Xây dựng mô hình mô phỏng và khảo sát quá trình quá độ trong máy điện quay xoay chiều

1 1.1 Máy điện không đồng bộ 1.1.1 Khái niệm chung: Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay rotor n tốc độ quay của máy k

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Lê Quang Cường

NINH THUẬN, NĂM 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận văn

Trần Thị Hồng

ii

LỜI CẢM ƠN

Là học viên trong lớp Kỹ thuật điện - khóa K24, trường Đại học Thủy Lợi Hà Nội tôi

đã chọn đề tài luận văn Thạc sỹ là: Xây dựng mô hình mô phỏng và khảo sát quá

trình quá độ trong máy điện quay xoay chiều

Để luận văn hoàn thành đúng tiến độ và đạt được kết quả cao, trong quá trình nghiên cứu Luận văn tôi đã nhận được sự giúp đỡ của quý thầy trong bộ môn Kỹ thuật điện Với tình cảm sâu sắc và chân thành, cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tất cả quý thầy cô trong trường học Thủy Lợi đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá nghiên cứu đề tài

Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo Tiến sĩ Lê Quang

Cường đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn tôi hoàn thành tốt luận văn này trong thời

gian qua Sự quan tâm hướng dẫn tận tình của thầy là động lực để tôi nỗ lực hết mình trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn

Ngoài ra tôi xin chân thành cảm ơn đến lãnh đạo trường Cao đẳng nghề Ninh Thuận, quý thầy cô trong khoa Điện – Điện tử đã trực tiếp và gián tiếp đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài

Với điều kiện về thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một học viên, luận văn của tôi không thể tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của quý thầy cô để tôi có điều kiện bổ sung, hoàn thiện luận văn của mình, phục vụ tốt hơn cho công tác giảng dạy tại trường Cao đẳng nghề Ninh Thuận Xin trân trọng cảm ơn!

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU x

CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG MÁY ĐIỆN QUAY XOAY CHIỀU 1

1.1 Máy điện không đồng bộ 1

1.1.1 Khái niệm chung: 1

1.1.2 Cấu tạo máy điện không đồng bộ 1

1.1.3 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện không đồng bộ 4

1.1.4 Phương trình sức điện động và dòng điện của rotor 7

1.1.5 Tốc độ quay của s.t.đ rotor 8

1.1.6 Các chế độ làm việc của máy điện không đồng bộ 9

1.1.7 Mômen điện từ của máy điện không đồng bộ 10

1.2 Máy điện đồng bộ 13

1.2.1 Cấu tạo máy điện đồng bộ 13

1.2.2 Nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ 16

1.2.3 Các phương pháp mở máy của máy điện đồng bộ 17

CHƯƠNG 2 CÔNG CỤ MÔ PHỎNG 23

2.1 Giới thiệu về Matlab, Simmulink 23

2.1.1 Giới thiệu về Matlab : 23

2.1.2 Giới thiệu về Simulink 24

2.2 Lập trình trong Matlab 27

2.3 Simulink 30

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 33

iv

3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng máy điện không đồng bộ 33

3.1.1 Biểu diễn A, B, C, D bằng Simulink: 35

3.1.2 Mô hình hóa các đạo hàm bằng Simulink theo thứ tự: 36

3.1.3 Biến đổi các hệ tọa độ 38

3.2 Xây dựng mô hình mô phỏng máy điện đồng bộ 45

3.4 Các chỉ tiêu động trong máy điện 56

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG 57

4.1 Khảo sát quá trình quá độ trong máy điện không đồng bộ 57

4.1.1 Khảo sát quá trình quá độ khi khởi động 57

4.1.2 Khảo sát quá trình quá độ khi có tải 62

4.1.3 Các chỉ tiêucông suất khi khởi động 65

4.2 Khảo sát quá trình quá độ trong máy điện đồng bộ 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Stator của máy điện không đồng bộ 1

Hình 1.2 Dây quấn của Stato 2

Hình 1.3 Roto dây quấn 3

Hình 1.4 Roto lồng sóc 3

Hình 1.5 Chế độ động cơ 5

Hình 1.6 Roto cực ẩn 13

Hình 1.7 Roto cực lồi 14

Hình 1.8 Mở máy theo phương pháp không đồng bộ 17

Hình 1.9 Đường cong mômen của động cơ đồng bộ mở máy 18

Hình 1.10 Đặc tính làm việc của động cơ đồng bộ Pđm =500 KW, 22

Hình 2.1 Màn hình làm việc của Matlab 23

Hình 2.2 Cửa sổ làm việc của Simulink 24

Hình 2.3 Thư viện các thành phần 26

Hình 2.4 Khối chức năng trong Simulink 26

Hình 2.5 Khối lấy tín hiệu ra 27

Hình 3.1 Biểu diễn A bằng các khối trong Matlab-Simulink 35

Hình 3.2 Biểu diễn B bằng các khối trong Matlab-Simulink 35

Hình 3.3 Biểu diễn C bằng các khối trong Matlab-Simulink 36

Hình 3.4 Biểu diễn D bằng các khối trong Matlab-Simulink 36

Hình 3.5 Biểu diễn di ∝ sdtbằng các khối trong Matlab-Simulink 37

Hình 3.6 Biểu diễn diβsdtbằng các khối trong Matlab-Simulink 37

Hình 3.7Biểu diễndi ∝ r dt bằng các khối trong Matlab-Simulink 38

Hình 3.8 Biểu diễndiβrdt bằng các khối trong Matlab-Simulink 38

Hình 3.9 Hệ trục tọa độ roto d,q 39

Hình 3.10 Hệ trục tọa độ A, B, C và α, β 40

Hình 3.11 Sơ đồ chuyển đổi hệ trục tọa độ từ A, B, C sang α, β 41

Hình 3.12 Sơ đồ chuyển đổi hệ trục tọa độ từ α,β sang A, B, C 41

Hình 3.13 Hệ tọa độ d, q và α, β 42

Hình 3.14 Sơ đồ khối chuyển đổi hệ trục tọa độ từ α, β sang d, q 42

vi

Hình 3.15 Sơ đồ khối chuyển đổi hệ trục tọa độ từ d, q sang α, β 43

Hình 3.16 Mô hình mô phỏng máy điện không đồng bộ 44

Hình 3.17 Biểu diễn i_rd bằng các khối trong Simulink 49

Hình 3.18 Biểu diễn i_sd bằng các khối trong Simulink 50

Hình 3.19 Biểu diễn i_rq bằng các khối trong Simulink 50

Hình 3.20 Biểu diễn i_sq bằng các khối trong Simulink 51

Hình 3.21 Máy điện đồng bộ 3 pha 2 cực 51

Hình 3.22 Mô hình mô phỏng máy điện đồng bộ 55

Hình 3.23 Biểu diển công suất bằng các khối trong Matlab - Simulink 56

Hình 4.1 Điện áp pha A, pha B, pha C 58

Hình 4.2 Điện áp α, β trên stato 58

Hình 4.3 Điện áp α, β trên stato 58

Hình 4.4 Dòng điện α, β trên trục Stato 59

Hình 4.5 Dòng điện α, β trên trục Stato 59

Hình 4.6 Dòng điện α,β trêntrục roto 59

Hình 4.7 Dòng điện α,β trêntrục roto 59

Hình 4.8 Dòng điện roto Id_r;Iq r 60 r Hình 4.9 Dòng điện roto Id_r;Iq r 60 r Hình 4.10 Dòng điện 3 pha Stato 60

Hình 4.11 Dòng điện 3 pha Stato 60

Hình 4.12 Dòng điện 3 pha trên trục roto Ia, Ib, Ic 61

Hình 4.13 Dòng điện 3 pha trên trục roto Ia, Ib, Ic 61

Hình 4.14 Tần số góc Omega 61

Hình 4.15 Tần số góc Omega 61

Hình 4.16 Đặc tính mô men điện từ Mdt 62

Hình 4.17 Đặc tính mô men điện từ Mdt 62

Hình 4.18 Dòng điện 3 pha Stato 63

Hình 4.19 Dòng điện 3 pha Stato 63

Hình 4.20 Dòng điện 3 pha trên trục roto 63

Hình 4.21 Dòng điện 3 pha trên trục roto 63

Hình 4.22 Tần số góc Omega 64

vii

Hình 4.23 Tần số góc Omega 64

Hình 4.24 Đặc tính mô men điện từ Mdt 64

Hình 4.25 Đặc tính mô men điện từ Mdt 64

Hình 4.26 Đặc tính công suất (Pc) trên trục động cơ 65

Hình 4.27 Đặc tính công suất (Pc) trên trục động cơ 65

Hình 4.28 Đặc tính công suất tác dụng 65

Hình 4.29 Đặc tính công suất tác dụng 65

Hình 4.30 Đặc tính của công suất biểu kiến 66

Hình 4.31 Đặc tính của công suất biểu kiến 66

Hình 4.32 Đặc tính chỉ tiêu công suất k(t) 66

Hình 4.33 Đặc tính chỉ tiêu công suất k(t) 66

Hình 4.34 Đặc tính công suất trên trục động cơ 67

Hình 4.35 Đặc tính công suất trên trục động cơ 67

Hình 4.36 Đặc tính công suất tác dụng 67

Hình 4.37 Đặc tính công suất tác dụng 67

Hình 4.38 Đặc tính công suất biểu kiến 68

Hình 4.39 Đặc tính công suấtbiểu kiến 68

Hình 4.40 Đặc tính chỉ tiêu công suất k(t) 68

Hình 4.41 Đặc tính chỉ tiêu công suất k(t) 68

Hình 4.42 Góc tải khi đồng bộ 70

Hình 4.43 Mô men điện từ của động cơ đồng bộ 70

Hình 4.44 Hình dạng đặc tính Omega khi đồng bộ 71

Hình 4.45 Dòng điện roto trên trục d, q 71

Hình 4.46 Hình dạng đặc tính Omega khi chưa đồng bộ 72

Hình 4.47 Hình dạng đặc tính Omega khi không còn đồng bộ 72

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Bảng giá trị các đại lượng của động cơ KĐB 53

Bảng 3.2 Bảng giá trị tương đối của động cơ KĐB 53

Bảng 3.3 Bảng giá trị Mômen Mbx , Mbux 53

Bảng 3.4 Bảng giá trị hoàn chỉnh của động cơ ở các mức 54

Bảng 4.1 Bảng thông số động cơ không đồng bộ 3KW 57

Bảng 4.2Bảng thông số động cơ không đồng bộ 3KW 57

Bảng 4.3 Bảng thông số động cơ đồng bộ 69

x

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Kiến thức về máy điện là kiến thức cơ sở của ngành điện bắt buộc sinh viên tất cả các chuyên ngành điện phải nắm vững Hiện nay, với sự phát triển của công cụ mô phỏng, cho phép chúng ta xây dựng các mô hình mô phỏng phục vụ việc nghiên cứu và học tập máy điện

Nghiên cứu quá trình quá độ trong máy điện là vấn đề khó và tính toán phức tạp Nhằm nghiên cứu sâu, đặc biệt về quá trình quá độ trong máy điện và tạo ra bộ công

cụ để xây dựng các bài thí nghiệm máy điện cho sinh viên trường Cao đẳng nghề Ninh

Thuận Tôi xin đề xuất lựa chọn đề tài nghiên cứu luận văn tốt nghiệp thạc sĩ là: “Xây dựng mô hình mô phỏng và khảo sát quá trình quá độ trong máy điện quay xoay chiều.” Rất mong TS Lê Quang Cường và quý thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật điện –

điện tử thuộc Khoa năng lượng trường Đại học Thủy Lợi giúp tôi hoàn thành luận văn này

2 Mục đích của đề tài:

Xây dựng được các mô hình mô phỏng trong máy điện quay xoay chiều trên máy tính, tiến hành thực nghiệm mô phỏng để nghiên cứu quá trình quá độ trong máy điện quay xoay chiều

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Máy điện quay xoay chiều: Máy điện không đồng bộ và máy điện đồng bộ

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết máy điện quay xoay chiều, mô phỏng trên máy tính, thực nghiệm

mô hình mô phỏng để khảo sát quá trình quá độ trong máy điện quay xoay chiều

5 Cấu trúc của luận văn:

xi

Luận văn gồm 4 chương: Chương 1: Đại cương về máy điện quay xoay chiều; Chương 2: Công cụ mô phỏng; Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng; Chương 4: Thực nghiệm mô phỏng

1

1.1 Máy điện không đồng bộ

1.1.1 Khái niệm chung:

Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay rotor n (tốc độ quay của máy) khác với tốc độ quay của từ trường n1

Máy điện không đồng bộ có hai dây quấn stator (sơ cấp) nối với lưới điện tần số

f = const, dây quấn rotor (thứ cấp) được nối tắt lại hoặc khép kín qua điện trở Dòng điện trong dây quấn rôto được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số f2 phụ thuộc vào tốc độ rôto nghĩa là phụ thuộc vào tải trên trục của máy Máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, nghĩa là làm việc ở 2 chế độ động cơ và máy phát Máy điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt lằm so với máy phát điện đồng bộ, nên ít được dùng

Động cơ điện không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt Động cơ điện không đồng bộ có các loại: động cơ 3 pha, 2 pha và 1 pha

1.1.2 Cấu tạo máy điện không đồng bộ

a Phần tĩnh (Stator): Gồm có vỏ máy, lõi sắt và dây quấn

Hình 1.1 Stator của máy điện không đồng bộ

- Dây quấn: Dây quấn của stator được đặt vào các rãnh của lõi thép và cách điện tốt đối với rãnh

b Phần quay (Ro to): gồm lõi sắt và dây quấn

- Lõi sắt: Dùng thép kỹ thuật điện như stator, lõi sắt được ép lên trục quay, phía ngoài

có xẻ rãnh đễ đặt dây quấn

- Dây quấn: thường được chế tạo bằng dây đồng hoặc dây nhôm có hình dạng và kích thước khác nhau để sử dụng cho từng loại máy điện

- Roto có hai loại:

+ Loại rotor kiểu dây quấn:

Hình 1.2 Dây quấn của Stato

3

Là rotor có dây quấn giống như dây quấn của sator Dây quấn 3 pha của rotor thường được đấu hình sao, còn ba đầu kia nối vối ba vành trượt đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than đấu với mạch điện bên ngoài Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch

+ Loại rotor kiểu lồng sóc:

Cấu tạo của loại dây quấn này khác với dây quấn stator Trong mỗi rãnh của stator đặt vào thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hoặc bằng nhôm mà người ta thường quen gọi là

lồng sóc

Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt (vì số vòng ít nên điện áp thấp) Để cải thiện tính năng mở máy, với máy công suất lớn có thể làm rãnh sâu, hay hai rãnh lồng sóc

Trong máy công suất nhỏ rãnh ro to thường làm chéo đi một góc so với tâm trục nhằm mục đích là giảm sóng hài bậc cao cải thiện dạng sức điện động của máy

Hình 1.4 Roto lồng sóc

Hình 1.3 Roto dây quấn

4

c Khe hở: Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (từ 0,2 đến 1 mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa), càng nhỏ càng tốt để hạn chế dòng từ hóa lấy từ lưới điện vào

1.1.3 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ Khi cho hệ thống dòng điện ba pha đối xứng vào dây quấn ba pha stato của máy điện không đồng bộ, trong máy sẽ xuất hiện một từ trường quay với tốc độ đồng bộ n1:

từ thông của stator tạo thành từ trường tổng ở khe hở

Dòng điện trong dây quấn của rotor tác dụng với từ thông này sinh ra mômen Tác dụng của nó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rotor, với những phạm vi tốc

độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau Để chỉ phạm vi tốc độ của mỗi máy, người ta dùng hệ số trượt s Theo định nghĩa hệ số trượt bằng:

1 1

5

Cho dòng điện xoay chiều 3 pha đi vào dây quấn 3 pha đặt trong lõi sắt Stato của động

cơ, dòng điện xoay chiều 3 pha này sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ đồng bộ:

1

6 0 f n

p



Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha bị nối ngắn mạch đặt trên lõi sắt rôto và cảm ứng trong dây quấn đó sức điện động và dòng điện cảm ứng Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng, ta căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn đối với từ trường

Nếu coi từ trường là đứng yên, thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn roto ngược với chiều n1

Áp dụng qui tắc bàn tay phải xác định được chiều sđđ cảm ứng và dòng điện cảm ứng như hình vẽ Dấu (+) chỉ chiều dòng điện từ ngoài vào trong; dấu (.) chỉ chiều dòng điện từ trong ra ngoài

Dòng điện cảm ứng tác dụng với từ trường sinh ra lực điện từ F tác dụng lên dây dẫn,

có chiều xác định theo qui tắc bàn tay trái Lực này sẽ tạo ra mô men làm cho rôto quay với tốc độ n theo chiều của từ trường và nhỏ hơn n1

Hình 1.5Chế độ động cơ

a Trường hợp rotor quay thuận với từ trường quay nhưng n < n1 (0 < s < 1)

Giả sử chiều quay n1 của khe hở và chiều quay n của rotor như hình vẽ Do n < n1 nên chiều chuyển động của thanh dẫn suy ra chiều Eư, Iư được xác định bằng qui tắc bàn tay phải

Iư tác dụng với khe hở sinh ra F, M có chiều xác định bằng qui tắc bàn tay trái, M làm rotor quay theo chiều của từ trừơng với n<n1 Máy làm việc ở chế độ động cơ điện (biến điện năng thành cơ năng)

b.Trường hợp rotor quay thuận với từ trường quay nhưng n<n1 hay s<0

Dùng một động cơ sơ cấp quay rotor của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ

n > n1 Chiều của từ trường quay quét qua thanh dẫn ngược lại, chiều Eư,Iư đổi chiều nên chiều của M ngược với chiều quay của rotor nên nó là momen hãm Máy biến cơ năng thành điện năng Máy làm việc ở chế độ máy phát

c Trường hợp rotor quay ngược chiều từ trường quay (n<0 hay s<1)

Vì một lý do nào đó rotor quay ngựơc chiều với từ trường quay thì lúc đó chiều của

Eư, Iư, máy giống như ở chế độ động cơ điện

Vì M sinh ra ngược chiều với n nên có tác dụng hãm rotor lại Trong trường hợp này máy vừa lấy điện năng ở lưới điện vừa lấy cơ năng ở động cơ sơ cấp Chế độ là việc như vậy gọi là chế độ hãm điện từ

7

1.1.4 Phương trình sức điện động và dòng điện của rotor

Nếu mạch của rotor kín thì trong đó sẽ có I

2 chạy và I

2 sẽ tạo nên và đi qua r

2, tương ứng với điều đó sẽ có sức điện động E

2s =E2.s tạo nên bởi m và sức điện động tản

s x j s

Z s E I

2 2

2 2

2 2

8

số f

1 Điện kháng khi rotor quay x

2.s ở mạch thứ cấp sẽ là điện kháng khi rotor đứng yên x

2 Muốn trong mạch thứ cấp vẫn chỉ có dòng điện dòng điện I

2 có cùng trị số và pha đối với I

2 chỉ cần thiết thay r

2 thực bằng điện trở mới bằng:

s

s r r s



 2 2 12

Như vậy, nếu rotor quay muốn trong đó vẫn là dòng điện ấy, cần đưa vào mạch thứ cấp 1 điện trở giả tưởng:

s

s

r2 1

1.1.5 Tốc độ quay của s.t.đ rotor

Trong dây quấn rotor, I

2 tạo nên F

2 quay so với rotor tốc độ n

2 tương ứng với tần số f

2 Ngoài ra, bản thân rotor quay với tốc độ n Do đó, F

2 quay tương đối so với stator tốc độ: n

2 cần phải lệch về không gian tương đối với F1 một góc để F0 đủ tạo nên m,

1.1.6 Các chế độ làm việc của máy điện không đồng bộ

* Máy làm việc ở chế độ máy phát (  s  0 ):

Công suất cơ P

1 đưa vào trục, trừ đi tổn hao cơ p

cơ, tổn hao phụ p

f Ta có công suất hiệu dụng P

* Máy làm việc ở chế độ hãm điện từ (1 < s < + ):

Khi s >1 thì công suất cơ: / (1 ) 0

2 2 / 2



s

s r l m cô

ñt

P máy lấy công suất điện Tất cả công suất cơ và công suất điện điện lấy từ ngoài vào đều biến thành tổn hao đồng trên mạch rotor:

10

1.1.7 Mômen điện từ của máy điện không đồng bộ

a)Phương trình cân bằng mômen:

Khi động cơ không đồng bộ làm việc ổn định n = cte thì phải khắc phục mômen phụ tải M

cđm tạo nên từ mômen cản không tải M

o và mômen cản hiệu dụng M

2.Do đó mômen điện từ phát sinh ở rotor động cơ lúc n = cte phải có hai thành phần mômen cản tương ứng.Như vậy:M

đt= M

o+ M2

với:

n

P P

n P

p p

 : tốc độ góc quay của rotor

n: tốc độ quay của rotor

f p

C : Hệ số kết cấu của máy

c Biểu thức tính mô men cực đại M

R s

12

Dấu cộng tương ứng với trường hợp với động cơ

Dấu trừ ứng với trường hợp với máy phát

Nhận xét về Mmax:

- Mô men cực đại tỉ lệ thuận với bình phương điện áp

- Mô men cực đại tỉ lệ nghịch với điện kháng của máy

- Mô men cực đại không phụ thuộc vào điện trở của rotor

m

nm

M k

- Với tần số và các thông số cho trước mô men mở máy tỉ lệ thuận với bình phương điện áp

n của máy lớn khi những điều kiện khác của máy giống nhau

-Mômen mở máy thường được biểu diễn bằng tỉ số: m m m m

dm

M k

M



13

Với k: bội số của M

mm

1.2 Máy điện đồng bộ

1.2.1 Cấu tạo máy điện đồng bộ

1.2.1.1 Cấu tạo của máy điện đồng bộ cực ẩn:

a) Rotor:

Làm bằng thép hợp kim chất lượng cao được rèn thành khối trục, gia công phay rãnh

để đặt dây quấn kích từ, phần không phay rãnh hình thành mặt cực từ Máy có thể được chế tạo với số cực từ 2p = 2 và 2p = 4 nên có tốc độ quay cao Máy đồng bộ hiện đại cực ẩn thường 2p = 2, D = 1,11  15 m ; lmax = 6,5 m tối đa roto

Roto cực ẩn: được dùng ở máy tốc độ cao, thường có một đôi cực Dây quấn kích từ được đặt trong các rãnh

b) Stator:

Tương tự như của máy điện không đồng bộ, lõi thép được ép bằng tôn silic 741 dày 0,5 mm có phủ sơn cách điện 2 mặt, dọc theo lõi thép stator từ 3 6 cm có rãnh thông gió ngang trục rộng 10 mm

c)Dây quấn kích từ:

Được đặt trong rãnh của roto được chế tạo dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm Các vòng dây được cách điện vớí nhau Hai đầu của dây quấn thì đi luồn vào trong trục nối với hai vành trượt và chổi than

Hình 1.6 Roto cực ẩn

14

1.2.1.2 Cấu tạo của máy đồng bộ cực lồi:

Các cực lồi được chế tạo với số cực 2p  4 Đường kính rôto D có thể lớn tới 15 m Chiều dài l nhỏ lại với tỉ lệ l/D = 0,15 đến 0,2

a) Rotor của máy điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ, trên có đặt các cực từ

Cực từ trên lõi thép rotor được ghép bằng các lá thép dày 1 1,5 mm , cố định cực từ trên lõi thép nhờ đuôi hình T, ốc v v

Roto cực lồi: được dùng ở máy tốc độ thấp Dây quấn kích từ được quấn xung quanh thân cực từ

b) Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật, các cuộn dây sau khi gia công được lồng vào các thân cực

- Dây quấn cản (trường hợp máy phát điện đồng bộ) hoặc dây quấn mở máy (trường hợp động cơ điện đồng bộ) được đặt trên các đầu cực Được làm bằng các thanh đồng hoặc nhôm, hai đầu cực được nối bằng hai vòng ngắn mạch

Dây quấn mở máy có điện trở lớn hơn dây quấn cản Dây quấn cản mục đích để cản dịu sự dao động của rotor khi có quá trình quá độ và làm bớt sự không đối xứng của các chế độ làm việc Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật, các cuộn dây sau khi gia công được lồng vào các thân cực

- Dây quấn cản (trường hợp máy phát điện đồng bộ) hoặc dây quấn mở máy (trường hợp động cơ điện đồng bộ) được đặt trên các đầu cực Được làm bằng các thanh đồng

Hình 1.7 Roto cực lồi

- Stator của máy điện đồng bộ cực lồi giống như stator của máy điện cực ẩn

- Trục của máy đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang như các động cơ đồng bộ, máy

bù đồng bộ, máy phát điện Diezen, máy phát tuốc bin nước công suất nhỏ

* Ưu điểm, trước hết phải nói là động cơ điện đồng bộ do được kích thích bằng dòng điện một chiều nên có thể làm việc với cos = 1 và không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện, kết quả là hệ số công suất của lưới điện được nâng cao, làm giảm được điện áp rơi và tổn hao công suất trên đuờng dây

Ngoài ưu điểm chính đó, động cơ điện đồng bộ còn ít chịu ảnh huởng đối với sự thay đổi điện áp của lưới điện do mômen của động cơ điện đồng bộ chỉ tỉ lệ với U trong khi

mô men của động cơ không đồng bộ tỉ lệ với U2 Vì vậy khi điện áp của lưới sụt thấp

do sự cố, khả năng giữ tải của động cơ điện đồng bộ lớn hơn; trong trường hợp đó nếu tăng kích thích, động cơ điện đồng bộ có thể làm việc an toàn và cải thiện được điều kiện làm việc của cả lưới điện

Cũng phải nói thêm rằng, hiệu suất động cơ điện đồng bộ thường cao hơn hiẹu suất của động cơ không đồng bộ vì động cơ đồng bộ có khe hở tương đối lớn khiến cho tổn hao sắt phụ nhỏ hơn

* Nhược điềm của động cơ đồng bộ so với động cơ không đồng bộ ở chỗ cấu tạo phức tạp, đòi hỏi phải có máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng điện một chiều khiến cho giá thành cao Hơn nữa việc mở máy động cơ đồng bộ cũng phức tạp hơn và việc điều chỉnh tốc độ của nó chỉ có thể thực hiện được bằng cách thay đổi tần số của nguồn điện

Việc so sánh động cơ đồng bộ với động cơ không đồng bộ có phối hợp với tụ điện cải thiện cos về giá thành và tổn hao năng lượng dẫn đến kết luận là khi P

đm> 200  300

đm> 1000 kW dùng động cơ đồng bộ với cos

đm = 0,8 là có lợi hơn dùng động cơ không đồng bộ

1.2.2 Nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ

Cho dòng điện kích từ một chiều vào dây quấn kích từ trên rotor thì sẽ tạo ra từtrường rotor Khi quay rotor bằng động cơ sơ cấp, từ trường của rotor sẽ cắt dây quấn phần ứng stator và cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin, có trị số hiệu dụng là:

Khi có tải dây quấn stator sẽ tạo nên theo đặc tính của nó một từ trường quay cùng như dây quấn của stator của máy điện không đồng bộ Từ trường quay của stator sẽ quay theo chiều quay của rotor với tốc độ: 1

1

60 f n p

 thế f1 vào công thức trên ta có n = n1

Nghĩa là tốc độ quay của rotor bằng tốc độ từ trường quay Chính vì vậy được gọi là máy điện đồng bộ

Máy điện đồng bộ có thể làm việc như một động cơ, nếu mắc vào cuộn dây stator của

nó một dòng 3 pha của lưới Lúc này rotor quay theo chiều và với tốc độ như chính của trường stator

17

1.2.3 Các phương pháp mở máy của máy điện đồng bộ

1.2.3.1 Mở máy theo phương pháp không đồng bộ

Các động cơ đồng bộ phần lớn đều mở máy theo phương pháp không đồng bộ Thông thường các động cơ điện đồng bộ cực lồi đều có đặt dây quấn mở máy Dây quấn mở máy có cấu tạo kiểu lồng sóc đặt trong các rãnh ở mặt cực, hai đầu nối với hai vành ngắn mạch và được tính toán để mở máy trực tiếp với điện áp của lưới điện

Trong một số động cơ, các mặt cực bằng thép nguyên khối và được nối với nhau ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch ở hai đầu rôto cũng có thể thay thế cho dây quấn ngắn mạch dùng trong việc mở máy Ở các lưới điện lớn có thể cho phép mở máy trực tiếp với điện áp của lưới các động cơ đồng bộ công suất vài trăm và có khi đến hàng nghìn

kW

Đối với các động cơ đồng bộ cực ẩn, việc mở máy theo phương pháp không đồng bộ

có khó khăn hơn, vì dòng điện cảm ứng ở lớp mỏng ở mặt ngoài của rotor nguyên khối

sẽ gây nóng cục bộ đáng kể Trong trường hợp đó, để mở máy được dễ dàng cần hạ điện áp của máy bằng biến áp tự ngẫu hoặc cuộn kháng

Quá trình mở máy động cơ đồng bộ bằng phương pháp không đồng bộ có thể chia thành hai giai đoạn Lúc đầu việc mở máy được thực hiện với it= 0, dây quấn kích thích được nối tắt qua điện trở R

Tnhư hình 1.8 Sau khi đóng cầu dao nối dây quấn stato với nguồn điện, do tác dụng động cơ đồng bộ lúc mở máy với dây quấn của momen không đồng bộ roto sẽ quay và tăng tốc độ đến gần tốc độ đồng bộ n

1 của từ trường quay

T R

T R

r i

r i

1 Phản ứng động cơ đồng bộ

2 Dây quấn máy kích thích

3 Dây quấn kích từ của động cơ đồng bộ

4 Dây quấn kích từ của máy kích thích Hình 1.8 Mở máy theo phương pháp không đồng bộ

18

Trong giai đoạn này nối dây quấn kích thích với điện trở R

T có trị số bằng 10 12 lần của điện trở rt của bản thân dây quấn kích từ cần thiết vì nếu để dây quấn này hở mạch

sẽ có điện áp cao, làm hỏng cách điện của dây quấn, do lúc bắt đầu mở máy từ trường quay của stato quét nó với tốc độ đồng bộ

Hiện tượng này có thể giải thích như sau Dòng điện có tần số f

2= s*f

1 trong dây quấn kích thíchbị nối ngắn mạch sẽ sinh ra từ trường đập mạch Từ trường này có thể phân tích thành hai từ trường quay thuận và ngược với chiều quay của rotor với tốc độ tương đối so với rotor n1- n, trong đó n1 là tốc độ từ trường quay của stato và n là tốc

độ của rotor

Từ trường quay thuận có tốc độ so với dây quấn phần tĩnh tth= n+ (n

1 - n)= n

1 nghĩa là quay đồng bộ với từ trường quay của stato Tác dụng của nó với trường quay của stato tạo nên momen không đồng bộ và hổ trợ với momen không đồng bộ do dây quấn ở máy sinh ra

Từ tường quay ngược có tốc độ so với dây quấn phần tĩnh

Hình 1.9 Đường cong mômen của động cơ đồng bộ mở máy

không đồng bộ với dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch

19

và sinh ra trong dây quấn phần tĩnh dòng điện tần số:f/  f1( 1  2 s )

Như vậy khi 0,5 < s <1 nghĩa là tốc độ quay của rotor n < n

1/2 thì từ trường quay ngược quay so với dây quấn phần tỉnh theo chiều ngược so với chiều quay của rotor Tác dụng của nó so với dòng điện phần tĩnh tần số f/sẽ sinh ra momen phụ cùng dấu

và hổ trợ với momen không đồng bộ do từ trường tác dụng vời dây quấn mở máy (đường 2 trên hình 1.9)

Khi s = 0,5 (tức n = n

1/2), từ trường quay ngược đứng yên so với dây quấn phần tĩnh, mômen phụ bằng không Và khi 0 < s < 0,5 (n > n/2) thì từ trường quay ngựơc sẽ cùng chiều với chiều quay rotor Tác dụng của nó với dòng điện phần tỉnh tần số f/lúc đó sinh ra momen phụ trái dấu với momen không đồng bộ do từ trường quay thuận, do đó

có tác dụng như momen hãm

Kết quả là khi dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch, đường biểu diển momen của động

cơ trong quá trình mở máy tổng của các đường 1 và 2 có tác dụng như đường 3 trên hình 1.9 Rõ ràng là mômen cản Mc trên trục động cơ đủ lớn thì rotor sẽ làm việc ở điểm A ứng với tốc độ n  n

1/2 và không thể đạt đến tốc độ gần tốc độ đồng bộ khi rotor đã quay đến tốc độ n  n1 có thể tiến hành quá trình thứ hai của quá trình mở máy đem nối dây quấn kích từ vói điện áp 1 chiều của dây quấn kích thích

Lúc đó ngoài mômen không đồng bộ tỉ lệ với hệ số trượt s và mômen gia tốc tỉ lệ với ds/dt sẽ có mômen đồng bộ phụ thuộc vào góc  cùng tác dụng Do rotor chưa quay đồng bộ nên tốc độ luôn tay đổi Khi 0 << 180 thì mômen đồng bộ cộng tác dụng với mômen không đồng bộ làm tăng thêm tốc độ quay của rotor sẽ hoà vào tốc độ sau môt quá trình dao động

Kinh nghiệm cho biết, để đảm bảo cho rotor được đưa vào tốc độ đồng bộ một cách thuận lợi, hệ số trượt ở cuối giai đoạn thứ nhất lúc chưa có dòng điện kích thích cần phù hợp với điều kiện sau:

tñm i tñb i ñm n GD ñm P m K S

2 2 04 0



tđb: dòng điện kích từ khi đồng bộ hóa

GD2: mômen dđộng lượng của động cơ và máy công tác nối trục với nó, kGm2

Để tránh việc mở máy qua hai giai đoạn như trình bày ở trên, trong đó phải thao tác tách dây quấn kích thích khỏi điện trở RT và sau đó nối máy kích từ, có thể nối thẳng dây quấn kích thích với máy kích từ trong suốt quá trình mở máy theo sơ đồ trên hình 1.8 - b

Như vậy, trong dây quấn phần ứng của máy kích từ sẽ có dòng điện xoay chiều nhưng điều đó không gây ra tác hại gì Khi rotor đạt đến tốc độ quay n = (0,6  0,7) n

đm, máy kích thích bắt đầu tăng tốc dòng điện kích từ cho động cơ điện đồng bộ, nhờ đó mà lúc đền gần tốc độ đồng bộ động cơ được kéo vào tốc độ đồng bộ Cần chú ý rằng quá trình mở máy theo sơ đồ trên hình 1.8 – bđược thực hiện trong những điều kiện khó khăn hơn vì động cơ điện đồng bộ được kích thích quá sớm, như vậy sẽ tạo nên dòng điện ngắn mạch

2 2 ) 1 ( 2

) 1 (

d x s ö

r

E s n

Do đó động cơ phải tải thêm công suất:Pn  mIn2rövà kết quả là trên trục động cơ điện

21

gặp khó khăn hơn, vì vậy phương pháp mở máy động cơ đồng bộ theo sơ đồ trên hình 1.8 – b, áp dụng được tốt khi mômen cản trên trục động cơ điện:

Mc = (0,4  0,5)Mđm Chỉ khi dây quấn mở máyđược thiết kế hoàn hảo mới cho phép mở máy như trên với

Mc = Mđm Do cách mở máy này đơn giản, hoàn toàn giống cách mở máy của động cơ điện không đồng bộ nên ngày càng được ứng dụng rộng rãi

b Các phương pháp mở máy khác

Mở máy theo phương pháp hòa đồng bộ.Các điều kiện hóa đồng bộ đối với động cơ đồng bộ hoàn toàn giống như của máy phát điện đồng bộ.Trừơng hợp này động cơ đồng bộ được quay bởi máy nối cùng trục với nó (ví dụ trong bộ động cơ đồng bộ - máy phát điện một chiều, máy phát điện một chiều lúc mở máy làm việc như động cơ điện để quay động cơ đồng bộ đến tốc độ đồng bộ)

Trong một số trường hợp có thể mở máy động cơ điện đồng bộ bằng nguồn có tần số thay đổi Muốn vậy động cơ đồng bộ phải lấy điện từ một máy phát điện riêng có tần

số điều chỉnh được từ không để tần số định mức trong quá trình mở máy

Như vậy động cơ được quay đồng bộ với máy phát ngay từ lúc tốc độ còn rất thấp Cần chú ý rằng trong trường hợp này, dòng điện kích thích của cả động cơ vào máy phát điện điều phải do nguồn điện một chiều riêng cung cấp

c Các đặc tính làm việc của động cơ điện đồng bộ

Các đặc tính của động cơ điện đồng bộ làm việc với dòng điện kích từ

it = const trong lưới điện có U,f= const bao gồm các quan hệ P1; I

1; ; cos = f(P2) có

dạng như trình bày trên hình 1.10

Cũng như máy phát điện đồng bộ, động cơ điện đồng bộ thường làm việc với góc

 = 20  30

22

Đặc điểm của động cơ đồng bộ là có thể làm việc với cos cao và ít hoặc không tiêu thụ công suất phản kháng Q của lưới điện nhờ thay đổi dòng điện từ hóa it điều đó có thể thấy được dựa vào đặc tính hình V tức là quan hệ I = f(it) của động cơ điện đồng

bộ cách thành lập đặc tính này của động cơ đồng bộ hoàn toàn giống như của máy phát điện

Ta thấy rằng khi kích thích thiếu động cơ tiêu thụ công suất điện cảm của lưới điện (>0) và ngược lại khi quá kích thích, động cơ phát công suất điện cảm vào lưới điện (<0), nghĩa là tiêu thụ công suất điện dung Vì vậy có thể lợi dụng chế độ làm việc quá kích thích của động cơ điện đồng bộ để nâng cao hệ số công suất cos

Hình 1.10Đặc tính làm việc của động cơ đồng bộ Pđm =500 KW,

600V, 50 Hz, 600 v/p, cos = 0,8 (quá tự kích)

23

2.1 Giới thiệu về Matlab, Simmulink

2.1.1 Giới thiệu về Matlab:

- Matlab (Matrix Laboratory): là một phần mềm khoa học được thiết kế để cung cấp việc tính toán số và hiển thị đồ họa bằng ngôn ngữ lập trình cấp cao Matlab cung cấp các tính năng tương tác tuyệt vời cho phép người sử dụng thao tác dữ liệu linh hoạt dưới dạng mảng ma trận để tính toán và quan sát

- Các dữ liệu vào của Matlab có thể được nhập từ "Command line" hoặc từ "mfiles", trong đó tập lệnh được cho trước Matlab Matlab cung cấp cho người dùng các toolbox tiêu chuẩn tùy chọn Người dùng cũng có thể tạo ra các hộp công cụ riêng của mình gồm các "mfiles" được viết cho các ứng dụng cụ thể

Chúng ta có thể sử dụng các tập tin trợ giúp của Matlab cho các chức năng và các lệnh liên quan với các toolbox có sẵn (dùng lệnh help)

- Màn hình tiêu chuẩn sau khi khởi động Matlab:

Hình 2.1 Màn hình làm việc của Matlab

24

2.1.2 Giới thiệu về Simulink

- Simulink (Simulation and Link): là một tiện ích quan trọng của Matlab giúp cho người sử dụng mô phỏng, phân tích và thiết kế các hệ thống thực tế cho các đối tượng liên tục, gián đoạn tuyến tính hay phi tuyến và cả các hệ sự kiện

- Nguyên tắc làm việc chung của Simulink là xây dựng mô hình sơ đồ khối từ các khối mô đun chức năng tạo sẵn bằng thao tác “nhấn” và “thả” chuột các khối vào cửa

sổ thiết kế, sau đó kết nối các khối và khai báo tham số cho phù hợp

- Simulink là một công cụ rất mạnh của Matlab để xây dựng các mô hình một cách trực quan và dễ hiểu Để mô tả hay xây dựng hệ thống ta chỉ cần liên kết các khối có sẵn trong thư viện của Simulink lại với nhau Sau đó, tiến hành mô phỏng hệ thống để xem xét ảnh hưởng của bộ điều khiển đến đáp ứng quá độ của hệ thống và đánh giá chất lượng hệ thống

- Bước tiếp theo là chạy kết quả, phân tích, hiệu chỉnh để có kết quả mong muốn Simulink cho phép giao diện với Matlabthông qua một số khối Các kết quả trả lại trong không gian Workspace để chương trình Matlab lấy và xử lý Trong Simulink còn cho phép đưa các dòng lệnh Matlab hoặc các biểu thức toán học vào ngay trong sơ đồ Simulink

- Sau khi khởi động Matlab, gõ lệnh simulink hoặc nhấn vào nút simulink trên thanh

công cụ thì cửa sổ Simulink hiện ra (như ở hình 2.2 )

Hình 2.2 Cửa sổ làm việc của Simulink

25

- Simulink cho phép giao diện với Matlab thông qua một số khối Các kết quả trảlại trong không gian Workspace để chương trình Matlab lấy và xử lý

- Công cụ Simulink giúp cho người lập trình tiết kiệm nhiều thời gian và công sức vì

nó tự động liên kết, biến đổi để chuyển thành các hệ phương trình vi phân tính toán ngầm trong môi trường Matlab mà người lập trình không cần quan tâm

- Để mô phỏng một quá trình thực tế có thể tính toán bằng hai cách: hoặc viết các dãy lệnh Matlab (* m file) hay lập mô hình tính toán trong Simulink

Cách đầu có ưu điểm là chạy nhanh nhưng vất vả cho người lập trình nhất là đối với các hệ phức tạp Cách sau có ưu điểm là rất trực quan sinh động, dễ tư duy tiện lợi, nhất là đối với hệ thống lớn Nhược điểm là chạy chậm Tuy nhiên, theo quan niệm lập trình nâng cao, nên kết hợp hai phần trên để thực hiện nhiều công việc khác nhau

- Muốn vẽ nhiều đồ thị trên một trục toạ độ, phải sử dụng khối ghép kênh (MUX) trước khi cho tín hiệu đến bộ quan sát

Nếu dùng khối To Workspace thì sau khi chạy xong ta nhận được biến out là biến toàn cục trong không gian Workspace của Matlab (biến out sẽ là biến toàn cục trong bộ nhớ)

Lúc này để vẽ được nhiều đồ thị trên một hệ toạ độ, ta dùng hàm plot như sau:

plot(out(:,1), out(:,2),out(:,1), out(:,3) )sẽ vẽ nhiều đồ thị biến đổi theo thời gian trên chung 1 trục toạ độ

- Chương trình chạy đến hết thời gian (stop time) thì tự động ngừng Để chương trình dừng trước khi kết thúc, ấn nút STOP trên thanh công cụ (hoặc Menu Simulation -> Stop) Có thể ấn nút tạm dừng (PAUSE) để chương trình tạm nghỉ và sau đó chạy lại tiếp tục từ bước trước khi dừng

*Giới thiệu thư viện Simulink

27

- Các khối lấy tín hiệu ra quan sát:

2.2 Lập trình trong Matlab

Trong Matlab muốn lập trình có rất nhiều công cụ hỗ trợ giải quyết các bài toán:

- Lập trình tính toán các biểu thức toán học bằng Matlab:

% -tinh toan cac thong so