Điều khiển giám sát động cơ AC với AVR

Điều khiển giám sát động cơ AC với AVR

HMI 232-485 W i n C C switch W i n C C 485 bus 1 phase motor 3 phase motor 1 phase controller 3 phase controller server user 010101110001 101110001 Modbus repeater BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ  ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT ĐỘNG CƠ AC VỚI AVR & WINCC GVHD: Th. S TRẦN VĂN TRINH SVTH: NGUYỄN QUANG HÒA PHẠM ĐỨC DUY LỚP: ĐHĐT3ALT Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2009 LỜI NÓI ĐẦU ---oOo--- So với tất cả động cơ điện sử dụng trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ 1, 3 pha được sử dụng rộng rãi nhất, từ công suất nhỏ, trung đến công suất lớn và chúng đang dần thay thế các động cơ một chiều do có nhiều tính năng ưu việt như: kết cấu đơn giản, độ bền cao, dễ bảo trì, chi phí thấp, sử dụng trực tiếp lưới điện. Nhưng quan trọng hơn cả do kỹ thuật điều khiển động cơ phát triển làm cho việc điều khiển động cơ không đồng bộ trở nên dễ dàng nên khắc phục được những nhược điểm của động cơ như: đặc tính đóng, mở máy, điều khiển moment… Trong các loại động cơ không đồng bộ, thì động cơ không đồng bộ có roto lồng sóc là được sử dụng nhiều hơn cả. Chúng được sử dụng trong các máy nghiền, máy khuấy, ba lăng vận tải, máy bơm, quạt thông gió, quạt giải nhiệt… Trong thời gian gần đây do sự phát triển của nền công nghiệp chế tạo các khóa bán dẩn có công suất lớn, kỹ thuật điện tử, tin học nên các tính năng của động cơ không đồng bộ được khai thác triệt để. Nó đuợc điều khiển bởi các bộ biến tần bán dẫn và ngày càng được hoàn thiện hơn nên có thể so sánh với hệ truyền động một chiều nhất là ở vùng công suất lớn. Trong công nghiệp thường sử dụng 4 bộ truyền động để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ đó là: - Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi thyristor. - Điều chỉnh điện trở roto. - Điều chỉnh công suất trượt. - Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ bằng bộ biến đổi tần số. Trong đồ án chuyên ngành này chúng em sẽ thiết kết 2 bộ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng 2 phương pháp: thay đổi điện áp cho động cơ không đồng bộ 1 pha bằng cách thay đổi góc kính cho triac và thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha dùng bộ biến đổi tần số. Lời Cảm Ơn ---oOo--- Trong quá trình thực hiện đồ án chuyên ngành này. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TRẦN VĂN TRINH đã hướng dẫn chúng em thực hiện hoàn thành đồ án này. Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô trong Khoa Điện Tử, các bạn trong và ngoài lớp là những người đã động viên, giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án . Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế và thời gian thực hiện có hạn nên trong bài báo cáo và mô hình thực tế không tránh khỏi thiếu sót. Mong được sự cảm thông và đóng góp ý kiến chân tình của quý thầy cô và các bạn để đồ án của chúng em được hoàn chỉnh hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn !!! Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2009 Sinh viên thực hiện. Nguyễn Quang Hòa Phạm Đức Duy NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Giáo Viên Hướng Dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Giáo Viên Phản Biện MỤC LỤC Phần I: LÝ THUYẾT CƠ SỞ .Trang 1 1.1 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP .1 1.1.1 Các sơ đồ van 1 1.1.2 Hoạt động với tải thuần trở .2 1.1.3 Hoạt động với tải trở cảm .3 1.2 BIẾN TẦN & CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 5 1.2.1 Giới thiệu chung .5 1.2.2 Phân loại các bộ biến tần 6 1.2.2.1 Biến tần trực tiếp .6 1.2.2.2 Biến tần gián tiếp .6 1.2.2.2.1 Biến tần sử dụng nghịch lưu áp 6 1.2.2.2.2 Biến tần nghịch lưu dòng .6 1.2.3 Bộ nghịch lưu áp 3 pha .7 1.2.4 Biến tần nguồn áp điều khiển theo phương pháp V/f .8 1.2.4.1 Phương pháp E/f 8 1.2.4.2 Phương pháp V/f .9 1.2.5 Ca ́ c phương pha ́ p thông du ̣ ng trong đk đô ̣ ng cơ KĐB qua biên tần .11 1.2.5.1 Phương pháp điều rộng xung SINPWM 11 1.2.5.2 Phương pháp vectơ không gian .12 1.3 CHUẨN RS-485 .15 1.3.1 Mạch chuyển đổi RS-232 sang RS-485 .16 1.3.2 Mạch Chuyển đổi RS-485 sang TTL và ngược lại 17 1.4 MODBUS 18 1.4.1 Cơ chế giao tiếp 18 1.4.2 Mạng Modbus chuẩn 19 1.4.3 Modbus trên các mạng khác .19 1.4.4 Chế độ truyền 19 1.4.4.1 Chế độ ASCII 20 1.4.4.2 Chế độ RTU .20 1.4.5 Khung ASCII 20 1.4.6 Khung RTU 20 1.4.7 Bảo toàn dữ liệu 21 1.4.7.1 Kiểm soát LRC 21 1.4.7.2 Kiểm soát CRC 21 1.5 LẬP TRÌNH GIAO DIỆN HMI TRONG WINCC .21 1.5.1 Giới thiệu về HMI .21 1.5.2 Tổng quan về WinCC .22 1.5.2.1 Các bước cơ bản để xây dựng một Project 23 1.5.2.2 Lập trình C cho WinCC .23 1.5.2.2.1 Lập trình theo thuộc tính Properties .24 1.5.2.2.2 Lập trình theo sự kiện Events .24 1.5.2.2.3 Các hàm hỗ trợ trong WinCC 25 Phần II: KHẢO SÁT LINH KIỆN CHÍNH 26 2.1 VI ĐIỀU KHIỂN AVR- MEGA 16 .26 2.1.1 Những thông số cơ bản của mega 16 .26 2.1.2 Sơ đồ chân mega16 27 2.1.3 Cấu trúc bên trong của mega 16 .27 2.2 VI ĐIỀU KHIỂN AVR -MEGA 8 28 2.2.1 Những thông số cơ bản của mega 8 28 2.2.2 Sơ đồ chân mega8 .28 2.2.3 Cấu trúc bên trong của mega 8 29 2.3 VI ĐIỀU KHIỂN AVR-TINY 13 29 2.3.1 Những thông số cơ bản của Tiny 13: 29 2.3.2 Sơ đồ chân Tiny13 30 2.3.3 Cấu trúc bên trong Tiny13 30 2.4 CẢM BIẾN NHIỆT LM335 .31 2.5 OPTO 4N35 32 2.6 MOSFET .32 Phần III: THI CÔNG ĐỀ TÀI .34 3.1 YÊU CẦU ĐỀ TÀI .34 3.2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC 1 PHA 35 3.2.1 Phân tích tổng quát sơ đồ khối hệ thống .35 3.2.1.1 Sơ lược hoạt động của toàn bộ hệ thống: 35 3.2.1.2 Sơ đồ khối hệ thống 36 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý và chức năng các khối .36 3.2.2.1 Khối nguồn 36 3.2.2.2 Khối cảm biến nhiệt 37 3.2.2.3 Khối đồng bộ .37 3.2.2.4 Khối công suất .38 3.2.2.5 Khối vi xử lý 38 3.2.2.6 Khối đếm .39 3.2.2.7 Khối nút nhấn 40 3.2.2.8 Khối hiển thị 40 3.2.2.9 Khối giao tiếp máy tính .41 3.2.2.10 Sơ đồ nguyên lý .43 3.2.3 Lưu đồ giải thuật mega 16(master) .44 3.2.3.1 Lưu đồ chương trình chính .44 3.2.3.2 Lưu đồ xử lý ngắt timer1 .45 3.2.3.3 Lưu đồ xử lý ngắt timer2 .46 3.2.4 Lưu đồ giải thuật mega 8(slaver) 47 3.2.4.1 Chương trình chính .47 3.2.4.2 Lưu đồ xử lý tín hiệu điều khiển 47 3.3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC 3 PHA 48 3.3.1 Sơ đồ khối hệ thống 48 3.3.2 Giải thích chức năng từng khối .48 3.3.2.1 Source 48 3.3.2.2 Starter 49 3.3.2.3 Switching power 49 3.3.2.4 3 Phase driver 50 3.3.2.5 Inductive sensor .50 3.3.2.6 3 Phase MC .50 3.3.2.7 Main MC .51 3.3.2.8 LCD 20 * 4 51 3.3.2.9 Key pad variable resistor .52 3.3.2.10 RS 485 .52 3.3.2.11 Tem sensor 52 3.3.2.12 Cooling MC .53 3.3.2.13 Fan driver 53 3.3.2.14 DC motor & 3phase motor 53 3.3.3 Sơ đồ mạch của hệ thống 54 3.3.3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý 54 3.3.3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất .55 3.3.4 Lưu đồ giải thuật hệ thống 56 3.3.4.1 Lưu đồ giải thuật VĐK trung tâm .56 3.3.4.1.1 Chương trình chính .56 3.3.4.1.2 Chương trình ngắt .57 3.3.4.2 Lưu đồ giải thuật VĐK 3 pha 57 3.3.4.2.1 Chương trình chính 57 3.3.4.2.2 Chương trình ngắt 58 3.3.4.3 Lưu đồ giải thuật VĐK làm mát 58 3.4 THIẾT KẾ GIAO DIỆN HMI ĐK & GIÁM SÁT 59 3.4.1 Màn hình đăng nhập .59 3.4.2 Màn hình điều khiển 60 3.4.2.1 Giao diện giám sát, điều khiển động cơ AC 1 pha 60 3.4.2.2 Giao diện giám sát, điều khiển động cơ AC 3 pha 62 Phần IV: KẾT LUẬN 65 Phần phụ lục .66 Tài liệu tham khảo .92 Đồ Án Chuyên Ngành Phần I: Lý Thuyết Cơ Sở Phần I: LÝ THUYẾT CƠ SỞ 1.1 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP: Các bộ biến đổi xung áp có chức năng biến đổi mức điện áp xoay chiều về độ lớn và dạng sóng nhưng tần số không thay đổi. Nguyên lý biến đổi xung áp là dùng một phần tử khóa nối tải vào nguồn trong một thời gian nhất định t x theo một chu kỳ lặp lại T. Bằng cách thay đổi độ rộng xung t x trong khoảng 0 ÷ T, ta thay đổi được giá trị trung bình của điện áp ra tải trong chu kỳ T. Nguyên lý biến đổi điện áp này có ưu điểm là có thể thay đổi giá trị điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi rất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chủ yếu là trên phần tử đóng cắt rất nhỏ. Bộ biến đổi xung áp được phân làm 2 loại: đó là biến đổi xung áp xoay chiều (XAAC) và biến đổi xung áp một chiều (XADC). Các bộ XAAC được dùng để điều chỉnh giá trị điện áp xoay chiều với hiệu suất cao, XAAC chủ yếu sử dụng các thyristor mắc song song ngược hoặc triac để thay đổi giá trị điện áp trong mỗi nửa chu kỳ điện áp lưới theo góc mở α, từ đó mà thay đổi được giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải. Góc mở α càng lớn, điện áp xoay chiều đặt lên phụ tải càng nhỏ và dòng điện xoay chiều qua phụ tải càng nhỏ. Sơ đồ kết nối như vậy được dùng cho những ứng dụng có công suất thấp. Ở nội dung đề tài chỉ khảo sát bộ biến đổi xung áp xoay chiều một pha. Các bộ XAAC được ứng dụng để điều khiển chiếu sáng, nhiệt độ đốt nóng, trong khởi động mềm và điều khiển tốc độ của máy bơm và quạt gió… 1.1.1 Các sơ đồ van: (a) 2 SCR song song, (b)Triac, (c) 2 SCR và 2 diode (d) Cầu diode và 1 SCR, (e) 1 SCR và 1 diode Trang 1 Đồ Án Chuyên Ngành Phần I: Lý Thuyết Cơ Sở Để điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha, ta có thể sử dụng các sơ đồ sau: - Sử dụng hai SCR nối song song ngược (hình a). - Sử dụng một Triac về cấu tạo gồm hai SCR nối song song ngược và chỉ có một cực điều khiển (hình b). Sơ đồ này được ứng dụng trong trường hợp công suất nhỏ. - Sử dụng hai diode và hai SCR cathode nối chung để đơn giản hóa mạch điều khiển (hình c). - Sử dụng bốn diode và một SCR để giảm giá thành trong trường hợp công suất lớn nhưng tăng tổn hao dẫn (hình c). Trong bộ biến đổi xung áp xoay chiều, các linh kiện điện tử công suất làm việc ở chế độ dẫn-khóa theo chu kỳ của điện áp nguồn. Sự chuyển mạch từ dẫn sang khóa một cách tự nhiên tùy theo dấu của điện áp đặt trên các linh kiện. 1.1.2 Hoạt động với tải thuần trở: Dạng dòng điện và áp ra theo góc kích α khi tải thuần trở. Hình trên trình bày dạng điện áp ra tiêu biểu và dạng của dòng điện một pha được điều khiển bởi bộ XAAC một pha với tải là thuần trở. Điện áp ra và dòng điện có dạng đối xứng trong một nửa chu kỳ. Nếu điện áp vào có dạng v s = 2 V s .sinwt khi đó biên độ điện áp ra trong một nửa chu kỳ T theo góc kích α được tính theo công thức: Trang 2 . RS-232 sang RS -48 5 .16 1.3.2 Mạch Chuyển đổi RS -48 5 sang TTL và ngược lại 17 1 .4 MODBUS 18. truyền 19 1 .4. 4.1 Chế độ ASCII 20 1 .4. 4.2 Chế độ RTU .20