động cơ điện đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu

mô phỏng động cơ điện đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu có thông số:Pđm= 2200 W_Uđm= 380 V_Số cặp cực Pc= 2_Tốc độ nđm= 1430 vòngphút_Điện trở stator Rr= 0,877 Ω_Điện trở rotor Rr= 1,47 Ω_Điện cảm tương hỗ Lm= 0,001608 H_Mômen quản tính J= 0,015 Kgm2_Điện cảm dò phía stator Lσs= 0,004342 H_Điện cảm dò phía sator Lσr= 0,004342 H

Mục lục

Chương 1: Tổng quan về máy điện đồng bộ………2

1.1 Cấu tạo máy điện đồng bộ………2

1.2 Nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ………4

1.3 Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu (PMSM)……….…5

Chương 2: Xây dựng mô hình máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu… …….8

2.1 Khái quát chung về các phương trình cơ bản trong hệ toạ độ αβ……… … 8

2.2 Biến đổi hệ toạ độ các phương trình toán của MĐĐB trong hệ toạ độ dq… 10

Chương 3 Mô phỏng các đặc tính của máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu dùng simulink……….13

3.1 Lựa chọn các thông số cho mô phỏng dùng simulink………15

3.2 Mô phỏng các đáp ứng cụ thể của máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu….16 3.3 Nhận xét về kết quả thu được……….….20

Kết luận

Tài liệu kham khảo

Chương 1 Tổng quan về máy điện đồng bộ

1.1 Cấu tạo máy điện đồng bộ

Máy điện đồng bộ gồm hai bộ phận chính là stator và rotor

1.1.1 Startor

Tương tự như của động cơ không đồng bộ, stator gồm có lõi thép và dâyquấn Dây quấn stator gọi là dây quấn phần ứng Lõi thép làm bằng vật liệu sắt từtốt, nghĩa là có từ trở nhỏ và điện trở suất lớn Loại vận tốc chậm có chiều dài dọctrục ngắn; còn loại vận tốc nhanh chiều dài dọc trục lớn qấp đường kính nhiều lần.Ngoài ra, trong stator còn có hệ thống làm mát (nước ,khí hydro)

Đường kính D của rotor cực lồi có thể lớn tới 15m trong khi chiều dài l lạinhỏ, với tỷ lệ l/D = 0,15→0,2

Rotor của máy điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thépđược chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối trụ trên mặt

có đặt các cực từ Ở các máy lớn, lõi thép được hình thành bởi các tấm thép dày1→ 6 mm được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ

Hình 1.1- Cực từ rotor máy điện đồng bộ cực lồi

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần, tiết diện chữ nhật quấn theochiều mỏng thành từng cuộn dây Cách diện giữa các vòng dây là các lớp micahoặc amiăng.

Dây quấn cảm ứng (trường hợp máy phát đồng bộ) hoặc dây quấn mở máy ( trường hợp động cơ đồng bộ) được đặt trên các đầu cực Các dây quấn nà giốngnhư dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằng cácthanh đồng đặt vào rãnh các đầu cực và được nối bởi hai vòng ngắn mạch

Trục của máy cực lồi có thể đặt nằm ngang như ở các động cơ đồng bộ, máy

bù đồng bộ, máy phát điện diesel hoặc máy phát tuabin nước công suất nhỏ và tốc

độ quay tương đối lớn (khoảng trên 200 vòng/phút) Ở trường hợp máy phát tuabinnước công suất lớn ,tốc độ chậm, trục máy được đặt thẳng đứng theo hai kiểu: kiếutreo và kiểu dù

1.2 Nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ

1.2.1 Máy phát đồng bộ

Khi cho dòng điện kích từ (dòng điện không đổi) vào dây quấn kích từ sẽtạo nên từ trường roto Khi quay rotor bằng động cơ sơ cấp, từ trường của rotor sẽcắt dây quấn phần ứng stator và cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin, có trịhiệu dụng:

Hình 1.2- Nguyên lý làm việc của máy phát đồng bộ

Nếu rotor có p đôi cực, khi rotor quay n vòng/phút , thì tần số sức điện độngsinh ra trong các cuộn dây ax, by, cz la :

f = n.p/60 (Hz)Dây quấn 3 pha stator có trục lệch nhau trong không gian 1 góc 1200 Khidây quấn sator nối với tải, trong các dây quấn sẽ có dòng điện 3 pha giống như ởmáy điện không đồng bộ, dòng điện 3 pha trong dây quấn sẽ tạo nên từ trườngquay với tốc độ đồng bộ n1 = 60f / p đúng bằng tốc động n của rotor

1.2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ

Vì dây quấn stator của động cơ đồng bộ cũng giống như động cơ khôngđồng bộ nên khi cung cấp cho stator một hệ thống dòng điện 3 pha cân bằng, tađược một từ trường quay 2p cực và quay với tốc độ đồng bộ

n1 = 60f / p (vòng/phút)Khi cho dòng một chiều vào dây quấn rotor, rotor biến thành một nam châmđiện

Hình 1.3- Sự tạo thành mômen quay trong động cơ đồng bộ

Nếu rotor đang đứng yên thì cực S của rotor bị cực N của stator kéo theo và

nó có khuynh hướng quay theo chiều quay của từ trường sator Nhưng do quán tính

và do cực N của stator quét nhanh quá, kết quả là rotor không quay được

Tuy nhiên nếu ta có biện pháp để cho rotor quay trước với vận tốc đồng bộthì các cực rotor sẽ bị khoá chặt vào các cực của sator trái dấu Lúc không tải ,trụccủa chúng trùng nhau (θ = 0) Lúc có tải, trục của rotor đi chậm sau trục từ trườngstator một góc θ càng lớn, nhưng cả hai cùng quay với vận tốc đồng bô

1.3 Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu (PMSM)

1.3.1 Cấu tạo

Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu cấu tạo cũng giống như máy điệnđồng bộ thông thường, tuy nhiên ở máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu thì rotorbao gồm những phiến nam châm nghép lại với nhau, từ đó ta có từ trường rotor là

từ trường không đổi

1.3.2 Nguyên lý làm việc

PMSM làm việc dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của cuộn stator

và từ trường của nam tram vĩnh cửu đặt trên rotor tạo nên Khi số đôi cực của từtrường stator và rotor như nhau, vận tốc quay của các từ trường bằng nhau(chế độ

đồng bộ), thì xuất hiện lực kéo điện từ giữa cực từ của của stator và rotor hìnhthành momen điện từ.

Hình 1.4- Mô hình động cơ đồng bộ 3 pha với rotor có cấu trúc cực lồi

Hình 1.5- Mô hình động cơ đồng bộ 3 pha với rotor có cấu trcú cực ẩn

Sự khác nhau cơ bản giữa ĐCKĐB và ĐCĐB là sự khác nhau trongphương thức sản sinh ra từ thông rotor Từ thông rotor của ĐCKĐB được tạo nênbởi dòng kích từ isd, một thành phần của dòng stator, còn tù thông rotor của ĐCĐBhoặc được tạo lên bởi một cuộn kích từ biệt lập với các cuộn dây stator, hoặc bởicác phiến nam trâm vĩnh cửu bố trí đều đặn trện bề mặt rotor, vì lý do đó dòng điệnstator chỉ còn chứa dòng điện tạo momen quay isd và không còn dòng kích từ nàonữa ĐCĐB sử dụng cuộn kích từ biệt lập có cấu trúc cơ học hình 1.1 (còn đượcgọi là động cơ đồng bộ cực lồi) , loại kích thích bởi nam tram vĩnh cửu hình 1.2( còn được gọi là ĐCĐB cực tròng hay ẩn)

Chương 2 Xây dựng mô hình máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu

2.1 Khái quát chung về các phương trình cơ bản trong hệ toạ độ α,β

2.1- Mô hình đơn giản của động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc

Vector từ thông rotor ψf

p (chỉ số p: viết tắt của Pol , nghĩa là cực) chỉ cóthành phần thực ψp, do trục thực d đi qua trục của chính vector ψf

Ta có một số chú ý khi chuyển sang mục kế tiếp như sau:

_Do luôn tồn tại một hưỡng xác định của từ thông rotor nên đối với ĐCĐB

ta chỉ sử dụng phương pháp mô tả toán học thu được trên cơ sở các quan sát từ hệtoạ độ dq Điều đó thể hiện ở chỉ số “f” viết nhỏ ở phía trên bên tay phải các đạilượng mô tả

_Khác với ĐCKĐB, đối với ĐCĐB ωs trong phương trình 2.1b cũng chính

là ω trong phương trình 2.1f Nhờ phương pháp T4R, đặc điểm đồng bộ giữa tốc độgóc ωs của vector điện và tốc độ góc cơ học ω của rotor luôn được bảo đảm trongmọi chế độ làm việc của động cơ Đây là điểm khác nhau so với truyền động cổđiển.Trong truyền động đồng bộ cổ điển, tích đồng bộ chỉ đạt được sau quá trìnhkhởi động nhờ cuộn dây khởi động

_Trong ĐCKĐB, điện cảm stator Ls là không đổi do kết cấu tròn đều củarotor, do khoảng cách khe từ giữa rotor và stator có thể được coi là cố định.Điều đókhông thỏa mãn đối với ĐCĐB Quan sát loại cực lồi ta sẽ thấy rằng khe từ giữarotor và stator tại đỉnh cực (vị trí trục d) bé hơn rất nhiều so với khe tại vị trí trục

q Điều đó dẫn đến các trị số điện cảm stator khác nhau khi đó với các vị trí khácnhau của rotor

Lsd điện cảm stator đo ở đỉnh cực (vị trí trục d)

Lsq điện cảm stator đo ngang cực (vị trí trục q)

Ngay cả đối với loại cực ẩn cũng vậy, các phiến nam trâm vĩnh cửu được

bố trí đều trên bề mặt rotor Do giá thành và công nghệ gia công chi phối, nhà chếtạo chỉ có thể bố trí một lượng hữu hạn phiến, điều đó dẫn đến khe từ ở vị trí giữaphiến (vị trí đỉnh cực ,vị trí trục d ) bé hơn khe từ ở vị trí tiếp giáp giữa hai phiến(vị trí trục q) Tuy sự chênh lệch của loại cực ẩn không lớn như loại cực lồi, kinhnghiệm thực tiễn cho thấy rằng chất lượng truyền động được nâng lên rất nhiều nếunhư sự chênh lệch ấy được tính đến một cách đầy đủ trong mô hình Đây cũngchính là một trong những ưu điểm của các phương pháp sau này Chúng ta có thể

thấy rõ tương quan thực tế sau đây: Lsd > Lsq ,trong đó sự chênh lệch định lượng tuỳthuộc vào từng loại động cơ cụ thể.

2.2 Biến đổi hệ toạ độ các phương trình toán của MĐĐB trong hệ toạ độ dq

a Sau khi đã xét đến sự khác biệt của điện cảm stator trên hai trục d và q ta có thể

viết lại pt (2.1d) như sau:

Trong hai hệ phương trình (2.2ab) và(2.2cd), phần tử của các véctơ is, us và

ψs đã được định nghĩa trong quá trình biến đổi hệ tọa độ không gian Hệ pt (2.2cd)

có thể được viết lại dưới dang hệ phương trình trạng thái sau đây

= – i sd +ω s i sq + u sd (2.2e) = – ωs isd – isq + usq – ωs (2.2f)

Trong đó : Tsd = Lsd /Rs hằng số thời gian trục d của mạch stator

Tsq = Lsq/Rs hằng số thời gian trục q của mạch stator

So sánh với phương trình ta dễ dàng nhận thấy ưu thế của ĐCĐB so vớiĐCKĐB: do đặc điểm kích thích vĩnh cửu, hệ (2.2) bớt đi hai phương trình tửthông rotor và do đó vector trạng thái đơn giản đi hai chiều so với ĐCKĐB

Thay các phần tử của vector is, ψs vào phương trình (2.1e) ta có mô men quay củađọng cơ

Hai cách viết của mM trong (2.2h) và (2.2i) cho phép ta rút ra hai nhận xét sau đây:

Phương trình (2.2h) chỉ ra rõ ràng, mômen quay của ĐCĐB bao gồmhaithành phần: thành phần chính với tích ψpisq và thành phần phản kháng do sự chênhlệch điện cảm stator (Lsd – Lsq # 0) gây ra Trong mọi chế độ vận hành, ĐCĐB phảisản sinh một thành phần mômen phụ để bù thành phần phản kháng Thành phầnphản kháng tồn tại một cách rõ ràng và không bỏ qua được đối với các loại cựclồi Đối với loại cực ẩn, thành phần đó đã bị bỏ qua không tính đến trong cácphương án điều khiển điều chỉnh kinh điển Việc bỏ qua đó có xuất xứ từ quanđiểm cũ cho rằng: kiểu cực ẩn có kết cấu hình học tròn đều lý tưởng và vì vậy cóthể coi Lsd = Lsq Việc bỏ qua đó giúp làm đơn giản hoá hệ thống điều chỉnh và trênthực tế có thể chấp nhận được trong dải tốc đọ quay cơ sở ,là là dải tốc độ quay béhơn tốc độ danh định, bởi trong dải đó isd = 0 Ngược lai, ở dải tốc độ trên danhđịnh, để thu thêm được điện áp điều chỉnh ta phải giảm biên độ từ thông rotor(vĩnh cửu) bằng cách bơm thêm vào trục d một thành phần dòng isd<0, ĐCĐB lúcnày được vận hành ở chế độ giảm từ thông và dòng isd sẽ có biên độ lớn tăng tỉ lệthuận với tốc độ quay rotor Điều đó dẫn đến thành phần mômen phản kháng cókhả năng đạt được biên độ đánh kể không thể bỏ qua

b Cách biểu diễn trong (2.2i) với ψp/Lsd cho thấy rõ tương quan giữa hai loại kíchthích:

_Đối với loại (cực lồi) kích thích độc lập bằng dòng một chiều, ψp/Lsd chính

là dòng kích thích, để vận hành ở chế độ giảm từ thông ta chỉ việcgiảm dòng kíchthích đó và vẫn giữ nguyên isd = 0

_Đối với loại (cực ẩn,cực tròn) kích thích bởi nam trâm vĩnh cửu với từthông ψp và điện cảm stator Lsd dọc theo trục d, tỷ lệ ψp/Lsd chính là dòng kích thíchtương ứng được dùng thay thế trong tính toán Tỷ lệ đó cho biết kích cỡ của dòng

isd<0 dùng ở chế độ giảm từ thông của ĐCĐB

Từ các phương trình (2.2e) và (2.2f) ta tiến hành xây dựng mô hình máyđiện đồng bộ kích thích vĩnh cửu, căn cứ từ đó ta có thể xây dựng được mô hìnhthực tế trên phần mềm mô phỏng simulink

Hình 2.2- Mô hình toán máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Chương 3 Mô phỏng các đặc tính của máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu dùng simulink

Khái quát về Matlab và Simulink:

A Matlab và các công cụ toán học

MATLAB là một bộ chương trình lớn của lĩnh vực toán số Tên bộ chươngtrình chính là chữ viết tắt từ MATrix LABoratory, thể hiện định hướng chính củachương trình là các phép tính vectơ và ma trận Phần cốt lõi của chương trình baogồm một số hàm toán, các chức năng xuất/nhập cũng như các khả năng điều khiểnchu trình mà nhờ đó ta có thể xây dựng các Scripts

Phần mềm matlab giành cho sinh viên được nhà sản xuất cung cấp free cócác toolbox liên quan tới Điều khiển và tự động hóa như: Control System Toolbox,Signal Processing Toolbox, Optimization Toolbox, Stateflow Blockset, PowerSystem Blockset, Real Time workshop và Simulink SIMULINK là một toolbox cóvai trò đặc biệt quan trọng: Vai trò của một công cụ mạnh phục vụ mô hình hóa và

mô phỏng các hệ thống các kỹ thuật Kỹ thuật – Vật lý trên cơ sở sơ đồ cấu trúcdạng khối Cùng với SIMULINK, Stateflow Blockset tạo cho ta khả năng mô hìnhhóa và mô phỏng các automat trạng thái hữu hạn

B Công cụ Simulink

SIMULINK là phần chương trình mở rộng của matlab nhằm mục đích môhình hóa, mô phỏng và khảo sát các hệ thống động học Giao diện đồ họa trên mànhình của simulink cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khốichức năng quen thuộc Simulink cung cấp cho người sử dụng một thư viện rấtphong phú, có sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính phituyến và gián đoạn Hơn thế người sử dụng có thể tạo nên các khối riêng của mình

Sau khi đã xây dựng mô hình của hệ thống cần nghiên cứu, bằng cách ghépcác khối cần thiết thành sơ đồ cấu trúc của hệ, ta có thể khởi động quá trình môphỏng Trong quá trình mô phỏng ta có thể trích tín hiệu tại vị trí bất kỳ của sơ đồ

cấu trúc và hiển thị đặc tính của tín hiệu đó trên màn hình Hơn thế nữa nếu có nhucầu ta có thể cất giữ các đặc tính đó vào môi trường nhớ Việc nhập hay thay đổicác tham số của tất cả các khối cũng có thể được thực hiện rất đơn giản bằng cáchnhập trực tiếp hay thông qua MATLAB Để khảo sát hệ thống, ta có thể sử dụgthêm các toolbox như Signal Processing (xử lý tín hiệu), Optimization (tối ưu )hay Control System (hệ thống điều khiển)

Dưới đây em sẽ trình bày các đặc điểm cơ bản của simulink, với cách thứctạo nên và xây dựng một chương trình mô phỏng máy điện đồng bộ kích từ vĩnhcửu Thêm vào đó là các thư viện và các block đựoc sử dụng trong quá trình môphỏng

Tích phân Cộng Nhân mux

Demux

Hiển thị

Chuyển dổi điện áp

3.1 Lựa chọn các thông số cho mô phỏng dùng simulink

Ta có các thông số đầu bài cho như sau:

_Điện cảm dò phía stator Lσs= 0,004342 H

_Điện cảm dò phía sator Lσr= 0,004342 H

Từ các thông số trên ta sẽ tính toán các thông số còn lại dùng trong mô phỏng:

Ls= Lσs + Lm= 0,004342 + 0.001608= 0.00595 H

Lr= Lσr + Lm= 0.004342 + 0.001608= 0.00595 H

3.2 Mô phỏng các đáp ứng cụ thể của máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu

3.2.1 Mô hình máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu :

Tham số của khối nguồn sin dùng trong mô phỏng:

Hình 3.1- Mô hình máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu trên simulink

3.2.2 Đáp ứng tốc độ của mô hình PMSM trên simulink

3.2.3 Đáp ứng momen

3.2.4 Dòng điện kích từ isd

3.2.5 Dòng điện tạo momen quay

3.3 Nhận xét về kết quả thu được

Từ kết quả mô phỏng ta đưa ra các nhận xét như sau:

Tốc độ của PMSM đạt xác lập rất nhanh, điều này khẳng định ưu thế so vớimáy điện một chiều Mặc đù đó mới chỉ là đối tượng

Xét đến sự ảnh hưởng của momen cản mT, nếu ta cho giá trị momen cảnbằng 0 (mT = 0) thì dòng tạo ra mômen động cơ isq sẽ bằng không, điều này dẫn tới

mM cũng bằng 0

Do cấu tạo đặc biệt của máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu: rotor baogồm các phiến nam trâm được đặt quanh rotor cho lên từ thông rotor luôn khôngđổi

Cũng do cấu tạo đặc biệt này cho lên dòng kích từ isd vẫn tồn tại ngay cả khi

mM= 0

Từ các đáp ứng trong quá trình mô phỏng trên ta nhận thấy kết quả tương tựnhư trong thực tế, căn cứ vào kết quả này ta có thể áp dụng để tính toán lên bộ diềukhiển và điều chỉnh sau này