Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Lê Văn Tứ

Nội dung text: Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Lê Văn Tứ

1. ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BỘ MÔN : ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN Giảng viên hướng dẫn : TS.Nguyễn Thanh Sơn Họ và tên : Lê Văn Tứ MSSV : 20174318 HÀ NỘI 08/2021
2. I. NỘI DUNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM Sinh viên làm thí nghiệm điều khiển các máy điện sau: - Khảo sát đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. - Khảo sát đặc tính cơ của động cơ KĐB ba 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. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP. Tốc độ của động cơ điện một chiều có thể được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Để tạo ra nguồn một chiều có thể thay đổi được có 2 phương án. - Phương án 1: Thiết kế các bộ băm khi chỉ có nguồn một chiều. - Phương án 2: Thiết kế các bộ nguồn chỉnh lưu nếu có nguồn xoay chiều. a. Cơ sở lý thuyết • Động cơ một chiều kích từ độc lập: 1
3. Động cơ một chiều kích từ độc lập. Phương trình đặc tính cơ: di VtRiLKt( ) =++ a  ( ) (1) aaaa dt dt ( ) TTbtJ−−=  ( ) (2) L dt Biến đổi Laplace của phương trình (1) có dạng như sau: VsRaa( aa) IssL=++ a IsKs( ) ( ) ( ) (3) VsKsa ( ) −  ( ) Isa ( ) = (4) RsLaa+ Biến đổi Laplace của phương trình (2) có dạng như sau: TsTsbsJss( )−−=L ( ) ( ) ( ) (5) TsTs( ) − ( )  (s) = L (6) bJs+ 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: VR  =−aaM KK2 Nếu động cơ không mang tải MN= m0.( ) Va ==0 K V K = a  0 2
4. • Bộ băm xung: Bộ băm xung sử dụng trong bài gồm khóa 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 Nguyên lý điều biến độ rộng xung(PWM) 3
5. • Mô phỏng trên Matlab: DC motor DC motor PWM 4
6. • Đồ thị: 250 200 150 Va(V) 100 50 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Thoi gian (giay) Tỷ số chu kỳ D = 30% 250 200 150 Va(V) 100 50 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Thoi gian (giay) Tỷ số chu kỳ D = 50% 5
7. 250 200 150 Va(V) 100 50 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Thoi gian (giay) Tỷ số chu kỳ D = 70% • Bảng so sánh tỷ số chu kì: D(%) 30 50 70 Tốc độ 401 884 1366 (vòng/phút) b. Thực nghiệm: Thiết bị thí nghiệm: - Động cơ một chiều kích từ độc lập. - Bộ MOSFET POWER. - Bộ tạo momen tải. - Khối nguồn. 6
8. Đặc tính cơ (quan hệ giữa mô men và tốc độ) U=220V Đặc tính cơ tự nhiên ( U= 220V) 800 600 400 M 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 200 n 540 516 491 464 438 412 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Đặc tính nhân tạo bằng thay đổi điện áp ( U= 110V) U=110V 800 700 M 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 600 500 400 n 1002 978 955 930 909 885 300 200 100 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Đặc tính nhân tạo bằng thay đổi điện áp pp PWM đầu vào( U=220V, D=30%) U=220V, D=30% 800 M 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 600 400 n 306 276 254 227 196 170 200 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 7
9. Đặc tính nhân tạo bằng thay đổi điện áp pp PWM đầu vào( U=220V, D=50%) U=220V, D=50% M 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 800 700 600 n 519 493 465 437 409 385 500 400 300 200 100 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Đặc tính nhân tạo bằng thay đổi điện áp pp PWM đầu vào( U=220V, D=70%) U=220V, D=70% M 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 800 700 n 743 716 686 659 643 606 600 500 400 300 200 100 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Nhận xét : Đặc tính cơ thu được từ thục nghiệm có độ sai số tương đối khiến đồ thị không phải là một đường thẳng. Khi giảm điện áp đặt vào phần ứng của động cơ, ta thu được một họ các đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên (có cùng một độ cứng). Thay đổi điện áp phần ứng được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ và mở máy động cơ. 8
10. III. Động cơ KĐB ba pha. a. Cơ sở lý thuyết • Cấu tạo động cơ KĐB 3 pha. Mạch điện tương đương của động cơ ở chế độ xác lập Hệ số trượt: nn− s = 1 n1 Tốc độ đồng bộ (tốc độ từ trường quay): 60 f n = 1 p Tốc độ của roto theo tốc độ đồng bộ: n=− n1 (1 s) 9
11. A. Cấp nguồn trực tiếp: • Mô phỏng trên Matlab: Mô hình mô phỏng SIMULINK • Đồ thị Dien ap 300 Dong dien 200 100 0 -100 Dien ap/Dong dien ap/Dong Dien -200 -300 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Thoi gian (giay) Đồ thị điện áp và dòng điện 10
12. 1600 1400 1200 1000 800 600 400 Toc doToc (vong/phut) 200 0 -200 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Thoi gian (giay) Đồ thị tốc độ theo thời gian 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) Đồ thị momen điện từ theo thời gian B. Cấp nguồn qua bộ nghịch lưu 11
13. • Mô phỏng trên Matlab: Mô hình mô phỏng SIMULINK • Đồ thị: 600 Dien ap Dong dien 400 200 0 -200 Dien ap/Dong dien ap/Dong Dien -400 -600 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Thoi gian (giay) Đồ thị dòng điện theo thời gian 12
14. 1600 1400 1200 1000 800 600 400 Toc doToc (vong/phut) 200 0 -200 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Thoi gian (giay) Đồ thị tốc độ động cơ theo thời gian 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) Đồ thị momen điện từ 13
15. 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) n f= M ( ) M 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 n 1467 1450 1430 1410 1390 1368 1340 1312 1283 M 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 2.7 n 1256 1219 1171 1114 1034 889 308 • 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 KĐB ba pha thực nghiệm 14
16. 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 KBĐ ba pha bằng bộ nghịch lưu 3 pha 380/220V, dựa trên các tín hiệu điều biến khác nhau, tần số 50Hz. • Tín hiệu điện áp và dòng điện: 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) 180o 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) P1 15
17. 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: Đặc tính cơ thực tế của động cơ khá giống với đặc tính cơ trên lý thuyết. Đối với các sóng điều biến khác nhau cho bộ nghịch lưu ba pha. Độ méo hài tổng của điện áp, dòng điện thu được càng về sau càng nhỏ, dòng điện càng gần Sin hơn. Chứng tỏ được hiệu quả của bộ nghịch lưu đối với các tín hiệu điều khiển về sau càng cải thiện rõ rệt. 16