Nghiên cứu phân tích mạch từ trong động cơ điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN CƠ KHÍ BÁO CÁOMÔN HỌC: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬTĐề tài: Nghiên cứu phân tích mạch từ trong động cơ điệnSinh viên thực hiện:Lê Thanh HảiVũ Minh ThànhNguyễn Tiến CườngPhạm Văn QuyềnGiảng viên hướng dẫn:TS Phạm Thành Công MỤC LỤCLời mở đầu3CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VÀ GIỚI THIỆU CHUNG41.1 Lý thuyết về máy phát điện và nguồn điện trên máy bay4 Brush Type6 Brushless Type71.2.Giới thiệu về Simplorer :9CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG SIMPLORER THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG CƠ2.1 ThreePhase Rectifier with ResistiveInductive Load112.2. Hysteresis CurrentControlled DCMotor StartUp142.2.1 Controller Modelling Using Block Elements142.2.2. Controller Modeling Using State Graph Components172.3. Current and Speed Controlled DC Motor20Tài liệu tham khảo23 LỜI MỞ ĐẦUMáy bay là một trong những phát minh vĩ đại của loài người nhằm thỏa mãn khát khao từ xa xưa của mình : chinh phục bầu trời. Cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, loài người đã có những bước nhảy vọt trong việc chế tạo và sản xuất máy bay. Và trong đề tài của mình, nhóm em xin nghiên cứu về một phần nhỏ nhưng không thể thiếu của máy bay, đề tài về sử dụng phần mềm Maxwell và Simplorer mô phỏng hệ thống động cơ và máy phát điện.Mục tiêu đặt ra:Tìm hiểu sơ lược về phần mềm Maxwell và SimplorerTìm hiểu lý thuyết chung về bài toán mô phỏngỨng dụng phần mềm Maxwell và Simplorer vào việc mô phỏng bài toánĐược sự giúp đỡ tận tình của thầy Phạm Thành Công, chúng em đã hoàn thành sơ bộ đồ án này.Do thời gian làm đồ án có hạn, nên không thể tránh khỏi các thiết sót và hạn chế, chúng em mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn để hoàn thiện hơn đồ án này.Chúng em xin chân thành cảm ơn. CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VÀ GIỚI THIỆU CHUNG1.1 Lý thuyết về máy phát điện và nguồn điện trên máy bay Các thiết bị trên máy bay sử dụng các nguồn điện AC và DC có hiệu điện thế khác nhau. Tuy nhiên, chủ yếu các hệ thống này sử dụng :Nguồn 115V AC 400HzNguồn 28V DC Đối với các loại máy bay hiện đại ngày nay, nguồn điện cung cấp cho hệ thống là nguồn ba pha 120208V 400Hz Cấu tạo chung của các máy phát điện bao gồm:+ Stator đưa nguồn AC ra (ac output)+ Từ trường của máy phát (rotor): từ trường xoay, với các cực được cố định+ Tốc độ quay của từ trường rpm xác định tần số của nguồn điện ( rpm:revolutions per minutevòng trên phút) Kiểm soát độ lớn của từ trường sẽ điều chỉnh độ lớn của nguồn điện Các loại máy phát điện gồm 2 loại chính được sử dụng hiện nay: máy phát điện sử dụng chổi quét (Brush Type) và máy phát điện không sử dụng chổi quét (Brushless Type) Nguyên lý chung :Dòng điện sinh ra có tần số được tính bởi công thức :f=pN60f: tần số suất điện động cảm ứng (Hz)p: số cặp cựcN: tốc độ quay của rotor (vòngphút)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ -* -

BÁO CÁO

MÔN HỌC: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT

Đề tài: Nghiên cứu phân tích mạch từ trong động cơ điện

Vũ Minh ThànhNguyễn Tiến CườngPhạm Văn Quyền

Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Thành Công

MỤC LỤC

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG SIMPLORER - THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG CƠ

LỜI MỞ ĐẦU

Máy bay là một trong những phát minh vĩ đại của loài người nhằm thỏa mãn khátkhao từ xa xưa của mình : chinh phục bầu trời Cùng với sự phát triển vượt bậc củakhoa học công nghệ, loài người đã có những bước nhảy vọt trong việc chế tạo vàsản xuất máy bay Và trong đề tài của mình, nhóm em xin nghiên cứu về một phầnnhỏ nhưng không thể thiếu của máy bay, đề tài về sử dụng phần mềm Maxwell vàSimplorer mô phỏng hệ thống động cơ và máy phát điện

Mục tiêu đặt ra:

Tìm hiểu sơ lược về phần mềm Maxwell và Simplorer

Tìm hiểu lý thuyết chung về bài toán mô phỏng

Ứng dụng phần mềm Maxwell và Simplorer vào việc mô phỏng bài toán

Được sự giúp đỡ tận tình của thầy Phạm Thành Công, chúng em đã hoàn thành sơ

bộ đồ án này

Do thời gian làm đồ án có hạn, nên không thể tránh khỏi các thiết sót và hạn chế,chúng em mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đểhoàn thiện hơn đồ án này

Chúng em xin chân thành cảm ơn

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT VÀ GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Lý thuyết về máy phát điện và nguồn điện trên máy bay

- Các thiết bị trên máy bay sử dụng các nguồn điện AC và DC có hiệu điện thếkhác nhau Tuy nhiên, chủ yếu các hệ thống này sử dụng :

Nguồn 115V - AC 400Hz

Nguồn 28V - DC

- Đối với các loại máy bay hiện đại ngày nay, nguồn điện cung cấp cho hệ thống lànguồn ba pha 120-/208-V 400Hz

- Cấu tạo chung của các máy phát điện bao gồm:

+ Stator - đưa nguồn AC ra (ac output)

+ Từ trường của máy phát (rotor): từ trường xoay, với các cực được cố định+ Tốc độ quay của từ trường rpm xác định tần số của nguồn điện( rpm:revolutions per minute-vòng trên phút)

- Kiểm soát độ lớn của từ trường sẽ điều chỉnh độ lớn của nguồn điện

- Các loại máy phát điện gồm 2 loại chính được sử dụng hiện nay: máy phát điện sửdụng chổi quét (Brush Type) và máy phát điện không sử dụng chổi quét (BrushlessType)

- Máy phát điện xoay chiều 3 pha:

3 cuộn cảm được đặt lệch nhau 120 độ

- một số hình ảnh, cũng như cơ cấu hoạt động của 2 loại máy phát Brush Type vàBrushless Type:

5 - Chổi quét và vành khuyên

6 - Từ trường quay (rotor)

7 - Stator-phần ứng

2) Brushless Type:

- Cấu tạo : bao gồm 2 phần chính: exciter generator ( gồm 2 phần chính làPermanent magnet generator (PMG) và bộ diode chỉnh lưu) và máy phát điện

chính

+ Exciter: stator là phần từ trường, và rotor là phần ứng (armature) Dòng

AC do exciter tạo ra, được chạy qua bộ diode chỉnh lưu thành dòng DC và cấp chomáy phát chính

+ Máy phát chính : dòng DC đã nói ở trên, cấp vào cuộn dây tạo ra từ trườngxoay Phần ứng là stator, lấy ra dòng điện

- Chủ yếu máy phát điện trên máy bay ngày nay được sử dụng là loại brushlessType, nguồn xoay chiều ba pha 400Hz Nhưng bên cạnh đó, trên máy bay vẫn cónhiều thiết bị sử dụng nguồn điện 1 chiều Do đó, cần hệ thống chỉnh lưu và ổn áp

để điều khiển dòng điện Và đề tài của nhóm là sử dụng Simplorer để mô phỏngmột số mạch chỉnh lưu nguồn 3 pha đơn giản

1.2.Giới thiệu về Simplorer :

Là một phần tự động hóa thiết kế điện tử (EDA) sản phẩm của gia đình Ansoft,Simplorer được sử dụng cho việc thiết kế cơ điện tử và các hệ thống đa tên miền,trong đó thường được áp dụng trong xe hơi, hàng không / công nghiệp quốc phòng

và ngành công nghiệp tự động hóa Việc giới thiệu một phiên bản mới mạnh mẽ,thế hệ kế tiếp với giao diện tốt cho người dùng, nâng cao khả năng mô hình hóa,bao gồm cả đường liên kết tới phần mềm Ansoft, tăng cường tích hợp với bên thứ

ba phần mềm mô phỏng, và cải tiến hiệu suất máy tính

Phần mềm Simplorer làm giảm thời gian trong kỹ thuật và việc lặp lại các nguyênmẫu khi cải thiện hiệu suất thiết kế thiết bị điện, cơ điện tử, điện-điện tử và hệthống điện cơ, chẳng hạn như truyền động điện và khóa giảm tốc trong xe ô tô,người máy được sử dụng trong công nghiệp tự động hóa, và thiết bị năng lượngđiện tử dùng để kiểm soát và chuyển đổi năng lượng điện Công nghệ Simplorercho phép các kỹ sư có thể mô phỏng,mô hình, phân tích và tối ưu hóa các hệ thốngphức tạp Sử dụng phần mềm này có tính năng mô hình hóa và công nghệ tấm đỡtốt, kỹ sư có thể xây dựng nguyên mẫu tất cả các khía cạnh của một hệ thống baogồm cả điện tử, bộ cảm biến / cơ cấu truyền động, các động cơ điện, máy phát điện,

bộ biến đổi năng lượng, phần mềm gắn đóng và điều khiển Điều này cho phép các

kỹ sư có thể khảo sát tính năng và hiệu suất của hệ thống và nhận biết thiết kế tổngthể Kết quả là có sự giảm mạnh về thời gian và chi phí trong quá trình phát triển,gia tăng độ tin cậy và tối ưu hiệu suất của hệ thống

Lợi thế duy nhất của phần mềm Simplorer là khả năng tích hợp nhiều mô hình côngnghệ tiên tiến Có rất nhiều thành phần trong hệ thống phi tuyến tính năng động,không thể là mô hình mẫu với những yêu cầu chính xác khi sử dụng mô hình hóa

kỹ thuật hoặc ngôn ngữ mô hình Để xác định đại diện vật lý của các thành phầntrong hệ thống quan trọng như bộ cảm biến cơ cấu truyền động và máy móc, yếu tốphân tích hữu hạn phải được làm việc Phần mềm Simplorer cung cấp một liên kếttrực tiếp với ngành công nghiệp hàng đầu của Ansoft Maxwell ®, Q3D Extractor

®, RMxprt ™ và phần mềm ™ PExprt Những liên kết này sẽ được mở rộng tớiMultiphysics ® ™ của ANSYS trong một tương lai không xa Kỹ thuật khớptruyền động và mô hình kỹ thuật giảm tốc của Simplorer cung cấp cho người dùngnhững tính năng để chuyển đổi một cách chi tiết đầy đủ và chính xác các mô hìnhvật lý cơ bản được sản xuất bởi các yếu tố hữu hạn của gói phần mềm hệ thống môphỏng cao cấp

Liên kết Simplorer và Maxwell:

Ví dụ về liên kết sự mô phỏng giữa Simplorer và Maxwell về động cơ drive), sử dụng Transient-Transient link

(Motor Transient(Motor transient link cho phép trao đổi dữ liệu giữa simplorer và Maxwelltrong quá trình mô phỏng:

Maxwell 2D vad 3D đều có thể dc sử dụng

Simplorer và Maxwell cùng chạy đồng thời

Simplorer là chủ, Maxwell là giúp đỡ

Ở 1 thời điểm xác định, thông số về dòng qua cuộn dây (winding currents) và gócquay của rotor (Rotor angle) được chuyển từ Simplorer qua Maxwell, và các thông

số về Back EMF và Torque (lực kéo) được chuyển từ Maxwell sang Simplorer

2.1 Three-Phase Rectifier with Resistive/Inductive Load

(Chỉnh lưu ba pha với tải điện trở-cuộn cảm)

Gồm một nguồn cấp ba pha và một cầu chỉnh lưu với tải điện trở-cuộn cảm Tínhiệu đầu vào là nguồn điện áp biến thiên theo thời gian Diode, tụ điện, điện trở làcác phần tử lý tưởng, diode được xác định bởi một hàm mũ (exponential function)

Số liệu đầu vào:

Hình dưới đây thể hiện một mẫu mô phỏng với các giá trị của các phần tử đã cho:Nguồn ba pha, cầu chỉnh lưu diode tĩnh và các đặc tính của chúng, tụ điện phẳng vàtải điện trở-cuộn cảm:

Đồ thị điện áp của tụ điện: CD.V

Đồ thị dòng điện chạy qua điện trở tải: R_LOAD.I

2.2 Hysteresis Current-Controlled DC-Motor Start-Up

(Động cơ một chiều điều khiển bởi dòng trễ)

Tương tự như phần một, mạch trong phần này được điều chỉnh ít, không đáng kể,tải điện trở-cuộn cảm được thay thế thành một mô hình máy thực (động cơ mộtchiều vĩnh cửu) So với phần một, mạch này được mở rộng với hai thành phần trễ:Chopper transistor, và freewheeling diode Các phần khác của mạch: nguồn bapha, cầu chỉnh lưu được giữ không đổi

2.2.1 Controller Modelling Using Block Elements

(Điều khiển sử dụng thành phần khối)

Hình dưới đây thể hiện một mẫu mô phỏng với các giá trị đáp ứng của phần tử.Nguồn ba pha, cầu chỉnh lưu với diode tĩnh và các đặc tính của chúng, tụ điệnphẳng và mẫu máy phát một chiều Chopper transistor và freewheeling diode

0 0 0

D6 D5

D4

D3 D2

ET1

-207.39V 0deg

CD 1mF L_A

0.3mH

L_C 0.3mH

L_B 0.3mH R_C

10mOhm

R_B 10mOhm

R_A 10mOhm

DCM IA LOAD D7 TR1

INPUT =DCM.IA

ICA:

EQU0=LOAD:=0 FML_INIT

ICA:

FML_INIT 2

OFF ON

TRANS1

TRANS2

Số liệu của các phần tử:

Đồ thị dòng qua máy phát một chiều: DCM.IA

Tốc độ quay của máy phát một chiều: DCM.N

2.2.2 Controller Modeling Using State Graph Components

(Mô hình điều khiển sử dụng bộ đồ thị trạng thái)

D4

D3 D2

ET1

-7.1065e-013V 0deg

CD 1mF L_A

INPUT=DCM.IA

ICA:

EQU0=LOAD:=0 FML_INIT

ICA:

FML_INIT2

OFF ON

TRANS1

TRANS2

Số liệu các phần tử:

* State Graph Controller:

Đồ thị dòng qua máy phát một chiều: DCM.IA

Đồ thị tốc độ quay của máy phát một chiều: DCM.N

2.3 Current and Speed Controlled DC Motor

(máy phát một chiều điều khiển bởi dòng điện và tốc độ quay)

10mOhm R_C

10mOhm

L_B

0.3mH L_C

0V 120deg ET3

LOAD

GAIN

N

Số liệu các phần tử:

Đồ thị: LOAD.VAL - DCM.IA - DCM.N

Time [ms]

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Aircraft Electrical and Electronic Systems Principles, operation and maintenance Mike Tooley and David Wyatt, Published by Elsevier Ltd - 2009