Mô phỏng động cơ không đồng bộ trên matlab

Chương 1: Tổng quan về công nghệ 1.1. Sơ lược về động cơ không đồng bộ 1.1.1. Cấu tạo Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ a) Phần tĩnh – Starto. Stato có cấu tạo gồm vỏ máy,lỏi sắt và dây quấn  Vỏ máy: Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ. Thường vỏ máy được làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương đối lớn ( 1000kW ) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy. Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau.  Lõi sắt: Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại. Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại. Khi đường kính ngoài lớn hơn thì dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại.  Dây quấn :Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được 1 cách điện tốt với lõi sắt. b) Phần quay – Rotor Rotor có 2 loại chính : rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lòng sóc.  Rotor dây quấn : Rôto có dây quấn giống như dây quấn của stator. Dây quấn 3 pha của rôto thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch. Nhược điểm so với động cơ rotor lòng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ …  Rotor lồng sóc : Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator. Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng ta quen gọi là lồng sóc. 1.1.2. Đặc điểm ĐCDB • Cấu tạo đơn giản • Đấu trực tiếp với điện lưới xoay chiều 3 pha. • Tốc độ quay của rô to nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay của stato n < n1 . 2 Trong đó : n : tốc độ quay của rô to n 1 : tốc độ quay của từ trường quay a) Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao. Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW. Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ . . . Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống hằng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh,. . . b) Nhược điểm: Vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian, cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc máy của động cơ điện xoay chiều. Cho nên việc tách riêng điều khiển giữa moment và từ thông để có thể điều khiển độc lập đòi hỏi một hệ thống có thể tính toán cực nhanh và chính xác trong việc qui đổi các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản . Vì vậy, cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương pháp điều khiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém. 1.1.3. Nguyên lý hoạt động 3 Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều 3 pha, trong động cơ sẽ sinh ra một từ trường quay. Từ trường này quét qua các thanh dẫn rôto, làm cảm ứng trên dây quấn rôto một sức điện động e 2 , từ đó sinh ra dòng điện i 2 chạy trong dây quấn rô to. Dòng điện i 2 tác động tương hỗ với từ trường stato tạo ra lực điện từ trên dây dẫn rôto và mômen quay làm cho rô to quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường. Tốc độ quay của rôto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay Stato n 1 . Có sự chuyển động tương đối giữa rôto và từ trường quay stato duy trì được dòng điện i 2 và môment. Vì tốc độ của rôto khác với tốc độ của từ trường quay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ. 1.1.4. Các đại lượng đặc trưng và phương trình cơ bản a) Hệ số trượt : để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của rô to n và tốc độ quay của từ trường quay n1. 1 1 n n s n − = 0 1s≤ ≤ 4 60* 1 1 f p n = 1*(1 )n n s= − b) Sức điện động Khi rôto đứng yên : 20 20 2 2 4.44* * * * m f K WE = Φ Khi rôto chuyển động : 2 2 2 2 4.44* * * * m s s f K WE = Φ Trong đó : K2 : Hệ số cuốn dây f20 = f1 f2s = s * f1 W2 : số vòng dây Φm : Từ thông c) Công suất Công suất điên đưa vào : * * *cos 1 3 U I P ϕ = Tổn hao điện từ : dt P ∆ Tổn hao sắt : st P∆ Công suất điện từ : 2 * 1 * 1 * 60 dt n M MP π ω = = = P1 - dt P ∆ - st P∆ Tổn hao do dây quân rô to : 2d P∆ Công suất cơ ở trục : '2 *P M ω = = dt P - 2d P∆ Tổn hao do ma sát : ms P∆ Công suất cơ đưa ra :P2 = P’2 - ms P∆ 5 P2 = 1P - dt P ∆ - st P∆ - 2d P∆ - 2d P∆ - ms P∆ Hiệu suất : 1 2 P P η = (0.8, 0.9) d) Các phương trình cơ bản  Phương trình đặc tính cơ điện ' 1 1 2 2 2 ' 2 2 2 1 1 1 * ( ) nm I U I I R X R R X s µ µ µ               = + = + + + + 1 2 2 ' 1 2 ' 2 2 2 1 ( ) nm U I R X U I R R X s µ µ µ = + = + + Với : 1 2 X X X µ σ σ = + 6  Phương trình đặc tính cơ '2 ' 1 2 ' 2 2 2 1 1 2 1 2 1 ' ' 2 2 2 2 2 1 1 ' 2 3* * 2* * (1 ) 2* 2* * * ( ) 3* 2* 1* ( 1 ) 0 f th th th th nm th th f th nm nm nm U R M M S S S S R S R X S S S S s U R R X R R Sth X R X R R M M ε ε ω ω ε + = ≈   + + + + +     = + + = ± ≈ + ≈ = = e) Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ: Ảnh hưởng của điện áp lưới Môment tỷ lệ theo bình phương điện áp Hê số trượt vẫn không thay đổi Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato Môment tỷ lệ nghịch với điện trở, hay điện kháng Hệ số trượt tỷ lệ nghịch với điện trở, hay điện kháng Ảnh hưởng của số đôi cực p. Khi thay đổi số đôi cực p thì tần số lưới thay đổi, dẫn đến tốc độ cũng thay đổi Ảnh hưởng tần số. Quy tắc điều chỉnh giữ cho khả năng quá tải không đổi. 7 ' 2 max max 1 max 2 ' 1 ' '2 2 ' max 1 1 2 '2 max 1 1 * * * M M U C const f M M M U f M const M M U f M = = ⇒ = = = = ' ' ' 1 1 1 1 * U f M U f M =  Luật điều khiển giữ cho Môment không đổi : M=const ' ' 1 1 1 1 1 1 U f U f U const f = = 1.2. Tổng quan về các hệ thống biến tần: 1.2.1. Khái niệm. Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chức năng biến đổi tần số và điện áp một chiều hay xoay chiều nhất định thành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển được nhờ khoá điện tử. 1.2.2. Biến tần trực tiếp. Còn gọi là biến tần phụ thuộc. Thường gồm các nhóm chỉnh lưu điều khiển mắc song song ngược, cho xung lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta có thể nhận được dòng điện xoay chiều trên tải. 8 BT U 1 ,f 1 U 2 ,f 2 Hình 1.3 Biến tần trực tiếp Như vậy điện áp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua một van là chuyển ngay ra tải với U2(f2) Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp chỉ sử dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp. Vì việc thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc và f1. 1.2.3. Biến tần gián tiếp. Còn gọi là biến tần độc lập. Trong biến tần này đầu tiên điện áp được chỉnh lưu thành dòng một chiều. Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay đổi f2 không phụ thuộc vào f1). Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần. Tuy nhiên việc ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kĩ thuật vi xử lí nên ta phát huy tối đa các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử dụng nó hơn.  Phân loại biến tần gián tiếp a. Biến tần gián tiếp nguồn áp : Hình 1.4 Biến tần gián tiếp nguồn áp Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc và dạng của dòng điện của nguồn, còn dạng điện áp trên tải phụ thuộc và các thông số của tải quy định. 9 U 2 ,f 2 U 1 ,f 1 L C CL NL b. Biến tần gián tiếp nguồn dòng : Hình 1.5 Biến tần gián tiếp nguồn dòng Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp, dạng của điện áp trên tải phụ thuộc và dạng của điện áp của nguồn, còn dạng dòng điện trên tải phụ thuộc và các thông số của tải quy định. 1.2.4. Phương pháp điều khiển bằng biến tần theo luật U/f Tốc độ đồng bộ tỉ lệ với f cho nên việc thay đổi f sẽ dẫn đến thay đổi tốc độ đồng bộ và kéo theo đó là tốc độ động cơ. Xét bộ biến tần nguồn áp đầu vào là U và f. Ở đây phân biệt 2 vùng điều khiển mà kéo theo đó đặc tính cơ của động cơ sẽ có nhiều điểm khác biệt. Thứ nhất,đó là điều khiển f<fdm. Nếu điện áp cấp cho động cơ được giữ không đổi và giảm tần số sẽ kéo theo việc gia tăng từ thông trong khe hở không khí, việc này dễ dẫn đến bão hòa mạch từ. Việc này gây ra một số hậu quả nghiêm trọng như : dòng từ hóa tăng, méo dạng dòng và áp cung cấp dẫn đến tổn hao đồng trên stator sẽ tăng. Để tránh tình trạng này người ta thường giảm U đi đôi với giảm f sao cho từ thông khe hở không khí được giữ nguyên không đổi. Phương pháp này là phương pháp phổ biến để điều khiển tốc độ ĐC KDB, đó là phươg pháp E/f hay U/f.  Thứ hai, đó là khi điều khiển tần số động cơ dưới định mức theo phương pháp U/f = const thì lưu ý là momen cực đại của động cơ được giữ không đổi với mọi tần số f - cả trong chế độ động cơ lẫn hãm. Đặc tính cơ của động cơ lúc này là song song với nhau và nằm trong khoản 0<S<Smax. Đối với điều khiển U/f = const thì cần lưu ý là động cơ không hoàn toàn làm 10 L CL NL U 1 ,f 1 U 2 ,f 2 . 1: Tổng quan về công nghệ 1.1. Sơ lược về động cơ không đồng bộ 1.1.1. Cấu tạo Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ a) Phần tĩnh – Starto. Stato có cấu tạo. cấp cho động cơ ở mức max thì công suất ra cũng ở mức max và lưu ý là momen cho phép của động cơ giảm khi tốc độ tăng  Do động cơ không đồng bộ là một