Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa sản xuất, các doanh nghiệp công nghiệp đòi hỏi phải nâng cấp hệ thống máy móc, trang thiết bị và ứng dụng công nghệ điều khiển tự động nhằm nâng cao năng suất và độ tin cậy vận hành. Động cơ không đồng bộ ba pha (máy điện dị bộ rô to lồng sóc) là thiết bị truyền động chiếm tỷ trọng lớn trong công nghiệp nhờ ưu điểm cấu tạo đơn giản, độ bền cao và chi phí chế tạo thấp. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của động cơ lồng sóc là dòng điện khi khởi động trực tiếp rất lớn (thường gấp nhiều lần dòng định mức), gây sụt áp nghiêm trọng trên lưới điện nội bộ và tạo ra các xung lực cơ khí dồn nén làm suy giảm tuổi thọ thiết bị.

Để giải quyết vấn đề trên, đồ án tốt nghiệp ngành Điện công nghiệp và Dân dụng với đề tài "Xây dựng hệ thống khởi động mềm động cơ dị bộ lồng sóc" tập trung vào việc nghiên cứu, tính toán và thiết kế giải pháp khởi động mềm bằng phương pháp điều khiển góc mở van bán dẫn kết hợp vi điều khiển.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác lập theo ba nội dung chính:

  1. Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân tích định lượng các phương pháp khởi động truyền thống cũng như hiện đại của động cơ không đồng bộ ba pha.
  2. Phân tích nguyên lý làm việc của hệ thống khởi động mềm sử dụng bộ điều áp xoay chiều ba pha và cấu trúc phần cứng vi điều khiển họ AVR.
  3. Tính toán thiết kế chi tiết mạch động lực, mạch điều khiển phát xung, mạch đồng bộ và lựa chọn thiết bị bảo vệ cho hệ thống khởi động mềm áp dụng trên động cơ lồng sóc cụ thể.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống khởi động mềm dùng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha bằng Triac điều khiển bởi vi điều khiển ATmega8, áp dụng cho động cơ không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc có thông số: công suất định mức $P = 0,075\text{ kW}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,7$, tốc độ định mức $n = 1400\text{ vòng/phút}$, cấp điện áp định mức $Y/\Delta = 380/220\text{ V}$, dòng điện định mức $I = 0,43/0,74\text{ A}$.
  • Phạm vi thời gian và thực hiện: Đồ án được thực hiện trong thời gian 12 tuần thực tập tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn của GS. Thân Ngọc Hoàn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nội dung đồ án được xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết chuyên ngành máy điện, điện tử công suất và kỹ thuật vi xử lý:

  • Khung lý thuyết máy điện dị bộ: Khảo sát mô hình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha thông qua sơ đồ thay thế một pha, phương trình mô men quay điện từ, biểu thức xác định độ trượt tới hạn ($s_{th}$) và mô men tới hạn ($M_{th}$), cùng các quan hệ định lượng về dòng điện khởi động ngắn mạch ($I_{ngm}$).
  • Lý thuyết bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha: Nguyên lý biến đổi điện áp hiệu dụng đặt vào cuộn dây stato bằng cách thay đổi góc kích mở $\alpha$ của các van bán dẫn công suất (Tiristor/Triac) theo quy luật tăng dần điện áp (ramp), giữ nguyên tần số lưới điện ($50\text{ Hz}$).
  • Kiến trúc phần cứng vi điều khiển AVR: Nghiên cứu cấu trúc xử lý RISC 8-bit, kiến trúc Harvard bộ nhớ tách biệt của vi điều khiển ATmega8 (hãng Atmel) bao gồm tập thanh ghi đa năng, khối số học và logic (ALU), các bộ nhớ Flash, SRAM, EEPROM và hệ thống định thời, ngắt điều khiển phục vụ việc tạo xung kích mở chính xác.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết, mô hình hóa giải tích các chế độ dẫn của van bán dẫn và phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật thực nghiệm:

  • Phân tích toán học dạng sóng điện áp và dòng điện của bộ điều áp xoay chiều ba pha tải đấu hình sao không có dây trung tính qua các dải góc mở $\alpha$ khác nhau ($0^\circ \le \alpha \le 60^\circ$, $60^\circ \le \alpha \le 90^\circ$, $90^\circ \le \alpha \le 150^\circ$).
  • Phương pháp tính toán chọn lựa linh kiện bán dẫn, mạch lọc quá điện áp RC, thiết bị bảo vệ ngắn mạch và tính toán truyền nhiệt cho cánh tản nhiệt nhôm.
  • Phương pháp thiết kế biến áp xung (BAX) cách ly và mạch tạo xung đồng bộ dựa trên điểm qua không của điện áp lưới.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án triển khai thiết kế chi tiết toàn bộ phần cứng của hệ thống khởi động mềm bao gồm mạch động lực và mạch điều khiển trung tâm:

Mạch động lực và thiết bị bảo vệ

Mạch động lực sử dụng 3 Triac đấu nối tiếp với 3 pha của động cơ, tải đấu hình sao không nối dây trung tính. Hệ thống bypass sử dụng các tiếp điểm công tắc tơ (K) và rơ le nhiệt (RN) để đóng trực tiếp động cơ vào lưới sau khi quá trình khởi động kết thúc.

Hạng mục / Linh kiện Mã hiệu / Quy cách Thông số tính toán / Định mức Chức năng kỹ thuật
Van công suất Triac BT139-600E $U_{n\max} = 600\text{ V}, I_{dm\max} = 15\text{ A}, I_{dk} = 15\text{ mA}, U_{dk} = 1,5\text{ V}$ Điều chỉnh điện áp pha cung cấp cho stato
Bảo vệ quá dòng Aptomat LG 50AF $U_{dm} = 600\text{ V}, I_{dm} = 5\text{ A}$ Cắt nguồn khi ngắn mạch hoặc quá tải lớn
Bảo vệ quá áp Mạch lọc RC Mắc song song ở đầu vào Hấp thụ và triệt tiêu xung điện áp quá độ từ lưới
Tản nhiệt van Cánh nhôm 6 cánh Diện tích tỏa nhiệt $S_{tn} = 8\text{ cm}^2$, chịu tổn hao $p = 0,32\text{ W}$ Tản nhiệt đối lưu, giữ nhiệt độ làm việc $T_{lv} \le 80^\circ\text{C}$

Mạch điều khiển và ghép nối vi điều khiển

Hệ thống điều khiển trung tâm được xây dựng xoay quanh vi điều khiển ATmega8 hoạt động với tần số dao động thạch anh ngoài $12\text{ MHz}$.

Khối chức năng Cấu tạo linh kiện Thông số thiết kế chi tiết
Khâu đồng bộ Biến áp đồng pha $\Delta/Y$, mạch so sánh qua 0, Opto cách ly P512 Tạo ra 3 xung vuông tần số $50\text{ Hz}$ lệch pha nhau $120^\circ$ điện đưa vào chân vi xử lý
Khối vi xử lý Vi điều khiển AVR ATmega8 Tiếp nhận tham số cài đặt, tính toán thời gian trễ góc mở $\alpha$, phát 6 kênh xung kích số
Khuếch đại xung Transistor công suất TIP41, Diode 2608, Diode 1N4009, Điện trở hạn dòng $R_8 = 800,\Omega$ Nguồn nuôi $E = 9\text{ V}$, khuếch đại tín hiệu từ chân PB0 của ATmega8 để kích mở BAX
Biến áp xung (BAX) Lõi thép Perit HM (mạch từ OA-12/14-3, thể tích $V = 0,123\text{ cm}^3$) Tỷ số $m = 2$, cuộn sơ cấp $W_1 = 226$ vòng ($d_1 = 0,1\text{ mm}$), thứ cấp $W_2 = 133$ vòng ($d_2 = 0,1\text{ mm}$)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Động cơ không đồng bộ và các phương pháp khởi động

Chương này tổng kết cơ sở lý thuyết về cấu tạo, nguyên lý vận hành và đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha, đồng thời đánh giá ưu nhược điểm của các giải pháp mở máy truyền thống.

  • Cấu tạo và nguyên lý: Stato gồm mạch từ ghép từ các lá thép kỹ thuật điện dày $0,3 - 0,5\text{ mm}$ cách điện chống dòng Foucault và cuộn dây ba pha đặt lệch nhau $120^\circ$ trong không gian; rô to gồm hai loại chính là rô to lồng sóc và rô to dây quấn. Nguyên lý làm việc dựa trên tương tác giữa từ trường quay stato có tốc độ đồng bộ $n_{tt} = 60f_1/p$ và dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rô to, tạo ra mô men quay với tốc độ rô to $n = n_{tt}(1 - s)$, trong đó $s$ là hệ số trượt.
  • Phương trình đặc tính cơ: Mô men điện từ $M$ phụ thuộc vào điện áp pha $U_{f1}$, tần số $f_1$, điện trở và điện kháng quy đổi: $$M = \frac{3 U_{f1}^2 \frac{R_2'}{s}}{\omega_1 \left[ \left( R_1 + \frac{R_2'}{s} \right)^2 + X_{nm}^2 \right]}$$ Độ trượt tới hạn $s_{th} = \frac{R_2'}{\sqrt{R_1^2 + X_{nm}^2}}$ và mô men tới hạn $M_{th} = \frac{3 U_{f1}^2}{2 \omega_1 \left( R_1 \pm \sqrt{R_1^2 + X_{nm}^2} \right)}$.
  • Đánh giá các phương pháp khởi động:
    • Khởi động trực tiếp: Đơn giản nhưng dòng khởi động lớn gây sụt áp lưới và có nguy cơ đứt cầu chì bảo vệ.
    • Thêm điện trở phụ rô to ($R_p$): Chỉ áp dụng cho động cơ rô to dây quấn, giúp giảm dòng ngắn mạch đồng thời tăng mô men khởi động.
    • Nối điện kháng stato: Điện áp giảm $U_k' = k U_1$ ($k < 1$), dòng giảm $I_k' = k I_k$, tuy nhiên mô men giảm mạnh theo bình phương: $M_k' = k^2 M_k$.
    • Dùng biến áp tự ngẫu: Dòng nhận từ lưới giảm $I_1 = k^2 I_k$, mô men giảm $M_k' = k^2 M_k$, tồn tại bước nhảy mô men khi chuyển cấp áp.
    • Đổi nối Sao - Tam giác ($Y-\Delta$): Dòng điện dây mạng điện và mô men khởi động đều giảm 3 lần, chuyển đổi có bước nhảy lớn.
    • Khởi động bằng biến tần: Thay đổi đồng thời điện áp và tần số, giữ dòng khởi động không vượt quá dòng định mức nhưng chi phí thiết bị cao.
Phương pháp khởi động Dòng điện khởi động Mô men khởi động Ưu điểm Nhược điểm
Trực tiếp Rất lớn ($I_{ngm}$) Định mức Thiết bị đóng cắt đơn giản Gây sụt áp lưới, sốc cơ khí
Nối điện kháng $k I_k$ $k^2 M_k$ Mạch đơn giản Mô men giảm bình phương
Biến áp tự ngẫu $k^2 I_k$ $k^2 M_k$ Giảm áp linh hoạt hơn Có bước nhảy mô men, số cấp hạn chế
Đổi nối $Y - \Delta$ Giảm 3 lần Giảm 3 lần Chi phí thấp, thông dụng Chỉ dùng cho máy chạy bình thường chế độ $\Delta$
Biến tần $\le I_{dm}$ Điều chỉnh tối ưu Vận hành êm, hiệu suất cao Giá thành bộ biến đổi đắt

Chương 2: Hệ thống khởi động mềm động cơ không đồng bộ

Chương 2 trình bày nguyên lý điều khiển khởi động mềm bằng phương pháp hạ áp tăng dần và khảo sát chi tiết cấu trúc phần cứng của các khối chức năng chính.

  • Nguyên lý khởi động mềm: Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ bằng cách thay đổi góc mở $\alpha$ của các van bán dẫn công suất, giảm dần $\alpha$ từ giá trị ban đầu về $0^\circ$ theo thời gian. Điện áp đặt vào động cơ tăng tuyến tính (dạng dốc - ramp), tần số giữ không đổi theo tần số lưới. Khi động cơ đạt tốc độ ổn định, bộ biến đổi được ngắt ra khỏi mạch và động cơ được nối trực tiếp vào lưới nhờ hệ thống tiếp điểm chuyển đổi. Phương pháp này đặc biệt thích hợp với các tải thủy khí (máy bơm, quạt gió) có mô men cản tỷ lệ thuận với tốc độ.
  • Phân tích các sơ đồ bộ điều áp xoay chiều ba pha:
    • Sơ đồ đấu sao có dây trung tính: Các cặp van làm việc độc lập theo từng pha, chịu điện áp pha nhưng nhược điểm là xuất hiện sóng hài bậc cao trên dây trung tính và dòng tải gián đoạn.
    • Sơ đồ đấu tam giác: Dòng điện chạy giữa các pha đòi hỏi phát xung đồng thời cho 2 van ở 2 pha khác nhau, mạch điều khiển phức tạp và nhạy cảm với thứ tự pha.
    • Sơ đồ đấu sao không dây trung tính (sơ đồ được chọn): Gồm 6 van Tiristor (hoặc 3 Triac) điều khiển theo 6 đoạn đối xứng và không đối xứng. Các trạng thái dẫn dòng phụ thuộc góc $\alpha$:
      • Dải $0^\circ \le \alpha \le 60^\circ$: Có các giai đoạn xen kẽ 3 van dẫn ($U_{ZA} = U_A$) và 2 van dẫn ($U_{ZA} = \frac{1}{2} U_{AB}$).
      • Dải $60^\circ \le \alpha \le 90^\circ$: Luôn chỉ có 2 van cùng dẫn tại một thời điểm ($U_{ZA} = \frac{1}{2} U_{AB}$ hoặc $\frac{1}{2} U_{AC}$).
      • Dải $90^\circ \le \alpha \le 150^\circ$: Giai đoạn 2 van dẫn xen kẽ với các khoảng không có van nào dẫn.
  • Khảo sát cấu trúc vi điều khiển AVR: Phân tích kiến trúc vi điều khiển ATmega8 với cấu trúc Harvard, xử lý lệnh đường ống đơn chu kỳ xung nhịp. Vi điều khiển tích hợp 32 thanh ghi đa năng 8-bit (trong đó 6 thanh ghi R26 đến R31 ghép thành 3 con trỏ địa chỉ 16-bit X, Y, Z), khối ALU xử lý số học/logic, bộ nhớ Flash $8\text{ KB}$ (chia vùng Boot Flash và Application Flash, hỗ trợ nạp In-System Programming với độ bền $\ge 10.000$ chu kỳ ghi/xóa), bộ nhớ SRAM dữ liệu và bộ nhớ EEPROM $512\text{ Byte}$ (lưu trữ tham số cài đặt, độ bền $\ge 100.000$ chu kỳ). Hệ thống hỗ trợ nhiều chế độ tiết kiệm năng lượng (Idle, Power-down, Power-save, Standby, ADC Noise Reduction) và các vector ngắt có mức ưu tiên cố định theo địa chỉ bộ nhớ.

Chương 3: Thiết kế và lắp ráp hệ thống khởi động mềm

Chương này thực hiện toàn bộ các bước tính toán số liệu cụ thể cho mạch động lực, mạch điều khiển và biến áp xung cho động cơ thử nghiệm $0,075\text{ kW}$.

  • Tính toán và chọn van động lực:
    • Dòng điện hiệu dụng của động cơ: $$I_{dc} = \frac{P}{\sqrt{3} U \cos\varphi} = \frac{75}{\sqrt{3} \times 380 \times 0,7} \approx 0,16\text{ A}$$
    • Dòng điện hiệu dụng chạy qua mỗi Triac: $$I_{Tlv} = \frac{I_{dc}}{\sqrt{2}} = \frac{0,16}{\sqrt{2}} \approx 0,08\text{ A}$$
    • Dòng định mức van cần chọn (chọn chế độ làm việc ở $30%$ định mức khi có cánh tản nhiệt): $$I_{Tdm} = \frac{I_{Tlv}}{0,3} = \frac{0,08}{0,3} \approx 0,27\text{ A}$$
    • Điện áp khóa lớn nhất trên van: $$U_{Tlv} = \sqrt{2} U_d = \sqrt{2} \times 380 = 537,4\text{ V}$$
    • Điện áp định mức van (chọn hệ số dự trữ $K_{dt} = 1,8$): $$U_{Tdm} = K_{dt} \times 537,4 = 1,8 \times 537,4 = 967,3\text{ V}$$
    • Căn cứ các thông số tính toán, đồ án lựa chọn Triac mã hiệu BT139-600E ($U_{n\max} = 600\text{ V}$, $I_{dm\max} = 15\text{ A}$, $I_{dk} = 15\text{ mA}$, $U_{dk} = 1,5\text{ V}$, $I_h = 40\text{ mA}$, $I_r = 5\text{ mA}$, độ sụt áp $\Delta U = 1,6\text{ V}$, thời gian chuyển mạch $t_{cm} = 70,\mu\text{s}$, nhiệt độ tối đa $T_{\max} = 120^\circ\text{C}$).
  • Tính toán bảo vệ nhiệt và cánh tản nhiệt:
    • Tổn thất công suất trên một Triac: $p = \Delta U \times I = 1,6 \times 0,2 = 0,32\text{ W}$.
    • Độ chênh nhiệt độ với môi trường ($T_{mt} = 30^\circ\text{C}$, nhiệt độ làm việc chọn $T_{lv} = 80^\circ\text{C}$): $\tau = T_{lv} - T_{mt} = 80 - 30 = 50^\circ\text{C}$.
    • Diện tích bề mặt tản nhiệt cần thiết (chọn hệ số tản nhiệt $K_m = 8\text{ W/m}^2{}^\circ\text{C}$): $$S_{tn} = \frac{p}{K_m \times \tau} = \frac{0,32}{8 \times 50} = 0,0008\text{ m}^2 = 8\text{ cm}^2$$
    • Chọn cánh tản nhiệt nhôm 6 cánh loại nhỏ.
  • Tính toán máy biến áp xung (BAX):
    • Thông số đầu vào: $U_2 = U_{dk} = 1,5\text{ V}$, $I_2 = I_{dk} = 15\text{ mA}$, tỷ số biến áp xung $m = 2$, điện áp sơ cấp $U_1 = 3\text{ V}$, dòng sơ cấp $I_1 = 7,5\text{ mA}$, độ rộng xung $t_x = 2 t_m = 140,\mu\text{s}$, sụt biên độ xung $S = 0,15$.
    • Vật liệu lõi: Thép Perit HM hình trụ có cường độ từ trường $H = 30\text{ A/m}$, cảm ứng từ $B = 0,3\text{ T}$.
    • Chọn mạch từ mã hiệu OA-12/14-3 có thể tích $V = 0,123\text{ cm}^3$, tiết diện lõi $Q = 0,03\text{ cm}^2$, diện tích cửa sổ $Q_{cs} = 1,13\text{ cm}^2$.
    • Số vòng dây: Cuộn sơ cấp $W_1 = 226$ vòng, cuộn thứ cấp $W_2 = 133$ vòng.
    • Chọn mật độ dòng $J_1 = J_2 = 2\text{ A/mm}^2$, đường kính dây quấn sơ cấp và thứ cấp chọn $d_1 = d_2 = 0,1\text{ mm}$ ($S = 0,00785\text{ mm}^2$). Hệ số lấp đầy cửa sổ $K_{ld}$ thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật.
  • Tính chọn tầng khuếch đại xung và đồng bộ:
    • Tầng khuếch đại xung sử dụng Transistor công suất TIP41 ($U_{CBO} = 40\text{ V}, U_{EBO} = 5\text{ V}, I_{c\max} = 10\text{ A}, I_c = 6\text{ A}, I_B = 2\text{ A}$). Nguồn cấp $E = 9\text{ V}$, mắc thêm điện trở nối tiếp emitor $R_8 = (E - U_1)/I_1 = (9 - 3)/0,0075 = 800,\Omega$. Diode bảo vệ dùng loại 1N4009 ($I_{dm} = 10\text{ A}, U_N = 25\text{ V}$) và Diode 2608 ($U = 220\text{ V}, I = 5\text{ A}$).
    • Khâu đồng bộ dùng biến áp $\Delta/Y$ và bộ cách ly quang Opto P512 phát hiện điểm qua không của điện áp, giúp vi xử lý nhận diện góc pha độc lập mà không cần dò thứ tự pha nguồn cấp.

Kết quả và đóng góp

  1. Kết quả tính toán và thiết kế hệ thống:

    • Hoàn thành thiết kế nguyên lý toàn diện cho hệ thống khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc $0,075\text{ kW}$, bao gồm đầy đủ sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển.
    • Xác lập bảng thông số tính toán cụ thể cho từng phần tử: Triac BT139-600E, biến áp xung lõi ferit OA-12/14-3 ($W_1 = 226$ vòng, $W_2 = 133$ vòng), transistor kích TIP41, Aptomat LG 50AF ($5\text{ A}$), và cánh tản nhiệt nhôm $8\text{ cm}^2$.

  2. Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:

    • Ứng dụng khâu đồng bộ phát xung 3 pha độc lập bằng biến áp đồng pha $\Delta/Y$ kết hợp cách ly quang Opto P512. Giải pháp này cho phép hệ thống tự động đồng pha với lưới điện mà không phụ thuộc vào thứ tự đấu nối pha nguồn cấp.
    • Đề xuất cấu trúc mạch bypass bằng công tắc tơ (K) và rơ le nhiệt (RN): sau khi động cơ hoàn tất quá trình tăng tốc khởi động mềm, toàn bộ bộ biến đổi van bán dẫn sẽ được ngắt khỏi mạch và đóng thẳng động cơ vào lưới, giúp giảm tổn hao công suất trên van và kéo dài tuổi thọ linh kiện.

  3. Đóng góp của đồ án:

    • Cung cấp tài liệu thiết kế và phương pháp tính toán giải tích hoàn chỉnh từ thông số động cơ đến các phần tử bán dẫn, mạch kích xung BAX và mạch ghép nối vi điều khiển 8-bit họ AVR (ATmega8).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Hệ thống được tính toán cho động cơ công suất nhỏ thử nghiệm ($P = 0,075\text{ kW}$); chưa mở rộng tính toán cho các dải công suất động cơ công nghiệp lớn (hàng chục đến hàng trăm kW).
    • Phương pháp khởi động mềm bằng điều áp xoay chiều làm suy giảm mô men theo bình phương điện áp, do đó không phù hợp cho các hệ truyền động có mô men cản tĩnh lớn hoặc mô men cản tỷ lệ nghịch với tốc độ.
    • Văn bản đồ án tập trung vào tính toán phần cứng và nguyên lý mạch điện, chưa trình bày chi tiết lưu đồ thuật toán, mã nguồn chương trình điều khiển nạp trên ATmega8 và các biểu đồ thực nghiệm đo dạng sóng thực tế trên tải.
  • Hướng phát triển:
    • Mở rộng phạm vi thiết kế cho các động cơ công suất trung bình và lớn sử dụng các cặp Tiristor công suất cao mắc song song ngược.
    • Xây dựng hoàn thiện thuật toán điều khiển số trên vi điều khiển AVR, tích hợp thêm các chức năng bảo vệ nâng cao (bảo vệ mất pha, quá dòng động, bảo vệ quá nhiệt tự động thông qua cảm biến nhiệt).

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng tham khảo: Sinh viên, học viên và kỹ sư kỹ thuật thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện công nghiệp, Tự động hóa và Điện tử công suất.
  • Nội dung giá trị:
    • Quy trình tính toán thông số mạch biến áp xung (BAX) lõi Ferit phục vụ kích mở van bán dẫn công suất.
    • Phương pháp tính toán diện tích tản nhiệt và lựa chọn linh kiện bán dẫn (Triac/Tiristor) theo các hệ số an toàn thực tế.
    • Tài liệu tra cứu chi tiết về kiến trúc phần cứng, cấu trúc thanh ghi, bản đồ bộ nhớ và hệ thống ngắt của dòng vi điều khiển Atmel ATmega8.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án thiết kế hệ thống khởi động mềm cho loại động cơ có thông số định mức cụ thể như thế nào?

Hệ thống được thiết kế cho động cơ không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc có công suất $P = 0,075\text{ kW}$ ($75\text{ W}$), hệ số công suất $\cos\varphi = 0,7$, tốc độ định mức $n = 1400\text{ vòng/phút}$, điện áp định mức $Y/\Delta = 380/220\text{ V}$, dòng điện định mức $I = 0,43/0,74\text{ A}$.

2. Triac công suất và thiết bị bảo vệ ngắn mạch được lựa chọn trong đồ án là loại nào?

Đồ án tính toán và lựa chọn Triac BT139-600E (điện áp khóa cực đại $600\text{ V}$, dòng định mức cực đại $15\text{ A}$, dòng điều khiển $I_{dk} = 15\text{ mA}$, điện áp điều khiển $U_{dk} = 1,5\text{ V}$). Thiết bị bảo vệ ngắn mạch là Aptomat LG 50AF có điện áp định mức $600\text{ V}$ và dòng điện định mức $5\text{ A}$.

3. Thông số kỹ thuật chi tiết của biến áp xung (BAX) trong mạch điều khiển gồm những gì?

Biến áp xung sử dụng mạch từ lõi thép Perit HM mã hiệu OA-12/14-3 (thể tích $V = 0,123\text{ cm}^3$, tiết diện $Q = 0,03\text{ cm}^2$), tỷ số biến áp $m = 2$. Cuộn sơ cấp có số vòng dây $W_1 = 226$ vòng, cuộn thứ cấp có $W_2 = 133$ vòng, đường kính dây quấn của cả hai cuộn là $d_1 = d_2 = 0,1\text{ mm}$ (mật độ dòng $J = 2\text{ A/mm}^2$). Độ rộng xung điều khiển là $t_x = 140,\mu\text{s}$.

4. Mạch đồng bộ trong hệ thống hoạt động như thế nào và có ưu điểm gì?

Mạch đồng bộ gồm biến áp đồng pha đấu $\Delta/Y$, mạch so sánh điểm qua 0 và bộ cách ly quang Opto P512. Khâu này tạo ra 3 xung vuông tần số $50\text{ Hz}$ lệch pha nhau $120^\circ$ điện đồng pha với điện áp lưới. Nhờ mạch phát xung độc lập cho từng pha, hệ thống điều khiển không cần dò tìm thứ tự pha của lưới điện khi kết nối mà chỉ cần xác định chiều quay của động cơ.

5. Vi điều khiển nào được ứng dụng trong mạch điều khiển và có cấu hình phần cứng ra sao?

Hệ thống sử dụng vi điều khiển 8-bit AVR ATmega8 của hãng Atmel, sử dụng bộ dao động thạch anh ngoài $12\text{ MHz}$. Vi điều khiển có $8\text{ KB}$ bộ nhớ In-System Reprogrammable Flash, $512\text{ Byte}$ EEPROM lưu trữ tham số đặt và 32 thanh ghi đa năng 8-bit phục vụ việc tính toán thời gian trễ và phát 6 kênh xung kích mở van.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Xây dựng hệ thống khởi động động cơ dị bộ lồng sóc" đã giải quyết trọn vẹn bài toán kỹ thuật về hạn chế dòng khởi động cho động cơ không đồng bộ ba pha thông qua giải pháp khởi động mềm điều áp xoay chiều. Tác giả đã hoàn thành các nội dung từ cơ sở lý thuyết máy điện, phân tích trạng thái dẫn của van bán dẫn đến tính toán thiết kế chi tiết phần cứng mạch động lực, mạch khuếch đại xung và mạch điều khiển vi xử lý ATmega8. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo tốt cho sinh viên và kỹ sư ngành Điện - Tự động hóa trong việc thiết kế các bộ biến đổi bán dẫn và ứng dụng vi điều khiển trong điều khiển truyền động điện.