Báo Cáo Thực Hành Truyền Động Điện.pdf

Bài 1: Xây dựng mô hình Động cơ một chiều kích từ độc lập bằng phần mềm MATLABXây dựng mô hình toán học: Các phương trình động học cơ bản:Từ thông kích từ: Φ = kktkt.ikt Biến đổi Laplace

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO THỰC HÀNHTRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Giảng viên hướng dẫn: Ngô Thị Thu HươngNhóm sinh viên thực hiện:

Bài 1: Xây dựng mô hình Động cơ một chiều kích từ độc lập bằng phần mềm MATLAB

Xây dựng mô hình toán học:

Các phương trình động học cơ bản:Từ thông kích từ: Φ = kktkt.ikt Biến đổi Laplace: Φ (s)= kktkt.I (s)kt

Sức điện động: e = kΦ ωkt Biến đổi Laplace: E(s) = kΦkt(s)ω(s)Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:

U = e + R + Luuiu Biến đổi Laplace: I (s) = u

Phương trình chuyển động:mdt – m = JT Biến đổi Laplace: =ω(s)Trong đó Mdt là mô men điện từ

Mdt = kΦkt.iu Biến đổi Laplace: M = kΦdtkt(s).I (s)u

mT: là mô men cản của tảiω: là tốc độ góc của rotorJ: là mô men quán tính của động cơMặt khác, do ω = 2πn (n là số vòng/s), nên ta có thể viết: = (M - M )dtT

Từ các phương trình cơ bản trên ta có thể viết hệ phương trình vi phân mô tả không gian trạng thái của động cơ điện 1 chiều:

= - n + u = i - MT

Từ phương trình vi phân, ta xây dựng được Mô hình toán học của Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập:

Mô phỏng Mô hình động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập bằng MATLAB:

Lựa chọn thông số:

Tính toán các thông số: MT = = = 4,03 Nm

kΦ = = = 0,78Mô phỏng simulink MATLAB:

Kết quả:1/ Khi từ thông không đổi với Momen cản không đổi:Đặc tính dòng điện:

Đặc tính tốc độ:

Momen Điện từ:

Nhận xét:

- Dòng điện phần ứng ban đầu được truyền vào lớn (110A) để kích hoạt cho động cơ chạy Sau khi khởi chạy, tốc độ rotor tăng dần trong lúc Iư giảm dần, tốc độ đạt Max khi Iư đạt Min và chạy ổn định.

2/ Khi từ thông không đổi với Momen cản tăng 50%:

Đường xanh lam là giá trị mô phỏng ban đầu, đường vàng là giá trị mô phỏng sau khi Momen cản tăng 50%

Đặc tính dòng điện:

Nhận xét: Khi Momen cản tăng thì dòng điện kích từ không thay đổi, Iu min tăng

Đặc tính tốc độ:

Nhận xét: Khi mô men cản tăng thì tốc độ rotor giảmMô men điện từ:

Nhận xét: Khi mô men cản tăng thì Mô men điện từ ban đầu không thay đổi, Mdt

min giảm Do Mdt min và Iu min dùng để duy trì rotor quay thay đổi tỷ lệ với Mô men cản nên việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi Mô men cản sẽ gâyquá tải cho động cơ, lâu dần sẽ hỏng động cơ

3/ Khi từ thông không đổi với điện trở phần ứng giảm 50%:Đặc tính dòng điện:

Nhận xét: Khi điện trở phần ứng thay đổi, Iu min không đổi, nhưng Iu kích từ thay

đổi tỉ lệ thuận với điện trở phần ứng

Đặc tính tốc độ:

Nhận xét: Khi điện trở phần ứng thay đổi thì tốc độ động cơ thay đổi tỉ lệ thuận

với điện trở phần ứng

Mô men điện từ:

Nhận xét: Khi điện trở phần ứng thay đổi, Mdt min không đổi, nhưng Mdt ban đầu

thay đổi tỉ lệ thuận với điện trở phần ứng

Kết luận: Ngoài cách điều chỉnh tốc độ động cơ bằng thay đổi Từ thông ta cũng có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi Điện trở phần ứng Tuy nhiên cần lưu ý chọn thiết bị phù hợp bởi dòng điện kích từ thay đổi tỷ lệ thuận với Điệntrở phần ứng.

Bài 2: Xây dựng Mô hình động cơ Không đồng bộ Ro-to lồng sóc bằng thuật toán PID

2.1 Tuyến tính hóa mô hình điều khiểnĐể thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống điều khiển ta tuyến tính hóa mô hình độngcơ xung quanh điểm làm việc, tại trạng thái xác lập ở điểm làm việc, ta có tốc độωlv, mô-men M và dòng điện tải i Giả sử hệ thống có dao động rất nhỏ quanhlvlv

điểm làm việc thì các đại lượng như điện áp, dòng điện, mô-men, từ thông, tốc độcũng sẽ có dao động nhỏ tương ứng là

Phương trình toán học mô tả động cơ trên hệ tọa độ dq như sau [6]: (1)

Thay tất cả các đại lượng trên vào hệ phương trình mô tả động cơ trên hệ tọa độ dq (1), sau phép biến đổi và bỏ qua các giá trị vô cùng bé bậc cao ta có hệ phương trình sau [1], [2]:

(2)

(3)(4)

Từ hệ phương trình (3) và (4) ta lập được mô hình động cơ trên hệ tọa độ dq như sau:

Hình 2.1: Mô hình tuyến tính động cơ trên hệ toạ độ quay dqNếu điều chỉnh mô-men động cơ quay theo quy luật từ thông không đổi thì có .

Mô hình tuyến tính mới có dạng:

Hình 2.2: Mô hình tuyến tính hóa rút gọn động cơ trên hệ tọa độ quay dq 2.2 Xây dựng sơ đồ mạch điều khiển

Dùng các quy tắc biến đổi sơ đồ khối và đặt:

Trong đó

Ta có sơ đồ mạch vòng điều tốc độ:

Hình 2.3: Mạch điều chỉnh tốc độ Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung PWM có hàm truyền:

Trong đó: K - Hệ số khuếch đại, T - Hằng số thời gia mạch nghịch lưu.bdbd

2.3 Tính toán thông số động cơCho thông số động cơ như sau: Từ các tham số hệ cơ học đã cho, ta đi tính toán các tham số hệ truyền động dùng ĐCKĐB 3 pha rô-to lồng sóc

Các tham số tính toán cho hệ truyền động sử dụng ĐCKĐB 3 pha điều khiển tơ như sau:

vec Điện cảm mạch stavec to:

- Điện cảm mạch rô-to:

- Hằng số thời gian sta-to:

- Hằng số thời gian rô-to:

Trong đó:

3 Thiết kế bộ điều khiển ĐCKĐB 3 pha rô-to lồng sóc

3.1 Thiết kế bộ điều khiển PIDTừ sơ đồ mạch điều khiển tốc độ (Hình 2.3) ta có hàm truyền các khối BCD như sau:

Hàm truyền của mạch vòng điều khiển tốc độ là:

Hay:

Thay các thông số A, B, C, D, K , T và tính toán ta có hàm truyền:bđbđ

Ta tổng hợp bộ PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 2, xét hệ kín ta có:

Điện áp Điều khiển:

Dòng Isd:

Nhìn vào kết quả mô phỏng ta dễ dàng nhận thấy rằng thời gian đáp ứng và ổnđinh hệ thống của bộ PID tổng hợp theo phương pháp Ziegler-Nichols 2 là rấtnhanh (0,15s), nhưng độ quá điều chỉnh rất lớn dẫn đến điện áp khởi động và dòngkhởi động rất lớn Với chỉ số điện áp và dòng lớn như thế thì không có bộ nghịchlưu biến đổi PWM và động cơ nào đáp ứng được Có kết quả như thế là do phươngpháp tổng hợp chỉ quan tâm tới thời gian đáp ứng của hệ thống chứ chưa tính đếnkhả năng của đối tượng thực tế Vì vậy, ta tiến hành chỉnh định lại bộ PID để làmgiảm điện áp điều khiển và dòng điều khiển cho phù hợp với động cơ.

Hình 2.2: Bộ PID sau khi tinh chỉnhTa xác định các thông số của bộ PID như sau: K = 0,0067432, K = 0,29562, K = P I D

0 Khi đó ta có kết quả mô phỏng:

Kết quả:1/ Khi từ thông và Momen cản không đổi:

Tần số góc:

Điện áp điều khiển:

Dòng Isd:

Nhận xét: Thời gian đáp ứng và ổn định tốc độ của động cơ khi tín hiệu đặt là ω =

150 (Rad/s) hay n = 1430 (vòng/phút) là khoảng 1,7s Điện áp điều khiển lớn nhất Udkmax = 14,1V, dòng điện khởi động I = 34A ≈ 3(I = 11,2A) Điện áp và dòng kddm

điện khi tốc độ ổn định là 13,1V và 2,9A

Bài 3: Thiết kế mạch điều khiển động cơ – Mạch đảo chiều Động cơ 3 phaYêu cầu:

Thiết kế mạch điều khiển và mạch động lực cho hệ thống:- Nhấn ON_T, động cơ chạy thuận, đèn vàng T sáng.- Nhấn ON_N, động cơ chạy nghịch, đèn xanh N sáng.- Nhấn OFF, động cơ dừng

- Khi có nguồn cấp cho mạch điều khiển đèn xanh lục sáng.- Khi bị quá tải, động cơ dừng, đèn đỏ sáng

- Động cơ không thể đảo chiều khi đang hoạt động

3/ MCB: Sử dụng trong đóng cắt mạch điều khiển

- Chọn MCB Schneider EZ9F34216 16A 4.5kA 2P với dòng định mức 16A

4/ Công tắc tơ (Contactor): Dùng để đóng ngắt cấp nguồn, đảo chiều động cơ.

- Với Idmm = 8.66A, ta chọn Contactor LS MC-12A với dòng định mức 12A

- Contactor có 2 cặp tiếp điểm NO NC, phù hợp với thiết kế của yêu cầu đề bài

5/ Rơ le nhiệt (Overload Relay): Dùng để bảo vệ khi động cơ bị quá tải

- Chọn Relay có dải điều chỉnh từ 9 – 13A6/ Các thiết bị khác:

- Nút nhấn: Xanh, Đỏ- Đèn báo tín hiệu: Xanh, Lục, Vàng, Đỏ

Sơ Đồ Nguyên Lý:

1/ Mạch động lực

- Nguồn điện 3 pha đấu vào tiếp điểm chính 1, 3, 5 của MCCB- Tiếp điểm chính 2, 4, 6 của MCCB đấu vào 3 tiếp điểm chính 1, 3, 5 của Contactor K_T và 5, 3, 1 của Contactor K_N

- Tiếp điểm chính 2, 4, 6 của Công tắc tơ K_T và K_N được đấu thứ tự vào 3 tiếp

điểm chính 1, 3, 5 của Rơ le nhiệt OLR.

- Tiếp điểm chính 2, 4, 6 của Rơ le nhiệt đấu vào 3 đầu dây U1, V1, W1 củađộng cơ 3 pha Dây PE của động cơ đấu vào dây PE của nguồn

2/ Mạch điều khiểnDây pha L:

-Dây pha L nguồn đấu vào MCB, sau đó đấu với tiếp điểm thường đóng 95 của Rơ le nhiệt

-Tiếp điểm thường đóng 96 của Rơ le nhiệt đấu với tiếp điểm thường đóng 11 củanút nhấn OFF

- Tiếp điểm thường đóng 12 của nút nhấn OFF đấu với tiếp điểm thường mở 13của nút nhấn ON_T, ON_N; đồng thời đấu với tiếp điểm thường mở 33 của K_T, K_N

- Tiếp điểm thường mở 14 của nút nhấn ON_T và 44 của K_T đấu với tiếp điểm thường đóng 31 của KN Tiếp điểm 32 của K_N đấu với A1 cuộn dây Công tắc tơ K_T

- Tiếp điểm thường mở 14 của nút nhấn ON_N và 44 của K_N đấu với tiếp điểm thường đóng 31 của KT Tiếp điểm 32 của K_T đấu với A1 cuộn dây Công tắc tơ K_N

Dây trung tính N và Đèn tín hiệu:

- Dây trung tính nguồn đấu vào MCB.- Tiếp điểm A2 của cuộn dây Công tắc tơ K_T, K_N, tiếp điểm 97 thường mở củaRơ le nhiệt đấu vào dây trung tính N

- Đèn Xanh L1: X1 đấu vào dây pha, X2 đấu vào trung tính N Báo tín hiệu khimạch điều khiển được cấp nguồn

- Đèn Xanh L_T: X1 đấu với tiếp điểm thường mở 4 của nút nhấn ON_T, X2 đấuvào trung tính N Báo tín hiệu khi động cơ chạy thuận

- Đèn Xanh L_N: X1 đấu với tiếp điểm thường mở 4 của nút nhấn ON_N, X2 đấuvào trung tính N Báo tín hiệu khi động cơ chạy nghịch

- Đèn Đỏ: X1 đấu vào dây pha, X2 đấu với tiếp điểm 98 thường mở của Rơ lenhiệt Báo tín hiệu khi động cơ quá tải