Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Lưu Văn Nam

Nội dung text: Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Lưu Văn Nam

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN : ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN/MÁY ĐIỆN Họ và tên : Lưu Văn Nam MSSV : 20181229 Giảng viên hướng dẫn : TS.Nguyễn Thanh Sơn HÀ NỘI,08/2021
2. MỤC LỤC I. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHÒNG THÍ NGHIỆM 2 II. THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3 2.1. Mục đích thí nghiệm 3 2.2. Cơ sở lý thuyết 3 2.3. Kết quả thí nghiệm 5 2.3.1. Đặc tính cơ (quan hệ giữa momen và tốc độ) 5 2.3.2. Đặc tính điện áp của động cơ một chiều kích từ độc lập 6 III. THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 9 3.1. Mục đích thí nghiệm 9 3.2. Cơ sở lý thuyết 10 3.3. Kết quả thí nghiệm 10 1
3. I. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHÒNG THÍ NGHIỆM Các thiết bị phòng thí nghiệm bao gồm máy điện một chiều, máy điện không đồng bộvà 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. Hình 1.1: Hệ thống thí nghiệm điều khiển máy điện 2
4. II. THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1. Mục đích thí nghiệm - Khảo sát đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo của động cơ một chiều - Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều sử dụng bộ biến đổi xung áp 2.2. Cơ sở lý thuyết • Cấu tạo Hình 2.1: Sơ đồ động cơ một chiều kích từ độc lập • Phương trình đặc tính cơ: 푈 푅 +푅 휔 = − × 퐾 퐾2 • Đồ thị đặc tính cơ: Hình 2.2: Đồ thị đặc tính cơ 3
5. • Khi thay đổi điện áp phần ứng: Hình 2.3: Đồ thị đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng • 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: 푃 푙푠푒 푊𝑖 푡ℎ 푡 푙푒 = 푃푒 𝑖표 Điện áp trung bình 푈훼 được tính theo tỉsốchu kì và điện áp nguồn E như sau: 푈훼 = 푡 푙푒 × 4
6. Hình 2.4: Nguyên lý điều biến độ rộng xung (PWM) 2.3. Kết quả thí nghiệm 2.3.1. Đặc tính cơ (quan hệ giữa momen và tốc độ) n= f( M ) Đặc tính cơ tự nhiên M 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 n 1044 1012 999 987 974 961 Đặc tính nhân tạo bằng thay đổi điện áp 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 502 484 468 453 438 424 Hình 2.5: Đặc tính cơ tự nhiên, nhân tạo của động cơ 1 chiều Nhận xét: - 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). 5
7. - Thay đổi điện áp phần ứng được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ và mở máy động cơ. ➢ Như vậy kết quả thu được giống với lý thuyết. 2.3.2. Đặc tính điện áp của động cơ một chiều kích từ độc lập Hình 2.6: Động 1 chiều kích từ độc lập di V( t) = R i + La + K ( t) (1) a a a a dt dt ( ) T− T − b ( t) = J (2) L dt Biến đổi Laplace của phương trình (1) có dạng như sau: Va( s) = R a I a( s) + sL a I a ( s) + K ( s) (3) Va ( s) − K ( s) Isa ( ) = (4) Raa+ sL Biến đổi Laplace của phương trình (2) có dạng như sau: T( s) − TL ( s) − b( s) = Js( s) (5) T( s) − T( s)  (s) = L (6) b+ Js Phương trình (4) và (5) yêu cầu các thông số sau: Ra , La , K , J and b . Phương trình đặc tính cơ tự nhiên động cơ một chiều kích từ độc lập: 6
8. VR  =−aaM KK2 Nếu động cơ không mang tải M= 0.( N m) V ==a K 0 V K = a 0 Hình 2.7: Sơ đồ cấp nguồn trực tiếp cho động cơ 7
9. Hình 2.8: Sơ đồ cấp nguồn qua bộ băm xung cho động cơ 250 200 150 Va(V) 100 50 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Thoi gian (giay) Hình 2.9: Dạng xung PWM với 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) 8
10. Hình 2.10: Dạng xung PWM với tỷ số chu kỳ D = 50% 250 200 150 Va(V) 100 50 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Thoi gian (giay) Hình 2.11: Dạng xung PWM với tỷ số chu kỳ D = 80% D(%) 30 50 80 95 Tốc độ 401 884 1607 1969 (vòng/phút) Nhận xét : - Thay đổi độ rộng xung dẫn đến sự thay đổi điện áp ra - Thực nghiệm đúng theo lý thuyết III. THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 3.1. Mục đích thí nghiệm - Khảo sát đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo của động cơ xoay chiều - Điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều sử dụng bộ biến đổi xung áp 9
11. 3.2. Cơ sở lý thuyết Hình 3.1: Mạch điện tương đương của động cơ ở chế độ xác lập 3.3. Kết quả thí nghiệm 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 1465 1457 1445 1427 1412 1393 1368 1338 1309 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 2.54 1275 1228 1173 1110 1028 889 289 1600 1400 1200 1000 800 n(vong/phut) 600 400 200 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 M(N.m) Hình 3.2: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ KĐB ba pha thực nghiệm 10
12. 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) Hình 3.3: Sóng 180o 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) Hình 3.4: Sóng P1 11
13. 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) Hình 3.5: Sóng P2 Hình 3.6: 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 Nếu động có số đôi cực p = 2 , tần số của nguồn cấp f= 50( Hz) thì tốc độ đồng bộ có giá trị như sau: 60.50 n ==1500 (vòng/phút) 1 2 12
14. Ví dụ tốc độ của trục động cơ (tốc độ roto) n =1420 (vòng/phút) ta có hệ số trượt như sau: 1500− 1420 s ==0,0533 1500 Tốc độ của roto theo tốc độ đồng bộ: n=− n1 (1 s) Cấp nguồn trực tiếp Hình 3.7: Sơ đồ cấp nguồn trực tiếp cho động cơ không đồng bộ 3 pha 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) Hình 3.8: Dòng điện và điện áp điều khiển 13
15. 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) Hình 3.9: Tốc độ của động cơ 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) Hình 3.10: Momen điện từ của động cơ Cấp nguồn qua bộ nghịch lưu 14
16. Hình 3.11: Sơ đồ cấp nguồn qua chỉnh lưu của động cơ không đồng bộ3 pha 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) Hình 3.12: Điện áp và dòng điện điều khiển 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) Hình 3.13: Tốc độ của động cơ khi qua bộ băm xung 15
17. 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) Hình 3.14: Momen điện từ của động cơ qua bộ băm xung Nhận xét: - Đồ thì P1 và P2 gần có dạng hình sin - Dạng đồ thịcủa Momen và tốc độ sau một thời gian quá độ sẽ đạt giá trị xác định, tương đồng với lý thuyết. - Hệ số THD đánh giá chất lượng điện áp điều khiển của động cơ dưới 5% cho chất lượng tốt.Vì khi THD càng lớn sẽ cho động cơ có hiện tượng rung ồn ảnh hưởng bởi các sóng bậc cao ,giảm tuổi thọ của con động cơ 16