ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BA PHA THEO NGUYÊN TẮC ĐIỀU RỘNG XUNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ & CÔNG NGHỆ

LƯU NGỌC TUẤN

Đề tài tốt nghiệp:

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BA PHA THEO
NGUYÊN TẮC ĐIỀU RỘNG XUNG

Tp. Hồ Chí Minh
Tháng 08 năm 2008


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ & CÔNG NGHỆ

Đề tài tốt nghiệp:

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BA PHA THEO
NGUYÊN TẮC ĐIỀU RỘNG XUNG

Chuyên ngành: Điều Khiển Tự Động

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Th.S. PHẠM ĐỨC DŨNG

LƯU NGỌC TUẤN
MSSV: 04138014

Tp. Hồ Chí Minh
Tháng 08 năm 2008


MINSTRY OF EDUCATION AND TRAINING
NONG LAM UNIVERSITY
FACULTRY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY

Thesis:

AUTOMATIC CONTROL REVOLUTION OF THREE
PHASE MOTOR BY PULSE WIDTH MODULATION

Speciality: AUTOMATIC CONTROL

SUPERVISOR:
MSc, Pham Duc Dung

STUDENT:
Luu Ngoc Tuan
Student ID: 04138014

Ho Chi Minh City
August, 2008

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên con xin gởi đến cha mẹ, những người đã sinh thành, thương yêu
và nuôi dưỡng để con có thành quả ngày hôm nay, lời biết ơn trân trọng nhất.
Xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô Trường Đại Học Nông Lâm Tp. Hồ Chí
Minh, đặc biệt Thầy, Cô Khoa Cơ Khí – Công Nghệ đã thương yêu và truyền
đạt nhiều kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian học tập.
Em trân trọng gởi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô Bộ môn Điều Khiển Tự
Động, đã nhắc nhở và giúp em trong suốt thời gian làm đề tài.
Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Th.S. Phạm Đức Dũng, Th.S.
Nguyễn Bá Vương đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em về mọi mặt để hoàn
thành luận văn tốt nghiệp.
Cuối cùng xin cảm ơn tập thể lớp tự động K30 và tất cả các bạn trong khoa,
trường đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt qua trình thực hiện đề tài.

Tp. Hồ Chí Minh tháng 8 năm 2008
Sinh viên thực hiện:
Lưu Ngọc Tuấn


TÓM TẮT
Đề tài
“Điều khiển tốc độ quay của động cơ ba pha theo nguyên tắc điều rộng
xung cắt góc”
Xuất phát từ yêu cầu trong sản xuất, đôi khi động cơ ba pha cần có khoảng
thay đổi vận tốc để phù hợp với những phụ tải khác nhau. Với những tính ưu
việt có thể đáp ứng được: vận tốc dễ dàng điều khiển, tiết kiệm năng lượng,
giá thành thấp. Chọn phương pháp điều chế độ rộng xung để điều khiển vận
tốc quay của động cơ xoay chiều ba pha.
Sau khi tiến hành thực hiện đề tài đã thu được kết quả như sau:

- Board mạch điều rộng xung cắt góc hoạt động ổn định, khả năng
chống nhiễu cao.
- Động cơ ba pha công suất khoảng 1KW vận hành tốt theo yêu cầu.
- Mạch công suất không tăng nhiệt khi động cơ hoạt động.
- Viết phần mềm theo yêu cầu. Đối với mạch điều rộng xung đã có thể
điều chỉnh được tốc độ quay của động cơ.
Động cơ ba pha ứng dụng điều rộng xung vào điều khiển đã mang lại
những ưu điểm và hiệu quả sử dụng: khoảng điều chỉnh vận tốc tương đối
rộng, khả năng đáp ứng khi thay đổi vận tốc khá nhanh, vận tốc vẫn ổn định
tốt khi tải thay đổi.

GVHD:

SVTH:

Th.S: PHẠM ĐỨC DŨNG

LƯU NGỌC TUẤN

i


SUMMARY

Thesis:
AUTOMATIC CONTROL REVOLUTION OF THREE PHARSE MOTOR BY
PULSE WIDTH MODULATION
Starting from the requirement of production, sometimes the velocity of threephase motor has to have a wide change to match different loads. In addition,
with the superior response for: control velocity easily, economizing on energy,
cost price low. We select the method pulse width modulation-cutting angle to

control three-phase motor’s rotating velocity.
After experiment, we have some result as below.
- The board of pulse width modulation action impulse wide thing circuit
settle down, the capacity of anti-infective interference.
- Three phase motor about one KW power runs well as demand.
- Circuit power does not raise heat when motor is running.
- Software was written on demand. The board of pulse width modulation
circuit could tune motor velocity.
Three phase motor apply pulse width modulation to control carried always
excellent hybrid and productive to use: About relative velocity fader is wide,
the of response capacity is change quite fast, velocity still stable well when
loading change.

Advisor:
MSc, Duc Dung Pham

Done By:
NgocTuan, Luu

ii


MỤC LỤC
Trang
1. MỞ ĐẦU............................................................................................. 1
1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................ 1
1.2 Mục đích đề tài ................................................................................. 2
2. TRA CỨU TÀI LIỆU ........................................................................... 3
2.1 Động cơ xoay chiều ba pha .............................................................. 3
2.1.1 Giới thiệu .................................................................................... 3

2.1.2 Cấu tạo ....................................................................................... 4
2.1.3 Nguyên lý hoạt động ................................................................... 5
2.2 Ứng dụng.......................................................................................... 6
2.3 Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế động cơ một chiều ..... 7
2.4 Giới thiệu vể biến tần nguồn áp điều khiển V/f ................................. 7
2.4.1 Biến tần nguồn áp....................................................................... 7
2.4.2 Phương pháp E/f ........................................................................ 8
2.4.3 Phương pháp V/f ........................................................................ 8
2.5 Các phương pháp thông dụng điều khiển động cơ xoay chiều.........11
2.5.1 Phương pháp điều chế Sin PWM ...............................................11
2.5.2 Phương pháp điều chế vectơ không gian ...................................13
2.6 Giới thiệu về vi điều khiển ATMega8 ................................................14
2.6.1 Đặc điểm ....................................................................................15
2.6.2 Sơ đồ và chức năng các chân của ATMega8 .............................16
3. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN ................................................18
3.1 Phương pháp thực hiện đề tài ..........................................................18
3.1.1 Chọn linh kiện và phương pháp điều khiển..................................18
3.1.2 Phương pháp thực hiện mạch điều khiển ....................................18
3.1.3 Phương pháp thực hiện mạch công suất.....................................18
3.1.4 Phương pháp viết chương trình điều khiển .................................19
3.2 Phương tiện thực hiện đề tài ............................................................19
4. THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ...........................................................................20
i


4.1 Thực hiện bằng phương pháp Labview ...........................................20
4.2 Thực hiện bằng phương pháp dùng Vi điều khiển............................22
4.2.1 Sơ đồ khối của mạch điều khiển động cơ ..................................23
4.2.2 Mạch nguồn vi điều khiển ...........................................................24
4.2.3 Mạch cách ly...............................................................................25

4.2.4 Mạch so sánh lối vào ..................................................................27
4.2.5 Sơ đồ mạch điều kiển trên từng pha...........................................29
4.2.6 Sơ đồ mạch điều khiển ...............................................................30
4.2.7 Mạch động lực ............................................................................31
4.2.8 Mạch nạp vi điều khiển ...............................................................33
4.2.9 Kết nối mạch tổng hợp điều khiển tốc độ động cơ......................34
4.3 Thực hiện phần điều khiển ...............................................................35
4.3.1 Kiểm tra mạch nguyên lý ............................................................36
4.3.2 Thi công mạch ............................................................................39
4.3.3 Thử tải và khảo nghiệm ..............................................................40
5. KẾT LUẬN – ĐỂ NGHỊ.......................................................................41
5.1 Kết kuận ...........................................................................................41
5.2 Đề nghị .............................................................................................41
6.TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................42
7. PHỤ LỤC.

ii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1: Cấu tạo của động cơ ba pha ....................................................3
Hình 2.2: Lá thép kĩ thuật điện.................................................................4
Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động của động cơ............................................5
Hình 2.4: Quan hệ giữa moment va điện áp theo tần số..........................10
Hình 2.5: Nguyên lý của phương pháp điểu rộng Sin một pha ................11
Hình 2.6: Nguyên lý của phương pháp điều rộng sin 3 pha
và dạng sóng điện áp ngõ ra ..................................................................12
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu ba pha ................................13
Hình 2.8: Trạng thái đóng ngắt các khóa bộ nghịch lưu...........................14
Hình 2.9: Sơ đồ chân của ATMega8........................................................16

Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc bên trong của Atmega8 ..................................17
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly, nhận tín hiệu và biến tần.........20
Hình 4.2: Giao diện và khối chương trình điều khiển bằng Labview ........21
Hình 4.3: Sơ đồ khối điều khiển...............................................................22
Hình 4.4: Cấu tạo nguyên lý phần mạch nguồn cung cấp điện áp...........23
Hình 4.5: Sơ đồ khối của bộ nguồn .........................................................24
Hình 4.6: Sơ đồ chân và cấu tạo của MOC-3020 ....................................25
Hình 4.7: Sơ đồ phần cách ly giữa vi điểu khiển và động cơ ...................25
Hình 4.8: Sơ đồ chân và cấu tạo bên trong của LM2903.........................27
Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh lối vào ...................................27
Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý phần mạch điều khiển trên từng pha ..........28
Hình 4.11: Sơ đồ biểu diễn sự truyền nhận dữ liệu
giữa các mạch với nhau..........................................................................29
Hình 4.12: Sơ đồ mạch điều khiển cho 3 pha. .........................................30
Hình 4.13: Kí hiệu và các hình ảnh của BTA 40 ......................................30
Hình 4.14: Sơ đồ mạch động lực .............................................................31
Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp vi điều khiển ................................32
Hình 4.16: Sơ đồ khởi động từ đơn..........................................................32
iii


Hình 4.17: Cấu tạo nguyên lý Board mạch điều rộng xung cắt góc .........33
Hình 4.18 Sơ đồ nguyên lý của mạch kiểm tra ........................................35
Hình 4.19: Giao diện chương trình Bascom.............................................36
Hình 4.20: Sơ đồ kiểm tra mạch nguyên lý ..............................................37
Hình 4.21: Sơ đồ mạch in phần điều khiển ..............................................38
Hình 4.22: Sơ đồ mạch in phần điều khiển ..............................................39
Hình 4.23: Mạch hoàn chỉnh khi kết nối động cơ .....................................40
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 4.1: Các thông số đặc trưng của triac BTA40.................................31

Bảng 4.2: Thông số động cơ ...................................................................39
Bảng 4.3: Giá trị cường độ dòng điện ......................................................40
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮC, TÊN NƯỚC NGOÀI
ĐK
PWM

Điều khiển
Pulse Width Modulation

Điều rộng xung

TIMER

Bộ định thời

COUNTER

Bộ đếm

RXD

Receive Data

Nhận dữ liệu

TXD

Transmit Data

Truyền dữ liệu

AC Motor

Động cơ dùng nguồn xoay chiều

IA, IB, IC, IO

Dòng điện trên 3 dây pha và pha
trung tính

iv


1.

MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh của các ngành công-nông nghiệp,
bên cạnh các dạng truyền động dùng thủy lực, khí nén, truyền động điện được
sử dụng vô cùng rộng rãi và đã trở thành một khâu chấp hành (actuator)
không thể thiếu được trong mọi quá trình tự động. Ở đâu có chuyển động cơ
học, ở đó cần động cơ điện làm khâu trung gian để chuyển hóa điện năng
thành dòng cơ năng với những đặc tính cần thiết. Việc điều khiển chính xác
dòng cơ năng tạo nên các chuyển động phức tạp của dây chuyền công nghệ
là nhiệm vụ của hệ thống truyền động. Sự xâm nhập của kĩ thuật vi tính, đặc
biệt là kĩ thuật vi xử lý tín hiệu đã cho phép giải quyết các thuật toán phức tạp
điều khiển động cơ xoay chiều ba pha trong điều kiện thời gian thực với chất
lượng rất cao. Vì vậy ứng dụng điều rộng xung bằng phương pháp cắt góc
vào điều khiển tốc độ động cơ đã trở nên phổ biến bởi những tính ưu việt mà

nó mang lại. Động cơ ba pha sử dụng điều rộng xung cắt góc với một nguồn
điện có sẵn sẽ có khoảng giá trị vận tốc thay đổi, dễ dàng điều khiển tốc độ
theo yêu cầu sử dụng. Đặt biệt giá thành thấp hơn so với việc sử dụng các
loại biến tần (chủ yếu là nhập từ nước ngoài còn rất đắt) nên việc ứng dụng
điều rộng xung cắt góc vào điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha đáp
ứng nhu cầu đề ra mà giá thành thì phù hợp sẽ tạo điều kiện dễ dàng đưa vào
phục vụ sản xuất và đời sống.
Điều đó đã dẫn tới xu hướng thay thế dần truyền động điện một chiều bởi
truyền động điện xoay chiều ba pha với mọi ưu thế: ít phải bảo dưỡng, kích
thước nhỏ, tỉ lệ giá thành/công suất nhỏ, dễ chế tạo và ít nguy hiểm trong môi
trường dễ cháy, dễ nổ (do không có đánh lửa cổ góp điện).

1


1.2 Mục đích luận văn
Tính toán và thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ ba pha theo nguyên tắc
điều rộng xung cắt góc.
Kiểm tra, đánh giá dạng sóng điện áp ngõ ra.
1.3 Từ mục đích chung của luận văn cần thực hiện các nội dung sau
Thực hiện phần cứng
Thiết kế và chế tạo mạch nguồn cung cấp.
Thiết kế và chế tạo mạch vi điều khiển.
Thiết kế mạch cách ly.
Thiết kế mạch so sánh lối vào.
Thiết kế mạch công suất.
Thực hiện phần mềm
Thiết kế và viết phần mềm đọc tính hiệu, xử lý tín hiệu, phát tín hiệu duy trì
tốc độ động cơ.
Viết lưu đồ giải thuật, viết chương trình điều khiển cho vi xử lý ATMega8.

Khảo nghiệm và đánh giá hoạt động của mô hình.

2


2. TRA CỨU TÀI LIỆU

2.1 Động cơ xoay chiều [3]
2.1.1 Giới thiệu
Động cơ xoay chiều ba pha được sử dụng rất phổ biến ngày nay với vai trò
cung cấp sức kéo trong hầu hết các hệ thống máy công nghiệp. Công suất
của các động cơ ba pha có thể đạt đến công suất 500 kW (tương đương 670
hp) và được thiết kế tuân theo quy chuẩn cụ thể.
2.1.2 Cấu tạo

Hình 2.1: Cấu tạo của động cơ ba pha.
a) Phần tĩnh (Stato)
Stato có cấu tạo gồm vỏ máy, lỏi sắt và dây quấn.
+ vỏ máy
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch
dẫn từ. Thường vỏ máy được làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương
đối lớn (1000 kW) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy. Tùy theo
cách làm nguội máy mà dạng vỏ máy cũng khác nhau.
+ lõi sắt

3


Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để
giảm tổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kĩ thuật điện ép lại. Khi

đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 90mm thì dùng cả tấm tròn ép lại. Khi đường
kính ngoài lớn hơn thì dùng những tấm hình rẻ quạt (hình 2.2) ghép lại.

Hình 2.2: Lá thép kĩ thuật điện.
+ Dây quấn
Dây quấn stato được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi
sắt.
b) Phần quay (rôto)
Rôto có hai loại chính: rôto kiểu dây quấn và rôto kiểu lồng sóc.
+ Rôto kiểu dây quấn
Rôto có dây quấn như dây quấn của stato. Dây quấn ba pha của rôto
thường đấu hình sao còn ba pha đầu kia được nối vào vành trượt thường làm
bằng đồng, đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu vào
mạch điện bên ngoài. Đặc điểm là thông qua chổi than có thể đưa điện trở phụ
hay suất điện động phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng mở máy,
điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc
bình thường dây quấn rôto được nối ngắn mạch. Nhược điểm so với động cơ
rôto lòng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháy
nổ.
+ Rôto kiểu lòng sóc
Kết cấu loại dây quấn này rất khác so với dây quấn stato. Trong mỗi rãnh
của lõi sắt rôto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và
được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm
thành một cái lồng mà ta quen gọi là lồng sóc.
4


+ Khe hở không khí
Vì rôto là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện ba pha rất
nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho

hệ số công suất của máy cao hơn.
2.1.3 Nguyên lý hoạt động

Hinh 2.3: Nguyên lý hoạt động của động cơ.
Khi nam châm quay (tốc độ n1 vòng/phút) làm đường sức từ quay cắt qua
các cạnh của khung dây cảm ứng gây nên sức điện động E trên khung dây.
Sức điện động E sinh ra dòng điện I nằm trong từ trường nên khi từ trường
quay làm tác động lên khung dây một lực điện từ F. Lực điện từ này làm
khung dây chuyển động với tốc độ n vòng/phút.
Động cơ xoay chiều có dây quấn ba pha phía stato, rôto của động cơ là
một bộ dây quấn ba pha có cùng số cực trên lõi thép của rôto.
Khi stato được cấp bởi nguồn ba pha cân bằng với tần số f, từ trường
quay với tốc độ db sẽ được tạo ra. Quan hệ giữa từ trường quay và tần số f
của nguồn ba pha là:
db=

2 f 1
= ( rad/s)
p
p

(2.1)

Trong đó:
p: số đôi cực.
1: tần số góc của nguồn ba pha cung cấp động cơ 1=2f.

5

Nếu tốc độ quay của rôto là , độ sai lệch giữa tốc độ từ trường quay stato
và rôto là:
sl = db -  = s. db

(2.2)

Trong đó: sl gọi là tốc độ trượt
Thông số s gọi là độ trượt, ta có :
s = (db - )/db

(2.3)

Vì có tốc độ tương đối giữa rôto và từ trường quay stato nên điện áp cảm
ứng ba pha sẽ được sinh ra trong rôto. Tần số của điện áp này sẽ tỉ lệ với độ
trượt theo công thức:
r = s *1 (rad/s)

(2.4)


M=- p2mFmsinr

(2.5)

Moment động cơ sinh ra:
2

Trong đó:
p: từ thông trên 1 cực(Wb).
Fm: giá trị đỉnh của sức từ động rôto.

: góc lệch pha giữa sức từ động rôto và sức từ động khe hở không
khí.
2.2 Ứng dụng
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm
động cơ điện (đặc biệt là loại rôto lòng sóc), có nhiều ưu điểm hơn so với
động cơ DC. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao nên
động cơ không đồng bộ là loại máy được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp,
nông nghiệp, đời sống hằng ngày.
Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ ba pha thường được dùng
làm nguồn động lực cho các loại máy cán thép vừa và nhỏ, cho các máy công
cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ…
Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản
phẩm ...

6


Trong đời sống hằng ngày, động cơ không đồng bộ ba pha càng chiếm
một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh,
máy quay dĩa…
Tóm lại, cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động
hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ba pha ngày càng rộng
rãi.
2.3 Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế máy điện một chiều
So với động cơ một chiều, việc điều khiển động cơ xoay chiều gặp nhiều
khó khăn bởi các thông số của động cơ xoay chiều là các thông số biến đổi
theo thời gian, cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc của động cơ điện
xoay chiều so với động cơ điện một chiều.
Cho nên việc tách riêng điều khiển giữa moment và từ thông để có thể
điều khiển độc lập đòi hỏi một hệ thống có thể tính toán cực nhanh và chính

xác trong việc qui đổi các biến đơn giản. Vì vậy cho đến gần đây phần lớn
động cơ xoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các
phương pháp điều khiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu
suất kém.
Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ xoay chiều chính là làm thế
nào để có thể dể dàng điều khiển được tốc độ của nó như việc điều khiển của
động cơ DC. Vì vậy một ý tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều
thành một máy điện một chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời. Đó
chính là điều khiển vectơ. Điều khiển vectơ cho phép điều khiển từ thông và
moment hoàn toàn độc lập với nhau qua điều khiển giá trị tức thời của dòng
(động cơ tiếp dòng), hoặc giá trị tức thời của áp(động cơ tiếp áp).
2.4 Giới thiệu vể biến tần nguồn áp điều khiển V/f [1]
2.4.1 Biến tần nguồn áp
Được sử dụng hầu hết trong các biến tần hiện nay. Tốc độ của động cơ
không đồng bộ tỉ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp. Do đó, nếu thay đổi
tần số của nguồn cung cấp cho động cơ thì cũng sẽ thay đổi được tốc độ
đồng bộ và tương ứng là tốc độ động cơ.

7


Tuy nhiên nếu chỉ thay đổi tần số mà giữ nguyên biên độ nguồn áp cấp cho
động cơ sẽ làm cho mạch từ của động cơ bị bão hòa. Điều này dẫn đến dòng
từ hóa tăng, méo dạng điện áp và dòng điện cung cấp cho động cơ gây ra tổn
hao lõi từ, tổn hao đồng trong dây quấn stato. Ngược lại, nếu từ thông giảm
dưới định mức sẽ làm giảm moment động cơ.
Vì vậy, khi giảm tần số nguồn cung cấp cho động cơ nhỏ hơn tần số định
mức thường đi đôi với giảm điện áp cung cấp cho động cơ. Và khi động cơ
hoạt động với tần số định mức thì điện áp động cơ được giữ không đổi và
bằng định mức do giới hạn cách điện của stato cũng như của điện áp nguồn

cung cấp, moment của động cơ sẽ bị giảm.
2.4.2 Phương pháp E/f
Ta có công thức sau:
a

f

(2.6)

f đm

Với f -tần số hoạt động của động cơ, fđm - tần số định mức của động cơ.
Giả sử động cơ hoạt đông dưới tần số định mức (a<1 ). Từ thông động cơ
được giữ ở giá trị không đổi. Do từ thông động cơ phụ thuộc vào dòng từ hóa
của động cơ nên từ thông được giữ không đổi khi dòng từ hóa được giữ
không đổi tại mọi điểm làm việc của động cơ.
Phương trình dòng từ hóa tại điểm làm việc định mức như sau:
Im =( Eđm / fđm ) * (1/ 2πLm )

(2.7)

+ Với Lm là điện cảm mạch từ hóa.
Tần số làm viêc f:
Im =( E /a * fđm ) * (1/ 2πLm )

(2.8)

Từ hai phương trình trên suy ra để dòng điện từ hóa không đổi:
Eđm=

E E đm
E


 const
f
f đm
a

(2.9)

Như vậy từ thông động cơ được giữ không đổi khi tỉ lệ E/f được giữ không
đổi (E/f = const)

8


2.4.3 Phương pháp V/f [1]
Tuy nhiên trong thực tế việc giữ từ thông không đổi đòi hỏi mạch điều kiển
rất phức tạp. Nếu bỏ qua sụt áp trên điện trở và điện kháng tản mạch stato, ta
có thể xem U  E. Khi đó nguyên tắc điều khiển E/f=const được thay thế bằng
phương pháp V/f=const.
Trong phương pháp V/f=const (gọi tắt V/f), như đã trình bày ở trên thì tỉ số V/f
được giữ không đổi và bằng giá trị tỉ số này ở định mức. Lưu ý là khi moment
tải tăng, dòng động cơ tăng làm gia tăng sụt áp điện trở trên Stato dẫn đến E
giảm nghĩa là từ thông động cơ giảm. Do đó động cơ không hoàn toàn làm
việc ở chế độ từ thông không đổi.
Ta có công thức moment định mức ứng với sơ đồ đơn giản của động cơ:

'

2 R2

.
Vđm
3 
s
.
M=
2
'
wdb  
R 
 R1  2   X 1  X 2'

s 








2 



(2.10)



Và moment cực đại ở chế độ định mức:

2
V đm
3 
.
Mmax=
2 wđb  R  R 2  a 2 X  X '
1
1
2
 1





2






(2.11)

Khi thay các giá trị định mức bằng giá trị đó nhân với tỉ số a (a.đm, a.Vđm,
a.X), ta có được công thức moment của động cơ ở tần số khác định mức.


'
2 R2

V đm
.
3 
as
.
M=
2
'
wdb   R
R2 
'
 1

  a  as   X 1  X 2








 ;(a<1)
2 





(2.12)

Và moment cực đại ở tần số f khác định mức:


2
Vđm
3 
Mmax=
.
2
2 wđb  R
 R1 
1

 X 1  X 2'


 a
a
 






9

2




 ;(a<1)




(2.13)


Dựa theo công thức trên ta thấy, các giá trị X1 và X2’ phụ thuộc vào tần số,
trong khi R1 lại là hằng số. Như vậy khi hoạt động ở tần số cao, giá trị
(X1+X2’)>>R1/a, sụt áp trên R1 rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ
thông được giữ gần như không đổi. Moment cực đại của động cơ gần như
không đổi.
Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R1/a sẽ tương đối
lớn so với giá trị (X1+X2’), dẫn đến sụt áp nhiều ở điện trở stato khi moment tải
lớn. Điều này làm cho E bị giảm và dẫn đến suy giảm từ thông và moment cực
đại.
Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp. Ta sẽ cung cấp thêm cho
động cơ một điện áp U0 để cung cấp cho động cơ từ thông định mứckhi f=0.
Từ đó ta có quan hệ như sau:
U =U0 + K.f
Với K là hằng số được chọn sao cho giá trị U cấp cho động cơ bằng Uđm tại
f=fđm.
Khi a>1 (f>fđm), điện áp được giữ không đổi và bằng định mức. Khi đó động cơ

hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông.
Khi đó moment và momenr cực đại của động cơ tại tần số f cung cấp sẽ là:

'
2 R2

V đm .
3 
as
M=
.
2
'
wdb  
R2 
2
'


  R1  s   a X 1  X 2








 ;(a>1)
2 






(2.14)

Và moment cực đại ở tần số f:

2
V đm
3 
Mmax=
.
2 wđb  R  R 2  a 2 X  X '
1
1
2
 1





2


 ;(a>1)



(2.15)

Sau đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số
trong phương pháp điều khiển V/f=const.

10


Hình 2.4: Quan hệ giữa moment va điện áp theo tần số.
2.5 Các phương pháp thông dụng điều khiển động cơ xoay chiều /8;1/
Có nhiều phương pháp để điều khiển bộ nghịch lưu áp để tạo ra điện áp
có tần số và biên độ mong muốn cung cấp cho động cơ. Trong nội dung xin
khái quát hai phương pháp đó là:
Phương pháp điều rộng xung (SinPWM)
Phương pháp điều chế vectơ không gian (Space Vector)
2.5.1 Phương pháp điều chế Sin PWM [1]
a) Giới thiệu
Để tạo ra một điện áp xoay chiều bằng phương pháp sin PWM ta sử dụng
một tín hiệu xung tam giác tần số cao đem so sánh với một điện áp sin chuẩn
có tấn số f. Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ biến tần một pha khi đó
ngõ ra sẽ thu được một điện áp có 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 biên độ sóng sin mẫu và sóng mang. Tần số sóng
mang phải lớn hơn tần số sóng sin mẫu. Sau đây là hình vẽ miêu tả nguyên lý
của phương pháp điều rộng sin một pha.

11

Hình 2.5: Nguyên lý của phương pháp điểu rộng sin một pha.
Khi :
VControl > VTri thì VAO = VDC /2
VControl < VTri thì VAO = -VDC /2
Như vậy để tạo nguồn điện ba pha dạng điều rộng xung, ta cần có nguồn
sin ba pha mẫu và giản đồ kích đóng của ba pha sẽ được thể hiện như hình
vẽ dưới đây :

12


Hình 2.6: Nguyên lý của phương pháp điều rộng sin 3 pha và dạng sóng điện
áp ngõ ra.
b) Các công thức:
Ta cần tính được biên độ hài bậc nhất của điện áp ngõ ra từ tỉ số biên độ
giữa sóng mang và sóng tam giác.
Ta có công thức sau tính biên độ của hài bậc nhất :
USIN(1) = ma.

U DC
2

(2.11)

Trong đó : ma là tỉ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóng mang – còn
gọi là tỉ số điều biên.

13

ma =

U dk
U carry

(2.12)

2.5.2 Phương pháp điều chế vectơ không gian [8]
Giới thiệu chung
Sau đây là sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần sử dụng 6 khóa transitor công
suất :

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu ba pha.
Đối với phương pháp điều rộng xung vectơ không gian, bộ nghịch lưu
được xem như một khối duy nhất với 8 trạng tái đóng ngắt riêng biệt từ 0 đến
7.
Ý tưởng của việc điều chế vectơ không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên
tục của vectơ không gian tương ứng của vectơ điện áp bộ nghịch lưu trên quỹ
đạo đường tròn, tương tự như trường hợp vectơ không gian của đại lượng ba
pha hình sin tạo được. Với sự dich chuyển đều đặn của vectơ không gian trên
quỹ đạo tròn các sóng hài bậc cao được loại bỏ và biên độ áp ra trở nên tuyến
tính. Vectơ tương đương ở đây chính là vectơ trung bình trong thời gian một
chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển nghịch lưu áp .

14


Hình 2.8: Trạng thái đóng ngắt các khóa bộ nghịch lưu.
2.6 Giới thiệu về bộ vi điều khiển ATMega8 [2;6]
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 giữ thông
tin, xử lý thông tin, đo thời gian , . . .
Vi điều khiển được coi là trái tim, là bộ não của nhiều thiết bị thông dụng.
nó có thể ghép nối với motor, các loại màn hình hiển thị khác nhau (đóng vai
trò thiết bị lối ra) với máy tính PC, đọc các thông số của bộ cảm biến, thậm chí
có thể nối mạng với các vi điều khiển khác. Vi điều khiển có thể thực hiện tất
cả các chức năng kể trên mà thông cần nhiều linh kiện phụ trợ. Điều này dẫn
đến một hệ thống gọn, nhỏ với độ tin cậy cao và giá thành hấp dẫn (vì số
lượng linh kiện và các điểm nối bên trong ít hơn).
2.6.1 Đặc điểm
Điện áp nguồn nuôi: 4.5 – 5.5 VDC.
15