Điều khiển giám sát động cơ AC với AVR

Điều khiển giám sát động cơ AC với AVR

232-485

Win CC

switch

Win CC

485 bus

1 phase controller

3 phase controller

server

user

101110001

Modbus

repeater

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ



ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

ĐỘNG CƠ AC VỚI AVR & WINCC

GVHD: Th S TRẦN VĂN TRINH SVTH: NGUYỄN QUANG HÒA

PHẠM ĐỨC DUY LỚP: ĐHĐT3ALT

Tp Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2009

LỜI NÓI ĐẦU

-oOo -So với tất cả động cơ điện sử dụng trong công nghiệp, động cơ không đồng

bộ 1, 3 pha được sử dụng rộng rãi nhất, từ công suất nhỏ, trung đến công suất lớn và chúng đang dần thay thế các động cơ một chiều do có nhiều tính năng ưu việt như: kết cấu đơn giản, độ bền cao, dễ bảo trì, chi phí thấp, sử dụng trực tiếp lưới điện Nhưng quan trọng hơn cả do kỹ thuật điều khiển động cơ phát triển làm cho việc điều khiển động cơ không đồng bộ trở nên dễ dàng nên khắc phục được những nhược điểm của động cơ như: đặc tính đóng, mở máy, điều khiển moment…

Trong các loại động cơ không đồng bộ, thì động cơ không đồng bộ có roto lồng sóc là được sử dụng nhiều hơn cả Chúng được sử dụng trong các máy nghiền, máy khuấy, ba lăng vận tải, máy bơm, quạt thông gió, quạt giải nhiệt… Trong thời gian gần đây do sự phát triển của nền công nghiệp chế tạo các khóa bán dẩn có công suất lớn, kỹ thuật điện tử, tin học nên các tính năng của động cơ không đồng bộ được khai thác triệt để Nó đuợc điều khiển bởi các bộ biến tần bán dẫn và ngày càng được hoàn thiện hơn nên có thể so sánh với hệ truyền động một chiều nhất là ở vùng công suất lớn

Trong công nghiệp thường sử dụng 4 bộ truyền động để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ đó là:

- Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi thyristor

- Điều chỉnh điện trở roto

- Điều chỉnh công suất trượt

- Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ bằng bộ biến đổi tần số Trong đồ án chuyên ngành này chúng em sẽ thiết kết 2 bộ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng 2 phương pháp: thay đổi điện áp cho động cơ không đồng bộ 1 pha bằng cách thay đổi góc kính cho triac và thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha dùng bộ biến đổi tần số

Lời Cảm Ơn

-oOo -Trong quá trình thực hiện đồ án chuyên ngành này Chúng em xin chân

thành cảm ơn thầy TRẦN VĂN TRINH đã hướng dẫn chúng em thực hiện hoàn

thành đồ án này Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô trong Khoa Điện

Tử, các bạn trong và ngoài lớp là những người đã động viên, giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án

Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế và thời gian thực hiện có hạn nên trong bài báo cáo và mô hình thực tế không tránh khỏi thiếu sót Mong được sự cảm thông và đóng góp ý kiến chân tình của quý thầy cô và các bạn để đồ án của chúng em được hoàn chỉnh hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn !!!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2009

Sinh viên thực hiện.

Nguyễn Quang Hòa Phạm Đức Duy

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Giáo Viên Hướng Dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Giáo Viên Phản Biện

MỤC LỤC

Phần I: LÝ THUYẾT CƠ SỞ Trang 1

1.1 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP 1

1.1.1 Các sơ đồ van 1

1.1.2 Hoạt động với tải thuần trở 2

1.1.3 Hoạt động với tải trở cảm 3

1.2 BIẾN TẦN & CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 5

1.2.1 Giới thiệu chung 5

1.2.2 Phân loại các bộ biến tần 6

1.2.2.1 Biến tần trực tiếp 6

1.2.2.2 Biến tần gián tiếp 6

1.2.2.2.1 Biến tần sử dụng nghịch lưu áp 6

1.2.2.2.2 Biến tần nghịch lưu dòng 6

1.2.3 Bộ nghịch lưu áp 3 pha 7

1.2.4 Biến tần nguồn áp điều khiển theo phương pháp V/f 8

1.2.4.1 Phương pháp E/f 8

1.2.4.2 Phương pháp V/f 9

1.2.5 Các phương pháp thông du ̣ng trong đk đô ̣ng cơ KĐB qua biên tần 11

1.2.5.1 Phương pháp điều rộng xung SINPWM 11

1.2.5.2 Phương pháp vectơ không gian 12

1.3 CHUẨN RS-485 15

1.3.1 Mạch chuyển đổi RS-232 sang RS-485 16

1.3.2 Mạch Chuyển đổi RS-485 sang TTL và ngược lại 17

1.4 MODBUS 18

1.4.1 Cơ chế giao tiếp 18

1.4.2 Mạng Modbus chuẩn 19

1.4.3 Modbus trên các mạng khác 19

1.4.4 Chế độ truyền 19

1.4.4.1 Chế độ ASCII 20

1.4.4.2 Chế độ RTU 20

1.4.5 Khung ASCII 20

1.4.6 Khung RTU 20

1.4.7 Bảo toàn dữ liệu 21

1.4.7.1 Kiểm soát LRC 21

1.4.7.2 Kiểm soát CRC 21

1.5 LẬP TRÌNH GIAO DIỆN HMI TRONG WINCC 21

1.5.1 Giới thiệu về HMI 21

1.5.2 Tổng quan về WinCC 22

1.5.2.1 Các bước cơ bản để xây dựng một Project 23

1.5.2.2 Lập trình C cho WinCC 23

1.5.2.2.1 Lập trình theo thuộc tính Properties 24

1.5.2.2.2 Lập trình theo sự kiện Events 24

1.5.2.2.3 Các hàm hỗ trợ trong WinCC 25

Phần II: KHẢO SÁT LINH KIỆN CHÍNH 26

2.1 VI ĐIỀU KHIỂN AVR- MEGA 16 26

2.1.1 Những thông số cơ bản của mega 16 26

2.1.2 Sơ đồ chân mega16 27

2.1.3 Cấu trúc bên trong của mega 16 27

2.2 VI ĐIỀU KHIỂN AVR -MEGA 8 28

2.2.1 Những thông số cơ bản của mega 8 28

2.2.2 Sơ đồ chân mega8 28

2.2.3 Cấu trúc bên trong của mega 8 29

2.3 VI ĐIỀU KHIỂN AVR-TINY 13 29

2.3.1 Những thông số cơ bản của Tiny 13: 29

2.3.2 Sơ đồ chân Tiny13 30

2.3.3 Cấu trúc bên trong Tiny13 30

2.4 CẢM BIẾN NHIỆT LM335 31

2.5 OPTO 4N35 32

2.6 MOSFET 32

Phần III: THI CÔNG ĐỀ TÀI 34

3.1 YÊU CẦU ĐỀ TÀI 34

3.2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC 1 PHA 35

3.2.1 Phân tích tổng quát sơ đồ khối hệ thống 35

3.2.1.1 Sơ lược hoạt động của toàn bộ hệ thống: 35

3.2.1.2 Sơ đồ khối hệ thống 36

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý và chức năng các khối 36

3.2.2.1 Khối nguồn 36

3.2.2.2 Khối cảm biến nhiệt 37

3.2.2.3 Khối đồng bộ 37

3.2.2.4 Khối công suất 38

3.2.2.5 Khối vi xử lý 38

3.2.2.6 Khối đếm 39

3.2.2.7 Khối nút nhấn 40

3.2.2.8 Khối hiển thị 40

3.2.2.9 Khối giao tiếp máy tính 41

3.2.2.10Sơ đồ nguyên lý 43

3.2.3 Lưu đồ giải thuật mega 16(master) 44

3.2.3.1 Lưu đồ chương trình chính 44

3.2.3.2 Lưu đồ xử lý ngắt timer1 45

3.2.3.3 Lưu đồ xử lý ngắt timer2 46

3.2.4 Lưu đồ giải thuật mega 8(slaver) 47

3.2.4.1 Chương trình chính 47

3.2.4.2 Lưu đồ xử lý tín hiệu điều khiển 47

3.3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC 3 PHA 48

3.3.1 Sơ đồ khối hệ thống 48

3.3.2 Giải thích chức năng từng khối 48

3.3.2.1 Source 48

3.3.2.2 Starter 49

3.3.2.3 Switching power 49

3.3.2.4 3 Phase driver 50

3.3.2.5 Inductive sensor 50

3.3.2.6 3 Phase MC 50

3.3.2.7 Main MC 51

3.3.2.8 LCD 20 * 4 51

3.3.2.9 Key pad variable resistor 52

3.3.2.10RS 485 52

3.3.2.11Tem sensor 52

3.3.2.12Cooling MC 53

3.3.2.13Fan driver 53

3.3.2.14DC motor & 3phase motor 53

3.3.3 Sơ đồ mạch của hệ thống 54

3.3.3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý 54

3.3.3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 55

3.3.4 Lưu đồ giải thuật hệ thống 56

3.3.4.1 Lưu đồ giải thuật VĐK trung tâm 56

3.3.4.1.1 Chương trình chính 56

3.3.4.1.2 Chương trình ngắt 57

3.3.4.2 Lưu đồ giải thuật VĐK 3 pha 57

3.3.4.2.1 Chương trình chính 57

3.3.4.2.2 Chương trình ngắt 58

3.3.4.3 Lưu đồ giải thuật VĐK làm mát 58

3.4 THIẾT KẾ GIAO DIỆN HMI ĐK & GIÁM SÁT 59

3.4.1 Màn hình đăng nhập 59

3.4.2 Màn hình điều khiển 60

3.4.2.1 Giao diện giám sát, điều khiển động cơ AC 1 pha 60

3.4.2.2 Giao diện giám sát, điều khiển động cơ AC 3 pha 62

Phần IV: KẾT LUẬN 65

Phần phụ lục 66

Tài liệu tham khảo 92

Đồ Án Chuyên Ngành Phần I: Lý Thuyết Cơ Sở

Phần I: LÝ THUYẾT CƠ SỞ

1.1 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP:

Các bộ biến đổi xung áp có chức năng biến đổi mức điện áp xoay chiều về độ lớn và dạng sóng nhưng tần số không thay đổi Nguyên lý biến đổi xung áp là dùng một phần tử khóa nối tải vào nguồn trong một thời gian nhất định tx theo một chu kỳ lặp lại T Bằng cách thay đổi độ rộng xung tx trong khoảng 0 ÷ T, ta thay đổi được giá trị trung bình của điện áp ra tải trong chu kỳ T Nguyên lý biến đổi điện áp này

có ưu điểm là có thể thay đổi giá trị điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi rất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chủ yếu là trên phần tử đóng cắt rất nhỏ Bộ biến đổi xung áp được phân làm 2 loại: đó là biến đổi xung áp xoay chiều (XAAC) và biến đổi xung áp một chiều (XADC)

Các bộ XAAC được dùng để điều chỉnh giá trị điện áp xoay chiều với hiệu suất cao, XAAC chủ yếu sử dụng các thyristor mắc song song ngược hoặc triac để thay đổi giá trị điện áp trong mỗi nửa chu kỳ điện áp lưới theo góc mở α, từ đó mà thay đổi được giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải Góc mở α càng lớn, điện áp xoay chiều đặt lên phụ tải càng nhỏ và dòng điện xoay chiều qua phụ tải càng nhỏ Sơ đồ kết nối như vậy được dùng cho những ứng dụng có công suất thấp Ở nội dung đề tài chỉ khảo sát bộ biến đổi xung áp xoay chiều một pha

Các bộ XAAC được ứng dụng để điều khiển chiếu sáng, nhiệt độ đốt nóng, trong khởi động mềm và điều khiển tốc độ của máy bơm và quạt gió…

1.1.1 Các sơ đồ van:

(a) 2 SCR song song, (b)Triac, (c) 2 SCR và 2 diode (d) Cầu diode và 1 SCR, (e) 1 SCR và 1 diode

Trang 1

Đồ Án Chuyên Ngành Phần I: Lý Thuyết Cơ Sở

Để điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha, ta có thể sử dụng các sơ đồ sau:

- Sử dụng hai SCR nối song song ngược (hình a)

- Sử dụng một Triac về cấu tạo gồm hai SCR nối song song ngược và chỉ có một cực điều khiển (hình b) Sơ đồ này được ứng dụng trong trường hợp công suất nhỏ

- Sử dụng hai diode và hai SCR cathode nối chung để đơn giản hóa mạch điều khiển (hình c)

- Sử dụng bốn diode và một SCR để giảm giá thành trong trường hợp công suất lớn nhưng tăng tổn hao dẫn (hình c)

Trong bộ biến đổi xung áp xoay chiều, các linh kiện điện tử công suất làm việc ở chế độ dẫn-khóa theo chu kỳ của điện áp nguồn Sự chuyển mạch từ dẫn sang khóa một cách tự nhiên tùy theo dấu của điện áp đặt trên các linh kiện

1.1.2 Hoạt động với tải thuần trở:

Dạng dòng điện và áp ra theo góc kích α khi tải thuần trở.

Hình trên trình bày dạng điện áp ra tiêu biểu và dạng của dòng điện một pha được điều khiển bởi bộ XAAC một pha với tải là thuần trở Điện áp ra và dòng điện

có dạng đối xứng trong một nửa chu kỳ

Nếu điện áp vào có dạng vs= 2Vs.sinwt khi đó biên độ điện áp ra trong một nửa chu kỳ T theo góc kích α được tính theo công thức:

Trang 2

Đồ Án Chuyên Ngành Phần I: Lý Thuyết Cơ Sở

Chú ý: Biên độ điện áp ra Vo có thể thay đổi từ Vs ÷ 0 bởi việc thay đổi α từ 0 ÷

π Khi đó biên độ dòng điện ngõ ra bằng:

Hệ số công suất ngõ vào:

1.1.3 Hoạt động với tải trở cảm:

Dạng dòng điện và áp ra theo góc kích α khi tải trở cảm.

Do ảnh hưởng của độ từ cảm, dòng điện ngõ ra sẽ không đạt được giá trị 0 tại thời điểm wt = π, mà sẽ kéo dài tới thời điểm wt = β

Biểu thức dòng ngõ ra khi góc điều khiển từ α ÷ β có thể tính được từ công thức:

với Z = (R2+X L2): tổng trở của tải

φ = arctg(wL/R): góc pha của tải

Tại góc β dòng io sẽ giảm xuống bằng 0 Dựa vào công thức (1 có thể xác định được góc dẫn β nhờ vào điều kiện io = 0 tại thời điểm wt = β

Từ phương trình này có thể xác định được β

Trang 3

(2

Đồ Án Chuyên Ngành Phần I: Lý Thuyết Cơ Sở

Góc dẫn dòng θ = β – α phụ thuộc vào thời điểm góc kích α và góc pha của tải φ

Từ đó lập được mối quan hệ giữa góc dẫn dòng θ và góc kích α với góc pha φ đã được xác định Khi tăng góc kích α sẽ làm giảm góc dẫn dòng θ và biên độ dòng tải

sẽ giảm theo

Mối quan hệ giữa θ và α theo góc pha φ.

Biên độ áp ngõ ra được tính theo công thức:

Điện áp ngõ ra Vo có thể đạt được giá trị cực đại tại 2 giá trị φ = 0 khi đó β = π

và φ = 90 khi đó β = 2π – α Đặc tính đó được thể hiện rõ nét qua hình bên dưới:

Tại φ = 0 và φ = 90 thì hệ số công suất bằng 1

 Đặc tính cần thiết của tín hiệu điều khiển:

- Tín hiệu điều khiển phải độc lập với nhau ở mỗi nửa chu kỳ T

- Đối với tải thuần trở:

Biên độ điện áp ra Vo có thể thay đổi từ Vs ÷ 0 bởi việc thay đổi α từ 0 ÷ π Khoảng dẫn dòng sẽ kết thúc tại điểm cuối của mỗi nửa chu kỳ với xung điều khiển

là xung hẹp

Trang 4

Đồ Án Chuyên Ngành Phần I: Lý Thuyết Cơ Sở

→ Góc điều khiển nằm trong phạm vi 0 ≤ α ≤ π

- Đối với tải trở cảm:

+ Khi góc điều khiển α < φ:

Dòng điện trong một nửa chu kỳ sẽ kéo dài quá thời điểm π + α Do đó ở bán

kỳ âm khi nhận được tín hiệu điều khiển tại π + α thì bán kỳ âm sẽ bị bỏ qua (không dẫn) Điều này dẫn đến điện áp trên tải chỉ có trong một nửa chu kỳ và có dạng như mạch chỉnh lưu Để khắc phục trong trường hợp này ta sử dụng xung mồi có độ rộng đủ lớn Để khi qua thời điểm φ, vẫn còn xung kích làm dẫn Triac trong nửa bán kỳ còn lại

+ Khi góc điều khiển α = φ, từ (2 ta được:

Ta thấy góc dẫn dòng θ không thể vượt quá π, sẽ bằng 0 tại thời điểm α=φ

→ Góc điều khiển nằm trong phạm vi φ ≤ α ≤ π

1.2 BIẾN TẦN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN:

1.2.1 Giới thiệu chung:

Biến tần là một thiết bị biến đổi năng lượng điện một chiều hoặc xoay chiều có tần số f1 sang nguồn điện xoay chiều có tần số khác f2

Tần số của lưới điện quyết định tốc độ quay của từ trường trong stator Vì vậy bằng cách thay đổi tần số dòng điện stator ta có thể thay đổi tốc độ động cơ Ở bộ biến tần này yêu cầu điện áp và tần số ngõ ra phải thoả mãn tỉ số:

const f

U

=

Trang 5