Nghiên cứu phân tích mạch từ trong động cơ điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ
----------*----------

BÁO CÁO
MÔN HỌC: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT
Đề tài: Nghiên cứu phân tích mạch từ trong động cơ điện

Sinh viên thực hiện:

Lê Thanh Hải
Vũ Minh Thành
Nguyễn Tiến Cường
Phạm Văn Quyền

Giảng viên hướng dẫn:

Hà Nội, 5/2012

TS Phạm Thành Công


MỤC LỤC
Lời mở đầu

3

CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VÀ GIỚI THIỆU CHUNG

4

1.1 Lý thuyết về máy phát điện và nguồn điện trên máy bay

4

* Brush Type

6

* Brushless Type

7

1.2.Giới thiệu về Simplorer :

9

CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG SIMPLORER - THIẾT KẾMÔ PHỎNG MẠCH
ĐỘNG CƠ
2.1 Three-Phase Rectifier with Resistive/Inductive Load

11

2.2. Hysteresis Current-Controlled DC-Motor Start-Up

14

2.2.1 Controller Modelling Using Block Elements

14

2.2.2. Controller Modeling Using State Graph Components

17

2.3. Current and Speed Controlled DC Motor

20

Tài liệu tham khảo

23

2


LỜI MỞ ĐẦU
Máy bay là một trong những phát minh vĩ đại của loài người nhằm thỏa mãn khát
khao từ xa xưa của mình : chinh phục bầu trời. Cùng với sự phát triển vượt bậc của
khoa học công nghệ, loài người đã có những bước nhảy vọt trong việc chế tạo và
sản xuất máy bay. Và trong đề tài của mình, nhóm em xin nghiên cứu về một phần
nhỏ nhưng không thể thiếu của máy bay, đề tài về sử dụng phần mềm Maxwell và
Simplorer mô phỏng hệ thống động cơ và máy phát điện.
Mục tiêu đặt ra:
Tìm hiểu sơ lược về phần mềm Maxwell và Simplorer
Tìm hiểu lý thuyết chung về bài toán mô phỏng
Ứng dụng phần mềm Maxwell và Simplorer vào việc mô phỏng bài toán
Được sự giúp đỡ tận tình của thầy Phạm Thành Công, chúng em đã hoàn thành sơ
bộ đồ án này.
Do thời gian làm đồ án có hạn, nên không thể tránh khỏi các thiết sót và hạn chế,

chúng em mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn để
hoàn thiện hơn đồ án này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn.

3


CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VÀ GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Lý thuyết về máy phát điện và nguồn điện trên máy bay
- Các thiết bị trên máy bay sử dụng các nguồn điện AC và DC có hiệu điện thế
khác nhau. Tuy nhiên, chủ yếu các hệ thống này sử dụng :
Nguồn 115V - AC 400Hz
Nguồn 28V - DC
- Đối với các loại máy bay hiện đại ngày nay, nguồn điện cung cấp cho hệ thống là
nguồn ba pha 120-/208-V 400Hz
- Cấu tạo chung của các máy phát điện bao gồm:
+ Stator - đưa nguồn AC ra (ac output)
+ Từ trường của máy phát (rotor): từ trường xoay, với các cực được cố định
+ Tốc độ quay của từ trường rpm xác định tần số của nguồn điện
( rpm:revolutions per minute-vòng trên phút)
- Kiểm soát độ lớn của từ trường sẽ điều chỉnh độ lớn của nguồn điện
- Các loại máy phát điện gồm 2 loại chính được sử dụng hiện nay: máy phát điện sử
dụng chổi quét (Brush Type) và máy phát điện không sử dụng chổi quét (Brushless
Type)
- Nguyên lý chung :
Dòng điện sinh ra có tần số được tính bởi công thức :
f=pN/60
f: tần số suất điện động cảm ứng (Hz)
p: số cặp cực
N: tốc độ quay của rotor (vòng/phút)

4


- Máy phát điện xoay chiều 3 pha:
3 cuộn cảm được đặt lệch nhau 120 độ

- một số hình ảnh, cũng như cơ cấu hoạt động của 2 loại máy phát Brush Type và
Brushless Type:

5


1) Brush Type :

1 - Trục quay rotor
2 - Cuộn từ trường kích
3 - Phần ứng kích
4 - Bộ đảo mạch phần kích
5 - Chổi quét và vành khuyên
6 - Từ trường quay (rotor)
7 - Stator-phần ứng

6


2) Brushless Type:

7

- Cấu tạo : bao gồm 2 phần chính: exciter generator ( gồm 2 phần chính là
Permanent magnet generator (PMG) và bộ diode chỉnh lưu) và máy phát điện
chính.
+ Exciter: stator là phần từ trường, và rotor là phần ứng (armature). Dòng
AC do exciter tạo ra, được chạy qua bộ diode chỉnh lưu thành dòng DC và cấp cho
máy phát chính.
+ Máy phát chính : dòng DC đã nói ở trên, cấp vào cuộn dây tạo ra từ trường
xoay. Phần ứng là stator, lấy ra dòng điện.

8


- Chủ yếu máy phát điện trên máy bay ngày nay được sử dụng là loại brushless
Type, nguồn xoay chiều ba pha 400Hz. Nhưng bên cạnh đó, trên máy bay vẫn có
nhiều thiết bị sử dụng nguồn điện 1 chiều. Do đó, cần hệ thống chỉnh lưu và ổn áp
để điều khiển dòng điện. Và đề tài của nhóm là sử dụng Simplorer để mô phỏng
một số mạch chỉnh lưu nguồn 3 pha đơn giản.

1.2.Giới thiệu về Simplorer :

Là một phần tự động hóa thiết kế điện tử (EDA) sản phẩm của gia đình Ansoft,
Simplorer được sử dụng cho việc thiết kế cơ điện tử và các hệ thống đa tên miền,
trong đó thường được áp dụng trong xe hơi, hàng không / công nghiệp quốc phòng
và ngành công nghiệp tự động hóa. Việc giới thiệu một phiên bản mới mạnh mẽ,
thế hệ kế tiếp với giao diện tốt cho người dùng, nâng cao khả năng mô hình hóa,
bao gồm cả đường liên kết tới phần mềm Ansoft, tăng cường tích hợp với bên thứ
ba phần mềm mô phỏng, và cải tiến hiệu suất máy tính.

Phần mềm Simplorer làm giảm thời gian trong kỹ thuật và việc lặp lại các nguyên

mẫu khi cải thiện hiệu suất thiết kế thiết bị điện, cơ điện tử, điện-điện tử và hệ
thống điện cơ, chẳng hạn như truyền động điện và khóa giảm tốc trong xe ô tô,
người máy được sử dụng trong công nghiệp tự động hóa, và thiết bị năng lượng
điện tử dùng để kiểm soát và chuyển đổi năng lượng điện. Công nghệ Simplorer
cho phép các kỹ sư có thể mô phỏng,mô hình, phân tích và tối ưu hóa các hệ thống
phức tạp. Sử dụng phần mềm này có tính năng mô hình hóa và công nghệ tấm đỡ
tốt, kỹ sư có thể xây dựng nguyên mẫu tất cả các khía cạnh của một hệ thống bao
gồm cả điện tử, bộ cảm biến / cơ cấu truyền động, các động cơ điện, máy phát điện,
bộ biến đổi năng lượng, phần mềm gắn đóng và điều khiển. Điều này cho phép các
kỹ sư có thể khảo sát tính năng và hiệu suất của hệ thống và nhận biết thiết kế tổng
thể. Kết quả là có sự giảm mạnh về thời gian và chi phí trong quá trình phát triển,
gia tăng độ tin cậy và tối ưu hiệu suất của hệ thống.

Lợi thế duy nhất của phần mềm Simplorer là khả năng tích hợp nhiều mô hình công
nghệ tiên tiến. Có rất nhiều thành phần trong hệ thống phi tuyến tính năng động,
không thể là mô hình mẫu với những yêu cầu chính xác khi sử dụng mô hình hóa
9


kỹ thuật hoặc ngôn ngữ mô hình . Để xác định đại diện vật lý của các thành phần
trong hệ thống quan trọng như bộ cảm biến cơ cấu truyền động và máy móc, yếu tố
phân tích hữu hạn phải được làm việc. Phần mềm Simplorer cung cấp một liên kết
trực tiếp với ngành công nghiệp hàng đầu của Ansoft Maxwell ®, Q3D Extractor
®, RMxprt ™ và phần mềm ™ PExprt. Những liên kết này sẽ được mở rộng tới
Multiphysics ® ™ của ANSYS trong một tương lai không xa. Kỹ thuật khớp
truyền động và mô hình kỹ thuật giảm tốc của Simplorer cung cấp cho người dùng
những tính năng để chuyển đổi một cách chi tiết đầy đủ và chính xác các mô hình
vật lý cơ bản được sản xuất bởi các yếu tố hữu hạn của gói phần mềm hệ thống mô
phỏng cao cấp.

Liên kết Simplorer và Maxwell:
Ví dụ về liên kết sự mô phỏng giữa Simplorer và Maxwell về động cơ (Motordrive), sử dụng Transient-Transient link
- Transient-transient link cho phép trao đổi dữ liệu giữa simplorer và Maxwell
trong quá trình mô phỏng:
Maxwell 2D vad 3D đều có thể dc sử dụng
Simplorer và Maxwell cùng chạy đồng thời
Simplorer là chủ, Maxwell là giúp đỡ

Ở 1 thời điểm xác định, thông số về dòng qua cuộn dây (winding currents) và góc
quay của rotor (Rotor angle) được chuyển từ Simplorer qua Maxwell, và các thông
số về Back EMF và Torque (lực kéo) được chuyển từ Maxwell sang Simplorer.

10


2.1. Three-Phase Rectifier with Resistive/Inductive Load
(Chỉnh lưu ba pha với tải điện trở-/cuộn cảm)

Gồm một nguồn cấp ba pha và một cầu chỉnh lưu với tải điện trở-cuộn cảm. Tín
hiệu đầu vào là nguồn điện áp biến thiên theo thời gian. Diode, tụ điện, điện trở là
các phần tử lý tưởng, diode được xác định bởi một hàm mũ (exponential function)

Số liệu đầu vào: “phải chế bản lại vì để thế này mờ lắm”

11


Hình dưới đây thể hiện một mẫu mô phỏng với các giá trị của các phần tử đã cho:
Nguồn ba pha, cầu chỉnh lưu diode tĩnh và các đặc tính của chúng, tụ điện phẳng và
tải điện trở-cuộn cảm:

R_A

ET1
0

10mOhm

PHASE=0deg

L_A

D1

D2

D3

R_LOAD

0.3mH
1.2ohm
1mF

R_B

ET2
0

10mOhm

PHASE=120deg

R_C

ET3
0

10mOhm

L_B
CD

0.3mH

L_LOAD

9.5mH

L_C

0.3mH

PHASE=240deg

D4

D5

D6

Đồ thị điện áp của nguồn ba pha: ET1.V - ET2.V - ET3.V
XY Plot 1

375.00

Chinhluu1

ANSOFT

Curve Info
TR1
TR1

250.00

TR1

ET1.V
ET2.V
ET3.V

Y1 [V]

125.00

0.00

-125.00

-250.00

-375.00
0.00

20.00

40.00

Time [ms]

60.00

80.00

100.00

12


Đồ thị điện áp của tụ điện: CD.V
XY Plot 2

1000.00

Chinhluu1

ANSOFT

Curve Info

TR1

CD.V

800.00

CD.V [V]

600.00

400.00

200.00

0.00
0.00

20.00

40.00

Time [ms]

60.00

80.00

100.00

Đồ thị dòng điện chạy qua điện trở tải: R_LOAD.I

XY Plot 3

450.00

Chinhluu1

ANSOFT

Curve Info
TR1

400.00

R_LOAD.I

R_LOAD.I [A]

300.00

200.00

100.00

0.00
0.00

20.00

40.00

Time [ms]

60.00

80.00

100.00

13


2.2. Hysteresis Current-Controlled DC-Motor Start-Up
(Động cơ một chiều điều khiển bởi dòng trễ)

Tương tự như phần một, mạch trong phần này được điều chỉnh ít, không đáng kể,
tải điện trở-cuộn cảm được thay thế thành một mô hình máy thực (động cơ một
chiều vĩnh cửu). So với phần một, mạch này được mở rộng với hai thành phần trễ:
Chopper transistor, và freewheeling diode. Các phần khác của mạch: nguồn ba
pha, cầu chỉnh lưu được giữ không đổi

2.2.1 Controller Modelling Using Block Elements
(Điều khiển sử dụng thành phần khối)

Hình dưới đây thể hiện một mẫu mô phỏng với các giá trị đáp ứng của phần tử.
Nguồn ba pha, cầu chỉnh lưu với diode tĩnh và các đặc tính của chúng, tụ điện
phẳng và mẫu máy phát một chiều Chopper transistor và freewheeling diode.
T R1

D1

D2

D3

ET 1
R_A

L_A

-207.39V
0deg

10mOhm

0.3mH

ET 2

R_B

L_B

D7
0

1mF

FML_INIT

0

-114.13V
120deg

10mOhm

0.3mH

R_C

L_C

10mOhm

0.3mH

EQU0=LOAD:=0

DCM
LOAD

M

ICA:
CD

IA

ET 3

INPUT =DCM.IA

0
240deg

D4

D5

D6

FML_INIT2
TRANS1

ON

ICA:

OFF

TRANS2

14


Số liệu của các phần tử:

15


Đồ thị dòng qua máy phát một chiều: DCM.IA

Current

DongCo1

ANSOFT

Curve Info

35.00

TR1

DCM.IA

30.00

25.00

DCM.IA [A]

20.00

15.00

10.00

5.00

-0.00
0.00

25.00

50.00

75.00

100.00
Time [ms]

125.00

150.00

175.00

200.00

Tốc độ quay của máy phát một chiều: DCM.N
Speed

6000.00

DongCo1

ANSOFT

Curve Info
TR1

DCM.N

5000.00

DCM.N [rpm]

4000.00

3000.00

2000.00

1000.00

0.00
0.00

25.00

50.00

75.00

100.00
Time [ms]

125.00

150.00

175.00

200.00

16


2.2.2. Controller Modeling Using State Graph Components
(Mô hình điều khiển sử dụng bộ đồ thị trạng thái)
Sơ đồ mạch:

T R1

D1

D2

D3

ET 1
R_A

L_A

-7.1065e-013V
0deg

10mOhm

0.3mH

ET 2

R_B

D7
0

1mF

L_B

FML_INIT

-282.32V
120deg

10mOhm

0.3mH

R_C

L_C

10mOhm

0.3mH

EQU0=LOAD:=0

LOAD

M

ICA:
CD
0

DCM

IA

ET 3

INPUT =DCM.IA

0
240deg

D4

D5

D6

FML_INIT 2
TRANS1

ON

ICA:

OFF

TRANS2

17


Số liệu các phần tử:

18


* State Graph Controller:

Đồ thị dòng qua máy phát một chiều: DCM.IA
Current

25.00

DongCo1

ANSOFT

Curve Info
TR1

DCM.IA

20.00

DCM.IA [A]

15.00

10.00

5.00

0.00
0.00

25.00

50.00

75.00

100.00
Time [ms]

125.00

150.00

175.00

200.00

Đồ thị tốc độ quay của máy phát một chiều: DCM.N
Speed

6000.00

DongCo1

ANSOFT

Curve Info
TR1

DCM.N

5000.00

DCM.N [rpm]

4000.00

3000.00

2000.00

1000.00

0.00
0.00

25.00

50.00

75.00

100.00
Time [ms]

125.00

150.00

175.00

200.00

19


2.3. Current and Speed Controlled DC Motor
(máy phát một chiều điều khiển bởi dòng điện và tốc độ quay)

TR

D1

D2

D3

ET1
R_A

L_A

10mOhm

0.3mH

R_B

L_B

10mOhm

0.3mH

R_C

L_C

10mOhm

0.3mH

DCM

0
0V

0deg
ET2

LOAD
tY

M

1mF

0

0A
0V
120deg

D7

CD

LOAD.VAL

ET3

0
240deg

D4

D5

D6

CONTR_OUT

P_GAIN
N
GAIN

sum1

I_GAIN
N_REF
CONST

LIMITER
sum2

GAIN

I

sum3
LIMIT
THRES1=-2.5
THRES2=2.5
VAL1=0
VAL2=1
Y0=1

20


Số liệu các phần tử:

21


Đồ thị: LOAD.VAL - DCM.IA - DCM.N
XY Plot 2

1200.00

Simplorer1

TR1
TR1

1000.00

TR1

8.00

LOAD.VAL
DCM.IA

25.00

DCM.N

20.00

800.00

15.00

DCM.IA [A]

6.00
600.00

LOAD.VAL

DCM.N [rpm]

ANSOFT

30.00

Curve Info

10.00

4.00
10.00

400.00

200.00

0.00

2.00

5.00

0.00

0.00
0.00

20.00

40.00

Time [ms]

60.00

80.00

100.00

Kết luận?

22


TÀI LIỆU THAM KHẢO

Aircraft Electrical and Electronic Systems - Principles, operation and maintenance Mike Tooley and David Wyatt, Published by Elsevier Ltd -– 2009
www.ansys.com

23