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

Tuy nhiên khi sử dụng động cơ không đồng bộ trong sản xuất đặc biệtvới 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 m

LỜI NÓI ĐẦU

Trong các ngành công nghiệp, động cơ điện không đồng bộ được sửdụng phổ biến bởi tính chất đơn giản và tin cậy trong thiết kế chế tạo và sửdụng Tuy nhiên khi sử dụng động cơ không đồng bộ trong sản xuất đặc biệtvới 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 thểkhông khởi động được động cơ hoặc gây nguy hiểm cho các thiết bị kháctrong hệ thống điện Vấn đề khởi động động cơ điện không đồng bộ dã đượcnghiên 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 biệnpháp giảm điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi động Ngày nay, côngnghệ bán dẫn ngày càng phát triển, các thiết bị bán dẫn công suất lớn ngàycàng được sử dụng rộng rãi, với độ tin cậy ngày càng cao, có khả năng điềukhiển tốt Việc giảm điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi động hoàntoàn có thể được thực hiện một cách dễ dàng bằng việc điều khiển góc mở củavan 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 mềmcho động cơ

Với đề tài tốt nghiệp: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHỞI ĐỘNG MỀMĐIỀU KHIỂN SỐ”, chúng em dã nghiên cứu, sử dụng vi điều khiển để tínhtoán phát xung điều khiển tự động điều chỉnh góc mở của van bán dẫn nhằmthay đổi điện áp trên tải

Trong ba tháng làm đồ án, chúng em dã nỗ lực cố gắng hoàn thành cácnhiệm vụ của đồ án và chế tạo thành công mạch thử nghiệm của bộ khởi độngmềm điều khiển số

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáohướng 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 nhậnđược 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

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 sắtstato của máy điện không đồng sinh một từ trường quay với tốc độ đồng bộ

n1 = 60f1/p, trong đó f1 là tần số dòng điện lưới đưa vào, p là số đôi cực củamáy, thì từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõisắt rotor và cảm ứng trong dây quấn đó suất điện động e2 và vì dây quấn rotorđược nối ngắn mạch do đó e2 sẽ sinh ra dòng điện i2 Chiều suất điện động vàchiều dòng điện được xác định theo quy tắc bàn tay phải Từ thông do dòngđiện i2 sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng o ở khe hởkhông khí Dòng điện i2 trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông tổng o

sinh ra lực điện từ trên dây quấn rotor và mômen quay làm cho rotor quay vớitốc độ n Tốc độ rotor n luôn khác với tốc độ đồng bộ n1 hay có sự chuyểnđộng 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

n n

% s

1

1 

1.2 Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ

- Máy điện không đồng bộ làm việc khi rotor đứng yên

Z I

E

I I

I

E E

Z I

E 0

Z I

E U

0 1

0 2

1

1 2

2 2

1 1

1 1

Z I

E

I I

I

E E

x j s

r I

E 0

x j r

I E

U

0 1

0 2

1

1 2

2 2

1 1

1

(1.3)Trong đó:

I : Dòng điện từ hóa của động cơ

Z1, x1, r1 : Tổng trở, điện trở và điện kháng tản của dây quấn stator

s : Hệ số trượt của động cơ

- Mômem điện từ của máy điện không đồng bộ

2 1 1

2 , 2 1 1 1

, 2

2 1 1 1

dt

xCxs/rCrf2

s/r

p.U.mP

f1, 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 chủyếu nhất trong những đặc tính mở máy của động cơ điện Muốn cho máy quayđược thì mômen mở máy của động cơ điện phải lớn hơn mômen tải tính vàmômen ma sát tĩnh Trong quá trình tăng tốc, phương trình cân bằng động vềmômen:

dt

d J M M

I1

I ’ 2

I1

I ’ 2

M=f(s)

I

Khi đã biết đặc tính cơ của động cơ điện M = f1(n) và của tải MC = f2(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

M > MC Như vậy M – MC 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

2 1 1 2 , 2 1 1

1 K

x C x r.

C r

U I

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 việcthường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần Tùy theo tính chất của tải vàtình hình của lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũngkhác 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 cơđiện có tính năg mở máy không thích đáng nên thường hỏng máy.Ví dụ nhưđộng 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 tảivào thì máy lại không chạy

Nói chung khi mở máy một động cơ cần xét đến những yêu cầu cơ bảnsau:

NGUYỄN THỊ HÀ THU 6 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49

1 Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ bản củatải.

2 Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt

3 Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắcchắn

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 Vìvậy phải căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọn phương pháp mở máythích 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:

- 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 đồngthời mômen mở máy cũng giảm xuống Do đó đối với những tải yêu cầu cómômen mở máy lớn thì phương pháp này không dùng được Tuy vậy, đối vớinhững thiết bị yêu cầu mômen mở máy nhỏ thì phương pháp này rất thíchhợp 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 K1 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

mở máy và mômen khi mở máy trực tiếp là

IK và MK Nếu cho rằng khi hạ điện áp mở

máy, tham số của máy điện vẫn giữ không đổi thì sau khi thêm điện khángvào:

Dòng điện mở máy còn lại là : I’

K1

RLN

U ’

k I ’ k

Hình 4: Hạ điện áp mở máy bằng

cuộn kháng

- 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 K2 vào và mở K1 ra)

Gọi tỷ số biến đổi điện áp của biến áp tự

Nếu gọi dòng điện lấy từ lưới vào là I1 (dòng

điện bên sơ cấp máy biến áp tự ngẫu) thì dòng

điện I1 = kT.I’

K = 2 T

- 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.

U ’ k

Hình 5: Hạ áp mở máy bằng

biến áp tự ngẫu

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 U1/ 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 KY 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 : Ukf = U 1

3 1

- Dòng điện pha khi mở máy là : kf

'

kf I 3

Khi mở máy trực tiếp máy đấu  khi ấy

- Điện áp pha trên dây quấn là : Ukf = U1

- Dòng điện pha khi mở máy là : I  k 3 I kf

Như vậy khi mở máy đấu Y thì:

- Dòng điện pha khi mở máy là : I1 = kf k

'

3

1 I 3

Trường hợp này tương tự như dùng một máy biến áp tự ngẫu mở máy

mà tỷ số biến đổi điện áp kT = 13

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)

Hình 7: Mở máy hạ điện áp bằng bộ điều áp xoay chiều

Dùng ba cặp thyristor đấu song song ngược như hình 7 Ứng với các góc

mở  khác nhau của các cặp thyristor, điện áp trung bình đặt vào động cơgiảm nhỏ khác nhau

ATM

Thyristor

UL

- Sử dụng nhiều thyristor khiến mạch điều khiển phức tạp và đắt.

1.4.3 Mở máy bằng cách thêm điện trở phụ vào rotor

Phương pháp này chỉ thích hợp với những động cơ điện rotor dây quấn

vì đặc trưng của loại động cơ điện này là có thể thêm điện trở vào cuộn dâyrotor Khi điện trở rotor thay đổi thì ta có đường đặc tính M = f(s) như hình 8.Khi điều chỉnh điện trở mạch điện rotor thích đáng thì sẽ được trạng thái mởmáy lý tưởng (đường 4) Sau khi máy đã quay để duy trì một mômen điện từnhất định trong quá trình mở máy ta cắt dần điện trở thêm vào rotor làm choquá trình tăng tốc của động cơ điện thay đổi từ đường 4 sang đường 1 và saukhi cắt toàn bộ điện trở thì sẽ theo đường 1 tăng tốc đến điểm làm việc

NGUYỄN THỊ HÀ THU 12 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49

UL

ATM RLN

0,8 1

Hình 8: Sơ đồ nối dây và đặc tính mômen

khi thêm điện trở vào rotor để mở máy

- Bảo quản khó hơn, hiệu suất thấp hơn.

- Tổn thất công suất trên điện trở phụ lắp vào rotor

Chương 2

BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU

Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều gọi tắt là điều áp xoay chiều thực hiệnbiến đổi điện áp xoay chiều về độ lớn và dạng sóng nhưng tần số không thayđổi Điều áp xoay chiều thường được ứng dụng trong điều khiển chiếu sáng

và đốt nóng, trong khởi động mềm và điều chỉnh tốc độ quạt gió hoặc máybơm

2.1 Bộ điều áp xoay chiều một pha

2.1.1 Các sơ đồ

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 bị điện- điện tử 3 – k49

1 Sơ đồ hai Thyristor song song ngược

Có thể điều khiển được với mọi công suất tải Hiện nay Thyristor đượcchế tạo có dòng điện đến 700A thì việc điều khiển xoay chiều đến hàng chụcnghìn ampe hoàn toàn đáp ứng được

Việc điều khiển hai Thyristor song song ngược đôi khi có chất lượngđiều 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 xứngđiện áp khi điều khiển là do mạch điều khiển Thyristor gây nên sai số (góc

mở ở chu kỳ điện áp dương và âm khác nhau) Tuy vậy đối với dòng điện tảilớn thì đây là sơ đồ tối ưu hơn cả cho việc lựa chọn

2 Sơ đồ dùng Triac

Khắc phục được nhược điểm mất đối xứng điện áp của sơ đồ haiThyristor mắc song song ngược

Sơ đồ này có ưu điểm là khi lắp ráp và điện áp ra gần như mong muốn

Sơ đồ này thường hay dùng trong công nghiệp Tuy nhiên Triac hiện nayđược chế tạo với dòng điện không lớn (I < 400A), nên với những dòng điệntải lớn cần phải ghép song song các Triac Những tải trên 400A thì sơ đồ này

ít dùng

3 Sơ đồ có hai Thyristor và hai Diode

Sơ đồ này có thể được dùng chỉ để nối các cực điều khiển đơn giản vàkhi điện áp nguồn cấp lớn (cần phân bổ điện áp trên các van như việc mắc nốitiếp các van)

4 Sơ đồ bốn Diode và một Thyristor

Sơ đồ này trước đây thường được dùng khi cần điều khiển đối xứng điện

áp trên tải, vì ở đây chỉ có một Thyristor, một mạch điều khiển nên việc điềukhiển đối xứng điện áp dễ dàng hơn Tuy nhiên, việc điều khiển theo sơ đồnày dẫn đến tổn hao trên van bán dẫn lớn làm cho hệ thống làm mát khó khănhơn

5 Sơ đồ dùng một Thyristor và một Diode

Khi tải không có nhu cầu cao về điều khiển đối xứng nhất là khi điềukhiển các điện trở lò sấy hay đèn sợi đốt người ta có thế sử dụng sơ đồ này đểđiều khiển Tuy nhiên nếu công suất tải lớn sẽ gây mất đối xứng nguồn cấplàm xấu chất lượng nguồn

2.1.2 Điều áp xoay chiều một pha tải thuần trở

Hình 10: Dạng đường cong điện áp.

Tại các thời điểm t1, t2 có xung điều khiển T1 và T2, các Thyristor này sẽdẫn Nếu bỏ qua sự sụt áp trên các van bán dẫn thì đồ thị dạng điện áp tải códạng như hình vẽ Dòng điện tải đồng dạng với điện áp tải

Giá trị hiệu dụng của điện áp tải:

2 1 2

0

2 1

2

1 d

u 2

1 U

U d sin U 2

giá trị tức thời của điện áp lưới

Ud, Id : giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện tải

NGUYỄN THỊ HÀ THU 16 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49



 U

t

R : Giá trị điện trở của tải.

 : góc mở của Thyristor

2.1.3 Điều áp xoay chiều một pha khi tải mang tính trở cảm

Khi tải mang tính trở cảm thì dạng dòng điện và điện áp trên tải sẽ khácnhau

Gọi góc lệch pha của tải   arctgRL

a) Khi  >  thì dòng điện tải sẽ bị gián đoạn

Hình 11: Sơ đồ đường cong điện áp khi tải

là tải điện cảm, với góc mở  > .

- Giá trị hiệu dụng của điện áp tải là:

2 1 2

0

2 1

2

1 d

u 2

1 U

sin U 2

1

0

2 1 d

R m

1 m

Z

U ) t sin(

Hình 12: Sơ đồ đường cong điện áp khi tải là tải điện cảm, với góc mở  < 

a) khi xung mở hẹp b) khi xung mở đủ rộng

Nếu xung mồi hẹp và nhọn.Thyristor T1 dẫn khi nhận được xung điềukhiển Phương trình dòng điện theo công thức (2.4) Dòng điện triệt tiêu khi

t >  + , do đó lớn hơn  +  Xung điều khiển đưa tới T2 trước khi anodcủa T2 chuyển sang dương do đó T2 không dẫn Việc không dẫn của T2 là dotại thời điểm mồi xung cuộn dây vẫn đang còn xả năng lượng, do đó UAk < 0.Nếu xung mồi có độ rộng lớn thì xung điều khiển đưa tới T2 trước khi

UAK > 0 nhưng xung điều khiển có độ rộng đủ lớn nên khi dòng điện T1 triệttiêu, T2 vẫn còn xung điều khiển nên nó được dẫn khi UAK > 0

Điện áp trên tải sẽ không thay đổi và dòng điện tải sẽ liên tục khi xungđiều khiển có độ rộng đủ lớn

2.2 Bộ điều áp xoay chiều ba pha

2.2.1 Các sơ đồ

Mạch điều áp xoay chiều ba pha hiện nay trong thực tế thường gặp có 3

sơ đồ sau:

Hình 13: Sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha bằng cặp Thyristor mắc song song ngược

1) Tải đấu sao có trung tính 2) Tải không có dây trung tính

Hình 14: Sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha bằng Triac.

1 Tải đấu sao có trung tính

Ưu điểm: Sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp một pha điều khiển dịch phatheo điện áp lưới Do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn, vì điện áp đặtvào van bán dẫn là điện áp pha

Nhược điểm: Sơ đồ này là trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điềuhòa bậc cao, khi góc mở các van khác 0 có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồnối này chỉ thích hợp với tải ba pha có bốn đầu dây ra

2 Tải không có dây trung tính

2) 1)

Dòng điện chạy giữa các pha với nhau, nên đồng thời cấp xung điềukhiển cho hai Thyristor của hai pha một lúc Việc cấp xung điều khiển nhưthế đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiển và việc đổi thứ tự pha nguồnlưới có thể làm ảnh hưởng tới hoạt động của sơ đồ Để đảm bảo lượng sónghài tối thiểu, các góc mở của Thyristor phải bằng nhau, do đó mỗi van được

Muốn đảo chiều động cơ không đồng bộ cần phải đổi thứ tự pha Sơ đồđiều khiển có đảo chiều quay của động cơ không đồng bộ như hình 15 Khichiều 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 chiềuquay ngược ta cấp xung điều khiển cho T3, T4, T5, T6, T9, T10 Các pha lưới A1,

B1, C1 được nối tương ứng với các cuộn B, A, C của động cơ

Hình 15: Sơ đồ điều áp ba pha có đổi thứ tự pha

NGUYỄN THỊ HÀ THU 20 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49

2.2.2 Bộ điều áp xoay chiều ba pha bằng cặp Thyristor mắc song song ngược, tải đấu sao không có dây trung tính

1 Nguyên tắc xây dựng đường cong điện áp trên tải

- Khi cả ba Thyristor của ba pha đều dẫn điện thì điện áp trên tải sẽ trùngvới điện áp pha của lưới ( UfT =Ua, UfT = Ub, UfT = Ub )

- Khi chỉ có hai Thyristor dẫn điện thì điện áp trên tải sẽ bằng một nửa

điện áp dây của hai pha mà có hai Thyristor dẫn điện ( UfT =

2

1

Udây )

- Trên pha đang xét không có van dẫn thì UfT = 0

2 Khi tải mang tính thuần trở

Hình 16: Sơ đồ dạng đường cong điện áp, khi tải thuần trở

và với các giá trị góc mở của pha A là  = 30, 60, 120.

Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải:

2 dA

2

1 U

2 a t

t

2 ac t

t

2 c t

t

2 ab t

ud2

ud

u1

Trong đó:

ua : Giá trị tức thời của điện áp pha

uab, uac : Giá trị tức thời của điện áp dây

3 2

1 U

3 3 4

3 U

3 3 2

5 1 2

U

3 Khi tải là tải điện cảm

NGUYỄN THỊ HÀ THU 22 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49

Hình 17: Sơ đồ đường cong điện áp, khi tải mang tính trở kháng

và các góc mở của pha A là  = 35, 60, 120.

a) Nếu  < , dòng điện tải và điện áp trên tải sẽ là hình sin vì lúc nàycác van đều dẫn điện trong một nửa chu kỳ và bất kỳ lúc nào cũng có ba vancủa ba pha dẫn điện

: góc mở của pha A (góc mở của ba pha là 3pha =  - 30)

Điện áp trên tải : udA = ua = Umsin

Dòng điện tải :  Z sin

U Z

u i

a

m a

da da

b) Nếu  <  < gh, gh là giá trị mà vẫn còn tồn tại chế độ cả ba vanthuộc về ba pha vẫn dẫn điện Trong mỗi nửa chu kỳ sẽ có ba đoạn udA = ua,

hai đoạn còn lại là

Giá trị hiệu dụng của điện áp pha:



 2 0

2 dA

2

1 U

t

2 a t

t

2 ab t

t

2 a t

t

t 0

2

2

ud

ud2

ud

ud.0du1

Thay các giá trị ua, uab, uac ta tính được điện áp hiệu dụng của điện áppha:

2 m 2

3 2

2 m

3 2

3

2 m 3

3

2 m

d 6 sin U

d sin U d

6 sin U 2 3

1 2 sin 8

3 3 4

1 4

3 1 U

3

2

gh

c) Khi gh <  < 150 Trong mỗi nửa chu kỳ sẽ có hai van của hai pha

dẫn điện, mỗi nửa chu kỳ sẽ có hai đoạn mà

2.3 Sơ đồ bộ điều áp xoay chiều động cơ không đồng bộ rotor lông sóc

Do tải là động cơ không đồng bộ ba pha đấu sao không có dây trung tínhcho nên trong thực tế thường dùng sơ đồ sau:

NGUYỄN THỊ HÀ THU 24 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49

Hình 18: Sơ đồ bộ điều áp xoay chiều động cơ không đồng bộ

2.4 Nguyên lý hoạt động của mạch động lực

Giả sử các cuộn dây của động cơ đối xứng Xét đường con điện áp trênpha A, khi góc mở phaA = 60 (hình 17a)

Tại thời điểm t1 (phaA= 60) pha A dương nhất, pha B âm nhất phát xung

X1 để điều khiển T1, đồng thời phát xung đệm X1-4 cho T4 (xung mở thứ haicủa T4), T1 và T4 cùng dẫn, lúc này pha C đang dẫn do cuộn dây đang xả nănglượng nên T5 dẫn cho đến thời điểm t’

1 Do đó điện áp trên tải sẽ trùng vớiđiện áp pha A (udA = ua) Tại t’

1, chỉ còn T1 và T4 dẫn đến thời t2, điện áp trêntải bằng ½ điện áp dây uab (udA = ½ uab)

Đến thời điểm t2, pha A vẫn đang dương nhất, pha C âm nhất, phát xungđệm X1-6 cho T1 (xung mở thứ hai của T1) và xung chính X6 để mở T6, pha Bđang dẫn do cuộn dây đang xả năng lượng nên T4 dẫn đến thời điểm t’

Tại thời điểm t3, pha B dương nhất, pha C âm nhất Phát xung chính X3

để mở T3, đồng thời phát xung đệm X6-3 cho T3 (xung mở thứ hai của T3), pha

A dẫn do cuộn dây đang xả năng lượng nên T1 dẫn đến thời điển t’

3 Điện áptrên tải trùng với điện áp pha A (udA = ua)

Tượng tự như vậy: tại thời điểm t4,phát xung chính X2 mở T2 và xungđệm X3-2 cho T3 Tại thời điểm t5, phát xung chính X5 mở T5 và xung đệm

X2-5 cho T2 Tại thời điểm t6, phát xung chính X4 cho T4 và xung đệm X5-4 cho

T5

Nhận xét:

Khi góc mở  nhỏ thì xung đệm chỉ có ý nghĩa ở chu kỳ đầu, ngay sau khi đóng điện Khi góc mở  lớn, điện áp gián đoạn nhiều thì bắt buộc phải có xung đệm mới hoạt động được.

Do đó, bộ điều áp xoay chiều ba pha phải có các góc mở  bằng nhau (mỗi van lần lượt mở cách nhau 60) và độ rộng xung mở mỗi van là 120 để đảm bảo lượng sóng hài tối thiểu và mở chắc chắn.

Khả năng điều chỉnh điện áp chỉ có thể xảy ra khi góc dẫn của Thyristor  <   150.

NGUYỄN THỊ HÀ THU 26 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49

Chương 3

VI ĐIỀU KHIỂN VÀ 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 mọingành của khoa học kỹ thuật Ở các nước công nghiệp, truyền động điện đãứng dụng rất thành công công nghệ này với những ưu việt hơn so với phươngpháp điều khiển tương tự truyền thống như:

-Mềm dẻo trong việc thay đổi cấu trúc và 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 vàchế tạo bộ khởi động mềm là hoàn toàn phù hợp với điều kiện thực tế và xuthế chung Sử dụng công nghệ số trong thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm cóthể giúp ta dễ dàng tạo dáng đường đặc tính khởi động theo ý muốn mà bằngmạch 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 hãngAtmel, là một dòng vi điều khiển tích hợp cao với những chức năng cơ bảnnhưng 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 RAM tĩnh (SRAM)

-32 đường kết nối I/O mục đích chung

-32 thanh ghi làm việc mục đích chung được nối trực tiếp với đơn vị xử

lý số học và logic (ALU)

-Một giao diện JATG cho quét ngoại vi

-Lập trình và hỗ trợ gỡ rối trên chip

-3 Timer/Counter linh hoạt với các chế độ so sánh

-Các ngắt ngoài và ngắt trong (21 nguyên nhân ngắt)

-Chuẩn truyền dữ liệu nối tiếp USART có thể lập trình

-Một ADC 10 bit, 8 kênh với các kênh đầu vào ADC có thể lựa chọnbằng cách lập trình

-Một Watchdog 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

NGUYỄN THỊ HÀ THU 28 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49

Hình 19: Sơ đồ chân Atmega 16

Mô tả các chân vi điều khiển ATmega16

-VCC: chân cấp nguồn một chiều

-GND: chân nối đất

-Port A (PA7 PA0): Cổng A được dùng làm lối vào analog của bộchuyển đổi A/D Cổng A cũng được dùng như một cổng I/O 8 bit hai chiềutrực tiếp nếu bộ chuyển đổi A/D không được sử dụng Các chân của port đượccung cấp điện trở kéo lên bên trong (được chọn cho từng bit)

-Port B(PB7 PB0): Cổng B là một cổng I/O 8 bit hai chiều trực tiếp có các điện trở kéo lên bên trong (được chọn cho từng bit) Ngoài ra Port B còn được sử dụng cho các chức năng đặc biệt khác:

Port Pin Alternate Functions

PB7 SCK (SPI Bus serial Clock)

PB6 MISO (SPI Bus Master Input/Slave Output)

PB5 MOSI (SPI Bus Master Output/Slave Input)

PB4 SS (SPI Slave Select Input)

PB3 AIN1 (Analog Comparator Negative Input)

OC0 (Timer/Counter) Output Compare Match Output)PB2 AIN0 (Analog Comparator Positive Input)

INT2 (External Interrupt 2 Input)PB1 T1 (Timer/Couter 1 External Counter Input)

PB0 T0 (Timer/Counter 0 External Counter Input)

XCK (USART External Clock Input/Output)

-Port C(PC7 PC0): Port C cũng là một cổng I/O 8 bit hai chiều trực tiếpvới các điện trở kéo lên bên trong (được chọn cho từng bit) Khi giao diệnJTAG được phép hoạt động, các điện trở kéo lên của các chân PC5(TDI),PC3(TMS), và PC2(TCK) sẽ vẫn hoạt động cả khi xảy ra reset Port C được

sử dụng cho giao diện JTAG và các chức năng đặc biệt khác như trong bảng:

-Port D(PD7 PD0): là một cổng I/O 8 bit hai chiều trực tiếp có các điệntrở kéo lên bên trong (được chọn cho từng bit) Port D cũng được dùng chocác chức năng đặc biệt khác của ATmega16 như trong bảng:

trong khoảng thời gian dài hơn độ dài xung nhỏ nhất sẽ phát ra một reset,ngay cả khi xung nhịp không hoạt động Xung ngắn hơn thì không đảm bảo

để phát ra một reset

NGUYỄN THỊ HÀ THU 30 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49

-XTAL1: đầu vào cho bộ khuếch đại đảo dao động và đầu vào đến mạchhoạt động đồng hồ xung nhịp bên trong.

-XTAL2: đầu ra cho bộ khuếch đại đảo dao động

-AVCC: là chân cấp nguồn áp cho Port A và bộ chuyển đổi A/D Chânnày nên được nối với VCC cả khi ADC không được sử dụng nếu ADC được

sử dụng, chân AVCC nên được nối với 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 dụngkiến trúc Havard tức là bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách biệt nhau

cả về vùng nhớ và đường bus

Bộ nhớ chương trình của AVR là bộ nhớ Flash có dung lượng 128 Kb.

Bộ nhớ chương trình có độ rộng bus là 16 bit Những địa chỉ đầu tiên của bộnhớ chương trình được dùng cho bảng vecto ngắt Bộ nhớ chương trình Flashđược chia thành 2 phần, phần chương trình khởi động và phần chương trìnhứng dụng Cả hai phần đều dành những bit khóa cho việc bảo vệ ghi vàđọc/ghi Lệnh SPM dùng ghi vào phần bộ nhớ chương trình Flash ứng dụngphải ở một nơi nhất định trong phần bộ nhớ chương trình khởi động

Bộ nhớ dữ liệu của AVR chia làm 2 phần chính là bộ nhớ SRAM và bộnhớ EEPROM Tuy cùng là bộ nhớ dữ liệu nhưng hai bộ nhớ này lại nằm táchbiệt nhau và được đánh địa chỉ riêng

Các câu lệnh trong bộ nhớ chương trình được thực hiện với một cấp ốngdẫn riêng Khi một lệnh được thực hiện thì lệnh tiếp theo được mang về sẵn từ

bộ nhớ chương trình Ý tưởng này cho phép mỗi lệnh được thực hiện trongchỉ một chu kỳ xung nhịp Bộ nhớ chương trình trong hệ thống là bộ nhớFlash có thể lập trình lại

Truy cập nhanh tệp thanh ghi chứa 32 thanh ghi 8 bit làm việc mục đíchchung với thời gian truy cập trong một chu kỳ xung nhịp Điều này cho phépđơn vị xử lý số học và logic (ALU) hoạt động trong một chu kỳ đơn Một hoạtđộng điển hình của ALU là hai toán hạng được lấy ra từ tệp thanh ghi, hoạtđộng thực hiện tính toán giữa các toán hạng, sau đó kết quả lại được lưu vàotệp thanh ghi, tất cả các công việc đó được thực hiện trong một chu kỳ xungnhịp

Có 6 trong 32 thanh ghi có thể được sử dụng như 3 con trỏ thanh ghi địachỉ gián tiếp 16 bit cho việc ghi địa chỉ vùng nhớ dữ liệu, cho phép có thể tínhtoán địa chỉ Một trong số những con trỏ địa chỉ này có thể dược dùng nhưmột con trỏ địa chỉ để tra bảng trong bộ nhớ chương trình Flash Các thanhghi này là các thanh ghi 16 bit X, Y và Z

ALU hỗ trợ các phép tính số học và logic giữa các thanh ghi hoặc giữahằng số với một thanh ghi Các phép tính với 1 thanh ghi riêng lẻ có thể cũng

NGUYỄN THỊ HÀ THU 32 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49

được thực hiện trong ALU Sau mỗi phép tính số học thanh ghi trạng tháiđược cập nhật để phản ánh thông tin về kết quả của phép tính.

Dòng chương trình được qui định bởi các lênh nhảy có điều kiện vàkhông điều kiện và các lệnh gọi, có thể trực tiếp địa chỉ trong toàn bộ khônggian địa chỉ Hầu hết các lệnh của AVR có dạng 1 từ 16 bit Mỗi địa chỉ của

bộ nhớ chương trình chứa một lệnh 16 hoặc 32 bit

Trong suốt thời gian phục vụ ngắt hoặc gọi chương trình con, địa chỉ của

bộ đếm chương trình được cất vào ngăn xếp (stack) Ngăn xếp thực tế đượcđặt trong vùng dữ liệu chung SRAM, do đó kích thước của ngăn xếp chỉ bịgiới hạn bởi tất cả kích thước SRAM và cách sử dụng SRAM Tất cả người sửdụng chương trình phải khai báo vị trí ban đầu của SP (stack pointer: con trỏngăn xếp) trong chương trình reset (trước khi thực hiện các chương trình conhay thực hiện ngắt) Con trỏ ngăn xếp SP được đọc/ghi có thể truy nhập vàovùng nhớ I/O Bộ nhớ dữ liệu SRAM có thể truy nhập dễ dàng thông qua 5chế độ địa chỉ khác nhau được hỗ trợ trong kiến trúc của AVR

Đơn vị ngắt linh hoạt có các thanh ghi điều khiển riêng của nó trongvùng nhớ I/O với một bit cho phép ngắt toàn cục trong thanh ghi trạng thái.Tất cả các ngắt đều có các vector ngắt riêng biệt trong bảng vector ngắt Cácngắt có quyền ưu tiên ngắt khác nhau tùy thuộc vào vị trí của vector ngắt.Vector ngắt có địa chỉ càng thấp có mức ưu tiên càng cao

Vùng nhớ I/O chứa 64 địa chỉ cho các chức năng ngoại vi như các thanhghi điều khiển, SPI, và các chức năng I/O khác Vùng nhớ I/O có thể truy cậptrực tiếp hoặc như các vị trí trong vùng nhớ dữ liệu theo địa chỉ trong tệpthanh ghi từ $20 đến $5F

3.2 Ngôn ngữ lập trình C cho vi điều khiển AVR

Ngôn ngữ lập trình C là ngôn ngữ khá mạnh và được nhiều người sửdụng Lập trình bằng ngôn ngữ cấp cao như C giúp xây dựng các ứng dụng

nhanh chóng và dễ dàng hơn Sau đây sẽ giới thiệu một cách cơ bản nhất vềcách viết chương trình cho AVR sử dụng ngôn ngữ C.

Một chương trình C cho AVR thường bao gồm những thàn phần cơ bảnnhư: chú thích (comments), biểu thức (expressions), câu lệnh (statements),khối (blocks), các toán tử, cấu trúc điều khiển (flow controls), hàm (function)

…

Chú thích (comments): Chú thích là những đoạn trong chương trìnhdùng để giải thích hay bình phẩm những gì ta làm trong chương trình, phầnchú thích không được biên dịch vì vậy nó không có bất kỳ ảnh hưởng nào dếnhoạt động của chương trình Có hai cách để tạo phần chú thích trong C là chúthích theo từng dòng bằng cách đặt ở đầu dòng chú thích dấu “//” và chú thíchblock bằng cách kẹp đoạn cần chú thích vào giữa /*…*/

Tiền xử lý (preprocessor): là một tiện ích của ngông ngữ C, cácpreprocessor được trình biên dịch xử lý trước tất cả các phần khác Cácpreprocessor được bắt đầu bằng dấu “#”, trong ngôn ngữ C có haipreprocessor được sử dụng phổ biến nhât đó là #include và #define.Preprocessor #include dùng để chỉ định 1 file được đính kèm trong quá trình

xử lý, và #define dùng để định nghĩa một chuỗi thay thế hoặc 1 macro

Biểu thức (expressions): là một phần của các câu lệnh, biểu thúc có thểbao gồm các biến, các toán tử, gọi hàm… Biểu thức trả về một giá trị đơn.Biểu thức không phải là một câu lệnh hoàn chỉnh

Câu lệnh (statements): là một dòng lệnh hoàn chỉnh có thể bao gồm các

từ khóa (key words), các biểu thức các câu lệnh khác và được kết thúc bằngdấu “;”

Khối (blocks): là sự kết hợp của nhiều câu lệnh để cùng thực hiện mộtnhiệm vụ nào đó Khối được kẹp giữa hai dấu mở khối “” và đóng khối “”.Toán tử (operators): là những ký hiệu báo cho trình biên dịch biết nhũngnhiệm vụ cần thực hiện

-Các toán tử đại số

NGUYỄN THỊ HÀ THU 34 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49

* Địa chỉ gián tiếp

& Địa chỉ trực tiếp -Các toán tử thao tác bit

~ Phép NOT bit

& Phép AND bit

| Phép OR bit

^ Phép XOR bit

>> Dịch bit sang trái

<< Dịch bit sang phải

Cấu trúc điều khiển (flow controls): Các cấu trúc điều khiển cho phépchương trình thực hiện đúng theo ý tưởng của người viết chương trình Cáccấu trúc điều khiển thường dùng trong lập trình C:

-“If (điều kiện) câu lệnh;” Nếu điều kiện là đúng thì thực hiện câu lệnh tiếptheo sau, câu lệnh có thể được viết cùng dòng hay dòng sau từ khóa if Điềukiện là một biểu thức bất kỳ có thể là sự kết hợp của nhiều điều kiện thôngqua các toán tử quan hệ AND(&&), OR(||), … Điều kiện được cho là đúng khi

Nếu cần thực hiện nhiều câu lệnh thì các câu lệnh cần được dặt trong 1khối:

-Cấu trúc lặp for : “for (biểu thức 1; biểu thức 2; biểu thức 3) câu lệnh”.Trong đó biểu thức 1 là biểu thức khởi tạo, biểu thức 2 là điều kiện, biểu thức

3 là biểu thức thực hiện sau Biểu thức 1 được thực hiện 1 lần sau đó chương

trình kiểm tra điêu kiện qua biểu thức 2, nếu điều kiện đúng câu lệnh đượcthực hiện, sau đó thực hiện biểu thức 3 rồi lại quay lại kiểm tra điều kiện Cứnhư vậy tới khi điều kiện không còn đúng nữa thì chương trình thoát khỏivòng lặp Chú ý khi sử dụng vòng lặp for là các biểu thức trong cấu trúc for cóthể không có nhưng các dấu “;” thì bắt buộc phải có

Hàm (functions): Trong C có rất nhiều hàm, mỗi hàm dùng để thực hiệnmột chức năng cụ thể Các hàm trong C thường được thiết kế nhỏ gọn, để cónhững hàm phức tạp người dùng cần tự tạo ra

Các từ khóa (key words): Từ khóa là những từ quy định của ngôn ngữ Cnhư tên các kiểu dữ liệu (char, int, unsigned int, …); tên các cấu trúc điềukhiển (if, while, for,…) Cần chú ý không được đặt tên biến trùng với từ khóa

Các kiểu dữ liệu thường dùng khi lập trình C cho vi điều khiển:

Unsigned short int 2 0 đến 65353

Singed short int 2 - 32767 đến 32767

Unsigned long int 4 0 đến 4294967295

Singed long int 4 - 2147483647 đến 2147483647Long long int 8 - (263 – 1) đến (263 – 1)

Unsigned long long int 8 0 đến (264 – 1 )

Signed long long int 8 - (263 – 1) đến (263 – 1)

3.3 Giới thiệu phần mềm CodevisionAVR, dùng để lập trình và nạp chương trình cho vi điều khển AVR

Phần mềm codevisionAVR là một phần mềm rất tiện lợi dùng để lậptrình và nạp cho AVR, nó hỗ trợ tối đa cho người sử dụng trong việc lập trìnhcho AVR, giúp người sử dụng có thể nhanh chóng nắm bắt cách sử dụng, cácchức năng và các chế độ làm việc của vi điều khiển

NGUYỄN THỊ HÀ THU 38 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49

3.3.1 Cách tạo một project mới

Cài đặt trình biên dịch CoddeVision AVR C trong thư mục mặc định C:/Cvavr

Chạy file cvavr.exe trong thư mục C:/Cvavr/bin

Tạo một project mới bằng cách chọn File/New trong bảng chọn (menuoption), cửa sổ trong hình vẽ hiện ra:

Chọn “Project” sau đó ấn “OK” Cửa số sau hiện ra:

Ấn “yes” để sử dụng CodeWizardAVR viết chương trình tự động

Trong bài toán điều khiển bộ khởi động mềm này ta chọn chipATmega16 với tần số xung nhịp là 16MHz.

Định dạng các cổng vào/ra phù hợp với mục đích sử dụng bằng cáchchọn tab “Ports”

NGUYỄN THỊ HÀ THU 40 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49