Đồ Án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ RULO

Xây dựng mô hình truyền động đảm bảo sức căng trên dây nối giữa 2 tang cuốn và thả là ko đổi Động cơ truyền động là động cơ xoay chiều 3 pha

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ ĐỀ BÀI: Đề số 56 Xây dựng mô hình truyền động đảm bảo sức căng trên giây nối giữa 2 tang cuốn và thả là không đổi. Động cơ truyền động là động cơ xoay chiều 3 pha. Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế - Xây dựng mô hình động cơ xoay chiều 3 pha. - Xây dựng mô hình điều khiển truyền động cho hệ. - Tính chọn các bộ điều khiển. - Mô phỏng đáp ứng trên simulink với các nhiễu tải khác nhau và đánh giá kết quả. - Công suất động cơ: 7.5kW - Tốc độ chuyển động của cáp 0.3 m/s - Hiệu suất cơ cấu (ɳ): 0.85 - Tỉ số truyền (i): 500 - Đường kính tang kéo: 1m Giáo viên hướng dẫn : Trần Tiến Lương Sinh viên : Đoàn Quang Tiến Hải Phòng, năm 2012 Mục lục Mục lục 2 Chương 1. Giới thiệu và xây dựng mô hình động cơ xoay chiều 3 pha .3 1.1.Giới thiệu về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha 3 1.1.1Khái niệm .3 1.1.2Cấu tạo, đặc điểm động cơ xoay chiều 3 pha .3 1.2.Xây dựng mô hình toán động cơ không đồng bộ xoay chiểu 3 pha .5 Chương 2. Xây dựng mô hình điều khiển và tính chọn các bộ điều khiển 12 2.1.Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quát 12 2.2.Giới thiệu và tổng hợp các bộ điều khiển .13 2.2.2Tuyến tính hoá mô hình động cơ .17 2.2.4Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng Risd .21 2.3.Tính toán các bộ điều khiển 23 Chương 3. Mô phỏng trên simulink 25 Tài liệu tham khảo .34 Trang: 2 Chương 1. Giới thiệu và xây dựng mô hình động cơ xoay chiều 3 pha 1.1. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha 1.1.1 Khái niệm - Động cơ điện dị bộ 3 phase: là loại động cơ điện xoay chiều dùng nguồn 3 pha mà tốc độ quay của rôto khác với tốc độ quay của từ trường quay trong máy. 1.1.2 Cấu tạo, đặc điểm động cơ xoay chiều 3 pha Hình 1.1 động cơ không đồng bộ roto lồng sóc + Cấu tạo phần tĩnh (stato) Gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn. Vỏ máy: - Thường làm bằng gang. Đối với máy có công suất lớn (1000kw), thường dùng thép hàn lại thành vỏ. Vỏ máy có tác dụng bảo vệ, cố định cuộn dây stato và không dùng để dẫn từ. Lõi sắt: - Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm đến 0,5 mm ghép lại. - Lỏi sắt là phần dẫn từ . Vì từ trường đi qua lỏi sắt là từ trường xoay chiều, nhằm giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ lớp sơn cách điện. Mặt trong của lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn . Dây quấn stato: - Dây quấn được đặt vào các rãnh của lỏi sắt và cách điện tốt với lõi sắt. Dây quấn stato gồm có ba cuộn dây đặt lệch nhau 120 o điện. + Cấu tạo phần quay (roto) Trục máy : - Làm bằng thép, dùng để đỡ lõi sắt roto. Lõi sắt : - Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở phần stato. Lõi sắt được ép trực tiếp lên trục. Bên ngoài lỏi sắt có xẻ rảnh để đặt dây quấn. Dây quấn roto: Có hai loại dây quấn roto: loại roto dây quấn và loại roto kiểu lồng sóc. - Loại roto kiểu dây quấn: dây quấn roto giống dây quấn ở stato và có số cực bằng số cực stato. Dây quấn ba pha của roto thường đấu hình sao (y). Ba đầu Trang: 3 kia nối vào ba vòng trượt bằng đồng đặt cố định ở đầu trục. Thông qua chổi than và vòng trượt, đưa điện trở phụ vào mạch roto nhằm cải thiện tính năng mở máy và điều chỉnh tốc độ. - Loại roto kiểu lồng sóc: loại dây quấn này khác với dây quấn stato. Mỗi rãnh của lõi sắt được đặt một thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch đồng hoặc nhôm, làm thành một cái lồng, người ta gọi đó là lồng sóc. Khe hở: - Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ (0,2 mm ÷ 1mm). Do đó roto là một khối tròn rất đều. + Đặc điểm máy điện không đồng bộ - Máy điện không đồng bộ là loại động cơ điện xoay chiều chủ yếu là loại rotor lồng sóc có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ DC. Do kết cấu đơn giản, dễ bảo trì tháo lắp, làm việc chắc chắn, tin cậy, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, đời sống hằng ngày. Đặc tính cơ của động cơ KĐB: - Đặc tính cơ của động cơ điện chính là quan hệ n=f(M 2 ) hoặc M 2 = f(n). Mà ta có M=M 0 +M 2 , ở đây ta xem M 0 =0 hoặc chuyển về Momen cản tĩnh Mc. Vì vậy M 2 =M=f(n) Hình 1.2 Quan hệ M=f(s) - Từ hình 1.2 ta xét chế độ động cơ (nghĩa là s = 0÷1 hình 1.3a). Nếu thay s = (n-n)/n1 ta sẽ có quan hệ n = f(M2) chính là đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ (hình 1.3b). Từ hình1.3a, ta có Trang: 4 Hình 1.3 Đặc tính động cơ không đồng bộ a.Quan hệ momen theo hệ số trượt b.Đặc tính cơ của động cơ - Đoạn 0a (0<s<s th ) : Động cơ làm việc ổn định. Đặc tính cơ cứng. - Đoạn ab (s th <s<1): Động cơ làm việc không ổn định. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Điều chỉnh tốc độ (điều tốc) động cơ không đồng bộ có các phương pháp điều khiển phổ biến: - Điều khiển điện áp stator - Điều khiển điện trở rotor - Điều khiển tần số - Điều khiển công suất trượt rotor 1.2. Xây dựng mô hình toán động cơ không đồng bộ xoay chiểu 3 pha Phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ: Ta có từng dòng điện pha đi vào động cơ 3 pha i sa (t)=|i s |cos(ω s t) i sb (t)=|i s |cos(ω s t+120 0 ) i sc (t)=|i s |cos(ω s t+240 0 ) Trên mặt cắt ngang vuông góc với trục động cơ ta có vector không gian sau đại diện cho ba vector dòng điện stato: i s (t)=2/3.[i sa (t) + i sb (t)e j120 + i sc (t)e j240 )= |i s |e j γ Trong đó: g là góc lệch mà vector i s tạo với trục thực (đi qua cuộn dây pha a). Vector i s có modul không đổi quay trên mặt phẳng phức tốc độ góc ω s =2πf s Trang: 5 Hình 1.4 Hệ trục tọa độ Chọn chục quy chiếu chuẩn là cuộn dây pha a trùng với trục thực α và trục ảo β vuông góc với trục α ta có thể biểu diễn hình chiếu của vector dòng is xuống hai trục này và đặt là i sa và i sb. ta có công thức chuyển đổi sang hệ trục αβ i s α =i sa i s β = (i sa +2i sb ) Hệ tọa độ có trục thực d trùng với hướng của vector từ thông roto Ψr và gốc trùng với gốc của hệ ab trục ảo q vuông góc với trục thực cũng cùng gốc tọa độ. Vector i s chiếu lên dq được 2 thành phần i sd và i sq . Trục từ thông (trục d) lệch góc θs so với trục α. Ta có các công thức chuyển đổi: Chuyển đổi từ hệ trục αβ sang hệ trục dq : i sd =i s β sin(θ s ) + i s α cos (θ s ) i sq = i s β cos(θ s ) - i s α sin(θ s ) Chuyển đổi từ hệ αβ sang hệ a,b,c: ).3( 2 1 ).3( 2 1 βα βα α ssc ssb sa iii iii ii −−= +−= = Trang: 6 Chuyển đổi từ hệ dq sang hệ αβ : i s α = i sd cosθ s - i sq sinθ s i s β = i sd sinθ s + i sq cosθ s Mô tả toán học động cơ không đồng bộ ba pha dạng vector: Quy ước : - A, B, C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rotor và a,b,c chỉ thứ tự pha các cuộn dây stator. - Cuộn dây stato, roto đối xứng 3 pha - Tham số không đổi. - Mạch từ chưa bão hoà. - Khe hở không khí δ đồng đều. - Nguồn ba pha (lệch nhau góc 120 0 ) cấp hình sin và đối xứng. - Chỉ số trên s: xét trong hệ toạ độ stato (toạ độ α,β) - f: trong toạ độ trường (field) từ thông rôto (toạ độ dq) - r: toạ độ gắn với trục rôto. - Chỉ số dưới s: đại lượng mạch stato - r: đại lượng mạch rôto Hệ phương trình cơ bản của động cơ trong không gian vectơ: u s (t)= 2/3.[u sa (t) + u sb (t).e j120 + u sc (t).e j240 ] Phương trình điện áp cho ba cuộn dây stato : dt (t)Ψ d(t).iR(t)u dt (t)Ψ d(t).iR(t)u dt (t)Ψ d(t).iR(t)u sc scssc sb sbssb sa sassa += += += (2-1) Nhân 2 vế của lần lượt từng phương trình trên lần lượt với e e e 3 4π j 3 2π jj ,, rồi cộng 2 vế của 3 phương trình trên với nhau ta được: dt Ψ di.Ru s s s s s s s += (2-2) Trong đó u s s , i s s , ψ s s là các vectơ điện áp, dòng điện, từ thông stato. Trang: 7 Đối với mạch rôto ta cũng có được phương trình như trên, chỉ khác là do cấu tạo các lồng sóc là ngắn mạch nên u r =0 (quan sát trên toạ độ gắn với trục rôto) dt Ψ di.R0 r r r r r += Từ thông stato và rôto được tính như sau: ψ s = i s L s +i r L m (2-3) ψ r = i s L m +i r L r Trong đó L s : điện cảm stato L s = L σ s + L m (L ós : điện cảm tiêu tán phía stato) L r : điện cảm rôto L r = L σ r + L m (L ór : điện cảm tiêu tán phía rôto) L m : hỗ cảm giữa rôto và stato (Phương trình từ thông không cần đến chỉ số hệ toạ độ vì các cuộn dây stato và rôto có cấu tạo đối xứng nên điện cảm không đổi trong mọi hệ toạ độ). Phương trình mômen : ) r i r ψ.p.( 2 3 ) s i r ψ.p.( 2 3 M m ∧−=∧−= (2-4) Phương trình chuyển động : dt dω p J c m M m += (2-5) Phương trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định αβ : Phương trình điện áp stato giữ nguyên, còn phương trình điện áp rôto có thay đổi do rôto quay với tốc độ ω so với stato nên có thể nói hệ toạ độ αβ quay tương đối với rôto tốc độ -ω r s r m s s s r m s r s s s s s s r s r s r r s s s s s s s LiLiΨ LiLiΨ Ψjω dt Ψ di.R0 dt Ψ di.Ru += += −+= += (2-6) Rút từ phương trình thứ 3 và 4 trong hệ (2-6) được: )Liψ( L L Liψ )Liψ( L 1 i m s s s r r m s s s s s m s s s r r s r −+= −= (2-7) Trang: 8 Thay từng PT của (2-7) vào PT (1) và PT (2) của hệ (2-6) và đặt σ = 1-L m 2 / (L s L r )(hệ số tản từ), T s =L s /R s , T r =L r /R r rồi lại thay vào 2 PT đó trong hệ (2-6) ta được hệ: ) dt d jωω T 1 ( T L i0 dt d L L dt id σLi.Ru s r rr m s s s r r m s s s s s s Ψ +−Ψ+−= Ψ ++= s r s s (2-8) Biến đổi (2-8) sang dạng từng phần tử của vectơ : rβ r rαsβ r m rβ rβrα r sα r m rα sβ s rβ mr rα m sβ rs sβ sα s rβ m rα mr sα rs sα ψ T 1 ωψi T L dt dψ ωψψ T 1 i T L dt dψ u σL 1 ψ LσT σ1 ωψ σL σ1 )i σT σ1 σT 1 ( dt di u σL 1 ψ σL σ1 ωψ LσT σ1 )i σT σ1 σT 1 ( dt di −+= −−= + − + − − − +−= + − + − + − +−= (2-9) Thay i r s từ phương trình thứ 2 của (2-3) vào phương trình mômen (2-4): )i( L L .p. 2 3 ) L 1 )Li(.p.( 2 3 )i.p.( 2 3 m s s s r r m r m s s s r s r s r s r M ∧Ψ=−Ψ∧Ψ−=∧Ψ−= (2-10) Thay các vectơ trong (2-10) bằng các phần tử tương ứng ta được : )iψi(ψ L L .p. 2 3 m sαrβsβrα r m M −= (2-11) Từ hệ phương trình (2-9) và phương trình (2-11) ta có công thức mô tả động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ αβ, trong đó thay T σ theo công thức: rsσ σT σ1 σT 1 T 1 − += Từ đó ta được hệ phương trình: rαrsβmrβr rβrsαmrαr sβ s rβ rm rα m sβ σ sα s rβ m rα mr sα σ ωψTiLp)ψT(1 ωψTiLp)ψT(1 u σL 1 ψ TσL σ1 ωψ σL σ1 )i T 1 (p u σL 1 ψ σL σ1 ωψ LσT σ1 )i T 1 (p +=+ −=+ + − + − −=+ + − + − =+ (2-12) Từ (2-12) và (2-11) ta lập được mô hình điện cơ của động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ αβ như sau: Trang: 9 Hình 1.5 Mô hình động cơ trên hệ toạ độ cố định αβ Mô hình chỉ đúng với biến tần nguồn áp. Do đầu vào của mô hình là đại lượng điện áp. Khi sử dụng biến tần nguồn dòng (cho công suất truyền động rất lớn) thì phải biến đổi mô hình thành đầu vào là dòng stato i s α , i s β Phương trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq: Tương tự như trên, khi chiếu trên hệ toạ độ dq này thì các phương trình từ thông vẫn không đổi, chỉ có các phương trình điện áp thay đổi như sau: - Toạ độ từ thông rôto quay tốc độ ω s so với stato. - Hệ toạ độ chuyển động vượt trước so với rôto một tốc độ góc ω r = ω s -ω. Từ đó ta thu được hệ phương trình: r f r m f s f r m f r s f s f r f r r f r f r r f r s f r f s s f s LiLiΨ LiLiΨ Ψjω dt Ψd iR0 Ψjω dt Ψd iRu += += ++= ++= (2-14) Rút i f r và ψ f s ra từ hai phương trình cuối của hệ phương trình (2-14) ta được: )Li( L L Li )Li( L 1 i m f s f r r m s f s f s m f s f r r f r −Ψ+=Ψ −Ψ= (2-15) Thế trở lại phương trình thứ 3 và 4 của (2-14) ta được phương trình : Trang: 10 1-σ σL m T r T σ 1+pT σ 1 σL s P c pJ 1-σ σL m T r T σ 1+pT σ 1 σL s 1-σ σL m T r 3p c L m 2L r u sα u sβ i sα i sβ - - - ψ rβ ψ rα m M m C L m L m ω 1 1+pT r 1 1+pT r . kính của rulo không thay đổi trong quá trình hoạt động. Và khối lượng của rulo rất lớn so với khối lượng của sản phẩm nó đang cuốn và không Trang: 12 1. thông stato. Trang: 7 Đối với mạch rôto ta cũng có được phương trình như trên, chỉ khác là do cấu tạo các lồng sóc là ngắn mạch nên u r =0 (quan sát trên