Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Phùng Hải Nhật

Nội dung text: Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Phùng Hải Nhật

1. ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN : ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN Giảng viên hướng dẫn : TS.Nguyễn Thanh Sơn Họ và tên : Phùng Hải Nhật MSSV : 20181239 HÀ NỘI 2021
2. NỘI DUNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM Sinh viên làm thí nghiệm điều khiển các máy điện sau: - Động cơ điện một chiều - Động cơ không đồng bộ 3 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. 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. 1
3. Chương I. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 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. 1. Đặc tính động cơ một chiều kích từ độc lập: 1.1. 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: 2
4. • Khi thay đổi điện áp phần ứng: (a) 3
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 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) (c) Hình 2: 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. 1.2. Kết quả 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: 4
6. Ukt=220 (V) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ 1065 1030 1016 1004 992 979 (rmp) Ukt=110 (V) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ 533 516 502 488 475 459 (rmp) - 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
7. 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 6
8. 2. Điều khiển động cơ điện một chiều: Động cơ 1 chiều kích từ độc lập. di VtRiLKt( ) =++ a  ( ) (1) aaaa dt dt ( ) T− T − b ( t) = J (2) L dt Biến đổi Laplace của phương trình (1) có dạng như sau: VsRaa( aa IssL) =++ a IsKs( ) ( )  ( ) (3) VsKsa ( ) −  ( ) Isa ( ) = (4) RsLaa+ Biến đổi Laplace của phương trình (2) có dạng như sau: TsTsbsJss( ) −−=L ( ) ( ) ( ) (5) TsTs( ) − ( )  (s) = L (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) như hình.1. Khi 7
9. 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 Điện áp trung bình Ua được tính theo tỷ số chu kỳ và điện áp nguồn E như sau: Ua = E × Duty Cycle 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. 2) • 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: 8
10. 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: 250 200 150 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% 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 = 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: 10
12. D(%) 30 50 80 95 Tốc độ 401 884 1607 1969 (vòng/phút) 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 306 276 254 227 196 170 (rmp) D=50 (Duty cycle %) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ 519 493 465 437 406 385 (rmp) D=70 (Duty cycle %) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ 743 716 686 659 634 606 (rmp) 2.1.3. Nhận xét: - Tốc độ động cơ tăng theo tỉ số chu kì, chính xác với công thức Ua = E × Duty Cycle - Kết quả thí nghiệm đúng với kết quả mô phỏng. 11
13. Chương II. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA 1. Đặc tính động cơ xoay chiều ba pha: 1.1. Cơ sở lý thuyết: Cấu tạo động cơ KĐB 3 pha Mạch điện tương đương của động cơ ở chế độ xác lập 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 Khảo sát các thông số của động cơ: Hệ số trượt: nn− s = 1 n1 12
14. Tốc độ đồng bộ (tốc độ từ trường quay): 60 푛 = 1 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 푛 = = 1500 (vòng/phút) 1 2 Ví dụ tốc độ của trục động cơ (tốc độ roto) n =1420 (vòng/phút) ta có hệ số trượt như sau: 1500 − 1420 푠 = = 0,0533 1500 Tốc độ của roto theo tốc độ đồng bộ: 60. 푛 = 푛 (1 − 푠) = ( ) . (1 − 푠) 1 1.2. Kết quả thí nghiệm: Đặc tính cơ là quan hệ giữa Momen và Tốc độ: 푛 = ( ) (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 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 Ta sử dụng phần mềm Matlab với các dòng lệnh sau để vẽ đặc tính cơ: 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); 13
15. grid; xlabel('M(N.m)'); ylabel('n(vong/phut)'); Ta thu được đồ thị: 1.3. Nhận xét: - Đặc tính cơ đúng với dạng đặc tính cơ trên lý thuyết. 2. Điều khiển động cơ xoay chiều bap ha: 2.1. Khảo sát các dạng sóng dòng và áp cho động cơ: Ta sẽ sử dụng 3 dạng sóng sau để khảo sát, do dòng điện có giá trị tương đối bé nên ta phải nhân thêm với hệ số để việc quan sát tương quan giữa dòng và áp dễ dàng hơn. 14
16. 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) 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) Dạng sóng P1 15
17. 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) Dạng sóng P2 Nhận xét: - Dạng sóng 180 o có nhiều thành phần sóng hài bậc cao nhất, không tốt cho động cơ. - Dạng sóng P1 và P2 gần giống hình sin hơn, dạng sóng P2 là tốt nhất. 2.2. Điều khiển động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha cấp nguồn trực tiếp: Động cơ được cấp nguồn bởi 3 nguồn xoay chiều một pha, có hệ số góc lệch nhau 120 o. Mạch động lực học mô phỏng của động cơ xoay chiều kích từ độc lập 16
18. • Đồ thị điện áp và 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) 17
19. Nhận xét: - Tốc độ và momen sẽ ổn định ở một giá trị xác lập sau một thời gian quá độ - Đồ thị mô phỏng đúng với lý thuyết 2.3. Điều khiển động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha bằng phương pháp cấp nguồn qua bộ nghịch lưu: 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. Dạng xung điều khiển 18
20. Mạch động lực mô phỏng động cơ xoay chiều 3 pha cấp nguồn qua bộ nghịch lưu 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) Dạng đồ thị điện áp và dòng điện 19
21. 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) Tốc độ động cơ Momen điện từ Nhận xét: - Giá trị momen và tốc độ theo thời gian sau một thời gian quá độ sẽ đạt giá trị xác lập - Dạng đồ thị của Momen và tốc độ theo thời gian giống với dạng đồ thị lý thuyết 20