Đang tải... (xem toàn văn)
Bài tiểu luận “Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc” em đã nghiên cứu trong thời gian vừa qua là thành quả của quá trình học hỏi và tiếp thu kiến thức từ thầy giáo Tiến sĩ Nguyễn Quốc Như hướng dẫn và đọc các tài liệu tham khảo. Vì vậy em xin cam đoan tất cả nội dung báo cáo là sản phẩm cá nhân và không có bất kỳ gian dối hay sao chép nào.
LỜI CAM ĐOAN Bài tiểu luận “Nghiên cứu mơ hình hóa mơ động khơng đồng ba pha rơ to lồng sóc” em nghiên cứu thời gian vừa qua thành trình học hỏi tiếp thu kiến thức từ thầy giáo Tiến sĩ Nguyễn Quốc Như hướng dẫn đọc tài liệu tham khảo Vì em xin cam đoan tất nội dung báo cáo sản phẩm cá nhân khơng có gian dối hay chép Các tài liệu tham khảo trích dẫn ghi rõ Các nội dung bao gồm: Mơ hình hóa động khơng đồng ba pha Bài tốn mơ hình hóa động khơng đồng ba pha Trong q trình thực cịn găp nhiều khó khan dù thân cố gắng khả có hạn, kinh nghiệm chưa nhiều nên khơng thể tránh sai sót q trình làm mong đóng góp ý kiến bổ sung thầy cô giáo bạn để tiểu luận hoàn thành tốt Em xin chân thành cảm ơn! Vinh, Ngày 26 tháng năm 2022 Học viên Nguyễn Văn Phú MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1 Giới thiệu chung động điện không đồng 1.2 Cấu tạo động không đồng .1 1.2.1 Phần tĩnh hay Stator 1.2.2 Phần quay hay rotor 1.3 Đặc tính động khơng đồng 1.3.1 Xây dựng đặc tính động khơng đồng 1.3.2 Ảnh hưởng thơng số đến đặc tính CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1 Mơ hình hóa động khơng đồng ba pha .9 2.1.1 Biến đổi ba pha hai trục tọa độ điện áp dịng điện 2.1.2 Mơ men điện từ động không đồng ba pha 10 2.1.3 Tốc độ động .10 2.1.4 Tính tốn dịng điện stato 11 2.1.5 Nguồn cấp ba pha cho động 11 2.2 Bài tốn mơ hình hóa động khơng đồng ba pha 12 KẾT LUẬN 16 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1 Giới thiệu chung động điện không đồng Động điện không đồng sử dụng rộng rãi thực tế sản xuất Ưu điểm loại động là: Cấu tạo đơn giản (đặc biệt động khơng đồng rotor lồng sóc); so với động chiều, động điện khơng đồng có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắn Ngoài động khơng đồng dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm thiết bị biến đổi kèm theo Nhược điểm động không đồng điều chỉnh tốc độ khống chế trình độ khó khăn; riêng với động điện khơng đồng rotor lồng sóc có tiêu khởi động xấu so với động chiều động không đồng rotor dây quấn Tuy nhiên, ngày dưới sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất lớn, kỹ thuật vi xử lý, vi điều khiển… nên việc điều khiển tốc độ động không đồng bộ ngày càng hiệu quả Vì vậy, các hệ truyền động dùng động không ngày càng chiếm ưu thế 1.2 Cấu tạo động không đồng Động không đồng chia thành hai loại: rotor dây quấn rotor lồng sóc Động khơng đồng gồm phận sau: 1.2.1 Phần tĩnh hay Stator 1.2.1.1 Vỏ máy Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt dây quấn, vỏ máy mạch dẫn từ, thường làm gang Với vỏ máy có cơng suất lớn (từ 1000 kW trở lên) thường dùng thép hàn lại Trang - 1.2.1.2 Lõi sắt Lõi sắt phần dẫn từ Vì từ trường qua lõi sắt từ trường quay, nên có tổn hao, để giảm tổn hao người ta dùng thép kỹ thuật điện dày (0,35 ÷ 0,5 mm) ghép lại với Mỗi thép kỹ thuật điện có sơn cách điện để giảm tổn hao dịng điện xoáy gây 1.2.1.3 Dây quấn stator Dây quấn stator đặt vào rãnh lõi sắt được cách điện với lõi sắt, dây quấn stator thường làm đồng 1.2.2 Phần quay hay rotor 1.2.2.1 Lõi sắt Nói chung người ta dùng thép kỹ thuật điện stator Lõi sắt ép trực tiếp lên trục máy lên giá rotor máy Phía ngồi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn 1.2.2.2 Rotor dây quấn rotor Rotor có hai loại chính: rotor kiểu dây quấn rotor kiểu lồng sóc * Rotor kiểu dây quấn: Rotor có dây quấn giống dây quấn stator Trong máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp bớt dây đầu nối, kết cấu dây quấn rotor chặt chẽ Trong máy điện cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm lớp Dây quấn ba pha rotor thường đấu hình sao, cịn ba đầu nối vào ba vành trượt thường làm đồng đặt cố định đầu trục thơng qua chổi than đấu với mạch điện bên Đặc điểm loại động điện rotor dây quấn thơng qua chổi than đưa điện trở phụ hay sức điện động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính mở máy, điều chỉnh tốc độ cải thiện hệ số cơng suất máy Khi làm việc bình thường dây quấn rotor nối ngắn mạch Trang - * Rotor kiểu lồng sóc: Kết cấu dây quấn rotor lồng sóc khác với dây quấn stator Trong rãnh lõi sắt rotor đặt vào dẫn đồng hay nhôm dài khỏi lõi sắt nối tắt lại hai đầu hai vành ngắn mạch đồng hay nhôm làm thành lồng mà người ta quen gọi lồng sóc Dây quấn lồng sóc khơng cần cách điện với lõi sắt Để cải thiện tính mở máy, máy cơng suất tương đối lớn, rãnh rotor làm thành dạng rãnh sâu làm thành hai rãnh lồng sóc hay cịn gọi lồng sóc kép Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh rotor thường làm chéo góc so với tâm trục 1.3 Đặc tính động khơng đồng 1.3.1 Xây dựng đặc tính động không đồng Để xây dựng phương trình đặc tính động điện khơng đồng ta sử dụng sơ đồ thay hình T hình Ґ Khi nghiên cứu ta đưa số giả thiết - Ba pha động đối xứng, khe hở khơng khí đồng đều; - Các thông số động không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở rotor không phụ thuộc vào tần số dòng điện; mạch từ máy điện chưa bão hịa nên điện kháng khơng đổi; - Tổng dẫn mạch từ hóa khơng đổi, dịng điện từ hóa không phụ thuộc vào tải mà phụ thuộc vào điện áp đặt vào stator động cơ; - Bỏ qua tổn hao ma sát; - Điện áp lưới đối xứng hình sin Từ giả thiết ta có sơ đồ thay động điện khơng đồng hình Ґ Trang - Hình 1.1 Sơ đờ thay máy điện khơng đờng bợ hình Ґ Trong đó: U - trị số hiệu dụng điện áp pha stator; ¿ ¿ ¿ I 00 , I , I 2// - dịng điện từ hóa, dịng điện stator, dịng điện rotor quy đổi phía stator; ¿ r μ ,r ,r - điện trở tác dụng mạch từ hóa, cuộn dây stator dây quấn rotor quy đổi phía stator; ¿ x μ ,x , x - điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tản stator điện kháng tản rotor quy đổi stator; ¿ C 1=1+ s- s= n1 −n n1 = Z1 Zμ hệ số trượt máy điện đồng bộ; ω 1−ω (1.1) ω1 ω - tốc độ quay từ trường quay, gọi tốc độ đồng Trang - ω 1= πf (1.2) p f1- tần số của nguồn điện; p- số đôi cực từ của máy Từ sơ đồ thay hình Ґ ta dễ dàng tính quan hệ mơmen điện từ máy so với hệ số trượt theo biểu thức (1.3): ¿ m1 p U 21 M đt = [( ) ¿ 2 πf r +C r2 s r2 s ¿ + ( x +C x ) ] (1.3) Đây phương trình đặc tính động điện không đồng Nếu ta biểu diễn đặc tính (1.3) đồ thị đường cong hình 1.2 Có thể dM =0 xác định điểm cực trị đường cong cách giả phương trình ds , ta có trị số mômen hệ số trượt điểm cực trị ký hiệu M th , s th cụ thể là: ¿ sth =± C1 r √ r +( x +C 1 (1.4) ¿ x2 ) m1 pU 12 M th =± C πf ±r + r + x +C x ¿ 1 ( 1 2) [ √ (1.5) ] Trang - Trong hai biểu thức (1.4) (1.5) dấu “+” ứng với chế độ động cơ; dấu “-” ứng với chế độ máy phát Do M th chế độ máy phát lớn M th chế độ động Thông thường r không vượt quá % ( x 1+C x ¿2) 2 nên có thể bỏ qua, vậy ta có: (1.6) m pU 1 M th =± C πf [ ±r + ( x1 +C1 x ¿2 ) ] Trang - Hình 1.2 Đặc tính của máy điện khơng đờng bợ Ngồi nghiên cứu hệ truyền động không đồng người ta quan tâm nhiều tới trạng thái động nên đường đặc tính lúc thường biểu diễn khoảng tốc độ 0< s< s th , gọi đoạn đặc tính việc Phương trình đặc tính động điện khơng đồng biểu diễn thuận tiện cách lập tỷ số (1.3) (1.5) biến đổi ta có biểu thức (1.7) M= M th ( 1+ a s th ) (1.7) sth s + +2 a s th s th s Trong đó: a= r1 C1 r ¿2 ¿ Trong động điện không đồng bộ thường r ≈r và sth =0,1÷0,2 nên as th rất nhỏ so với các số hạng đứng trước nó, ta có thể viết công thức (1.7) sau: M= M th s th s + s sth (Cơng thức Klox) Trong đó: (1.8) r '2 sth = xnm (1.9) m1 pU 21 M th = πf x nm (1.10) Mômen trục động không đồng bộ M2 thường nhỏ mômen điện từ một ít và bằng: Trang - M =M đt −M (1.11) Trong đó: M0- mômen không tải Do M0 rất nhỏ so với mômen đầu trục M2 nên đặc tính của động không đồng bộ M =f (n ) ó thể coi bằng M đt =f (n ) , đó đường đặc tính của động không đồng bộ có dạng đường đặc tính M =f ( s ) vẽ ở hình 1.2 1.3.2 Ảnh hưởng thông số đến đặc tính Từ phương trình đặc tính động không đồng (1.3), ta thấy thông số ảnh hưởng tới đặc tính bao gồm: - Ảnh hưởng của điện áp stator; - Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng stator; - Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch rotor (đối với động không đồng rotor dây quấn); - Ảnh hưởng của tần số nguồn cấp cho động f1 Ngoài việc thay đổi số đôi cực làm thay đổi tốc độ đồng làm thay đổi đặc tính (trường hợp xảy động có nhiều cấp tốc độ) Trang - CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA VỀ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1 Mơ hình hóa động khơng đồng ba pha 114Equation Chapter Section 1Động điện không đồng ba pha sử dụng rộng rãi cơng nghiệp Việc mơ hình hóa động khơng đồng ba pha vấn đề cần thiết nghiên cứu hệ truyền động loại động Phần mơ tả mơ hình tổng quát động không đồng ba pha sở sử dụng phần mềm Matlab/Simulink Chi tiết xây dựng mơ hình phụ khác cho động không đồng Một động có cơng suất 2,2KW đưa để mơ kiểm chứng mơ hình xây dựng Trang - Mơ hình động lực học tổng qt động không đồng ba pha gồm phương trình tính tốn sau ([1], [2], [3], [4]): Phương trình biến đổi ba pha hai trục tọa độ điện áp dòng điện; Phương trình tính mơmen điện từ; Phương trình tính tốc độ rơ to động cơ; Phương trình tính dịng điện stato 2.1.1 Biến đổi ba pha hai trục tọa độ điện áp dòng điện Xem nguồn cấp ba pha đối xứng Quá trình chuyển đổi điện áp nguồn cấp ba pha sang điện áp hệ tọa độ gắn với stato- hệ tọa độ tĩnh (αβ) thực phương trình ma trận (4.1) (gọi biến đổi Clark thuận): 242\* MER GEF ORM AT (.) Ở vsa, vsb, vsc điện áp pha stato, vsα vsβ thành phần véc tơ điện áp stato vs hệ trục tọa độ tĩnh αβ Ở hệ quy chiếu hai trục αβ phương trình dịng điện có dạng sau [2]: 343\* MER GEF ORM AT (.) Trang - 10 Trong Rs, điện trở stato rô to quy đổi stato Ls, Lr Lm điện cảm stato, rô to hỗ cảm, P số cực ωr tốc độ rô to Trong mô hình điện, điện áp ba pha [vsa, vsb, vsc] đầu vào dòng điện [isα, isβ, irα, irβ] đầu điện áp rô to thông thường không rơ to có dạng lồng sóc, có nghĩa vrα= vrβ=0 2.1.2 Mô men điện từ động khơng đồng ba pha Mơmen điện từ tính tốn sử dụng véc tơ từ thơng rơ to véc tơ dịng điện stato [2], [3] Mơmen điện từ tính sau: 444\* MER GEF ORM AT (.) 2.1.3 Tốc độ động Phương trình cân mơmen: 545\* MER GEF ORM AT (.) Ở J mơmen qn tính rơ to; TL mơmen tải Từ phương trình cân mơmen (4.4), tốc độ rơ to tính sau: Trang - 11 646\* MER GEF ORM AT (.) 2.1.4 Tính tốn dịng điện stato Mơ hình dịng điện stato sử dụng để tính biên độ dịng điện stato theo phương trình sau: 747\* MER GEF ORM AT (.) 2.1.5 Nguồn cấp ba pha cho động Nguồn cấp cho động nguồn ba pha hình sin sau: 848\* MER GEF ORM AT (.) Trong Vm biên độ điện áp nguồn cấp, ω tần số nguồn cấp θ góc pha ban đầu Trang - 12 2.2 Bài tốn mơ hình hóa động không đồng ba pha Sử dụng MATLAB/Simulink để mơ hình hóa động khơng đồng ba pha Thông số động không đồng ba pha rơto lồng sóc 2,2 kW- Siemens (1LA 70962AA60- Z) [4], : Công suất định mức: (KW); Điện áp định mức: (V); Tốc độ định mức: (vòng/phút); Số đôi cực: ; Tần số định mức: (Hz); Điện trở stato: ; Điện trở rô to quy đổi stato: Tự cảm stato: (H); Tự cảm rô to: Hỗ cảm: (H); (H); Trang - 13 ; Mơ men qn tính rô to: Bỏ qua hệ số ma sát nhớt: (kg.m2); (N.m.s) Chương trình MATLAB để nhập thơng số động cho mơ Simulink có dạng sau: clc; % Xoa thong tin Command Window clear; % Xoa thong tin Workspace Pn = 2200; % Cong suat dong co Vmax = 231*sqrt(2); % Bien dien ap nguon Vn = 400; % Dien ap dinh muc (V) nn = 2880; % Toc dinh muc p = 1; % So doi cuc fn = 50; % Tan so dinh muc Rs = 1.99; % Dien tro stato (Ohm) Rr = 1.84; % Dien tro rotor da quy doi (Ohm) Lls = 0.0111; % Tu cam stato (H) Llr = 0.0115; % Tu cam cam rotor (H) Lm = 0.369; % Ho cam (H) Ls = Lm+Lls; % Dien cam stato Lr = Lm+Llr; % Dien cam rotor J = 0.002159; % Momen quan tinh rotor(kg.m^2) B = 0; % He so ma sat nhot (N.m.s) TL = 5.5; % Momen tai (N.m) Ts = 0.0001; % Thoi gian lay mau (S) Hình 2.1 mơ hình điện áp ba pha cấp cho động không đồng Simulink Hình 2.2 mơ hình chuyển điện áp ba pha thành điện áp hai trục alpha beta Simulink Hình 4.3 mơ hình mơ men điện từ dịng điện stato Simulink Hình 2.4 mơ hình xác định tốc độ Simulink Trang - 14 Hình 2.1 Mơ hình điện áp ba pha cấp cho động khơng đồng Simulink Hình 2.2 Mơ hình chuyển điện áp ba pha thành điện áp hai trục αβ Simulink Hình 2.3 Mơ hình mơ men điện từ dòng điện stato Simulink Trang - 15 Hình 2.4 Mơ hình xác định tốc độ Simulink Hình 2.5 Sơ đồ mơ động khơng đồng ba pha Simulink Hình 2.5 sơ đồ mô động không đồng ba pha Simulink toán Với tải TL=5,5 (N.m) Sau kết thúc mơ ta có được: Tốc độ xác lập động 307,2 (rad/giây); Biên độ dòng điện stato xác lập 4,678 (A); Mô men điện từ xác lập 5,5 (N.m); Công suất đầu động 1690 (W); Các kết mô bao gồm biên độ điện áp nguồn, biên độ dòng điện dòng điện stato, mô men điện từ tốc độ rô to từ Hình 2.6 đến Hình 2.9 Trang - 16 50 330 45 I(A), Bien dong dien 329 Vs(V) 328 327 326 325 35 30 25 20 15 10 324 323 40 0.5 1.5 2.5 0.5 (Giay) 2.5 Hình 2.7 Biên độ dịng điện stato 30 350 25 300 20 250 omega(rad/giay) Te(Nm) Hình 2.6 Biên độ điện áp nguồn 15 10 200 150 100 50 -5 1.5 (Giay) 0.5 1.5 (Giay) 2.5 0 Hình 2.8 Mơ men điện từ 0.5 1.5 (Giay) 2.5 Hình 2.9 Tốc độ rơ to KẾT LUẬN Việc xây dựng mơ hình tốn động thực với mục đích: sử dụng để mô kiểm chứng cho hệ truyền động động không đồng ba pha Việc mô hình hóa mơ động khơng đồng ba pha cho kết điện áp, dịng điện, tốc độ mơmen điện từ thực động Các giá trị giá trị tham chiếu mơ hình mơ thuật tốn điều khiển động khơng đồng ba pha Ngồi việc mơ hình hóa giúp người nghiên cứu dễ dàng việc đánh Trang - 17 giá chất lượng hệ truyền động động không đồng tham số điện trở rôto, điện trở stato, hỗ cảm, … động thay đổi Do thời gian nghiên cứu ngắn hướng dẫn tận tình thầy giáo em hồn thành tiểu luận theo thời gian quy định Một lần em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Tiến sĩ Nguyễn Quốc Như, Trưởng Bộ môn Kỹ Thuật Điện Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Vinh giúp đỡ cung cấp cho em nhiều kiến thức quý báu Em xin cảm ơn quý thầy cô! Trang - 18