Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Bạch Minh Quang

Nội dung text: Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Bạch Minh Quang

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN -ĐIỆN TỬ ===o0o=== BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN Giảng viên hướng dẫn : TS. NGUYỄN THANH SƠN Sinh viên thực hiện: BẠCH MINH QUANG MSSV: 20181251 Lớp: EE1 - 01 Hà Nội. tháng 8 năm 2021
2. I. NỘI DUNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM Sinh viên làm thí nghiệm điều khiển các máy điện sau: - Động cơ điện một chiều - Động cơ không đồng bộ 1 pha Sinh viên làm quen với các bộ biến đổi sau: - Bộ băm xung nối tiếp - Bộ chỉnh lưu cầu một pha - Bộ chỉnh lưu áp một pha Sinh viên sử dụng phương pháp xây dựng mô hình cho đối tượng và thiết kế bộ điều khiển: - Mô hình ở dạng liên tục (mô hình gắn với biến đổi Laplace) và xét ổn định. - Mô hình ở dạng rời rạc (mô hình gắn với biến đổi z) và xét ổn định. - Xây dựng bộ điều khiển PI cho các hệ điều khiển số. II. NỘI DUNG THÍ NGHIỆM Nội dung thí nghiệm bao gồm thí nghiệm ảo (sử dụng simulink) trên lớp và thí nghiệm thật trong phòng thí nghiệm. Các kiến thức được yêu cầu: - Máy điện quay: máy điện một chiều, máy điện không đồng bộ, máy điện đồng bộ. - Điện tử công suất: băm áp, chỉnh lưu, nghịch lưu. - Kỹ thuật vi điều khiển và lập trình nhúng. - Lý thuyết điều khiển tương tự và điều khiển số. - MATLAB: Xử lý số liệu đo lường, nhận dạng đối tượng điều khiển và thiết kế bộ điều khiển.
3. III. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHÒNG THÍ NGHIỆM Các thiết bị phòng thí nghiệm bao gồm máy điện một chiều, máy điện không đồng bộ và máy điện đồng bộ được trang bị theo hệ thống thí nghiệm kỹ thuật điện của hãng LabVolt. Bên cạnh đó, các thiết bị này có thể được điều khiển bởi các bộ biến đổi công suất được cấu hình dựa trên các khóa chuyển mạch riêng biệt bao gồm MOSFET hay IGBT. Để phát triển được các thuật toán điều khiển động cơ, các hệ thống này cần phải trang bị thêm các bộ điều khiển số trên nền vi điều khiển để điều khiển các bộ biến đổi. Hình.1 là hệ thống thí nghiệm điều khiển máy điện bao gồm tủ động lực và bộ điều khiển kết hợp với máy tính lập trình (trên bàn). Động cơ một chiều được điều khiển bằng phương pháp băm xung hay chỉnh lưu. Động cơ xoay chiều được điều khiển bởi các bộ nghịch lưu. Cụ thể các phương pháp thiết kế bộ điều khiển cho các động cơ sẽ được trình bày cụ thể trong các phần tiếp theo. Hệ thống thí nghiệm điều khiển máy điện.
4. Bài 1:ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.Cơ sở lý thuyết Động cơ điện một chiều kích từ độc lập • Sơ đồ: • Phương trình đặc tính cơ: • Đồ thị đặc tính cơ:
5. • Khi thay đổi điện áp phần ứng: • Mạch băm nối tiếp tải R-L-E: 1.1.Động cơ một chiều kích từ độc lập Động cơ một chiều kích từ độc lập
6. Phương trình đặc tính cơ di V( t) = R i + La + K ( t) a a a a dt (1) dt ( ) T− T − b ( t) = J L dt (2) Biến đổi Laplace của phương trình (1) có dạng như sau: VsRIssLIsKsaaaaa( ) =++ ( ) ( )  ( ) (3) VsKs( ) −  ( ) Is= a a ( ) (4) RsLaa+ Biến đổi Laplace của phương trình (2) có dạng như sau: T( s) − TL ( s) − b( s) = Js( s) (5) TsTs( ) − ( )  (s) = L bJs+ (6) Phương trình (4) và (5) yêu cầu các thông số sau: Ra , La , K , J và b . Phương trình đặc tính cơ tự nhiên động cơ một chiều kích từ độc lập: VRaa  =−2 M KK Nếu động cơ không mang tải MN= m0.( ) Va ==0 K V K = a  0
7. 1.2.Phương pháp điều chế độ rộng xung Bộ chuyển mạch mắc nối tiếp với tải. Khi đó điện áp đặt lên tải là điện áp trung bình trong một chu kỳ băm được điều khiển theo nguyên lý điều biến độ rộng xung (Pulse Width Modulation/PWM). Khi đó tỷ số chu kỳ (Duty Cycle) được định nghĩa theo chu kỳ (Period) và độ rộng xung (Pulse Width) như sau: Pulse Width × 100 Duty Cycle = Period Điện áp trung bình Ua được tính theo tỷ số chu kỳ và điện áp nguồn E như sau: Ua = E × Duty Cycle
8. 2.Mô phỏng • Số liệu mô phỏng Ta có các thông số: - Công suất: P = 0.75 (kW) - Tốc độ định mức: n = 2000 (vòng/phút) - Điện trở phần ứng Ra = 7.55 (Ω) - Điện cảm phần ứng La = 0.1114 - Hằng số momen điện từ: K = 0.8706 (N.m/A) - Momen quán tính của roto: J = 0.01287 (kg. ) - Hằng số momen cản dịu: b = 0.00001 • DC motor • DC motor PWM
9. • Đồ thị với tỉ số chu kì D = 30% • Đồ thị với tỉ số chu kì D = 50%
10. • Đồ thị với tỉ số chu kì D = 80% • Bảng so sánh tỷ số chu kì D(%) 30 50 80 95 Tốc độ 401 884 1607 1969 (vòng/phút) • Số liệu đo tại buổi thí nghiệm D=30 (Duty cycle %) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ 290 263 236 212 182 x (rmp) D=50 (Duty cycle %) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ 517 489 463 433 409 380 (rmp) D=70 (Duty cycle %) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ 740 711 684 653 624 596 (rmp)
11. 3.Thực nghiệm • Động cơ một chiều kích từ độc lập • Bộ MOSFET POWER
12. • Bộ tạo momen tải • Bộ nguồn • Kết nối các thiết bị
13. 4. Chương trình Mathlab • Dc motor parameter clc; clear; %% Thong so cua dong co mot chieu kich tu doc lap: Ra = 7.55; % Dien tro phan ung La = 0.1114; % Dien cam phan ung K = 0.8706; % Hang so mo men dien tu J = 0.01287; % Mo men quan tinh cua ro to b = 0.00001; % Hang so mo men can diu TL = 3.4; % Mo men tai • Plot clc; t = Va.time; V = Va.signals.values(:,1); plot(t, V,'k-','linewidth',1.5); hold on; grid; xlabel('Thoi gian (giay)'); ylabel('Va(V)'); axis([0 0.005 min(V) 1.2*max(V)]); 5. Chương trình tạo tín hiệu PWM điều khiển động cơ DC (Arduino Uno R3) const int dauvao0 = A0; // Đầu vào lấy từ biến trở bên ngoài để điều chỉnh duty cycle const int dauvao1 = A1; // Đầu vào cảm biến tốc độ động cơ const int daura = 5; // Đầu ra PWM ở chân 5
14. int giatri0; // Giá trị đọc vào từ chân A0 int giatri1; // Giá trị đọc vào từ chân A1 int giatrira; // Gia trị PWM (0-255) float duty; // Tỷ số chu kỳ (0-100) void setup() { Serial.begin(9600); // Cấu hình truyền thông nối tiếp 9600 bps: } void loop() { giatri0 = analogRead(dauvao0); // Đọc giá trị từ chân AO giatrira = map(giatri0, 0, 1023, 0, 255); // Ánh xạ giá trị đo trong dải 0-1023 sang dải 0-255: analogWrite(daura, giatrira); // Thay đổi PWM tại đầu ra: duty = giatrira*100/255; // Tính toán tỷ số chu kỳ (duty cycle) giatri1 = analogRead(dauvao1); // Đo tốc độ động cơ tại chân A1 giatri1 = 2.45*giatri1;// Tính tốc độ động cơ thật: Serial.print(duty);// In kết quả lên màn hình theo truyền thông nối tiếp: Serial.print("\t "); Serial.println(giatri1); delayMicroseconds(10000);// Lệnh trễ 10ms } 14
15. • Số liệu thí nghiệm ( N = 7) Ukt=220 (V) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ 1044 1012 999 987 974 961 (rpm) Ukt=110 (V) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ 502 484 468 453 438 424 (rpm) IV. Khảo sát đặc tính cơ và đặc tính dòng điện, điện áp của động cơ KĐB ba pha bằng bộ nghịch lưu ba pha dưới các tín hiệu điều biến khác nhau. 1. Cơ sở lý thuyết • Cấu tạo động cơ KĐB 3 pha 15
16. • Mạch điện tương đương động cơ ở chế độ xác lập R1, L1: Thông số của Stato về điện trở và điện cảm R2, L2: Thông số của Roto quy đổi về Stato Rm, Lm: Đặc trưng cho các thông số của mạch từ • Thông số của động cơ - Tốc độ đồng bộ (tốc độ từ trường quay): N1 = 60f/p - Nếu động có số đôi cực p = 2, tần số của nguồn cấp f = 50 (Hz) thì tốc độ đồng bộ có giá trị N1 = 60.50/2 = 1500 (vòng/phút) - Tốc độ của roto theo tốc độ đồng bộ N = N1(1 – s) = ( 60f/v).(1 – s) Với s là hệ số trượt của động cơ • Phương trình đặc tính cơ Các đại lượng 16
17. Có: 푛 = 1훿 + ’2 훿 Ta có phương trình đặc tính cơ: • Đồ thị đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha Hình Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha Hình Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi suy giảm điện áp stator, momen tới hạn suy giảm từ 16.49(N.m) đến 11.04(N.m) và 7.66(N.m) 17
18. • Sử dụng bộ nghịch lưu cầu 3 pha cân bằng để khảo sát đặc tính cơ • Mô phỏng trên Matlab (cấp nguồn trực tiếp) • Đồ thị 1600 Dien ap 300 Dong dien 1400 200 1200 1000 100 800 0 600 -100 400 Toc doToc (vong/phut) Dien ap/Dong dien ap/Dong Dien -200 200 -300 0 -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Thoi gian (giay) Thoi gian (giay) 18
19. 50 40 30 20 10 Momen tu dien (N.m) 0 -10 -20 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Thoi gian (giay) • Mô phỏng trên Matlab ( Cấp nguồn qua bộ nghịch lưu 19
20. • Đồ thị 600 1600 Dien ap Dong dien 1400 400 1200 200 1000 0 800 600 -200 Dien ap/Dong dien ap/Dong Dien 400 Toc doToc (vong/phut) -400 200 0 -600 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 -200 Thoi gian (giay) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Thoi gian (giay) 50 40 30 20 10 Momen tu dien (N.m) 0 -10 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Thoi gian (giay) b. Thực nghiệm Khảo sát đặc tính cơ tự nhiên của động cơ KBĐ ba pha bằng bộ nghịch lưu 3 pha Điện áp stato :Uđm=380/220V • Đặc tính cơ (quan hệ giữa mô men và tốc độ) nfM= ( ) M 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 n 1465 1454 1434 1414 1393 1373 1349 1324 1293 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 2.7 1256 1219 1171 1114 1034 889 308 20
21. • Đồ thị 1600 1400 1200 1000 800 n(vong/phut) 600 400 200 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 M(N.m) Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ ba pha thực nghiệm Nhận xét: Đặc tính cơ thực tế của động cơ phù hợp với đặc tính cơ trên lý thuyết Khảo sát đặc tính dòng điện, điện áp của động cơ không đồng bộ ba pha bằng bộ nghịch lưu 3 pha 380/220V, dựa trên các tín hiệu điều biến khác nhau, tần số 50Hz. 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) 180o 21
22. 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) P1 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) P2 Nhận xét: Đối với các sóng điều biến khác nhau cho bộ nghịch lưu ba pha. Độ nhiễu hài tổng của điện áp, dòng điện thu được càng về sau càng bé, dòng điện càng tiến đến gần Sin hơn. Từ đó suy ra được hiệu quả của bộ nghịch lưu đối với các tín hiệu điều khiển về sau càng cải thiện rõ rệt. 22