Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Vũ Huy Hoàng

Nội dung text: Báo cáo thi nghiệm môn Điều khiển máy điện - Vũ Huy Hoàng

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN  BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GVHD: TS. Nguyễn Thanh Sơn Sinh viên thực hiện: Vũ Huy Hoàng MSSV: 20181162 Mã lớp: 124663 Hà Nội, 08/2021
2. Mục lục Bài 1: Thí nghiệm điều khiển động cơ 1 chiều 3 I. Mục đích thí nghiệm 3 II. Nội dung thí nghiệm 3 1. Khảo sát đặc tính cơ 3 1.1. Cơ sở lý thuyết 3 1.2. Thực hành thí nghiệm 5 1.3. Nhận xét 8 2. Điều khiển động cơ bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM 8 2.1. Cơ sở lý thuyết 8 2.2. Thực hành thí nghiệm 9 2.3. Nhận xét 13 Bài 2: Điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha 14 I. Mục đích thí nghiệm 14 II. Nội dung thí nghiệm 14 1. Khảo sát đặc tính cơ 14 1.1. Cơ sở lý thuyết 14 1.2. Thực hành thí nghiệm 17 1.3. Nhận xét 18 1.4. Xét bài thí nghiệm đặc tính cơ khác 18 2. Điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha bằng cấp nguồn trực tiếp 21 2.1. Tiến hành thí nghiệm 21 2.2. Nhận xét 22 3. Điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha bằng phương pháp PSWM 23 3.1. Tiến hành thí nghiệm 24 3.2. Nhận xét 25 2
3. Bài 1: Thí nghiệm điều khiển động cơ 1 chiều I. Mục đích thí nghiệm • Khảo sát đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện 1 chiều • Điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng phương pháp điều chế độ rộng xung II. Nội dung thí nghiệm 1. Khảo sát đặc tính cơ 1.1. Cơ sở lý thuyết Trong bài thí nghiệm ta sẽ sử dụng động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ 2 nguồn riêng rẽ). Hình 1: Sơ đồ nối dây của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều: 푈 푅ư + 푅 휔 = ư − . 퐾. 훷 (퐾. 훷)2 Trong đó: ω: Tốc độ góc (rad/s) Uư: Điện áp phần ứng K: Hệ số cấu tạo của động cơ Φ: Từ thông kích từ Rư: Điện trở mạch phần ứng 3
4. M: Mô men điện từ hoặc mô men cơ trên trục động cơ nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép ( Mđt = Mcơ = M) Hình 2: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ Hình 3: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp 4
5. 1.2. Thực hành thí nghiệm 1.2.1. Thí nghiệm không tải (퐑퐋 = ) Cấp nguồn cho động cơ điện 1 chiều, khảo sát ở 2 mức điện áp là 220V và 110V. Ở mỗi giá trị điện áp, ta thay đổi mô men trong khoảng [0;1] với bước nhảy giá trị 0,2. Thu được bảng kết quả sau: Đặc tính cơ tự nhiên 푈 = 220 : M (N.m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 n (vòng /phút) 1040 1004 994 981 968 955 Đặc tính cơ nhân tạo 푈 = 110 : M (N.m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 n (vòng /phút) 514 498 483 468 453 437 Hình 4: Số liệu đo thu được trên lớp (ĐC 1 chiều – không tải) 5
6. Từ kết quả thí nghiệm thu được, tiến hành chạy phần mềm Matlab vẽ đồ thị đặc tính cơ: Hình 5: Đồ thị đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo (ĐC 1 chiều – không tải) 1.2.2. Thí nghiệm với tải cố định (퐑퐋 = . ) Cấp nguồn cho động cơ điện 1 chiều, khảo sát ở 2 mức điện áp là 220V và 110V. Ở mỗi giá trị điện áp, ta thay đổi mô men trong khoảng [0;1] với bước nhảy giá trị 0,2. Thu được bảng kết quả sau: Đặc tính cơ tự nhiên 푈 = 220 : M (N.m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 n (vòng /phút) 1002 978 955 930 909 885 Đặc tính cơ nhân tạo 푈 = 110 : M (N.m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 n (vòng /phút) 540 516 491 464 438 412 6
7. Hình 6: Số liệu đo thu được trên lớp (ĐC 1 chiều – có tải) Từ kết quả thí nghiệm thu được, tiến hành chạy phần mềm Matlab vẽ đồ thị đặc tính cơ: Hình 4: Đồ thị đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo 7
8. 1.3. Nhận xét Qua 2 thí nghiệm trên ta rút ra được nhận xét: • Đặc tính cơ trong 2 trường hợp gần như giống nhau • Kết quả thí nghiệm giống với lý thuyết • Đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo song song và có cùng độ cứng • Điện áp phần ứng càng tăng cao thì động cơ quay càng nhanh • Khi điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp ta thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi • Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng được sử dụng để mở máy động cơ • Khó điều khiển tự động hóa 2. Điều khiển động cơ bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM 2.1. Cơ sở lý thuyết Hình 5: Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập: di V( t) = R i + La + K ( t) (1) a a a a dt dt ( ) T− T − b ( t) = J (2) L dt Biến đổi Laplace của phương trình (1) có dạng như sau: Vsa( ) = RIs a a( ) + sLIs a a ( ) + K( s) (3) 8
9. 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 . Phương trình đặc tính cơ tự nhiên động cơ một chiều kích từ độc lập: VR  =−aaM KK2 Nếu động cơ không mang tải M= 0.( N m) V ==a K 0 V K = a 0 Điều khiển tốc độ DC motor bằng PWM là phương pháp thay đổi điện áp đặt vào động cơ. Ta dùng mạch điện tử để thay đổi độ rộng của xung ngõ ra mà không làm thay đổi tần số. Sự thay đổi độ rộng xung dẫn đến sự thay đổi của điện áp. Gọi: 표푛 là thời gian xung điện áp ở mức cao trong 1 chu kỳ T 표 là thời gian xung điện áp ở mức thấp trong 1 chu kỳ T ➢ = 표푛 + 표 ➢ Duty cycle: = 표푛 (%) ➢ Điện áp trung bình ra trên tải: 푈 = 푈0. (Với 푈0 là điện áp nguồn) 2.2. Thực hành thí nghiệm Khảo sát với động cơ có thông số như sau: 푣ò푛 Công suất: 푃 = 0.75(푊); Tốc độ định mức: 푛 = 2000 ( ) ℎú푡 9
10. Điện trở phần ứng: 푅 = 7.55 (Ω); Điện cảm phần ứng: 퐿 = 0.114 (H) Mô men quán tính: 퐽 = 0.01287 ( . 2); Hằng số momen điện từ: 퐾 = 0.8704 ( . / ). Hình 6: Mô phỏng sơ đồ điều khiển động cơ bằng PWM 2.2.1. Thí nghiệm với tải cố định Xét với tải 푅퐿 = 3.4 ( . ), điện áp vào 푈0 = 220 . Thay đổi các giá trị tỉ số chu kỳ D. 250 200 150 Va(V) 100 50 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Thoi gian (giay) Hình 7: Tỷ số chu kỳ D = 30% 10
11. 250 200 150 Va(V) 100 50 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Thoi gian (giay) Hình 8: 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: Tỷ số chu kỳ D = 80% 11
12. Với các tỷ số chu kỳ khác nhau, ta thu được bảng số liệu về tốc độ quay của động cơ: D (%) 30 50 80 95 Tốc độ (vòng/phút) 401 884 1607 1969 2.2.2. Thí nghiệm với tải có mô men thay đổi Xét điện áp vào 푈0 = 220 , ứng với mỗi giá trị tỷ số chu kỳ D lần lượt là 30%, 50%, 70%. Thay đổi giá trị mô men tải trong khoảng [0;1] step 0,2. Ta thu được bảng sau: 푫 = % M (N.m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 n (vòng /phút) 306 276 254 227 196 170 푫 = % M (N.m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 n (vòng /phút) 519 493 465 437 409 385 푫 = % M (N.m) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 n (vòng /phút) 743 716 686 659 634 606 Hình 10: Số liệu đo thu được khi tiến hành đo trên lớp 12
13. Hình 10: Đồ thị biểu diễn tốc độ quay động cơ khi thay đổi D và M 2.3. Nhận xét Qua 2 thí nghiệm với bộ băm xung PWM như trên, em rút ra nhận xét như sau: • Tỉ số chu kỳ tỉ lệ thuận với tốc độ quay của động cơ (tỉ lệ thuận với điện áp trung bình đặt trên tải) trong cả 2 trường hợp của tải • Kết quả thí nghiệm đúng với lý thuyết • Phương pháp điều chế xung PMW được sử dụng để điều khiển động cơ tự động thông qua lập trình 13
14. Bài 2: Điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha I. Mục đích thí nghiệm • Khảo sát đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo của động cơ điện xoay chiều 3 pha • Điều khiển tốc độ động cơ điện xoay 3 pha chiều bằng phương pháp điều chế độ rộng xung II. Nội dung thí nghiệm 1. Khảo sát đặc tính cơ 1.1. Cơ sở lý thuyết Hình 1: Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha Hình 2: Mạch điện tương đương của động cơ ở chế độ xác lập 14
15. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ là mối quan hệ giữa mô men và tốc độ quay của động cơ. Được biểu diễn bởi biểu thức: 푣ò푛 푛 = ( ) ( ) ℎú푡 Khi xét đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha, ta cần quan tâm đến các thông số sau: 푛 − 푛 Hệ số trượt: 푠 = 1 푛1 Trong đó: 60 • 푛 là tốc độ đồng bộ (tốc độ từ trường quay) 1= • là số đôi cực • 푛 = 푛1(1 − 푠) là tốc độ quay của rotor (tốc độ động cơ) Ví dụ Nếu động có số đôi cực p = 2 , tần số của nguồn cấp f= 50( Hz) thì tốc độ đồng bộ 60.50 có giá trị như sau: 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 15001420− sau: s ==0,0533 1500 Động cơ không đồng bộ có thể làm việc ở 3 chế độ: • Động cơ: Khi 0 푛1) • Hãm: Khi 1 < 푠 < +∞ Hình 3: Quan hệ đặc tính cơ = (푠) của động cơ không đồng bộ 15
16. Một số dạng đặc tính cơ khi điều khiển tốc độ động cơ bằng các phương pháp khác nhau: Hình 4: Đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh tần số Hình 5: Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi điều chỉnh điện áp Hình 6: Đặc tính cơ khi điều chỉnh điện trở phụ mạch roto 16
17. 1.2. Thực hành thí nghiệm • Bước 1: Mắc mạch điện như hình Hình 7: Sơ đồ mạch điện thí nghiệm trên lớp • Bước 2: Lần lượt thí nghiệm với nguồn AC 220V và 110V • Bước 3: Tiến hành điều chỉnh mô men động cơ từ giá trị 0 với bước nhảy 0,2. Kết thúc ta thu được bảng kết quả sau: 푼 = 푽 M 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 n 1467 1450 1430 1440 1390 1368 1340 1312 1283 M 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 n 1244 1202 1154 1095 1008 315 푼 = 푽 M 0 0.2 0.4 0.47 n 1380 1280 1097 102 Hình 8: Số liệu đo thu được khi tiến hành thí nghiệm trên lớp (ĐCKĐB 3 pha) 17
18. • Bước 4: Khởi chạy đồ thị bằng Matlab, ta thu được kết quả: Hình 9: Đồ thị biểu diễn đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo của ĐCKĐB 3 pha 1.3. Nhận xét • Đặc tính cơ nhân tạo có hình dạng giống với đặc tính cơ tự nhiên • Khi thay đổi tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp như thí nghiệm, ta thu được đồ thị đặc tính cơ giống với Hình 5. Thí nghiệm giống với lý thuyết 1.4. Xét bài thí nghiệm đặc tính cơ khác Kết quả thí nghiệm được cho dưới bảng: 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 M 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 2.54 n 1275 1228 1173 1110 1028 889 289 18
19. Sử dụng Matlab vẽ đồ thị đặc tính cơ: 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 10: Đồ thị biểu diễn đặc tính cơ Khảo sát giá trị dòng áp của động cơ: Hình 11: Đồ thị biểu diễn dòng áp theo sóng vuông 19
20. 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: Đồ thị biểu diễn dòng áp theo sóng P1 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: Đồ thị biểu diễn dòng áp theo sóng P2 20
21. 2. Điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha bằng cấp nguồn trực tiếp 2.1. Tiến hành thí nghiệm Mô phỏng sơ đồ điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha trong Simulink Hình 14: Sơ đồ mô phỏng động cơ KĐB 3 pha cấp nguồn trực tiếp Trong sơ đồ trên, động cơ được cấp nguồn bởi 3 nguồn xoay chiều một pha, có hệ số góc lệch nhau 120 độ. Động cơ kéo 1 tải có momen bằng 1.2 (N.m). Tiến hành chạy chương trình thu được kết quả sau: 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) Hình 15: Đồ thị điện áp và dòng điện theo thời gian 21
22. 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) Hình 16: Đồ thị tốc độ theo thời gian 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) Hình 17: Đồ thị mô men theo thời gian 2.2. Nhận xét • Tốc độ quay của động cơ và lực momen điện từ sẽ cố định sau 1 khoảng thời gian ban đầu 22
23. 3. Điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha bằng phương pháp PSWM Hình 18: Sơ đồ điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha bằng xung PWM Tạo xung điều khiển PWM: Hình 19: Tạo xung 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. Các xung PWM đóng vai trò đóng mở các mosfet. Bộ nghịch lưu điện áp 1 chiều thành xoay chiều hoạt động để cung cấp nguồn cho động cơ. Động cơ kéo tải có mô men bằng 1,2 (N.m). 23
24. 3.1. Tiến hành thí nghiệm 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: 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) Hình 20: Đồ thị dòng điện và điện áp 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) Hình 21: Đồ thị tốc độ theo thời gian 24
25. 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) Hình 22: Đồ thị mô men điện từ theo thời gian 3.2. Nhận xét • Dạng đồ thị dòng điện và điện áp có dạng gần sin • Dạng đồ thị tốc độ và mô men lực từ theo thời gian giống với lý thuyết. Sau một thời gian ban đầu sẽ tiến đến 1 giá trị xác lập 25