Đang tải... (xem toàn văn)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ NGÀNH Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa CHUYÊN NGÀNH Tự động hóa và điều khiển thiết bị điện công nghiệp HỌC PHẦN Mô hình hóa và mô phỏng Giảng viên hướng dẫn Mai Hoàng Công Minh Sinh viên thực hiện Nguyễn Hoàng Anh Mã sinh viên 18810430122 Lớp D13TDHDKTBCN2 HÀ NỘI, 122021 MỤC LỤC CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 2 1 1 Khái niệm chung 2 1 2 Đặc điểm của mô hình hóa hệ thống 3 1 3 Phân loại mô hì.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HĨA BÁO CÁO CHUN ĐỀ NGÀNH: Cơng nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa CHUYÊN NGÀNH: Tự động hóa điều khiển thiết bị điện cơng nghiệp HỌC PHẦN: Mơ hình hóa mơ Giảng viên hướng dẫn: Mai Hồng Cơng Minh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Anh Mã sinh viên: 18810430122 Lớp: D13TDH&DKTBCN2 HÀ NỘI, 12/2021 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG .2 1.1 Khái niệm chung 1.2 Đặc điểm mơ hình hóa hệ thống 1.3 Phân loại mơ hình hệ thống 1.4 Một số nguyên tắc xây dựng mơ hình CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 2.1 Khái niệm chung phương pháp mô 2.2 Bản chất phương pháp mô 2.3 Các bước nghiên cứu mô 2.4 Ưu, nhược điểm phương pháp mô 11 2.5 So sánh phương pháp mô phương pháp giải tích 12 2.6 Các phương pháp mô 12 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG MATLAB-SIMMULINK .14 3.1 Giới thiệu chung động đồng nam châm vĩnh cửu 14 3.1.1 Cấu tạo động đồng nam châm vĩnh cửu .14 3.1.2 Nguyên lý hoạt động động đồng nam châm vĩnh cửu 17 3.2 Giới thiệu chung ứng dụng Matlab-Simulink 17 3.2.1 Matlab 18 3.2.2 Simulink 18 3.2.3 Ứng dụng Simulink để mơ hình hóa, mơ phỏng, phân tích khảo sát hộ thống động học 19 3.3 Ứng dụng Matlab-Simulink mô động đồng nam châm vĩnh cửu 20 3.3.1 Các phương trình động học mơ hình matlab-simulink 20 3.3.2 Kết mô 23 KẾT LUẬN 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 DANH SÁCH BẢNG, HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ phân loại mơ hình Hình 2.1 Quá trình nghiên cứu phương pháp mơ .9 Hình 2.2 Các bước nghiên cứu mô Hình 2.3 So sánh hai phương pháp giải tích mơ 12 Hình 3.1 Động đồng nam châm vĩnh cửu cực lồi .15 Hình 3.2 Động đồng nam châm vĩnh cửu cực ẩn .16 Hình 3.3 Các kiểu rotor nam châm vĩnh cửu cực ẩn 16 Hình 3.4 Mơ hình động đồng nam châm vĩnh cửu .20 Hình 3.5 Mơ hình chuyển đổi Clark-Park 20 Hình 3.6 Mơ hình Clark-Park ngược 21 Hình 3.7 Mơ hình dòng điện động đồng nam châm vĩnh cửu 22 Hình 3.8 Mơ hình momen động đồng nam châm vĩnh cửu 22 Hình 3.9 Mơ hình tốc độ động đồng nam châm vĩnh cửu 23 Hình 3.10 Điện áp VABC .23 Hình 3.11 Đáp ứng đầu tốc độ 24 Hình 3.12 Đáp ứng đầu mômen .24 Hình 3.13 Đáp ứng đầu dòng điện 25 Mơ hình hóa mơ ĐỀ BÀI BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ Đề tài: Mô động đồng nam châm vĩnh cửu Matlab-Simulink Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm Họ tên Mã sinh viên Lớp Nguyễn Hoàng Anh 18810430122 D13TDH&DKTBCN2 Nguyễn Lê Trường An 18810430184 D13TDH&DKTBCN2 Lê Tuấn Anh 18810430164 D13TDH&DKTBCN2 Trần Mạnh Cường 18810430166 D13TDH&DKTBCN2 Lê Tuấn Anh 18810430158 D13TDH&DKTBCN2 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh Mơ hình hóa mơ CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG 1.1 Khái niệm chung Ngày để phân tích tổng hợp hệ thống lớn, người ta thường sử dụng phương pháp tiếp cận hệ thống Khác với phương pháp truyền thống trước phân tích từ phần tử đến hệ thống, phương pháp tiếp cận hệ thống từ phân tích chung tồn hệ thống đến cấu tạo phần tử, từ xác định mục tiêu toàn hệ thống đến chức năng, nhiệm vụ phần tử cụ thể, xác định mối tương quan phần tử hệ thống, hệ thống xét với hệ thống khác với môi trường xung quanh Người ta định nghĩa hệ thống (system) S tập hợp phần tử có quan hệ với nhau, đối tượng cần nghiên cứu Môi trường (Environment) E tập hợp thực thể ngồi hệ thống có tác động qua lại với hệ thống xét Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu mà người ta xác định hệ thống S mơi trường E tương ứng Khi tiến hành mơ hình hóa điều quan trọng xác định mục tiêu mơ hình hóa, sở xác định hệ thống S, mơi trường E mơ hình (Model) M Bước xác định cấu trúc hệ thống, tức tập phần tử mối quan hệ chúng hệ thống Cấu trúc hệ thống xem xét hai phương diện: từ phía ngồi từ phía Từ phía ngồi tức xem xét phần tử cấu thành hệ thống mối quan hệ chúng hay nói cách khác phương pháp tiếp cận cấu trúc Từ phía trong, tức phân tích đặc tính, chức phần tử cho phép hệ thống đạt mục tiêu định hay nói cách khác phương pháp tiếp cận chức Khi xem xét vận động hệ thống theo thời gian S(t) có nghĩa hệ thống chuyển tử trạng thái sang trạng thái khác không gian trạng thái Z, người ta quan tâm đến chức hoạt động hệ thống Để đánh giá chức hệ thống người ta phải xác định tiêu đánh giá, tập tiêu riêng tiêu tổng hợp cho toàn hệ thống Tiếp cận hệ thống cho phép ta xây dựng mơ hình hệ thống lớn có tính đến nhiều yếu tố tác động nội hệ thống S S với môi trường E Người ta chia q trình mơ hình hóa làm hai giai đoạn: Giai đoạn thiết kế tổng thể hay thiết kế tầm vĩ mô (Macro Design) giai đoạn thiết kế cụ thể hay thiết kế mức đọ vi mô (Micro Design) Trong giai đoạn thiết kế tổng thể, sở liệu hệ thống thực môi trường E người ta xây dựng mơ hình hệ thống mơ hình mơi trường thỏa mãn tiêu đánh giá định trước Còn giai đoạn thiết kế cụ thể, sở mơ hình lựa chọn, người ta xác định điều kiện ràng buộc, xây dựng chương trình mơ máy tính thực việc mơ để xác định đặc tính kinh tế kỹ thuật hệ thống thực Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh Mơ hình hóa mơ 1.2 Đặc điểm mơ hình hóa hệ thống Cùng với phát triển phương pháp lý thuyết, phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu, phân tích, tổng hợp hệ thống ngày hoàn thiện Đối với hệ thống thực nghiệm có hai phương pháp để nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu hệ thực nghiên cứu mơ hình Nghiên cứu thực nghiệm hệ thực cho ta thấy số liệu khách quan, trung thực Ở phải giải vấn đề lấy mẫu thống kê, ước lượng tham số, phân tích xử lý liệu, v.v Tuy nhiên, việc nghiên cứu hệ thực nhiều trường hợp khó khăn, nghiên cứu mơ hình phương pháp có triển vọng Nhìn chung đối tượng thực có cấu trúc phức tạp thuộc loại hệ thống lớn, mơ hình chúng liệt vào hệ thống lớn có đặc điểm sau: ❖ Tính mục tiêu Tùy theo u cầu nghiên cứu có mơ hình có mục tiêu để nghiên cứu nhiệm vụ cụ thể mơ hình đa mục tiêu nhằm khảo sát số chức năng, đặc tính đối tượng thực tế ❖ Độ phức tạp Độ phức tạp thể cấu trúc phân cấp mơ hình, mối quan hệ qua lại hệ với hệ thống S với mơi trường E ❖ Hành vi mơ hình Hành vi mơ hình đường để mơ hình đạt mục tiêu đề Tùy thuộc vào việc có yếu tố ngẫu nhiên tác động vào hệ hay khơng mà ta có mơ hình tiền định hay mơ hình ngẫu nhiên Theo hành vi hệ thống phân mơ hình liên tục mơ hình gián đoạn Nghiên cứu hành vi mơ hình biết xu hướng vận động đối tượng thực ❖ Tính thích nghi Tính thích nghi đặc tính hệ thống có tổ chức cao, hệ thống thích nghi với thay đổi tác động vào hệ thống Tính thích nghi mơ hình thể khả phản ánh tác động mô trường tới hệ thống khả giữ ổn định mơ hình tác động thay đổi ❖ Tính điểu khiển Ngày nhiều phương pháp tự động hóa ứng dụng mơ hình hóa hệ thống Sử dụng biện pháp lập trình người ta điều khiển theo mục tiêu định trước, thực khả đối thoại người mơ hình để thu nhận thơng tin định điều khiển ❖ Khả phát triển mơ hình Khi tiến hành mơ hình hóa hệ thống xuất tốn nghiên cứu phát triển hệ thống tương lai Vì vậy, mơ hình phải có khả mở Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh Mơ hình hóa mơ rộng, thu nạp thêm hệ con, thay đổi cấu trúc để phù hợp với phát triển hệ thống thực ❖ Độ xác – Độ tin cậy Mơ hình hóa thay đối tượng thực mơ hình để thuận tiện cho việc nghiên Vì vậy, mơ hình phải phản ánh trung thực tượng xảy đối tượng Các kết thực nghiệm mơ hình phải có độ xác, tin cậy thỏa mãn u cầu đề Cần phải nhấn mạnh kết mô hình hóa phụ thuộc nhiều vào khả kinh nghiệm người lập mơ hình hay người nghiên cứu Một mặt, người nghiên cứu phải an hiểu đối tượng, nắm vững tượng, quy luật xảy hệ thống thực Mặt khác, người nghiên cứu phải biết lựa chọn phương pháp mơ hình hóa thích hợp với đối tượng cụ thể, đồng thời phải có khả thực mơ hình máy tính – tức khả lập trình để giải tốn mơ hình hóa 1.3 Phân loại mơ hình hệ thống Có thể vào nhiều dấu hiệu khác để phân loại mơ hình Hình 2.1 biểu diễn cách phân loại mơ hình điển hình Theo cách mơ hình chia thành nhóm chính: mơ hình vật lý mơ hình tốn học hay cịn gọi mơ hình trừu tượng Hình 1.1 Sơ đồ phân loại mơ hình ❖ Mơ hình vât lý: Là mơ hình cấu tạo phần tử vật lý Các thuộc tính đối tượng phản ánh định luật vật lý xảy mơ hình Nhóm mơ hình vật lý chia thành mơ hình thu nhỏ mơ hình tương tự Mơ hình vật lý thu nhỏ có cấu tạo giống đối tượng thực có kích thước nhỏ cho phù hợp với điều kiện phịng thí nghiệm Ví dụ, người ta chế tạo lò nhà máy nhiệt điện có kích thước nhỏ đặt phịng thí nghiệm để nghiên cứu q trình cháy lị hơi, xây dựng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Anh Mơ hình hóa mơ mơ hình đập thuỷ điện có kích thước nhỏ phịng thí nghiệm để nghiên cứu chế độ thuỷ văn đập thuỷ điện Ưu điểm loại mơ hình q trình vật lý xảy mơ hình giống đối tượng thực, quan sát đại lượng vật lý cách trực quan với độ xác cao Nhược điểm mơ hình vật lý thu nhỏ giá thành đắt, sử dụng thực cần thiết ❖ Mô hình vật lý tương tự Được cấu tạo phần tử vật lý không giống với đối tượng thực q trình xảy mơ hình tương đương với trình xảy đối tượng thực Ví dụ: nghiên cứu q trình dao động lắc đơn mơ hình tương tự mạch dao động R – L – C trình dao động điều hồ mạch R – L – C hồn tồn tương tự q trình dao động điều hồ lắc đơn, người ta nghiên cứu đường dây tải điện (có thơng số phân bố rải) mơ hình tương tự mạng bốn cực R – L – C (có thơng số tập trung) Ưu điểm loại mơ hình giá thành rẻ, cho phép nghiên cứu số đặc tính chủ yếu đối tượng thực ❖ Mơ hình tốn học Thuộc loại mơ hình trừu tượng Các thuộc tính phản ánh biểu thức, phương pháp tốn học Mơ hình tốn học chia thành mơ hình giải tích mơ hình biến số Mơ hình giải tích xây dựng biểu thức giải tích Ưu điểm loại mơ hình cho ta kết rõ ràng, tổng quát Nhược điểm mơ hình giải tích phương pháp giải tích thường phải chấp nhận số giả thiết đơn giản hố để biểu diễn đối tượng thực biểu thức giải tích, loại mơ hình chủ yếu sử dụng cho hệ tiền định tuyến tính ❖ Mơ hình số Được xây dựng theo phương pháp số tức chương trình chạy máy tính số Ngày nay, nhờ phát triển kỹ thuật máy tính cơng nghệ thông tin, người ta xây dựng mơ hình số mơ q trình hoạt động đối tượng thực Những mơ hình loại gọi mơ hình mơ (Simulation Model) Ưu điểm mơ hình mơ mơ tả yếu tố ngẫu nhiên tính phi tuyến đối tượng thực, mơ hình gần với đối tượng thực Ngày nay, mơ hình mơ ứng dụng rộng rãi Có thể vào đặc tính khác để phân loại mơ hình như: mơ hình tĩnh mơ hình động, mơ hình tiền định mơ hình ngẫu nhiên, mơ hình tuyến tính mơ hình phi tuyến, mơ hình có thơng số tập trung, mơ hình có thơng số rải, mơ hình liên tục, mơ hình gián đoạn, v.v… Mơ hình phải đạt hai tính chất sau: ❖ Tính đồng Mơ hình phải đồng với đối tượng mà phản ánh theo tiêu chuẩn định trước ❖ Tính thực dụng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh Mơ hình hóa mơ Có khả sử dụng mơ hình để nghiên cứu đối tượng Rõ ràng, để tăng tính đồng mơ hình phải đưa vào nhiều yếu tố phản ánh đầy đủ mặt đối tượng Nhưng nhiều mơ hình trở nên q phức tạp cồng kềnh khơng thể dùng để tính tốn nghĩa tính chất thực dụng mơ hình Nếu q trọng tính thực dụng, xây dựng mơ hình q đơn giản sai lệch mơ hình đối tượng thực lớn, điều dẫn đến kết nghiên cứu khơng xác Vì vậy, tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu mà người ta lựa chọn tính đồng tính thực dụng mơ hình cách thích hợp 1.4 Một số ngun tắc xây dựng mơ hình Việc xây dựng mơ hình tốn học phụ thuộc vào đặc điểm hệ thống thực, vậy, khó đưa nguyên tắc chặt chẽ mà đưa ngun tắc có tính định hướng cho việc xây dựng mơ hình ❖ Ngun tắc xây dựng sơ đồ khối Nhìn chung hệ thống thực hệ thống lớn phức tạp, vậy, người ta tìm cách phân chúng thành nhiều hệ con, hệ đảm nhận số chức hệ lớn Như vậy, hệ biểu diễn khối, tín hiệu khối trước tín hiệu vào khối sau ❖ Nguyên tắc thích hợp Tùy theo mục đích nghiên cứu mà người ta lựa chọn cách thích hợp tính đồng tính thực dụng mơ hình Có thể bỏ bớt số chi tiết khơng quan trọng để mơ hình bớt phức tạp việc giải toán mơ hình dễ dàng ❖ Ngun tắc độ xác Yêu cầu độ xác phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu Ở giai đoạn thiết kế tổng thể độ xác khơng địi hỏi cao nghiên cứu thiết kế chi tiết phận cụ thể độ xác mơ hình phải đạt yêu cầu cần thiết ❖ Nguyên tắc tổ hợp Tùy theo mục đích nghiên cứu mà người ta phân chia tổ hợp phận mơ hình lại với Ví dụ, mơ hình hóa phân xưởng để nghiên cứu q trình sản suất sản phẩm ta coi máy móc thực thể Nhưng nghiên cứu trình điều khiển nhà máy ta coi tổ hợp phân xưởng thực thể nhà máy Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh Mơ hình hóa mơ CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG 2.1 Khái niệm chung phương pháp mô Khi có mơ hình tốn học hệ thống thực người ta tìm thơng tin hệ thống nhiều cách Trong trường hợp mơ hình tương đối đơn giản, người ta dùng phương pháp giải tích, ngược lại người ta dùng phương pháp số Phương pháp giải tích cho ta lời giải tổng quát phương pháp số cho ta lời giải bước tính với điều kiện xác định, muốn lời giải đạt độ xác cao, số bước tính phải tăng lên đủ lớn Đối với hệ thống lớn, có cấu trúc phức tạp, có quan hệ tác động qua lại hệ với trung tâm điều khiển, hệ thống với môi trường xung quanh, có yếu tố ngẫu nhiên tác động, v.v… phương pháp giải tích tỏ bất lực Trong trường hợp người ta sử dụng phương pháp mô Bản chất phương pháp mô xây dựng mơ hình số (Numerical Model) tức mơ hình thể chương trình máy tính Người ta mơ hình hóa thân hệ thống S với mối quan hệ nội đồng thời mơ hình hóa môi trường E xung quanh, nơi hệ thống S làm việc, với quan hệ tác động qua lại S E Khi có mơ hình số người ta tiến hành “thực nghiệm” mơ hình Các “thực nghiệm” lặp lặp lại nhiều lần kết đánh giá theo xác suất Kết xác số lần “thực nghiệm” lớn Như vậy, phương pháp mơ địi hỏi khối lượng tính tốn lớn, điều giải ứng dụng máy tính tốc độ cao Nhờ có phát triển máy tính mà phương pháp mơ ngày hồn thiện 2.2 Bản chất phương pháp mô Phương pháp mơ định nghĩa sau: “Mơ q trình xây dựng mơ hình tốn học hệ thống thực sau tiến hành tính tốn thực nghiệm mơ hình để mơ tả, giải thích dự đoán hành vi hệ thống thực.” Theo định nghĩa này, có ba điểm mà mơ phải đạt Thứ phải có mơ hình tốn học tốt tức mơ hình có tính đồng cao với hệ thực đồng thời mơ hình mô tả rõ ràng thuận tiện cho người sử dụng Thứ hai mơ hình phải có khả làm thực nghiệm tức có khả thực chương trình máy tính để xác định thơng tin hệ thực Cuối khả dự đoán hành vi hệ thực tức mơ tả phát triển hệ thực theo thời gian Phương pháp mô đề xuất vào năm 80 kỷ 20, từ đến phương pháp mơ nghiên cứu, hồn thiện, ứng dụng thành công vào nhiều lĩnh vực khác lĩnh vực khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội, kinh tế, y tế, v.v… Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh Mơ hình hóa mơ ❖ Phương pháp mô liên tục (Continuous Simulation) Thường dùng cho hệ liên tục mà mơ hình biểu diễn hệ phương trình vi phân Nếu phương trình vi phân tương đối đơn giản, giải phương pháp giải tích cho lời giải tổng quát hàm giá trị biến trạng thái thời điểm t = Có nhiều trường hợp phương pháp giải tích khơng giải Trong trường hợp này, người ta phải dùng phương pháp số phương pháp tích phân Runge – Kutta để giải phương trình vi phân cho lời giải đặc biệt biến trạng thái thời điểm t = ❖ Phương pháp mô gián đoạn Hay cịn có tên phương pháp mơ kiện gián đoạn (Discrete Event Simulation) thường dùng cho hệ gián đoạn Trong hệ kiện xảy thời điểm gián đoạn làm thay đổi trạng thán hệ thống Ngoài hai phương pháp mơ kể cịn có nhiều phương pháp mô khác như: - Phương pháp mô hỗn hợp liên tục – gián đoạn (Combined Discrete – Continuous Simulation) - Phương pháp Monte – Carlo (Monte – Carlo Simulation) Các phương pháp mô coi trường hợp riêng hai phương pháp mơ nêu Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh 13 Mơ hình hóa mơ CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG MATLAB-SIMMULINK 3.1 Giới thiệu chung động đồng nam châm vĩnh cửu Động đồng nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet synchronous motors PMSM) dạng đặc biệt máy điện đồng Động đồng thơng thường có cuộn dây quấn phần ứng cuộn dây quấn kích từ rotor cấp dòng điện chiều qua chổi than vành trượt Điều gây tổn hao rotor, thường xuyên phải bảo dưỡng chổi than, làm giảm tuổi thọ máy Nhằm khắc phục nhược điểm máy điện đồng thông thường, người ta thay cuộn kích từ, nguồn kích từ chiều, chổi than vành trượt nam châm vĩnh cửu Vì máy PMSM cần phải có sức điện động cảm ứng hình sin, dịng điện phải có dạng hình sin để tạo mơ men điện từ không đổi giống máy đồng thông thường Động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) có nhiều ưu điểm so với loại động khác sử dụng cho truyền động điện xoay chiều Ở động dị dòng stator vừa để tạo từ trường vừa để tạo mô men, sử dụng nam châm vĩnh cửu rotor, động PMSM không cần cấp dịng điện kích từ qua stator để tạo từ thơng khơng đổi khe hở khơng khí, dịng stator cần để tạo mơ men Như vậy, với đại lượng động PMSM làm việc với hệ số cos lớn khơng cần dịng kích từ, dần đến hiệu suất động cao 3.1.1 Cấu tạo động đồng nam châm vĩnh cửu Về cấu tạo PMSM gần giống động đồng thông thường Stato PMSM giống động đồng thông thường sử dựng thép kỹ thuật ghép lại với Bên có xẻ rảnh để đặt dây quấn Động PMSM có cuộn dây quấn phân tán hình sin chu vi stator Ba cuộn dây cấp điện áp xoay chiều Dạng dịng điện cuộn dây hình sin gần hình sin Sự phân bố từ thơng khe hở khơng khí có dạng hình sin gần hình sin Rotor PMSM nam châm vĩnh cửu cấu trúc cho phân bố độ tự cảm (hoặc mật độ từ thơng) hình sin Các nam châm làm đất ví dụ Samarium Cobalt (SmCo), Neodymium Iron Boride (NdFeB) Có hiệu suất lượng cao tránh khử từ, thường gắn bên (cực ẩn) bên (cực lồi) lõi thép rotor để đạt độ bền khí cao Nhất làm việc với tốc độ cao khe hở khơng khí nam châm đắp vật liệu từ sau bọc vật liệu có độ bền cao sợi thủy tinh bắt vít lên nam châm Theo kết cấu động ta chia PMSM thành hai loại: Động cực ẩn động cực lồi a Động đồng nam châm vĩnh cửu cực lồi (SPMSM)- Surface Permanent Magnet Synchronous Motor Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh 14 Mơ hình hóa mơ Rotor máy điện cực lồi thường có tốc độ quay thấp nên đường kính rotor lớn, chiều dài lại nhỏ Tỷ số “chiều dài/ đường kính” nhỏ Rotor thường đĩa nhơm hay nhựa trọng lượng nhẹ có độ bền cao Các nam châm gắn chìm đĩa Các loại máy thường gọi máy từ trường hướng trục (rotor đĩa) Loại hay sử dụng kỹ thuật robot Hình 3.1 Động đồng nam châm vĩnh cửu cực lồi 1- Lõi thép Stator; 2- Rotor; 3- Nam châm vĩnh cửu b Động đồng nam châm vĩnh cửu cực ẩn (IPMSM)- Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Rotor máy điện cựu ẩn thường làm thép hợp kim chất lượng cao, rèn thành khối trụ sau gia cơng phay rãnh để đặt nam châm Khi nam châm ẩn rotor đạt cấu trúc học bền vững hơn, kiểu thường sử dụng động cao tốc Tốc độ loại thường cao nên để hạn chế lực li tâm rotor thường có dạng hình trống với tỷ số “chiều dài/đường kính” lớn Máy gọi máy từ trường hướng kính (rotor trụ dài), hay sử dụng máy công cụ Tuy nhiên với cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm, máy khơng thể coi khe hở khơng khí Trong trường hợp nam châm lắp bên lõi thép rotor mặt vật lý coi khơng có thay đổi bề mặt hình học nam châm Mỗi nam châm bọc mảng cực thép nên làm mạch từ máy thay đổi mạnh, mảng cực thép tạo đường dẫn từ cho từ thông cắt ngang cực không gian vuông góc với từ thơng nam châm Do hiệu ứng cực lồil rõ ràng làm thay đổi chế sản sinh mô men máy điện Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh 15 Mơ hình hóa mơ Hình 3.2 Động đồng nam châm vĩnh cửu cực ẩn - Lõi thép stator; - rotor; - nam châm vĩnh cửu Với yêu cầu truyền động secvô vận hành phải êm, cần phải hạn chế mơ men (rãnh) mơ men đập mạch sóng hài khơng gian thời gian sinh Để đạt điều người ta thường tạo hình cho nam châm, uốn nam châm lượn chéo theo trục rotor, uốn rãnh dây quấn startor kết hợp với tính tốn số kích thước nam châm Kỹ thuật tạo rotor xiên đắt tiền phức tạp Trong điều kiện bình thường truyền động secvơ, mơ men điều hồ cỡ 2% mơ men định mức coi chấp nhận Tuy nhiên hạn chế đa số mơ men điều hồ (rãnh) truyền động động đồng nam châm vĩnh cửu cấp từ biến đổi cách sử dụng biến đổi chất lượng cao điều khiển có chứa phần tử đo xác thơng số hoạt động tốc độ, vị trí động Trong máy điện nam châm vĩnh cửu kinh điển, startor có răng, ngày ta chế tạo startor không Trong trường hợp dây quấn startor chế tạo từ bên ngồi sau đƣợc lồng vào định vị startor Máy điện không đập mạch tốc độ thấp tổn thất giảm, tăng không gian cho dây quấn startor, nên sử dụng dây quấn tiết diện lớn tăng dòng điện định mức máy điện tăng cơng suất máy Nhưng khe hở khơng khí lớn gây bất lợi cho từ thông khe hở nên phải chế tạo rotor có đường kính lớn có bề mặt nam châm lớn Động đồng nam châm vĩnh cửu cực ẩn có nhiều kiểu rotor khác Dưới ba kiểu rotor thường gặp thực tế Hình 3.3 Các kiểu rotor nam châm vĩnh cửu cực ẩn Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh 16 Mơ hình hóa mơ 3.1.2 Ngun lý hoạt động động đồng nam châm vĩnh cửu Việc khởi động động PMSM gần giống với việc khởi động động đồng thông thường Nhưng không cần đưa nguồn kích từ vào rotor rotor nam châm vĩnh cửu Cụ thể sau: Khi cấp dịng điện hình sin vào cuộn dây stator xuất từ trường quay với tốc độ n= 60 f p (3.1) Trong đó: f: tần số dịng điện p: số đôi cực Do từ trường nam châm vĩnh cửu từ trường không đổi không quay, tác động từ trường quay với từ trường không đổi tạo mô men dao động, giá trị trung bình mơ men Để máy điện làm việc phải quay nam châm vĩnh cửu tới tốc độ tốc độ từ trường, lúc mơ men trung bình động khác Việc đưa nam châm vĩnh cửu đạt tới tốc độ từ trường phương pháp khởi động động đồng thông thường mà ta nghiên cứu trước Đó sử dụng động sơ cấp lai ngồi, phương pháp đắt tiền, cồng kềnh nên sử dụng phổ biến Phương pháp sử dụng phổ biến phương pháp khởi động đồng Sau khởi động đặt tải lên động Như máy đồng nam châm vĩnh cửu có nam châm quay đồng với từ trường quay, hay gọi quay với tốc độ đồng Phần lớn nghiên cứu PMSM tập trung vào hoạt động động cung cấp từ điện áp lưới Cuộn dây dập dao động sử dụng để khởi động máy điện theo nguyên lý hoạt động máy dị sau kéo máy vào đồng phối hợp mô men dao động mô men đồng sinh nam châm vĩnh cửu Trong khởi động, nam châm vĩnh cửu sinh mô men hãm chống lại mô men tạo theo nguyên lý động dị cuộn dập dao động Vì mơ men cung cấp cuộn ổn định phải lớn mô men hãm, tải qn tính để động chạy thành cơng 3.2 Giới thiệu chung ứng dụng Matlab-Simulink Ngày người ta phát triển nhiều phần mềm chuyên dụng dung cho mơ hình hóa mơ Một phần mềm ứng dụng rộng rãi MATLAB – SIMULINK dùng để mô hệ thống động học Phần mềm cung cấp cho kĩ sư, cán kĩ thuật công cụ tính tốn mạnh, phương tiện mơ phỏng, phân tích tổng hợp hệ thống động học MATLAB (Matrix Laboratory) mơi trường tính tốn ma trận mạnh Matlab tích hợp số Toolbox, thư viện hàm hỗ trợ cho Matlab giải ứng dụng riêng biệt như: hệ thống điều khiển, xử lí tín hiệu, tối ưu hóa, nhận dạng, điều khiển bền vững v.v… SIMULINK (trước gọi SIMULAB) môi trường mô dựa Matlab Toolbox hệ thống điều khiển (Control System) xử lý tín hiệu Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh 17 Mơ hình hóa mơ (Signal Processing) Vì Simulink coi phần mở rộng Matlab dùng để mô hệ thống động học Simulink cho phép lập trình dạng sơ đồ cấu trúc thuận tiện việc mô khảo sát hệ thống điều khiển tự động 3.2.1 Matlab Matlab phát triển công ty MathWork Inc – chương trình phân tính làm toán ma trận, thiết kế hệ thống điều khiển, nhận dạng hệ thống đồ họa 2D, 3D Matlab mơi trường mở, cung cấp thuật tốn khả lập trình cho phét người dùng sử dụng tạo ứng dụng, chương trình riêng Matlab có thư viện lớn gồm 500 hàm tốn học từ đại số tuyến tính, hàm ma trận đến phân tích biến đổi Fourier phương pháp số phi tuyến Matlabcó số Toolbox thư viên hàm chuyên dụng nhằm giải tốn lĩnh vực chun mơn khác Làm việc với Matlab đơn giản thuận tiện Có hai cách làm việc: làm việc với cửa sổ lệnh, sau dấu nhắc (prompt) Matlab “>>” người sử dụng đưa vào công thức, hàm, lệnh để tính tốn Matlab trả lời sau lệnh Cách làm việc ngày giống tính tốn trang giấy, cho phép người sử dụng thử phép tính tốn thuật tốn thuận tiện Làm việc với M-file: Matlab cho phép lập trình, chương trình dãy lệnh thực số nhiệm vụ tính tốn định Chương trình ghi thành file có phần mở rộng m với tên file (filename) tự đặt gọi M.file Để chạy chương trình, sau dấu nhắc “>>” ta gõ vào tên file khơng có phần mở rộng Lúc Matlab coi M-file command file hay script file chường trình thực theo lệnh xác định Bình thường chạy chương trình lệnh khơng hiển thị hình 3.2.2 Simulink Similink coi phần mở rộng Matlab Simulink dùng để mô hệ động học hệ tuyến tính, phi tuyến, mơ hình thời gian liên tục gián đoạn Đặc điểm bật Simulink lập trình dạng sơ đồ cấu trúc, sử dụng đối tượng đồ họa (Graphic Programming) Loại lập trình hướng đối tượng có ưu điểm tính trực quan, dễ viết hình dung người lập trình không chuyên nghiệp Simulink cung cấp giao diện đồ họa để xây dựng mơ hình dạng sơ đồ khối Bằng thao tác “nhấn kéo chuột” người sử dụng kéo khối chuẩn thư viện Simulink vùng làm việc để xây dựng mơ hình mơ Người sử dụng thay đổi tạo khối riêng bổ sung vào thư viện khối ứng dụng Simulink có thư viện sau: thư viện khối nguồn tín hiệu (Sources), thư viện khối xuất hiển thị liệu (Sink), thư viện phần tử tuyến tính (Linear), thư viện phần tử phi tuyến (Nonlinearr), thư viện khối gián đoạn (Discrete), thư viện khối nối (Connections), thư viện khối phụ (Extras) Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh 18 Mơ hình hóa mơ Mơ hình Simulink xây dựng theo kiểu phân cấp điều cho phép người sử dụng xây dựng mơ hình theo hướng từ lên từ xuống Dùng chức tạo “mặt nạ” (Mask) Simulink người ta xây dựng hệ (phân hệ) cách tạo hộp thoại biểu tượng cho khối Ứng dụng quan trọng mặt nạ tạo hộp thoại để tiếp nhận thông số khối hệ con, ngồi mặt nạ cịn làm cho mơ hình đơn giản, rõ ràng bảo vệ nội dung khối khỏi xâm nhập người lạ Khi thực mô Simulink người sử dụng vừa quan sát hệ thống mức tổng quan, vừa xem xét chi tiết hoạt động khối cách nháy đúp chuột vào khối Các khối Scope khối hiển thị khác (lấy thư viện Sinks) cho phép người sử dụng quan sát kết chạy mô Hơn người sử dụng cịn trực tiếp thay đổi số chạy mô để biết ảnh hưởng thơng số kết mơ Simulimk có đặc tính quan trọng ta xây dựng mơ hình dạng sơ đồ khối Simulink tự động tạo M.File (function) cho mơ hình Hàm gọi S-function Cũng giống hàm khác Matlab, hàm S-function file mở, người sử dụng truy cập vào soạn thảo Lệnh để mở S-function sfun Điều có nghĩa soạn thảo chương trình mơ mà khơng cần thông qua giao diện đồ thị Mặt khác, Simulink cho phép chuyển đổi từ S-function sang sơ đồ khối ngược lại Như thuận tiện cho người sử dụng 3.2.3 Ứng dụng Simulink để mơ hình hóa, mơ phỏng, phân tích khảo sát hộ thống động học SIMULINK phần mở rộng MATLAB dùng để mơ hình hóa hệ động học Giao diện đồ họa hình SIMULINK cho phép thể hệ thống dạng sơ đồ cấu trúc quen thuộc Trong q trình mơ ta trích tín hiệu vị trí sơ đồ hiển thị tín hiệu hình cất giữ vào nhớ, điều thuận tiện việc khảo sát hệ thống Trong hệ thống truyền động tự động thường có yêu cầu điều chỉnh dòng điện tốc độ Việc tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện tốc độ thực nhờ việc áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modun modun đối xứng Trên sở cấu trúc điều chỉnh tổng hợp tiến hành khảo sát cấu trúc hệ thống MATLAB – SIMULINK Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Anh 19 Mơ hình hóa mơ 3.3 Ứng dụng Matlab-Simulink mô động đồng nam châm vĩnh cửu Hình 3.4 Mơ hình động đồng nam châm vĩnh cửu 3.3.1 Các phương trình động học mơ hình matlab-simulink a, Mơ hình Clark-Park sin Ad 2 Aq = cos A 0 2 2 ) sin( + ) 3 A a 2 2 cos( − ) cos( + ) Ab 3 Ac 1 2 sin( − (3.2) Hình 3.5 Mơ hình chuyển đổi Clark-Park b, Mơ hình Clark-Park ngược Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh 20 Mơ hình hóa mơ cos − sin 1 Aa Ad 2 2 2 Ab = cos( − ) − sin( − ) 1 Aq Ac A0 2 2 cos( + ) − sin( + ) 1 3 (3.3) Hình 3.6 Mơ hình Clark-Park ngược c, Phương trình điện áp Vd = r.id − ed + d d dt → Vd = r.id − e Lqiq + Ld Vq = r.iq + ed + d d dt d = Ld id + PM did dt q = Ld id → Vd = r.id + e Ld id + ePM + Ld V0 = ri0 + d 0 dt (3.4) (3.5) did dt 0 = L0i0 (3.6) d, Mơ hình dịng điện L did r = Vd − id + q eiq dt Ld Ld Ld L r = Vq − id − d eiq − PM e dt Lq Lq Lq Lq diq e = Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Anh P m (3.7) (3.8) 21 Mơ hình hóa mơ Hình 3.7 Mơ hình dòng điện động đồng nam châm vĩnh cửu e, Mơ hình mơmen Tm = P (d iq − qid ) 2 (3.9) Hình 3.8 Mơ hình momen động đồng nam châm vĩnh cửu f, Mơ hình tốc độ dm 1 b = TM − TL − m dt J J J Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh (3.10) 22 Mơ hình hóa mơ Hình 3.9 Mơ hình tốc độ động đồng nam châm vĩnh cửu 3.3.2 Kết mô Mô với thông số sau: Ld = 0,0057 H Lq = 0,0125H p=4 R = 1, 2 Lm = 0, 42 H J = 0,0001 Hình 3.10 Điện áp VABC Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh 23 Mơ hình hóa mơ Hình 3.11 Đáp ứng đầu tốc độ Hình 3.12 Đáp ứng đầu mơmen Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh 24 Mơ hình hóa mơ Hình 3.13 Đáp ứng đầu dịng điện Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh 25 Mơ hình hóa mơ KẾT LUẬN Sau tìm hiểu biến tần, chúng em hồn thành báo cáo chun đề mơn học Mơ hình hóa mơ Trong q trình làm tiểu luận chúng em thực công việc sau: Khái niệm mơ hình hóa hệ thống Các phương pháp mô Mô động đồng nam châm vĩnh cửu matlab-simulink Tuy nhiên, thời gian có hạn trình độ cịn nhiều hạn chế nên chúng em tránh khỏi sai sót, chúng em mong nhận góp ý thầy, cô để giúp chúng em hiểu rõ vấn đề báo cáo chuyên đề Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh 26 Mơ hình hóa mơ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mơ hình hóa hệ thống mô – Nguyễn Công Hiền – NXB: Khoa học kỹ thuật [2] Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động – Nguyễn Phùng Quang – NXB: Khoa học kỹ thuật Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Anh 27 ... 21 Hình 3.7 Mơ hình dịng điện động đồng nam châm vĩnh cửu 22 Hình 3.8 Mơ hình momen động đồng nam châm vĩnh cửu 22 Hình 3.9 Mơ hình tốc độ động đồng nam châm vĩnh cửu 23 Hình 3.10... hiện: Nguyễn Hồng Anh 13 Mơ hình hóa mơ CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG MATLAB-SIMMULINK 3.1 Giới thiệu chung động đồng nam châm vĩnh cửu Động đồng nam châm vĩnh cửu (Permanent... 19 Mơ hình hóa mơ 3.3 Ứng dụng Matlab-Simulink mô động đồng nam châm vĩnh cửu Hình 3.4 Mơ hình động đồng nam châm vĩnh cửu 3.3.1 Các phương trình động học mơ hình matlab-simulink a, Mơ hình Clark-Park
