Mô phỏng mạch vòng dòng sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập và bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động E với ngẫu nhiên và dạng tải quạt gió

Hỡi ae điện- điện tử giúp được ae là niềm hạnh phúc của t, mong ae tham khảo và sử dụng tài liệu thật tốt trong quá trình học tập và công tác của mình.

MỤC LỤC

LỜI GIỚI THIỆU 2

CHƯƠNG I :GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU 3

1.1 Đặt vấn đề 3

1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 3

1.2.1 Phần tĩnh hay phần cảm (stator) 4

1.2.2 Phần quay hay phần ứng (rotor) 6

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

1.4 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 12

1.5 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 13

1.6 Trường hợp điện áp phần ứng không đổi 18

1.7 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập trong vùng gián đoạn của điện áp phần ứng 19

CHƯƠNG II : TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN 22

2.1 KHÁI NIỆM MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN 22

2.1.1 Khái quát chung: 22

2.2 Xây dựng bộ điều khiển dòng điện khi bỏ qua sức điện động của động cơ 24

2.2.1 Cấu trúc điều khiển: 24

2.2.2 Mô hình động cơ 25

2.2.3 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện 27

CHƯƠNG III : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 31

1

LỜI GIỚI THIỆU

Trong những năm gần đây cả nước ta đang bước vào công cuộc côngnghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, sự giáo dục đóng vai trò quan trọng trongcông cuộc này đặc biệt là đào tạo ra đội ngũ có tay nghề cao biết kết hợp chặtchẽ lý thuyết và thực tiễn vào lao động sản xuất

Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện điện tử, công nghệthông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiềutiến bộ mới Tự động hoá quá trình sản xuất đang được phổ biến rộng rĩa trongcác hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Tựđộng hoá không những làm giảm nhẹ sức lao động cho con người mà còn gópphần rất lớn trong việc nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sảnphẩm

Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có thêmnhiều xí nghiệp mới sử dụng kỹ thuật cao, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điệnnhững kiến thức về điện tử công suất, về truyền động điện, điều chỉnh tự độngtruyền động điện, về vi mạch và xử lý trong công tác kỹ thuật hiện tại

Để đáp ứng những nhu cầu khó khăn đó em được giao nhiệm vụ làm đồ

án " Xây dựng cấu trúc mô phỏng mạch vòng dòng điện của hệ truyền động sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi tổng hợp bỏ qua sự ảnh hưởng của sức điện động E với nhiễu ngẫu nhiên và dạng tải quạt gió".

Việc làm đồ án đã giúp em ôn lại phần lý thuyết đã được học ở trường,thực hành trên lớp kết hợp với thực tiễn lao động sản xuất đã giúp em hiểu sâuhơn, biết vận dụng được lý thuyết được học ở trường vào thực tiễn

Đồ án của em gồm có 3 chương, giới thiệu về động cơ một chiều, các

biểu thức tính toán, đưa ra phương án chọn công suất động cơ Vấn đề xây dựng

cấu trúc mô phỏng mạch vòng dòng điện động cơ điện một chiều, phân tích, tínhtoán bộ điều khiển dòng điện Tổng hợp hệ thống truyền động điện động cơ mộtchiều và mô phỏng bằng Simulink

CHƯƠNG I :GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU

1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạogiống nhau Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phầntĩnh) và phần ứng (phần quay)

Các trị số định mức của động cơ điện một chiều

Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điệnmột chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạoquy định Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máygọi là những đại lượng định mức

1 Công suất định mức Pđm (kW hay W)

đó là công suất đưa ra trên đầu trục động cơ

3

Phân loại động cơ điện một chiều

Dựa theo cuộn kích từ, động cơ một chiều có các loại như sau:

- Động cơ một chiều kích từ độc lập

- Động cơ một chiều kích từ song song

- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp

a) Cực từ chính

Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từlồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điệnhay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ cóthể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấnkích từ được quấn bằng dây đồng, và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹthành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dâykích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau như trên (hình 1.1)

Dây quấn phần ứngGông từ

Lõi sắtCực từ phụDay quấn cực từ phụDây quấn cực từ chínhCực từ chính

stato

Hình 1.1 Cực từ chính

b) Cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều.Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ cóđặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắnvào vỏ máy nhờ những bulông

c) Gông từ

Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại Trong máyđiện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm

vỏ máy

d) Các bộ phận khác

Bao gồm:

- Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn

và an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máycòn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường làmbằng gang

- Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi thanbao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp.Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổithan có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khi điềuchỉnh xong thì dùng vít cố định lại

5

1.2.2 Phần quay hay phần ứng (rotor)

Phần ứng của máy điện một chiều còn gọi là rôto, gồm lõi thép, dây quấnphần ứng, cổ góp và trục máy

Hình 1.2 Lá thép rôto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều a) Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn

a) Lõi sắt phần ứng

Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mmphủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáygây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấnvào

Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thônggió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục

Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành nhữngđoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khimáy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vàotrục Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto

có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto, hình 1.2

b) Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong cácrãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín Phần tử của dây quấn làmột bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp củavành góp (hình 1.3a) hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới haicực từ khác tên (hình 1.3b)

c) Cổ góp

Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều Cổ góp gồmnhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến1,2 mm và hợp thành một hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hìnhchữ V ép chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôi

vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và cácphiến góp được dễ dàng như trên (hình 1.4).

Hình 1.4 Cấu tạo cổ góp

1.2.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Trên hình 1.5 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B,trong dây quấn phần ứng có dòng điện Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điệnnằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tácdụng lên rôto, làm quay rôto Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàntay trái (hình 1.5a)

7

Hình 1.5a

Hình 1.5b

Hình1.5b

Hình 1.5 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình 1.5b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảmbảo động cơ có chiều quay không đổi

1.3 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổithì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơđược gọi là động cơ kích từ song song (hình 1- 6)

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phầnứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau (hình 1- 7),lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập

I

KT

-E I

+

-Hình 1-6 Sơ đồ nối dây của động

cơ kích từ song song

Hình 1-7 Sơ đồ nối dây của động

rb : điện trở của cuộn bù

rct : điện trở tiếp xúc của chổi thanSức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

Eư = . K.

a 2

N.p

Trong đó: K =

a2

N.p

 - hệ số cấu tạo của động cơ,

p – số đôi cực từ chính,

N – số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng,

a – số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng,

 - từ thông kích từ dưới một cực từ Wb,

 - tốc độ góc, rad/s Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/ phút) thì:

9

Eư = Ke n (1 - 3)

 =

60

n



Ke =

a.60

N.p

: Hệ số sức điện động của động cơ,

Ke = 0,105K

55,9

RR

K

RR

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động

cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M, nghĩa là Mđt = Mcơ = M

 =

RR

K

U

2 f

Giả thiết phản ứng được bù đủ, từ thông  = const, thì các phương trình đặc tính

cơ điện (1 - 4 ) và phương trình đặc tính cơ (1 - 7) là tuyến tính Đồ thị củachúng được biểu diễn trên (hình 1 - 7)

Theo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có :

oK

IRR

Inm, Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch,

Mặt khác, phương trình đặc tính (1 - 4) và (1 - 7) cũng có thể được viết ởdạng:

M.RK

U

2)

Hình 1- 7 Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ cơ của động

cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Trong đó R = Rư + Rf , o =

KU

)K(

RI

.K

 được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M

1.4 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến trong các

hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều (Đ)

từ vài W đến vài MW Giản đồ kết cấu chung của Đ như hình 1.5, phần ứngđược biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở phần stato có thể

có vài dây quấn kích từ: dây quấn kích từ độc lập CKĐ, dây quấn kích từ nốitiếp CKN, dây quấn cực từ phụ CF và dây quấn bù CB Hệ thống các phươngtrình mô tả Đ thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điềukhiển) thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ Uk; tín hiệu ra thường làtốc độ góc của động cơ ω, mômen quay M, dòng điện phần ứng I, hoặc trongmột số trường hợp là vị trí của rôto φ Mômen tải Mc là mômen do cơ cấu làmviệc truyền về trục động cơ, mômen tải là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệtruyền điện tự động

Hình 1.8 Giản đồ thay thế động cơ một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp uk nào đó thì trong dây quấnkích từ sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ Tiếp đóđặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ códòng điện chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạothành mômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau:

M = I k I

a

N p





.

2

.

'

 (2.1) Trong đó: p’ - số đôi cực của động cơ;

N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ;

a - số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng;

k = p’N/2пa - hệ số kết cấu của máy.a - hệ số kết cấu của máy

Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phầnứng quét qua từ thông và trong các dây dây quấn này cảm ứng sức điện động(sđđ):

E =  

a

N p

2

.

'

(2.2) Trong đó: ω - tốc độ góc của rôto

Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằngđiện áp phần ứng:

U u

 (2.3)Trong đó Rư- điện trở mạch phần ứng của động cơ

Từ các phương trình (1.1) và (1.3) có thể vẽ được họ đặc tính cơ M(ω)của động cơ một chiều khi từ thông không đổi, hình 2



Hình 1.9 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

khi từ thông không đổi

1.5 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được cácphương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 1.5 như sau:

* Mạch kích từ, có hai biến dòng điện kích từ ik và từ thông Φ là phụ thuộc phituyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:

Uk(p) = RkIk(p) + Nk.p.Φ(p) (2.4)

trong đó: Nk - số vòng dây cuộn kích từ;

Rk - điện trở cuộn dây kích từ

p E p p N p U pT

R

N u

Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ mộtchiều như sau:

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc chung của động cơ một chiều

Ta thấy rằng sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh (có khâu phi tuyến), do

đó trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểmlàm việc (phương pháp số gia)

Trước hết chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hoá đoạn đặc tính từhoá và đặc tính mômen tải như hình 2.4

Hình 1.11 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải.

Độ dốc của đặc tính từ hoá và đặc tính cơ mômen tải tương ứng (bỏ quahiện tượng từ trễ) là:

I0, tốc độ quay ωB, điện áp kích từ Uk0, từ thông Φ0, dòng điện kích từ Ik0 vàmômen tải MCB Biến thiên nhỏ của các đại lượng trên tương ứng là: ∆U(p),

∆I(p), ∆ω(p), ∆Uk(p), ∆Ik(p), ∆Φ(p) và ∆MC(p)

Xét cho động cơ kích từ độc lập (NN= 0), khi đó các phương trình có thểviết như sau:

- Mạch phần ứng:

U0 + ∆U(p) = Rư[I0 + ∆I(p)] + pLư[I0 + ∆I(p)] +

+ K[Φ0 + ∆Φ(p)].[ωB + ∆ω(p)] (2.9)

- Mạch kích từ:

Uk0 + ∆Uk(p) = Rk[Ik0 + ∆Ik(p)] + pLk[Ik0 + ∆Ik(p)] (2.10)

- Phương trình chuyển động cơ học:

K[Φ0 + ∆Φ(p)] [I0 + ∆I(p)] - [MB + ∆MC(p)] = Jpp [ωB + ∆ω(p)] (2.11) Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viếtđược các phương trình của gia số như sau:

∆U(p) = Rư∆I(p) + pLư∆I(p) + KΦ0∆ω(p) +K∆Φ(p)ωB (2.12) ∆Uk(p) = Rk∆Ik(p) (1 + pTk) (2.13) K∆Φ(p)I0 +KΦ0∆I(p) - ∆MC(p) = Jp p∆ω(p) (2.14)

Từ các phương trình trên ta suy ra sơ đồ cấu trúc chung đã được tuyếntính hoá của động cơ một chiều kích từ độc lập

15

Sau đây ta xét một số trường hợp đặc biệt của động cơ một chiều kích từđộc lập trong chế độ quá độ.

a) Động cơ kích từ độc lập khi từ thông Φ = const.

Khi dòng điện từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thíchbằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:

/1

p T

R

K

K

.1

Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi

Bằng cách tối thiểu hóa sơ đồ khối ta thu được các sơ đồ cấu trúc thu gọnsau với:

Hệ số khuếch đại của động cơ: Kđ = 1/Cư ,

Hằng số thời gian cơ học: Tc = RưJ/

2 2

( ) ( ) ( )

u c c

T p T

T T P T p

U

Mc

Hình 1.14b sơ đồ cấu trúc thu gọn theo dòng điện1.6 Trường hợp điện áp phần ứng không đổi

Khi giữ điện áp phần ứng không đổi và điều chỉnh điện áp kích từ thì dotính chất phi tuyến của mạch từ nên tốt nhất là sử dụng sơ đồ tuyến tính hoáquanh điểm làm việc Sơ đồ cấu trúc này được thể hiện trên hình 1.12, trong đótín hiệu điện áp phần ứng ∆U(p) = 0 Hàm truyền của động cơ có dạng:

J B

T T

J T

B T J

Ưu điểm: Chỉ điều chỉnh phần công suất rất nhỏ so với công suất định mức của