Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Trương Quang Linh

Nội dung text: Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Trương Quang Linh

1. ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BỘ MÔN : ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN Giảng viên hướng dẫn : TS.Nguyễn Thanh Sơn Họ và tên : Trương Quang Linh MSSV : 20181196 HÀ NỘI 08/2021
2. I. 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 1 pha Sinh viên làm quen với các bộ biến đổi sau: - Bộ băm xung nối tiếp - Bộ chỉnh lưu cầu một pha - Bộ chỉnh lưu áp một pha Sinh viên sử dụng phương pháp xây dựng mô hình cho đối tượng và thiết kế bộ điều khiển: - Mô hình ở dạng liên tục (mô hình gắn với biến đổi Laplace) và xét ổn định. - Mô hình ở dạng rời rạc (mô hình gắn với biến đổi z) và xét ổn định. - Xây dựng bộ điều khiển PI cho các hệ điều khiển số. II. 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, máy điện 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. III. 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 1
3. 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. IV. 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. 2
4. - Phương án 2. Thiết kế các bộ nguồn chỉnh lưu nếu có nguồn xoay chiều. Điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. a. Cơ sở lý thuyết Động 1 chiều kích từ độc lập. • Sơ đồ Hình 1. Động 1 chiều kích từ độc lập. • Phương trình đặc tính cơ di VtR( iLKt) =++ a  ( ) (1) aa aa 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: T( sT) −−= sbsJssL ( ) ( ) ( ) (5) T( s) − T( s)  (s) = L (6) b+ Js Phương trình (4) và (5) yêu cầu các thông số sau: Ra , La , K , J và b . Phương trình đặc tính cơ tự nhiên động cơ một chiều kích từ độc lập: VR  =−aaM KK2 3
5. Nếu động cơ không mang tải M N= m0.( ) Va ==0 K V K = a  0 • Mô phỏng trên Matlab Hình 2. DC motor Hình 3. DC motor PWM 4
6. • Đồ thị 250 200 150 Va(V) 100 50 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Thoi gian (giay) Hình 4. 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) Hình 5. Tỷ số chu kỳ D = 50% 5
7. 250 200 150 Va(V) 100 50 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Thoi gian (giay) Hình 6. Tỷ số chu kỳ D = 80% • Bảng so sánh tỷ số chu kì D(%) 30 50 80 95 Tốc độ 401 884 1607 1969 (vòng/phút) b. Thực nghiệm: Thiết bị thí nghiệm: Hình 3: Động cơ một chiều kích từ độc lập. 6
8. Hình 4: Bộ MOSFET POWER. Hình 5: Bộ tạo momen tải. 7
9. Hình 6: Khối nguồn. Hình 7: Hình ảnh khi đã kết nối các thiết bị. c. Chương trình MatLab • DC motor parameter clc; clear; %% Thong so cua dong co mot chieu kich tu doc lap: 8
10. Ra = 7.55; % Dien tro phan ung La = 0.1114; % Dien cam phan ung K = 0.8706; % Hang so mo men dien tu J = 0.01287; % Mo men quan tinh cua ro to b = 0.00001; % Hang so mo men can diu TL = 3.4; % Mo men tai • Vẽ đồ thị (plot) clc; t = Va.time; V = Va.signals.values(:,1); plot(t, V,'k-','linewidth',1.5); hold on; grid; xlabel('Thoi gian (giay)'); ylabel('Va(V)'); axis([0 0.005 min(V) 1.2*max(V)]); d. Chương trình tạo tín hiệu PWM để điều khiển động cơ DC viết cho VĐK Arduino Uno R3: Chương trình tạo tín hiệu PWM để điều khiển tốc độ động cơ viết cho VĐK Arduino Uno R3 có cú pháp như sau: const int dauvao0 = A0; // Đầu vào lấy từ biến trở bên ngoài để điều chỉnh duty cycle const int dauvao1 = A1; // Đầu vào cảm biến tốc độ động cơ const int daura = 5; // Đầu ra PWM ở chân 5 9
11. int giatri0; // Giá trị đọc vào từ chân A0 int giatri1; // Giá trị đọc vào từ chân A1 int giatrira; // Gia trị PWM (0-255) float duty; // Tỷ số chu kỳ (0-100) void setup() { Serial.begin(9600); // Cấu hình truyền thông nối tiếp 9600 bps: } void loop() { giatri0 = analogRead(dauvao0); // Đọc giá trị từ chân AO giatrira = map(giatri0, 0, 1023, 0, 255); // Ánh xạ giá trị đo trong dải 0-1023 sang dải 0-255: analogWrite(daura, giatrira); // Thay đổi PWM tại đầu ra: duty = giatrira*100/255; // Tính toán tỷ số chu kỳ (duty cycle) giatri1 = analogRead(dauvao1); // Đo tốc độ động cơ tại chân A1 giatri1 = 2.45*giatri1;// Tính tốc độ động cơ thật: Serial.print(duty);// In kết quả lên màn hình theo truyền thông nối tiếp: Serial.print("\t "); Serial.println(giatri1); delayMicroseconds(10000);// Lệnh trễ 10ms } 10
12. - Số liệu thí nghiệm Ukt=220 (V) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ 1040 1004 994 981 968 955 (rpm) Ukt=110 (V) M (N/m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tốc độ 514 498 483 468 453 437 (rpm) V. Khảo sát đặc tính cơ và đặc tính dòng điện, điện áp của động cơ KĐB ba pha bằng bộ nghịch lưu ba pha dưới các tín hiệu điều biến khác nhau. a. Cơ sở lý thuyết • Cấu tạo động cơ KĐB 3 pha • Đặc điểm tốc độ 11
13. Tốc độ từ trường quay: n1=60f/p Trong đó: f là tần số của điện áp đặt vào stato p là số đôi cực Tốc độ rotor: n= (1 − s ). n1 Trong đó: s là hệ số trượt của động cơ • Phương trình đặc tính cơ Các đại lượng Ta có: 푛 = 1훿 + ’2 훿 Ta có phương trình đặc tính cơ: • Đồ thị đặc tính cơ Hình Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha 12
14. Hình Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi suy giảm điện áp stator, momen tới hạn suy giảm từ 16.49(N.m) đến 11.04(N.m) và 7.66(N.m) • Sử dụng bộ nghịch lưu cầu 3 pha để khảo sát đặc tính cơ Mạch điện tương đương của động cơ ở chế độ xác lập 13
15. 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= 50( Hz) thì tốc độ đồng bộ có giá trị như sau: 60.50 n ==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: 15001420− s ==0,0533 1500 Tốc độ của roto theo tốc độ đồng bộ: nns=−1 (1 ) Cấp nguồn trực tiếp • Mô phỏng trên Matlab 14
16. • Đồ thị 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) 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) 15
17. 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) Cấp nguồn qua bộ nghịch lưu • Mô phỏng trên Matlab 16
18. • Đồ thị 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) 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) 17
19. 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) b. Thực nghiệm Khảo sát đặc tính cơ tự nhiên của động cơ KBĐ ba pha bằng bộ nghịch lưu 3 pha Điện áp stato :Uđm=380/220V • Đặc tính cơ (quan hệ giữa mô men và tốc độ) nfM= ( ) 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 1244 1202 1154 1095 1008 315 • Đồ thị 18
20. 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 3:Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ KĐB ba pha thực nghiệm Nhận xét: Đặc tính cơ thực tế của động cơ phù hợp với đặc tính cơ trên lý thuyết Khảo sát đặc tính dòng điện, điện áp của động cơ KBĐ ba pha bằng bộ nghịch lưu 3 pha 380/220V, dựa trên các tín hiệu điều biến khác nhau, tần số 50Hz. 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) 180o 19
21. 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) P1 400 Voltage 300 Current 200 100 0 -100 Voltage(V)/Current(A) -200 -300 -400 0 10 20 30 40 50 Time(ms) P2 20
22. Nhận xét: - Dạng đồ thị dòng và áp giống với xung p1 khi chúng ta làm thí nghiệm, dòng điện có dạng hình sin. - Dạng đồ thị của Momen và tốc độ theo thời gian giống như dạng đồ thị lý thuyết, sau một thời gian quá độ sẽ đạt giá trị xác lập. 21