TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM BỘ MÔN: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CN ****O0O**** Đồ án môn học TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ (Đề số 11) Tên đề tài: “Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều và mô phỏng” < Matlap và Simulink dành cho KSĐKTĐ – trang 291> Sinh viên GVHD Thịnh Thị Thu Mục lục Lời giới thiệu Chương 1. Giới thiệu khái quát về động cơ điện một chiều Chương 2. Xây dựng mô hình động cơ và các mạch vòng điều chỉnh 2.1 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều và các chế độ xác lập, quá độ của nó. 2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điệnvà điều chỉnh tốc độ. Chương 3. Mô phỏng các đặc tính của động cơ bằng Simulink. 3.1 Lựa chọn các thông số cho mô phỏng. 3.2 Mô phỏng các trường hợp cụ thể của động cơ 3.3 Nhận xét về kết quả mô phỏng thu được Kết luận Lụứi giụựi thieọu Đối vời kỹ s điều khiển - tự động hóa nói riêng và những ngời nghiên cứu khoa học - kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo sát các đối tợng, hệ thống hay qúa trình - vật lý, mà không nhất thiết phải có đối tợng hay hệ thống thực. Đợc trang bị công cụ mô phỏng mạnh và có hiểu biết về các phơng pháp mô hình hóa, ngời kỹ s 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 co 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 đợc sủ dụng khá rộng rãi bởi những tính năng u việt mà nó mang lại nh: không cần nguồn xoay chiều , thực hiện việc thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng v.v Chính vì nh ng lí do đó mà em chọn động cơ một chiều là đối tợng để mô phỏng trong bài làm của mình. Chng 1- Khỏi quỏt v ng c mt chiu 1.1 - Cấu tạo chung của động cơ một chiều: Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạo giống nhau. Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phần tĩnh) và phần ứng (phần quay). 1.1.1- Phần cảm (stator) Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng điện chạy trong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau. Cực từ chính 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 1.1 Cực từ chính 1.1.2- Phần ứng (rotor) Phần ứng của máy điện một chiều còn gọi là rôto, gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy. Hình 1.2 Lá thép rôto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều a) Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn 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 dây quấn phần ứng (hình 1.2). 2. Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Phần tử của dây quấn là một bối 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 hình đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục máy. Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy… 1.2- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Trên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần 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 nên mômen tác dụng lên rôto, làm quay rôto. Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1.4a). Hình 1.4 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình 1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi. 1.3 Các trị số định mức của động cơ điện một chiều Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện một chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy định. Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là những đại lượng định mức. 1. Công suất định mức P đm (kW hay W). 2. Điện áp định mức U đm (V). 3. Dòng điện định mức I đm (A). 4. Tốc độ định mức n đm (vòng/ph). Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ… Chú ý: Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện. Đối với máy phát điện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ đó là công suất đưa ra trên đầu trục động cơ. 1.4 Phân loại động cơ điện một chiều Dựa theo cuộn kích từ, động cơ một chiều có các loại như sau: - Động cơ một chiều kích từ độc lập. - Động cơ một chiều kích từ song song. - Động cơ một chiều kích từ nối tiếp. - Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp. Chương 2- Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều và các mạch vòng điều chỉnh động cơ 2.1 Động cơ điện một chiều và chế độ xác lập, quá độ của nó. Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều (Đ) từ vài W đến vài MW. Giản đồ kết cấu chung của Đ như hình 1.5, phần ứng được biểu diễn bởi vòng 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 áp kích từ U k ; tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động cơ ω, mômen quay M, dòng điện phần ứng I, hoặc trong một số trường hợp là vị trí của rôto φ. Mômen tải M c là mômen do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mômen tải là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền điện tự động. u u φ ω 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 u k nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện i k và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp đó đặt một giá trị điện 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, giá trị của mômen điện từ được tính như sau: M = IkI a Np Φ=Φ .2 . ' π (2.1) 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. Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây dây quấn này cảm ứng sức điện động (sđđ): E = ωω π Φ=Φ k a Np .2 . ' (2.2) 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 áp phần ứng: Φ − = k IRU u ω (2.3) Trong đó R ư - điện trở mạch phần ứng của động cơ. Từ các phương trình (1.1) và (1.3) có thể vẽ được họ đặc tính cơ M(ω) của động cơ một chiều khi từ thông không đổi, hình 2.2. ω 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 i k và từ thông Φ là phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt: U k (p) = R k I k (p) + N k .p.Φ(p) (2.4) trong đó: N k - số vòng dây cuộn kích từ; R k - điện trở cuộn dây kích từ. * Mạch phần ứng: U(p) = R ư .I(p) + Lư.p.I(p) ± N N .p.Φ(p) + E(p) (2.5) Hoặc dạng dòng điện: I(p) = [ ] )()( )( 1 /1 pEppNpU pT R N u u −Φ± + trong đó L ư - điện cảm mạch phần ứng; N N - số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp; T ư = L ư /R ư - hằng số thời gian mạch phần ứng. * Phương trình hệ điện cơ (phương trình chuyển động của hệ thống): M(p) – M c (p) = Jpω (2.6) trong đó J là mômen quán tính của các phần tử chuyển động quy đổi về trục động cơ. Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều như sau: 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 ω cb ω c φ φ 0 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: k k = 00 , K I k I Φ ∆ ∆Φ (2.7) B = BCb M C M ω ω , ∆ ∆ (2.8) Tại điểm làm việc xác lập ta có: điện áp phần ứng U 0 , dòng điện phần ứng I 0 , tốc độ quay ω B , điện áp kích từ U k0 , từ thông Φ 0 , dòng điện kích từ I k0 và mômen tải M CB . Biến thiên nhỏ của các đại lượng trên tương ứng là: ∆U(p), ∆I(p), ∆ω(p), ∆U k (p), ∆I k (p), ∆Φ(p) và ∆M C (p). Xét cho động cơ kích từ độc lập (N N = 0), khi đó các phương trình có thể viết như sau: - Mạch phần ứng: U 0 + ∆U(p) = R ư [I 0 + ∆I(p)] + pL ư [I 0 + ∆I(p)] + + K[Φ 0 + ∆Φ(p)].[ω B + ∆ω(p)] (2.9) - Mạch kích từ: U k0 + ∆U k (p) = R k [I k0 + ∆I k (p)] + pL k [I k0 + ∆I k (p)] (2.10) - Phương trình chuyển động cơ học: K[Φ 0 + ∆Φ(p)] . [I 0 + ∆I(p)] - [M B + ∆M C (p)] = J p p [ω B + ∆ω(p)] (2.11) Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết được các phương trình của gia số như sau: ∆U(p) = R ư ∆I(p) + pL ư ∆I(p) + KΦ 0 ∆ω(p) +K∆Φ(p)ω B (2.12) ∆U k (p) = R k ∆I k (p) (1 + pT k ) (2.13) K∆Φ(p)I 0 +KΦ 0 ∆I(p) - ∆M C (p) = J p p∆ω(p) (2.14) 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 ∆M c ∆I K ∆I ∆U pT R u .1 1 + Kφ 0 Kφ 0 pJ. 1 B KI 0 Kω B K K pT R K K .1 1 + ∆U K ∆φ [...]... 7,75 1  0,24 .1, 25  1  1 + =     2.22.0,22.0,004 1 + 1, 25 p  = 6,2 + p pTu     Ri = RTu 2 K cl K i Tsi Rω = K i ( Kφ )Tc 0,22 .1, 83.0 ,14 = =14 1,48 2 K ω R.Tsω 2.0,083.0,24.0, 01 3.2 Mô phỏng các trường hợp cụ thể của động cơ bằng simulink 3.2 .1 Mô phỏng động cơ điện trong trường hợp Φ = const Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi điện áp đặt có dạng bước nhảy như hình 3 .1 Hình 3 .1 Sơ đồ mô phỏng. .. phỏng trong simulink khi từ thông không đổi Đặc tính tốc độ, đặc tính dòng điện, điện áp phản hồi của động cơ thu được khi mô phỏng trong chế độ quá độ lần lượt như hình dưới đây: - Đặc tính dòng điện: - Đặc tính tốc độ: - Đặc tính điện áp phản hồi: 3.2.2 Mô phỏng động cơ điện một chiều trong trường hợp Uư không đổi (∆Up = 0) Sơ đồ mô phỏng trong simulink như hình 3.2 Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng khi điện... điện của động cơ một chiều trong simulink Sơ đồ mô phỏng trong simulink như hình 3.3 Hình 3.3 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện động cơ trong simulink Với điện áp là dạng step, mô phỏng ta thu được kết quả dạng tín hiệu dòng điện ra và điện áp phản hồi có dạng: - Tín hiệu dòng điện: - Tín hiệu điện áp phản hồi: 3.2.4 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ (có mạch vòng điều chỉnh dòng điện) mô phỏng trong simulink. .. điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn môdul tối ưu tương tự như ở mạch vòng dòng điện ta được bộ điều chỉnh tốc độ Rω có dạng khâu khuyếch đại P k kφT i C Rω(p) = 2k R 2T ≡ P ω u si Chương 3 – Mô phỏng các đặc tính của động cơ một chiều bằng simulink 3 .1 Lựa chọn các thông số cho quá trình mô phỏng: * Chọn các thông số cho động cơ điện một chiều - Công suất định mức: Pdm = 10 (kW ) - Điện áp định mức: U dm... Tdk+ TV0+ Ti thì có thể viết lại (2 .17 ) ở dạng gần đúng như sau: K cl K i Ru Soi= , trong đó Ts Tư - hằng số thời gian điện . ω R = ωω φ s ci TRK TKK .2 )( = 01, 0.24,0.083,0.2 14 ,0.83 ,1. 22,0 = 48 ,14 1 3.2 Mô phỏng các trường hợp cụ thể của động cơ bằng simulink 3.2 .1 Mô phỏng động cơ điện trong trường hợp Φ = const. Sơ đồ mô phỏng trong simulink. độ. Chương 3. Mô phỏng các đặc tính của động cơ bằng Simulink. 3 .1 Lựa chọn các thông số cho mô phỏng. 3.2 Mô phỏng các trường hợp cụ thể của động cơ 3.3 Nhận