Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Ngô Minh Đức

Nội dung text: Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Ngô Minh Đức

1. ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN : ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN/MÁY ĐIỆN Giảng viên hướng dẫn : TS.Nguyễn Thanh Sơn Họ và tên : Ngô Minh Đức MSSV : 20181116 HÀ NỘI 2021
2. 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 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. Hình 1: Hệ thống thí nghiệm điều khiển máy điện. Thiết bị thí nghiệm: 1
3. Hình 3: Động cơ một chiều kích Hình 4: Bộ MOSFET POWER. từ độc lập. . Hình 5: Bộ tạo momen tải. Hình 6: Khối nguồn. Hình 7: Hình ảnh khi đã kết nối các thiết bị. II. THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2
4. 1. Cơ sở lý thuyết: Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp • Sơ đồ: • Phương trình đặc tính cơ: • Đồ thị đặc tính cơ: • Khi thay đổi điện áp phần ứng: 3
5. (a) 300 (a) Load Voltage 200 Voltage Voltage (V) 100 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 Time (sec) (b) Load Current 15 10 Current (A) Current 5 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 Time (sec) (b) 300 (a) Load Voltage 200 Voltage Voltage (V) 100 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 Time (sec) (b) Load Current 20 10 Current (A) Current 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 Time (sec) 4
6. (c) Hình 1: Mạch băm nối tiếp tải R-L-E: (a) Mạch động lực, (b) Điện áp và dòng điện tải khi tỷ số chu kỳ là 0,5 và (b) Điện áp và dòng điện tải khi tỷ số chu kỳ 0,8. 2. 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 3. Điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Động 1 chiều kích từ độc lập. di VtR( iLKt) =++ a  ( ) aa aa dt dt ( ) TTbtJ−−=  ( ) L dt Biến đổi Laplace của phương trình (1) có dạng như sau: Vaa( sR aa) =++ a I ssL( I) sKs ( )  ( ) Va ( s) − K ( s) Isa ( ) = Raa+ sL Biến đổi Laplace của phương trình (2) có dạng như sau: T( s) − TL ( s) − b( s) = Js( s) T( s) − T( s)  (s) = L b+ Js 5
7. 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: VR  =−aaM KK2 Nếu động cơ không mang tải M N= m0.( ) V ==a K 0 V K = a 0 - Số liệu thí nghiệm Ukt=220 (V) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ 1044 1012 999 987 974 961 (rmp) Ukt=110 (V) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ 502 484 468 453 438 424 (rmp) Đường đặc tính: 6
8. Hình 2: Đồ thị đường đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo Nhận xét: - Theo lý thuyết đường đặc tính cơ tự nhiên sẽ có dạng đường thẳng ở đây do một số sai số trong quá trình lấy điểm chưa được tạo thành 1 đường thẳng tuy nhiên cũng đã gần thẳng tương đồng với lý thuyết. - Khi thay đổi điện áp ta thu được đường đặc tính mới song song với đường đặc tính cơ tự nhiên. - Kết quả thu được đúng theo lý thuyết. 4. Điều khiển động cơ một bằng bộ băm xung nối tiếp Mô phỏng mạch băm xung nối tiếp Một bộ băm xung nối tiếp có 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) như hình.1. 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 7
9. Điện áp trung bình Ua được tính theo tỷ số chu kỳ và điện áp nguồn E như sau: Ua = E × Duty Cycle Hình 3: Nguyên lý điều biến độ rộng xung(PWM). Công suất: 푃 = 0.75 (푊); tốc độ định mức: 푛 = 2000 (푣ò푛 / ℎú푡); Điện trở phần ứng: 푅a = 7.55 2 (훺); Điện cảm phần ứng: 퐿a = 0.1114 ( ); Mô men quán tính: 퐽 = 0.01287 ( . ); Hằng số momen điện từ: 퐾 = 0.8704 ( . / Sơ đồ động cơ một chiều kích từ độc lập 8
10. 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% 9
11. 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 = 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 BA PHA 1. Cơ sở lý thuyết: Mạch điện tương đương của động cơ ở chế độ xác lập 2. Mục dích thí nghiệm 10
12. - 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 3. Thực 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 1:Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ KĐB ba pha thực nghiệm 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 2:Sóng 1800 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:Sóng P1 12
14. 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) Hình 4:Sóng P2 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 fHz= 50( ) thì tốc độ đồng bộ có giá trị như sau: 60.50 n ==1500 (vòng/phút) 1 2 13
15. Ví dụ tốc độ của trục động cơ (tốc độ roto) n =1420 (vòng/phút) ta có hệ số trượt như sau: 15001420− s ==0,0533 1500 Tốc độ của roto theo tốc độ đồng bộ: n n=− s 1 (1 ) Cấp nguồn trực tiếp Hình 5: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 6:Dòng điện và điện áp điều khiển 14
16. 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 7: 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 8:Momen điện từ của động cơ Cấp nguồn qua bộ nghịch lưu 15
17. Hình 9:Sơ đồ cấp nguồn qua chỉnh lưu của động cơ không đồng bộ 3 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 10:Điện áp và dòng điện điều khiển 16
18. 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 11:Tốc độ của động cơ khi qua bộ băm xung 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 12:Momen điện từ của động cơ qua bộ băm xung Nhận xét: -Đồ thì P1 và P2 gần có dạng hình sin -Dạng đồ thị của Momen và tốc độ sau một thời gian quá độ sẽ đạt giá trị xác định, tương đồng với lý thuyết. 17
19. -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 18