 200 rad/s Như vậy, sai số xác lập của hệ

thống gần như bị triệt tiêu hết Tuy nhiên, thời gian xác lập của hệ thống giảm và xuất hiện độ vọt lố

Kết luận: Đặc trưng của bộ điều khiển tích phân là có thể loại bỏ được sai lệch

Khi giảm hệ số Ti (tăng Ki) thì sai số xác lập giảm mạnh và có thể bị loại bỏ Tuy nhiên, đáp ứng quá độ của hệ thống chậm và độ vọt lố lớn

1.4.5 Thiết kế bộ điều khiển PD cho hệ thống:

a Xây dựng bộ điều khiển PD

Biểu đồ Bond Graph cho hệ thống được xây dựng như sau:

Hình 1.16 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng bộ điều khiển PD

b Đánh giá chất lượng điều khiển

Đặt khối constant có giá trị V = 200 rad/s

Với Kp = 10; Td = 1s, ta có đáp ứng hệ thống như sau:

Hình 1.17 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với Kp=10, Td =1s Nhận xét: Tốc độ đầu ra của hệ thống là 191,852 rad/s Hệ thống có tồn tại sai số xác lập

Tăng Td = 10s và giữ nguyên Kp = 10, ta thu được đáp ứng hệ thống như sau:

Hình 1.18 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với Kp=10, Td =10s

Nhận xét: Tốc độ đầu ra của hệ thống là 194,366 rad/s Ta thấy sai số xác lập đã

được giảm và thời gian dấp ứng của hệ thống tăng mà không có dao động xảy ra

Kết luận: Đáp ứng của bộ điều khiển vi phân là rất nhanh và có thể cải thiện được

độ ổn định của bộ điều khiển Nhưng bộ điều khiển này có xu hướng khuếch đại tín hiệu nhiễu

1.4.6 Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống:

a Xây dựng bộ điều khiển PID

Biểu đồ Bond Graph cho hệ thống được xây dựng như sau:

Hình 1.19 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng bộ điều khiển PID

b Lựa chọn thông số bộ điều khiển PID phù hợp:

Ta đặt khối constant có giá trị V = 200 rad/s

Với Kp=1; Ti=1; Td=1, ta có đáp ứng hệ thống như sau:

Hình 1.20 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ PID với Kp=1, Ti =1s, Td=1s Nhận xét: Tốc độ đầu ra của hệ thống là 199,749 rad/s Đáp ứng đầu ra không có

độ vọt lố, có thời gian xác lập lâu và sai số xác lập nhỏ

Qua quá trình điều chỉnh các thông số, nhóm em quyết định chọn bộ tham số PID:

Kp = 10, Ti = 200ms, Td = 10s

Hình 1.21 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ PID với Kp=10, Ti =200ms, Td=10s

Nhận xét:

+ Sai số xác lập được cải thiện Tốc độ đầu ra của hệ thống là 199,85 rad/s

+ Thời gian quá độ giảm đáng kể

+ Độ vọt lố cực kì nhỏ

BÀI 2 BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

NAM CHÂM VĨNH CỬU

2.1 Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu

2.1.1 Giới thiệu động cơ điện một chiều:

- Động cơ điện 1 chiều DC (DC là chữ viết tắt của cụm từ “Direct Current Motors” trong tiếng Anh) là một loại động cơ điều khiển bằng dòng điện có hướng được xác định Hay theo cách nói về bản chất thì đây chính là loại động cơ hoạt động bằng nguồn điện áp DC điện áp 1 chiều

2.1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu:

Hình 2.1: Cấu tạo động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu

Động cơ điện 1 chiều được cấu tạo bởi Stator, Rotor, chổi than và cổ góp

- Stator: Là phần đứng yên, được chế tạo sử dụng từ 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu

- Rotor: Bao gồm các phần như: cốt lõi, cuộn dây cùng với bộ chuyển mạch Lõi gia cố của động cơ được làm bằng 1 lớp sơn cách điện và được cách li mỏng 1 lớp nữa bằng thép

- Chổi than (còn được gọi là brushes): Làm nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho bộ phận cổ góp

- Cổ góp (còn được gọi là commutator): Thực hiện nhiệm vụ tiếp xúc và chia điện đều cho các cuộn dây ở trên phần rotor (phần quay)

2.1.3 Nguyên lí hoạt động

Tương tự như nguyên lý làm việc chung của toàn bộ động cơ DC Đó là khi 1 sợi dây dẫn mang vào trong 1 từ trường thì 1 lực cơ học sẽ xuất hiện bởi dây dẫn và hướng của lực này cũng sẽ được điều chỉnh bởi quy tắc bàn tay trái của Fleming

Như trong 1 động cơ DC nam châm vĩnh cửu, động cơ có phần ứng được đặt bên trong từ trường của thanh nam châm vĩnh cửu Các armature khi đó sẽ quay theo hướng của momen lực tạo ra Ở đây, mỗi sợi dây dẫn của bộ phận chịu lực cũng sẽ tác động đến lực cơ 1 lực

F = BIL (N)

Trong đó:

- B chính là cường độ từ trường, đơn vị tính là Tesla (weber/ m2),

- I là dòng điện chạy trong dây dẫn đó, được tính bằng Ampe (A),

- L là chiều dài của sợi dây dẫn, được tính bằng mét (m)

Mỗi dây dẫn của bộ phận động cơ nam châm vĩnh cửu máy giặt còn phải chịu 1 lực tổng hợp của tất cả các lực đó để tạo ra một mô men, nhằm tác động làm quay phần ứng

Mạch điện tương đương của nam châm vĩnh cửu DC motor hoặc pm DC motor cũng tương tự như trong động cơ pm DC, từ trường được sinh ra bởi nam châm vĩnh cửu, chúng ta không cần cuộn dây từ trường được vẽ trong mạch tương đương đối với động cơ DC nam châm vĩnh cửu

Điện áp cung cấp cho các armature lúc này sẽ có kháng armature phần còn lại của điện áp sẽ được cung cấp bởi bộ phận EMF của động cơ Do đó, phương trình điện áp của động cơ pm được tính bởi I là dòng điện ứng dụng và R tức là điện trở trong của động cơ, còn Eb là EMF và V chính là điện áp cung cấp cho động cơ

2.1.4 Các ứng dụng về động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu

Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu thường được sử dụng tương tự như động cơ khởi động ở bên trong xe ô tô, kính chắn gió, trong máy giặt, máy thổi dùng ở bên trong lò sưởi hoặc máy điều hòa không khí Động cơ pm có thể dùng để nâng và hạ cửa sổ, đồng thời, nó cũng được sử dụng khá rộng rãi trong các loại đồ chơi

Hình 2.1: Ứng dụng động cơ điện nam châm vĩnh cửu Khi cường độ từ trường của 1 nam châm vĩnh cửu được giữ cố định thì nó sẽ không thể được điều khiển bởi 1 lực từ bên ngoài, bởi lẽ, không gì có thể điều khiển được loại động cơ DC này Do đó, motor DC sử dụng nam châm vĩnh cửu chỉ được dùng khi không cần phải điều khiển tốc độ động cơ của motor bằng cách kiểm soát lực từ trường của nó

2.2 Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều

2.2.1 Tổng quát

Hệ thống điều khiển động cơ 1 chiều là 1 thiết bị hoặc 1 nhóm thiết bị phục vụ để điều chỉnh một cách xác định trước hiệu suất của động cơ 1 chiều Hệ thống điều khiển động cơ 1 chiều có thể bao gồm phương tiện thủ công hoặc tự động để khởi động và dừng động cơ, chọn chuyển tiếp hoặc quay ngược, chọn và điều chiỉnh tốc độ, điều chỉnh hoặc giới hạn momen xoắn, bảo vệ chống quá tải và lỗi

2.2.2 Phương pháp điều khiển:

Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách sử dụng điện trở

Đây được xem là phương pháp đơn giản nhất, chỉ cần mắc nối tiếp điện trở vào phần ứng, độ dốc của đường đặc tính sẽ giảm, số vòng quay giảm và tốc độ sẽ chậm đi tương ứng

Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách điều khiển từ thông Điều chỉnh từ thông hay còn được gọi là điều chỉnh momen điện từ và sức điện động của động cơ Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ sẽ tăng lên Tuy nhiên, trên thực tế, phương pháp này ít được sử dụng vì khá khó để thực hiện

Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách điều khiển điện áp phần ứng Chúng ta có thể lựa chọn điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ hoặc điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ Khi thay đổi điện áp của phần ứng thì tốc độ quay của động cơ cũng thay đổi tương ứng

2.2.3 Thông số cần quan tâm của bộ điều khiển động cơ 1 chiều

 Kích thước

 Nguồn cấp

 Kiểu điều khiển: điều khiển vô cấp tốc độ và mô men động cơ, mô men toàn phần ngay ở tốc độ không …

 Điện áp điều khiển động cơ

 Sai lệch tĩnh, ví dụ: < 1% trong mọi trường hợp,…

 Khả năng giới hạn dòng điện và điện áp điều chỉnh được

 Dải công suất