Ứng dụng matlab khảo sát một số chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

MỞ ĐẦU Động điện chiều giữ vị trí quan trọng công nghiệp giao thông vận tải, thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi lớn: máy cán thép, máy cơng cụ lớn Nó đƣợc dùng làm động hay máy phát điện nhiều điều kiện làm việc khác Nó có nhiều ƣu điểm vƣợt trội so với loại động khác là: điều chỉnh, thay đổi tốc độ khả làm việc điều kiện q tải, điều chỉnh rộng xác, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lƣợng cao Matlab thực phƣơng tiện hữu hiệu, cho phép nhân khả ngƣời lĩnh vực học tập nghiên cứu ứng dụng khoa học kỹ thuật lên nhiều lần MATLAB có đầy đủ đặc điểm máy tính cá nhân máy tính đại nhất, cho phép biểu diễn liệu dƣới nhiều dạng nhƣ: biểu diễn thông thƣờng, ma trận đại số, hàm tổ hợp thao tác với liệu thƣờng nhƣ ma trận Với đặc điểm khả thân thiện với ngƣời sử dụng nên dễ dàng sử dụng ngơn ngữ khác Nó cung cấp mơi trƣờng phong phú cho biểu diễn liệu, có khả mạnh mẽ đồ hoạ phải kể đến khả mơ mạnh Simulink Mô số chế độ làm việc động chiều nhằm mục đích trang bị cho khả thiết kế tiến hành thí nghiệm động cơ, có điều kiện phân tích giải thích liệu từ kết mơ chọn đƣợc chế độ làm việc tốt động tải định từ mang lại hiệu kinh tế cao Vì việc thực đề tài “Ứng dụng Matlab Simulink khảo sát số chế độ động điện chiều kích từ độc lập” cần thiết Mục tiêu nghiên cứu - Mơ động chiều kích từ độc lập Matlab Simulink - Vẽ khảo sát đáp ứng theo điều kiện làm việc khác - Nhận xét các đặc tính động chiều Đối tƣợng nghiên cứu - Động chiều kích từ độc lập, Matlab Simulink Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu đề tài ứng dụng Matlab Simulink để xây dựng đƣợc sơ đồ mơ đƣợc đặc tính làm việc động chiều kích từ độc lập có thông số Pđm = 2HP; nđm = 500 v/ph; Uđm = 230V; Iƣ = 8,5A; Rƣ = 3Ω; Lƣ = 12mH; J = 1,2kg.m2 Bố cục khóa luận Chƣơng 1: Giới thiệu động điện chiều kích từ độc lập Mơ hình tốn động chiều kích từ độc lập Chƣơng 2: Giới thiệu phần mềm matlab/simulink Chƣơng 3: Ứng dụng Matlab Simulink xây dựng mơ hình mơ số chế độ làm việc động chiều kích từ độc lập Do thời gian, nguồn tài liệu trình độ cịn hạn chế nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót Kính mong dẫn góp ý thầy cô bạn Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Nguyễn Văn Bình MỤC LỤC MỞ ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP VÀ PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 1.1 Cấu tạo động chiều 1.1.1 Stato 1.1.2 Roto 1.2 Nguyên lý hoạt động động điện chiều 1.3 Phân loại động điện chiều 1.4 giới thiệu phần mềm matlab/simulink 1.4.1 matlab 1.4.2 Một số kiến thức Simulink sử dụng mô động chiều kích từ độc lập 20 1.4.3 Thƣ viện Sinks 26 1.4.4 Thƣ viện Signals Subsystems 28 1.4.5 Thƣ viện Continuous 29 1.4.6 Khối Atomic Subsystem 30 1.4.7 Soạn thảo sơ đồ mô Simulink 31 CHƢƠNG ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 33 2.1 Đặc tính động điện chiều 33 2.1.1 Các phƣơng trình động điện chiều 33 2.1.2 Động điện chiều chế độ xác lập 34 2.1.3 Động điện chiều chế độ độ 35 2.2 Các phƣơng pháp điều khiển động chiều kích từ độc lập 36 2.2.1 Điều khiển tốc độ cách thay đổi điện trở phần 36 2.2.2 Điều khiển tốc độ động cách thay đổi điện áp phần ứng 37 2.2.3 Điều khiển tốc độ cách thay đổi từ thông 40 CHƢƠNG ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG MỘT SỐ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 41 3.1 Các bƣớc mô động chiều kích từ độc lập Simulink 41 3.2 u cầu mơ động chiều kích từ độc lập 41 3.3 Xây dựng mơ hình động DC Matlab 41 3.4 Mô động DC Matlab Simulink 42 3.5 Xuất kết 47 3.5.1 Điện áp từ thông định mức 48 3.5.2 Điện áp 50% định mức, từ thông định mức 49 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: hình ảnh stator động điện chiều Hình 1.2: hình ảnh roto động điện chiều Hình 1.3 Mơ định luật lực điện từ Hình 1.4 Mơ hình đơn giản động điện chiều Hình 1.5 Phân loại động điện chiều theo kích từ Hình 1.6 Các cửa sổ Matlab Hình 1.7 Cửa sổ Publish 11 Hình 1.8 Đồ thị hình sin với bề rộng đƣờng point chiều cao điểm point 13 Hình 1.9 Đồ thị có điền tên đồ thị, tên trục tọa độ ghi vào đồ thị 15 Hình 1.10 Đồ thị hàm phức 16 Hình 1.11 Đồ thị hàm f(x) vẽ lệnh fplot 17 Hình 1.12 Đồ thị hai hàm số đƣợc vẽ hệ trục tọa độ lệnh fplot 17 Hình 1.13 Đồ thị hàm sinx với hàm ezplot 18 Hình 1.14 Xếp chồng đồ thị lệnh hold on 19 Hình 1.15 Cửa sổ lệnh subplot tạo 20 Hình 1.16 Cửa sổ thƣ viện Simulink 21 Hình 1.17 Cửa sổ thƣ viện Math Operations 22 Hình 1.18 Hộp hội thoại khai báo khối Sum 22 Hình 1.19 Hộp hội thoại khai báo khối Product 23 Hình 1.20 Hộp hội thoại khai báo khối Gain 24 Hình 1.21 Các khối chức thuộc thƣ viện Sources 24 Hình 1.22 Hộp hội thoại khai báo khối Step 25 Hình 1.23 Hộp hội thoại khai báo Constant 26 Hình 1.24 Các khối chức thƣ viện Sink 26 Hình 1.25 Cửa sổ Scope (a) hộp hội thoại khai báo khối Scope (b) 27 Hình 1.26 Các chức cửa sổ Scope 27 Hình 1.27 Hộp hội thoại khai báo khối Mux (a) Demux (b) 29 Hình 1.28 Hộp hội thoại khai báo khối Integrator 30 Hình 1.29 bên khối Atomic Subsystem 31 Hình 1.30 Định dạng khối Simulink 32 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý (a) sơ đồ thay (b) động điện chiều kích từ độc lập 33 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý động chiều kích từ độc lập 34 Hình 2.3 Sơ đồ mạch 36 Hình 2.4 Sơ đồ nối dây 37 Hình 2.5 Đồ thị điều khiển tốc độ động cách thay đổi điện áp phần ứng 38 Hình 2.6 Đồ thị trình thay đổi điên áp phần ứng 38 Hình 2.7 Sơ đồ nối dây 40 Hình 3.1 sơ đồ mơ động chiều kích từ độc lập 42 Hình 3.2 thiết lập giá trị cho khối transfer Fcn 44 Hình 3.3 mơ hình động DC 45 Hình 3.4 đƣợc sơ đồ khối động DC Simulink 45 Hình 3.5 kết mô 47 Hình 3.6 kết mô Điện áp từ thông định mức 49 Hình 3.7 kết mô Điện áp 50% định mức, từ thông định mức 51 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP VÀ PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 1.1 Cấu tạo động chiều Cấu tạo động chiều gồm có: Phần cảm (stato); phần ứng (Roto); hệ thống chổi than, vành góp 1.1.1 Stato Là phần đứng yên máy, gồm phần sau: Cực từ chính, cực từ phụ, gơng từ, phận khác - Cực từ chính: Là phận sinh từ trƣờng, gồm: + Lõi sắt làm thép kĩ thuật điện (thép cacbon) dày từ 0.5-1 mm, đƣợc ép tán chặt lại + Dây quấn kích từ: quấn dây đồng có bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện kĩ thành khối, đựơc tẩm sơn cách điện trƣớc đặt lên cực từ - Cực từ phụ: Đặt cực từ với tác dụng cải thiện đổi chiều, gồm: + Lõi thép: làm thép khối + Dây quấn: làm đồng, có bọc cách điện, cuộn dây đƣợc bọc cách điện tạo thành khối đƣợc tẩm sơn cách điện trƣớc đặt lên cực từ phụ - Gông từ: Gông từ đƣợc dùng làm mạch từ nối liền cực từ đồng thời làm máy - Các phận khác bao gồm: + Nắp máy có tác dụng bảo vệ máy đảm bảo an toàn vận hành + Cơ cấu chổi than: Đƣa dòng điện từ phần quay ngồi, gồm chổi than đặt hộp chổi than nhờ lị xo tỳ chặt lên cổ góp Hình 1.1: hình ảnh stator động điện chiều 1.1.2 Roto Là phần quay động cơ, bao gồm: Lõi sắt phần ứng; dây quấn phần ứng; cổ góp; phận khác - Lõi sắt phần ứng: Có tác dụng dẫn từ, đƣợc làm từ thép kĩ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0.5mm đựơc phủ cách điện mỏng mặt ép chặt để giảm tổn hao dịng điện xốy - Dây quấn phần ứng: Có tác dụng sinh sức điện động có dịng điện chạy qua Nó đƣợc làm dây đồng có bọc cách điện, đƣợc quấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép - Cổ góp: Cổ góp cịn gọi vành góp hay vành đảo chiều, Dùng để đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều - Các phận khác bao gồm: + Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy + Trục máy: Là phận đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt, ổ bi… Trục máy thƣờng làm thép cacbon tốt - Hệ thống chổi than – vành góp: Dùng để đƣa điện áp chiều vào cuộn dây phần ứng đổi chiều dòng điện cuộn dây phần ứng Số lƣợng chổi than số lƣợng cực từ ( nửa có cực tính dƣơng, nửa có cực tính âm) Hình 1.2: hình ảnh roto động điện chiều 1.2 Nguyên lý hoạt động động điện chiều Nguyên lý hoạt động động điện chiều dựa định luật lực điện từ: Khi dẫn mang dịng điện đặt thẳng góc với đƣờng sức từ trƣờng, dẫn chịu lực điện từ tác dụng có trị số là: Fdt = B.i.l Trong đó: B từ cảm (T) i dòng điện (A) l chiều dài hiệu dụng dẫn (m) Fdt lực điện từ (N), có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái Hình 1.3 Mơ định luật lực điện từ - Khi cung cấp điện cho động cơ, điện áp U nguồn điện gây dòng điện I dẫn Dƣới tác dụng từ trƣờng có lực điện từ Fdt = B.i.l tác dụng lên dẫn làm dẫn chuyển động với tốc độ v có chiều nhƣ hình vẽ 1.1 - Lúc cơng suất điện đƣa vào động : Pd = u.i = e.i =B.i.l.v ; Nên Pd = Fdt.v Ta thấy công suất điện đƣa vào động đƣợc biến thành công suất Pcơ = Fdt.v trục động cơ, làm cho dẫn chuyển động với vận tốc v - Ở động điện chiều, ta đặt điện áp lên dây quấn kích từ Uk dây quấn kích từ xuất dịng kích từ ik mạch từ máy có từ n m K 1 j 1 thông Φ Theo định luật mạch từ (  H k l K  W j i j ) mạch từ tạo từ trƣờng - Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động động chiều, ta giả sử động điện chiều đƣợc mô cách đơn giản qua việc làm quay khung dẫn abcd theo chiều Hình 1.4 Mơ hình đơn giản động điện chiều đƣờng đặc tính (ứng với điện áp U2).Diễn biến chuyển đổi giảm tốc độ nhƣ ta nói Trong giảm tốc độ theo cách giảm điện áp phần ứng, giảm mạnh điện áp nghĩa chuyển nhanh từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp với trình giảm tốc độ xẳy q trình hãm tái sinh Chẳng hạn hình động làm việc điểm A với tốc độ lớn ωA đặc tính ứng với điện áp U1.Ta giảm mạnh điện áp phần ứng từ U1 xuống U3.Lúc động chuyển điểm làm việc từ điểm A đƣờng sang điểm E đƣờng (chuyển ngang với tốc độ ωA = ωE) ωE lớn tốc độ không tải lý tƣởng ω03 đặc tính nên động làm việc trạng thái hãm tái sinh đoạn EC đặc tính 3.Q trình hãm giúp động giảm tốc nhanh Khi tốc độ xuống thấp ω03 động lại làm việc trạng thái động lúc momen ωD = nên động tiếp tục giảm tốc điểm làm việc F, F động sinh momen cân với momen tải MC.Động chạy ổn định F với tốc độ ωf < ωA Khi tăng tốc , diễn biến q trình đƣợc giải thích tƣơng tự.Giả sử động làm việc điểm I có tốc độ ωI nhỏ đặc tính 5, ứng với điện áp U5 phần ứng.Tăng điện áp U5 lên U4 , động chuyển điểm làm việc từ I đặc tính sang điểm G đặc tính Do momen MG lớn momen tải MC nên động tăng tốc theo đƣờng (đoạn GH) Đồng thời với trình tăng tốc,momen động bị giảm trình tăng tốc chậm dần Tới điểm H momen động cân với momen tải (MH = MC) động làm việc ổn định điểm H với tốc độ ωH > ωI Phƣơng pháp có đặc điểm sau: - Điện áp phần ứng giảm tốc độ động nhỏ - Điều chỉnh trơn tồn dải điều chỉnh - Độ cứng đặc tính giữ khơng đổi tồn dải điều chỉnh.Độ sụt tốc tuyệt đối toàn dải điều chỉnh ứng với momen nhƣ nhau.Độ sụt tốc tƣơng đối lớn đặc tính thấp dải điều chỉnh Do sai số tốc độ tƣơng đối (sai số tĩnh) đặc tính thấp khơng vƣợt q sai số cho phép cho tồn dải điều chỉnh - Dải điều chỉnh phƣơng pháp có thể: D ~10:1 - Chỉ thay đổi đƣợc tốc độ phía giảm (vì thay đổi với Uƣ