Giới thiệu tổng quan động cơ điện một chiều
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.25 MB, 23 trang )
<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">
<b>Mục lục</b>
Mục lục...1
Phần 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU...2
1.1 Tổng quan về động cơ điê ̣n một chiều...2
1.3 Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều...5
1.3.1 Phương pháp thay đổi điê ̣n áp phần ứng:...6
1.3.2 Phương pháp thay đổi từ thông động cơ...6
1.3.3 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng...7
Phần 2. PHƯƠNG TRÌNH MƠ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU...8
2.1 Phân tích vật lý...8
2.1.1 Phần ứng:...8
2.1.2 Phần kích từ:...9
Phần 3. XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH...10
3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph...10
3.1.1 Các bước thực hiện...10
Phần 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH GĨC QUAY CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG...14
4.1 Mơ phỏng đặc tính góc quay...14
4.2 Hệ thống điều khiển động cơ kích từ song song...15
4.2.1 Xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ P với hệ thống...16
4.2.2 Xét ảnh hưởng PI với hệ thống...17
4.2.3 Xét ảnh hưởng PD với hệ thống...19
4.2.4 Xét ảnh hưởng PID với hệ thống...20
Phần 5. KẾT LUẬN...22
</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2"><b>Danh mục hình ảnh</b>
Hình 1: Động cơ điện một chiều...3
Hình 2: Cấu tạo Stator...4
Hình 3: Cấu tạo Rotor...5
Hình 4: Sơ đồ điện động cơ điện một chiều kích từ song song...6
Hình 5:Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều...7
Hình 6:Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều...8
Hình 7:Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều...8
Hình 8:Phân tíc sơ đồ mạch điện...9
Hình 9: Sơ đồ hệ hở...15
Hình 10: Nhập thơng số...15
Hình 11: Tác động của các thơng số bộ điều khiển PID...16
Hình 12: Bộ điều khiển P...17
Hình 13: Bộ điều khiển P với Kp=1...17
Hình 14: Bộ điều khiển P với Kp=50...18
Hình 15: Bộ điều khiển PI...18
Hình 16: Bộ điều khiển PI với Kp=1, Ki=1...19
Hình 17: Bộ điều khiển PI với Kp=10, Ki=100...19
Hình 18: Bộ điều khiển PD...20
Hình 19: Bộ điều khiển PI với Kp=1,Kd=1...20
Hình 20: Bộ điều khiển PI với Kp=2, Kd=200...21
Hình 21: Bộ điều khiển PID...21
Hình 22: Bộ điều khiển PID với Kp=1,Ki=1,Kd=1...22
Hình 23: Bộ điều khiển PID với Kp=0.8,Ki=800,Kd=800...22
</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3"><b>Phần 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU1.1 Tổng quan về động cơ điê ̣n một chiều. </b>
<b>1.1.1 Khái niệm. </b>
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 dịng điện một chiều.
Cơng suất lớn nhất của máy điện một chiều vào khoảng 5-10 MW. Hiện tượng tia lửa ở cổ góp đã hạn chế tăng cơng 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.
<b>1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều. </b>
Giống như những máy điện quay khác nó cũng gồm phần tĩnh (stato) và phần quay (rotor). Về chức năng máy điện một chiều cũng được chia thành phần cảm (kích từ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng). Khác với máy điện đồng bộ, ở máy điện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh còn phần ứng là ở rơto.
Phần tĩnh (stato):
<i>Hình 1: Động cơ điện một chiều.</i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4"><i>Hình 2: Cấu tạo Stator.</i>
Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ được làm bằng những lá thép kĩ thuật điện hay thép cacbon dày 0.5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc 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.
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 ở cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông.
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.
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.
Cơ cấu chổi than: Để đưa dịng điện từ phần quay ra ngồi. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lị 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.
Phần quay (rotor):
</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5"><i>Hình 3: Cấu tạo Rotor.</i>
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 dịng điện xốy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.
Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dịng điện chạy qua, dây qn phần ứng thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện. 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 bằng tre, gỗ hoặc bakelit.
Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một trục hình trịn. Hai đầu trục trịn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ trịn cũng cách điện bằng mica. Đi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng.
Các bộ phận khác:
Cánh quạt: Cánh quạt dùng để làm mát động cơ. Cánh quạt được lắp trên trục động cơ để hút gió từ ngoài qua các khe hở trên nắp máy, khi động cơ làm việc gió từ ngồi vào qua các khe hở trên nắp máy , khi động cơ làm việc gió hút vào làm nguội dây quấn, mạch từ.
Trục máy: Trục máy được làm bằng loại thép cứng nhiều cacbon. Trên trục máy đặt lõi thép phần ứng và cổ góp. Hai đầu của trục máy được gối lên 2 vòng bi ở nắp máy.
</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6"><b>1.1.3 Nguyên lí hoạt động. </b>
Khi cấp điện áp một chiều <i><small>U</small><sub>ư</sub></i> vào mạch phần ứng, trong dây quấn phần ứng có điện. Các thanh dẫn có dịng điện Iư nằm trong từ trường Φ do stator sinh ra sẽ chịu lực F (lực Lorentz) tác dụng làm rotor quay, chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái (mũi tên màu đỏ ở hình dưới). Khi cuộn dây phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiếu góp nên chiều dịng điện trong cuộn dây phần ứng được dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi. Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động E<small>ư</small> chiều của suấtđiện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sức điện động Eư ngược chiều dòng điện I<small>ư</small> nên E<small>ư</small> được gọi là sức phản điện động.
<b>1.2 Động cơ điện một chiều kích từ song song. 1.2.1 Giới thiệu. </b>
Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn kích từ được cấp điện từ nguồn điện mộtchiều nối song song với nguồn điện cấp cho rotor. Cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn điện thì động cơ là loại kích từ song song .Trường hợp này nếu nguồn điện có cơng suất rất lớn so với cơng suất động cơ thì tính chất động cơ sẽ tương tự động cơ một chiều kích từ độc lập. Khi động cơ làm việc, rotor mang cuộn dây phần ứng quay trong từ trường của cuộn dây phần cảm (cuộn kích từ) nên trong cuộn dây phần ứng sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ.
<i>Hình 4: Sơ đồ điện động cơ điện một chiều kích từ song song.</i>
<b>1.3 Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều.</b>
Ta có phương trình tốc đô ̣ quay của đô ̣ng cơ:
</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7"><b>1.3.1 Phương pháp thay đổi điê ̣n áp phần ứng:</b>
Khi thay đổi điê ̣n áp cấp cho cuô ̣n dây phần ứng, ta có các họ đă ̣c tính cơ ứng với các tốc đô ̣ không tải khác nhau, song song và có cùng đơ ̣ cứng. Điê ̣n áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U<<i><small>Uđm) nên phương pháp này chỉ cho phép điều</small></i>
chỉnh giảm tốc đơ ̣.
<i>Hình 5:Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều</i>
<small>1.3.2 </small><b>Phương pháp thay đổi từ thông động cơ.</b>
<i>Để thay đổi từ thông đô ̣ng cơ: </i>ta tiến hành thay đổi dịng điện kích từ của động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ. Rõ ràng phương pháp này chỉ có thể thay đổivề phía giảm từ thơng. Khi giảm từ thơng, đặc tính dốc hơnvà có tốc độ khơng tải lớn hơn.
</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8"><i>Hình 6:Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều</i>
1.3.3 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng.
Khi tăng điện trở phần ứng, đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng. Đặc điểm củaphương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điệntrở ở mạch phần ứng:
Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càngkém, sai số tốc độ càng lớn.
<i>Hình 7:Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều</i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9"><b>Phần 2. PHƯƠNG TRÌNH MƠ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU2.1 Phân tích vật lý.</b>
<i>Hình 8:Phân tíc sơ đồ mạch điện.</i>
Mạch mắc song song nên ta có: Với <i><small>U</small></i>(<i><small>t</small></i>)<i><small>=U</small><sub>ư</sub></i>(<i><small>t</small></i>) là điện áp đầu vào (V).
<i><small>Lư là giá trị điện cảm phần ứng (H).</small></i>
<i><small>Rư là giá trị điện trở phần ứng (Ω).</small></i>
<i><small>θ</small></i>là góc xoay động cơ.
Laplace 2 vế phương trình 2.3 ta được:
<i><small>U</small></i>(<i><small>s</small></i>)<i><small>=sL</small><sub>ư</sub><small>. I</small><sub>ư</sub></i>(<i><small>s</small></i>)<i><small>+R</small><sub>ư</sub><small>. I</small><sub>ư</sub></i>(<i><small>s</small></i>)<i><small>+sK .θ</small></i>(<i><small>s</small></i>) (2.4)
</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10"><i><small>b</small></i> là hệ số cản của động cơ (Nms/rad).
<i><small>J</small></i> là momen quán tính (Nms/rad).
</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">Thay số vào phường trình (2.19):
+ Điện cảm phần ứng <i><small>Lư: 17.5.</small></i><small>10</small><sup>−3</sup> H
<b>Phần 3. XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph.</b>
<b>3.1.1 Các bước thực hiện.</b>
<b>Bước 1: Mỗi vị chí trong mạch có điện thế khác nhau thì đặt các Junction 0</b>
đối với phần tử điện.
</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12"><b>Bước 2: Chèn mỗi phần tử mạch (R</b><small>ư</small>, L<small>ư</small>, R<small>kt</small>, L<small>kt</small>) bằng kết nối nó với 1-junctions bằng đường power bond.
<b>Bước 3: Gán chiều công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ.</b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13"><b>Bước 4: Tại các vị trí có thế đất đã được xác định, xóa bỏ các 0-junctions và</b>
tất cả các bonds kết nối đến nó.
<b>Bước 5: Đơn giản hố sơ đồ.</b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">Biểu đồ Bond Graph có hai phía. Một bên là phần tử điện bao gồm điện áp đặt
vào, điện trở phần ứng và điện cảm phần ứng, điện trở kích từ và điện cảm kích từ. Bên cịn lại chứa các thành phần qn tính và độ cản quay.
</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15"><b>Phần 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH GĨC QUAY CỦA ĐỘNGCƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG.</b>
<b>4.1 Mơ phỏng đặc tính góc quay.</b>
<i>Hình 9: Sơ đồ hệ hở.</i>
Nhập các thơng số cho hệ thống:
<i>Hình 10: Nhập thơng số.</i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">Kết quả:
Nhận xét: khi chưa có bộ điều khiển, góc quay tăng dần đến vơ cực và khơng thể điều khiển được góc quay theo ý muốn, hệ thống khơng ổn định. Do đó cần thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống.
<b>4.2 Hệ thống điều khiển động cơ kích từ song song.</b>
Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. PID là viết tắt của Proportional (tỷ lệ), Integral (tích phân) và Derivative (vi phân). Điều khiển PID thực hiện 3 quá trình điểu khiển khác nhau với hàm sai số . Bộ điều khiển PID sẽ tính tốn giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.
<i>Hình 11: Tác động của các thông số bộ điều khiển PID.</i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17"><b>4.2.1 Xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ P với hệ thống.</b>
<i>Hình 12: Bộ điều khiển P.</i>
Đặc điểm của bộ điều khiển P:
+ Tín hiệu đầu ra trùng pha với tín hiệu đầu vào.
+ Hệ số Kp càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ (luôn tồn tại sai số xác lập). + Tuy nhiên nếu hệ số tỉ lệ càng lớn sẽ làm độ vọt lố càng cao, hệ thống càng kém ổn định.
Kết quả:
<i>Hình 13: Bộ điều khiển P với Kp=1.</i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18"><b>Nhận xét: Với các thơng số ban đầu (Kp=1), thời gian đáp ứng cịn lớn, cần</b>
tăng Kp để giảm thời gian đáp ứng của hệ thống.
<i>Hình 14: Bộ điều khiển P với Kp=50.</i>
<b>Nhận xét: Khi tăng Kp lớn hệ thống mất ổn định.4.2.2 Xét ảnh hưởng PI với hệ thống.</b>
<i>Hình 15: Bộ điều khiển PI.</i>
Đặc điểm của khâu PI:
+ Khâu hiệu chỉnh PI làm chậm đáp ứng quá độ. + Tăng độ vọt lố.
+ Triệt tiêu sai số xác lập của hệ thống.
</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19"><i>Hình 16: Bộ điều khiển PI với Kp=1, Ki=1.</i>
<b>Nhận xét: Với Kp=1, Ki=1: Độ vọt lố cao, chậm thời gian đáp ứng, hệ thống</b>
mất ổn định.
<i>Hình 17: Bộ điều khiển PI với Kp=10, Ki=100.</i>
<b>Nhận xét: Với Kp=10, Ki=100 sai số xác lập đã được loại bỏ, hệ thống hoạt</b>
động ổn định.
</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20"><b>4.2.3 Xét ảnh hưởng PD với hệ thống.</b>
<i>Hình 18: Bộ điều khiển PD.</i>
Đặc điểm của khâu PD:
+ Khâu hiệu chỉnh PD làm chậm đáp ứng quá độ. + Triệt tiêu sai số xác lập của hệ thống.
<i>Hình 19: Bộ điều khiển PI với Kp=1,Kd=1.</i>
<b>Nhận xét: Với Kp=1, Kd=1: Thời gian đáp ứng chậm.</b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21"><i>Hình 20: Bộ điều khiển PI với Kp=2, Kd=200.</i>
<b>Nhận xét: Với Kp=2, Kd=200: Thời gian đáp ứng ngắn, hệ thống làm việc</b>
ổn định.
<b>4.2.4 Xét ảnh hưởng PID với hệ thống.</b>
<i>Hình 21: Bộ điều khiển PID.</i>
Đặc điểm của khâu PID:
+ Khâu hiệu chỉnh PID làm giảm độ vọt lố. + Làm nhanh đáp ứng quá độ của hệ thống.
+ Tuy nhiên cũng làm cho hệ thống rất nhạy với nhiễu tần số cao.
</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22"><i>Hình 22: Bộ điều khiển PID với Kp=1,Ki=1,Kd=1.</i>
<b>Nhận xét: Với Kp=1, Ki=1, Kd=1: Độ vọt lố cao, thời gian đáp ứng chậm.</b>
<i>Hình 23: Bộ điều khiển PID với Kp=0.8,Ki=800,Kd=800.</i>
<b>Nhận xét: Với Kp=0.8, Ki=800, Kd=800: Sai số xác lập được cải thiện đáng</b>
kể. Khơng cịn độ vọt lố. Hệ thống hoat động ổn định.
</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23"><b>Phần 5. KẾT LUẬN</b>
Qua quá trình nghiên cứu, tìm hiểu,chúng em nắm được cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các thông số kỹ thuật của động cơ điện một chiều. Khi tìm hiều và giải quyết những vấn đề đặt ra trong yêu cầu của bài tập chúng em đã xây dựng dược phương trình trạng thái mơ tả động cơ điện một chiều kích từ song song, đồng thời thiết kế và xây dựng biểu đồ bond graph bằng phần mềm 20-sim để mô phỏng cho động cơ điện một chiều kích từ song song và hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều kích từ song song và có thể áp dụng cho các động cơ khác. Ngồi ra, học phần cũng hoàn thiện việc nghiên cứu các cơ sở tính tốn bằng việc xây dựng biểu đồ bond graph, sử dụng phần mềm 20-sim để đánh giá hệ thống động cơ điện một chiều. Cuối cùng, một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS.Phan Đình Hiếu, thầy đã hướng dẫn và chỉ bảo nhóm em suốt thời gian qua để em có thể hồn thành bài tập lớn này.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn!
</div>
