Tiểu luận mô hình hóa động cơ không đồng bộ

Bài tiểu luận “Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc” em đã nghiên cứu trong thời gian vừa qua là thành quả của quá trình học hỏi và tiếp thu kiến thức từ thầy giáo Tiến sĩ Nguyễn Quốc Như hướng dẫn và đọc các tài liệu tham khảo. Vì vậy em xin cam đoan tất cả nội dung báo cáo là sản phẩm cá nhân và không có bất kỳ gian dối hay sao chép nào.

LỜI CAM ĐOAN

Bài tiểu luận “Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng động cơ không đồng bộ

ba pha rô to lồng sóc” em đã nghiên cứu trong thời gian vừa qua là thành quả của quá trình học hỏi và tiếp thu kiến thức từ thầy giáo Tiến sĩ Nguyễn Quốc Như hướng dẫn và đọc các tài liệu tham khảo Vì vậy em xin cam đoan tất cả nội dung báo cáo là sản phẩm cá nhân và không có bất kỳ gian dối hay sao chép nào Các tài liệu tham khảo và trích dẫn đều được ghi rõ Các nội dung bao gồm:

1 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha

2 Bài toán mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha

Trong quá trình thực hiện còn găp nhiều khó khan dù bản thân rất cố gắng nhưng khả năng có hạn, kinh nghiệm chưa nhiều nên không thể tránh được sai sót trong quá trình làm rất mong được sự đóng góp ý kiến bổ sung của các thầy cô giáo cùng các bạn

để bài tiểu luận được hoàn thành tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Vinh, Ngày 26 tháng 9 năm 2022

Học viên

Nguyễn Văn Phú

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1

1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện không đồng bộ 1

1.2 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 1

1.2.1 Phần tĩnh hay Stator 1

1.2.2 Phần quay hay rotor 2

1.3 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3

1.3.1 Xây dựng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3

1.3.2 Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ 7

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 9

2.1 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha 9

2.1.1 Biến đổi ba pha về hai trục tọa độ của điện áp và dòng điện 9

2.1.2 Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ ba pha 10

2.1.3 Tốc độ động cơ 10

2.1.4 Tính toán dòng điện stato 11

2.1.5 Nguồn cấp ba pha cho động cơ 11

2.2 Bài toán mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha 12

KẾT LUẬN 16

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA

PHA

1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện không đồng bộ

Động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất Ưu điểm của loại động cơ này là: Cấu tạo đơn giản (đặc biệt là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc); so với động cơ một chiều, động cơ điện không đồng bộ có giá thành

hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn Ngoài ra động cơ không đồng bộ có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo

Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn; riêng với động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn so với động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ rotor dây quấn Tuy nhiên, ngày nay dưới sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất lớn, kỹ thuật vi xử lý, vi điều khiển… nên việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ngày càng hiệu quả Vì vậy, các hệ truyền động dùng động cơ không ngày càng chiếm

ưu thế

1.2 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ chia thành hai loại: rotor dây quấn và rotor lồng sóc Động cơ không đồng bộ gồm các bộ phận chính sau:

1.2.1 Phần tĩnh hay Stator

1.2.1.1 Vỏ máy

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, vỏ máy không phải là mạch dẫn từ, thường làm bằng gang Với vỏ máy có công suất lớn (từ 1000 kW trở lên) thường dùng thép tấm hàn lại

1.2.1.2.Lõi sắt

Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường qua lõi sắt là từ trường quay, nên có tổn hao, để giảm tổn hao người ta dùng thép kỹ thuật điện dày (0,35 ÷ 0,5 mm) ghép lại với nhau Mỗi lá thép kỹ thuật điện có sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây ra

1.2.1.3.Dây quấn stator

Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được được cách điện với lõi sắt, dây quấn stator thường làm bằng đồng

1.2.2 Phần quay hay rotor

1.2.2.1 Lõi sắt

Nói chung thì người ta dùng thép kỹ thuật điện như ở stator Lõi sắt được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rotor của máy Phía ngoài của lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn

1.2.2.2 Rotor và dây quấn của rotor

Rotor có hai loại chính: rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc

* Rotor kiểu dây quấn: Rotor có dây quấn giống như dây quấn stator Trong

máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp vì bớt được những dây đầu nối, kết cấu dây quấn trên rotor chặt chẽ Trong máy điện cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp Dây quấn ba pha của rotor thường đấu hình sao, còn ba đầu kia được nối vào ba 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 của loại động cơ điện rotor dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay sức điện động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc

* Rotor kiểu lồng sóc: Kết cấu dây quấn của rotor lồng sóc 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 mà người ta quen gọi là lồng sóc Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt Để cải thiện tính năng mở máy, trong máy công suất tương đối lớn, rãnh rotor có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc hay còn gọi là lồng sóc kép Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh rotor thường được làm chéo đi một góc so với tâm trục

1.3 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

1.3.1 Xây dựng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Để xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ta sử

dụng sơ đồ thay thế hình T hoặc hình Ґ Khi nghiên cứu ta đưa ra một số giả thiết

- Ba pha của động cơ là đối xứng, khe hở không khí là đồng đều;

- Các thông số của động cơ không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở rotor không phụ thuộc vào tần số dòng điện; mạch từ của máy điện chưa bão hòa nên các điện kháng không đổi;

- Tổng dẫn mạch từ hóa không đổi, dòng điện từ hóa không phụ thuộc vào tải

mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stator động cơ;

- Bỏ qua tổn hao ma sát;

- Điện áp lưới đối xứng hình sin

Từ các giả thiết này ta có sơ đồ thay thế động cơ điện không đồng bộ hình Ґ

Hình 1.1 Sơ đồ thay thế máy điện không đồng bộ hình Ґ

Trong đó: U1- trị số hiệu dụng của điện áp pha stator;

I¿00, I¿1,I¿2//- các dòng điện từ hóa, dòng điện stator, dòng điện rotor đã quy đổi

về phía stator;

rμ,r1,r2¿

- điện trở tác dụng của mạch từ hóa, cuộn dây stator và của dây quấn rotor đã quy đổi về phía stator;

xμ,x1, x2¿- điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tản stator và điện kháng tản

rotor đã quy đổi về stator;

C

¿

1=1+Z Z1

μ

s- hệ số trượt của máy điện đồng bộ;

s= n1−n

n1 =

ω1−ω

ω1- tốc độ quay của từ trường quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ

ω1=2πf p1 (1.2)

f 1 - tần số của nguồn điện;

p- số đôi cực từ của máy.

Từ sơ đồ thay thế hình Ґ ta dễ dàng tính được quan hệ của mômen điện từ của

máy so với hệ số trượt theo biểu thức (1.3):

M đt= m1 p.U1

2.r2

¿

s

2 πf1.[ (r1+C1r2

¿

s )2

Đây chính là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ

Nếu ta biểu diễn đặc tính (1.3) trên đồ thị sẽ là đường cong như hình 1.2 Có thể xác định các điểm cực trị của đường cong này bằng cách giả phương trình

dM

ds =0, ta

sẽ có của trị số của mômen và hệ số trượt tại điểm cực trị ký hiệu là M th ,s th cụ thể là:

s th=± C1r2

¿

√r12+(x1+C1x2¿

)2

(1.4)

2C1.

m1pU 1 2

2 πf1.[±r1+√r12+(x1+C1x2¿)2]

(1.5)

Trong hai biểu thức (1.4) và (1.5) dấu “+” ứng với chế độ động cơ; dấu “-” ứng với chế độ máy phát Do đó M th ở chế độ máy phát lớn hơn M th ở chế độ động

cơ Thông thường r12 không vượt quá 5% (x1+C1x2¿)2

nên có thể bỏ qua, như vậy ta có:

M th=± 12C

1 m1pU 1

2

2 πf1.[±r1+(x1+C1x2¿

Hình 1.2 Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ

Ngoài ra khi nghiên cứu hệ truyền động không đồng bộ người ta quan tâm nhiều tới trạng thái động cơ nên đường đặc tính cơ lúc này thường biểu diễn trong khoảng tốc độ 0<s<s th, gọi là đoạn đặc tính là việc

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ có thể biểu diễn thuận tiện hơn bằng cách lập tỷ số giữa (1.3) và (1.5) và biến đổi ta có biểu thức (1.7)

s

s th+s th

(1.7)

Trong đó: a=

r1

C1r2¿

Trong các động cơ điện không đồng bộ thường r1≈r2¿ và s th=0,1÷0,2 nên as th

rất nhỏ so với các số hạng đứng trước nó, ta có thể viết công thức (1.7) như sau:

s th

s + s s th (Công thức Klox)

(1.8)

Trong đó: s th=

r2'

x nm (1.9)

M th=

m1pU 1 2

4 πf1.x nm (1.10) Mômen trên trục động cơ không đồng bộ M 2 thường nhỏ hơn mômen điện từ

một ít và bằng:

M2=M đt −M0

(1.11)

Trong đó: M 0- mômen không tải

Do M 0 rất nhỏ so với mômen trên đầu trục M 2 nên đặc tính cơ của động cơ

không đồng bộ M2=f (n) ó thể coi bằng M đt =f (n), do đó đường đặc tính cơ của

động cơ không đồng bộ có dạng như đường đặc tính M=f (s) vẽ ở hình 1.2.

1.3.2 Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ

Từ phương trình đặc tính cơ động cơ không đồng bộ (1.3), ta thấy các thông số ảnh hưởng tới đặc tính cơ bao gồm:

- Ảnh hưởng của điện áp của stator;

- Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng stator;

- Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch rotor (đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn);

- Ảnh hưởng của tần số của nguồn cấp cho động cơ f1

Ngoài ra việc thay đổi số đôi cực sẽ làm thay đổi tốc độ đồng bộ và làm thay đổi đặc tính cơ (trường hợp này xảy ra đối với động cơ có nhiều cấp tốc độ)

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

BA PHA

2.1 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha

114Equation Chapter 4 Section 1Động cơ điện không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Việc mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha là vấn đề rất cần thiết khi nghiên cứu về các hệ truyền động của loại động cơ này

Phần này mô tả một mô hình tổng quát của động cơ không đồng bộ ba pha trên cơ sở

sử dụng phần mềm Matlab/Simulink Chi tiết xây dựng của các mô hình phụ khác nhau cho động cơ không đồng bộ đã được chỉ ra Một động cơ có công suất 2,2KW được đưa ra để mô phỏng kiểm chứng mô hình đã được xây dựng

Mô hình động lực học tổng quát của động cơ không đồng bộ ba pha gồm các phương trình tính toán như sau ([1], [2], [3], [4]):

 Phương trình biến đổi ba pha về hai trục tọa độ của điện áp và dòng điện;

 Phương trình tính mômen điện từ;

 Phương trình tính tốc độ rô to động cơ;

 Phương trình tính dòng điện stato.

2.1.1 Biến đổi ba pha về hai trục tọa độ của điện áp và dòng điện

Xem nguồn cấp ba pha là đối xứng Quá trình chuyển đổi điện áp nguồn cấp ba pha

sang điện áp ở hệ tọa độ gắn với stato- hệ tọa độ tĩnh (αβ) được thực hiện bằng phương

trình ma trận (4.1) dưới đây (gọi là biến đổi Clark thuận):

242\* MER GEF ORM

AT (.)

Ở đây v sa , v sb , và v sc là điện áp 3 pha stato, trong khi đó v sα và v sβ là các thành phần của

véc tơ điện áp stato vs trong hệ trục tọa độ tĩnh αβ.

Ở hệ quy chiếu hai trục αβ phương trình dòng điện có dạng như sau [2]:

343\* MER

Trong đó R s , lần lượt là điện trở stato và rô to quy đổi về stato L s , L r và L m lần lượt

là điện cảm stato, rô to và hỗ cảm, P là số cực và ω r là tốc độ của rô to Trong mô hình

điện, điện áp ba pha [v sa , v sb , v sc ] là đầu vào và dòng điện [i sα , i sβ , i rα , i rβ] là đầu ra điện

áp rô to thông thường bằng không do rô to có dạng lồng sóc, có nghĩa là v rα = v rβ =0.

2.1.2 Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ ba pha

Mômen điện từ có thể được tính toán sử dụng véc tơ từ thông rô to và véc tơ dòng điện stato [2], [3] Mômen điện từ có thể được tính như sau:

444\* MER GEF ORM

AT (.)

2.1.3 Tốc độ động cơ

Phương trình cân bằng mômen:

545\* MER GEF ORM

AT (.)

Ở đây J là mômen quán tính của rô to; T L là mômen tải

Từ phương trình cân bằng mômen (4.4), tốc độ rô to được tính như sau:

646\* MER GEF ORM

AT (.)

2.1.4 Tính toán dòng điện stato

Mô hình dòng điện stato được sử dụng để tính biên độ dòng điện stato theo phương trình sau:

747\* MER GEF ORM

AT (.)

2.1.5 Nguồn cấp ba pha cho động cơ

Nguồn cấp cho động cơ là nguồn ba pha hình sin như sau:

848\* MER GEF ORM

AT (.)

Trong đó V m là biên độ điện áp nguồn cấp, ω là tần số của nguồn cấp và θ 0 là góc pha ban đầu

2.2 Bài toán mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha

Sử dụng MATLAB/Simulink để mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha Thông

số của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc 2,2 kW- Siemens (1LA 7096-2AA60- Z) [4], :

 Số đôi cực: ;

 Điện trở rô to đã quy đổi về stato: ;

 Mô men quán tính của rô to: (kg.m2);

 Bỏ qua hệ số ma sát nhớt: (N.m.s)

Chương trình MATLAB để nhập thông số của động cơ cho mô phỏng Simulink có dạng như sau:

clc;

clear;

Pn = 2200;

Vmax = 231*sqrt(2);

Vn = 400;

nn = 2880;

p = 1;

fn = 50;

Rs = 1.99;

Rr = 1.84;

Lls = 0.0111;

Llr = 0.0115;

Lm = 0.369;

Ls = Lm+Lls;

Lr = Lm+Llr;

J = 0.002159;

B = 0;

TL = 5.5;

Ts = 0.0001;

% Xoa thong tin Command Window

% Xoa thong tin Workspace

% Cong suat dong co

% Bien do dien ap nguon

% Dien ap dinh muc (V)

% Toc do dinh muc

% So doi cuc

% Tan so dinh muc

% Dien tro stato (Ohm)

% Dien tro rotor da quy doi (Ohm)

% Tu cam stato (H)

% Tu cam cam rotor (H)

% Ho cam (H)

% Dien cam stato

% Dien cam rotor

% Momen quan tinh rotor(kg.m^2)

% He so ma sat nhot (N.m.s)

% Momen tai (N.m)

% Thoi gian lay mau (S) Hình 2.1 là mô hình điện áp ba pha cấp cho động cơ không đồng bộ trong Simulink Hình 2.2 là mô hình chuyển điện áp ba pha thành điện áp hai trục alpha và beta trong

Hình 2.1 Mô hình điện áp ba pha cấp cho động cơ không đồng bộ trong Simulink

Hình 2.2 Mô hình chuyển điện áp ba pha thành điện áp hai trục αβ trong Simulink

Hình 2.3 Mô hình mô men điện từ và dòng điện stato trong Simulink

Hình 2.4 Mô hình xác định tốc độ trong Simulink

Hình 2.5 Sơ đồ mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha trong Simulink

Hình 2.5 là sơ đồ mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha trong Simulink của bài

toán Với tải T L=5,5 (N.m) Sau khi kết thúc mô phỏng ta có được:

 Tốc độ xác lập của động cơ là 307,2 (rad/giây);

 Biên độ dòng điện stato xác lập là 4,678 (A);

 Mô men điện từ xác lập là 5,5 (N.m);

 Công suất đầu ra của động cơ là 1690 (W);

 Các kết quả mô phỏng bao gồm biên độ điện áp nguồn, biên độ dòng điện dòng điện stato, mô men điện từ và tốc độ rô to được chỉ ra từ Hình 2.6 đến Hình 2.9

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

(Giay) 323

324

325

326

327

328

329

330

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

(Giay)

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Hình 2.6 Biên độ điện áp nguồn Hình 2.7 Biên độ dòng điện stato

(Giay) -5

0

5

10

15

20

25

30

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

(Giay)

0 50 100 150 200 250 300 350

Hình 2.8 Mô men điện từ Hình 2.9 Tốc độ rô to

KẾT LUẬN

Việc xây dựng mô hình toán của động cơ được thực hiện với mục đích: sử dụng

để mô phỏng kiểm chứng cho các hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha Việc

mô hình hóa và mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha sẽ cho các kết quả về điện

áp, dòng điện, tốc độ và mômen điện từ thực của động cơ Các giá trị này là các giá trị tham chiếu trong mô hình mô phỏng các thuật toán điều khiển động cơ không đồng bộ

ba pha Ngoài ra việc mô hình hóa này giúp người nghiên cứu dễ dàng trong việc đánh

giá chất lượng của hệ truyền động động cơ không đồng bộ khi các tham số như điện trở rôto, điện trở stato, hỗ cảm, … của động cơ thay đổi

Do thời gian nghiên cứu ngắn nhưng được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo

em đã hoàn thành bài tiểu luận của mình đúng theo thời gian quy định

Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Tiến sĩ Nguyễn Quốc Như,

Trưởng Bộ môn Kỹ Thuật Điện Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Vinh đã giúp đỡ

và cung cấp cho em nhiều kiến thức quý báu

Em xin cảm ơn quý thầy cô!