ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ ĐỒ ÁN MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ Sinh viên: Trương Thị Thu Trang Lớp: ĐTĐ51ĐH1 Tên đề tài: “Xây dựng mơ hình mơ hệ truyền động điều chỉnh tốc độ sử dụng động không đồng xoay chiều ba pha Rotor lồng sóc” Lời mở đầu Chương 1: Mơ hình động không đồng xoay chiều pha 1.1 Giới thiệu động không đồng xoay chiều pha 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Đặc tính thơng số ảnh hưởng tới đăc tính 1.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ 1.3 Xây dựng mơ hình động Chương 2: Tổng hợp điều chỉnh 2.1 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh mạch vòng stator 2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh mạch vòng tốc độ Chương 3: Mơ hình mơ đáp ứng Simulink 3.1 Cấu trúc mô hệ truyền động diều chỉnh tốc độ 3.2 Kết mô 3.3 Kết luận 3.4.Tài liệu tham khảo Hải Phòng, ngày tháng năm 2013 Giáo viên hướng dẫn Sinh viên Phạm Tâm Thành Trương Thị Thu Trang Mục lục Lời mở đầu Chương 1: Mơ hình động khơng đồng xoay chiều pha 1.1 Giới thiệu động không đồng xoay chiều pha .4 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Đặc tính thơng số ảnh hưởng tới đăc tính 1.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ .17 1.3 Xây dựng mơ hình động 18 Chương 2: Tổng hợp điều chỉnh 23 2.1 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh mạch vòng stator .23 2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh mạch vòng tốc độ 24 Chương 3: Mơ hình mơ đáp ứng Simulink .29 3.1 Cấu trúc mô hệ truyền động diều chỉnh tốc độ 29 3.2 Kết mô 31 3.3 Kết luận 37 3.4.Tài liệu tham khảo .38 Hải Phòng, ngày tháng năm 2013 Giáo viên hướng dẫn Sinh viên Phạm Tâm Thành Trương Thị Thu Trang Lời mở đầu Nước ta quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệp hoá hiện đại hoá Đất nước ta ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng mạnh mẽ các thành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại suất lao động cao hơn, cạnh tranh được với các nước khu vực và thế giới.Tự động hoá sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ mới nhằm nâng cao xuất, hạ giá thành sản phẩm, không những là yêu cầu bắt buộc mà nữa còn được xem một chiến lược đối với các nhà máy, xí nghiệp cũng toàn bộ nền sản xuất công nghiệp của mỗi quốc gia.Những lý thuyết về điều khiển cũng lần lượt đời góp phần không nhỏ việc xây dựng các nguyên lý điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động công nghiệp Sự bùng nổ tiến kĩ thuật lĩnh vực điện-điện tử -tin học năm gần dẫn đến thay đổi sâu sắc mặt thuyết lẫn thực tế lĩnh vực truyền động điện tự động Trước hết phải kể đến đời ngày hồn thiện biến đổi điện tử cơng suất, với kích thước gọn nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ dàng ghép nối với mạch điều khiển dùng vi điện tử, vi xử lí Phần lớn mạch điều khiển dùng kĩ thuật số với chương trình phần mềm linh hoạt, dễ dàng thay đổi cấu trúc tham số điều khiển, tăng độ tác động nhanh độ xác cao cho hệ truyền động Điều dẫn đến việc chuẩn hóa chế tạo hệ truyền động đại có nhiều đặc tính làm việc khác nhau, dễ dàng ứng dụng theo yêu cầu công nghệ sản xuất Dựa vào thực tế em đã thực hiện mợt đề tài nhỏ là : “Xây dựng mô hình mô hệ truyền động điều chỉnh tốc độ sử dụng động không đồng rotor lồng sóc.” hướng dẫn thầy Phạm Tâm Thành thầy cô giáo ngành Điện tự động công nghiệp-Trường Đại học Hàng Hải Trong một thời gian tương đối ngắn vậy đồ án này chắc chắn không khỏi những thiếu sót, với sự nỗ lực của bản thân , em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để bản đồ án này hoàn thiện ! Chương 1: Mơ hình động không đồng xoay chiều pha 1.Giới thiệu động không đồng xoay chiều pha 1.1.1 Khái niệm Động điện dị (không đồng bộ) loại động điện xoay chiều mà tốc độ quay roto khác với tốc độ quay từ trường quay máy ●) Cấu tạo động không đồng Động không đồng gồm hai phần : Phần tĩnh phần động Hình 1-1 Động không đồng rôto dây quấn - Phần tĩnh: Gồm lõi thép , dây quấn vỏ máy + Lõi thép stato : Do nhiều thép kĩ thuật điện dập sẵn , ghép cách điện với chiều dày thép thường từ 0.35 mm đến 0.5mm phía có rãnh đặt dây quấn Mỗi thép kĩ thuật sơn cách điện với để giảm tổn hao dịng điện xốy gây lên Nếu thép ngắn ghép lại thành khối Nếu thép dài ghép lại thành thếp , thếp dài từ cm đến cm, cách cm để thơng gió stato A B C Hình1.2: A mặt cắt ngang stato,B thép kĩ thuật điện ,C stato động KĐB + Dây quấn : Được quấn thành mô bin, mà cạnh mơ bin đặt vào rãnh lõi thép stato + Vỏ máy: Để bảo vệ mạch từ giữ chặt lõi thép stato ,vỏ có dạng trụ rỗng,làm nhôm (máy công suất nhỏ) gang , thép (máy công suất lớn) Vỏ máy có chân đế cố định máy bệ , hai đầu có nắp máy để đỡ trục rơto bảo vệ dây quấn - Phần quay: Gồm lõi thép , trục, dây quấn +Lõi thép rôto: dập từ thép kĩ thuật điện có dạng hình trịn mặt ngồi thép dập rãnh để đặt cuộn dây, dập lỗ tròn để lồng trục máy +Trục máy: Được làm bắng thép tốt lồng cứng với lõi thép rôto Trục đỡ nắp máy nhờ ổ lăn hay ổ trượt +Dây quấn :Tuỳ theo động không đồng mà ta chia rôto dây quấn hay rơto lồng sóc: ~ Rơto kiểu dây quấn : Rơto dây quấn có kiểu giống dây quấn stato có số cực số cực stato Trong động trung bình lớn dây quấn quấn theo kiểu sóng hai lớp để bớt đầu nối, kết cấu dây quấn chặt chẽ Trong động nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm lớp Dây quấn ba pha động thường đấu hình sao, ba đầu nối với ba vịng trượt đồng thau gắn trục rơto Ba vòng trượt cách điện với với trục, tỳ ba vòng trượt ba chổi than Thơng qua chổi than đưa điện trở phụ vào mạch rơto, có tác dụng cải thiện tính mở máy, điều chỉnh tốc độ, hệ số công suất thay đổi ~ Rơto lồng sóc : Kết cấu khác với dây quấn stato dây quấn đồng hay nhôm đặt rãnh lõi thép rôto Hai đầu dẫn nối với vịng đồng hay nhơm gọi vịng ngắn mạch Như dây quấn rơto hình thành lồng quen gọi lồng sóc Hình1-3 Dây quấn rơto kiểu lồng sóc Ngồi dây quấn lống sóc khơng cần cách điện với lõi thép rãnh rơto làm thành dạng rãnh sâu thành hai rãnh gọi lồng sóc kép dùng cho máy có cơng suất lớn để cải thiện tính mở máy Với động công suất nhỏ rãnh rôto thường chéo mơt góc so tâm trục + Khe hở Giữa phần tĩnh phần quay khe hở khơng khí , khe hở thường ( 0,2 mm đến 1.mm), rơto khối trịn nên rơto Mạch từ động không đồng khép kín từ stato sang rơto qua khe hở khơng khí Khe hở khơng khí lớn dịng từ hố gây từ thơng cho máy lớn hệ số cơng suất lớn •Những đại lượng ghi động không đồng - Công suất định mức Pđm công suất hay công suất điện máy đưa - Điện áp định mức Uđm - Dịng điện định mức Iđm - Hệ số cơng suất định mức : cosϕđm - Tốc độ quay định mức nđm (vòng/ phút ) - Tần số định mức fđm (hz) Vd: Trên nhãn máy có ghi ∆/Y 220v/380v_ 7.5/4.3A ta hiểu sau điện áp lưới điện 220v ta nối dây quấn stato theo hình ∆ Và dòng điện định mức 7.5 A Khi điện áp lưới điện 380v ta đấu dây quấn stato theo hình Y ,dịng điện định mức 4.3 A • Ngun lí hoạt động động không đồng xoay chiều pha roto lồng sóc Động khơng đồng làm việc dựa tượng cảm ứng điện từ Khi đặt điện áp ba pha vào pha dây quấn , pha đạt đối xứng lõi thép stator, khe hở khơng khí xuất từ trường quay mà thành phần bậc từ trường quay với tốc độ góc : ϖ1 = 2Πf p (1.1) Trong : f tần số dịng điện cáp cho stator p số đôi cực dây quấn stator Đồng thời từ trường Stator làm cảm ứng dòng điện vòng dẫn roto (đối với loại roto lồng sóc) cuộn dây Roto (đối với loại roto dây quấn) Các dòng điện Roto đặt từ trường stator quay nên sinh lực điện từ (lực Lorentz) Tổng lực tạo momen quay Rotor , Rotor quay hướng với từ trường Stator quay Lúc đầu từ trường stator sinh Rotor tăng tốc nhanh để cố gắng bắt kịp từ trường quay đó, đồng thời từ trường quay quét qua Rotor giảm nên sức điện động cảm ứng phái Rotor giảm dần dòng điện Rotor giảm theo Nếu tốc độ Rotor tốc độ từ trường quay lúc khơng có lực điện từ sinh Rotor quay chậm lại Do tốc độ Rotor tốc độ đồng bộ, tốc độ đồng phụ thuộc vào tần số nguồn điện cấp số đôi cực động cơ, sai khác tốc độ gọi tốc độ trượt • Ứng dụng, ưu nhược điểm động không đồng xoay chiều ba pha rotor lồng sóc Ứng dụng rộng rãi công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình Chiếm tỉ lệ lớn so với động khác, nhờ ưu điểm : − Động khơng đồng có kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn dễ chế tạo, vận hành an toàn, tin cậy, giá thành rẻ, hiệu suất cao gần khơng bảo trì − Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha, không cần tốn thiết bị biến đổi Nhược điểm : tốc độ động không đồng phụ thuộc vào tần số biên độ điện áp nguồn cấp mà thực tế nhiều lúc lượng lại yêu cầu tốc độ thay đổi Chúng chạy tốc độ gần số tải từ không tải tới đầy tải Điều không giống động chiều, độngc đồng gặp khó khăn để điều khiển tách bạch thành phần dòng điện sinh momen từ thông Để nâng cao hiệu suất sử dụng hệ truyền động động khơng đồng thay đổi tốc độ có khả cấp cho động điện ba pha có tần số biên độ thay đổi được, nên điều khiển phức tạp so với loại chiều 1.1.2 Đặc tính thơng số ảnh hưởng tới đặc tính A Đặc tính động khơng đồng Để thành lập phương trình đặc tính động không đồng ta sử dụng sơ đồ thay pha động Tuy nhiên có điều kiện sau thoả mãn để xây dựng phương trình đặc tính - pha động đối xứng - Các thông số động không đổi nghĩa không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở khơng phụ thuộc vào tần số dịng điện rơto , mạch từ khơng bão hồ điện kháng X1 , X2 không đổi - Bỏ qua tổn thất lõi thép tổn thất ma sát - Điện áp hoàn toàn sin đối xứng ba pha Với giả tưởng ta có sơ đồ thay pha động Hình 1-4 Sơ đồ thay pha động không đồng Trong U1 : trị số hiệu dụng điện áp ba pha stato + R th , R1 , R2’ điện trở tác dụng từ hoá , điện trở stato điện trở rơto quy đổi phía stato + X th, X1 , X2’, điện kháng mạch từ hoá điện kháng tản stato điện kháng rơto quy đổi phía stato +I th ,I1 , I2’ dịng điện từ hố,dịng điện stato, dịng điện rơto quy đổi stato Với hệ số quy đổi sau: X’2 = Ku2.X2 I ’2 = K i I ; R2’ = Ku2 R2 ; Trong : Kdq1,Kdq2: hệ số dây quấn stao rôto U1 : điện áp định mức đặt vào dây quấn stato Ew : sức điện động định mức rôto KI = I1' I1 Độ trượt động ω −ω :s= ω 1 U    + R2  +  R1 S    ' Ta tính dịng điện qua rô to : I2’= (X + X ) ' 2 S = ⇒ I2’ = ( ω = ω1) S=1 ⇒ I2’ = U (R + R ) 2 + X = dòng điện max (I2’ max ) , ω = nm Với : Xnm = X1+X2’ : điện kháng ngắn mạch Dịng khởi động phía rơto động : Hình 1-5 Đặc tính dịng điện rơto Thơng thường ta có I2’ max = (4 ÷ 7)Iđm Vì khởi động động cần ý giảm dịng mở máy phía rơto cách mắc thêm điện trở phụ phía rơto Ta có dịng điện phía stato : S=0 → I1 = Ith (dịng phía stato dịng từ hố ) S=1 Khi → I1 =    Rth + X th  + ( R1 + R2 ) + X nm  U   Hình 1-6 Đặc tính dịng điện stato động khơng đồng Để xây dựng phương trình đặc tính động không đồng ta dựa vào điều kiện cân công suất động Ta có cơng suất điện từ chuyển từ stato sang rơto : Pđt = M.ω1 (1.2) với M : Là mômen điện từ động Giả sử bỏ qua tổn thất phụ : M = M Cơng suất Pđt chia làm hai phần: Pcơ :Công suất đưa trục động : Pcơ = Mcơ ω ∆Pω2 : Công suất tổn hao đồng rôto : Với : I2’ = U (R + R ) Ta có: Pđt = Pcơ + ∆Pω2 (1.3) ∆Pω2 = 3.I2’2 R2’ (1.4) + X nm (1.5) 10 Hình2.2 Cấu trúc điều khiển mạch vịng tốc độ Hàm truyền kín mạch vịng dịng điện Isq có dạng: + 2TNL s + 2TNL s Fisq = Để đơn giản ta bỏ qua thành phần bậc cao, hàm truyền có dạng: Fisq = 1 + 2TNL s Từ sơ đồ cấu trúc ta có hàm truyền đối tượng mạch vòng điều khiển tốc độ sau: Sw = 3L2 1 m pc + 2TNL s Lr Js Để mạch điều khiển tốc dộ có vơ sai cấp 2, ta sử dụng tiêu chuẩn tối ưu modul đối xứng, ta có hàm truyền kín sau: FDX = + 4τ s + 4τ s + 8τ s + 8τ s Khi hàm truyền điều khiển tính sau: Rw = + 4τ s = S w (1 + τ s )8τ s + 4τ s 3L 1 pc (1 + τ s)8τ s + 2TNL s Lr Js m Chọn τ = 2TNL rút gọn ta hàm truyền điều khiển tốc độ sau: Rw =  + 8TNL s 1  = 1 + ÷ 3L Lm 1  8TNL s  pc 32TNL s pc TNL Lr J Lr J m   Rw = K w 1 + ÷  Tw s  Với Tw = 8TNL 25 Khi tổng hợp theo tiêu chuẩn modul tối ưu đối xứng có khả gây nên độ q điều chỉnh khơng mong muốn Vì vậy, ta thêm vào lọc vào trước mạch vòng điều khiển tốc độ Tùy theo độ điều chỉnh thời gian tácđộng nhanh mà ta chọn giá trị cho số thời gian lọc: Floc = 1 + Tδ s Hình2.3 Cấu trúc mạch vịng tốc độ có thêm lọc 2.4.3 Tổng hợp Risd: Từ hệ phương trình ta có phương trình viết cho dòng Isd sau:  (1 + Tσ s)σ Tσ (1 + Tr s ) + Tσ (1 − σ )  U sd ( s)  ÷I sd ( s) = σ Tσ Tr (1 + Tr s ) σ Ls   Như ta có: I sd ( s ) σ Tσ Tr (1 + Tr s ) = U sd ( s ) σ Ls (1 + Tσ s )σ Tσ (1 + Tr s) + Tσ (1 − σ ) Trong Tσ = =1 L2 1−σ − σ = M = + Ls Lr σ Tr σ Tr Nên ta coi gần Tσ (1 − σ ) ≈ 0, Khi ta thu hàm truyền cho dịng Isd có dạng: Risd = Tσ K2 = σ LS (1 + Tσ s ) (1 + Tσ s) T σ Với: K = σ L S Vậy cấu trúc cho dòng Isd xây dựng sau: 26 Hình2-4 Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện Isd Sử dụng tiêu chuẩn modul tối ưu với hàm truyền kín để tổng hợp điều khiển dịng Isd, ta có: FMC = 1 + 2τ s + 2τ s Khi đó, hàm truyền điều khiển tính theo cơng thức: Risd = = GBBDGisd (1 + τ s)2τ s K NL K2 (1 + τ s)2τ s + TNL s + Tσ s Chọnτ = Tσ Ta thu điều khiển dòng Isd sau: Risd =  + Tσ s Tσ  = 1 + ÷ 2TNL K NL K s 2TNL K NL K  Tσ s  27 CHƯƠNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐÁP ỨNG TRÊN SIMULINK • Các tham số mơ phỏng: − Pdm=2200W − Udm=380V − Số cặp cực pc=2 − Tốc độ ndm=1430 vong/phut − Điện trở stator Rs=0.877 Ω − Điện trở roto Rr=1.47 Ω − Điện cảm tương hỗ roto stato Lm=0.1608H − Momen quán tính J=0.015kg.m2 − Điện cảm dị phía stato L σ s=0.004342H − Điện cảm dị phía stato L σ r=0.004342H • Tính tốn đại lượng cần thiết cho mô - Ls = Lm + Lσ s =0.165142H: Điện cảm stator - Lr = Lm + Lσr =0.165142H: điện cảm rotor - Ts=Ls/Rs=0.1883: số thời gian stator - Tr=Lr/Rr=0.11234: số thời gian rotor - σ = − L2 / ( Lr Ls ) =0.0519: hệ số tiêu tán tổng m Các hệ số khác sử dụng việc lập mô hình động cơ: 28 = 116.6743; σ Ls 1 1−σ = + = 265.25; Tσ σ Ts σ Tr Tσ = 0, 00377; Tr = 0,68 ; Lm = 8,9047; Tr 3p c L m = 2,921 2L r pc = 133,333; J 1−σ = 118,159 σ Lm Bộ nghịch lưu: tuỳ thuộc vào tỷ lệ điện áp điều khiển, điện áp độ trễ thực chuyển đổi lệnh điều khiển mà ta có thông số K nl, Tnl Chọn Knl=20, Tnl=0.001 Bộ điều chỉnh tốc độ: Rw = + 8TNL s + 0.06386 s = 3L 0.008s pc 32TNL s Lr J m 1+ T s + 0.06265s Bộ điều chỉnh dòng isq: Risq = 2T K s = 0.0073s NL 1+ T s + 0.00031s σ Bộ điều chỉnh dòng isd: Risd = 2T K K s = 0.00377 s NL NL 3.1 Cấu trúc mô hệ truyền động diều chỉnh tốc độ 3.1.1 Mơ mơ hình động khơng đồng roto lồng sóc khối có sẵn thư viện simulink 29 Hình3-1.Mơ hình mơ động khơng đồng roto lồng sóc 3.1.2 Mơ hình mơ hệ truyền động điều chỉnh tốc độ sử dụng động không đồng xoay chiều roto lồng sóc 1) Cấu trúc điều khiển mạch vịng dịng điện Isq simulink Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện Isq 2.Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện Isd simulink 30 Hình3.3 Cấu trúc điều khiển mạch vịng dịng điện Isd 3.Cấu trúc mạch vịng tốc độ có thêm lọc Hình3.4 Cấu trúc mạch vịng tốc độ có thêm lọc 3.1.3Cấu trúc mơ hình mơ hệ truyền động điều chỉnh tốc độ sử dụng động khơng đồng xoay chiều pha roto lồng sóc 31 Hình 3.5 Cấu trúc mơ hình mơ hệ truyền động điều chỉnh tốc độ sử dụng động khơng đồng xoay chiều pha roto lồng sóc 3.2 Kết mô phỏng: 3.2.1 Kết mô mơ hình động khơng đồng roto lồng sóc Hình 3.1 Kết mơ dạng tín hiệu u,v,w 32 Hình 3.2 Kết mơ dạng tín hiệu a,b Hình 3.3 Kết mơ dạng tín hiệu d,q 33 Hình 3.4 Kết mơ dịng điện isd Hình 3.5.Kết mơ dịng điện isq 34 Hình 3.6 Kết mơ đáp ứng tốc độ hệ dq(rad/s) Hình 3.7 Kết mô đáp momen động 3.2.2 Kết mô hệ truyền động điều chỉnh tốc độ sử dụng động khơng đồng xoay chiều roto lồng sóc 35 Hình 3.11 Kết mơ điều khiển dòng isd Nhận xét: độ điều chỉnh thời gian độ dòng i sd nhỏ, phù hợp với mong muốn tổng hợp mạch vịng Hình 3.8 Kết mơ điều khiển dịng isq 36 Hình 3.9 Kết mơ điều khiển tốc độ chưa có lọc(rad/s) Hình 3.10 Kết mơ điều khiển tốc độ có lọc(rad/s) Nhận xét: quán tính hệ thống nên tổng hợp mạch, để tránh tải dòng ta phải cho thời gian ổn định hệ thống lớn Tốc độ ổn định sau thời gian 0.05s không phụ thuộc vào tải Nhận thấy thời gian ổn định hệ 37 thống không đổi, không phụ thuộc tải Tốc độ động không bị sụt chứng tỏ mômen động sinh đủ lớn để kéo tải 3.3 Kết luận Trong đồ án em thực nội dung yêu cầu đề là: - Đưa mơ hình động khơng đồng rotor lồng sóc Mơ mơ hình matlab & simulink - Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh: Mạch vòng stator, mạch vòng tốc độ - Đưa mô cấu trúc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ Như vậy, với kết mô trên, ta chứng tỏ lập luận tính tốn điều chỉnh 38 Tài liệu tham khảo [1] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi,"Điều chỉnh tự động truyền động điện",1998 [2] Nguyễn Phùng Quang,"Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha",1998 [3] Bài giảng tổng hợp hệ điện Trường Đại Học Hàng Hải 39 ... sử dụng động không đồng xoay chiều pha roto lồng sóc 31 Hình 3.5 Cấu trúc mơ hình mơ hệ truyền động điều chỉnh tốc độ sử dụng động không đồng xoay chiều pha roto lồng sóc 3.2 Kết mơ phỏng: 3.2.1... hình động khơng đồng roto lồng sóc khối có sẵn thư viện simulink 29 Hình3 -1.Mơ hình mơ động khơng đồng roto lồng sóc 3.1.2 Mơ hình mơ hệ truyền động điều chỉnh tốc độ sử dụng động không đồng xoay. .. Mơ hình động khơng đồng xoay chiều pha 1.Giới thiệu động không đồng xoay chiều pha 1.1.1 Khái niệm Động điện dị (không đồng bộ) loại động điện xoay chiều mà tốc độ quay roto khác với tốc độ quay