điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha 220v bằng phương pháp uf

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ  ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHASE 220V BẰNG PHƯƠNG PHÁP V/F GVHD: ThsTrầnVănHùng SVTH : Trần Duy Hưng MSSV: 10370231 Lê Kim Tân MSSV: 10313621 Lớp : DHDT6ALT  HCM 6/2012  LỜI MỞ ĐẦU  Ngày nay, biến tần đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong tất cả các hệ thống truyền động điện trong công nghiệp, nông nghiệp cũng như trong các hệ thống dân sinh. Ưu điểm của hệ thống có sử dụng biến tần là khả năng linh hoạt trong việc thay đổi tốc độ của động cơ, dải tần số thay đổi rộng, an toàn cho hệ thống thiết bị điện cũng như hệ thống cơ khí. Tính năng tự động hóa cao. Tiết kiệm chi phí vận hành và tiết kiệm điện năng tiêu thụ. Nhóm chúng em thực hiện đề tài “Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha 220V” với những yêu cầu như sau:  Dải tần số điều chỉnh từ 1Hz đến 80 Hz.  Nhập thông số điều khiển từ bàn phím 4x4.  Thay đổi tần số bằng biến trở 10KΩ.  Hiển thị thông tin trên LCD 16x2.  Giao tiếp máy tính qua cổng COM, giao diện VB6.  VĐK dùng PIC 16F877A. Đây là những chức năng chính cơ bản của một biến tần hiện nay. Trong quá trình thực hiện đề tài, với kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót, nhóm chúng em xin được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo cũng như sự góp ý của các bạn. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Trần Văn Hùng đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo nhóm trong suốt quá trình thực hiện. Chúng em cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong khoa điện tử cũng như tất cả các bạn đã giúp đỡ nhóm hoàn thành đề tài. Nhóm sinh viên thực hiện MỤC LỤC  DANH MỤC SỐ TRANG LỜI MỞ ĐẦU MỤC LỤC PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I. GIỚI THIỆU VỀ ĐC KĐB 3 PHA 1 1. Giới thiệu chung 1 2. Cấu tạo 1 2.1. Phần tĩnh 1 2.1.1. Vỏ máy 1 2.1.2. Dây quấn 2 2.1.3. Lõi thép 2 2.2. Phần quay 2 2.2.1. Lõi thép Roto 2 2.2.2. Trục máy 3 2.2.3. Dây quấn 3 2.3. Khe hở 4 2.4. Những đại lượng ghi trên động cơ 4 3. Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB 3 pha 4 3.1. Nguyên lý làm việc 4 3.2. Cách đấu dây động cơ KĐB 3 pha 5 4. Các phương pháp điều khiển tốc độ ĐC KĐB thường dùng 5 II. VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A 1. Tổng quan về PIC 16F877A 7 2. Tóm tắt cấu trúc phần cứng 7 2.1. Sơ đồ chân 7 2.1.1. Sơ đồ chân 7 2.1.2. Chức năng các chân 8 2.2. Sơ đồ khối 9 III. PHƯƠNG PHÁP PWM 1. Định nghĩa 10 2. Nguyên lý của phương pháp PWM 11 3. Ứng dụng của phương pháp PWM 12 IV. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN V/F 1. Tại sao phải điều khiển V/F 12 2. Nguyên lý điều khiển E/F 13 3. Phương pháp điều khiển V/F 13 V. CHUẨN GIAO TIẾP NỐI TIẾP 1. Cấu trúc cổng nối tiếp 15 2. Truyền thông kết nối 17 3. Các thuộc tính của cổng nối tiếp 18 4. Giao tiếp với vi điều khiển 19 PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN I. YÊU CẦU CƠ BẢN VỀ THIẾT BỊ 20 II. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG 20 1. Khối chỉnh lưu công suất và cấp nguồn +5V, +15V 22 1.1. Sơ đồ nguyên lý và layout thực tế 22 1.2. Nguyên tắc hoạt động 23 2. Khối ADC 2.1. Nhiệm vụ của khối 23 2.2. Sơ đồ kết nối 23 3. Khối điều khiển và hiển thị 24 3.1. Sơ đồ nguyên lý và layout thực tế 24 3.2. Nguyên tắc hoạt động 25 4. Mạch lái và mạch cách ly 25 4.1. Mạch cách ly 26 4.2. Mạch lái 27 5. Mạch nghịch lưu 3 pha 29 5.1. Sơ đồ nguyên lý và layout thực tế 29 5.2. Nguyên lý hoạt động và tín hiệu điều khiển 31 5.3. Dạng tín hiệu ngõ ra 32 6. Giao diện giao tiếp người sử dụng 35 III. LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 35 1. Lưu đồ giải thuật cho VĐK 35 2. Lưu đồ giải thuật quét bàn phím 37 3. Lưu đồ giải thuật PWM theo phương pháp V/F 39 4. Lưu đồ giải thuật cho VB 45 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 1. Phần cứng 47 2. Giao diện giao tiếp người sử dụng 47 Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F GVHD: Ths Trần Văn Hùng SVTH: Trần Duy Hưng 1 Lê Kim Tân PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT I. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 1. Giới thiệu chung Động cơ điện không đồng bộ ba pha (AC Induction Motor) được sử dụng rất phổ biến ngày nay với vai trò cung cấp sức kéo trong hầu hết các hệ thống máy công nghiệp, nông nghiệp cũng như dân dụng. Công suất của các động cơ không đồng bộ có thể đạt đến 500KW và được thiết kế tuân theo quy chuẩn cụ thể nên có thể thay thế cũng như sửa chữa rất dễ dàng. Bên cạnh đó, động cơ điện không đồng bộ còn có ưu điểm dễ chế tạo và vận hành nên ngày càng được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực. 2. Cấu tạo Động cơ không đồng bộ gồm có phần tĩnh (Stato) và phần động (Roto) Hình I.1: Cấu tạo chung của động cơ không đồng bộ 3 pha 2.1. Phần tĩnh (Stato): Gồm có lõi thép, dây quấn và vỏ máy. 2.1.1. Vỏ máy: Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ. Thường vỏ máy được làm bằng gang hoặc thép. Tuỳ theo Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F GVHD: Ths Trần Văn Hùng SVTH: Trần Duy Hưng 2 Lê Kim Tân cách chế tạo để làm nguội máy mà dạng vỏ máy cũng khác nhau. Vỏ máy có chân đế cố định máy trên bệ, hai đầu có nắp máy để đỡ trục roto và bảo vệ dây quấn. 2.1.2. Dây quấn: Được đặt trong lõi các rãnh của lõi thép, xung quanh dây quấn có bọc một lớp cách điện để cách điện với lõi thép. Với động cơ không đồng bộ ba pha các cuộn dây được đặt lệch nhau 120 độ điện. Hình I.2: Cấu tạo chung của Stato 2.1.3. Lõi thép: Do nhiều lá thép kỹ thuật điện đã dập sẵn ghép cách điện với nhau. Chiều dày của các lá thép thường từ 0.35 mm đến 0.5 mm. Phía trong các lá thép được xẻ các rãnh để đặt dây quấn. Mỗi lá thép kỹ thuật được sơn cách điện với nhau để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây lên. Nếu lá thép ngắn thì có thể ghép thành một khối. Nếu lá thép dài thì có thể ghép thành từng thếp, mỗi thếp dài từ 6cm đến 8cm, cách nhau 1 cm để thông gió. 2.2. Phần quay (Roto) Gồm có lõi thép, trục và dây quấn. 2.2.1. Lõi thép Roto: Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F GVHD: Ths Trần Văn Hùng SVTH: Trần Duy Hưng 3 Lê Kim Tân Cũng làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại giống như ở Stato. Lõi thép được ép trực tiếp lên trục, bên ngoài có xẻ các rãnh để đặt dây quấn. 2.2.2. Trục máy: Được làm bằng thép, có gắn lõi thép Roto. Trục được đỡ trên nắp máy nhờ có ổ lăn hay ổ trượt. 2.2.3. Dây quấn Roto: Tùy theo động cơ không đồng bộ mà ta chia ra Roto dây quấn hay Roto lồng sóc. 2.2.3.1. Roto dây quấn: Roto dây quấn có kiểu giống như dây quấn Stato và có số cực bằng số cực ở Stato. Trong động cơ trung bình và lớn thì dây quấn được quấn theo kiểu sóng hai lớp để giảm bớt các đầu nối, kết cấu dây quấn chặt chẽ. Trong động cơ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn ba pha của động cơ thường đấu hình sao, ba đầu ra của nó nối với ba vòng trượt đồng thau gắn trên trục của Roto. Ba vòng trượt này cách điện với nhau và với trục.Tỳ trên ba vòng trượt là ba chổi than.Thông qua chổi than có thể đưa điện trở phụ vào mạch Roto, có tác dụng cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ, hệ số công suất được thay đổi. 2.2.3.2. Roto lồng sóc: Kết cấu rất khác với dây quấn Stato. Các dây quấn là các thanh đồng hay thanh nhôm đặt trên các rãnh lõi thép Roto. Hai đầu các thanh dẫn nối với các vòng đồng hay nhôm gọi là vòng ngắn mạch. Như vậy dây quấn Roto hình thành một cái lồng quen gọi là lồng sóc. Ngoài ra, dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi thép. Rãnh Roto có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc thành hai rãnh gọi là lồng sóc kép dùng cho máy có công suất lớn để cải thiện tính năng mở máy. Với động cơ công suất nhỏ rãnh Roto thường đi chéo một góc so với tâm trục. Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F GVHD: Ths Trần Văn Hùng SVTH: Trần Duy Hưng 4 Lê Kim Tân Hình I.3: Roto lồng sóc 2.3. Khe hở Giữa phần tĩnh và phần quay là khe hở không khí, khe hở rất nhỏ, thường là 0.2 mm đến 1 mm. Do Roto là khối tròn nên Roto rất đều. Mạch từ động cơ không đồng bộ khép kín từ Stato sang Roto qua khe hở không khí. Khe hở không khí càng lớn thì dòng từ hóa gây ra từ thông cho máy càng lớn nên hệ số công suất càng lớn. 2.4. Những đại lượng ghi trên động cơ không đồng bộ  P đm Công suất định mức là công suất cơ hay công suất điện đưa ra (W).  U đm Điện áp định mức (V).  I đm Dòng điện định mức (A).  CosΦ đm Hệ số công suất định mức.  N đm Tốc độ quay định mức (Vòng/phút).  f đm Tần số định mức (Hz). 3. Nguyên lý làm việc của động cơ 3 phase 3.1. Nguyên lý làm việc Khi nối dây quấn Stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, hệ thống dòng xoay chiều ba pha chạy vào dây quấn sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ: ω 1 =    f 1 : tần số dòng điện chạy trong dây quấn Stato. Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F GVHD: Ths Trần Văn Hùng SVTH: Trần Duy Hưng 5 Lê Kim Tân p : số cặp cực. Từ trường quay quét qua các thanh dẫn Roto cảm ứng trong dây quấn Roto sức điện động E 2 , sinh ra dòng điện I 2 chạy trong dây quấn. Chiều của I 2 xác định theo quy tắc bàn tay phải. Dòng I 2 nằm trong từ trường quay sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ tạo thành momen tác dụng lên Roto làm nó quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường (dùng quy tắc bàn tay trái để xác định chiều của lực và do đó chiều của momen M tác dụng lên Roto Hình I.4: Sơ đồ nguyên lý của động cơ KĐB Tốc độ Roto (n) không bao giờ lớn hơn tốc độ của từ trường quay (n 1 ) mà phải nhỏ hơn. Có như vậy mới có sự chuyển động tương hỗ giữa tốc độ từ trường và Roto, vì vậy duy trì được dòng I 2 và momen M. Do tốc độ quay của Roto nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường nên gọi là động cơ không đồng bộ. Giữa tốc độ từ trường và tốc độ Roto có liên quan qua tỉ lệ: S =      S là hệ số trượt, thường từ 0.02 ~ 0.06 3.2. Cách đấu dây động cơ không đồng bộ Tùy theo điện áp của lưới điện mà ta đấu dây Stato theo hình Y hay Δ. Mỗi động cơ điện ba pha gồm có ba dây quấn pha. Khi thiết kế người ta đã quy định điện áp định mức cho mỗi dây quấn. Động cơ điện phải làm việc đúng với điện áp quy định ấy. Để thuận tiện cho việc đấu động cơ, người ta kí hiệu 6 đầu dây của ba cuộn là AX, BY, CZ . [...].. .Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F Cách đấu 6 đầu dây như thế nào để điện áp vào động cơ luôn là định mức: Động cơ ba pha có điện áp định mức cho mỗi pha dây quấn là 220V (Up =220V) , trên động cơ ghi thông số Δ/Y 220V /38 0V  Nếu động cơ làm việc ở mạng điện có Ud = 38 0V thì động cơ phải đấu theo hình Y: Id = Ip ; U d = 3 Up ; Suy ra Up = = 220V √  Nếu động cơ làm việc... ngược lại GVHD: Ths Trần Văn Hùng 19 SVTH: Trần Duy Hưng Lê Kim Tân Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F PHẦN II THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA THEO PHƯƠNG PHÁP V/f I YÊU CẦU CƠ BẢN VỀ THIẾT BỊ Thiết kế biến tần ba pha điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha công suất 1KW Các thông số cơ bản của động cơ: Kí hiệu Tên thông số Đơn vị tính Đấu Δ/Y Pđm Công suất định... hoạt động Các thông số hoạt động được nhập liệu từ bàn phím và biến trở sẽ được đưa vào vi điều khiển, sau đó vi điều khiển sẽ xử lý và xuất sung điều khiển qua mạch cách ly quang, qua IR21 03 để điều khiển MOSFET IRFP460 đóng mở để tạo ra điện áp 3 pha ngõ ra điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha theo yêu cầu GVHD: Ths Trần Văn Hùng SVTH: Trần Duy Hưng Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp. .. mạng điện có Ud = 220V thì động cơ phải đấu theo hình Δ: Id = √3Ip ; Ud = Up = 220V Đấu hình tam giác Đấu hình sao 4 Các phương pháp điều khiển tốc độ của động cơ KĐB thường dùng Trong công nghiệp, những phương án thường được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ:  Điều chỉnh điện trở mạch Roto  Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ  Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ GVHD: Ths Trần... động cơ hoạt động với tần số định mức thì điện áp động cơ được giữ không đổi và bằng định mức do giới hạn cách điện của Stator cũng như của điện áp nguồn cung cấp Moment của động cơ sẽ bị giảm 2 Phương pháp E/f Ta có công thức sau: A= đ Trong đó: f: tần số hoạt động của động cơ fđm : Tần số định mức của động cơ Giả sử động cơ hoạt động dưới tần số định mức (a . tế. Phương pháp PWM cũng thường được các đội Robocon sử dụng để điều khiển động cơ hay ổn định tốc độ động cơ. IV. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN V/f 1. Tại sao phải điều khiển V/f = Const Tốc độ động. Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F GVHD: Ths Trần Văn Hùng SVTH: Trần Duy Hưng 1 Lê Kim Tân PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT I. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA. máy 3 2.2 .3. Dây quấn 3 2 .3. Khe hở 4 2.4. Những đại lượng ghi trên động cơ 4 3. Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB 3 pha 4 3. 1. Nguyên lý làm việc 4 3. 2. Cách đấu dây động cơ KĐB 3 pha