MÔ phỏng động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ trên matlab

Việc thực hiện điều khiển, quan sát các chuyển động của các đặc tính bên trong và bên ngoàinhư dòng điện, tốc độ, momen,… không chỉ thực hiện bằng cách đo các thông số rồi về tính và lập

Lời nói đầu

Ngày nay việc thực hiện tự động hóa trong công nghiệp và trong dân dụng làmột nhu cầu thiết yếu để phát triển sản xuất cũng như nâng cao chất lượng sản phẩm, đối với 1 hệ truyền động điện yêu cầu phải điều khiển và quan sát được

Việc thực hiện điều khiển, quan sát các chuyển động của các đặc tính bên trong và bên ngoài(như dòng điện, tốc độ, momen,…) không chỉ thực hiện bằng cách đo các thông số rồi về tính và lập đặc tính, mà dưới sự hỗ trợ của máy tính ta

có thể mô phỏng cả hệ thống, công cụ hỗ trợ đắc lực nhất là phần mềm Matlab

Theo yêu cầu thiết kế môn học: Tổng Hợp Hệ Điện Cơ, em thực hiện đề tài

mô hình mô phỏng máy điện đồng bộ kích thích độc lập

Sau đây là phần nội dung:

Chương 1: Mô tả chung về máy điện đồng bộ

Chương 2: Mô hình hóa máy điện

Do trình độ của em còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện còn nhiều sai sót mong được thầy cô và các bạn góp ý

Hải Phòng, ngày 06 tháng 05 năm 2011

Sinh viênNguyễn Văn Tình

Chương 1: Mô tả chung về máy điện đồng bộ kích thích độc lập

1.1 Máy điện đồng bộ

1.1.1 Định nghĩa

Máy điện đồng bộ là loại máy điện mà tốc dộ quay của roto bằng tốc độ quay

của từ trường quay trong máy

Ngày nay nguồn năng lượng điện được sử dụng trên thế giới chủ yếu là năng lượng điện xoay chiều thì máy phát điện đồng bộ là nguồn chính để phát ra năng lượng đó

Máy đồng bộ cũng có tính chất thuận nghịch Tức là có thể làm việc như một máy phát hoặc như một động cơ Ngoài ra nó còn có thể dùng làm nguồn công suấtkháng gọi là máy bù đồng bộ

Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Phạm vi ứng dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng , nghĩa là làm máy phát điện Điện năng

3 pha chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống hằng ngày được sản suất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi, tuabin khí hoặc tubin nước Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị công suất lớn, thiết bị lớn

Máy điện đồng bộ có khả năng phát ra công suất phản kháng, thông thường máy đồng bộ được tính toán sao cho chúng có thể phát ra công suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng trong một số trường hợp người ta dùng máy điện đồng bộ đặt gần các khu công nghiệp lớn để chỉ phát ra công suất phản kháng đủ

bù hệ số cos cho lưới điện là hợp lý Những máy đó là máy bù đồng bộ

Các động cơ đồng bộ công suất nhỏ (đặc biệt là các động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu) cũng được sử dụng rộng rãi trong các trang bị tự động

và điều khiển

- Theo chức năng người ta phân thành:

Máy phát, động cơ, máy bù đồng bộ

- Theo số pha:

Máy đồng bộ một pha, máy đồng bộ 3 pha

- Theo công suất:

Máy đồng bộ công suất nhỏ, máy đồng bộ công suất trung bình, máy đồng bộcông suất lớn

- Theo cấu tạo:

Máy đồng bộ cực lồi, máy đồng bộ cức ẩn

1.1.3 Cấu tạo

Cấu tạo của máy điện đồng bộ gồm có 2 phần: Phần quay (roto) và phần tĩnh (stato)

- Stato gồm có: vỏ, lõi và dây quấn

+ Vỏ: làm bằng thép đúc, dung bảo vệ mạch từ và các phần khác trong máy

Trên vỏ có gắn biển đề ghi các thông số của máy điện

+ Lõi stato: dung để dẫn từ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện với nhau theo hình trụ rỗng, mặt trong được đặt các rãnh để đặt cuộn dây stato

+ Dây quấn: được quấn thành tứng các mô bin, các cạnh của các mô bin đó được đặt vào các rãnh của lõi thép stato Các mô bin được cách điện với nhau vad cách điện với vỏ

- Roto gồm có: Nếu phần quay là phần cảm thì nó gồm: lõi và dây quấn

Roto có 2 loại: cực lồi và cực ẩn

+ Loại cực lồi: Dây quấn được quấn xung quanh cực từ Ở máy điện lớn thì trên cực còn được sẽ rãnh để đặt cuộn khởi động Loại máy này tốc độ quay thấp + Loại cực ẩn: Người ta sẽ rãnh ở 2/3 chu vi roto Roto của loại này thường làm bằng thép chất lượng cao để đảm bảo lực li tâm khi tốc độ lớn

1.1.4 Nguyên lý hoat động

Trong máy điện đồng bộ, thường cực từ đặt ở rôto, còn dây quấn phần ứng được đặt trên phần tĩnh (stato) gồm ba cuộn dây đặt lệch nhau trong không gian

1200 góc độ điện, đấu thành hình sao (Y) hay tam giác (Δ))

Cũng giống như các máy điện quay khác, máy điện đồng bộ cũng có tính chất thuận nghịch: có thể làm việc ở chế độ máy phát hợc chế độ động cơ điện

Khi động cơ sơ cấp quay rôto máy phát với tốc độ định mức, đồng thời cho dòng điện một chiều vào dây quấn rôto (dây quấn kích thích), rôto trở thành nam châm điện, từ trường của rôto quét qua các thanh dẫn của dây quấn stato và cảm ứng nên trong chúng các s.đ.đ xoay chiều

Tần số của s.đ.đ cảm ứng là:

f = n.p/60 Trong đó: n: là tốc độ quay của rôto

P: là số đôi cực của máyGiá trị hiệu dụng của s.đ.đ cảm ứng trong mỗi pha của dây quấn stato là:

E = 4,44fW.k.Φ Trong đó:

Φ: từ thông trong khe hở dưới một cực từ;

W: số vòng dây của mỗi pha dây quấn phần ứng k: hệ số dây quấn

Khi dây quấn phần ứng của máy được nối với tải bên ngoài, dòng điện ba pha đối xứng lệch nhau về thời gian 1200 điện chạy trong dây quấn ba pha đặt lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện sẽ sinh ra từ trường quay

1.2 Động cơ điện đồng bộ

Các động cơ điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất thường là những động

cơ điện không đồng bộ, vì loại động cơ này có đặc điểm cấu tạo đơn giản, làm việcchắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ Tuy nhiên các động cơ điện đồng bộ trong thời gian gần đây cũng được sử dụng nhiều và cũng có thể so sánh với động

cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động điện

Ưu điểm: Động cơ điện đồng bộ có khả năng làm việc ở chế độ cos = 1, và không cần lây công suất phản kháng từ lưới điện, nên hệ số công suất của lưới điệnđược nâng cao, làm giảm điện áp rơi và tổn hao công suất trên đường dây

Động cơ điện đồng bộ ít chịu ảnh hưởng của điện áp lưới do moomen tỷ lệ với điện áp U, còn động cơ di bộ có momen tỷ lệ với bình phương điện áp U

Nhược điểm: Cấu tạo của động cơ đồng bộ phức tạp, đòi hỏi phải có nguồn kích

từ, việc khởi động phức tạp, việc thay đổi tốc độ chỉ có thể thực hiện được nhờ thay đổi tần số của nguồn điện

1.2.1 Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ 3 pha

Cho dòng điện ba pha ia, ib, ic vào dây quấn ba pha của stato, dòng điện ba pha

sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p

Ta hình dung từ trường quay stato như một nam châm có hai cực đang quay vớitốc độ n Đồng thời cho dòng điện một chiều vào dây quấn rôto, rôto trở thành mộtnam châm điện.Tác dụng tương hỗ giữa từ trường stato và từ trường rôto tạo ra lựctác dụng lên rôto

Vì từ trường quay stato quay với tốc độ n1 nên lực tác dụng ấy kéo rôto quay với tốc độ n = n1

Chú ý: Động cơ điện một chiều và động cơ KĐB đều làm việc theo nguyên lý lực điện từ tác dụng, còn ở động cơ đồng bộ thì làm việc theo nguyên lý lực tác dụng giữa hai từ trường

1.2.2 Các phương pháp khơi động động cơ đồng bộ

- Khởi động nhờ máy lai: Đây là phương pháp sử dụng một máy lai quay động

cơ đồng bộ đến tốc độ n = n1 rồi dùng phương pháp hòa đồng bộ, đưa động cơ vàolưới

Nhược điểm: Phải dùng một máy lai từ bên ngoài và không được khởi động khi có tải Vì vậy nó ít được sử dụng

- Khởi động bằng cách thay đổi tần số f: Người ta dùng một máy phát đồng bộ riêng để cấp điện cho động cơ đồng bộ Muốn khởi động ta tiến hành: tăng dần tốc

độ động cơ lai máy phát Khi tần số f tăng thì tốc độ động cơ cũng tăng theo Khi tốc độ động cơ đồng bộ dật đến tốc độ đồng bộ ta đóng động cơ vào lưới và ngắt máy phát ra

- Khởi động động cơ bằng phương pháp dị bộ: Đây là phương pháp thông dụngnhất, cũng như động cơ dị bộ để có Mkđ thì khi chế tạo động cơ đồng bộ người ta phải đặt thêm trên mặt cực roto một cuộn dây ngắn mạch có dạng như cuộn dây lồng sóc ở máy dị bộ Các thanh dẫn bằng đồng thau để có điện trở tác dụng lớnKhi đã có cấu tạo như trên thì khi đưa điện 3 pha vào cuộn stato (chưa đưa dòng kích từ vào roto) thì động cơ được khởi động Khi tốc độ đạt n = n1 (tốc độ đồng bộ) khi đó ta đưa dòng kích từ vào cuộn kích từ Với sự tăng của dòng kích từ làm xuất hiện mômen đồng bộ đưa roto vào tốc dộ động cơ

Chương 2: Mô hình hóa

2.1 Khái quát chung về mô hình động cơ điện đồng bộ kích thích độc lập

Do tính chất phức tạp của mô hình toán học của động cơ đồng bộ kích thích độc

lập khi xây dựng trên hệ tọa độ cố định a,b,c nên người ta chuyển đổi mô hình toánhọc của máy điện về hệ trục tọa độ vuông góc dq, đây là hệ trục tọa độ quay cùng với rotor và từ trường quay

Khi đó các hệ số trong mô hình toán học của máy điện đồng bộ sẽ là các hệ số

cố định, các đại lượng đó là các đại lượng 1 chiều, cho nên rất dễ dàng mô phỏng trên máy tính Còn trong trường hợp muốn khảo sát với đại lượng thật thì ta biến đổi ngược từ hệ trục quay về hệ trục cố định

Để mô tả ta xây dựng 1 hệ tọa độ dq

q

d b

a

c

o

Ua Ud

Uc Ub

2.2 Biến đổi hệ tọa độ.

Thường khi mô phỏng ta lấy đầu vào là điện áp, đầu ra là dòng điện, tốc độ, mô men Điện áp 3 pha a,b,c, điện áp kích thích và mô men là các đầu vào chính.Điện áp a,b,c sẽ phải được biến đổi về hệ trục dq gắn với rotor, để biến đổi ta thực hiện như sau:

Cách 1:

Bước 1: tạo điện áp trên trục dq cố định:

) (

3 1

) (

3 1

3

1 3

1 3 2

c b s

d

c b a s q

u u u u

u u u

u u u u

q r s

d q

r s

q r s

d d

u u

u

u u

*

sin

* cos

0 giá trị đầu

Cách 2: thực chất là việc rút gọc cách viết của cách 1:

) (

3 1

)) 3

4 cos(

) 3

2 cos(

cos ( 3 2

)) 3

4 sin(

) 3

2 sin(

sin ( 3 2

r c r

b r a q

r c r

b r a d

u u u u

u u

u u

u u

u u

Trong Matlab ta dung khối sau để biến đổi:

ở đây: a,b,c là đầu vào điện áp

Sin-cos là đầu vào góc 

dq, u0 là đầu ra

2.3 Các phương trình trong hệ tọa độ dq.

Từ các phương trình cơ bản của động cơ đồng bộ ta xây dựng nên hệ phương trình trên hệ tọa độ dq như sau:

- Đối với mạch stator:

sd

sq sq

s sq

sq

sd sd

s sd

dt

d i R u

dt

d i R u

kt kt kt

dt

d i R u

Q Q Q Q

D D D D

M dt

d j M

i i

p M

Q D kt sq

i i i

i

i 

Q Qq

D Dk D

kD kt kd

qD sq

dD dk sd

L L

L L L

L L L

L L

L L L

L

0 0 0

0 0

0 0

0 0 0

0 0

sq sq s sq

dt

d i R u

M dt

d j M

i i

p M

sq sq sq

sd sd sd

i L

i L

Các khối cơ bản:

Điện áp 3 pha a,b,c:

đặt thông số(ở khối sin ):

Khối chuyển đổi điện áp:

Khối 1/lsd

Tốc độ đặt (ở khối step)

Usd, Usq:

Omega:

Kết luận

Qua việc mô phỏng động cơ điện đồng bộ 3 pha em đã thấy được đặc tính tốc

độ cũng như mômen của nó từ đó có thể thiết kế được các bộ điều chỉnh phù hợp

để có thể điều chỉnh được động cơ theo yêu cầu

Đồ án đã giải quyết được các vấn đề sau:

- Khái quát chung về vấn đề động cơ đồng bộ

- Mô phỏng động cơ đồng bộ

Tuy nhiên do nguồn tài liệu còn quá hạn chế nên em chưa thể tìm hiểu đượcmột cách sâu xắc về mô phỏng động cơ đồng bộ 3 pha mà chỉ phần nào nắm bắtđược những kiến thức cơ bản để mô phỏng động cơ Nguồn tài liệu được thu thậpchủ yếu là các giáo trình, một số cuốn sách của các dịch giả Việt Nam ngoài ra emcũng tham khảo thêm tài liệu trên các website trên mạng Thêm vào đó trình độbản thân còn nhiều hạn chế trong việc nắm bắt các công nghệ mới nên bản đồ ánnày không tránh khỏi được những thiếu sót Em rất mong được sự đóng góp ý kiếncủa các Thầy, cô và toàn thể các bạn để bản đồ án này được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn đến thầy giáo Th.s Phạm Tâm Thành cùng toàn thểcác thầy, cô trong Khoa Điện - Điện Tử Tàu Biển Trường Đại Học Hàng Hải ViệtNam đã hết lòng giúp đỡ em trong thời gian làm bản đồ án để bản đồ án này hoànthành đúng thời hạn

Hải Phòng, ngày 06 tháng 05 năm 2011

Sinh viênNguyễn Văn Tình

- Điều chỉnh tự động truyền động điện - Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn - NXB khoa học và kỹ thuật.

- Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều 3 pha - Nguyễn Phùng Quang - NXB giáo dục

- Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động - Ts Nguyễn Phùng Quang – NXB Khoa Học và Kỹ Thuật

- Giáo trình máy điện - Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam