Thiết kế bộ biến tần truyền thông ba pha điều khiển động cơ

Chương 1: Tổng quan động điện không đồng ba pha Nguyên lý hoạt động Như biết vật lý, cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch 120o không gian từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo từ trường quay Nếu từ trường quay có đặt dẫn điện từ trường quay quét qua dẫn điện làm xuất sức điện động cảm ứng dẫn Nối dẫn với làm trục quay dẫn có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải Từ trường quay lại tác dụng vào dòng điện cảm ứng lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái tạo momen làm quay roto theo chiều quay từ trường quay Tốc độ quay roto nhỏ tốc độ quay từ trường qua Nếu roto quay với tốc độ tốc độ từ trường quay từ trường quét qua dây quấn phần cảm nên sdd cảm ứng dòng điện cảm ứng không còn, momen quay không Do momen cản roto quay chậm lại sau từ trường dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường với tốc độ nhỏ tốc độ từ trường Đồng làm việc theo nguyên lý gọi động không đồng (KDB) hay động xoay chiều Hình 1-1: Nguyên lý làm việc động không đồng ba pha Nếu gọi tốc độ từ trường quay ωo (rad/s) hay no (vòng/phút) tốc độ quay roto ω ( hay n ) nhỏ ( ω < ωo ; n < no ) Sai lệch tương tối hai tốc độ gọi độ trượt s: s o   o (1-1) Từ ta có: ω = ωo(1 – s) (1-2) hay n = no(1 – s) (1-3) Với:  2n 60 (1-4) o  2n o 2f1  60 p f1 - (1-5) tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato Tốc độ ωo tốc độ lớn mà roto đạt lực cản Tốc độ gọi tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị ≤ s ≤ Dòng điện cảm ứng cuộn dây phần ứng roto dòng điện xoay chiều với tần số xác định tốc độ tương đối roto từ trường quay: f2  p(n o  n )  sf1 60 (1-6) Đặc tính động điện không đồng ba pha 2.1 Phương trình đặc tính Theo lý thuyết máy điện, coi động lưới điện lý tưởng, nghĩa ba pha động đối xứng, thông số dây quấn điện trở điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát tổn thất lõi thép điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, sơ đồ thay pha động hình vẽ 1-2 Hình 1-2: Sơ đồ thay pha động không đồng Trong đó: U1 – trị số hiệu dụng điện áp pha stato (V) Iµ, I1, I’2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stato dòng điện roto quy đổi stato (A) Xµ, X1, X’2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato điện kháng roto quy đổi stato (Ω) Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato mạch roto quy đổi stato (Ω) Phương trình đặc tính động không đồng biểu diễn mối quan hệ mômen quay tốc độ động có dạng: M 3U12 R '2   R '2  so  R1  X   nm s    ,[Nm] (1-7) Trong đó: Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X’2 Chương 2: Đường đặc tính Với giá trị khác s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho giá trị M Đường biều diễn M = f(s) trục tọa độ sOM hình vẽ 1-4, đường đặc tính động điện xoay chiều không đồng ba pha Hình 1-3: Đường đặc tính động không đồng ba pha Đường đặc tính có điểm cực trị gọi điểm tới hạn K Tại điểm đó: dM 0 ds (1-8) Giải phương trình ta có: s th   R '2 R X (1-9) nm Thay vào phương trình đặc tính ta có: M th  3U12 2o (R1  R  X ) 2 nm (1-10) Vì ta xem xét giới hạn ≤ s ≤ ( chế độ động ) nên giá trị sth Mth đặc tính hình ứng với dấu (+) Đặc tính động điện xoay chiều KDB đường cong phức tạp có hai đoạn AK BK, phân điểm tới hạn K Đoạn AK gần thẳng cứng Trên đoạn momen động tăng tốc độ giảm ngược lại Do động làm việc đoạn ổn định Đoạn BK cong với độ dốc dương Trên đoạn động làm việc không ổn định Trên đường đặc tính tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = ( s = ) momen mở máy: M mm  3U12 R '2 o (R1  R '2 )  X 2nm  (1-11) Điểm A ứng với momen cản ( Mc = ) tốc độ đồng bộ: o  2f1 p (1-12) Ảnh hưởng tần số nguồn f1 đến đặc tính cơ: Khi thay đổi f1 theo (1-5) tốc độ đồng ωo thay đổi, đồng thời X1, X2 bị thay đổi ( X = 2πfL ), kéo theo thay đổi độ trượt tới hạn sth momen tới hạn Mth Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số sth = f(f1) momen tới hạn theo tần số Mth = f(f1) phức tạp ωo X1 phụ thuộc tỷ lệ với tần số f1 nên từ biểu thức sth Mth rút ra:  s
th  f1   M
 th f12 (1-13) Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn sth momen tới hạn Mth tăng Mth tăng nhanh Khi giảm tần số f1 xuống tần số định mức f1dm tổng trở cuộn dây giảm nên giữ nguyên điện áp cấp cho động dẫn đến dòng điện động tăng mạnh Vì giảm tần số nguồn xuống giá trị định mức cần phải đồng thời giảm điện áp cấp cho động theo quan hệ: u1  const f1 (1-14) Như Mth giữ không đổi vùng f1 < f1dm Ở vùng f1 > f1dm tăng điện áp nguồn mà giữ U1 = U1dm nên vùng Mth giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật U / f  const để giữ cho động không bị tải công suất Chương 19: Phương pháp điều chế tín hiệu Sin PWM ba pha theo luật U/f=const sử dụng PSoC Để tạo tín hiệu sin PWM ba pha, em sử dụng ba PWMDB bit kết hợp với Timer 16 bit có PSoC PWMDB module bao gồm điều chế độ rộng xung PWM 16 bit kết hợp với DB 8bit có chức tạo dải an toàn Bộ PWM tạo xung có biên độ chu kỳ lập trình Xung sau đưa đến DB Chức tạo dải an toàn tạo hai đầu đầu phụ khối Chức sinh xung nhịp không gối lên Hai pha xung nhịp không mức cao thời điểm khoảng thời gian hai pha gọi dải an toàn Độ rộng dải an toàn xác định giá trị đặt trước ghi Trong trường hợp này, nguồn xung nhịp cấp cho tạo giải an toàn DB PWM, hai đầu DB Phase1 Phase2 hai PWM đảm bảo không gối lên Một tín hiệu tích cực đầu vào ‘Kill’ khóa hai đầu Module PWM cấu hình sử dụng hay hai khối số để tạo PWM bit hay PWM 16 bit Ở em sử dụng ba PWMDB bit Việc sử dụng PWMDB 16 bit tương tự Mỗi PWMDB bit có hai đầu phase1 phase2, hai đầu hai tín hiệu cấp cho hai van kênh nghịch lưu áp ba pha Cách hoạt động module PWMDB 8, 16 bit Timer 16 bit tham khảo datasheet module phần phụ lục Ở đây, em trình bày chức phục vụ cho việc điều chế sin PWM ba pha Bộ PWM có ba ghi sau: - Thanh ghi đếm (Counter Register), giá trị ký hiệu c(i) - Thanh ghi chu kỳ (Period Register), giá trị ký hiệu p(i) - Thanh ghi so sánh (Compare Register), hay gọi ghi độ rộng xung (PulseWidth Register), giá trị ký hiệ w(i) Trong I ký hiệu cho chu kỳ PWM thứ i Nếu viết c,p,w có nghĩa đến chu kỳ Giá trị ghi đếm giảm dần từ giá trị ghi chu kỳ có sườn lên xung nhịp đầu vào Khi đạt giá trị tới hạn, giá trị ghi đếm nạp lại giá trị ghi chu kỳ Quá trình lặp lặp lại liên tục (khi có tín hiệu cho phép bắt đầu chạy đếm) Giá trị ghi chu kỳ gọi giá trị chu kỳ (PeriodeValue), giá trị lập trình để thay đổi Trong chu kỳ, giá trị ghi đếm so sánh với giá trị ghi so sánh Khi giá trị ghi đếm nhỏ (less than) nhỏ (less than or equal) giá trị ghi so sánh, đầu đặt lên cao, ngược lại đầu có mức thấp Đầu PWM giữ mức cao (HIGH) thiết lập để giá trị ghi so sánh lớn giá trị ghi chu kỳ (w > p), giữ mức thấp giá trị ghi so sánh (w = 0) Trong thiết kế này, ta sử dụng phép so sánh nhỏ (less than) công thức tính độ rộng xung PWM đầu sau: d w P 1 (2-5) d - độ rộng xung (duty cylce) w - giá trị ghi so sánh P - giá trị thi chu kỳ Tần số băm xung xác định sau: f pwm  f clk P 1 (2-6) fpwm fclk - tần số băm xung - tần số xung nhịp đầu vào Tần số xung nhịp đầu vào sử dụng cho PWM DB cho ba PWMDB Hình () minh họa xung PWM với thông số thiết lập sau: - P=3 - W = 0,1,2,3,4 - fclk = 100kHz Hình 2-4: Giản đồ miêu tả hoạt động PWM thay đổi giá trị ghi so sánh Việc chọn tần số băm xung lựa chọn dung hòa nhiều yếu tố Tần số băm xung lớn nghĩa tần số chuyển mạch van công suất (hay khóa điện tử) nghịch lưu lớn dẫn đến tăng tổn hao chuyển mạch lại làm giảm điều hòa bậc cao dạng sóng dòng điện làm giảm tổn hao chung động Mạch từ động cơ, ứng với tần số điện áp, có tổn hao từ lớn gây tiếng ồn Việc chuyển mạch nhanh linh kiện gây tiếng ồn lớn Ngoài tốc độ băm xung phụ thuộc vào khả đáp ứng khâu cách ly, khâu mạch kích khẳ đóng cắt van Trong chương trình này, em cấu sau, fclk = 4/3MHz, P = 255, tần số băm xung là: f pwm / 3.103 kHz   5, 2kHz 255  (2-7) Một điểm cần lưu ý giá trị ghi vào ghi chu kỳ, có tác dụng sau ghi đếm đếm nạp lại giá trị từ ghi chu kỳ Trong đó, việc ghi vào ghi so sánh, có tác dụng Xung PWM từ PWM đưa đến tạo dải an toàn DB Đầu Phase1 Phase2 tạo hai tín hiệu PWM điều khiển hai van công suất kênh qua tầng cách ly tầng mạch kích Do van nghịch lưu cac IGBT (các van yêu cầu thời gian đóng lâu thời gian mở) nên để tránh trùng dẫn phải tạo khoảng trễ thời điểm mở khóa đóng khóa Thời gian trễ tính theo giá trị ghi trễ DeadTime (DeadTime Register) sau: Ttrễ = (Giá trị ghi trễ +1)*Tclk (2-8) Ttrễ Tclk - thời gian trễ chu kỳ xung nhịp đầu vào Trong chương trình này, em cấu sau: fclk = 4/3MHz nên Tclk = 1/fclk = 0,75µs, giá trị ghi trễ 2, Ttrễ = 3.0,75 = 2,25µs Hoạt động PWMDB giải thích qua giản đồ thời gian sau: Hình 2-5: Giản đồ thời gian miêu tả hoạt động PWMDB8 Để tạo tín hiệu sin, giá trị độ rộng xung (PulseWitdhValue) điều chế theo hàm sin Để giải toán này, em sử dụng Timer16 bảng sin Bảng sin chứa giá trị từ đến 2π Một câu hỏi đặt giá trị bảng sin hợp lý Không có câu trả lời xác cho câu hỏi Quá giát trị làm cho dạng dòng điện đầu nghịch lưu có dạng bậc thang, làm tổn hao động tăng lên Nếu nhiều điểm làm tốn nhớ MCU Ta áp dụng luật sau để xác định số giá trị bảng sin: N f pwm(max) f modulation(max) (2-9) N - số giá trị bảng sin fpwm(max) fmodulation(max) - tần số băm xung lớn tần số điều chế lớn mong muốn Tần số băm xung em chọn 5,2kHz, tần số đầu lớn 50Hz Áp dụng công thức trên, N = 100 Ở em chọn N = 255 Bảng sin tạo cách sử dụng chương trình Exel gói Microsoft Office Một biến trỏ sử dụng để đến giá trị bảng sin Các giá trị bảng sin đọc theo chu kỳ ngắt xác định Timer16 Các giá trị biến đổi để phù hợp với tần số đầu nhằm đảm bảo luật U/f=const, sau ghi vào ghi so sánh PWM Để hết bảng sin cần 255 chu kỳ ngắt Timer Như chu kỳ dó, tần số đầu phụ thuộc vào khoảng thời gian hai lần ngắt Có thể tính tần số đầu theo công thức sau: f out = (N  1)Tngat (2-10) fout - tần số sóng sin đầu N - số giá trị bảng sin Tngat - chu kỳ ngắt Timer Chu kỳ ngắt xác định theo giá trị ghi chu kỳ (Period Register) Timer theo công thức sau: Tngat  Tclk (PeriodValue  1) (211) PeriodValue Tclk - giá trị ghi chu kỳ Timer16 chu kỳ xung nhịp đầu vào, Tclk = 1/fclk với fclk tần số xung nhịp đầu vào Timer16 Để điều chỉnh tần số đầu ra, ta điều chỉnh giá trị ghi chu kỳ Timer16 theo công thức sau: PeriodValue  f clk 1 (N  1)f out (2-12) Với cấu hình chọn: fclk = 4/3MHz, N=255 ta có công thức tính giá trị ghi chu kỳ Timer16 theo tần số điều khiển fcontrol (fcontrol ≡ fout) sau: PeriodValue  5208 1 f control (2-12) Để giữ cho từ thông momen cực đại trục động không đổi điều chỉnh tốc độ động theo tần số ta phải đảm bảo tỷ số U1/f1 không đổi Mà biên độ sóng sin đầu tỷ lệ với độ rộng xung Độ rộng xung đạt giá trị lớn đỉnh hình sin Khi chạy tần số định mức (50Hz), điện áp đầu đạt giá trị định mức 220V (giá trị hiệu dụng), giá trị đỉnh 310V, tức giá trị dương điện áp chiều Khi ma = 1, độ rộng xung lớn 100% đỉnh hình sin Để thay đổi biên độ điện áp đầu ra, ta thay đổi độ rộng xung chu kỳ PWM tỷ số U/f không đổi giá trị định mức (U1dm/f1dm = 220/50 ≈ 4,4) Cụ thể, sau có giá trị tần số điều khiển, ta tính chu kỳ ngắt để xác định giá trị ghi chu kỳ timer Một hàm udateU_f nằm vòng lặp sử dụng để tính lại giá trị bảng sin cho biên độ đầu tương ứng với tần số điều khiển Trong chu kỳ ngắt, giá trị ghi so sánh PWM truy xuất từ bảng sin (đã tính lại theo giá trị tần số điều khiển) biến trỏ, sau biên trỏ tăng lên để đến giá trị bảng sin Khi biến trỏ đạt đến giá trị tới hạn, nạp lại giá trị ban đầu Để tạo tín hiệu ba pha ta cần ba biến trỏ lệch 120o, ta sử dụng ba biến trỏ tương ứng với ba PWMDB Giá trị ba biến trỏ lệc 120o Chương 20: Lưu đồ thuật toán Chương trình Vòng lặp Khởi tạo hệ thống bao gồm, khởi tạo PWMDB8, khởi tạo Timer16, khởi tạo ngắt Hàm udateU_f: Chương trình updateU_f Chương trình tinhsin() Chương trình ngắt Timer16 [...]... hiện bằng cách điều khiển sự thay đổi của tần số theo thời gian Chương 6: BIẾN TẦN 1 Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngày càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện Trong... chỉnh động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển Sau đây xin trình bày phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f1 3 Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn... tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất  Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này Khảo sát cho thấy:  Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment... dụng động cơ điện xoay chiều chính là làm thế nào để có thể dễ dàng điều khiển được tốc độ của nó như việc điều khiển động cơ một chiều Vì vậy một ý tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều thành một máy điện một chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời Đây chính là điều khiển vector Điều khiển vector sẽ cho phép điều khiển từ thông và momen hoàn toàn độc lập với nhau thông qua điều khiển. .. máy biến áp Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này 2 Phân loại biến tần Biến tần thường được chia làm hai loại: - Biến tần trực tiếp - Biến tần gián tiếp 2.1 Biến tần trực tiếp Biến tần. .. hệ điều khiển thông minh Sự phát triển của các van công suất, công nghệ sản xuất IC tích hợp cao cho ra đời những bộ vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự phát triển của kỹ thuật tính toán đã dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt được chất lượng cao 2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như: - Điều. .. tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới ( f1 < flưới ) Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng Chương 7: Biến tần gián tiếp Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau: Hình 3-1: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu... tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không động bộ là so với máy điện một chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn bởi vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc của động cơ điện xoay chiều Để có thể điều khiển độc lập từ thông. .. tăng tổn thất trong động cơ dẫn đến giảm tuổi thọ của động cơ Momen sinh ra bởi động cơ bị gợn sóng Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạt động ở tần số cao bởi tính chất cảm của động cơ Nhưng ở tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung, làm ảnh hưởng đến các vòng đồng của roto Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếu không được bảo vệ sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ Từ những phân tích... trong công nghiệp Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:  Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển ... loại biến tần Biến tần thường chia làm hai loại: - Biến tần trực tiếp - Biến tần gián tiếp 2.1 Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông. .. độ việc điều khiển động chiều Vì ý tưởng việc biến đổi máy điện xoay chiều thành máy điện chiều phương diện điều khiển đời Đây điều khiển vector Điều khiển vector cho phép điều khiển từ thông momen... thực cách điều khiển thay đổi tần số theo thời gian Chương 6: BIẾN TẦN Biến tần tầm quan trọng biến tần công nghiệp Với phát triển vũ bão chủng loại số lượng biến tần, ngày có nhiều thiết bị