Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ ba pha

Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt LỜI NÓI ĐẦU Nội dung đồ án tìm hiểu thiết kế biến tần truyền thống ba pha điều khiển động không đồng theo phương pháp U/f = const điều chế SPWM Từ sở lý thuyết động không đồng ba pha, phương pháp điều khiển tần số qua tìm hiều khảo sát biến tần thực tế đánh giá phương pháp điều khiển, nội dung đồ án đề xuất mơ hình biến tần điều khiển động không đồng ba pha dùng hệ truyền động với giá thành thấp, đáp ứng yêu cầu thực tế Do hạn chế mặt thời gian nên phạm vi đồ án dừng lại điều khiển vịng hở động khơng đồng ba pha hi vọng đề tài tiếp tục phát triển tương lai Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất thầy cô môn Trang thiết bị Điện - Điện Tử công nghiệp giao thông vận tải thầy cô khoa Điện - Điện tử tận tình dạy dỗ em kiến thức chuyên môn làm sở để em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp tạo điều kiện thuận lợi cho em hồn tất khóa học Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn TS Nguyễn Văn Nghĩa, tận tình bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo điều kiện nhiệt tình giúp đỡ em hồn thành đề tài Hà nội, ngày 16 tháng năm2009 SVTH: Vũ Quang Trình Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt MỤC LỤC PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 14 Các yêu cầu đặt việc điều khiển động 14 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng ba pha 16 Điều chỉnh động không đồng cách thay đổi tần số nguồn .16 Phương pháp điều chỉnh U/f = const 17 CHƯƠNG 3: BIẾN TẦN 21 Biến tần tầm quan trọng biến tần công nghiệp 21 Phân loại biến tần 23 Cấu trúc biến tần .25 Phương thức điều khiển 27 PHẦN II: THIẾT KẾ SƠ BỘ 45 Sơ đồ cấu trúc 46 Sơ đồ tính .49 PHẦN III: THIẾT KẾ CHI TIẾT 50 CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG .50 Tính tốn thơng số động 50 Thiết kế tầng nghịch lưu tầng mạch kích 50 2.1 Giới thiệu module cơng suất IRAMX16UP60A 51 2.2 Tính chọn tụ boostrap .57 Thiết kế mạch theo dõi dòng điện 59 Thiết kế mạch điều khiển 63 Thiết kế nguồn 66 CHƯƠNG 2: GIẢI THUẬT VÀ LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 70 Phân tích khảo sát phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM .70 SVTH: Vũ Quang Trình Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Phương pháp điều chế tín hiệu SPWM ba pha theo luật U/f=const sử dụng PSoC PHỤ LỤC 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO .91 SVTH: Vũ Quang Trình Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG I 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 khơng 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 dịng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải Từ trường quay lại tác dụng vào dịng 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 khơng cịn, momen quay khơng cịn 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 SVTH: Vũ Quang Trình Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Hình 1-1: Nguyên lý làm việc động không đồng ba pha Nếu gọi tốc độ từ trường quay ωo (rad/s) hay no (vịng/phút) tốc độ quay roto ω ( hay n ) nhỏ ( ω < ω o ; n < no ) Sai lệch tương tối hai tốc độ gọi độ trượt s: o   o (1-1) ω = ωo(1 – s) (1-2) s Từ ta có: hay n = no(1 – s) (1-3) Với:  SVTH: Vũ Quang Trình 2n 60 (1-4) Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt o  f1 - 2n o 2f1  60 p (1-5) tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato Tốc độ ωo tốc độ lớn mà roto đạt khơng có 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 khơng 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 khơng đổi, tổng trở mạch từ hóa khơng 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 SVTH: Vũ Quang Trình Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt 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 – dịng điện từ hóa, dịng điện stato dịng 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 khơng 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 2.2 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 SVTH: Vũ Quang Trình Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Hình 1-3: Đường đặc tính động khơng 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 R12  X nm (1-9) Thay vào phương trình đặc tính ta có: M th  3U12 2o (R1  R12  X 2nm ) (1-10) Vì ta xem xét giới hạn ≤ s ≤ ( chế độ động ) nên giá trị s th Mth đặc tính hình ứng với dấu (+) SVTH: Vũ Quang Trình Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt 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 ω o thay đổi, đồng thời X1, X2 bị thay đổi ( X = 2πfL ), kéo theo thay đổi độ trượt tới hạn s th momen tới hạn Mth Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số s th = 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: SVTH: Vũ Quang Trình Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt  s   th f   M   th f12 (1-13) Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn s th 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 dịng 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 khơng thể tăng điện áp nguồn mà giữ U = 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 Hình 1-4: Họ đặc tính thay đổi tần số nguồn SVTH: Vũ Quang Trình 10 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt 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 cơng suất (hay khóa điện tử) nghịch lưu lớn dẫn đến tăng tổn hao chuyển mạch lại làm giảm điều hịa bậc cao dạng sóng dịng 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 cơng 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 Ttrễ - Tclk - chu kỳ xung nhịp đầu vào (2-8) thời gian trễ SVTH: Vũ Quang Trình 77 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Trong chương trình này, em cấu sau: f clk = 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 Khơng 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: SVTH: Vũ Quang Trình 78 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt N N - f pwm(max) f modulation (max ) (2-9) 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 fout - tần số sóng sin đầu N - số giá trị bảng sin Tngat - chu kỳ ngắt Timer (2-10) Chu kỳ ngắt xác định theo giá trị ghi chu kỳ (Period Register) Timer theo công thức sau: SVTH: Vũ Quang Trình 79 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Tngat  Tclk (PeriodValue  1) PeriodValue Tclk - (2-11) 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: f clk = 4/3MHz, N=255 ta có cơng 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 U 1/f1 khơng 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 (U 1dm/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 vịng 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 SVTH: Vũ Quang Trình 80 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Để tạo tín hiệu ba pha ta cần ba biến trỏ lệch 120 o, ta sử dụng ba biến trỏ tương ứng với ba PWMDB Giá trị ba biến trỏ lệc 120o Lưu đồ thuật toán: Chương trình Vịng lặp Khởi tạo hệ thống bao gồm, khởi tạo PWMDB8, khởi tạo Timer16, khởi tạo ngắt SVTH: Vũ Quang Trình 81 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Hàm udateU_f: Chương trình updateU_f SVTH: Vũ Quang Trình 82 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Chương trình tinhsin() Chương trình ngắt Timer16 SVTH: Vũ Quang Trình 83 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt PHỤ LỤC Code chương trình điều khiển Chương trình main.c // -// C main line // -#include // part specific constants and macros #include "PSoCAPI.h" // PSoC API definitions for all User Modules #include "ports.h" #include "dieuche.h" //#define PULSEWIDTH 127 //#define MAXPWM PULSEWIDTH-7 unsigned int nhay; int Fset=60; // Tan so dat unsigned char ku=150; unsigned char overload=0, // Qua tai overcurrent=0; // Qua dong unsigned char state=0; void lock() { Port0_4(1); } void unlock() SVTH: Vũ Quang Trình 84 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt { Port0_4(0); } #pragma interrupt_handler overcurrent_ISR void overcurrent_ISR() // qua dong 75%: Cat cong suat hoan toan { lock(); } #pragma interrupt_handler overload_ISR void overload_ISR() // qua dong 50%: Giam cong suat { lock(); } void nhayled() { unsigned char led; if(++nhay>100) nhay=0; led=(nhay>50); Port2_0(led); } void main() { PRT0DR=0xFF; M8C_EnableGInt; // enable all interrups, nescessery M8C_EnableIntMask(INT_MSK0 , INT_MSK0_ACOLUMN_0); M8C_EnableIntMask(INT_MSK0 , INT_MSK0_ACOLUMN_2); SVTH: Vũ Quang Trình 85 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt PWMDB8_1_WritePeriod(255); PWMDB8_1_WritePulseWidth(0); PWMDB8_1_WriteDeadTime(2); PWMDB8_2_WritePeriod(255); PWMDB8_2_WritePulseWidth(0); PWMDB8_2_WriteDeadTime(2); PWMDB8_3_WritePeriod(255); PWMDB8_3_WritePulseWidth(0); PWMDB8_3_WriteDeadTime(2); Timer16_1_EnableInt(); Timer16_1_WritePeriod(500); Timer16_1_Start(); // start timer PWMDB8_1_Start(); PWMDB8_2_Start(); PWMDB8_3_Start(); unlock(); while(1) { nhayled(); updateU_F(Fset); if ((PRT0DR & 0x02)==0) Fset=70; SVTH: Vũ Quang Trình 86 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt else Fset=6; } } Chương trình dieuche.c #include "sintable.h" #include "PSoCAPI.h" // PSoC API definitions for all User Modules #define MS 100 unsigned char u_f=100; unsigned char Fmin=5; unsigned char sinU[LEN]; unsigned char sinA=0, sinB=0, sinC=0; unsigned int TimeA=0, TimeB=LEN/3, TimeC=2*LEN/3; #pragma interrupt_handler Timer16_1_ISR int Fcontrol=20;// Tan so dieu khien void Timer16_1_ISR() { PWMDB8_1_WritePulseWidth(sinA); PWMDB8_2_WritePulseWidth(sinB); PWMDB8_3_WritePulseWidth(sinC); if (++TimeA>=LEN) TimeA=0; if (++TimeB>=LEN) SVTH: Vũ Quang Trình 87 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt TimeB=0; if (++TimeC>=LEN) TimeC=0; sinA=sinU[TimeA]; sinB=sinU[TimeB]; sinC=sinU[TimeC]; } void tinhsin(unsigned char kU) { unsigned int i; if (kU>MS) kU=MS; for (i=0;i254) sinU[i]=254; else sinU[i]=u; } } int time=25000; void updateU_F(unsigned char f) SVTH: Vũ Quang Trình 88 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt { unsigned int t=u_f; // Luat tang toc - giam toc if (++time>500) { time=0; if (f!=Fcontrol) { if (f>Fcontrol) { if ((FcontrolFmin)) Fcontrol=Fmin; else Fcontrol++; } else if (f