Thông qua môn học PBL 2 Project Based Learning 2, nhóm muốn vận dụng những kiến thức đã nghiên cứu và học hỏi được từ 4 môn học Điện tử công suất, Kỹ thuật đo lường, Kỹ thuật vi điều khi
BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT
Tổng quan về bộ biến đổi công suất
* Vai trò của bộ biến đổi công suất trong hệ thống:
- Đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống điện ba pha, giảm thiểu sự cố và đảm bảo an toàn cho các thiết bị và người sử dụng.
- Đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường hiệu suất, đảm bảo an toàn và giảm thiểu sự cố trong hệ thống điện ba pha Chúng giúp cải thiện quá trình sản xuất, tăng độ tin cậy và hiệu quả của các thiết bị điện và đồng thời giảm thời gian và chi phí bảo trì.
- Dễ dàng điều khiển bằng bộ điều khiển, được lập trình theo mong muốn của con người.
* Nguyên lí chung của bộ điều khiển trong hệ thống: Điện áp xoay chiều đi qua bộ biến đổi sẽ được thay đổi tần số cũng như điện áp đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp.
Lựa chọn bộ biến đổi công suất
1 Lựa chọn bộ biến đổi công suất:
Từ đồ thị trạng thái làm việc của động cơ theo yêu cầu của tải cũng như kết quả mô phỏng động cơ ở chương trước Nhóm nhận thấy, để đáp ứng các yêu cầu về trạng thái làm việc của động cơ như khởi động, hoạt động ở chế độ máy phát khi hãm, tăng tốc, đảo chiều nhóm đã sử dụng bộ biến đổi công suất là bộ biến tần nguồn áp gián tiếp AC-DC-AC.
Nhóm quyết định lựa chọn bộ biến tần nguồn áp gián tiếp cho đồ án Bởi các lý do:
+Sử dụng phương pháp biến đổi tần số.
+ Phù hợp với yêu cầu đầu vào là nguồn áp 220/380V.
+ Khả năng hoạt động tốt, được sử dụng rộng rãi.
+ Hiệu quả, đáp ứng được yêu cầu đầu ra của tải là động cơ xoay chiều
3 pha không đồng bộ, đáp ứng các trạng thái làm việc cúa động cơ: hãm, tăng tốc, đảo chiều.
III Bộ biến tần nguồn áp gián tiếp
1 Cấu trúc chung của bộ biến tần gián tiếp.
Cấu tạo của bộ biến tần gián tiếp gồm có bộ chỉnh lưu với chức năng chỉnh lưu điện áp xoay chiều với tần số cố định ở ngõ vào và bộ nghịch lưu thực hiện việc chuyển đổi điện áp (hoặc dòng điện) chỉnh lưu sang dạng áp hoặc dòng xoay chiều ở ngõ ra Bằng cấu trúc như trên, ta có thể điều khiển tần số ra một cách độc lập không phụ thuộc tần số vào các bộ biến tần gián tiếp thường hoạt động với công suất khoảng từ kW đến vài trăm kW Phạm vi hoạt động của tần số khoảng vài phần chục Hz đến vài trăm Hz Công suất tối đa của chúng có thể lên đến vài MW và tần số tối đa khoảng vài chục kHz (trong kỹ thuật nhiệt điện - lò cao tần).
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần gián tiếp
2 Chi tiết từng phần của bộ biến tần nguồn áp gián tiếp:
* Mạch trung gian một chiều: có chứa tụ lọc với điện dung khá lớn mắc vào ngõ vào của bộ nghịch lưu Điều này giúp cho mạch trung gian hoạt động như nguồn điện áp Tụ điên cùng với cuộn cảm của mạch trung gian tạo thành mạch lọc nắn điện áp chỉnh lưu Cuộn kháng có tác dụng nắn dòng điện chỉnh lưu Trong nhiều trường hợp, cuộn kháng không xuất hiện trong cấu trúc mạch và tác dụng nắn dòng của nó có thể được thay thế bằng cảm kháng tản máy biến áp cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu Do tác dụng của diode nghịch đảo bộ nghịch lưu, điện áp đặt trên tụ chỉ có thể đạt các giá trị dương Tụ điện còn thực hiện chức năng trao đổi năng lượng ảo giữa tải của bộ nghịch lưu và mạch trung gian.
* Bộ nghịch lưu áp: dạng một pha hoặc ba pha Quá trình chuyển mạch của bộ nghịch lưu áp thường là quá trình chuyển đổi cưỡng bức Trong trường hợp đặc biệt bộ nghịch lưu làm việc không có quá trình chuyển mạch hoặc với quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài Từ đó, ta có hai trường hợp bộ biến tần với quá trình chuyển mạch độc lập và quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài.
* Bộ chỉnh lưu: có nhiều dạng khác nhau, mạch tia, mạch cầu một pha hoặc ba pha Thông thường ta gặp mạch cầu ba pha Nếu như bộ chỉnh lưu một pha và bộ nghịch lưu ba pha, bộ biến tần thực hiện cả chức năng bộ biến đổi tổng số pha Thông thường, bộ chỉnh lưu có dạng không điều khiển, bao gồm các diode mắc dạng mạch cầu
Hình 2.2 Sơ đồ mạch biến tần nguồn áp gián tiếp
IV Tính chọn linh kiện
1 Chọn IGBT cho mạch nghịch lưu
- Ta sử dụng bộ nghịch lưu điều khiển hoàn toàn với van điều khiển đóng cắt được chọn là IGBT, vì IGBT là sự kết hợp giữa khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thông thường, được sử dụng phổ biến trong biến tần.
- Vì IGBT mắc trực tiếp với động cơ nên:
- Dòng điện chạy qua van: I V = P đm
- Chọn hệ số dự trữ dòng điện là K I = 1,4
- Chọn dòng sóng hài chạy qua van có cường độ I h = 1,1 A
- Dòng điện tinh chọn IGBT là:
- Điện áp đầu ra khâu nghịch lưu là: U = 220 (V)
- Điện áp cần cấp cho khâu nghịch lưu là: U d = 2 √ 2
- Chọn hệ số an toàn về áp cho van là 3 Do vậy ta cần điện áp chiụ đựng yêu cầu cho van bán dẫn là: U V = 359,2.3 = 1077,6 (V) có thông số:
Ta với các thông số:
Dòng điện cực đại 40A Điện áp cực đại 1200V
Hình 2.3 IGBT 1200V NPT FGL40N120AN
- Điện áp xoay chiều 3 pha qua mạch chỉnh lưu cầu diode được chỉnh lưu thành điện áp một chiều, tuy nhiên điện áp này cùng với dòng điện vẫn còn mang nhiều sóng hài bậc cao, do đó ta sử dụng bộ lọc LC trong đó thành phần cuộn kháng sẽ sinh ra sức điện động phản kháng để hạn chế sự biến thiên của dòng điện xoay chiều, còn tụ điện C sẽ giảm sự nhấp nhô của điện áp.
- Chọn hệ số san bằng k sb = 10, C = 1 μF
3 Chọn diode cho mạch chỉnh lưu:
- Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu: U d = 3√ 6 π U dm = 3√ 6 π 220 = 514.6 (V)
- Giá trị trung bình điện áp ngược cực đại: U ℑ =√ 6 U dm = √6 220S8.9 (V)
- Dòng điện định mức của động cơ là 1.12 A
- Dòng điện trung bình qua van : I D = 1.12
Chọn diode BYM26 E có thông số:
Dòng điện định mức I đm = 2.3A Điện áp ngược cực đại U ng.max = 1000V
Thời gian đóng cắt T rr = 75ns
- Tín hiệu điện từ vi điều khiển không đủ để kích dẫn được van IGBT nên ta cần một mạch khuếch đại, để tạo ra một tín hiệu điện đủ lớn để điều khiển đóng mở van.
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý mạch Gate Drive
Mô phỏng mạch đệm trên phần mềm Proteus:
Hình 2.6 Sơ đồ mạch Gate Drive trong Proteus
Kết quả mô phỏng đồ thị:
Hình 2.7 Kết quả xung đầu ra mạch đệm
▪ Tín hiệu điện áp đầu ra hoàn toàn trùng khớp về chu kì T và thời gian kích mở 𝑡𝑜𝑛 vì thế nên có thể điều khiển được đóng mở van theo tín hiệu từ vì điều khiển
▪ Dòng điện ban đầu từ vi điều khiển rất nhỏ, nhưng đã được khuếch đại để có đạt được dòng kích mở van.
5 Chọn thiết bị bảo vệ:
Trong quá trình làm việc của động cơ để bảo vệ động cơ khỏi bị hư hỏng khi gặp sự cố ngắn mạch, quá tải ta sử dụng aptomat để bảo vệ.
Từ giá trị dòng điện định mức của động cơ 𝐼max = 3,38 𝐴, dòng điện qua Aptomat chọn là: I = 2,5 Imax = 2,5 3.38= 8.45 (A)
Vậy ta lựa chọn MCB LS BKN-b 10A 3P 10kA có các thông số như sau:
Hình 2.8 MCB LS BKN-b 10A 3P 10kA Điện áp đinh mức 415 V
- Tính chọn rơ le nhiệt:
+ Trong quá trình hoạt động, để bảo vệ động cơ khỏi sự cố quá nhiệt, ta sử dụng rơ le nhiệt 3 pha để cắt hệ thống.
+ Từ giá trị dòng điện định mức của động cơ 𝐼max = 3,38 𝐴, dòng điện qua rơ le nhiệt chọn là: I = 1,3 Imax = 4,394 (A)
- Vậy ta lựa chọn MT-32 (4-6A) - Rơ le nhiệt LS 3P 4-6A có các thông số như sau:
Dải điều chỉnh 4-6 A Điện áp định mức 690V
Hình 219.9 MT-32 (4-6A) - Rơ le nhiệt LS 3P 4-6A
V Phương pháp điều khiển Để điều khiển bộ nghịch lưu, có 2 phương pháp chính là điều biến độ rộng xung sin SPWM và điều chế vecto không gian Nhóm quyết định lựa chọn sử dụng phương pháp SPWM cho đề tài.
Hình 220.10 Sơ đồ nguyên lý phát xung điều khiển
- Có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải
- Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tắc trong bộ nghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau
2 Các chỉ tiêu đánh giá:
- Chỉ số điều chế (Modulation index) m: được định nghĩa như tỉ số giữa biên độ thành phần hài cơ bản tạo nên bởi phương pháp điều khiển và biên độ thành phần hài cơ bản đạt được trong phương pháp điều khiển 6 bước: m= u ( 1 ) m u ( 1 ) m−six step
- Trị hiệu dụng các thành phần song hài bậc cao dòng điện:
Đại lượng I hRMS phụ thuộc không những vào phương pháp PWM mà còn vào thông số tải Để đánh giá chất lượng PWM không phụ thuộc vào tải, ta có thể sử dụng đại lượng độ méo dạng dòng điện như sau:
- Giả sử tải xoay chiều gồm sức điện động cảm ứng và cảm kháng tản mắc nối tiếp, độ méo dạng dòng điện có thể viết lại thành:
Kết quả đạt được không phụ thuộc vào tham số của tải
- Để đánh giá ảnh hưởng của từng sóng hài trong phương pháp PWM, ta có thể sử dụng tham số phổ từng sóng hài dòng điện Nếu sử dụng phương pháp điều chế đồng bộ với tần số kích đóng linh kiện f s bằng số nguyên lần (N) tần số song hài cơ bản f 1, hệ só sóng hài bậc k quy chuẩn, tính quy đổi theo phương pháp 6 bước và cho bởi hệ thức: h ( k f 1 ) = I hRMS I k f 1 ¿
Hệ số sóng hài không phụ thuộc vào tham số tải
- Hệ số méo dạng biểu diễn qua các hệ sống sóng hài như sau: d= √ 0, f ≠ f ∫ oo 1 h d 2 ( f ) df
3 Nguyên tắc điều biến độ rộng xung sin:
+ Ít nhất 1 van nhóm lẻ dẫn và ít nhất 1 van nhóm chẵn dẫn.
+ 2 van thẳng hàng không được dẫn cùng lúc.
Hình 2.2111 Mô tả phương pháp SPWM
Tính chọn linh kiện
1 Chọn IGBT cho mạch nghịch lưu
- Ta sử dụng bộ nghịch lưu điều khiển hoàn toàn với van điều khiển đóng cắt được chọn là IGBT, vì IGBT là sự kết hợp giữa khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thông thường, được sử dụng phổ biến trong biến tần.
- Vì IGBT mắc trực tiếp với động cơ nên:
- Dòng điện chạy qua van: I V = P đm
- Chọn hệ số dự trữ dòng điện là K I = 1,4
- Chọn dòng sóng hài chạy qua van có cường độ I h = 1,1 A
- Dòng điện tinh chọn IGBT là:
- Điện áp đầu ra khâu nghịch lưu là: U = 220 (V)
- Điện áp cần cấp cho khâu nghịch lưu là: U d = 2 √ 2
- Chọn hệ số an toàn về áp cho van là 3 Do vậy ta cần điện áp chiụ đựng yêu cầu cho van bán dẫn là: U V = 359,2.3 = 1077,6 (V) có thông số:
Ta với các thông số:
Dòng điện cực đại 40A Điện áp cực đại 1200V
Hình 2.3 IGBT 1200V NPT FGL40N120AN
- Điện áp xoay chiều 3 pha qua mạch chỉnh lưu cầu diode được chỉnh lưu thành điện áp một chiều, tuy nhiên điện áp này cùng với dòng điện vẫn còn mang nhiều sóng hài bậc cao, do đó ta sử dụng bộ lọc LC trong đó thành phần cuộn kháng sẽ sinh ra sức điện động phản kháng để hạn chế sự biến thiên của dòng điện xoay chiều, còn tụ điện C sẽ giảm sự nhấp nhô của điện áp.
- Chọn hệ số san bằng k sb = 10, C = 1 μF
3 Chọn diode cho mạch chỉnh lưu:
- Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu: U d = 3√ 6 π U dm = 3√ 6 π 220 = 514.6 (V)
- Giá trị trung bình điện áp ngược cực đại: U ℑ =√ 6 U dm = √6 220S8.9 (V)
- Dòng điện định mức của động cơ là 1.12 A
- Dòng điện trung bình qua van : I D = 1.12
Chọn diode BYM26 E có thông số:
Dòng điện định mức I đm = 2.3A Điện áp ngược cực đại U ng.max = 1000V
Thời gian đóng cắt T rr = 75ns
- Tín hiệu điện từ vi điều khiển không đủ để kích dẫn được van IGBT nên ta cần một mạch khuếch đại, để tạo ra một tín hiệu điện đủ lớn để điều khiển đóng mở van.
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý mạch Gate Drive
Mô phỏng mạch đệm trên phần mềm Proteus:
Hình 2.6 Sơ đồ mạch Gate Drive trong Proteus
Kết quả mô phỏng đồ thị:
Hình 2.7 Kết quả xung đầu ra mạch đệm
▪ Tín hiệu điện áp đầu ra hoàn toàn trùng khớp về chu kì T và thời gian kích mở 𝑡𝑜𝑛 vì thế nên có thể điều khiển được đóng mở van theo tín hiệu từ vì điều khiển
▪ Dòng điện ban đầu từ vi điều khiển rất nhỏ, nhưng đã được khuếch đại để có đạt được dòng kích mở van.
5 Chọn thiết bị bảo vệ:
Trong quá trình làm việc của động cơ để bảo vệ động cơ khỏi bị hư hỏng khi gặp sự cố ngắn mạch, quá tải ta sử dụng aptomat để bảo vệ.
Từ giá trị dòng điện định mức của động cơ 𝐼max = 3,38 𝐴, dòng điện qua Aptomat chọn là: I = 2,5 Imax = 2,5 3.38= 8.45 (A)
Vậy ta lựa chọn MCB LS BKN-b 10A 3P 10kA có các thông số như sau:
Hình 2.8 MCB LS BKN-b 10A 3P 10kA Điện áp đinh mức 415 V
- Tính chọn rơ le nhiệt:
+ Trong quá trình hoạt động, để bảo vệ động cơ khỏi sự cố quá nhiệt, ta sử dụng rơ le nhiệt 3 pha để cắt hệ thống.
+ Từ giá trị dòng điện định mức của động cơ 𝐼max = 3,38 𝐴, dòng điện qua rơ le nhiệt chọn là: I = 1,3 Imax = 4,394 (A)
- Vậy ta lựa chọn MT-32 (4-6A) - Rơ le nhiệt LS 3P 4-6A có các thông số như sau:
Dải điều chỉnh 4-6 A Điện áp định mức 690V
Hình 219.9 MT-32 (4-6A) - Rơ le nhiệt LS 3P 4-6A
Phương pháp điều khiển
Để điều khiển bộ nghịch lưu, có 2 phương pháp chính là điều biến độ rộng xung sin SPWM và điều chế vecto không gian Nhóm quyết định lựa chọn sử dụng phương pháp SPWM cho đề tài.
Hình 220.10 Sơ đồ nguyên lý phát xung điều khiển
- Có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải
- Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tắc trong bộ nghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau
2 Các chỉ tiêu đánh giá:
- Chỉ số điều chế (Modulation index) m: được định nghĩa như tỉ số giữa biên độ thành phần hài cơ bản tạo nên bởi phương pháp điều khiển và biên độ thành phần hài cơ bản đạt được trong phương pháp điều khiển 6 bước: m= u ( 1 ) m u ( 1 ) m−six step
- Trị hiệu dụng các thành phần song hài bậc cao dòng điện:
Đại lượng I hRMS phụ thuộc không những vào phương pháp PWM mà còn vào thông số tải Để đánh giá chất lượng PWM không phụ thuộc vào tải, ta có thể sử dụng đại lượng độ méo dạng dòng điện như sau:
- Giả sử tải xoay chiều gồm sức điện động cảm ứng và cảm kháng tản mắc nối tiếp, độ méo dạng dòng điện có thể viết lại thành:
Kết quả đạt được không phụ thuộc vào tham số của tải
- Để đánh giá ảnh hưởng của từng sóng hài trong phương pháp PWM, ta có thể sử dụng tham số phổ từng sóng hài dòng điện Nếu sử dụng phương pháp điều chế đồng bộ với tần số kích đóng linh kiện f s bằng số nguyên lần (N) tần số song hài cơ bản f 1, hệ só sóng hài bậc k quy chuẩn, tính quy đổi theo phương pháp 6 bước và cho bởi hệ thức: h ( k f 1 ) = I hRMS I k f 1 ¿
Hệ số sóng hài không phụ thuộc vào tham số tải
- Hệ số méo dạng biểu diễn qua các hệ sống sóng hài như sau: d= √ 0, f ≠ f ∫ oo 1 h d 2 ( f ) df
3 Nguyên tắc điều biến độ rộng xung sin:
+ Ít nhất 1 van nhóm lẻ dẫn và ít nhất 1 van nhóm chẵn dẫn.
+ 2 van thẳng hàng không được dẫn cùng lúc.
Hình 2.2111 Mô tả phương pháp SPWM
- Ta sử dụng phương pháp so sánh điện áp chuẩn hình sin (sóng điều chế) Uvef tần số f0 với sóng mang hình răng cưa Uc tần số fc để có luật đóng ngắt các nhánh cầu nghịch lưu
- Từ đây ta có biểu đồ điện áp đầu ra:
Hình 222.12 Biểu đồ điện áp đầu ra
- Để điều chỉnh điện áp đầu ra ta thay đổi biên độ điện áp răng cưa.
- Để điều chỉnh tần số đầu ra ta thay đổi tần số sóng hình sin.
Mô phỏng và nhận xét
Hình2 2313 Sơ đồ mô phỏng hệ hở Simulink
Hình 224.14 Đồ thị điện áp dây của nguồn 3 pha
Hình 225.15 Đồ thị dòng điện của nguồn 3 pha
Nhận xét: Điện áp đầu vào là điện áp 3 pha, có dạng hình sin, ổn định.
Phù hợp với yêu cầu của đề tài
1 Mô phỏng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển (qua bộ lọc LC).
Hình 2.16 Đồ thị điện áp ra sau chỉnh lưu
Hình2.16 Đồ thị điện áp ra sau chỉnh lưu
Nhận xét: Sau khi điện áp một chiều được đưa qua bộ lọc ta thấy được điện áp ra sau chỉnh đã gần như phẳng hoàn toàn Các pha cách nhau đúng1/3 chu kì Điện áp duy trì ở giá trị đúng như kết quả đã tính toán , phù hợp với lý thuyết Thời gian quá độ ngắn, chưa đầy 0,1 giây Thích hợp với yêu cầu của tải.
Hình 2.17 Đồ thị dòng điện ra sau chỉnh lưu
Nhận xét: Tại thời điểm ban đầu, ta thấy dòng điện rất lớn vì ban đầu cần phải khởi động động cơ nên cần một dòng điện lớn cung cấp cho động cơ, sau đó, khi mạch hoạt động ổn định, vì không có điện trở nên giá trị dòng điện một chiều có giá trị rất nhỏ, gần như bằng 0 Khi ta tăng giá trị điện áp xoay chiều đầu vào thì giá trị dòng điện không thay đổi.
2 Mô phỏng mạch chỉnh lưu dùng IGBT
Hình 2.18.Sơ đồ mô phỏng mạch nghịch lưu không động cơ
Hình 2.19 Đồ thị điện áp 3 pha ra sau bộ nghịch lưu
Hình 2.20 Đồ thị điện áp từng pha ra sau bộ nghịch lưu
Nhận xét: Điện áp của mạch nghịch lưu có hình dạng và biên độ của Ud của mạch chỉnh lưu nhưng được biến đổi thành điện áp xoay chiều và được băm nhỏ thành nhiều xung vuông liên tục với các pha Ua, Ub, Uc tương ứng với điện áp U1, U2, U3 của mạch chỉnh lưu, độ rộng xung được băm trong mỗi chu kì phụ thuộc vào tần số song răng cưa, tần số càng lớn thì độ rộng xung càng lớn và ngược lại Khi tăng giá trị điện áp xoay chiều đầu vào mạch chỉnh lưu thì biên độ điện áp Uabc tăng theo và ngược lại.
Hình 2.21 Đồ thị điện áp giữa pha a và pha b ra sau bộ nghịch lưu
Nhận xét: Sau khi qua bộ nghịch lưu, điện áp ở 3 pha cũng như giữa 2 pha bất kì có giá trị ổn định Đồ thị điện áp tức thời ra sau nghịch lưu đúng với lý thuyết bộ nghịch lưu có điều khiển sử dụng IGBT Hệ thống có thời gian quá độ nhanh (< 0,2 giây).
Hình 2.22 Đồ thị dòng điện 3 pha ra sau bộ nghịch lưu
Hình 2.23 Đồ thị dòng điện pha a sau bộ nghịch lưu
Dòng điện của mạch nghịch lưu có dạng sóng sin 3 pha với giá trị biên độ khá lớn Tần số của dòng điện bằng tần số của điện áp được đưa vào vào mạch chỉnh lưu (fPHz)
Ta thấy rằng, khi khởi động thì dòng điện tăng lên đột ngột sau đỏ giảm và dao động Giá trị dòng khởi động gấp xấp xỉ 2 lần giá trị dòng điện khi ổn định Kết quả mô phỏng phù hợp với lý thuyết đã học Đồ thị dòng điện với tải là RL sau khi qua đã được lọc thành sóng hình sin Thời gian khởi động ngắn, thích hợp với yêu cầu của tải.
Hình 2.24 Đồ thị điện áp và dòng điện qua 1 van nghịch lưu
Hình 2.25 Đồ thị điện áp và dòng điện qua 1 van chỉnh lưu
Điện áp và dòng điện qua các van chỉnh lưu và nghịch lưu phù hợp với định mức của linh kiện đã chọn Qua mô phỏng ta thấy các linh kiện làm việc ổn định, các thông số không vượt quá định mức gây hiện tượng hư hỏng.
TÍNH CHỌN PHẦN ĐO LƯỜNG, BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ HOÀN THIỆN SƠ ĐỒ MẠCH PHẦN CỨNG TOÀN HỆ THỐNG
Tính chọn cảm biến
- Trong quá trình động cơ hoạt động ta cần đo đạt giá trị của dòng điện thực chạy trong động cơ để đưa về bộ điều khiển tính toán ta sử dụng cảm biến dòng để thực hiện công việc này.
- Dòng điện định mức của động cơ là Iđm = 3,38 A nên ta sẽ tiến hành chọn cảm biến dòng sau:
Điện áp làm việc: 5VDC
Dãy nhiệt độ làm việc: −65 → 150℃
Điện áp cách ly tối đa: 4000V
Hình 3.1 Module cảm biến dòng điện WCS1700
- Tương tự dòng điện thì chúng ta cần lấy giá trị tốc độ của động cơ để đưa về bộ điều khiển tính toán, để thực hiện công việc này ta sử dụng cảm biến Encoder đặt ở trục quay của băng tải với tín hiệu đầu ra có dạng xung vuông với tần số phụ thuộc vào tốc độ của động cơ Khi chuỗi xung vuông được đưa vào bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép và tính toán ra được tốc độ thực của động cơ.
+ Tốc độ tối đa của động cơ sau khi qua hộp số: 190 vòng/phút + Ta sử dụng STM32F103C8T6 và cấu hình tần số là 8 MHz
Chọn encoder có độ phân giải không vượt quá 72.10 6 60/203 2364532 (xung/vòng)
- Vì cần xác định cả chiều quay của động cơ nên ta chọn
Encoder AB 400 xung 5-24V NPN trục 6mm HN 3806-400 có các thông số như sau: Điện áp làm việc: 5-24VDC
Tốc độ tối đa: 5000 vòng/phút Độ phân giải: 400 xung/ vòng
Hình 326.2 Encoder NPN 400 xung
Tính chọn vi điều khiển
Nhóm quyết định sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6, có các thông tin tổng quan như sau:
- STM32F103C8T6 là vi điều khiển 32bit, thuộc họ F1 của dòng chip STM32 hãng ST.
- Tốc độ tối đa 72Mhz
- Bộ nhớ :64 kbytes bộ nhớ Flash, 20 kbytes SRAM
- Clock, reset và quản lý nguồn:
+ Điện áp hoạt động từ 2.0 → 3.6V.
+ Sử dụng thạch anh ngoài từ 4Mhz → 20Mhz
+ Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 40Khz
- Chế độ điện áp thấp:
+ Có các mode: ngủ, ngừng hoạt động hoặc hoạt động ở chế độ chờ. + Cấp nguồn ở chân Vbat bằng pin ngoài để dùng bộ RTC và sử dụng dữ liệu được lưu trữ khi mất nguồn cấp chính
- 2 bộ ADC 12-bit với 9 kênh cho mỗi bộ
+ Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3.6 V
+ Có chế độ lấy mẫu 1 kênh hoặc nhiều kênh
+ Có hỗ trợ DMA cho ADC, UART, I2C, SPI.
+ 3 Timer 16-bit hỗ trợ các mode Input Capture/ Output Compare/ PWM. + 1 Timer 16-bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với các mode bảo vệ ngắt Input, dead-time.
+ 2 Watchdog Timer để bảo vệ và kiểm tra lỗi.
+ 1 Systick Timer 24-bit đếm xuống cho hàm Delay.
- Có hỗ trợ 9 kênh giao tiếp:
- Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID.
Hình 3.273 Vi điều khiển STM32F103C8T6
- Từ các thông số kỹ thuật trên ta có thể đưa ra những lý do sử dụng STM32C8T6 làm phương án lập trình điều khiển:
+ Giá thành rẻ, dễ dàng tìm kiếm và mua, phù hợp với đối tượng sinh viên
+ Có thể nhận tín hiệu phản hồi từ cảm biến dòng, encoder.
+ Có khả năng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi.
+ Bộ nhớ chương trình đủ lớn để chứa chương trình thuật toán.
Giao tiếp các cảm biến với vi điều khiển
- Ta thực hiện cấu hình các chân của vi điều khiển phù hợp với các cảm biến Sau khi cấu hình, ta được kết quả như sau:
Hình 328.4 Cấu hình STM32F103C8T6
- 2 chân PA13 và PA14 là 2 chân phục vụ debug.
- 2 chân PA0 và PA1 là 2 chân kết nối với 2 kênh A và B của encoder. Được cấu hình bằng cách sử dụng encoder mode của Timer 2 trong vi điều khiển.
- Chân PA2 là chân nhận tín hiệu đầu vào analog từ cảm biến dòng.
- Cách nối dây chi tiết:
- Cứ mỗi lần ngắt ngoài xảy ra, tức có 1 xung xuất hiện trên ở kênh A thì trình phục vụ ngắt ngoài tự động được gọi Trong trình phục vụ ngắt này chúng ta kiểm tra mức của kênh B, tùy theo mức của kênh B chúng ta sẽ tăng biến đếm xung lên 1 hoặc giảm đi 1 Từ đó ta có thể xác định được tốc độ quay của động cơ, ngoài ra còn xác định được động cơ quay thuận hay quay ngược và đảo chiều quay.
- Để tính toán tốc độ của động cơ ta sử dụng công thức: ω= pulse / s độ phân giải 60
- Cấu hình vi điều khiển trong STM32CubeIDE:
+ TIM2 – Combined Channels: Encoder Mode
GPIO Pull-up/Pull-down: Pull up
- Chương trình đọc giá trị tốc độ:
+ Khai báo biến: volatile short gtri_htai = 0; volatile short gtri_truoc = 0; volatile short pulse = 0; volatile short w = 0;
HAL_TIM_Encoder_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1 |
TIM_CHANNEL_2); \\khởi chạy encoder mode của 2 kênh thuộc Timer 2
HAL_Delay(1000); \\đọc giá trị encoder sau mỗi 1 giây gtri_htai = HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2); \\đọc giá trị pulse = gtri_htai – gtri_truoc; w = pulse/400; \\tính toán gtri_truoc = gtri_htai;
- Cách nối dây chi tiết (ở đây chúng ta chỉ quan tâm đến giá trị Analog của cảm biến nên sẽ bỏ qua chân Dout):
- Tính toán giá trị dòng điện từ giá trị analog (nadc) đọc được:
Với vi điều khiển STM32F103C8T6 thì n = 12, cảm biến sử dụng nguồn VCC = 5 VDC và GND = 0 VDC nên Iref+ = 50, Iref- = 0 Thay vào công thức ta được giá trị dòng điện mà cảm biến đo được.
- Cấu hình vi điều khiển trong STM32CubeIDE: ADC1 Mode – IN2
- Chương trình đọc giá trị dòng điện:
+ Khai báo biến: uint16_t nadc=0; float i=0;
HAL_ADC_Start(&hadc1); \\khởi chạy đọc giá trị analog
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1,1000); \\tự động bỏ qua quá trình chuyển đổi nếu quá thời gian nadc = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); \\đọc giá trị i = nadc*50/4095; \\tính toán
Sơ đồ chi tiết mạch phần cứng của hệ truyền điện
Hình 3.5 Sơ đồ chi tiết mạch phần cứng của hệ thống
*Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
Nguồn điện xoay chiều 3 pha được nối với bộ điều khiển công suất (bộ biến tần gián tiếp) Trong thực tế khi sử dụng vi điều khiển để điều khiển trực tiếp các van IGBT sẽ tạo ra delay lớn nên ở đây ta sẽ cho tín hiệu điều khiển đi qua mạch Gate Driver để giảm delay do đó bộ nghịch lưu sẽ được nhận các tín hiệu điều khiển từ bộ phát xung SPWM qua mạch trung gian Gate Driver để đóng mở các van công suất tạo điện áp 3 pha đối xứng tại ngõ ra của bộ nghịch lưu, cấp cho động cơ hoạt động Trục động cơ được nối với tải băng chuyền thông qua hộp số phục vụ cho nhiệm vụ kéo tải có khối lượng M di chuyển với tốc độ chỉ định Các tín hiệu dòng điện đi qua động cơ, tốc độ quay của trục động cơ lần lượt được phản hồi về bộ điều khiển (Controller) thông qua cảm biến dòng và encoder Bộ điều khiển (Controller) nhận 2 tín hiệu phản hồi trên cùng tín hiệu tốc độ đặt mong muốn để tính toán đưa ra tín hiệu điều khiển gửi vàoSPWM, thông qua đó điều khiển động cơ kéo tải theo tốc độ mong muốn.
Bảng liệt kê các thiết bị sử dụng
Thiết bị Thông số Giá Trị Đơn vị Động cơ
Công suất định mức 0,37 kW Điện áp định mức 380 V
Tốc độ định mức 1330 vòng/phút
Momen đầu ra định mức 125 Nm
Momen đầu ra cực đại 225 Nm
Tốc độ đầu vào định mức 4000 vòng/phút
Tốc độ đầu vào tối đa 8000 vòng/phút
BYM26E Điện áp ngược cực đại 1000 V
Thời gian đóng cắt 75 ms
Dòng điện định mức 2,3 A Điện áp ngược cực đại 1200 V
Dòng điện cực đại 40 A Độ phân giải 32 mV/A
WCS1700 Điện áp làm việc 5 VDC
Sai số tuyến tính ≤ 0.2 % Điện áp làm việc 5-24 VDC
Tốc độ tối đa 5000 vòng/phút
Hiệu suất 400 xung/vòng Đường kính trục 6 mm Điện áp định mức 415 V
Dòng cắt 10 kA Điện áp định mức 415 V
Dải điều chỉnh 4-6 A Điện áp định mức 690 V
CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT
* Mô phỏng toàn bộ hệ thống trên Matlab:
Hình 29 Mô phỏng toàn bộ mạch động lực
- Các tham số của hệ thống nhập vào Matlab:
+ P70 - Công suất định mức của động cơ
+ V80 - Điện áp định mức của động cơ
+ fP - Tần số động cơ
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG
Phân tích kết quả mô phỏng
* Đồ thị điện áp và dòng điện sau chỉnh lưu
Hình 30 Đồ thị giá trị điện áp sau chỉnh lưu
Nhận xét: Ở giai đoạn đầu, điện áp chưa ổn định hoàn toàn, sau khoảng 1s, điện áp giảm dần và quay về ổn định ở 500V Hiện tượng dao động nhỏ có thể do đặc tính nạp và xả của tụ điện trong mạch DC và sự thay đổi của dòng điện qua cuộn cảm.
Hình 4.331 Đồ thị giá trị dòng điện sau chỉnh lưu
Nhận xét: Ở giai đoạn đầu, dòng điện khởi động rất lớn, sau khoảng 1s, dòng điện giảm dần và quay về ổn định Hiện tượng dao động nhỏ có thể do đặc tính nạp và xả của tụ điện trong mạch DC và sự thay đổi của dòng điện qua cuộn cảm.
Kết luận: Đồ thị điện áp chỉnh luu sau khi mô phỏng toàn hệ thống, có sự giống nhau với đồ thị mô phỏng chỉnh lưu không tải ở đầu chương 2, đều ổn định điện áp ở mức 500V, do vậy kiểm nghiệm hệ thống đã chính xác với lí thuyết tính toán Đồ thị dòng điện do mô phỏng toàn hệ thống đã có tải khác với lúc mô phỏng không động cơ, nên dòng khởi động rất lớn sau đó ổn định lại tại 1 giá trị cố định, kiểm nghiệm đã đúng với lí thuyết tính toán.
* Đồ thị điện áp và dòng điện sau nghịch lưu
Hình 4.4 32 Đồ thị giá trị điện áp sau mạch nghịch lưu
Nhận xét: Điện áp đầu ra Vabc ở mạch nghịch lưu có dạng xung liên tiếp nhau theo nguyên lí điều khiển của bộ điều khiển độ rộng xung PWM nhưng có trị trung bình là điện áp hình sin 3 pha Từ mô phỏng ta có thể thấy được điện áp và dòng điện đầu ra của mạch nghịch lưu giống với những gì được học và có thể sử dụng điều khiển động cơ động bộ xoay chiều ba pha Giá trị điện áp không thay đổi sau khi đóng tải tại 2s
Hình 4.5 33 Đồ thị giá trị điện áp pha a và b sau mạch nghịch lưu
Nhận xét: Sau khi qua bộ nghịch lưu, điện áp ở 3 pha cũng như giữa 2 pha bất kì có giá trị ổn định Đồ thị điện áp tức thời ra sau nghịch lưu đúng với lý thuyết bộ nghịch lưu có điều khiển sử dụng IGBT Hệ thống có thời gian quá độ nhanh
Hình 4.6 34 Đồ thị giá trị dòng điện sau mạch nghịch lưu
Hình 4.7 35 Đồ thị dòng điện pha a sau mạch nghịch lưu
+ Trong giai đoạn này, tải chưa được kết nối, dòng điện khởi động ban đầu lớn (lên đến hơn 8A), sau đó dòng điện có biên độ dao động giảm dần và dần đạt đến trạng thái ổn định với giá trị ± 5( A )
- Giai đoạn đóng tải (sau 2s):
+ Ngay khi tải được kết nối (tại thời điểm 2s), dòng điện tăng mạnh, với biên độ lớn hơn rõ rệt so với giai đoạn trước đó (6A) dòng điện có xu hướng tăng lên để đáp ứng nhu cầu tải, đặc biệt là với dòng khởi động ban đầu.
- Giai đoạn ổn định lại sau khi đóng tải:
+ Sau khi dao động do kết nối tải giảm dần, dòng điện dao động một chút và sau đó dần ổn định lại ở một mức cao hơn Điều này cho thấy bộ nghịch lưu đã thích nghi với tải mới và duy trì dòng điện ổn định cung cấp cho tải.
* Đồ thị tốc độ động cơ và momen
Hình 4.8 36 Đồ thị tốc độ mong muốn và thực tế của động cơ
Tốc độ thực của băng tải bám sát theo giá trị tốc độ mong muốn Trong khoảng thời gian rất ngắn lúc khởi động ngay lập tức động cơ đi vào hoạt động ổn định đáp ứng theo tốc độ mong muốn, kể cả lúc tăng tốc, giảm tốc hay đảo chiều.
Hình 4.9 37 Đồ thị momen mong muốn và thực tế của động cơ
Ta sử dụng khối Signal Builder ở trong Simulink để mô phỏng động cơ thực tế bám vào đồ thị mong muốn, thực tế ta thấy đồ thị cho ra khá đúng với lí thuyết tuy nhiên độ rung còn hơi lớn, do khâu lọc chưa được thiết kế tốt.
Khi mới khởi động, momen động cơ lớn, tuy nhiên chưa đến 0,5 nó đã quay về giá trị ổn định, động cơ hoạt động ở chế độ định mức.