Đồ án môn học: Mô phỏng điều khiển động cơ DC kích từ độc lập sử dụng phần mềm matlab với mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần

Chia sẻ: Nguyen Van Minh | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:31

Thêm vào BST

Báo xấu

439
lượt xem 80
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài trang bị những kiến thức cơ bản về động cơ điện một chiều kích từ độc lập, cũng như vai trò của mạch chỉnh lưu toàn kỳ trong việc điều khiển tốc độ động cơ. Hiểu được mô hình làm việc của một số mô hình Demo trong Matlab về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách thức làm việc của động cơ một chiều kích từ độc lập.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án môn học: Mô phỏng điều khiển động cơ DC kích từ độc lập sử dụng phần mềm matlab với mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KÍCH TỪ ĐỘC LẬP SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB VỚI MẠCH CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA ĐIỀU KHIỂN TOÀN PHẦN Mã số lớp HP: PRED410945_16_2_04 GVHD : Trần Quang Thọ Nhóm thực hiện: MinhVinh Học kỳ 2 Năm học 2016 2017
TP.HCM, tháng 5/ 2017
HỌ TÊN SINH VIÊN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 1. Nguyễn Văn Minh. 16342035 2. Hồ Cát Vinh. 16342072 Điểm:………… Nhận xét của GV: ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... GV ký tên
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài : Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị đơn giản và rẻ tiền hơn các thiết bị điều khiển của động cơ ba pha. Vì một số ưu điểm như vậy cho nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp. Mục tiêu của đề tài: Trang bị những kiến thức cơ bản về động cơ điện một chiều kích từ độc lập, cũng như vai trò của mạch chỉnh lưu toàn kỳ trong việc điều khiển tốc độ động cơ. Hiểu được mô hình làm việc của một số mô hình Demo trong Matlab về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách thức làm việc của động cơ một chiều kích từ độc lập. Phương pháp thực hiện đề tài: Chủ động, tích cực (tìm hiểu và xây dựng mô hình mô phỏng động cơ, tham khảo tài liệu,…) Làm việc theo nhóm (thuyết trình, tranh luận… theo sự phân công của nhóm trưởng) Liên hệ chặt chẽ với giảng viên (trực tiếp trên lớp hoặc gián tiếp qua email, điện thoại…) Gắn học tập với thực hành mọi lúc, mọi nơi. 5
PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều chia thành 2 phần chính: Phần tĩnh ( Stato) Gồm các bộ phận chính sau: Cực từ chính: là bộphận sinh ra từ trường, gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ. + Lõi sắt cực từ làm bằng thép kĩ thuật điện dày ( 0,5 –1) mm ép lại và tán chặt. + Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện. Trong các máy công suất nhỏ, cực từ chính là một nam châm vĩnh cửu. Trong các máy công suất trung bình và lớn, cực từ chính là nam châm điện. Cực từ phụ: đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện điều kiện làm việc của máy điện và đổi chiều + Lõi thép cực từphụcó thểlà một khối hoặc có thể được ghép bởi các lá thép tùy theo chế độlàm việc. Xung quanh cực từ phụ được đặt dây quấn cực từ phụ, dây quấn cực từ phụ được nối với dây quấn phần ứng. Gông từ: dùng đểlàm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏmáy. Phần quay ( roto) Bao gồm các bộphận chính sau: 6
Lõi thép phần ứng: dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kĩ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây lên. Trong máy điện nhỏ, lõi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá roto. Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng đồng có bọc cách điện. Trong máy điện công suất nhỏ, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện tròn. Trong máy điện công suất vừa và lớn, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cơ cấu chổi than: dùng để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. 1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực F đt tác dụng làm cho rôto quay. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi. Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động Eư. Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên sức điện đông Eư còn được gọi là sức phản diện. Phương trình điện áp là 7
1.2 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kính từ độc lập. Hình 1.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Cuộn kích từ được cấp điện từ nguồn một chiều độc lập với nguồn điện cấp cho rôto. 1.2.1 Đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Tùy theo cách kích thích từ, động cơ điện một chiều có những tính năng khác nhau biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc, đặc tính cơ khác nhau. Trong các đặc tính đó, quan trọng nhất là đặc tính cơ. Đặc tính cơ dùng để xác định điểm làm việc xác lập hoặc là khảo sát điểm làm việc ổn định trong hệthống truyền động điện. Đặc tính tốc độ của động cơ điện là mặt phẳng tọa độ giữa ω với momen ω= f(I) Đặc tính cơ của động cơ điện là mặt phẳng tọa độ giữa ω với momen ω= f(M) 1.2.1.1 Đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập * Phương trình đặc tính tốc độ tự nhiên: * Phương trình đặc tính tốc độ nhân tạo: 8
*Khi không tải: Iư = Ic=0 => (Tốc độ không tải lý tưởng) *aTN(tự nhiên)= : Hệ số góc (độ dốc) : độ sụt tốc độ * *Eư = . : sứt điện động Với Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của rôto: : là hệ số kết cấu của động cơ. P: Số đôi cực từ chính. N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng. a: Số mạch nhánh song song của cuộn ứng. ≡ IKTđm ≡ IKT : từ thông kích từ dưới một cực từ 1.2.1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Phương trình đặc tính cơ nhân tạo: Phương trình đặc tính cơ tự nhiên: 9
Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông = const, thì các phương trình đặc tính tốc độ và phương trình đắc tính cơ là tuyến tính. Đồ thị của chúng được biểu diễn trên Hình1.2 và Hình 1.3 là những đường thẳng. Hình 1.2: Đặc tính tốc độ (cơ điện) Hình 1.3: Đặc tính cơ Theo các đồ thị trên, khi I ư=0, M=0 , ta có: Tốc độ ωo được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ . Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ở chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra trường hợp Mc = 0. Khi ω = 0 , ta có Mômen Mnm và Inm gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch. Đó là giá trị mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điện đầy đủ mà tốc độ bằng 0. Trường hợp này xảy ra khi bắt đầu mở máy và khi động cơ đang chạy mà bị dừng lại vì bị kẹt hoặc tải lớn quá kéo không được. Dòng điện I nm này lớn và thường bằng: Inm = (10 ÷20)Iđm Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tượng tồn tại kéo dài. 10
1.2.2 Mở máy động cơ kích từ độc lập * Vấn đề mở máy: Khi mở máy : n=0 => Eư mm = 0 Thường : Thay vào Iư đm = (20 ÷ 25). Iđm Dòng Imm lớn : Mmm lớn => động cơ dễ mở máy. Cháy lớp cách điện của dây quấn. Cháy dây dẫn điện. Biến dạng rãnh stator. * Cách khắc phục: Iư mm = (1,8 ÷ 2,5). Iđm = Cách 1 :Giảm Uư khi mở máy. Cách 2 : Giữ Uư = Uư đm thì thêm Rf vào mạch phần ứng. 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Khi xem xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, ta đã biết quan hệ ω=f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư . Sự thay đổi Σ các thông số này sẽ cho những họ đặc tính cơ khác nhau. Vì vậy, với cùng một mômen tải nào đó, tốc độ động cơ sẽ khác nhau ở các đặc tính cơ khác nhau. Như vậy, động cơ điện một chiều kích từ độc lập có thể được điều chỉnh tốc độ bằng các phương pháp sau đây: 11
1.3.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng điện kích từ của động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ. Rõ ràng phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa là chỉ có thể giảm dòng điện kích từ (Ikt ≤ Iktđm) do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông. Khi giảm từ thông, đặc tính dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn. Họ đặc tính giảm từ thông như hình1.4: Hình 1.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay đổi từ thông kích từ Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông có các đặc điểm sau: Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn. Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông. Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D ≈ 3:1. Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng. Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắt nhau và do đó, với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm. Còn ở vùng tải lớn (M2) tốc độ có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải. Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức. Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích 12
từ với dòng kích từ là (1÷10)% dòng định mức của phần ứng. Tổn hao điều chỉnh thấp. 1.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng Sơ đồ nguyên lý nối dây như Hình1.5. Khi tăng điện trở phần ứng, đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng. Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở mạch phần ứng như Hình1.5 Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng: Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn. Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng thêm điện trở). Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng cho nên tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở càng lớn. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số mômen tải. Tải càng nhỏ (M1) thì dải điều chỉnh càng nhỏ. Nói chung, phương pháp này cho dải điều chỉnh: D ≈ 5:1. Hình 1.5: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay đổi điện trở phần ứng. Về nguyên tắc, phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi điện trở nhưng vì dòng rotor lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn. Thực tế thường sử 13
dụng chuyển đổi theo từng cấp điện trở. 1.3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Sơ đồ nguyên lý được biểu diễn như trên Hình 1.6. Từ thông động cơ được giữ không đổi. Điện áp phần ứng được cấp từ một bộ biến đổi. Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có các họ đặc tính cơ ứng với các tốc độ không tải khác nhau, song song và có cùng độ cứng. Điện áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U
Hình 1.7: Quá trình thay đổi tốc độ khi điều chỉnh điện áp Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện pháp thay đổi điện áp phần ứng có các đặc điểm sau: Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ. Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh. Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh. Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau. Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh. Do vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh. Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể: D ~ 10:1. Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với Uư ≤ Uđm). Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thay đổi trơn điện áp ra. → Đây là phương pháp duy nhất có thể điều chỉnh liên tục tốc độ động cơ trong vùng tốc độ thấp hơn tốc độ định mức đối với động cơ một chiều. ⇒ Qua việc xét ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ta thấy phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là triệt để và có nhiều ưu điểm hơn cả nên ta chọn phương pháp này để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. 15
16
CHƯƠNG 2. TÌM HIỂU MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KÍCH TỪ ĐỘC LẬP TRONG MATLAB 2.1 Lựa chọn mô hình : Speed Control of a DC Motor using BJT HBridge ( Điều khiển tốc độ của động cơ DC sử dụng BJT Chỉnh lưu cầu H ) Đường dẫn vào mô hình Demo: MATLAB =>Help => Demos=> SimPowerSystems=> Demos => Power Electronics Models => Speed Control of a DC Motor using BJT HBridge 17
2.2 Tìm hiểu cách thức hoạt động của mô hình 2.2.1 Thiết bị trong mô hình 18
Q1: Thực hiện một linh kiện IGBT song song với một loạt mạch dập RC ( ngăn chặn hậu quả của việc tắt dòng đột ngột ). Ở trạng thái mở, IGBT có điện trở nội ( Ron ) và cuộn cảm ( Lon). Đối với hầu hết các ứng dụng, cuộn cảm phải được đặt ở mức bằng không. Ở trạng thái đóng, IGBT có trở kháng vô hạn. D1: Thực hiện một linh kiện Diode song song với một loạt mạch dập RC ( ngăn chặn hậu quả của việc tắt dòng đột ngột ). Ở trạng thái mở, Diode có điện trở nội ( Ron ) và cuộn cảm ( Lon). Đối với hầu hết các ứng dụng, cuộn cảm nội nên được đặt bằng không. Trở kháng Diode là vô hạn ở chế độ trạng thái đóng. 19
Thực hiện một máy điện một chiều (từ trường quay hoặc nam châm vĩnh cửu).Đối với DC từ trường quay, đường dẫn được cấp đến vùng kết nối vì thế máy điện được xem như kích từ độc lập , đấu song song hoặc nối tiếp máy điện một chiều. Bus Khối này chấp nhận bus như là đầu vào có thể được tạo ra từ người dùng và lựa chọn bus hoặc xác định đầu ra của nó bằng cách sử dụng đối tượng bus. Bên trái bus thể hiện các tín hiệu đầu vào. Sử dụng các nút Select để chọn tín hiệu đầu ra. Bên phải bus thể hiện các lựa chọn. Sử dụng nút nhấn Up, Down, hoặc Remove để sắp xếp lại các lựa chọn. Kiểm tra ' Đầu ra như bus ' để xuất tín hiệu đơn. 20