Đồ án Thiết kế chế tạo bộ điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha cho môn học thí nghiệm truyền động điện (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế chế tạo bộ điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha cho môn học thí nghiệm truyền động điện (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA CHO MÔN HỌC THÍ NGHIỆM TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS. NGUYỄN MINH KHAI SVTH: HOÀNG THIỆN MINH MSSV: 10111037 S K L 0 0 3 8 7 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  BỘ MÔN CƠ ĐIÊṆ TƢ̉ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài:THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA CHO MÔN HỌC THÍ NGHIÊṂ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Giảng viên hƣớng dẫn: TS. NGUYỄN MINH KHAI Sinh viên thực hiện: HOÀNG THIỆN MINH MSSV: 10111037 Lớp: 101111 Khoá: 2010 - 2014 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn CƠ ĐIÊṆ TƢ̉ . NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: TS.NGUYỄN MINH KHAI Sinh viên thực hiện: HOÀNG THIỆN MINH MSSV: 10111037 1. Tên đề tài: Thiết kế chế tạo bộ điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha cho môn học thí nghiệm truyền động điện 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: Điêṇ tƣ̉ công suất (hoàng ngọc văn) 3. Nội dung chính của đồ án: Nghiêncứutổngquancácbộđiềukhiểnđộngcơkhôngđồngbộ. Tìmhiểunguyênlýhoạtđộng. Thiếtkếphầncứng,mạchđộnglực,mạchđiềukhiển. Xây dƣṇ g bài thí nghiêṃ truyền đôṇ g điêṇ 4. Các sản phẩm dự kiến phầncứng, mạchđộnglực, mạchđiềukhiển ,bài thí nghiệm truyền động điện 5. Ngày giao đồ án: 4/2015 6. Ngày nộp đồ án: 7/2015 TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Đƣợc phép bảo vệ (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i
4. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Thiết kế chế tạo bộ điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha cho môn học thí nghiệm truyền động điện - GVHD: Ts. Nguyêñ Minh Khai - Họ tên sinh viên: Hoàng Thiện Minh - MSSV:10111037 Lớp:101111 - Địa chỉ sinh viên:25 Hàn Thuyên ,P Bình Tho,̣ Quâṇ Thủ Đƣ́ c,Tp Hcm - Số điện thoại liên lạc: 01264815814 - Email: thiêṇ minh090@yahoo.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN):7/2015 - Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày . tháng . năm 20 Ký tên ii
5. LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn mặc dù tác giả đã gặp nhiều khó khăn, nhƣng đã nhận đƣợc nhiều sự giúp đỡ về mặt tin thần và vật chất từ: Cán bộ hƣớng dẫn, Thầy Cô, Gia đình, Bạn bè. Đầu tiên xin cám ơn gia đình đã động viên giúp đỡ tác giả khi thực hiện luận văn. Tác giả xin cám ơn TS.Nguyêñ Minh Khai đã định hƣớng và vạch ra hƣớng nghiên cứu cho tác giả, tƣ vấn và giúp đỡ giải quyết khó khăn về mặt chuyên môn trong quá trình thực hiện đề tài. Xin cám ơn đến toàn thể anh, em, cô, chú cán bộ thuộc Phòng Thí Nghiệm Điện Tử Công Suất Nâng Cao D 406, Khoa Điêṇ Điêṇ Tƣ̉ Trƣờng Đaị Hoc̣ Sƣ Phaṃ Kỹ Thuâṭ Tp Hcm , đã hỗ trợ thiết bị cho tác giả hoàn thành luận văn này. Xin cám ơn đến toàn thể Thầy Cô thuộc Bộ môn Cơ Điện Tử, trƣờng ĐH Sƣ Phaṃ Kỹ Thuâṭ TP.HCM đã giúp đỡ, giảng dạy và truyền đạt kiến thức chuyên môn, giúp tác giả hoàn thành luận văn. Cuối cùng xin cám ơn đến Thầy Cô phòng thí nghiệm Điện – điện tử, Phòng thí nghiệm Điêṇ Tƣ̉ Công Suất , Bộ môn Cơ Điện Tử trƣờng ĐH SPKT TP.HCM đã hỗ trợthiết bị. HOÀNG THIỆN MINH iii
6. TÓM TẮT ĐỒ ÁN Thiết kế và chế taọ ra bô ̣điều khiển đôṇ g cơ không đồng bô ̣tƣ̀ đó xây dƣṇ g bài thí nghiệm cho sinh viên thí nghiệm môn truyền động điện .Đồ án gồm năm chƣơng với các nội dung sau: Chƣơng 1 : tổng quan các nghi ên cƣ́ u trong và ngoài nƣớc .Chƣơng 2 : cơ sở lý thuyết ,Cấu taọ nguyên lý hoạt động động cơ KDB 3 pha Các Giải thuật điều khiển , tổng quan về pic 18f ,chƣơng trình ccs .Chƣơng 3: phần cƣ́ ng .Chƣơng 4: thƣc̣ nghiêṃ .Chƣơng 5: bài thí nghiệm . ABSTRACT Designandmanufacture speed controller for the three-phase asynchronous motor,building experiments of goal of electric drive .Projectsincludefivechapterswiththe following contents: Chapter1: Overviewof theresearchat home and abroad Chapter2: Thetheoretical basis ,Operation principlescomposedthree-phase asynchronous motor,Thecontrolalgorithm, an overview of pic18f, programccs. Chapter3:Hardware. Chapter4:Experimental. Chapter5:Experiment. iv
7. MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN i LỜI CAM KẾT ii LỜI CÁM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv MỤC LỤC v DANH MUC̣ BẢ NG BIỂ U vi DANH MUC̣ SƠ ĐỒ , HÌNH VẼ vii DANH MUC̣ TƢ̀ VIẾ T TẮ T ix CHƢƠNG 1: TỔ NG QUAN 1 1.1 Ý nghĩa, tầm quan trọng của việc nghiên cứu luận văn 1 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. 2 1.2.1 Ngoài nƣớc 2 1.2.2 Trong Nƣớc 4 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 2.1 Cơ sở lý thuyết đôṇ g cơ không đồng bô ̣ 3 pha 6 2.1.1 Khái niệm 6 2.1.2 Cấu tạo 6 2.1.3 Nguyên lý hoaṭ đôṇ g 7 2.1.4 Các phƣơng pháp phƣơng pháp điều chế độ rộng xung 10 2.1.5 Bộ nghịch lƣu nguồn áp 10 2.2 Phƣơng pháp điều chế vector không gian (svm) 12 2.2.1 Giới thiêụ chung 12 2.2.2 Sơ đồ sắp xếp các vector 13 2.2.3 Giới thiêụ vector vs 16 2.2.4 Kỹ thuật điều chế vector không gian 18 2.2.5 Giản đồ đóng ngắt các khóa để tạo ra vector vs trong tƣ̀ ng sector 19 2.2.6 Sơ đồ tóm tắt của quá trình điều chế 22 2.2.7 Tính toán góc update của vector vs theo phƣơng pháp điều khiển v/f 23 2.3 Phƣơng pháp sinpwm 26 2.3.1 Giới thiêụ 26 2.3.2 Các công thức tính toán 27 2.4 Tổng quan về pic 18f4431 28 2.4.1 Chƣ́ c năng của tƣ̀ ng chân 31 2.4.2 Các module cơ bản 32 2.4.3 Power control pwm modul 34 2.4.4 Các thanh ghi điều khiển 35 2.4.5 Các module chức năng 35 v
8. 2.4.6 PWM Time Base 38 2.4.7 PWM Time Base Interrrupts 42 2.4.8 PWM Period 46 2.4.9 PWM duty cycle 46 2.4.10Analog to digital converter module (A/D) 48 2.5 Tổng quan về CCS 51 2.5.1 Vì sao ta sử dung CCS ? 51 2.5.2 Giới thiệu về CCS ? 51 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 54 3.1 YÊU CẦU CƠ BẢN 54 3.2 MẠCH ĐỘNG LỰC 54 3.2.1 Bộ chỉnh lƣu 56 CHƢƠNG 4: CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ 57 CHƢƠNG 5: XÂY DƢ̣NG BÀ I THÍ NGHIÊṂ 65 KẾ T LUÂṆ - ĐỀ NGHỊ 70 PHỤ LỤC 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng2.1: Giá trị thời gian trên mỗi sector 19 vi
9. DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ Trang Sơ đồ 4.1 Mạch nguồn kích 15v0v-5v 57 Sơ đồ 4.2 Mạch kích 59 Sơ đồ 4.3 Mạch điều khiển 60 Sơ đồ 4.4 Mạch nghịch lƣu 61 Sơ đồ 5.1 Kích 66 Sơ đồ 5.2 Điều khiển 68 Hình 1.1: Biến tần Siemens 2 Hình 1.2: Biến tần Hitachi 2 Hình 1.3: Biến tần Powtrant 2 Hình 1.4: Biến tần Toshiba 2 Hình 1.5: Sơ đồ điều khiển IM bằng phƣơng pháp V/F trong nghiên cứu AN900 3 Hình 1.6: Mô hình điều khiển trong nghiên cứu của Jingchuan Li 4 Hình 1.7: Mô hình của nhóm nhóm nghiên cứu ĐH Bách Khoa HCM 5 Hình 2.1 Động cơ không đồng bộ bap ha 6 Hình 2.2 Cấu tạo stator 7 Hình 2.3 Cấu tạo rotor 7 Hình 2.4 Nguyên lý tạo ra từ tƣờng bên trong Stator 8 Hình 2.5 Các vị trí của động cơ trong một chu kì dòng điện cấp cho Stator 8 Hình 2.6 Các phƣơng pháp điều khiển IM 9 Hình 2.7 Dạng sóng các tín hiệu điều khiển van , trình tự chuyển mạch và các điện áp pha của bô ̣nghic̣ h lƣu nguồn áp sáu bƣớ c 10 Hình 2.8 Sáu vector điện áp của bộ nghịch lƣu áp sáu bƣớc 11 Hình 2.9 Dạng sóng các điện áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lƣu nguồn áp điều chế sáu bƣớc 11 Hình 2.10 Nguyên lý của bô ̣biến tần sƣ̉ duṇ g 6 khóa transitor công suất 12 Hình 2.11 Trạng thái đóng ngắt các khóa bộn nghịch lƣu 13 Hình 2.12 Biễu diễn vector không gian trong hệ tọa độ x-y 14 Hình 2.13 Bộ nghịch lƣu ở trạng thái V1 14 Hình 2.14 Vector điện áp V1 trên tọa độ α β 15 Hình 2.15 Vector điện áp V1->V6 trên giản đồ α β 15 Hình 2.16 Vector Vs trên hệ trục α β 16 Hình 2.17 Điện áp 3 pha ngõ ra trong miền thời gian tƣơng ứng 16 Hình 2.18 Vs ở sector 1 17 Hình 2.19 Giản đồ đóng ngắt linh kiện 18 Hình 2.20 Sector 1 19 Hình 2.21 Sector 2 20 Hình 2.22 Sector 3 20 Hình 2.23 Sector 4 21 vii
10. Hình 2.24 Sector 5 21 Hình 2.25 Sector 6 22 Hình 2.26 Sơ đồ tóm tắt của quá trình điều chế 22 Hình 2.27 Góc update của vector Vs 24 Hình 2.28 Update vector Vs with stepsize 25 Hình 2.2 Nguyên lý của phƣơng pháp điều rộng SIN một pha 26 Hình 2.3 Nguyên lý của phƣơng pháp điều rộng SIN 3 pha và dạng sóng điện áp ngõ ra 27 Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 54 Hình 4.1 Mạch nguồn kích 15v0v-5v 57 Hình 4.2 Mạch kích 58 Hình 4.3 Mạch điều khiển 60 Hình 4.4 Mạch nghịch lƣu 61 Hinh 4.5 mạch nguồn 61 Hình 4.6 bóng đèn 62 Hình 4.7 đôṇ g cơ không đồng bô ̣ 3 pha 62 Hình 4.8điêṇ áp pha tải bóng đèn 63 Hình 4.9 điêṇ áp dây tải đôṇ g cơ không đồng bô ̣ 3 pha 63 Hình 4.10sản phẩm 64 Hình 4.11sản phẩm 64 viii
11. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT KDB Không Đồng Bô ̣ ix
12. CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1. 1 Ý nghĩa, tầm quan trọng của việc nghiên cứu luận văn Đƣợc sử dụng ngày càng rộng rãi trong và ngoài nƣớc, động cơ IM đƣợc coi nhƣ là sức kéo của cả nền công nghiệp (ví dụ nhƣ động cơ kéo cho dây chuyền, băng truyền công nghiệp, động cơ cắt cho các loại máy phay CNC đa trục,) động cơ IM ngày càng thu hút đƣợc nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển chuyển động. Một phần là do ộđ ng cơ này có ấc u trúc khá đơn giản, dãy tốc độ chậm, giá thành chế tạo thấp (tính trên từng KW), do vậy giảm thiểu chi phí bảo trì trong suốt vòng ờđ i sử dụng. Theo khảo sát, thì 65% năng lƣợng điện đƣợc sử dụng cho động cơ điện. Trong lĩnh vực công nghiệp nói riêng, 76% đƣợc sử dụng bởi động cơ, và trên 90% là ộđ ng cơ IM. Động cơ IM đƣợc đánh giá là có tính ệhi u quả cao về tốc độ và khả năng kéo tải. Tuy nhiên nếu tải nhẹ, tổn hao sắt từ tăng, làm giảm hiệu suất đáng kể, ví dụ đối với động cơ có công suất 500Hp đƣợc kiểm soát công suất phù hợp, sẽ tiết kiệm đƣợc $7000 ở mức giá điện là $0.05/KwHr. Do đó, ta thấy việc nâng cao hiệu suất động cơ là ấv n đề cần đƣợc nghiên cứu. Tuy nhiên động cơ IM là đối tƣợng phi tuyến, có nhiều thông số thay đổi trong quá trình hoạt động (điện trở stator và rotor thay ổđ i bởi nhiệt sinh ra trong động cơ, ma sát nhớt, mômen quán tính vàặ đ c biệt là tải thay đổi).Do đó việc điều khiển chính xác tốc độ động cơ là vấn đề đã đƣợc nghiên cứu từ nhiều thập kỷ nay, trong nhiều phƣơng pháp điều khiển hiện nay nhƣ phƣơng pháp điều khiển vô hƣớng (Scalar control), điều khiển định hƣớng trƣờng (Field Oriented Control), phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mômen (Direct Torque Control) Với những phƣơng pháp điều khiển tốc độ đƣợc kể trên, để tốc độ đƣợc đảm bảo chắc chắc chính xác và ổn định, thì yêu cầu có cảm biến tốc độ cho việc điều khiển vòng kín. Tuy nhiên sử dụng cảm biến tốc độ có một vài bất lợi về chi phí, tín ổn định, khả năng chống nhiễu, và ảnh hƣởng đến kết cấu cơ khí ệh thống. Việc ƣớc lƣợng tốc động cơ không cần cảm biến tốc độ đã đƣợc quan tâm nghiên cứu trong nhiều năm gần đây. Nhƣng bởi vì động cơ mô hình IM có nhiều biến, cộng với có nhiều phƣơng pháp điều khiển khác nhau, nên việc ƣớc lƣợng tốc độ rotor và từ thông không dùng cảm biến vẫn là một vấn đề cần đƣợc nghiên cứu. Và những phƣơng pháp điều khiển khác đã dần hoàn thiện và mang lại hiệu quả. Việc điều khiển tốc độ động cơ không dùng cảm biến tốc độ đã đƣợc nghiên cứu ngày càng phổ biến hiện nay với mục đích làm giảm chi phí, và tránh đƣợc những khó khăn trong việc lắp cảm biến tốc độ lên trên động cơ, vì hầu hết phần cơ khí của động cơ không đồng bộ không hỗ trợ cho việc lắp đặt cảm biến tốc độĐiều khiển tốc độ động cơ IM đƣợc ứng dụng trong công nghiệp đòi ỏh i độ chính xác cao nhƣ: băng tải trong dây chuyền đóng gói sản phẩm, máy cắt các phôi vật liệu không đồng chấtNgoài ra việc ứng dụng vector không gian điều khiển tốc độ động cơ IM có thể ứng dụng trong giáo dục, giúp mô phỏng, kiểm tra, phân tích, so sánh các lý thuyết điều khiển một cách thuận lợi và nhanh chóng. 1
13. CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.2Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. 1.2.1 Ngoài nƣớc Xuất phát từ sự phát hiện ra nguyên lý từ trƣờng xoay của nhà vật lý ngƣời Pháp François Arago năm 1824, qua hàng trăm năm tồn tại nhƣng động cơ IM vẫn đƣợc sử dụng rộng rãi trong thực tế vì: giá thành rẽ, ổn định, tính kinh tế cao. Tuy nhiên bởi đƣợc sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích khác nhau,ớ v i những yêu cầu khác nhau về môi trƣờng, tốc độ, điện ápNên có nhiều phƣơng pháp điều khiển ra đời nhằm đáp ứng những yêu cầu đó. Có nhiều phƣơng pháp điều khiển động cơ, đơn giản nhất là sử dụng phƣơng pháp điều khiển vô hƣớng, phƣơng pháp này điều khiển tỉ số giữa điện áp và tần số không đổi, từ đó thay đổi tốc độ động cơ IM, phƣơng pháp này điều khiển đơn giản, đƣợc ứng dụng cho các nhu cầu không cần độ chính xác cao nhƣ: bơm, quạt. Nhiều hãng sản xuất nhƣ: Siemens, Mishubishi, ABB, Hitachi, Omron, TOSHIBA, Panasonic, Powtrant. Đã chế tạo thành công bộ điều khiển tốc độ động cơ và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện nay. Hình 1.1: Biến tần Siemens Hình 1.2: Biến tần Hitachi Hình 1.3: Biến tần Powtrant Hình 1.4: Biến tần Toshiba Tháng 04/1998, trong báo cáo "Giải pháp xử lý tín hiệu số" của Zhenyu Yu and 2
14. CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN David Figoli mang số hiệu: SPRA284A, thuộc công ty Texas Instrument, đã đề cập việc ứng dụng chip DSP để điều khiển tốc độ động cơ IM sử dụng phƣơng pháp V/F, báo cáo phân tích cụ thể phƣơng pháp điều khiển V/F, khảo sát quang phổ và dòng điện ở từng tốc độ và tần số khác nhau: F=25Hz, F=55Hz, F=30Hz57, F=60Hz. Năm 2004, 2005 công ty Microchip công bố dòng chíp dùng điều khiển tốc độ động cơ IM sử dụng phƣơng pháp V/F control là PIC16F7X7, PIC18F4431, dsPIC30F ở hai bảng báo cáo mang kí hiệu: AN900, AN984.[1][2]. Kết quả báo cáo cho thấy bộ điều khiển ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ cho máy bơm, tốc độ giảm tới 20% và tiết kiệm đƣợc 50% năng lƣợng. Tháng 07/2013, trong biên bản báo cáo mang số hiệu SPRABQ8 của Bilal Akin and Nishant Garg, thuộc công ty Texas Instrument, đã đề cập việc ứng dụng IC TMS320F2803x trong phƣơng pháp điều khiển V/F. Hình 1.5: Sơ đồ điều khiển IM bằng phƣơng pháp V/F trong nghiên cứu AN900[2] Do đòi hỏi việc điều khiển kỹ thuật cao cho động cơ động cơ IM, năm 1971 Blaschke's đã tìm ra phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ dựa vào việc điều khiển tách biệt từ thông và mômen đƣợc gọi là phƣơng pháp điều khiển tựa trƣờng (FOC), và từ đó đã có nhiều công việc nghiên cứu nhằm cải thiện động học và giảm thiểu tính phức tạp của phƣơng pháp này. Trong báo cáo luận văn tiến sĩ mang tên "adaptive sliding mode observer and loss minimization for sensorless filed orientation control of induction machine" năm 2005 của Jingchuan Li, thuộc khoa điện và máy tính, đại học bang Ohio (The Ohio state University), tác giả đã đề cập phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ IM, có hồi tiếp tốc độ rotor không dùng cảm biến, khi tốc độ đƣợc ƣớc lƣợng từ bộ điều khiển trƣợt kết hợp với bộ điều khiển thích nghi. Mô phỏng đƣợc thực hiện trên Matlab Simulink, và phần cứng thực tế đƣợc điều khiển bằng TMS320F2812 DSP 3
15. CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN Hình 1.6: Mô hình trong nghiên cứu của Jingchuan L 1.2.2 Trong nƣớc Tháng 01/2007, sinh viên Lê Trung Nam, khoa điện - điện tử, trƣờng đại học Bách Khoa, thực hiện đề tài tốt nghiệp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha theo phƣơng pháp SINPWM sử dụng dsPIC30F6010, dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Lê Minh Phƣơng.[4] Đề tài trên sử dụng chip điều khiển chuyên dụng của Microchip, lập trình điều khiển tốc độ động cơ IM, tuy nhiên chỉ sử dụng theo phƣơng pháp điều khiển vô hƣớng, do đó thời gian đáp ứng lớn (> 5s), và không ạđ t độ chính xác cao khi có tải. Trên tạp chí khoa học & công nghệ các trƣờng đại học kỹ thuật, số 74 - 2009, các tác giả: Dƣơng Hoài Nghĩa, Nguyễn Văn Nhờ, Nguyễn Xuân Bắc, thuộc trƣờng đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM đã trình bày phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ IM bằng bộ nghịch lƣu ba mức kết hợp với bộ điều khiển trƣợt. Phần cứng đƣợc thực hiện trên card điều khiển dsPace DS1104, kết quả cho thấy động cơ có thể hoạt động trong điều kiện tải trọng thay đổi và tốc độ tăng giảm đột ngột. Hình 1.7: Mô hình của nhóm nhóm nghiên cứu ĐH Bách Khoa HCM[5] Tại hội nghị toàn quốc về điều khiển và tự động hóa (VCCA - 2011), nhóm nghiên cứu: 4
16. CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN Nguyễn Phƣơng Duy, Huỳnh Trung Nam, Huỳnh Thái Hoàng, Nguyễn Văn Nhờ, thuộc khoa Điện - Điện tử, Đại học Bách Khoa TP.HCM báo cáo nghiên cứu "Ứng dụng phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mômen cho bộ biến đổi ma trận điều khiển động cơ không đồng bộ dùng logic mờ", vận dụng những ƣu điểm của phƣơng pháp DTC và bộ biến đổi ma trận để tạo ra đáp ứng hệ thống. Tuy nhiên đáp ứng hệ thống có độ vọt lố, tồn tại sai số xác lập lớn (16%), và thời gian đáp ứng khoảng 5s[11]. Thông số động cơ: 380V/50Hz, số cực: 2, công suất 2.2KW, điện trở stator 3(Ohm). Hình 1.9: Mô hình của nhóm nghiên cứu trƣờng ĐH Bách Khoa HC 5
17. CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chƣơng II: CƠ SƠ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ ba pha 2.1.1. Khái niệm Động cơ không đồng bộ là kiểu động cơ mà trong đó ốt c độ quay của rotor khác hơn tốc độ của từ trƣờng quay, năng lƣợng điện đƣợc truyền từ cuộn dây stator đến cuộn dây rotor (rotor dây quấn), hoặc vòng ngắn mạch (rotor lồng sốc)[6]. Động cơ không đồng bộ ba pha đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp bởi vì có công suất cao, rẻ tiền và độ tin cậy cao.[6] IM là một động cơ không đồng bộ sử dụng điện xoay chiều AC, năng lƣợng đƣợc cung cấp cho trục quay bằng hiện tƣợng cảm ứng điện từ. Loại thƣờng sử dụng là rotor lồng sóc. Các IM đƣợc thiết kế sử dụng nguồn điện ba pha. Đối với việc điều khiển tốc độ quay thay đổi thì nguồn thƣờng đƣợc điều chế là bộ biến tần đƣợc thiết kế bằng các linh kiện bán dẫn (IGBT, MOSFET) để tạo ra điện áp, dòng hình sin có thể đƣợc thay đổi và kiểm soát đƣợc.[6] 2.1.2 Cấu tạo Stator là thành phần chính tạo ra từ tƣờng quay trong IM, và là bộ phận nối trực tiếp với nguồn điện cung cấp cho IM, đƣợc tạo thành từ nhiều tấm thép kỹ thuật điện mỏng ghép lại với nhau thành một hình trụ rỗng (lõi stator ), trong lõi stator có 3 cuộn dây cách điện đặt lệch nhau 1200, mỗi nhóm cuộn dây, cùng với lõi thép của nó tạo thành một nam châm (một cặp cực), tùy theo số lần lặp lại của số cuộn dây mà ta có motor có số cặp cực khác nhau. Khi có dòng điện qua các cuộn dây stator thì từ trƣờng quay đƣợc tạo ra[6]. 6
18. CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2: Cấu tạo stator[6] Rotor đƣợc tạo thành từ nhiều tấm thép hình trụ đƣợc ghép và cách điều nhau bằng nhôm hoặc đồng cùng vật liệu với stator, trong hầu hết các động cơ thì rotor lồng sóc đƣợc sử dụng phổ biến hơn rotor dây quấn, khoảng 90% động cơ đƣợc sử dụng là rotor lồng sóc, bởi vì chúng có cấu trúc đơn giản và chắc chắn. Mỗi một khe trong rotor mang một thanh nhôm làm bằng vật liệu đồng hoặt thép, và các thanh đƣợc nối ngắn mạch ở hai đầu bằng một vành tròn, nhìn tổng quan toàn bộ rotor có các thanh ghép song song với nhau giống nhƣ lồng sóc, nên ta gọi là rotor lồng sóc. Các khe không song song với trục, mà ặđ t nghiêng một góc vì có những lí do sau: - Làm cho motor chạy không bị ồn bởi vì tạo ra từ trƣờng không ồn[6]. - Làm giảm xu hƣớng khóa rotor, số răng rotor còn ạl i bị khóa bởi số răng stator do lực hút giữa hai đối tƣợng này, vấn đề xảy ra khi số răng stator bằng số răng rotor[6]. Hình 2.3: Cấu tạo rotor[3] 2.1.3. Nguyên lý hoạt động Khi cung cấp một điện áp xoay chiều ba pha cho cuộn dây stator, dòng điện đi qua cuộn dây, tạo ra từ trƣờng đƣợc sinh ra trong cuộn dây phụ thuộc vào chiều dòng điện trong cuộn dây, dễ dàng xác ịđ nh đƣợc ở tại thời điểm mà thành phần điện áp hình sin bằng không thì sẽ không có dòng điện qua một cuộn dây, thành phần điện áp có giá trị dƣơng sẽ tạo ra dòng điện ngƣợc chiều với thành phần có giá trị điện áp âm. Để thấy rõ đƣợc điều đó, ta xét tại thời điểm nhƣ hình 2.4: 7
19. CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4: Nguyên lý tạo ra từ tƣờng bên trong Stator[6] Ta thấy pha A không có dòng, pha B có dòng theo chiều âm, và pha C có dòng theo chiều dƣơng, do đó B1, C2 là ực c nam của nam châm điện, B2 và C1 là cực bắc, nhƣ vậy sẽ xuất hiện từ trƣờng có hƣớng đi từ B2, C1 sang C2, B1(theo chiều mũi tên). Cứ nhƣ vậy mà khi cấp đầy đủ một chu kỳ dòng điện thì hoạt động của từ trƣờng trong lòng stator (hay từ trƣờng ảnh hƣởng lên rotor ) đƣợc mô tả nhƣ hình 2.5. Hình 2.5: Các vị trí của động cơ trong một chu kì dòng điện cấp cho Stator[6] Sự khác biệt cơ bản của IM và động cơ đồng bộ AC là dòng điện cung cấp tới rotor, dòng điện này tạo ra từ trƣờng, thông qua sự tƣơng tác từ, làm phát sinh một từ trƣờng xoay trong rotor, là nguyên nhân làm cho rotor xoay, ợđƣ c gọi là ộđ ng cơ đồng bộ bởi vì tốc độ xoay của rotor chính bằng tốc độ xoay của từ trƣờng trong stator. Trái ngƣợc với điều đó, IM không có dòng cung cấp trực tiếp tới rotor, mà một dòng điện thứ hai đƣợc tạo ra ở rotor, để đạt đƣợc điều này thì các cuộn dây trên stator phải đƣợc sắp xếp quanh Động cơ không đồng bộ tƣơng đối rẻ tiền và chắc chắn, do đó chúng đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, việc điều khiển động cơ không đồng bộ đƣợc chú ý nhiều. Điều khiển vòng hở động cơ không đồng bộ với việc điều khiển tần số thay đổi có thể làm thay ổđ i tốc độ động cơ khi hoạt động ở những ứng dụng có mômen cố định mà không yêu cầu chính xác về điều chỉnh tốc độ. Khi bộ điều khiển yêu cầu bao gồm phản hồi động học nhanh, tốc độ chính xác hoặc điều khiển mômen, thì phƣơng pháp điều khiển vòng hở không thỏa mãn đƣợc yêu cầu. Vì vậy việc điều khiển vòng kín là rất cần thiết. Hoạt động động học của 8
20. CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT động cơ không đồng bộ là rất cần thiết và ảnh hƣởng đến toàn bộ hoạt động của hệ thống. Việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ là vấn đề thách thức bởi vì nó là hệ thống phi tuyến, rotor thay đổi trong phạm vi dài, và thông số động cơ thay đổi tùy theo điều kiện môi trƣờng hoạt động.rotor vì thế năng lƣợng cung cấp tạo ra một từ trƣờng mẫu quét qua rotor, sự thay đổi từ trƣờng mẫu dẫn đến xuất hiện một dòng điện trong các thanh nhôm của rotor, dòng điện này tƣơng tác với từ trƣờng xoay đƣợc tạo ra bởi stator trên rotor và ảnh hƣởng đến chuyển động xoay của rotor. Tuy nhiên, do dòng điện đƣợc tạo ra có tốc Có một vài phƣơng pháp ểđ điểu khiển động cơ không đồng bộ và đƣợc chia thành hai loại chính: Hình 2.6: Các phương pháp điều khiển IM[7] - Điều khiển vô hƣớng (Scalar control): là một trong những phƣơng pháp đầu tiên điều khiển tốc độ động cơ, bằng việc điều khiển tỉ lệ điện áp trên tần số (Volt/Herzt) không đổi. Phƣơng pháp này đơn giản nhƣng không thể điều khiển đƣợc những hoạt động yêu cầu mang tính hiệu quả cao. Điều này chính là do trong phƣơng pháp điều khiển vô hƣớng luôn tồn tại khớp nối giữa mômen và từ thông cổ góp, là nguyên nhân của việc dẫn đến phản hồi chậm của máy. - Phƣơng pháp điều khiển tựa trƣờng (Field Oriented Control) đƣợc sử dụng đểđiều khiển động cơ IM và ộđ ng cơ đồng bộ AC. Nó đƣợc phát triển cho các ứng dụng động cơ hiệu suất cao và đƣợc yêu cầu để hoạt động trơn tru, tạo ra mô-men xoắn và tốc độ có hiệu suất cao, linh hoạt trong việc điều khiển tăng tốc và giảm tốc động cơ. Phƣơng pháp này ngày càng trở nên hấp dẫn đối với các ứng dụng hiệu suất thấp hơn cũng do kích thƣớc động cơ, chi phí và giảm tiêu thụ điện năng của phƣơng pháp FOC. Ngày nay ớv i sự phát triển ngày càng tăng về tốc độ xử lý thì phƣơng pháp FOC một ngày sẽ thay thế hoàn toàn phƣơng pháp ềđi u khiển V/F. - Điều khiển trực tiếp mômen (Direct Torque Control): để cải tiến hạn chế của phƣơng pháp điều khiển vô hƣớng, phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mômen đƣợc phát triển.Trong phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mômen, các biến là hàm truyền tới hệ quy chiếu tọa độ cố định stator, có đặc tính ộđ ng học giống nhƣ điện áp DC. Tách biệt điều khiển giữa mômen và từ thông cho phép động cơ không đồng bộ đạt đƣợc phản hồi 9
21. CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT nhanh, có thể sử dụng cho những ứng dụng chất lƣợng cao, nơi có những động cơ DC đƣợc sử dụng trƣớc đó. 2.1.4Các phƣơng phá p điều chế đô ̣rôṇ g xung (pwm methods) Sin pwm Hysteresis (bangbang) Điều chế vector không gian (space vector pwm) Vsi sáu bƣớc (six-step)= điều chế 180 2.1.5Bô ̣nghic̣ h lƣu nguồn á p – voltage source inverter(svi) Vsi sáu bƣớc (six-step)= điều chế 180 Bô ̣nghic̣ h lƣu nguồn áp 3 pha Các tín hiệu điều khiển van ,trình tự chuyển mạch và các điện áp pha so với trung tính 1 chiều n Hình 2.7 Dạng sóng các tín hiệu điều khiển van , trình tự chuyển mạch và các diện áp pha của bô ̣nghic̣ h lƣu nguồn áp sáu bƣớc [8] Trình tự chuyển mạch : 561(v1)->612(v2)->123(v4)->345(v5)->456(v6)->561(v1) Tron đó 561 có nghĩa là s5,s6 và s1 dâñ /mở /on 10
22. S K L 0 0 2 1 5 4