Khảo sát và mô phỏng động cơ một chiều bằng phần mềm MATLAB/SIMULINK

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN HỌC PHẦN: CƠ SỞ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Đề tài: Khảo sát mô động chiều phần mềm MATLAB/SIMULINK Sinh viên thực hiện: Ngô Quốc Trưởng Lớp: TD19 MSSV: 1951050105 Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 08 năm 2021 Ngô Quốc Trưởng 1951050105 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với tiến văn minh nhân loại chứng kiến phát triển rầm rộ kể quy mơ lẫn trình độ sản xuất đại Do tính ưu việt hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, truyền tải, máy phát động điện xoay chiều có cấu tạo đơn giản cơng suất lớn, dễ vận hành, máy điện (động điện) xoay chiều ngày sử dụng rộng rãi phổ biến Tuy nhiên, động điện chiều giữ vị trí định cơng nghiệp giao thơng vận tải nói chung thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi rộng (như máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện) Mặc dù, so với động không đồng để chế tạo động điện chiều cỡ giá thành đắt hơn, sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp ưu điểm mà máy điện chiều khơng thể thiếu sản xuất đại Ưu điểm động điện chiều dùng làm động điện hay máy phát điện điều kiện làm việc khác song ưu điểm lớn động điện chiều điều chỉnh tốc độ khả tải Nếu thân động không đồng đáp ứng đáp ứng phí thiết bị biến đổi kèm (như biến tần) đắt tiền động điện chiều khơng điều chỉnh rộng xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại Động điện chiều ngày sử dụng rộng rãi tính ưu việt mà mang lại như: khơng cần nguồn xoay chiều, thực việc thay đổi động cách dễ dàng v.v…Chính lý mà em chọn động chiều để mô khảo sát đồ án Ngô Quốc Trưởng 1951050105 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI CHƯƠNG 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Cấu tạo động chiều 2.1.1 Phần tĩnh (stator) .5 2.1.2 Phần quay (rotor) .6 2.2 Nguyên lý làm việc động chiều CHƯƠNG KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 3.1 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘNG LẬP .8 3.2 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP 11 KẾT LUẬN 13 Ngô Quốc Trưởng 1951050105 CHƯƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Động chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục phạm vi rộng nhiều trường hợp cần có đặc tính đặc biệt, thiết bị đơn giản rẻ tiền thiết bị điều khiển động ba pha động chiều có đặc tính khởi động tốt Vì ưu điểm nên động chiều sử dụng rộng rãi nghiệp Vậy nên em chọn đề tài “Khảo sát mô động chiều phần mềm MATLAB/SIMULINK” để nghiên cứu 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Các mục tiêu mà đề tài đặt ra:  Nắm vững kiến thức động điện chiều, từ xây dựng mơ hình toán học động chiều  Làm quen với phần mềm MATLAB/SIMULINK, sử dụng phần mềm để mô động chiều Ngô Quốc Trưởng 1951050105 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 2.1 CẤU TẠO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Động chiều Động điện chiều phân thành hai phần chính: phần tĩnh (stator) phần động (rotor) Cấu tạo động chiều 2.1.1 Phần tĩnh (stator) Là phần đứng yên máy bao gồm phận sau sau: 2.1.1.1 Cực từ Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại tán chặt Trong động điện nhỏ dùng thép khối Cực từ gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulông Dây quấn kích từ quấn dây đồng, cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối tẩm sơn cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với 2.1.1.2 Cực từ phụ Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống dây quấn cực từ Cực từ phụ gắn vào vỏ máy nhờ bulông Ngô Quốc Trưởng 1951050105 2.1.1.3 Gông từ Gông từ dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động điện nhỏ vừa thường dùng thép dày uốn hàn lại Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có động điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy 2.1.1.4 Các phận khác Bao gồm:  Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ vừa nắp máy cịn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp nắp máy thường làm gang  Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay Cơ cấu chổi than bao gồm chổi than đặt hộp chổi than mơt lị xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than cố định giá đỡ cách điện với giá Giá chổi than quay để điều chỉnh chổi than cho chỗ cố định lại nhờ ốc vít 2.1.2 Phần quay (rotor) Rotor động chiều Bao gồm phần sau: 2.1.2.1 Lõi sắt phần ứng Dùng để dẫn từ, thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt với để giảm tổn hao dịng điện xốy gây nên Trên thép dập dạng hình rãnh ghép lại tạo thành rãnh để đặt dây quấn vào Đối với động cơng suất trung bình lớn người ta tạo rãnh để tạo thành lỗ rãnh thơng gió Lõi sắt ép chặt vao trục động 2.1.2.2 Dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng phần phát sinh suất điện động có dịng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có cơng suất vài kw thường dùng dây có tiết diện trịn Trong máy điện vừa lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật Dây quấn cách điện cẩn thận với rãnh Ngô Quốc Trưởng 1951050105 lõi thép Để tránh quay bị văng lực li tâm, miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt đai chặt dây quấn Nêm có làm tre, gỗ hay bakelit 2.1.2.3 Cổ góp Cuộn dây rotor cuộn dây khép kín cạnh nối với phiến góp Hay cịn gọi vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình nhạn ghép thành khối hình trụ, cách điện với cách điện với trục máy Phiến góp đượn làm đồng vừa có độ dẫn điện vừa chống mài mịn Các phận khác cánh quạt dùng để quạt gió làm mát máy Trục máy đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp cánh quạt ổ bi, trục máy thường làm cacbon tốt 2.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Nhìn vào hình dưới, cho điện áp chiều U vào hai chổi điện A B, dây quấn phần ứng có dịng điện Các dẫn ab cd mang dòng điện nằm từ trường chịu lực tác dụng tương hỗ lên tạo nên mômen tác dụng lên rôto, làm quay rôto Chiều lực tác dụng xác định theo quy tắc bàn tay trái (a) Mô tả nguyên lý làm việc động điện chiều Khi phần ứng quay nửa vịng, vị trí dẫn ab, cd đổi chỗ (hình b), nhờ có phiến góp đổi chiều dịng điện, nên dịng điện chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, lực tác dụng lên rơto theo chiều định, đảm bảo động có chiều quay không đổi Ngô Quốc Trưởng 1951050105 CHƯƠNG KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 3.1 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘNG LẬP Sơ đồ mạch tương đương động chiều kích từ độc lập Áp dụng định luật Kirchhoff vào sơ đồ mạch tương đương ta xây dựng mơ hình tốn học sau: Trong đó:  , , , điện áp, dòng điện, điện trở, hệ số tự cảm suất điện động phần ứng  , , điện áp, dòng điện điện trở mạch kích từ  suất điện động phần ứng xác định biểu thức  từ thơng kích từ xác định biểu thức (Wb) Theo định luật II Newton ta có: Trong đó:  momen điện từ xác định  momen cản (N.m)  Momen ma sát  (B hệ số ma sát) tốc độ góc rotor (Rad/s) (V) (N.m) Ngơ Quốc Trưởng 1951050105  J momen quán tính (Kg.m2) Từ phương trình (1), (2) (3) ta xây dựng phương trình vi phân theo biến trạng thái sau: Ta đặt giá trị định mức sau: (7) Trong đó:  , , , giá trị định mức điện áp dòng điện phần ứng phần kích từ Ngơ Quốc Trưởng   , 1951050105 tốc độ góc định mức rotor momen định mức suất điện động phần ứng định mức, xác định biểu thức Thay (7) vào (4), (5) (6) ta có mơ hình tốn học động kích từ động lập theo thang chuẩn (per unit) sau: Từ mơ hình tốn học ta mơ sơ đồ mơ SIMULINK Mơ hình SIMULINK vịng lặp dịng điện phần ứng Mơ hình SIMULINK vịng lặp dịng điện kích từ 10 Ngơ Quốc Trưởng 1951050105 Mơ hình SIMULINK vịng lặp tốc độ góc rotor Giả sử ta cho thơng số động chiều kích từ độc lập sau: Tiến hành mô SIMULINK ta biểu đồ tương ứng Biểu đồ vòng lặp dòng điện phần ứng 11 Ngô Quốc Trưởng 1951050105 Biểu đồ vịng lặp dịng điện kích từ Biểu đồ vịng lặp tốc độ góc 12 Ngơ Quốc Trưởng 1951050105 3.2 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP Sơ đồ mạch tương đương động chiều kích từ nối tiếp Tương tự động kích từ độc lập, áp dụng định luật Kirchhoff vào sơ đồ mạch tương đương ta xây dựng phương trình vi phân theo biến trạng thái: Trong đó: u điện áp nguồn Áp dụng định luật II Newton ta có: Trong thông số xác định sau:  Suất điện động cảm ứng  Momen điện từ (V) ( hệ số cấu tạo cuộn kích từ) Như vậy, ta mơ động chiều kích từ nối tiếp qua hai phương trình vi phân (7) (8) Simulink Sơ đồ biểu diễn vòng lặp dòng điện phần ứng thể sau: 13 Ngơ Quốc Trưởng 1951050105 Mơ hình SIMULINK vịng lặp dịng điện phần ứng Sơ đồ biểu diễn vòng lặp vận tốc góc rotor thể sau: Mơ hình SIMULINK vịng lặp tốc độ góc rotor Giả sử ta có thơng số động chiều kích từ nối tiếp sau: Tiến hành mơ SIMULINK ta biểu đồ tương ứng 14 Ngơ Quốc Trưởng 1951050105 Biểu đồ vịng lặp dịng điện phần ứng Biểu đồ vịng lặp tốc độ góc 15 Ngơ Quốc Trưởng 1951050105 KẾT LUẬN Sau q trình nghiên cứu, em thực hoàn thành đồ án “Khảo sát mô động chiều phần mềm MATLAB/SIMULINK”, qua em cố kiến thức nắm bắt nhiều kiến thức cách xây dựng mơ hình tốn mơ phần mềm 16 ... ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 2.1 CẤU TẠO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Động chiều Động điện chiều phân thành hai phần chính: phần tĩnh (stator) phần động (rotor) Cấu tạo động chiều 2.1.1 Phần tĩnh (stator) Là phần đứng... Nguyên lý làm việc động chiều CHƯƠNG KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 3.1 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘNG LẬP .8 3.2 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP 11 KẾT LUẬN ... đảm bảo động có chiều quay khơng đổi Ngơ Quốc Trưởng 1951050105 CHƯƠNG KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 3.1 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘNG LẬP Sơ đồ mạch tương đương động chiều kích từ độc