mô phỏng cấu trúc điều khiển động cơ điện một chiều trong vùng suy giảm từ thông

Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệthống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế lớn Động cơ điện một chiều ngày nay vẫn đang được sử dụng rộng tãi trongsản xuất

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3

1.1 Khái niệm 3

1.2 Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều 3

CHƯƠNG 2.XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH 8

2.1 Xây dựng mô hình động cơ 8

2.2 Xây dựng mạch vòng tốc độ và mạch vòng dòng cho động cơ 10

Chương 3: Mô phỏng các đặc tính của động cơ 15

3.1 Lựa chọn các thông số cho mô phỏng 15

3.2 Mô phỏng trong trường hợp cụ thể của động cơ bằng simulink 15

3.3 Kết luận 21

LỜI MỞ ĐẦU

Đối với kỹ sư điều khiển – tự động hóa nói riêng và những người nghiêncứu khoa học – kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phépkhảo sát các đối tượng hệ thống hay quá trình kỹ thuật – vật lí, mà không nhấtthiết phải có đối tượng hay hệ thống thực Được trang bị một công cụ môphỏng mạch và có hiểu biết vè các phương pháp mô hình hóa, người kĩ sư sẽ

có khả năng rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sảnphẩm một cách đáng kể Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệthống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế lớn

Động cơ điện một chiều ngày nay vẫn đang được sử dụng rộng tãi trongsản xuất cộng nghiệp bới những tính năng mà nó mang lại như: không cầnnguồn xoay chiều, thực hiện việc thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng, …Chính vì những lí do đố mà em đã được giao đề tài về động cơ một chiều là đốitượng để mô phỏng trong bài của mình Em xin cảm ơn thầy Phạm Tâm Thành

đã hướng dẫn em hoàn thành bài tập lớn này

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Khái niệm

Động cơ điện một chiều là máy điện quay được dùng để biến đổi năng lượng điệnmột chiều thành cơ năng Động cơ điện một chiều bao gồm: Động cơ điện một chiềukích từ độc lập, song song, nối tiếp, hỗn hợp

1.2 Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều

a Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạo giống

nhau Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phần tĩnh) và phầnứng (Phần quay Ngoài ra còn có bộ phận chổi than, cổ góp

- Phần cảm Stator)

Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ, vừa là vỏmáy, mặt trong có gắn các cực từ chính và cực từ phụ (hình 1.1) Dây quấn cực từchình được đặt trên các cực từ chính và được nối nối tiếp nhau Dây quấn cực từ phụđược đặt trên các cực từ phụ, nó tạo ra từ trường phụ

Hình 1.1 Hình dạng và mặt cắt ngang máy điện một chiều

+ Mạch từ và dây quấn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ kích từ bằng namchâm điện), mạch từ được làm bằng sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấn kích từ

được làm bằng dây điện từ (dây đồn), các cuộn dây điện từ này được mắc nối tiếpvới nhau.

+ Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt và dây quấn kích từ lồngngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kĩ thuật điện hay thépCacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ có thể dùngthép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bu lông Dây quấn kích từ đượcquấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kĩ thuậtthành một khối, tấm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích

từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau

+ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chình Lõi thép của cực từ phụthường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dân quấn mà cấu tạo giốngnhư dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bu lông.+ Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nói liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dây uốn và hàn lại, trong máy điệnlớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy.-Phần ứng (rotor)

Phần ứng của máy điện một chiều còn gọi là rotor, gồm lõi thép, dây quấnphần ứng

+ Lõi thép phần ứng: Dùng để dẫn từ thường dùng những tấm thép kĩ thuật điện(hình 1.2) dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao

do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại đặtdây quấn vào Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗthông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục.Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ,giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khi máy làm việc gióthổi qua cá khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt

Hình 1.2 Lá thép rotor+ Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong rãnh củaphần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín Phần tử của dây quấn là một bối dâygồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của vành góp (hình1.3a) hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên (hình1.3b)

Hình 1.3 Dây quấn phần ứnga) Phần tử dây quấn b) Bố trí phần tử dây quấn-Cổ góp và chổi than

Cổ góp và chổi than là bộ phận để biến đổi dòng điện rotor Đây có thể coi như bộchỉnh lưu hay nghịch lưu cơ khí Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghépcách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục Chổi than làm bằng than graphic Cácchổi than tì chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy

b Phân loại, ưu điểm nhược điển của động cơ một chiều

- Dựa theo cuộn kích từ, động cơ điện một chiều có các loại sau:

+Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp

từ hai nguồn riêng rẽ

+Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song songvới phần ứng

+Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp vớiphần ứng

+Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một cuộnmắc song song với phần vùng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng

-Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều

c) Cấu trúc điều khiển động cơ điện một chiều trong vùng suy giảm từ thông

Điều chỉnh từ thông kích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men điện từcủa động cơ M=Kθθ I u và sức điện động quay của dộng cơ E ư=Kθθω Mạch kích từ củadộng cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến

i k=e k

r b+r k+w k dθθ

dθt

Trong đó: rk là điện trở dây quấn kích thích

rb là điện trở của nguồn điện áp kích thích

wk số vòng dây của dây quấn kích thích

cơ giảm rất nhanh Ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính

cơ cũng giảm đi rất nhanh khi giảm từ thông kích thích

β θ= ¿ ¿hay β θ¿

=(θ¿

)2

Hình 1.3: Sơ đồ thay thếa) Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông động cư

b) Đặc tính quan hệ

c) Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các động cư mà từthông định mức nằm ở trễ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính cà vùng bão hào của đặctính từ hóa thì có thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và bằng số C phụ thuộc vàothông số kết cấu của máy điện

θ=C i k= C

r b+r k e k

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH

2.1 Xây dựng mô hình động cơ

Mô hình động cơ kích từ động lập được biểu diễn như hình sau:

Hình 2.1: Cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lậpTrong đó khối động cơ như sau:

Hình 2.2: Khối động cơ

Tính toán thông số cho động cơ:

Bảng 2: Tính toán mô hình độngThông số nhập vào:

Kết quả mô phỏng của động cơ một chiều kích từ độc lập:

Hình 2.3: Mô phỏng hoạt động cơ một chiều kích từ độc lập

Nhận xét: thời gian từ lúc dao động đến lúc ổn định khá lâu

Momen quay, momen điện từ, tốc độ động cơ sau khoảng 50s bắt đầu ổn định

2.2 Xây dựng mạch vòng tốc độ và mạch vòng dòng cho động cơ

Các thông số cho trước:

Pđm công suất định mức của động cơ= 3.2(kW)

Uđm điện áp định mức phần ứng=100(V)

nđm tốc độ quay định mức= 1500(v/p)

ꞃđm hiệu suất danh định của động cơ = 90%

Lư điện cảm phần ứng = 0.0113(H)

Ti hằng số thời gian máy biến dòng =

Tv hằng số thời gian bộ chỉnh lưu =

Tđk hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lưu

Tw hằng số thời gian máy phát tốc

Các phương trình phản ứng phần ứng trong động cơ điện một chiều:

Hình 2.4: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng dòng điện có thể dùng một trong 3 mô hình

sau

Uw(p) Uwđ

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động T-Đ

Chương 3: Mô phỏng các đặc tính của động cơ

3.1 Lựa chọn các thông số cho mô phỏng

* Chọn các thông số cho động cơ điện một chiều

Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập

Trong đó khối điều khiển có thông số như sau:

Hình 3.3: Khối điều khiển

Khối BBD có thông số như sau:

Hình 3.4: Khối PIDKhối Ri có thông số:

Hình 3.5: Khối Ri

Sau đây là đặc tính tốc độ, đặc tính dòng điện, đặc tính điện áp phản hồi được môphỏng như bên trên

Đặc tính tốc độ:

Hình 3.6: Đặc tính tốc độ Nhận xét: độ điều chỉnh tương đối nhỏ nhưng thời gian quá độ tương đối lớn.Đặc tính dòng điện:

Hình 3.6: Đặc tính dòng điện

Đặc tính điện áp phản hồi:

Hình 3.7: Đặc tính điện áp phản hồiNhận xét:

+ Khi có nhiễu thì giá trị dòng điện và mo men tăng theo, còn giá trị tốc độ và điện

áp phản hồi thì giảm

+Điện áp phản hồi không còn bám với tín hiệu đặt

Tài liệu tham khảo:

Matlab & simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động: Tác giả tiến sĩ Nguyễn Phùng Quang, xuất bản năm 2008, nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật

dong-16185/

http://www.vinabooks.vn/sach-1/Matlab-simulink-danh-cho-ky-su-dieu-khien-tu-Điều chỉnh tự động truyền động điện: Tác giả Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễu,Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghị, xuất bản 2008, nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật