Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Ngô Thanh Sơn

Nội dung text: Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Ngô Thanh Sơn

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN Bộ môn Thiết bị Điện – Điện tử BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN Giáo viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Thanh Sơn Sinh viên thực hiện : Phạm Hoàng Hiệp 20181150 Hà Nội, 8 – 2021 1
2. NỘI DUNG BÀI THÍ NGHIỆM Bài 1: Động cơ điện một chiều Bài 2: Động cơ không đồng bộ ba pha. I. 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 - 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. II. 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. Hệ thống thí nghiệm điều khiển máy điện bao gồm tủ động lực và bộ điều khiển kết hợp với máy tính lập trình. 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. 2
3. Phần 1: Điều khiển động cơ điện một chiều I. Mục đích thí nghiệm Đối với thí nghiệm này, chúng ta sẽ tiến hành hai phần bao gồm: • 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 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. II. Kết quả thí nghiệm 1. Đặc tính động cơ một chiều kích từ độc lập: 1.1. 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: 3
4. • Khi thay đổi điện áp phần ứng: • Mạch băm nối tiếp tải R-L-E: (a) Mạch động lực, 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) Điện áp và dòng điện tải khi tỷ số chu kỳ là 0,5 300 (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) (c) Điện áp và dòng điện tải khi tỷ số chu kỳ 0,8. 4
5. 1.2. Số liệu thí nghiệm: - Lần lượt thay đổi momen theo các giá trị trong khoảng [0;1] với các giá trị điện áp 220V, 110V. Ta thu được các giá trị tốc độ tương ứng theo bảng sau: Ukt=220 (V) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ (rmp) 1065 1030 1016 1004 992 979 Ukt=110 (V) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ (rmp) 533 516 502 488 475 459 - Ta sử dụng phần mềm matlab để vẽ đặc tính cơ với các dòng lệnh sau: clc; clear; T1 = [0:0.2:1]; n1 = [1065 1030 1016 1004 990 979]; plot(T1, n1,'-o','linewidth',2'); axis([0 max(T1) 0 1.25*max(n1)]); xlabel('Load Torque (N.m)'); ylabel('Rotor Speed (rpm)'); grid; hold on; T2 = [0:0.2:1]; n2 = [553 516 502 488 475 459]; plot(T2, n2,'r-o','linewidth',2'); axis([0 max(T2) 0 1.25*max(n1)]); legend('(a) Dac tinh co tu nhien', '(b) Dac tinh co bam ap mot chieu'); Ta thu được đồ thị như sau: 5
6. 1.3. Nhận xét: - Đặc tính cơ nhận tạo song song và có cùng độ cứng với đặc tính cơ tự nhiên - Kết quả thí nghiệm đúng với kết quả lý thuyết 2. Điều khiển động cơ điện một chiều: Động cơ 1 chiều kích từ độc lập. di VtRiLKt( ) =++ a  ( ) (1) aaaa dt dt ( ) TTbtJ−−=  ( ) (2) L dt Biến đổi Laplace của phương trình (1) có dạng như sau: Vsa( ) = RIs a a( ) + sLIs a a ( ) + K( s) (3) VsKs( ) −  ( ) Is( ) = a a RsL+ (4) aa Biến đổi Laplace của phương trình (2) có dạng như sau: T( s) − TL ( s) − b( s) = Js( s) (5) TsTs( ) − L ( )  (s) = (6) bJs+ Phương trình (4) và (5) yêu cầu các thông số sau: Ra , La , K , J and b . 2.1. Điều khiển bằng phương pháp điều biến độ rộng xung (PWM): 2.1.1. Cơ sở lý thuyết: 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). Khi đó tỷ số chu kỳ (Duty Cycle) được định nghĩa theo chu kỳ (Period) và độ rộng xung (Pulse Width) như sau: Điện áp trung bình được tính theo tỷ số chu kỳ và điện áp nguồn như sau: 6
7. Nguyên lý điều biến độ rộng xung(PWM). 2.1.2. Thí nghiệm: 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 Ta có mô hình động lực học của động cơ điện một chiều kích từ độc lập trong Matlab Simulink: Ta có thể thay đổi tỉ số chu kì trong bộ tín hiệu xung vuông. Khi thay đổi tỉ số chu kì, ta có các dạng đồ thị điện áp như sau: 7
8. 250 250 200 200 150 150 Va(V) Va(V) 100 100 50 50 0 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Thoi gian (giay) Thoi gian (giay) Tỷ số chu kỳ D = 30% 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) Tỷ số chu kỳ D = 80% Với mỗi tỉ số chu kì, ta có các tốc độ động cơ tương ứng thể hiện dưới bảng sau: D(%) 30 50 80 95 Tốc độ (vòng/phút) 401 884 1607 1969 Số liệu đo tại buổi thí nghiệm trên lớp: D=30 (Duty cycle %) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ (rmp) 306 276 254 227 196 170 D=50 (Duty cycle %) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ (rmp) 519 493 465 437 406 385 D=70 (Duty cycle %) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ (rmp) 743 716 686 659 634 606 8
9. 2.1.3. Nhận xét: - Bằng việc thay đổi tỷ số chu kì D, ta đã điều khiển được tốc độ của động cơ một chiều. Tốc độ động cơ tăng theo tỉ số chu kì, chính xác với công thức : - Kết quả thí nghiệm đúng với kết quả mô phỏng. Phần 2: Điều khiển động cơ xoay chiều ba pha I. Mục đích thí nghiệm Đối với thí nghiệm này, chúng ta sẽ tiến hành hai phần bao gồm: • 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 băm áp II. Cơ sở lí thuyết 1. Cấu tạo động cơ KĐB 3 pha 2. Mạch điện tương đương của động cơ ở chế độ xác lập Chú thích: 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 9
10. 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 H= z50( ) thì tốc độ đồng bộ có giá trị như sau: 60.50 n ==1500(vòng/phút) 1 2 VD: tốc độ của trục động cơ: 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 ) Phương trình đặc tính cơ III. Kết quả thí nghiệm 1. Đặc tính cơ động cơ xoay chiều ba pha 1.1. Kết quả thí nghiệm Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ là quan hệ giữa Momen và Tốc độ: n= f( M ) (vòng/phút) 10
11. Bằng cách thay đổi các giá trị Momen, ta thu được tốc độ tương ứng như sau: 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 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 2.54 1244 1202 1154 1095 1008 865 315 1.2. Chương trình Matlab vẽ đặc tính cơ Sử dụng phần mềm Matlab để tiến hành vẽ đặc tính cơ. Chương trình sẽ được thực hiện theo lệnh sau: clc; clear; M = [0:0.2:2.8 2.54]; n = [1467 1450 1430 1410 1390 1368 1340 1312 1283 1244 1202 1154 1095 1008 865 315]; plot(M,n,'ko-','linewidth',2); grid; xlabel('M(N.m)'); ylabel('n(vong/phut)'); 1.3. Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ Tiến hành chạy chương trình, ta thu được kết quả như sau: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ KĐB xoay chiều ba pha 11
12. 1.4. Nhận xét Đường đặc tính cơ thực tế tương đối giống với đặc tính cơ trên lý thuyết 2. Khảo sát dạng sóng của hệ chuyển động cơ xoay chiều ba pha Sử dụng 3 dạng sóng để khảo sát truyền động của động cơ xoay chiều 3 pha để tiến hành đo các thông số dòng và áp trên các pha của đọng cơ. Do dòng điện tương đối bé nên ta phải nhân dòng điện với một hệ số đủ lớn để quan sát dễ dàng hơn 2.1. Dạng sóng vuông (180 o) 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) 2.2. Dạng sóng lập trình P1 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) 2.3. Dạng sóng P2 12
13. 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) 2.4. Nhận xét - Dòng điện khi ta sử dụng sóng vuông (180o) nhấp nhô nhiều nhất và chứa nhiều thành phần sóng hài bậc cao nhất - Dòng điện khi ta sử dụng sóng P1 và P2 gần giống hình sin hơn so với sóng vuông - Dòng điện khi ta sử dụng sóng P2 là tối ưu nhất vì có ít sóng hài nhất, bằng phẳng nhất và gần giống hình sin nhất. Điều này sẽ giúp cho động cơ hoạt động ổn định và tránh bị ồn khi làm việc ở chế độ xác lập 3. Điều khiển động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha cấp nguồn trực tiếp Mạch động lực học mô phỏng của động cơ xoay chiều kích từ độc lập được cấp nguồn bởi 3 nguồn xoay chiều một pha có hệ số góc lệnh nhau 120o 13
14. • Đồ thị điện áp dòng điện theo thời gian • Đồ thị tốc độ động cơ theo thời gian 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 Momem điện từ 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) Nhận xét: - Dạng dòng và áp đều có dạng hình sin - Tốc độ và Momen sau một thời gian quá độ sẽ ổn định ở một giá trị xác lập - Các dạng đồ thị mô phỏng đúng với đồ thị lý thuyết của động cơ KĐB 3 pha 14
15. 3.3. Cấp nguồn qua bộ nghịch lưu • Xung điều khiển PWM Ta cho tín hiệu đặt (màu đỏ) và một sóng răng cưa (màu xanh) đi qua một mạch so sánh, khi giá trị tín hiệu đặt lớn hơn sóng răng cưa thì tín hiệu PWM (màu hồng) sẽ lên mức trạng thái cao và ngược lại. Từ đó ta thu được dạng tín hiệu PWM • Đồ thị Điện áp, Dòng điện theo thời gian 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) 15
16. • Đồ thị tốc độ động cơ theo thời gian 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 Momen điện từ theo thời gian Nhận xét - Các dạng đồ thị đúng với dạng đồ thị lý thuyết, sau một thời gian quá độ sẽ đạt giá trị xác lập - Đối với các sóng điều biến khác nhau cho bộ nghịch lưu ba pha. Độ méo sóng hài của tổng điện áp, dòng điện thu được càng về sau càng nhỏ, dòng điện càng gần sin hơn. Chứng tỏ được độ hiệu quả của bộ nghịch lưu đối với các tín hiệu điều khiển về sau càng cải thiện rõ rệt 16