Xây dựng mô hình động cơ dị bộ Rotor dây quấn trên hệ tọa độ αβ và dq

Lời nói đầuTrong những năm gần đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã đưa lại những ứng dụng lớn lao vào trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hoá của mỗi đất nước. Bên cạnh những thành tựu về mặt thực tiễn thì những lý thuyết về điều khiển cũng lần lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng các nguyên lý điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động trong công nghiệp. Là một nước đang trong quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệp hiện đại với nhiệm vụ hiện nay là thực hiện thành công quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá, đất nước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng mạnh mẽ các thành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại năng suất lao động cao hơn, cạnh tranh được với các nước trong khu vực và thế giới. .Tự động hoá trong sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ mới nhằm nâng cao năng xuất, hạ giá thành sản phẩm không những là yêu cầu bắt buộc mà hơn nữa còn được xem như một chiến lược đối với các nhà máy, xí nghiệp cũng như toàn bộ nền sản xuất công nghiệp của mỗi quốc gia. Từ yêu cầu thực tiễn đó thì chúng em đã thực hiện một đề tài nhỏ là : “Xây dựng mô hình động cơ dị bộ Rotor dây quấn trên hệ tọa độ αβ và dq”.Trong một thời gian tương đối ngắn do vậy đồ án này chắc chắn không khỏi những thiếu sót, với sự nỗ lực của bản thân , em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn Sinh viên Vũ Đức ThịnhMỤC LỤCLỜI MỞ ĐẦU1CHƯƠNG 1 :Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ31.1 Cấu tạo chung của động cơ không đồng bộ31.2 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ51.3 Khởi động động cơ không đồng bộ9CHƯƠNG 2 :Mô hình động cơ trên các hệ tọa độ112.1 Máy điện dị bộ roto dây quấn112.2 Phương trình toán của động cơ12 2.2.1 Chuyển hệ tọa độ cho vectơ không gian 12 2.2.2 Xây dựng phương trình toán13CHƯƠNG 3 :Mô phỏng động cơ bằng simulink183.1 Mô phỏng mô hình động cơ183.2 Kết quả mô phỏng22KẾT LUẬN25 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………...26

Trang 1

Lời nói đầuTrong những năm gần đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã đưalại những ứng dụng lớn lao vào trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hoá củamỗi đất nước Bên cạnh những thành tựu về mặt thực tiễn thì những lý thuyết vềđiều khiển cũng lần lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng cácnguyên lý điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động trong công nghiệp Là mộtnước đang trong quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệp hiện đại với nhiệmvụ hiện nay là thực hiện thành công quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá, đấtnước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng mạnh mẽ các thànhtựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại năng suất lao độngcao hơn, cạnh tranh được với các nước trong khu vực và thế giới .Tự động hoátrong sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ mới nhằm nâng caonăng xuất, hạ giá thành sản phẩm không những là yêu cầu bắt buộc mà hơn nữacòn được xem như một chiến lược đối với các nhà máy, xí nghiệp cũng như toànbộ nền sản xuất công nghiệp của mỗi quốc gia

Từ yêu cầu thực tiễn đó thì chúng em đã thực hiện một đề tài nhỏ là :

“Xây dựng mô hình động cơ dị bộ Rotor dây quấn trên hệ tọa độ αβ và dq”.

Trong một thời gian tương đối ngắn do vậy đồ án này chắc chắn khôngkhỏi những thiếu sót, với sự nỗ lực của bản thân , em rất mong nhận được ý kiếnđóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để bản đồ án này hoàn

Sinh viên Vũ Đức Thịnh

Trang 2

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 : Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ 3

1.1 Cấu tạo chung của động cơ không đồng bộ 3

1.2 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 5

1.3 Khởi động động cơ không đồng bộ 9

CHƯƠNG 2 : Mô hình động cơ trên các hệ tọa độ 11

2.1 Máy điện dị bộ roto dây quấn 11

2.2 Phương trình toán của động cơ 12

2.2.1 Chuyển hệ tọa độ cho vectơ không gian 12

2.2.2 Xây dựng phương trình toán 13

CHƯƠNG 3 : 3.2 Kết quả mô phỏng TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 26

Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ

Trang 3

Động cơ không đồng bộ ba pha gồm các phần chính sau: Phần tĩnh vàphần quay.

2

1

1- Quạt làm mát

4 2- Hộp đấu dây

Gồm có vỏ,lõi thép,dây quấn

+ Vỏ máy : Làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stato, vỏ códạng trụ rỗng, có chân để cố định máy trên bệ và có hai nắp máy ở hai đầu để đỡtrục máy và bảo vệ phần đầu dây quấn.Các máy có công suất bé thì thường là vỏbằng nhôm,còn các máy có công suất trung bình và lớn thường làm bằng gang

+ Lõi thép : Làm nhiệm vụ dẫn từ và được ghép từ các lá thép kĩ thuậtđiện với nhau (nhằm chống dòng điện xoáy) theo một hình trụ rỗng Mặt trongcủa các lá thép được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây stator

+ Dây quấn stator : Được quấn thành từng các mô bin, mà các cạnh củamôbin đó được đặt vào lõi thép stator Các mô bin được cách điện nhau và cáchđiện với lõi thép

- Phần quay (roto) :

Gồm có lõi thép, trục máy và dây quấn.

+ Lõi thép roto cũng được dập từ các lá thép kĩ thuật điện có dạng hìnhtròn và mặt ngoài của các lá thép đó được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây,còn ở giữa được dập lỗ tròn để lồng trục máy Các lá thép nói trên được ghép lại

Trang 4

với nhau thành một trụ tròn mà ở giữa là lồng trục máy, mặt ngoài của trụ là cárãnh để đặt dây quấn roto Thường các lá thép roto được tận dụng phần bêntrong các lá thép của stato.

+ Trục máy làm bằng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép roto Trụcđược đỡ bởi hai ổ bi trên hai nắp máy

+ Dây quấn roto có hai loại : loại roto lồng sóc và roto dây quấn

Loại rotor kiểu lồng sóc: Dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng đồng thauhoặc nhôm được đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bằng hai vành ngắn mạch ở haiđầu.Với động cơ nhỏ dây quấn roto được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vànhngắn mạch, cánh tản hiệt và cánh quạt làm mát Các động cơ trên 100kW thanhdẫn làm bằng đồng và được đặt vào các rãnh roto và được gắn chặt vào vànhngắn mạch

ìHình 1.2 Dây quấn roto kiểu lồng sóc

Loại roto dây quấn: Cũng được quấn thành từng các môbin như dây quấnstato và có cùng số cực từ dây quấn stato Dây quấn kiểu này luôn đấu hình saovà có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay roto và cách điện vớitrục Ba chổi than cố định và luôn tỳ lên vành trượt này để dẫn điện và một biếntrở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ

Trang 5

Hình 1.3 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn

1.2 Đặc tính cơ của động cơ KĐB

Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩalà ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điệnkháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổnthất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một phacủa động cơ như hình vẽ 1-4

Hình 1.4 Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ

Trong đó U1 : trị số hiệu dụng của điện áp ba pha stato

Rth , R1 , R2’ là điện trở tác dụng từ hoá , điện trở stato và điệntrở rôto đã quy đổi về phía stato

Xth, X1 , X2’, là điện kháng mạch từ hoá điện kháng tản stato vàđiện kháng roto đã quy đổi về phía stato

Ith ,I1 , I2’ là các dòng điện từ hoá , dòng điện stato, dòng điệnrôto đã quy đổi về stato

Với hệ số quy đổi như sau :

X’

2 = Ku2.X2 ; I’

2 = Ki I2 ; R2’ = Ku2 R2

Trang 6

Trong đó :

Kdq1, Kdq2 : hệ số dây quấn stato và roto

U1 điện áp định mức đặt vào dây quấn stato

Ew : sức điện động định mức của roto

Độ trượt động cơ : s =

0 với : Xnm= X1+X2’ : điện kháng ngắn mạch

Dòng khởi động phía rôto của động cơ

Hình 1.5 Đặc tính dòng điện roto

Thông thường ta có I2’ max = (4  7)I)Iđm Vì thế khi khởi động động

cơ cần chú ý giảm dòng mở máy phía rôto bằng cách mắc thêm điện trở phụphía rôto

Ta có dòng điện phía stato là :

Trang 7

Khi S = 0  I1 = Ith (dòng phía stato bằng dòng từ hoá )

S = 1  I1 = [ √R th1+X th+

1

√ (R1+R2)2+X nm]U1

Hình 1.6 Đặc tính dòng điện stato của động cơ không đồng bộ

- Để xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ tadựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ

Ta có công suất điện từ chuyển từ stato sang roto là :

Pđt = M.1 (1.1) M : Là mômen điện từ của động cơ

Giả sử bỏ qua tổn thất phụ thì : M = M cơ

Công suất Pđt chia làm hai phần

Pcơ :Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ Pcơ = Mcơ  (1.2) P2 : Công suất tổn hao đồng trong rôto : P2 = 3.I2’2 R2’ (1.3)

Trang 8

sω )2+X nm2 ]

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

Để vẽ đường đặc tính cơ của động cơ cần phải tìm ra các điểm tới hạnthông qua việc giải phương trình :

3 U1

2 ω1(R1±√R12

+X nm2

)

Dấu “ + “ ứng với trạng thái động cơ

Dấu “ - “ ứng với trạng thái máy phát

Khi nghiên cứu các hệ truyền động của động cơ không đồng bộ người taquan tâm nhiều đến trạng thái làm việc của động cơ

Với những động cơ công suất lớn lớn thường R1 rất nhỏ so với Xnm nênlúc này co thể bỏ qua R1 nghĩa là R1 = 0 Do đó :

Trang 9

Hình 1.7 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Trong thực tế khi nghiên cứu các hệ truyền động cho động cơ không đồngbộ thường lựa chọn vùng làm việc là đường thẳng tuyến tính từ 0 đến D

1.3 Khởi động động cơ KĐB

Dòng điện khởi động : Khi khởi động n =0 , s=1nên:

Thường thì : Ik= (4÷7)I) Idm ứng với Udm

Yêu cầu khi mở máy :

 Mk phải đủ lớn để thích ứng với đặc tính tải

 Ik càng nhỏ càng tốt để không ảnh hưởng đến các phụ tải khác

Trang 10

 Thời gian khởi động Tk phải nhỏ để máy có thể làm việc được ngay.

 thiết bị khởi động rẻ tiền tin cậy và ít tốn năng nượng

Các yêu cầu trên là trái ngược nhau tùy trong trường hợp mà ta sẽ ưu tiênyêu cầu nào trước

Khi khởi động động cơ dây quấn rotor được nối vào các điện trở phụ Rpk.Đầu tiên K1 và K2 mở động cơ được khởi động qua điện trở phụ lớn nhấtsau đó đóng K1 rồi K2 giảm dần điện trở phụ về không Đường đặc tínhmômen ứng vớí các điện trở phụ khởi động Rp1 và Rp2 ở hình 1.6

Hình 1.8 Khởi động động cơ KĐB Rotor dây quấn a.Sơ đồ mạch lực b.Đặc tính mô men

Lúc khởi động n=0, s=1 muốn mô men khởi đọng Mk = Mmax thì Sth=1hay

từ đó xác định điện trở khởi động ứng với mômen khởi động Mk =Mmax

Khi có Rpk dòng điện khởi động là:

Trang 11

Nhờ có điện trở khởi động Rk dòng điện khởi động giảm xuống, mômen khởiđộng tăng lên, đó là ưu điểm của động cơ rôto dây quấn

Chương 2: Mô hình động cơ trên các hệ tọa độ

2.1 Máy điện dị bộ rotor dây quấn

Đã một thời nhờ có khả cung cấp điện đồng thời cho cả hai phía Stator vàRotor ,máy điện dị bộ Rotor dây quấn được sử dụng nhiều trong các ứng dụngtruyền động có điều khiển tốc độ trong phạm vi hẹp Hiện tại, do các loại máyđiện dị bộ rotor lồng sóc và máy điện đòng bộ chiếm ưu thế tuyệt đối trong cáchệ 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 quấnngày càng được sử dụng nhiều trong các hệ thống máy phát điện chạy sức giónhờ có ưu thế: Thiết bị điều khiển sử dụng van bán dẫn công suất lớn ( điện tửcông suất ) được đặt ở phía rotor (hình 1) và vì vậy chỉ cần được thiết kế vớicông suất cỡ xấp xỉ =1/3 công suất máy phát , giá thành của hệ thống hạ xuốngrất nhiều

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng động cơ không

đồng bộ rotor dây quấn

Trang 12

2.2 Phương trình toán của động cơ

2.2.1 Chuyển vị tuyến tính giữa các hệ tọa độ

Ba dòng điện pha của động cơ lệch nhau về thời gian là 2π/3, chúng lạiđược đặt lệch nhau về không gian các góc 2π/3, như vậy ở từng thời điểm tổngcủa ba dòng điện này – gọi là vectơ dòng điện không gian có biên độ không đổi |

is| nhưng góc lệch thì khác nhau

Vectơ dòng điện không gian is có thể xác định được nếu biết 3 vectơ dòngđiện pha ia, ib, ic :

is = 2/3 ( ia + aib + a2ic )

a = e j2π/3

Do đó thay vì nghiên cứu ia, ib, ic ta nghiên cứu vectơ dòng điện is quaytrong mặt phẳng vuông góc với trục roto , nên có thể phân tích thành 2 thànhphần vuông góc với nhau :

is = isα + jisβ với isα là phần ảo của is và isβ là phần thực của is

Ta có :

isα = Im {is} và isβ = Re{is} = 1/3(2ia – ib – ic)

Do cách chuyển vị các vectơ mà các hệ số của các phương trình chỉ cònphụ thuộc vào tốc độ quay của roto, trong các trường hợp cụ thể có thể dễ dànggiải được các phương trình này Xét một hệ tọa độ quay với tốc độ ωk bất kỳ.Góc giữa trục thực hệ tọa độ này với trục thực của hệ tọa độ gắn với stato và rôttương ứng là θsk và θrk

Trang 13

Hình 2.2 Biểu diễn các hệ tọa độ

Ta có một số trường hợp đặc biệt sau :

- Nếu ωk = 0 gọi là hệ tọa độ tĩnh gắn với stato (hệ tọa độ αβ)

- Nếu ωk = ωs gọi là hệ tọa độ quay đồng bộ với từ trường (hệ dq)

- Nếu ωk = ωr gọi là hệ tọa độ cố định gắn với roto

Mục đích là phải biến đổi các biến từ hệ tọa độ ba pha abc sang hệ tọa độ haipha αβ và hệ tọa độ dq và ngược lại

2.2.2 Xây dựng phương trình toán

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:

Trang 14

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 trongkhi 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 Tacũng 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 trậnChữ nhỏ : Vector Máy điện dị bộ nguồn kép được mô tả bởi các trên hệ tọa độ tựa theohướng của vector điện áp lưới Un như sau:

Trang 15

 Hệ thống máy phát trước khi phát điện nên cần phẩi được hòa đồng bộ vớilưới tức là với UN.

 Sau khi hòa đồng bộ, Stator của máy phát được nối với lưới và vì vậy ta

có phương trình như sau: un us s un

s s t

Trang 16

Để hoàn thiện mô hình trên hệ tọa độ dq ta bổ sung thêm phương trìnhmômen (đặc trưng cho công suất hữu công) và phương trình hệ số công côngsuất cosφ (đặc trưng cho công suất vô công) của máy phát:

ĐK của máy phát

Cũng có thể dễ dàng thu được mô hình trên hệ tọa độ cố định với stator(hệ αβ) :

Trang 17

Mô hình đầy đủ trên hệ tọa độ αβ sẽ bao gồm cả các phương trình sau:

 Phương trình từ thông :

Trang 18

Chương 3: Mô phỏng động cơ bằng Simulink

3.1 Mô phỏng mô hình động cơ

+/ Chọn động cơ có thông số sau :

10kW 400V 50Hz 1400RPM

Công suất định mức : Pn = 10 (kW)

Điện áp định mức : Un = 400 (V)

Tần số định mức : fn = 50 (Hz)

Số đôi cực từ : Zp = 2

Tốc độ quay định mức : ndm = 1380 (vòng/phút) ; ω = 144.5 (rad/s)

Momen quán tính cơ : J = 0.0343 (kg.m2)

Hỗ cảm giữa rotor và stator : Lm = 0.1241 (H)

Điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator : Lσss = 0.003045 (H)

Điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor (đã quy về stator) : Lσsr = 0.003045 (H)Điện trở phía stator : Rs = 0.7)I384 (Ω))

Điện trở phía rotor : Rr = 0.7)I402(Ω))

+/ Tính toán thông số :

Từ phương trình 2.13, 2.14, 2.15, 2.16 ta tính toán được các thông số :

Điện cảm stator :

Ls = Lm + Lσss = 0.1241 + 0.003045 = 0.127)I145 (H)Điện cảm rotor :

Lr = Lm + Lσsr = 0.1241 + 0.003045 = 0.127)I145 (H)Hằng số thời gian stator :Ts = L sω

R sω = 0.1271450.7384 = 0.17)I22Hằng số thời gian rotor :Tr = L r

R r = 0.1271450.7402 = 0.17)I18

L2 0.12412

Trang 19

Hệ số a1 = b1 = L m

σ L r T sω = 0,04732.0,127145.0,17220,1241 = 119.7)I8Hệ số a1’ = b1’ = L m

σ L sω T r =0,04732.0,127145.0,17180,1241 = 120.06Hệ số n = 32 Zp.Lm = 32 2.0,1241 = 0.37)I23

Hệ số rút ra từ phương trình chuyển động : K = Z p

J = 0.03432 = 58.31Hệ số chuyển giữa tốc độ góc ω và tốc độ n : Kn = Z 60

p 2 π = 5.8Hệ số a3 = L m

σ L sω = 0,04732.0,1271450,1241 = 20.627)IHệ số a2 = 1−σ σ = 1−0,047320,04732 = 20.133

Hệ số b2 = L m

σ L r = 0,04732.0,1271450,1241 = 20.627)IHệ số b3 = 1σ = 0,047321 = 21.133

Ta xây dựng được mô hình động cơ không đồng bộ trên matlab như sau:

Hình 3.1 Mô hình simulink mô phỏng máy điện roto dây quấn trên hệ tọa độ αβ

Định dạng
Số trang	26
Dung lượng	561,83 KB