Ứng dụng Matlab/Simulink xây dựng mô hình mô phỏng- 123docz.net

5. Nội dung của luận văn:

2.5. Ứng dụng Matlab/Simulink xây dựng mô hình mô phỏng động cơ không

không đồng bộ tuyến tính đơn biên

Từ hệ phương trình vi phân mô tả động cơ không đồng bộ tuyến tính đơn biên (2.44), các hệ số A, B, C, D, E, F, … có thể là hằng hoặc hàm. Nếu các hệ số là hằng, ta chỉ việc thay vào phương trình để giải, còn với các hệ số là hàm, ta phải thiết lập các quan hệ hàm số và đầu ra được đưa vào vị trí các hệ số tương ứng.

Sau đây là mô hình trên Matlab/Simulink của động cơ không đồng bộ tuyến tính đơn biên (trên hệ tọa độ αβ):

s 1 s 1 s 1 s 1 E E’ - - F F’ - A A u1d D’ - D’ - B’ B ψ2d ψ2q i1d i1q -   4 3p kF ms 1 - FL v   u1q - C   vk - -

Hình 2.9. Mô hình ĐCKĐBTT đơn biên không có xét đến hiệu ứng mô phỏng bằng MATLAB/Simulink (hệ tọa độ αβ)

Ngoài ra, để thực hiện việc mô phỏng, cần có khối biến đổi điện áp từ giá trị điện áp nguồn cấp 3 pha, biến đổi sang điện áp u1, u1 theo hệ trục tọa độ αβ thông qua biến đổi Park.

Hình 2.11. Khối biến đổi điện áp theo biến đổi Park

Khi chạy chương trình, ta có kết quả bằng đồ thị hoặc số (lực, tốc độ, dòng điện, từ thông, …) một cách nhanh chóng.

Kết luận chương 2.

- Tác động của hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy làm thay đổi thành phần điện cảm và gây ra tổn hao trong động cơ, đặc trưng là Lm(1-f(ξ)) và R2f(ξ). Tốc độ làm việc càng cao, hai thành phần này thay đổi càng lớn, tức là ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy càng mạnh. Nếu không xét hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy, mô hình toán mô tả động học của ĐCKĐBTT giống như động cơ không đồng bộ quay thông dụng.

- Bằng cách sử dụng mô hình máy điện tổng quát 2 pha, biến đổi hệ phương trình mô tả động cơ về những hệ tọa độ thích hợp. Mô hình của động cơ có xét đến hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy được viết trên hệ tọa độ vuông góc tổng quat uv và các mô hình viết trên các hệ tọa độ đặc biệt αβ và dq.

- Ứng dụng Matlab/Simulink xây dựng mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ tuyến tính đơn biên trên hệ tọa độ αβ, kết quả chạy chương trình thể hiện bằng đồ thị hoặc số một cách nhanh chóng và chính xác.

CHƯƠNG 3

KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TUYẾN TÍNH ĐƠN BIÊN ỨNG DỤNG

CHO THANG MÁY 3.1. Giới thiệu chung

Hình 3.1. Mô hình thang máy sử dụng động cơ tuyến tính

Thang máy là một thiết bị chuyên dùng để vận chuyển người, hàng hoá, vật liệu,… theo phương thẳng đứng. Thang máy thường được dùng trong các khách sạn, công sở, chung cư, bệnh viện, đài quan sát, tháp truyền hình, các nhà máy và công xưởng,… Đặc điểm vận chuyển bằng thang máy so với các phương tiện vận chuyển khác là thời gian của một chu kỳ vận chuyển bé, tần suất vận chuyển lớn, đóng mở máy liên tục. Ngoài ý nghĩa về vận chuyển,

thang máy còn là một trong những yếu tố làm tăng vẻ đẹp và tiện nghi của công trình.

Sơ đồ cấu tạo của loại thang máy sử dụng ĐCKĐBTT, dẫn động bằng tời với puly dẫn cáp bằng ma sát (gọi tắt là puly ma sát) được chỉ ra ở hình 3.1. Bộ tời kéo được đặt ở phía trên giếng thang. Giếng thang 15 chạy dọc suốt chiều cao của công trình và được che chắn bằng kết cấu chịu lực. Trên kết cấu chịu lực dọc theo giếng thang có gắn các ray dẫn hướng cho đối trọng ĐCKĐBTT và cabin. Cabin và ĐCKĐBTT được treo trên hai đầu của các cáp nâng nhờ hệ thống treo. Hệ thống treo có tác dụng đảm bảo cho các cáp nâng riêng biệt có độ căng như nhau. Cáp nâng được vắt qua các rãnh cáp của puly ma sát của bộ tời kéo.

Khi ĐCKĐBTT hoạt động, bộ tời kéo hoạt động, puly ma sát quay và truyền chuyển động đến cáp nâng làm cabin đi lên hoặc xuống dọc theo giếng thang. Khi chuyển động, cabin tựa trên các ray dẫn hướng trong giếng thang và đối với ĐCKĐBTT tựa trên các ray dẫn hướng dọc theo chiều dài của phần thứ cấp.

Việc sử dụng ĐCKĐBTT trong hệ truyền động thang máy mang lại một số ưu điểm như: ĐCKĐBTT không chỉ thực hiện vai trò dẫn hướng mà còn như một phần của đối trọng; Tiết kiệm năng lượng và công suất; Khi làm việc có độ tin cậy cao; Vận hành êm ái, ít dao động; …. Bên cạnh đó cũng có những tồn tại do cấu trúc mạch từ hở của động cơ mang lại như hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy, từ thông suy giảm khi vận hành tốc độ cao.

3.2. Khảo sát đặc tính động của động cơ không đồng bộ ba pha tuyến tính đơn biên ứng dụng trong thang máy tính đơn biên ứng dụng trong thang máy

Mô phỏng được thực hiện trên Simulink/Matlab với ĐCKĐBTT đơn biên 3 pha ứng dụng trong thang máy với các thông số sau [12]: Điện áp 400V; I1đm = 201,6A; F = 16 kN; f = 50Hz; tốc độ 10 m/s; a = 2 m/s2, mcabin =

500kg; hành khách: 5 người (mỗi người 75kg); sđm = 10%; R1 = 0,00356 Ω; R2 = 0,2055 Ω; X1 = 0,1371 Ω; Xm = 1,1795 Ω.

Đặc tính động của ĐCKĐBTT đơn biên ứng dụng trong thang máy được khảo sát trong quá trình khởi động, lúc này xảy ra quá trình quá độ, động cơ chuyển từ trạng thái tốc độ bằng 0 (đứng yên) đến tốc độ định mức.

3.2.1. Trường hợp không tải

Trường hợp này khảo sát đặc tính động của ĐCKĐBTT đơn biên với các thông số đã nêu trên, phần sơ cấp chuyển động dọc theo phần thứ cấp (không mang tải: cabin, hành khách), đặc tính được khảo sát ở trong 3 trường hợp: Không xét hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy; Xét đến hiệu ứng đầu cuối; Xét đến hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy.

a) Đáp ứng lực b) Đáp ứng tốc độ

c) Đáp ứng dòng điện d) Đáp ứng từ thông

a) Đáp ứng lực b) Đáp ứng tốc độ

c) Đáp ứng dòng điện d) Đáp ứng từ thông

Hình 3.3. Đặc tính ĐCKĐBTT khi không tải trường hợp chỉ xét hiệu ứng đầu cuối

c) Đáp ứng dòng điện d) Đáp ứng từ thông

Hình 3.4. Đặc tính ĐCKĐBTT khi không tải trường hợp xét hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy

Qua kết quả nhận được, ta nhận thấy những yếu tố như hiện tượng hiệu ứng đầu cuối, dòng xoáy trong ĐCKĐBTT có ảnh hướng lớn đến đặc tính động của ĐCKĐBTT. Nhằm đánh giá một cách chính xác hơn những ảnh hưởng của từng hiện tượng chúng ta tách ra thành các trường hợp trên hình 3.2, 3.3 và 3.4. Thực chất của việc này chỉ có giá trị trong nghiên cứu ảnh hưởng của từng yếu tố, còn trong quá trình thực, chúng luôn xảy ra đồng thời, gây nên những ảnh hưởng tổng hợp đến đặc tính động.

Hình 3.3 là một trường hợp nghiên cứu đặc tính động của ĐCKĐBTT (không tải) khi chỉ xét đến ảnh hưởng của hiện tượng hiệu ứng đầu cuối, ta nhận thấy các đáp ứng lực, tốc độ, dòng điện, từ thông có sự thay đổi rõ rệt. Lực quá độ lớn nhất là 60kN nhỏ hơn 0,5kN so với Hình 3.2 khi không xét. Trị số lực cực đại đạt được 19,5kN nhỏ hơn so với lực cực đại đạt được ở Hình 3.2 (20,5kN). Trị số biên độ dòng điện cực đại ở chu kỳ đầu ít thay đổi. Từ thông ở chế độ xác lập giảm so với Hình 3.2 khoảng 0,05Tesla. Thời gian khởi động là 0,5s lớn hơn so với 0,45s ở Hình 3.2.

Trường hợp xét cả hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy, mức độ ảnh hưởng lớn hơn và có hiện tượng dao động ở trạng thái xác lập, Hình 3.4 là kết quả

kết quả trên đồ thị, ta nhận thấy trị số lực quá độ cực đại trong trường hợp tổng quát chỉ đạt giá trị 58KN (giảm 3,33% so với trường hợp chỉ xét hiệu ứng đầu cuối và giảm 4,13% so với trường hợp không xét). Trị số lực cực đại đạt được 18kN (giảm 7,69% so với trường hợp chỉ xét hiệu ứng đầu cuối và giảm 12,19% so với trường hợp không xét). Qua việc tính toán trên đây, ta nhận thấy rằng ảnh hưởng của hiện tượng đầu cuối và dòng xoáy trong ĐCKĐBTT đơn biên là đáng kể, vấn đề này cần được xem xét trong thiết kế chế tạo máy điện không đồng bộ tuyến tính.

3.2.2. Trường hợp mang tải

Chúng ta nghiên cứu một số kết quả sau đây khi thay đổi tải. Hình 3.5, 3.6, 3.7 biểu diện đường cong của lực, tốc độ, dòng điện ứng với các giá trị khác nhau của tải.

Xét trường hợp ĐCKĐBTT đơn biên với phần sơ cấp chuyển động dọc theo phần thứ cấp và mang đầy tải gồm: cabin và hành khách, đặc tính động được khảo sát ở trong 2 trường hợp: Xét đến hiệu ứng đầu cuối; Xét đến hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy.

c) Đáp ứng dòng điện

Hình 3.5. Đặc tính ĐCKĐBTT khi đầy tải trường hợp chỉ xét hiệu ứng đầu cuối

a) Đáp ứng lực b) Đáp ứng tốc độ

c) Đáp ứng dòng điện

Hình 3.6. Đặc tính ĐCKĐBTT khi đầy tải trường hợp xét hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy

Trường hợp ĐCKĐBTT đơn biên với phần sơ cấp chuyển động dọc theo phần thứ cấp và mang tải 57,14% (chỉ có cabin và không có hành khách), đặc tính động được khảo sát ở trong trường hợp tổng quát: Xét đến hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy.

a) Đáp ứng lực b) Đáp ứng tốc độ

c) Đáp ứng dòng điện

Hình 3.7. Đặc tính ĐCKĐBTT khi mang tải 57,14% trường hợp xét hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy

Khi khởi động ĐCKĐBTT với tải lớn dẫn đến kết quả là thời gian khởi động bị kéo dài ra. Chẳng hạn, thời gian khởi động khi đầy tải là 0,7s lớn hơn 0,3s so với khi động cơ mang tải 57,14% (xét đến hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy). Chú ý rằng khi khởi động động cơ với lực tải lớn sẽ rất khó khăn, thậm chí không khởi động được, đối với thang máy lực tải thuộc loại lực thế năng thì có thể động cơ sẽ bị kéo ngược lại tại thời điểm lực đạt giá trị cực tiểu.

Về trị số lực quá độ cực đại cũng như trị số lực cực đại không bị thay đổi khi thay đổi lực tải. Trị số dòng điện cực đại và giá trị dòng điện trung bình trong thời gian khởi động cũng không bị ảnh hưởng khi lực tải thay đổi.

3.2.3. Trường hợp tần số nguồn điện giảm 1% (49,5Hz)

Trường hợp này khảo sát đặc tính động của ĐCKĐBTT đơn biên với phần sơ cấp chuyển động dọc theo phần thứ cấp và mang đầy tải (cabin và hành khách), đặc tính động được khảo sát ở trong trường hợp tổng quát: Xét đến hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy.

a) Đáp ứng lực b) Đáp ứng tốc độ

c) Đáp ứng dòng điện

Hình 3.8. Đặc tính ĐCKĐBTT khi đầy tải và tần số nguồn điện giảm 1%

Khảo sát đặc tính động ĐCKĐBTT đơn biên trong trường hợp tần số nguồn điện cung cấp giảm 1% (49,5Hz) so với tần số công nghiệp 50Hz như

cực đại tăng so với Hình 3.6, điều này có thể được lý giải: ở vùng làm việc của tốc độ thấp hơn, ảnh hưởng của hiện tượng hiệu ứng đầu cuối trong ĐCKĐBTT cũng giảm thấp.

3.2.4. Trường hợp nguồn điện mất đối xứng

Xét trường hợp khác liên quan đến tính đối xứng của nguồn điện cung cấp cho động cơ, điện áp pha A giảm 5% so với điện áp 2 pha còn lại, khảo sát đặc tính động của ĐCKĐBTT đơn biên với phần sơ cấp chuyển động dọc theo phần thứ cấp và mang đầy tải (cabin và hành khách), đặc tính động được khảo sát ở trong trường hợp tổng quát: Xét đến hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy.

a) Đáp ứng lực b) Đáp ứng tốc độ

c) Đáp ứng dòng điện

Qua kết quả trên Hình 3.9 ta nhận thấy, dòng điện pha A có biên độ lớn hơn so với 2 pha còn lại, thời gian khởi động kéo dài đến 0,8s và đáp ứng lực và tốc độ dao động ở chế độ xác lập, điều này có thể gây ra hiện tượng “giật” khi vận hành hệ thống thang máy.

3.2.5. Trường hợp điện trở phần sơ cấp

Mục này ta nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự tăng điện trở phần sơ cấp. Trong thực tế vận hành ĐCKĐBTT đơn biên ứng dụng trong thang máy không chỉ khởi động trong điều kiện bình thường mà phải khởi động thậm chí rất nhiều lần trong thời gian làm việc. Như vậy khi khởi động động cơ thì điện trở phần sơ cấp thực tế đã thay đổi. Như vậy chắc chắn sẽ làm ảnh hưởng đến đặc tính động của động cơ. Sau đây chúng ta xét trường hợp khi thay đổi điện trở phần sơ cấp thay đổi tăng 30% so với bình thường.

a) Đáp ứng lực b) Đáp ứng tốc độ

Như vậy có thể nói giữa các lần khởi động khác nhau, diễn biến của quá trình động cũng khác nhau do sự ảnh hưởng của nhiệt độ (do sự phát nhiệt của động cơ và môi trường). Trên hình 3.10 (so với Hình 3.6) ta nhận thấy: Khi điện trở phần sơ cấp tăng lên thì biên độ dòng khởi động cực đại cũng như dòng trung bình giảm xuống. Trị số lực quá độ cực đại và lực cực đại giảm, thời gian khởi động bị kéo dài và năng lượng tiêu tốn cho quá trình khởi động tăng lên.

Kết luận chương 3

- Hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy trong ĐCKĐBTT đều có những ảnh hưởng nhất định đến trạng thái làm việc của động cơ, làm suy giảm độ lớn lực và thay đổi hình dáng đường đặc tính lực động trong ĐCKĐBTT đơn biên.

- Đã phân tích cho những trường hợp riêng khi khảo sát ảnh hưởng của từng trường hợp đến đặc tính động của ĐCKĐBTT đơn biên như: không tải, thấp tải, đầy tải, tần số thay đổi, nguồn điện áp không đối xứng, điện trở phần sơ cấp. Kết quả cho thấy, đặc tính động thay đổi theo những thay đổi của chế độ làm việc của động cơ.

- Vấn đề sử dụng ĐCKĐBTT đơn biên cho hệ truyền động thang máy đã mở ra triển vọng cho việc ứng dụng động cơ này vào các phụ tải mang tính chất thế năng. Hệ thống đạt các chỉ tiêu về tốc độ, thời gian đáp ứng nhanh cũng như các yêu cầu an toàn khi vận hành.

KẾT LUẬN CHUNG

Nội dung đề tài phần nào sẽ giúp cho người đọc nắm được nhiều kiến thức liên quan đến động cơ tuyến tính; mô hình toán và đặc tính động của động cơ không đồng bộ ba pha tuyến tính đơn biên, cụ thể như sau:

- Bằng cách sử dụng mô hình máy điện tổng quát 2 pha, biến đổi hệ phương trình mô tả động cơ về những hệ tọa độ thích hợp. Mô hình của động cơ có xét đên hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy được viết trên hệ tọa độ vuông góc tổng quat uv và các mô hình viết trên các hệ tọa độ đặc biệt αβ và dq. Đồng thời đã xây dựng mô hình mô phỏng loại máy điện này bằng phần mềm Matlab/Simulink.

- Việc xây dựng mô hình động ĐCKĐBTT có xét đến các hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy để nghiên cứu về đặc tính lực động là việc làm cần thiết. Qua đó, các kết quả nhận được sẽ là nền tảng cơ bản để tìm kiếm chiến lược điều khiển tối ưu nhằm nâng cao chất lượng hệ thống truyền động ĐCKĐBTT