khảo sát mô hình máy điện một chiều trên phần mềm matlab

Chng 1. Khỏi quỏt chung Để có thể hiểu sâu hơn về hệ thống động cơ điện một chiều ta phải đi sâu nghiên cứu về cấu tạo cũng nh các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều hay các đặc tính cơ và ứng dụng cụ thể của nó trong hệ thống máy phát động cơ của máy bào giờng. Điều đó phải đợc thực hiện thông qua mô hình toán học và đợc viết và mô phỏng trên phần mềm ứng dụng matlab, bây giờ ta đi nghiên cứu và tìm hiểu sâu về hệ thống động cơ này. 1.1.Giản đồ kết cấu của động cơ điện một chiều : Phần ứng đợc biểu diển 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 phơng trình mô tả động cơ một chiều là phi tuyến, trong đó các đại lợng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thờng là điện áp phần ứng u, điện áp kích thích u k , tín hiệu ra thờng là tốc độ góc của động cơ , mô men quay m, dòng điện phần ứng i, hoặc trong một số trờng hợp là vị trí của rôto là . mô men tải m c là mô men do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mô men tải nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền điện tự động. các phơng trình phản ứng phần ứng trong động cơ điện một chiều : trong đó : ufuuu IRREU ).( ++= u u : điện áp phần ứng 1 e u : suất điện động phần ứng r u : điện trở mạch phần ứng r f : điện trở phụ trong mạch phần ứng ctbcfuu rrrrR +++= trong đó : : u r điện trở cuộn dây phần ứng : cf r điện trở cực từ phụ : b r điện trỏ cuộn bù : ct r điện trở tiếp xúc chổi điện a Np KE u 2 . == p: số đôi cực từ chính n : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng : từ thông kích từ dới một cực từ : tốc độ góc a Np K 2 . = : hệ số cấu tạo của động cơ nKE eu = n : tốc độ ro to 55,960 2 nn == 55,9 K K e = +>Phơng trình đặc tính cơ điện : u fu u I K RR K U + = +>Phơng trình đặc tính cơ : 2 M K RR K U fu u 2 )( + = trong đó : K M I dt u = và : dm dm dmu I U R ).1.(5,0 = 1.2.đặc tính cơ của động cơ điện một chiều trong các trạng thái hãm : +>Đặc tính cơ của động cơ điên một chiều : 1.2.1trạng thái hãm tái sinh: Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tởng. khi hãm tái sinh e u > u u , động cơ làm việc nh một máy phát điện song song với lới. so với chế độ động cơ, dòng điện và mô men hãm đổi chiều và đợc xác định theo biểu thức : 0 0 < = = R KK R EU I uu h 0 <= hh IKM trị số hãm lớn dần lên cho đến khi cân bằng với mô men phụ tải của cơ cấu sản xuất thì hệ thống làm việc với tốc độ 0 > od . 3 + Vì sơ đồ đấu dây của mạch động cơ vẫn không thay đổi nên phơng trình đặc tính cơ của nó vẫn là : M K RR K U fu u 2 )( + = đờng đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần t thứ 2 và thứ t của mặt phẳng toạ độ. trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất đợc đa trả về lới điện có giá trị p=(e-u).i đây là phơng pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích. 1.2.2 Trạng thái hãm ngợc : Trạng thái hãm ngợc của động cơ xảy ra khi phần ứng dới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do mo men thế năng quay ngợc chiều với mo men điện từ của động cơ. mô men sinh ra bởi động cơ, khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất. có hai trờng hợp hãm ngợc : +) trờng hợp 1 : đa điện trở phụ vào mạch phần ứng. giả sử động cơ đang làm việc nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm a. ta đa một điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang làm việc ở điểm b trên dặc tính biến trở. Tải điểm b do mômen của động cơ sinh ra nhỏ hơn mômen cản nên động cơ giảm tốc độ nhng tải vẫn theo chiều nâng lên. đến điểm c, tốc độ bằng 4 0 nhng vì mômen của động cơ nhỏ hơn mômen tải nên dới tác động của tải trọng, động cơ quay theo chiều ngợc lại. tải trọng đợc hạ xuống với tốc độ tăng dần. đến điểm d mômen của động cơ cân bằng với mômen cản nên hệ ổn định với tốc độ hạ không đổi ođ , cd là đoạn đặc tính hãm ngợc, khi hãm ngợc vì tốc độ đổi chiều, sức điện động đổi dấu nên: fufu uu h RR KU RR EU I . + = + + = hh IKM = Nh vậy ở đặc tính hãm ngợc sức điện động tác dụng cùng chiều với điện áp lới. động cơ làm việc nh một máy phát nối tiêp với lới điện biến năng nhận từ lới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng đốt nóng điện trở tổng của mạch phần ứng vì vậy gây tổn thất năng lợng lớn. vì sơ đồ đấu dây của động cơ không thay đổi, nên phơng trình đặc tính cơ là phơng trình đặc tính biến trở. +) Trờng hợp 2 : đảo chiều điện áp phần ứng. Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm a trên đặc tính tự nhiên với tải m c , ta đổi chiều điện áp phần ứng và đa thêm điện trở phụ vào mạch. động cơ chuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở. tại b mômen đổi chiều chống lại chiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc. tại c tốc độ bằng không, nếu ta cắt điện áp phần ứng khỏi điện áp nguồn thì động cơ sẽ dừng lại, còn nếu vẫn giữ điện áp nguồn đặt vào động cơ và tại điểm c mômen 5 động cơ lớn hơn mômen cản m c thì động cơ sẽ quay ngợc lại và làm việc ổn định tại điểm d.đoạn bc là đặc tính hãm ngợc và dòng điện hãm ngợc đợc tính : fu uu fu uu h RR EU RR EU I + + = + = hh IKM = Dòng điện i h có chiều ngợc với chiều làm việc ban đầu và dòng điện hãm này có thể khá lớn ; do đó điện trở phụ đa vào phải có giá trị đủ lớn hạn chế dòng điện hãm ban đầu i hđ trong phạm vi cho phép : dmh II )5,22( ữ và phơng trình đặc tính cơ có dạng : M K RR K U fu u 2 )( + = 1.2.3. Trạng thái hãm động năng : Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc nh một máy phát mà năng lợng cơ học của động cơ đã tích luỹ đợc trong quá trình làm việc trớc đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dới dạng nhiệt. - Hãm động năng kích từ độc lập : khi động cơ đang quay muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập ta cắt phần ứng động cơ khỏi lới điện một chiều, và đống vào một điện trở hãm, còn mạch kích từ vẫn nối với nguồn nh cũ. Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị hđ nên : hdhd KE = 6 và dòng điện hãm ban đầu : fu hd fu hd hd RR K RR E I + = + = Tơng ứng có mômen hãm ban đầu : 0 <= hdhd IKM từ hai biểu thức trên chứng tỏ dòng i hd và m hd ngợc chiều với tốc độ ban đầu của động cơ khi hãm động năng u u = 0 nên ta có các phơng trình đặc tính sau: u fu I K RR + = M K RR fu 2 )( + = đây là các phơng trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập. Khi = cosnt thì độ tính của đặc tính cơ hãm phụ thuộc r h , khi r h càng nhỏ thì phụ thuộc đặc tính cơ càng cứng, mômen hãm càng lớn, hãm càng nhanh Tuy nhiên cần chọn r h sao cho dòng hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép : i hđ (2ữ2,5)i đm Trên đồ thị hãm đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng với mômen cản m c là phản kháng thì động cơ sẽ dừng hẳn đặc tính hãm động năng là đoạn 7 b 1 o hoặc đoạn b 2 o. với mômen cản m c là thế năng thi dới tác động của sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngợc lại đến làm việc ổn định tại điểm m = m c . đoạn b 1 c 1 hoặc b 2 c 2 cũng là đặc tính hãm động năng. khi hãm động năng kích từ độc lập, năng lợng chủ yếu đợc tạo ra do động năng của động cơ tích luỹ đợc nên công suất tiêu tốn chỉ năm trong mạch kích từ : dmktdm PP )%51( ữ= phơng trình cân bằng công suất khi hãm động năng : 2 ).(. hhuhu IRRIE += - Hãm động năng tự kích : nhợc điểm của hãm động năng kích từ độc lập là nếu mất điện lới thì không thực hiện hãm đợc do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn . muốn khắc phục đợc nhợc điểm này ngời ta thờng sử dụng phơng pháp hãm động năng tự kích từ. hãm động năng tự kích xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt cả phần ứng lẫn cả cuộn kích từ khỏi lới điện đẻ đóng vào một điện trở hãm, chú ý chiều dòng điện kích từ vẫn phải giữ không đổi . ta có : i u = i h +i kt hkt hkt u hkt hkt u u RR RR R K RR RR R E I + + = + + = và các phơng trình đặc tính là : u hkt hkt u u I K RR RR R . . + + = 8 và : M K RR RR R hkt hkt u u . )( . 2 + + = trong quá trình hãm tốc độ giảm dần và do đó từ thông giảm dần và là hàm số của tốc độ. vì vậy các đặc tính cơ khi giảm có dạng nh đờng đặc tính không tải của máy phát điện tự kích và phi tuyến. so với phơng pháp hãm ngợc, hãm động năng có hiệu quả kém hơn khi chúng có cùng tốc độ ban đầu và cùng mômen cản mc. tuy nhiên hãm động năng u việt hơn về mặt năng lợng dặc biệt là hãm động ănng tự kích vì không tiêu thụ năng lợng từ lới nên phơng pháp hãm này có khả năng hãm khi có sự cố mất điện lới. 1.3.hệ truyền động thyristor-động cơ (T-Đ) hệ truyền động T-Đlà hệ truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập, điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng hoặc thay đổi điện áp đặt vào phần kích từ của động cơ thông qua các bộ biến đổi chỉnh lu dùng thyristor. 9 M Đ U đk ~ i KĐ M ~ U đk hình 1.1 sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động t-đ. 1.3.1.đặc tính cơ của hệ T-Đ Trong hệ T-Đ, nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ chỉnh lu thyristor. dòng điện chỉnh lu cũng chính là dòng điện phần ứng động cơ. chế độ làm việc của chỉnh lu phụ thuộc vào phơng thức điều khiển và các tính chất của tải. trong truyền động điện, tải của chỉnh lu thờng là cuộn kích từ (l-r) hoặc mạch phần ứng động cơ (l-r-e). Phơng trình đặc tính cơ cho hệ t-đ ở chế độ dòng điện chỉnh lu liên tục: M )k( R k cosE 2 dm dm do = độ cứng của đặc tính cơ là 2 dm R k = trong đó r là tổng trở toàn mạch phần ứng động cơ (gồm điện trở phần ứng động cơ r và điện trở các phần tử trong mạch nối tiếp với phần ứng động cơ). Tốc độ không tải lý tởng phụ thuộc vào góc điều khiển : dm do o k cosE = . Tuy nhiên, tốc độ không tải lý tởng này chỉ là giao điểm cảu trục tung với đoạn thẳng của đặc tính cơ kéo dài. thực tế, do có vùng dòng điện gián đoạn, tốc độ không tải lý tởng của đặc tính là lớn hơn. Họ đặc tính cơ của hệ thống trong trờng hợp này nh trên hình 4-3 khi điều chỉnh ở vùng dới tốc độ định mức. các đặc tính cơ của 10 hình 1.2 đặc tính cơ hệ t-đ. M 0 [...]... = 0.001 s Các phơng trình phần ứng trong động cơ điện một chiều 21 U =E + (R +Rf)I U :điện áp phầ ứng E :Suất điện động phần ứng R :Điện trở mạch phần ứng Rf :Điện trở phụ mạch phần ứng I :Dòng điện mạch phần ứng R = r+rcf+rb+rct r :Điện trở cuộn dây phần ứng rcf :Điện trở cực phụ rbĐiện trở cuộn bù rct : Điện trở tiếp xúc chổi than E= k = pN 2a :từ thông kích từ dới một cực từ :Tốc độ góc k :... hởng đến sức điện động Nhận xét :khi hằng số thời gian cơ học của hệ thống điện xấp xỉ bằng hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng thì phải xét đến Eu tới quá trình mạch vòng dòng điện Ta có sơ đồ : 14 ] K UI* K bd (1 + pTdk ).(1 + pTv 0 ) R I Eu 1 Ru (1 + pTu ) K M 1 Jp c Ki 1+ pTi Nhận xét :trong trờng hợp này mạch cần biến đổi để đa về dạng đơn giản với đầu ra thành phần dòng điện của phần ứng...hệ truyền động T-Đ mềm hơn hệ F-Đ vì có sụt áp do hiện tợng chuyển mạch giữa các thyristor góc điều khiển càng lớn thì điện áp đặt vào phần ứng động cơ càng nhỏ khi đó, đặc tính cơ hạ thấp và ứng với một mômen cản mc, tốc độ động cơ sẽ giảm Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ: khi phụ tải nhỏ thì các đặc tính cơ có độ dốc lớn (phần nằm trong vùng gạch chéo) đó là vùng dòng điện gián đoạn góc điều... toán và mô phỏng I,Tính toán 1,Cho thông số động cơ -Công suất định mức Pdm = 1,5KW -Điện áo định mức phần ứng Udm = 220v -Tốc độ quay định mức ndm = 1500 v/p -Hiệu suất danh định của động cơ dm =90% -Điện cảm phần ứng L=0,2H -Hằng số thời gian máy biến dòng Ti = 0.002 s -Hằng số thời gian bộ chỉnh lu Tv=0.0025 s -Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉng lu Tdk=0.0001 s -Hằng số thời gian máy phát... t-đ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lu ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện và ở các truyền động có công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp của nguồn và lới xoay chiều hệ số công suất cos của hệ nói chung là thấp nhất là khi điều chỉnh sâu 11 Chơng 2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện I, Hàm truyền của các phần tử 1,Hàm truyền của bộ chỉnh lu Thyristor W... rộng của vùng dòng điện gián đoạn sẽ giảm nếu ta tăng giá trị điện cảm l và tăng số pha chỉnh lu p song khi tăng số xung p thì mạch lực chỉnh lu cũng tăng độ phức tạp và cả mạch điều khiển cũng phức tạp hơn còn khi tăng trị số l sẽ dẫn tới làm xấu quá trình qúa độ (tăng thời gian quá độ) và làm tăng trọng lợng, kích thớc của hệ thống biên giới này đợc mô tả bởi đờng cong nét đứt trên hình 1.2 1.3.2.đặc... pTV 0 ) We m 2,Hàm truyền phần ứng động cơ 1 W = Ru 1 = pTu 3,Hàm truyền của khâu đo dòng 12 W = Ki 1 + pTi Ti : điện Nhận xét :đặc điểm của dòng Thời gian trễ Tổng hợp mạch vòng dòng điện tác động nhanh Độ quá điều chỉnh nhỏ do đó ta phải sử dụng tiêu chuẩn tối modul vì quá điều chỉnh nhỏ Sơ đồ cấu trúc cơ bản : * I R I RI * So1 So 2 Sensơ 1, Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua E -Bỏ qua E... dòng điện gián đoạn góc điều khiển càng lớn (khi điều chỉnh sâu) thì vùng dòng điện gián đoạn càng rộng và việc điều chỉnh tốc độ gặp nhiều khó khăn hơn Trong thực tế tính toán hệ T-Đ, ta chỉ cần xác định biên giới vùng dòng điện gián đoạn, là đờng phân cách giữa hai vùng dòng điện liên tục và gián đoạn biên giới giữa vùng dòng điện gián đoạn và liên tục có dạng đờng ellipse với các trục là các trục toạ... Ri = 1 So * 2 p (1 + p ) Thay So vào ta có : (1 + pT1 )(1 + pT2 ) Ru 2 Kbd * Ki * Tc * Ts * p Nhận xét:Khi xét đến ảnh hởng của sức điện động thì bộ điều khiển gồm 2 khâu PI mắc nối tiếp Trong thực tế ngời ta không dụng ,mà ngời ta coi sức điện động là nhiễu và bù sức điện động(lý luận để hệ bất biến đối với nhiễu) Ri = Uid R I Ru (1+ PTu ) 2TSi K Si Ud k K Si (1 + pTSi ).(1 + pTu ) I 16 K Wb Uiđ Eư... góc k : Hệ số cấu tạo động cơ E=ke n n :Tốc độ roto = 2n n = 60 9.55 = 1500 = 157(rad / s) 9.55 ke = k/9.55 = 0.105k Phơng trình đặc tính cơ điện : = U u Ru + R f Iu K K Phơng trình đặc tính cơ điện : = U u Ru + R f M K ( K ) 2 Trong đó : Iu = M dt K Tính mô men định mức : 22 Pdm = M dm dm => M dm = => I dm = Pdm 1500 = = 9.55 Nm dm 157 Pdm 1500 = = 6.82( A) U dm 220 => K = M dm 9.55 = = 1,4 I . thống máy phát động cơ của máy bào giờng. Điều đó phải đợc thực hiện thông qua mô hình toán học và đợc viết và mô phỏng trên phần mềm ứng dụng matlab, . ufuuu IRREU ).( ++= u u : điện áp phần ứng 1 e u : suất điện động phần ứng r u : điện trở mạch phần ứng r f : điện trở phụ trong mạch phần ứng ctbcfuu rrrrR