Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc

ng ba cuộn kháng bão hòa. Trong đó: Wck1 : cuộn kháng chủ đạo tạo ra từ trường H1 Wck2 : Cuộn phản hồi dương dòng điện được cung cấp nguồn điện một chiều thông qua máy biến dòng BD và bộ chỉnh lưu CL1 tạo ra từ trường H2 cùng chiều với H1. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 33 Wck3 Cuộn phản hồi âm điện áp được cung cấp điện nhờ máy biến áp BA và bộ chỉnh lưu CL2 tạo ra từ trường H3 ngược chiều với H1. BA: Máy biến áp. BD: Máy biến dòng. Sơ đồ nguyên lý: Hình 2-13: Sơ đồ cuộn kháng bão hòa dùng khâu phản hồi dương dòng điện và âm điện áp * Nguyên lý làm việc: Ở trường hợp này ta cũng thay đổi Rđc để điều chỉnh tốc độ, ta có: Từ trường tổng của cuộn kháng: H = H1+H2-H3 (2-30) Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 34 Khi ta giảm Rđc thì Ukc giảm khi đó Ikc giảm, cuộn kháng làm việc ở trạng thái bão hòa, xck tăng, Uck tăng, tốc độ động cơ giảm khi tăng Rđc thì quá trình diễn ra ngược lại. Ở sơ đồ hình 2-12, khi ta muốn thay đổi hệ số phản hồi dương dòng điện thì thay đổi trị số R1 và thay đổi hệ số phản hồi âm điện áp thì ta thay đổi trị số R2. * Khả năng tự ổn định tốc độ của hệ thống: Hệ thống có khả năng tự ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi nhờ có khâu phản hồi dương dòng điện và âm điện áp. Giả sử khi cần tốc độ không đổi nĐ= nyc= const. Đột nhiên phụ tải Mc giảm xuống làm tốc độ nĐ tăng lên hơn tốc độ yêu cầu khi Mc giảm thì I1 giảm nên H2 giảm. Mặc khác, khi I1 giảm, Uck giảm, UĐ tăng vì vậy H3 tăng. Mà từ trường tổng: H=H1+H2-H3 giảm lúc đó cuộn kháng làm việc ở trạng thái kém bão hòa, hệ số từ thẩm m tăng nên xck tăng và điện áp rơi trên cuộn kháng Uck tăng do đó điện áp đặt vào động cơ UĐ giảm làm cho tốc độ động cơ về tốc độ yêu cầu. Ta có dạng đặc tính cơ nhu hình vẽ: Hình 2-14: Dạng đặc tính cơ khi dùng cuộn kháng bão hòa có khâu phản hồi Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 35 Nhận xét và ứng dụng trong công nghiệp · Ưu điểm: + Phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ rộng Đmax =8. + Quá trình điều chỉnh tốc độ bằng phẳng vì tốc độ động cơ phụ thuộc vào dòng điện khống chế mà Ikc lại phụ thuộc vào Rđc. + Làm việc chắc chắn, giá thành thấp và không gây tiếng ồn. · Nhược điểm: Đối với khâu phản hồi âm tốc độ: + Cần phải có máy phát tốc để nối với động cơ điện làm cho sơ đồ phức tạp hơn. + Phụ thuộc vào vị trí xung quanh vì chiếm chỗ lớn. Đối với khâu phản hồi dương dòng điện và âm điện áp: + Có sai số điện áp đặt vào động cơ do mắc biến áp vào động cơ. + Cần phải có máy biến dòng. * Ứng dụng trong công nghiệp: Phương pháp này thường dùng trong các hệ thống truyền động như: cần trục, máy xúc và nhất là những nơi dễ cháy nổ như mỏ dầu, mỏ than … Hệ thống cuộn kháng bão hòa động cơ ngày càng được ứng dụng rộng rải trong điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ và khi sử dụng cuộn kháng bão hòa để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, người ta kết hợp cuộn kháng bão hòa với điện trở phụ trong mạch rôto nhằm mở rộng phạm vi điều chỉnh. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 36 CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ BIẾN TẦN 3.1 BIẾN TẦN VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA BIẾN TẦN TRONG CÔNG NGHIỆP. Hình 3.1: Biến tần SIEMENS Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, này càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần. Trong đó một bộ phân đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển động cơ điện. Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn định tốc độ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống … ví dụ máy ép nhựa làm đế giày, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp. Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 37 thông… Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ của động cơ: + Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất. +Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện, phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy bộ biến tần được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ theo phương pháp này. Khảo sát thực tế cho thấy: · Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển mômen. · Trong các bộ điều khiển mônmen động cơ chiến 55% là các ứng dụng quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng. · Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từ việc giảm năng lượng điện năng tiêu thụ. Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt. · Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ bơm và quạt. · Điều chỉnh áp suất tương ứng với việc điều chỉnh góc mở của van. · Giảm tiếng ồn công nghiệp. · Năng lượng sử dụng tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ. · Giúp tiết kiệm điện năng tối đa. Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo các phương thức khác nhau, không dùng mạch điện tử. Trước kia khi công nghệ chế tạo bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp. Ưu điểm chính của các thiết bị chính dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 38 tốt (ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như: - Giá thành cao do phải dùng máy biến áp với công suất lớn. - Tổn thất công suất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu. - Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo trì cũng như thay mới. - Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra do có hiện tượng bão hòa từ của lõi thép máy biến áp. Ngoài ra các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát như: điện áp, dòng điện, khởi động mềm, tính chất tải… mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này. 3.2 PHÂN LOẠI BIẾN TẦN. Biến tần thường được chia làm hai loại: + Biến tần trực tiếp. + Biến tần gián tiếp. 3.2.1 Biến tần trực tiếp: Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp. Trong bộ biến tần trực tiếp chức năng chỉnh lưu và nghịch lưu cùng nằm trên một bộ biến đổi, không sử dụng tụ chuyển mạch và chỉ chuyển đổi một lần nên hiệu suất cao. Nhưng thực tế mạch van khá phức tạp do số lượng van lớn, nhất là đối với mạch ba pha. Việc thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc vào f1. Biến tần được sử dụng với phạm vi điều chỉnh f2<f1. Trong thực tế ít được sử dụng. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 39 3.2.2 Biến tần gián tiếp: Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau: Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp. Như vậy để biến đổi tần số cần qua một khâu trung gian một chiều vì vậy có tên gọi là biến tần gián tiếp. Do tính chất của bộ lọc nên biến tần loại này còn được phân làm hai loại: + Biến tần dùng nghịch lưu áp. + Biến tần dùng nghịch lưu dòng. a) Biến tần dùng nghịch lưu áp: Hình 3.4: Sơ đồ biến tần dùng nghịch lưu áp Bộ lọc sử dụng tụ C lớn ở đầu vào của bộ nghịch lưu nên điện áp đặt vào bộ nghịch lưu xem như nguồn áp, cùng với điện cảm L tụ C làm phẳng điện áp chỉnh lưu. Chỉnh Lưu Bộ Lọc Bộ Băm Nghịch Lưu Bộ Điều Khiển U1,f1 U2,f2 + + - - + - Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 40 Ngoài ra tụ C còn nhiệm vụ trao đổi công suất phản kháng Q giữa tải với bộ nghịch lưu và mạch một chiều, bằng cách cho phép sự thay đổi nhưng trong thời gian ngắn dòng vào bộ nghịch lưu mà không phụ thuộc vào bộ chỉnh lưu. Khi sử dụng bộ băm điện áp hay phương pháp điều biên độ rộng xung thì có thể sử dụng bộ chỉnh lưu không điều khiển (dùng diode). Do tác dụng của diode ngược nên đầu vào của bộ nghịch lưu luôn luôn dương. Đối với loại này thì yêu cầu của bộ biến tần là năng lượng được truyền hai chiều tức là động cơ thực hiện hãm tái sinh thì bộ chỉnh lưu làm việc được cả bốn góc phần tư. Đối với động cơ công suất nhỏ thì việc hãm tái sinh động cơ trả năng lượng về nguồn là không cần thiết. b) Biến tần dùng nghịch lưu dòng : Hình 3.5: Sơ đồ biến tần dùng nghịch lưu dòng. Bộ lọc có cuộn san bằng có cảm kháng lớn có tác dụng như nguồn dòng cấp cho bộ nghịch lưu. Dòng điện trong mạch một chiều được san phẳng bởi L, dòng điện này không thể đảo chiều. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 41 Ngoài ra cuộn san bằng L còn có tác dụng đảo chiều công suất phản kháng của tải trong mạch một chiều, cuộn kháng này cho phép đảo chiều điện áp đặt vào bộ nghịch lưu mà không phụ thuộc vào bộ chỉnh lưu, do vậy rất phú hợp với việc hãm tái sinh động cơ. Tuy nhiên chỉ điều chỉnh được dòng và áp của tải theo phương pháp biên độ nên chỉnh lưu phải sử dụng linh kiện bán dẫn có điều khiển. 3.3 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MỘT BIẾN TẦN: Hình 3.6: Cấu trúc của một biến tần Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha. Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều. Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu. Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số có thể thay đổi được. Điện áp một chiều được biến thành xoay chiều nhờ vào việc mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhất định. ĐC Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 42 Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một quy luật điều khiển nào đó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu. Ngoài ra có con một số chức năng sau: + Theo dõi sự cố lúc vận hành. + Xử lý thông tin từ người sử dụng. + Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm. + Xác định đặc tính – mômen tốc độ. + Xử lý thông tin từ mạch thu thập dữ liệu. + Kết nối với máy tính…… Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van công suất trong mạch nghịch lưu. Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly giữa mạch công suất với mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển. Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thông tin hệ thống như: tần số, dòng điện, điện áp…, để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệ thống. Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp, nhiệt độ, biến đổi chúng thành những tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý. Ngoài ra còn có các mạch bảo vệ khác như bảo vệ chống quá áp hay thấp quá áp ở đầu vào. Các mạch điều khiển, thu thập dữ liệu đều cần cấp nguồn các nguồn này thường là điện áp một chiều 5V, 12V, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổn định. Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện thích hợp đó. Sự ra đời của các bộ vi xử lý có tốc độ tính toán nhanh có thể thực hiện các thuật toán phức tạp thời gian thực, sự phát triển của các lý thuyết điều khiển. công nghệ sản xuất IC có mức độ tích hợp ngày càng cao cùng với giá thành của các linh kiện ngày càng giảm dẫn đến sự ra đời của các bộ biến tần ngày càng thông minh có khả năng điều chỉnh chính xác, đáp ứng nhanh và giá thành rẻ. 3.3.1 Chỉnh lưu. Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. Chỉnh lưu có thể là có điều chỉnh hoặc không điều chỉnh. Ngày nay đa Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 43 số chỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi. Nói chung chức năng của biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua luật điều khiển. Trong các bộ biến đổi công suất lớn người ta thường dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho hệ thống khi quá tải. Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định. Đối với mạch chỉnh lưu có các cách mắc như sau: + Sơ đồ hình tia ba pha Sơ đồ hình tia một pha + Sơ đồ hình cầu ba pha Sơ đồ hình cầu một pha Hình 3.7: Các sơ đồ mạch chỉnh lưu Tùy thuộc vào mức độ yêu cầu về chất lượng điện áp DC nào cho phù hợp, dạng sóng điện áp ra như sau: Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 44 Hình 3.8: Các dạng sóng điện áp ra của bộ chỉnh lưu. Đối với chỉnh lưu một pha 1/2 chu kỳ: Ta thấy dạng sóng ra nhấp nhô, do đó muốn ít nhấp nhô cần phải có bộ lọc tốt. 2d fU Up = , 2d fI URp = Đối với chỉnh lưu cầu một pha : Dạng sóng ra đỡ nhấp nhô hơn chỉnh hình tia một pha, do đó vận hành sẽ kinh tế hơn. 2 2d fU Up = , 1 2 2 dm II p= Đối với chỉnh lưu hình tia ba pha: Dạng sóng điện áp ra ít nhấp nhô hơn chỉnh lưu một pha. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 45 2 3 6 2d U U p = Đối với chỉnh lưu cầu ba pha : cho điện áp và dòng chỉnh lưu tốt hơn so với chỉnh lưu ba pha hình tia. Giá trị trung bình của điện áp ra đối với sơ đồ hình cầu như sau : 2 3 6 d fU Up = 3.3.2) Lọc: Có nhiệm vụ sang phẳng điện áp sau khi chỉnh lưu. Hình 3.9: Sơ đồ mạch lọc. Mạch lọc được dùng cả tụ điện C và cuộn kháng L dẫn đến biên độ sóng hài được giảm nhỏ và điện áp ra tải ít bị đập mạch hơn. Vì vậy bộ lọc LC thường được sử dụng nhiều nhất. 3.3.3) Nghịch lưu. Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập. Nghịch lưu có thể là một trong ba loại sau: + Nghịch lưu nguồn áp: Trong dạng này, dạng điện áp ra tải được định dạng trước (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chất tải. Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn suất điện động có nội trợ nhỏ. Trong các ứng dụng điều khiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu áp. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 46 Hình 3.10: Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha Các transistor mở lần lượt T1 ¸ T6 với góc lệch pha giữa các transistor là 600. Như vậy ở bất kỳ thời điểm nào cũng có ba transistor dẫn (hai của nhóm này và một của nhóm kia) cho dòng chảy qua. Ở mỗi thời điểm sơ đồ đều có một pha mắc nối tiếp với hai pha đấu song song, do vậy điện áp trên tải chỉ có hai giá trị hoặc Ed/3 (khi pha đó đấu song song với một pha khác) hoặc 2Ed/3 (khi nó đấu nối tiếp với hai pha khác đấu song song. Giả thiết tải đối xứng ZA=ZB=ZC theo dạng điện áp ra ta có trị số hiệu dụng của nó. 2 2 3 3 2 2 2 0 0 3 2 21 1 1( ) ( ) 2 3 3 3 n n n pha pha E E EU U d d d p p p p q q q p p p é ù ê ú= = + =ê ú ê úë û ò ò ò (3.1) Ta có biểu đồ điện áp ra của tải theo thời gian như hình 3.11. + Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược với dạng trên, dạng dòng điện ra tải được định hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải. Nguồn cung cấp phải là nguồn dòng để đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định. Vì vậy nếu nguồn là suất điện động thì phải có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều khiển ổn định dòng điện. + Nghịch lưu cộng hưởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng hưởng khi mạch hoạt động, do đó dạng dòng điện hoặc điện áp thường có dạng hình sin. Cả điện áp và dòng điện ra phụ thuộc và tính chất tải. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 47 Hình 3.11: Giản đồ xung thời gian của điện áp ra của tải theo thời gian Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 48 3.3.4 Điều biến độ rộng xung (Khối băm) Phương pháp điều biến độ rộng xung cho phép vừa điều chỉnh được điện áp ra vừa giảm nhỏ được ảnh hưởng của các sóng hài bậc cao. Để xác định khoảng cách xung chùm điều khiển các van, ta tạo ra sóng dạng sin Ur có tần số bằng tần số mong muốn gọi là sóng điều biên. Dùng một khâu so sánh là Ur và Up, các giao điểm của hai sóng hài này xác định khoảng phát xung. Tỷ số giữa biên độ sóng điều biên và biên độ sóng mang gọi là tỷ số điều biên. M=Ar/Ap Để điều chỉnh độ rộng xung tức là điều chỉnh điện áp ra trên tải ta điều chỉnh Ar. Điều biến độ rộng xung được chia thành hai loại: + Điều biến độ rộng xung đơn cực. + Điều biến độ rộng xung lưỡng cực. a) Điều biến độ rộng xung đơn cực. Điện áp ra trên tải là một chuổi xung, độ rộng khác nhau, có trị số 0 và E. Hình 3.12: Điều biến độ rộng xung đơn cực. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 49 b) Điều biến độ rộng xung lưỡng cực. Điện áp ra trên tải là một chuổi xung, độ rộng khác nhau và có trị số là ±E Hình 3.13: Điều biến độ rộng xung lưỡng cực. 3.4 NGUYÊN LÝ VÀ PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHỈNH KHI THAY ĐỔI TẦN SỐ. 3.4.1 Nguyên lý làm việc. Đầu tiên nguồn diện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn điện một chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. nhờ vậy hệ số công suất cosj của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất là 0,96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều ba pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trong lõi sắt trong động cơ. Bộ biến tần phải thỏa mãn các yêu cầu sau: + Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 50 + Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trùy từ thông khe hở không đổi trong vùng điều chỉnh mômen không đổi. + Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số. Hệ thống điện áp xoay chiều ba pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tùy theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tùy theo chế độ điều khiển. Tuy vậy với tải bơm và quạt quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mômen là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm và quạt do bản thân mômen lại là hàm bậc hai của điện áp. Ngoài ra biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợpn cả bộ PID và thích hợp với những chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA. * Ưu điểm của biến tần: Điểm đặc biệt nhất của hệ truyền động biến tần – động cơ là có thể điều chỉnh vô cấp tốc độ động cơ. Tức là thông qua việc điều chỉnh tần số có thể điều chỉnh tốc độ động cơ thay đổi theo ý muốn của một dải rộng. Sử dụng bộ biến tần bán dẫn cũng có nghĩa là mặc nhiên được hưởng rất nhiều tính năng thông minh linh hoạt là tự động nhận dạng động cơ, tính năng điều khiển thông qua mạng, có thể thiết lập được 16 cấp tốc độ, khống chế dòng khởi động của động cơ, giúp quá trình khởi động êm ái (mềm) nâng cao độ bền kết cấu cơ khí, giảm chi phí lắp đặt, bảo trì, tiết kiệm không gian lắp, các chế độ tiết kiệm năng lượng. Có thể kiểm soát được hệ truyền động qua các chế độ bảo vệ quá tải, quá nhiệt, quá dòng, quá áp, thấp pha, lỗi mất pha, lệch pha … của biến tần. Đặc biệt với những bộ biến tần có những bộ điều khiển Sensorless vector SLV hoặc vector Control with Encoder Feeback sẽ có nhiều tính năng cao cấp hơn hẳn, chúng sẽ có một dải điều chỉnh tốc độ rất rộng và mômen khởi động lớn, bằng Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 51 200% định mức hoặc lớn hơn, sự biến động tốc độ quay ở tốc độ thấp được giảm triệt để, giúp nâng cao sự ổn định và độ chính xác của quá trình làm việc, mômen làm việc lớn, đạt 150% định mức ngay cả vùng tốc độ bằng 0. Từ biểu thức: 11 60 fn p = 3.4.2 Phương thức điều khiển khi thay đổi tần số. Ta thấy tốc độ đồng bộ của động cơ không đồng bộ có thể thay đổi nếu ta thay đổi tần số của lưới điện f1. Do đó tốc độ của động cơ n = n1(1-s) cũng thay đổi theo. Khi thay đổi tần số của lưới điện f1 ta nhận thấy như sau: Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator tức là xem r1 =0 thì mômen tới hạn cực đại là: 2 2 1 1 1 1 3 3 2 2 9, 55 th n n U UM n XX w = (3.2) Trong đó: 1w là tốc độ đồng bộ 1nX Lw= '1 2nL L L= + 11 2 f p p w = Thay các công thức trên vào (3-2) ta được: 2 2 1 2 2 1 3 . 2(2 ) .th n U pM f Lp (3.3) Đặt 2 2 2 1 3 2(2 ) . n pa f Lp = ta có 2 1 2 1 th UM a f = (3.4) Biểu thức (3-4) cho thấy khi tăng tần số nguồn mà vẫn giữ nguyên điện áp U1 thì mômen tới hạn cực đại Mth giảm rất nhiều. Do đó khi thay đổi tần số f1 thì đồng thời phải thay đổi điện áp theo một quy luật nhất định nhằm đảm bảo sự làm việc tương ứng giữa mômen động cơ và mômen phụ tải. Nghĩa là tỷ số giữa mômen cực đại của động cơ và mômen phụ tải tĩnh đối với các đặc tính cơ là hằng số. onstm c M c t M l = = (3.5) Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 52 Đặc tính cơ của bộ phận làm việc là quan hệ giữa tốc độ quay của mômen phụ tải lên trục quay: ( )cM f n= . Theo biểu thức thực nghiệm mang tính chất tổng quát để mô tả dạng đặc tính cơ của bộ phận làm việc như sau: ( )( )xc co cdm co dm nM M M M n = + - (3.6) Trong đó: Mc : Mômen cản của bộ phận làm việc trên trục quay ở tốc độ n (Nm). Mco : Mômen cản của bộ phân làm việc trên trục quay khi n=0. Mcđm: Mômen cản của bộ phân làm việc trên trục quay khi n=đm x : Là số mũ đặc trưng mô tả dạng đặc tính cơ của bộ phận làm việc (cơ cấu sản xuất) khác nhau. Gồm 4 dạng như sau: * x=0 ta có: Mc=Mcđm=const (3.6a) Đây là đặc tính cơ đặc trưng cho hệ thống nâng và luôn có giá trị nhất định (đường 1 trên hình 3.14) * x=1 Đặc tính cơ có dạng: Mc=a+bn (3.6b) Mc tỷ lệ bậc nhất với tốc độ. Đây là đặc tính cơ cho máy phát điện một chiều kích từ độc lập với phụ tải máy phát là một điện trở thuần (đường 2 trên hình 3.14) * x= - 1 Đặc tính có dạng: ( )c bM a n = + (3.6c) Mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, đặc tính này đặc trưng cho máy cắt kim loại (đường 3 trên hình 3-14) * x = 2 Đặc tính có dạng: Mc =a+bn2 (3.6d) Mômen tỷ lệ với bình phương tốc độ, là đặc tính đặc trưng cho máy nén, tàu thủy …(đường 4 trên hình 3-14) Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 53 Hình 3-14: Các dạng đặc tính Như vậy muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số ta phải có một bộ nguồn xoay chiều có thể điều chỉnh tần số điện áp một cách đồng thời theo các quy luật sau: 1 1 onsU c t f = 12 1 onsU c t f = 2 1 1 onsU c t f = Như vậy dạng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi tần số theo quy luật điều chỉnh hình 3-18. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 54 Hình 3-15: Các dạng đặc tính cơ của động cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi tần số theo quy luật điều chỉnh U và f Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 55 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 4.1 TÍNH CHỌN PHƯƠNG ÁN CHO MẠCH ĐỘNG LỰC. 4.1.1 Tính chọn máy biến áp động lực. Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý biến áp lực Do máy áp công suất nhỏ nên sụt áp nên sụt áp trên nó khoảng 5,5% điện áp rơi trên diode nối tiếp là 2V nên điện áp chỉnh lưu không tải là Ud0=5,5Ud+2+Ud. Trong đó Ud là điện áp một chiều cần thiết để cung cấp cho bộ nghịch lưu ba pha. Với Ud =U’d+2+U’d.1,5% Trong đó : 1,5 % là sụt áp rơi trên cuộn kháng : 2V là sụt áp trên các van. Trong phạm vi đề tài ta chọn tần số cao nhất của điện áp ra là fmax=50Hz. Do đó để cho tỷ số U/f =const thì Ufmax =Udmax.fmax/fdm=220.50/50 =220V. Điện áp trước bộ nghịch lưu là : ' 3 .220 467 2d U = = (V) Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 56 Ud =467+2+1,5%.467=476 (V). Nhưng theo công thức trên điện áp sau khi lọc gấp 1,41 lần trước khi lọc nên ta chọn U’d =476/1,41=337,5 V. Đây là giá trị điện áp cần thiết sau khi băm. Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu: U’do =337,5 /1,41=239,4 (V) Vậy Udo=5,5% U’do+2+U’do=5,5%.239,4+2+239,4=245,6(V). Trị số hiệu dụng của điện áp pha máy biến áp: 02 254,6 283,5 2 2 2 2 UU p p= = = (V) Tỷ số biến áp 1 2 220 0,776 283,5 Uk U = = = Giá trị hiệu dụng của dòng thứ cấp MBA Vì tải là động cơ không đồng bộ và có cuộn cảm trên mạch động lực nên dòng điện xem như là dòng liên tục. 2 2 2 0 1 ( ) . / . 750 / 476.0,8 2 2 d d d I I dt I P U p h p= = = = =ò (A) Dòng điện chảy qua cuộn sơ cấp: I1 = k.I2 =0,776.2=1,55 (A) Công suất cuộn sơ cấp: S1=U1.I1 =220.1,55 =341 (VA) Công suất cuộn thứ cấp: S2=U2.I2 =283,5.2 = 567 (VA) Công suất biểu kiến MBA là : 1 2 341 567 454 2 2 S SS + += = = (VA) Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 57 Số vòng dây: 45. ' Un S = Trong đó: U là điện áp, S’ là tiết diện từ dẫn. Ta có tiết diện từ dẫn theo công thức sau: ' 1, 2 1, 2 454 25,56S S= = = (cm2) Số vòng dây sơ cấp: 11 45 45.220 387, 4 ' 25,56 Un S = = = (vòng) Số vòng dây thứ cấp: 22 45 45.283,3 499,2 ' 25,56 Un S = = = (vòng) Chọn đường kính dây quấn: S (VA) jmax (A/mm2) 0¸50 4 50¸100 3,5 < 200 3 < 500 2,5 < 1000 2 Vì S=454 nên ta chọn j1 –j2 =2,5 (A/mm2) Tiết diện dây được tính theo công thức sau: S=p R2 =p (d/2)2 Þ 4Sd jp = Mặc khác, tiết diện dây được tính theo công thức sau; IS j = Þ 4Id jp = Tiết diện sơ cấp : 1 4.1,55 0,99 .2,5 d p = = (mm) Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 58 Tiết diện thứ cấp : 2 4.2 1 .2,5 d p = = (mm) 4.1.2 Mạch chỉnh lưu: Theo yêu cầu và nhiệm vụ, để điều chỉnh điện áp ta dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển dùng toàn diode. Để đơn giản ta dùng bộ chỉnh lưu cầu một pha. Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu Hoạt động của sơ đồ. Trong khoảng 0 < q < p, 2 22. sinv V tw= dương, tính từ cực dương tại điểm A. Khi v2 £ E thì không có dòng chảy trong mạch tải, tất cả các Diode đều khóa. Khi v2>E thì D1và D3 mở cho dòng chảy qua. Trong khoảng p<q<2p, điện áp v2 <0, tính từ cực dương tại điểm B, diode D2 và D4 mở cho dòng chạy qua. - Giá trị trung bình của điện áp trung bình sau chỉnh lưu: 2 2 2 2 . 0,9dU V Vp = = - Giá trị trung bình của dòng điện tải: Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 59 1 1 22 sin1 ( )d V EI d R p q q q q p - - = ò - Giá trị trung bình của dòng điện chạy trong diode: 1 1 22 sin1 ( ) 2 d D IV EI d R p q q q q p - - = =ò - Điện áp ngược mỗi diode phải chịu: 22ngU V= Trong đó: V2 là giá trị hiệu dụng của điện áp pha của nguồn. Ghi chú: Trong điều kiện thực tế, nếu chỉ có nguồn một pha để chỉnh lưu thì điện áp sau chỉnh lưu là: 2 2 2 . 200dU Vp = » (V) Þ Động cơ sẽ không thể vận hành hết định mức. * Tính chọn linh kiện mạch chỉnh lưu: Điện áp ngược mỗi diode phải chịu: Uimax = 22.U = 2.283,5 =400,1 (V) Giá trị dòng điện trung bình chảy qua diode trong một chu kỳ: 2 1 2 2 d D II = = = (A) Theo kinh nghiệm thực tế ta chọn hệ số an toàn về điện áp ku=1,6 và hệ số an toàn về dòng điện ki= 1,2. Vậy ta chọn diode chịu được điện áp ngược: U’imax =ku.Uimax =1,6.400,1 =640 (V) Và dòng điện trung bình : I’D=ki.ID=1,2.1=1,2 (A) Vậy chọn 4 diode loại B10 do Liên Xô chế tạo với các thông số sau: Itb=10A, Uimax =100¸1000V 4.1.3 Tính chọn linh kiện băm điện áp. Điện áp trung bình lớn nhất qua van băm là: Uimax =U’do.1,41=239,4.1,41=337,5 (V) Điện áp ngược kể cả hệ số an toàn: Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 60 U’imax =1,6.337,5=540 (V). Dòng điện lớn nhất qua van băm chính là dòng điện khởi động của động cơ: 750 2, 46 380.0,8 dm k dm PI U h = = = (A). Thường Imm=(4¸7)Idm. Chọn hệ số mở máy kmm =4 Vậy Imm =4.2,46 =9,84 (A). Ta chọn van băm điện áp là transistor cảu hãng FAIRCHILD với các thông số kỹ thuật như sau :BU2508 có VCBO =1500 (V), VCEO =800(V), VEBO=6(V), IC =10 (A), hFE =8 4.1.4 Mạch nghịch lưu. Khối nghịch lưu dùng để biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số thay đổi được để cung cấp cho động cơ ĐK. Ta sử dụng bộ nghịch lưu áp ba pha hình cầu, thiết bị dùng trong bộ nghịch lưu có thể là: Tiristor, Transistor, Mosfet. Dựa vào những ưu điểm cũng như khuyết điểm của Tiristor, transistor, Mosfet ở đây ta chọn mạch nghịch lưu dùng Transistor. Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu * Nguyên lý hoạt động: Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 61 Các transistor lần lượt mở theo thứ tự T1, T2, T3, T4, T5, T6, T1 …với góc lệch giữa hai transistor là 600 điện, mỗi van dẫn trong khoảng l=p. Như vậy tại bất kỳ thời điểm nào cũng có ba transistor dẫn, 2 thuộc nhóm này và một thuộc nhóm kia tạo nên điện áp xoay chiều đặt lên động cơ. Thời điểm các transistor T1, T3, T5 và T2 và T4, T6 dẫn bắt đầu dẫn lệch nhau 1200, do đó điện áp ra trên bộ nghịch lưu lệch nhau 1200 điện. Điện áp ra của động cơ có dạng xung chữ nhật. Tại thời điểm các transistor chuyển mạch thì điện áp có đột biến nhảy cấp. Điện áp trên tải chỉ có hai giá trị là Ud/3 (khi đấu song song với một pha khác) hoặc 2Ud/3 (khi đấu nối tiếp với một nhóm song song kia). Do đó điện áp dây có dạng chữ nhật với độ rộng 1200 điện. Dòng điện của động cơ chậm sau điện áp pha tương ứng một góc: j=arctag(wL/C), có dạng xoay chiều không sin tăng theo qui luật hàm số mũ. * Tính chọn linh kiện mạch nghịch lưu. Ở đây tần số fmax=50Hz, thì Ufmax= 220V suy ra Udmax =467V. Giá trị lớn nhất điện áp pha là Ufmax =2/3.467 =311,3V. Chọn hệ số an toàn về điện áp Ku =2 suy ra Uimax =2.311,3= 622,6V, tương tự Iimax =9,84 (A). Vậy ta chọ 6 transistor công suất loại BU2508 có VCBO=1500V, VCEO=800V, VBEO=6V, IC=10A,hF=8. 4.1.5 Tính chọn mạch lọc. Theo công thức tính chỉ số nhấp nhô của điện áp sau khi lọc: 1 1(1 ). .2 . . . . .C m x i x i UK U m C R f m C R f D = = - Với chỉnh lưu cầu một pha thì mx =2. Qua thí nghiêm ta tính toán được Rt=6 (W), chọn hệ số KC=0,01. Thế vào công thức trên ta tính toán được C=8,4.10-4 =840.10-6 (F). Ta chọn tụ tiêu chuẩn C=1000 (mF) với điện áp 800 (V) 4.2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 62 Mạch điều khiển nghịch lưu áp ba pha có nhiệm vụ: + Tạo xung điều khiển để kích mở lần lượt 6 khóa công suất, mỗi xung kích có pha cách nhau 1/6 chu kỳ điện áp ra của bộ nghịch lưu. + Đô rộng mỗi xung điều khiển phải bằng thời gian mỗi khóa ở trạng thái dẫn, tức là bằng 1/2 chu kỳ điện áp ra của bộ nghịch lưu. + Không kích mở hai khóa trong cùng một pha làm việc đồng thời. + Tại một thời điểm bất kỳ đều có ba khóa dẫn, hai của nhóm này và một của nhóm kia. Sơ đồ mạch điều khiển: Hình 4.4: Sơ đồ khối mạch điều khiển Bộ phát xung chủ đạo: là khâu dao động có nhiệm vụ tạo ra các xung điều khiển đưa đến bộ phận phối xung để điều khiển từng khóa công suất. Khâu phân phối xung: Làm nhiệm vụ phân phối xung đến từng khâu khếch đại xung theo một trật tự nhất định và tần số phụ thuộc vào khâu phát xung chủ đạo. Khi tần số ở bộ nghịch lưu thay đổi thì điện áp ở bộ băm cũng thay đổi theo quy luật u/f2 =const. Khâu khếch đại xung: Có nhiệm vụ khếch đại xung từ bộ phận phối xung đưa đến kích mở khóa công suất, ngoài ra còn sử dụng các bộ ghép quang nhằm cách ly mạch điều khiển với mạch động lực. 4.2.1 Tính chọn khâu khếch đại xung: Khâu này có nhiệm vụ khếch đại xung điều khiển để xung này đủ công suất mở transistor, đồng thời làm mạch cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 63 Khâu khếch đại xung dùng bộ ghép nối quang bao gồm diode phát quang và transistor gọi tắt là OPTO. 12V Q2 BU2508 VDC VDK R1 330 ISO6 OPTO 1 2 3 4 R3 470 Q1 C828 D1 LED R2 2.2k 5V Hình 4.5: Sơ đồ khối mạch khếch đại xung * Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: Khi có xung kích mở đến điểm 2 (Opto) sẽ có dòng điện chạy qua Led phát của transistor quang và transistor quang dẫn. Dòng cực E của transistor quang đặt vào Q1 lớn hơn 0,6V làm cho Q1 dẫn, các điện trở R1,R2,R3, dùng để hạn chế dòng cho các BJT Q1, transistor và Led của opto. Điện áp rơi trên Q1 khoảng 0,2V. Do Q1 nối dalington với Q2 là transistor công suất nên dòng cực E của Q1 đủ để kích Q2 mở. Khi không có tín hiệu đến điểm 2 (Opto) thì Q1 ngưng dẫn, ngắt dòng qua led phát nên transistor quang ngưng dẫn làm cho Q1 khóa lại. Do đó sẽ không có tín hiệu đặt vào cực nền của transistor công suất dẫn đến transistor công suất khóa lại. * Tính chọn linh kiện khâu khếch đại xung. Phần tử ghép quang ở đây ta chọn OCTOCOUPLER có: Điện thế cách ly tối thiểu : 2500(V). Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 64 Dòng điện cực đại : 20 (mA). Công suất tiêu tán trên Q1 cực đại: Pmax=VCEQ1.I2=12.10=120(mW). Vậy ta chọn transistor loại: C828 có các thông số như sau: VCBO=30 (V) VEBO=5 (V) VCEO=30 (V) IC=50 (mA) TJ=150C b/a=130/520 Khi Q1 dẫn ta có ILED.R1+Vled=Vcc Vled là điện áp rơi trên led cỡ 1,7(V) Do đó: 1 3 5 1,7 330 10.10 R - - = = (W) Chọn R1=330(W). Chọn R2: Dòng điện cần thiết để kích mở transistor Q1 là: 3 1 1 1.10 7,35 130 C B II b = = = (mA) Thông thường điện áp mức ra logic “1” khoảng 1,7(V) (điện áp đặt vào cực nền transistor Q1). 2 3 1 2.12 0,7 1 2,23 10.10 CC CEQ D B V U U R I - - - - - = = = (kW) Chọn R2=2,2(K). Chọn R3: 3 470cc CQ V U R I - D = =å (W). Vậy chọn R1=330(W) R2=2,2(K) R3=470(W). 4.2.2 Khối tạo xung và phát xung: a) Cấu trúc chung của chip AT89C51: Ta chọn chip AT89C51 cho việc tạo xung và điều khiển các transistor công suất thông qua mạch cách ly (mạch khếch đại). Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 65 Sơ đồ chân tín hiệu của on-chip được thể hiện như trên hình 4.6 với chức năng chân tín hiệu như sau: VCC C1 33p U1 AT89C51 9 18 19 20 29 30 31 40 1 2 3 4 5 6 7 8 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 39 38 37 36 35 34 33 32 RST XTAL2 XTAL1 G N D PSEN ALE/PROG EA/VPP V C C P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 C2 33p Y1 12MHz RESET Hình 4.6: Sơ đồ cấu trúc on-chip RxD : Chân vào nhận tín hiệu nối tiếp. TxD : Chân ra truyền tín hiệu nối tiếp. /INT0 : Ngắt ngoài có số hiệu 0 /INT1 : Ngắt ngoài có số hiệu 1 T0 : Chân vào 0 của bộ thời gian Timer 0. T0 : Chân vào 0 của bộ thời gian Timer 1. /WR : Ghi dữ liệu vào bộ nhớ ngoài. RST : Chân reset, tích cực ở mức cao trong khoảng 2 chu kỳ máy. XTAL1: Chân vào mạch khếch đại dao động. XTAL2: Chân ra từ mạch khếch đại dao động. /PSEN: Chân cho phép đọc bộ nhớ chương trình ngoài (ROM ngoài). Khi on- chip làm việc với bộ nhớ chương trình ngoài, chân này phát tín hiệu kích hoạt ở mức thấp và được kích hoạt 2 lần trong mỗi chu kỳ máy. Chân /PSEN không được kích hoạt khi on-chip làm việc với bộ nhớ chương trình bên trong (ROM nội tại). Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 66 ALE(/PROG): Chân tín hiệu cho phép chốt địa chỉ khi on-chip xuất ra byte thấp của địa chỉ để truy cập bộ nhớ ngoài, tín hiệu chốt kích hoạt ở mức cao, tần số xung chốt bằng 1,6fosc. Đây là chân nhận xung vào để nạp chương trình cho EPROM bên trong nó. /EA(Vpp): Chân cho phép lựa chọn làm việc với bộ nhớ chương trình, khi /EA=1 chon phép on-chip làm việc với bộ nhớ chương trình bên ngoài. Khi chân này được cấp điện áp nguồn +21volt thì on-chip đảm nhiệm chức năng nạp chương trình cho EPROM bên trong nó. Vcc: Chân cấp dương nguồn cho on-chip, dùng mức nguồn +5 (V). Vss; Chân cấp nguồn âm, được nối mass(chân đất). P0.x: Gồm các chân từ P0.0 đến P0.7 là chân của cổng 0. P1.x: Gồm các chân từ P0.0 đến P0.7 là chân của cổng 1. P2.x: Gồm các chân từ P0.0 đến P0.7 là chân của cổng 2. P3.x: Gồm các chân từ P0.0 đến P0.7 là chân của cổng 3. Các chân của cổng này ngoài nhiệm vụ xuất nhập dữ liệu qua cổng còn làm chức năng điều khiển. b) Bộ tạo dao động của on-chip: On-chip có hai chân và là ngõ vào và ngõ ra của một mạch khếch đại đảo được dùng nối với bộ dao động để tạo xung đồng hồ cho on- chip. On-chip sử dụng bộ dao động trong bằng cách nối hai chân và < XTAL2> với một mạch cộng hưởng tinh thể thạch anh 12MHz có tụ thoát nhiễu xuống đất như hình 4.6. Chân RST (reset) được điều khiển bởi một mạch R-C để reset hệ thống tự động khi cấp nguồn, đồng thời có thể reset bằng tay nhờ vào một chuyển mạch nút nhấn. c) Tính chọn nguồn nuôi cho vi mạch: Đối với on-chip chỉ sử dụng nguồn dương từ 5(V). Bộ nguồn cung cấp cho vi mạch gồm: + Một máy biến áp nguồn 220/5 (V). Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 67 + Một vi mạch ổn áp lấy nguồn cung cấp cho chip: LM7805 + Một cầu chỉnh lưu. + Các tụ lọc: C1=1000uF 16(V) C2=0,1uF 16(V) Hình 4.7: Sơ đồ mạch nguồn nuôi cho on-chip 4.3 THIẾT KẾ MẠCH BẢO VỆ. Các linh kiện điện tử cần được bảo vệ khỏi quá áp, quá dòng và quá tốc độ tăng dòng áp. Trong quá trình tính toán chọn thiết bị bảo vệ các linh kiện cần chú ý các giới hạn sử dụng của các thông số sau: + Điện áp ngược lớn nhất. + Giá trị trung bình cho phép diode với dòng điện. + Nhiệt độ cho phép lớn nhất đối với các mặt ghép. + Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của điện áp dv/dt. + Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của dòng điện di/dt. + Thời gian khóa và có thể có nhiều giới hạn thông số tùy theo tính chất của từng linh kiện điện tử. + Khi thiết kế mạch bỏa vệ cần chú ý mối liên hệ giữa hai mặc kinh tế với kỹ thuật. Tức là xem có cần đặt thiết bị bảo vệ hay không. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 68 4.3.1 Bảo vệ mạch chỉnh lưu. Để đảm bảo mạch chỉnh lưu làm việc tin cậy cao ta có thể đặt bảo vệ như hình vẽ: Hình 4.8: Sơ đồ mạch bảo vệ máy biến áp và mạch chỉnh lưu. Cầu chì CC1 dùng bảo vệ ngắn mạch bên ngoài trước máy biến áp được chọn theo giá trị hiệu dụng dòng điện thứ cấp máy biến áp. Ta chọn cầu chì CC1 có các thông số dòng và áp thỏa mãn điều kiện sau: UđmCC1³U1=220V I1mba £ IđmCC1 ³ 1,1I1mba với I1mba=0,34(A) Ta có 0,34£IđmCC1³ 1,1.0,34=0,374(A). Cầu chì CC2 cũng dùng để bảo vệ ngắn mạch ngoài được chọn theo giá trị hiệu dụng dòng thứ cấp máy biến áp. Ta chọ CC2 theo các thông số sau: UđmCC2³U2=280V I1mba £ IđmCC2 ³ 1,1I2mba với I2mba= 2(A) Ta có 2 £IđmCC2³ 1,1.2= 2,2 (A). Cầu chì CC3 dùng để bảo vệ cho từng diode chỉnh lưu và được chọn theo giá trị điện áp chỉnh lưu. U’do =142 (V) rất cao, tuy nhiên với cầu chì CC2 tác động nhanh cũng sẽ đảm bảo được độ tin cậy cao. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 69 4.3.2 Bảo vệ quá dòng trước động cơ. Hình 4.9: Sơ đồ mạch bảo vệ quá dòng trước động cơ. Cầu chì CC4 được chọn theo giá trị định mức cư động cơ về áp và dòng như sau: UđmCC4³Udc=220V Iđmdc £ IđmCC4 ³ 1,1Iđmdc với Iđmdc= 2(A) Ta có 2 £IđmCC4³ 1,1.2= 2,2 (A). 4.3.3 Bảo vệ transistor ở mạch nghịch lưu. Transistor rất nhạy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định mức mà ta gọi là quá điện áp. Để bảo vệ quá điện áp người ta thường dùng mạch LRC, bảo vệ cho từng transistor. Ta có sơ đồ mạch bảo vệ như sau: Hình 4.10: Sơ đồ mạch bảo vệ transistor Người ta thường chọn điện áp định mức của transistor là U³1,6Uim. Trị số này vẫn nhỏ hơn nhiều so với trị số cực đại của các quá điện áp kể trên. Các quá điện áp có tốc độ tăng trưởng du/dt lớn. Đạo hàm điện áp sinh ra dòng điện chảy qua tụ điện C, đấu giữa cực C và cực E của transistor dui C dt = . Điện cảm L hạn chế biên độ ĐK Nghịch Lưu CC4 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 70 của dòng điện này. Khi kích mở transistor, tụ điện C sẽ phóng điện qua transistor, điện trở R sẽ hạn chế dòng điện này. Các linh kiện có thể tính toán bằng công thức, tuy nhiên trong thực tế người ta thường dùng các trị số kinh nghiệm: C=0,1¸1uF, R=10¸100W, L=50¸100mH. 4.4 SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN. 4.4.1 Thuật toán chương trình chính. Khởi tạo các biến hệ thống TMOD =0x11 TR0 = 0 TR1 = 0 Đọc dữ liệu từ RAM Cài đặt Ngắt Chương trình dò tìm phím ấn Phím chức năng Xử lý phím chức năng START Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 71 4.4.1 Thuật toán xử lý phím: Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 72 4.4.2 Thuật toán nghịch lưu ba pha (Nằm trong chương trình ngắt Timer 0): Count = cycle ? Count_pos = #5? START INC Count MOV DPTR,#TABLE MOV A,Count_pos MOVC A,@A+DPTR MOV P2,A MOV TR0,# 1 (Turn on timer 0). MOV TH0,#HIGHT -170 MOV TL0,#LOW -170 End MOV Count_pos,# 0 INC Count_pos MOV Count,#0 Đ S S Đ Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 73 CHƯƠNG 5 THI CÔNG VÀ LẮP RÁP 5.1 LẮP RÁP BỘ CHỈNH LƯU, NGHỊCH LƯU VÀ QUẤN BIẾN ÁP LỰC. 5.1.1 LẮP RÁP BỘ CHỈNH LƯU Hình 5.1 : Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu Với diode được chọn như sau: Điện áp ra của bộ chỉnh lưu: Ud = 0,9U2 (V) Như đã tính toán ở phần trước ta chọn loại diode công suất loại UDngmax=497,9(V), ID=1,2(A) Hình 5.2 Diode R26 R23 C17 VDC C15 J3 AC_220V 1 2 C18 2200uF C16 COM R25 - + D2 1 4 3 2 C14 R24 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 74 5.1.2 LẮP RÁP BỘ NGHỊCH LƯU. JA5 T6 BU2508D D5 DIODE F1 FUSE D1 DIODE JA2 D3 DIODE T4 BU2508D T5 BU2508D J1 PHA A 1 COM JA6 D2 DIODE T2 BU2508D D6 DIODE VDC JA4 JA1 D4 DIODE J2 PHA B 1 T1 BU2508D T3 BU2508D JA3 J3 PHA C 1 Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu Transistor công suất: Hình 5.4: BU2508 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 75 5.1.3 QUẤN BIẾN ÁP LỰC Hình 5.5: Hình dạng mạch từ máy biến áp 5.2 LẮP RÁP MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MẠCH KHẾCH ĐẠI 5.2.1 Mạch điều khiển trung tâm. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 76 b) Khối nút nhấn c) Mạch cấp nguồn 5.2.2 Khối cách ly và khếch đại. 12V Q2 BU2508 VDC VDK R1 330 ISO6 OPTO 1 2 3 4 R3 470 Q1 C828 D1 LED R2 2.2k 5V Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 77 Hình 5.3: Sơ đồ cấu tạo Tụ_Opto_Led Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 78 Hình 5.4: Sơ đồ cấu tạo C828 5.3 MÔ HÌNH LẮP RÁP THỰC TẾ: 5.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN TOÀN MẠCH. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 79 5.4 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN INCSP EQU P0.0 ; Phim tang DECSP EQU P0.1 ; Phim Giam L_R EQU P0.2 ; Chay trai- phai STRT_SP EQU P0.3 ; start- stop BIT_STR BIT 0 ; Bit trang thai start- stop BIT_INC BIT 1 ; Bit trang thai tang BIT_DEC BIT 2 ; Bit trang thai giam BIT_L_R BIT 3 ; Bit trang thai trai -phai BITPWD BIT 4 ; Bit trang thai xung bam OUT1 BIT P2.0 OUT2 BIT P2.1 OUT3 BIT P2.2 OUT4 BIT P2.3 OUT5 BIT P2.4 OUT6 BIT P2.5 PWM BIT P1.3 ; Dieu khien nguon bam COUNT DATA 30h ON_OFF DATA 31h ON_PHIM DATA 32h MSEC DATA 33h SPEED DATA 34h RL_R DATA 35h TLOW DATA 36h THI DATA 37h T_6 DATA 38h T_ON DATA 39h T_OFF DATA 3Ah PWD_OFF DATA 3Bh TAM1 DATA 3Ch TAM2 DATA 3Dh TAM3 DATA 3Eh TABDPL DATA 3Fh TABDPH DATA 40h ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H ; Vector ngat ngoai 0 RETI ORG 000BH ; Ngat timer 0 AJMP TIMER ORG 0013H ; Ngat ngoai 1 RETI ORG 001BH ; Ngat timer 1 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 80 RETI ORG 0023H ; Ngat noi tiep RETI ORG 0030H ; Dat con tro ngy vi tri do MAIN: MOV SP,#5FH MOV IE,#0 ; Interupt Enable (cho phep ngat) CALL TIMER_SETUP BEGIN: MOV COUNT,#0 MOV ON_OFF,#0FFH ; Bien xac dinh trang thai chay hoac dung ; 0 : chay ; 0FFh : dung MOV MSEC,#0 MOV SPEED,#0 ; Bien xac dinh toc do ; 0 : 50Hz ; 1 : 40Hz ; 2 : 30Hz MOV RL_R,#0 MOV 20H,#0 MOV PWD_OFF,#0 ; =0 : mo nguon bam ; =0FFh : tat nguon bam SETB BITPWD ; Bit dieu khien nguon bam: ; =1 tat ; =0 mo MOV P0,#11111110B CLR P0.6 LOOP: ACALL DOC_PHIM MOV A,#20H ANL A,#0FH CJNE A,#0,CO_PHIM AJMP LOOP CO_PHIM: ACALL XU_LY_PHIM MOV 20H,#0 AJMP LOOP DOC_PHIM: MOV R4,#200 W_KEY: ACALL XET_PHIM JNC EXITK ; Phim rung thi bo qua DJNZ R4,W_KEY WAAIT: ACALL XET_PHIM Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 81 JC WAAIT ; cho phim nha RET EXITK: CLR C MOV 20H,#0 RET XET_PHIM: CLR C JNB STRT_SP,IN_K JNB DECSP,DEC_S JNB INCSP,INC_S JNB L_R,R_LEFT_R CLR C RET IN_K: SETB C MOV BIT_STR,C RET DEC_S: SETB C MOV BIT_DEC,C RET INC_S: SETB C MOV BIT_INC,C RET R_LEFT_R: SETB C MOV BIT_L_R,C RET RUN_STOP: MOV A,ON_OFF CPL A MOV ON_OFF,A CJNE A,#0FFH,RUN_M ; Dang o trang thai dung thi chay CLR TR0 ; Dung moto MOV IE,#0 MOV P1,#0FFH RET RUN_M: CLR TR0 MOV IE,#0 ; Dung ngat MOV A,SPEED ; Khoi tao cac thong so de vao trang thai chay (Chuong trinh timer hoat dong) Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 82 MOV B,#5 MUL AB MOV DPTR,#TAB_T MOV B,A MOVC A,@A+DPTR MOV THI,A INC B MOV A,B MOVC A,@A+DPTR MOV TLOW,A INC B MOV A,B MOVC A,@A+DPTR MOV T_6,A MOV TAM1,A INC B MOV A,B MOVC A,@A+DPTR MOV T_ON,A MOV TAM2,A INC B MOV A,B MOVC A,@A+DPTR MOV T_OFF,A MOV TAM3,A CLR TR0 MOV IE,#0 ; Dung ngat MOV A,RL_R CJNE A,#0,IN_LEFT MOV DPTR,#TAB_R GETDPTR: MOV TABDPL,DPL MOV TABDPH,DPH MOV TH0,THI MOV TL0,TLOW MOV TMOD,#00000001B MOV IE,#10000010B SETB ET0 SETB EA SETB TR0 RET TIMER_SETUP: MOV TMOD,#01H MOV TH0,TH0 MOV TL0,TL0 SETB ET0 SETB EA Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 83 SETB TR0 RET XU_LY_PHIM: JB BIT_STR,RUN_STOP JB BIT_DEC,DEC_SP JB BIT_INC,INC_SP JB BIT_L_R,LEFT_R_SP RET IN_LEFT: MOV DPTR,#TAB_L AJMP GETDPTR DEC_SP: MOV A, SPEED CJNE A,#5,DECRC MOV SPEED,#5 DECRC: INC SPEED INCDEC: MOV A,SPEED CJNE A,#0,N0_50 MOV P0,#11011111B AJMP RUN_M N0_50: CJNE A,#1,N0_40 MOV P0,#10111111B AJMP RUN_M N0_40: MOV P0,#01111111B AJMP RUN_M INC_SP: MOV A,SPEED CJNE A,#0,INCRC MOV SPEED,#0 AJMP INCDEC INCRC: DEC SPEED AJMP INCDEC LEFT_R_SP: MOV A,ON_OFF CJNE A,#0FFH,IN_RUN CPL P0.6 MOV A,RL_R CPL A Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 84 MOV RL_R,A IN_RUN: RET TIMER: PUSH ACC PUSH PSW PUSH DPH PUSH DPL SETB RS0 CLR TR0 ; Stop timer 0 MOV TH0,THI MOV TL0,TLOW SETB ET0 SETB EA SETB TR0 ; Restart timer 0 MOV A,PWD_OFF CJNE A,#0,IN_OFFFF DJNZ TAM2,NEXXT ; Dang mo nguon bam MOV TAM3,T_OFF MOV A,TAM3 CJNE A,#0,NEXXT1 MOV TAM3,T_OFF ; Tam2=0, Tam3=0 MOV TAM2,T_ON MOV PWD_OFF,#0 ; Khong tat nguon bam AJMP NEXXT NEXXT1: MOV PWD_OFF,#0FFH ; Tam3 0 thi tat MOV TAM3,T_OFF SETB BITPWD AJMP NEXT0 IN_OFFFF: DJNZ TAM3,NEXT0 MOV PWD_OFF,#0 MOV TAM2,T_ON CLR BITPWD AJMP NEXT0 NEXXT: CLR BITPWD NEXT0: DJNZ TAM1,NEXT MOV TAM1,T_6 MOV DPL,TABDPL Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 85 MOV DPH,TABDPH MOV A,COUNT MOVC A,@A+DPTR CPL A MOV C,BITPWD MOV ACC.7,C ; Dua bit dieu khien xung bam MOV P1,A INC COUNT MOV A,COUNT CJNE A,#6,NEXT MOV COUNT,#0 NEXT: POP DPL POP DPH POP PSW POP ACC RETI TAB_R: DB 00111000B DB 00011100B DB 00001110B DB 00000111B DB 00100011B DB 00110001B TAB_L: DB 00000111B DB 00001110B DB 00011100B DB 00111000B DB 00110001B DB 00100011B TAB_T: DW -3333 ;50HZ DB 1,1,0 DW -417 ;40HZ DB 10,17,7 DW -139 ;30HZ DB 40,38,34 END Điện Thoại liên hệ : 01683892551 Gmail :teminhtri@gmail.com