Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Phạm Quang Anh

Nội dung text: Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Phạm Quang Anh

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN  Báo cáo thí nghiệm Điều Khiển Máy Điện Điểm Lời phê và nhận xét của giáo viên Giáo viên hướng dẫn: T.S Nguyễn Thanh Sơn Sinh viên thực hiện: Họ và tên: Phạm Quang Anh MSSV 20181087 Mã lớp: 124663 Hà Nội, 14/08/2021
2. Mục lục Phần 1: Điều khiển động cơ một chiều 3 I. Mục đích thí nghiệm 3 II. Kết quả thí nghiệm 3 1. Đặc tính cơ động cơ một chiều kích từ độc lập 3 1.1. Cơ sở lý thuyết 3 1.2. Kết quả thí nghiệm 4 1.3. Nhận xét 5 2. Điều khiển động cơ điện một chiều 5 2.1. Điều khiển động cơ điện một chiều bằng phương pháp điều biến độ rộng xung (PWM) 6 2.2. Mô phỏng trên phần mềm 6 2.3. Nhận xét 8 Phần 2: Điều khiển động cơ xoay chiều ba pha 9 I. Mục đích thí nghiệm 9 II. Kết quả thí nghiệm 9 1. Đặc tính cơ động cơ xoay chiều ba pha 9 1.1. Cơ sở lý thuyết 9 1.2. Kết quả thí nghiệm 9 1.3. Nhận xét 10 2. Khảo sát các thông số dòng và áp của động cơ 10 2.1. Kết quả thí nghiệm 10 2.2. Nhận xét 11 3. Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha cấp nguồn trực tiếp 11 3.1 Cơ sở lý thuyết 11 3.2. Kết quả thí nghiệm 12 3.3. Nhận xét 15 4. Điều khiển động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha bằng bộ nghịch lưu 15 4.1. Cơ sở lý thuyết 15 4.2. Tiến hành thí nghiệm 16 4.3. Nhận xét 17 2
3. Phần 1: Điều khiển động cơ một chiều I. Mục đích thí nghiệm Đối với thí nghiệm này, chúng ta sẽ tiến hành 2 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 II. Kết quả thí nghiệm 1. Đặc tính cơ động cơ một chiều kích từ độc lập 1.1. Cơ sở lý thuyết Trong bài thí nghiệm này, chúng ta sẽ sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập. Sơ đồ được thể hiện như hình dưới đây Hình 1: Sơ đồ động cơ một chiều kích từ độc lập Từ phương trình cân bằng điện áp và momen của sơ đồ trên. Ta được phương trình đặc tính cơ: 푈 푅 + 푅 (1) 휔 = − . 퐾 퐾2 Đồ thị đặc tính cơ Hình 2: Đồ thị đặc tính cơ Khi thay đổi điện áp phần ứng: 3
4. Hình 3: Đồ thị đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng 1.2. Kết quả thí nghiệm Cấp nguồn cho động cơ điện một chiều, sau đó nối động cơ với tải. Lần lượt thay đổi momen theo các giá trị trong khoảng [0;1] (N.m) với các giá trị điện áp 220V, 110V. Ta sẽ thu được các giá trị tốc độ theo như bảng sau: n (vòng/phút) M (N.m) U = 220V U = 110V 0 1002 540 0.2 978 516 0.4 955 491 0.6 930 464 0.8 909 438 1 885 412 Từ kết quả thu được, ta sử dụng phần mềm Matlab để vẽ đặc tính cơ. Tiến hành chạy chương trình, ta thu được đồ thị như sau: Hình 4: Đồ thị đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo 4
5. 1.3. Nhận xét -Đặc tính cơ nhân tạo song song có cùng độ cứng với đặc tính cơ tự nhiên -Kết quả thí nghiệm đúng với kết quả lý thuyết -Thay đổi điện áp phần ứng được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ và mở máy động cơ 2. Điều khiển động cơ điện một chiều Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập Hình 5: Sơ đồ thay thế động cơ một chiều kích từ độc lập Động 1 chiều kích từ độc lập. 𝑖 (2) (푡) = 푅 𝑖 + 퐿 푡 + 퐾휔(푡) 휔(푡) (3) − − . 휔(푡) = 퐽. 퐿 푡 Biến đổi Laplace của phương trình (1) có dạng như sau: (푠) = 푅 . (푠) + 푠. 퐿 . (푠) (4) + 퐾. 휔(푠) (푠) − 퐾휔(푠) (5) (푠) = 푅 + 푠. 퐿 Biến đổi Laplace của phương trình (3) có dạng như sau: 5
6. (푠) − 퐿(푠) − 휔(푠) = 퐽푠휔(푠) (6) (푠) − (푠) (7) 휔(푠) = 퐿 + 퐽. 푠 Phương trình (5) và (7) yêu cầu các thông số sau Ra , La , K , J và b . Các phương trình và các thông số trên là cơ sở để chúng ta tiến hành xử lý kết quả và mô phỏng trong phần tiếp theo. 2.1. Điều khiển động cơ điện một chiều bằng phương pháp điều biến độ rộng xung (PWM) Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra. Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của điều chế độ rộng xung là điều khiển tốc độ động cơ hoạt động nhanh , chậm, thuận ,nghịch và ổn định tốc độ cho nó. Công thức tính tỷ số chu kỳ và giá trị trung bình của điện áp ra tải : Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn T là thời gian của cả sườn âm và dương, 푈0 là điện áp nguồn cung cấp cho tải. Ta có: 푡 = 1 (%) (8) Khi đó 푈 = 푈0. ( ) (9) 2.2. Mô phỏng trên phần mềm Từ phương trình (7) đã biến đổi ở trên, ta tiến hành sử dụng MATLAB/Simulink để khảo sát động lực học của động cơ điện một chiều kích từ độc lập có thông số sau: Công suất: 푃 = 0.75 (푊); tốc độ định mức: 푛 = 2000 (푣ò푛 / ℎú푡); Điện trở phần ứng: 푅 = 7.55 (훺); Điện cảm phần ứng: 퐿 = 0.1114 ( ); Mô men quán tính: 퐽 = 0.01287 ( . 2); Hằng số momen điện từ: 퐾 = 0.8704 ( . / ) 6
7. Dưới đây là mô hình động lực học của động cơ điện một chiều kích từ độc lập trong Simulink: Hình 6: Sơ đồ động cơ một chiều kích từ độc lập Bằng việc thay đổi tỷ số chu kỳ D, ta được các kết quả của Va(s) như sau: 250 200 150 Va(V) 100 50 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Thoi gian (giay) Hình 7: Với tỷ số chu kỳ D = 30% 7
8. 250 200 150 Va(V) 100 50 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Thoi gian (giay) Hình 8: 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 9: Với tỷ số chu kỳ D = 80% Tương ứng với các tỷ số chu kỳ D, ta được tốc độ của độ của động cơ một chiều. Các số liệu thu được được thể hiện trong bảng sau: D(%) 30 50 80 95 Tốc độ 401 884 1607 1969 (vòng/phút) 2.3. Nhận xét - Bằng việc thay đổi tỷ số chu kỳ D, ta đã điều khiển được tốc độ của động cơ một chiều, D càng lớn thì tốc độ cũng tăng vì chúng tỷ lệ thuận với nhau theo công thức (9) 8
9. 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 2 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 biến đổi xung áp II. Kết quả thí nghiệm 1. Đặc tính cơ động cơ xoay chiều ba pha 1.1. Cơ sở lý thuyết Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ là quan hệ giữa mô men và tốc độ 푛 = ( ) (푣ò푛 / ℎú푡) Bằng cách thay đổi các giá trị Momen, ta thu được tốc độ tương ứng. Đây là cơ sở để chúng ta khảo sát quan hệ giữa 2 đại lượng. 1.2. Kết quả thí nghiệm Sau khi tiến hành thí nghiệm, ta thu được bảng kết quả như sau: 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 Sử dụng chương trình Matlab để tiến hành vẽ đặc tính cơ. Tiến hành chạy chương trình, ta thu được kết quả như sau: 9
10. Hình 10: Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ 1.3. Nhận xét Đặc tính cơ giống với dạng đặc tính cơ lý thuyết 2. Khảo sát các thông số dòng và áp của động cơ Ta sẽ sử dụng 3 sóng để khảo sát truyền động của động cơ xoay chiều 3 pha. Bao gồm sóng vuông, sóng lập trình P1 và sóng lập trình P2 để tiến hành đo các thông số dòng và áp trên các pha của động cơ. Ở đây 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) Hình 11: 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) Hình 12: Dạng dòng điện và điện áp trường hợp sử dụng sóng P1 10
11. 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) Hình 13: Dạng dòng điện và điện áp 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 tốt nhất, 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 tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha cấp nguồn trực tiếp 3.1 Cơ sở lý thuyết Một động cơ điện xoay chiều 3 pha có thể được thể hiện bằng sơ đồ tương đương sau: Hình 14: Mạch điện tương đương của động cơ ở chế độ xác lập Bằng cách sử dụng sơ đồ này, ta có thể dễ dàng tính toán các đại lượng cơ bản để khảo sát các thông số của động cơ. Hệ số trượt: 11
12. 푛 − 푛 푠 = 1 (10) 푛1 Tốc độ đồng bộ (tốc độ từ trường quay): 60 (11) 푛 = 1 Tốc độ của roto theo tốc độ đồng bộ: 60 (12) 푛 = 푛 . (1 − 푠) = ( ) . (1 − 푠) 1 Khi hệ số trượt thay đổi ít thì tốc độ tỷ lệ thuận với tần số. 3.2. Kết quả thí nghiệm Dưới đây là mô hình động lực học của động cơ điện xoay chiều kích từ độc lập trong Simulink, mô hình này tương đương với động cơ ta sử dụng trong phòng thí nghiệm Hình 15: Sơ đồ mô phỏng động cơ không đồng bộ 3 pha cấp nguồn trực tiếp Để chạy được mô hình này, trước tiên ta cần phải cung cấp đầy đủ các thông số cho động cơ. Các thông số này có thể tìm được dựa trên sơ đồ tương đương chúng ta đã nêu ở trên. Chương trình tính toán được xây dựng trong phần mềm Matlab Trong sơ đồ trên, động cơ được cấp nguồn bởi 3 nguồn xoay chiều một pha, có hệ số góc lệch nhau 120o. Động cơ kéo 1 tải có momen bằng 1.2 (N.m) Tiến hành chạy chương trình mô phỏng, ta thu được kết quả như sau: 12
13. Hình 16: Đồ thị điện áp và dòng điện theo thời gian Hình 17: Đồ thị tốc độ theo thời gian Hình 18: Đồ thị momen theo thời gian Nếu chúng ta giảm tần số đi còn 25 Hz 13
14. Hình 19: Đồ thị dòng điện và điện áp theo thời gian Hình 20: Đồ thị tốc độ theo thời gian Hình 21: Đồ thị momen theo thời gian 14
15. 3.3. Nhận xét -Dạng dòng và áp đều có 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 đều phù hợp với đồ thị lý thuyết của động cơ không đồng bộ 3 pha Khi giảm tần số đi một nửa, tốc độ đầu trục động cơ cũng giảm xấp xỉ 1/2 Cụ thể: Tần số f (Hz) Tốc độ n (Vòng/phút) 25 744 50 1465 Điều này có thể được giải thích dựa theo công thức (12) 60 푛 = 푛 . (1 − 푠) = ( ) . (1 − 푠) 1 Khi s ít thay đổi thì tốc độ sẽ tỷ lệ thuận với tần số. Trong thực tế, chúng ta sẽ sử dụng bộ biến tần, điều khiển theo các quy luật khác nhau 4. Điều khiển động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha bằng bộ nghịch lưu 4.1. Cơ sở lý thuyết Hình 22: Biểu đồ nguyên lý Cách đơn giản nhất để tạo ra một tín hiệu PWM là phương pháp giao thoa, chỉ yêu cầu cần có một sóng răng cưa hoặc sóng tam giác (dễ dàng tạo ra bằng cách sử dụng một bộ tạo dao động đơn giản) và một mạch so sánh. Khi giá trị của tín hiệu tham chiếu (tín hiệu đặt) (sóng sin màu đỏ) lớn hơn sóng điều biến (màu 15
16. xanh lam hay), thì tín hiệu PWM (màu đỏ tía) sẽ ở trạng thái cao, nếu không thì ở trạng thái thấp. Ta có thể thay đổi các tín hiệu điều khiển thông qua hệ số điều chế m Sau khi đã tạo được tín hiệu PWM, ta sẽ sử dụng chúng để đóng mở van MOSFET để điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha, sơ đồ mô phỏng được thể hiện trên sơ đồ Simulink như sau: Hình 23: Mô phỏng động cơ xoay chiều 3 pha cấp nguồn qua bộ nghịch lưu Sơ đồ sử dụng một nguồn một chiều 500 (VDC), qua bộ nghịch lưu để cung cấp nguồn cho động cơ xoay chiều một pha. Động cơ kéo một tải có momen bằng 1,2 (N.m) 4.2. Tiến hành thí nghiệm Các thông số của động cơ được tính toán bằng các chương trình Matlab Đặt hệ số điều chế m=1,5. Sau khi tiến hành mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink, ta thu được kết quả như sau 16
17. Hình 24: Đồ thị dòng điện và điện áp theo thời gian Hình 25: Đồ thị tốc độ theo thời gian Hình 26: Đồ thị momen theo thời gian 4.3. Nhận xét -Dạng đồ thị dòng và áp giống với xung P1 khi chúng ta làm thí nghiệm. dòng điện có dạng gần sin -Dạng đồ thị của Momen và tốc độ theo thời gian giống với dạng đồ thị lý thuyết, sau một thời gian quá độ sẽ đạt giá trị xác lập 17