Đồ án mô phỏng điều khiển động cơ DC kích từ độc lập sử dụng phần mềm matlab với mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KÍCH TỪ ĐỘC LẬP SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB VỚI MẠCH CHỈNH LƯU CẦU PHA ĐIỀU KHIỂN TOÀN PHẦN Mã số lớp HP: PRED410945_16_2_04 GVHD : Trần Quang Thọ Nhóm thực hiện: Minh-Vinh TP.HCM HỌ TÊN SINH VIÊN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Nguyễn Văn Minh 16342035 Hồ Cát Vinh 16342072 Điểm:………… Nhận xét GV: GV ký tên MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU .5 PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều 1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều .7 1.2 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.2.1 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 1.2.2 Mở máy động kích từ độc lập .10 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP .11 1.3.1 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông .11 1.3.2 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở mạch phần ứng 12 1.3.3 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp phần ứng 13 CHƯƠNG 2.  TÌM HIỂU MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KÍCH TỪ ĐƠC LẬP TRONG MATLAB 16 2.1 Lựa chọn mơ hình : 16 2.2 Tìm hiểu cách thức hoạt động mơ hình 17 2.2.1 Thiết bị mơ hình .17 2.2.2 Mô tả nguyên lý hoạt động: .21 2.2.3 Biểu diễn thay đổi tốc độ động 21 PHẦN KẾT LUẬN 26 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .27 PHẦN MỞ ĐẦU -Lý chọn đề tài : Động điện chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục phạm vi rộng nhiều trường hợp cần có đặc tính đặc biệt, thiết bị đơn giản rẻ tiền thiết bị điều khiển động ba pha Vì số ưu điểm động điện chiều sử dụng rộng rãi công nghiệp - Mục tiêu đề tài: Trang bị kiến thức động điện chiều kích từ độc lập, vai trị mạch chỉnh lưu tồn kỳ việc điều khiển tốc độ động Hiểu mơ hình làm việc số mơ hình Demo Matlab cấu tạo, nguyên lý hoạt động cách thức làm việc động chiều kích từ độc lập - Phương pháp thực đề tài: Chủ động, tích cực (tìm hiểu xây dựng mơ hình mơ động cơ, tham khảo tài liệu,…)  Làm việc theo nhóm (thuyết trình, tranh luận… theo phân cơng nhóm trưởng)  Liên hệ chặt chẽ với giảng viên (trực tiếp lớp gián tiếp qua email, điện thoại…)  Gắn học tập với thực hành lúc, nơi PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều Động điện chiều chia thành phần chính: Phần tĩnh ( Stato) Gồm phận sau: Cực từ chính: bộphận sinh từ trường, gồm lõi sắt cực từ dây quấn kích từ + Lõi sắt cực từ làm thép kĩ thuật điện dày ( 0,5 –1) mm ép lại tán chặt + Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện Trong máy cơng suất nhỏ, cực từ nam châm vĩnh cửu Trong máy cơng suất trung bình lớn, cực từ nam châm điện - Cực từ phụ: đặt cực từ dùng để cải thiện điều kiện làm việc máy điện đổi chiều + Lõi thép cực từphụcó thểlà khối ghép thép tùy theo chế độlàm việc Xung quanh cực từ phụ đặt dây quấn cực từ phụ, dây quấn cực từ phụ nối với dây quấn phần ứng Gông từ: dùng đểlàm mạch từ nối liền cực từ đồng thời làm vỏmáy Phần quay ( roto) Bao gồm bộphận sau: - Lõi thép phần ứng: dùng để dẫn từ, thường dùng thép kĩ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dòng điện xoáy gây lên Trong máy điện nhỏ, lõi thép phần ứng ép trực tiếp vào trục Trong máy điện lớn, trục lõi sắt có đặt giá roto Dây quấn phần ứng: phần sinh sức điện động có dịng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm đồng có bọc cách điện Trong máy điện công suất nhỏ, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện trịn Trong máy điện cơng suất vừa lớn, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện hình chữ nhật Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành chiều Cơ cấu chổi than: dùng để đưa dòng điện từ phần quay 1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi cho điện áp chiều U vào hai chổi điện, dây quấn phần ứng có dịng điện Iư Các dẫn có dịng điện nằm từ trường, chịu lực F đt tác dụng làm cho rôto quay Khi phần ứng quay nửa vịng, vị trí dẫn đổi chỗ cho nhau, có phiến góp đổi chiều dịng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động có chiều quay khơng đổi Khi động quay, dẫn cắt từ trường, cảm ứng sức điện động Eư Ở động điện chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên sức điện đơng Eư cịn gọi sức phản diện Phương trình điện áp 1.2 KHÁI QT VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Khi nguồn điện chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập với nhau, lúc động gọi động kính từ độc lập Hình 1.1 Động điện chiều kích từ độc lập Động điện chiều cấp điện từ nguồn cấp cho rơto kích từ độc lập: Cuộn kích từ chiều độc lập với nguồn điện 1.2.1 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Tùy theo cách kích thích từ, động điện chiều có tính khác biểu diễn đường đặc tính làm việc, đặc tính khác Trong đặc tính đó, quan trọng đặc tính Đặc tính dùng để xác định điểm làm việc xác lập khảo sát điểm làm việc ổn định hệthống truyền động điện Đặc tính tốc độ động điện mặt phẳng tọa độ ω với momen ω= f(I) Đặc tính động điện mặt phẳng tọa độ ω với momen ω= f(M) 1.2.1.1 Đặc tính tốc độ động điện chiều kích từ độc lập * Phương trình đặc tính tốc độ tự nhiên: ω= Uu − Ru K E Φ đm K E Φđm Iu * Phương trình đặc tính tốc độ nhân tạo: ω= *Khi khơng tải: Iư = Ic=0 => Ru *aTN(tự nhiên)= : Hệ số K E Φ đm Uu − Ru +R f K E Φ đm K E Φđm ω= Iu Uu K E Φ đm (Tốc độ không tải lý tưởng) góc (độ dốc) * Δω=aTN I u : độ sụt tốc độ *Eư = K E Φđm ω : sứt điện động Với Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay rôto: Eu = p N φ ω=K E φ ω πa p N K E= : hệ số kết cấu động πa P: Số đơi cực từ N: Số dẫn tác dụng cuộn ứng a: Số mạch nhánh song song cuộn ứng Φ đm ≡ I KTđm Φ ≡ IKT : từ thơng kích từ cực từ 1.2.1.2 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Phương trình đặc tính nhân tạo: ω= Uu ( Ru + R f ) − M K E Φ đm ( K Φ ) E đm Phương trình đặc tính tự nhiên: ω= U u đm K E Φ đm − Ru ( K E Φ đm ) M Giả thiết phản ứng phần ứng bù đủ, từ thông Φ = const, phương trình đặc tính tốc độ phương trình đắc tính tuyến tính Đồ thị chúng biểu diễn Hình1.2 Hình 1.3 đường thẳng Hình 1.2: Đặc tính tốc độ (cơ điện) Hình 1.3: Đặc tính Theo đồ thị trên, I ư=0, M=0 , ta có: Tốc độ ωo gọi tốc độ khơng tải lý tưởng động Đó tốc độ lớn động mà đạt chế độ động khơng xảy trường hợp Mc = Uu M=K E ΦI nm=M nm Iu= = I nm Khi ω = , ta có Ru +R f Mơmen Mnm Inm gọi mơmen ngắn mạch dịng điện ngắn mạch Đó giá trị mơmen lớn dòng điện lớn động cấp điện đầy đủ mà tốc độ Trường hợp xảy bắt đầu mở máy động chạy mà bị dừng lại bị kẹt tải lớn q kéo khơng Dịng điện I nm lớn thường bằng: Inm = (10 ÷20)Iđm Nó gây cháy hỏng động tượng tồn kéo dài 1.2.2 Mở máy động kích từ độc lập * Vấn đề mở máy: I u= U u đm−E u U u đm−K E Φ đm n = Ru Ru Khi mở máy : n=0 => Eư mm = 10 Thường : R u= (0 , 04÷ 0,05 ).U u đm I đm Thay vào Iư đm = (20 ÷ 25) Iđm Dòng Imm lớn : - Mmm lớn => động dễ mở máy - Cháy lớp cách điện dây quấn - Cháy dây dẫn điện - Biến dạng rãnh stator * Cách khắc phục: U u đm Iư mm = (1,8 ÷ 2,5) Iđm = Ru Cách :Giảm Uư mở máy Cách : Giữ Uư = Uư đm thêm Rf vào mạch phần ứng 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Khi xem xét phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập, ta biết quan hệ ω=f(M) phụ thuộc thông số điện U, φ, RưΣ Sự thay đổi thông số cho họ đặc tính khác Vì vậy, với mơmen tải đó, tốc độ động khác đặc tính khác Như vậy, động điện chiều kích từ độc lập điều chỉnh tốc độ phương pháp sau đây: 1.3.1 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông Muốn thay đổi từ thơng động cơ, ta tiến hành thay đổi dịng điện kích từ động qua điện trở mắc nối tiếp mạch kích từ Rõ ràng phương pháp cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa giảm dịng điện kích từ (Ikt ≤ Iktđm) thay đổi phía giảm từ thơng Khi giảm từ thơng, đặc tính dốc có tốc độ khơng tải lớn Họ đặc tính giảm từ thơng hình1.4: 11 - Phương pháp cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ phía giảm (do tăng thêm điện trở) - Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng tổn hao công suất dạng nhiệt điện trở lớn - Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số mơmen tải Tải nhỏ (M1) dải điều ω max nhỏ Nói chung, phương pháp cho dải điều chỉnh: D ≈ 5:1 chỉnh D= ω Hình 1.5: Điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập phương pháp thay đổi điện trở phần ứng - Về nguyên tắc, phương pháp cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi điện trở dịng rotor lớn nên việc chuyển đổi điện trở khó khăn Thực tế thường sử dụng chuyển đổi theo cấp điện trở 1.3.3 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp phần ứng Sơ đồ nguyên lý biểu diễn Hình 1.6 Từ thông động giữ không đổi Điện áp phần ứng cấp từ biến đổi Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có họ đặc tính ứng với tốc độ không tải khác nhau, song song có độ cứng Điện áp U thay đổi phía giảm (UHelp => Demos=> SimPowerSystems=> Demos => Power Electronics Models => Speed Control of a DC Motor using BJT H-Bridge 2.2 Tìm hiểu cách thức hoạt động mơ hình 16 2.2.1 Thiết bị mơ hình 17 Q1: -Thực linh kiện IGBT song song với loạt mạch dập RC ( ngăn chặn hậu việc tắt dòng đột ngột ) -Ở trạng thái mở, IGBT có điện trở nội ( Ron ) cuộn cảm ( Lon) -Đối với hầu hết ứng dụng, cuộn cảm phải đặt mức không Ở trạng thái đóng, IGBT có trở kháng vơ hạn D1: -Thực linh kiện Diode song song với loạt mạch dập RC ( ngăn chặn hậu việc tắt dòng đột ngột ) -Ở trạng thái mở, Diode có điện trở nội ( Ron ) cuộn cảm ( Lon) -Đối với hầu hết ứng dụng, cuộn cảm nội nên đặt không -Trở kháng Diode vơ hạn chế độ trạng thái đóng 18 Chọn công suất động Thực máy điện chiều (từ trường quay nam châm vĩnh cửu).Đối với DC từ trường quay, đường dẫn cấp đến vùng kết nối máy điện xem kích từ độc lập , đấu song song nối tiếp máy điện chiều Lựa chọn tín hiệu truyền Bus Khối chấp nhận bus đầu vào tạo từ người dùng lựa chọn bus xác định đầu cách sử dụng đối tượng bus Bên trái bus thể tín hiệu đầu vào Sử dụng nút Select để chọn tín hiệu đầu Bên phải bus thể lựa chọn Sử dụng nút nhấn Up, Down, Remove để xếp lại lựa chọn Kiểm tra ' Đầu bus ' để xuất tín hiệu đơn 19 Màn hình hiển thị phạm vi hoạt động dòng chảy IGBT Diode Màn hình hiển thị phạm vi hoạt động tốc độ quay động ( vòng/phút), dòng ứng (A) tải moment (N.m) 20 2.2.2 Mô tả nguyên lý hoạt động: Bipolar Junction Transistor (BJT) sử dụng cho ứng dụng chuyển mạch công suất,hoạt động IGBT Khi tiến hành (BJT hoạt động vùng bão hoà), điện áp thuận Vf khai triển thu phát (trong khoảng V) Do khối IGBT sử dụng để mơ hình hóa thiết bị BJT Khối IGBT khơng mơ dịng cổng điều khiển BJT IGBT Việc chuyển đổi điều khiển tín hiệu mô (1/0) Động DC sử dụng mô hình đặt sẵn trước (5 HP 240V 1750 rpm) Nó mơ loại quạt tải (trong Moment tải tỷ lệ thuận với bình phương tốc độ ) Điện áp trung bình thay đổi từ đến 240 V chu kỳ làm việc (quy định khối Máy phát xung) dao động từ đến 100% Cầu H bao gồm bốn cặp BJT / Diode (BJT mơ theo mơ hình IGBT) Hai transistors bật đồng thời: Q1 Q4 Q2 Q3 Khi Q1 Q4 kích hoạt, dịng điện mạch chạy từ nguồn Vcc đến Q1, qua động đến Q4 để GND Lúc này, động quay theo chiều thuận diode D2-D3 hoạt động diode quay tự Q1 Q3 tắt Khi Q2 Q3 kích hoạt, dịng điện mạch chạy từ nguồn Vcc đến Q2, qua động đến Q3 để GND Lúc này, động quay theo chiều ngược diode D1-D4 hoạt động diode quay tự Q2 Q3 tắt 2.2.3 Biểu diễn thay đổi tốc độ động Mô hình cho phép ta điều khiển tốc động cách điều chỉnh điện áp Điện áp trung bình thay đổi từ đến 240 V chu kỳ làm việc (quy định khối Máy phát xung) dao động từ đến 100% Trường hợp 1: Động bắt đầu theo chiều dương với chu kỳ hoạt động 75% (điện áp DC trung bình 180V) Tại t = 0.5 giây Điện áp phần ứng đột ngột đảo ngược động chạy theo hướng âm 21 Scope cho thấy tốc độ động cơ, dòng điện phần ứng mô men tải Scope cho thấy dòng chảy BJT Q3 diode D3 22 Trường hợp 2: Động bắt đầu theo chiều dương với chu kỳ hoạt động 50% (điện áp DC trung bình 120V) Tại t = 0.5 giây Điện áp phần ứng đột ngột đảo ngược động chạy theo hướng âm Scope cho thấy tốc độ động cơ, dịng điện phần ứng mơ men tải Scope cho thấy dòng chảy BJT Q3 diode D3 23 Trường hợp 3: Động bắt đầu theo chiều dương với chu kỳ hoạt động 30% (điện áp DC trung bình 72V) Tại t = 0.5 giây Điện áp phần ứng đột ngột đảo ngược động chạy theo hướng âm Scope cho thấy tốc độ động cơ, dòng điện phần ứng mô men tải Scope cho thấy dòng chảy BJT Q3 diode D3 24 Trường hợp 4: Động bắt đầu theo chiều dương với chu kỳ hoạt động 100% (điện áp DC trung bình 240V) Tại t = 0.5 giây Điện áp phần ứng đột ngột đảo ngược động chạy theo hướng âm Scope cho thấy tốc độ động cơ, dịng điện phần ứng mơ men tải Scope cho thấy dòng chảy BJT Q3 diode D3 25 PHẦN KẾT LUẬN Ưu nhược điểm đề tài: - Ưu điểm: Điều khiển tốc độ động phương pháp thay đổi điện áp Động điện chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục phạm vi rộng nhiều trường hợp cần có đặc tính đặc biệt, thiết bị đơn giản rẻ tiền thiết bị điều khiển động ba pha - Nhược điểm: Chưa thể điều khiển tốc độ hai phương pháp thay đổi từ thông thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Độ tin cậy sử dụng động chiều thấp sơ với động khơng đồng có hệ số tiếp xúc chổi than… Khả áp dụng thực tế: - Động điện chiều sử dụng rộng rãi Trong công nghiệp, động điện chiều sủ dụng nơi yêu cầu mở máy lớn yêu cầu điều chỉnh tốc độ phẳng phạm vi rộng Vì động điện chiều có đặc tính làm việc tốt mặt điều chỉnh tốc độ (phạm vi điều chỉnh rộng, chí từ tốc độ khơng) Nhận xét thân vấn đề đề tài: - Trong q trình tìm hiểu nhóm gặp nhiều khó khăn việc tìm hiểu phần mềm matlab, với kiên trì, tích cực tìm kiếm từ nhiều nguồn tài liệu, nhóm tự trang bị cho chút kiến thức phần mềm Matlab - Tự nhận thức kiến thức hạn chế nên chưa sâu nhiều vấn đề việc mô mô hình động DC kích từ độc lập 26 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền:(2006), Truyền động điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] https://www.mathworks.com/support/search_results.html?suggestion=&q= Speed+Control+of+a+DC+Motor+using+BJT+HBridge&q1=Speed+Control+of+a+DC+ Motor+using+BJT+H-Bridge 27 ... Hình 1. 1 Động điện chiều kích từ độc lập Động điện chiều cấp điện từ nguồn cấp cho rôto kích từ độc lập: Cuộn kích từ chiều độc lập với nguồn điện 1. 2 .1 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập. .. .10 1. 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP .11 1. 3 .1 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông .11 1. 3.2 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở mạch phần. .. Nguyên lý làm việc của? ?động? ?cơ? ?điện một chiều .7 1. 2 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1. 2 .1 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 1. 2.2 Mở máy động kích từ độc lập