Mô phỏng động cơ không đồng bộ trên matlab

n1: tốc độ quay của từ trường quayb Nhược điểm: Vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thờigian, cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc máy của động c

Chương 1: Tổng quan về công nghệ

1.1 Sơ lược về động cơ không đồng bộ

1.1.1 Cấu tạo

Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ

a) Phần tĩnh – Starto.

Stato có cấu tạo gồm vỏ máy,lỏi sắt và dây quấn

 Vỏ máy: Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng

 Lõi sắt: Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường

quay nên để giảm tổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện

ép lại Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn éplại Khi đường kính ngoài lớn hơn thì dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại

 Dây quấn :Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được

1

cách điện tốt với lõi sắt

b) Phần quay – Rotor

Rotor có 2 loại chính : rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lòng sóc

 Rotor dây quấn :

Rôto có dây quấn giống như dây quấn của stator Dây quấn 3 pha của rôtothường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làmbằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu vớimạch điện bên ngoài Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trởphụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng mởmáy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làmviệc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch Nhược điểm so vớiđộng cơ rotor lòng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắcnghiệt, dễ cháy nổ …

 Cấu tạo đơn giản

 Đấu trực tiếp với điện lưới xoay chiều 3 pha

 Tốc độ quay của rô to nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay của stato n

< n1

Trong đó : n : tốc độ quay của rô to

n1: tốc độ quay của từ trường quay

b) Nhược điểm:

Vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thờigian, cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc máy của động cơ điệnxoay chiều Cho nên việc tách riêng điều khiển giữa moment và từ thông để

có thể điều khiển độc lập đòi hỏi một hệ thống có thể tính toán cực nhanh vàchính xác trong việc qui đổi các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản Vìvậy, cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoay chiều làm việc với các ứngdụng có tốc độ không đổi do các phương pháp điều khiển trước đây dùngcho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém

1.1.3 Nguyên lý hoạt động

3

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ

Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều 3 pha, trong động cơ sẽ sinh

ra một từ trường quay Từ trường này quét qua các thanh dẫn rôto, làm cảmứng trên dây quấn rôto một sức điện động e2, từ đó sinh ra dòng điện i2 chạytrong dây quấn rô to

Dòng điện i2 tác động tương hỗ với từ trường stato tạo ra lực điện từ trên dâydẫn rôto và mômen quay làm cho rô to quay với tốc độ n theo chiều quaycủa từ trường

Tốc độ quay của rôto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay Stato n1 Có

sự chuyển động tương đối giữa rôto và từ trường quay stato duy trì đượcdòng điện i2 và môment Vì tốc độ của rôto khác với tốc độ của từ trườngquay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ

1.1.4 Các đại lượng đặc trưng và phương trình cơ bản

a) Hệ số trượt : để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của rô to n

và tốc độ quay của từ trường quay n1

Khi rôto đứng yên : E20 4.44*f20*K W2* 2*m

Khi rôto chuyển động : E2s 4.44* f2s*K W2* 2*m

Tổn hao do dây quân rô to : P2

Công suất cơ ở trục : P'2M* = P dt-P2

Tổn hao do ma sát : P ms

Công suất cơ đưa ra :P2 = P’2 - P ms

5

U I

U I

2 1

nm

nm nm

e) Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ:

Ảnh hưởng của điện áp lưới

Môment tỷ lệ theo bình phương điện áp

Hê số trượt vẫn không thay đổi

Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato

Môment tỷ lệ nghịch với điện trở, hay điện kháng

Hệ số trượt tỷ lệ nghịch với điện trở, hay điện kháng

Ảnh hưởng của số đôi cực p

Khi thay đổi số đôi cực p thì tần số lưới thay đổi, dẫn đến tốc độ cũng thayđổi

Ảnh hưởng tần số

Quy tắc điều chỉnh giữ cho khả năng quá tải không đổi

7

' 2

max max 1

1.2.2 Biến tần trực tiếp.

Còn gọi là biến tần phụ thuộc Thường gồm các nhóm chỉnh lưu điều khiểnmắc song song ngược, cho xung lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta có thểnhận được dòng điện xoay chiều trên tải

BT

U 1 ,f 1 U 2 ,f 2

1.2.3 Biến tần gián tiếp.

Còn gọi là biến tần độc lập Trong biến tần này đầu tiên điện áp được chỉnhlưu thành dòng một chiều Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều vớitần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay đổi f2 không phụ thuộcvào f1)

Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần Tuy nhiên việc ứng dụng

hệ điều khiển số nhờ kĩ thuật vi xử lí nên ta phát huy tối đa các ưu điểm củabiến tần loại này và thường sử dụng nó hơn

 Phân loại biến tần gián tiếp

a Biến tần gián tiếp nguồn áp :

Hình 1.4 Biến tần gián tiếp nguồn áp

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, dạng củadòng điện trên tải phụ thuộc và dạng của dòng điện của nguồn, còn dạngđiện áp trên tải phụ thuộc và các thông số của tải quy định

b Biến tần gián tiếp nguồn dòng :

Hình 1.5 Biến tần gián tiếp nguồn dòng

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp, dạng củađiện áp trên tải phụ thuộc và dạng của điện áp của nguồn, còn dạng dòngđiện trên tải phụ thuộc và các thông số của tải quy định

1.2.4 Phương pháp điều khiển bằng biến tần theo luật U/f

Tốc độ đồng bộ tỉ lệ với f cho nên việc thay đổi f sẽ dẫn đến thay đổi tốc độđồng bộ và kéo theo đó là tốc độ động cơ

Xét bộ biến tần nguồn áp đầu vào là U và f Ở đây phân biệt 2 vùng điềukhiển mà kéo theo đó đặc tính cơ của động cơ sẽ có nhiều điểm khác biệt Thứ nhất,đó là điều khiển f<fdm Nếu điện áp cấp cho động cơ được giữkhông đổi và giảm tần số sẽ kéo theo việc gia tăng từ thông trong khe hởkhông khí, việc này dễ dẫn đến bão hòa mạch từ Việc này gây ra một số hậuquả nghiêm trọng như : dòng từ hóa tăng, méo dạng dòng và áp cung cấpdẫn đến tổn hao đồng trên stator sẽ tăng Để tránh tình trạng này người tathường giảm U đi đôi với giảm f sao cho từ thông khe hở không khí đượcgiữ nguyên không đổi Phương pháp này là phương pháp phổ biến để điềukhiển tốc độ ĐC KDB, đó là phươg pháp E/f hay U/f

 Thứ hai, đó là khi điều khiển tần số động cơ dưới định mức theophương pháp U/f = const thì lưu ý là momen cực đại của động cơ được giữkhông đổi với mọi tần số f - cả trong chế độ động cơ lẫn hãm Đặc tính cơcủa động cơ lúc này là song song với nhau và nằm trong khoản 0<S<Smax.Đối với điều khiển U/f = const thì cần lưu ý là động cơ không hoàn toàn làmviệc với chế độ từ thông không đổi Khi f lớn xấp xỉ định mức thì momencực đại của động cơ hầu như không đổi nhưng nó sẽ giảm khi f nhỏ ở chế độ

động cơ Để tránh tình trạng này ta thường bù sự suy giảm từ thông thôngqua biều thức U= Uo + kf, trong đó k được chọn sao cho U = Uđm và f = fđm.Còn phần điều khiển tần số f>fdm thì do giới hạn cách điện nên U sẽ khôngtăng lên mà được giữ nguyên ở giá trị cực đại cho phép Khi tăng f thì từthông giảm dưới đm sẽ làm giảm khả năng tải của động cơ Và việc điềukhiển f>fdm thường được gọi là điều khiển động cơ giảm từ thông Với bộbiến tần thì thường dòng điện bị giới hạn ở một mức nhất định, dẫn đếnmomen và công suất đầu ra của động cơ cũng bị giới hạn ở mức cho phéptương ứng với điều khiển ĐC KDB với f > fđm, Pc là một hằng số ứng vớimột chỉ số I1 cho trước, nói cách khác với bộ biến tần nguồn áp với điện áp

ra không đổi thì công suất ra cho phép cũng không đổi Lúc này ĐC làm việc

ở vùng công suất không đổi Nếu dòng cấp cho động cơ ở mức max thì côngsuất ra cũng ở mức max và lưu ý là momen cho phép của động cơ giảm khitốc độ tăng

 Do động cơ không đồng bộ là một đối tượng phi tuyến do dòng điệncấp nguồn là dòng 3 pha hình sin, các pha này nối chung với nhau về điện,

hỗ cảm với nhau về từ Để mô tả chính xác mô hình toán học động cơ cầnnhiều phương trình phức tạp Luật điều khiển U/f rất đơn giản này khôngđảm bảo điều khiển tốt được một đối tượng phi tuyến, tương hỗ phức tạpnhư vậy Cho nên, chất lượng điều khiển không cao

- Single: Chính xác vừa dấu phẩy động

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

8, 16, 32 bit có/ không dấu

- Boolean: logic đựoc sử lý như uint8

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 sốliệu khác nhau) có đúng hay không, nhằm loại trừ các kết quả sai lầm có thể

11

tạo ra.

Khả năng khai bỏo, xỏc định loại số liệu của tớn hiệu cũng như số liệu thuộccỏc khối chức năng của Simulink là đặc biệt cú ý nghĩa, nếu ta dự định tạo ra

từ mụ hỡnh Simulink mó chạy cho cỏc ứng dụng thời gian thực Nhu cầu về

bộ nhớ và tốc độ tớnh toỏn phụ thuộc số liệu mà ta chọn

Chơng 2 Bộ băm xung áp một chiều

Nh đã giới thiệu ở chơng trớc, bộ băm xung áp một chiều có nhiều u

điểm trong truyền động giao thông Bộ băm xung áp biến đổi đợc điện ápmột chiều từ 0 đến giá trị điện áp nguồn US một cách trơn liên tục Phần trêncũng đã đề cập tới nguyên lý chung của bộ biến điện áp một chiều, ở chơngnày ta đi chi tiết giới thiệu tổng quan nguyên lý điều chỉnh, các phơng pháp

Ura là một dãy xung vuông (lý tởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2 Điện áp

ra bằng giá trị trung bình của điện áp xung Nguyên lý cơ bản của các bộbiến đổi này là điều khiền các phần tử công suất bằng phơng pháp xung Để

có hiệu suất lớn thì điện áp sụt trên các phần tử công suất ở trạng thái mởphải nhỏ, dòng qua nó ở trạng thái mở rất nhỏ

I Ph ơng pháp điều chỉnh điện áp ra

Có hai phơng pháp:

 Thay đổi độ rộng xung (t1)

 Thay đổi tần số xung (T hoặc f)

1 Phơng pháp thay đổi độ rộng xung

Nội dung của phơng pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T  Giá trịtrung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:

 là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ

Nh vậy theo phơng pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < 

 1)

2 Phơng pháp thay đổi tần số xung

Nội dung của phơng pháp này là thay đổi T, còn t1=const Khi đó:

S S

Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phơng pháp trên Thực tế phơng pháp biến

đổi độ rộng xung đợc dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bịbiến tần đi kèm

Ura để thoát dòng tải khi khoá K ngắt

+ K đóng  US đợc đặt vào đầu của bộ lọc Lý tởng thì Utải = US (nếu bỏqua sụt áp trên các van trong bộ biến đổi)

+ K mở  hở mạch giữa nguồn và tải, nhng vẫn có dòng Itải do năng ợng tích luỹ trong cuộn L và Ltải, dòng chạy qua D, do đó Ura=Utải’ =0

l-Nh vậy, Utải tb  US Tơng ứng ta có bộ biến đổi hạ áp

U W

Ư

2 Biến đổi tăng áp:

Sơ đồ nh sau:

Đặc điểm: L1 nối tiếp với tải, Khoá K mắc song song với tải Cuộn cảm

L1 không tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trònày

+ K đóng, dòng điện từ +US qua L1  K  -US Khi đó D tắt vì trên tụ

có UC (đã đợc tích điện trớc đó)

+ K ngắt, dòng điện chạy từ +US qua L1  D  Tải Vì từ thông trong

L1 không giảm tức thời về không do đó trong L1 xuất hiện suất điện động

Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lợng từ nguồn US ở chế độ liêntục và năng lợng truyền ra tải dới dạng xung nhọn

U

U W

3 Biến đổi đảo cực:

L1 chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lợng.

C đóng vai trò lọc

+ K đóng, trên L1 có US, dòng chạy từ +US  K  L1  -US Năng lợngtích luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Utải=UC, tụ C phóng điện qua tải.+ K ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngợc chiều với trờng hợp

đóng  D thông  năng lợng từ trờng nạp và C, tụ C tích điện; Utải sẽ

ng-ợc chiều với US

Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với US Giá trị tuyệt đối |Utải| có thểlớn hơn hay nhỏ hơn US

4 Biến đổi công suất lớn theo nguyên lý nhiều nhịp:

Đặc điểm: Mắc song song n bộ biến đổi riêng làm việc cùng một tải vànguồn US

Để giảm độ gợn sóng của Itải và Utải , các khoá K1, K2, K3,  làm việclệch pha nhau một góc 2/n Khi đó mỗi bộ biến đổi chịu dòng điện In Khi đó mỗi bộ biến đổi chịu dòng điện Itải/n Khi đó mỗi bộ biến đổi chịu dòng điện In ;tần số làm việc f=f/n Khi đó mỗi bộ biến đổi chịu dòng điện In

Có thể làm việc ở hai chế độ : lần lợt và đồng thời

Nhận xét: Các bộ biến đổi (3 & 4) có u điểm ở chỗ là cho phép nhận

đ-ợc điện áp ra tải Utải cao hơn điện áp nguồn cung cấp US, song chúng chỉthích hợp với dải công suất nhỏ nên ít thông dụng

2.3 Một số sơ đồ băm xung áp

Thực tế có rất nhiều sơ đồ băm xung áp một chiều với nhiều đặc

điểm khác nhau tuỳ mục đích sử dụng, song chúng đều làm việc dựatrên những nguyên lý của các dạng cơ bản nh đã giới thiệu ở mục trên

Dới đây xin giới thiệu hai sơ đồ băm xung áp:

 Một loại cho phép tái sinh năng lợng và cho dòng tải liên tục

 Một loại cho phép đảo chiều dòng tải, thực hiện đợc hãm tái sinhnăng lợng và có thể áp dụng đợc nhiều chế độ điều khiển khácnhau

1 Sơ đồ băm xung áp mạch đơn (loại A).

Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp loại này nh sau:

Giải thích:

+ S1,S2 là loại điều khiển hoàn toàn

+ Tải của bộ băm xung áp là động cơ kích từ nối tiếp có thể thay thếbằng R-L-E; trong đó E là sức phản điện động của động cơ

+ D1là Diod hoàn năng lợng ;D2 là diod có tác dụng trả năng lợng táisinh cho nguồn

1.1 Hoạt động của sơ đồ :

Để chiều dòng điện tải nh hình vẽ ta cho S1 hoạt động nh một khoá

đóng cắt ;còn S2 không làm việc Khi S1 mở dòng điện từ nguồn chảy qua

S1 qua tải và trở về âm nguồn Khi S1 khoá dòng tảI đợc khép mạch qua

điod D1 đảm bảo dòng tảI là liên tục ngay cả khi S1 khoá

Để đảo chiều dòng điện phần ứng động cơ (dòng id) ta cho S2 và D2

vào vận hành còn S1 ngắt Khi đó ,do quán tính động cơ vẫn quay theo

chiều cũ mặc dù bị ngắt ra khỏi nguồn  E > 0 Lúc này mạch tải chỉ cónguồn duy nhất E khép mạch qua S2  xuất hiện dòng điện chạy ngợc lạichiều ban đầu Công suất điện từ của động cơ là:Pđt= Id.E > 0.

Công suất lúc này đợc tích luỹ trong cuộn cảm L Khi S2 ngắt, trên

điện cảm L sinh ra sức điện động tự cảm (UL) cùng chiều với E.Tổng haisức điện động này lớn hơn điện áp nguồn US làm D2 dẫn ngợc dòng vềnguồn và trả lại phần năng lợng đã tích luỹ trong cuộn cảm L

Để đảm bảo S2 dẫn dòng điện ngợc ngay khi dòng thuận qua D1 tắt taphát xung vào mở S2 đồng thời với việc phát xung khoá S1

Sau đây là biểu đồ dạng sóng mô tả hoạt động của sơ đồ:

+ Dòng qua phần ứng động cơ là liên tục nếu ta đảm bảo S2 dẫn trớchoặc sau khi dòng qua D1 tắt

+ Dòng điện qua phần ứng động cơ có phần âm nên giá trị trung bìnhcủa nó có thể nhỏ bất kỳ ,thậm chí bằng 0 hoặc âm Điều này có thể điềukhiển đợc bằng cách thay đổi thời gian dẫn của S1 và S2

 Nhận xét:

Ưu đIểm của sơ đồ này là:

+ Dòng qua tải luôn là liên tục,do đó tạo điều kiện tốt cho động cơhoạt động êm

+ Có thể thực hiện đợc quá trình tái sinh năng lợng

1.2 Các biểu thức có liên quan:

Vì tải là động cơ điện một chiều nên ta có thể thay thế bằng tải

R-L-E, trong đó:

E: Sức phản điện động của động cơ

R: Điện trở dây quấn của động cơ

L: Điện cảm dây quấn của động cơ

a Xác định I max và I min :

 Khi H đóng mạch (tơng đơng với việc mở S1) ta có :

S d

E U p aI I

p

d d

d

) (

) ( ) 0 ( )

Do đó Id(0)=Imin Thay vào phơng trình trên ta đợc:

min

) (

) ( )

p

a R

E U p aI p

) ( )

p

a R

E U p I a

) (

)

a p

I p

a a p R

E U p

ú

R

E U t

 Khi mạch hở ( tơng đơng với việc khoá S1 mở S2)

Ta có phơng trình trong giai đoạn D1 dẫn :

( ] 1

B R

1

1

R

E A

A B A R

1

Trong đó:

21

T a aT

e B a



b Xác định điện áp trung bình trên tải :

Từ biểu đồ dạng sóng của điện áp đặt trên tải, ta có:



T

ú ú

d U dt U T

T T

di L

1 1

1 1

B A B

R

U I

) 1

)(

1 (

1 1

1 1 min

(Khi lấy giá trị xấp xỉ nh trên ta coi R=0)

Từ biểu thức vừa tính đợc ta thấy rằng :Khi T=const thì độ nhấp nhô

Id là hàm của tỷ số chu kỳ  Từ đó ta có ;

L

TU L

U T d

I

2 2

).