Tæng hîp ®iÖn c¬ NguyÔn Quèc Huy §T§47 – §H1 ĐỒ ÁN MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ Đề tài: Xây dựng mô hình mô phỏng máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu bằng Matlab và simulink. Sinh viên thực hiện : Nguyễn Quốc Huy Lớp: ĐTĐ47 – ĐH1 Giáo viên hướng dẫn: Thầy Phạm Tâm Thành M« pháng ®éng c¬ ®ång bé b»ng Matlab vµ Simulink 1 Tæng hîp ®iÖn c¬ NguyÔn Quèc Huy §T§47 – §H1 LỜI MỞ ĐẦU Đối với những kỹ sư điều khiển tự động hóa nói riêng và những người nghiên cứu khoa học kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo sát các đối tượng, hệ thống hay quá trình kỹ thuật vật lý, mà không nhất thiêt phải có đối tượng hay hệ thống thật. Được trang bị một công cụ mô phỏng mạnh và những hiểu biết về các phương pháp mô hình hóa, người kỹ sư sẽ có khả năng rút ngắn thòi gian và giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sản phẩm một cách đáng kể. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị phức hợp với giá trị kinh tế lớn. Các khái niệm mô phỏng Off-line, Software - in-the-Loop, Hardware-in-the- Loop (hay Real Time Simulation: mô phỏng thời gian thực) và Prototyping, đã thể hiện rõ nét các bước của quá trình phát triển sản phẩm với sự hỗ trợ của máy tính. Trong nhiều năm qua phần mềm mô phỏng đã được đã được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực giảng dạy cũng như nghiên cứu các thiết bị điện của giáo viên cũng như sinh viên ngành kỹ thuật. Vì thế trong đồ án này em sẽ sử dụng một công cụ rất mạnh của matlab đó là Simulink để mô phỏng mô hình của một “Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu”. Được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy PHẠM TÂM THÀNH cùng các thầy cô giáo trong bộ môn đã giúp em tìm hiễu rõ và sâu sắc hơn về máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu, cũng như công cụ mô phỏng matlab và simulink. Từ đó em đã có cơ sở xây dựng đồ án này. Trong nội dung của đồ án môn học: “Tổng hợp điện cơ” mà em trình bày dưới đây sẽ thấy được những kiến thức về kết cấu, công dụng cũng như mô hình toán học của máy điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu. Đồng thời cũng giới thiệu tổng quan về matlab và đặc biệt là simulink và đưa ra kết quả của quá trình mô phỏng máy điện qua những hình vẽ các đường đặc tính tốc độ, dòng điện . Tuy đã cố gắng nhiều nhưng trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi những sai sót và nhầm lẫn. Vì thế em mong các thầy cô tiếp tục giúp đỡ em nhiều hơn nữa. M« pháng ®éng c¬ ®ång bé b»ng Matlab vµ Simulink 2 Tæng hîp ®iÖn c¬ NguyÔn Quèc Huy §T§47 – §H1 MỤC LỤC Trang Chương 1: Khái quát về máy điện đồng bộ 1.1. Phân loại và phạm vi ứng dụng………………………………… 4 1.2. Tính chất điều chỉnh của máy điện đồng bộ………………………. 6 Chưong 2. Giới thiệu về matlab và công cụ Simulink 2.1. Matlab và các công cụ toán học ………………………………… . 8 2.2. Công cụ Simulink………………………………………………… . 8 Chương 3. Mô phỏng 3.1. Mô hình mô phỏng máy điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu………… . 15 3.2. Kết quả mô phỏng …………………………………………………. 22 CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ M« pháng ®éng c¬ ®ång bé b»ng Matlab vµ Simulink 3 Tæng hîp ®iÖn c¬ NguyÔn Quèc Huy §T§47 – §H1 Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 3 pha ngày nay được sử dụng rộng rãi với dải công suất từ vài trăm W đến hàng MW. Nó chiếm vị trí quan trọng trong các hệ truyền động tự động. Ở dải công suất lớn và cực lớn thì nó hoàn toàn chiếm ưu thế. Tuy vậy ở công suất nhỏ và vừa nó phải cạnh tranh với truyền động động cơ không đồng bộ và động cơ một chiều. Ngày nay truyền động động cơ đồng bộ công suất nhỏ càng được chú ý nghiên cứu ứng dụng thay thế động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ. Bởi vì động cơ đồng bộ mang tính ưu việt của cả động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ. Máy điện đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu (MĐĐB - KTVC) có kết cấu phía stato giống như máy điện dị bộ. Phía Rôto, nơi MĐDB phải dựa vào sự trượt tốc độ giữa Rôto và hệ thống véc tơ phía stato để tạo từ thông rô to, MĐĐB- KTVC có một hệ thống nam châm vĩnh cửu gắn chặt trên bề mặt. Nghĩa là: từ thông luôn luôn tồn tại, không còn nhu cầu trượt tốc độ để cảm ứng từ stato sang Rôto nữa và máy điện hoạt động hoàn toàn đồng bộ. Phạm vi sử dụng chính của MĐĐB-KTVC là công nghiệp chế tạo máy, chế biến (ví dụ: Máy gia công cắt gọt kim loại, máy đóng bao gói, máy gia công chính xác .). Trong các ứng dụng đó, MĐĐB- KTVC gần như tuyệt đối và chỉ được sử dụng kèm theo thiết bị điều khiển (ví dụ: nghịch lưu có điều chỉnh) chất lượng cao. 1.1. Phân loại và phạm vi ứng dụng a. Phân loại Ngày nay hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ ba pha (ĐCĐB) được ứng dụng rộng rãi và chiếm vị trí quan trọng trong truyền động điện tự động hiện đại. Dựa theo công suất động cơ ta chia ra: - Dải công suất rất nhỏ từ vài trăm W đến vài kW; - Dải công suất nhỏ từ vài kW đến 50 kW; - Dải công suất vừa từ 50 kW đến 500 kW; M« pháng ®éng c¬ ®ång bé b»ng Matlab vµ Simulink 4 a. Ba pha b. Biến đổi d,q c. Biển đổi α,β Hình 1.1. Cấu tạo động cơ đồng bộ Tæng hîp ®iÖn c¬ NguyÔn Quèc Huy §T§47 – §H1 - Dải công suất lớn trên 500kW. Ở dải công suất lớn và cực lớn (cỡ MW) hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ ĐCĐB hoàn toàn chiếm ưu thế. Trong dải công suất vừa và nhỏ nó phải cạnh tranh với động cơ một chiều và ĐCKĐB. Ngày nay truyền động điện với ĐCĐB công suất nhỏ đang được chú ý nghiên cứu ứng dụng nhằm thay thế cho động cơ một chiều và ĐCKĐB. Bởi vì nó mang tính ưu việt của cả 2 loại động cơ một chiều và không đồng bộ. dưới đây: Cấu trúc của động cơ đồng bộ được mô tả theo hình vẽ: b. Phạm vi ứng dụng - ĐCĐB công suất rất nhỏ thường dùng rotor nam châm vĩnh cửu, được ứng dụng khi yêu cầu vùng điều chỉnh rộng, độ chính xác cao và M c = const, đi kèm với biến tần transitor nguồn áp điều biến độ rộng xung PWM. - ĐCĐB công suất nhỏ và vừa có cuộn dây kích từ được dùng khi yêu cầu điều chỉnh tốc độ không rộng, đi kèm với bộ biến tần tiristor nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên. - ĐCĐB công suất vừa và lớn được dùng với vùng điều chỉnh tốc độ cỡ 10:1, đi kèm với bộ biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên, hoặc biến tần trực tiếp tiristor. M« pháng ®éng c¬ ®ång bé b»ng Matlab vµ Simulink 5 Tæng hîp ®iÖn c¬ NguyÔn Quèc Huy §T§47 – §H1 Cũng cần lưu ý về khả năng sử dụng rộng rãi ĐCĐB rotor nam châm vĩnh cửu bởi các ưu điểm sau: + Vì không có tổn hao rotor nên có hiệu suất cao; + Vì Ψ p mạnh nên cho phép giảm dòng không tải; + Đặc tính điều chỉnh ít phụ thuộc sự biến thiên các thông số động cơ. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ của động cơ đồng bộ dựa theo công thức: c s S p f π ω 2 = Trong đó: f s : tần số nguồn cấp p c : số đôi cực Như vậy nếu điều chỉnh được f s thì sẽ điều chỉnh được tốc độ góc của động cơ đồng bộ. 1.2. Tính chất điều chỉnh của máy điện đồng bộ Ở máy điện đồng bộ, dòng kích từ sinh ra do cuộn kích từ đặt ở phần cảm, còn dòng phần ứng chạy trong cuộn 3 pha đặt ở stato. i a i c i b i f u f Hình 1.2. Sơ đồ tương đương máy điện đồng bộ Dòng kích từ điều khiển bằng bộ biến đổi, còn véc tơ i s điều khiển qua bộ biến tần có điều chỉnh dòng stato. Nhiệm vụ của hệ thống điều chỉnh là tạo ra một cặp giá trị dòng điện (i fz , i sz ) trên cơ sở mô men cho trước m z , để sao cho nhận được điều kiện làm việc như ở máy điện một chiều. Quá trình điện từ của máy điện đồng bộ, nếu nghiên cứu ở hệ trục quay d,q M« pháng ®éng c¬ ®ång bé b»ng Matlab vµ Simulink 6 Tæng hîp ®iÖn c¬ NguyÔn Quèc Huy §T§47 – §H1 gắn với rô to sẽ rất đơn giản. Từ thông kích từ Ψ f luôn hướng theo trục d bất kể rô to đứng im hay đang quay. Nếu véc tơ dòng i s cũng quay với tốc độ đồng bộ ω si = ω m thì ta nhận được sơ đồ véc tơ “đứng” ở hệ trục d,q. So sánh 2 sơ đồ véc tơ máy điện đồng bộ và một chiều ta rút ra kết luận: - Dòng kích từ i M của máy đồng bộ tương ứng như dòng kích từ của máy một chiều i f . - Véc tơ i s của máy điện đồng bộ giống như véc tơ i t của máy điện một chiều. Mô men máy đồng bộ biểu diễn bằng tích của từ thông tổng Ψ s = i M x M và dòng stato i s . Do máy đồng bộ không có cuộn khử, nên từ thông tổng Ψ s chịu tác dụng của phản ứng phần ứng, nên phụ thuộc vào tải. Những tính chất điều chỉnh cơ bản của máy đồng bộ có thể xác định như sau: - Máy đồng bộ có 2 kênh điều khiển đó là cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng. - Hai kênh này độc lập với nhau về điện nhưng lại móc vòng với nhau về từ. - Từ thông tổng stato Ψ s không chỉ quyết định bằng dòng kích từ i f mà nó còn phụ thuộc vào dòng phần ứng i s = [i s , δ ]. - Tốc độ góc cơ ω m có mối liên hệ phản hồi với tần số ra của bộ biến tần, là tần số quyết định tốc độ quay của véc tơ dòng stato ω si . - Mô men máy điện đồng bộ xác định bằng véc tơ dòng stato i s = [i s ,δ] và dòng kích từ, hai đại lượng này không thể tách độc lập được. - Ở trạng thái ổn định vec tơ dòng stato và roto quay cùng một tốc độ ω si = ω m làm cho dòng từ hoá i M CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ MATLAB VÀ SIMULINK M« pháng ®éng c¬ ®ång bé b»ng Matlab vµ Simulink 7 Tæng hîp ®iÖn c¬ NguyÔn Quèc Huy §T§47 – §H1 2.1. Matlab và các công cụ toán học MATLAB là một bộ chương trình lớn của lĩnh vực toán số. Tên bộ chương trình chính là chữ viết tắt từ MATrix LABoratory, thể hiện định hướng chính của chương trình là các phép tính vectơ và ma trận. Phần cốt lõi của chương trình bao gồm một số hàm toán, các chức năng xuất/nhập cũng như các khả năng điều khiển chu trình mà nhờ đó ta có thể xây dựng các Scripts. Phần mềm matlab giành cho sinh viên được nhà sản xuất cung cấp free có các toolbox liên quan tới Điều khiển và tự động hóa như: Control System Toolbox, Signal Processing Toolbox, Optimization Toolbox, Stateflow Blockset, Power System Blockset, Real Time workshop và Simulink. SIMULINK là một toolbox có vai trò đặc biệt quan trọng: Vai trò của một công cụ mạnh phục vụ mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống các kỹ thuật Kỹ thuật – Vật lý trên cơ sở sơ đồ cấu trúc dạng khối. Cùng với SIMULINK, Stateflow Blockset tạo cho ta khả năng mô hình hóa và mô phỏng các automat trạng thái hữu hạn. 2.2. Công cụ Simulink SIMULINK là phần chương trình mở rộng của matlab nhằm mục đích mô hình hóa, mô phỏng và khảo sát các hệ thống động học. Giao diện đồ họa trên màn hình của simulink cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc. Simulink cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong phú, có sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính phi tuyến và gián đoạn. Hơn thế người sử dụng có thể tạo nên các khối riêng của mình. Sau khi đã xây dựng mô hình của hệ thống cần nghiên cứu, bằng cách ghép các khối cần thiết thành sơ đồ cấu trúc của hệ, ta có thể khởi động quá trình mô phỏng. Trong quá trình mô phỏng ta có thể trích tín hiệu tại vị trí bất kỳ của sơ đồ cấu trúc và hiển thị đặc tính của tín hiệu đó trên màn hình. Hơn thế nữa nếu có nhu cầu ta có thể cất giữ các đặc tính đó vào môi trường nhớ. Việc nhập hay thay đổi các tham số của tất cả các khối cũng có thể được thực hiện rất đơn giản bằng cách nhập trực tiếp hay thông qua MATLAB. Để khảo sát hệ thống, ta có thể sử dụg thêm các M« pháng ®éng c¬ ®ång bé b»ng Matlab vµ Simulink 8 Tæng hîp ®iÖn c¬ NguyÔn Quèc Huy §T§47 – §H1 toolbox như Signal Processing (xử lý tín hiệu), Optimization (tối ưu ) hay Control System (hệ thống điều khiển). Dưới đây em sẽ trình bày các đặc điểm cơ bản của simulink, với cách thức tạo nên và xây dựng một chương trình mô phỏng máy điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu. Thêm vào đó là các thư viện và các block đựoc sử dụng trong quá trình mô phỏng. a. Khởi động Simulink Để khởi động simulink trước hết ta phải khởi động matlab bằng cách kích dúp chuột vào biểu tượng trên màn hình desktop Hoặc tìm đến thư mục cài đặt MATLAB 7.0 và chạy MATLAB 7.0.exe Sau khi đã khởi động Matlab 7.0 trên màn hình của sổ lệnh ta gõ simulink3 để khởi động chương trình simulink mà ta sử dụng. Hình 2.1. Giao diện Matlab 7.0 Quá trình khởi động thành công ta thấy xuất diện màn hình có chứa các thư viện cua simulink như sau: M« pháng ®éng c¬ ®ång bé b»ng Matlab vµ Simulink 9 Tæng hîp ®iÖn c¬ NguyÔn Quèc Huy §T§47 – §H1 Hình 2.2. Thư viện Simulink Trong các thư viện này sẽ chứa các block mà ta sẽ sử dụng. Tất cả các khối chức năng đều được xây dựng theo một mẫu giống nhau: Mỗi khối có hai hoặc nhiều đầu vào/ra, có tên và ở trung tâm của hình khối có biểu tượng thể hiện đặc điểm riêng của khối. Ví dụ: Hình 2.3. Các Block cơ bản Người sử dụng có thể tùy ý thay đổi tên của khối bằng cách nháy kép phím chuột trái vào vị trí tên. Tuy nhiên, mỗi tên chỉ có thể sử dụng một lần duy nhất trong phạm vi cửa sổ mô hình mô phỏng. Khi nháy kép phím chuột trái vào khối ta sẽ mở cửa sổ tham số Block Parameter, từ đó có thể nhập thủ công các tham số đặc trưng của khối. Khi đã nhập xong ta nhấn OK để chấp nhận thay đổi. Từ cửa sổ thư viện khối (Library) ta có thể tạo các cửa sổ mô phỏng mới bằng cách đi theo menu File / New / Model, hoặc mở các file đã có sẵn qua File / Open. Một file SIMULINK khi được cất giữ (menu File / Save hoặc File / Save as trong cửa sổ mô phỏng) sẽ có đuôi *.mdl*. M« pháng ®éng c¬ ®ång bé b»ng Matlab vµ Simulink 10 . và động cơ không đồng bộ. Bởi vì động cơ đồng bộ mang tính ưu việt của cả động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ. Máy điện đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh. trình cần thiết để mô tả động cơ đồng bộ. Sau đây sẽ là mô hình cơ điện đầy đủ của ĐCĐB kích từ vĩnh cửu: Hình 3.2. Mô hình MĐ ĐB - KTVC trên hệ tọa độ dq