Nghiên cứu phân tích mạch từ trong động cơ điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ * BÁO CÁO MÔN HỌC: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT Đề tài: Nghiên cứu phân tích mạch từ động điện Sinh viên thực hiện: Lê Thanh Hải Vũ Minh Thành Nguyễn Tiến Cường Phạm Văn Quyền Giảng viên hướng dẫn: Hà Nội, 5/2012 TS Phạm Thành Công MỤC LỤC Lời mở đầu CHƯƠNG LÝ THUYẾT VÀ GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lý thuyết máy phát điện nguồn điện máy bay * Brush Type * Brushless Type 1.2.Giới thiệu Simplorer : CHƯƠNG ỨNG DỤNG SIMPLORER - THIẾT KẾMÔ PHỎNG MẠCH ĐỘNG CƠ 2.1 Three-Phase Rectifier with Resistive/Inductive Load 11 2.2 Hysteresis Current-Controlled DC-Motor Start-Up 14 2.2.1 Controller Modelling Using Block Elements 14 2.2.2 Controller Modeling Using State Graph Components 17 2.3 Current and Speed Controlled DC Motor 20 Tài liệu tham khảo 23 LỜI MỞ ĐẦU Máy bay phát minh vĩ đại loài người nhằm thỏa mãn khát khao từ xa xưa : chinh phục bầu trời Cùng với phát triển vượt bậc khoa học công nghệ, loài người có bước nhảy vọt việc chế tạo sản xuất máy bay Và đề tài mình, nhóm em xin nghiên cứu phần nhỏ thiếu máy bay, đề tài sử dụng phần mềm Maxwell Simplorer mô hệ thống động máy phát điện Mục tiêu đặt ra: Tìm hiểu sơ lược phần mềm Maxwell Simplorer Tìm hiểu lý thuyết chung toán mô Ứng dụng phần mềm Maxwell Simplorer vào việc mô toán Được giúp đỡ tận tình thầy Phạm Thành Công, chúng em hoàn thành sơ đồ án Do thời gian làm đồ án có hạn, nên tránh khỏi thiết sót hạn chế, chúng em mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô giáo bạn để hoàn thiện đồ án Chúng em xin chân thành cảm ơn CHƯƠNG LÝ THUYẾT VÀ GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lý thuyết máy phát điện nguồn điện máy bay - Các thiết bị máy bay sử dụng nguồn điện AC DC có hiệu điện khác Tuy nhiên, chủ yếu hệ thống sử dụng : Nguồn 115V - AC 400Hz Nguồn 28V - DC - Đối với loại máy bay đại ngày nay, nguồn điện cung cấp cho hệ thống nguồn ba pha 120-/208-V 400Hz - Cấu tạo chung máy phát điện bao gồm: + Stator - đưa nguồn AC (ac output) + Từ trường máy phát (rotor): từ trường xoay, với cực cố định + Tốc độ quay từ trường rpm xác định tần số nguồn điện ( rpm:revolutions per minute-vòng phút) - Kiểm soát độ lớn từ trường điều chỉnh độ lớn nguồn điện - Các loại máy phát điện gồm loại sử dụng nay: máy phát điện sử dụng chổi quét (Brush Type) máy phát điện không sử dụng chổi quét (Brushless Type) - Nguyên lý chung : Dòng điện sinh có tần số tính công thức : f=pN/60 f: tần số suất điện động cảm ứng (Hz) p: số cặp cực N: tốc độ quay rotor (vòng/phút) - Máy phát điện xoay chiều pha: cuộn cảm đặt lệch 120 độ - số hình ảnh, cấu hoạt động loại máy phát Brush Type Brushless Type: 1) Brush Type : - Trục quay rotor - Cuộn từ trường kích - Phần ứng kích - Bộ đảo mạch phần kích - Chổi quét vành khuyên - Từ trường quay (rotor) - Stator-phần ứng 2) Brushless Type: - Cấu tạo : bao gồm phần chính: exciter generator ( gồm phần Permanent magnet generator (PMG) diode chỉnh lưu) máy phát điện + Exciter: stator phần từ trường, rotor phần ứng (armature) Dòng AC exciter tạo ra, chạy qua diode chỉnh lưu thành dòng DC cấp cho máy phát + Máy phát : dòng DC nói trên, cấp vào cuộn dây tạo từ trường xoay Phần ứng stator, lấy dòng điện - Chủ yếu máy phát điện máy bay ngày sử dụng loại brushless Type, nguồn xoay chiều ba pha 400Hz Nhưng bên cạnh đó, máy bay có nhiều thiết bị sử dụng nguồn điện chiều Do đó, cần hệ thống chỉnh lưu ổn áp để điều khiển dòng điện Và đề tài nhóm sử dụng Simplorer để mô số mạch chỉnh lưu nguồn pha đơn giản 1.2.Giới thiệu Simplorer : Là phần tự động hóa thiết kế điện tử (EDA) sản phẩm gia đình Ansoft, Simplorer sử dụng cho việc thiết kế điện tử hệ thống đa tên miền, thường áp dụng xe hơi, hàng không / công nghiệp quốc phòng ngành công nghiệp tự động hóa Việc giới thiệu phiên mạnh mẽ, hệ với giao diện tốt cho người dùng, nâng cao khả mô hình hóa, bao gồm đường liên kết tới phần mềm Ansoft, tăng cường tích hợp với bên thứ ba phần mềm mô phỏng, cải tiến hiệu suất máy tính Phần mềm Simplorer làm giảm thời gian kỹ thuật việc lặp lại nguyên mẫu cải thiện hiệu suất thiết kế thiết bị điện, điện tử, điện-điện tử hệ thống điện cơ, chẳng hạn truyền động điện khóa giảm tốc xe ô tô, người máy sử dụng công nghiệp tự động hóa, thiết bị lượng điện tử dùng để kiểm soát chuyển đổi lượng điện Công nghệ Simplorer cho phép kỹ sư mô phỏng,mô hình, phân tích tối ưu hóa hệ thống phức tạp Sử dụng phần mềm có tính mô hình hóa công nghệ đỡ tốt, kỹ sư xây dựng nguyên mẫu tất khía cạnh hệ thống bao gồm điện tử, cảm biến / cấu truyền động, động điện, máy phát điện, biến đổi lượng, phần mềm gắn đóng điều khiển Điều cho phép kỹ sư khảo sát tính hiệu suất hệ thống nhận biết thiết kế tổng thể Kết có giảm mạnh thời gian chi phí trình phát triển, gia tăng độ tin cậy tối ưu hiệu suất hệ thống Lợi phần mềm Simplorer khả tích hợp nhiều mô hình công nghệ tiên tiến Có nhiều thành phần hệ thống phi tuyến tính động, mô hình mẫu với yêu cầu xác sử dụng mô hình hóa kỹ thuật ngôn ngữ mô hình Để xác định đại diện vật lý thành phần hệ thống quan trọng cảm biến cấu truyền động máy móc, yếu tố phân tích hữu hạn phải làm việc Phần mềm Simplorer cung cấp liên kết trực tiếp với ngành công nghiệp hàng đầu Ansoft Maxwell ®, Q3D Extractor ®, RMxprt ™ phần mềm ™ PExprt Những liên kết mở rộng tới Multiphysics ® ™ ANSYS tương lai không xa Kỹ thuật khớp truyền động mô hình kỹ thuật giảm tốc Simplorer cung cấp cho người dùng tính để chuyển đổi cách chi tiết đầy đủ xác mô hình vật lý sản xuất yếu tố hữu hạn gói phần mềm hệ thống mô cao cấp Liên kết Simplorer Maxwell: Ví dụ liên kết mô Simplorer Maxwell động (Motordrive), sử dụng Transient-Transient link - Transient-transient link cho phép trao đổi liệu simplorer Maxwell trình mô phỏng: Maxwell 2D vad 3D dc sử dụng Simplorer Maxwell chạy đồng thời Simplorer chủ, Maxwell giúp đỡ Ở thời điểm xác định, thông số dòng qua cuộn dây (winding currents) góc quay rotor (Rotor angle) chuyển từ Simplorer qua Maxwell, thông số Back EMF Torque (lực kéo) chuyển từ Maxwell sang Simplorer 10 2.1 Three-Phase Rectifier with Resistive/Inductive Load (Chỉnh lưu ba pha với tải điện trở-/cuộn cảm) Gồm nguồn cấp ba pha cầu chỉnh lưu với tải điện trở-cuộn cảm Tín hiệu đầu vào nguồn điện áp biến thiên theo thời gian Diode, tụ điện, điện trở phần tử lý tưởng, diode xác định hàm mũ (exponential function) Số liệu đầu vào: “phải chế lại để mờ lắm” 11 Hình thể mẫu mô với giá trị phần tử cho: Nguồn ba pha, cầu chỉnh lưu diode tĩnh đặc tính chúng, tụ điện phẳng tải điện trở-cuộn cảm: R_A ET1 10mOhm PHASE=0deg L_A D1 D2 D3 R_LOAD 0.3mH 1.2ohm 1mF R_B ET2 10mOhm PHASE=120deg R_C ET3 10mOhm L_B CD 0.3mH L_LOAD 9.5mH L_C 0.3mH PHASE=240deg D4 D5 D6 Đồ thị điện áp nguồn ba pha: ET1.V - ET2.V - ET3.V XY Plot 375.00 Chinhluu1 ANSOFT Curve Info TR1 TR1 250.00 TR1 ET1.V ET2.V ET3.V Y1 [V] 125.00 0.00 -125.00 -250.00 -375.00 0.00 20.00 40.00 Time [ms] 60.00 80.00 100.00 12 Đồ thị điện áp tụ điện: CD.V XY Plot 1000.00 Chinhluu1 ANSOFT Curve Info TR1 CD.V 800.00 CD.V [V] 600.00 400.00 200.00 0.00 0.00 20.00 40.00 Time [ms] 60.00 80.00 100.00 Đồ thị dòng điện chạy qua điện trở tải: R_LOAD.I XY Plot 450.00 Chinhluu1 ANSOFT Curve Info TR1 400.00 R_LOAD.I R_LOAD.I [A] 300.00 200.00 100.00 0.00 0.00 20.00 40.00 Time [ms] 60.00 80.00 100.00 13 2.2 Hysteresis Current-Controlled DC-Motor Start-Up (Động chiều điều khiển dòng trễ) Tương tự phần một, mạch phần điều chỉnh ít, không đáng kể, tải điện trở-cuộn cảm thay thành mô hình máy thực (động chiều vĩnh cửu) So với phần một, mạch mở rộng với hai thành phần trễ: Chopper transistor, freewheeling diode Các phần khác mạch: nguồn ba pha, cầu chỉnh lưu giữ không đổi 2.2.1 Controller Modelling Using Block Elements (Điều khiển sử dụng thành phần khối) Hình thể mẫu mô với giá trị đáp ứng phần tử Nguồn ba pha, cầu chỉnh lưu với diode tĩnh đặc tính chúng, tụ điện phẳng mẫu máy phát chiều Chopper transistor freewheeling diode T R1 D1 D2 D3 ET R_A L_A -207.39V 0deg 10mOhm 0.3mH ET R_B L_B D7 1mF FML_INIT -114.13V 120deg 10mOhm 0.3mH R_C L_C 10mOhm 0.3mH EQU0=LOAD:=0 DCM LOAD M ICA: CD IA ET INPUT =DCM.IA 240deg D4 D5 D6 FML_INIT2 TRANS1 ON ICA: OFF TRANS2 14 Số liệu phần tử: 15 Đồ thị dòng qua máy phát chiều: DCM.IA Current DongCo1 ANSOFT Curve Info 35.00 TR1 DCM.IA 30.00 25.00 DCM.IA [A] 20.00 15.00 10.00 5.00 -0.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 Time [ms] 125.00 150.00 175.00 200.00 Tốc độ quay máy phát chiều: DCM.N Speed 6000.00 DongCo1 ANSOFT Curve Info TR1 DCM.N 5000.00 DCM.N [rpm] 4000.00 3000.00 2000.00 1000.00 0.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 Time [ms] 125.00 150.00 175.00 200.00 16 2.2.2 Controller Modeling Using State Graph Components (Mô hình điều khiển sử dụng đồ thị trạng thái) Sơ đồ mạch: T R1 D1 D2 D3 ET R_A L_A -7.1065e-013V 0deg 10mOhm 0.3mH ET R_B D7 1mF L_B FML_INIT -282.32V 120deg 10mOhm 0.3mH R_C L_C 10mOhm 0.3mH EQU0=LOAD:=0 LOAD M ICA: CD DCM IA ET INPUT =DCM.IA 240deg D4 D5 D6 FML_INIT TRANS1 ON ICA: OFF TRANS2 17 Số liệu phần tử: 18 * State Graph Controller: Đồ thị dòng qua máy phát chiều: DCM.IA Current 25.00 DongCo1 ANSOFT Curve Info TR1 DCM.IA 20.00 DCM.IA [A] 15.00 10.00 5.00 0.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 Time [ms] 125.00 150.00 175.00 200.00 Đồ thị tốc độ quay máy phát chiều: DCM.N Speed 6000.00 DongCo1 ANSOFT Curve Info TR1 DCM.N 5000.00 DCM.N [rpm] 4000.00 3000.00 2000.00 1000.00 0.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 Time [ms] 125.00 150.00 175.00 200.00 19 2.3 Current and Speed Controlled DC Motor (máy phát chiều điều khiển dòng điện tốc độ quay) TR D1 D2 D3 ET1 R_A L_A 10mOhm 0.3mH R_B L_B 10mOhm 0.3mH R_C L_C 10mOhm 0.3mH DCM 0V 0deg ET2 LOAD tY M 1mF 0A 0V 120deg D7 CD LOAD.VAL ET3 240deg D4 D5 D6 CONTR_OUT P_GAIN N GAIN sum1 I_GAIN N_REF CONST LIMITER sum2 GAIN I sum3 LIMIT THRES1=-2.5 THRES2=2.5 VAL1=0 VAL2=1 Y0=1 20 Số liệu phần tử: 21 Đồ thị: LOAD.VAL - DCM.IA - DCM.N XY Plot 1200.00 Simplorer1 TR1 TR1 1000.00 TR1 8.00 LOAD.VAL DCM.IA 25.00 DCM.N 20.00 800.00 15.00 DCM.IA [A] 6.00 600.00 LOAD.VAL DCM.N [rpm] ANSOFT 30.00 Curve Info 10.00 4.00 10.00 400.00 200.00 0.00 2.00 5.00 0.00 0.00 0.00 20.00 40.00 Time [ms] 60.00 80.00 100.00 Kết luận? 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO Aircraft Electrical and Electronic Systems - Principles, operation and maintenance Mike Tooley and David Wyatt, Published by Elsevier Ltd -– 2009 www.ansys.com 23 [...]... Current-Controlled DC-Motor Start-Up (Động cơ một chiều điều khiển bởi dòng trễ) Tương tự như phần một, mạch trong phần này được điều chỉnh ít, không đáng kể, tải điện trở-cuộn cảm được thay thế thành một mô hình máy thực (động cơ một chiều vĩnh cửu) So với phần một, mạch này được mở rộng với hai thành phần trễ: Chopper transistor, và freewheeling diode Các phần khác của mạch: nguồn ba pha, cầu chỉnh lưu...2.1 Three-Phase Rectifier with Resistive/Inductive Load (Chỉnh lưu ba pha với tải điện trở-/cuộn cảm) Gồm một nguồn cấp ba pha và một cầu chỉnh lưu với tải điện trở-cuộn cảm Tín hiệu đầu vào là nguồn điện áp biến thiên theo thời gian Diode, tụ điện, điện trở là các phần tử lý tưởng, diode được xác định bởi một hàm mũ (exponential function) Số liệu đầu vào: “phải chế... ET3.V Y1 [V] 125.00 0.00 -125.00 -250.00 -375.00 0.00 20.00 40.00 Time [ms] 60.00 80.00 100.00 12 Đồ thị điện áp của tụ điện: CD.V XY Plot 2 1000.00 Chinhluu1 ANSOFT Curve Info TR1 CD.V 800.00 CD.V [V] 600.00 400.00 200.00 0.00 0.00 20.00 40.00 Time [ms] 60.00 80.00 100.00 Đồ thị dòng điện chạy qua điện trở tải: R_LOAD.I XY Plot 3 450.00 Chinhluu1 ANSOFT Curve Info TR1 400.00 R_LOAD.I R_LOAD.I [A] 300.00... của các phần tử đã cho: Nguồn ba pha, cầu chỉnh lưu diode tĩnh và các đặc tính của chúng, tụ điện phẳng và tải điện trở-cuộn cảm: R_A ET1 0 10mOhm PHASE=0deg L_A D1 D2 D3 R_LOAD 0.3mH 1.2ohm 1mF R_B ET2 0 10mOhm PHASE=120deg R_C ET3 0 10mOhm L_B CD 0.3mH L_LOAD 9.5mH L_C 0.3mH PHASE=240deg D4 D5 D6 Đồ thị điện áp của nguồn ba pha: ET1.V - ET2.V - ET3.V XY Plot 1 375.00 Chinhluu1 ANSOFT Curve Info TR1... Block Elements (Điều khiển sử dụng thành phần khối) Hình dưới đây thể hiện một mẫu mô phỏng với các giá trị đáp ứng của phần tử Nguồn ba pha, cầu chỉnh lưu với diode tĩnh và các đặc tính của chúng, tụ điện phẳng và mẫu máy phát một chiều Chopper transistor và freewheeling diode T R1 D1 D2 D3 ET 1 R_A L_A -207.39V 0deg 10mOhm 0.3mH ET 2 R_B L_B D7 0 1mF FML_INIT 0 -114.13V 120deg 10mOhm 0.3mH R_C L_C... 2000.00 1000.00 0.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 Time [ms] 125.00 150.00 175.00 200.00 16 2.2.2 Controller Modeling Using State Graph Components (Mô hình điều khiển sử dụng bộ đồ thị trạng thái) Sơ đồ mạch: T R1 D1 D2 D3 ET 1 R_A L_A -7.1065e-013V 0deg 10mOhm 0.3mH ET 2 R_B D7 0 1mF L_B FML_INIT -282.32V 120deg 10mOhm 0.3mH R_C L_C 10mOhm 0.3mH EQU0=LOAD:=0 LOAD M ICA: CD 0 DCM IA ET 3 INPUT =DCM.IA... DCM.N [rpm] 4000.00 3000.00 2000.00 1000.00 0.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 Time [ms] 125.00 150.00 175.00 200.00 19 2.3 Current and Speed Controlled DC Motor (máy phát một chiều điều khiển bởi dòng điện và tốc độ quay) TR D1 D2 D3 ET1 R_A L_A 10mOhm 0.3mH R_B L_B 10mOhm 0.3mH R_C L_C 10mOhm 0.3mH DCM 0 0V 0deg ET2 LOAD tY M 1mF 0 0A 0V 120deg D7 CD LOAD.VAL ET3 0 240deg D4 D5 D6 CONTR_OUT P_GAIN