Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Nguyễn Mạnh Hùng

Nội dung text: Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Nguyễn Mạnh Hùng

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: Nguyễn Mạnh Hùng MSSV: 20181167 Lớp: Điện 02 – K63 Hà Nội, 8 – 2021 1
2. 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: 2
3. • 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 3
4. 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. 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) 1205 1180 1156 1104 1090 1079 Ukt=110 (V) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ (rmp) 453 416 402 388 375 359 - Ta sử dụng phần mềm matlab để vẽ đặc tính cơ với các dòng lệnh sau: clc; clear; T1 = [0:0.2:1]; n1 = [1205 1180 1156 1104 1090 1079]; 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 = [453 416 402 388 375 359]; plot(T2, n2,'r-o','linewidth',2'); axis([0 max(T2) 0 1.25*max(n1)]); legend('(a) Dac tinh co tu nhien V = 220', '(b) Dac tinh co nhan tao V = 110'); Ta thu được đồ thị như sau: 4
5. 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 V( tR) =++ iLKt a  ( ) (1) aa aa dt dt ( ) TTbtJ−−=  ( ) (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) V( s) − K ( s) Is( ) = a a R+ sL (4) aa 5
6. 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: 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 6
7. 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: 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: 7
8. D(%) 30 50 80 95 Tốc độ (vòng/phút) 401 884 1607 1969 2.1.3. Nhận xét: - Ta thấy việc thay đổi chu kì D cũng dẫn đến sự thay đổi của tốc độ động cơ. Tốc độ động cơ tăng theo tỉ số chu kì theo công thức: - Kết quả thực nghiệm tương đồng với lý thuyết. 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 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ là thể hiện mối quan hệ giữa mô men và tốc độ: 푛 = ( ) (푣ò푛 / ℎú푡) Để khảo sát kiểm chứng qua hệ giữa hai đại lượng này, ta thay đổi các giá trị mô men và quan sát tốc độ thu được tương ứng. 1. Cấu tạo động cơ KĐB 3 pha 2. Mạch điện tương đương của động cơ ở chế độ xác lập 8
9. 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 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 VD: tốc độ của trục động cơ: 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) 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: nfM= ( ) (vòng/phút) 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 1487 1460 1440 1425 1400 1388 1360 1342 1303 9
10. M 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 2.54 n 1274 1232 1184 1115 1028 885 325 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 = [1487 1460 1440 1425 1400 1388 1360 1342 1303 1274 1232 1184 1115 1028 885 325]; 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 10
11. 1.4. Nhận xét Đường đặc tính cơ thực tế tương đối giống với đặc tính cơ trên lý thuyết 2. Khảo sát thông số dòng và áp của động cơ 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. Kết quả thí nghiệm 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) Dạng dòng điện và điện áp trường hợp sử dụng sóng vuông 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) Dạng dòng điện và điện áp trong trường hợp sử dụng sóng P1 11
12. 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) Dạng dòng điện và điện áp trong trường hợp sử dụng sóng P2 2.2. Nhận xét - 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 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 • Đồ thị điện áp dòng điện theo thời gian 12
13. • 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) 3.3. Cấp nguồn qua bộ nghịch lưu 13
14. • Xung điều khiển • Điện áp, Dòng điện 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) 14
15. • Tốc độ động cơ 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) • Momen điện từ 15