thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm điều khiển số

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI NÓI ĐẦU Trong các ngành công nghiệp, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng phổ biến bởi tính chất đơn giản và tin cậy trong thiết kế chế tạo và sử dụng. Tuy nhiên khi sử dụng động cơ không đồng bộ trong sản xuất đặc biệt với các động cơ có công suất lớn ta cần chú ý tới quá trình khởi động động cơ do khi khởi động roto ở trạng thái ngắn mạch, dẫn đến dòng điện khởi động và momen khởi động lớn, nếu không có biện pháp khởi động thích hợp có thể không khởi động được động cơ hoặc gây nguy hiểm cho các thiết bị khác trong hệ thống điện. Vấn đề khởi động động cơ điện không đồng bộ dã được nghiên cứu từ lâu với các biện pháp khá hoàn thiện để giảm dòng điện cũng và momen khởi động. Trong đó, biện pháp được dùng phổ biển nhất là biện pháp giảm điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi động. Ngày nay, công nghệ bán dẫn ngày càng phát triển, các thiết bị bán dẫn công suất lớn ngày càng được sử dụng rộng rãi, với độ tin cậy ngày càng cao, có khả năng điều khiển tốt. Việc giảm điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi động hoàn toàn có thể được thực hiện một cách dễ dàng bằng việc điều khiển góc mở của van bán dẫn. Điều chỉnh điện áp như vậy làm cho điện áp tăng lên một cách từ từ không gây nhảy cấp điện áp, vì vậy nó được gọi là bộ khởi động mềm cho động cơ. Với đề tài tốt nghiệp: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN SỐ”, chúng em dã nghiên cứu, sử dụng vi điều khiển để tính toán phát xung điều khiển tự động điều chỉnh góc mở của van bán dẫn nhằm thay đổi điện áp trên tải. Trong ba tháng làm đồ án, chúng em dã nỗ lực cố gắng hoàn thành các nhiệm vụ của đồ án và chế tạo thành công mạch thử nghiệm của bộ khởi động mềm điều khiển số. NGUYỄN THỊ HÀ THU 1 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn HÀ XUÂN HÒA cùng các thầy cô trong bộ môn Thiết bị điện – điện tử, đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này. Do thời gian gấp gáp cộng với kinh nghiệm còn non nớt, chắc chắn đồ án của chúng em không thể tránh khỏi có sai sót. Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý từ các thầy cô và các bạn bè động nghiệp. Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên NGUYỄN THỊ HÀ THU 2 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ Khi cho dòng điện xoay chiều ba pha vào cuộn dây stator. Trong lõi sắt stato của máy điện không đồng sinh một từ trường quay với tốc độ đồng bộ n 1 = 60f 1 /p, trong đó f 1 là tần số dòng điện lưới đưa vào, p là số đôi cực của máy, thì từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi sắt rotor và cảm ứng trong dây quấn đó suất điện động e 2 và vì dây quấn rotor được nối ngắn mạch do đó e 2 sẽ sinh ra dòng điện i 2 . Chiều suất điện động và chiều dòng điện được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Từ thông do dòng điện i 2 sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng Φ o ở khe hở không khí. Dòng điện i 2 trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông tổng Φ o sinh ra lực điện từ trên dây quấn rotor và mômen quay làm cho rotor quay với tốc độ n. Tốc độ rotor n luôn khác với tốc độ đồng bộ n 1 hay có sự chuyển động tương đối giữa stato và rotor. Do đó gọi là động cơ không đồng bộ. Để chỉ phạm vi tốc độ của máy, thường người ta dùng hệ số trượt s. %100. n nn %s 1 1 − = (1.1) NGUYỄN THỊ HÀ THU 3 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.2. Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ - Máy điện không đồng bộ làm việc khi rotor đứng yên              =− = ′ + = ′ ′′ + ′ −= +−= •• ••• •• •• ••• m 2 1 1 ZIE III EE ZIE0 ZIEU 01 021 12 22 11 (1.2) - Máy điện không đồng bộ làm khi rotor quay ( )              =− = ′ + = ′       + ′ ′ − ′ −= ++−= •• ••• •• •• ••• m 2 2 11 ZIE III EE x.j s r IE0 x.jrIEU 01 021 12 22 11 1 (1.3) Trong đó: 1 U • : Điện áp đặt vào stato động cơ. 1 I • , 1 E • : Dòng điện và suất điện động của stato. 2 I • ′ , 2 E • ′ : Dòng điện và suất điện động của rotor đã qui đổi về stator. 0 I • : Dòng điện từ hóa của động cơ Z 1, x 1 , r 1 : Tổng trở, điện trở và điện kháng tản của dây quấn stator. NGUYỄN THỊ HÀ THU 4 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Z ’ 2, x ’ 2 , r ’ 2 : Tổng trở, điện trở và điện kháng tản của dây quấn rotor đã qui đổi vể stato. s : Hệ số trượt của động cơ - Mômem điện từ của máy điện không đồng bộ ( ) ( ) ( ) 2 , 211 2 , 2111 , 2 2 11 1 dt xCxs/rCrf2 s/r.p.U.m P M +++π = ω = (1.4) Trong đó: C 1 = m 1 Z Z 1+ và p f2 1 1 π =ω f 1 , p : Tần số của lưới điện và số đôi cực của động cơ. Hình 1:Đường biểu diễn mômen điện từ và dòng điện theo hệ số trượt 1.3. Quá trình mở máy của động cơ điện không đồng bộ Trong quá trình mở máy động cơ điện, mômen mở máy là đặc tính chủ yếu nhất trong những đặc tính mở máy của động cơ điện. Muốn cho máy quay được thì mômen mở máy của động cơ điện phải lớn hơn mômen tải tính và mômen ma sát tĩnh. Trong quá trình tăng tốc, phương trình cân bằng động về mômen: NGUYỄN THỊ HÀ THU 5 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49 M 1,2 1 0,6 0,6 0,4 -0,20,2 -0,4-0,6 -0,8 -1 -1,2 hãm động cơ điện Máy phát điện I 1 I ’ 2 I 1 I ’ 2 M=f(s) I ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP dt d JMMM JC ω ==− (1.5) Trong đó: M, M c và M j là mômem điện từ của động cơ, mômen cản và mômen quán tính. J = g4 GD 2 là hằng số quán tính. g = 9,81 m/s 2 là gia tốc trọng trường. G và D là trọng lượng và đường kính rotor. ω là tốc độ góc của rotor. Khi đã biết đặc tính cơ của động cơ điện M = f 1 (n) và của tải M C = f 2 (n) thì từ công thức (1.5) ta tìm được quan hệ giữa tốc độ và thời gian n = f(t) trong quá trình mở máy. Để quá trình mở máy đảm bảo tăng tốc thuận lợi ta phải giữ 0 dt d > ω hay M > M C . Như vậy M – M C càng lớn thì tốc tăng càng nhanh. Khi bắt đầu mở máy thì rotor đang đứng yên, hệ số s = 1 nên trị số dòng mở máy có thể tính được tính theo mạch điện thay thế: ( ) ( ) 2 , 211 2 , 211 1 K x.Cxr.Cr U I +++ = (1.6) Do khi mở máy mạch từ tản bão hòa rất nhanh, điện kháng giảm xuống nên dòng điện mở máy còn lớn hơn so với trị số tính theo công thức (1.6). Ở điện áp định mức, thường dòng điện mở máy bằng 4 ÷7 lần dòng điện định mức. Dòng điện quá lớn không những làm cho bản thân máy bị nóng mà còn làm cho điện áp lưới giảm sút nhiều, nhất là với những lưới điện công suất nhỏ. 1.4. Các phương pháp mở máy động cơ không đồng bộ Theo yêu cầu của sảm xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng NGUYỄN THỊ HÀ THU 6 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP khác nhau. Có khi yêu cầu mômen mở máy lớn, có khi cần hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả hai. Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng mở máy thích ứng. Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ điện có tính năg mở máy không thích đáng nên thường hỏng máy.Ví dụ như động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc công suất lớn nếu ta mở máy trực tiếp sẽ làm nứt rotor. Dẫn đến khởi động không tải thì được nhưng khi đóng tải vào thì máy lại không chạy. Nói chung khi mở máy một động cơ cần xét đến những yêu cầu cơ bản sau: 1. Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ bản của tải. 2. Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt. 3. Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn. 4. Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt. Những yêu cầ trên thường mâu thuẫn với nhau như khi đòi hỏi mômen mở máy lớn thì dòng điện mở máy cũng lớn hoặc thiết bị mở máy đắt tiền. Vì vậy phải căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọn phương pháp mở máy thích hợp. 1.4.1. Mở máy trực tiếp động cơ điện rotor lồng sóc Đây là phương pháp mở máy đơn giản nhất, chỉ việc đóng trực tiếp động cơ điện vào lưới điện là được. Ưu điểm: - Đây là phương pháp đơn giản. - Nếu nguồn điện tương đối lớn thì có thể dùng phương pháp này để mở máy vì mở máy nhanh và đơn giản. Nhược điểm: NGUYỄN THỊ HÀ THU 7 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49 U L ATM RLN Hình 3: Sơ đồ đóng trực tiếp động cơ vào lưới điện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Dòng điện mở máy tương đối lớn. - Nếu quán tính của tải tương đối lớn, thời gian mở máy quá dài thì có thể làm cho máy nóng và ảnh hưởng đến điện áp của lưới . 1.4.2. Hạ điện áp mở máy Mục đích của phương pháp này là giảm dòng điện mở máy nhưng đồng thời mômen mở máy cũng giảm xuống. Do đó đối với những tải yêu cầu có mômen mở máy lớn thì phương pháp này không dùng được. Tuy vậy, đối với những thiết bị yêu cầu mômen mở máy nhỏ thì phương pháp này rất thích hợp. Ví dụ: tải quạt gió,bơm, Hình 3: Đường đặc tính M = f(s) ở các mức điện áp khác nhau 1. Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện stato Sơ đồ nối dây như hình 4. Khi mở máy trong mạch điện stato đặt nối tiếp một điện kháng. Sau khi mở máy xong bằng cách đóng tiếp điểm K 1 của công tắc tơ thì điện kháng này bị nối ngắn mạch. Điều chỉnh trị số của điện kháng thì có thể có được dòng điện mở máy cần thiết. Do có điện áp giáng trên điện kháng nên diện áp mở máy trên đầu cực động cơ U ’ K sẽ nhỏ hơn điện áp lưới. Gọi dòng điện NGUYỄN THỊ HÀ THU 8 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49 M U 1 U 1 > U 2 U 2 > U 3 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 s U L U L ATM Cuộn kháng K 1 RLN U ’ k I ’ k Hình 4: Hạ điện áp mở máy bằng cuộn kháng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP mở máy và mômen khi mở máy trực tiếp là I K và M K . Nếu cho rằng khi hạ điện áp mở máy, tham số của máy điện vẫn giữ không đổi thì sau khi thêm điện kháng vào: Dòng điện mở máy còn lại là : I ’ K = k.I K Điện áp đầu cực động cơ điện là : U ’ K = k.U K Mômen mở máy là : M ’ K = k 2 .M K Trong đó: k < 1. Ưu điểm: - Thiết bị khởi động đơn giản - Dòng điện mở máy có thể điều chỉnh được cho phù hợp với yêu cầu - Phương pháp này được dùng cho động cơ công suất hạ áp và cao áp. Nhược điểm: - Khi giảm dòng điện khởi động xuống thì mômen mở máy giảm đi bình phương lần. 2. Dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp mở máy Sơ đồ nối dây như hình 5. Bên cao áp nối với lưới điện, bên hạ áp nối với động cơ điện. Sau khi mở máy xong thì cắt máy biến áp tự ngẫu (bằng cách đóng tiếp điểm K 2 vào và mở K 1 ra) Gọi tỷ số biến đổi điện áp của biến áp tự ngẫu là k T (k T < 1) thì: - Điện áp đầu cực động cơ : U ’ k = k T .U 1 - Dòng điện mở máy : I ’ K = k T .I K - Mômen mở máy : M ’ K = 2 T k .M K Nếu gọi dòng điện lấy từ lưới vào là I 1 (dòng điện bên sơ cấp máy biến áp tự ngẫu) thì dòng điện I 1 = k T .I ’ K = 2 T k .I K Như vậy ta thấy dòng điện mở máy lấy từ lưới giảm hơn 2 T k lần. NGUYỄN THỊ HÀ THU 9 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49 U L ATM T K 1 K 2 RLN I 1 I ’ k U ’ k Hình 5: Hạ áp mở máy bằng biến áp tự ngẫu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ưu điểm: - Dòng điện mở máy có thể điều chỉnh được cho phù hợp với yêu cầu. - Với dòng điện mở máy bằng dòng điện mở máy của phương pháp dùng cuộn kháng thì ta có mômen máy lớn hơn. - Phương pháp này dùng được cho cả động cơ hạ áp,cao áp. Nhược điểm; - Mômen mở máy giảm - Phải đầu tư thêm một máy biến áp tự ngẫu 3. Mở máy bằng phương pháp đổi nối Y - ∆ Phương pháp mở máy Y - ∆ thích ứng với những máy khi làm việc bình thường đấu tam giác. Khi mở máy ta đổi thành Y, như vậy điện áp đưa vào hai đầu mỗi pha chỉ có U 1 / 3 . Sau khi đã chạy rồi, đổi lại thành cách đấu ∆. Sơ đồ cách đấu dây như hình 6. Khi mở máy thì đóng ATM, tiếp điểm K Y đóng, còn tiếp điểm K ∆ mở, như vậy máy đấu Y. Khi máy đã chạy rồi thì đóng tiếp điểm K ∆ , máy đấu ∆ Theo phương pháp Y - ∆ thì khi dây quấn đấu Y thì ta có: - Điện áp pha trên dây quấn là : U kf = 1 U 3 1 - Dòng điện pha khi mở máy là : kf ' kf I 3 1 I = NGUYỄN THỊ HÀ THU 10 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49 U L ATM K ∆ RLN K Y Hình 6: Mở máy bằng cách đổi nối Y - ∆ [...]... tham số của hệ thống tự động -Độ chính xác cao -Có khả năng chống nhiễu tốt - Dễ dàng tự động hóa Việc ứng dụng công nghệ số, sử dụng vi điều khiển trong việc thiết kế và chế tạo bộ khởi động mềm là hoàn toàn phù hợp với điều kiện thực tế và xu thế chung Sử dụng công nghệ số trong thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm có thể giúp ta dễ dàng tạo dáng đường đặc tính khởi động theo ý muốn mà bằng mạch điều khiển. .. thể điều khiển được với mọi công suất tải Hiện nay Thyristor được chế tạo có dòng điện đến 700A thì việc điều khiển xoay chiều đến hàng chục nghìn ampe hoàn toàn đáp ứng được Việc điều khiển hai Thyristor song song ngược đôi khi có chất lượng điều khiển không tốt lắm, đặc biệt là khi cần điều khiển đối xứng điện áp (chẳng hạn như biến áp hay động cơ xoay chiều) Khả năng mất đối xứng điện áp khi điều khiển. .. số biến đổi điện áp kT = 1 3 Ưu điểm: - Phương pháp này đơn giản, được áp dụng rộng rãi với những động cơ điện khi làm việc đấu tam giác - Phương pháp này dùng cho động cơ hạ áp Nhược điểm: - Không dùng cho động cơ Y/∆ = 220/380 - Không điều chỉnh được dòng điện khởi động theo yêu cầu 4 Mở máy dùng bộ khởi động mềm (bộ điều áp xoay chiều) Thyristor RLN UL ĐC ATM Hình 7: Mở máy hạ điện áp bằng bộ điều. .. Timer có thể lập trình với bộ tạo dao động bên trong -Một cổng nối tiếp SPI ( serial peripheral interface) -6 chế độ tiết kiệm năng lượng có thể lựa chọn bằng phần mềm -Lựa chọn tần số hoạt động bằng phần mềm -Đóng gói 40 chân kiểu PDIP -Tần số tối đa 16MHz -Điện thế 4,5 – 5,5V Vi điều khiển ATmega16 được hỗ trợ lập trình với ngôn ngữ lập trình bậc cao như ngôn ngữ lập trình C Điều này giúp cho người... tải nối sao không dây trung tính Muốn đảo chiều động cơ không đồng bộ cần phải đổi thứ tự pha Sơ đồ điều khiển có đảo chiều quay của động cơ không đồng bộ như hình 15 Khi chiều quay thuận cấp xung điều khiển cho T1, T2, T7, T8, T9, T10 Các pha lưới A1, B1, C1 được nối tương ứng với các cuộn A, B, C của động cơ Khi ở chiều quay ngược ta cấp xung điều khiển cho T 3, T4, T5, T6, T9, T10 Các pha lưới A1,... CÁCH LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN 3.1 Giới thiệu chung về vi điều khiển AVR ATmega16 3.1.1Tổng quan về vi điều khiển AVR Atmega16 Ngày nay công nghệ số đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong mọi ngành của khoa học kỹ thuật Ở các nước công nghiệp, truyền động điện đã ứng dụng rất thành công công nghệ này với những ưu việt hơn so với phương pháp điều khiển tương tự truyền thống như: -Mềm dẻo trong việc... VCC qua bộ lọc thông thấp -AREF: chân điện áp tham chiếu của bộ chuyển đổi A/D Hình 20: Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển Atmega16 3.1.2Cấu trúc bộ nhớ Để tăng tối đa hiệu suất và tính tương thích, vi điều khiển AVR sử dụng kiến trúc Havard tức là bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách biệt nhau cả về vùng nhớ và đường bus NGUYỄN THỊ HÀ THU 31 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Bộ nhớ chương... điều khiển chiếu sáng và đốt nóng, trong khởi động mềm và điều chỉnh tốc độ quạt gió hoặc máy bơm 2.1 Bộ điều áp xoay chiều một pha 2.1.1 Các sơ đồ T1 U1 T T2 U1 Z Z 2) 1) D1 D1 T1 D2 T U1 D2 T2 U1 Z D3 D4 Z 4) 3) Hình 9: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng van bán dẫn 1) Hai Thyristor mắc song song ngược 2) Triac 3) Hai Thyristor và hai Diode 4) Bốn Diode và một Thyristor NGUYỄN THỊ HÀ THU 14 Thiết. .. THU 11 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Dùng ba cặp thyristor đấu song song ngược như hình 7 Ứng với các góc mở α khác nhau của các cặp thyristor, điện áp trung bình đặt vào động cơ giảm nhỏ khác nhau Ưu điểm: - Mở máy động cơ dễ dàng bằng cách điều khiển góc mở α lớn để hạn chế dòng điện mở máy - Áp dụng cho tất cả các loại động cơ ở các cấp điện áp khác nhau Nhược điểm: - Bộ khởi động. .. bằng mạch điều khiển tương tự để làm được việc này thì sẽ gặp nhiều khó khăn Vi điều khiển ATmega16 là vi điều khiển thuộc họ AVR của hãng Atmel, là một dòng vi điều khiển tích hợp cao với những chức năng cơ bản nhưng rất cần thiết trong những ứng dụng cụ thể Vi điều khiển ATmega16 cung cấp những tính năng sau: -16K bytes bộ nhớ chương trình dạng flash có thể Read-While-Write -512 bytes EEPROM -1K byte . gọi là bộ khởi động mềm cho động cơ. Với đề tài tốt nghiệp: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN SỐ”, chúng em dã nghiên cứu, sử dụng vi điều khiển để tính toán phát xung điều khiển. Không dùng cho động cơ Y/∆ = 220/380. - Không điều chỉnh được dòng điện khởi động theo yêu cầu. 4. Mở máy dùng bộ khởi động mềm (bộ điều áp xoay chiều) Hình 7: Mở máy hạ điện áp bằng bộ điều áp xoay. đặc biệt với các động cơ có công suất lớn ta cần chú ý tới quá trình khởi động động cơ do khi khởi động roto ở trạng thái ngắn mạch, dẫn đến dòng điện khởi động và momen khởi động lớn, nếu không