73 else _nop_(); } void main(void) { TMOD=0x11; IE=0x89; TF0=1; TF1=1; while(1) { kiemtra_1s(); } } ************************************************************** 74 CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BIẾN TẦN ÁP MỘT PHA 5.1 Thiết kế và chế tạo mạch cụ thể Thiết kế và chế tạo mạch cụ thể là một khâu rất quan trọng trong hệ thống bởi vì có thiết kế và tính toán chính xác thì hệ thống mới làm việc chính xác và ổn định được. Như vậy nội dung của chương này sẽ trình bày các bước tính toán và lựa chọn các linh kiện, thiết bị chính của mạch lực biến tần. Ta có sơ đồ cấu trúc của hệ biến tần động cơ như sau: Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quan về hệ biến tần động cơ Để tính toán thiết kế mạch lực và mạch điều khiển cho hệ biến tần ta xuất phát từ các thông số của động cơ. Động cơ là loại động cơ điện xoay chiều một pha có các thông số: U đm = 220 V η = 0,86 I đm = 0,22 V cosϕ = 0,8 P đm = 38 W n đm = 2800 v/phút p = 1 5.1.1 Thiết kế mạch lực 75 Từ sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển ta có sơ đồ mạch lực như hình vẽ: Hình 5.2 Sơ đồ mạch lực Đây là một khối rất quan trọng trong hệ thống, nó có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số mong muốn, đáp ứng được yều cầu điều khiển tốc độ động cơ. Hoạt động của biến tần được điều khiển bởi vi xử lý tín hiệu số. Bộ biến tần mà ta đang nói đến ở đây là bộ biến tần nguồn áp gián tiếp tức là trong một chu kỳ điện áp xoay chiều của lưới điện vào thì sự thay đổi của điện áp nguồn đó được bỏ qua. Điện áp một chiều dùng cho biến tần được lấy từ bộ chỉnh lưu và được lọc bởi tụ có dung lượng lớn. Vai trò của tụ C là đảm bảo quá trình quá độ của hệ thống và việc đóng cắt bên trong nghịch lưu không làm thay đổi lớn điện áp một chiều đầu vào. Đối với bộ các biến tần gián tiếp cấp cho các động cơ người ta thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp với các van bán dẫn là IGBT (INSULSTED GATE BIPOLAR TRANSISTOR – TRANSISTOR có cực cửa cách ly) bởi nó có nhiều tính ưu việt như tốc độ chuyển mạch nhanh, công suất điều khi ển yêu cầu rất nhỏ. Việc sử dụng chúng làm đơn giản đáng kể khi thiết kế các bộ biến đổi, làm cho kích thước của hệ thống điều khiển ngày càng thu nhỏ. Bốn điốt ngược đóng vai trò trao đổi công suất phản kháng với nguồn và bảo vệ quá điện áp cho IGBT khi IGBT khoá. Tính chọn các van nghịch lưu. Để chọn được các van ta cần biết được điện áp ngược đặt lên van và 76 dòng điện max. Điện áp ngược đặt lên mỗi van (Transitor) chính là điện áp một chiều nuôi biến tần , suy ra: U ngmax = U mc = 2 U đm = 2 . 220 = 311 (V) Dòng điện trung bình chạy qua van được tính thông qua dòng điện động cơ. Do cùng một thời điểm dòng điện đi qua đồng thời hai transitor nên dòng điện chạy qua một transitor là: dc van I I= 2 = 0, 22 2 = 0,11 (A) Chọn Transitor với hệ số dự trữ điện áp k u = 1,6 và hệ số dự trữ dòng điện k i = 1,2. Ta phải chọn van ít nhất chịu được điện áp ngược 1,6 * 311 = 498 (V), và dòng điện trung bình 1,2 * 0,11 = 0,132 (A). Tra tài liệu điện tử công suất ta chọn được một số loại sau: 2SC2335 (500V/ 7A) BUT56A 2SC2979 (900V/ 3A) 2SC3039 (500V /7A) 2DS1710 (1500V /3A) BU126(750V /3A) BU4508DX(700V/ 8A) BU205 (700V/ 2,5A) Thực tế chọn transitor 2SC2335. Tính chọn các điot chống ngược cho các Transitor Dòng điện trung bình qua điốt : I D =I m (1- μ)/2 = 2 .0.22(1-0.8)/2 = 0.311A Với I m là giá trị đỉnh của dòng điện I m = 2 .I đm Dòng trung bình tính chọn : 77 I Dtt = K I .I D = 1,2.0,311 = 0.37A Điện áp ngược tính chọn : U Dtt = K U .U D = U Ttt = 390 V Chọn điot chống ngược của Nga D2485(5A – 400V) Tính chọn tụ C Với chức năng phóng nạp khi điện áp thay đổi, tụ C được mắc giữa bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu để ổn định điện áp đầu vào nghịch lưu tạo nên nguồn áp, bên cạnh đó tụ C còn đóng một vai trò quan trọng khi tải có tính chất cảm kháng (động cơ). Tụ C sẽ là phần tử trao đổi công suất phản kháng cho tải. Thông thường tụ C được tính toán dựa vào tải, thường có dung lượng lớn. Tụ C là một phần tử rất quan trọng trong mạch nghịch lưu điện áp vì vậy việc lựa chọn tụ đòi hỏi độ chính xác. Tụ C với vai trò bảo vệ quá áp trong quá trình đóng cắt và trao đổi công suất phản kháng với tải, nếu điện dung tụ không đủ lớn thì sẽ không thực hiện được chức năng bả o vệ có thể dẫn đến nổ tụ, ngược lại nếu tụ C lớn thì sẽ kích thước lớn dẫn đến giá thành cao. Vì thế khi lựa chọn ta phải dựa vào nhiều yếu tố, thông thường trong thực tế người ta thường chọn tụ C theo công thức sau đây: 2 30 sin ΔUf η.I 2 3 C 0 2 Cx M − = ϕ trong đó: η là hệ số lấp đầy tải, chọn η max = 0,85; I M giá trị đỉnh của dòng tải; ΔU C độ biến thiên điện áp thường lấy bằng 0,1; f x tần số cắt xung; φ góc tải(cosφ=0,7 ⇒ φ = 44,42 0 ). Thay các thông số của động cơ vào ta tính được giá trị của tụ C. 78 000 22 M 3 xC η.I 3 30 3 0,85.0,22 2 44,42 30 Csin sin 36F 2fΔU221.10.0,1 2 ϕ− − == =μ Vậy chọn tụ C loại 47 μF Tính chọn mạch tạo nguồn điện một chiều có điện áp U mc =311 cung cấp cho biến tần Điện áp sau chỉnh lưu cần điện áp là 311V. Dòng điện một chiều sau chỉnh lưu: dc mc d mc P 38 I = I = = = 0,12 U 311 (A) Vì điện áp chỉnh lưu lớn hơn 220V nên cần tăng áp trước chỉnh lưu. Sụt áp sau hai điot chỉnh lưu xấp xỉ khoảng 2V nên điện áp đầu vào chỉnh lưu là: U đv = cl U.π 311.π = = 348 22 22 (V) Vậy chọn biến áp có tỷ số tăng áp là: K = 348 220 = 1,6 Điện áp đặt lên điot: U ng D = 2 U đv = 2 .348 = 492 (V) Vì dòng điện đi qua hai điot tại một thời điểm nên dòng điện qua một điot là: I D = dd II 0,12 == =0,06(A) 22 2 Chọn điot với hệ số dự trữ K i = 1,2 và K u = 1.6. Vậy ta phải chọn điot ít nhất chịu được điện áp ngược là 1,6*492 = 787(V) và dòng điện trung bình là 1,2*0,06 = 0,07(A) Thực tế chọn cầu 5 A Thiết kế mạch điều khiển 79 Hình 5.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Trong mạch gồm có mạch nguồn gồm: một biến áp nguồn, một cầu chỉnh lưu 2A, một tụ lọc 1000 μF, một điện trở hạn chế dòng 15KΩ, hai tụ 104 μF, một tụ 100 μF, một đèn LED báo hiệu và một bộ ổn nguồn L7805. Mạch nguồn này tạo ra nguồn một chiều 5V cung cấp nguồn cho bộ vi xử lý. Mạch có bộ vi xử lý AT89C52, bộ tạo dao động thạch anh ngoài ra còn có các tụ, điện trở và nút ấn. Mạch cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển Chọn 4 bộ cách ly 4N35 (100mA – 55V) mắc theo kiểu Dalinton với transitor của mạch lực. 80 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Sau một thời gian nghiên cứu đề tài, mặc dù gặp nhiều khó khăn nhưng với nỗ lực của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo và đặc biệt là thầy giáo TS. Nguyễn Văn Đường cùng với sự giúp đỡ của bạn bè đến nay đề tài tốt nghiệp của tôi đã cơ bản hoàn thành. Từ kết quả nghiên cứu được trong đề tài “Tự động điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều một pha bằng biến tần áp gián tiếp”. chúng tôi mạnh dạn đưa ra một số kết luận và đề nghị sau: 1. Kết luận a) Mặt tích cực - Đề tài đã tìm hiểu được khái quát về động cơ không đồng bộ, về các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ. Từ đó phân tích vai trò, ý nghĩa ứng dụng của phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn cung cấp trong thực tế. - Nghiên cứu về các loại biến t ần cụ thể là biến tần áp gián tiếp một pha. - Đã áp dụng tốt các kiến thức mới mẻ về các bộ điều chỉnh PID và các bộ điều chế độ rộng xung trong việc điều chỉnh tốc độ quay của động cơ. - Từ thực tế trực tiếp tính toán, thiết kế và lắp ráp các mạch điện tử chúng tôi đã củng cố thêm được những kiến thức, kỹ năng và khả năng tư duy giải quyết các vấn đề. - Nghiên cứu về bộ vi xử lý 8051 từ đó lập trình điều khiển đối tượng với sơ đồ công nghệ thực tiễn. - Trong đề tài có sử dụng cảm biến đo tốc độ theo nguyên ký đếm xung. Đây là nguyên lý đơn giản có độ chính xác và độ nhạy tương đối cao đả m bảo chất lượng tốt trong điều khiển. b) Mặt hạn chế Do điều kiện và khả năng còn hạn chế nên việc xây dựng mô hình chưa 81 được hoàn thiện. Chưa đo được số liệu cụ thể để tổng hợp hệ thống. c) Mặt nhận thức Qua quá trình nghiên cứu, tìm hiểu các tài liệu để thực hiện đề tài ngoài những hiểu biết vô cùng quan trọng về sự phát triển của công nghệ tự động hoá, việc ứng dụng của tự động hoá vào sản xuất… Đề tài còn giúp tôi có thêm kiến thức thực tế về áp dụng tự động hoá trong nông nghiệp, một lĩnh vực vô cùng quan trọng và cũng là nhiệm vụ của một kỹ sư tự động hoá nông nghiệp. 2. Kiến nghị Trong quá trình thiết kế mô hình thực tế, do thời gian và nhận thức còn hạn chế về trang thiết bị nên không tiến hành đo được số liệu cụ thể. Kính mong bộ môn cùng Khoa Cơ điện tạo điều kiện tốt hơn nữa về thời gian cũng như thiết bị dể đề tài có thể hoàn thiện tốt hơn và có tính ứng dụng thực tế cao. . về động cơ không đồng bộ, về các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ. Từ đó phân tích vai trò, ý nghĩa ứng dụng của phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng. quan về hệ biến tần động cơ Để tính toán thiết kế mạch lực và mạch điều khiển cho hệ biến tần ta xuất phát từ các thông số của động cơ. Động cơ là loại động cơ điện xoay chiều một pha có các. một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số mong muốn, đáp ứng được yều cầu điều khiển tốc độ động cơ. Hoạt động của biến tần được điều khiển bởi vi xử lý tín hiệu số. Bộ biến tần mà ta đang