mô phỏng động cơ đồng bộ 3 pha kích thích độc lập

Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam
Khoa Điện – ĐTTB
Bộ Môn Điện Tự Động Công Nghiệp
Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
Tên đề tài:
Mô Hình Mô Phỏng Máy Điện Đồng Bộ Ba Pha
Kích Thích Độc Lập
Giáo viên hướng dẫn: Phạm Tâm Thành.
Sinh viên thiết kế: Bùi Đức Cường
Ngày 14 tháng 11 năm 2008
Sinh viên:
Bùi Đức Cường
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2
Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
Mục lục
Lời nói đầu.
Chương 1: Mô tả chung
Chương 2: Mô hình hóa
Kết luận.
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2
Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
Lời nói đầu
Ngày nay việc thực hiện tự động hóa trong công nghiệp và trong dân
dụng là một 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 phỏng đông cơ 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.
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2
Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
Chương 1: Mô tả chung
1. Máy điện 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 cosϕ 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.
Cấu tạo của máy điện đồng bộ:
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2

Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
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 việc chắc 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.
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2
Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
Ưu điểm:
Động cơ điện đồng bộ có khả năng làm việc ở chế độ cosϕ = 1, và không
cần lây công suất phản kháng từ lưới điện, nên hệ số công suất của lưới điện
được 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 moomen 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.
3. Động cơ điện đồng bộ kích thích đồng bộ
Thường được ứng dụng trong những trường hợp yêu cầu công suất lớn.
Chương 2: Mô hình hóa
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2
Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
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 toán học 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.
2. Biến đổi hệ tọa độ.
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2
Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
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

0 cba
cb
s
d
cba
s
q
uuuu
uuu
uuuu
++=
−=
−−=
Bước 2: tạo điện áp trên trục dq gắn với rotor
r
s
qr
s
dq
r
s
qr
s
dd
uuu
uuu
θθ
θθ
cos*sin*
sin*cos*

+−=
+=
Trong đó:
0
0
θωθ
+=
∫
dt
t
rr
θ
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
0 cba
rcrbraq
rcrbrad
uuuu
uuuu
uuuu
++=
Π
−+
Π
−+=
Π
−+
Π
−+=
θθθ
θθθ
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 θ
dq, u
0
là đầu ra.
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2

Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
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
sqssq
sq
sd
sdssd
dt
d
iRu
dt
d
iRu
ωϕ
ϕ
ωϕ
ϕ
++=
−+=
- Đối với mạch kích từ:
dt
d
iRu
kt
ktktkt
ϕ

+=
- Đối với mạch khởi động cuộn dây:
dt
d
iRu
dt
d
iRu
Q
QQQ
D
DDD
ϕ
ϕ
+=
+=
- Phương trình mô men:
c
sdsqsqsd
M
dt
d
jM
iipM
+=
−=
ω
ϕϕ
)(
2

3
'
- Phương trình từ thông
iL *=
ϕ
Q
D
kt
sq
sd
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
=

Q
D
kt
sq
sd
i
i
i
i
i
i =
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2

Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
QQq
DDkD
kDktkd
qDsq
dDdksd
LL
LLL
LLL
LL
LLL
L
000
00
00
000
00
=
L
sd
, L
sq
, L
kt
, L
D
, L
Q
là điện cảm theo các trục. L
dD

, L
Dd
, L
dk
, L
kd
, L
qQ
, L
Qq
, L
kD
, L
Dk
là
hỗ cảm giữa các trục.
4. Các thông số
L
sd
hệ số tự cảm stator theo trục d
L
sq
điện cảm stator theo trục q
Rs: trở kháng Stator
ω
: tốc độ động cơ
5. Mô phỏng máy điện.
Các phương trình mô phỏng:
(Trong khi mô phỏng ta đã bỏ qua cuộn ổn định nhằm làm đơn giản mô hình
mà không làm ảnh hưởng nhiều đến tính chính xác của việc mô phỏng )

sd
sq
sqssq
sq
sd
sdssd
dt
d
iRu
dt
d
iRu
ωϕ
ϕ
ωϕ
ϕ
++=
−+=
c
sdsqsqsd
M
dt
d
jM
iipM
+=
−=
ω
ϕϕ
)(

2
3
'
sqsqsq
sdsdsd
iL
iL
*
*
=
=
ϕ
ϕ
Chọn động cơ điện có các thông số sau :
F= 50 Hz
P’ = 1(số đôi cực)
R
s
= 0.032 Ω
X
d
= 1.63 Ω => L
sd
= X
d
/
ω
= 0.0052
X
q

= 1.56 Ω => L
sq
= X
q
/
ω
= 0.00497
Mc = 0.008
ω
b
: là tốc độ đồng bộ.
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2
Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
Mô hình mô phỏng:
Các khối cơ bản:
Khối tạo tín
hiệu không đổi
Khối tạo tín
hiệu 1(t)
Khối tạo tín hiệu sin
Khuếch đại
Tích phân
Cộng
Nhân
mux
Demux
Hiển thị
Chuyển dổi điện áp
Điện áp 3 pha a,b,c:
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2

Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
đặt thông số(ở khối sin ):
ua:
Khối chuyển đổi điện áp:
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2
Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
1/l
sd
1/L
sq
Tốc độ đặt(ở khối step)
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2
Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
Mô men cản Mc:
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2
Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
Kết quả:
Ua,b,c:
Usd, Usq:
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2
Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
M:
Omega:
Kết luận
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2
Thiết Kế Môn Học Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
Qua việc mô phỏng động cơ điện không đồng bộ thấy được đặc tính tốc độ
cũng như mô men của nó tù đó có thể thiết kế được các bộ điều chỉnh phù
hợp.
Đồ án đã giải quyết được các vấn đề sau:

- Khái quát chung về vấn đề động cơ không đồng bộ.
- Mô phỏng động cơ không đồng bộ.
Tài liệu tham khảo:
[1]. Điều chỉnh tự động truyền động điện – Bùi Quốc Khánh,
Nguyễn Văn Liễn,… - Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.
[2]. Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều 3 pha –
Ts. Nguyễn Phùng Quang – Nhà xuất bản giáo dục.
[3]. Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động –
Ts. Nguyễn Phùng Quang – Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.
Bùi Đức Cường _ ĐTĐ – 46 ĐH2