Xây dựng mô hình hệ truyền động đảm bảo đồng bộ tốc độ giữa 2 động cơ để đảm bảo xe đi thẳng về phía trước động cơ truyền động sử dụng động cơ một chiều kích từ đôc lập sử dụng nguồn cấp riêng

Do yêu cầucủa môn học và nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết hệ thống truyền động ,góp phần hoàn thiện và củng cố kiến thức của môn học “Tổng hợp hệ điện cơ”em được nhận đề tài”

Mục Lục

Lời mở đầu 2

Chương 1- Khái quát về động cơ một chiều 3

1.1 Cấu tạo chung của động cơ một chiều: 3

1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 3

1.3 Các trị số định mức của động cơ điện một chiều 3

1.4 Phân loại động cơ điện một chiều 3

1.5 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 3

1.6 Các phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 3

Chương 2: Xây dựng mô hình động cơ và các mạch vòng điều chỉnh đảm bảo đồng bộ tốc độ giữa 2 động cơ 3

2.1 Xây dựng mô hình cho động cơ điện 1 chiều 3

2.2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển 3

2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện 3

2.4 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 3

Chương 3: Mô phỏng các đặc tính của hệ thống truyền động điện cơ và tính chọn các bộ điều khiển 35

3.1 Mô phỏng trên simulink 35

3.2 Đánh giá kết quả 3

Lời mở đầu

Đối với kỹ sư điều khiển - tự động hóa nói riêng và những người nghiên cứukhoa học - kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo sát cácđối tượng, hệ thống hay qúa trình - vật lý, mà không nhất thiết phải có đối tượng hay

hệ thống thực Được trang bị công cụ mô phỏng mạnh và có hiểu biết về các phươngpháp mô hình hóa, người kỹ sư sẽ có khả năng rút ngắn thời gian và giảm chi phínghiên cứu - phát triển sản phẩm một cách đáng kể Điều này đặc biệt có ý nghĩa khisản phẩm là các hệ thống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế lớn Do yêu cầucủa môn học và nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết hệ thống truyền

động ,góp phần hoàn thiện và củng cố kiến thức của môn học “Tổng hợp hệ điện

cơ”em được nhận đề tài” Xây dựng mô hình hệ truyền động đảm bảo đồng bộ tốc độ giữa 2 động cơ để đảm bảo xe đi thẳng về phía trước Động cơ truyền động sử dụng động cơ một chiều kích từ đôc lập sử dụng nguồn cấp riêng”

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

1.1 Cấu tạo chung của động cơ 1 chiều

Động cơ một chiều bao gồm 2 phần phần cảm (phần tĩnh) và phần ứng (phần quay)

* Phần cảm (stator)

Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏmáy và các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng điện chạy trong dâyquấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau Cực từchính gắn với vỏ máy nhờ các bulông Ngoài ra máy điện một chiều còn có nắp máy,cực từ phụ và cơ cấu chổi than

Hình 1.2 Lá thép rôto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều

1 Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm,phủ sơn cách điện ghép lại Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh để đặt dâyquấn phần ứng (hình 1.2)

2 Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong cácrãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín Phần tử của dây quấn là mộtbối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của vành góp(hình 1.3a) hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên(hình 1.3b)

3 Cổ góp (vành góp) hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hìnhđuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện vớitrục máy

Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy…

1.2 Nguyên lí làm việc của động cơ điện 1 chiều

Trên hình 1.4 khi cho điện áp 1 chiều U vào 2 chổi than A và B, trong dây quấnphần ứng có dòng điện Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ trường

sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo lên mômen tác dụng lên rôto ,làm quayrôto Chiều của lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái

Hình 1.4 Mô tả nguyên lí làm việc của động cơ điện 1 chiềuKhi phần ứng quay được nửa vòng thì vị trí thanh dẫn ab và cd đổi chỗ cho nhau, nhờ

có phiến góp đổi chiều dòng điện nên dòng điện 1 chiều biến đổi thành dòng điệnxoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đólực tác dụng nên rôto cũng theo 1 chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quaykhông đổi

1.3 Các chỉ số định mức của động cơ điện 1 chiều

Chế độ làm việc của máy điện nói chung và động cơ điện 1 chiều nói riêng là chế

độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy định Chế độ đó được đặctrưng bằng các đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là các đại lượng định mức

+ Công suất định mức Pđm (KW hay W)

+ Điện áp định mức Uđm(V)

+ Dòng điện định mức Iđm(A)

+ Tốc độ định mức nđm(v/p)

Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ và dòng điện kích từ

1.4 Phân loại các động cơ điện 1 chiều

Dựa theo cuộn kích từ, động cơ điện 1 chiều có các loại như sau:

+ Động cơ điện 1 chiều kích từ song song

+ Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

+ Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

+ Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp

1.5 Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

* Định nghĩa: Phương trình đặc tính cơ là đồ thị miêu tả mối quan hệ giữa

mô men điện từ Mđt và tốc độ góc  của động cơ

E

0

0

K E

R I

.

.

      



K

R M K

U K

R I K



Độ cứng đặc tính cơ:

u R

1

1.6 Các cách khởi động động cơ 1 chiều kích từ độc lập

N p

=0Dòng điện phần ứng lúc mở máy là: Iumở = R u

+ Giảm điện áp đặt vào phần ứng:

Phương pháp này là phương pháp thường dùng hơn cả nó đòi hỏi có một nguồnđiện có thể điều chỉnh được điện áp như nguồn chỉnh lưu, hệ máy phát động cơ hay

bộ băm xung một chiều Phương pháp này dùng kết hợp với việc điều chỉnh tốc độđộng cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng rất tiện lợi

1.7 Các trạng thái hãm của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mô men quay ngược chiều tốc độquay Trong tất cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát Tùytheo cách biến đổi năng lượng cơ trong khi hãm người ta chia làm 3 trạng thái hãm:

a) Hãm tái sinh:

Năng lượng động cơ trả vể nguồn xẩy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơntốc độ không tải lý tưởng Khi hãm tái sinh Eu>Uu, động cơ làm việc như một máyphát điện song song với lưới , so với chế độ động cơ dòng điện và mô men hãm đã đổichiều Đường đặc tính cơ trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ II và thứ

IV của mặt phẳng toạ độ.Trong trạng thái hãm tái sinh dòng điện hãm đổi chiều vàcông suất đưa trả về lưới điện có giá trị

P = (E –U) I

b) Hãm ngược:

Năng lượng của nguồn và động cơ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt Xẩy ra khi phầnứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động do mômenthế năng quay ngược chiều với mômen điện từ của động cơ Mômen sinh ra bởi động

cơ chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản suất có hai trường hợp hãm ngược :

+ Đưa điện trở vào mạch phần ứng

+ Đảo chiều điện áp phần ứng

c) Hãm động năng:

Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học củađộng cơ đã tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêután trong mạch hãm dưới dạng nhiệt

Như vậy ta thấy hãm tái sinh là phương pháp hãm tiết kiệm được năng lượngnhất, và điều này là rất cần thiết, nhất là đối với các động cơ chạy bằng acqui Vì vậy,trong khi thiết kế bộ băm điện áp, ta cố gắng điều khiển động cơ hãm tái sinh

1.8 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều kích từ độc lập

a) Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Đặc điểm :

- Đặc tính cơ là các đường song song với đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, do đó độcứng của đặc tính cơ không thay đổi

- Do U chỉ có thể giảm do đó chỉ có thể điều chỉnh giảm tốc độ của động cơ

- Có thể thay đổi U băng các van bán dẫn

b) Thay đổi điện trở phần ứng R u :

1

n 2

n 3

M n

M C

U dm > U 1 > U 2 > U 3

n cb > n 1 > n 2 > n 3

Đặc điểm :

- Khi thêm Ruf vào phần ứng động cơ thì độ cứng của đặc tính cơ giảm hay đặc tính

cơ của động cơ giảm đi có nghĩa là với một sự thay đổi rất nhỏ của tải sẽ dẫn đến một

sự thay đổi rất lớn của  nên không ổn định do đó trên thực tế điều chỉnh tốc độ băng

Ru ít được sử dụng

- Ngoài ra khi thêm Ru vào phần ứng cũng có nghĩa là tăng tổn hao làm nóng động

cơ Phương pháp này chỉ sử dụng để giảm dòng mở máy khi khởi động động cơ

1.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Đặc điểm :

- Vì từ thông trong lõi thép rất dễ bão hoà nên người ta thường chỉ điều chỉnh giảm

từ thông trong động cơ

- Khi từ thông dm giảm đến i thì có một Mik nào đó, khi Mc< Mik việc giảm  sẽlàm tăng tốc độ động cơ, khi Mc >Mik việc giảm  sẽ làm tốc độ động cơ

Trên thực tế điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là rất khó thực hiện vìquan hệ () là phi tuyến

n cb n

M, I

0 < R f1 < R f2 < R f3

n cb > n 1 > n 2 > n 3

Chương 2: Xây dựng mô hình động cơ và các mạch vòng điều chỉnh

đảm bảo đồng bộ tốc độ giữa 2 động cơ

2.1 Xây dựng mô hình cho động cơ điện 1 chiều.

Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến trong các hệthống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều (Đ) từ vài Wđến vài MW Giản đồ kết cấu chung của Đ như hình 1.5, phần ứng được biểu diễn bởivòng tròn bên trong có sức điện động E, ở phần stato có thể có vài dây quấn kích từ:dây quấn kích từ độc lập CKĐ, dây quấn kích từ nối tiếp CKN, dây quấn cực từ phụ

CF và dây quấn bù CB Hệ thống các phương trình mô tả Đ thường là phi tuyến, trong

đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường là điện áp phần ứng U, điện ápkích từ Uk; tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động cơ ω, mômen quay M, dòng điệnphần ứng I, hoặc trong một số trường hợp là vị trí của rôto φ Mômen tải Mc làmômen do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mômen tải là nhiễu loạn quantrọng nhất của hệ truyền điện tự động

Hình 2.1 Giản đồ thay thế động cơ một chiều

2.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ

có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ Tiếp đó đặt một giá trịđiện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện chạy qua

Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ, giátrị của mômen điện từ được tính như sau:

M = I k I

a

N p





.

2

.

'

 Trong đó: p’ - số đôi cực của động cơ;

N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ;

a - số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng;

k = p’N/2пa - hệ số kết cấu của máy.a - hệ số kết cấu của máy

Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quétqua từ thông và trong các dây dây quấn này cảm ứng sức điện động (sđđ):

E =  

  ka

N p

2

.

'

Trong đó: ω - tốc độ góc của rôto

Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện

 Trong đó Rư- điện trở mạch phần ứng của động cơ

Từ các phương trình trên có thể vẽ được họ đặc tính cơ M(ω) của động cơ mộtchiều khi từ thông không đổi, hình 2.2



Hình 2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi

2.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều

Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 1.5 như sau:

* Mạch kích từ, có hai biến dòng điện kích từ ik và từ thông Φ là phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:

Uk(p) = RkIk(p) + Nk.p.Φ(p)

Trong đó: Nk - số vòng dây cuộn kích từ;

Rk - điện trở cuộn dây kích từ

p E p p N p U pT

R

N u

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc chung của động cơ một chiều

Ta thấy rằng sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh (có khâu phi tuyến), do đó trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc (phương pháp số gia)

Trước hết chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá

và đặc tính mômen tải như hình 2.4

Hình 2.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải

Độ dốc của đặc tính từ hoá và đặc tính cơ mômen tải tương ứng (bỏ qua hiện tượng từ trễ) là:

MCB Biến thiên nhỏ của các đại lượng trên tương ứng là: ∆U, ∆I, ∆ω, ∆Uk, ∆Ik, ∆Φ và

- Phương trình chuyển động cơ học:

K[Φ0 + ∆Φ].[Iư0 + ∆Iư] - [Mc0 + ∆Mc] = Jpd[ω0 + ∆ω]/dt

Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết đượccác phương trình của gia số như sau:

∆Uư = Rư∆Iư + pLư∆Iư + KΦ0∆ω +K∆Φω0

∆Uk = Rk∆Ik(p) (1 + pTk)

K∆ΦIư0 +KΦ0∆Iư - ∆Mc = J d∆ω/dt

Từ các phương trình trên ta suy ra sơ đồ cấu trúc chung đã được tuyến tính hoá của động cơ một chiều kích từ độc lập

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa

Sau đây ta xét một số trường hợp đặc biệt của động cơ một chiều kích từ độc lập trong chế độ quá độ.

a) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với Φ = const.

Khi dòng điện từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi

b) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với điện áp phần ứng không đổi

Khi giữ điện áp phần ứng không đổi và điều chỉnh điện áp kích từ thì do tính chất phi tuyến của mạch từ nên tốt nhất là sử dụng sơ đồ tuyến tính hoá quanh điểm làm việc Sơ đồ cấu trúc này được thể hiện trên hình 2.5, trong đó tín hiệu điện áp phần ứng ∆Uư = 0

Phương pháp này có ưu điểm là: bộ chỉnh lưu có điều khiển trong mạch kích từ nhỏ gọn hơn, rẻ tiền hơn, với công suất nhỏ hơn dẫn đến kích thước và trọng lượng nhỏ hơn

Tuy nhiên nó có những nhược điểm cơ bản đó là:

- Đụng chạm đến tính phi tuyến của động cơ.

- Số vòng dây của cuộn kích từ lớn hơn do đó hằng sô thời gian mạch kích từ lớn hơn nhiều so với mạch phần ứng (Tk>>Tu) dẫn đến thời gian quá độ của hệ kéo dài

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ quay hẹp và còn bị phụ thuộc nhiều vào giá trị mômen cản

Do ảnh hưởng của từ dư sẽ gây ra sai lệch trong quá trình thực hiện đảo chiều quay động cơ

Lựa chọn động cơ và tính toán các thông số mô phỏng:

dm dm P

 =1571100,08=70 , 03 (Nm)

 K 

dm

dm I

M

=7059,,035 =1 , 2

0 , 071 ( )

197 , 0

014 , 0

s R

L T

Hình 2.9 Đặc tính dòng điện

2.2 Cấu trúc điều khiển

ĐC

BD MFT

BD MFT

wsp

w1 I1

-w2 I2

Mc

Mc

Hình 2.10 sơ đồ cấu trúc hệ thốngĐây là phương pháp điều khiển đồng bộ tốc độ động cơ theo động cơ chủ đạo

Ưu điểm:

- Trong cấu trúc này tốc độ động cơ trước làm tín hiệu đặt cho động cơ sau Mỗi động cơ được điều khiển bằng một bộ điều khiển tốc độ riêng Cấu trúc này có ưu điểm làm chất lượng đáp ứng tốt hơn trong qúa trình quá độ cũng như phản ứng với nhiễu.

Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện

SI là hàm truyền củađối tượng cho bộ điều khiển dòng RI

S I =(1 )(1 BĐ ) (1 )

p T R

p T p T

k

u u

v u

u

I BĐ

K I = 0,17

5 , 59

u

I BĐ

u u

.

2

) 1

Muốn thay đổi chiều quay của hệ thì phải thay đổi dấu của tín hiệu đặt.

Cần phải lắp thêm bộ hạn chế dòng điện sau bộ điều khiển tốc độ để giảm tín hiệuđặt cho mạch vòng dòng điện

Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh tốc độ có mạch vòng dòng điện: Mc

Cu

.

p T

p T p T

K F

SI SI

I I

2 1

/ 1

K

SI I

1 2 1

/ 1

Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh:

S J.K .p C(1.K2T .p)

s I

J R T

T = 0,001 (s) (chọn)Theo tiêu chuẩn modul tối ưu ta có:

c I

T R

T K K R

4

1 K

.



Thay số ta có :

.4.01,003

063 , 0 197 , 0

0766 , 0 2 , 1 17 , 0

Tính toán các thông số để mô phỏng:

Trong đó nb/xe là tốc độ quay của bánh xe

b xe

b

R

v n

2

/

