Xây dựng mô hình máy điện dị bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ tựa từ thông dq mô phỏng bằng phần mềm matlab

LỜI NÓI ĐẦUTrong những năm gần đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã đưalại những ứng dụng lớn lao vào trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hoá củamỗi đất nước.

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ

ĐỀ 10

Tên đề tài : Xây dựng mô hình máy điện dị bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ tựa

từ thông dq.Mô phỏng bằng phần mềm Matlab

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Khôi Lớp: DTD53-DH2

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục đích của đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu khoa học

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTORLỒNG SÓC

1.1 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ

1.2 Đặc tính của động cơ không đồng bộ

1.3 Khởi động động cơ không đồng bộ

CHƯƠNG 2 : XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘROTOR LỒNG SÓC

2.1 Phương trình của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH HÓA BẰNG MATLAB & SIMULINK

3.1 Xây dựng mô hình

3.2 Kết quả mô phỏng

KẾT LUẬN

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã đưalại những ứng dụng lớn lao vào trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hoá củamỗi đất nước Bên cạnh những thành tựu về mặt thực tiễn thì những lý thuyết vềđiều khiển cũng lần lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng cácnguyên lý điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động trong công nghiệp Là mộtnước đang trong quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệp hiện đại với nhiệm

vụ hiện nay là thực hiện thành công quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá, đấtnước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng mạnh mẽ các thànhtựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại năng suất lao độngcao hơn, cạnh tranh được với các nước trong khu vực và thế giới .Tự động hoátrong sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ mới nhằm nâng caonăng xuất, hạ giá thành sản phẩm không những là yêu cầu bắt buộc mà hơn nữacòn được xem như một chiến lược đối với các nhà máy, xí nghiệp cũng như toànbộ nền sản xuất công nghiệp của mỗi quốc gia

Từ yêu cầu thực tiễn đó thì em đã thực hiện một bài tập lớn môn học môntổng hợp hệ điện cơ với đề tài là:“Xây dựng mô hình máy điện dị bộ rotor lồng

sóc trên hệ tọa độ tựa từ thông dq Mô phỏng bằng phần mềm matlab simulink”.

-Trong một thời gian ngắn do vậy bài tập lớn này chắc chắn không khỏinhững thiếu sót, với sự nỗ lực của bản thân , em rất mong nhận được ý kiếnđóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để bài tập lớn này hoànthiện hơn !

Em xin chân thành cảm ơn!

Máy phát điện không đồng bộ ít dùng vì có đặc tính làm việc không tốt,nên ta chỉ xét đến trường hợp động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộđược sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì chế tạo đơn giản, giá thành rẻ,độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao và gần như không bảo trì Dãycông suất của nó rất rộng từ vài watt đến hang nghìn kilowatt Hầu hết là động

cơ ba pha, có một số động cơ công suất nhỏ là một pha

Các số liệu định mức của động cơ không đồng bộ ba pha là:

Công suất cơ có ích trên trục : Pđm(kW)Điện áp dây stator : Uđm(V)Dòng điện stator : Iđm(A)Tốc độ quay rotor : nđm(vòng/phút)Hệ số công suất : cosđm

Nếu gọi P1đm là công suất tác dụng động cơ không đồng bộ ba pha nhận từlưới điện khi làm việc với tải định mức, ta có :

Cấu tạo của máy điện không đồng bộ gồm hai phần chủ yếu là stator vàrotor, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy Trục máy làm bằng thép,trên đó gắn roto, ổ bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọctrục.

2 Dây quấn Stator

3 Nắp máy Stator

Hình 1.2.Kết cấu stator máy điện KĐB

a, Lá thép stator; b, Lõi thép stator

c, Dây quấn stator

b) Dây quấn Rotor:

Cũng giống như dây quấn ba pha Stator và cùng số cực từ như dây quấnStator Dây kiểu này luôn đấu (Y) và có ba đầu ra vào ba vành trượt, gắn vàotrục quay của Rotor và cách điện với trục ba chổi than cố định và luôn tỳ lênvành trượt này để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ đểkhởi động hoặc điều chỉnh tốc độ

Hình 1.4: Cấu tạo của động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn

1.2 Đặc tính của động cơ không đồng bộ

Đặc tính cơ của đông cơ điện chính là quan hệ n = f(M2) hoặc M2 = f(n)

Mà ta có M=M0+M2, ở đây ta xem M0=0 hoặc chuyển về Momen cản tĩnh Mc.Vì vậy M2=M=f(n)

Hình 1.5: Quan hệ M=f(s)

Từ hình 1.5 ta xét chế độ động cơ nghĩa là s=0÷1 hình 1.6a Nếu thays=(n-n)/n1 ta sẽ có quan hệ n =f(M2) chính là đặc tính cơ của động cơ khôngđồng bộ (hình 1.6b)

Hình 1.6 Đặc tính động cơ không đồng bộ

a.Quan hệ momen theo hệ số trượt

b.Đặc tính cơ của động cơ

Từ hình 1.6a, ta có

- Đoạn 0a (0<s<sth): Động cơ làm việc ổn định Đặc tính cơ cứng

- Đoạn ab (sth<s<1): Động cơ làm việc không ổn định

1.3 Khởi động động cơ không đồng bộ

Dòng điện khởi động: Khi khởi động n =0 , s=1nên:

Thường thì : Ik= (4÷7) Idm ứng với Udm

Yêu cầu khi mở máy :

- Mk phải đủ lớn để thích ứng với đặc tính tải

- Ik càng nhỏ càng tốt để không ảnh hưởng đến các phụ tải khác

- Thời gian khởi động Tk phải nhỏ để máy có thể làm việc được ngay

- Thiết bị khởi động rẻ tiền tin cậy và ít tốn năng nượng

Các yêu cầu trên là trái ngược nhau tùy trong trường hợp mà ta sẽ ưu tiênyêu cầu nào trước

Khi khởi động động cơ dây quấn rotor được nối vào các điện trở phụ Rpk.Đầu tiên K1 và K2 mở động cơ được khởi động qua điện trở phụ lớn nhất sau đó

đóng K1 rồi K2 giảm dần điện trở phụ về không Đường đặc tính mômen ứng vớícác điện trở phụ khởi động Rp1 và Rp2 ở hình 1.7

Hình 1.7: Khởi động động cơ KĐB Rotor dây quấn

a Sơ đồ mạch lực; b Đặc tính mô men

Lúc khởi động n=0, s=1 muốn mô men khởi động Mk = Mmax thì Sth=1hay

từ đó xác định điện trở khởi động ưng với mômen khởi động Mk =Mmax

Khi có Rpk dòng điện khởi động là:

Nhờ có điện trở khởi động Rk dòng điện khởi động giảm xuống, mômenkhởi động tăng lên, đó là ưu điểm của động cơ rôto dây quấn

Chương 2:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR

LỒNG SÓC2.1 Phương trình của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

Trước khi tiến hành xây dưng mô hình chúng ta có một số quy định chungnhư sau:

Do ĐCKĐB về phương diện điện động được mô tả bởi một hệ phươngtrình, vi phân bậc cao Vì cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt khônggian, vì các mạch từ móc vòng, nên ta phải chấp nhận nhưng điều kiện sau đâytrong khi mô phỏng động cơ:

+Các cuộn dây Stator được phân bố đối xứng về mặt không gian

+ Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa có thể bỏ qua

+ Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ

+ Các giá trị điện trở và điện cảm tạm coi là khồng đổi

Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua cuộn dây pha u

Ta cũng có quy ước một số ký hiệu sử dụng trong khi xây dựng:

+ Chỉ số viết nhỏ ở góc phải phía dưới

s : đại lượng của mạch Staor

r : đại lượng của mạch Rotor

+ Đại lượng viết có gạch dưới

Chữ to : Ma trận

Chữ nhỏ : Vector

* Các phương trình cơ bản:

Để xây dựng hệ phương trình mô tả động học của MĐDB, ta có thể xuất phát

từ sơ đồ thay thế một pha dưới đây :

Hình 2.1 Sơ đồ thay thế của máy điện dị bộ

Từ sơ đồ thay thế ta có thể dễ dàng viết được các phương trình mô tả MDDB+ Phương trình điện áp Stator :

Rs : Điện trở stator us : Vector điện áp stator

Rr : Điện trở rotor is : Vector dòng stator

Ls : Điện cảm stator ir : Vector dòng rotor

Lr : Điện cảm rotor  s : Vector từ thông stator

Lm : Hỗ cảm giữa 2 cuộn dây  r : Vector từ thông rotor

Ts = Ls/ Rs ; Tr = Lr/ Rr ;  = 1 - 2

m

L / LsLr

Hợ̀ phương trình mụ tả MĐDB đã được xõy dựng trờn cơ sở chấp nhọ̃n các giảthiết sau :

- Hợ̀ phương trình thu được trờn cơ sở hài cơ bản của các đại lượngdũng, áp và từ thụng Hiợ̀n tượng móc vũng từ thụng giữa Stator vàRotor chỉ xảy ra với hài cơ bản Mụmen hài chưa được quan tõm

- Hợ̀ chưa xột tới hiợ̀n tượng bão hũa từ Tuy nhiờn, có thờ̉ sử dụng hàmxấp xỉ đờ̉ bổ sung đặc tớnh bão hũa mụ̣t cách rất dễ dàng

- Chưa xột tới tổn hao dũng quõ̉n và tổn hao sắt từ

- Chưa xột tới hiợ̀n tượng dãn dũng ( xuất hiợ̀n đối với hài dũng bọ̃c cao,làm tăng giá trị hiợ̀u dụng của điợ̀n trở

- Stator và Rotor có kết cấu trũn đều đối xứng Hợ̀ thống Stator có chứa

zp cuụ̣n dõy ba pha Viợ̀c đặt điợ̀n áp Rotor bằng 0 xuất phát từ kết cấungắn mạch của mạch điợ̀n phớa Rotor

- Tham số của mụ hình là hằng.(khụng phụ thuụ̣c nhiợ̀t đụ̣)

- Bỏ qua tổn hao ma sát

2.1.1 Phương trỡnh trạng thỏi trờn hệ tọa độ tựa theo từ thụng rotor dq:

Khi chiếu trên hệ toạ độ tựa theo từ thụng rotor thì các phơng trình từthông vẫn không đổi, chỉ có các phơng trình điện áp thay đổi nh sau:

- Toạ độ từ thông rôto quay tốc độ s so với stato

- Hệ toạ độ chuyển động vợt trớc so với rôto một tốc độ góc

f r f

r

r

f r s

f r f

i

L i L

i

j dt

d i

R

j dt

d i

i   

(2.6)

sq s

rd m sd s sq

sd s

rq m

rd r m sq s sd

i

T

L

i L p

T

u L L

i i

p

T

u L L

T L i i

)

1

(

1 1

1 )

L

L p

Hình 2.2 Sơ đồ máy điện dị bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq

Chương 3:

MÔ HÌNH HÓA BẰNG MATLAB & SIMULINK

Trước khi tiến hành mô phỏng ta chọn động cơ có những thông số sau:

Điện áp định mức : Uđm = 380V

Tốc độ quay định mức : nđm = 1430 ; ω = (rad/s)Momen quán tính cơ : J = 0.015 (kg.m2)

Hỗ cảm giữa roto và stato : Lm = 0.1608 (H)

Điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stato : Lσs s = 0.004342 (H)

Điện cảm tiêu tán phía cuộn dây roto : Lσs r = 0.004342 (H)

Điện trở phía stato : Rs = 0.877 (Ω))

Điện trở phía roto : Rr = 1.47 (Ω))

Điện cảm stato:

Ls = Lm +Lσs s = 0.1608 + 0.004342 = 0.165142 (H)Điện cảm roto :

Lr = Lm + Lσs r = 0.1608 + 0.004342 = 0.165142 (H)Hằng số thời gian stato : Ts = = 0.1883

Hằng số thời gian roto : Tr = = 0.1123

v

w

a b

u v w ->a b

a b anpha

d q

a b > dq

DCKDB he dq u_sd u_sq m_c

w i_sd i_sq anpha Subsystem

Scope2 Scope1

4

anpha

3 i_sq

2 i_sd

1 w

To To.s+1 Transfer Fcn6

1 o*Ls Transfer Fcn5

pc jj.s Transfer Fcn4

3*pc*Lm^2 2*Lr Transfer Fcn3

1 Tr.s+1 Transfer Fcn2

To To.s+1 Transfer Fcn1

1 o*Ls Transfer Fcn

-C-0.001 Constant1

Constant

-C-1 Tr

;2 Tr 1

;1 1-oo

;

3 m_c

2 q

1 d

cos Trigonometric Function1

sin Trigonometric Function

Product3

Product2

Product1 Product

3

anpha

2 b

1 a

Hình 3.3 Mô hình của khối ab -> dq

2 b

1 a

2

Gain 3

w

2 v

1 u

Hình 3.4 Mô hình của khối uvw -> ab

3.2 Kết quả mô phỏng:

a Tốc độ

Hình 3.5 Kết quả mô phỏng tốc độ trên matlab

b Mô men

Hình 3.6 Kết quả mô phỏng mô men trên matlab

c Ira

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng Ira trên matlab

KẾT LUẬN

Qua một thời gian với sự cố gắng của bản thân và sự hướng dẫn tận tìnhcủa các thầy cô, đặc biệt là TS.Phạm Tâm Thành hướng dẫn trực tiếp tới nay emđã hoàn thành bài tập lớn của mình Qua nội dung đề tài em được nắm vững hơnphần lý thuyết đã học trên lớp cũng như thực tế Tuy nhiên do nội dung côngviệc còn khá mới mẻ,tầm hiểu biết còn hạn chế nên bài tập lớn môn học nàykhông thể tránh khỏi những sai sót Em mong các thầy chỉ bảo giúp đỡ em để

em hoàn thành tốt hơn nữa nhiệm vụ của mình

Em xin trân thành cảm ơn!

Hải Phòng, ngày 12 tháng 4 năm 2016 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hồng Khôi

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Tiến sĩ :Nguyễn Phùng Quang,Matlab & Simulink dành cho kĩ sư điều khiểntự động,Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật,Năm 2006

[2] Tiến sĩ : Nguyễn Phùng Quang,Điều khiển tự động truyền động điện xoaychiều ba pha,Nhà xuất bản giáo dục,Năm 1996

[3] Bùi Quốc Khánh-Nguyễn Văn Liễn-Phạm Quốc Hải-Dương Văn Nghi,Điềuchỉnh tự động truyền động điện,Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật,Năm 2006