z

Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Tự động điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều một pha

bằng biến tần áp gián tiếp”

1

MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề

Trong sản xuất hiện đại, để nâng cao năng suất, hiệu suất sử dụng của

máy, nâng cao chất lượng sản phẩm và các phương pháp tự động hoá dây

truyền sản xuất thì hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ là không

thể thiếu được, đặc biệt là trong sản xuất công nghiệp. Nó quyết định đến

năng suất, chất lượng sản phẩm, khả năng linh động, đáp ứng với các thay đổi

nhanh chóng của thị trường nhằm giữ uy tín với khách hàng khi hoà nhập vào

môi trường cạnh tranh quốc tế.

Nước ta là một nước nông nghiệp, quanh năm đều có những sản phẩm

nông sản. Ngoài việc không ngừng tăng về mặt số lượng của nông sản mà

việc nâng cao chất lượng nông sản cũng đang được Đảng và Nhà nước ta rất

quan tâm. Vì vậy việc ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật vào nông

nghiệp là rất quan trọng. Đặc biệt là trong khâu bảo quản sau thu hoạch, trong

đó quá trình sấy để bảo quản nông sản rất được quan tâm. Nhiệt độ, độ ẩm và

tốc độ gió là những thông số rất quan trọng trong quá sấy. Nó ảnh hưởng rất

lớn đến chất lượng nông sản. Ở nước ta, việc sấy nông sản đã được tiến hành

từ xa xưa nhằm bảo quản nông sản được lâu hơn, nhưng công việc này chủ

yếu dựa vào thiên nhiên là chính. Việc nhận biết đặc tính sấy của nông sản

chủ yếu là do kinh nghiệm của người thực hiện sấy. Những năm gần đây đã

có những phòng thí nghiệm sấy được xây dựng nhằm khảo nghiệm đặc tính

sấy của nông sản. Một trong những yếu tố quan trọng tác động đến đặc tính

sấy của nông sản là tốc độ gió thổi vào nông sản. Vì vậy việc điều chỉnh tốc

độ gió có một ý nghĩa quan trọng và nó đòi hỏi cần phải có một giải pháp điều

chỉnh tốc độ chính xác. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ quạt gió để thay đổi

tốc độ gió thổi vào nông sản đang được ứng dụng rất phổ biến.

Hiện nay cùng với sự phát triển kỹ thuật vi điện tử, công nghệ thông tin

là sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hoá. Trong sản xuất công

2

nghiệp tự động hoá quá trình sản xuất đang là mũi nhọn và then chốt để giải

quyết vấn đề nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Một trong những

vấn đề quang trọng trong dây truyền tự động hoá là việc điều chỉnh tốc độ của

động cơ truyền động. Trong đó phải kể đến hệ thống điều khiển tốc độ động

cơ không đồng bộ roto lồng sóc. Gần đây loại động cơ này được sử dụng rất

rộng rãi do nó có nhiều ưu điểm nổi bật so với các động cơ khác. Có nhiều

phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều và mỗi một phương

pháp lại có nhưng ưu điểm riêng. Đối với loại động cơ không đồng bộ roto

lồng sóc một xu hướng điều khiển thông dụng được dùng nhiều nhất là điều

khiển tần số nguồn cung cấp (còn gọi là phương pháp điều khiển tốc độ động

cơ bằng biến tần). Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần là

phương pháp hiện đại cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều trơn,

rộng và hiệu quả. Ưu điểm này đã đáp ứng được yêu cầu điều khiển tốc độ gió

trong hệ thống thí nghiệm sấy.

Được sự phân công của bộ môn điện, với sự hướng dẫn của thầy giáo

Nguyễn Văn Đường, cùng với sự giúp đỡ của các thầy giáo trong bộ môn đề

tài: “Tự động điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều một pha bằng biến tần áp

gián tiếp” đã hoàn thành.

Do thời gian dành cho đề tài có hạn, khả năng bản thân còn nhiều hạn

chế nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến

của các thầy cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn.

2. Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài.

- Nghiên cứu về mặt lý thuyết hệ thống điều khiển tốc độ quay và biến tần.

- Tìm hiểu kỹ thuật điều khiển động cơ điện xoay chiều một pha bằng

biến tần áp.

- Xây dựng được hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quạt gió bằng biến

tần áp của hệ thống sấy nông sản.

- Thiết kế và lắp ráp được mạch.

3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Điều khiển tốc độ quay động cơ xoay chiều trong nước và trên thế

giới

Trước khi tìm hiểu về các phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều

thì ta tìm hiểu về động cơ không đồng bộ.

1.1.1 Khái quát về động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ được sử dụng một cách rộng rãi trong công

nghiệp và chiếm tỷ lệ lớn so với các loại động cơ khác. Sở dĩ như vậy

là do động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành

an toàn, sử dụng nguồn trực tiếp từ lưới điện. Trước đây các hệ truyền

động có điều chỉnh tốc độ sử dụng động cơ không đồng bộ chiếm tỷ lệ

rất nhỏ do khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ. Trong thời gian gần

đây với sự phát triển như vũ bão của kỹ thuật điện tử, động cơ không

đồng bộ đã được khai thác triệt để các ưu điểm của nó và dần dần thay

thế cho động cơ điện một chiều trong các hệ truyền động.

hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ có cấu tạo gồm hai phần stator và rotor. Phần

cảm (stator) có các dây quấn được đặt vào các rãnh của lõi thép và được cách

điện với lõi thép. Phần ứng (rotor) được chia làm hai loại chính là: rotor dây

quấn và rotor lồng sóc. Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn có kết cấu

giống như dây quấn stator. Đặc điểm của loại động cơ không đồng bộ rotor

4

dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ vào mạch điện rotor

để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công

suất của máy. Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc thì kết cấu rất khác với

dây quấn stator. Trong rãnh của lõi thép rotor người ta đặt vào thanh dẫn bằng

đồng hay nhôm được nối với nhau bằng vòng ngắn mạch. Dây quấn lồng sóc

không cần cách điện với lõi sắt.

Động cơ không đồng bộ làm việc theo nguyên lý từ trường quay. Khi ta

đưa dòng điện xoay chiều vào dây quấn stator của động cơ không đồng bộ thì

trong dây quấn stator sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ n1.

pf

n 11 =

trong đó f1 là tần số nguồn cung cấp; p là số đôi cực của stato. Từ trường này

sẽ quét qua dây quấn rotor và cảm ứng trên nó một sức điện động cảm ứng

e21. Khi dây quấn rotor được nối kín mạch nó sẽ sinh ra một dòng điện I2. Từ

thông do dòng điện stator và dòng điện rotor tạo nên đó là từ thông khe hở

không khí giữa stator và rotor. Sự tương tác giữa từ thông này và dòng điện

rotor tạo ra mômen quay Mq. Nếu mômen Mq > Mc thì roto sẽ quay (Mc là

mômen cản).

Gọi tốc độ quay của rotor là n thì n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường

quay n1, ví khi n = n1 lúc đó e21 = 0; I2 = 0; Mq = 0 rotor sẽ giảm tốc độ. Để

đánh giá sự khác nhau giữa n và n1 ta đưa ra khái niệm về độ trượt s.

1

1

n - ns =n

Khi bắt đầu mở máy n = 0 nên s = 0, khi n ≈ n1 độ trượt s ≈ 0. Trong chế độ

động cơ 0 < n < n1 do đó 0 < s < 1. Trong chế độ máy phát ta phải quay rotor

với n > n1 do đó - ∞ < s < 0. Ngoài ra khi quay rotor với tốc độ n bất kì nhưng

ngược chiều từ trường n1 lúc đó máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ

5

hãm điện từ 1 < s < + ∞. Như vậy chế độ làm việc của máy điện không đồng

bộ có thể biiêủ diễn trên thang độ trượt như hình sau:

Người ta chia động cơ không đồng bộ làm hai loại chính là: động cơ

rotor dây quấn và động cơ rotor lồng sóc. Với kết cấu đơn giản, làm việc chắc

chắn, có đặc tính làm việc tốt, song đặc tính mở máy của động cơ rotor lồng

sóc lại không được như của động cơ rotor dây quấn. Tuy nhiên với sự phát

triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện từ bán dẫn đã cho phép thực hiện thành công

các kỹ thuật điều khiển phức tạp đối với loại động cơ rotor lồng sóc. Vì lý do

ấy động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ngày nay được sử dụng một cách

rộng rãi trong các hệ truyền động công nghiệp.

Quan hệ điện từ trong động cơ điện không đồng bộ

Ta có phương trình cân bằng điện áp viết cho dây quấn stator:

( ). .

11 1 1 1U = -E + I r + jx (1.1)

Trên dây quấn rotor:

( ),. .

2 2 2 2

,. .

2 1

,. . .

1 2 o

. .

1 o m

0 = - E - I r /s + jx

E E

I I I

E I z

=

+ =

= −

(1.2)

r1 và r2’ là điện trở stator và rotor đã quy đổi về mạch

stator;

x1 và x2’ là điện kháng tản stator và rotor đã quy đổi về

mạch stator;

Io là dòng điện từ hoá;

6

rm là điện trở từ hoá đặc trưng cho tổn hao sắt từ, xm là điện

kháng từ hoá biểu thị sự hỗ cảm giữa stator và rotor;

Từ những phương trình nêu trên ta có sơ đồ thay thế và đồ thị vectơ của

động cơ không đồng bộ:

Hình 1.2 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ

Công suất điện từ và mô men điện từ ' 2 '

dt 1 Cu1 Fe 1 2 2' 2 '

co dt Cu2 1 2 2

s

s s

I

I 1

P P p p m ( ) r /

P P p m ( ) r ( )/

= − − =

= − = −

Mô men điện từ của động cơ:

2'21

2'21s

'2

211

s

dt

)x(x/s)r[(r2ππ/sprUm

wPM

+++== (1.3)

Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ω = f(M)

Từ phương trình mô men của động cơ (1.3) ta xây dựng được đường

đặc tính cơ của động cơ đó là quan hệ giữa tốc độ và mô men của động cơ

như hình vẽ sau:

ω s = 0

M Mth Mt

sth

n= 0

7

Hình 1.3 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ đạt cực đại tại điểm có:

2'21

21

'2

th)x(xr

rs

++=

21

th 2 ' 2s 1 1 1 2

3UM

2 (r r (x x ) )ω=

+ + +

thth

th

thth

2ass

sss

)as(12MM++

+=⇒ ( 1.4 )

với a = r1/r2. Đối với động cơ có công suất lớn r1<<x1+x2

’ lúc này ta có thể bỏ qua r1

nghĩa là r1 = asth= 0 suy ra: ' 22 1

th th' '1 2 s 1 2

r 3Us Mx x 2 (x x )ω

= ⇒ =+ +

t h

t h

t h

s s

s s

2 MM⇒ =

+ ( 1.5 )

1.1.2 Động cơ không đồng bộ một pha

Động cơ không đồng bộ một pha thường được sử dụng trong các dụng

cụ, thiết bị sinh hoạt và trong công nghiệp. Công suất của động cơ từ vài oát

đến vài trăm oát và nối vào lưới điện xoay chiều một pha. Stato động cơ

8

không đồng bộ một pha có hai dây quấn: dây quấn làm việc và dây quấn khởi

động. Rôto động cơ không đồng bộ một pha thường là lồng sóc.

Dây quấn làm việc được nối với lưới điện trong suốt quá trình làm việc,

còn dây quấn khởi động chỉ nối vào khi mở máy. Khi tốc độ đạt đến 75 ÷

85% tốc độ đồng bộ thì dùng bộ ngắt kiểu ly tâm cắt dây quấn khởi động ra

khỏi lưới điện. Động cơ công suất nhỏ sau khi mở máy, dây quấn khởi động

nối vào lưới.

So với động cơ điện không đồng bộ ba pha cùng kích thước, công suất

của động cơ điện một pha chỉ bằng 70% công suất của động cơ điện ba pha,

nhưng do các động cơ điện một pha có khả năng quá tải thấp nên trên thực tế,

trừ động cơ điện kiểu điện dung ra, công suất của động cơ điện một pha bằng

40 ÷50% công suất động cơ điện ba pha.

Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ một pha: Khi dây quấn

làm việc nối với điện áp một pha thì dòng điện trong dây quấn sinh ra từ

trường đập mạch Φ. Từ trường này có thể phân thành hai từ trường quay

ngược chiều nhau ΦA và ΦB có tốc độ bằng nhau và biên độ bằng một nửa từ

trường đập mạch như Hình 1.4a. Như vậy có thể xem động cơ điện một pha

tương đương như một động cơ điện ba pha mà dây quấn stato gồm hai phần

giống nhau mắc nối tiếp và tạo thành các từ trường quay theo những chiều

ngược nhau như Hình 1.4b. Tác dụng của từ trường quay thuận nghịch đó với

dòng điện ở roto do chúng sinh ra tạo thành hai mô men ngược nhau MA và

MB. Khi động cơ đứng yên (s = 1) thì hai mô men đó bằng nhau và ngược

chiều nhau, do đó mô men quay tổng bằng không.

9

Hình 1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ một pha

Nếu ta quay roto của động cơ điện theo một chiều nào đó (ví dụ quay

theo chiều quay của từ trường dây quấn A như Hình b) với tốc độ n thì tần số

của sức điện động, dòng điện cảm ứng ở roto do từ trường quay thuận ΦA sinh

ra sẽ là:

( ) ( )1 1 12B 1

1

p n - n pn n - nf = = = sf60 60n ( 1.6 )

Còn đối vớitừ trường quay ngược ΦB thì tần số ấy sẽ là:

( ) ( ) ( )1 1 11

2A 11

p n + n 2n - n - npnf = = - 2 -s f60 60 n

⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦

( 1.7 )

ở đây (2 - s) chính là hệ số trượt của roto đối với từ trường ΦB.

Như vậy, khi 0 < s < 1 đối với từ trường ΦA máy làm việc ở chế độ

động cơ điện, còn đối với từ trường ΦB, do hệ số trượt của roto đối với tử

trường đó bằng 2 – s > 1, nên máy sẽ làm việc trong chế độ hãm. Ngược lại,

khi 1 < s < 2 tức là khi cho roto quay theo chiều của từ trường dây quấn B thì

hệ số trượt đối với từ trường này sẽ là 0 < 2 – s < 1; lúc đó đối với từ trường

ΦB, máy làm việc ở chế độ động cơ, còn đối với từ trường ΦA thì ở chế độ

hãm.

Quy ước rằng các mô men có trị số dương khi chúng tác dụng theo

chiều chiều quay của từ trường ΦA, ta sẽ được các đường cong mô men MA và

10

MB của các dây quấn A, B và mô men tổng theo Hình 1.5 ta, đường đặc tính

mô men của máy điện không đồng bộ một pha có tính chất đối xứng, cho nên

động cơ có thể quay bất cứ chiều nào. Chiều quay thực tế của động cơ điện

một pha chủ yếu phụ thuộc vào chiều quay của bộ phận mở máy.

Hình1.5 Đặc tính M = f(s) của động cơ điện không đồng bộ một pha

1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Để điều khiển được dòng năng lượng đưa ra trục động cơ ta cần nghiên

cứu và phân tích đặc tính cơ của động cơ ω = f(M) trong đó ω là tốc độ góc

của rotor, M là mô men của động cơ. Từ đó có các phương thức để điều chỉnh

tốc độ và mô men.

Ta có phương trình đặc tính của động cơ không đồng bộ như sau: 2 '

1 1 2' 2 ' 2

s 1 2 1 2

m U pr /sM2πf [(r r /s) (x x )

=+ + + ( 1.8 )

Từ phương trình đặc tính cơ 1.8 ta thấy có nhiều phương pháp điều

chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ: điều chỉnh điện áp u1, điều chỉnh điện

trở mạch rotor (r2), điều chỉnh công suất trượt, và điều chỉnh tần số nguồn

cung cấp cho động cơ bằng bộ biến đổi tần số thiristor hoặc tranzitor…

Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ và

mỗi phương pháp đều có nhưng ưu điểm và nhược điểm của nó. Sau đây là

một số phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ:

11

a. Điều chỉnh điện áp đặt vào stator của động cơ

Từ biểu thức (1.8) mô men của động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp

đặt vào stator do đó ta có thể điều chỉnh được mô men quay và tốc độ động cơ

bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stator trong đó giữ nguyên tần số nguồn

cấp.

Ưu điểm của phương pháp này là nó thích hợp với trường hợp mô men tải

là hàm tăng của tốc độ, tuy nhiên nó lại không thích hợp với loại động cơ rotor

lồng sóc vì sth của loại động cơ này là bé. Khi thực hiện điều chỉnh đối với động cơ

rotor dây quấn thì cần nối thêm điện trở phụ vào mạch rotor để mở rộng dải điều

chỉnh tốc độ và mô men.

b. Điều khiển công suất trượt mạch rotor

Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng

cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất

trượt ΔPs = sPđt được tiêu tán trên điện trở mạch rotor. Ở các hệ thống truyền

động công suất lớn, tổn hao này là đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh được tốc

độ truyền động, vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ

điều chỉnh công suất trượt, gọi tắt là các sơ đồ nối tầng. Có nhiều phương

pháp xây dựng hệ nối tầng.

Phương pháp điều khiển công suất trượt mạch rotor thường được áp

dụng cho các hệ truyền động công suất lớn vì khi đó việc tiết kiệm điện năng

có ý nghĩa lớn nhưng nó có nhược điểm là phạm vi điều chỉnh tốc độ không

lớn lắm và mô men của động cơ bị khi tốc độ thấp. Một vấn đề nữa đối với

các hệ thống công suất lớn là vấn đề khởi động động cơ, thường dùng điện trở

phụ để khởi động động cơ đến vùng tốc độ làm việc sau đó chuyển sang chế

độ điều chỉnh công suất trượt. Vì vậy, nên áp dụng phương pháp này cho các

hệ truyền động có số lần khởi động, dừng máy và đảo chiều ít nhất.

c. Điều khiển điện trở mạch rotor

12

Theo phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ thì ta có thể

điều chỉnh tốc độ của động cơ bằng điều chỉnh điện trở mạch rotor, ưu điểm

của phương pháp này là dễ điều chỉnh, tuy nhiên nhược điểm của nó là gây

tổn hao trên điện trở và mạch chuyển đổi van ở điện áp một chiều. Mặt khác

khi điều chỉnh điện trở của mạch rotor thì độ trượt tới hạn cũng thay đổi theo,

song trong một dải tốc độ nào đó thì mô men của động cơ tăng lên khi tăng

điện trở, nhưng trong dải khác mô men của động cơ lại giảm đi. Trong

phương pháp này nếu giữ dòng điện rotor không đổi thì mô men cũng không

đổi và không phụ thuộc tốc độ động cơ, vì vậy có thể áp dụng phương pháp

này cho hệ truyền động có mô men không đổi.

d. Điều khiển tần số điện áp nguồn cung cấp cho động cơ

Với mục đích mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao chất lượng động hệ

thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ không

đồng bộ nói riêng, phương pháp điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ cho

phép mở rộng phạm vi sử dụng động cơ không đồng bộ trong nhiều nghành

công nghiệp. Trước hết đó là ứng dụng cho những thiết bị cần thay đổi tốc độ

nhiều động cơ cùng một lúc như các hệ truyền động của các nhóm máy dệt,

băng tải, băng truyền...Phương pháp này còn được áp dụng trong cả những

thiết bị đơn lẻ nhất là những thiết bị có công nghệ yêu cầu tốc độ làm việc cao

như máy ly tâm, máy mài, máy đánh bóng... Đặc biệt các hệ thống điều chỉnh

tốc độ động cơ bằng các bộ biến đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ

không đồng bộ rotor lồng sóc có cấu tạo đơn giản, vững chắc, giá thành rẻ và

làm việc trong những môi trường nặng nề, tin cậy. Đó là những yêu cầu cần

thiết trong hệ thống công nghiệp đang ngày càng phát triển.

Trong hệ điều khiển tần số động cơ thì thông số điều khiển là tần số của

điện áp đặt và stator. Nếu phụ tải có mô men là hằng số thì ta phải điều khiển

cả điện áp để đạt được quy luật U/f = const. Nếu phụ tải có công suất là hằng

số thì ta giữ nguyên điện áp đặt vào stator nhưng chỉ làm việc với dải tần số

13

f > fs.

Ưu điểm nổi bật của phương pháp này mà các phương pháp khác

không có được là có thể điều khiển động cơ phù hợp với mọi loại tải và phát

huy được dải điều chỉnh ở cả hai vùng tốc độ dưới và trên định mức, phù hợp

với các hệ truyền động yêu cầu tốc độ cao. Song phương pháp này có nhược

điểm là hệ thống điều khiển phức tạp. Tuy nhiên, với ứngdụng của kỹ thuật vi

xử lý tín hiệu đã cho phép giải quyết các thuật toán phức tạp điều khiển động

cơ trong điều kiện thời gian thực với chất lượng điều khiển cao. Chính vì vậy

phương pháp này ngày càng được quan tâm và ứng dụng mạnh mẽ trong các

hệ thống công nghiệp.

e. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi số đôi cực

Trong nhiều trường hợp các cơ cấu sản xuất không yêu cầu phải điều

chỉnh tốc độ bằng phẳng mà chỉ cần điều chỉnh có cấp.

Đối với động cơ không đồng bộ ba pha, ta có tốc độ của từ trường

quay: 1

160fn =

p (1.9)

n = n1(1 – s) (1.10)

Do đó khi thay đổi số đôi cực thì n1 sẽ thay đổi, vì vậy tốc độ của động

cơ sẽ thay đổi. Để thay đổi số đôi cực p ta thay đổi cách đấu dây và cũng là

cách thay đổi chiều dòng điện đi trong các cuộn dây mỗi pha stato động cơ.

Khi thay đổi số đôi cực chú ý rằng số đôi cực ở stato và roto là như nhau.

Nghĩa là khi thay đổi số đôi cực ở stato thì ở roto cũng phải thay đổi theo nên

rất khó thực hiện cho động cơ roto dây quấn. Phương pháp này chủ yếu dùng

cho động cơ không đồng bộ roto lồng sóc và loại động cơ này có khả năng tự

biến đổi số đôi cực ở roto để phù hợp với số đôi cực ở stato. Đối với động cơ

có nhiều cấp độ, mỗi pha stato phải có ít nhất là hai nhóm bối dây trở nên hoàn

toàn giống nhau. Do đó càng nhiều cấp độ thì kích thước, trọng lượng và giá

thành càng cao vì vậy trong thực tế thường dùng tối đa là bốn cấp độ.

14

Kết luận

Từ các phương pháp trên ta thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ động

cơ bằng biến tần là phương pháp có nhiều ưu điểm hơn cả. Vì nó có thể điều

khiển được nhiều loại động cơ khác nhau trong đó có cả động cơ điện một

chiều, dải điều chỉnh tốc độ rộng và liên tục. Nó còn được áp dụng nhiều

trong các hệ truyền động chất lượng cao. Hơn nữa phương pháp điều khiển

tốc độ bằng biến tần điều khiển tốc độ của động cơ xoay chiều một pha đơn giản

và thích hợp nhất. Nên phương pháp này sẽ được áp dụng trong đề tài này để điều

khiển tốc độ gió cho hệ thống sấy nông sản trong phòng thí nghiệm.

1.2 Điều chỉnh tốc độ quay động cơ bằng biến tần

Bộ biến tần có nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới với tần số công nghiệp (ở

một số trường hợp là điện áp mạng hay nguồn độc lập tần số cao) thành điện

áp (hoặc dòng điện) biến đổi nhiều pha có biên độ, tần số và số pha có thể

thay đổi được trong phạm vi cho phép.

Tốc độ động cơ không đồng bộ:

11

60fn n (1 s) (1 s)p

= − = − (1.11)

Trong đó f1 là tần số nguồn cung cấp;

s là hệ số trượt của động cơ.

Khi hệ số trượt thay đổi ít thì tốc độ của động cơ n tỷ lên thuận với f1.

Vì vậy ta có thể điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn. Riêng đối

với động cơ rotor lồng sóc chỉ có thể điều chỉnh tần số mới thực hiện điều

chỉnh trơn tốc độ trong phạm vi rộng.

Đối với động cơ không đồng bộ nếu bỏ qua điện áp rơi trên điện trở và

điện cảm dây quấn stator ta có:

1 1 dq 1 1

1

1

U E 4,44k W fUkf

φ

φ

= ≈

⇒ =

15

với:

dq 1

1k4,44k W

= trong đó:

W1 là số vòng dây stator;

Kdq hệ số dây quấn

Từ biểu thức trên ta thấy đồng thời với việc điều chỉnh tần số thì ta phải

điều chỉnh cả điện áp nguồn cung cấp. Bởi vì nếu điều chỉnh tần số mà giữ

nguyên điện áp thì:

Nếu giảm f1 thì φ của động cơ tăng lên làm cho mạch từ của động cơ bị

bão hoà và dòng điện từ hoá Iμ lớn lên, tổn thất sắt trong lõi thép stator lớn

làm cho động cơ phát nóng dữ dội, đôi khi có thể gây cháy động cơ.

Nếu tăng f1 làm cho từ thông φ của động cơ giảm xuống và nếu động

cơ có tải với mô men không đổi thì dòng điện rotor Ir tăng lên dẫn đến trong

trường hợp này dây quấn rotor bị quá tải, cho mô men cho phép và khả năng

quá tải cho phép của động cơ bị giảm đi.

Để phát huy tối đa mọi khả năng của động cơ khi điều chỉnh tốc độ

bằng bộ biến tần người ta phải tiến hành điều chỉnh cả điện áp theo một hàm

cho phù hợp với phụ tải. Việc điều khiển này có thể được thực hiện thông qua

hệ thống kín khi đó nhờ các mạch phản hồi điện áp ứng với một tần số cho

trước nào đó sẽ biến đổi theo phụ tải và các quy luật tải khác ta có các quy

luật điều khiển.

Nguyên tắc chung của các bộ biến đổi tần số là dùng khoá điện tử công

suất điều khiển là transitor hay thyristor (gọi là các khoá điện tử). Thực chất

của các nguyên tắc này là ở việc tổ chức các mối liên kết của các phần tử chủ

yếu của bộ biến đổi và đóng cắt chúng bằng những quy luật (thuật toán) nào

đó theo hàm thời gian để điều chỉnh dòng năng lượng ở đầu ra bộ biến đổi

với tần số mong muốn.

16

Các bộ biến đổi tần số dùng khoá điện tử có thể chia thành ba loại theo

phương pháp chuyển mạch dòng điện giữa các khoá điện tử.

1- Bộ biến tần dùng khóa điện tử với chuyển mạch tự nhiên.

2- Bộ biến tần dùng van bán dẫn với chuyển mạch ngoài (chuyển mạch

nhân tạo và chuyển mạch cưỡng bức).

3- Bộ biến tần dùng khoá điện tử với chuyển mạch hỗn hợp.

Mặt khác, tùy theo cách liên hệ của phụ tải với năng lượng nguồn,

chính xác hơn là theo kiểu biến đổi trung gian của điện áp sơ cấp (điện áp

lưới), người ta chia ra ba loại bộ biến đổi tần số dùng khoá điện tử:

1- Các bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện một chiều (các bộ biến

đổi tần số kiểu nghịch lưu).

2- Các bộ biến tần trực tiếp (không có khâu trung gian dòng điện một

chiều và các mạch vòng khác).

3- Các bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện xoay chiều tần số cao.

1.3 Ý nghĩa của việc dùng biến tần để điều khiển tốc độ gió của hệ thống

sấy

Việc điều chỉnh tốc độ gió trong hệ thống thí nghiệm sấy được chuyển

về việc điều khiển tốc độ động cơ quạt gió. Giữa tốc độ gió và tốc độ động cơ

có quan hệ với nhau theo một hàm nào đó, hàm này sẽ được xác định bằng

thực nghiệm. Tốc độ gió trong hệ thống thí nghiệm sấy cần một dải tốc độ và

ở mỗi tốc độ thì cần ổn định chúng. Việc sử dụng biến tần là thích hợp vì điều

chỉnh tốc độ được liên tục, dải điều chỉnh rộng và việc điều chỉnh đơn giản.

17

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN TẦN

2.1 Biến tần áp

2.1.1 Định nghĩa chung về biến tần

Biến tần là các bộ biến đổi điện dùng để biến đổi nguồn điện áp với các

thông số không đổi, thành nguồn điện (nguồn áp hoặc nguồn dòng) với tần số có

thể thay đổi được. Thông thường biến tần làm việc với nguồn điện đầu vào là lưới

điện nhưng về nguyên tắc chung thì biến tần có thể làm việc với bất kỳ nguồn điện

áp xoay chiều nào.

Bộ biến tần phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn.

- Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở

không đổi trong vùng điều chỉnh mômen không đổi.

- Có khă năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số.

Tuỳ theo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật mà có thể xác định được cấu trúc

của hệ biến tần động cơ. Về cơ bản chúng ta có thể chia thành hai loại : Biến

tần trực tiếp, biến tần gián tiếp.

Biến tần trực tiếp

Được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh lưu đảo chiều có điều khiển (bộ

biến đổi một pha, nhiều pha, có điểm trung tính và sơ đồ cầu).

Hình 2.1 Sơ đồ biến tần trực tiếp

Gọi là biến trực tiếp vì nó biến đổi nguồn vào xoay chiều có tần số f1

thành nguồn ra xoay chiều có tần số f2 một cách trực tiếp mà không cần qua

Bộ biến đổiU ∼ f1

U ∼ f2

18

một khâu biến đổi trung gian nào cả. Nên hiệu suất của bộ biến đổi tần số loại

này cao, khối lượng và kích thước của chúng nhỏ.

Nhược điểm của biến tần trực tiếp dùng khoá điện tử là: hệ số công suất

phía nguồn cung cấp thấp, tồn tại một tỷ lệ lớn các sóng hài bậc cao ở điện áp

ra, hệ thống điều khiển phức tạp và tần số ở đầu ra thấp.

Tần số ra lớn nhất của bộ biến tần trực tiếp thấp hơn tần số lưới, số pha

m1 ở mạch lực của bộ biến tần phía nguồn cung cấp càng ít bao nhiêu thì tần

số ra càng thấp bấy nhiêu. Để có tần số f2 = 50 Hz cần phải hoặc là nâng cao

tần số cung cấp lên 150 ÷ 200 Hz hoặc là tăng số pha m1 lên đến 24 pha. Điều

này không dễ dàng đối với việc biến đổi năng lượng bổ xung trong khi tần số

nguồn cung cấp là tiêu chuẩn và làm giảm đáng kể các chỉ tiêu kinh tế, kỹ

thuật, làm giảm tính ưu việt của bộ biến tần trực tiếp dùng khoá điện tử.

Như vậy bộ biến tần trực tiếp dùng khoá điện tử được xây dựng trên cơ

sở các bộ chỉnh lưu có điều khiển. Sự chuyển mạch của các khoá điện tử

công suất thường được thực hiện nhờ điện áp lưới mà đặc trưng tiêu biểu cho

các bộ biến tần loại này là chuyển mạch tự nhiên, nhưng cũng có các bộ biến

tần trực tiếp dùng chuyển mạch ngoài. Sử dụng chuyển mạch ngoài trong các

bộ biến tần loại này cho phép làm tăng đáng kể giá trị lớn nhất của tần số đầu

ra và mở rộng khả năng sử dụng của chúng.

Biến tần gián tiếp

Việc biến đổi điện áp lưới cung cấp được cung cấp hai lần. Đầu tiên,

điện áp xoay chiều được nắn nhờ bộ chỉnh lưu thành điện áp một chiều, sau

đó điện áp một chiều nhờ bộ nghịch lưu được biến đổi thành điện áp xoay

chiều. Sơ đồ khối được biểu diễn trên Hình 2.2.

U ∼ f2

Chỉnh lưu Lọc Nghịch lưu độc lập

U ∼ f1

19

Hình 2.2 Sơ đồ biến tần gián tiếp

Bộ nghịch lưu có thể là độc lập hay phụ thuộc tùy theo phụ tải ở mạng

tiêu thụ với tần số ấn định. Giữa bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu thường là bộ

lọc để san bằng sự đập mạch của điện áp hay dòng điện chỉnh lưu.

Bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu có thể làm việc độc lập với nhau và có

thể thực hiện chuyển mạch tự nhiên hay nhân tạo, bao gồm các nhóm:

1- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch hỗn hợp: bộ biến đổi đảo

chiều dùng nghịch lưu phụ thuộc với chuyển mạch tự nhiên, còn nghịch lưu

độc lập, dùng chuyển mạch nhân tạo.

2- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch tự nhiên hoàn toàn: trường

hợp thiết bị điện một chiều, động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ bù và với các

phụ tải khác có hệ số công suất cao và trong trường hợp truyền động điện nối

tầng van không đồng bộ.

3- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch nhân tạo hoàn toàn. Khi đó

cả bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu đều được thực hiện chuyển mạch nhân tạo.

Ưu điểm chính của bộ biến đổi tần số dùng khoá điện tử có khâu trung

gian dòng điện một chiều là có thể nhận được ở đầu ra của nó nhờ nghịch lưu

độc lập, tần số có thể thay đổi được trong dải rộng, không phụ thuộc vào tần

số nguồn cung cấp.

Nhược điểm cơ bản của bộ biến đổi loại này là biến đổi năng lượng hai

lần nên làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi và làm tăng kích thước và khối

lượng của nó.

Bộ biến tần dùng van bán dẫn có khâu trung gian dòng điện xoay

chiều một pha tần số cao.

Để nhận được tần số 50 Hz ở cửa ra của bộ biến tần khoá điện tử này

thì tần số điện áp của khâu trung gian dòng điện xoay chiều không được nhỏ

hơn 450 Hz. Bộ biến tần với khâu trung gian dòng điện một pha có chuyển

mạch hỗn hợp. Bộ biến tần loại này dẫn dòng cả hai phía, đảm bảo trao đổi

20

năng lượng phản kháng giữa nguồn và phụ tải. Khi động cơ làm việc ở chế độ

máy phát, có thể trả lại năng lượng tác dụng về lưới cung cấp. Giá trị cực đại

của tần số ra của bộ biến tần khoá điện tử này được giới hạn bởi giá trị tần số

điện áp ở khâu trung gian dòng điện một pha và thường vào khoảng 50 – 60

Hz, nhưng về nguyên tắc thì có thể đạt giá trị lớn hơn.

Bộ biến tần khoá điện tử có khâu trung gian dòng điện xoay chiều tần

số cao sử dụng nhiều sơ đồ phức tạp, được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh

lưu hình tia ba pha và chỉnh lưu đảo chiều dùng sơ đồ cầu ba pha. Ở đây việc

biến đổi điện áp tần số cao thành điện áp có tần số thấp điều chỉnh được,

thường được thực hiên nhờ bộ biến tần trực tiếp một pha đến ba pha dùng

chuyển mạch tự nhiên. Những bộ biến đổi loại này không mang lại ứng dụng

thực tiễn trong truyền động điện vì sơ đồ mạch lực và hệ thống điều khiển khá

phức tạp.

Các nguyên tắc biến đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều trong

các bộ biến đổi dùng khoá điện tử. Các bộ nghịch lưu và tính chất của chúng.

Phần quan trọng cấu thành các bộ biến tần khoá điện tử có khâu trung

gian dòng điện một chiều cùng với các bộ chỉnh lưu là các bộ nghịch lưu.

Nghịch lưu là quá trình biến đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều.

Đó là quá trình biến đổi hệ thống điện áp một chiều sang mạch xoay chiều

nhờ các khóa điều khiển (thyristor hay transitor).

Thiết bị thực hiện quá trình này được gọi là nghịch lưu. Các bộ nghịch

lưu thường được chia ra theo loại phụ tải và theo tương quan công suất

chuyển mạch và mạch tiêu thụ là độc lập hay phụ thuộc.

Nghịch lưu độc lập là nghịch lưu làm việc với tải độc lập, ở đó không

chứa sẵn nguồn năng lượng tác dụng, có cùng điện áp và tần số với đầu ra

nghịch lưu. Vì vậy tần số, dạng điện áp được xác định do chế độ làm việc đó

đến các thông số ở đầu ra nghịch lưu.

21

Nghịch lưu phụ thuộc là nghịch lưu trả lại năng lượng cho lưới điện

xoay chiều có điện áp, tần số cố định và công suất tác dụng lớn hơn đáng kể

so với công suất mà nghịch lưu trả lại. Khi này những thông số về điện áp, tần

số ở đầu ra của nghịch lưu phụ thuộc không ảnh hưởng đến chế độ làm việc

của nó, những thông số này hoàn toàn được xác định bởi các thông số của

lưới mà nghịch lưu trả năng lượng lại.

Tuỳ theo kiểu chuyển mạch nghịch lưu mà được chia ra làm hai nhóm:

- Các bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên.

- Các bộ nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức

Nghịch lưu phụ thuộc được đặc trưng bằng chuyển mạch tự nhiên của

các khoá điện tử, hệ thống điều khiển các khóa điện tử của bộ nghịch lưu này

thường là phụ thuộc (được đồng bộ hoá) như ở bộ chỉnh lưu.

Nghịch lưu độc lập được đặc trưng bằng chuyển mạch cưỡng bức và

việc điều khiển các thysistor hay transitor đều từ bên ngoài (không phụ thuộc

cả mạng cung cấp lẫn tải tiêu thụ). Nhưng nghịch lưu độc lập có thể có chế độ

làm việc với chuyển mạch tự nhiên cho các khoá điện tử (khi làm việc với

động cơ đồng bộ quá bù, phụ tải điện dung v.v…). Chẳng hạn, ở chế độ máy

điện một chiều, việc chuyển mạch của các khoá điện tử trong nghịch lưu phụ

thuộc vào vị trí góc và tốc độ góc của roto động cơ, nghĩa là hệ thống điều

khiển nghịch lưu đó cần phải được đồng bộ hoá và bị phụ thuộc vào vị trí

roto. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là biến nghịch lưu độc lập thành

nghịch lưu phụ thuộc, bởi vì việc xác định nghịch lưu độc lập dựa trên cơ sở

tần số, biên độ điện áp, dạng điện áp ở đầu ra và chế độ làm việc của nghịch

lưu này có phụ thuộc vào năng lượng tác dụng cũng như tần số của nguồn

cung cấp hay không.

Do tính độc lập về chế độ làm việc của nguồn điện một chiều và sự duy trì

nghiêm ngặt các quá trình điện từ trong nghịch lưu độc lập, người ta chia ra

22

thành nghịch lưu độc lập nguồn điện áp và nghịch lưu độc lập nguồn dòng

điện.

Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện là nghịch lưu mà dạng dòng điện ở

dầu ra của nó được xác định chỉ bằng sự chuyển mạch dòng điện giữa các

khoá điện tử của nghịch lưu, còn dạng điện áp thì phụ thuộc vào tính chất của

phụ tải. Việc đưa bộ chỉnh lưu điều khiển vào chế độ nguồn dòng điện điều

chỉnh được khi làm việc với nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện được thực

hiện bằng cách đấu thêm điện kháng san bằng có điện cảm rất lớn ở đầu vào

hoặc dùng khâu phản hồi âm dòng điện trong chỉnh lưu điều khiển và sử dụng

cuộn kháng san bằng có giá trị điện cảm đủ để san bằng sự đập mạch của

dòng điện chỉnh lưu.

Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện không thể làm việc với tải cảm

kháng, vì khi dòng điện đột biến ở đầu ra (thời điểm thay đổi cực tính điện áp

trên tải làm hở mạch nguồn dòng điện) sẽ làm xuất hiện quá điện áp lớn hơn

giới hạn cho phép. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện sẽ gần đạt đến nghịch

lưu dòng điện lý tưởng khi nó làm việc với tải có tính chất dung kháng.

Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện có thể cho phép làm việc với tải có tính

chất cảm kháng hay động cơ điện xoay chiều nhưng trong trường hợp này cần

phải hạn chế quá điện áp chuyển mạch và tốc độ tăng trưởng của dòng điện

khi thay đổi cực tính và phải có biện pháp đặc biệt để dập tắt hoặc trả lại năng

lượng phản kháng đã tĩch luỹ trên tải cho nguồn cung cấp. Khả năng làm việc

với tải có hệ số công suất vượt góc trước làm cho nghịch lưu độc lập nguồn

dòng điện có ưu việt hơn cả nhờ việc sử dụng tính chất chuyển mạch tự nhiên.

2.1.3 Các luật điều khiển tần số

a) Luật điều khiển tần số theo khả năng quá tải

Mô men cực đại mà động cơ sinh ra được chính là mô men tới hạn Mth,

khả năng quá tải về mô men được quy định: Khi điều chỉnh tần số thì trở

kháng, từ thông, dòng điện...của động cơ thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu

23

điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện

áp. Đối với hệ thống biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả năng

quá tải về mô men là không đổi trong bằng hệ số quá tải về mô men λM.

MMλ th

M =

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator (Rs=0) thì ta có: 2 22s sm

th 2 2 2s rσ 0 0

U ULM k2L L ω ω

= = (2.1)

với ω0 là tốc độ không tải

Điều kiện để giữ hệ số quá tải không đổi là:

dm

thdmthM M

MM

Mλ == (2.2)

Thay (2.3) vào (2.2) ta được:

dm0dm

sdm

0

s

MM

ωU

ωU

= (2.3)

Đặc tính cơ của máy công tác có dạng x

dm

0dmc ω

ωMM ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Thay phương trình trên vào phương trình (2.3) ta rút ra được luật điều chỉnh

tần số điện áp để có hệ số quá tải về mô men là không đổi là:

( ) 2x1*

s*s

2x1

sdm

s2

x1

0dm

0

sdm

s

fU

ff

ωω

UU

+

++

=⇔

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

(2.4)

• Khi x=0 tức là phụ tải có Mc=const thì:

Us*=fs

* ↔ Us/fs=const

• Khi x=1 tức là phụ tải có công suất không đổi thì:

Us*=(fs

*)3/2

• Khi x=2 tức là phụ tải dạng bơm ly tâm và quạt gió thì:

24

Us*=(fs

*)2 suy ra Us/fs2=const

b) Luật điều chỉnh giữ từ thông không đổi

Chế độ định mức là chế độ làm việc tối ưu về tuổi thọ của động cơ

không đồng bộ. Trong chế độ này từ thông là định mức và mạch từ có công

suất tối đa. Luật điều chỉnh điện áp tần số mà ta đã trình bày ở trên là luật gần

đúng giữ từ thông không đổi trên phạm vi toàn dải điều chỉnh. Tuy nhiên từ

thông động cơ trên mỗi đặc tính còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt s, tức là

phụ thuộc mô men tải trên trục động cơ. Vì thế, trong các hệ điều chỉnh yêu

cầu chất lượng cao thì ta cần tìm cách bù từ thông.

Từ phương trình mô tả mô men của động cơ không đồng bộ ta thấy,

nếu giữ được từ thông của khe hở không khí hay từ thông stator không đổi thì

mô men sẽ không phụ thuộc vào tần số và mô men tới hạn sẽ không đổi trong

toàn dải điềi chỉnh. Nếu coi Rs = 0 thì:

constωU

ωUψ

sdm

sdm

s

ss ===

Tuy nhiên ở vùng tần số làm việc thấp thì sụt áp trên điện trở mạch

stator đáng kể so với sụt áp trên điện cảm stator. Do đó từ thông cũng giảm đi

và mô men tới hạn cũng giảm.

Quan hệ giữa dòng điện stator và từ thông rotor như sau:

2sr

m

rs )ω(T1

LψI += (2.5)

Thực tế là khi giữ từ thông rotor không đổi ψr = ψrdm thì vec tơ dòng điện

rotor và vec tơ từ thông rotor phải luôn vuông góc với nhau trong không gian. Mặt

khác, do mô men điện từ là tích vec tơ của hai vec tơ này nên khi chúng vuông góc

với nhau thì mô men trở thành tích của hai đại lượng. Do đó, từ biểu thức (2.5) ta

thấy để điều chỉnh cho từ thông không đổi ta chỉ cần điều chỉnh dòng điện stator và

tần số fs sao cho thoả mãn biểu thức trên.

c) Luật điều khiển tần số trượt không đổi

25

Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ở chế độ xác lập ta có phương trình:

( )2rr

2sr

r

2m

Tω1Iω

RL

23M

+= (2.6)

trong đó: ωr=ωs-ω

Vì vậy nếu giữ ωr=const thì M=f(Is2). Lấy đạo hàm của mô men M theo tốc độ

ωr sau đó cho bằng 0 ta tìm được tốc độ ωr tới hạn và mô men tới hạn.

2s

rσ

2m

th

r

rrth

ILL

43M

LR

ω

=

=

Như vậy nếu giữ ωr=ωth=Rr/Lr=1/Tr thì mô men điện từ của động cơ sinh ra

bằng mô men tới hạn của động cơ. Trường hợp này ta gọi là luật điều chỉnh

sao cho động cơ sinh ra mô men tối đa ứng với một giá trị cho trước của dòng

điện stator. Mặt khác vì ωr=2пfr nên luật này còn gọi là luật điều chỉnh giữ tần

số mạch rotor là hằng số.

d) Điều chỉnh tần số bằng phương pháp véc tơ không gian

Qua sự phân tích một số phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không

đồng bộ nêu trên ta thấy, hầu hết các phương pháp đó đều có đặc điểm là

không sử dụng các thiết bị phản hồi nên mặc dù đạt được sự tối ưu về giá

thành song mục tiêu quan trọng là chất lượng điều khiển lại chưa đạt được độ

chính xác cao. Sự định hướng của trường rotor không được sử dụng, trạng

thái của động cơ bị bỏ qua, mô men không được điều khiển... Kỹ thuật điều

khiển này gọi là điều khiển vô hướng. Mặt khác chúng ta đều đã biết động cơ

không đồng bộ là thiết bị mang tính chất phi tuyến, mặc dù đã bỏ qua ảnh

hưởng của bão hoà từ, tổn thất trong lõi thép và các thành phần sóng hài bậc

cao nhưng chúng ta vẫn gặp rất nhiều khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ

động cơ vì quá trình điện từ trong động cơ không đồng bộ hết sức phức tạp.

Phần cảm và phần ứng của động cơ có quan hệ chặt chẽ với nhau. Với mong

26

muốn làm sao chế ngự được hoàn toàn động cơ không đồng bộ đạt được chất

lượng truyền động như động cơ một chiều, người ta đã đưa ra một phương

pháp điều khiển đó là phương pháp điều chế véc tơ không gian. Nội dung của

phương pháp này là người ta biến các đại lượng véc tơ dòng điện, điện áp và

từ thông từ hệ toạ độ ba pha về hệ toạ độ hai pha (dq), hệ toạ độ này quay

đồng bộ với từ trường quay. Tiến hành điều khiển và khảo sát trên hệ toạ độ

dq và khi có kết quả ta quy đổi ngược trở về hệ toạ độ ba pha để tạo ra các tín

hiệu điều khiển bộ biến tần bằng các thay đổi độ rộng xung (PWM).

Hệ truyền động động cơ không đồng bộ điều khiển tần số theo phương

pháp không gian vec tơ cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ trong phạm vi

rộng, có khả năng sinh mô men quay ở tốc độ thấp (thậm chí ở tốc độ 0) và

điều chỉnh trơn một cách tuỳ ý. Tốc độ đạt được độ chính xác cao, đáp ứng

mô men tốt.

Xuất phát từ cơ sở đó hiện nay các nhà khoa học đã và đang đi sâu

nghiên cứu để tìm ra một phương pháp điều khiển tối ưu nhất cho động cơ

không đồng bộ. Trong đó, phương pháp điều khiển tần số tựa theo từ thông

rotor sẽ là một trong những hướng phát triển chính của hệ truyền động xoay

chiều trong những năm tới. Với sự phát triển của công nghệ điện tử và bán

dẫn công suất, việc tính toán, đo các giá trị thực đã được gói trọn trên một bản

mạch. Vấn đề chủ chốt của một hệ điều khiển vào lúc đó chỉ còn là thuật toán

điều khiển. Như vậy nếu giải quyết được vấn đề trên thì hệ truyền động động

cơ không đồng bộ sẽ dần thay thế hệ truyền động động cơ một chiều trong

hầu hết các lĩnh vực, kể cả công nghệ cao như hệ điều khiển chương trình

người máy. Cũng từ đó ta dễ dàng phân lập các hệ truyền động để nâng cao

chất lượng công nghệ. Như vậy ta đã góp phần vào vấn đề mấu chốt là kinh tế

và chất lượng.

2.1.4 Bộ biến tần áp bán dẫn

Có nhiều loại biến tần nhưng do giới hạn của đề tài chỉ nghiên cứu về

27

biến tần áp.

Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp là nghịch lưu mà ở dạng điện áp ở

đầu ra của nó được xác định chỉ bằng việc đóng, ngắt các khoá điện tử trong

nghịch lưu, còn dạng dòng điện thì phụ thuộc vào tính chất của phụ tải. Khi

nghịch lưu độc lập nguồn điện áp làm việc với tải phản kháng cần phải đảm

bảo khả năng trao đổi năng lượng phản kháng giữa tải và nguồn điện áp một

chiều. Tụ điện có dung lượng đủ lớn đấu song song ở đầu vào nghịch lưu độc

lập nguồn điện áp, còn sơ đồ đấu song song ngược với nghịch lưu độc lập

nguồn điện áp được gọi là chỉnh lưu ngược. Điều này cho phép dòng điện

chảy trong mạch tải lệch pha so với điện áp tải.

Hình 2.3 Sơ đồ mạch lực của bộ biến tần nguồn áp một pha dùng

Transitor

28

Hình 2.4 Điện áp tải (u), dòng điện tải (i) và dòng nguồn(is)

Hoạt động của sơ đồ

Giả thiết T2 và T4 đang cho dòng chảy qua ( dòng tải đi từ B đến A). Khi

t = 0, cho xung điều khiển mở T1 và T3 , T2 và T4 bị khoá lại (do thiết bị chuyển

mạch thực hiện). Dòng tải i = - Im không thể đảo chiều một cách đột ngột. Nó tiếp

tục chảy theo chiều cũ nhưng theo mạch: D5 → E→ D7 → Z → D5 và suy giảm dần.

D5 và D7 dẫn dòng khiến T1và T3 vừa kịp mở đã bị khoá lại. Điện áp trên tải là U = E.

Khi t = t1, i = 0, D1 và D3 bị khoá lại, T1 và T3 sẽ mở lại nếu còn xung điều

khiển tác động ở các cực điều khiển của T1 và T3, dòng tải i > 0 và tăng trưởng,

chảy theo chiều từ A đến B.

Giai đoạn từ t = 0 đến t1 là giai đoạn hoàn năng lượng.

Khi t = T/2, cho xung điều khiển mở T2 và T4, T1 và T3 bị khoá lại. Dòng tải

i chạy qua D6 và D8 khiến cho T2 và T4 vừa kịp mở đã khoá lại. Khi t = t3, i = 0,

T2 và T4 sẽ mở lại, i < 0, chảy theo chiều từ B đến A, … Dòng tải i biến thiên theo

theo quy luật hàm mũ giữa hai giá trị Im và - Im.

Biểu thức của dòng tải i

29

Khi bắt đầu cho xung mở T1 và T3, ta có phương trình:

Ldi/dt + Ri = E , (2.7)

di/dt + ai = a E/R

Dưới dạng toán tử Laplace, ta có:

pI(p) – i(0) + aI(p) = aE/Rp

trong đó sơ kiện i(0) = - Im và a = R/L.

Do đó

( ) atm

at eIe1iRE −− −−= (2.8)

Tương tự như vậy, khi cho xung mở T2 và T4 ta có phương trình:

- Ldi/td – Ri = E

Và i = ( ) ( )

m

-a t-T/2 -a t-T/2E 1- e + I eR⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦

(2.9)

Dòng nguồn

Chúng ta quy ước: is > 0 khi nguồn nuôi cung cấp năng lượng cho tải,

tức là khi các transitor dẫn dòng; is < 0 khi tải trả năng lượng về nguồn nuôi,

tức là các điot dẫn dòng.

Dòng điện is là dòng điện xoay chiều dạng răng cưa.

Chất lượng điện áp tải và dòng tải

Điện áp tải có dạng “sin chữ nhật”, đối xứng. Nó là một hàm lẻ, chu kỳ.

Triển khai Fourier của nó gồm các số hạng sóng sin:

u = 4Eπ

(sinωt + 13

sin3ωt + 15

sin5ωt+ …) (2.10)

Biên độ của số hạng thứ 10 bằng 5,2% biên độ số hạng thứ nhất.

Mạch tải là động cơ nên gồm có thành phần R và L. Tổng trở của mạch

tải liên quan đến bậc của sóng hài như sau:

Zn = ( )22R + nωL

30

Trong đó n = 1, 3, 5, 7… Vì Z5 > Z3 > Z1 nên biên độ sóng hài của

dòng tải giảm nhanh so với sự suy giảm của biên độ sóng hài điện áp tải.

Biên độ của số hạng thứ 3 của dòng tải chỉ còn bằng 5,4% biên độ của

số hạng thứ nhất của nó.

Như vậy đối với tải cảm kháng, ta chỉ cần lấy 3 số hạng đầu trong khai

triển Fourier của điện áp tải để tính toán cũng khá chính xác.

Sơ đồ điều biến độ rộng xung PMW (Pluse Width Modulation)

Thiết bị biến tần trình bày ở trên chỉ tạo ra được dạng điện áp xoay

chiều chữ nhật, hoặc gần chữ nhật, chứa nhiều sóng hài. Muốn giảm nhỏ ảnh

hưởng của sóng hài, người ta dùng các bộ lọc, và như vậy, trọng lượng và giá

thành của thiết bị biến tần sẽ cao.

Điều mong muốn là làm thế nào để vừa điều chỉnh được điện áp mà vẫn

giảm nhỏ được ảnh hưởng của các sóng hài bậc thấp. Biện pháp điều biến độ

rộng xung đáp ứng yêu cầu trên. Nội dung chính của biện pháp này như sau:

- Tạo một sóng dạng sin, ur, ta gọi là sóng điều biến, có tần số bằng tần

số mong muốn.

- Tạo một sóng dạng tam giác, biên độ cố định, up, ta gọi là sóng mang,

có tần số lớn hơn nhiều (thường là bội ba) tần số sóng điều biến.

- Dùng một khâu so sánh ur và up. Các giao điểm của hai sóng này xác

định khoảng phát xung điều khiển mở transitor công suất.

Người ta chia điều biến độ rộng xung thành hai loại:

- Điều biến độ rộng xung đơn cực: điện áp ra trên tải là một chuỗi xung,

độ rộng khác nhau, có trị số 0 và ± E.

- Điều biến độ rộng xung lưỡng cực: điện áp ra trên tải là một chuỗi

xung, độ rộng khác nhau, có trị số ± E.

Tỉ số giữa biên độ sóng điều biến và biên độ sóng mang, ký hiệu là M,

được gọi là tỉ số điều biến, M = Ar + Ap .

Điều chỉnh Ar cũng chính là điều chỉnh độ rộng xung.

31

Vì biên độ xung ra là E, một đại lượng cố định, nên bằng cách điều

chỉnh Ar ta điều chỉnh được điện áp ra trên tải.

a. Điều biến độ rộng xung đơn cực:

Trên hình 2.5 trình bày giản đồ điều biến độ rộng xung đơn cực, một

pha, tải R + L. Sơ đồ hoạt động như sau:

Hình 2.5 Giản đồ điều biến độ rộng xung đơn cực

Transitor T1 được kích bởi xung điều khiển trong nửa chu kỳ dương

của sóng điều biến up, còn transitor T4 trong nửa chu kỳ âm của ur.

Dòng tải i chậm pha so với điện áp tải u.

Trong khoảng u và i cùng dấu, dòng tải chạy từ nguồn E ra tải qua 2

transitor.

Trong khoảng u và i khác dấu, dòng tải chạy về nguồn E qua 2 điot.

32

Trong khoảng u = 0, dòng tải chạy qua một transitor của nhánh này và

một điot của nhánh khác, tải bị ngắn mạch, dòng điện nguồn is = 0.

Sóng hài trong điện áp tải

Nếu chuyển gốc toạ độ sang O’ , điện áp tải u là một hàm chu kỳ, lẻ.

Khai triển Fourier của nó chỉ chứa các thành phần sóng sin.

Biên độ của sóng hài được tính theo công thức:

Unm = ( )π

0

2 E α sinθdθπ ∫ (2.11)

Khi n = 1, ta có:

U1m= 5 32 4 1

1 3 5 4 2

π-α π-αα α π-α

α α α π-α π-α

2E sinθdθ + sinθdθ + sinθdθ + sinθdθ + sinθdθπ

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦∫ ∫ ∫ ∫ ∫

= [ ]1 2 3 4 54E cosα - cosα + cosα - cosα + cosαπ

U2m ≈ 0

Khi n = 3, ta có:

U3m= ( )

( )

( )

( )( )5 3 12 4

1 3 5 4 2

3 π -α 3 π -α 3 π -α3α 3α

3α 3α 3α 3 π -α 3 π -α

2E sinΩdΩ + sinΩdΩ + sinΩdΩ + sinΩdΩ + sinΩdΩπ

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦∫ ∫ ∫ ∫ ∫

= [ ]1 2 3 4 54E cos3α - cos3α + cos3α - cos3α + cos3απ

Biên độ của các sóng hài có dạng tổng quát như sau:

Unm = ( )i-11

1k

4E -1 cosnαnπ∑

trong đó n = 1, 3, 5, …

α1 là góc chuyển trạng thái, i biến thiên từ 1 đến k.

αk là góc trạng thái cuối cùng trước π/2.

Như vậy, đối với điều biến độ rộng xung đơn cực, để da tải không chứa

các sóng hài bậc 3,5 và 7 cần phải có:

33

U3m = ( )i-1k

ii=1

4E -1 cos3α = 03π∑ ,

U5m = ( )i-1k

ii=1

4E -1 cosα = 05π∑ ,

U7m = ( )i-1k

ii=1

4E -1 cosα = 07π∑

b. Điều biến độ rộng xung lưỡng cực

Trên hình 2.6 trình bày giản đồ điều biến độ rộng xung lưỡng cực với

tải L + R.

Hình 2.6 Giản đồ điều biến độ rộng xung lưỡng cực

Tỉ số điểu biến M > 1. Các transitor được điều khiển từng cặp T1, T3 và

T2, T4. Nguồn E luôn luôn được nối với tải thông qua hoặc T1, T3, hoặc T2, T4,

do đó điện áp tải gồm một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, không có những

khoảng u = 0.

Sóng hài trong điện áp tải

34

Nếu chuyển gốc toạ độ sang O’, dễ thấy rằng điện áp tải có dạng hàm

chu kỳ, lẻ, chỉ chứa các thành phần sin.

Biên độ sóng hài được tính theo công thức (2.11):

U1m = 2 2 2 1

1 2 2 1

α α π -α π -α π

0 α α π -α π -α

2E sinθdθ - sinθdθ + sinθdθ - sinθdθ + sinθdθπ

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦∫ ∫ ∫ ∫ ∫

[ ]1 24E= 1- 2cosα + 2cosαπ

U2m = 0

[ ]3 m 1 24EU 1 2cos3 2cos33

= − α + απ

Biểu thức tổng quát của biên độ sóng hài của điều biến độ rộng xung

lưỡng cực:

( )k

i 1nm i

i 1

4EU 1 2 1 cosn

−

=

⎡ ⎤= − − α⎢ ⎥π ⎣ ⎦

∑ khi u bắt đầu bằng một xung dương

( )k

i-1nm i

i=1

4EU = -1+ 2 -1 cosαnπ

⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦

∑ khi u bắt đầu bằng một xung âm.

Đối với trường hợp đang xét, muốn loại trừ sóng hài bậc 3 và 5 cần

phải có:

1-2cos 3α1 + 2cos 3α2 = 0

1-2cos 5α1 + 2cos 5α2 = 0

Bằng phương pháp tính gần đúng tìm được α1 = 23o616, α2 = 33o3. Như

vậy, điện áp ra chỉ chứa sóng cơ bản và các sóng hài bậc cao 7, 9, 11… Có

thể xem:

4Eu = sinω tπ

Nghịch lưu điện áp khi làm việc với tải có tính chất dung kháng, điện

áp tăng vọt ở đầu ra của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp (lúc thay đổi cực

35

tính điện áp trên tải) làm xuất hiện dòng điện xung rất lớn (về lý thuyết là vô

cùng). Khi làm việc với tải có tính chất cảm kháng hay động cơ điện xoay

chiều, đặc tính của nghịch lưu độc lập điện áp gần đạt đến đặc tính lý tưởng.

Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp dùng khoá điện tử có khả năng làm

việc với phụ tải dung kháng (dòng điện vượt pha trước điện áp), chẳng hạn ở

động cơ điện một chiều không vành góp. Trong trường hợp này, khi có sự

tăng vọt của dòng điện thì việc chuyển mạch dòng điện giữa các van giới hạn

bởi các thông số của phụ tải và tuỳ theo tốc độ tăng trưởng của dòng điện

trong khoá điện tử. Sự làm việc tin cậy này của nghịch lưu độc lập nguồn điện

áp chỉ có thể đạt được trong trường hợp dùng chuyển mạch cưỡng bức.

Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp được đặc trưng đơn trị với sự phụ

thuộc của điện áp đầu ra vào điện áp đầu vào và thực sự không phụ thuộc vào

sự thay đổi của phụ tải và hệ số công suất của nó. Đó là ưu điểm nổi bật của

nghịch lưu độc lập nguồn điện áp khi làm việc với động cơ điện xoay chiều và

làm cho việc sử dụng bộ biến tần khoá điện tử dùng nghịch lưu độc lập nguồn

điện áp tốt hơn trong các hệ thống hở điều khiển tốc độ động cơ điện xoay

chiều và khi cung cấp cho nhóm động cơ.

Khi chuyển động cơ được cấp từ bộ biến tần khoá điện tử dùng nghịch

lưu độc lập nguồn điện áp sang chế độ máy phát, chiều dòng điện ở đầu vào

của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp thay đổi (nếu đầu ra của bộ chỉnh lưu

ngược được nối với đầu vào của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp), nhưng

không làm thay đổi cực tính của điện áp của khâu dòng điện một chiều. Tuy

nhiên dòng điện qua chỉnh lưu cấp cho nghịch lưu không biến đổi chiều. Do

vậy không thể thực hiện việc truyền năng lượng đã có vào mạng, và năng

lượng được tạo ra bởi máy điện xoay chiều sẽ được tích luỹ vào khâu dòng

điện một chiều, trong bộ lọc dùng tụ điện.

Trên cơ sở về lý thuyết biến tần thì ta có sơ đồ cấu trúc của hệ biến tần

động cơ được biểu diễn trên Hình 2.4.

36

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc tổng quan về hệ biến tần động cơ

Nguyên lý hoạt động của biến tần áp một pha: nguồn điện được cấp từ phía

sơ cấp của máy biến áp có tần số f1 sau đó qua máy biến áp có điện áp thứ cấp u2.

Dòng điện xoay chiều qua bộ chỉnh lưu cầu để tạo ra dòng điện một chiều. Tụ C

có tác dụng lọc nhằm giảm độ đập mạch của điện áp sau khi chỉnh lưu. Sau đó

dòng điện một chiều được đưa qua bộ nghịch lưu, tại đây dòng điện một chiều

được biến thành dòng điện xoay chiều có tần số f2. Tần số f2 thay đổi phụ thuộc

vào quá trình đóng, mở của các transitor của mạch nghịch lưu. Việc đóng, mở của

các transitor được thực hiện bởi mạch điều khiển. Mạch điều khiển này nhận tín

hiệu từ bộ vi xử lý đã được lập trình theo một thuật toán nhất định.

2.2 Xây dựng luật điều khiển

Việc điều khiển tần số của động cơ được thực hiện nhờ mạch nghịch lưu.

Tần số của dòng điện đưa vào động cơ chính là tần số đóng mở của hai cặp

Transitor trong mạch nghịch lưu. Quá trình đóng mở hai cặp transitor này được

thực hiện nhờ mạch điều khiển. Mạch điều khiển này và mạch lực của bộ biến tần

tạo thành bộ điều chỉnh của hệ ổn định tốc độ động cơ. Việc tổng hợp hệ thống

điều chỉnh sẽ được trình bày ở trong chương 3.

37

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY BẰNG BIẾN TẦN ÁP MỘT PHA

Khi nói đến hệ thống điều chỉnh tự động, người ta thường quan tâm đến

ba vấn đề: Đối tượng điều khiển, phương pháp điều khiển và thiết bị điều

khiển. Đối tượng điều khiển là động cơ không đồng bộ một pha, phương pháp

điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn

cung cấp là phương pháp điều khiển. Còn các bộ biến tần và các thiết bị phụ

khác là thiết bị điều khiển.

3.1 Hệ thống điều khiển mạch vòng kín

Hệ thống điều khiển mạch vòng kín được sử dụng rất rộng rãi trong dân

dụng cũng như trong công nghiệp. Trong dân dụng chúng ta gặp các hệ thống

ổn định nhiệt độ bàn là, tủ lạnh… Trong kỹ thuật chúng là những hệ thống ổn

địnhnhiệt độ trong các lò nung, lưu lượng trong các đường ống dẫn, điện áp ra

của máy phát điện…Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển mạch vòng kín

ổn định tốc độ được biểu diễn trên Hình 3.1

Hình 3.1 Mạch vòng ổn định tốc độ

ĐTĐK là đối tượng điều khiển

TBĐK là thiết bị điều khiển

u là tín hiệu đặt đầu vào

y là tín hiệu đầu ra

e là sai lệch

uđk là tín hiệu điều khiển

38

Tốc độ làm việc do công nghệ yêu cầu và được gọi là tốc độ đặt, hay

tốc độ mong muốn. Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị

thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ

thực so với tốc độ đặt.

Khi có tín hiệu đầu vào u đặt ở đầu vào thì ở đầu ra sẽ có tín hiệu đầu

ra là y, nhờ có cảm biến đo tốc độ mà tín hiệu đầu ra được phản hồi trở lại và

nhờ có khâu so sánh ta biết được đầu ra có thoả mãn được yêu cầu của đầu

vào không. Khi có sự sai lệch thì khâu so sánh sẽ đưa ra tín hiệu sai lệch và

thiết bị điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển uđk để điều khiển đối tượng

điều khiển nhằm đảm bảo tín hiệu đầu ra luôn thoả mãn yêu cầu của đầu vào.

3.2 Cảm biến tốc độ

Một công việc rất quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động là đo

được các thông số của hệ thống. Việc đo này được tiến hành bởi các cảm

biến. Để đo tốc độ động cơ ta dùng cảm biến tốc độ.

Việc đo tốc độ động cơ từ trước cho tới nay có rất nhiều phương pháp

khác nhau và mỗi một phương pháp có các ưu điểm và nhược khác nhau.

Phương pháp đo tốc độ theo nguyên lý điện từ

Các cảm biến theo nguyên lý này dựa trên định luật Faraday:

de = -dtφ

(3.1)

Với e là suất điện động xuất hiện khi từ thông thay đổi một lượng dΦ

trong khoảng thời gian dt. Từ thông đi qua một mạch là một hàm số có dạng:

Φ(x) =Φo(x).F(x) (3.2)

Trong đó x là biến số của vị trí thay đổi theo đường thẳng hoặc vị trí

theo góc quay.

Mọi sự thay đổi giữa nguồn từ thông ( phần cảm) và mạch có từ thông

đi qua (phần ứng) sẽ làm suất hiện trong mạch một suất điện động có biên độ

39

tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển. Suất điện động này chứa đựng tín hiệu trong nó

tín hiệu ra của cảm biến.

odF(x) dxe = -

dx dtφ (3.3)

Các loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý này đặc trưng là tốc độ

kế một chiều (máy phát tốc), tốc độ kế xoay chiều (máy phát đồng bộ).

Hình 3.1 Tốc độ kế một chiều

Hình 3.2 Máy phát đồng bộ

Phương pháp đo tốc độ theo nguyên lý đếm xung

Các cảm biến theo nguyên lý này có vật trung gian thường dùng là đĩa

được chia thành p phần bằng nhau (chia theo góc ở tâm), mỗi phần mang một dấu

hiệu đặc trưng như lỗ, đường vát, răng, điểm sáng (mặt phản xạ)…

40

Một cảm biến thích hợp đặt đối diện với vật trung gian để ghi nhận một

cách ngắt quãng mỗi khi có một dấu hiệu đi qua và mỗi lần như vậy nó cấp

một tín hiệu xung. Biểu thức của tấn số f của các tín hiệu xung này được viết

dưới dạng:

f = p.N (3.4)

Trong đó f là tần số đo bằng Hz, p là số lượng dấu trên đĩa và N là số vòng

quay của đĩa trong một giây.

Việc lựa chọn loại cảm biến thích hợp để ghi nhận tín hiệu liên quan

đến bản chất của vật quay, cấu tạo của vật quay và các dấu hiệu trên nó.

- Cảm biến từ trở biến thiên sử dụng khi vật quay là sắt từ.

- Cảm biến Hall hoặc cảm biến từ điện trở dùng trong trường hợp vật

quay là một hay nhiều nam châm, hoặc vật quay tạo thành màn chắn từ một

cách tuần hoàn giữa một nam châm bất động và một cảm biến.

- Cảm biến quang cùng một nguồn sáng được dùng khi trên vật trung

gian quay có các lỗ, đường vát hoặc mặt phản xạ.

Trong đề tài này việc chọn lựa cảm biến được dựa vào đặc điểm cấu tạo

của động cơ (quạt) và tín hiệu cần lấy ra. Hơn thế nữa việc xử lý tín hiệu ra

của cảm biến được thực hiện bằng vi điều khiển. Vì vậy mà chúng tôi đã lựa

chọn loại cảm biến để đo tốc độ là cảm biến quang.

Cảm biến quang

Cấu tạo và sơ đồ nguyên lý của cảm biến quang được biểu diễn trên

hình 3.4.

- Khối tạo nguồn tạo nguồn nuôi cho toàn mạch gồm có cầu chỉnh lưu

D1 các tụ lọc và IC LM7805 để ổn nguồn 5V

- Ba cặp thu phát hồng ngoại tương ứng với ba vị trí các quạt bố trí trên

hệ thống. Nhiệm vụ của của cặp thu phát này là cảm nhận được vị trí thay đổi

của điểm sáng.

41

- Một LM234 là IC khuyếch đại thuật toán trong nó bao gồm 4 mạch so

sánh như Hình vẽ 3.3.

Sử dụng để so sánh với giữa tín hiệu đặt ở đầu vào không đảo và tín

hiệu đo được từ cảm biến đặt vào đầu đảo.

Hình 3.3 IC khuyếch đại thuật toán LM234

42

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến quang

- Một IC74HC04 là IC gồm 4 cổng NOT mục đích của việc đưa thêm

cổng NOT vào để tăng tính ổn định đồng thời thuận lợi cho việc đưa tín hiệu

vào vi xử lí.

Ngoài ra còn sử dụng một số các linh kiện khác như các biến trở dùng

để đặt các giá trị. Các điện trở dùng để hạn chế dòng và các đèn LED để báo

hiệu có tín hiệu hay không.

43

Trên sơ đồ Hình 3.4 có đưa ra ba đầu ra ứng với ba cảm biến. Do trong

mô hình hệ thống thí nghiệm sấy có ba vị trí dùng quạt. Mỗi quạt có một cảm

biến để đo tốc độ của quạt, do đó cần ba đầu ra cảm biến.

+ Nguyên lý hoạt động

Để sử dụng để đo được tốc độ quạt thì trên các quạt cần dán các tấm

phản xạ có độ phản xạ tốt. Do tốc độ của quạt là tương đối cao vì thế mà ta

chỉ dán một tấm phản xạ. Đặt các đầu thu phát cách tấm phản xạ khoảng 5mm

và các cặp thu phát được đặt song song với nhau.

Nguyên tắc thực hiện đo bằng việc so sánh hai điện áp vào hai đầu vào

đảo (U-) và không đảo (U+) của mạch so sánh. Nếu U+>U- Thì đầu ra Ura sẽ có

mức cao xấp xỉ bằng điện áp nguồn nuôi. Ngược lại đầu ra sẽ có mức thấp.

Phần phát luôn luôn được cấp nguồn để phát ra tia hồng ngoại khi quạt

quay sẽ kéo theo tấm phản xạ đó quay theo. Khi tấm phản xạ quay đến đối

diện phần phát thì tia hồng ngoại sẽ được phản xạ từ tấm phản xạ đến phần

thu. Lúc này do tính chất cấu tạo của phần thu khi có ánh sáng hồng ngoại

chiếu vào điện trở của nó giảm xuống rất nhanh và sự giảm này phụ thuộc vào

cường độ phản xạ của phần phát. Khi đó điểm nối đầu đảo của mạch so sánh

sẽ gần như được nối đất U- ≈ 0V. Điện áp này sẽ được so sánh với điện áp đặt

vào đầu không đảo của bộ so sánh đó. Giá trị điện áp đầu vào không đảo của

mạch so sánh sẽ được đặt và điều chỉnh bởi các biến trở ở đây đặt U+ ≈ 2V.

Lúc này U+ > U- nên ở đầu ra so sánh sẽ có một điện áp Ura ≈ 5V.

Ngược lại, khi mà tấm phản xạ lệch khỏi vị trí đối diện với phần phát

lúc này tia phản xạ lệch khỏi phần thu nên giá trị điện trở của phần thu gần

như bằng vô cùng. Vì vậy điện áp đặt vào đầu đảo của bộ so sánh sẽ xấp xỉ

bằng điện áp nguồn nuôi của nó U- ≈ 5V.

Lúc này thì U+ < U- nên ở đầu ra sẽ có mức thấp Ura ≈ 0V.

44

Như vậy mỗi lần có tia phản xạ đi qua thì ở đầu ra mạch so sánh sẽ cho

ra một xung điện áp có biên độ xấp xỉ 5V và tần số phụ thuộc vào tần số quạt

được tính theo công thức:

f = p.N (3.5)

Ở đây p = 1, N = 2800 vòng/phút → f = 2800 xung/phút.

Vậy ứng với mỗi một xung là một vòng quay của động cơ. Nên việc đo

tốc độ động cơ bây giờ trở thành việc đếm số xung phát ra từ bộ cảm biến

theo quan hệ như công thức (3.5)

Mặt khác số xung này sẽ được đếm bằng vi điều khiển mà hầu hết các

vi điều khiển khi hoạt động đều tích cực ở mức thấp. Nên ở đầu ra của các

con so sánh đều được cho qua một cổng NOT.

3.3 Cơ cấu điều chỉnh tốc độ

Cơ cấu điều chỉnh tốc độ trong mạch ổn định tốc độ là bộ biến tần

trong đó gồm có mạch lực của bộ biến tần, mạch điều khiển và thiết bị cảm

biến. Mạch lực có tác dụng tạo ra được nguồn điện có các thông số như điện

áp và dòng điện thoả mãn với các thông số của động cơ và đặc biệt là có tần

số thay đổi. Mạch điều khiển trong đó có bộ vi điều khiển và các thiết bị phụ

trợ có tác dụng tạo ra tín hiệu điều khiển để đóng mở các Transitor theo một

45

luật điều khiển đã được lập trình trong chương trình của vi điều khiển. Mô

hình toán học của bộ điều khiển này là cơ sở quan trọng để đi tới bài toán điều

khiển. Để xây dựng được mô hình toán học hệ thống ta có hai phương pháp:

phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm. Phương pháp lý thuyết

phải tính toán rất phức tạp, trên cơ sở đã có mô hình của hệ thống ta tiến hành

xây dựng của bộ điều khiển bằng phương pháp thực nghiệm.

Thông tin hệ thống

Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm sấy

Hoạt động của hệ thống: Không khí được đưa vào buồng sấy qua ống

dẫn 1 nhờ quạt I và được gia nhiệt và tạo ẩm đến một giá trị quy định sẵn. Sau

đó không khí trong buồng trộn được thổi vào hai ống sấy II và III với một tốc

độ đặt trước nhờ điều khiển tốc độ của quạt gió.

3.3.1 Hàm truyền của đối tượng điều khiển

a) Phương pháp xây dựng hàm truyền cho đối tượng điều khiển

46

Để tổng hợp được bộ điều khiển, trước tiên chúng ta cần phải biết về đối

tượng điều khiển, tức là cần phải có một mô hình toán học mô tả đối tượng.

Việc xây dựng mô hình cho đối tượng được gọi là mô hình hoá. Trong thực

tế, các phương pháp mô hình hoá được chia làm hai loại: phương pháp lý

thuyết và phương pháp thực nghiệm.

Phương pháp lý thuyết là phương pháp thiết lập mô hình dựa trên các

định luật có sẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp với môi

trường bên ngoài của đối tượng. Các quan hệ này được mô tả dưới dạng

những phương trình toán học.

Trong trường hợp sự hiểu biết về đối tượng không được đầy đủ để có

thể xây dựng được một mô hình hoàn chỉnh, nhưng ta biết các thông tin ban

đầu về dạng mô hình thì chúng ta phải áp dụng phương pháp thực nghiệm để

hoàn thiện nốt việc xây dựng mô hình đối tượng trên cơ sở quan sát tín hiệu

vào ra của đối tượng sao cho mô hình thu được bằng phương pháp thực

nghiệm thoả mãn các yêu cầu của phương pháp lý thuyết đề ra. Phương pháp

thực nghiệm đó được gọi là nhận dạng hệ thống điều khiển.

Yêu cầu của mô hình tổng hợp được là:

- Mô hình phải thuộc lớp mô hình tuyến tính thích hợp.

- Mô hình phải có sai số với đối tượng là nhỏ nhất.

Loại mô hình được lựa chọn: Với những ưu điểm như: mô hình đơn

giản, ít chi phí, các tham số xác định dễ dàng, không tốn nhiều thời gian, mô

hình cho phép dễ dàng theo dõi được kết quả điều khiển đối tượng và chỉnh

định lại mô hình cho phù hợp, … Mô hình tuyến tính là loại mô hình được

chúng tôi lựa chọn cho đối tượng. Với lớp mô hình thích hợp là mô hình liên

tục có tham số.

Mô hình liên tục có tham số có dạng hàm truyền là:

47

m0 1 m

n0 1 n

b b s ... b sG(s) a a s ... a s+ + +

=+ + + với m ≤ n (3.6)

Trong đó: n, m có thể cho trước hoặc không cho trước;

b0, b1, …, bm; a0, a1, …, an là các tham số cần xác định.

Phương pháp nhận dạng: Phương pháp nhận dạng được sử dụng khi

tiến hành thí nghiệm là phương pháp nhận dạng chủ động, tức là ta chủ động

kích đối tượng bằng hàm Heaviside 1(t) ở đầu vào và thu được tín hiệu dưới

dạng hàm quá độ h(t) ở đầu ra.

Trên cơ sở hàm quá độ thu được h(t), chúng ta xác định các tham số b0,

b1, … , bm, a0, a1, … , an cho mô hình trên. Để thực hiện được điều đó, trước

hết chúng ta cần xem qua những kết luận có tính chất đặt cơ sở cho sự suy

luận về dạng mô hình:

Kết luận 1:- Nếu h(+0) = 0 thì n > m. Ngược lại nếu h(+0) ≠ 0 thì n = m.

- Nếu d h(+0) = 0dt

thì n – m > 1. Ngược lại nếu d h(+0)¹ 0dt

≠

thì n = m + 1.

- Nếu h(+∞) = ∞ thì a0 = 0.

- Nếu h(+∞) = 0 thì b0 = 0.

- Nếu h(+∞) là một hằng số khác 0 thì trong G(s) có một khâu P

nối tiếp với hệ số khuếch đại 0

0

bk =a .

Không mất tính tổng quát, G(s) có thể được biểu diễn lại như sau:

48

G(s) = k.s)Ts)...(1Ts)(1T1(

s)T's)...(1T's)(1T'(1

n21

m21

++++++ (3.7)

Ở đây Ti và Ti’ là các hằng số thời gian. Không mất tính tổng quát ta

giả thiết: T1 ≤ T2 ≤ … ≤ Tn và T1’ ≤ T2’ ≤ … ≤ Tm’.

Kết luận 2: Nếu h(t) không lượn sóng và không giảm, tức là h(t) không

chứa thành phần quá điều chỉnh, thì các tham số Ti, Ti’ của mô hình (3.7)

tương ứng phải là những số thực và phải thoả mãn:

Tn > Tm’, Tn-1 > Tm-1’, … , Tn-m-1 > T1’ (3.8)

Kết luận 3: Nếu h(t) không lượn sóng, có độ quá điều chỉnh nhưng sau

đó giảm dần về h(∞) = k và không nhỏ hơn k thì tham số Ti, Ti’ của mô hình

(3.7) tương ứng phải là những số thực và tồn tại duy nhất một chỉ số l ∈ 1, 2,

… , m để một trong m bất đẳng thức (3.8) không được thoả mãn.

Kết luận 4: Nếu h(t) có p điểm cực trị, trong đó điểm cực đại nằm trên

đường h(∞) = k và điểm cực tiểu nằm dưới đường h(t) = k thì những tham số

Ti, Ti’ của mô hình (3.7) tương ứng là những số thực và phải tồn tại p chỉ số

trong khoảng 1, 2, … , m để có p bất đẳng thức trong (3.8) không được thoả

mãn.

Kết luận 5: Nếu h(t) có vô số điểm cực trị cách đều nhau, trong đó điểm

cực đại nằm trên đường h(∞) = k và điểm cực tiểu nằm dưới đường h(∞) = k

thì mô hình (3.6) của nó phải có các điểm cực là những giá trị phức.

Sau khi đã có hàm h(t) từ thực nghiệm, dựa vào những kết luận trên ta

có thể xác định được các tham số cho mô hình của đối tượng điều khiển.

Trong thực tế, người ta thường cố gắng đưa dạng mô hình của đối tượng điều

khiển về các khâu cơ bản như: khâu quán tính bậc nhất (PT1), khâu quán tính

- tích phân bậc nhất (IT1), khâu quán tính – tích phân bậc n (ITn), khâu quán

tính bậc hai (PT2), khâu quán tính bậc n (PTn), khâu Lead/Lag, khâu dao động

49

bậc hai, hay kết hợp các khâu cơ bản. Sau đó, trên cơ sở các phương pháp

kinh điển đã được nghiên cứu, ta có thể xác định được các tham số cho các

mô hình này.

b) Xây dựng mô hình cho đối tượng điều khiển

Xây dựng hàm truyền W(s) với đầu vào đối tượng là tốc độ đặt và đầu ra

là tốc độ mong muốn.

Để tìm được hàm truyền trên ta kích thích hệ thống bằng hàm

Heaviside 1(t) tại đầu vào tốc độ. Hàm 1(t) ở đây là tốc độ hay ta chuyển đổi

thành hàm 1(t) của tần số kích xung mở các transitor. Đo ở đầu ra ta được đáp

ứng quá độ htt(t). Người ta chia đối tượng khảo sát ra làm hai loại cơ bản:

Đối tượng có tính tự cân bằng là đối tượng có khả năng tự hiệu chỉnh lại

trạng thái cân bằng khi có nhiễu tác động phá vỡ cân bằng (đối tượng tĩnh).

Đối tượng không tự cân bằng là đối tượng không có khả năng trạng

thái cân bằng khi có nhiễu phá vỡ sự cân bằng của nó.

Đối tượng ở đây là tốc độ của dòng khí. Khi ta cấp nguồn điện cho bộ

biến tần, tốc độ tăng lên và tăng đến một tốc độ nào đó thì không tăng nữa và

nó ổn định ở tốc độ này. Như vậy đối tượng của ta ở đây là đối tượng có tính

tự cân bằng.

Dạng tổng quát hàm truyền đạt của đối tượng có tính tự cân bằng được

mô tả như sau:

Wdt(s) = KdtW0(s) e-τs

Trong đó

Kdt là hệ số truyền của đối tượng;

τ là thời gian trễ.

W0(s) = + + + ++ + + +

m m-10 1 m-1

n n-10 1 n-1

b s b s ... b s 1a s a s ... a s 1

50

Trong thực tế khâu tĩnh có thể lấy một trong các dạng điển hình sau:

- Khâu quán tính bậc nhất:

PT1: W(s) =+ 1

Kdt1 T s

Đặc tính đường quá độ của hàm truyền như hình 3.6a

- Khâu quán tính bậc nhất có trễ:

dto

τsK .eW (s)

1 Ts

−=

+

- Khâu quán tính bậc hai:

PT2: W(s) =+ +1 2

Kdt(1 T s)(1 T s)

Đặc tính đường quá độ của hàm truyền PT2 như hình 3.6b.

- Khâu quán tính bậc hai có trễ:

dto

1 2

τsK .eW (s)

(1 T s)(1 T s)

−=

+ +

- Khâu quán tính bậc n:

PTn: W(s) = nTs)(1dtK

+

h(t)

t t

h(t

51

a, b,

Hình 3.6 đặc tính quá độ của hàm truyền

Ngoài ra còn có các mô hình Lag, và mô hình dao động bậc hai tắt

dần. Dạng hàm truyền của nó như sau:

- Mô hình Lag:

W(s) =+

+dt

m

K (1 T s)t1 T s

(Tt < Tm)

- Mô hình dao động bậc hai tắt dần:

W(s) =+ +

2

2 2

kqs 2qDs q

(0 <D <1).

3.3.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh

Để tổng hợp được bộ điều chỉnh cho toàn bộ hệ thống, tức là xây dựng

được các hàm truyền sao cho hệ thống làm việc được ổn định, đảm bảo yêu

cầu công nghệ. Chúng tôi đã sử dụng thuật toán điều chỉnh là thuật toán PID

số.

PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển:

Proportional – khuếch đại tỷ lệ, P; Integral – tích phân, I; và Derivative – vi

phân, D.

PID là một bộ điều khiển hoàn hảo bởi sự kết hợp hài hoà giữa ba luật

điều khiển khác nhau:

- Điều khiển tỷ lệ (P) là phương pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều

khiển tỷ lệ với sai lệch đầu vào.

- Phương pháp điều khiển tỷ lệ để lại một độ lệch sau điều khiển rất lớn.

Để khắc phục ta sử dụng kết hợp điều khiển tỷ lệ với điều khiển tích

phân (I). Điều khiển tích phân là phương pháp điều khiển tạo tín hiệu

52

điều khiển sao cho độ sai lệch giảm tới 0. Luật điều khiển tích phân

còn gọi là điều khiển chậm sau.

- Điều khiển vi phân (D): Khi hằng số thời gian hoặc thời gian chết của

hệ thống rất lớn điều khiển theo P hoặc PI có đáp ứng quá chậm thì ta

sử dụng kết hợp với điều khiển vi phân. Điều khiển vi phân tạo ra tín

hiệu điều khiển sao cho tỷ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào. Luật

điều khiển vi phân còn được gọi là điều khiển vượt trước.

Mô hình liên tục của bộ điều khiển PID được mô tả như sau:

t

p DI 0

1 de(t)u(t) = k [e(t) + e(τ)dτ + T ]T dt∫ (3.9)

Ở đây e(t) là sai lệch đầu vào;

kp là hệ số khuếch đại;

TI là hằng số tích phân;

TD là hằng số vi phân.

Ở trong hệ gián đoạn, đầu vào e(t) được thay bằng dãy ek có chu kỳ

trích mẫu là TS, khi đó thuật toán PID số được xây dựng như sau:

Thành phần khuếch đại uPt) = kpe(t) được thay bằng ukP= kpek

Thành phần tích phân uI(t) = t

p

I 0

ke(τ)dτ

T ∫ được xấp xỉ bằng

ukI =

kp S

ii=1I

k Te

T ∑

53

Thành phần vi phân uD(t) = p Dde(t)k T

dt được thay bằng

ukD =

p Dk k-1

S

k T(e - e )

T

Thay các công thức xấp xỉ trên vào

uk = ukP + uk

I + ukD

ta thu được mô hình không liên tục của bộ PID số

kS D

k p k i k k-1i=1I S

T Tu = k e + e + (e - e )T T

⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦

∑ (3.10)

Với thuật toán PID này, ta có thể tạo ra được các thuật toán điều khiển

khác như: P, PI, PID. Nhưng vấn đề quan trọng là ta phải xác định được các

tham số kp, TI, TD.

Xác định tham số cho bộ điều chỉnh

Khi ta đã xây dựng được hàm truyền của hệ thống, để hệ làm việc ổn định ta

phải tổng hợp các bộ điều chỉnh tương ứng. Trong mô hình chúng tôi đã sử

dụng bộ điều chỉnh PID kinh điển. Khi đó chất lượng của hệ thống phụ thuộc

vào các tham số kp, TI, TD của PID. Hiện có khá nhiều phương pháp xác định

các tham số trên, song tiện ích hơn cả là các phương pháp sau: Phương pháp

sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ của đối tượng (phương pháp thứ nhất

của Ziegler – Nichols), phương pháp hàm chuẩn tối ưu và phương pháp xác

định tham số theo tổng hằng số thời gian theo Kuhn. Tuỳ theo từng ứng dụng

và đáp ứng quá độ của từng đối tượng chúng ta sẽ lựa chọn một trong số các

phương pháp trên.

54

Phương pháp thứ nhất của Ziegler – Nichols

Phương pháp này chỉ áp dụng cho đối tượng có đáp ứng quá độ có dạng

bậc nhất có trễ. Từ hàm truyền của đối tượng ta dựng đáp ứng quá độ cho đối

tượng này. Theo phương pháp này ta phải xác định ba thông số: L (hằng số

thời gian trễ), k (hệ số khuyếch đại) và T (hằng số thời gian quán tính).

Hình 3.7 Đặc tính quá độ của đối tượng

L là khoảng thời gian đầu ra h(t) chưa có phản ứng ngay với kích thích

1(t) tại đầu vào.

k = h(∞)

Gọi A là điểm kết thúc khoảng thời gian trễ, tức là điểm trên trục hoành

có hoành độ bằng L. Khi đó T là khoảng thời gian cần thiết sau L để tiếp

tuyến của h(t) tại A đạt được giá trị k. Sau khi xác định được ba thông số trên

Ziegler – Nichols đã nêu các biểu thức xác định các tham số kp, TI, TD như

sau:

- Nếu sử dụng bộ điều chỉnh là bộ khuyếch đại P có hàm truyền là kp thì

chọn pTk =

kL

55

- Nếu sử dụng bộ PI có hàm truyền pI

1k 1+T s

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

thì chọn p0,9Tk =kL

và

I10T = L3

- Nếu sử dụng bộ PID có hàm truyền p DI

1k 1+ + T sT s

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

thì chọn

p1, 2Tk =

kL, TI = 2.L, D

LT =2

Phương pháp hàm chuẩn tối ưu (tiêu chuẩn môđul tối ưu và tiêu chuẩn

tối ưu đối xứng).

Ta giả thiết rằng các mạch điều chỉnh của mỗi đại lượng có chứa một

phần có các hằng số thời gian lớn (hằng số thời gian điện cơ, hằng số thời

gian của cuộn dây kích từ…), và một phần có chứa các hằng số thời gian nhỏ

(hằng số thời gian của các xen xơ, của mạch điều khiển transitor…). Đó là các

thời gian thuần trễ bé hay thời gian trễ từ các bộ lọc. Hằng số thời gian bé

chung được tính theo:

( )( ) ( )n

b1 b2 bn bKK=1

1+ s.T 1+ s.T ... 1+ s.T = 1+ s T⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

∑ (3.11)

với n

b bKK=1

T = T∑

và hàm truyền tương ứng với một khâu quán tính có hằng số thời gian bằng

tổng các thời gian trễ cộng lại.

Nguyên tắc chung là bù đủ các hằng số thời gian lớn trong mạch hở và chỉ

còn lại hằng số thời gian bé và chất lượng của hệ được xác định bởi chính một

hằng số thời gian bé này. Do vậy, khi hệ có một hằng số thời gian lớn, chọn

bộ điều chỉnh PI, Khi hệ có hai hằng số thời gian lớn, chọn bộ điều chỉnh

56

PID. Trong trường hợp số lượng các hằng số thời gian lớn lớn hơn hai, dùng

phương pháp nối tiếp các bộ điều chỉnh hay kết hợp với các phương pháp

khác.

Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển

Nếu đối tượng có hàm truyền:

( ) ( )sn

0K=1b K

k 1W (s) =1+ sT 1+ sT∏

Thì bộ điều chỉnh được chọn có dạng:

( )cn

cKK=1I

1R(s) = 1+ sTsT ∏

Thông số của bộ điều chỉnh được chọn theo điều kiện:

ns = nc

và TcK = TK

Sau khi đã bù đủ, hệ hở có dạng:

( )hI b

kW (s) =sT 1+ sT

Hệ kín có hàm truyền:

( )kI b

h

1 1W (s) = =1 sT 1+ sT1+ 1+W (s) k

(3.12)

Khâu tích phân ở bộ điều chỉnh có chức năng triệt tiêu sai lệch tĩnh, và ở

(3.12) chỉ cần xác địnhhằng số tích phân TI.

57

Bình phương môđul đặc tính tần hệ kín được xác định bởi:

2k k k

2I Ib

1W (jω) = W (jω)W (-jω) =T T1+ - 2T ω +...k k⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

(3.13)

Điều kiện để hệ tối ưu còn là môđul của đặc tính tần hệ kín với tần số bé

là một hằng:

kW (jω) 1≈ (3.14)

nghĩa là khi ω → 0, môđul đặc tính tần hệ hở kW (jω) →∞ , do đó trong

hệ phải có khâu tích phân.

Với tần số cao, điều kiện (3.14) không thể thoả mãn được, khi ω → ∞ thì

kW (jω) 0→ . Do đó tần số cắt càng lớn càng tốt.

Từ điều kiện (3.14), nếu không quan tâm đến thành phần bậc cao của ω

thì ở mẫu số của (3.13) thành phần thứ hai phải bằng 0, nghĩa là:

Ib

T = 2Tk hay TI = 2k.Tb

Hàm truyền của hệ kín sau khi đã chọn bộ điều chỉnh có dạng:

*k 2 2

b b

1W (s) =1+ s2T + s 2T

Lưu ý rằng Tb là tổng của các thời gian trễ bé trong hệ, do đó không thể

bù hằng số thời gian bé, vì đặc tính pha của khâu quán tính tương đương sẽ

không tương đương với đặc tính pha của một khâu quán tính. Mặt khác, khi

không có điều kiện bù đủ, mà cộng các hằng số thời gian bé còn lại vào Tb thì

độ tác động nhanh của hệ sẽ giảm rõ rệt và không còn là tối ưu. Phương pháp

hàm tối ưu được tổng kết như ở Bảng 3.1.

58

ns Bộ điều chỉnh Tm Tv TI

1 PI;

n

I

sT +1sT

T1 -- 2kTb

2 PID;

( )( )n v

I

sT +1 sT +1sT

T1 T2 2kTb

Bảng 3.1

Kết luận chương 3

Như vậy chương 3 đã nêu được các nguyên lý của cảm biến đo tốc độ và

đã chế tạo được mạch cảm biến đo tốc độ theo nguyên lý đếm xung. Ngoài ra

chương này còn nêu cách xây dựng hàm truyền của đối tượng

59

Chương 4

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

BẰNG VI XỬ LÝ 8051

4.1 Giới thiệu về vi xử lý 8051

4.1.1 Giới thiệu về vi điều khiển

Bộ vi điều khiển viết tắt là Micro-controller, là mạch tích hợp trên một

chip có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống.

Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ

thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào

đó.

Trong các thiết bị điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển điều

khiển hoạt động của TV, máy giặt, đầu đọc laser, điện thoại, lò vi-ba… Trong

hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong Robot, dây

truyền tự động. Các hệ thống càng “thông minh” thì vai trò của hệ vi điều

khiển càng quan trọng.

4.1.2 Lịch sử phát triển của các bộ vi điều khiển

Bộ vi điều khiển thực ra là một loại vi xử lý trong tập hợp các bộ vi xử

lý nói chung. Bộ vi điều khiển được phát triển từ bộ vi xử lý, từ những năm

70 do sự phát triển và hoàn thiện về công nghệ vi điện tử dựa trên kỹ thuật

MOS (Metal-Oxide-Semiconductor), mức độ tích hợp của các linh kiện bán

dẫn trong một chip ngày càng cao.

Năm 1971 xuất hiện bộ vi xử lý 4 bit loại TMS1000 do công ty Texas

Instruments vừa là nơi phát minh vừa là nơi sản xuất. Nhìn tổng thể thì bộ vi

xử lý chỉ có chứa trên một chip những chức năng cần thiết để xử lí chương

trình theo một trình tự, còn tất cả bộ phận phụ trợ khác cần thiết như: Bộ nhớ

dữ liệu, bộ nhớ chương trình, bộ chuyển đổi AID, khối điều khiển, khối hiển

60

thị, điều khiển máy in, khối đồng hồ và lịch là những linh kiện nằm ở bên

ngoài được nối vào bộ vi xử lý.

Mãi đến năm 1976 công ty INTEL (Intelligen-Elictronics) mới cho ra

đời bộ vi điều khiển đơn chip đầu tiên trên thế giới với tên gọi 8048. Bên cạch

bộ xử lí trung tâm 8048 còn chứa bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chương trình, bộ

đếm và phát thời gian các cổng vào và ra Digital trên một chip.

Các công ty khác cũng lần lượt cho ra đời các bộ vi điều khiển 8 bit

tương tự như 8048 và hình thành họ vi điều khiển MCS-48 (Microcontroller-

Sustem-48). Đến năm 1980 công ty INTEL cho ra đời thế hệ thứ hai của bộ vi

điều khiển đơn chip với tên gọi 8051. Và sau đó hàng loạt các vi điều khiển

cùng loại với 8051 ra đời và hình thành họ vi điều khiển MCS-51.

Đến nay họ vi điều khiển 8 bit MCS-51 đã có đến 250 thành viên và

hầu hết các công ty hàng đầu thế giới chế tạo. Đứng đầu là công ty INTEL và

rất nhiều công ty khác như: AMD, SIEMENS, PHILIPS, DALLAS, OKI …

Ngoài ra còn có các công ty khác cũng có những họ vi điều khiển riêng

như:

Họ 68HCOS Của công ty Motorola

Họ ST62 Của công ty SGS-THOMSON

Họ H8 Của công ty Hitachi

Họ PIC Của công ty Microchip

4.1.3 Khảo sát bộ vi điều khiển 8051

IC vi điều khiển 8051 thuộc họ MCS-51 có các đặc điểm sau:

- 4 Kbyte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất chỉ có ở 8051)

- 128 Byte RAM

- 4 Port I10 8 bit

- Hai bộ định thời 16 bit

- Giao tiếp nối tiếp

- 64 KB không gian bộ nhớ chương trình mở rộng

61

- 64 KB không gian bộ nhớ dũ liệu mở rộng

- Một bộ vi xử lý luận lí (thao tác trên các bit đơn)

- 210 bit được địa chỉ hoá

- Bộ nhân / chia 4μs

a) Cấu trúc bên trong của 8051

Hình 4.1 Sơ đồ khối của IC vi điều khiển 8051

Phần chính của vi điều khiển 8051 là bộ xử lí trung tâm (CPU: Central

Processing Unit) bao gồm:

- Thanh nghi tích luỹ A.

- Thanh ghi tích luỹ phụ B, dùng cho phép nhân và phép chia.

- Đơn vị logic học (ALU: Arithmetic Logiccal Unit).

62

- Từ trạng thái chương trình (PSW: Progam Status Word).

- Bốn băng thanh ghi.

- Con trỏ ngăn xếp.

- Ngoài ra còn có bộ nhớ chương trình, bộ giải mã lệnh, bộ điều khiển

thời gian và logic.

Đơn vị xử lí trung tâm nhận trực tiếp xung từ bộ dao động, ngoài ra còn

có khả năng đưa một tín hiệu giữ nhịp từ bên ngoài.

Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối điều khiển

ngắt ở bên trong. Các nguồn ngắt có thể là: các biến cố ở bên ngoài, sự tràn

bộ đếm định thời hoặc cũng có thể là giao diện nối tiếp.

Hai bộ định thời 16 bít hoạt động như một bộ đếm.

Các cổng (port0, port1, port2, port3) sử dụng vào mục đích điều khiển.

Ở cổng 3 có thêm các đường dẫn điều khiển dùng để trao đổi với một

bộ nhớ ngoài, hoặc để đầu nối giao diện nối tiếp, cũng như các đường dẫn bên

ngoài.

Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một bộ phận không đồng

bộ, làm việc độc lập với nhau. Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt

trong dải rộng và được ấn định bằng một bộ định thời.

Trong vi điều khiển 8051 có hai thành phần quan trọng khác đó là bộ

nhớ và các thanh ghi:

-Bộ nhớ gồm có bộ nhớ Ram và bộ nhớ Rom dùng để lưu trữ dữ liệu và

mã lệnh.

- Các thanh ghi sử dụng để lưu trữ thông tin trong quá trình xử lí. Khi

CPU làm việc nó làm thay đổi nội dung của các thanh ghi.

63

b) Chức năng các chân vi điều khiển.

Hình 4.2 Sơ đồ chân 8051

+ Port0: Là port có hai chức năng ở trên chân từ 32 đến 39 trong các thiết kế

cỡ nhỏ (không dùng bộ nhớ mở rộng) có hai chức năng như các đường IO.

Đối với các thiết kế cỡ lớn (với bộ nhớ mở rộng) nó được kết hợp kênh giữa

các bus.

+ Port1: port1 là một port I/O trên các chân 1÷8. Các chân được kí hiệu P1.0,

P1.1, P1.2 … có thể dùng cho các thiết bị ngoài nếu cần. Port1 không có chức

64

năng khác, vì vậy chúng ta chỉ được dùng trong giao tiếp với các thiết bị

ngoài.

+ Port2: Port2 là một port có công dụng kép trên các chân 21÷28 được dùng

như các đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết kế

dùng bộ nhớ mở rộng.

+Port3: Port3 là một port công dụng kép trên các chân 10 ÷17. Các chân của

port này có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc

tính đặc biệt của 8051 như ở bảng sau:

Bít Tên Chức năng chuyển đổi

P3.0

P3.1

P3.2

P3.3

P3.4

P3.5

P3.5

P3.7

RXD

TDX

INTO

INT1

TO

T1

WR

RD

Dữ liệu nhận cho port nối tiếp

Dữ liệu phát cho port nối tiếp

Ngắt 0 bên ngoài

Ngắt 1 bên ngoài

Ngõ vào của timer/counter 0

Ngõ vào của timer/counter 1

Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

Bảng 4.1 Chức năng của các chân trên port3

+ PSEN (Progam Store Enable): 8051 có 4 tín hiệu điều khiển. PSEN

là tín hiệu ra trên chân 29. Nó là tín hiệu điều khiển để cho phép bộ nhớ

chương trình mở rộng và thường được nối đến chân OE (Output Enable) của

một EPROM để cho phép đọc các bytes mã lệnh. PSEN sẽ ở mức thấp trong

thời gian lấy lệnh. Các mã nhị phân của chương trình được đọc từ EPROM

qua bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8051 để giải mã lệnh. Khi thi

hành chương trình trong ROM nội PSEN sẽ ở mức thụ động (mức cao).

+ ALE (Address Latch Enable): Tín hiệu ra ALE trên chân 30 tương

hợp với các thiết bị làm việc với các xử lí 8585, 8088, 8086, 8051 dùng ALE

65

một cách tương tự cho làm việc giải các kênh các bus địa chỉ và dữ liệu khi

port0 được dùng trong chế độ chuyển đổi của nó: vừa là bus dữ liệu vừa là

byte thấp của địa chỉ, ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ vào một thanh ghi bên

ngoài trong nửa đầu của chu kỳ bộ nhớ. Sau đó, các đường port0 dùng để xuất

hoặc nhập dữ liệu trong nửa sau chu kỳ của bộ nhớ. Các xung tín hiệu ALE có

tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể được dùng là nguồn

xung nhịp cho hệ thống. Nếu xung trên 8051 là 12 MHz thì ALE có tần số 2

MHz. Chỉ ngoại trừ khi thi hành lệnh MOV X, một xung ALE sẽ bị mất.

Xung này cũng được làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM trong 8051.

+ EA (Extemal Access): Tín hiệu vào EA trên chân 31 thường được

mắc lên mức cao (+5V) hoặc mức thấp (GND). Nếu ở mức cao, 8051 thi hành

chương trình từ ROM nội trong khoảng địa chỉ thấp (4K). Nếu ở mức thấp,

chương trình chỉ được thi hành từ bộ nhớ mở rộng. Nếu EA được nối mức

thấp, bộ nhớ bên trong chương trình 8051 sẽ bị cấm và chương trình thi hành

từ EPROM mở rộng. Người ta còn dùng chân EA làm chân cấp điện áp 21 V

lập trình cho EPROM trong 8051.

+ SRT (Reset): Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ reset của 8051. Khi tín

hiệu này được đưa lên mức cao (trong ít nhất 2 chu kỳ máy), các thanh ghi

trong 8051 được tải những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống.

+ Các ngõ vào bộ dao động trên chip: Như đã thấy trong các hình

trên, 8051 có một bộ dao động trên chip. Nó thường được nối với thạch anh

giữa hai chân 18 và 19. Các tụ giữa cũng cần thiết như đã vẽ. Tần số thạch

anh thông thường là 12 MHz.

+ Các chân nguồn: 8051 vận hành với nguồn đơn +5V. Vcc được nối

vào chân 40 và Vss (GND) được nối vào chân 20.

c) Tổ chức bộ nhớ.

8051 có bộ nhớ theo cấu trúc Harvard: có những vùng cho bộ nhớ riêng

biệt cho chương trình dữ liệu. Như đã nói ở trên, cả chương trình và dữ liệu có

66

thể ở bên trong 8051, dù vậy chúng có thể được mở rộng bằng các thành phần

ngoài lên đến tối đa 64 Kbytes bộ nhớ chương trình và 64 Kbytes bộ nhớ dữ

liệu.

Bộ nhớ bên trong bao gồm ROM và RAM trên chip, Ram trên chip bao

gồm nhiều phần: phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hoá từng bít, các

bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt.

Hình 4.3: Tóm tắt các vùng nhớ của 8051

Hai đặc điểm cần lưu ý là:

- Các thanh ghi và các port xuất nhập đã được xếp trong bộ nhớ và có thể

được truy xuất trực tiếp như các địa chỉ ô nhớ khác.

- Ngăn xếp bên trong RAM nội nhỏ hơn so với RAM ngoài như trong các bộ

vi xử lý khác.

d) Các thanh ghi chức năng đặc biệt.

Các thanh ghi nội của 8051 được truy xuất ngầm định bởi bộ lệnh. Ví

dụ lệnh “INT A” sẽ tăng nội dung của thanh ghi tích luỹ A lên 1. Tác động

này được ngầm định trong mã lệnh.

Bộ nhớ chương trình

Bộ nhớ chương trình được chọn qua PSEN

Bộ nhớ dữ liệu được chọn qua WR và RD

FFFF FFFF

00 0000 0000

FF

67

Các thanh ghi trong 8051 được định dạng như một phần của RAM trên

chip. Vì vậy mỗi thanh ghi sẽ có một địa chỉ (ngoại trừ thanh ghi trực tiếp, sẽ

không có lợi khi đặt chúng vào RAM trên chip). Đó là lý do để 8051 có nhiều

thanh ghi. Cũng như R0 đến R7, có 21 thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR:

Special Funtion Rgister) ở vùng trên của RAM nội, từ địa chỉ 80H đến FFH.

Chú ý rằng hầu hết 128 địa chỉ từ 80h đến FFH không được định nghĩa. Chỉ

có 21 địa chỉ SFR là được định nghĩa.

Ngoại trừ thanh ghi tích luỹ (A) có thể được truy xuất ngầm như đã nói,

đa số các SFR được truy xuất dùng địa chỉ trực tiếp, chú ý rằng một vài SFR

có thể được địa chỉ hoá bit hoặc byte. Người thiết kế phải thận trọng khi truy

xuất bit và byte. 8051 có các thanh ghi sau:

- Từ trạng thái chương trình.

- Thanh ghi B.

- Con trỏ ngăn xếp.

- Con trỏ dữ liệu.

- Các thanh ghi port xuất nhập.

- Các thanh ghi timer.

- Các thanh ghi port nối tiếp.

- Các thanh ghi ngắt.

- Các thanh ghi điều khiển công suất.

e) Bộ nhớ ngoài.

8051 có khả năng mở rộng bộ nhớ đến 64 K bộ nhớ chương trình và 64

K bộ nhớ dữ liệu bên ngoài. Do đó có thể dùng thêm ROM và RAM nếu cần.

Khi dùng bộ nhớ ngoài, port0 không còn là một port I/O thuần tuý nữa. Nó

được hợp kênh giữa bus địa chỉ (A0 ÷ A7) và bus dữ liệu (D0 ÷ D7) với tín

hiệu ALE để chốt byte thấp của địa chỉ khi bắt đầu mỗi chu kỳ bộ nhớ. Port2

thông thường được dùng cho byte cao của bus địa chỉ.

68

Trong nửa đầu của mỗi chu kỳ bộ nhớ, byte thấp của địa chỉ được cấp

trong port0 và được chốt bằng xung ALE. Một IC chốt 74HC373 (hoặc tương

đương) sẽ giữ byte địa chỉ thấp trong phần còn lại của chu kỳ bộ nhớ. Trong

nửa sau của chu kỳ bộ nhớ port0 được dùng như bus dữ liệu và được đọc hoặc

ghi tuỳ theo lệnh.

f) Hoạt động của bộ định thời (timer).

Một định nghĩa đơn giản của timer là một chuỗi các flip-flop chia đôi

tần số nối tiếp nhau, chúng nhận tín hiệu vào làm nguồn xung nhịp. Ngõ ra

của tần số cuối làm nguồn xung nhịp cho flip-flop báo tràn của timer (flip-

flop cờ). Giá trị nhị phân trong các flip-flop của timer có thể xem như số đếm

số xung nhịp (hoặc các sự kiện) từ khi khởi động timer. Ví dụ timer 16 bit sẽ

đếm lên từ 0000H đến FFFFH. Cờ báo tràn sẽ lên 1 khi số đếm tràn từ FFFFh

đến 0000H. 8051 có 2 timer 16 bit, mỗi timer có bốn cách làm việc. Người ta

sử dụng các timer để: Định khoảng thời gian, đếm các sự kiện và tạo tốc độ

baud cho port nối tiếp trong 8051.

Trong các ứng dụng định khoảng thời gian, người ta lập trình timer ở

một khoảng đều đặn và đặt cờ tràn timer. Cờ được dùng để đồng bộ hoá

chương trình để thực hiện một tác động như kiểm tra trạng thái của các cửa

ngõ vào hoặc gửi các sự kiện ra các ngõ ra. Các ứng dụng khác có thể sử dụng

việc tạo xung nhịp đều đặn của timer để đo thời gian trôi qua giữa hai sự kiện

(ví dụ: đo độ rộng xung).

Đếm sự kiện dùng để xác định số lần xảy ra của một sự kiện. Một “sự

kiện” là bất cứ tác động nào có thể cung cấp một chuyển trạng thái trên một

chân của 8051. Các timer cũng có thể cung cấp xung nhịp tốc độ baud cho

port nối tiếp trong 8051.

Truy xuất timer của 8051 dùng 6 thanh ghi chức năng đặc biệt cho

trong bảng sau:

69

SFR MỤC ĐÍCH ĐỊA CHỈ Địa chỉ hoá từng bit

TCON

TMOD

TL0

TL1

TH0

TH1

Điều khiển timer

Chế độ timer

Byte thấp của timer 0

Byte thấp của timer 1

Byte cao của timer 0

Byte cao của timer 1

88H

89H

8AH

8BH

8CH

8DH

Có

Không

Không

Không

Không

Không

Bảng 4.2 Thanh ghi chức năng đặc biệt dùng timer

Ngoài ra, họ vi xử lý còn có tập lệnh và các cách ghép nối với bên

ngoài. Trong khuôn khổ của đề tài chỉ tìm hiểu những phần chính nên phần

này không được trình bầy.

4.2 Xây dựng thuật toán điều khiển

Trong chương 3 ta đã tìm hiểu cách xây dựng hàm truyền của đối

tượng, các phương pháp xây dựng luật điều khiển cũng như các phương pháp

xác định tham số của bộ điều chỉnh. Khi đã xác định được luật điều khiển và

bộ tham số của bộ điều chỉnh thì ta tiến hành lập trình. Chương trình dưới đây

lập trình cho vi xử lý 8051 với luật điều khiển PID.

Chương trình điều khiển tốc độ động cơ

(Chương trình được viết bằng ngôn ngữ C và được dịch ra mã máy bằng

phần mềm μVision 2.2)

************************************************************** #include <AT89x51.h> #include <intrins.h> unsigned char n=0,m=0,k=0; char error_spe_current,error_spe_past=0; int total_error_past=0,cospe,speed=-9216,total_error_current; float Uk,P,I,D;

70

#define Kp 75.56 #define Ti 19.38 #define Td 0 #define setspe 40 void ex0_ISR(void) interrupt 0 ET0=1; n++; void timer0_ISR(void) interrupt 1 m++; TL0=0x00; TH0=0x4C; TR0=1; void timer1_ISR(void) interrupt 3 if(k==0) P2_0=0; P2_1=0; k++; TL1=speed&0xFF; TH1=speed>>8; TR1=1; else if(k==1)

71

P2_0=1; P2_1=1; k++; TL1=0xF6; TH1=0xFF; TR1=1; else if(k==2); P2_2=0; P2_3=0; k++; TL1=speed&0xFF; TH1=speed>>8; TR1=1; else k=0; P2_2=1; P2_3=1; TL1=0xF6; TH1=0xFF; TR1=1; float R(void) error_spe_current=setspe-n;

72

total_error_current=total_error_past + error_spe_current; P=Kp*error_spe_current; I=Kp*(total_error_current)/Ti; D=Kp*Td*(error_spe_current - error_spe_past); Uk=(P+I+D); total_error_past=total_error_current; error_spe_past = error_spe_current; return(Uk); int Cospeed(void) int cospe; R(); cospe=setspe*81-(int)(Uk); if(cospe<4608) cospe=4608; else if(cospe>23040) cospe=23040; else _nop_(); speed=-cospe; return(speed); void kiemtra_1s(void) if(m==20) m=0; Cospeed();

73

else _nop_(); void main(void) TMOD=0x11; IE=0x89; TF0=1; TF1=1; while(1) kiemtra_1s(); **************************************************************

74

CHƯƠNG 5

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BIẾN TẦN ÁP MỘT PHA

5.1 Thiết kế và chế tạo mạch cụ thể

Thiết kế và chế tạo mạch cụ thể là một khâu rất quan trọng trong hệ

thống bởi vì có thiết kế và tính toán chính xác thì hệ thống mới làm việc chính

xác và ổn định được. Như vậy nội dung của chương này sẽ trình bày các bước

tính toán và lựa chọn các linh kiện, thiết bị chính của mạch lực biến tần.

Ta có sơ đồ cấu trúc của hệ biến tần động cơ như sau:

Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quan về hệ biến tần động cơ

Để tính toán thiết kế mạch lực và mạch điều khiển cho hệ biến tần ta xuất

phát từ các thông số của động cơ. Động cơ là loại động cơ điện xoay chiều một

pha có các thông số:

Uđm = 220 V η = 0,86

Iđm = 0,22 V cosϕ = 0,8

Pđm = 38 W nđm = 2800 v/phút

p = 1

5.1.1 Thiết kế mạch lực

75

Từ sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển ta có sơ đồ mạch lực như hình vẽ:

Hình 5.2 Sơ đồ mạch lực

Đây là một khối rất quan trọng trong hệ thống, nó có nhiệm vụ biến đổi

điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số mong muốn, đáp ứng

được yều cầu điều khiển tốc độ động cơ. Hoạt động của biến tần được điều

khiển bởi vi xử lý tín hiệu số. Bộ biến tần mà ta đang nói đến ở đây là bộ biến

tần nguồn áp gián tiếp tức là trong một chu kỳ điện áp xoay chiều của lưới

điện vào thì sự thay đổi của điện áp nguồn đó được bỏ qua. Điện áp một chiều

dùng cho biến tần được lấy từ bộ chỉnh lưu và được lọc bởi tụ có dung lượng

lớn. Vai trò của tụ C là đảm bảo quá trình quá độ của hệ thống và việc đóng

cắt bên trong nghịch lưu không làm thay đổi lớn điện áp một chiều đầu vào.

Đối với bộ các biến tần gián tiếp cấp cho các động cơ người ta thường sử

dụng nghịch lưu nguồn áp với các van bán dẫn là IGBT (INSULSTED GATE

BIPOLAR TRANSISTOR – TRANSISTOR có cực cửa cách ly) bởi nó có

nhiều tính ưu việt như tốc độ chuyển mạch nhanh, công suất điều khiển yêu

cầu rất nhỏ. Việc sử dụng chúng làm đơn giản đáng kể khi thiết kế các bộ

biến đổi, làm cho kích thước của hệ thống điều khiển ngày càng thu nhỏ. Bốn

điốt ngược đóng vai trò trao đổi công suất phản kháng với nguồn và bảo vệ

quá điện áp cho IGBT khi IGBT khoá.

Tính chọn các van nghịch lưu.

Để chọn được các van ta cần biết được điện áp ngược đặt lên van và

76

dòng điện max.

Điện áp ngược đặt lên mỗi van (Transitor) chính là điện áp một chiều

nuôi biến tần , suy ra:

Ungmax = Umc = 2 Uđm = 2 . 220 = 311 (V)

Dòng điện trung bình chạy qua van được tính thông qua dòng điện

động cơ. Do cùng một thời điểm dòng điện đi qua đồng thời hai transitor nên

dòng điện chạy qua một transitor là:

dcvan

II =2 =

0,222

= 0,11 (A)

Chọn Transitor với hệ số dự trữ điện áp ku = 1,6 và hệ số dự trữ dòng

điện ki = 1,2.

Ta phải chọn van ít nhất chịu được điện áp ngược 1,6 * 311 = 498 (V),

và dòng điện trung bình 1,2 * 0,11 = 0,132 (A).

Tra tài liệu điện tử công suất ta chọn được một số loại sau:

2SC2335 (500V/ 7A)

BUT56A

2SC2979 (900V/ 3A)

2SC3039 (500V /7A)

2DS1710 (1500V /3A)

BU126(750V /3A)

BU4508DX(700V/ 8A)

BU205 (700V/ 2,5A)

Thực tế chọn transitor 2SC2335.

Tính chọn các điot chống ngược cho các Transitor

Dòng điện trung bình qua điốt :

ID =Im(1- μ)/2 = 2 .0.22(1-0.8)/2 = 0.311A

Với Im là giá trị đỉnh của dòng điện Im = 2 .Iđm

Dòng trung bình tính chọn :

77

IDtt= KI.ID = 1,2.0,311 = 0.37A

Điện áp ngược tính chọn :

UDtt = KU.UD = UTtt = 390 V

Chọn điot chống ngược của Nga D2485(5A – 400V)

Tính chọn tụ C

Với chức năng phóng nạp khi điện áp thay đổi, tụ C được mắc giữa bộ

chỉnh lưu và bộ nghịch lưu để ổn định điện áp đầu vào nghịch lưu tạo nên

nguồn áp, bên cạnh đó tụ C còn đóng một vai trò quan trọng khi tải có tính

chất cảm kháng (động cơ). Tụ C sẽ là phần tử trao đổi công suất phản kháng

cho tải. Thông thường tụ C được tính toán dựa vào tải, thường có dung lượng

lớn. Tụ C là một phần tử rất quan trọng trong mạch nghịch lưu điện áp vì vậy

việc lựa chọn tụ đòi hỏi độ chính xác. Tụ C với vai trò bảo vệ quá áp trong

quá trình đóng cắt và trao đổi công suất phản kháng với tải, nếu điện dung tụ

không đủ lớn thì sẽ không thực hiện được chức năng bảo vệ có thể dẫn đến nổ

tụ, ngược lại nếu tụ C lớn thì sẽ kích thước lớn dẫn đến giá thành cao. Vì thế

khi lựa chọn ta phải dựa vào nhiều yếu tố, thông thường trong thực tế người ta

thường chọn tụ C theo công thức sau đây:

230sin

ΔUfη.I

23C

02

Cx

M −=

ϕ

trong đó:

η là hệ số lấp đầy tải, chọn ηmax= 0,85;

IM giá trị đỉnh của dòng tải;

ΔUC độ biến thiên điện áp thường lấy bằng 0,1;

fx tần số cắt xung;

φ góc tải(cosφ=0,7 ⇒ φ = 44,420).

Thay các thông số của động cơ vào ta tính được giá trị của tụ C.

78

0 0 02 2M

3x C

η.I3 30 3 0,85.0,22 2 44,42 30C sin sin 36 F2 f ΔU 2 2 1.10 .0,1 2

ϕ− −= = = μ

Vậy chọn tụ C loại 47 μF

Tính chọn mạch tạo nguồn điện một chiều có điện áp Umc=311 cung

cấp cho biến tần

Điện áp sau chỉnh lưu cần điện áp là 311V.

Dòng điện một chiều sau chỉnh lưu:

dcmc d

mc

P 38I = I = = = 0,12U 311 (A)

Vì điện áp chỉnh lưu lớn hơn 220V nên cần tăng áp trước chỉnh lưu.

Sụt áp sau hai điot chỉnh lưu xấp xỉ khoảng 2V nên điện áp đầu vào

chỉnh lưu là:

Uđv= clU .π 311.π= = 3482 2 2 2

(V)

Vậy chọn biến áp có tỷ số tăng áp là:

K = 348220

= 1,6

Điện áp đặt lên điot:

Ung D= 2 Uđv = 2 .348 = 492 (V)

Vì dòng điện đi qua hai điot tại một thời điểm nên dòng điện qua một

điot là:

ID = d dI I 0,12= = = 0,06(A)2 2 2

Chọn điot với hệ số dự trữ Ki = 1,2 và Ku = 1.6. Vậy ta phải chọn điot ít

nhất chịu được điện áp ngược là 1,6*492 = 787(V) và dòng điện trung bình là

1,2*0,06 = 0,07(A)

Thực tế chọn cầu 5 A

Thiết kế mạch điều khiển

79

Hình 5.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển

Trong mạch gồm có mạch nguồn gồm: một biến áp nguồn, một cầu

chỉnh lưu 2A, một tụ lọc 1000 μF, một điện trở hạn chế dòng 15KΩ, hai tụ

104 μF, một tụ 100 μF, một đèn LED báo hiệu và một bộ ổn nguồn L7805.

Mạch nguồn này tạo ra nguồn một chiều 5V cung cấp nguồn cho bộ vi xử lý.

Mạch có bộ vi xử lý AT89C52, bộ tạo dao động thạch anh ngoài ra còn

có các tụ, điện trở và nút ấn.

Mạch cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển

Chọn 4 bộ cách ly 4N35 (100mA – 55V) mắc theo kiểu Dalinton với transitor

của mạch lực.

80

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

Sau một thời gian nghiên cứu đề tài, mặc dù gặp nhiều khó khăn nhưng

với nỗ lực của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo

và đặc biệt là thầy giáo TS. Nguyễn Văn Đường cùng với sự giúp đỡ của bạn

bè đến nay đề tài tốt nghiệp của tôi đã cơ bản hoàn thành. Từ kết quả nghiên

cứu được trong đề tài “Tự động điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều một

pha bằng biến tần áp gián tiếp”. chúng tôi mạnh dạn đưa ra một số kết luận và

đề nghị sau:

1. Kết luận

a) Mặt tích cực

- Đề tài đã tìm hiểu được khái quát về động cơ không đồng bộ, về các

phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ. Từ đó phân tích vai

trò, ý nghĩa ứng dụng của phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không

đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn cung cấp trong thực tế.

- Nghiên cứu về các loại biến tần cụ thể là biến tần áp gián tiếp một pha.

- Đã áp dụng tốt các kiến thức mới mẻ về các bộ điều chỉnh PID và các bộ

điều chế độ rộng xung trong việc điều chỉnh tốc độ quay của động cơ.

- Từ thực tế trực tiếp tính toán, thiết kế và lắp ráp các mạch điện tử chúng

tôi đã củng cố thêm được những kiến thức, kỹ năng và khả năng tư duy giải

quyết các vấn đề.

- Nghiên cứu về bộ vi xử lý 8051 từ đó lập trình điều khiển đối tượng với

sơ đồ công nghệ thực tiễn.

- Trong đề tài có sử dụng cảm biến đo tốc độ theo nguyên ký đếm xung.

Đây là nguyên lý đơn giản có độ chính xác và độ nhạy tương đối cao đảm bảo

chất lượng tốt trong điều khiển.

b) Mặt hạn chế

Do điều kiện và khả năng còn hạn chế nên việc xây dựng mô hình chưa

81

được hoàn thiện. Chưa đo được số liệu cụ thể để tổng hợp hệ thống.

c) Mặt nhận thức

Qua quá trình nghiên cứu, tìm hiểu các tài liệu để thực hiện đề tài ngoài

những hiểu biết vô cùng quan trọng về sự phát triển của công nghệ tự động

hoá, việc ứng dụng của tự động hoá vào sản xuất… Đề tài còn giúp tôi có

thêm kiến thức thực tế về áp dụng tự động hoá trong nông nghiệp, một lĩnh

vực vô cùng quan trọng và cũng là nhiệm vụ của một kỹ sư tự động hoá nông

nghiệp.

2. Kiến nghị

Trong quá trình thiết kế mô hình thực tế, do thời gian và nhận thức còn

hạn chế về trang thiết bị nên không tiến hành đo được số liệu cụ thể. Kính

mong bộ môn cùng Khoa Cơ điện tạo điều kiện tốt hơn nữa về thời gian cũng

như thiết bị dể đề tài có thể hoàn thiện tốt hơn và có tính ứng dụng thực tế

cao.