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

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 điệnmột chiều hay các đặc tính cơ v

Chương 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 điệnmột chiều hay các đặc tính cơ và ứng dụng cụ thể của nó trong hệ thống máyphát 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 tìmhiểu 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, dâyquấn kích từ nối tiếp ckn, dây quấn cực từ phụ cf và dây quấn bù cb hệ thốngcác 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

uk, tín hiệu ra thờng là tốc độ góc của động cơ ω, mô men quay m, dòng điệnphần ứng i, hoặc trong một số trờng hợp là vị trí của rôto là ϕ mô men tải mc

là mô men do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mô men tải nhiễu loạnquan trọng nhất của hệ truyền điện tự động

các phơng trình phản ứng phần ứng trong động cơ điện một chiều :trong đó : Uu = Eu + ( Ru + Rf ) Iu

uu : điện áp phần ứng

a

N p K

Eu

2

.

K

.

U

φ φ

+>Phơng trình đặc tính cơ :

2

M

K

R R K

+>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 độkhông tải lý tởng khi hãm tái sinh eu > uu, 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 đổichiều và đợc xác định theo biểu thức :

R

K K

R

E U

h

φω φω

Mh = K φ Ih < 0

trị số hãm lớn dần lên cho đến khi cân bằng với mô men phụ tải của cơcấu sản xuất thì hệ thống làm việc với tốc độ ωod > ω0

+ Vì sơ đồ đấu dây của mạch động cơ vẫn không thay đổi nên phơngtrình đặc tính cơ của nó vẫn là :

K

R R K

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 hữuích

1.2.2 Trạng thái hãm ngợc :

Trạng thái hãm ngợc của động cơ xảy ra khi phần ứng dới tác dụngcủa động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do mo men thếnăng 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 làmviệc 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 tảitrọng, động cơ quay theo chiều ngợc lại tải trọng đợc hạ xuống với tốc độ tăngdần đến điểm d mômen của động cơ cân bằng với mômen cản nên hệ ổn địnhvới tốc độ hạ không đổi ωođ, cd là đoạn đặc tính hãm ngợc, khi hãm ngợc vì tốc

độ đổi chiều, sức điện động đổi dấu nên:

f u f

u

u u h

R R

K U R

R

E U I

φω

+

=+

+

Mh = K φ Ih

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 năngnhận từ lới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng đốt nóng điện trở tổng củamạch phần ứng vì vậy gây tổn thất năng lợng lớn

vì sơ đồ đấu dây của động cơ không thay đổi, nên phơng trình đặctính 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

mc, ta đổi chiều điện áp phần ứng và đa thêm điện trở phụ vào mạch động cơchuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở tại b mômen đổi chiềuchống lại chiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc tại c tốc độbằng không, nếu ta cắt điện áp phần ứng khỏi điện áp nguồn thì động cơ sẽdừng lại, còn nếu vẫn giữ điện áp nguồn đặt vào động cơ và tại điểm c mômen

động cơ lớn hơn mômen cản mc 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 :

f u

u u f

u

u u

E U R

R

E U I

+

+

= +

và phơng trình đặc tính cơ có dạng :

K

R R

- 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 trởhãm, còn mạch kích từ vẫn nối với nguồn nh cũ

Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị ωhđ nên :

Ehd = K φωhd

6

và dòng điện hãm ban đầu :

f u

hd f

u

hd hd

R R

K R

R

E I

+

−

= +

−

Tơng ứng có mômen hãm ban đầu :

Mhd = K φ Ihd < 0

từ hai biểu thức trên chứng tỏ dòng ihd và mhd ngợc chiều với tốc độ ban

đầu của động cơ khi hãm động năng uu = 0 nên ta có các phơng trình đặc tínhsau:

u f I u

K

R R

Khi φ = cosnt thì độ tính của đặc tính cơ hãm phụ thuộc rh, khi rh

càng nhỏ thì phụ thuộc đặc tính cơ càng cứng, mômen hãm càng lớn, hãm càngnhanh

Tuy nhiên cần chọn rh sao cho dòng hãm ban đầu nằm trong giới hạncho phép : ihđ ≤ (2ữ2,5)iđm

Trên đồ thị hãm đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng với mômencản mc là phản kháng thì động cơ sẽ dừng hẳn đặc tính hãm động năng là đoạn

b1o hoặc đoạn b2o với mômen cản mc 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 = mc đoạn

b1c1 hoặc b2c2 cũng là đặc tính hãm động năng khi hãm động năng kích từ độclập, năng lợng chủ yếu đợc tạo ra do động năng của động cơ tích luỹ đợc nêncông suất tiêu tốn chỉ năm trong mạch kích từ :

động năng tự kích từ

hãm động năng tự kích xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt cả phầnứng lẫn cả cuộn kích từ khỏi lới điện đẻ đóng vào một điện trở hãm, chú ýchiều dòng điện kích từ vẫn phải giữ không đổi

ta có : iu= ih+ikt

h kt

h kt u

h kt

h kt u

u

R R

R R R

K R

R

R R R

E I

+ +

−

= +

+

−

=

.

φω

và các phơng trình đặc tính là :

u h kt

h kt u

K

R R

R R R

.

φ

và :

M K

R R

R R R

h kt

h kt u

) (

là hàm số của tốc độ vì vậy các đặc tính cơ khi giảm có dạng nh đờng đặc tínhkhông tải của máy phát điện tự kích và phi tuyến

so với phơng pháp hãm ngợc, hãm động năng có hiệu quả kém hơnkhi 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 vìkhông 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 vàophần ứng hoặc thay đổi điện áp đặt vào phần kích từ của động cơ thôngqua các bộ biến đổi chỉnh lu dùng thyristor

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(

Rk

cosE

2 dm dm

do

Φ

−Φ

phần tử trong mạch nối tiếp với phần ứng động cơ)

Tốc độ không tải lý tởng phụ thuộc vào góc điều khiển α:

dm

do

cosE

Φ

α

=

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

hệ truyền động T-Đ mềm hơn hệ F-Đ vì có sụt áp do hiện tợng chuyểnmạch giữa các thyristor góc điều khiển α càng lớn thì điện áp đặt vàophần ứng động cơ càng nhỏ khi đó, đặc tính cơ hạ thấp và ứng với mộtmômen cản mc, tốc độ động cơ sẽ giảm.

Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ: khi phụ tải nhỏ thì các đặc tínhcơ có độ dốc lớn (phần nằm trong vùng gạch chéo) đó là vùng dòng điệngián 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 khănhơn

Trong thực tế tính toán hệ T-Đ, ta chỉ cần xác định biên giới vùngdòng 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 độ của đặc tính cơ:

1)p

cospsinU

IL(

)psin

pU

E

m 2

e 2

m

2

=π

−π

ω+

ππ

dễ dàng nhận thấy độ rộng của vùng dòng điện gián đoạn sẽ giảmnếu ta tăng giá trị điện cảm l và tăng số pha chỉnh lu p song khi tăng sốxung p thì mạch lực chỉnh lu cũng tăng độ phức tạp và cả mạch điều khiểncũng 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 điểm hệ truyền động thyristor - động cơ :

Ưu điểm nổi bật nhất của hệ t-đ là độ tác động nhanh cao, khônggây ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại côngsuất rất cao điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động

điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lợng các đặc tính tĩnh và các đặctính động của hệ thống hệ thống t-đ có khả năng điều chỉnh trơn vớiphạm vi điều chỉnh rộng hệ có độ tin cậy cao, quán tính nhỏ, hiệu suấtlớn

Nhợc điểm chủ yêu của hệ t-đ là do các van bán dẫn có tính phituyến, dạng điện áp chỉnh lu ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụtrong 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 cosϕ của hệ nóichung là thấp nhất là khi điều chỉnh sâu

pT p

W

e

V

V dk

)(

1

(

1 )

u pT

pT dk).(1 v )1

K

+1

Ru pTi pTu

pTvo pTdk

KbdKi Sop

)1

)(

1)(

1)(

++

=-áp dụng tiêu chuẩn modul để tổng hợp bộ điều khiển Ri

Ta có hàm truyền của tiêu chuẩn tối u modul

2 2

22

1

1

p p

Fmd

δ

τ ++

)(

1 ( /

) 2 2

1 /(

1

2

2

p p

pTu pTs

Ru KbdKi

p p

Ri

δ δ

δ δ

ττ

τ

τ

+ +

− +

+

+ +

=

=

)1

(2

*)1

)(

1(/

Ru pTu Ri

*

*

*2

)1

Ta có sơ đồ :

14

Nhận xét :trong trờng hợp này mạch cần biến đổi để đa về dạng đơngiản với đầu ra thành phần dòng điện của phần ứng động cơ không chịu

ảnh hởng trực tiếp của E

)( Φ

=

k

JRu Tc

Hàm truyền hệ hở

Ru TcTu p pTc pTi

pTvo pTdk

p Tc Ki Kbd So

* ) 1

)(

1 )(

1 )(

1 (

+ +

K

+1

K

+

1 PTTp T R PT

uc c u c

++

i

i pT

K

+1

=> 1+ pTc + p2TcTu=(1+ pT1)(1+ pT2)

Ru pT pT

pTs

Tc Ki Kbd So

)1

)(

1)(

1(

*

*

2

1 ++

+

=

Ta phải khử T1,T2

Theo tiêu chuẩn tối u modul để tổng hợp bộ điều khiển

Ta có hàm truyền của tiêu chuẩn tối u modul

2 2

2 2

1

1

p p

( 2

*

1

p p

Ki Kbd

Ru pT

pT Ri

*

*

*

*2

)1

R

I

Si Si

u u

K T

PT R

2

1+

) 1

K

+ +

k

16

pTsi Wb

pTsi

Kcl

Wb

Tvo Tdk

+

=

1

11

)(

1(

*

*

*)

( *

pTc pTsi

Ru

p Tc Ki Kcl p

Soi

++

11

1

≈+

K

+1

pTc Udk

Ksi pTsi

Ru

=

Theo tiêu chuẩn tối u modul ta có

si Si

ip

pT Udk K

R

)(2

1

* =

Nhận xét :Ksi*(Udk) biến thiên =>xây dựng bộ điều khiển thích nghi

*Thích nghi với từng dòng điện

Thực hiện mạch tích hợp bằng hai phơng pháp:

+Thay đổi cấu trúc

+Thay đổi hệ số khuyếch đại

• thay đổi cấu trúc

3 2

1

3 2

Utb = U1*T3/T +∆U *2R2/R0 *(T1-T3)/T +∆U *R1/R0 *(T-T1)/TThay T-T1=T2 bá qua T3

R T R R T

R R R T U

Hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển thích nghi trong chế độ gián

đoạn đc giảm khi độ rộng xung dòng tăng lên

*Điều khiển phi tuyến

ứng dụng lý thuyết hệ bất biến có thể giảI pháp đơn giản hơn chomạch điều khiển dòng thích nghi có sơ đồ nh sau

-Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉng lu Tdk=0.0001 s

-Hằng số thời gian máy phát tốc Tω = 0.001 s

Các phơng trình phần ứng trong động cơ điện một chiều

F

S0 Ri

2 n = n

= π ω

157 ( / )

55 9

1500

s rad

=

= ω

ke = k/9.55 = 0.105k

Phơng trình đặc tính cơ điện :

u u f u

I K

R R K

U

φ φ

2

) ( φ φ

=> 6 82 ( )

220

1500

A U

P I

55

220 ) 9 0 1 ( 5 0 )

1 ( 5 0

dm

dm dm u

u

u

6 1

2 0

*Trờng hợp không bỏ qua sức điện động

2.45*1.6

2 ( ) 1.4