Tài liệu Nghiên cứu, ứng dụng vi điều khiển AVR, biến tần 3G3JV điều khiển 5 cấp tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha

Nghiên cứu, ứng dụng vi điều khiển AVR, biến tần 3G3JV điều khiển 5 cấp tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha Tóm tắt Bài báo này trình bày một giải pháp sử dụng vi điều khiển AVR kết hợp với biến tần để thực hiện điều khiển 5 cấp tốc độ của động cơ. Các cấp tốc độ của động cơ được đặt trước như sau: Cấp 1: 200 vòng/ phút; Cấp 2: 400 vòng/ phút; Cấp 3: 600 vòng/ phút; Cấp 4: 800 vòng/ phút; Cấp 5: 1000 vòng/ phút 1. Đặt vấn đề Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của rotor khác với tốc độ từ trường quay trong máy. Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì chế tạo đơn giản, giá rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao, và gần như không cần bảo trì. Dải công suất rất rộng từ vài Watt đến 10.000HP ( 1HP xấp xỉ bằng 746W). Các động cơ từ 5HP trở lên hấu hết là 3 pha còn động cơ nhỏ hơn 1HP thường là một pha. Việc thay đổi các cấp tốc độ của động cơ trong thực tiễn là rất cần thiết nhằm đảm bảo cho ít gặp sự cố và bền. Đặc biệt khi làm việc với tải trọng lớn cần phải điều chỉnh mômen quay của động cơ phù hợp khi khởi động, khi ổn định và khi dừng động cơ. 2. Phân tích và lựa chọn thiết bị thiết kế hệ thống 2.1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 3 pha [1], [2] Các phương pháp điều chỉnh chủ yếu có thể thực hiện: Trên Stator: thay đổi điện áp đưa vào dây quấn stator, thay đổi số đôi cực của dây quấn stator hay thay đổi tần số nguồn. Trên roto: thay đổi điện trở roto hoặc nối nối tiếp trên mạch điện roto một hay nhiều máy điện phụ gọi là nối cấp. a. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực Dây quấn stator có thể nối thành bao nhiêu số đôi cực khác nhau thì tốc độ có bấy nhiêu cấp, vì vậy thay đổi tốc độ chỉ có thể thay đổi từng cấp một không bằng phẳng. Có nhiều cách để thay đổi số đôi cực của dây quấn stator - Đổi cách nối dây để có số đôi cực khác nhau. Dùng trong động cơ điện hai tốc độ theo tỉ lệ 2:1 - Trên rãnh stator có đặt 2 dây quấn độc lập có số đôi cực khác nhau, thường để đạt 2 tốc độ theo tỉ lệ 4:3 hoặc 6:5 - Trên rãnh stator có đặt 2 dây quấn độc lập có số đôi cực khác nhau, mỗi dây quấn lại có thể đổi cách nối để có số đôi cực khác nhau. Dây quấn roto trong động cơ không đồng bộ roto dây quấn có số đôi cực bằng số đôi cực của dây quấn stator, do đó khi đấu dây lại dây quấn stator để có số đôi cực khác nhau thì dây quấn roto cũng phải đấu lại. Ngược lại dây quấn roto lồng sóc thích ứng với bất kỳ số đôi cực nào của dây quấn stator, do đó thích hợp cho động cơ điện thay đổi số đôi cực để điều chỉnh tốc độ b. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số: Tốc độ của động cơ không đồng bộ: n=n1(1-s)=(60f/p)(1-s) Khi hệ số trượt thay đổi ít thì tốc độ tỉ lệ thuận với tần số Mặt khác, từ biểu thức E1 = 4.44 f1W1dqmax ta nhận thấy max tỉ lệ thuận với E1/f1 Người ta mong muốn giữ chomax = const Muốn vậy phải điều chỉnh đồng thời E/f, có nghĩa là phải sử dụng một nguồn điện đặc biệt, đó là các bộ biến tần công nghiệp c. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stator. Ta đã biết, hệ số trượt giới hạn Sth không phụ thuộc vào điện áp, nếu R’2 không đổi thì khi giảm điện áp nguồn U, hệ số trượt tới hạn Sth sẽ không còn Mmax giảm tỉ lệ với U2 Phương pháp này chỉ thực hiện khi máy mang tải, còn khi máy không mang tải giảm điện áp nguồn, tốc độ gần như không thay đổi d. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch roto của động cơ roto dây quấn Thông qua vành trượt ta nối một biến trở 3 pha có thể điều chỉnh được vào dây quấn roto. Với một mômen tải nhất định, điện trở phụ càng lớn thì hệ số trượt ở điểm làm việc càng lớn, nghĩa là tốc độ càng giảm xuống. 2.2. Phân tích hệ thống Theo các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 3 pha đã nêu ở trên việc điều chỉnh tốc độ động cơ dựa theo phương pháp thay đổi tần số được thực hiện dễ dàng khi sử dụng biến tần. Với phân tích như trên chúng tôi đã xây dựng sơ đồ khối của bộ điều khiển 5 cấp tốc độ của động cơ 3 pha như sau: Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống 2.3. Lựa chọn thiết bị thiết kế hệ thống * Lựa chọn biến tần 3G3JVA2007 Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí. Biến tần thường sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay rô-to (rotor). Hình 2. Biến tần 3G3JVA2007 + Điểm đặc biệt nhất của hệ truyền động biến tần - động cơ là có thể điều chỉnh vô cấp tốc độ động cơ. Tức là thông qua việc điều chỉnh tần số có thể điều chỉnh tốc độ động cơ thay đổi theo ý muốn trong một dải rộng + Đa chức năng, dễ sử dụng, thiết kế kích thước nhỏ, dễ lắp đặt và bảo dưỡng: Hoạt động hoàn hảo, điều khiển tới 8 tốc độ, dễ bảo dưỡng, hỗ trợ nhiều ngõ vào/ra, có sẵn chiết áp chỉnh tần số chuẩn, bảo vệ ngắn mạch ngõ ra * Lựa chọn thiết bị lập trình (AteMega16) [3] ATMEGA 16 là vi điều khiển 8 bits dựa trên kiến trúc RICS với khả năng thực hiện mỗi lệnh trong vòng một chu kỳ xung clock, ATMEGA 16 có thể đạt được tốc độ 1 MIPS (1 triệu lệnh/s). Hình 3. ATMEGA 16 Hiệu suất cao (high performance), là loại vi điều khiển AVR 8 bit công suất thấp. Vi điều khiển atmega 16 có 32 đường vào ra chia làm 4 port: PORT A, PORT B, PORT C, PORT D mỗi port 8 bit có thể tương tác điều khiển từng bit một. Các cổng ra có điện trở nội kéo lên nên khi dùng chức năng input ta không cần dùng điện trở kéo lên ở bên ngoài. Các port được điều khiển bởi các bộ thanh ghi sau: thanh ghi dữ liệu cổng PORT, thanh ghi dữ liệu điều khiển cổng DDR và cuối cùng là địa chỉ chân vào của cổng PIN. Hình 4. Sơ đồ chân của Atmega16 * Khối nguồn Nhiệm vụ: tạo ra nguồn 5VDC để cung cấp cho các khối khác trong mạch điện. Vì vậy khối nguồn cần phải đảm bảo công suất. Hình 5. Mạch tạo nguồn 5VDC Nguồn 1 chiều 12V sau chỉnh lưu được ổn áp bởi IC7805 tạo thành nguồn 5V 1A. C5 phóng nạp nâng cao chất lượng điện áp. C6 lọc các thành phần nhiễu. R1, LED6 tạo thành mạch báo nguồn. * Khối điều khiển trung tâm Mạch điều khiển trung tâm được thực hiện bởi IC Atemega16L. Để vi điều khiển Atemega16L hoạt động cần phải có các điều kiện: 1. Chân 10 nối với nguồn +5VDC. 2. Chân 12, 13 được cung cấp dao động chủ được tạo ra bởi thạch anh XT2, và 2 tụ C7, C8. 3. Chân 9 được nối với mạch RESET, Khi thực hiện RESET chân 9 có mức cao, khi hoạt động chân 9 có mức thấp. Mạch điều khiển trung tâm được giao tiếp với các mạch khác như sau: - Chân 22, 23, 24, 24, 26, thực hiện giao tiếp với mạch công suất. - Nhóm chân 33, 34, 35, 36, 38, 39, 40 thực hiện điều khiển và giao tiếp với mạch hiển thị LCD. - Nhóm chân 6, 7, 8 thực hiện hai chức năng: + Dùng để nạp chương trình phần mềm cho vi điều khiển Atemega16 theo chuẩn giao tiếp ISP. + Khi không thực hiện nạp thì cùng với chân 1, 2, 4, 5, được nối với khối nút nhấn bao gồm các nút nhấn như: START, STOP, RESET, QT, QN, INC, DEC. Hình 6. Sơ đồ mạch xử lý trung tâm * Khối hiển thị: Nhiệm vụ: Hiển thị các dòng thông báo hướng dẫn vận hành hệ thống điều khiển 5 cấp tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha Hình 7. Sơ đồ mạch hiển thị LCD Để LCD hoạt động phải cấp nguồn Vcc vào chân 16 của LCD. Chân 3 và chân 4 được nối với biến trở VR = 10K để điều chỉnh độ sáng tối của màn hình LCD. Dữ liệu hiển thị được gửi từ vi điều khiển đến LCD thông qua các chân D4, D5, D6, D7. Chân RS là chân chọn thanh ghi. Chân R/W là chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc.Chân E là chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0 đến DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E. Khi có tín hiệu điều khiển, vi điều khiển tiến hành đưa ra các lệnh hiển thị các thông tin lên LCD. * Mạch cách ly và mạch công suất: Hình 8. Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly và mạch công suất Mạch cách ly và mạch công suất được cấu tạo gồm có 5 IC cách ly quang PC817 và 5 transistor C2383 cùng kết hợp với 5 rơ le 12V-220V. Khi có tín hiệu mức “0” gửi đến từ vi điều khiển Atmega16L tới các đầu P2, P3, P4, P5, P6 sẽ làm cho các diode trong các Opto quang phát sáng chiếu vào các cực bazơ của các transistor làm cho các transistor mở thông bão hòa, dẫn dòng điện tác động vào cực B của 5 transistor Q6, Q7, Q8, Q9, Q10 dẫn đến các transistor mở thông bão hòa, cấp nguồn 12VDC cho các cuộn hút của các Rơ le, tác động làm cho các tiếp điểm đóng hoặc mở, đóng hoặc ngắt nguồn 220V cung cấp cho các thiết bị theo đúng nguyên lý điều khiển. 3. Kết quả thực nghiệm Các kết quả nghiên cứu trên đã được thiết thể hiện trên các hình 9 là mạch điện thực tế và hình 10 là mô hình thực nghiệm hệ thống. Hình 9. Mạch điện thực tế Hình 10. Mô hình hệ thống điều khiển 5 cấp tốc độ động cơ 3 pha 4. Kết luận và hướng phát triển Bài báo đã đề xuất một giải pháp điều khiển tốc độ động cơ với 5 cấp tốc độ đặt sẵn bằng cách cài đặt biến tần. Với việc thực hiện như trên vẫn còn nhược điểm chưa mềm dẻo do chưa có hệ thống tự động đo tốc độ động cơ và tự động điều chỉnh tốc độ. Hướng phát triển của đề tài sẽ tập trung vào việc tự động điều chỉnh tốc độ phụ thuộc vào tải. Tài liệu tham khảo [1] http://www.maynenkhitrucvit.com.vn/index.php/ky-thuat/50-dong-co-may-nen-khi/81phuong-phap-dieu-chinh-toc-do-dong-co-khong-dong-bo.html [2] Giáo trình Máy điện – Đặng Văn Chuyết [3] ATMega16/L datasheet – Atmel [4] Datasheet biến tần 3G3JVA2007