TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO THIẾT KẾ MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG (NHÓM 6) Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Hoàng Nguyễn Thủy Tiên Lê Đình Lâm Nguyễn Tiến Dũng Bùi Thị Thanh Hiền Nguyễ[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO THIẾT KẾ MƠN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG (NHĨM 6) Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Hoàng Nguyễn Thủy Tiên Lê Đình Lâm Nguyễn Tiến Dũng Bùi Thị Thanh Hiền Nguyễn Huy Hoàng Người hướng dẫn: TS Võ Thanh Hà HÀ NÔI, 2022 Mục Lục Mục Lục Bài 1: Thiết kế hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ quay cho động điện một1 Giới thiệu cấu tạo nguyên lý làm việc động MCKTĐK 1.1 Cấu tạo động chiều KTĐK: .1 a) Phần tĩnh: b) Phần ứng: 1.2 Nguyên lí hoạt động động chiều kích từ độc lập Phương trình tốn học, phương trình trạng thái a) Mơ hình tốn học động chiều kích từ độc lập b) Mơ hình trạng thái động chiều kích từ độc lập Thiết kế điều khiển dòng điện, tốc độ - PI - Tổng hợp mạch vòng dòng điện bỏ qua sức điện động động 10 - Tổng hợp mạch vòng tốc độ 11 Mô Matlab 12 Đánh giá kết .13 Bài 2: Thiết kế hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ quay cho động điện xoay 15 Giới thiệu cấu tạo nguyên lý làm việc động KĐBRLS 15 1.1 Cấu tạo rôto lồng sóc 15 1.2 Nguyên lý hoạt động motor roto lồng sóc 15 Phương trình tốn học, phương trình trạng thái 16 Thiết kế điều khiển dòng điện, tốc độ - PI 23 3.1 Nguyên lý điều khiển vector 23 3.2 Thiết kế điều khiển dòng điện 24 3.3 Thiết kế điều khiển tốc độ .26 Mô Matlab 27 Đánh giá kết .30 Bài 1: Thiết kế hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ quay cho động điện chiều kích từ độc lập sử dụng biến đổi DC/DC+ chooper: Giới thiệu cấu tạo nguyên lý làm việc động MCKTĐK Phương trình tốn học, phương trình trạng thái Thiết kế điều khiển dịng điện, tốc độ - PI Mơ Matlab Đánh giá kết Số liệu: Chọn thông số cho động điện chiều - Công suất định mức: Pdm = 25 (kW) - Điện áp định mức: Udm = 280 (V) - Tốc độ định mức ndm =1150(v/ph) - Hiệu suất định mức: ηdm = 90% - Điện cảm L=0.55 H - Mô men cản: Mc =40 Nm - Mơ men qn tính: J= kg/m Bài làm Giới thiệu cấu tạo nguyên lý làm việc động MCKTĐK 1.1 Cấu tạo động chiều KTĐK: Cấu tạo vật lí động chiều gồm có hai phần: Phần tĩnh (Stator) hay gọi phần cảm Phần quay (Rotor) hay gọi phần ứng a) Phần tĩnh: Phần tĩnh hay phần cảm phần nhận lượng điện chiều để tạo từ trường kích từ máy Cực từ phận sinh từ trường, gồm có lõi thép dây quấn kích từ lồng ngồi lõi thép cực từ, dịng điện chạy dây quấn kích từ cho cực từ tạo có cực tính liên tiếp ln phiên Cực từ làm thép kỹ thuật điện ép lại, tán chặt gắn vào vỏ máy nhờ bulông Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối gắn vào vỏ máy nhờ bulơng Hình 1.2 Gơng từ dùng làm mạch từ, nối liền cực từ đồng thời dùng làm vỏ máy Trong máy điện nhỏ thường làm thép uốn hàn lại, máy điện lớn thươngdùng thép đúc Các phận khác gồm có nắp máy cấu chổi than Cơ cấu chổi than để đưa điện từ phần quay ngồi gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ có lị xo ép chổi than nên chổi than tì chặt lên cổ góp b) Phần ứng: Phần ứng máy điện chiều gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp trục máy Lõi thép phần ứng dùng để dẫn từ Nó hình trụ thường làm thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm, hai mặt có phủ sơn cách điện mỏng ghép lại Các thép dập lỗ để gắn rôtor với trục lỗ thông gió Mặt ngồi lõi thép dập rãnh để đặt dây quấn phần ứng Hình 1.1: Lõi thép Rơto cổ góp động điện chiều Dây quấn phần ứng phần sinh sức điện động có dịng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện, gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp với nhau, đặt rãnh phần ứng tạo thành nhiều vịng kín Cổ góp (vành góp hay cịn gọi vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều gồm nhiều phiến đồng hình nhạn ghép thành khối hình trụ, cách điện với cách điện với trục máy 1.2 Nguyên lí hoạt động động chiều kích từ độc lập Khi 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 momen tác dụng lên rotor, làm rotor quay Chiều lực tác dụng xác định theo qui tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay nửa vòng, vị trí dẫn đổi chỗ cho 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 khơng đổi, lực tác dụng lên rotor theo chiều định, đảm bảo động có chiều quay khơng đổi Phương trình đặc tính cơ: Là phương trình biểu thị mối quan hệ tốc độ (n) mơmen (M) động có dạng chung : ω= U u R u+ R f − ¿¿ KΦ (1.1) Thơng qua phương trình này, ta thấy phụ thuộc tốc độ động vào momen động thong số khác (mơmen, từ thơng…), từ đưa phương án để điều chỉnh tốc độ động với phương án tối ưu Với điều kiện Uư = const, It = const từ thộng động khơng đổi, quan hệ tuyến tính đường đặc tính động đường thẳng Thường dạng đặc tính đường thằng mà giao điểm với trục tung ứng với mômen ngắn mạch cịn giao điểm với trục hồnh ứng với tốc độ không tải động Người ta đưa them đại lượng β= ΔM để đánh giá độ cứng Đặc tính dốc Δω cứng ( β lớn) tức mômen biến đổi nhiều tốc độ biến đổi ngược lại Đặc tính dốc mềm tức mơmen biến đổi tốc độ biến đổi nhiều (3) 2 (2) 1 AM (1) M Hình 1.3 Để hiểu nguyên lý lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta xét đặc tính động điện Đó quan hệ tốc độ quay với momen (hoặc dịng điện) động - Đặc tính tự nhiên động cơ: Nếu động vận hành chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức không nối them điện kháng, đienj trở vào động cơ) Trên có điểm làm việc định mức có giá trị Mđm, ωđm - Đặc tính nhân tạo động đặc tính ta thay đổi tham số nguồn nối thêm điện trở, điện kháng - Để so sánh đặc tính với nhau, người ta đưa khái niệm độ cứng đặc tính β= - ΔM (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc) Δω Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Sơ đồ kích từ độc lập thể đây: + - U E Rf Ckt I Rkt Ikt + Ukt - Hình 1.4 Phương trình đặc tính Uư = Eư + (Rư + Rf) Iư (1.2) Trong đó: Uư: điện áp phần ứng (V) Eư: sức điện động phần ứng (V) Rư: điện trở mạch phần ứng (Ω ) Rf: điện trở phụ mạch phần ứng (Ω ) Iư: dòng điện mạch phần ứng (A) Suất điện động Eư tính Eư = P.N ϕ ω=kϕ ω πa (1.3) K: hệ số cấu tạo động ϕ : từ thơng kích từ cực ω : tốc độ góc Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép ta có Mtt = Mdc = M (1.4) Mtt = kϕ Iư ω= (1.5) U u Ru + R f − ¿¿ kϕ (1.6) Giả sử ϕ = const ta có đồ thị đặc tính có dạng hình 1.3 ®m ®m M nm Hình 1.5 Khi ω =0 ta có : I= Và U =I nm R u + Rf M = kϕ Inm = Mnm Inm Mnm dịng mơmen ngắn mạch → Ta có mơ hình động điện chiều: Hình 1.6 Mơ hình đối tượng Phương trình tốn học, phương trình trạng thái (1.7) (1.8) a) Mơ hình tốn học động chiều kích từ độc lập (Xét trường hợp từ thơng khơng đổi) - Phương trình điện áp mạch phần ứng: V a ( t )=e a ( t ) + Ra i a ( t )+ La - (2.2) Phương trình momen điện từ: M e ( t )=K m ⋅ϕ ⋅i a ( t ) - (2.3) Phương trình mơ tả quan hệ điện cơ: M e ( t )−M c ( t )= j - (2.1) Suất điện động cảm ứng rotor: e a (t)=K e ϕ ω ( t ) - d ia ( t ) dt dω ( t ) dt (2.4) Chuyển phương trình điện áp mạch phần ứng từ miền thời gian sang miền Laplace: V a ( s )=E a ( s ) + R a I a ( s ) + La s I a ( s) (2.5) - Chuyển phương trình suất điện động cảm ứng rotor từ miền thời gian sang miền Laplace: Ea (s)=K e ϕ ω ( s ) (2.6) - Thay (2.6) vào (2.5) phương trình ta rút phương trình dịng điện: I a ( s )= - V a ( s ) −K e ϕ ω ( s ) (2.7) La s+ R a Tương tự, từ (2.3) (2.4) ta rút phương trình tốc độ quay: ω ( s) = K m ⋅ ϕ ⋅ I a ( s ) −M c ( s ) j⋅ s b) Mơ hình trạng thái động chiều kích từ độc lập V a ( t )=K e ϕ ω ( t ) + R a i a (t ) + La K m ϕ i a ( t ) −M c ( t )= j - dω ( t ) dt Sắp xếp phương trình biến trạng thái ia ( t ) ω ( t ): { d i a (t ) R a K ϕ = i a ( t )− e ω ( t ) + V a ( t ) dt La La La dω ( t ) K m ϕ = ia ( t ) + M c ( t ) dt j j [ ][ −R a d i a (t ) dt = La Km ϕ dω ( t ) dt j - d ia ( t ) dt −K e ϕ La ] [ ][ −1 La [ ] ia ( t ) + ω(t) Chọn vecto trạng thái vecto đầu vào: X =[ i a ( t ) ω ( t ) ] T U =[ V a ( t ) M c ( t ) ] X˙ =AX + BU T −1 j V a (t ) M c (t) ] −3 mM = z p|Ψ s × i s|sign(sin φ s )= z |Ψ ×i | sign( sin φr ) 2 p r r (2.4) −3 mM = z p I m { Ψ s∗i s }= z p I m {Ψ s∗i s } 2 - (2.5) Phương trình chuyển động: mM =m W + J dω z p dt (2.6) Mơ hình liên tục động khơng đồng hệ tọa độ αβ Dòng điện từ thông quy đổi từ hệ quy chiếu rotor sang hệ quy chiếu stator theo phương trình sau: (2.7) i rr=i rs e− jθψ rr =ψ sr e− jθ Thay vào (2.2) ta thu phương trình: 0=Rr i sr + (2.8) s d ψr − jωψ rs dt Kết hợp với hai phương trình (2.1) (2.3) ta hệ phương trình sau: { (2.9) s d ψr ¿ U =R i + dt s s d ψr s ¿ 0=R r i r + − jω ψ r dt s s s ¿ ψ s=L s i s + Lm i r r s s s s s s s ¿ ψ r=Lm i s + Lr i r Trước hết ta khử số đại lượng khơng quan trọng hệ Đó là: dịng (không đo được) mạch điện rotor i sr từ thơng stator ψ ss Từ hai phương trình từ thơng ta có : s i r= Lm s s s s s s (ψ r −Lm i s ); ψ s=Ls i s + (ψ r −Lm i s) Lr Lr (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) (2.6) 18