Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng phần ứng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập trong hệ truyền động thyristor – động cơ điện một chiều mô phỏng bằng phần mềm matlab

BÀI TẬP LỚNĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ Họ và tên: NGUYỄN QUỐC HOÀNG Lớp: ĐTĐ54-ĐH1 Tên đề tài: " Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng phần ứng của động cơ điện một chiều kíc

BÀI TẬP LỚN

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ

Họ và tên: NGUYỄN QUỐC HOÀNG

Lớp: ĐTĐ54-ĐH1

Tên đề tài: " Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng phần ứng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập trong hệ truyền động Thyristor – Động cơ điện một chiều Mô phỏng bằng phần mềm Matlab"

Nội dung đề cương Mục lục

Lời nói đầu

Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều

1.1.Tổng quan về động cơ điện một chiều

1.2.Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều

1.3.Cấu trúc hệ truyền động động cơ một chiều

Chương 2: Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo các phương pháp

2.1.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo phương pháp module tối ưu2.2.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo phương pháp tối ưu đối xứng

Chương 3: Mô phỏng đáp ứng trên Matlab & Simulink

3.1.Chương trình mô phỏng

3.2.Kết quả mô phỏng

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Hải Phòng, ngày 4 tháng 5 năm 2016Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện

Nguyễn Quốc Hoàng

MỤC LỤC

Lời Nói Đầu 3

Chương 1 Tổng quan về động cơ điện một chiều 4

1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều 4

1.1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều 4

1.1.2 Nguyên lý và cấu tạo của động cơ điện một chiều 4

1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 5

1.2 Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều 8

1.2.1.Phương trình cân bằng điện áp: 8

1.2.2.Phương trình mômen điện từ của động cơ: 8

1.2.3.Phương trình cơ học của động cơ: 9

1.3 Cấu trúc hệ truyền động động cơ một chiều 9

1.3.1 Hệ truyền động máy phát - động cơ (F - Đ) 10

1.3.2 Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT - Đ) 11

1.3.3 Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ 11

Chương 2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo các phương pháp 13

2.1 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo phương pháp module tối ưu 14 2.2.Phương pháp tổng hợp hệ theo tiêu chuẩn modul tối ưu đối xứng: 14

Chương 3.Mô phỏng đáp ứng trên Matlab & Simulink 16

3.1.Chương trình mô phỏng 16

3.2.Kết quả mô phỏng 18

3.2.1.Kết quả mô phỏng theo phương pháp tối ưu modul 18

3.2.2.Kết quả mô phỏng theo phương pháp tối ưu đối xứng: 19

3.2.3 Đánh giá kết quả 19

KẾT LUẬN 20

Tài Liệu Tham Khảo 21

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khoa học kĩ thuật phát triển nhất là trong lĩnh vực điện – điện tử tin học Ngày càng có nhiều phát minh khoa học ứng dụng vào thực tế để thaythế sức lao động cho con người Động cơ điện một chiều là một trong rất nhiềuphát minh đó.Ngày nay, động cơ điện một chiều đã rất quen thuộc với chúngta.Em xin trình bày Đề tài bài tập lớn”Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòngphần ứng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập trong hệ truyền độngThyristor – Động cơ điện một chiều Mô phỏng bằng phần mềm Matlab”

Khi làm bài tập lớn môn học này có điều gì sai sót mong thầy giáo chỉ dạy cho

em để em được sửa chữa

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo và các bạn trong lớp đã giúp em hoànthành bài tập lớn này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều

1.1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều

Trong mọi ngành sản xuất hiện nay,các công nghệ tiên tiến,các dây truyềnthiết bị hiện đại Rất nhiều máy móc cần đến các loại động cơ điện một chiềuvói các công suất khác nhau phù hợp với chức năng hoạt động của nó.Động cơđiện một chiều dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thànhđiện năng (khi hãm)

Động cơ điện một chiều có những loại:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều kích từ song song

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.1.2 Nguyên lý và cấu tạo của động cơ điện một chiều

Khi đặt vào từ trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì

từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào dây dẫn và làm dây dẫn chuyển động.Chiềutác dụng của lực từ được xác định bằng quy tắc bàn tay trái

Cấu tạo: gồm 2 phần chính: phần tĩnh (stator) và phần động (Rôtor)

Phần tĩnh gồm có:

- Cực từ chính là phần sinh ra từ trường gồm có lõi sắt là cuộn dây.Một cặp cực

từ gồm 2 cực nam bắc đặt đối xứng nhau qua trục động cơ

- Cực từ phụ được đặt giữa cực từ chính để cải thiện tình trạng đổi chiều

- Gông từ là phần nối tiếp các cực từ Đồng thời làm vỏ máy

- Nắp máy dung để bảo vệ các chi tiết máy không cho các vật bên ngoài rơi vào

- Cơ cấu chổi than để đưa dòng điện từ bên ngoài vào nếu máy là động cơ vàđưa dòng điện ra nếu là máy phát

Phần động gồm có:

- Lói sắt phần ứng dùng để dẫn từ

- Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua

- Cổ góp dùng để đổi chiều dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều

- Trục máy làm bằng lõi thép để đặt phần ứng và cổ góp

1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Sơ đồ nguyên lý được biểu diễn như trên hình 1.1 Từ thông động cơđược giữ không đổi Điện áp phần ứng được cấp từ một bộ biến đổi

Điện áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U<Uđm) nên phương phápnày chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ

H ình 1.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biệnpháp thay đổi điện áp phần ứng có các đặc điểm sau:

Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ

Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh.

Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh

Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là nhưnhau Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điềuchỉnh Do vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhấtkhông vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh

Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể: D ~ 10:1

Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với

Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thay đổi trơnđiện áp ra

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng điện kích từ củađộng cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ Rõ ràng phương phápnày chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa là chỉ có thể giảmdòng điện kích từ do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông.Khi giảm từ thông, đặc tính dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn Họ đặctính giảm từ thông như hình 1.2

H ình 1.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông có các đặc điểm sau:

Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càngtăng, tốc độ động cơ càng lớn

Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông

Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D ~ 3:1

Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng

Sơ đồ nguyên lý nối dây như hình 1.3 Khi tăng điện trở phần ứng, đặctính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng Họ đặc tính

cơ khi thay đổi điện trở mạch phần ứng như hình 1.3

Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở

1.2 Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều

1.2.1.Phương trình cân bằng điện áp:

Chuyển sang toán tử Laplace ta được:

⇒ U=R I+Lp I+E

1.2.2.Phương trình mômen điện từ của động cơ:

M=K φω (1.3)

M : Mômen điện từ của động cơ

1.2.3.Phương trình cơ học của động cơ:

M C : Mômen cản của động cơ

J : Mômen quán tính của động cơ

Chuyển sang Laplace ta được :

M M Jp

 C (1.4)

Từ các phương trình (1.1), (1.2), (1.3), (1.4), (1.5) ta có sơ đồ cấu trúc của động

cơ điện một chiều:

Hình 1.4 :Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều

1.3 Cấu trúc hệ truyền động động cơ một chiều

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiềubao giờ cũng cần một bộ biến đổi.Các bộ biến đổi náy cấp cho mạch phần ứngđộng cơ hoặc mạch kích từ động cơ.Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bốnloại bộ biến đỏi chính:

- Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều máy diệnkhuếch đại (MDKD)

- Bộ biến đổi điện từ : khuếch đại từ (KĐT)

- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : chỉnh lưu thyristor (CLT)

- Bộ biến đổi xung áp một chiều : thyristor và tranzitor (BBĐXA)

1.3.1 Hệ truyền động máy phát - động cơ (F - Đ)

Hệ thống máy phát - động cơ (F-Đ) là hệ truyền động điện mà BBĐđiện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập Máy phát này thường dođộng cơ sơ cấp không đồng bộ 3 pha quay và coi tốc độ quay của máy phát làkhông đổi

Hình 1.5 - Hệ truyền động F-Đ đơn giản.

Trong sơ đồ:

Đ : Là động cơ điện một chiều kéo cơ cấu sản xuất, cần phải điều chỉnh tốc độ.

F : Là máy phát điện một chiều, đóng vai trò là BBĐ cấp điện cho động cơ Đ

Đảo chiều: Cặp tiếp điểm T đóng hoặc N đóng, dòng điện kích từ máy phát

ICKF đảo chiều, do đó đảo chiều từ thông ∅ F , do đó UF đảo dấu, dẫn đến Wđảo chiều

- Ưu điểm:

+ Điều chỉnh tốc độ đơn giản, ít tốn năng lượng vì chỉ thực hiện trong mạchkích từ

- Nhược điểm:

+ Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay, trong

đó ít nhất là 2 máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhấtgấp 3 lần công suật động cơ chấp hành, dẫn đến giá thành tăng, hiệu suất thấp.+ Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trễ nênkhó điều chỉnh sâu tốc độ

1.3.2 Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT - Đ)

Khuếch đại từ là khí cụ điện mà tín hiệu đầu ra được khuếch đại nhờ sựthay đổi điện kháng bằng cách thay đổi dòng điều khiển Sơ đồ nguyên lýcủa một khuếch đại từ đơn giản được trình bày ở hình 1.6

Hình 1.6 - Khuếch đại từ.

1.3.3 Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ

Các bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều thực chất là các bộchỉnh lưu (hay các bộ nắn điện) dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thànhdòng điện một chiều

Có rất nhiều sơ đồ chỉnh lưu khác nhau được phân loại như sau:

- Theo số pha có: Chỉnh lưu 1 pha, chỉnh lưu 3 pha

- Chỉnh lưu hình tia,chỉnh lưu cầu

Hình 1.7 - sơ đồ hệ truyền động T-Đ không đảo chiều.

Trong thực tế không thể lọc hết hoàn toàn các thành phần sóng hài bậc cao, do

đó còn tồn tại thành phần dòng điện xoay chiều chạy qua động cơ làm động cơnóng hơn so với trường hợp làm việc trong hệ F-Đ

CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG THEO

ứng với điều kiện

2.1 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo phương pháp module tối ưu

Theo tiêu chuẩn Modul tối ưu ta có hàm truyền hệ kín như sau:

Ri p

Ri p

S S

=> Ri(p) = (1 )

M M oi

oi oi S

F F

2.2.Phương pháp tổng hợp hệ theo tiêu chuẩn modul tối ưu đối xứng:

Ri p

Ri p

S S



=> Ri(p) = (1 )

M M oi

oi oi S

F F

CHƯƠNG 3.MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG TRÊN MATLAB & SIMULINK 3.1.Chương trình mô phỏng

Các thông số cho trước:

3.2.2.Kết quả mô phỏng theo phương pháp tối ưu đối xứng:

3.2.3 Đánh giá kết quả

Phương pháp modul toi ưu cho đồ thị ổn định hơn phương pháp tối ưu đối xứngTiêu chuẩn modul tối ưu thường áp dụng để tổng hợp các bộ điều chỉnh trongmạch có yêu cầu vô sai cấp cao,nó cũng áp dụng có hiệu quả để tổng

hợp các bộ điều chỉnh theo quan điểm nhiễu loạn

KẾT LUẬN

Qua thời gian thực hiện, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm TâmThành cùng sự giúp đỡ rất nhiệt tình của các bạn trong lớp, em đã cố gắng hoànthành bài tập lớn theo yêu cầu và thời gian quy định Trong bài tập lớn em đãthực hiện được những công việc sau :

Tổng quan về động cơ điện một chiều

Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng theo các phương pháp

Mô phỏng đáp ứng trên Simulink

Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên cónhững phần em chưa làm được Em cũng không tránh khỏi những điều thiếu sót,nhầm lẫn khác, em rất mong nhận được sự chỉ bảo của thầy

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bài giảng: " Tổng hợp hệ điện cơ"

[2] Phạm Tâm Thành, Lưu Kim Thành, Giáo trình: " Tổng hợp hệ điện cơ", NXB

Hàng Hải, 2015

[3] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi, Phạm Quốc Hải,

"

Điều chỉnh tự động truyền động điện", NXB – Khoa học kỹ thuật, Năm 2004

[4] Nguyễn Phùng Quang, " Truyền động điện thông minh", NXB – Khoa học kỹ

thuật, Năm 2002

[5] Nguyễn Phùng Quang, " Matlab và Simulink" dành cho kỹ sư ĐKTĐ, NXB –

Khoa học kỹ thuật, Năm 2002