Embed Size (px)
Citation preview
Mục lục
Lời giới thiệu
Chương 1. Giới thiệu khái quát về động cơ điện một chiều
Chương 2. Xây dựng mô hình động cơ và các mạch vòng điều chỉnh
2.1 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều và các chế độ
xác lập, quá độ của nó.
2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện
và điều chỉnh tốc độ.
Chương 3. Mô phỏng các đặc tính của động cơ bằng Simulink.
3.1 Lựa chọn các thông số cho mô phỏng.
3.2 Mô phỏng các trường hợp cụ thể của động cơ
3.3 Nhận xét về kết quả mô phỏng thu được
Kết luận
Lôøi giôùi thieäu
§èi vêi kü s ®iÒu khiÓn - tù ®éng hãa nãi riªng vµ nh÷ng
ngêi nghiªn cøu khoa häc - kü thuËt nãi chung, m« pháng lµ
c«ng cô quan träng cho phÐp kh¶o s¸t c¸c ®èi tîng, hÖ thèng
hay qóa tr×nh - vËt lý, mµ kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i cã ®èi tîng
hay hÖ thèng thùc. §îc trang bÞ c«ng cô m« pháng m¹nh vµ cã
hiÓu biÕt vÒ c¸c ph¬ng ph¸p m« h×nh hãa, ngêi kü s sÏ cã kh¶
n¨ng rót ng¾n thêi gian vµ gi¶m chi phÝ nghiªn cøu - ph¸t triÓn
s¶n phÈm mét c¸ch ®¸ng kÓ. §iÒu nµy ®Æc biÖt co ý nghÜa
khi s¶n phÈm lµ c¸c hÖ thèng thiÕt bÞ kü thuËt phøc hîp víi gi¸
trÞ kinh tÕ lín
§éng c¬ ®iÖn mét chiÒu ngµy nay vÉn ®îc sñ dông kh¸
réng r·i bëi nh÷ng tÝnh n¨ng u viÖt mµ nã mang l¹i nh: kh«ng
cÇn nguån xoay chiÒu , thùc hiÖn viÖc thay ®æi tèc ®é ®éng
c¬ mét c¸ch dÔ dµng v.v…ChÝnh v× nhng lÝ do ®ã mµ em
chän ®éng c¬ mét chiÒu lµ ®èi tîng ®Ó m« pháng trong bµi
lµm cña m×nh.
Chương 1- Khái quát về động cơ một chiều
1.1 - Cấu tạo chung của động cơ 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
phần ứng (phần quay).
1.1.1- Phần cảm (stator)
Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là
vỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng điện chạy trong
dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau.
Cực từ chính gắn với vỏ máy nhờ các bulông. Ngoài ra máy điện một chiều còn
có nắp máy, cực từ phụ và cơ cấu chổi than.
Hình 1.1 Cực từ chính
1.1.2- Phần ứng (rotor)
Phần ứng của máy điện một chiều còn gọi là rôto, gồm lõi thép, dây quấn phần
ứng, cổ góp và trục máy.
Hình 1.2 Lá thép rôto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều
a) Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn
1. Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm,
phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh để đặt
dây quấn phần ứng (hình 1.2).
2. Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các
rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Phần tử của dây quấn là
một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của
vành góp (hình 1.3a). hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai
cực từ khác tên (hình 1.3b).
3. Cổ góp (vành góp) hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình
đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện
với trục máy.
Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy…
1.2- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Trên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây
quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong
từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụng lên
rôto, làm quay rôto. Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái
(hình 1.4a).
Hình 1.4 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình
1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi
thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác
dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm
bảo động cơ có chiều quay không đổi.
1.3 Các trị số định mức của động cơ điện một chiều
Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện một
chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy
định. Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là
những đại lượng định mức.
1. Công suất định mức Pđm (kW hay W).
2. Điện áp định mức Uđm (V).
3. Dòng điện định mức Iđm (A).
4. Tốc độ định mức nđm (vòng/ph).
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ…
Chú ý: Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện. Đối với máy
phát điện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ đó là
công suất đưa ra trên đầu trục động cơ.
1.4 Phân loại động cơ điện một chiều
Dựa theo cuộn kích từ, động cơ một chiều có các loại như sau:
- Động cơ một chiều kích từ độc lập.
- Động cơ một chiều kích từ song song.
- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp.
- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp.
Chương 2- Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều
và các mạch vòng điều chỉnh động cơ
2.1 Động cơ điện một chiều và chế độ xác lập, quá độ của nó.
Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến trong các hệ
thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều (Đ) từ
vài W đến vài MW. Giản đồ kết cấu chung của Đ như hình 1.5, phần ứng được
biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở phần stato có thể có vài
dây quấn kích từ: dây quấn kích từ độc lập CKĐ, dây quấn kích từ nối tiếp CKN,
dây quấn cực từ phụ CF và dây quấn bù CB. Hệ thống các phương trình mô tả Đ
thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường
là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ Uk; tín hiệu ra thường là tốc độ góc của
động cơ ω, mômen quay M, dòng điện phần ứng I, hoặc trong một số trường hợp
là vị trí của rôto φ. Mômen tải Mc là mômen do cơ cấu làm việc truyền về trục
động cơ, mômen tải là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền điện tự động.
Hình 2.1 Giản đồ thay thế động cơ một chiều.
2.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp uk nào đó thì trong dây quấn kích từ
sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp đó đặt một
giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện
chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành
mômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau:
M = (2.1)
Trong đó: p’ - số đôi cực của động cơ;
N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ;
a - số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng;
k = p’N/2пa - hệ số kết cấu của máy.
Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng
quét qua từ thông và trong các dây dây quấn này cảm ứng sức điện động (sđđ):
E = (2.2)
Trong đó: ω - tốc độ góc của rôto.
Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện
áp phần ứng:
(2.3)
Trong đó Rư- điện trở mạch phần ứng của động cơ.
Từ các phương trình (1.1) và (1.3) có thể vẽ được họ đặc tính cơ M(ω) của
động cơ một chiều khi từ thông không đổi, hình 2.2.
Hình 2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
khi từ thông không đổi.
2.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều
Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương
trình mô tả sơ đồ thay thế hình 1.5 như sau:
* Mạch kích từ, có hai biến dòng điện kích từ ik và từ thông Φ là phụ thuộc phi
tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:
Uk(p) = RkIk(p) + Nk.p.Φ(p) (2.4)
trong đó: Nk - số vòng dây cuộn kích từ;
Rk - điện trở cuộn dây kích từ.
* Mạch phần ứng:
U(p) = Rư.I(p) + Lư.p.I(p) ± NN.p.Φ(p) + E(p) (2.5)
Hoặc dạng dòng điện:
I(p) =
trong đó Lư- điện cảm mạch phần ứng;
NN - số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp;
Tư = Lư/Rư - hằng số thời gian mạch phần ứng.
* Phương trình hệ điện cơ (phương trình chuyển động của hệ thống):
M(p) – Mc(p) = Jpω (2.6)
trong đó J là mômen quán tính của các phần tử chuyển động quy đổi về trục
động cơ.
Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ một
chiều như sau:
Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc chung của động cơ một chiều
Ta thấy rằng sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh (có khâu phi tuyến), do đó
trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm
việc (phương pháp số gia).
Trước hết chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá
và đặc tính mômen tải như hình 2.4
Hình 2.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải.
Độ dốc của đặc tính từ hoá và đặc tính cơ mômen tải tương ứng (bỏ qua hiện
tượng từ trễ) là:
kk = (2.7)
B = (2.8)
Tại điểm làm việc xác lập ta có: điện áp phần ứng U0, dòng điện phần ứng I0,
tốc độ quay ωB, điện áp kích từ Uk0, từ thông Φ0, dòng điện kích từ Ik0 và mômen
tải MCB. Biến thiên nhỏ của các đại lượng trên tương ứng là: ∆U(p), ∆I(p),
∆ω(p), ∆Uk(p), ∆Ik(p), ∆Φ(p) và ∆MC(p).
Xét cho động cơ kích từ độc lập (NN= 0), khi đó các phương trình có thể viết
như sau:
- Mạch phần ứng:
U0 + ∆U(p) = Rư[I0 + ∆I(p)] + pLư[I0 + ∆I(p)] +
+ K[Φ0 + ∆Φ(p)].[ωB + ∆ω(p)] (2.9)
- Mạch kích từ:
Uk0 + ∆Uk(p) = Rk[Ik0 + ∆Ik(p)] + pLk[Ik0 + ∆Ik(p)] (2.10)
- Phương trình chuyển động cơ học:
K[Φ0 + ∆Φ(p)] . [I0 + ∆I(p)] - [MB + ∆MC(p)] = Jpp [ωB + ∆ω(p)] (2.11)
Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết
được các phương trình của gia số như sau:
∆U(p) = Rư∆I(p) + pLư∆I(p) + KΦ0∆ω(p) +K∆Φ(p)ωB (2.12)
∆Uk(p) = Rk∆Ik(p) (1 + pTk) (2.13)
K∆Φ(p)I0 +KΦ0∆I(p) - ∆MC(p) = Jp p∆ω(p) (2.14)
Từ các phương trình trên ta suy ra sơ đồ cấu trúc chung đã được tuyến tính hoá
của động cơ một chiều kích từ độc lập
Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá
Sau đây ta xét một số trường hợp đặc biệt của động cơ một chiều kích từ độc
lập trong chế độ quá độ.
a) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với Φ = const.
Khi dòng điện từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằng
nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:
KΦ = const = Cu
Khi đó, - Phương trình mạch phần ứng có dạng:
U(p) = RuI(p)(1+pTu) + Cu.ω(p) (2.15)
- Phương trình hệ điện cơ có dạng:
CuI(p) – Mc(p) = Jpω(p) (2.16)
Từ hai phương trình (2.15) và (2.16) ta suy ra sơ đồ cấu trúc khi từ thông
không đổi được biểu diễn trên hình 2.6
Mc
IK
IU
pTR
u .1
1
K0
K0
pJ .
1
B
KI0 KB
KK
pTR
K
K
.1
1
UK
Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
b) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với điện áp
phần ứng không đổi
Khi giữ điện áp phần ứng không đổi và điều chỉnh điện áp kích từ thì do tính
chất phi tuyến của mạch từ nên tốt nhất là sử dụng sơ đồ tuyến tính hoá quanh
điểm làm việc. Sơ đồ cấu trúc này được thể hiện trên hình 2.5, trong đó tín hiệu
điện áp phần ứng ∆U(p) = 0.
Phương pháp này có ưu điểm là: bộ chỉnh lưu có điều khiển trong mạch kích từ
nhỏ gọn hơn, rẻ tiền hơn, với công suất nhỏ hơn dẫn đến kích thước và trọng
lượng nhỏ hơn.
Tuy nhiên nó có những nhược điểm cơ bản đó là:
- Đụng chạm đến tính phi tuyến của động cơ.
- Số vòng dây của cuộn kích từ lớn hơn do đó hằng sô thời gian mạch kích
từ lớn hơn nhiều so với mạch phần ứng (Tk>>Tu) dẫn đến thời gian quá độ
của hệ kéo dài.
- Phạm vi điều chỉnh tốc độ quay hẹp và còn bị phụ thuộc nhiều vào giá trị
mômen cản.
- Do ảnh hưởng của từ dư sẽ gây ra sai lệch trong quá trình thực hiện đảo
chiều quay động cơ.
u
u
pT
R
1
/1 .KJp
1
.K
Up U uI McM
E
2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ
2.2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện
Mạch vòng dòng điện là mạch vòng có đại lượng điều chỉnh là dòng điện.
Mạch vòng dòng điện là mạch vòng cơ bản của các hệ tự động truyền động
điện, vì:
- Nó trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mômen quay của động cơ.
- Có chức năng điều chỉnh gia tốc của hệ.
- Có chức năng bảo vệ và khống chế dòng khởi động.
Trong quá trình điều chỉnh tốc độ quay của động cơ ta có thể coi sự ảnh hưởng
của sức điện động E của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh khi
tốc độ quay thay đổi chậm và ít (hệ có mômen quán tính lớn, hằng số thời gian
cơ học Tc >> Tư - hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng).
Khi đó ta có sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện như sau:
Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
Trong đó:
RI - bộ điều chỉnh dòng điện,
BĐ - bộ biến đổi một chiều, có hàm truyền
Si - là xenxơ dòng điện.
→ Ta đi xác định RI:
I
-E
Si
Ui® RI B§
pT
K
i
i
.1
Hàm truyền của mạch dòng điện (hàm truyền của đối tượng điều chỉnh) là
như sau:
Soi=
(2.17)
trong đó các hằng số thời gian Tdk, TV0, Ti là rất nhỏ so với hằng số thời gian điện
từ Tư . Đặt Ts = Tdk+ TV0+ Ti thì có thể viết lại (2.17) ở dạng gần đúng như sau:
Soi= , trong đó Ts<<Tu.
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môdun ta có:
Ri(p) = (chọn ). Đây là khâu PI
Suy ra hàm truyền kín của dòng điện đối với tín hiệu đặt là:
F =
2.2.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ
Hệ có dạng nối cấp: mạch vòng dòng điện bên trong và mạch vòng tốc độ ở
bên ngoài, nó được sử dụng khi:
- Hệ không có khả năng về quá dòng hoặc có yêu cầu cao về điều chỉnh gia tốc
hoặc rơi vào dòng gián đoạn phần ứng.
Số mạch vòng dòng điện thường là một đối với hệ không đảo chiều, là hai đối
với hệ có đảo chiều.
Muốn thay đổi chiều quay của hệ thì phải thay đổi dấu của tín hiệu đặt.
Cần phải lắp thêm bộ hạn chế dòng điện sau bộ điều khiển tốc độ để giảm tín
hiệu đặt cho mạch vòng dòng điện.
Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh tốc độ có mạch vòng dòng điện:
Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ
Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn môdul tối ưu tương tự như ở
mạch vòng dòng điện ta được bộ điều chỉnh tốc độ Rω có dạng khâu khuyếch đại
P.
Rω(p) = .
Chương 3 – Mô phỏng các đặc tính của động cơ
một chiều bằng simulink
3.1 Lựa chọn các thông số cho quá trình mô phỏng:
* Chọn các thông số cho động cơ điện một chiều
- Công suất định mức:
- Điện áp định mức:
- Tốc độ định mức
- Hiệu suất định mức:
Mc
U®R
pTK si ..21
1.
1
pTk
R
C
u
.
pT
K
.1
_
_
- Điện cảm phần ứng:
- Mômen quán tính:
- Độ dốc của đặc tính từ hoá và mômen tải:
kk = 5
B = 1
- kI0 = 10
- kωB= 4
* Chọn các thông số của các bộ biến đổi, xenxơ dòng điện và máy phát tốc:
- Hằng số thời gian của cảm biến dòng điện:
- Hằng số thời gian của chuyển mạch chỉnh lưu:
- Mạch điều khiển chỉnh lưu:
- Máy phát tốc:
=
Từ các thông số đã chọn ta tính được các thông số khác theo các công thức
sau:
ñm= = =
= =
= =
= =
Ta có
chọn Udk= Uid= 10(V), suy ra:
= =
=
= = = =
Từ đây ta suy ra hàm truyền của bộ điều khiển dòng điện và tốc độ có dạng:
= =
= = =
3.2 Mô phỏng các trường hợp cụ thể của động cơ bằng simulink
3.2.1 Mô phỏng động cơ điện trong trường hợp Φ = const.
Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi điện áp đặt có dạng bước nhảy như hình
3.1
Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi từ thông không đổi
Đặc tính tốc độ, đặc tính dòng điện, điện áp phản hồi của động cơ thu được khi
mô phỏng trong chế độ quá độ lần lượt như hình dưới đây:
- Đặc tính dòng điện:
- Đặc tính tốc độ:
- Đặc tính điện áp phản hồi:
3.2.2 Mô phỏng động cơ điện một chiều trong trường hợp Uư không đổi (∆Up
= 0)
Sơ đồ mô phỏng trong simulink như hình 3.2
Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng khi điện áp phần ứng không đổi
- Đặc tính dòng điện
- Đặc tính tốc độ
Đặc tính từ thông
Điện áp phản hồi
3.2.3 Mạch vòng dòng điện của động cơ một chiều trong simulink
Sơ đồ mô phỏng trong simulink như hình 3.3
Hình 3.3 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện động cơ trong simulink
Với điện áp là dạng step, mô phỏng ta thu được kết quả dạng tín hiệu dòng
điện ra và điện áp phản hồi có dạng:
- Tín hiệu dòng điện:
- Tín hiệu điện áp phản hồi:
3.2.4 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ (có mạch vòng điều chỉnh dòng điện) mô
phỏng trong simulink
Sơ đồ mô phỏng trong simulink như hình 3.4
Hình 3.4 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ
Các đường đặc tính thu được:
- dòng điện:
- tốc độ:
- điện áp phản hồi:
Mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi có thêm khâu hạn chế dòng sau bộ điều khiển
tốc độ (hình 3.5)
Hình 3.5 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi có thêm khâu hạn chể dòng.
- Tín hiều dòng điện khi có thêm khâu hạn chế dòng là:
- Tín hiệu tốc độ
- Tín hiệu điện áp phản hồi
3.3 Nhận xét về kết quả mô phỏng thu được
- Trong hai trường hợp điện áp phần ứng không đổi và từ thông không đổi
ta thấy thời gian quá độ của dòng điện, điện áp phản hồi, tốc độ ở trường
hợp điện áp phần ứng không đổi là lớn hơn (do Tk>>Tu), tuy nhiên độ quá
điều chỉnh lại nhỏ hơn.
- Khi có thêm bộ điều chỉnh dòng điện và bộ điều chỉnh tốc độ thì điện áp
phản hồi bám theo điện áp đặt hơn.
- Khâu hạn chế dòng lắp sau bộ điều chỉnh tốc độ có tác dụng làm giảm tín
hiệu đặt cho mạch vòng dòng điện.
Kết luận
Dựa vào các kết quả mô phỏng thu được ta biết được sự hoạt động và các chế
độ làm việc của động cơ điện một chiều. Và nhờ đó sẽ giúp ta biết cách sử dụng
hợp lý động cơ điện một chiều trong các quy trình công nghệ.
Qua thời gian dài nghiên cứu, tìm hiểu cùng với sự hướng dẫn của thầy Lưu
Kim Thành, em đã hoàn thành bài tập này. Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế
nên không tránh khỏi những sai sót. Em mong thầy cô và các bạn góp ý để bài
làm của em được hoàn thiện hơn.
Tài liệu tham khảo
[1] Điều chỉnh tự động truyền động điện
- Bùi Quốc Khánh - Nguyễn Văn Liễn -
Phạm Quốc Hải - Dương Văn Nghi
[2] Matlap và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động
- Nguyễn Phùng Quang.
