Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ sử dụng động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc

Đất nước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng mạnh mẽcác thành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại năng suấtlao động cao hơn, cạnh tranh đượ

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ

Tên đề tài: “Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ

sử dụng động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Rotor lồng sóc”

Lời mở đầu

Chương 1: Mô hình động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha

1.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha

Chương 3: Mô hình mô phỏng đáp ứng trên Simulink

3.1 Cấu trúc mô phỏng hệ truyền động diều chỉnh tốc độ

3.2 Kết quả mô phỏng

3.3 Kết luận

3.4.Tài liệu tham khảo

Hải Phòng, ngày tháng 1 năm 2013

Phạm Tâm Thành Trương Thị Thu Trang

Mục lục

Lời mở đầu 3

Chương 1: Mô hình động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha 4

1.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha 4

1.1.1 Khái niệm 4

1.1.2 Đặc tính cơ và thông số ảnh hưởng tới đăc tính cơ 8

1.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ 17

1.3 Xây dựng mô hình động cơ 18

Chương 2: Tổng hợp các bộ điều chỉnh 23

2.1 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh mạch vòng stator 23

2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh mạch vòng tốc độ 24

Chương 3: Mô hình mô phỏng đáp ứng trên Simulink 29

3.1 Cấu trúc mô phỏng hệ truyền động diều chỉnh tốc độ 29

3.2 Kết quả mô phỏng 31

3.3 Kết luận 37

3.4.Tài liệu tham khảo 38

Hải Phòng, ngày tháng 3 năm 2013

Phạm Tâm Thành Trương Thị Thu Trang

Lời mở đầu

Nước ta đang trong quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệp hoá hiệnđại hoá Đất nước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng mạnh mẽcác thành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại năng suấtlao động cao hơn, cạnh tranh được với các nước trong khu vực và thế giới.Tựđộng hoá trong sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ mới nhằmnâng cao năng xuất, hạ giá thành sản phẩm, không những là yêu cầu bắt buộc

mà hơn nữa còn được xem như một chiến lược đối với các nhà máy, xí nghiệpcũng như toàn bộ nền sản xuất công nghiệp của mỗi quốc gia.Những lý thuyết

về điều khiển cũng lần lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng cácnguyên lý điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động trong công nghiệp Sựbùng nổ tiến bộ kĩ thuật trong lĩnh vực điện-điện tử -tin học những năm gần đây

đã dẫn đến những thay đổi sâu sắc cả về mặt thuyết lẫn thực tế lĩnh vực truyềnđộng điện tự động Trước hết phải kể đến sự ra đời và ngày càng hoàn thiện các

bộ biến đổi điện tử công suất, với kích thước gọn nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễdàng ghép nối với các mạch điều khiển dùng vi điện tử, vi xử lí Phần lớn cácmạch điều khiển này dùng kĩ thuật số với chương trình phần mềm linh hoạt, dễdàng thay đổi cấu trúc tham số hoặc điều khiển, vì vậy tăng độ tác động nhanh

và độ chính xác cao cho hệ truyền động Điều này dẫn đến việc chuẩn hóa chếtạo các hệ truyền động hiện đại có nhiều đặc tính làm việc khác nhau, dễ dàngứng dụng theo yêu cầu công nghệ sản xuất

Dựa vào thực tế đó em đã thực hiện một đề tài nhỏ là : “Xây dựng mô

hình mô phỏng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc.” dưới sự hướng dẫn của thầy Phạm Tâm Thành và

các thầy cô giáo trong ngành Điện tự động công nghiệp-Trường Đại học

Hàng Hải

Trong một thời gian tương đối ngắn do vậy đồ án này chắc chắn khôngkhỏi những thiếu sót, với sự nỗ lực của bản thân , em rất mong nhận được ý kiếnđóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để bản đồ án này hoàn

Chương 1: Mô hình động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha

1 1.Giới thiệu về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha

1.1.1 Khái niệm

Động cơ điện dị bộ (không đồng bộ) là loại động cơ điện xoay chiều mà tốc

độ quay của roto khác với tốc độ quay của từ trường quay trong máy

●) Cấu tạo động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ gồm hai phần chính : Phần tĩnh và phần động

Hình 1-1 Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn

- Phần tĩnh: Gồm lõi thép , dây quấn và vỏ máy

+ Lõi thép stato : Do nhiều lá thép kĩ thuật điện đã dập sẵn , ghép cáchđiện với nhau chiều dày các lá thép thường từ 0.35 mm đến 0.5mm phía trongcó các rãnh đặt dây quấn Mỗi lá thép kĩ thuật được sơn cách điện với nhau đểgiảm tổn hao do dòng điện xoáy gây lên Nếu lá thép ngắn thì có thể ghép lạithành một khối Nếu lá thép quá dài thì ghép lại thành các thếp , mỗi thếp dài từ

6 cm đến 8 cm, cách nhau 1 cm để thông gió

stato

Hình1.2: A mặt cắt ngang stato,B lá thép kĩ thuật điện ,C stato của động cơ KĐB

+ Dây quấn : Được quấn thành từng các mô bin, mà các cạnh của các mô

bin đó được đặt vào các rãnh của lõi thép stato

+ Vỏ máy: Để bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stato ,vỏ có dạng trụ

rỗng,làm bằng nhôm (máy công suất nhỏ) hoặc bằng gang , thép đối với (máycông suất lớn) Vỏ máy có chân đế cố định máy trên bệ , hai đầu có nắp máy để

đỡ trục rôto và bảo vệ dây quấn

- Phần quay: Gồm lõi thép , trục, và dây quấn

+Lõi thép rôto: cũng được dập từ các lá thép kĩ thuật điện có dạng hình

tròn và mặt ngoài của các lá thép đó được dập rãnh để đặt cuộn dây, còn ở giữađược dập lỗ tròn để lồng trục máy

+Trục máy: Được làm bắng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép

rôto Trục được đỡ trên nắp máy nhờ ổ lăn hay ổ trượt

+Dây quấn :Tuỳ theo động cơ không đồng bộ mà ta chia ra rôto dây

quấn hay rôto lồng sóc:

~ Rôto kiểu dây quấn : Rôto dây quấn có kiểu giống như dây quấn

stato và có số cực bằng số cực ở stato Trong động cơ trung bình và lớn dâyquấn được quấn theo kiểu sóng hai lớp để bớt được các đầu nối, kết cấu dâyquấn chặt chẽ Trong động cơ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp Dây quấn ba pha của động cơ thường đấu hình sao, ba đầu ra của nó nối với bavòng trượt bằng đồng thau gắn trên trục của rôto Ba vòng trượt này cách điệnvới nhau và với trục, tỳ trên ba vòng trượt là ba chổi than Thông qua chổi thancó thể đưa điện trở phụ vào mạch rôto, có tác dụng cải thiện tính năng mở máy,điều chỉnh tốc độ, hệ số công suất được thay đổi

~ Rôto lồng sóc : Kết cấu rất khác với dây quấn stato các dây quấn là

các thanh đồng hay thanh nhôm đặt trên các rãnh lõi thép rôto Hai đầu cácthanh dẫn nối với các vòng đồng hay nhôm gọi là vòng ngắn mạch Như vậy dâyquấn rôto hình thành một cái lồng quen gọi là lồng sóc

Hình1-3 Dây quấn rôto kiểu lồng sóc

Ngoài ra dây quấn lống sóc không cần cách điện với lõi thép rãnhrôto có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc thành hai rãnh gọi là lồng sóc képdùng cho máy có công suất lớn để cải thiện tính năng mở máy Với động cơcông suất nhỏ rãnh rôto thường đi chéo môt góc so tâm trục

+ Khe hở

Giữa phần tĩnh và phần quay là khe hở không khí , khe hở rất ítthường là ( 0,2 0 mm đến 1.mm), do rôto là khối tròn nên rôto rất đều Mạch từđộng cơ không đồng bộ khép kín từ stato sang rôto qua khe hở không khí Khe

hở không khí càng lớn thì dòng từ hoá gây ra từ thông cho máy càng lớn hệ sốcông suất càng lớn

Những đại lượng ghi trên động cơ không đồng bộ

- Công suất định mức Pđm là công suất cơ hay công suất điện máy đưa ra

 Nguyên lí hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha roto lồng sóc

Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Khiđặt điện áp ba pha vào 3 pha dây quấn , 3 pha đạt đối xứng trong lõi thép stator,khi đó trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay mà thành phần bậc 1của từ trường này quay với tốc độ góc là :

Trong đó : f là tần số dòng điện cáp cho stator

p là số đôi cực của dây quấn stator

Đồng thời từ trường Stator này làm cảm ứng ra các dòng điện vòng trong cácthanh dẫn roto (đối với loại roto lồng sóc) hoặc các cuộn dây Roto (đối với loạiroto dây quấn) Các dòng điện Roto này đặt trong từ trường stator quay nên sinh

ra lực điện từ (lực Lorentz) Tổng các lực này tạo ra momen quay Rotor , Rotorquay cùng hướng với từ trường Stator quay

Lúc đầu khi từ trường stator đã sinh ra thì Rotor tăng tốc nhanh để cố gắngbắt kịp từ trường quay đó, đồng thời từ trường quay quét qua Rotor càng giảmnên sức điện động cảm ứng phái Rotor sẽ giảm dần và dòng điện Rotor cũnggiảm theo

Nếu tốc độ Rotor bằng tốc độ từ trường quay thì lúc đó sẽ không có lực điện

từ được sinh ra và Rotor quay chậm lại Do đó tốc độ Rotor không thể bằng tốc

độ đồng bộ, tốc độ đồng bộ phụ thuộc vào tần số nguồn điện cấp và số đôi cựccủa động cơ, sai khác giữa 2 tốc độ gọi là tốc độ trượt

 Ứng dụng, ưu và nhược điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều

ba pha rotor lồng sóc

Ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất

trung bình Chiếm tỉ lệ lớn so với động cơ khác, nhờ những ưu điểm :

 Động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn dễ chếtạo, vận hành an toàn, tin cậy, giá thành rẻ, hiệu suất cao và gần như không bảotrì

 Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha, không cần tốn kém cácthiết bị biến đổi

Nhược điểm : tốc độ của động cơ không đồng bộ phụ thuộc vào tần số và biên

độ điện áp nguồn cấp mà trong thực tế nhiều lúc năng lượng cơ lại yêu cầu cáctốc độ có thể thay đổi được Chúng có thể chạy ở tốc độ gần như bằng hằng sốđối với tải và từ không tải tới đầy tải Điều này không giống như các động cơmột chiều, các độngc cơ đồng bộ gặp khó khăn để điều khiển tách bạch cácthành phần dòng điện sinh momen và từ thông Để nâng cao hiệu suất sử dụngthì hệ truyền động động cơ không đồng bộ thay đổi tốc độ có khả năng cấp chođộng cơ điện ba pha có tần số và biên độ có thể thay đổi được, nên bộ điều khiểnphức tạp hơn so với loại một chiều

1.1.2 Đặc tính cơ và các thông số ảnh hưởng tới đặc tính cơ

A Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ

Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sửdụng sơ đồ thay thế một pha của động cơ Tuy nhiên có các điều kiện sau thoảmãn để xây dựng phương trình đặc tính cơ

- 3 pha của động cơ là đối xứng

- Các thông số của động cơ không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ,điện trở không phụ thuộc vào tần số dòng điện rôto , mạch từ không bão hoàđiện kháng X1 , X2 không đổi

- Bỏ qua các tổn thất trong lõi thép các tổn thất của ma sát

- Điện áp hoàn toàn sin và đối xứng ba pha

Với những giả tưởng trên ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ

Hình 1-4 Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ

Trong đó U1 : trị số hiệu dụng của điện áp ba pha stato

+ Rth , R1 , R2’ là điện trở tác dụng từ hoá , điện trở stato và điện trởrôto đã quy đổi về phía stato

+ Xth, X1 , X2’, là điện kháng mạch từ hoá điện kháng tản stato vàđiện kháng rôto đã quy đổi về phía stato.

+Ith ,I1 , I2’ là các dòng điện từ hoá,dòng điện stato, dòng điện rôto đãquy đổi về stato

Với hệ số quy đổi như sau:

X’

2 = Ku2.X2 ; I’

2 = Ki I2 ; R2’ = Ku2 R2Trong đó :

Kdq1,Kdq2: hệ số dây quấn stao và rôto

U1 : điện áp định mức đặt vào dây quấn stato

Ew : sức điện động định mức của rôto

' 1 1

I

I K I

2 ' 2 1

1

X X

R R

1





= dòng điện max (I2’ max ) ,  = 0

Với : Xnm = X1+X2’ : điện kháng ngắn mạch

Dòng khởi động phía rôto của động cơ :

Hình 1-5 Đặc tính dòng điện rôtoThông thường ta có I2’ max = (4  7)Iđm Vì thế khi khởi động động cơ cầnchú ý giảm dòng mở máy phía rôto bằng cách mắc thêm điện trở phụ phía rôto

Ta có dòng điện phía stato là :

Khi S = 0  I1 = Ith (dòng phía stato bằng dòng từ hoá )

S = 1  I1 =

2 1

1 1

U X R R X

Hình 1-6 Đặc tính dòng điện stato của động cơ không đồng bộ

Để xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta dựa vàođiều kiện cân bằng công suất trong động cơ

Ta có công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto là :

Pđt = M.1 (1.2) với M : Là mômen điện từ của động cơ

Giả sử bỏ qua tổn thất phụ thì : M = M cơ

Công suất Pđt chia làm hai phần:

Pcơ :Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ : Pcơ = Mcơ  (1.3)

P2 : Công suất tổn hao đồng trong rôto : P2 = 3.I2’2 R2’ (1.4)

2 1

M.1 = M. + 3 R

X

R R

U

nm

S

' 2 2

2 ' 2 1

U

nm

S

' 2 2

2 ' 2 1

' 2

2 1

3

nm

X s

R R s

R U



Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ.

Để vẽ đường dặc tính cơ của động cơ cần phải tìm ra các điểm tới hạn thông

qua việc giải phương trình :  0

dS

dM

Ta tìm được trị số của M và S ở điểm cực trị : kí hiệu là Mtới hạn (Mth) và giá trị

Stới hạn ( Sth) Cụ thể là :

Sth = 

X R

R

nm

2 2

1

' 2



; Mth =   2 2 

1 1 1

Khi ngiên cứu các hệ truyền động của động cơ không đồng bộ người ta quantâm nhiều đến trạng thái làm việc của động cơ.

Với những động cơ công suất lớn lớn thường R1 rất nhỏ so với Xnm nên lúcnày co thể bỏ qua R1 nghĩa là R1 = 0 Do đó :

2 3

Hình 1-7 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Trong thực tế khi nghiên cứu các hệ truyền động cho động cơ không đồng bộthường lựa chọn vùng làm việc là đường thẳng tuyến tính từ 0 đ D

B Các thông số ảnh hưởng đến đặc tính cơ

Từ phương trình đặc tính cơ không đồng bộ :

' 2

2 1

3

nm

X

R R s

R U

1) Ảnh hưởng của điện áp nguồn cấp cho động cơ

Điện áp nguồn U1 : Thay đổi bằng cách sử dụng bộ điện áp xoay chiều

Các tham số còn lại là hằng số , khi U1 giảm  ( Mth ) Mômen tới hạn sẽgiảm bình phương lần độ suy giảm của điện áp Mth giảm  U12 giảm

Trong khi đó tốc độ đồng bộ: 1 =

Vậy khi giảm điện áp cấp cho động cơ làm cho Mth giảm nhanh.Tuy nhiên Sthkhông đổi vì vậy phương án giảm điện áp thường thích hợp cho dạng phụ tảikhông đổi : quạt gió , máy bơm ly tâm Không thích hợp với phụ tải thay đổi

2) Ảnh hưởng của điện trở mạch rôto ( R 2 + R 2f ).

Chỉ dùng cho động cơ không đồng bộ rôto dây quấn ,sử dụng bộ điều

chỉnh xung điện trở người ta thực hiện bằng cách mắc thêm R2f vào mạch rôto

nm f

' 2

'

2

 dòng điện mở máy giảm

a) b)

Hình 1-9 a Sơ đồ đấu dây ; b Đặc tính cơ

Vậy R1 càng tăng,dòng điện khởi động càng giảm,Mkđ tăng lên Sau đómômen khởi động sẽ giảm Do đó căn cứ vào điều kiện khởi động và đặc điểmcủa phụ tải mà chọn điện trở cho thích hợp

3) Ảnh hưởng của tần số lưới điện f 1 cấp cho động cơ :

Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn vàlồng sóc

Xuất phát từ biểu thức : 1 =

f R ' 1

2 1 1

L P

f

U

2 1 '

2 1 2

2

21

2

8 

Thực tế khi f1 tăng để đảm bảo đủ Mmm cho động cơ và tốc độ làm việc củađộng cơ không vượt quá giá trị cực đại cho phép

max bị hạn chế bởi độ bền cơ khí của động cơ

Khi f1 < f1đm tức là khi f1 giảm ta có:

Khi f1 giảm  t giảm  Sth tăng  Mth tăng Xnm giảm

Ta có đặc tính cơ trong 2 trường hợp :

Hình 1-10 Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f 1 cấp cho động cơ

Trong trường hợp khi tần số nguồn cấp cho động cơ giảm dẫn đến tổng

áp giữ không đổi thì dòng điện khởi động tăng rất nhanh do vậy khi giảm tần sốcần giảm điện áp theo một quy luật nhất định để giữ mômen theo chế độ địnhmức

Qua đồ thị đặc tính cơ ta thấy rằng :

- Khi f1< f1đm với điều kiện

f

U

1

1

= const thì Mth giữ ở không đổi

- Khi f1> f1đm thì Mth tỉ lệ ngịch với bình phương tần số

Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động

cơ trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng riêng

4) Ảnh hưởng của số đôi cực P

Để thay đổi số đôi cực ở stato ngưới ta thường thay đổi cách đấu dây :

ở stato nên một số thông số như U1 (điện áp vào stato) R1 , X1 có thể thay đổi dođó từng trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau đến mômen tới hạn Mth của động cơ

a) b)

Hình1.11 Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ

a) Thay đổi số đôi cực với P 2 = P 1/2 và M th = const

b) Thay đổi số đôi cực với P 2 = P 1/2 và P 1 = const

5) Ảnh hưởng của điện trở , điện kháng mạch stato

Được thực hiện bằng cách mắc thêm điện trở (R1f ) hoặc điện kháng (X1f) nốitiếp vào phía stato của động cơ Tốc độ từ trường không đổi: 1= const , Sthgiảm Do đó đặc tính cơ có dạng :

a b c

Hình1.12 Động cơ không đồng bộ với R f và X f trong mạch stato

a) Sơ đồ với R 1f ; b) Sơ đồ với X 1f ; c) Đặc tính cơ

Ta thấy rằng khi cần tạo ra đặc tính có mômen khởi động là Mmm thì đặctính cơ ứng với X1f trong mạch cứng hơn đặc tính cơ với R1f

Dựa vào tam giác tổng trở ngắn mạch có thể xác định được X1f , hoặc R1ftrong mạch stato khi khởi động

1.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ

Luật điều chỉnh tần số điện áp theo khả năng quá tải

Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng, từ thông, dòng điện…của động cơthay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quádòng cần phải điều chỉnh cả điện áp Đối với hệ thống biến tần nguồn áp thườngcó yêu cầu giữ cho khả năng quá tải về mômen là không đổi trong suốt dải điềuchỉnh tốc độ Mômen cực đại mà động cơ sinh ra được chính là mômen tới hạn

Mth, khả năng quá tải về mômen được quy định bằng hệ số quá tải mômen M

Với M =

M

Mth

Hình 1-13 Xác định khả năng quá tải về mômen

Nếu bỏ qua điện trở của dây cuốn stato Rs = 0 thì từ

M =

 s

F

R L U

s

r m s

2

2 2 0

L U

r S

m s

2

2 2

0

22

0 (1.9)

Từ (1.8) và (1.9) rút ra được luật điều chỉnh tần số điện áp để có hệ số quá tải

về mômen là không đổi :

0 0

Như vậy, muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thayđổi tần số ta phải có một bộ nguồn xoay chiều có thể điều chỉnh điện áp đồng

thời theo quy luật sau: const

U



2 1

Hình 1-14 Luật điều chỉnh tần số điện áp để có hệ số quá tải về mômen

1.3 Xây dựng mô hình động cơ

1.3.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ

Vì cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về không gian, vì cá mạch từ mócvòng ta giả thiết các điều kiện sau đây trong khi mô hình hóa động cơ:

-Các cuộn dây Stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian

-Các tổn hao sắt từ và bão hòa từ có thể bỏ qua

-Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ

-Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không

Ta có phương trình điện áp stator :

f s s

f s f s s

f

dt

d i R

u      

Phương trình điện áp roto:

f r r

f r f r

dt

d i

R     

 0

Từ đó ta có phương trình của từ thông stator và từ thông rotor :

m r s s s

L i L i

L i L i





Phương trình momen:

3