Chương 1: Tổng quan. Việc nghiên cứu chế tạo thử nghiệm bộ biến tần giá thành thấp tích hợp các thuật toán điều khiển mới sẽ mở ra khả năng liên kết và giúp đẩy mạnh phát triển nhiều lãnh vực trong nước như điện tử công suất, tự động điều khiển, máy điện và hệ thống nguồn năng lượng. Mục tiêu của đề tài nhằm giải quyết vấn đề cốt lõi là “Chế tạo thử nghiệm bộ biến tần 3 pha giá thành thấp“ để phục vụ cho nhu cầu điều khiển vận tốc động cơ KĐB 3 pha hiện nay. Việc nghiên cứu chế tạo thử nghiệm bộ biến tần giá thành thấp nhằm mục đích làm chủ quy trình thiết kế biến tần gồm khâu tạo card điều khiển, thiết kế card công suất và khâu lập trình điều khiển theo giải thuật yêu cầu.
Định hướng của đề tài. Với một số các ưu điểm kể trên của DSP trong điều khiển động cơ KĐB 3 pha, cộng thêm mong muốn được tìm hiểu và áp dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại động cơ KĐB 3 pha cho các hệ truyền động. Do đó học viên thực hiện luận văn quyết định thực hiện đề tài: “Điều khiển động cơ KĐB 3 pha bằng phương pháp FOC trên cơ sở DSP TMS320F2812”. Nhiệm vụ luận văn.
Tìm hiểu các phương pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha. Tìm hiểu các trúc phần cứng và tập lệnh của DSP TMS320F2812. Lập trình điều khiển hệ truyền động động cơ KĐB 3 pha trên cơ sở DSP TMS320F2812 theo phương pháp tựa từ thông FOC (Field Orientated Control. Thiết kế phần cứng hệ truyền động động cơ KĐB 3 pha.
Kết quả mong muốn đạt được. Thiết kế phần cứng hệ truyền động động cơ KĐB 3 pha. Xây dựng giải thuật lập trình và lập trình điều khiển động cơ trên DSP TMS320F2812 theo phương pháp FOC. Lê Minh Phương Trang 3 HVTH: Trương Minh Triệu LVTN Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mục đích của luận văn là thiết kế bộ biến tần 3 pha để điều khiển động cơ KĐB 3 pha bằng phương pháp FOC, phương pháp này cho phép điều khiển tách rời việc điều khiển từ thông và moment, đưa việc điều khiển động cơ KĐB giống như việc điều động cơ DC với sự hổ trợ của vi xử lý DSP TMS320F2812. Vì thế luận văn cần có các lý thuyết sau: - Lý thuyết về động cơ KĐB 3 pha bao gồm: cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các phương pháp điều khiển từ cổ điển đến hiện đại. - Lý thuyết về vi xử lý DSP bao gồm: cấu trúc, ngôn ngữ lập trình và các chức năng hổ trợ cho công việc điều khiển động cơ. - Lý thuyết về truyền động điện, bộ biến tần.
Lê Minh Phương Trang 4 HVTH: Trương Minh Triệu LVTN Chương 3: Động cơ KĐB và các PP điều khiển. Chƣơng 3 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 3. Tổng quan về động cơ KĐB 3 pha. Động cơ KĐB 3 pha có cấu tạo cơ bản gồm 3 phần: stator, rotor và khe hở không khí.
Stator của động cơ gồm 3 bộ phận: lõi thép, dây quấn và vỏ máy. Lõi thép: lõi thép stator có dạng hình vành khăn (hình 3.1a), được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện có hình dạng như hình 3. Mặt trong của lõi thép có các rãnh để đặt dây quấn (hình 3. (a) lõi thép stator; (b) lá thép; (c) rãnh chứa dây quấn.
Rãnh có các dạng: rãnh kín là rãnh không có miệng; rãnh hở là rãnh có miệng và đáy bằng nhau; rãnh nửa hở là rãnh có miệng bằng ½ đáy; rãnh nửa kín là rãnh có miệng nhỏ hơn đáy. Có 2 dạng rãnh nửa kín phổ biến là rãnh hình thang và rãnh quả lê (hình 3. Rãnh kín Rãnh hở Rãnh nữa hở Rãnh hình thang Rãnh hình quả lê Hình 3. Rãnh ở mặt trong stator.
Lê Minh Phương Trang 5 HVTH: Trương Minh Triệu LVTN Chương 3: Động cơ KĐB và các PP điều khiển. Dây quấn stator: thường là dây đồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhật và được bọc cách điện. Dây quấn được đặt trong các rãnh của lõi thép stator. Dây quấn stator của động cơ KĐB 3 pha gồm 3 cuộn dây giống nhau, có vị trí lệch nhau góc không gian 120o điện như hình 3.
Pha U Pha V Pha W a) b) Hình 3. Sơ đồ bố trí 3 cuộn dây stator. Vỏ máy: có chức năng bảo vệ máy và làm giá lắp các bộ phận khác của máy. Vỏ máy có thể làm bẳng thép đúc, hoặc nhôm (hình 3.
Vỏ gồm thân và hai nắp. Thân vỏ để chứa lõi thép. Mặt ngoài thân có các gờ tản nhiệt, có các lỗ để lắp vòng treo, bảng đấu dây và đế máy. Hai nắp của thân dùng để che phần đầu nối của dây quấn và là giá chứa hai ổ trục của rotor.
N p y y Stator Rotor a) b) Hình 3. Vỏ máy và các phụ kiện 3. Rotor của động cơ KĐB gồm có các bộ phận: lõi thép, trục và dây quấn. Lõi thép: lõi thép rotor được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện có dạng như hình 3.
Mặt ngoài có các rãnh để đặt dây quấn rotor, ở giữa có lỗ để lắp trục rotor. Lê Minh Phương Trang 6 HVTH: Trương Minh Triệu LVTN Chương 3: Động cơ KĐB và các PP điều khiển. Raõnh ñaët daây quaán Loã laép truïc Hình 3. Trục rotor: trục roto làm bằng thép, trục thường đươ ̣c cố định với lõi thép theo kiểu then hoa.
Dây quấn: của động cơ KĐB có 2 kiểu: kiểu rotor lồng sóc và kiểu rotor quấn dây. Rotor lồng sóc: trong mỗi rãnh của lõi thép rotor đặt một thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm, đầu các thanh dẫn nối vào hai vành bằng đồng hoặc nhôm gọi là hai vành ngắn mạch. Hệ thống các thanh dẫn và hai vành ngắn mạch như hình 3. Các thanh dẫn rotor lồng sóc thường được bố trí nghiêng một bước rãnh nhằm giảm ảnh hưởng của moment phụ (hiê ̣n diê ̣n ở tố c đô ̣ dưới tố c đô ̣ đồ ng bô )̣ cũng như giảm thiể u tiế ng ồ n và làm rung đô ̣ng khi đô ̣ng cơ làm viê ̣c.
Rotor quấn dây: trong các rãnh của lõi thép rotor đặt dây quấn 3 pha giống như dây quấn stator. Dây quấn này thường nối sao, ba đầu dây ra của dây quấn nối với ba vành bằng đồng (gọi là vành trượt) gắn cố định trên trục rotor (hình 3. Các vành trượt được cách điện với trục rotor. Tỳ trên ba vành trượt là ba chổi than gắn cố định trên giá như hình 3.
Ba chổi than nối với ba biến trở dùng để mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ (hình 3. Lê Minh Phương Trang 7 HVTH: Trương Minh Triệu LVTN Chương 3: Động cơ KĐB và các PP điều khiển. Rotor dây quấn. Khe hở không khí.
Là khoảng hở giữa rotor và stator. Ở động cơ KĐB , khe hở này rất nhỏ (0,2 – 1 mm) trong máy công suấ t nhỏ và vừa. Mô hình hoàn chỉnh của động cơ KĐB rotor lồng sóc như hình 3. Động cơ KĐB 3 pha rotor lồng sóc.
So sánh động cơ KĐB 3 pha rotor lồng sóc và rotor dây quấn ta thấy: Động cơ rotor lồng sóc có cấu tạo bền chắc, nên rất phổ biến. Động cơ rotor quấn dây có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ nhưng cấu tạo phức tạp, dễ có sự cố, nên chỉ được dùng trong những ứng dụng mà rotor lồng sóc không đáp ứng được. Nguyên lý hoạt động của động cơ KĐB 3 pha. Xét stator động cơ KĐB 3 pha đơn giản có 6 rãnh, trên stator được bố trí 3 cuộn dây AX, BY và CZ.
Khi nối dây quấn stator vào nguồn điện 3 pha tần số f, trong dây quấn stator sẽ có hệ thố ng dòng điện 3 pha (isu, isv, isw), dây quấn stator sẽ sinh ra từ trường quay (như hình 3. Lê Minh Phương Trang 8 HVTH: Trương Minh Triệu LVTN Chương 3: Động cơ KĐB và các PP điều khiển. Sự hình thành từ trường quay. Từ trường quay (n1) quét qua dây quấn rotor, sẽ cảm ứng trong dây quấn rotor 1 sức điện động cảm ứng e2.
Do dây quấn rotor nối ngắn mạch, nên e2 tạo ra dòng điện i2 chảy trong các thanh dẫn roto (hình 3. Dòng điện i2 cũng tạo ra từ trường quay với tốc độ cùng chiều với từ trường stator. Từ trường trong khe hở không khí của máy là tổng từ trường do dòng điện stator và dòng điện rotor tạo ra, từ trường này sẽ tác dụng lên dòng điện i2 lực F (hình 3. Do tác dụng của F, rotor sẽ quay cùng chiều với từ trường 1 tốc độ n nhỏ hơn tốc độ n1.
Hiệu số giữa tốc độ từ trường và tốc độ rotor gọi là tốc độ trượt (n2): n2 n1 n (3.3) là hệ số trượt của động cơ. Lê Minh Phương Trang 9 HVTH: Trương Minh Triệu LVTN Chương 3: Động cơ KĐB và các PP điều khiển. n1 n1 F i2 i2 n 2 e2 e2 F stator stator rotor rotor Hình 3. Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB 3 pha.
Ứng dụng của động cơ KĐB và khả năng thay thế động cơ DC. Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trong các thiết bị điện dân dụng. Hệ truyền động điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thay đổi được. Khoảng 75 – 80 % các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độ không đổi, Với các hệ thống này thì tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các quá trình khỡi động và hãm.
Phần còn lại là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc độ để phối hợp đặc tính động cơ và đặc tính tải theo yêu cầu. Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý, các hệ điều tốc đã sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng phổ biến, và là công cụ không thể thiếu trong quá trình tự động hóa. Động cơ KĐB có nhiều ưu điểm như: kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao. Vì những ưu điểm này nên động cơ KĐB được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW.