Bài tập lớn mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (562.73 KB, 28 trang )
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
Khoa Cơ khí
--------------------------------------------------------
BÀI TẬP LỚN MƠN: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG
Giáo viên hướng dẫn :
Sinh viên thực hiện
:
TS. Phan Đình Hiếu
MSV:
Hà Nội - 2021
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.................................................................................................................................
...................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
...........................................................................................
Hà Nội,ngày tháng năm 2021
Giáo viên hướng dẫn
2
ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
..............
Hà Nội, ngày tháng năm 2021
Giáo viên chấm phản biện
3
MỤC LỤC
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN................................................5
1.1 Tổng quan động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp........................................5
1.1.1 Đặc điểm...................................................................................................5
1.1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều................................................................5
1.1.3 Nguyên lí hoạt động..................................................................................7
1.2 Các ứng dụng về động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp..............................8
1.3 Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều......................................................8
1.4 Suất điện động phần ứng của máy điện một chiều..........................................9
1.5 Công suất và momen của máy điện một chiều..............................................10
1.5.1 Cơng suất điện từ....................................................................................10
1.5 Phương trình vật lí mơ tả động cơ điện mộ chiều kích từ nối tiếp...........10
XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN..............................................................................................13
2.1 Xây dựng biểu đồ bond graph cho động cơ điện...........................................13
2.2 Xây dựng hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều................................17
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH GĨC QUAY
CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ..........................................................18
DỤNG PHẦN MỀM 20-SIM.............................................................................18
3.1.2 Đánh giá..................................................................................................19
3.2 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của hệ thống điều khiển động
cơ điện 1 chiều..............................................................................................20
3.2.1 Mô phỏng................................................................................................20
3.2.2 Đánh giá..................................................................................................23
4
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
1.1.1 Đặc điểm
Chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ và ngược lại.
Đa phần hoạt động theo nguyên lý điện từ.
Tùy vào cấu tạo động cơ sẽ có nguyên lý hoạt động khác nhau: lực tĩnh
điện hay hiệu ứng điện áp.
1.1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều có cấu tạo hai phần chính: phần cảm (stator), phần
ứng (roto).
1.1.2.1 Phần cảm (stator)
A, Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm lõi sắt cực từ và dây cuốn kích từ
lồng ngồi lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ 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.
Hình 1.1 Cực từ phần cảm
5
1. Bulông
2. Vỏ máy
3. Lõi sắt cực từ
4. Dây quấn kích từ
B, Cực từ phụ: Các cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và để cải thiện đổi
chiều.
C, Cổ góp: Gơng từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.
D, Các bộ phận khác:
- 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 dòng 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.
1.1.2.2 Phần ứng (Roto)
Hình 1.2 Lá thép phần ứng
1. Rãnh Lỗ
2. Thơng gió
A, Lõi sắt phần ứng:
Lõi sắt phần ứng dụng để dẫn từ,thường được làm bằng tôn Silic có phủ một
lớp cách điện sau đó được ép lại để giảm tổn hao dịng fucơ gây nên. Trên các lá
thép có dập các rãnh để khi ép lại tạo thành các rãnh đặt cuộn dây phần ứng vào.
B, Dây quấn phần ứng:
Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dịng điện chạy
qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Dây quấn
được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép
C, Cổ góp:
Dùng để đổi chiều dịng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp bao gồm
nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2mm
và hợp thành một hình trục trịn. Hai đầu trục trịn dùng hai hình ốp hình chữ V ép
chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica.
D, Các bộ phận khác:
- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy.
- Trục máy: thường làm bằng thép cacbon. Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp,
cánh quạt và ổ bi.
1.1.3 Nguyên lí hoạt động
Động cơ điện 1 chiều hoạt động chủ yếu dựa vào định luật cảm ứng điên từ
của faraday.
Khi có một dịng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non,
cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối
diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của
Fleming. Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay.
Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm
chuyển mạch dịng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt
của cuộn dây song song với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động
cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay
theo qn tính.
Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ
sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm
ứng. Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức
phản điện
động hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào
động cơ. Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được
sử dụng như một máy phát điện.
1.2 Các ứng dụng về động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
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 một chiều được dùng nhiều trong các máy công cụ lớn, u cầu tốc
độ và số vịng quay cao.
•
Động cơ 1 chiều chúng ta thường thấy nhất là trong các ứng dụng đồ chơi, xe
mơ hình, động cơ sử dụng pin để hoạt động là động cơ một chiều hết nha các bạn.
•
Như vậy động cơ 1 chiều được ứng dụng trong hầu hết các thiết bị như : ổ
đĩa, máy photocopy,….
1.3 Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều
Hình 1.3 Hệ thống điều khiển động cơ
Các phần tử trong hệ thống:
-
Khối chức năng gồm: bộ điều khiển (controller) và mạch điện điều khiển
(plant).
-
Bộ tổng: giúp tính số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi.
-
Giá trị đặt: là giá trị mong muốn trong quá trình điều khiển.
-
Giá trị phản hồi: là giá trị hiển thị sau khi thực hiện quá trình điều khiển.
Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative): là một cơ chế phản
hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ
thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng
nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. 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.
1.4 Suất điện động phần ứng của máy điện một chiều.
Hình 1.4 Mạch điện
Sức điện động e được tạo bởi một thanh dẫn có bề dài l di chuyển với vận
tốc v trong từ trường đều B tạo ra bởi phần cảm, ta có:
e B.l.v
Sức điện động trên tồn bộ dây quấn phần ứng được xác định theo quan hệ sau :
=
=
Trong đó : N : Tổng số thanh dẫn phần ứng
2a: Số mạch nhánh song song phần ứng
P:Số đôi cực
: Từ thơng kích từ qua một cực từ
: Hệ số phụ thuộc vào cấu tạo động cơ
1.5 Công suất và momen của máy điện một chiều
1.5.1 Cơng suất điện từ
Pdt Eu .Iu
1.5 Phương trình vật lí mơ tả động cơ điện mộ chiều kích từ nối tiếp
Hình 1.5 Sơ đồ mạch điện của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp
Sử dụng định luật kirchhoff 2 cho mạch động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp
u(t)=(t)+(t)
u(t)=(t) + + (t) + +
Động cơ bao gồm phần ứng và phần kích từ với động cơ điện 1 chiều kích từ
nối tiếp được sử dụng 1 nguồn 1 chiều cấp nối tiếp cho mạch kích từ và mạch
phần ứng:
==
(t) = (+) + (+)+
(t) = ( + )+ ( + ) + K
(t) = ( + )+ ( + ) +
= - -
(1)
(2)
Trong đó
= K
điện trở phần ứng
điện trở phần kích từ
điện cảm phần kích từ
điện cảm phần ứng
(t): điện áp cấp cho mạch điện
Áp dụng định luật II newton cho chuyển động quay của trục động cơ:
=+b+J
(4)
= = Trong đó : = =
(5)
(6)
là momen tải
là hệ số cản
là momen quán tính
=
Biến đổi laplace của phương trình (1) ,(3),(4),(6) ta được :
= ( + ).I(s) + ( + ).I(s).S + (s)
(s) = =
= + b(s)S + Jb(s)
M(s)=
=
Suy ra :
Từ (2),(5) ta có phương trình trạng thái mơ tả động cơ điện một chiều kích từ nối
tiếp :
==.+.u(t)
XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN
2.1 Xây dựng biểu đồ bond graph cho động cơ điện
Xét phần điện của hệ thống:
Hình 2.1 Mạch điện động cơ điện 1 chiều kích từ nối
tiếp
Hình 2.2 Đặt các junction 0 vào các điểm có điện thế khác nhau
Rút gọn sơ đồ :
Hình 2.3 Loại bỏ các junction 0
Hình 2.4 Sơ đồ rút gọn
Hình 2.5 Các phần tử của hệ điện
Xét phần cơ khí:
Hình 2.6 Các phần tử của hệ cơ khí
Để kết nối 2 phần trên thì phần tử MGY là phần tử biến đổi điện năng thành cơ
năng.
Hình 2.7 Kết nối phần điện và phần cơ khí
Vận tốc quay ở phía cơ học chịu ảnh hưởng bởi dòng điện tạo ra do hiện tượng
cảm ứng điện từ và hệ số momen của trục động cơ.
Hình 2.8 Mơ phỏng ảnh hưởng của hệ số Momen với trục động cơ
Sử dụng khối multiplydivide để kết nối phần kích từ với phần tử biến đổi điện
năng thành cơ năng nên ta có biểu đồ bondgraph cho cả hệ thống. Sử dụng khối tích
phân để cho đầu ra là góc quay:
Hình 2.9 Biểu đồ bondgraph hồn chỉnh
2.2 Xây dựng hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều
Theo yêu cầu, Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp với
tín hiệu đặt là R, tín hiệu vào của mạch điện động cơ là điện áp và tín hiệu đầu ra
của hệ thống là tốc độ quay của động cơ.
Trong các phương pháp điều khiển góc quay của động cơ thì phương pháp sử
dụng bộ điều khiển PID chính xác. Khâu hiệu chỉnh PID là trường hợp riêng của
khâu hiệu chỉnh sớm trễ pha, có thể xem PID là khâu PI mắc nối tiếp với khâu PD
nên nó tối ưu và mang những ưu điểm của cả khâu PI và PD.
Khâu hiệu chỉnh PID cải thiện đáp ứng quá độ và giảm sai số xác lập.
Theo đó, tín hiệu đặt R là góc quay mong muốn của hệ thống sẽ được mô
phỏng bằng khống constant với giá trị góc quay khơn đổi R=50. Tín hiệu phản hồi
về từ động cơ là góc quay thực tế, khi đó lỗi sẽ đưa vào khâu hiệu chỉnh PID để đạt
sai số nhỏ nhất.
Hình 2.10 Biểu đồ bondgraph cho hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều
MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH GĨC
QUAY CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ
DỤNG PHẦN MỀM 20-SIM.
3.1 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ
điện 1 chiều
3.1.1 Mô phỏng
Dựa trên các giá trị đã cho theo yêu cầu đưa ra:
- Điện cảm phần ứng L: 10. 10−3 H
- Điện trở phần ứng R: 1.75 Ω
- Điện trở mạch kích từ: 5 Ω
- Điện cảm kích từ L: 10. 10−3 H
- Hệ số cản b = 6.6 10−5Nms/rad
- Momen quán tính J= 0.006 ���/���
- Hệ số momen K= 1.53
Hình 3.1 Thơng số cài đặt cho biểu đồ trên phần mềm 20-sim
Giả sử động cơ mang tải Mt=10N.m và điện áp định cấp nối tiếp cho phần
kích từ và phần ứng là 220VDc.
Tiến hành khảo sát đặc tính của góc quay động cơ là flow trên ngõ ra của khối
chức năng tích phân hay là đồ thị trên khối SignalMonitor.
Hình 3.2 Góc quay của động cơ kích từ nối tiếp
3.1.2 Đánh giá
Giả sử động cơ đang mang tải
trọng
Mt 10N.m
Qua đồ thị khảo sát đặc tính góc quay của động cơ, động cơ quay đều với góc
quay sau khi khởi động tỉ lệ thuận với thời gian.
Đường mơ phỏng đặc tính góc quay là đường thẳng đi qua gốc tọa độ có
phương trình:
y 51,8.x
(với y là góc quay sau thời gian x giây)
Sau thời gian 10s động cơ đã quay được một góc:
518rad 82, 44 vòng
Hình 3.3 Giá trị góc quay tại thời điểm t=10s
3.2 Mơ phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của hệ thống
điều khiển động cơ điện 1 chiều
3.2.1 Mô phỏng
Ảnh hưởng của các khâu hiệu chỉnh đối với hệ thống:
Xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ P đến đặc tính của hệ thống:
-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.
Xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ PI đến đặc tính của hệ thống:
-Khâu hiệu chỉnh PI làm chậm đáp ứng quá độ.
-Tăng độ vọt lố.
-Triệt tiêu sai số xác lập của hệ thống.
Xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ PD đến đặc tính của hệ thống:
-Khâu hiệu chỉnh PD 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.
Với bộ tham số PID: Kp=1; Ki=1; Kd=1.
Hình 3.4 Đặc tính góc quay khi kp=ki=kd=1
Đánh giá: thời gian q độ dài, chưa triệt tiêu sai số xác lập, độ vọt lố cao.
Giải pháp: tăng hệ số Kd.
Chọn bộ tham số PID: Kp=1; Ki=1; Kd=80.
Hình 3.5 Đặc tính góc quay khi kp=1;ki=1;kd=80
Đánh giá: Chưa triệt tiêu sai số xác lập, độ vọt lố vẫn còn.
Giải pháp: tăng dần hệ số Ki và Kp.
Chọn bộ tham số PID: Kp=3; Ki=5; Kd=80.
Hình 3.6 Đặc tính góc quay khi kp=3;ki=5;kd=80
Đánh giá:
- Sai số xác lập được cải thiện đáng kể .
- Thời gian quá độ nhỏ hơn nhiều so với hệ số trước.
- Độ vọt lố rất thấp.
Hình 3.7 Thơng số cài đặt hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều
3.2.2 Đánh giá
Sử dụng bộ điều khiển PID cho hệ thống động cơ điện một chiều khắc phục
được các yếu tố gây ra mất ổn định cho hệ thống. Xét về đặc tính góc quay của
động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp như trên, ban đầu động cơ quay đều với vận
tốc không đổi. Khi thêm bộ điều khiển PID vào hệ thống đã kiểm sốt góc quay của
động cơ trong một phạm vi của giá trị góc quay mong muốn. Tiếp tục hiệu chỉnh hệ
số Kp, Kd, Ki đã làm hệ thống đáp ứng nhanh, chính xác với kết quả thu được sau
khi khảo sát đặc tính góc quay trong trường hợp: Kp=3; Ki=5; Kd=80 như sau:
-
Sai số xác lập của hệ thống : 0,12%.
-
Thời gian đáp ứng: 0,56(s).
-
Độ vọt lố: rất thấp.
Hình 3.8 Đặc tính góc quay của động cơ sử dụng hệ thống PID
