Tài liệu NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM CÔNG SUẤT LỚN CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM CÔNG SUẤT LỚN CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Ths. Vũ Xuân Hùng, Bộ môn Trang bị điện - ĐHGTVT Nhóm Sinh viên: Nguyễn Văn Chinh, Đỗ Thế Thọ, Nguyễn Văn Út, Kiều Văn Vinh Lớp Trang bị điện – Điện tử K42 – ĐHGTVT 1. Đặt vấn đề Việc khởi động động cơ không đồng bộ có công suất lớn có nhiều vấn đề phức tạp. Do dòng điện khởi động rất lớn Ikhởi động = (5 ÷ 7) Iđịnh mức nên khi khởi động rất dễ gây cháy động cơ, và gây ra sụt áp trên lưới điện làm ảnh hưởng đến các thiết bị khác. Vì thế cần phải hạn chế dòng khởi động cho động cơ. Có nhiều phương pháp để hạn chế dòng khởi động: Dùng cuận kháng, máy biến áp tự ngẫu, đổi nối sao tam giác, mắc thêm điện trở phụ vào roto .v.v. Nhưng đều có nhược điểm là động cơ bị nhảy cấp tốc độ, gây ra tổn hao về điện, có tiếp điểm cơ khí nên dễ bị mài mòn .v.v. Để giải quyết được những hạn chế trên chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm công suất lớn cho động cơ không đồng bộ ba pha”. Ưu điểm của bộ khởi động này là tốc độ động cơ được tăng dần, không bị nhảy cấp, hạn chế tổn hao về điện; bộ điều áp sử dụng các triac hoặc thyristor nên không có tiếp điểm cơ khí nên độ bền cơ học cao. Thường được sử dụng trong các trạm bơm, lò nhiệt độ, hệ thống hút nhiên liệu trong các nhà máy hoặc các loại tải có mômen tỉ lệ với tốc độ như quạt gió .v.v. Đây là một đề tài có tính mở, bộ khởi động mềm có thể sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau; ngoài việc bộ biến đổi công suất dùng để khởi động động cơ, chúng ta còn có thể dùng để điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ. Trong bài báo này chúng tôi sẽ trình bày thiết kế về mạch lực, mạch điều khiển, mô phỏng để xác định các thông số kỹ thuật, giám sát các thông số của hệ thống bằng máy tính, .v.v. 2. Bộ điều áp ba pha Bộ điều chỉnh điện áp ba pha thường sử dụng các van công suất lớn như các transistor công suất, thyristor, hay triac. Các van này có chất lượng điều chỉnh rất tốt và là thiết bị không tiếp điểm. VB VA Vc VM Ua Uac/2 Uab/2 iB iA ThA Th'A ψ=π/3 ic Th'B ThC 0 π 2π θ Th'C V'C P C ha V'B P B ha V'A P A ha ThB Hình 1. Sơ đồ bộ điều áp ba pha dùng Thyristor ThA Th'A ThB Th'B ThC Th'C Hình 2. Dạng điện áp một pha(tải RL) 1 3. Mạch điều khiển Trong đề tài này chúng tôi sử dụng vi mạch TCA785 của hãng Siemen để điều khiển phát xung cho Triac. Vi mạch này có ưu điểm là độ tích hợp cao, chịu được dòng lớn, làm việc tin cậy, lắp mạch tương đối đơn giản…và trong công nghiệp, ngày nay người ta thường sử dụng chip này. So với điều khiển Thyristor, thì điều khiển Triac cần phải có xung điều khiển trong cả hai nửa chu kỳ. Để đảm bảo bộ điều áp làm việc tốt và ổn định chúng tôi đã sử dụng phương pháp tạo xung chùm để điều khiển Triac. Hình 3. Dạng tín hiệu trên các chân của TCA785 4. Luật khởi động mềm Một số thông số của luật khởi động được liệt kê dưới đây: Uboot : Điện áp đặt lúc khởi động cho động cơ Tqđ: Thời gian quá độ Uđk: Điện áp điều khiển vào chân 11 của TCA785 Uđm: Điện áp định mức cấp cho động cơ Amplifier: Khuyếch đại thuật toán ADC: Analog Digital convert DAC: Digital Analog convert. 2 Sơ đồ nguyên lý của bộ khởi động mềm : Hiển thị giá trị đặt Uboot PC tqđ Uboot tqđ ADC 0809 Micro Controller AT89C51 DAC 0808 Uđk Amplifier LF351 Hình 4. Sơ đồ khối môtả nguyên lý của bộ tạo luật khởi động mềm Ta có thể khởi động động cơ từ máy tính, hoặc từ các chiết áp trên mạch điều khiển bằng một nút chọn. Các giá trị đặt được hiển thị trên LED. Luật khởi động như sau : Động cơ khởi động với giá trị điện áp đặt (Uboot), sau đó điện áp được tăng dần tới giá trị điện áp định mức (Uđm) sau một khoảng thời gian quá độ(tqđ). Sau một thời gian động cơ sẽ giảm tốc độ và hoạt động với điện áp U2 (hình 6). Điện áp Uđk được so sánh với tín hiệu có dạng xung răng cưa được tạo ra bởi vi mạch TCA785 để xác định góc mở α , bằng cách đó điện áp đặt vào động cơ được điều khiển, có thể miêu tả như sau: Uđk giảm ==> góc mở α giảm ==> điện áp cấp cho động cơ tăng. U(V) U Uboot Urc Uđk U2 U1 t Uđm tqđ Hình 5. Uđk được so sánh với xung răng cưa Urc t(s) Hình 6. Đồ thị luật khởi động mềm 3 5. Xác định thông số tối ưu của luật khởi động bằng mô phỏng Việc xác định các thông số tối ưu cho luật khởi động mềm nếu thực hiện trên động cơ thực sẽ khó khăn và nhiều thời gian. Phần mềm Matlab & Simulink đã hỗ trợ các công cụ cần thiết để mô phỏng cả hệ thống; thông qua chương trình mô phỏng trên nền Simulink do chúng tôi xây dựng các thông số Uboot, tqđ, luật khởi động tuyến tính hoặc phi tuyến có thể đựợc xác định. Nhờ đó ta có thể quan sát các dạng tín hiệu điều khiển để tìm các thông số tối ưu cho việc khởi động cơ. Sơ đồ mô phỏng hệ thống như sau: Hình 7. Sơ đồ mô phỏng hệ thống trên nền Simulink/Matlab. 6. Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển Giao diện giám sát và điều khiển được viết bằng ngôn ngữ Visual Basic. Ngôn ngữ này hỗ trợ việc giao tiếp với máy tính qua cổng COM. Mặt khác việc xây dựng giao diện bằng Visual Basic khá đơn giản, tiết kiệm thời gian lập trình. Các chức năng của giao diện : Chọn thông số để mở cổng COM Chọn giá trị điện áp khởi động Chọn thời gian quá độ Hình 8. Giao diện giám sát và điều khiển 4 7. Kết luận Đây là một đề tài mang tính thực tiễn, mặc dù trong một thời gian ngắn nhóm nghiên cứu đã thu được những kết quả nhất định, như đã xây dựng thành công bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha (Hình 9) có thể lắp đặt sử dụng tại các trạm bơm, lò nhiệt độ .v.v. Mặt khác việc truyền thông với máy tính giúp người vận hành có thể điều khiển, giám sát hoạt động của hệ thống từ máy tính, điều này rất phù hợp với xu thế phát triển ngày nay. Trong giai đoạn tiếp theo, chúng tôi sẽ tiếp tục hoàn thiện sản phẩm, đặc biệt là việc điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ và phần mềm giao diện giúp người vận hành thuận lợi hơn trong việc điều khiển và giám sát hoạt động của cả hệ thống. Tài liệu tham khảo [1]. Joseph Vithayathil, Power electronics: princliples and applications. McGraw - Hill, Inc, 1995. [2]. Cyril W..Lander, Power electronics, McGraw - Hill, Inc, 1992. Hình 9. Mạch điều khiển của bộ khởi động mềm (phiên bản đầu tiên). 5