Mô Hình hóa Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cữu trên matlab - simulink.

Vì thế trong đồ án này em sẽ sử dụng một công cụ rất mạnh của matlab đó là Simulink để mô phỏng mô hình của một “Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu”.. Được sự giúp đỡ nhiệt tình của th

ĐỒ ÁN MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ

Đề tài: Xây dựng mô hình mô phỏng máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu bằng

LỜI MỞ ĐẦU

Đối với những kỹ sư điều khiển tự động hóa nói riêng và những người nghiên cứu khoa học kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo sát các đối tượng, hệ thống hay quá trình kỹ thuật vật lý, mà không nhất thiêt phải

có đối tượng hay hệ thống thật Được trang bị một công cụ mô phỏng mạnh và những hiểu biết về các phương pháp mô hình hóa, người kỹ sư sẽ có khả năng rút ngắn thòi gian và giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sản phẩm một cách đáng kể Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị phức hợp với giá trị kinh tế lớn Các khái niệm mô phỏng Off-line, Software - in-the-Loop, Hardware-in-the-Loop (hay Real Time Simulation: mô phỏng thời gian thực) và Prototyping, đã thể hiện rõ nét các bước của quá trình phát triển sản phẩm với sự

hỗ trợ của máy tính.

Trong nhiều năm qua phần mềm mô phỏng đã được đã được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực giảng dạy cũng như nghiên cứu các thiết bị điện của giáo viên cũng như sinh viên ngành kỹ thuật Vì thế trong đồ án này em sẽ sử dụng một công cụ rất mạnh của matlab đó là Simulink để mô phỏng mô hình của một “Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu”.

Được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy PHẠM TÂM THÀNH cùng các thầy cô giáo trong bộ môn đã giúp em tìm hiễu rõ và sâu sắc hơn về máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu, cũng như công cụ mô phỏng matlab và simulink Từ đó em đã có cơ

sở xây dựng đồ án này.

Trong nội dung của đồ án môn học: “Tổng hợp điện cơ” mà em trình bày dưới đây sẽ thấy được những kiến thức về kết cấu, công dụng cũng như mô hình toán học của máy điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu Đồng thời cũng giới thiệu tổng quan về matlab và đặc biệt là simulink và đưa ra kết quả của quá trình mô phỏng máy điện qua những hình vẽ các đường đặc tính tốc độ, dòng điện

Tuy đã cố gắng nhiều nhưng trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi những sai sót và nhầm lẫn Vì thế em mong các thầy cô tiếp tục giúp đỡ em nhiều hơn nữa

MỤC LỤC

Trang

Chương 1: Khái quát về máy điện đồng bộ

1.1 Phân loại và phạm vi ứng dụng……… 41.2 Tính chất điều chỉnh của máy điện đồng bộ……… 6

Chưong 2 Giới thiệu về matlab và công cụ Simulink

2.1 Matlab và các công cụ toán học ……… 82.2 Công cụ Simulink……… 8

Chương 3 Mô phỏng

3.1 Mô hình mô phỏng máy điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu………… 153.2 Kết quả mô phỏng ……… 22

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 3 pha ngày nay được sửdụng rộng rãi với dải công suất từ vài trăm W đến hàng MW Nó chiếm vị trí quantrọng trong các hệ truyền động tự động Ở dải công suất lớn và cực lớn thì nóhoàn toàn chiếm ưu thế Tuy vậy ở công suất nhỏ và vừa nó phải cạnh tranh vớitruyền động động cơ không đồng bộ và động cơ một chiều Ngày nay truyền độngđộng cơ đồng bộ công suất nhỏ càng được chú ý nghiên cứu ứng dụng thay thếđộng cơ một chiều và động cơ không đồng bộ Bởi vì động cơ đồng bộ mang tính

ưu việt của cả động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ

Máy điện đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu (MĐĐB - KTVC) có kết cấuphía stato giống như máy điện dị bộ Phía Rôto, nơi MĐDB phải dựa vào sự trượttốc độ giữa Rôto và hệ thống véc tơ phía stato để tạo từ thông rô to, MĐĐB-KTVC có một hệ thống nam châm vĩnh cửu gắn chặt trên bề mặt Nghĩa là: từthông luôn luôn tồn tại, không còn nhu cầu trượt tốc độ để cảm ứng từ stato sangRôto nữa và máy điện hoạt động hoàn toàn đồng bộ

Phạm vi sử dụng chính của MĐĐB-KTVC là công nghiệp chế tạo máy, chếbiến (ví dụ: Máy gia công cắt gọt kim loại, máy đóng bao gói, máy gia côngchính xác ) Trong các ứng dụng đó, MĐĐB- KTVC gần như tuyệt đối và chỉđược sử dụng kèm theo thiết bị điều khiển (ví dụ: nghịch lưu có điều chỉnh) chấtlượng cao

1.1 Phân loại và phạm vi ứng dụng

a Phân loại

Ngày nay hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ ba pha (ĐCĐB) được ứng dụng rộng rãi và chiếm vị trí quan trọng trong truyền động

a Ba pha b Biến đổi d,q c Biển đổi α,β

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ đồng bộ

- Dải công suất rất nhỏ từ vài trăm W đến vài kW;

- Dải công suất nhỏ từ vài kW đến 50 kW;

- Dải công suất vừa từ 50 kW đến 500 kW;

- Dải công suất lớn trên 500kW

Ở dải công suất lớn và cực lớn (cỡ MW) hệ truyền động điện điều chỉnh tốc

độ ĐCĐB hoàn toàn chiếm ưu thế Trong dải công suất vừa và nhỏ nó phải cạnhtranh với động cơ một chiều và ĐCKĐB Ngày nay truyền động điện với ĐCĐBcông suất nhỏ đang được chú ý nghiên cứu ứng dụng nhằm thay thế cho động cơmột chiều và ĐCKĐB Bởi vì nó mang tính ưu việt của cả 2 loại động cơ mộtchiều và không đồng bộ dưới đây:

Cấu trúc của động cơ đồng bộ được mô tả theo hình vẽ:

b Phạm vi ứng dụng

- ĐCĐB công suất rất nhỏ thường dùng rotor nam châm vĩnh cửu, được ứngdụng khi yêu cầu vùng điều chỉnh rộng, độ chính xác cao và Mc = const, đi kèmvới biến tần transitor nguồn áp điều biến độ rộng xung PWM

- ĐCĐB công suất nhỏ và vừa có cuộn dây kích từ được dùng khi yêu cầuđiều chỉnh tốc độ không rộng, đi kèm với bộ biến tần tiristor nguồn dòng chuyểnmạch tự nhiên

- ĐCĐB công suất vừa và lớn được dùng với vùng điều chỉnh tốc độ cỡ 10:1,

đi kèm với bộ biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên, hoặc biến tần trực tiếptiristor

Cũng cần lưu ý về khả năng sử dụng rộng rãi ĐCĐB rotor nam châm vĩnhcửu bởi các ưu điểm sau:

+ Vì không có tổn hao rotor nên có hiệu suất cao;

+ Vì Ψp mạnh nên cho phép giảm dòng không tải;

+ Đặc tính điều chỉnh ít phụ thuộc sự biến thiên các thông số động cơ

Nguyên lý điều chỉnh tốc độ của động cơ đồng bộ dựa theo công thức:

Trong đó:

fs: tần số nguồn cấp

pc: số đôi cựcNhư vậy nếu điều chỉnh được fs thì sẽ điều chỉnh được tốc độ góc của động cơđồng bộ

1.2 Tính chất điều chỉnh của máy điện đồng bộ

Ở máy điện đồng bộ, dòng kích từ sinh ra do cuộn kích từ đặt ở phần cảm,còn dòng phần ứng chạy trong cuộn 3 pha đặt ở stato

ia

ic

ib

if uf

Hình 1.2 Sơ đồ tương đương máy điện đồng bộ

Dòng kích từ điều khiển bằng bộ biến đổi, còn véc tơ is điều khiển qua bộ

biến tần có điều chỉnh dòng stato Nhiệm vụ của hệ thống điều chỉnh là tạo ra mộtcặp giá trị dòng điện (ifz, isz) trên cơ sở mô men cho trước mz, để sao cho nhậnđược điều kiện làm việc như ở máy điện một chiều.

Quá trình điện từ của máy điện đồng bộ, nếu nghiên cứu ở hệ trục quay d,qgắn với rô to sẽ rất đơn giản Từ thông kích từ Ψf luôn hướng theo trục d bất kể rô

to đứng im hay đang quay Nếu véc tơ dòng is cũng quay với tốc độ đồng bộ ωsi =

ωm thì ta nhận được sơ đồ véc tơ “đứng” ở hệ trục d,q So sánh 2 sơ đồ véc tơ máyđiện đồng bộ và một chiều ta rút ra kết luận:

- Dòng kích từ iM của máy đồng bộ tương ứng như dòng kích từ của máy mộtchiều if

- Véc tơ is của máy điện đồng bộ giống như véc tơ it của máy điện một chiều

Mô men máy đồng bộ biểu diễn bằng tích của từ thông tổng Ψs = iMxM vàdòng stato is Do máy đồng bộ không có cuộn khử, nên từ thông tổng Ψs chịu tácdụng của phản ứng phần ứng, nên phụ thuộc vào tải Những tính chất điều chỉnh

cơ bản của máy đồng bộ có thể xác định như sau:

- Máy đồng bộ có 2 kênh điều khiển đó là cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng

- Hai kênh này độc lập với nhau về điện nhưng lại móc vòng với nhau về từ

- Từ thông tổng stato Ψs không chỉ quyết định bằng dòng kích từ if mà nó cònphụ thuộc vào dòng phần ứng is = [is, δ]

- Tốc độ góc cơ ωm có mối liên hệ phản hồi với tần số ra của bộ biến tần, làtần số quyết định tốc độ quay của véc tơ dòng stato ωsi

- Mô men máy điện đồng bộ xác định bằng véc tơ dòng stato is = [is,δ] vàdòng kích từ, hai đại lượng này không thể tách độc lập được

- Ở trạng thái ổn định vec tơ dòng stato và roto quay cùng một tốc độ ωsi = ωm

làm cho dòng từ hoá iM

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ MATLAB VÀ SIMULINK

2.1 Matlab và các công cụ toán học

MATLAB là một bộ chương trình lớn của lĩnh vực toán số Tên bộ chương trìnhchính là chữ viết tắt từ MATrix LABoratory, thể hiện định hướng chính củachương trình là các phép tính vectơ và ma trận Phần cốt lõi của chương trình baogồm một số hàm toán, các chức năng xuất/nhập cũng như các khả năng điều khiểnchu trình mà nhờ đó ta có thể xây dựng các Scripts

Phần mềm matlab giành cho sinh viên được nhà sản xuất cung cấp free có cáctoolbox liên quan tới Điều khiển và tự động hóa như: Control System Toolbox,Signal Processing Toolbox, Optimization Toolbox, Stateflow Blockset, PowerSystem Blockset, Real Time workshop và Simulink SIMULINK là một toolbox cóvai trò đặc biệt quan trọng: Vai trò của một công cụ mạnh phục vụ mô hình hóa và

mô phỏng các hệ thống các kỹ thuật Kỹ thuật – Vật lý trên cơ sở sơ đồ cấu trúcdạng khối Cùng với SIMULINK, Stateflow Blockset tạo cho ta khả năng mô hìnhhóa và mô phỏng các automat trạng thái hữu hạn

2.2 Công cụ Simulink

SIMULINK là phần chương trình mở rộng của matlab nhằm mục đích mô hìnhhóa, mô phỏng và khảo sát các hệ thống động học Giao diện đồ họa trên màn hìnhcủa simulink cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chứcnăng quen thuộc Simulink cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phongphú, có sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính phi tuyến vàgián đoạn Hơn thế người sử dụng có thể tạo nên các khối riêng của mình

Sau khi đã xây dựng mô hình của hệ thống cần nghiên cứu, bằng cách ghép cáckhối cần thiết thành sơ đồ cấu trúc của hệ, ta có thể khởi động quá trình mô phỏng

Trong quá trình mô phỏng ta có thể trích tín hiệu tại vị trí bất kỳ của sơ đồ cấu trúc

và hiển thị đặc tính của tín hiệu đó trên màn hình Hơn thế nữa nếu có nhu cầu ta cóthể cất giữ các đặc tính đó vào môi trường nhớ Việc nhập hay thay đổi các tham sốcủa tất cả các khối cũng có thể được thực hiện rất đơn giản bằng cách nhập trựctiếp hay thông qua MATLAB Để khảo sát hệ thống, ta có thể sử dụg thêm cáctoolbox như Signal Processing (xử lý tín hiệu), Optimization (tối ưu ) hay ControlSystem (hệ thống điều khiển)

Dưới đây em sẽ trình bày các đặc điểm cơ bản của simulink, với cách thức tạonên và xây dựng một chương trình mô phỏng máy điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu.Thêm vào đó là các thư viện và các block đựoc sử dụng trong quá trình mô phỏng

a Khởi động Simulink

Để khởi động simulink trước hết ta phải khởi động matlab bằng cách kích dúp chuột vào biểu tượng trên màn hình desktop

Hoặc tìm đến thư mục cài đặt MATLAB 7.0 và chạy MATLAB 7.0.exe

Sau khi đã khởi động Matlab 7.0 trên màn hình của sổ lệnh ta gõ simulink3 để khởi động chương trình simulink mà ta sử dụng

Hình 2.1 Giao diện Matlab 7.0

Quá trình khởi động thành công ta thấy xuất diện màn hình có chứa các thư việncua simulink như sau:

Hình 2.2 Thư viện Simulink

Trong các thư viện này sẽ chứa các block mà ta sẽ sử dụng Tất cả các khối chứcnăng đều được xây dựng theo một mẫu giống nhau: Mỗi khối có hai hoặc nhiều đầuvào/ra, có tên và ở trung tâm của hình khối có biểu tượng thể hiện đặc điểm riêngcủa khối

Ví dụ:

Hình 2.3 Các Block cơ bản

Người sử dụng có thể tùy ý thay đổi tên của khối bằng cách nháy kép phímchuột trái vào vị trí tên Tuy nhiên, mỗi tên chỉ có thể sử dụng một lần duy nhấttrong phạm vi cửa sổ mô hình mô phỏng Khi nháy kép phím chuột trái vào khối ta

sẽ mở cửa sổ tham số Block Parameter, từ đó có thể nhập thủ công các tham số đặctrưng của khối Khi đã nhập xong ta nhấn OK để chấp nhận thay đổi

Từ cửa sổ thư viện khối (Library) ta có thể tạo các cửa sổ mô phỏng mới bằngcách đi theo menu File / New / Model, hoặc mở các file đã có sẵn qua File / Open.Một file SIMULINK khi được cất giữ (menu File / Save hoặc File / Save as trong

cửa sổ mô phỏng) sẽ có đuôi *.mdl*.

b Tạo mới và soạn thảo lưu đồ tín hiệu

SIMULINK gần như chỉ được sử dụng nhờ chuột Bằng cách nháy kép chuộttrái vào một trong các thư viện con thuộc của sổ thư viện chứa Library ta sẽ thuđược một cửa sổ mới có chứa các khối thuộc thư viện con đó Từ các khối trongcác thư viện con ta có thể xây dựng lưu đồ tín hiệu mong muốn Để tạo định dạng(Format) và soạn thảo ta có các khả năng sau đây :

● Sao chép: Bằng cách gắp thả nhờ phím chuột phải ta có thể chép một khối từ thư viện con

● Di chuyển: Ta có thể dễ dàng di chuyển một khối trong phạm vi cửa sổ nhờ chuột trái

● Đánh dấu: Bằng cách kich chuột trái vào Block ta có thể đánh dấu, lựa chọn từng khối, hoặc kéo chuột đánh dấu nhiều khối 1 lúc, hoặc giữ shift kick chuột trái

để đánh dấu nhiều khối

● Xóa: Có thể xóa các khối và đường nối bị đánh dấu bằng cách nhấn delete, hoặc Ctrl+Z

● Hệ thống con (Subsystem): Bằng cách đánh dấu nhiều khối có quan hệ chức năng, sau đó gom chúng lại thông qua Edit / Create Subsystem, ta có thể tạo ra một

hệ thống mới

● Nối hai khối: Dùng chuột trái nháy vào đầu ra của một khối, giữ chuột và di chuyển nhả chuột tại điểm cần nối Có thể rẽ nhánh tín hiệu bằng cách nháy chuột phải vào đường nối có sẵn, giữ di chuyển và nhả chuột tại điẻm cần nối

● Di chuyển đường nối: Để lưu đồ tín hiệu thoáng và dễ theo dõi, nhiều khi ta cần di chuyển, bố trí lại vị trí các đường nối Khi nháy chọn bằng chuột trái ta có thể di chuyển tùy ý các điểm góc hoặc từng đoạn song song của đường nối

● Tạo vec tơ đường nối: Để dễ phân biệt giữa đường nối đơn và các tín hiệu

dạng vec tơ, ma trận hoặc mảng, ta có thể chọn menu Format / Wide nonscalar lines để tăng độ dầy đậm nhạt của đường nối.

● Chỉ thị kích cỡ và dạng dữ liệu của tín hiệu: Lệnh xhọn qua menu Format / Signal dimensions sẽ hiển thị kích cỡcủa tín hiệu qua đường nối

● Định dạng Format cho một khối: Sau khi kích chuột phải vào một khối, cửa

sổ định dạng khối sẽ mở ra Tại mục Format ta có thể lụa chọn kiểu và kích cỡ chữ,cũng như vị trí tên khối, có thể lật hoặc xoay khối Cũng có thể thay đổi màu nền khối bằng Foreground color vaf Background color…

c Tín hiệu và các loại dữ liệu

● Tín hiệu :

Khái niệm tín hiệu chỉ dữ liệu xuất hiện ở đầu ra của các khối chức năngtrong quá trình mô phỏng Ở đây giả thiết các tín hiệu chạy dọc theo đường nối từđầu ra của khối chức năng này tới đầu vào của khối chức năng khác mà không tốnthời gian

Ta phân biệt ba loại kích cỡ tín hiệu:

- Tín hiệu đơn (scalar)

- Vectơ tín hiệu: Còn được gọi là tín hiệu 1D, vì kích cỡ của tín hiệu đượcxác định theo một chiều với độ dài n

- Ma trận tín hiệu: Còn được gọi là tín hiệu 2D, kích cỡ của tín hiệu dạng nàyxác định theo 2 chiều [m xn]

● Số liệu (dữ liệu)

Bên cạnh các đặc điểm đã đựoc giới thiệu, mỗi tín hiệu thuộc sơ đồ cấu trúc Simulink cũng hộ trợ tất cả các loại số liệu của matlab

- Double: Chính xác cao, dấu phẩy động

- Single: Chính xác vừa dấu phẩy động

- int8, uint8, int16, uint16, int32, uint32 (signed / unsigned) số nguyên 8, 16,

32 bit có/ không dấu

Số liệu mặc định của Simulink là double Trong quá trình mô phỏng,Simulink sẽ kiểm tra việc đảo giữa các số liệu (nếu sử dụng nhiệu loại số liệu khácnhau) có đúng hay không, nhằm loại trừ các kết quả sai lầm có thể tạo ra.

Khả năng khai báo, xác định loại số liệu của tín hiệu cũng như số liệu thuộc cáckhối chức năng của Simulink là đặc biệt có ý nghĩa, nếu ta dự định tạo ra từ môhình Simulink mã chạy cho các ứng dụng thời gian thực Nhu cầu về bộ nhớ và tốc

độ tính toán phụ thuộc số liệu mà ta chọn

d Các Block thông dụng

1 Constant

Phát ra giá trị hằng số Thông số: Giá trị constant

Tín hiệu ngõ ra bằng tổng (hiệu) tín hiệu ngõ vào

Thông số: Dấu của ngõ vào