mô phỏng động cơ điện một chiều dùng matlab

1.1.1- Phần cảm stator 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 chạytrong dây quấ

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU 2

Chương 1- Khái quát về động cơ một chiều 3

1.1 - Cấu tạo chung của động cơ một chiều: 3

1.2- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 5

1.3 Các trị số định mức của động cơ điện một chiều 6

1.4 Phân loại động cơ điện một chiều 6

Chương 2- Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều và các mạch vòng điều chỉnh động cơ 7

2.1 Động cơ điện một chiều và chế độ xác lập, quá độ của nó 7

Chương 3 – Mô phỏng các đặc tính của động cơmột chiều bằng simulink 13

3.1 Lựa chọn các thông số cho quá trình mô phỏng: 13

3.2 Mô phỏng các trường hợp cụ thể của động cơ bằng simulink 13

3.3 Nhận xét về kết quả mô phỏng thu được 19

Kết luận 20

Tài liệu tham khảo 21

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.

Chương 1- Khái quát về động cơ một chiều1.1 - Cấu tạo chung của động cơ một chiều:

Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạogiống nhau

Ở máy điện một chiều từ trường là từ trường không đổi Để tạo từ trườngngười ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện được cung cấp bởinguồn 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 điệnmột 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 10MW.Hiện tượng tia lửa điện ở phiến góp đã hạn chế công suất của máy điện mộtchiều Cấp điện áp của máy điện một chiều thường là 120V, 400V, 500V và lớnnhất là 1000V.Không thể tăng điện áp lên nữa vì điện áp phiến góp là 25V

1.1.1- Phần cảm (stator)

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 chạytrong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiênnhau

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 dâykích từ đặt trên lõi cực cách điện với thân bằng một cuộn dây cách điện Cuộndây 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 cuộcdây 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 hởkhông 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 uốnlại ,trong máy điện lớn thường làm bằng thép đúc.Có khi trong máy điện nhỏdùng 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 vàothân máy Tùy thuộc vào máy mà thân máy có chứa ổ bi hay không.Máy cócông suất lớn thì hộp ổ bi làm rời khỏi thân máy Thân máy được gắn liền vớichân máy ,trên thân máy có gắn bảng ghi định mức

+)chổi than để đưa dòng điện ra ngoài dùng chổi than Chổi than được làmbằng than garnit vừa có khả năng dẫn điện tốt vừa có khả năng chống màimòn ,bộ giữ chổi than được làm bằng kim loại gắn vào stato có lò so tạo áp lựcchổi 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 làrotor hình trống có răng được ghép lại bằng các lá thép kỹ thuật ,ở những máycông suất lớn người ta còn làm các rãnh làm mát theo bán kính(các lá thép đượcghép với nhau từng tệp ,các tệp cách nhau một rãnh làm mát Phần ứng gồm lõithép, 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 thuậtđiện dày 0,5mm, phủ sơn cách điện ghép lại Các lá thép được dập các lỗ thônggió 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 tạothành một hoặc nhiều vòng kín Phần tử của dây quấn là một bối dây gồm mộthoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của vành góp (hình 1.3a).hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên (hình1.3b)

Cổ góp (vành góp)

Cuộn dây rotor là cuộn dây khép kín mỗi cạnh của nó được nối với phiếngóp.Hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn đượcghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trụcmáy.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 máytrên đó đặt lõi sắt phần ứng ,cổ góp cánh quạt và ổ bi,trục máy thường làm bằngcacbon 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, trongdây 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 dụnglên rôto, làm quay rôto Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn taytrái (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 chiềubiến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiềulực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhấtđịnh, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

1.3 Các trị số định mức của động cơ điện một chiều

Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điệnmột chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạoquy định Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máygọi là những đại lượng định mức

1 Công suất định mức Pđm (kW hay W)

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 ứngđược 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 nốitiếp CKN, dây quấn cực từ phụ CF và dây quấn bù CB Hệ thống các phươngtrình mô tả Đ thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điềukhiển) thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ Uk; tín hiệu ra thường làtốc độ góc của động cơ ω, mômen quay M, dòng điện phần ứng I, hoặc trongmột số trường hợp là vị trí của rôto φ Mômen tải Mc là mômen do cơ cấu làmviệc truyền về trục động cơ, mômen tải là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệtruyền điện tự động

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 uk nào đó thì trong dây quấn kích

từ sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ Tiếp đó đặtmột 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 thànhmômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau:

M = I k I

a

N p





.

2

'

 (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.a - hệ số kết cấu của máy

Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứngquét qua từ thông và trong các dây dây quấn này cảm ứng sức điện động (sđđ):

E =  

  ka

N p

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 bằngđiện áp phần ứng:

U u

 (2.3)Trong đó Rư- 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) củađộng cơ một chiều khi từ thông không đổi, hình 2.2



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 cácphương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 1.5 như sau:

* Mạch kích từ, có hai biến dòng điện kích từ ik và từ thông Φ là phụ thuộcphi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:

Uk(p) = RkIk(p) + Nk.p.Φ(p) (2.4)

trong đó: Nk - số vòng dây cuộn kích từ;

Rk - điện trở cuộn dây kích từ

p E p p N p U pT

R

N u

Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ mộtchiều 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 đótrong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làmviệc (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

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 hiệntượng từ trễ) là:

Uk0 + ∆Uk(p) = Rk[Ik0 + ∆Ik(p)] + pLk[Ik0 + ∆Ik(p)] (2.10)

- Phương trình chuyển động cơ học:

K[Φ0 + ∆Φ(p)] [I0 + ∆I(p)] - [MB + ∆MC(p)] = Jpp [ωB + ∆ω(p)] (2.11) Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viếtđược các phương trình của gia số như sau:

∆U(p) = Rư∆I(p) + pLư∆I(p) + KΦ0∆ω(p) +K∆Φ(p)ωB (2.12)

R

u.1

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoáSau đây ta xét một số trường hợp đặc biệt của động cơ một chiều kích từ độclập 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 bằngnam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:

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 kích từ thì dotính chất phi tuyến của mạch từ nên tốt nhất là sử dụng sơ đồ tuyến tính hoáquanh điểm làm việc Sơ đồ cấu trúc này được thể hiện trên hình 2.5, trong đótín hiệu điện áp phần ứng ∆U(p) = 0

u

u pT

R

1

/1

Phương pháp này có ưu điểm là: bộ chỉnh lưu có điều khiển trong mạchkích từ nhỏ gọn hơn, rẻ tiền hơn, với công suất nhỏ hơn dẫn đến kích thước vàtrọng lượng nhỏ hơn.

Tuy nhiên nó có những nhược điểm cơ bản đó là:

- Đụng chạm đến tính phi tuyến của động cơ

- Số vòng dây của cuộn kích từ lớn hơn do đó hằng sô thời gianmạch kích từ lớn hơn nhiều so với mạch phần ứng (Tk>>Tu) dẫn đến thờigian quá độ của hệ kéo dài

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ quay hẹp và còn bị phụ thuộc nhiều vàogiá trị mômen cản

- Do ảnh hưởng của từ dư sẽ gây ra sai lệch trong quá trình thực hiệnđảo chiều quay động cơ

Chương 3 – Mô phỏng các đặc tính của động cơmột 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

-Mômen định mức:

Mđm=40(Nm)

0 , 016 ( )

25 , 0

004 , 0

s R

L T

u

u

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 M c =0

Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi điện áp đặt có dạng bước nhảy nhưhình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi từ thông không đổi và Mc =0

-M c

Đặc tính tốc độ, đặc tính dòng điện, điện áp phản hồi của động cơ thuđược khi mô phỏng trong chế độ quá độ lần lượt như hình dưới đây:

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 M c =50%M dm

Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi điện áp đặt có dạng bước nhảy nhưhình 3.2

Hình 3.5 Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi từ thông không đổi và Mc

Hình 3.8 Kết quả mô phỏng điện áp phản hồi

3.2.3 Mô phỏng động cơ điện trong trường hợp Φ = const và M c =100%M dm

Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi điện áp đặt có dạng bước nhảy nhưhình 3.3

Hình 3.9 Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi từ thông không đổi và Mc

=100%Mdm

Đặc tính tốc độ, đặc tính dòng điện, điện áp phản hồi của động cơ thuđược khi mô phỏng trong chế độ quá độ lần lượt như hình dưới đây:

-Đặc tính dòng điện:

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

+ Dòng điện phần phần ứng tăng vọt lên đến giá trị max(92A) sau đógiảm xuống giá trị min(-60A) và sau nhiều lần dao động(12 lần) thì đến thờigian t=0.18s dòng điện đạt giá trị ổn định(=0).

+ Tốc độ tăng dần từ 0 và sau nhiều lần dao động (6 lần)thì đến thời giant=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 ổnđịnh là 26A.Còn tốc độ thì sau thời gian quá độ t=0.15s thì đạt giá trị ổn địnhnhưng nhỏ hơn TH1,cụ thể là w = 11v/p

Kết luận

Dựa vào các kết quả mô phỏng thu được ta biết được sự hoạt động và các chế

độ làm việc của động cơ điện một chiều Và nhờ đó sẽ giúp ta biết cách sử dụnghợp 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 sốtrường hợp

Những vấn đề em chưa đạt được :

+)Chưa đưa ra được cấu trúc mô hình liên tục

+)Trong quá trình khảo sát còn hạn chế ở phạm vi

Do kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót Em mongthầy cô góp ý để bài làm của em được hoàn thiện hơn.Em xin chân thành cảmơn.

Tài liệu tham khảo

[1] Bùi Quốc Khánh - Nguyễn Văn Liễn -Phạm Quốc Hải - Dương VănNghi,

Điều chỉnh tự động truyền động điện,NXB:Khoa học và kỹ thuật Hà Nội –năm 2001

[2]Nguyễn Phùng Quang, Matlap và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tựđộng,

NXB:Khoa học và kỹ thuật Hà Nội –năm 2006