Chương 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay Hiện nay khi cuộc cách mạng khoa học 4.0 đang nổ ra trên toàn thế giới, nền khoa học kỹ thuật của nước ta cũng vì thế mà ngày càng phát triển và không ngừng đổi mới công nghệ do đó mà các nhà máy quy mô lớn nhanh chóng được xây dựng ở các khu công nghiệp và đòi hỏi nhu cầu lớn nguồn nhân lực có trình độ về các thiết bị máy móc như PLC, biến tần, động cơ 3 pha, … Theo xu hướng phát triển đó mà các ngành kỹ thuật ngày càng thu hút được nhiều sinh viên theo học hơn nữa đặc biệt là các ngành về thiết bị công nghiệp và tự động hóa sản xuất. Tuy các ngành học này trở nên vô cùng khan hiếm nhân lực như vậy nhưng mỗi năm trong tổng số sinh viên ra trường vẫn có tỷ lệ vô cùng lớn sinh viên bị thất nghiệp hoặc phải đi làm các công việc trái ngành với mức lương ít ỏi để kiếm sống qua ngày. Lý do chính gây ra tình trạng này chính là vì chương trình đào tạo dành cho sinh viên hiện vẫn chưa theo sát với nhu cầu thực tế của nhà tuyển dụng.
Điểm hình là hiện nay các bộ biến tần đều được sử dụng phổ biến trong hầu hết các nhà máy công nghiệp. Tuy nhiên việc tìm được sinh viên mới ra trường có đầy đủ kiến thức về biến tần lại vô cùng khó khăn. Tính cấp thiết của đề tài: Hiện nay, trong sách giáo trình giảng dạy môn điện tử công suất và thực tập điện tử công suất đã rất chú trọng đến giảng dạy nguyên lý, cấu tạo của các linh kiện như SCR, TRIAC, IGBT, DIODE, …cũng như sơ đồ mạch nguyên lý của các khối như chỉnh lưu, nghịch lưu, giúp sinh viên có kiến thức cơ bản về các mạch nêu trên. Tuy nhiên, sinh viên ngành điện tử chưa thực sự chú trọng và yêu thích môn điện tử công suất cũng như thực tập điện tử công suất vì nhiều lý do.
Sau đây là một vài lý do khiến các bạn sinh viên không chú trọng môn điện tử công suất: 1 do an • Việc giảng dạy thực hành môn điện tử công suất chỉ dựa trên các module tích hợp sẵn và các bạn chỉ ngồi xem dạng sóng từng điểm cụ thể mà chưa thực sự nắm bắt được nguyên lý. • Sự bất cập trong sách giáo trình. Cụ thể ở phần biến tần, sách giáo trình chỉ vẽ sơ đồ nguyên lý của khối chỉnh lưu, khối nghịch lưu mà thiếu đi một khối rất quan trọng đó là bộ Driver. Điều đó khiến các bạn sinh viên chỉ nắm được lý thuyết chung cơ bản mà không hiểu rõ nguyên lý, cách thức hoạt động chi tiết của các khối chỉnh lưu, nghịch lưu như thế nào.
• Các bạn ngành điện tử hầu như thích làm về Vi xử lý mà không biết được ở các nhà máy, biến tần ngày nay hầu như là một phần không thể thiếu trong các nhà máy. Biến tần giúp khống chế dòng khởi động giúp động cơ khởi động êm và bảo vệ được động cơ khỏi các hư hỏng, tiết kiệm năng lượng, … Vì vậy việc nghiên cứu đề tài này của nhóm báo cáo sẽ góp phần cung cấp nguồn tài liệu tham khảo vô cùng quan trọng giúp cho các sinh viên có thêm cái nhìn tổng quát, cụ thể và rõ nét hơn thể biến tần dạng PWM kiểu V/f. Mặc dù hiện nay trên thị trường đã xuất hiện nhiều vi điều khiển và IC chuyên dụng dành riêng để chế tạo các bộ biến tần khác nhau nhưng việc tách riêng, thiết kế từng khối trong mô hình sẽ mang lại hiệu quả rất lớn cho việc giảng dạy cũng như giúp sinh viên có thể dễ dàng hơn trong việc hiểu được nguyên lý hoạt động của bộ biến tần trong thực tế. Mục tiêu của đề tài Hỗ trợ tốt quá trình thực tập môn điện tử công suất: giúp sinh viên dễ dàng thực tập bộ biến tần PWM dạng V/f.
Củng cố kiến thức về phương pháp nghịch lưu dạng PWM. Làm nền tảng cho sinh viên có kiến thức về biến tần để có thể phát triển kỹ năng chuyên môn khi làm việc thực tế trong các doanh nghiệp sau này. 2 do an Cung cấp thêm nguồn tài liệu kiến thức tham khảo để sinh viên các khóa sau có thể phát triển và cải tiến bộ biến tần. Nhiệm vụ nghiên cứu Chỉ ra các ưu, nhược điểm của bộ biến tần ba pha sáu bước và đề xuất các giải pháp để khắc phục các mặt hạn chế của đề tài.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu: Thông qua nội dung nghiên cứu về bộ biến tần PWM dạng V/f, các đối tượng chính cần nghiên cứu là: • Mạch chỉnh lưu có điều khiển. • Mạch nghịch lưu 3 pha PWM. • Mạch điều khiển sử dụng EEPROM.
Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu thiết kế, thi công bộ biến tần PWM dạng V/f. Phương pháp nghiên cứu Nhóm báo cáo nghiên cứu theo phương pháp tìm hiểu về lý thuyết dựa trên sách lý thuyết, sách thực hành môn điện tử công suất và một số tài liệu ở các diễn đàn mạng về mạch điện tử công suất. Thiết kế mạch và mô phỏng mạch bằng phần mềm. Sau khi mô phỏng và đạt được dạng sóng ra đúng theo mong muốn, nhóm sẽ tiến hành thiết kế mạch in và thi công mạch.
Sau khi thi công, nhóm sẽ kiểm tra dạng sóng thực tế bằng các thiết bị đo sóng ở phòng thí nghiệm. Sau khi đạt được dạng sóng mong muốn, nhóm sẽ tiến hành kết nối các phần và đó cũng sẽ là phần mà sinh viên khi thực tập điện tử công suất sẽ thực hiện sau khi nhóm hoàn thành đề tài tốt nghiệp về biến tần này. 3 do an Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 2. Tổng quan về động cơ không đồng bộ 3 pha Động cơ điện không đồng bộ ba pha, có thể nói là được sử dụng rộng rãi và chiếm một phần rất quan trọng trong nền kinh tế quốc dân nhất là trong lĩnh vực công nghiệp.
Do kết cấu của chúng đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ…. Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa vừa và nhỏ, động lực cho máy công cụ.Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong công nghiệp nó được sử dụng dùng để làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày nó dần dần chiếm vị trí quan trọng: quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh, động cơ trong máy giặt, máy bơm nước.
Tóm lại phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi. Nguyên lý hoạt động Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau 1200 trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra bên trong là một từ trường quay. Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một suất điện động cảm ứng trong các thanh dẫn.1: Sức điện động hình thành khi di chuyển thanh dẫn trong từ trường 4 do an Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay.2: quy tắc bàn tay trái định hướng sức điện động e Hình 2.3 : quy tắc bàn tay trái định hướng lực điện từ Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay.
Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ không quét qua các dây quấn phần cảm nữa nên sức điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momen quay cũng không còn. Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường. 5 do an Hình 2.4 : Phân bố đường sức từ trong mạch từ Hình 2.5 : Phân bố đường sức từ trong mạch từ stator động cơ 2p= 2 cực Hình 2.6 : Phân bố từ trường một cặp cực từ theo vị trí không gian 6 do an Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ωo (rad/s) hay no (vòng/phút) thì tốc độ quay của roto là ω ( hay n ) thì ta luôn có ω < ωo ; n < no. Sai lệch tương tối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s: o − s= (1-1) o Từ đó ta có: ω = ωo (1 – s) (1-2) hay n = no (1 – s) (1-3) Với: 2n = (1-4) 60 2n o 2f1 o = = (1-5) 60 p Với: f1- tần số đặt vào cuộn stator p- số đôi cực từ Tốc độ ωo là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực cản nào.
Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ. Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1. Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay, được thể hiện qua công thức sau: p(n o − n ) f2 = = sf1 (1-6) 60 7 do an 2. Cấu tạo Động cơ không đồng bộ gồm có 2 phần chính: Stator và Rotor Hình 2.1: Stator và Rotor động cơ không đồng bộ Stator: Là phần đứng yên của động cơ, được tạo thành từ nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại thành hình trụ vành khăn, các lá thép này được dập rãnh phân bố theo hình tròn trong stator, trong các rãnh người ta lót cách điện trước khi lắp đặt các bộ dây quấn Hình 2.2: Cấu tạo 1 lá thép trong stator Rotor: Là phần quay của động cơ, với động cơ cảm ứng, rotor thường được chế tạo theo một trong hai dạng là rotor lồng sóc hoặc rotor dây quấn.
Với yêu cầu vận hành bình thường, rotor được chế tạo theo kiểu lồng sóc, trong trường hợp cần điều chỉnh thay đổi tốc độ động cơ ta mới cần chế tạo kiểu rotor dây quấn.