mô phỏng động cơ đồng bộ 3 pha kích thích độc lập

Trường Đại Học Hàng Hải Việt NamKhoa Điện – ĐTTB Bộ Môn Điện Tự Động Công Nghiệp Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Tên đề tài: Mô Hình Mô Phỏng Máy Điện Đồng Bộ Ba Pha Kích Thích Độc

Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam

Khoa Điện – ĐTTB

Bộ Môn Điện Tự Động Công Nghiệp

Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ

Tên đề tài:

Mô Hình Mô Phỏng Máy Điện Đồng Bộ Ba Pha

Kích Thích Độc Lập

Giáo viên hướng dẫn: Phạm Tâm Thành

Sinh viên thiết kế: Bùi Đức Cường

Ngày 14 tháng 11 năm 2008 Sinh viên:

Bùi Đức Cường

Mục lục

Lời nói đầu

Chương 1: Mô tả chung

Chương 2: Mô hình hóa

Kết luận

Ngày nay việc thực hiện tự động hóa trong công nghiệp và trong dân dụng là một nhu cầu thiết yếu để phát triển sản xuất cũng như nâng cao chất lượng sản phẩm, đối với 1 hệ truyền động điện yêu cầu phải điều khiển và quan sát được

Việc thực hiện điều khiển, quan sát các chuyển động của các đặc tính bên trong và bên ngoài(như dòng điện, tốc độ, momen,…) không chỉ thực hiện bằng cách đo các thông số rồi về tính và lập đặc tính, mà dưới sự hỗ trợ của máy tính ta có thể mô phỏng cả hệ thống, công cụ hỗ trợ đắc lực nhất là phần mềm Matlab

Theo yêu cầu thiết kế môn học: Tổng Hợp Hệ Điện Cơ, em thực hiện

đề tài mô phỏng đông cơ điện đồng bộ kích thích độc lập

Sau đây là phần nội dung:

Chương 1: Mô tả chung về máy điện đồng bộ

Chương 2: Mô hình hóa máy điện

Do trình độ của em còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện còn nhiều sai sót mong được thầy cô và các bạn góp ý

Chương 1: Mô tả chung

1 Máy điện đồng bộ

Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Phạm vi ứng dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng , nghĩa là làm máy phát điện Điện năng 3 pha chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống hằng ngày được sản suất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi, tuabin khí hoặc tubin nước

Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết

bị công suất lớn, thiết bị lớn

Máy điện đồng bộ có khả năng phát ra công suất phản kháng, thông thường máy đồng bộ được tính toán sao cho chúng có thể phát ra công suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng trong một số trường hợp người ta dùng máy điện đồng bộ đặt gần các khu công nghiệp lớn để chỉ phát ra công suất phản kháng đủ bù hệ số cosϕ cho lưới điện là hợp lý Những máy đó là máy bù đồng bộ

Các động cơ đồng bộ công suất nhỏ (đặc biệt là các động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu) cũng được sử dụng rộng rãi trong các trang bị tự động và điều khiển

Cấu tạo của máy điện đồng bộ:

2 Động cơ điện đồng bộ

Các động cơ điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất thường là những động cơ điện không đồng bộ, vì loại động cơ này có đặc điểm cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ Tuy nhiên các động cơ điện đồng bộ trong thời gian gần đây cũng được sử dụng nhiều

và cũng có thể so sánh với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động điện

Ưu điểm:

Động cơ điện đồng bộ có khả năng làm việc ở chế độ cosϕ = 1, và không cần lây công suất phản kháng từ lưới điện, nên hệ số công suất của lưới điện được nâng cao, làm giảm điện áp rơi và tổn hao công suất trên đường dây Động cơ điện đồng bộ ít chịu ảnh hưởng của điện áp lưới do moomen tỷ lệ với điện áp U, còn động cơ di bộ có moomen tỷ lệ với bình phương điện áp U

Nhược điểm:

Cấu tạo của động cơ đồng bộ phức tạp, đòi hỏi phải có nguồn kích từ, việc khởi động phức tạp, việc thay đổi tốc độ chỉ có thể thực hiện được nhờ thay đổi tần số của nguồn điện

3 Động cơ điện đồng bộ kích thích đồng bộ

Thường được ứng dụng trong những trường hợp yêu cầu công suất lớn

Chương 2: Mô hình hóa

1 Khái quát chung về mô hình động cơ điện đồng bộ kích thích độc lập.

Do tính chất phức tạp của mô hình toán học của động cơ đồng bộ kích thích độc lập khi xây dựng trên hệ tọa độ cố định a,b,c nên người ta chuyển đổi mô hình toán học của máy điện về hệ trục tọa độ vuông góc dq, đây là hệ trục tọa

độ quay cùng với rotor và từ trường quay

Khi đó các hệ số trong mô hình toán học của máy điện đồng bộ sẽ là các hệ

số cố định, các đại lượng đó là các đại lượng 1 chiều, cho nên rất dễ dàng

mô phỏng trên máy tính

Còn trong trường hợp muốn khảo sát với đại lượng thật thì ta biến đổi ngược

từ hệ trục quay về hệ trục cố định

Để mô tả ta xây dựng 1 hệ tọa độ dq

2 Biến đổi hệ tọa độ.

Thường khi mô phỏng ta lấy đầu vào là điện áp, đầu ra là dòng điện, tốc độ,

mô men Điện áp 3 pha a,b,c, điện áp kích thích và mô men là các đầu vào chính

Điện áp a,b,c sẽ phải được biến đổi về hệ trục dq gắn với rotor, để biến đổi ta thực hiện như sau:

Cách 1:

Bước 1: tạo điện áp trên trục dq cố định:

) (

3 1

) (

3 1

3

1 3

1 3 2

c b

s d

c b a

s q

u u u u

u u u

u u u u

+ +

=

−

=

−

−

=

Bước 2: tạo điện áp trên trục dq gắn với rotor

r

s q r

s d q

r

s q r

s d d

u u

u

u u

u

θ θ

θ θ

cos

* sin

*

sin

* cos

*

+

−

=

+

= Trong đó:

0 0

θ

ω

θ =∫ dt+

t

r

r

θ0 giá trị đầu

Cách 2: thực chất là việc rút gọc cách viết của cách 1:

) (

3 1

)) 3

4 cos(

) 3

2 cos(

cos ( 3 2

)) 3

4 sin(

) 3

2 sin(

sin ( 3 2

r c r

b r a q

r c r

b r a d

u u u u

u u

u u

u u

u u

+ +

=

Π

− +

Π

− +

=

Π

− +

Π

− +

=

θ θ

θ

θ θ

θ

Trong Matlab ta dung khối sau để biến đổi:

ở đây: a,b,c là đầu vào điện áp

Sin-cos là đầu vào góc θ

dq, u0 là đầu ra

3 Các phương trình trong hệ tọa độ dq.

Từ các phương trình cơ bản của động cơ đồng bộ ta xây dựng nên hệ phương trình trên hệ tọa độ dq như sau:

- Đối với mạch stator:

sd

sq sq

s sq

sq

sd sd

s sd

dt

d i R u

dt

d i R u

ωϕ ϕ

ωϕ ϕ

+ +

=

− +

=

- Đối với mạch kích từ:

dt

d i R

kt kt kt

ϕ +

=

- Đối với mạch khởi động cuộn dây:

dt

d i R u

dt

d i R u

Q Q Q Q

D D D D

ϕ

ϕ +

=

+

=

- Phương trình mô men:

c

sd sq sq sd

M dt

d j M

i i

p M

+

=

−

= ω

ϕ

( 2

3 '

- Phương trình từ thông

i

L *

= ϕ

Q D kt sq sd

ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ =

Q D kt sq sd

i i i i i

i =

Q Qq

D Dk D

kD kt kd

qD sq

dD dk sd

L L

L L L

L L L

L L

L L L

L

0 0 0

0 0

0 0

0 0 0

0 0

=

Lsd, Lsq, Lkt, LD, LQ là điện cảm theo các trục LdD, LDd, Ldk, Lkd, LqQ, LQq, LkD, LDk là

hỗ cảm giữa các trục

4 Các thông số

Lsd hệ số tự cảm stator theo trục d

Lsq điện cảm stator theo trục q

Rs: trở kháng Stator

ω: tốc độ động cơ

5 Mô phỏng máy điện.

Các phương trình mô phỏng:

(Trong khi mô phỏng ta đã bỏ qua cuộn ổn định nhằm làm đơn giản mô hình

mà không làm ảnh hưởng nhiều đến tính chính xác của việc mô phỏng )

sd

sq sq

s sq

sq

sd sd

s sd

dt

d i R u

dt

d i R u

ωϕ ϕ

ωϕ ϕ

+ +

=

− +

=

c

sd sq sq sd

M dt

d j M

i i

p M

+

=

−

= ω

ϕ

( 2

3 '

sq sq sq

sd sd sd

i L

i L

*

*

=

= ϕ ϕ

Chọn động cơ điện có các thông số sau :

F= 50 Hz

P’ = 1(số đôi cực)

Rs = 0.032 Ω

Xd = 1.63 Ω => Lsd = Xd/ω= 0.0052

Xq = 1.56 Ω => Lsq = Xq/ω= 0.00497

Mc = 0.008

Các khối cơ bản:

Khối tạo tín

hiệu không đổi Khối tạo tín

hiệu 1(t)

Khối tạo tín hiệu sin Khuếch đại

Demux

Điện áp 3 pha a,b,c:

đặt thông số(ở khối sin ):

ua:

Khối chuyển đổi điện áp:

1/Lsq

Tốc độ đặt(ở khối step)

Mô men cản Mc:

Usd, Usq:

Omega:

Qua việc mô phỏng động cơ điện không đồng bộ thấy được đặc tính tốc độ cũng như mô men của nó tù đó có thể thiết kế được các bộ điều chỉnh phù hợp

Đồ án đã giải quyết được các vấn đề sau:

- Khái quát chung về vấn đề động cơ không đồng bộ

- Mô phỏng động cơ không đồng bộ

Tài liệu tham khảo:

[1] Điều chỉnh tự động truyền động điện – Bùi Quốc Khánh,

Nguyễn Văn Liễn,… - Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật

[2] Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều 3 pha –

Ts Nguyễn Phùng Quang – Nhà xuất bản giáo dục

[3] Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động –

Ts Nguyễn Phùng Quang – Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật