mô phỏng động cơ điện một chiều dùng matlab

Mục lục LỜI NÓI ĐẦU Đối với kỹ sư điều khiển – tự động hóa nói riêng và những người nghiên cứu khoa học – kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo sáy các đối tượng, hệ thống hay quá trình – vật lý, mà không nhất thiết phải có đối tượng hay hệ thống thực, Được trang bị công cụ mô phỏng mạnh và có hiểu biết về các phương pháp mô hình hóa, người kỹ sư sẽ có khả năng rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sản phẩm một cách đáng kể. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế lớn. Động cơ điện một chiều ngày nay vẫn được sử dụng khá rộng rãi bởi những tính năng ưu việt mà nó mang lại như: không cần nguồn xoay chiều, thực hiện việc thay đổi động cơ một cách dễ dàng v.v… Chính vì lý do đó mà em chọn động cơ một chiều để mô phỏng trong đồ án môm học của mình. 1 Chương 1- Khái quát về động cơ một chiều 1.1 - Cấu tạo chung của động cơ một chiều: Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạo giống nhau. Ở máy điện một chiều từ trường là từ trường không đổi .Để tạo từ trường người ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện được cung cấp bởi nguồn một chiều .Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phần tĩnh) và phần ứng (phần quay) Khác với máy điện đồng bộ ở máy điện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh còn phần ứng là ở rotor. Công suất lớn nhất của máy điện một chiều vào khoảng từ 5 đến 10 MW.Hiện tượng tia lửa điện ở phiến góp đã hạn chế công suất của máy điện một chiều .Cấp điện áp của máy điện một chiều thường là 120V, 400V, 500V và lớn nhất là 1000V.Không thể tăng điện áp lên nữa vì điện áp phiến góp là 25V. 1.1.1- Phần cảm (stator) 2 Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng điện chạy trong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau. Hình 1.1 Cực từ chính Cực từ chính:gồm lõi cực được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghét lại với nhau ,mặt cực có nhiệu vụ giúp cho từ thông dê đi qua khe khí ,cuộn dây kích từ đặt trên lõi cực cách điện với thân bằng một cuộn dây cách điện .Cuộn dây kích kích từ làm bằng dây đồng có tiết diện tròn ,cuộn dây được tẩm sởn cách điện nhằm chống thấm nước và tăng độ dẫn nhiệt.Để tản nhiệt tốt thì cuộc dây được tách thành những lớp ,đặt cách nhau một rãnh làm mát. Cực từ phụ :nằm giữa các cực từ chính ,thông thường số cực từ phụ bằng một phần hai số cực từ chính .Lõi thép cực từ phụ thường làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau .Khe hở không khí ở cực từ phụ lớn hơn khe hở không khí ở cực từ chính . Gông từ:dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ ,đồng thời làm vỏ máy .Trong máy điện nhỏ và vừa thường làm bằng thép tấm dày và uốn lại ,trong máy điện lớn thường làm bằng thép đúc.Có khi trong máy điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. Ngoài ra còn có các bộ phận khác như : +)Thân máy làm bằng gang hoặc thép,cực từ chính ,cực từ phụ được gắn vào thân máy .Tùy thuộc vào máy mà thân máy có chứa ổ bi hay không.Máy có công suất lớn thì hộp ổ bi làm rời khỏi thân máy .Thân máy được gắn liền với chân máy ,trên thân máy có gắn bảng ghi định mức. 3 +)chổi than để đưa dòng điện ra ngoài dùng chổi than .Chổi than được làm bằng than garnit vừa có khả năng dẫn điện tốt vừa có khả năng chống mài mòn ,bộ giữ chổi than được làm bằng kim loại gắn vào stato có lò so tạo áp lực chổi và các thiêt bị phụ khác. 1.1.2- Phần ứng (rotor) Rotor máy điện một chiều là phần ứng .Ngày nay người ta dùng chủ yếu là rotor hình trống có răng được ghép lại bằng các lá thép kỹ thuật ,ở những máy công suất lớn người ta còn làm các rãnh làm mát theo bán kính(các lá thép được ghép với nhau từng tệp ,các tệp cách nhau một rãnh làm mát .Phần ứng gồm lõi thép, dây quấn phần,cổ góp và trục máy . Hình 1.2 Lá thép rôto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều a) Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn Lõi thép phần ứng Lõi thép phần ứng dùng để dẫn từ .Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng (hình 1.2). Dây quấn phần ứng Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Phần tử của dây quấn là một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của vành góp (hình 1.3a). 4 hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên (hình 1.3b). Cổ góp (vành góp) Cuộn dây rotor là cuộn dây khép kín mỗi cạnh của nó được nối với phiến góp.Hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục máy.Phiến góp đượn làm bằng đồng vừa có độ dẫn điện vừa chống mài mòn. Các bộ phận khác như cánh quạt dùng để quạt gió làm mát máy.Trục máy trên đó đặt lõi sắt phần ứng ,cổ góp cánh quạt và ổ bi,trục máy thường làm bằng cacbon tốt. 1.2- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Trên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụng lên rôto, làm quay rôto. Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1.4a). Hình 1.4 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình 1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi. 1.3 Các trị số định mức của động cơ điện một chiều 5 Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện một chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy định. Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là những đại lượng định mức. 1. Công suất định mức P đm (kW hay W). 2. Điện áp định mức U đm (V). 3.Dòng điện định mức I đm (A). 4.Tốc độ định mức n đm (vòng/ph). Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ… Chú ý: Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện. Đối với máy phát điện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ đó là công suất đưa ra trên đầu trục động cơ. 1.4 Phân loại động cơ điện một chiều Dựa theo cuộn kích từ, động cơ một chiều có các loại như sau: - Động cơ một chiều kích từ độc lập. - Động cơ một chiều kích từ song song. - Động cơ một chiều kích từ nối tiếp. - Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp. Chương 2- Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều và các mạch vòng điều chỉnh động cơ 2.1 Động cơ điện một chiều và chế độ xác lập, quá độ của nó. Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều (Đ) từ vài W đến vài MW. Giản đồ kết cấu chung của Đ như hình 1.5, phần ứng được biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở phần stato có thể có vài dây quấn kích từ: dây quấn kích từ độc lập CKĐ, dây quấn kích từ nối tiếp CKN, dây quấn cực từ phụ CF và dây quấn bù CB. Hệ thống các phương trình mô tả Đ thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ U k ; tín hiệu ra thường là 6 tốc độ góc của động cơ ω, mômen quay M, dòng điện phần ứng I, hoặc trong một số trường hợp là vị trí của rôto φ. Mômen tải M c là mômen do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mômen tải là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền điện tự động. u u φ ω Hình 2.1 Giản đồ thay thế động cơ một chiều. 2.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp u k nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện i k và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau: M = IkI a Np Φ=Φ .2 . ' π (2.1) Trong đó: p ’ - số đôi cực của động cơ; N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ; a - số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng; k = p ’ N/2пa - hệ số kết cấu của máy. Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây dây quấn này cảm ứng sức điện động (sđđ): E = ωω π Φ=Φ k a Np .2 . ' (2.2) Trong đó: ω - tốc độ góc của rôto. Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng: 7 Φ − = k IRU u ω (2.3) Trong đó R ư - điện trở mạch phần ứng của động cơ. Từ các phương trình (1.1) và (1.3) có thể vẽ được họ đặc tính cơ M(ω) của động cơ một chiều khi từ thông không đổi, hình 2.2. ω Hình 2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi. 2.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 1.5 như sau: * Mạch kích từ, có hai biến dòng điện kích từ i k và từ thông Φ là phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt: U k (p) = R k I k (p) + N k .p.Φ(p) (2.4) trong đó: N k - số vòng dây cuộn kích từ; R k - điện trở cuộn dây kích từ. * Mạch phần ứng: U(p) = R ư .I(p) + Lư.p.I(p) ± N N .p.Φ(p) + E(p) (2.5) Hoặc dạng dòng điện: I(p) = [ ] )()( )( 1 /1 pEppNpU pT R N u u −Φ± + trong đó L ư - điện cảm mạch phần ứng; N N - số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp; T ư = L ư /R ư - hằng số thời gian mạch phần ứng. 8 * Phương trình hệ điện cơ (phương trình chuyển động của hệ thống): M(p) – M c (p) = Jpω (2.6) trong đó J là mômen quán tính của các phần tử chuyển động quy đổi về trục động cơ. Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều như sau: Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc chung của động cơ một chiều Ta thấy rằng sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh (có khâu phi tuyến), do đó trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc (phương pháp số gia). Trước hết chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính mômen tải như hình 2.4 9 ω cb ω c φ φ 0 Hình 2.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải. Độ dốc của đặc tính từ hoá và đặc tính cơ mômen tải tương ứng (bỏ qua hiện tượng từ trễ) là: k k = 00 , K I k I Φ ∆ ∆Φ (2.7) B = BCb M C M ω ω , ∆ ∆ (2.8) Tại điểm làm việc xác lập ta có: điện áp phần ứng U 0 , dòng điện phần ứng I 0 , tốc độ quay ω B , điện áp kích từ U k0 , từ thông Φ 0 , dòng điện kích từ I k0 và mômen tải M CB . Biến thiên nhỏ của các đại lượng trên tương ứng là: ∆U(p), ∆I(p), ∆ω(p), ∆U k (p), ∆I k (p), ∆Φ(p) và ∆M C (p). Xét cho động cơ kích từ độc lập (N N = 0), khi đó các phương trình có thể viết như sau: - Mạch phần ứng: U 0 + ∆U(p) = R ư [I 0 + ∆I(p)] + pL ư [I 0 + ∆I(p)] + + K[Φ 0 + ∆Φ(p)].[ω B + ∆ω(p)] (2.9) - Mạch kích từ: U k0 + ∆U k (p) = R k [I k0 + ∆I k (p)] + pL k [I k0 + ∆I k (p)] (2.10) - Phương trình chuyển động cơ học: K[Φ 0 + ∆Φ(p)] . [I 0 + ∆I(p)] - [M B + ∆M C (p)] = J p p [ω B + ∆ω(p)] (2.11) Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết được các phương trình của gia số như sau: ∆U(p) = R ư ∆I(p) + pL ư ∆I(p) + KΦ 0 ∆ω(p) +K∆Φ(p)ω B (2.12) ∆U k (p) = R k ∆I k (p) (1 + pT k ) (2.13) 10 [...]... giá trị mômen cản - Do ảnh hưởng của từ dư sẽ gây ra sai lệch trong quá trình thực hiện đảo chiều quay động cơ Chương 3 – Mô phỏng các đặc tính của động c một chiều bằng simulink 3.1 Lựa chọn các thông số cho quá trình mô phỏng: * Chọn các thông số cho động cơ điện một chiều - Điện cảm phần ứng: 12 L = 4(mH ) - Mômen quán tính: J = 0.01(kgm 2 ) -Điện trở phần ứng: RA=250(mΩ) -Hằng số động cơ: ke=236,8... điện áp phản hồi của động cơ thu được khi mô phỏng trong chế độ quá độ lần lượt như hình dưới đây: - Đặc tính dòng điện: 14 Hình 3.2 Kết quả mô phỏng dòng điện -Đặc tính tốc độ: Hình 3.3 Kết quả mô phỏng tốc độ - Đặc tính điện áp phản hồi: 15 Hình 3.4 Kết quả mô phỏng điện áp phản hồi 3.2.2 Mô phỏng động cơ điện trong trường hợp Φ = const và Mc=50%Mdm Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi điện áp đặt có dạng... sự hoạt động và các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều Và nhờ đó sẽ giúp ta biết cách sử dụng hợp lý động cơ điện một chiều trong các quy trình công nghệ Qua thời gian dài nghiên cứu, tìm hiểu cùng với sự hướng dẫn của thầy Phạm Tâm Thành, em đã đạt được một số vấn đề sau : +)Xây dựng được mô hình động cơ điện một chiều +)Kháo sát được tốc độ quay và dòng điện phần ứng động cơ trong một số trường... đồ mô phỏng trong simulink khi từ thông không đổi và Mc =50%Mdm Đặc tính tốc độ, đặc tính dòng điện, điện áp phản hồi của động cơ thu được khi mô phỏng trong chế độ quá độ lần lượt như hình dưới đây: -Đặc tính dòng điện: 16 Hình 3.6 Kết quả mô phỏng dòng điện -Đặc tính tốc độ: Hình 3.7 Kết quả mô phỏng tốc độ -Đặc tính điện áp phản hồi: 17 Hình 3.8 Kết quả mô phỏng điện áp phản hồi 3.2.3 Mô phỏng động. .. động cơ điện trong trường hợp Φ = const và Mc=100%Mdm Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi điện áp đặt có dạng bước nhảy như hình 3.3 Hình 3.9 Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi từ thông không đổi và M c =100%Mdm Đặc tính tốc độ, đặc tính dòng điện, điện áp phản hồi của động cơ thu được khi mô phỏng trong chế độ quá độ lần lượt như hình dưới đây: -Đặc tính dòng điện: 18 Hình 3.10 Kết quả mô phỏng dòng điện. .. ΨR=0,04(Vs) -Mômen định mức: Mđm=40(Nm) Tu = Lu 0,004 = = 0,016( s ) Ru 0,25 3.2 Mô phỏng các trường hợp cụ thể của động cơ bằng simulink 3.2.1 Mô phỏng động cơ điện trong trường hợp Φ = const và Mc=0 Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi điện áp đặt có dạng bước nhảy như hình 3.1 13 -Mc Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi từ thông không đổi và Mc =0 Đặc tính tốc độ, đặc tính dòng điện, điện áp phản... được tuyến tính hoá của động cơ một chiều 1 ∆U R 1 + Tu p B ∆M ∆I Kφ 0 Kφ ∆U K 1 RK 1 + TK p ∆I K KI0 KK ω 1 J.p c Kω 0 B ∆φ Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá Sau đây ta xét một số trường hợp đặc biệt của động cơ một chiều kích từ độc lập trong chế độ quá độ a) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với Φ = const Khi dòng điện từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằng... độ: Hình 3.11 Kết quả mô phỏng tốc độ -Đặc tính điện áp phản hồi: Hình 3.12 Kết quả mô phỏng điện áp phản hồi 3.3 Nhận xét về kết quả mô phỏng thu được Nhận xét: Khi ta cấp điện áp 110V vào ,động cơ bắt đầu khởi động 19 + Dòng điện phần phần ứng tăng vọt lên đến giá trị max(92A) sau đó giảm xuống giá trị min(-60A) và sau nhiều lần dao động( 12 lần) thì đến thời gian t=0.18s dòng điện đạt giá trị ổn định(=0)... nhiều lần dao động (6 lần)thì đến thời gian t=0.15s tốc độ đạt giá trị ổn định( =11,6v/p) +Khi động cơ khởi động có mang tải thì dòng điện có giá trị max(116A) và min(-33A) cao hơn khi không tải và sau t=0.18s thì dòng điện đạt giá trị ổn định là 26A.Còn tốc độ thì sau thời gian quá độ t=0.15s thì đạt giá trị ổn định nhưng nhỏ hơn TH1,cụ thể là w = 11v/p Kết luận Dựa vào các kết quả mô phỏng thu được... trình hệ điện cơ có dạng: CuI(p) – Mc(p) = Jpω(p) (2.16) Từ hai phương trình (2.15) và (2.16) ta suy ra sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi được biểu diễn trên hình 2.6 11 U Up −E 1 / Ru 1 + pTu Iu K φ M −Mc 1 Jp ω K φ Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi b) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với điện áp phần ứng không đổi Khi giữ điện áp phần ứng không đổi và điều chỉnh điện áp . cuộn kích từ, động cơ một chiều có các loại như sau: - Động cơ một chiều kích từ độc lập. - Động cơ một chiều kích từ song song. - Động cơ một chiều kích từ nối tiếp. - Động cơ một chiều kích từ. động cơ một chiều để mô phỏng trong đồ án môm học của mình. 1 Chương 1- Khái quát về động cơ một chiều 1.1 - Cấu tạo chung của động cơ một chiều: Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động. Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều và các mạch vòng điều chỉnh động cơ 2.1 Động cơ điện một chiều và chế độ xác lập, quá độ của nó. Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất