Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều và mô phỏng

Lời nói đầu Đối với kỹ sư điều khiển - tự động hóa nói riêng người nghiên cứu khoa học - kỹ thuật nói chung, mơ công cụ quan trọng cho phép khảo sát đối tượng hệ thống hay trình kỹ thuật - vật lý, mà khơng thiết phải có đối tượng hay hệ thống thực Được trang bị công cụ mô mạnh có hiểu biết phương pháp mơ hình hóa, người kỹ sư có khả rút ngắn thời gian giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sản phẩm cách đáng kể Điều đặc biệt có ý nghĩa sản phẩm hệ thống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế lớn Động điện chiều ngày sử dụng rộng rãi sản xuất cơng nghiệp tính mà mang lại như: không cần nguồn xoay chiều, thực việc thay đổi tốc độ động cách dễ dàng, …Chính lí mà em giao đề tài động chiều đối tượng để mơ làm Em xin cảm ơn thầy Phạm Tâm thành hướng dẫn em hoàn thành đồ án Chương 1- Khái quát động chiều 1.1 – Khái niệm Động điện chiều máy điện quay dùng để biến đổi lượng điện chiều thành Động điện chiều bao gồm: Động điện chiều kích từ độc lập, song song, nối tiếp, hỗn hợp 1.2 - Cấu tạo, phân loại động điện chiều a Cấu tạo động điện chiều Máy điện chiều máy phát động điện có cấu tạo giống Những phần máy điện chiều gồm phần cảm (phần tĩnh) phần ứng (phần quay) Ngồi cịn có phận chổi than, cổ góp - Phần cảm (stator) Phần cảm gọi stator, gồm lõi thép làm thép đúc, vừa mạch từ, vừa vỏ máy, mặt có gắn cực từ cực từ phụ (hình 1.1) Dây quấn cực từ đặt cực từ nối nối tiếp Dây quấn cực từ phụ đặt cực từ phụ, tạo từ trường phụ Nắp máy stator Cực từ Nắp máy Cực từ phụ rotor Hình 1.1 Hình dạng mặt cắt ngang máy điện chiều + Mạch từ dây quấn kích từ lồng ngồi mạch từ (nếu động kích từ nam châm điện), mạch từ làm sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấn kích từ làm dây điện từ (dây đồng), cuộn dây điện từ mắc nối tiếp với + Cực từ chính: Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng 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 bọc cách điện 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 + Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ 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 + 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, máy điện lớn thường dùng thép đúc Có động điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy - Phần ứng (rotor) Phần ứng máy điện chiều gọi rotor, gồm lõi thép, dây quấn phần ứng + Lõi thép phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng thép kỹ thuật điện (hình 1.2) dày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dịng điện xốy gây nên Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây quấn vào Trong động trung bình trở lên người ta cịn dập lỗ thơng gió để ép lại thành lõi sắt tạo lỗ thơng gió dọc trục Trong động điện lớn lõi sắt thường chia thành đoạn nhỏ, đoạn có để khe hở gọi khe hở thơng gió Khi máy làm việc gió thổi qua khe hở làm nguội dây quấn lõi sắt Hình 1.2 Lá thép rotor + Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt rãnh phần ứng tạo thành nhiều vịng kín Phần tử dây quấn bối dây gồm nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp vành góp (hình 1.3a) hai cạnh tác dụng phần tử đặt hai rãnh hai cực từ khác tên (hình 1.3b) 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện chiều a) phần tử dây quấn b) bố trí phần tử dây quấn - Cổ góp chổi than Cổ góp chổi than phận để biến đổi dịng điện rotor Đây coi chỉnh lưu hay nghịch lưu khí Cổ góp gồm phiến góp đồng ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn đầu trục (1) Chổi than làm than graphit (2) Các chổi than tì chặt lên cổ góp nhờ lị xo giá chổi điện gắn nắp máy (1) (2) Hình 1.4 Cấu tạo cổ góp máy điện chiều b Phân loại, ưu nhược điểm động chiều - Dựa theo cuộn kích từ, động điện chiều có loại sau: + Động điện chiều kích từ độc lập: Phần ứng phần kích từ cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ + Động điện chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ mắc song song với phần ứng + Động điện chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tếp với phần ứng + Động điện chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có cuộn dây kích từ, cuộn mắc song song với phần ứng cuộn mắc nối tiếp với phần ứng - Ưu nhược điểm động điện chiều: Do tính ưu việt hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải , máy phát động điện xoay chiều có cấu tạo đơn giản cơng suất lớn, dễ vận hành mà 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 sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp Nhưng ưu điểm mà máy điện chiều 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 đạt chất lượng cao + Nhược điểm chủ yếu động điện chiều có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành tin cậy không an tồn mơi trường rung chấn, dễ cháy nổ 1.3 - Nguyên lý làm việc động điện chiều Trên hình 1.5 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 rotor, làm quay rotor Chiều lực tác dụng xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1.5a) Hình 1.5 Mơ tả ngun lý làm việc động điện chiều Khi phần ứng quay nửa vịng, vị trí dẫn ab, cd đổi chỗ (hình 1.5b), 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 rotor theo chiều định, đảm bảo động có chiều quay không đổi - Các trị số định mức động điện chiều Chế độ làm việc định mức máy điện nói chung động điện chiều nói riêng chế độ làm việc điều kiện mà nhà chế tạo quy định Chế độ đặc trưng đại lượng ghi nhãn máy gọi đại lượng định mức Công suất định mức Pđm (kW hay W) Điện áp định mức Uđm (V) Dòng điện định mức Iđm (A) Tốc độ định mức nđm (vịng/ph) Ngồi cịn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dịng điện kích từ,… 1.3.1 - Đặc tính động chiều kích từ độc lập Khi nguồn chiều có cơng suất ko đủ lớn mạch điện phần ứng mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập Lúc động gọi động chiều kích từ độc lập Hình 1.6 Sơ đồ nối dây động điện chiều kích từ độc lập Ta có phương trình cân điện áp mạch phần ứng sau: Uư = Eư + (Rư + Rf)Iư (1.1) Trong đó: Uư: Điện áp phần ứng (V) Eư: Sức điện động phần ứng (V) Rư: Điện trở mạch phần ứng (  ) Iư: Dòng điện mạch phần ứng (A) Với: Rư = rư + rcf + rcb + rct rư: Điện trở cuộn dây phần ứng rcf: Điện trở cuộn dây cực từ phụ rct: Điện trở chổi than rcb: Điện trở cuộn bù Sức điện động phần ứng xác định theo biểu thức sau: Eư = pN  = k  2 a Trong đó: p: Số đơi cực từ N: Tổng số dẫn cuộn dây phần ứng a: Số mạch nhánh song song (1.2)  : Từ thơng kích từ cực  : Tốc độ góc (rad/s) k: Hệ số cấu tạo động Từ (1.1) (1.2) ta có:  U Ru  R f I K K (1.3) Biểu thức phương trình đặc tính điện động Mặt khác, mơmen điện từ Mđt xác định (1.4) Mđt = K  Iư Ta rút M dt I = k Thay giá trị I vào phương trình (1.3) ta có:  Ru  R f U M dt k ( K ) (1.5) Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép mơmen trục động mơmen điện từ, ta kí hiệu M Nghĩa là: Mdt = Mcơ = M  Ru  R f U M k ( K ) (1.6) Đây phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Giả thiết phần ứng bù đủ, từ thơng  const, phương trình đặc tính điện (1.3) phương trình đặc tính (1.6) tuyến tính Đồ thị chúng biểu diễn hình 1.7 đường thẳng U - Iư = M = ta có:   k1 0 , 0 gọi tốc độ không tải lý tưởng động điện chiều kích từ độc lập - Khi  0 ta có I U1  Ru  R f Inm M k Inm = Mnm Inm Mnm dịng điện mơmen ngắn mạch Từ phương trình mối quan hệ   f (M)   f ( I ) biểu diễn hình sau: n n n0 n0 Mnm M Inm I Hình 1.7 Đặc tính đặc tính điện động điện chiều Chương – Xây dựng mơ hình động điện chiều 2.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động điện chiều Động điện chiều động sử dụng điện áp chiều Động gồm hai phần riêng biệt rotor stator Rotor phần ứng động cấp nguồn thông qua chổi than cổ góp, stato phần tĩnh có gắn cuộn dây kích từ Sơ đồ tương đương động chiều mơ tả sau: Hình 2.1 Giản đồ thay động chiều + CKD: Cuộn kích từ độc lập động + CKN: Cuộn kích từ nối tiếp động + CB: Là cuộn bù + CF: Là cuộn phụ 2.1.1 Các phương pháp điều khiển tốc độ động điện chiều a) Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động Khi thay đổi điện áp phần ứng đặc tính động đường song song với Tốc độ động thay đổi nhiên giá trị tốc độ điều khiển đường đặc tính tự nhiên Phương pháp sử dụng nhiều thực tế có khả điều khiển trơn, mịn dễ dàng thực nhờ biến đổi công suất 10 Hình 2.5 Tuyến tính hóa đoạn đặc tính từ hóa đặc tính tải Độ dốc đặc tính từ hóa đặc tính mơmen tải tương ứng (bỏ qua tượng từ trễ):  kk = I k B= M c  Tại điểm làm việc xác lập ta có: điện áp phần ứng Uu0, dịng điện phần ứng Iu0, điện áp kích từ Uk0, dịng điện kích từ Ik0, từ thơng 0 , tốc độ quay 0 , mômen cản Mc Những giá trị sai lệch (biến thiên nhỏ) đại lượng tương ứng là: U u , I u , U k , I k ,  ,  ,  Mc Ta có phương trình động xem xét mục (2.2.1) Phương trình phần ứng: dI u    Uu = Iu.Ru + Lu dt k Phương trình kích từ: Uk = Ik.Rk + Nk d dt Phương trình chuyển động: k  Iu – Mc = J Khi ta thay giá trị: Uu = Uu0 +  Uu Iu = Iu0 +  Iu 17 d dt Uk = Uk0 +  Uk Ik = Ik0 +  Ik  0    0   Ta được: Pt phần ứng: Uu +  Uu = Ru.(Iu0 +  Iu) + Lu d ( I uo  I u ) + k.( 0   ).( 0   ) dt Pt kích từ: Uk0 +  Uk = Rk.(Ik0 +  Ik) + Nk d (  ) dt Pt chuyển động: k( 0   )(Iu0 +  Iu) – Mc0 +  Mc = J d (0   ) dt Rút gọn giá trị điểm làm việc cân bỏ qua sai phân bậc cao   = ta thu phương trình động điểm làm việc cân sau tuyến tính hóa: Phương trình phần ứng:  Uu =  Iu.Ru + Lu d I u + k 0  + k 0  dt (2.4) Phương trình kích từ:  Uk =  Ik.Rk + Nk d  dt R d  k = k  + Nk , (kk = I ) dt k k  (2.5) Phương trình chuyển động: k 0 I u + k.Iu0  -  Mc = J d  dt (2.6) Để xây dựng mô hình động ta xuất phát tính từ thơng dịng phần ứng Chuyển phương trình động sang miền Laplace: Từ (2.4) ta có:  Uu = Ru  Iu + L.s  Iu + k 0  + k 0  18  Iu = Ru (  U - k   - k   ) 0 u  Tu s Từ (2.6) ta có:  Uk =  = Rk  + Nk.s  kk kk  Uk Rk  N k kk s Từ phương trình ta suy sơ đồ cấu trúc chung tuyến tính hóa động chiều kích từ độc lập k 0  Me  Iu  Uu  k 0 k 0 kI0  Mc   Uk Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa 2.2.3 Mơ hình động chiều kích từ độc lập với từ thông không đổi (   const) Đối với động chiều kích thích vĩnh cửu hay động chiều kích từ độc lập mà khơng điều khiển từ thơng coi từ thơng động số Khi phương trình mạch kích từ giá trị khơng đổi ta khơng 19 cần xem xét đến nó, phương trình cịn lại hệ liên quan đến giá trị phần ứng động Từ ta bỏ số u k Và mặc định tất giá trị mạch phần ứng động - Phương trình mạch phần ứng: U = I.Ru + Lu dI +E dt Trong đó: E = k   = Cu  - Phương trình mơmen: Me – Mc = J d dt Trong đó: Me = k  I = Cu.I Từ phương trình ta xác định mơ hình động chiều kích từ độc lập với   const I= Ru (U – E)  Tu s  (Me – Mc) J s  Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc từ thơng khơng đổi 2.2.4 Động kích từ độc lập với điện áp phần ứng không đổi 20