Xây dựng mô hình máy điện dị bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ tựa từ thông dq mô phỏng bằng phần mềm matlab

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ
ĐỀ 10
Tên đề tài : Xây dựng mô hình máy điện dị bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ tựa
từ thông dq.Mô phỏng bằng phần mềm Matlab
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Khôi

Lớp: DTD53-DH2

MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
2. Mục đích của đề tài
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4. Phương pháp nghiên cứu khoa học
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR
LỒNG SÓC
1.1 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ
1.2 Đặc tính của động cơ không đồng bộ
1.3 Khởi động động cơ không đồng bộ
CHƯƠNG 2 : XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
ROTOR LỒNG SÓC
2.1 Phương trình của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc
CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH HÓA BẰNG MATLAB & SIMULINK
3.1 Xây dựng mô hình
3.2 Kết quả mô phỏng
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Hải Phòng, Ngày 12 Tháng 4 Năm 2016
Giáo viên hướng dẫn

Sinh viên thực hiện

Phạm Tâm Thành

Nguyễn Hồng Khôi

1


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã đưa
lại những ứng dụng lớn lao vào trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hoá của
mỗi đất nước. Bên cạnh những thành tựu về mặt thực tiễn thì những lý thuyết về
điều khiển cũng lần lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng các
nguyên lý điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động trong công nghiệp. Là một
nước đang trong quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệp hiện đại với nhiệm
vụ hiện nay là thực hiện thành công quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá, đất
nước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng mạnh mẽ các thành
tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại năng suất lao động
cao hơn, cạnh tranh được với các nước trong khu vực và thế giới. .Tự động hoá
trong sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ mới nhằm nâng cao
năng xuất, hạ giá thành sản phẩm không những là yêu cầu bắt buộc mà hơn nữa
còn được xem như một chiến lược đối với các nhà máy, xí nghiệp cũng như toàn
bộ nền sản xuất công nghiệp của mỗi quốc gia.
Từ yêu cầu thực tiễn đó thì em đã thực hiện một bài tập lớn môn học môn
tổng hợp hệ điện cơ với đề tài là: “Xây dựng mô hình máy điện dị bộ rotor lồng
sóc trên hệ tọa độ tựa từ thông dq. Mô phỏng bằng phần mềm matlab simulink”.
Trong một thời gian ngắn do vậy bài tập lớn này chắc chắn không khỏi
những thiếu sót, với sự nỗ lực của bản thân , em rất mong nhận được ý kiến
đóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để bài tập lớn này hoàn

thiện hơn !
Em xin chân thành cảm ơn!

2


Chương 1:
GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR
LỒNG SÓC
Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý
cảm ứng điện từ, có tốc độ của rotor n khác với tốc độ của từ trường quay trong
máy n1. Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: Động cơ và máy
phát.
Máy phát điện không đồng bộ ít dùng vì có đặc tính làm việc không tốt,
nên ta chỉ xét đến trường hợp động cơ không đồng bộ. Động cơ không đồng bộ
được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì chế tạo đơn giản, giá thành rẻ,
độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao và gần như không bảo trì. Dãy
công suất của nó rất rộng từ vài watt đến hang nghìn kilowatt. Hầu hết là động
cơ ba pha, có một số động cơ công suất nhỏ là một pha.
Các số liệu định mức của động cơ không đồng bộ ba pha là:
Công suất cơ có ích trên trục :

Pđm(kW)

Điện áp dây stator :

Uđm(V)

Dòng điện stator :

Iđm(A)

Tốc độ quay rotor :

nđm(vòng/phút)

Hệ số công suất :

cos ϕ đm

Hiệu suất :

η đm

Tần số :

fđm(Hz)

Nếu gọi P1đm là công suất tác dụng động cơ không đồng bộ ba pha nhận từ
lưới điện khi làm việc với tải định mức, ta có :

1.3 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ

3


Cấu tạo của máy điện không đồng bộ gồm hai phần chủ yếu là stator và
rotor, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy. Trục máy làm bằng thép,
trên đó gắn roto, ổ bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc
trục.

1.1.1 Stator :

Hình 1.1: Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ
Trong đó:
1. Lõi thép Stator
2. Dây quấn Stator
3. Nắp máy Stator
4. Ổ bi
5. Trục máy
6. Hộp dầu
7. Lõi thép Rôto
8. Thân máy
9. Quạt gió
10. Hộp quạt
a) Lõi thép stator:
Lõi thép stator làm bằng các lá thép kĩ thuật, được dập rãnh bên trong rồi
ghép lại vói nhau thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ
máy.
4


Hình 1.2: Lõi thép stator
b) Dây quấn Stator.
Thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện đặt trong các rãnh của lõi
thép.

Hình 1.3: Dây quấn stator

5

Hình 1.2.Kết cấu stator máy điện KĐB
a, Lá thép stator; b, Lõi thép stator
c, Dây quấn stator
c) Vỏ máy :
Gồm thân máy và lắp máy thưòng làm bằng gang.
1.1.2 Rotor :
Rotor bao gồm lõi thép, dây quấn, và trục máy.
a) Lõi thép:
Lõi thép là các lá thép kĩ thuật điện được lấy từ phần bên trong của lõi
thép Stator ghép lại. Mặt ngoài dập rãnh để đặt dây quấn mặt giữ đục lỗ để lắp
trục.
b) Dây quấn Rotor:
Cũng giống như dây quấn ba pha Stator và cùng số cực từ như dây quấn
Stator. Dây kiểu này luôn đấu (Y) và có ba đầu ra vào ba vành trượt, gắn vào
trục quay của Rotor và cách điện với trục. ba chổi than cố định và luôn tỳ lên
vành trượt này để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để
khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.

6


Hình 1.4: Cấu tạo của động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn
1.2 Đặc tính của động cơ không đồng bộ
Đặc tính cơ của đông cơ điện chính là quan hệ n = f(M 2) hoặc M2 = f(n).
Mà ta có M=M0+M2, ở đây ta xem M0=0 hoặc chuyển về Momen cản tĩnh Mc.
Vì vậy M2=M=f(n)

Hình 1.5: Quan hệ M=f(s)
Từ hình 1.5 ta xét chế độ động cơ nghĩa là s=0÷1 hình 1.6a. Nếu thay

s=(n-n)/n1 ta sẽ có quan hệ n =f(M 2) chính là đặc tính cơ của động cơ không
đồng bộ (hình 1.6b).

7


Hình 1.6 Đặc tính động cơ không đồng bộ
a.Quan hệ momen theo hệ số trượt
b.Đặc tính cơ của động cơ
Từ hình 1.6a, ta có
- Đoạn 0a (0- Đoạn ab (sth1.3 Khởi động động cơ không đồng bộ
Dòng điện khởi động: Khi khởi động n =0 , s=1nên:

Thường thì : Ik= (4÷7) Idm ứng với Udm
Yêu cầu khi mở máy :
- Mk phải đủ lớn để thích ứng với đặc tính tải .
- Ik càng nhỏ càng tốt để không ảnh hưởng đến các phụ tải khác.
- Thời gian khởi động Tk phải nhỏ để máy có thể làm việc được ngay.
- Thiết bị khởi động rẻ tiền tin cậy và ít tốn năng nượng
Các yêu cầu trên là trái ngược nhau tùy trong trường hợp mà ta sẽ ưu tiên
yêu cầu nào trước.
Khi khởi động động cơ dây quấn rotor được nối vào các điện trở phụ Rpk.
Đầu tiên K1 và K2 mở động cơ được khởi động qua điện trở phụ lớn nhất sau đó

8


đóng K1 rồi K2 giảm dần điện trở phụ về không. Đường đặc tính mômen ứng vớí

các điện trở phụ khởi động Rp1 và Rp2 ở hình 1.7

Hình 1.7: Khởi động động cơ KĐB Rotor dây quấn
a. Sơ đồ mạch lực; b. Đặc tính mô men
Lúc khởi động n=0, s=1 muốn mô men khởi động Mk = Mmax thì Sth=1
hay

từ đó xác định điện trở khởi động ưng với mômen khởi động Mk =Mmax
Khi có Rpk dòng điện khởi động là:

Nhờ có điện trở khởi động Rk dòng điện khởi động giảm xuống, mômen
khởi động tăng lên, đó là ưu điểm của động cơ rôto dây quấn.

9


Chương 2:
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR
LỒNG SÓC
2.1 Phương trình của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc
Trước khi tiến hành xây dưng mô hình chúng ta có một số quy định chung
như sau:
Do ĐCKĐB về phương diện điện động được mô tả bởi một hệ phương
trình, vi phân bậc cao. Vì cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không
gian, vì các mạch từ móc vòng, nên ta phải chấp nhận nhưng điều kiện sau đây
trong khi mô phỏng động cơ:
+Các cuộn dây Stator được phân bố đối xứng về mặt không gian.
+ Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa có thể bỏ qua.
+ Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ.
+ Các giá trị điện trở và điện cảm tạm coi là khồng đổi.

Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua cuộn dây pha u.
Ta cũng có quy ước một số ký hiệu sử dụng trong khi xây dựng:
+ Chỉ số viết nhỏ ở góc phải phía dưới
s : đại lượng của mạch Staor
r : đại lượng của mạch Rotor
+ Đại lượng viết có gạch dưới
Chữ to : Ma trận
Chữ nhỏ : Vector
* Các phương trình cơ bản:
Để xây dựng hệ phương trình mô tả động học của MĐDB, ta có thể xuất phát
từ sơ đồ thay thế một pha dưới đây :

10


Hình 2.1 Sơ đồ thay thế của máy điện dị bộ
Từ sơ đồ thay thế ta có thể dễ dàng viết được các phương trình mô tả MDDB
+ Phương trình điện áp Stator :

u s = R si s +

dψ

d

(2.1)

s

t

+ Phương trình điện áp Rotor :

0 = R ri

+
r

dψ

d

r

− jω rψ

(2.2)

r

t

+ Phương trình từ thông :

ψ

s

= i sL + i rl m

ψ

r

= i sL + i rl r

(2.3)

s

m

Rs : Điện trở stator

us : Vector điện áp stator

Rr : Điện trở rotor

is : Vector dòng stator

Ls : Điện cảm stator

ir : Vector dòng rotor

Lr : Điện cảm rotor

ψ

s

: Vector từ thông stator

Lm : Hỗ cảm giữa 2 cuộn dây

ψ

r

: Vector từ thông rotor

Ts = Ls/ Rs ; Tr = Lr/ Rr ; σ = 1 - L2m / LsLr
ψ r/ = ψ r /Lm = ψ r/α + jψ r/β = ψ r/α / Lm + jψ r/β / Lm

Ta bổ xung thêm phương trình mômen :

mM =

3 Lm
zp
(ψ rα isβ − ψ r β isα )
2 Lr

11

(2.4)


Hệ phương trình mô tả MĐDB đã được xây dựng trên cơ sở chấp nhận các giả
thiết sau :
- Hệ phương trình thu được trên cơ sở hài cơ bản của các đại lượng

dòng, áp và từ thông. Hiện tượng móc vòng từ thông giữa Stator và
Rotor chỉ xảy ra với hài cơ bản. Mômen hài chưa được quan tâm.
- Hệ chưa xét tới hiện tượng bão hòa từ. Tuy nhiên, có thể sử dụng hàm
xấp xỉ để bổ sung đặc tính bão hòa một cách rất dễ dàng.
- Chưa xét tới tổn hao dòng quẩn và tổn hao sắt từ.
- Chưa xét tới hiện tượng dãn dòng ( xuất hiện đối với hài dòng bậc cao,
làm tăng giá trị hiệu dụng của điện trở.
- Stator và Rotor có kết cấu tròn đều đối xứng. Hệ thống Stator có chứa
zp cuộn dây ba pha. Việc đặt điện áp Rotor bằng 0 xuất phát từ kết cấu
ngắn mạch của mạch điện phía Rotor.
- Tham số của mô hình là hằng.(không phụ thuộc nhiệt độ).
- Bỏ qua tổn hao ma sát.
2.1.1 Phương trình trạng thái trên hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor dq:
Khi chiÕu trªn hÖ to¹ ®é tựa theo từ thông rotor th× c¸c ph¬ng tr×nh tõ
th«ng vÉn kh«ng ®æi, chØ cã c¸c ph¬ng tr×nh ®iÖn ¸p thay ®æi nh sau:
- To¹ ®é tõ th«ng r«to quay tèc ®é ωs so víi stato.
- HÖ to¹ ®é chuyÓn ®éng vît tríc so víi r«to mét tèc ®é gãc
ωr = ωs -ω.
Tõ ®ã ta thu ®îc hÖ ph¬ng tr×nh :
__
f
s

u

___
f
r

dψ

=R i +
dt
__
f
s s

____
f
r

dψ
0 =R i +
dt
__
f
r r

____
f
r

__
f
s

____
f
r

__

f
s

____
f
s
r

+ jω ψ
____
f
r
r

+ jω ψ

__
f
r

ψ = i Ls + i Lm
__
f
r

ψ = i Lm + i Lr
T×m c¸ch lo¹i bá ifr vµ ψfs : tõ (2.11) cã

12

(2.5)


__
f
r

1 ____f __f
i = ( r is Lm )
Lr
____
f
s

__
f
s

= i Ls +

____
f
r

(2.6)

__
f
s

Lm
( i Lm )
Lr

Thế trở lại phơng trình thứ 3 và 4 của (2.11) ta đợc phơng trình :

di

=

sd

dt

di

sq

dt

d
dt
d
dt

1 1 1
+

T s T r

= si sd

/
rd

=

1

T

i

sd



r


1
ữữi sd + si sq +



1 1 1
+
T s T r
1

T


r

/
rd


1
ữữi sq +



+ ( s )

1

T r

/
1
+ ữ +
u sd
rd
rq ữ
Ls

1

T r

/
1
ữ +
u sq
rd
rq ữ
Ls

/

/

/
rq

(2.7)

/
rq

=

1

T

r

i


sq

1

T


r

/
rd

+ ( s )

/
rd

Biến đổi tiếp hệ (2.13) với điều kiện chọn trục d trùng với vectơ r , tức là
rq = 0:

(

1
1
1
1
+ p )isd = s isq +

rd +
rq +
u sd
T
LmTr
Lm
Ls

(

1
1
1
+ p )isq = s isd
rd +
u sq
T
Lm
Ls

(1 + Tr p) rd = Lm isd

(2.8)

Lm
isq
Tr
r =
rd
Thay T theo công thức:

1 1 1
=
+
T Ts Tr

Tơng tự nh trên toạ độ ta cũng có phơng trình mômen cho toạ độ dq:

13


3 L
mM = . pc . m rd isq
2 Lr

(2.9)

Từ (2.14) và (2.15) ta vẽ đợc sơ đồ toán học của động cơ trên hệ toạ độ ta
theo từ thông rôto dq:

Hinh 2.2 S ụ may iờn di bụ rotor lụng soc trờn hờ toa ụ dq

14


Chương 3:
MÔ HÌNH HÓA BẰNG MATLAB & SIMULINK
Trước khi tiến hành mô phỏng ta chọn động cơ có những thông số sau:
Công suất định mức

:

Pđm = 2.2 kW

Điện áp định mức

:

Uđm = 380V

Tần số định mức

:

fn = 50Hz

Số đôi cực từ

:

Pc = 2

Tốc độ quay định mức

:

nđm = 1430 ; ω = (rad/s)

Momen quán tính cơ

:

J = 0.015 (kg.m2)

Hỗ cảm giữa roto và stato

:

Lm = 0.1608 (H)

Điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stato :

Lσs = 0.004342 (H)

Điện cảm tiêu tán phía cuộn dây roto :

Lσr = 0.004342 (H)

Điện trở phía stato

:

Rs = 0.877 (Ω)

Điện trở phía roto

:

Rr = 1.47 (Ω)

Điện cảm stato:
Ls = Lm + Lσs = 0.1608 + 0.004342 = 0.165142 (H)
Điện cảm roto :
Lr = Lm + Lσr = 0.1608 + 0.004342 = 0.165142 (H)
Hằng số thời gian stato

:

Ts =

= 0.1883

Hằng số thời gian roto

:

Tr =

= 0.1123

Hệ số tiêu tán tổng

:

=>

264.67

=> Tσ = 0.00377

15

= 0.0519


3.1.1 Mô hình động cơ KĐB Rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq:

S co pe3

S cope

u

u

v

v

w

w

3 pha so ure

a

a

w

d

anpha

u v w ->a b

Scop e1

u_sd

b
b

i_sd
u_sq DCKDB h e d q i_sq
m _c
anpha
Subsyste m

q

a b --> dq

Scope 2

Sco pe4
S tep

Hình 3.1 Mô hình động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq

0 .0 0 1
S w itc h 1

C o n sta n t1

2
3

i_ sd

m _c
m _c

i_ sd

1

1

u _ sd

o *L s
T ra n sfe r F c n

F P _ rd

To

1

T o .s+ 1

T r.s+ 1

T ra n sfe r F c n 1

T ra n sfe r F c n 2

3 *p c*L m ^ 2 m _ M
P ro d u c t

pc

2 *L r

jj.s

T ra n sfe r F c n 3

T ra n sfe r F c n 4

w

1
w

;2
1
;1

Tr

Tr

;

1

1 -o
o

P ro d u c t1

P ro d u c t2
P ro d u c t3

S w itc h

-C P ro d u c t4

C o n sta n t

w
w_r

2
To

u _ sq

1

T o .s+ 1

o *L s
In te g ra to r
anpha
4

1
s

T ra n sfe r F c n 6

T ra n sfe r F c n 5
S w itc h 3

-C C o n sta n t3

-C -

i_ sq
3
i_ sq

w_s

S w itc h 2

C o n sta n t2

Hình 3.1 Mô hình của khối subsystem.

16


1
1

a

d

Product
2
b
Product1

sin

Product3

Trigonometric
Function

2
q
Product2

cos

3
Trigonometric
Function1

anpha

Hình 3.3 Mô hình của khối ab -> dq

1

1

u

a

2
v

2
1/sqrt(3)
Gain1

3

2
Gain

b

w

Hình 3.4 Mô hình của khối uvw -> ab
3.2 Kết quả mô phỏng:
a.

Tốc độ

17


Hình 3.5 Kết quả mô phỏng tốc độ trên matlab
b.

Mô men

Hình 3.6 Kết quả mô phỏng mô men trên matlab
c.

Ira

18


Hình 3.7 Kết quả mô phỏng Ira trên matlab

19


KẾT LUẬN

Qua một thời gian với sự cố gắng của bản thân và sự hướng dẫn tận tình
của các thầy cô, đặc biệt là TS.Phạm Tâm Thành hướng dẫn trực tiếp tới nay em
đã hoàn thành bài tập lớn của mình. Qua nội dung đề tài em được nắm vững hơn
phần lý thuyết đã học trên lớp cũng như thực tế. Tuy nhiên do nội dung công
việc còn khá mới mẻ,tầm hiểu biết còn hạn chế nên bài tập lớn môn học này
không thể tránh khỏi những sai sót. Em mong các thầy chỉ bảo giúp đỡ em để
em hoàn thành tốt hơn nữa nhiệm vụ của mình.
Em xin trân thành cảm ơn!
Hải Phòng, ngày 12 tháng 4 năm 2016
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Hồng Khôi

20


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tiến sĩ :Nguyễn Phùng Quang,Matlab & Simulink dành cho kĩ sư điều khiển
tự động,Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật,Năm 2006
[2] Tiến sĩ : Nguyễn Phùng Quang,Điều khiển tự động truyền động điện xoay
chiều ba pha,Nhà xuất bản giáo dục,Năm 1996
[3] Bùi Quốc Khánh-Nguyễn Văn Liễn-Phạm Quốc Hải-Dương Văn Nghi,Điều
chỉnh tự động truyền động điện,Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật,Năm 2006

21