CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Động cơ ba pha không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ 3 pha là loại động cơ điện xoay chiều, trong đó mômen quay được tạo ra nhờ cảm ứng điện từ từ trường của cuộn dây stato Điều đặc biệt là rôto không cần kết nối điện mà vẫn hoạt động hiệu quả Rôto của động cơ cảm ứng có thể được thiết kế theo kiểu quấn hoặc kiểu lồng sóc, giúp đa dạng hóa ứng dụng trong công nghiệp.
Tìm hiểu và thiết kế mạch điều khiển cho động cơ ba pha không đồng bộ với rôto kiểu lồng sóc là chủ đề chính của nhóm Động cơ ba pha không đồng bộ có rôto lồng sóc là một trong những loại động cơ phổ biến nhất trong công nghiệp, nhờ vào hiệu suất cao và độ bền Việc thiết kế mạch điều khiển cho loại động cơ này giúp tối ưu hóa hoạt động và nâng cao hiệu suất sử dụng.
Cấu tạo của động cơ không đồng bộ gồm hai bộ phận chính là phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor)
Hình 2.1 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ
Stato là phần đứng yên của động cơ Nó bao gồm một khung thép bao quanh hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn stator
Khung stato là bộ phận bên ngoài của động cơ, có chức năng cung cấp giá đỡ cho lõi stato và cuộn dây stato, đồng thời mang lại độ bền cơ học cho các bộ phận bên trong Ngoài ra, khung còn được thiết kế với các cánh tản nhiệt ở bề mặt ngoài để giúp tản nhiệt và làm mát động cơ Tùy thuộc vào ứng dụng, khung có thể được làm từ thép đúc, thép chế tạo, hợp kim nhôm hoặc thép không gỉ.
Lõi động cơ cảm ứng ba pha được cấu tạo từ các lớp thép silicon mỏng, giúp giảm thiểu tổn thất do dòng điện xoáy và độ trễ Các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong và ghép lại để tạo thành các rãnh theo hướng trục Lõi thép này được ép chặt vào vỏ máy, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Lõi nhiều lớp của động cơ có các khe cách đều nhau ở ngoại vi bên trong Dây quấn stator, được làm từ dây đồng hoặc nhôm có lớp men cách điện, được lắp đặt trong các rãnh stato và kết nối theo cách phù hợp để hình thành cuộn dây stato 3 pha cân bằng, có thể nối hình sao hoặc tam giác Số cực của các cuộn dây stato 3 pha được quấn tùy thuộc vào yêu cầu về tốc độ, với số cực càng lớn thì tốc độ động cơ càng thấp và ngược lại Khi nguồn điện 3 pha cân bằng được cung cấp cho cuộn dây stato, một từ trường quay (RMF) với cường độ không đổi được tạo ra, từ trường này sẽ sinh ra dòng điện trong mạch rôto thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ.
Rôto lồng sóc bao gồm lõi thép, dây quấn và trục máy
Các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh và ghép lại để tạo thành các rãnh nghiêng song song hoặc lệch với trục, với lỗ ở giữa để lắp trục Trong mỗi rãnh, một thanh đồng hoặc nhôm không cách điện (dây dẫn rôto) được đặt Các dây dẫn ở đầu rôto được nối ngắn mạch bằng các vòng cuối cùng của cùng một vật liệu, tạo thành cuộn dây ngắn mạch vĩnh viễn Sắp xếp này tương tự như cái lồng từng được dùng để nuôi sóc, do đó được gọi là rôto dạng lồng sóc.
Rôto lồng sóc trong động cơ cảm ứng 3 pha không cần kết nối điện với nguồn cung cấp, mà dòng điện được tạo ra thông qua cảm ứng điện từ từ stato Loại rôto này được ưa chuộng trong các ngành công nghiệp nhờ cấu trúc đơn giản và độ bền cao, cho phép hoạt động hiệu quả trong những điều kiện khắc nghiệt Tuy nhiên, một nhược điểm của nó là mô-men xoắn khởi động thấp.
Sự lệch của dây dẫn rôto lồng sóc mang lại nhiều lợi ích, bao gồm việc giảm tiếng ồn trong quá trình hoạt động, tạo ra mômen xoắn đồng đều hơn và giảm xu hướng ăn mòn.
6 khóa từ của rôto bị giảm; trong quá trình ăn khớp, các răng của rôto và stato bị khóa với nhau do tác dụng của từ trường
Hình 2.3 Roto dạng lồng sóc
2.1.2 Nguyên lý hoạt động Động cơ điện xoay chiều vận hành theo nguyên tắc tạo từ trường quay bằng điện xoay chiều nhiều pha Khi 3 cuộn dây stato đặt lệch nhau một góc 120˚ của động cơ không đồng bộ 3 pha được nối với nguồn điện xoay chiều ba pha Dòng điện qua dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay hay từ trường quay tròn (RMF) gây ra trong lòng stato Tốc độ của từ trường quay được gọi là tốc độ đồng bộ (Ns ), được xác định:
• p là số cặp cực của dây quấn Stator
Trong quá trình quay, từ trường tác động lên các thanh dẫn của rotor, sinh ra sức điện động cảm ứng và tạo ra dòng điện Dòng điện trong các thanh dẫn tương tác với từ trường, tạo ra lực điện từ Những lực này tạo ra moment quay quanh trục rotor, khiến rotor quay theo hướng của từ trường.
Theo định luật Faraday, cảm ứng điện từ (EMF) trong vật dẫn phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của từ thông (dΦ/dt) Mạch rôto cắt qua từ trường stato, dẫn đến sự hình thành EMF trong thanh rôto Khi EMF được tạo ra, dòng điện sẽ chạy qua mạch rôto, tạo ra từ trường mới Sự chuyển động tương đối giữa từ thông stato và từ thông rôto khiến rôto bắt đầu quay, giảm bớt nguyên nhân gây ra chuyển động tương đối Rôto cố gắng bắt lấy từ thông stato để duy trì hoạt động.
Động cơ cảm ứng hoạt động dựa trên định luật Lenz, trong đó dòng điện rôto được tạo ra nhờ hiện tượng tự cảm Tốc độ của rôto luôn nhỏ hơn tốc độ đồng bộ, vì rôto cố gắng theo kịp từ trường quay của stato nhưng không bao giờ đạt được Tốc độ đồng bộ phụ thuộc vào số cực và tần số nguồn cung cấp Độ trượt giữa tốc độ thực của rôto và tốc độ đồng bộ được gọi là độ trượt cảm ứng đồng bộ 3 pha Dòng điện xoay chiều cung cấp năng lượng cho cuộn dây stator, tạo ra từ thông quay trong khe hở không khí giữa stator và rotor, đồng thời sinh ra điện áp để tạo dòng điện chạy qua các thanh rotor.
Khi mạch và dòng điện trong dây dẫn rotor được kích hoạt, từ thông quay kết hợp với dòng điện sẽ tạo ra một lực mô men xoắn, giúp khởi động động cơ.
Mạch nghịch lưu áp ba pha
Bộ nghịch lưu chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều DC thành điện xoay chiều AC để cung cấp cho tải Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu có tính chất nguồn điện áp, và điện áp đầu ra được điều khiển để điều khiển các linh kiện bán dẫn.
Mạch nghịch lưu cơ bản, như hình 2.4 minh họa, sử dụng các khóa bán dẫn cưỡng bức, thường là IGBT, để chuyển đổi điện áp đầu vào một chiều DC qua mạch.
8 khiển đóng ngắt 6 IGBT với tần số theo ý người điều khiển trực tiếp nghịch lưu điện áp từ một chiều DC thành xoay chiều AC
Các thuật toán điều khiển động cơ tập trung vào việc điều chỉnh các khóa bán dẫn nhằm thay đổi điện áp, dòng điện, thời gian chuyển pha và tần số đầu ra, phù hợp với đặc tính tải của động cơ Để tạo ra điện áp 3 pha đối xứng, các IGBT cần tuân thủ các quy tắc dẫn điện nhất định.
• S1 và S4 dẫn lệch nhau 180 0 và tạo ra pha a
• S3 và S6 dẫn lệch nhau 180 0 và tạo ra pha b
• S2 và S5 dẫn lệch nhau 180 0 và tạo ra pha c
• Và các pha lệch nhau 120 0
Phương pháp điều khiển động cơ ba pha không đồng bộ SINPWM
Điều khiển động cơ qua bộ nghịch lưu nhằm tạo ra điện áp với biên độ và tần số phù hợp là một kỹ thuật quan trọng Các phương pháp như điều chế độ rộng xung (SINPWM hay SPWM) và điều chế vector không gian (Space Vector) được áp dụng để đạt được mục tiêu này Trong đó, điều chế độ rộng xung SPWM là phương pháp phổ biến nhất để điều chỉnh điện áp động cơ Nhóm nghiên cứu đã chọn phương pháp SPWM cho đề tài “Tìm hiểu và thiết kế mạch điều khiển động cơ không đồng bộ”.
2.3.1 Giới thiệu về phương pháp điều chế xung (SPWM)
SPWM (Điều chế độ rộng xung sin-tam giác) là công nghệ quan trọng trong thiết kế vi-biến tần, thường được áp dụng trong các hệ thống điện mặt trời và phong điện Các tín hiệu chuyển mạch này được sử dụng để điều khiển các linh kiện FET trong thiết bị Đặc biệt, động cơ không đồng bộ 3 pha thường hoạt động với dòng điện xoay chiều 3 pha có tần số từ 50Hz đến 60Hz, tạo ra đồ thị điện áp đặc trưng.
2.3.2 Điều chế xung SinPWM Để tạo ra một điện áp xoay chiều bằng phương pháp SINPWM, ta sử dụng một tín hiệu xung tam giác tần số cao đem so sánh với một điện áp sin chuẩn có tần số f Nếu đem xung điều khiển này cấp cho một bộ biến tần một pha thì ngõ ra sẽ thu được một dạng điện áp dạng điều rộng xung có tần số bằng với tần số nguồn sin mẫu và biên độ hài bậc nhất phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cung cấp và tỉ số giữa bên độ sóng sin mẫu và sóng mang Tần số sóng mang phải lớn hơn tần số của sóng sin mẫu [6]
Điều khiển điện áp PWM sử dụng các công tắc biến tần để chuyển đổi dạng sóng đầu ra hình sin mô phỏng thành chuỗi các xung điện áp hẹp, đồng thời điều chỉnh độ rộng của các xung này.
Sine PWM được tạo ra bằng cách so sánh giá trị biên độ sóng mang và giá trị biên độ sóng sine như hình 2.6
Các linh kiện, thiết bị điện tử
2.4.1.1 Giới thiệu chung về STM32F103C8T6
STM32 là dòng chip phổ biến của ST, bao gồm nhiều họ như F0, F1, F2, F3, F4, trong đó STM32F103C8T6 thuộc họ F1 với lõi ARM Cortex-M3 Đây là vi điều khiển 32 bit với tốc độ tối đa 72 MHz, mang lại hiệu suất cao cho các ứng dụng nhúng.
− Bộ nhớ: 64 kbytes bộ nhớ Flash, 20 kbytes SRAM
Đồng hồ, reset và quản lý nguồn hoạt động với điện áp từ 2.0 đến 3.6V Sử dụng thạch anh bên ngoài trong khoảng từ 4MHz đến 20MHz, trong khi thạch anh bên trong sử dụng dao động RC ở chế độ 8MHz hoặc 40kHz.
− Chế độ điện áp thấp:
• Các mode: ngủ, ngừng hoạt động hoặc hoạt động ở chế độ chờ
• Cấp nguồn ở chân Vbat bằng pin ngoài để dùng bộ RTC và sử dụng dữ liệu được lưu trữ khi mất nguồn cấp chính
− 2 bộ ADC 12 bit với 9 kênh cho mỗi bộ: khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3.6 V, có chế độ lấy mẫu 1 kênh hoặc nhiều kênh
− Có 7 kênh DMA: hỗ trợ DMA cho ADC, UART, I2C, SPI
• 3 Timer 16 bit hỗ trợ các mode Input Capture/ Output Compare/ PWM
• 1 Timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với các mode bảo vệ ngắt Input, dead-time
• 2 Watchdog Timer để bảo vệ và kiểm tra lỗi
• 1 Systick Timer 24 bit đếm xuống cho hàm Delay,…
− Có hỗ trợ 9 kênh giao tiếp: 2 bộ I2C, 3 bộ USART, 2 SPI, 1 CAN, USB 2.0 full- speed interface
Kit STM32F103C8T6 có kích thước 53.34x15.24mm, sử dụng điện áp 5VDC qua cổng Micro USB, được chuyển đổi thành 3.3VDC để cấp cho vi điều khiển chính Kit tích hợp thạch anh 8MHz và 32kHz cho ứng dụng RTC, cùng với đèn LED trạng thái nguồn, LED PC13 và nút Reset Nó có đầy đủ chân GPIO với 37 I/O và hỗ trợ giao tiếp CAN, I2C, SPI, UART, USB.
2.4.1.2 Các công cụ phần mềm biên dịch cho STM32F103C8T6
Vi điều khiển STM32 cung cấp đầy đủ chức năng với giá thành hợp lý, cùng với nhiều công cụ lập trình đa dạng như IAR Embedded Workbench và Keil C Nhóm nghiên cứu sử dụng Keil C kết hợp với phần mềm CubeMX để cấu hình chip Thư viện lập trình cho STM32 rất phong phú, bao gồm STM32Cube HAL, Standard Peripheral Libraries và Mbed core, ứng dụng rộng rãi trong nhiều dự án thực tế và sản phẩm trên thị trường.
Hình 2.8 Giao diện Cube MX
Keil C uVision 5 là phần mềm hỗ trợ lập trình cho vi điều khiển, cho phép người dùng soạn thảo và biên dịch chương trình C thành ngôn ngữ máy để nạp vào vi điều khiển Phần mềm này giúp tạo ra các ứng dụng như chớp LED và thu thập tín hiệu cảm biến bằng ADC Ngoài ra, Keil C uVision 5 có khả năng mở file từ STM32CCUBE MX và cho phép người dùng thêm các đoạn code vào chương trình.
Hình 2.9 Giao diện Keil c uvision 5
Phần mềm CubeMX của ST là một công cụ hữu ích cho lập trình viên, cho phép sinh mã C thông qua giao diện tương tác dễ sử dụng, với nhiều tính năng nổi bật.
• Dùng để cấu hình và khởi tạo file lập trình Phần mềm này cho phép chúng ta cấu hình I/O, clock
• Tự động giải quyết các xung đột về Pin out
• Hỗ trợ tất cả các dòng chip STM32
• Cầu hình Clock thông qua Clock Tree rất dễ sử dụng
• Ước tính năng lượng tiêu thụ
• Hỗ trợ sinh code cho Keil C
Kết quả là một dự án được tạo ra, bao gồm file *.c với mã nguồn tự động sinh ra từ phần mềm Để kết nối giữa Keil C và Kit STM32F103C8T6, chúng ta sử dụng mạch nạp ST-Link V2 như hình 2.10 bên dưới.
Hình 2.10 Mạch nạp ST-Link V2
IR2103 là IC điều khiển MOSFET và IGBT với mức độc lập cao, tương thích với đầu vào logic CMOS và LSTTL tiêu chuẩn Nó có trình điều khiển đầu ra với giai đoạn bộ đệm xung cao, tối ưu cho trình điều khiển chéo IC này sử dụng các kênh nổi để điều khiển IGBT công suất với điện áp hoạt động lên đến 600V.
Hình 2.12 Sơ đồ chân của IR2103
Linh kiện IR2103 8 chân được thể hiện như hình trên Trong đó:
Bảng 2.1 Xác định chân của IR2103
STT Tên chân Mô tả
1 Vcc Nguồn cố định logic và mức thấp
2 HIN Chân đầu vào logic để điều khiển chân đầu ra HO mức cao, cùng pha
3 LIN Chân đầu vào logic để điều khiển chân đầu ra LO mức thấp, ngược pha
4 COM Chân hồi mức thấp
5 LO Đầu ra điều khiển mức thấp
6 VS Nguồn hồi mức cao
7 HO Đầu ra điều khiển mức cao
8 VB Nguồn cấp mức cao
Bảng 2.2 Khoảng giá trị hoạt động của IR2103 Chân Giá trị nhỏ Giá trị lớn Đơn vị
Logic hoạt động cho VS từ -5 đến +600V, với trạng thái logic được duy trì từ -5V đến -VBS Để điều khiển và tinh chỉnh ngõ ra HO và LO, cần chú ý đến các chân đầu vào HIN và LIN của IR2103 Khi ngõ vào HIN ở mức cao, ngõ ra HO cũng ở mức cao; ngõ vào LIN ở mức thấp thì LO sẽ ở mức cao Ngược lại, khi ngõ vào khác mức điện áp, cả HO và LO sẽ ở mức thấp.
2.4.3 IGBT H20R1202 [10] Để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha ta cần có các khóa bán dẫn để tạo ra dòng điện, thời gian chuyển pha, sự biến thiên điện áp và tần số ở đầu ra Các khóa bán dẫn công suất được sử dụng trong đề tài này là các IGBTs với các ưu điểm như trở kháng đầu vào cao vì cổng được cách điện, khả năng đáp ứng nhanh, ổn định nhiệt tốt, mạch điều khiển đơn giản, khả năng chịu điện áp cao tốt, hoạt động không có bộ đệm và khả năng kiểm soát hành vi chuyển mạch để cung cấp ngắn mạch đáng tin cậy sự bảo vệ IGBTs là sự kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường Mặt khác IGBTs cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ
Hình 2.14 Sơ đồ cấu tạo của IGBT [11]
Hình 2.15 Sơ đồ chân IGBT
• G: Gate gọi là cực cổng
• C: Collector gọi là cực thu
• E: Emitter gọi là cực phát
Nguyên lý hoạt động của IGBT:
- Ban đầu, không có bất cứ dòng điện nào chạy qua cổng Gate, lúc này IGBT ở trạng thái không dẫn điện
Khi điện áp tại cổng Gate (VG) tăng, các ion mang điện tích âm và dương sẽ tích tụ trên bề mặt của lớp SiO2, dẫn đến sự gia tăng hạt mang điện tích âm ở lớp P Sự tích tụ này càng lớn khi điện áp VG cao hơn, hình thành đường dẫn tại tiếp điểm J2, cho phép dòng điện chạy từ Collector sang Emitter Khi điện áp UGE > 0, kênh dẫn sẽ hình thành các hạt mang điện, di chuyển từ cực E về cực C qua lớp tiếp giáp N-P, tạo thành dòng Collector (ICE).
-Ngắt IGBT: khóa điện thế cấp cho cổng kích để ngắt kênh dẫn P
Một số thông số cực đại của H20R1202:
Bảng 2.3 Thông số của IGBT H20R1202
Mô tả Ký hiệu Giá trị Điện áp thu-phát VCE 1200V
IC 7805 là một mạch ổn áp cung cấp điện áp đầu ra 5V, với điện áp đầu vào tối đa 18V và tối thiểu 7V Thiết kế với số chân ít, IC này rất phù hợp cho các mạch điện tử có điện áp thấp Hiện nay, IC 7805 đã được tích hợp các tính năng bảo vệ quá nhiệt và bảo vệ ngắn mạch, giúp duy trì vùng hoạt động an toàn cho các transistor công suất trong mạch, đảm bảo độ bền và độ tin cậy cao IC LM7805 được sử dụng phổ biến trong các thiết bị thương mại nhờ vào chi phí thấp và tính dễ sử dụng.
• Input: Đây là chân cấp điện áp đầu vào cần ổn áp ( từ 7V đến 18V)
• Output: Chân thu điện áp 5V sau khi đã ổn áp (từ 4,8V đến 5,2V)
Một số thông số của IC 7805
Bảng 2.4 Các thông số của IR2103 Đặc điểm Giá trị
Số chân 3 Điện áp ngõ vào 7V – 18V Điện áp ngõ ra 5V
2.4.5 Điện trở: Điện trở hay Resistor là một linh kiện điện tử thụ động gồm 2 tiếp điểm kết nối, thường được dùng để hạn chế cường độ dòng điện chảy trong mạch, điều chỉnh mức độ tín hiệu, dùng để chia điện áp, kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor, tiếp điểm cuối trong đường truyền điện và có trong rất nhiều ứng dụng khác Điện trở công suất có thể tiêu tán một lượng lớn điện năng chuyển sang nhiệt năng có trong các bộ điều khiển động cơ, trong các hệ thống phân phối điện Các điện trở thường có trở kháng cố định, ít bị thay đổi bởi nhiệt độ và điện áp hoạt động Biến trở là loại điện trở có thể thay đổi được trở kháng như các núm vặn điều chỉnh
Điện trở là linh kiện phổ biến trong mạng lưới điện và các mạch điện tử, có thể được cấu tạo từ nhiều thành phần khác nhau và có nhiều hình dạng đa dạng Ngoài ra, điện trở cũng có thể được tích hợp trong các vi mạch IC Chúng được phân loại dựa trên khả năng chống chịu và trở kháng, với các ký hiệu được ghi rõ bởi các nhà sản xuất.
Hình 2.19 Ký hiệu điện trở
Hình 2.20 Ký hiệu biến trở
Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động gồm hai vật dẫn được ngăn cách bởi lớp cách điện Khi có chênh lệch điện thế giữa hai bề mặt, điện tích trái dấu sẽ xuất hiện tại các bề mặt này.
Các thiết bị phục vụ đề tài
2.5.1 Bộ nguồn điều chỉnh PW-8033P PINTEK
Bộ nguồn điều chỉnh PW-8033P PINTEK là thiết bị chuyên dụng cung cấp nguồn điện một chiều (DC) từ nguồn điện 220V AC, giúp biến đổi dòng điện từ AC sang DC Thiết bị này chủ yếu được sử dụng để cấp điện áp cho các linh kiện, phục vụ cho công việc kiểm tra, sửa chữa, bảo trì điện, cũng như các nghiên cứu điện trong phòng thí nghiệm.
Hình 2.28 Bộ nguồn điều chỉnh PW-8033P PINTEK
Bộ nguồn điều chỉnh PW-8033P PINTEK nổi bật với ba đầu ra độc lập, bao gồm hai đầu ra DC 0~32V có thể điều chỉnh và một đầu ra cố định 5V Hai đầu ra áp cao cho phép linh hoạt trong việc kết nối, với khả năng nối tiếp hai kênh nguồn, nâng cao thông số đầu ra lên đến 64V/3A Sản phẩm này là lựa chọn lý tưởng cho nhóm người dùng cần hiệu suất cao và tính linh hoạt trong các ứng dụng điện tử.
Hai kênh đầu ra mắc nối tiếp cung cấp nguồn áp 60V, được sử dụng để cấp điện cho mạch nghịch lưu, đặc biệt là cung cấp trực tiếp cho ba IGBT mức cao nhằm điều khiển động cơ.
Thông số của bộ nguồn điều chỉnh PW-8033P PINTEK:
• Điện áp đầu ra: 2 ngõ ra DC 0~32V / 0~3A và 1 ngõ ra cố định 5V/3A
• Điện áp hiển thị: 4 chữ số
• Dòng điện hiển thị: 4 chữ số
• Điều khiển có thể lập trình, 9 bộ nhớ
• Giao diện USB tích hợp
• Nguồn kết hợp tối đa 0~64V / 0~3A
Máy cấp nguồn DC sở hữu nhiều tính năng vượt trội như hoạt động liên tục, duy trì nhiệt độ ổn định, khả năng chống nhiễu và nhiễu tia thấp Nó còn có chức năng bảo vệ quá tải và phân cực ngược, cùng với khả năng tự động ngắt dòng điện nhanh chóng khi phát hiện hiện tượng đoản mạch, giúp đảm bảo an toàn và tránh hư hỏng trong quá trình thử nghiệm Độ chính xác của máy đạt ± 1%.
Máy hiện sóng là thiết bị đo lường quan trọng, đứng thứ hai sau đồng hồ vạn năng, giúp kiểm tra các thông số tín hiệu mà đồng hồ VOM không thể phát hiện Máy đo xung được sử dụng để kiểm tra xung của vi điều khiển và linh kiện điện tử, cho phép xác định chính xác tình trạng hoạt động của phần cứng và lập trình phần mềm, từ đó tiết kiệm thời gian trong quá trình đo kiểm.
Trên thị trường máy hiện sóng toàn cầu, Tektronix nổi bật như một thương hiệu uy tín và phổ biến, được ưa chuộng từ các phòng thí nghiệm đại học cho đến các xưởng sản xuất thiết bị điện tử.
Hình 2.29 Máy đo xung Tektronix TBS1052B-EDU
Thông số máy đo xung Tektronix TBS1052B-EDU [15]:
• Tốc độ lấy mẫu: 1GSa/s
• Chiều dài ghi sóng: 2.5 kpts
• Độ phân giải dọc: 8 bits
• Giới hạn băng thông: 20MHz
• Dải nhiệt độ hoạt động: 0 đến +50 ºC
• Dải nhạy đầu vào: 2 mV đến 5 V/div
• Độ chính xác DC: ±3%, từ 10 mV/div đến 5 V/div
• Trigger: Edge, Video, Pulse withd
• Nguồn Trigger: CH1, CH2, Ext, Ext/5, AC Line
• Tích hợp bộ đếm tần số: 6 chữ số
2.5.3 Động cơ không đồng bộ ba pha thử nghiệm
Mô tơ điện 3 pha 0.18 kW VDE 0530 là sản phẩm nổi bật với động cơ không đồng bộ ba pha, được thiết kế theo kiểu hình sao và có vỏ đúc từ gang nguyên khối Vỏ gang không chỉ chịu được va đập mạnh và thích ứng với nhiều điều kiện khí hậu khắc nghiệt, mà còn bảo vệ động cơ bên trong và tạo nên vẻ ngoài hiện đại cho sản phẩm Được lắp ráp từ 30 bộ phận khác nhau, mô tơ này dễ dàng trong việc lắp đặt, sửa chữa và bảo quản So với các dòng mô tơ thông thường, mô tơ điện 3 pha 0.18 kW VDE 0530 có ưu điểm vượt trội nhờ công nghệ tiên tiến, tính năng tiết kiệm điện và động cơ mạnh mẽ, hoạt động bền bỉ mà không lo cháy máy Ngoài ra, lớp sơn tĩnh điện bên ngoài giúp ngăn ngừa hiện tượng rò rỉ điện, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
Hình 2.30 Động cơ không đồng bộ ba pha VDE 0530
Bảng 2.5 Thông số động cơ VDE 0530
Thông số Giá trị Đơn vị
Công suất định mức 0,18 kW
Tần số định mức 50 Hz Điện áp định mức (hình tam giác/hình sao) 230/ 400 Vôn (V)
Hình 2.31 Động cơ Siemens Động cơ Siemens D-91056 Erlangen
Bảng 2.6 Thông số Động cơ Siemens D-91056 Erlangen
Thông số Giá trị Đơn vị
Công suất định mức 0,55 kW
Tần số định mức 50 Hz Điện áp định mức (hình tam giác/hình sao) 230/ 400 Vôn (V)
XÂY DỰNG MẠCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Tần số
Ở đầu ra của biến tần, IGBT được điều khiển để tạo ra sóng hình sin cho motor hoạt động, với tần số đóng cắt IGBT được gọi là tần số sóng mang hay PWM Thông thường, tần số này có thể điều chỉnh từ 2-16 kHz, tùy thuộc vào loại tải Đối với tải nhẹ hoặc thông thường, PWM khoảng 2-5 kHz là đủ, trong khi với tải nặng, tần số cần cài đặt từ 8 kHz trở lên Tần số sóng mang không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của motor mà còn gây ra sóng hài, dẫn đến tiếng kêu khi motor vận hành với biến tần.
Tần số sóng mang được tính theo công thức:
+ FC: Tần số sóng mang
+ FCLK: xung Clock (ta chọn FCLK = 72MHz)
+ ARR: giá trị của bộ đếm Timer có 16 bit tương đương 65536 giá trị
Tần sóng điều chế là khoảng thời gian mà dòng điện thay đổi trong một giây, cho phép động cơ hoạt động hiệu quả Để điều khiển động cơ ba pha không đồng bộ, cần điều chỉnh tần số đầu ra bằng cách thay đổi số lượng phần tử Number S và tần số sóng mang theo công thức phù hợp.
+ 𝐅 𝐌 : Tần số sóng điều chế
+ Number S: Số phần tử trong bảng sóng điều khiển
Trong thí nghiệm này, mạch điều khiển điều khiển được cài đặt tần số chuyển mạch (tần số sóng mang):
Số phần tử trong bảng là 800, nhằm mục đích đo tín hiệu điều khiển đầu ra từ vi điều khiển và xác định tần số hoạt động của IGBT Tần số sóng điều khiển có giá trị cụ thể.
Nhóm nghiên cứu đã chọn tần số điều khiển thấp nhất là 5Hz, vì tại tần số này, bảng giá trị chứa nhiều phần tử nhất Bằng cách giảm số lượng phần tử trong bảng, nhóm có thể tạo ra các tần số khác nhau Dãy tần số được chọn bao gồm 5Hz, 10Hz, 15Hz, 20Hz, 25Hz, 30Hz, 35Hz, 40Hz, 45Hz, 50Hz và 55Hz Cụ thể, ở tần số 5Hz, bảng có 1441 phần tử, và khi chọn các phần tử có thứ tự là bội của 2, số phần tử giảm xuống còn 721, tạo ra tần số 10Hz Tương tự, nhóm sẽ chọn các phần tử là bội của 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 để xác định các tần số tiếp theo.
Dãy tần số đã chọn từ 10 đến 11 sẽ tương ứng với các khoảng giá trị ADC để điều chỉnh tốc độ động cơ Vùng khởi động, với tần số từ 5Hz đến dưới 20Hz, đạt momen lớn và được sử dụng khi vượt tải nặng hoặc trong giai đoạn khởi động Tiếp theo là vùng công suất cố định, hoạt động chủ yếu trong khoảng tần số từ 20Hz đến 40Hz Cuối cùng, vùng tốc độ cao với tần số từ 45Hz đến 55Hz, lúc này động cơ chủ yếu chạy bằng quán tính.
Thiết kế
Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ ba pha không đồng bộ minh họa cách thức hoạt động và mối quan hệ giữa các thiết bị, linh kiện điện tử trong mạch Mạch nguyên lý này đã được nhóm thiết kế và mô phỏng trên phần mềm Proteus, như thể hiện trong hình 3.1 dưới đây.
Sơ đồ nguyên lý cơ bản được thể hiện qua hình 3.1 với các khối chức năng như mạch nguồn, mạch điều khiển, mạch bảo vệ vi điều khiển, mạch lái, động lực học và cơ cấu chấp hành (động cơ) Linh kiện IR2103 và biến tần cần có cùng nguồn âm để đảm bảo xung đầu ra từ IR2103 ổn định, nếu không động cơ sẽ không quay Do đó, chân COM của IR2103 và chân E của IGBT phía thấp phải được kết nối với cùng một GND.
Mạch nguồn là mạch quan trọng trong việc điều chỉnh và cung cấp điện cho các thiết bị và linh kiện trong hệ thống Để đảm bảo cung cấp đủ nguồn điện, hệ thống này thường được trang bị ba mạch nguồn khác nhau.
Hình 3.2 Mạch nguồn cung cấp cho STM32 hoạt động
Vi điều khiển cần mạch nguồn 5V để hoạt động Nguồn áp đầu vào 12V thông qua
IC 7805 và tụ lọc nguồn để điều chỉnh nguồn ổn áp đầu ra 5V để cấp vào STM32F103C8T6
Hình 3.3 Mạch nguồn cung cấp cho opto và IR2103
Mạch nguồn thứ 2 được cấp riêng với vi điều khiển đến Opto HCPL A2631 và IR
2103 nhằm mục đích là cách ly mới mạch điều khiển
• Tạo 5V ổn định nhờ LM7805 và tụ cấp nguồn cho Opto
• Cấp nguồn gần 12V cho IR2103 hoạt động
Hình 3.4 Nguồn cung cấp cho bộ nghịch lưu thông qua Domino 2 chân
Bộ nguồn điều chỉnh PW-8033P PINTEK cung cấp điện cho bộ nghịch lưu, trực tiếp cấp nguồn cho 3 IGBT dẫn mức cao Qua quá trình biến đổi của bộ nghịch lưu, điện áp đầu ra xoay chiều được tạo ra để điều khiển động cơ ba pha không đồng bộ.
Hình 3.5 Mạch vi điều khiển
Vi điều khiển có khả năng xuất ra 6 tín hiệu PWM từ các chân A0, A1, A2, A3, A6, A7, nhờ vào các chân timer Mạch điều khiển này thực hiện nhiều chức năng khác nhau.
• Nhận tín hiệu từ biến trở và tính toán
Vi xử lý thực hiện nhiệm vụ thông dịch lệnh chương trình và điều khiển hoạt động xử lý, được điều tiết bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống Mạch xung nhịp đồng hồ giúp đồng bộ các thao tác xử lý trong và ngoài MCU theo khoảng thời gian cố định, với khoảng thời gian chờ giữa hai xung gọi là chu kỳ xung nhịp Tốc độ xung nhịp, được tính bằng triệu đơn vị mỗi giây (MHz), xác định tốc độ mà xung nhịp hệ thống tạo ra các tín hiệu chuẩn thời gian Thanh ghi là phần tử nhớ tạm trong bộ vi xử lý, dùng để lưu trữ dữ liệu và địa chỉ nhớ trong quá trình thực hiện tác vụ.
• Xuất xung vuông dưới dạng gần giống hình sin để điều khiển các IGBTS đóng ngắt thông qua mạch lái
Tín hiệu từ các chân xuất xung của STM32F103C8T6 sẽ được truyền tới đèn LED phát quang HCPL-2631, nơi bộ phận thu nhận ánh sáng ở đầu ra sẽ phát hiện và nhận ánh sáng.
Mạch cách ly chuyển đổi tín hiệu thành xung điện, với xung đầu ra cũng là xung đầu vào cho mạch lái (HIN, LIN) Lợi ích chính của opto là cung cấp sự cách ly điện áp giữa mạch điều khiển và mạch lái, đảm bảo an toàn cho vi điều khiển Sự tiếp xúc duy nhất giữa đầu vào và đầu ra là chùm ánh sáng, với điện trở cách ly lên tới hàng ngàn MΩ, phù hợp cho các ứng dụng điện áp cao và điện thế khác nhau lên đến vài nghìn vôn Điều này giúp giảm thiểu hư hỏng và chi phí phát sinh Điện trở được kết nối xuống chân tín hiệu để ngăn ngừa hiện tượng ngắn mạch.
Hình 3.6 Mạch cách ly 3.2.2.4 Mạch lái
Tín hiệu ngõ ra từ opto được truyền đến cổng LIN và HIN của IR2103, với tín hiệu vào tại hai cổng này cùng mức cao hoặc thấp, dẫn đến việc xuất tín hiệu ngược nhau tại HO và LO Để đảm bảo điện áp đầu ra từ 12V đến 16V chính xác, cần kiểm tra điện áp vào, đi-ốt và tụ điện Thêm vào đó, hai điện trở 1k Ohm sẽ được kết nối sau chân HO và LO nhằm đảm bảo độ chính xác của tín hiệu đầu ra.
Mạch lái sử dụng IC IR2103 để nhận tín hiệu từ mạch điều khiển và mạch cách ly, nhằm điều khiển các IGBTs đóng ngắt Đầu ra của trình điều khiển được thiết kế với bộ đệm xung cao và khả năng điều khiển chéo, giúp ngăn ngừa hiện tượng trùng dẫn và ngắn mạch ở các IGBTs.
Trong IGBT, giữa cực G và cực E có một tụ điện được nối sẵn, gây ra hiện tượng ngắt trễ khi điều khiển mạch Haft Bridge với tần số cao bằng phương pháp SPWM Hiện tượng ngắt trễ này có thể dẫn đến trùng dẫn, do đó cần nhanh chóng xả tụ kí sinh để khắc phục vấn đề này.
39 giải quyết là thêm một điện trở 10K Ohm và một diod zener công suất chịu được tần số cao
Hình 3.8 Sơ đồ mạch tương đương IGBT 3.2.2.5 Mạch động lực học
Hình 3.9 Mạch động lực học
Mạch điện động lực, hay còn gọi là mạch công suất, cung cấp nguồn điện 60VDC để điều khiển động cơ thông qua việc đóng mở các van Các xung PWM được truyền đến biến tần, bao gồm 6 IGBT được chia thành 3 cặp, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.
40 đảo chiều trên từng cặp và nguồn điện 60VDC, biến tần sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều
Động cơ xoay chiều 3 pha hoạt động dựa trên nguồn điện 3 pha lệch nhau 120 độ do biến tần cung cấp Tốc độ quay của động cơ sẽ thay đổi nhanh hay chậm tùy thuộc vào tần số, mà tần số này được điều chỉnh thông qua biến trở.
Mạch khuếch đại tín hiệu từ mạch điều khiển điện áp thấp sử dụng IGBT để điều khiển động cơ với điện áp cao Việc đóng mở các van bán dẫn ở phía cao và phía thấp được minh họa trong hình 3.10 và 3.11.
Hình 3.10 Khóa bán dẫn ở phía thấp mở
Khi khóa bán dẫn ở phía thấp dẫn, phía cao đóng: Tín hiệu đầu ra điện áp tại chân
LO đi đến cổng G (điện áp-ACC) của IGBT và cổng E (điện áp-0V) luôn nối mass Độ chênh áp GE làm IGBT phía thấp dẫn và lúc này:
• Điện áp tại chân Vs =0V nên 1 đầu tụ kéo xuống 0V
• Dòng điện chạy từ VCC qua Diode và nạp vào tụ Khi đó ta có điện áp trên tụ: VCC
Hình 3.11 Khóa bán dẫn ở phía cao
Khi khóa bán dẫn ở chế độ dẫn cao và khóa thấp đóng, điện áp trên tụ được thả nổi với hiệu điện thế là VCC Khi khóa dẫn phía thấp mở ra, điện áp VS cũng được thả nổi Ngay sau đó, IC kích hoạt khối điều khiển để đóng khóa thấp, tạo ra một công tắc giữa chân VB và HO Điều này dẫn đến việc điện áp trên tụ được đẩy vào chân HO, làm cho điện áp giữa hai cực GS của khóa dẫn cao bằng với điện áp giữa hai điểm VS và HO, tức là VCC.
3.2.3 Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống
THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ
Thi công mạch, hàn linh kiện và đo kiểm tín hiệu
Hình 4.2 Mạch in điều khiển
Trước khi cung cấp nguồn điều khiển cho động cơ, nhóm đã thực hiện nạp code và cấp nguồn 5V cho vi điều khiển, đồng thời cấp nguồn 12V cho mạch lái để kiểm tra tín hiệu xung.
Để duy trì hiệu và bảo đảm xung từ vi điều khiển (A0, A1, A2, A3, A6, A7), tín hiệu được truyền qua 3 opto với đầu vào là 2 chân Anode và đầu ra là V01, V02 Các tín hiệu này tiếp tục đến 3 IR2103, nơi đầu vào bao gồm chân HIN và LIN (0V), trong khi đầu ra là LO và chân HO, hiện tại chỉ có điện áp mà chưa có xung do chưa kết nối với mạch động lực học để hoàn thiện mạch boostrap.
Hình 4.3 Mạch động lực học
Hình 4.4 Mạch in động lực học
Hình 4.5 Kết nối mạch điều khiển và mạch động lực
Sau khi nhận tín hiệu xung từ mạch điều khiển, bao gồm vi điều khiển và mạch cách ly, nhóm đã kết nối mạch điều khiển với mạch công suất Khi đó, mạch bootstrap đã được khép kín, tạo ra tín hiệu xung tại chân HO của IR2103, và tiến hành đo kiểm các tín hiệu xung tại chân G của 6 con IGBT.
Hình 4.6 Tín hiệu tại chân LO và HO của IR2103
Hình 4.7 Tín hiệu tại tại chân G của IGBT mức cao và mức thấp
Cách thức điều khiển
Để tạo ra 6 tín hiệu sine PWM cho việc điều khiển IGBT, chúng ta cần xuất 6 xung PWM thông qua vi điều khiển STM32F103C8 Việc này được thực hiện bằng cách thiết lập các chân trong phần mềm Cube MX, như minh họa trong hình 4.8.
Hình 4.8 Cấu hình chân cho STM32F103C8T6
Sáu xung PWM kết hợp các đặc tính ngõ vào HIN và LIN của IR 2103, tạo ra 6 tín hiệu sine PWM qua ngõ ra HO và LO Nhóm sử dụng chức năng băm xung từ Timer 2 và Timer 3 của STM32F103C8, cho phép ngắt Timer để cập nhật độ rộng xung thông qua tick Interrupt trong tab NIVC Settings Cấu hình auto-reload preload được bật, với ADC1 chân IN5 và nguồn xung clock 72MHz.
Nhóm đã sử dụng MATLAB để lập trình ba bảng giá trị sóng điều khiển hình sin, mỗi bảng gồm 1441 phần tử Mỗi biểu đồ được chú thích dựa trên biên dạng hình sine như trình bày trong hình 2.5 và được đưa về trục tọa độ dương, thể hiện qua các hình 4.9, 4.10 và 4.11.
Hình 4.9 Biểu đồ thể giá trị sóng hình sine pha A
Hình 4.10 Biểu đồ thể giá trị sóng hình sine pha B
Hình 4.11 Biểu đồ thể giá trị sóng hình sine pha C
Kênh timer được lập trình sử dụng chung một bảng giá trị sóng hình sine cho cặp đầu vào HIN và LIN trên cùng một IR2103 Hai xung PWM được sử dụng để điều khiển một thiết bị.
IR2103 có một ngõ vào HIN và một ngõ ra LIN, cho phép tạo ra hai tín hiệu ngược pha tại chân HO và LO để điều khiển các khóa bán dẫn công suất và xác định thời gian đóng ngắt của một cặp IGBT Để điều khiển 3 cặp IGBT, sáu xung PWM sẽ được cung cấp cho 3 IR2103, với mỗi cặp IGBT tương ứng với một pha điều khiển Ba cặp IGBT này sử dụng ba bảng sóng điều khiển, như minh họa trong hình 4.9, hình 4.10 và hình 4.11.
Vị trí đọc phần tử trong ba bảng lệch pha nhau 120 độ dẫn đến giá trị khởi đầu khác nhau cho mỗi bảng Cụ thể, bảng giá trị sóng hình sine pha A bắt đầu từ 5000.
Giá trị của B bắt đầu từ 670, trong khi giá trị của pha C bắt đầu từ 9330 Mỗi khung giá trị của ADC nhóm lập trình tương ứng với một tần số khác nhau, cụ thể là nếu ADC_Sensor nhỏ hơn 300.
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
NumberS41; for (count=0; count300) &&(ADC_Sensor
