xây dựng mô hình máy điện dị bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq. Mô phỏng bằng phần mềm matlab - simulink

Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ
Trong những năm gần đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã đưa
lại những ứng dụng lớn lao vào trong q trình cơng nghiệp hóa hiện đại hố
của mỡi 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 đợng hố trong sản x́t 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 chúng em đã thực hiện một đề tài nhỏ là :
“xây dựng mô hình máy điện dị bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq. Mô
phỏng bằng phần mềm matlab - simulink ”.
Trong một thời gian tương đối ngắn do vậy đồ án 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 bản đồ án này
hoàn thiện hơn !

Page 1


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ
MỤC LỤC
Lời mở đầu
Chương I:Giới thiệu chung về động cơ
KĐB……………………………

1.1Cấu tạo của động cỏ KĐB……………………………………………
1 Stator……………………………………………………………………
2. Rotor……………………………………………………………………
1.2 Đặc tính cơ của ĐC KĐB……………………………………………
1.3 Khởi động động cơ không đồng bộ……………………………………

Chương II: Xây dựng mô hình động cơ………………………
2.1 Máy điện không đồng bộ nguồn kép ………………………………….

2.2 phương trình của động cởKĐB………………………..…………
Chương III : mô hình hóa bàng Simulink………………………
3.1 Mô hình động cơ…………………………………………….
3.2 Kết quả mô phỏng…………………………………………………
Tài liệu tham khảo………………………………………………
Để biết chi tiết hơn về file mơ phỏng matlab.vui lịng để lại tin nhắn

Page 2


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ
Chương I: Giới thiệu về động cơ không đồng bộ

1.1 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ

Page 3


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ
1. Stator.

Hình 1.1 : Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ
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.
b. Dây quấn Stator.
Thường làm bằng dây đồng có
bọc cách điện đặt trong các rãnh
của lõi thép.

Page 4


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ

(a)
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.
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
Page 5


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ
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.

Hình 1.3: Cấu tạo của động cơ không đồng bợ ba pha rơto dây q́n
1.2 Đặc tính cơ của động cơ KĐB
Đặc tính cơ của đông cơ điện chính là quan hệ n=f(M2) 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)

Page 6


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ

Hình 1.4 Quan hệ M=f(s)
Từ hình 1.4 ta xét chế độ động cơ nghĩa là s=0÷1 hình 1.5a.
Nếu thay s=(n-n)/n1 ta sẽ có quan hệ n =f(M2) chính là đặc tính cơ
của động cơ không đồng bộ (hình 1.5b). Từ hình1.5a, ta có

Hình 1.5 Đặc tính động cơ không đồng bộ
a.Quan hệ momen theo hệ số trượt
b.Đặc tính cơ của động cơ
 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:
Page 7


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ

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 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 1.6

Hình 1.6 Khởi động động cơ KĐB Rotor dây quấn
Page 8


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ

a.Sơ đồ mạch lực b.Đặc tính mô men
Lúc khởi động n=0, s=1 muốn mô men khởi đọng Mk = Mmax thì Sth=1hay

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.

Page 9


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ

Chư ơngII:
Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ ba pha ng̀n kép
2.1Máy điện khơng đờng bợ ng̀n kép ( cịn gọi là máy điện dị bộ
Rotor dây quấn )
Đã một thời nhờ có khả cung cấp điện đồng thời cho cả hai phía Stator và
Rotor ,máy điện dị bộ Rotor dây quấn được sử dụng nhiều trong các ứng
dụng truyền động có điều khiển tốc độ trong phạm vi hẹp. Hiện tại, do
các loại máy điện dị bộ rotor lồng sóc và máy điện đòng bộ chiếm ưu thế
tuyệt đố trong các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ , máy điện dị bộ
rotor dây quấn đã bị đẩy lùi ra khỏi các ứng dụng truyền động . Tuy
nhiên , máy điện dị bộ rotor dây quấn ngày càng được sử dụng nhiều
trong các hệ thống máy phát điện chạy sức gió nhờ có ưu thế: Thiết bị
điều khiển sử dụng van bán dẫn công suất lớn (điện tử công suất ) được
đặt ở phía rotor (hinh 1)và vì vậy chỉ cần được thiết kế với công suất cỡ
xấp xỉ =1/3 công suất máy phát , giá thành của hệ thống hạ xuống rất
nhiều .

Page 10


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ

TRAFO

PS

u

N

NI
3~

u

u

N

GI

DC

3~

3~

I

R

I

N

I

IE
S

CONTROL ELEKTRONIC

w

Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng động cơ không
đồng bộ Rôtor dây quấn .
2.2Phương trình của máy điện dị bộ nguồn kép
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.
Page 11


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ
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
2.21 Các phương trình cơ bản.
Máy điện dị bộ nguồn kép được mô tả bởi các trên hệ tọa độ tựa theo
hướng của vector điện áp lưới Un như sau:

u s  R si s 

u r R ri


r

d

d

t

d

r

d

s

 j s

 j r

(2.1)

s

(2.2)

r

t

Việc lựa chọn vector điện áp lưới UN làm hướng tựa xuất phát từ hai nguyên
nhân chính như sau:
 Hệ thống máy phát trước khi phát điện nên cần phẩi được hòa đồng bộ
với lưới tức là với UN.
 Sau khi hòa đồng bộ, Stator của máy phát được nối với lưới và vì vậy ta
có phương trình như sau: u n

u s 

d

d

s



un

 j s

s

(1.3)

t

Nghĩa là, vector điện áp lưới và vector từ thông Stator của máy phát luôn
vuông góc vối nhau, rất thuận lợi cho việc mô hình hóa. Mặt khác, thiết bị
điều khiển được đặt ở phía Rotor và ta có cơ hội để sử dụng dòng Rotor làm

Page 12


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ
biến ĐK trạng thái của đối tượng Máy điện dị bộ Rotor dây quấn. Vì vậy, ta
sẽ tìm cách thông qua phương trình từ thông :



s

i sL  i rl m
s

(2.4)



r

i sL  i rl r

(2.5)

m

Khử dòng Stator i, và từ thông Rotor  r , giữ lại dòng Rotor ir và
từ thông Stator  r , đồng thời viết lại dưới dạng phương trình thành phần

di

rd

1  1 1 



  T r T s



dt


1 
 i rd   ri rq 



 1
 
T s

/ 
1
1 
   
u rd 
u
sd
sq 
 L m sd
  Lr
/

(2.6)

di

1  1 1 


  T r T s

  ri rd 

rq

dt


1 
 i rq 



 1
 
T s

/ 
1
1 
   
u rq 
u
sd

sq 
 L m sq
  Lr
/

(2.7)

d
dt

/

d
dt

/

sd

1



T

sq

s

1



T

s

i

rd

i


rq



1

T

sd

s

1

T

/



s

/
sd

  s

  s

/
sq

/
sq





1

L

m

1

L

m

u

sd

u

sq

(2.8)

(2.9)

Để hoàn thiện mô hình ta bổ sung thêm phương trình mômen (đặc
trưng cho công suất hữu công) và phương trình hệ số công Cosφ (đặc
trưng cho công suất hữu công ) và phương trình hệ số công công suất
Cosφ (đặc trưng cho công suất vô công) của máy phát:

m

M



3
L m

2 z p Ls

cos  i sd 

i

s

i
i

2
sd

i

sq rd

sd
2

 i sq



3
 1    L r
2 zp

/

i

sq rd

(2.10)
(2.11)

Page 13


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ
Qua hai côg thức (1.10) và (1.11) ta có thể thấy rõ : có thể sử dụng
hai thành phần ird, irq của vector dòng ir làm đại lượng Điều Khiển công
suất hữu công và vô công của máy phát một cách rất lợi hại. Hệ phương
trình (1.7) ,(1.10) được sử dụng chủ yếu làm mô hình đối tượng để thiết
kế hệ thống ĐK của máy phát .
Cũng có thể dễ dàng thu được mô hình trên hệ tọa độ cố định với
stator (hệ αβ) :) :

 1
dis
L
L
1
1
1 

is  m ir     1    is  m ir   
us 

u r
dt
 Ts
 LsTr

Ls   Lr

dis
dt



 1
L
L
1
1
1 
is  m ir      1    is  m ir  
us 
ur 
 Ts
 LsTr

Ls   Ls



dir
L

Lm
1
1L
1
 m is 
ir    m is  ir   
us 
ur
dt  LrTs
 Tr
  Ls

L
L

L
s r
r

dir 


L
Lm
1
1L
1
 m is 
ir     m is  ir  
us 

ur 
dt  LrTs
 Tr
  Ls

L
L

L
s r
r


(2.12)
Chuyển hệ tọa đợ trên sang miền ảnh Laplace (s: tốn tử Laplace)
ta có:

 Ts
is 
1  s Ts

 Lm

Lm  1
Lm

i

1



i

i

u

u
 s

r

r 
s
r 

Ls   Ls
 Ls Lr 
  LsTr

 Ts
is 
1  s Ts


L
Lm

1
 Lm


ir     1    is  m ir  
u s 
ur  


Ls   Ls
 Ls Lr
 LsTr


 Tr
ir 
1  s Tr


L
L

1
 Lm

is   ir   m is  
ur  m us 


Lr   Lr
 Ls Lr
 LrTs


Page 14


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ
 Tr
ir  
1  s Tr



Lm 
Lm

1
 Lm

i

i

i

u

u

s
r 
r
s 

 r

Lr   Lr
 Ls Lr
 LrTs




(2.13)
Mô hình đầy đủ trên hệ tọa độ αβ) : sẽ bao gồm cả các phương trình
sau:

 Lm is  Lr ir

 ra
 Phương trình từ thông :  L i  L i
r
m s
r r


3
2

 Phương trình mômen : mM  z p

(2.14)

Lm

( r is   r  is )
Lr

 Phương trình chuyển động : mM mT 

J d
z p dt

(2.15)

(2.16)

Page 15


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ

Chương III: Mô hình hóa bằng Matlab-Simulink
3.1 Xây dựng mô hình .
Từ phương trình 2.13, 2.14,2.15,2.16 ta xây dựng được mô hình động cơ không
đồng bộ như sau:

Hình 3.1 mô hình máy điện trên hệ tọa độ αβ) :
Bổ sung thêm các nguồn nuôi cấp điện cho Stator, phía rôtor đặt điện áp bằng 0.
Ta có mô hình như sau

Page 16


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ

Hình 3.2 mô hinh mô phỏng quá trình khởi động động cơ KĐB Rotor dây quấn
ngắn mạch Rôtor.
System1 :mô hình động cơ : Như hình 3.1
System : chuyển đổi từ xoay chiều sang αβ) :

Page 17


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ
System2: mô hình quy đổi rôto về starto:

3.2 Kết quả mô phỏng như sau:
a. Tốc độ

Page 18


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ

b. Mô men

Page 19


Đồ án môn học: Tổng hợp hệ điện cơ
c. Ira

Tài liệu tham khảo
1.Matlab & Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động

Tiến sĩ :NGUYỄN PHÙNG QUANG
Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 2006
2Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha.
Tiến sĩ : NGUYỄN PHÙNG QUANG
Nhà xuất bản giáo dục.1996
3.Điều chỉnh tự động truyền động điện.
BÙI QUỐC KHÁNH -NGUYỄN VĂN LIỄN
PHẠM QUỐC HẢI- DƯƠNG VĂN NGHI
Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 2006

Page 20