đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung đề tài thực hiện. Chương 2: Cơ sở lý thuyết trình bày cơ sở lý thuyết liên quan đến phương pháp SPWM, chíp vi xử lý, mosfet/IGBT. Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống mô tả quá trình thiết kế hệ thống, các sơ đồ kết nối của hệ thống. Chương 4: Thi công hệ thống trình bày quá trình thi công để hoàn thiện hệ thống, qua trình lập trình các vấn đề liên quan đến hệ thống.
Chương 5: Kết quả-nhận xét: tổng kết lại kết quả đã đạt được, nêu lên nhận xét đánh giá về toàn bộ quá trình làm việc. Chương 6: Kết Luận - hướng phát triển: kết luận những gì thu được trong quá trình thực hiện hệ thống, nêu hướng phát triển cho đề tài. 2 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 PHƯƠNG PHÁP SINE PULSE WIDTH MODULATION 2.1 Phương pháp điều rộng xung sinpwm: Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SinPWM, ta sử dụng một tín hiệu xung tam giác tần số cao đem so sánh với một điện áp sin chuẩn có tần số f. Nếu đem xung điều khiển này cấp cho một bộ biến tần một pha thì ngõ ra sẽ thu được một dạng điện áp dạng điều rộng xung có tần số bằng tần số nguồn sóng sin mẫu và biên dộ hài bậc nhất phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cung cấp và tỉ số giữa biên độ sóng sin mẫu và sóng mang.
Tần số sóng mang phải lớn hơn tần số sóng sin mẫu. Sau đây là hình vẽ miêu tả nguyên lý của phương pháp điều rộng xung sin.1 Nguyên lý của phương pháp điều rộng xung sin. 3 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 𝑉𝑑𝑐 Khi: Vcontrol > Vtri thì Vao = 2 𝑉𝑑𝑐 Vcontrol < Vtri thì Vao = − 2 Như vậy, để tạo ra nguồn điện ba pha dạng điều rộng xung, ta cần có nguồn sin ba pha mẫu và giản đồ kích đóng của ba pha sẽ được biểu diễn như hình dưới đây: Hình 2.2 Sơ đồ dạng điện áp trên các pha.2 Các công thức tính toán, cách thức điều khiển: Ta cần tính được biên độ hài bậc nhất của điện áp ngõ ra từ biên độ giữa sóng mang và sóng tam giác. 4 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Công thức tính biên độ hài bậc nhất: 𝑈𝑑𝑐 𝑈𝑡 = 𝑚𝑎 2 Trong đó ma lả tỉ số giữa biên độ sóng sin mẫu mà biên độ sóng mang – còn gọi là tỉ số điều biên.
𝑈𝑑𝑘 𝑚𝑎 = 𝑈𝑐𝑎𝑟𝑟𝑦 Cách thức điều khiển: Sau khi đã nói về phương pháp điều khiển V/f= const và phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp theo phương pháp điều rộng xung SINPWM, ta có thể đưa ra một thuật toán điều khiển động cơ theo tần số đặt cho trước như sau. Trường hợp ta muốn cho động cơ ở trạng thái đứng yên chuyển sang chạy ở tần số đặt thì phải thông qua một quá trình khởi động mềm tránh cho động cơ khởi động lập tức đến tốc độ đặt, gây ra dòng điện khởi động lớn làm hỏng động cơ. Tần số nguồn cung cấp sẽ tăng từ giá trị 0(đứng yên). Thời gian khởi động này có thay đổi theo công suất của từng động cơ.
Đối với động cơ có công suất lớn thời gian khởi động lâu hơn động cơ có công suất nhỏ. Thời gian khởi động của đông cơ thông thường được chọn từ 5 tới 10giây. Sau khi tần số nguồn đã đạt tới giá trị yêu cầu lúc đầu sẽ giữ nguyên giá trị đó. Trong quá trình động cơ đang chạy ổn định mà có một nhu cầu thay đổi tần số thì cũng có một quá trình chuyển đổi tần số từng bước thay vì nhảy ngay lập tức đến giá trị tần số yêu cầu mới.
Khi muốn thay đổi chiều của động cơ cần phải đưa tần số động cơ về đủ nhỏ rồi sau đó mới thực hiện chuyển đổi ngay (thay đổi thứ tự nguồn pha cung cấp cho động cơ) tránh hiện tượng moment xoắn có thể làm gãy trục động cơ và tăng dòng đột ngột. Khi muốn dừng động cơ thì phải hạ tần số từ giá trị hiện tại về giá trị 0. Thời gian hãm này phụ thuộc vào quán tính quay của động cơ. Khi muốn hãm phanh có thể dùng các phương pháp hãm như phương pháp hãm động năng – có dung điện trở thắng.
Như vậy ta có thể hình dung quá trính hoạt động của bộ điều khiển như sau: 5 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.3 Quá trình hoạt động của bộ điều khiển. Đoạn 1 ứng với khởi động động cơ - tần số tăng từ 0 tới giá trị đặt sau khoảng thời gian khởi động (Tramp). Đoạn 2 ứng với việc thay đổi tần số khi động cơ đang chạy ổn định. Đoạn 3 ứng với chiều chuyển đội động cơ - được chia làm 2 giai đoạn: đoạn 3a ứng với giảm tần số về 0, cuối đoạn 3a sẽ thay đổi thứ tự pha nguồn cung cấp cho động cơ, đoạn 3b ứng với tăng tần số lên đến giá trị mới.
Đoạn 4 ứng với ngừng động cơ. Tần số cho động cơ được giảm dần từ giá trị đặt về 0 sau khoảng thời gian dừng (Tramp).3 Quy trình tính toán Tần số sóng mang trong MCU 4011 là trong MCU 4011 là 𝐹𝑐𝑦 PTPER = (1) (𝐹𝑝𝑤𝑚∗𝑝𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑒∗2)−1 Trong đó PTPER là giá trị cần nạp vào thanh ghi để có được tần số song mang mong muốn. 𝑓𝑜𝑠𝑐 Fcy = (2) 4 Với Fosc là tần số thạch anh đưa vào vi điều khiển. 6 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ứng với các giá trị tính toán trên, để tạo ra một song mang có tần số 5 kHz.
Giá trị cần nạp vào thanh ghi PTPER là 1999. Sóng điều khiển (Udk) được tạo ra bằng cách lập một bảng sin có giá trị từ 0 tới 2π tượng trưng cho một chu kì sóng điều khiển dạng sin. Như đã biết, sóng điều khiển mang thông tin về độ lớn giá trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra, vì vậy khi biên độ và tần số của sóng diều khiển thay đổi thì ta có điện áp và tần số ngõ ra cũng thay đổi theo. Tần số của sóng điều khiển thay đổi tuỳ thuộc vào tần số di chuyển của con trỏ trong bảng sin.
Nếu tần số của sóng điều khiển càng lớn thì số bước nhảy của sóng điều khiển di chuyển của con trỏ di chuyển trong bảng sin trong một chu kì sóng điều khiển càng ít và ngược lại. Quan hệ giữa số bước nhảy của con trỏ trong bảng sin và tần số của sóng điều khiển được xác định theo công thức sau: 𝛼 K= (3) 𝛼𝑚𝑖𝑛 Trong đó αmin là độ phân giải của bảng sin (với bảng sin gồm có 720 giá trị thỉ độ phân giải của bảng sin là 0. (4) Là góc nhảy của con trỏ trong bảng sin sau một chu kì PWM. 𝑈𝑑𝑘 𝑈𝑑𝑐 Từ công thức 1 và 2 ta có: Ut = ∗ (3) 𝑈𝑐𝑎𝑟𝑟𝑦 2 Trong đó Udc = 310V ứng với trường hợp tỉ số điều chế ma=1 và động cơ hoạt động ở chế độ định mức.
Khi động cơ hoạt động ở chế độ định mức: = 3.667 (Udm = 220, fdm = 60Hz) (4) từ 3 và 4 ta có: freq = 0.03*Udk (5) Giá trị của tần số đặt vào động cơ từ biến trở được thông qua bộ chuyển đổi ADC 10bits theo công thức: freq = ADC_Result*60/1024. (6) 7 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Dựa vào tần số yêu cầu đầu vào ta có thể tính biên độ của sóng điều khiển đễ giữ cho tỉ số V/f không đổi. Thời gian tăng tốc và giảm tốc của động cơ được tính toán dựa vào chu kì PWM, kể từ khi có sự thay đổi về tần số đặt, sau mỗi chu kì PWM, giá trị tần số hiện tại sẽ cộng thêm vào hoặc trừ ra một giá trị cho tới khi bằng với giá trị của tần số đặt mới. Giá trị cộng vào hoặc trừ ra được tính theo công thức sau: ∆ = (60*TPWM)/t (7) Trong đó t(s) là thời gian tăng tốc hoặc giảm tốc của động cơ.
Để đảm bảo sự chuyển mạch diễn ra đúng, tại một thời điểm trên một nhánh chỉ có một khoá bán dẫn trong trạng thái dẫn, một khoảng thời gian nghỉ (dead time) cần được thêm vào khoảng giữa hai khoá, với tần số thạch anh đưa vào vi điều khiển lá 10Mhz, tần số sóng mang là 5Khz, khoảng thời gian nghỉ từ 1 tới 25ms, ở đây khoảng thời gian chọn là 2ms.4 Hiệu quả phương pháp điều khiển: Đối với phương pháp điều chế SINPWM, tại thời điểm mà một trong hai khoá trên cùng một nhánh ở trạng thái ON thì biểu thức điện áp giữa một pha và điểm trung tín ảo (O) có dạng như sau: Hình 2.4 Sơ đồ kết nối các khoá trong bộ nghịch lưu. 8 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP VAO VBO (7a) VCO Điện áp giữa hai pha đươc tính toán: √3 𝜋 VAB = VAO – VBO = 𝑉𝑑𝑐. sin(𝛼 + ) 2 2 Từ công thức 7a với 7b trên ta thấy giá trị điện áp lớn nhất giữa hai pha đạt được giữa hai vùng tuyến tính khi m=1. √3 Giá trị điện áp lớn nhất là Vline_to_line_max = 𝑉𝑑𝑐 (8) 2 Vậy với phương pháp này, điện áp bộ nghịch lưu cung cấp chỉ dược sử dụng tối đa 86,67% trong vùng diều khiển tuyến tính.5 Kỹ thuật SinPWM cho VDK Dspic30f4011: SinPWM là một kỹ thuật nghịch lưu bằng cách điều rộng xung PWM kích mạch công suất MOSFET/IGBT tạo ra tín hiệu AC gần sin (Pure Sine Inverters).
Mức logic của xung PWM được quyết định bởi việc so sánh một sóng tam giác (sóng mang) và một sóng sin chuẩn (sóng điều khiển). Tần số sóng mang càng lớn thì tín hiệu AC dạng sine thu được càng “pure”. 9 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.5 Sơ đồ dạng sóng Sine Pulse Width Modulation Khi giá trị sóng mang nhỏ hơn sóng điều khiển, PWM ở mức thấp (inactive), khi giá trị sóng mang lớn hơn sóng điều khiển, PWM ở mức cao (active). Tín hiệu PWM thu được sẽ là SinPWM: Hình 2.6 Tín hiệu thu được.
10 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Áp dụng vào vi xử lý dsPIC30F4011 ta có module PWM khi hoạt động ở chế độ Up/Down Count Mode with Double Updates có giá trị bộ đếm (PTMR) tăng/giảm tuyến tính nên tạo thành một dạng sóng digital tam giác.7 Giá trị đầu ra PWM.