Mô phỏng điều khiển động cơ DC kích từ độc lập sử dụng phần mềm matlab với mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần

PHẦN MỞ ĐẦU-Lý do chọn đề tài : Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị đơn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KÍCH TỪ ĐỘC LẬP SỬ DỤNG

PHẦN MỀM MATLAB VỚI MẠCH CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA

ĐIỀU KHIỂN TOÀN PHẦN

Mã số lớp HP: PRED410945_16_2_04 GVHD : Trần Quang Thọ

Nhóm thực hiện: Minh-Vinh Học kỳ 2- Năm học 2016- 2017

TP.HCM, tháng 5/ 2017

HỌ TÊN SINH VIÊN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

1 Nguyễn Văn Minh 16342035

2 Hồ Cát Vinh 16342072

Điểm:…………

Nhận xét của GV:

GV ký tên

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 5

PHẦN NỘI DUNG 6

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

1.1.TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 6

1.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều 6

1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 7

1.2 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 8

1.2.1 Đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 8

1.2.2 Mở máy động cơ kích từ độc lập 10

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP .11 1.3.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông 11

1.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng 12

1.3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng 13

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KÍCH TỪ ĐÔC LẬP TRONG MATLAB 16

2.1 Lựa chọn mô hình : 16

2.2 Tìm hiểu cách thức hoạt động của mô hình 17

2.2.1 Thiết bị trong mô hình 17

2.2.2 Mô tả nguyên lý hoạt động: 21

2.2.3 Biểu diễn thay đổi tốc độ động cơ 21

PHẦN KẾT LUẬN 26

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

PHẦN MỞ ĐẦU

-Lý do chọn đề tài :

Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm

vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị đơn giản và

rẻ tiền hơn các thiết bị điều khiển của động cơ ba pha Vì một số ưu điểm như vậycho nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp

- Mục tiêu của đề tài: Trang bị những kiến thức cơ bản về động cơ điện một chiều

kích từ độc lập, cũng như vai trò của mạch chỉnh lưu toàn kỳ trong việc điều khiển

tốc độ động cơ Hiểu được mô hình làm việc của một số mô hình Demo trong

Matlab về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách thức làm việc của động cơ mộtchiều kích từ độc lập

- Phương pháp thực hiện đề tài: Chủ động, tích cực (tìm hiểu và xây dựng mô

hình mô phỏng động cơ, tham khảo tài liệu,…)

 Làm việc theo nhóm (thuyết trình, tranh luận… theo sự phân công củanhóm trưởng)

 Liên hệ chặt chẽ với giảng viên (trực tiếp trên lớp hoặc gián tiếp qua email,điện thoại…)

 Gắn học tập với thực hành mọi lúc, mọi nơi

PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều chia thành 2 phần chính:

Phần tĩnh ( Stato)

Gồm các bộ phận chính sau:

Cực từ chính: là bộphận sinh ra từ trường, gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ

+ Lõi sắt cực từ làm bằng thép kĩ thuật điện dày ( 0,5 –1) mm ép lại và tán chặt

+ Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện

Trong các máy công suất nhỏ, cực từ chính là một nam châm vĩnh cửu

Trong các máy công suất trung bình và lớn, cực từ chính là nam châm điện

- Cực từ phụ: đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện điều kiện làm việc của máy điện

- Lõi thép phần ứng: dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kĩ thuật điện dày0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáygây lên

Trong máy điện nhỏ, lõi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục

Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá roto

Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua

Dây quấn phần ứng thường làm bằng đồng có bọc cách điện

Trong máy điện công suất nhỏ, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện tròn

Trong máy điện công suất vừa và lớn, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện hình chữnhật

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

Cơ cấu chổi than: dùng để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài

1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư.Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực Fđt tác dụng làm cho rôtoquay

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiến gópđổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiềuquay không đổi

Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động Eư Ở động cơđiện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên sức điện đông Eư cònđược gọi là sức phản diện

Phương trình điện áp là

1.2 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch

kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động

cơ kính từ độc lập

Hình 1.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lậpĐộng cơ điện một chiều kích từ độc lập: Cuộn kích từđược cấp điện từ nguồn một chiều độc lập với nguồn điệncấp cho rôto

Đặc tính cơ của động cơ điện là mặt phẳng tọa độ giữa ω với momen ω= f(M)

1.2.1.1 Đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

* Phương trình đặc tính tốc độ tự nhiên:

*Khi không tải: Iư = Ic=0 => (Tốc độ không tải lý tưởng)

*aTN(tự nhiên)= : Hệ số góc (độ dốc)

* Δω=aTN Iu : độ sụt tốc độ

*Eư = KE.Φđm ω : sứt điện động

Với

Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của rôto:

: là hệ số kết cấu của động cơ

P: Số đôi cực từ chính

N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng

a: Số mạch nhánh song song của cuộn ứng

Φđm ≡ I

KTđm

Φ ≡ IKT : từ thông kích từ dưới một cực từ

1.2.1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Phương trình đặc tính cơ nhân tạo:

Phương trình đặc tính cơ tự nhiên:

Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông Φ = const, thì các phương trình đặc tính tốc độ và phương trình đắc tính cơ là tuyến tính Đồ thị của chúng được biểu diễn trên Hình1.2 và Hình 1.3 là những đường thẳng.

Hình 1.2: Đặc tính tốc độ (cơ điện) Hình 1.3: Đặc tính cơ

Theo các đồ thị trên, khi I ư=0, M=0 , ta có:

Tốc độ ωo được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ Đó là tốc độ lớnnhất của động cơ mà không thể đạt được ở chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra trườnghợp Mc = 0

Khi ω = 0 , ta có

Mômen Mnm và Inm gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắnmạch Đó là giá trị mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điệnđầy đủ mà tốc độ bằng 0 Trường hợp này xảy ra khi bắt đầu mở máy và khi động cơđang chạy mà bị dừng lại vì bị kẹt hoặc tải lớn quá kéo không được Dòng điện Inm nàylớn và thường bằng: Inm = (10 ÷20)Iđm

Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tượng tồn tại kéo dài

- Cháy lớp cách điện của dây quấn.

- Cháy dây dẫn điện

Cách 1 :Giảm Uư khi mở máy

Cách 2 : Giữ Uư = Uư đm thì thêm Rf vào mạch phần ứng

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH

TỪ ĐỘC LẬP

Khi xem xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập,

ta đã biết quan hệ ω=f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, RưΣ Sự thay đổi các thông

số này sẽ cho những họ đặc tính cơ khác nhau Vì vậy, với cùng một mômen tải nào đó,tốc độ động cơ sẽ khác nhau ở các đặc tính cơ khác nhau Như vậy, động cơ điện mộtchiều kích từ độc lập có thể được điều chỉnh tốc độ bằng các phương pháp sau đây:

1.3.1 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 của động

cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ Rõ ràng phương pháp này chỉ cho phéptăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa là chỉ có thể giảm dòng điện kích từ (Ikt ≤ Iktđm)

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 đặc tính giảm từ thông như hình1.4:

Hình 1.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từđộc lập bằng phương pháp thay đổi từ thông kích từPhương 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 càng tăng, 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

- Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắt nhau và

do đó, với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm Còn ở vùng tải lớn (M2)tốc độ có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng ở vùngtải không quá lớn so với định mức

- Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ vớidòng kích từ là (1÷10)% dòng định mức của phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp

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

Sơ đồ nguyên lý nối dây như Hình1.5 Khi tăng điện trở phần ứng, đặc tính cơ dốchơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trởmạch phần ứng như Hình1.5

Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng:

- Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càngmềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn

- Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng thêm điện trở).

- Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng cho nên tổn hao côngsuất dưới dạng nhiệt trên điện trở càng lớn

- Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số mômen tải Tải càng nhỏ (M1) thì dải điều chỉnh càng nhỏ Nói chung, phương pháp này cho dải điều chỉnh: D ≈ 5:1

Hình 1.5: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích

từ độc lập bằng phương pháp thay đổi điện trở phần ứng

- Về nguyên tắc, phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi điện trở nhưng

vì dòng rotor lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn Thực tế thường sử dụngchuyển đổi theo từng cấp điện trở

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

Sơ đồ nguyên lý được biểu diễn như trên Hình 1.6 Từ thông động cơ được giữkhông đổi Điện áp phần ứng được cấp từ một bộ biến đổi

Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có các họ đặc tính cơ ứng vớicác tốc độ không tải khác nhau, song song và có cùng độ cứng

Điện áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U<Uđm) nên phương pháp này chỉ

D= ωmax

ωmin

Hình 1.6 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

Hình 1.7: Quá trình thay đổi tốc độ khi điều chỉnh điện áp

Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện pháp thay đổiđiện 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 như nhau Độsụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh Do vậy, sai sốtốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá sai số cho phépcho 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 Uư ≤ Uđm)

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

→ Đây là phương pháp duy nhất có thể điều chỉnh liên tục tốc độ động cơ trong vùng tốc

độ thấp hơn tốc độ định mức đối với động cơ một chiều

⇒ Qua việc xét ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ta thấy phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là triệt để và có nhiều ưu điểm hơn cả nên ta chọn phương pháp này để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KÍCH TỪ

ĐỘC LẬP TRONG MATLAB

2.1 Lựa chọn mô hình :

- Speed Control of a DC Motor using BJT H-Bridge ( Điều khiển tốc độ của động

cơ DC sử dụng BJT Chỉnh lưu cầu H )

- Đường dẫn vào mô hình Demo: MATLAB =>Help => Demos=>

SimPowerSystems=> Demos => Power Electronics Models => Speed Control of a

DC Motor using BJT H-Bridge

2.2 Tìm hiểu cách thức hoạt động của mô hình 2.2.1 Thiết bị trong mô hình

-Thực hiện một linh kiện IGBT song song với một loạt mạch dập RC ( ngăn chặn hậu quả của việc tắt dòng đột ngột )

-Ở trạng thái mở, IGBT có điện trở nội ( Ron ) và cuộn cảm ( Lon)

-Đối với hầu hết các ứng dụng, cuộn cảm phải được đặt ở mức bằng không Ở trạng thái đóng, IGBT có trở kháng vô hạn

D1:

-Thực hiện một linh kiện Diode song song với một

loạt mạch dập RC ( ngăn chặn hậu quả của việc tắtdòng đột ngột )

-Ở trạng thái mở, Diode có điện trở nội ( Ron ) và cuộn cảm ( Lon)

-Đối với hầu hết các ứng dụng, cuộn cảm nội nên được đặt bằng không

-Trở kháng Diode là vô hạn ở chế độ trạng thái đóng

Thực hiện một máy điện một chiều (từ trường quay hoặc nam châm vĩnh cửu).Đối với DC từ trường quay, đường dẫn được cấp đến vùng kết nối vì thế máy điện được xem như kích từ độc lập , đấu song song hoặc nối tiếp máy điện một chiều.

Bus

Khối này chấp nhận bus như là đầu vào cóthể được tạo ra từ người dùng và lựa chọnbus hoặc xác định đầu ra của nó bằng cách

sử dụng đối tượng bus Bên trái bus thể hiệncác tín hiệu đầu vào Sử dụng các nút Select

để chọn tín hiệu đầu ra Bên phải bus thể hiệncác lựa chọn Sử dụng nút nhấn Up, Down,hoặc Remove để sắp xếp lại các lựa chọn.Kiểm tra ' Đầu ra như bus ' để xuất tín hiệuđơn

Chọn công suất

động cơ

Lựa chọn các tín

hiệu truyền

Màn hình hiển thị phạm vi hoạt động của dòng chảy IGBT và Diode.

Màn hình hiển thị phạm vi hoạt động của tốc độ quay của động cơ ( vòng/phút), dòng ứng(A) và tải moment (N.m)

2.2.2 Mô tả nguyên lý hoạt động:

Bipolar Junction Transistor (BJT) được sử dụng cho các ứng dụng về bộ chuyển mạch công suất,hoạt động như một IGBT Khi đang tiến hành (BJT hoạt động ở vùng bão hoà), một điện áp thuận Vf được khai triển giữa bộ thu và bộ phát (trong khoảng 1 V) Do đó khối IGBT có thể được sử dụng để mô hình hóa các thiết bị BJT

Khối IGBT không mô phỏng dòng cổng điều khiển BJT hoặc IGBT Việc chuyển đổi được điều khiển bởi một tín hiệu mô phỏng (1/0) Động cơ DC sử dụng mô hình đặt sẵn trước (5 HP 240V 1750 rpm) Nó mô phỏng một loại quạt tải (trong đó Moment tải là tỷ

lệ thuận với bình phương tốc độ ) Điện áp trung bình có thể thay đổi từ 0 đến 240 V khi chu kỳ làm việc (quy định trong khối Máy phát xung) dao động từ 0 đến 100%

Cầu H bao gồm bốn cặp BJT / Diode (BJT mô phỏng theo mô hình IGBT) Hai transistorsđược bật đồng thời: Q1 và Q4 hoặc Q2 và Q3 Khi Q1 và Q4 được kích hoạt, dòng điện trong mạch có thể chạy từ nguồn Vcc đến Q1, qua động cơ đến Q4 để về GND Lúc này, động cơ quay theo chiều thuận và diode D2-D3 hoạt động như diode quay tự do khi Q1 vàQ3 tắt Khi Q2 và Q3 được kích hoạt, dòng điện trong mạch có thể chạy từ nguồn Vcc đến Q2, qua động cơ đến Q3 để về GND Lúc này, động cơ quay theo chiều ngược và diode D1-D4 hoạt động như diode quay tự do khi Q2 và Q3 tắt

2.2.3 Biểu diễn thay đổi tốc độ động cơ

Mô hình cho phép ta điều khiển tốc động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp

Điện áp trung bình có thể thay đổi từ 0 đến 240 V khi chu kỳ làm việc (quy định trong khối Máy phát xung) dao động từ 0 đến 100%

Trường hợp 1: Động cơ bắt đầu theo chiều dương với chu kỳ hoạt động là 75% (điện áp

DC trung bình là 180V) Tại t = 0.5 giây Điện áp phần ứng đột ngột đảo ngược và động

cơ chạy theo hướng âm