ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BA PHA THEO NGUYÊN TẮC ĐIỀU RỘNG XUNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ & CƠNG NGHỆ LƯU NGỌC TUẤN Đề tài tốt nghiệp: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BA PHA THEO NGUYÊN TẮC ĐIỀU RỘNG XUNG Tp Hồ Chí Minh Tháng 08 năm 2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ & CƠNG NGHỆ Đề tài tốt nghiệp: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BA PHA THEO NGUYÊN TẮC ĐIỀU RỘNG XUNG Chuyên ngành: Điều Khiển Tự Động Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Th.S PHẠM ĐỨC DŨNG LƯU NGỌC TUẤN MSSV: 04138014 Tp Hồ Chí Minh Tháng 08 năm 2008 MINSTRY OF EDUCATION AND TRAINING NONG LAM UNIVERSITY FACULTRY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY Thesis: AUTOMATIC CONTROL REVOLUTION OF THREE PHASE MOTOR BY PULSE WIDTH MODULATION Speciality: AUTOMATIC CONTROL SUPERVISOR: MSc, Pham Duc Dung STUDENT: Luu Ngoc Tuan Student ID: 04138014 Ho Chi Minh City August, 2008 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin gởi đến cha mẹ, người sinh thành, thương u ni dưỡng để có thành ngày hôm nay, lời biết ơn trân trọng Xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô Trường Đại Học Nơng Lâm Tp Hồ Chí Minh, đặc biệt Thầy, Cơ Khoa Cơ Khí – Cơng Nghệ thương u truyền đạt nhiều kiến thức quý báu cho em suốt thời gian học tập Em trân trọng gởi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô Bộ môn Điều Khiển Tự Động, nhắc nhở giúp em suốt thời gian làm đề tài Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Th.S Phạm Đức Dũng, Th.S Nguyễn Bá Vương tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em mặt để hoàn thành luận văn tốt nghiệp Cuối xin cảm ơn tập thể lớp tự động K30 tất bạn khoa, trường giúp đỡ, động viên suốt qua trình thực đề tài Tp Hồ Chí Minh tháng năm 2008 Sinh viên thực hiện: Lưu Ngọc Tuấn TÓM TẮT Đề tài “Điều khiển tốc độ quay động ba pha theo nguyên tắc điều rộng xung cắt góc” Xuất phát từ yêu cầu sản xuất, đơi động ba pha cần có khoảng thay đổi vận tốc để phù hợp với phụ tải khác Với tính ưu việt đáp ứng được: vận tốc dễ dàng điều khiển, tiết kiệm lượng, giá thành thấp Chọn phương pháp điều chế độ rộng xung để điều khiển vận tốc quay động xoay chiều ba pha Sau tiến hành thực đề tài thu kết sau: - Board mạch điều rộng xung cắt góc hoạt động ổn định, khả chống nhiễu cao - Động ba pha công suất khoảng 1KW vận hành tốt theo yêu cầu - Mạch công suất không tăng nhiệt động hoạt động - Viết phần mềm theo yêu cầu Đối với mạch điều rộng xung điều chỉnh tốc độ quay động Động ba pha ứng dụng điều rộng xung vào điều khiển mang lại ưu điểm hiệu sử dụng: khoảng điều chỉnh vận tốc tương đối rộng, khả đáp ứng thay đổi vận tốc nhanh, vận tốc ổn định tốt tải thay đổi GVHD: SVTH: Th.S: PHẠM ĐỨC DŨNG LƯU NGỌC TUẤN i SUMMARY Thesis: AUTOMATIC CONTROL REVOLUTION OF THREE PHARSE MOTOR BY PULSE WIDTH MODULATION Starting from the requirement of production, sometimes the velocity of threephase motor has to have a wide change to match different loads In addition, with the superior response for: control velocity easily, economizing on energy, cost price low We select the method pulse width modulation-cutting angle to control three-phase motor’s rotating velocity After experiment, we have some result as below - The board of pulse width modulation action impulse wide thing circuit settle down, the capacity of anti-infective interference - Three phase motor about one KW power runs well as demand - Circuit power does not raise heat when motor is running - Software was written on demand The board of pulse width modulation circuit could tune motor velocity Three phase motor apply pulse width modulation to control carried always excellent hybrid and productive to use: About relative velocity fader is wide, the of response capacity is change quite fast, velocity still stable well when loading change Advisor: MSc, Duc Dung Pham Done By: NgocTuan, Luu ii MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích đề tài 2 TRA CỨU TÀI LIỆU 2.1 Động xoay chiều ba pha 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Cấu tạo 2.1.3 Nguyên lý hoạt động 2.2 Ứng dụng 2.3 Khả dùng động xoay chiều thay động chiều 2.4 Giới thiệu vể biến tần nguồn áp điều khiển V/f 2.4.1 Biến tần nguồn áp 2.4.2 Phương pháp E/f 2.4.3 Phương pháp V/f 2.5 Các phương pháp thông dụng điều khiển động xoay chiều .11 2.5.1 Phương pháp điều chế Sin PWM .11 2.5.2 Phương pháp điều chế vectơ không gian 13 2.6 Giới thiệu vi điều khiển ATMega8 14 2.6.1 Đặc điểm 15 2.6.2 Sơ đồ chức chân ATMega8 .16 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN 18 3.1 Phương pháp thực đề tài 18 3.1.1 Chọn linh kiện phương pháp điều khiển 18 3.1.2 Phương pháp thực mạch điều khiển 18 3.1.3 Phương pháp thực mạch công suất 18 3.1.4 Phương pháp viết chương trình điều khiển 19 3.2 Phương tiện thực đề tài 19 THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 20 i 4.1 Thực phương pháp Labview 20 4.2 Thực phương pháp dùng Vi điều khiển 22 4.2.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển động 23 4.2.2 Mạch nguồn vi điều khiển 24 4.2.3 Mạch cách ly .25 4.2.4 Mạch so sánh lối vào 27 4.2.5 Sơ đồ mạch điều kiển pha 29 4.2.6 Sơ đồ mạch điều khiển .30 4.2.7 Mạch động lực 31 4.2.8 Mạch nạp vi điều khiển .33 4.2.9 Kết nối mạch tổng hợp điều khiển tốc độ động 34 4.3 Thực phần điều khiển .35 4.3.1 Kiểm tra mạch nguyên lý 36 4.3.2 Thi công mạch 39 4.3.3 Thử tải khảo nghiệm 40 KẾT LUẬN – ĐỂ NGHỊ .41 5.1 Kết kuận 41 5.2 Đề nghị .41 6.TÀI LIỆU THAM KHẢO .42 PHỤ LỤC ii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1: Cấu tạo động ba pha Hình 2.2: Lá thép kĩ thuật điện .4 Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động động Hình 2.4: Quan hệ moment va điện áp theo tần số 10 Hình 2.5: Nguyên lý phương pháp điểu rộng Sin pha 11 Hình 2.6: Nguyên lý phương pháp điều rộng sin pha dạng sóng điện áp ngõ 12 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu ba pha 13 Hình 2.8: Trạng thái đóng ngắt khóa nghịch lưu 14 Hình 2.9: Sơ đồ chân ATMega8 16 Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc bên Atmega8 17 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly, nhận tín hiệu biến tần .20 Hình 4.2: Giao diện khối chương trình điều khiển Labview 21 Hình 4.3: Sơ đồ khối điều khiển .22 Hình 4.4: Cấu tạo nguyên lý phần mạch nguồn cung cấp điện áp 23 Hình 4.5: Sơ đồ khối nguồn 24 Hình 4.6: Sơ đồ chân cấu tạo MOC-3020 25 Hình 4.7: Sơ đồ phần cách ly vi điểu khiển động 25 Hình 4.8: Sơ đồ chân cấu tạo bên LM2903 .27 Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh lối vào 27 Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý phần mạch điều khiển pha 28 Hình 4.11: Sơ đồ biểu diễn truyền nhận liệu mạch với 29 Hình 4.12: Sơ đồ mạch điều khiển cho pha .30 Hình 4.13: Kí hiệu hình ảnh BTA 40 30 Hình 4.14: Sơ đồ mạch động lực .31 Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp vi điều khiển 32 Hình 4.16: Sơ đồ khởi động từ đơn 32 iii Hình 4.17: Cấu tạo nguyên lý Board mạch điều rộng xung cắt góc 33 Hình 4.18 Sơ đồ ngun lý mạch kiểm tra 35 Hình 4.19: Giao diện chương trình Bascom 36 Hình 4.20: Sơ đồ kiểm tra mạch nguyên lý 37 Hình 4.21: Sơ đồ mạch in phần điều khiển 38 Hình 4.22: Sơ đồ mạch in phần điều khiển 39 Hình 4.23: Mạch hoàn chỉnh kết nối động .40 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 4.1: Các thông số đặc trưng triac BTA40 .31 Bảng 4.2: Thông số động 39 Bảng 4.3: Giá trị cường độ dòng điện 40 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮC, TÊN NƯỚC NGOÀI ĐK PWM Điều khiển Pulse Width Modulation Điều rộng xung TIMER Bộ định thời COUNTER Bộ đếm RXD Receive Data Nhận liệu TXD Transmit Data Truyền liệu AC Motor Động dùng nguồn xoay chiều IA, IB, IC, IO Dòng điện dây pha pha trung tính iv 4.3.1 Kiểm tra mạch nguyên lý Sau thiết kế mạch nguyên lý chọn linh kiện, ta tiến hành kiểm tra mạch Project board để hoàn chỉnh sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế, kiểm tra trạng thái tạo xung vi điều khiển linh kiện Các bước thực hiện: - Chọn sơ đồ nguyên lý cho mạch kiểm tra - Viết nạp chương trình cho vi điều khiển - Chọn linh kiện, kiểm tra ráp mạch project board theo sơ đồ nguyên lý chọn 5V 5V R2 5V 5V Reset C4 Y1 33 33 C5 8M PC6 PC5 PD0 PC4 PD1 PC3 PD2 PC2 PD3 PC1 PD4 PC0 VCC GND GND AREF PB6 AVCC PB7 PB5 PD5 PB4 PB3 PD6 PB2 PD7 PB1 PB0 C1 100K 1uF 5V 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 5V CON2 5V 5V 10K R12 10K 10K D2 C5 Y1 5V 5V 5V R8 220K 5V 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 C1 R2 1uF 5V CON3 J4 5V CON6 5V R7 220K U7A int0 - PC6 PC5 PD0 PC4 PD1 PC3 PD2 PC2 PD3 PC1 PD4 PC0 VCC GND GND AREF PB6 AVCC PB7 PB5 PD5 PB4 PB3 PD6 PB2 PD7 PB1 PB0 ATMEGA8 R14 10K LM2903 R17 R U3A + - LM2903 R9 15k DIODE D1 R13 8M LED + Int0 Int1 5V 33 5V 10 11 12 13 14 33 R6 R4 220K 220K R10 10K C4 R1 330 J7 CON2 D7 R4 5K CON6 5V ATMEGA8 R11 J2 Int0 Int1 5V 10 11 12 13 14 J2 Int1 J1 CON2 R3 5K 5V 100K Reset R16 R5 15k R18 150K 150K DIODE D4 - + 5V U4 CON2 C2 2000uF VIN 7805 VOUT C6 104 C7 100uF C8 100uF BRIDGE GND 2 J8 Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý mạch kiểm tra Để kiểm tra trạng thái tạo xung vi điều khiển portb ta sử dụng tắt sáng led Led nối vào chân PB1 cấp nguồn 5V Led sáng mức “0” (mức logic thấp) Sử dụng phần mềm Bascom PonyProg2000 để biên dịch nạp chương trình cho vi điều khiển 36 Menubar Toolbar Vùng viết chương trình Hình 4.19: Dao diện chương trình Bascom Giao diện Bascom bao gồm thành phần sau: - Menubar: trình đơn Bascom - Toolbar: số chức chương trình - Vùng viết chương trình điều khiển Linh kiện dụng cụ sử dụng cho công việc kiểm tra mạch: - Project board - IC ATMega8 - IC LM7805 - IC LM2903 - IC MOC302.0 - Điện trở 330, 470, 10k, 15k,100k,150k, 220k - Thạch anh 12MHz tụ 33p, 104p, 1uF, 100uF, 2000uF - Mạch nạp chương trình cho vi điều khiển - Led đỏ - Diode - Biến áp 9V đôi, dây nối 37 Sau kiểm tra trạng thái tạo xung vi điều khiển tắt sáng led, ta tiến hành kiểm tra sơ đồ nguyên lý toàn mạch cách mắc thêm tải đầu triac Viết chương trình tạo xung với tần số 50Hz để kiểm tra Sử dụng tải bóng đèn mắc theo sơ đồ sau: 5V 5V R2 5V 5V Reset J1 CON2 Int0 Int1 5V C4 33 33 C5 10 11 12 13 14 Y1 8M Reset C1 100K 1uF 5V 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 PC6 PC5 PD0 PC4 PD1 PC3 PD2 PC2 PD3 PC1 PD4 PC0 VCC GND GND AREF PB6 AVCC PB7 PB5 PB4 PD5 PD6 PB3 PD7 PB2 PB0 PB1 J2 CON2 CON6 5V R4 5K 10 11 12 13 14 Int0 Int1 5V 8M C4 33 Y1 C5 CO R1 R3 5K 33 PC6 PC5 PD0 PC4 PD1 PC3 PD2 PC2 PD3 PC1 PD4 PC0 VCC GND GND AREF PB6 AVCC PB7 PB5 PB4 PD5 PD6 PB3 PD7 PB2 PB0 PB1 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 5V CON6 CON2 5V 5V 10K + - R13 R12 10K 10K D2 5V 5V R8 220K 5V 5V R7 220K U7A + int0 R9 15k R17 R U3A - LM2903 DIODE D1 5V R14 10K R6 R4 220K 220K R10 10K J7 ATMEGA8 R11 CON3 J4 Int1 LM2903 5V J2 C1 R2 1uF 5V 330 ATMEGA8 5V 100K R16 R5 15k R18 150K 150K DIODE R19 HOT - + CON2 C2 2000uF VIN 7805 VOUT CO C7 C6 104 100uF 360K U10 MOC3020 BTA 40 Q1 C8 100uF BRIDGE 5V U4 D4 GND 2 J8 Den GND Hình 4.20: Sơ đồ kiểm tra mạch nguyên lý Sau nạp chương trình cho vi điều khiển cấp nguồn cho mạch hoạt động, quan sát thấy đèn khơng sáng Ngun nhân IC ATMega8 tạo xung không Kiểm tra máy đo xung nhận thấy biên độ xung ngõ vi điều khiển ổn định, đường xung không bị méo Nhưng kiểm tra ngõ opto thấy xung ngõ chập chờn, ngun nhân làm cho đèn khơng sáng opto khơng kích cho triac Khắc phục: bỏ opto thay lại opto khác Sau thay opto mới, cấp nguồn cho mạch hoạt động kiểm tra lại quan sát ta nhận thấy: biến trở giá trị Min đèn sáng mờ, biến trở 38 tăng dần đèn sáng dần, lúc giá trị biến trở Max đèn sáng Ta tiếp tục mắc tải bóng đèn 220V-18W để thử cho hai pha lại thấy bình thường Cho tải thử lúc kiểm tra triac linh kiện thấy khơng xảy tượng tăng nhiệt 4.3.2 Thi công mạch Sau kiểm tra thử Project board hiệu chỉnh lại mạch, ta tiến hành chuyển sơ đồ nguyên lý sang sơ đồ mạch in để thực rửa mạch Sơ đồ mạch in: Hình 4.21 Sơ đồ mạch in phần điều khiển pha 39 Hình 4.22: Sơ đồ mạch in phần điều khiển Khi vẽ mạch in ta tiến hành rửa mạch theo trình tự sau: - Cho in vẽ mạch in lên giấy - Phủ giấy lên bề mặt lớp board đồng dùng bàn là, cho lớp mực in bám vào lớp board - Ngâm board dung dịch muối sắt clorua khoảng 20 phút, lớp tráng đồng khơng phủ mực bị ăn mòn, lúc lấy mạch in rửa với nước, sau lau khơ chuẩn bị hàn linh kiện vào bo mạch 4.3.3 Thử tải khảo nghiệm Bảng 4.2: Thông số động Các thông số Đơn vị Động đấu Động đấu tam giác Pđm Công suất định mức (KW) (1.5HP) (1.5HP) Vđm Điện áp định mức VAC 380 220 Iđm Dòng điện định mức A 10 10  Hiệu suất % cos Hệ số công suất 0.8 0.8 s Độ trượt M Moment RPM Vận tốc % (vòng/phút) 40 Sau hoàn thành mạch ta tiến hành cho chạy thử tải, khảo nghiệm mạch với tần số 50Hz, kiểm tra giá trị cường độ dòng điện lệch pha mạch điện Bảng 4.3: Giá trị cường độ dòng điện STT IA(mA) IB(mA) IC(mA) IO(mA) 150 151 150 152 200 200 201 198 355 356 354 355 427 300 428 427 509 510 510 509 705 706 702 705 1000 1002 1001 1002 1456 1452 1453 1450 Các giá trị thu việc dùng Ampe kìm đo pha nguồn động hoạt động, với giá trị thu pha khơng xảy lệch pha, đáp ứng yêu cầu đồ án Hình 4.23: Mạch hồn chỉnh kết nối động 41 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết kuận Đồ án sau hoàn thành đạt kết sau: - Đã thiết kế chế tạo thành công mạch điều khiển tốc độ động xoay ba pha - Tần số dòng điện ngõ thay đổi theo mong muốn phạm vi cho phép - Mạch hoạt động ổn định - Mạch điều khiển vận hành ổn định động 1.5HP (đấu sao, vận hành chế độ không tải), chế độ điều khiển nhanh chậm - Nhiệt độ khóa cơng suất khơng tăng động hoạt động Động xoay chiều ba pha ứng dụng điều rộng xung cắt góc vào điều khiển đa mang lại ưu điểm hiệu sử dụng: khoảng điều chỉnh vận tốc tương đối rộng, khả đáp ứng thay đổi vận tốc nhanh, ổn định vận tốc tải thay đổi, dễ sử dụng đáp ứng nhu cầu sử dụng dây chuyền sản xuất nhà máy, 5.2 Đề nghị - Chọn linh kiện cho phù hợp sai số linh kiện ảnh hưởng việc kích dẫn triac điều khiển động - Chọn biến áp cho đạt yêu cầu, không bị rung chụi tải tốt mà khơng bị sụt áp vá nóng - Để điều khiển tốt lắp thêm khối giao tiếp máy tính để trực tiếp điều khiển hoạt động động máy tính Đồng thời quan sát thông số ngõ theo thời gian thực (tần số, điện áp tính tốn) 42 TÀI LIỆU KHAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Nhờ Điện Tử Công Suất Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh -2005 [2] Dương Minh Trí.Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn.Nhà xuất KH&KT -1998 [3] Đặng Văn Đào – Lê Văn Doanh Kỹ Thuật Điện.Nhà xuất KH&KT Hà Nội-1999 [4] Nguyễn Văn Tuệ Điện Học - Điện Cơ - ĐiệnTử Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh [5] Nguyễn Việt Hùng – Nguyễn Phương Quang – Phạm Quang Huy Giáo trình điện tử Orcad 9.0 Nhà xuất Thống Kê -2001 [6] Lê Văn Doanh – Phạm Khắc Chương Kỹ Thuật Vi Điều Khiển Nhà xuất KH&KT Hà Nội -1999 [7] Nguyễn Viết Nguyên.Linh Kiện Điện Tử Và Ứng Dụng Nhà xuất Giáo Dục [8] Nguyễn Phùng Quang Điều Khiển Tự Động Truyền Động Điện Xoay Chiều Ba Pha Nhà xuất Giáo Dục – 1998 [9] Lê Văn Bạn – Hồ Thanh Tâm Lập Trình Giao Tiếp Máy Tính Điều Khiển Thiết Bị Bằng Visual Basic ĐH Nông Lâm - Lưu hành nội TP HCM – 2005 [10] Phạm Minh Hà Kỹ Thuật Mạch Điện Tử Nhà xuất KH&KT Hà Nội1997 Website tham khảo http://www.microchip.com 43 PHỤ LỤC 7.1 Đặc tính động điện Hình 7.1: Đặc tính động khơng đồng a) Quan hệ moment theo hệ số trượt b) Đặc tính động khơng đồng Từ hình 7.1a ta có: Đoạn oa (0