Mô hình hóa động cơ không đồng bộ rotor dây quấn

Chương2: Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ ba pha dây quấn 2.1. Máy điện không đồng bộ nguồn kép ( còn gọi là máy điện dị bộ Rotor dây quấn ) Đã một thời nhờ có khả cung cấp điện đồng thời cho cả hai phía Stator và Rotor ,máy điện dị bộ Rotor dây quấn được sử dụng nhiều trong các ứng dụng truyền động có điều khiển tốc độ trong phạm vi hẹp. Hiện tại, do các loại máy điện dị bộ rotor lồng sóc và máy điện đòng bộ chiếm ưu thế tuyệt đố trong các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ , máy điện dị bộ rotor dây quấn đã bị đẩy lùi ra khỏi các ứng dụng truyền động . Tuy nhiên , máy điện dị bộ rotor dây quấn ngày càng được sử dụng nhiều trong các hệ thống máy phát điện chạy sức gió nhờ có ưu thế: Thiết bị điều khiển sử dụng van bán dẫn công suất lớn (điện tử công suất ) được đặt ở phía rotor (hinh 1)và vì vậy chỉ cần được thiết kế với công suất cỡ xấp xỉ =1/3 công suất máy phát , giá thành của hệ thống hạ xuống rất nhiều . u N u N PS I N I R I S w IE CONTROL ELEKTRONIC TRAFO NI GI 3~ 3~ u DC 3~ Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng động cơ không đồng bộ Rôtor dây quấn . 1 • Phương trình của máy điện dị bộ nguồn kép Trước khi tiến hành xây dưng mô hình chúng ta có một số quy định chung như sau: Do ĐCKĐB về phương diện điện động được mô tả bởi một hệ phương trình, vi phân bậc cao. Vì cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian, vì các mạch từ móc vòng, nên ta phải chấp nhận nhưng điều kiện sau đây trong khi mô phỏng động cơ:  Các cuộn dây Stator được phân bố đối xứng về mặt không gian.  Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa có thể bỏ qua.  Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ.  Các giá trị điện trở và điện cảm tạm coi là khồng đổi. Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua cuộn dây pha u. Ta cũng có quy ước một số ký hiệu sử dụng trong khi xây dựng:  Chỉ số viết nhỏ ở góc phải phía dưới s : đại lượng của mạch Staor r : đại lượng của mạch Rotor  Đại lượng viết có gạch dưới Chữ to : Ma trận Chữ nhỏ : Vector 2.2. Các phương trình cơ bản. Máy điện dị bộ nguồn kép được mô tả bởi các trên hệ tọa độ tựa theo hướng của vector điện áp lưới Un như sau: s u s s s s s t d j i R d ψ ψ ω = + + (2.1) r u r r r r t d j r i R d ψ ψ ω + + = (2.2) 2 Việc lựa chọn vector điện áp lưới U N làm hướng tựa xuất phát từ hai nguyên nhân chính như sau: • Hệ thống máy phát trước khi phát điện nên cần phẩi được hòa đồng bộ với lưới tức là với U N . • Sau khi hòa đồng bộ, Stator của máy phát được nối với lưới và vì vậy ta có phương trình như sau: s n n u u u s s s t d j d ψ ψ ω = ≈ ⇒ = (1.3) Nghĩa là, vector điện áp lưới và vector từ thông Stator của máy phát luôn vuông góc vối nhau, rất thuận lợi cho việc mô hình hóa. Mặt khác, thiết bị điều khiển được đặt ở phía Rotor và ta có cơ hội để sử dụng dòng Rotor làm biến ĐK trạng thái của đối tượng Máy điện dị bộ Rotor dây quấn. Vì vậy, ta sẽ tìm cách thông qua phương trình từ thông : r m s s s L i l i ψ = + (2.4) r r r m s L i l i ψ = + (2.5) Khử dòng Stator i, và từ thông Rotor r ψ , giữ lại dòng Rotor i r và từ thông Stator r ψ , đồng thời viết lại dưới dạng phương trình thành phần / / 1 1 1 1 1 1 1 rd rd r rq rd sd sd sq r s s r m dt di i i u u L L T T T σ σ σ σ σ ψ ωψ ω σ σ     − − − = − + + + − + −  ÷  ÷  ÷  ÷     ( 2.6) / / 1 1 1 1 1 1 1 rq r rd rq rq sq sd sq r s s r m dt di i i u u L L T T T σ σ σ σ σ ψ ωψ ω σ σ     − − − = − − + + − + −  ÷  ÷  ÷  ÷     ( 2.7) / / / 1 1 1 sd rd s sd sd sq s s m d i u T T L dt ψ ψ ψ ω = − + + (2.8) 3 / / / 1 1 1 sq rq s sq sd sq s s m d i u T T L dt ψ ψ ψ ω = − + + (2.9) Để hoàn thiện mô hình ta bổ sung thêm phương trình mômen (đặc trưng cho công suất hữu công) và phương trình hệ số công Cosφ (đặc trưng cho công suất hữu công ) và phương trình hệ số công công suất Cosφ (đặc trưng cho công suất vô công) của máy phát: ( ) / 3 3 1 2 2 m p p r M rd rd sq sq s L m i i z z L L σ ψ ψ = − = − − (2.10) 2 2 cos sd sd s sd sq i i i i i ϕ = = + (2.11) Qua hai côg thức (1.10) và (1.11) ta có thể thấy rõ : có thể sử dụng hai thành phần i rd , i rq của vector dòng i r làm đại lượng Điều Khiển công suất hữu công và vô công của máy phát một cách rất lợi hại. Hệ phương trình (1.7) , (1.10) được sử dụng chủ yếu làm mô hình đối tượng để thiết kế hệ thống ĐK của máy phát . Cũng có thể dễ dàng thu được mô hình trên hệ tọa độ cố định với stator (hệ αβ) : ( ) 1 1 1 1 1 s m m s r s r s r s s r s r di L L i i i i u u dt T L T L L α α α β β α α σ ω σ σ σ σ σ σ   − = − + + − + + −  ÷   ( ) 1 1 1 1 1 s m m s r s r s r s s r s s di L L i i i i u u dt T L T L L β β β α α β β σ ω σ σ σ σ σ σ   − = − + − − + + −  ÷   1 1 1 r m m m s r s r s r r s r s s r r di L L L i i i i u u dt L T T L L L L α α α β β α α ω σ σ σ σ σ   = − − + − +  ÷   1 1 1 r m m m s r s r s r r s r s s r r di L L L i i i i u u dt L T T L L L L β β β α α β β ω σ σ σ σ σ   = − − + − +  ÷   4 (2.12) Chuyển hệ tọa độ trên sang miền ảnh Laplace (s: toán tử Laplace) ta có: ( ) 1 1 1 s m m m s r s r s r s s r s s s r T L L L i i i i u u s T L T L L L L α α β β α α σ ω σ σ σ σ σ σ       = + − + + −     +       ( ) 1 1 1 s m m m s r s r s r s s r s s s r T L L L i i i i u u s T L T L L L L β β α α β β σ ω σ σ σ σ σ σ       = − − + + −     +       1 1 m m m r r s r s r s r r s r r s r L L L T i i i i u u s T L T L L L L α α β β α α σ ω σ σ σ σ σ       = − + − +     +       1 1 m m m r r s r r r s r r s r r s r L L L T i i i i u u s T L T L L L L β β α α β β σ ω σ σ σ σ σ       = − + + −     +       (2.13) Mô hình đầy đủ trên hệ tọa độ αβ sẽ bao gồm cả các phương trình sau: • Phương trình từ thông : ra m s r r r m s r r L i L i L i L i α α β β β ψ ψ = +    = +   (2.14) • Phương trình mômen : 3 ( ) 2 m M p r s r s r L m z i i L α β β α ψ ψ = − (2.15) • Phương trình chuyển động : M T p J d m m z dt ω = + (2.16) 5 Chương 3: Mô hình hóa bằng Matlab-Simulink 3.1 Xây dựng mô hình . Từ phương trình 2.13, 2.14,2.15,2.16 ta xây dựng được mô hình động cơ không đồng bộ như sau: Hình 3.1 mô hình máy điện trên hệ tọa độ αβ Bổ sung thêm các nguồn nuôi cấp điện cho Stator, phía rôtor đặt điện áp bằng 0. Ta có mô hình như sau 6 Hình 3.2 mô hinh mô phỏng quá trình khởi động động cơ KĐB Rotor dây quấn ngắn mạch Rôtor. System1 :mô hình động cơ : Như hình 3.1 System : chuyển đổi từ xoay chiều sang αβ 7 System2: mô hình quy đổi rôto về starto: 3.2 Kết quả mô phỏng như sau: a. Tốc độ 8 b. Mô men c. Ira 9 Tài liệu tham khảo 1.Matlab & Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động Tiến sĩ :NGUYỄN PHÙNG QUANG Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 2006 2Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha. Tiến sĩ : NGUYỄN PHÙNG QUANG Nhà xuất bản giáo dục.1996 3.Điều chỉnh tự động truyền động điện. BÙI QUỐC KHÁNH -NGUYỄN VĂN LIỄN PHẠM QUỐC HẢI- DƯƠNG VĂN NGHI Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 2006 10 . Chương2: Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ ba pha dây quấn 2.1. Máy điện không đồng bộ nguồn kép ( còn gọi là máy điện dị bộ Rotor dây quấn ) Đã một thời. Ta có mô hình như sau 6 Hình 3.2 mô hinh mô phỏng quá trình khởi động động cơ KĐB Rotor dây quấn ngắn mạch Rôtor. System1 :mô hình động cơ : Như hình 3.1