mô phỏng động cơ 1 chiều trên simulink

Xây dựng mô hình động cơ và các mạch vòng điều chỉnh 2.1 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều và các chế độ xác lập, quá độ của nó.. Điều này đặc biệt co ý nghĩa khi sản phẩm là cá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

BỘ MÔN: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CN ****O0O****

“Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều và mô phỏng”

< Matlap và Simulink dành cho KSĐKTĐ – trang 291>

Sinh viên GVHD Thịnh Thị Thu

Mục lục

Lời giới thiệu

Chương 1 Giới thiệu khái quát về động cơ điện một chiều

Chương 2 Xây dựng mô hình động cơ và các mạch vòng điều chỉnh

2.1 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều và các chế độ xác lập, quá độ của nó

2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điệnvà điều chỉnh tốc độ

Chương 3 Mô phỏng các đặc tính của động cơ bằng Simulink.

3.1 Lựa chọn các thông số cho mô phỏng

3.2 Mô phỏng các trường hợp cụ thể của động cơ

3.3 Nhận xét về kết quả mô phỏng thu được

Kết luận

Lụứi giụựi thieọu

Đối vời kỹ s điều khiển - tự động hóa nói riêng và những ngời nghiên cứu khoa học - kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo sát các đối tợng, hệ thống hay qúa trình - vật lý, mà không nhất thiết phải có đối tợng hay hệ thống thực Đợc trang bị công cụ mô phỏng mạnh và có hiểu biết về các phơng pháp mô hình hóa, ngời kỹ s sẽ có khả năng rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu - phát triển sản phẩm một cách đáng kể Điều này đặc biệt co ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế lớn

Động cơ điện một chiều ngày nay vẫn đợc sủ dụng khá rộng rãi bởi những tính năng u việt mà nó mang lại nh: không cần nguồn xoay chiều , thực hiện việc thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng v.v Chính vì nh… ng lí do đó mà em chọn động cơ một chiều là đối tợng để mô phỏng trong bài làm của mình.

Chương 1- Khỏi quỏt về động cơ một chiều

1.1 - Cấu tạo chung của động cơ một chiều:

Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạo giống nhau Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phần tĩnh) và phần ứng (phần quay)

1.1.1- Phần cảm (stator)

Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là

vỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng điện chạy trong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau Cực từ chính gắn với vỏ máy nhờ các bulông Ngoài ra máy điện một chiều còn

có nắp máy, cực từ phụ và cơ cấu chổi than

Hình 1.1 Cực từ chính

1.1.2- Phần ứng (rotor)

Phần ứng của máy điện một chiều còn gọi là rôto, gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy

Hình 1.2 Lá thép rôto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều a) Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn

1 Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng (hình 1.2)

2 Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín Phần tử của dây quấn là một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của vành góp (hình 1.3a) hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên (hình 1.3b)

3 Cổ góp (vành góp) hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục máy

Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy…

1.2- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Trên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong

từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụng lên rôto, làm quay rôto Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1.4a)

Hình 1.4 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình 1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi.

1.3 Các trị số định mức của động cơ điện một chiều

Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện một chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy định Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là những đại lượng định mức

1 Công suất định mức Pđm (kW hay W)

2 Điện áp định mức Uđm (V)

3 Dòng điện định mức Iđm (A)

4 Tốc độ định mức nđm (vòng/ph)

Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ…

Chú ý: Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện Đối với máy phát điện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ đó là công suất đưa ra trên đầu trục động cơ

1.4 Phân loại động cơ điện một chiều

Dựa theo cuộn kích từ, động cơ một chiều có các loại như sau:

- Động cơ một chiều kích từ độc lập

- Động cơ một chiều kích từ song song

- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp

Chương 2- Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều

và các mạch vòng điều chỉnh động cơ

2.1 Động cơ điện một chiều và chế độ xác lập, quá độ của nó.

Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều (Đ) từ vài W đến vài MW Giản đồ kết cấu chung của Đ như hình 1.5, phần ứng được biểu diễn 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 phương trình mô tả Đ thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường

là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ Uk; tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động cơ ω, mômen quay M, dòng điện phần ứng I, hoặc trong một số trường hợp

là vị trí của rôto φ Mômen tải Mc là mômen do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mômen tải là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền điện tự động

u u

Hình 2.1 Giản đồ thay thế động cơ một chiều

2.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp uk nào đó thì trong dây quấn kích từ

sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau:

a - số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng;

k = p’N/2пa - hệ số kết cấu của máy

Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây dây quấn này cảm ứng sức điện động (sđđ):

E = ω ω

π a Φ =kΦ

N p

2

.

'

(2.2) Trong đó: ω - tốc độ góc của rôto

Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện

ω (2.3)Trong đó Rư- điện trở mạch phần ứng của động cơ

Từ các phương trình (1.1) và (1.3) có thể vẽ được họ đặc tính cơ M(ω) của động cơ một chiều khi từ thông không đổi, hình 2.2

ω

Hình 2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

khi từ thông không đổi

2.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều

Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 1.5 như sau:

* Mạch kích từ, có hai biến dòng điện kích từ ik và từ thông Φ là phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:

Uk(p) = RkIk(p) + Nk.p.Φ(p) (2.4)

trong đó: Nk - số vòng dây cuộn kích từ;

Rk - điện trở cuộn dây kích từ

p E p p N p U pT

R

N u

Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều như sau:

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc chung của động cơ một chiều

Ta thấy rằng sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh (có khâu phi tuyến), do đó trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc (phương pháp số gia)

Trước hết chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá

và đặc tính mômen tải như hình 2.4

Hình 2.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải

Độ dốc của đặc tính từ hoá và đặc tính cơ mômen tải tương ứng (bỏ qua hiện tượng từ trễ) là:

Uk0 + ∆Uk(p) = Rk[Ik0 + ∆Ik(p)] + pLk[Ik0 + ∆Ik(p)] (2.10)

- Phương trình chuyển động cơ học:

K[Φ0 + ∆Φ(p)] [I0 + ∆I(p)] - [MB + ∆MC(p)] = Jpp [ωB + ∆ω(p)] (2.11) Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết được các phương trình của gia số như sau:

∆U(p) = Rư∆I(p) + pLư∆I(p) + KΦ0∆ω(p) +K∆Φ(p)ωB (2.12) ∆Uk(p) = Rk∆Ik(p) (1 + pTk) (2.13) K∆Φ(p)I0 +KΦ0∆I(p) - ∆MC(p) = Jp p∆ω(p) (2.14)

Từ các phương trình trên ta suy ra sơ đồ cấu trúc chung đã được tuyến tính hoá của động cơ một chiều kích từ độc lập ∆Mc

∆IK

∆I

∆U

p T

R

u.1

R

K

K

.1

1

+

∆UK

∆φ

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá

Sau đây ta xét một số trường hợp đặc biệt của động cơ một chiều kích từ độc lập trong chế độ quá độ

a) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với Φ = const.

Khi dòng điện từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi

b) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với điện áp

E

−

phần ứng không đổi

Khi giữ điện áp phần ứng không đổi và điều chỉnh điện áp kích từ thì do tính chất phi tuyến của mạch từ nên tốt nhất là sử dụng sơ đồ tuyến tính hoá quanh điểm làm việc Sơ đồ cấu trúc này được thể hiện trên hình 2.5, trong đó tín hiệu điện áp phần ứng ∆U(p) = 0

Phương pháp này có ưu điểm là: bộ chỉnh lưu có điều khiển trong mạch kích từ nhỏ gọn hơn, rẻ tiền hơn, với công suất nhỏ hơn dẫn đến kích thước và trọng lượng nhỏ hơn

Tuy nhiên nó có những nhược điểm cơ bản đó là:

- Đụng chạm đến tính phi tuyến của động cơ

- Số vòng dây của cuộn kích từ lớn hơn do đó hằng sô thời gian mạch kích

từ lớn hơn nhiều so với mạch phần ứng (Tk>>Tu) dẫn đến thời gian quá độ của hệ kéo dài

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ quay hẹp và còn bị phụ thuộc nhiều vào giá trị mômen cản

- Do ảnh hưởng của từ dư sẽ gây ra sai lệch trong quá trình thực hiện đảo chiều quay động cơ

- Nó trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mômen quay của động cơ

- Có chức năng điều chỉnh gia tốc của hệ

- Có chức năng bảo vệ và khống chế dòng khởi động.

Trong quá trình điều chỉnh tốc độ quay của động cơ ta có thể coi sự ảnh hưởng của sức điện động E của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh khi tốc độ quay thay đổi chậm và ít (hệ có mômen quán tính lớn, hằng số thời gian

cơ học Tc >> Tư - hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng)

Khi đó ta có sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện như sau:

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện

cl

+ +

1 )(

1 )(

1

(

.

i u

vo dk

u

i cl

pT pT

pT pT

R

K K

+ +

+ + (2.17)

trong đó các hằng số thời gian Tdk, TV0, Ti là rất nhỏ so với hằng số thời gian điện

từ Tư Đặt Ts = Tdk+ TV0+ Ti thì có thể viết lại (2.17) ở dạng gần đúng như sau:

Soi=

) 1

)(

1 (

.

u s

u

i cl

pT pT

R

K K

+ +

, trong đó Ts<<Tu

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môdun ta có:

I -E

Si

p T

Ri(p) = T p

R K

p T p

p S

si u

K cl

u

1 ) 1 (

2

1

0

+

= + τ

τ (chọn τ =T si) Đây là khâu PI

Suy ra hàm truyền kín của dòng điện đối với tín hiệu đặt là:

F = U I p p K T p T p K T p

s i

s s

1

1 1 ) 1 (

2

1

1 ) (

) (

+

≈ + +

Muốn thay đổi chiều quay của hệ thì phải thay đổi dấu của tín hiệu đặt

Cần phải lắp thêm bộ hạn chế dòng điện sau bộ điều khiển tốc độ để giảm tín hiệu đặt cho mạch vòng dòng điện

Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh tốc độ có mạch vòng dòng điện:

K i 1 2 s

1

Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn môdul tối ưu tương tự như ở mạch vòng dòng điện ta được bộ điều chỉnh tốc độ Rω có dạng khâu khuyếch đại P.

Rω(p) = P

T R k

T k k

si u

C

2

3.1 Lựa chọn các thông số cho quá trình mô phỏng:

* Chọn các thông số cho động cơ điện một chiều

* Chọn các thông số của các bộ biến đổi, xenxơ dòng điện và máy phát tốc:

- Hằng số thời gian của cảm biến dòng điện:

1150 2π

= 120 , 43 (rad/s)

⇒ M dm =

dm dm

04 ,

83 = 83 1 ,

45 , 45

220 ).

9 , 0 1 ( 5 , 0 ).

1 ( 5 ,

=

dm

dm dm u

I

U

) ( 25 , 1 24 , 0

3 , 0

s R

L T

u

u

) ( 004 , 0 002 , 0 001 , 0 001 ,

T T T

Ta có

dm i id

dk cl dm

I K U

U K U

22 , 0 45 , 45 10

22 10 220

dk

dm cl

I

U K

U

U K

T c = 2

) (Kφ

J

R u

= ( 1 , 83 ) 2

2 24 , 0

= 0 , 14 (s)

T sω = 2 T si +Tω = 2 0 , 004 + 0 , 002 = 0 , 01 (s)

0 , 94

14 , 0 83 , 1

24 , 0 )

u si

i cl

u

pT T

K K

1

2 =  +1 , 25 p

1 1 004 , 0 22 , 0 22 2

25 , 1 24 , 0

= 6 , 2 +

p

75 , 7

R =ω

ω ω

φ

s

c i

T R K

T K

K

2

) (

=2.00,,08322.1.,083,24.0.,140,01= 141 , 48 3.2 Mô phỏng các trường hợp cụ thể của động cơ bằng simulink

3.2.1 Mô phỏng động cơ điện trong trường hợp Φ = const.

Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi điện áp đặt có dạng bước nhảy như hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi từ thông không đổi

Đặc tính tốc độ, đặc tính dòng điện, điện áp phản hồi của động cơ thu được khi

mô phỏng trong chế độ quá độ lần lượt như hình dưới đây:

3.2.2 Mô phỏng động cơ điện một chiều trong trường hợp U ư không đổi (∆U p

= 0)

Sơ đồ mô phỏng trong simulink như hình 3.2

Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng khi điện áp phần ứng không đổi

- Đặc tính dòng điện

- Đặc tính tốc độ

Đặc tính từ thông

Điện áp phản hồi

3.2.3 Mạch vòng dòng điện của động cơ một chiều trong simulink

Sơ đồ mô phỏng trong simulink như hình 3.3

Hình 3.3 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện động cơ trong simulink

Với điện áp là dạng step, mô phỏng ta thu được kết quả dạng tín hiệu dòng điện ra và điện áp phản hồi có dạng:

Hình 3.4 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ Các đường đặc tính thu được:

- dòng điện:

- tốc độ:

- điện áp phản hồi:

Mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi có thêm khâu hạn chế dòng sau bộ điều khiển tốc độ (hình 3.5)

Hình 3.5 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi có thêm khâu hạn chể dòng

- Tín hiều dòng điện khi có thêm khâu hạn chế dòng là:

- Tín hiệu tốc độ

- Tín hiệu điện áp phản hồi

3.3 Nhận xét về kết quả mô phỏng thu được

- Trong hai trường hợp điện áp phần ứng không đổi và từ thông không đổi

ta thấy thời gian quá độ của dòng điện, điện áp phản hồi, tốc độ ở trường hợp điện áp phần ứng không đổi là lớn hơn (do Tk>>Tu), tuy nhiên độ quá điều chỉnh lại nhỏ hơn

- Khi có thêm bộ điều chỉnh dòng điện và bộ điều chỉnh tốc độ thì điện áp phản hồi bám theo điện áp đặt hơn

- Khâu hạn chế dòng lắp sau bộ điều chỉnh tốc độ có tác dụng làm giảm tín hiệu đặt cho mạch vòng dòng điện

Kết luận

Dựa vào các kết quả mô phỏng thu được ta biết được sự hoạt động và các chế

độ làm việc của động cơ điện một chiều Và nhờ đó sẽ giúp ta biết cách sử dụng hợp lý động cơ điện một chiều trong các quy trình công nghệ

Qua thời gian dài nghiên cứu, tìm hiểu cùng với sự hướng dẫn của thầy Lưu Kim Thành, em đã hoàn thành bài tập này Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót Em mong thầy cô và các bạn góp ý để bài làm của em được hoàn thiện hơn