Thiết kế mạch điều khiển biến tần ba pha

Em hy vọng khi đề tài hoàn thành sẽ là một công cụ hữu ích để các bạn sinh viên khoá sau yêu thích về biến tần có thể học tập nghiên cứu và nâng cao nó trên cơ sở sẵn có để có thể tạo ra một bộ biến tần có nhiều tính năng tiện dụng hơn phục cho quá trình học tập thêm phong phú và trực quan. Với những kiến thức học được trong trường và chưa có nhiều kiến thức thực tế trong lắp ráp chế tạo đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em mong có sự chỉ bảo hướng dẫn của các thẩy cô để bản đồ án có thể hoàn thiện hơn.

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình học tập bốn năm dưới mái trường Đại Học Hàng Hảiđược sự hướng dẫn dạy bảo nhiệt tình của các thầy cô giáo đặc biệt là các thầy

cô giáo bộ môn Điện Tự Động Công Nghiệp - Khoa Điện-Điện Tử Tàu Biển

Em đã trang bị cho mình được những kiến thức cơ bản và những hành trang cầnthiết cho mình để sẵn sàng chở thành những kĩ sư trẻ phục vụ cho đất nước trongthời kì hội nhập

Trong quá trình học tập em nhận thấy biến tần đang được ứng dụng rộng rãitrong các nhà máy, xí nghiệp hiện nay và đối với bản thân em nghiên cứu vềbiến tần cũng là một niềm đam mê trong quá trình học tập Chính vì vậy trong

lễ nhận đồ án tốt nghiệp em đã xin nhận đề tài: “Thiết kế mạch điều khiển biến tần ba pha” Nội dung cơ bàn của đề tài:

+ Nghiên cứu tổng quan động cơ không đồng bộ

+ Nghiên cứu các Phương Pháp Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Điện Xoay Chiểu

+ Tìm hiểu Cấu Trúc Các Bộ Biến Tần

+ Đi sâu tìm hiểu bộ Biến Tần Điều Biến Độ Rộng Xung (PWM)

+ Tìm hiểu về Họ Vi Điều Khiển dsPic

+ Ứng dụng vi điều khiển dsPic 30F4011 để xây dựng biến tần

Em hy vọng khi đề tài hoàn thành sẽ là một công cụ hữu ích để các bạn sinhviên khoá sau yêu thích về biến tần có thể học tập nghiên cứu và nâng cao nótrên cơ sở sẵn có để có thể tạo ra một bộ biến tần có nhiều tính năng tiện dụnghơn phục cho quá trình học tập thêm phong phú và trực quan

Với những kiến thức học được trong trường và chưa có nhiều kiến thức thực tếtrong lắp ráp chế tạo đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót Em mong có

sự chỉ bảo hướng dẫn của các thẩy cô để bản đồ án có thể hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Điện-Điện

Tử Tàu Biển đặc biệt là các thầy giáo: Ths Vũ Ngọc Minh đã dành thời giantận tình hướng dẫn cho em để có hoàn thành được đồ án này

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ

1.1 SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

a Cấu tạo phần tĩnh ( stato ):

Gồm võ máy, lõi sắt và dây quấn

Vỏ máy:

Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang, dùng để giữ chặt lõi thép và cố địnhmáy trên bệ và không dùng để dẫn từ Đối với máy có công suất lớn (1000KW)thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ

2

Lõi sắt:

Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35mm đến 0,5mm ghép lại Lõisắt là phần dẫn từ vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường xoay chiều, nhằm giảmtổn hao do dòng điện xoáy gây nên, mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ lớp sơncách điện Mặt trong của lõi thép có xẻ rãnh để đặc dây quấn

Dây quấn stato làm bằng dây dẫn bọc cách điện (dây điện từ) được đặttrong rãnh của lõi sắt Dây quấn stato gồm có ba cuộn dây đặt lệch nhau 1200điện

b Cấu tạo phần quay ( Rôto ):

Dây quấn rôto:

Gồm hai loại: loại rôto dây quấn và loại rôto ngắn mạch ( còn gọi là rôtolồng sóc )

* Loại rôto kiểu dây quấn:

Dây quấn rôto giống dây quấn ở stato và có số cực bằng số cực stato Cácđộng cơ công suất trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu song hai lớp đểgiảm được những đầu nối dây và kết cấu dây quấn rôto chặc chẽ hơn Các động

cơ công suất nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp Dây quấn rôtothường nối sao ( Y ) Ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trêntrục rôto và được cách điện với trục nhờ 3 chổi than tỳ sát vào 3 vòng tiếp xúc,dây quấn rôto được nối với 3 biến trở bên ngoài để mở máy hay điều chỉnh tốcđộ

* Loại rôto kiểu lồng sóc:

Loại dây quấn này khác với dây quấn stato, mỗi rãnh của lõi sắt được đặtmột thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòngngắn mạch đồng hoặc nhôm, làm thành 1 cái lồng người ta gọi là lồng sóc

Hình 1.3 Dây quấn của rôto kiểu lồng sóc

Ngoài ra dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi thép, rãnh rôto cóthể làm thành dạng rãnh sâu hoặc thành hai rãnh gọi là lồng sóc kép dung chomáy có công suất lớn để cải thiện tính năng mở máy Với động cơ công suất nhỏrãnh rôto thường đi chéo một góc so tâm trục

4

c Khe hở:

Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ (0,2mm ÷ 1mm) Do đó rôto

là một khối tròn nên rôto rất đều

1.1.2 Đặc điểm của động cơ không đồng bộ:

Cấu tạo đơn giản đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc

Vận hành tin cậy, chắc chắn, giá thành hạ

Đấu trực tiếp vào lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị cácthiết bị kèm theo

Tốc độ quay của rôto nhỏ hơn tốc độ từ trường quay của stato ( n < n1)Trong đó:

n : Tốc độ quay của rôto

n1: Tốc độ quay từ trường quay của stato (tốc độ đồng bộ của động cơ )

1.1.3 Những đại lượng ghi trên động cơ không đồng bộ:

Công suất định mức Pđm là công suất cơ hay công suất điện máy đưa ra Điện áp định mức Uđm và dòng điện định mức Iđm

Vd: Trên nhãn máy có ghi /Y 220v/380v - 7.5/4.3A ta sẽ hiểu như sauY 220v/Y 220v/380v - 7.5/4.3A ta sẽ hiểu như sau380v - 7.5/Y 220v/380v - 7.5/4.3A ta sẽ hiểu như sau4.3A ta sẽ hiểu như saukhi điện áp lưới điện là 220v thì ta nối dây quấn stato theo hình  Và dòng điệnđịnh mức là 7.5 A Khi điện áp lưới điện là 380v thì ta đấu dây quấn stato theohình Y, dòng điện định mức là 4.3 A

Hệ số công suất định mức : cosđm

Tốc độ quay định mức nđm (vòng/Y 220v/380v - 7.5/4.3A ta sẽ hiểu như sau phút )

Tần số định mức fđm (hz)

1.1.4 Cách đấu dây của động cơ:

Tuỳ theo điện áp của lưới điện mà ta đấu dây stato theo hình Y hay hình

 Mỗi động cơ điện ba pha gồm có ba dây quấn pha Khi thiết kế người ta đãquy định điện áp định mức cho mỗi dây quấn Động cơ làm việc phải đúng vớiđiện áp quy định ấy Để thuận tiện cho việc đấu động cơ, người ta ký hiệu 6 đầu

5

dây của ba dây cuốn động cơ AX, BY, CZ và đưa 6 đầu dây nối ra 6 bu lông( 1….6 ) ở hộp dây trên vỏ động cơ.

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 nhãn động cơ ghi là  /Y 220v/380v - 7.5/4.3A ta sẽ hiểu như sau 220V/Y 220v/380v - 7.5/4.3A ta sẽ hiểu như sau380V

Nếu động cơ làm việc ở mạng điện có Ud = 380V, thì động cơ phải đấutheo hình sao (Y) Muốn nối hình sao ta nối ba điểm cuối của pha với nhau tạothành điểm trung tính Ba điểm đầu nối với nguồn

- Trường hợp động cơ làm việc ở mạng điện có điện áp 220v thì động cơphải đấu theo hình ∆ Muốn nối hình tam giác, ta lấy đầu pha này nối với cuốicủa pha kia Cách nối tam giác không có dây trung tính

6

Nguồn

Hình 1.5: Hộp đấu dây quấn stato theo hình tam giác

Trong cách nối tam giác

Ud = Up

Id = 3 Ip

Khi đó điện áp vào mỗi dây quấn là 220v

1.1.5 Vai trò của động cơ không đồng bộ:

Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động

cơ điện Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu quả cao, giá thành hạ nênđộng cơ không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi nhất trong các ngànhkinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến vài nghìn KW Trong côngnghiệp thường dùng động cơ không đồng bộ là bộ phận động lực cho máy cánthép vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ,vv… Trong hầm mỏ dùng làm máy tưới hay quạt gió Trong công nghiệp dùng

để làm máy bơm hay máy gia công nông sản

Tuy vậy, máy điện không đồng bộ có những nhược điểm sau: đó là coscủa máy thường không cao và đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứngdụng của máy điện không đồng bộ có phần bị hạn chế

1.1.6 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ:

Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, trong dây quấn cócác dòng điện Hệ thống dòng điện này tạo ra từ trường quay với tốc độ:

F dt

n

1 1

Từ trường quay của stato cảm ứng trong dây quấn rôto một suất điện động

E (chiều suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải), vì vậy dây quấnrôto nối ngắn mạch nên trên thanh dẫn rôto hình thành 1 dòng điện lớn Sự tácđụng tương hỗ giữa dòng điện của rôto với từ trường của stato tạo nên một lựcđiện từ tác dụng lên thanh dẫn theo phương tiếp tuyến với bề mặt rôto tạo ramômen làm cho rôto quay Chiều quay của rôto theo quy tắc của từ trường đượcminh họa theo hình 1.6

Hình 1.6: Nguyên lý làm việc của ĐCKĐB.

Tốc độ rôto n được gọi là tốc độ làm việc và luôn nhỏ hơn tốc độ quay của

từ trường n1 Vì nếu tốc độ quay của rôto bằng tốc độ của từ trường có thể xemcuộn dây của rôto và từ trường đứng yên nên không xãy ra hiện tượng cảm ứngđiện từ trên cuộn dây rôto Vì vậy chỉ trong trường hợp tốc độ quay của rôto nhỏhơn tốc độ quay của từ trường mới xảy ra cảm ứng sức điện động trong dâyquấn rôto

8

Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt

1

1

n

n n

Trong đó:

s : hệ số trượtn1: tốc độ quay

n : tốc độ quay của rôto

Hệ số trượt của động cơ không đồng bộ có trị số nằm trong khoãng từ 0 ÷ 1Khi s = 0 : tốc độ rôto bằng tốc độ từ trường ở chế độ không tải lý tưởngKhi s = 1 : rôto đứng yên ( n = 0) mômen trên trục bằng mômen mở máyKhi động cơ quay ở tải định mức, có hệ số trượt định mức tương ứng có tốc độquay của rôto đinh mức Hệ số trượt định mức nằm trong khoảng 0,01 ÷ 0,06

Từ công thức ( 1 – 1) ta có thể tính được tốc độ quay của động cơ không tải

Dòng điện trong dây quấn và từ trường quay tác dụng lực tương hổ lênnhau nên khi rôto chịu tác dụng của mômen M thì từ trường quay cũng chịu tácdụng của mômen theo chiều ngược lại Muốn cho từ trường quay với tốc độ n1thì nó phải nhận một công suất đưa vào gọi là công suất điện từ

60

2 n1M M

Trong đó:

60

.

Ngoài thành phần công suất điện từ có tổn hao trên điện trở dây quấn stato.

2 1

2

1

2

n M M

' 2 2

1.1.7 Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ:

a, Các đặc tính cơ bản của động cơ không đồng bộ.

Phương trình đặc tính cơ:

Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sửdụng sơ đồ thay thế Trên hình 1.6 là sơ đồ thay thế 1 pha của động cơ khôngđồng bộ Khi nghiên cứu ta đưa ra một số giả thiết sau đây:

Ba pha của động cơ là đối xứng

Các thông số động cơ là không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt

độ, điện trở rôto không phụ thuộc vào tần số dòng điện rôto, mạch từ không bảohòa nên điện kháng X1, X2 không đổi

Tổng dẫn mạch từ không thay đổi, dòng điện từ hoá không phụ thuộcvào tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stato động cơ

Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép

Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng ba pha

Với giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ:

Hình 1.7: Sơ đồ thay thế một pha của động cơ

X

’ 2

' 2

R s

Xμ

Rμ

U1f

Iμ

I’ 2

2 1 1

1 1

nm

f

X s

R R X

R U

Hình 1.8: Đặt tính dòng điện stato của động cơ KĐB

1

( 1.17 )

Trong đó:

I1nm: dòng điện ngắn mạch stato

I : là dòng điện từ hóa có tác dụng tạo ra từ trường quay khi động

cơ quay với tốc độ đồng bộ

Ta cũng tính được dòng điện rôto quay quy đổi về stato

2

2 ' 2 1

1 '

2

nm

f

X s

R R

U I

I1

I1nm

Rf = 0

ĐC

Rf = 0

1



0

Hình 1.9: Đặc tính dòng điện rôto của động cơ KĐB

1 2

2

'

nm

f nm

X R R

U I

Mđt: là mômen điện từ của động cơ

Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì: Mđt = Mcơ = M

Công suất đó chia thành hai phần:

Pcơ : công suất đưa ra trên trục động cơ

Mặc khác P2 = 3 '

2

I ' 2

R

Nên

1

' 2 '

2

3 2



s

R I

' 2

' 1

.

.

3 2

nm

f

X s

R R s

R U M

2 

  : tốc độ đồng bộ ứng với Mc = 0

Đây là phương trình biểu thị mối quan hệ M = f(s) = f [s( )] gọi là phươngtrình đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều ba pha

Hình 1.10: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ KĐB.

Với những giá trị khác nhau của s ( 0 ≤ s ≤ 1 ) sẽ cho ta những gía trị tươngứng của M Đường biểu diễn M = f(s) là đường đặc tính cơ của động cơ điệnkhông đồng bộ

Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K, tại điểm đó:

Giải phương trình ở tử số với S ta được:

2 2 1

' 2

nm

th

X R

R S

2

3

2 2 1 1 1

2 1

nm

f th

X R R

U M

th th

s a s

s s

s

s a M

M

.

1 2

Đối với những động cơ công suất lớn thường R1 rất nhỏ so với Xnm, lúc này

có thể bỏ qua R1, nghĩa là coi R1 = 0, asth = 0 và (1.31 ) có dạng gần đúng:

s

s s

s

M M

th th

X

R S

' 2





nm

f th

X

U M

1

2 1

2

3

s s

M M

.

Với đặc tính tuyến tính hoá đường 1 ( H 1.9)

1 1 2

M s

M

th th

Như vậy trên đường đặc tuyến của động cơ không đồng bộ  có giá trị âm

và gần như không đổi

Đối với đoạn đặc tính s > sth, khi s >> sth bỏ qua

s

s th

và phương trình đặctính cơ sẽ là:

s

s M

Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ được biểu diễn ở H.1- 9.

Hình 1.11: Đặc tính cơ của động cơ KĐB

Đoạn đặc tính cơ AK gần thẳng và cứng, trên đoạn này mômen tăng thì tốc

độ động cơ giảm Do đó động cơ làm việc trên đoạn đặc tính này sẽ làm việc ổnđịnh

Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ của động cơ KĐB:

Từ phương trình đặc tính cơ (1 27) của động cơ không đồng bộ, ta thấy cácthông số ảnh hưởng đặc tính cơ bao gồm

- Điện áp lưới Uf1

- Tần số lưới điện cung cấp cho động cơ f1

- Điện trở, điện kháng mạch stato ( nối thêm điện trở phụ R1f và X1fvào stato)

- Điện trở mạch rôto ( nối thêm điện trở phụ R2f vào mạch rôto đối vớiđộng cơ rôto quấn dây)

- Ảnh hưởng số đôi cực p của động cơ

Khi các thông số này thay đổi sẽ gây ra biến động các đại lượng:

nm

th

X R

R s

Mđm

A

Mth0

Sth

th



- Mômen tới hạn:  2 2 

1 1 1

2 1

2

3

nm

ph th

X R R

U M

b Ảnh hưởng của điện áp nguồn cung cấp cho động cơ:

Điện áp lưới Uf1: thay đổi bằng cách sử dụng bộ điện áp xoay chiều Cáctham số còn lại là hằng số

Khi Uf1 giảm  ( Mth ) Mômen tới hạn sẽ giảm bình phương lần độ suygiảm của điện áp Mth giảm  U12 giảm

không thay đổi Vậy ta có đường đặc tính cơ trong trường hợp này

Hình 1.12: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

khi giảm điện áp cấp cho động cơ

Vậy khi giảm điện áp cấp cho động cơ làm cho Mth giảm nhanh Tuynhiên Sth không đổi vì vậy phương án giảm điện áp thường thích hợp cho dạngphụ tải như: quạt gió, máy bơm ly tâm

c Ảnh hưởng của tần số lưới điện f 1 cấp cho động cơ:

Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn vàlồng sóc.

Xuất phát từ biêu thức : 1 =

P

f 1

2  , ta thay đổi tần số f1 làm cho tốc

độ từ trường quay thay đổi  tỗc độ động cơ thay đổi theo

2 1 1

L P

f

U

2 1 '

2 1 2

2

21

Khi f1 giảm  1 giảm  Sth tăng  Mth tăng Xnm giảm

Ta có đặc tính cơ trong 2 trường hợp

20

Hình 1.13: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ

Trong trường hợp khi tần số nguồn cấp cho động cơ giảm dẫn đến tổng

trở của mạch giảm ( vì tổng trở của mạch tỉ lệ thuận theo tần số ) với giá trị điện

áp giữ không đổi thì dòng điện khởi động tăng rất nhanh do vậy khi giảm tần sốcần giảm điện áp theo một quy luật nhất định để giữ mômen theo chế độ địnhmức

Qua đồ thị đặc tính cơ ta thấy rằng:

Khi f1< f1đm với điều kiện

f

U

1

1

= const thì Mth giữ ở không đổi

Khi f1> f1đm thì Mth tỉ lệ nghịch với bình phương tần số

Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độđộng cơ trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng riêng

d Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato:

Được thực hiện bằng cách mắc thêm điện trở (R1f) hoặc điện kháng (X1f ) nối tiếp vào phía stato của động cơ

Tốc độ từ trường không đổi: 1 = const , Sth giảm , Sth giảm

Do đó đặc tính cơ có dạng:

Hình 1.14: Động cơ KĐB với Rf và Xf trong mạch stato.

a) Sơ đồ với R1f; b) Sơ đồ với X1f; c) Đặc tính cơ

Ta thấy rằng khi cần tạo ra đặc tính có mômen khởi động là Mmm thì đặctính cơ ứng với X1f trong mạch cứng hơn đặc tính cơ với R1f

Dựa vào tam giác tổng trở ngắn mạch có thể xác định được X1f, hoặc R1ftrong mạch stato khi khởi động

e Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng phụ mạch stato:

Chỉ dùng cho động cơ không đồng bộ rôto dây quấn ,sử dụng bộ điềuchỉnh xung điện trở người ta thực hiện bằng cách mắc thêm R2f vào mạch rôto

nm f

' 2

Hình 1.15: Ảnh hưởng của điện trở mạch roto đến đặc tính cơ a) Sơ đồ đấu dây ; b) Đặc tính cơ

Vậy R1 càng tăng, dòng điện khởi động càng giảm, Mkđ tăng lên Sau đómômen khởi động sẽ giảm Do đó căn cứ vào điều kiện khởi động và đặc điểmcủa phụ tải mà chọn điện trở cho thích hợp

ở stato nên một số thông số như U1 (điện áp vào stato) R1, X1 có thể thay đổi do

đó từng trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau đến mômen tới hạn Mth của độngcơ

a) b)

Hình1.16: Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ.

a) Thay đổi số đôi cực với P 2 = P1/2 và Mth = const

b) Thay đổi số đôi cực với P2 = P1/2 và P1 = const

1.2 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG BIẾN TẦN

1.2.1 Khái niệm

Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chức năng biếnđổi tần số và điện áp một chiều hay xoay chiều nhất định thành dòng điện xoaychiều có tần số điều khiển được nhờ khoá điện tử

Còn gọi là biến tần phụ thuộc Thường gồm các nhóm chỉnh lưu điềukhiển mắc song song ngược, cho xung lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta có thểnhận được dòng điện xoay chiều trên tải.

Như vậy điện áp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua một van là chuyển ngay ra tảivới U2(f2)

Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp chỉ sử dụngcho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp Vì việc thay đổi tần

số f2 khó khăn và phụ thuộc và f1

b Biến tần gián tiếp:

Còn gọi là biến tần độc lập Trong biến tần này đầu tiên điện áp được chỉnhlưu thành dòng một chiều Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều với tần

số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay đổi f2 không phụ thuộc vào f1).Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần

Tuy nhiên việc ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kĩ thuật vi xử lí nên ta phát huytối đa các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử dụng nó hơn

C1 C3 C5

C4 C2 C6

L2

L1 Lo

ÑKB

U2, f2

~

U1, f1

1.2.3 Phân loại biến tần gián tiếp

Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm hai loại

Biến tần gián tiếp nguồn áp :

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, dạngcủa dòng điện trên tải phụ thuộc và dạng của dòng điện của nguồn, còn dạngđiện áp trên tải phụ thuộc và các thông số của tải quy định

Biến tần gián tiếp nguồn dòng :

Là loại biến tần mà nguồn cấp cho khâu nghịch lưu là nguồn dòng

So sánh hai loại biến tần:

Trong bộ biến tần nguồn dòng, khi hai khoá bán dẫn trong cùng mộtnhánh của bộ nghịch lưu cùng dẫn (do kích nhầm hoặc do chuyển mạch), dòngngắn mạch qua hai khoá được hạn chế ở mức cực đại Trong bộ biến tần nguồn

áp, việc này có thể gây ra sự cố ngắn mạch làm hỏng khoá bán dẫn Do đó cóthể xem biến tần nguồn dòng làm việc tin cậy hơn biến tần nguồn áp

Do mạch chỉnh lưu tạo nguồn dòng có thể hoạt động ở chế độ trả nănglượng về nguồn, bộ biến tần nguồn dòng có thể làm việc hãm tái sinh Với bộbiến tần nguồn áp, việc hãm tái sinh muốn thực hiện cần thêm vào hệ thống mộtcầu chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn

Trong trường hợp mất nguồn lưới khi đang hoạt động, bộ biến tần nguồn

áp có thể hoạt động ở chế độ hãm động năng, nhưng bộ biến tần nguồn dòngkhông thể hoạt động ở chế độ này khi đó

Bộ biến tần nguồn dòng được sử dụng cuộn kháng L khá lớn trong mạchchỉnh lưu tạo ra nguồn dòng, điều này làm đáp ứng quá độ của hệ thống chậmhơn so với bộ biến tần nguồn áp kiểu PWM

Với bộ biến tần nguồn áp, dễ dàng áp dụng kĩ thuật PWM để điều khiểnđóng ngắt các khoá bán dẫn Kĩ thuật PWM cho phép giảm tổn thất do sóng hàibậc cao gây nên trên động cơ, không gây ra môment đạp làm rung động cơ ở tốc

độ thấp Tuy nhiên, kĩ thuật điều chế kiểu PWM khó áp dụng cho biến tần nguồndòng, nếu có cũng chỉ áp dụng cho tần số hoạt động thấp

26

Khi hoạt động với nguồn cấp là DC bộ biến tần nguồn áp nhỏ gọn và rẻtiền hơn so với biến tần nguồn dòng thường cồng kềnh do phải sử dụng cuộnkháng L lớn và các tụ chuyển mạch có giá trị cao.

Dải điều chỉnh biến tần nguồn dòng thấp hơn dải điều chỉnh của biến tầnnguồn áp

1.2.4 Cấu trúc của bộ biến tần nguồn áp

Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp sinhơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn

Bộ biến tần nguồn áp có hai bộ phận riêng biệt

Bộ nghịch lưu:Là bộ phận rất quan trọng của bộ biến tần, nó biến đổi dòngđiện một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều có tần

số f2

b Phần điều khiển

Là bộ phận không thể thiếu quyết định sự làm việc của mạch động lực, đểđảm bảo yêu cầu về tần số, hình dáng điện áp ra của bộ biến tần đều do mạchđiều khiển quyết định

Bộ điều khiển thông thường gồm 3 phần

Khâu phát xung chủ đạo : là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển đưađến bộ phận phân phối xung điều khiển đến từng trazitor Khâu này đảm nhậnđiều chỉnh xung một cách dễ dàng, ngoài ra còn có thể đảm nhận chức năngkhuếch đại xung

Khâu phân phối xung: làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển vàokhâu phát xung chủ đạo

27

Khâu khuếch đại trung gian: có nhiệm vụ khuếch đại xung nhận được từ bộphân phân xung đưa đến đảm bảo kích thích mở van:

Ngày nay với sự phát triển của kĩ thuật vi điều khiển Cấu trúc bộ điềukhiển đã có sự thay đổi Điều này sẽ đượ nói kĩ ở phần sau

1.2.5 Phương pháp điều biến độ rộng xung ( PWM 1: Pulse Width Modules) Chỉ số điều chế : là tỉ số giữa biên độ V1m của thành phần cơ bản (Hài bậc 1)

của áp ra bộ nghịch lưu được khảo sát và biên độ thành phần cơ bản của áp rakhi điều khiển 6 nấc thang

Điều chế độ rộng xung một pha

Phương pháp so sánh áp chuẩn hình sinh (sóng điều chế) Uvef tần số Fo

và sóng mang Uc tần số Fc để có luật đóng ngắt các nhánh cầu nghịch lưu

Chỉ số điều chế m trở nên phi tuyến khi Vpm >Vrm (khi biên độ sóngmang lớn hơn sóng điều chế) Hệ thống chỉ tuyến tính khi m < 0.785

Điều chế độ rộng xung ba pha

28

CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT

2.1 MẠCH CHỈNH LƯU

Nguồn xoay chiều 220V được đưa vào bộ chỉnh lưu để thành điện áp một chiều Ta dùng mạch chỉnh lưu sử dụng phần tử bán dẫn Điot DFA200AA160 gồm 6 Điot mắc với nhau theo sơ đồ cầu 3 pha Nó có hình dạng và kích thước như sau:

Hình 2.1 Hình dáng thực tế của DFA200AA160

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý và bản vẽ chi tiết của DFA200AA160

29

Thông số:

- Repetitive Peak Reverse Voltage (VRRM): 1600 V

- Non-Repetitive Peak Reverse Voltage (VRSM): 1700 V

- Output Current (ID): 200 A

- Isolation Breakdown Voltage (VISO): 2500 V

Hình 2.3 Đồ thị dòng điện tương ứng với điện áp

2.2 MẠCH LỌC

2.2.1 Một số loại mạch lọc đã biết

- Mạch lọc loại L Điều kiện lọc tốt là X L >> R

- Mạch lọc loại C Điều kiện lọc tốt là X C << R Tức là tụ C phải rất lớn

- Mạnh lọc loại LC Thực chất đây là sự kết hợp của hai loại lọc trên Vì vậy điều kiện để lọc tốt là X L >> R, X C << R

- Mạch lọc hình π (lọc CLC) Đây là bộ lọc gồm hai mắt lọc, lọc C và LC, mắcnối tiếp nhau Hệ số san bằng của bộ lọc bằng tích hệ số san bằng của từng mắt lọc Ta thấy rằng việc chọn tụ điện C có điện dung lớn khó khăn hơn rất nhiều việc chọn 1cuộn cảm L có giá trị lớn Lọc hình π được ứng dụng khi cần có ksb > 50

30

2.2.2 Tác dụng của mạch lọc

Điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu được đưa tới bộ tụ C tác dụng của bộ

tụ là để san điện áp một chiều đầu vào trước khi cấp cho bộ nghịch lưu Như vậynguồn có thể coi là nguồn áp khi bộ tụ có điện dung khá lớn trong đồ án sử dụng

bộ tụ có dung lượng khoảng 1000 uF, điện áp tụ là 400V

Hình 2.4 Tụ 400V 1800 μF

2.3 MẠCH NGHỊCH LƯU

Điện áp một chiều sau bộ chỉnh lưu sau khi đã được san ở bộ tụ được đưavào Bộ nghịch lưu NL Tại đây điện áp một chiều sẽ được nghịch lưu theo luậtđiều chế độ rộng xung(PWM) Đầu ra của bộ nghịch lưu là điện áp là điện áp xoay chiều ba pha 380V cấp cho động cơ xoay chiều

Trong đồ án ta sử dụng các van bán dẫn IGBT CM100DU-34KA Đây là các van điện áp cao, và tần số hoạt động lớn Sau đây là bảng thông số của loại van này:

31

Hình 2.5 Hình dáng và sơ đồ nguyên lý của IGBT CM100DU-34KA

Điện áp đánh thủng Colector - Emitor (VCES) 1700 V

Dòng điện Colector khi dẫn liên tục (IC) 100 A

Dòng Collector trong chế độ đóng cắt (ICM) 200 A

Dòng điện rò giữa Gate - Emitor (IGES) max 0.5 μA

Điện áp mở Collector-Emitter (VCE) max 4 V

Hình 2.6 Bảng thông số của IGBT

32

Đặc tính kĩ thuật

Hình 2.7 Đặc tính kĩ thuật của IGBT CM100DU-34KA

33

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1 VI ĐIỀU KHIỂN DSPIC30F4011

3.1.1 Giới thiệu chung về họ vi điều khiển DsPic30f4011

Họ vi điều khiển 16 bit dsPic do công ty công nghệ Microchip Technology Incsản xuất, được phát triển trên nền họ vi điều khiển 8 bit Pic.Vi điều khiển dsPic làmột chip xử lý mạnh với bộ xử lý 16 bit (có khả năng xử lý dữ liệu có độ dài 16 bit).Với tốc độ tính toán cao dựa trên kiến trúc RISC, kết hợp các chức năng điều khiểntiện ích của một bộ vi điều khiển hiệu năng cao 16-bit (High-performance 16-bit

Microcontroller), có thể thực hiện chức năng của một bộ xử lý tín hiệu số ( DSP) nên dsPIC còn có thể được xem là một bộ điều khiển tín hiệu số (Digital

Signal Controller – DSC) Họ vi điều khiển dsPic có thể đạt tới tốc độ xử lý 40

MIPS (Mega Instruction Per Second - triệu lệnh trên một giây) Ngoài ra dsPic còn

được trang bị bộ nhớ Flash, bộ nhớ dữ liệu EEPROM và các ngoại vi hiệu năng cao

và rất đa dạng các thư viện phần mềm cho phép thực hiện các giải thuật nhúng vớihiệu suất cao một cách dễ dàng trong một khoảng thời gian ngắn Chính vì vậy dsPicđược ứng dụng rất rộng rãi trong các ứng dụngxử lý tín hiệu số, đo lường và điềukhiển tự động, v v Họ vi điều khiển dsPic được chia ra làm ba loại tùy theo mụcđích của người sử dụng :

- Bộ điều khiển số cho điều khiển motor và biến đổi nguồn (DSC MotorControl &Power Conversion Family)

- Bộ điều khiển số cho sensor (DSC Sensor Family)

- Bộ điều khiển số đa mục đích (DSC General Purpose Family)

3.1.2 Đặc điểm chung của vi điều khiển DsPic30f4011

a Khối xử lý trung tâm

- Tập lệnh cơ bản gồm 84 lệnh

- Chế độ định địa chỉ linh hoạt

- Độ dài lệnh 24-bit, độ dài dữ liệu 16-bit

- Bộ nhớ chương trình Flash 24 Kbytes

- Bộ nhớ RAM độ lớn 1Kbytes

- Bộ nhớ EEPROM

34

- Mảng 16 thanh ghi làm việc 16-bit

- Tốc độ làm việc lên tới 40 MIPS

b Bộ chuyển đổi tương tự số ADC

- Bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) 10-bit

+ Tốc độ lấy mẫu tối đa 1 Msps (Mega samples per second)

+ Tối đa 10 kênh lối vào ADC

+ Thực hiện biến đổi cả trong chế độ Sleep và Idle

- Chế độ nhận biết điện thế thấp khả lập trình

- Tạo Reset bằng nhận diện điện áp khả lập trình

c Các cổng vào ra I/O Port và các ngoại vi

- Dòng ra, vào ở các chân I/Y 220v/380v - 7.5/4.3A ta sẽ hiểu như sauO lớn: 25 mA

- 3 Timer 16-bit, có thể ghép 2 Timer 16-bit thành Timer 32-bit

- Chức năng Capture 16-bit

- Các bộ so sánh/Y 220v/380v - 7.5/4.3A ta sẽ hiểu như sauPWM 16-bit

- Module SPI 3 dây (hỗ trợ chế độ Frame)

- Module I2C, hỗ trợ chế độ đa chủ tớ, địa chỉ từ 7-bit đến 10-bit

- UART có khả năng địa chỉ hoá, hỗ trợ bộ đệm FIFO

d Bộ xử lý tín hiệu số

- Nạp dữ liệu song song

- Hai thanh chứa 40-bit có hỗ trợ bão hoà logic

- Thực hiện phép nhân 2 số 17-bit trong một chu kì máy

- Tất cả các lệnh DSP đều thực hiện trong một chu kì máy

- Dịch trái hoặc phải 16 bit trong một chu kì máy

- Khả năng tự nạp trình dưới điều khiển của software

- Watch Dog Timer mềm dẻo với bộ dao động RC nguồn thấp trên chip

35

- Chế độ bảo vệ firmware khả lập trình

- Khả năng tự lập trình nối tiếp trên mạch điện

( In Circuit Serial Programming–ICSP)

- Có thể lựa chọn các chế độ quản lí nguồn: Sleep hoặc Idle

3.1.3 Cấu trúc của vi điều khiển dsPic30F4011

a Khối xử lý trung tâm CPU

CPU của dsPic30F4011 được thiết kế trên kiến trúc RISC, nhân của CPU cómột bộ xử lí lệnh 24-bit và bộ đếm chương trình – Program Counter (PC) độ rộng23-bit với bit ý nghĩa thấp nhất luôn bằng 0, còn bít ý nghĩa cao nhất thì được bỏ quatrong suốt quá trình thực hiện chương trình bình thường, chỉ trừ khi thực hiện cáclệnh đặc biệt

Do đó, bộ đếm chương trình có thể định địa chỉ lên tới 4 triệu từ lệnh của không gian

bộ nhớ chương trình được sử dụng

Thiết bị dsPIC30F chứa 16 thanh ghi làm việc 16-bit Mỗi thanh ghi làm việc

có thể có thể làm việc với vai trò như dữ liệu, địa chỉ hoặc thanh ghi địa chỉ offset.Thanh ghi thứ 16 (W15) hoạt động như là con trỏ ngăn xếp mềm cho hoạt động ngắt

và gọi ngắt

Các chỉ lệnh của dsPIC30F gồm 2 lớp: Lớp MCU và Lớp DSP của lệnh Hailớp này được kết hợp đồng nhất với nhau trong kiến trúc và thực hiện từ một khốithực hiện đơn Các chỉ lệnh bao gồm nhiều chế độ địa chỉ và được chế tạo nhằmtương thích với trình biên dịch ngôn ngữ C

Không gian dữ liệu có thể được địa chỉ hoá thành 32K words hoặc 64 Kbytes

và được chia làm hai khối, được gọi là bộ nhớ dữ liệu X và bộ nhớ dữ liệu Y Mỗikhối đều có khối tạo địa chỉ - AGU (Adress Generator Unit) riêng biệt của nó Tất cảcác lệnh hoạt động đơn độc chỉ qua bộ nhớ X, và khối AGU – quy định sự xuất hiệncủa một vùng dữ liệu thống nhất Lớp thanh chứa phép nhân (Multiply-Accumulate)– MAC của lệnh DSP hoạt động thông qua cả hai khối AGU của bộ nhớ X và Y, nóchia địa chỉ dữ liệu thành hai phần Mỗi từ dữ liệu gồm 2-bytes, và tất cả các lệnh cóthể định địa chỉ dữ liệu theo bytes hoặc words (từ)

Có hai cách để truy xuất dữ liệu trong bộ nhớ chương trình đó là:

36