BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ
Đề tài:
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHASE
220V BẰNG PHƯƠNG PHÁP V/F
GVHD: ThsTrầnVănHùng
SVTH : Trần Duy Hưng MSSV: 10370231
Lê Kim Tân MSSV: 10313621
Lớp : DHDT6ALT  HCM 6/2012  LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, biến tần đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong tất cả
các hệ thống truyền động điện trong công nghiệp, nông nghiệp cũng như

I. GIỚI THIỆU VỀ ĐC KĐB 3 PHA 1
1. Giới thiệu chung 1
2. Cấu tạo 1
2.1. Phần tĩnh 1
2.1.1. Vỏ máy 1
2.1.2. Dây quấn 2
2.1.3. Lõi thép 2
2.2. Phần quay 2
2.2.1. Lõi thép Roto 2
2.2.2. Trục máy 3
2.2.3. Dây quấn 3
2.3. Khe hở 4
2.4. Những đại lượng ghi trên động cơ 4
3. Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB 3 pha 4
3.1. Nguyên lý làm việc 4
3.2. Cách đấu dây động cơ KĐB 3 pha 5
4. Các phương pháp điều khiển tốc độ ĐC KĐB thường dùng 5
II. VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A
1. Tổng quan về PIC 16F877A 7
2. Tóm tắt cấu trúc phần cứng 7
2.1. Sơ đồ chân 7
2.1.1. Sơ đồ chân 7
2.1.2. Chức năng các chân 8
2.2. Sơ đồ khối 9
III. PHƯƠNG PHÁP PWM
1. Định nghĩa 10
2. Nguyên lý của phương pháp PWM 11
3. Ứng dụng của phương pháp PWM 12
IV. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN V/F
1. Tại sao phải điều khiển V/F 12

3. Lưu đồ giải thuật PWM theo phương pháp V/F 39
4. Lưu đồ giải thuật cho VB 45
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
1. Phần cứng 47
2. Giao diện giao tiếp người sử dụng 47
Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F

GVHD: Ths Trần Văn Hùng SVTH: Trần Duy Hưng
1 Lê Kim Tân

PHẦN I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
I. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
1. Giới thiệu chung
Động cơ điện không đồng bộ ba pha (AC Induction Motor) được sử
dụng rất phổ biến ngày nay với vai trò cung cấp sức kéo trong hầu hết các
hệ thống máy công nghiệp, nông nghiệp cũng như dân dụng. Công suất
của các động cơ không đồng bộ có thể đạt đến 500KW và được thiết kế
tuân theo quy chuẩn cụ thể nên có thể thay thế cũng như sửa chữa rất dễ
dàng. Bên cạnh đó, động cơ điện không đồng bộ còn có ưu điểm dễ chế
tạo và vận hành nên ngày càng được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực.
2. Cấu tạo
Động cơ không đồng bộ gồm có phần tĩnh (Stato) và phần động (Roto) Hình I.1: Cấu tạo chung của động cơ không đồng bộ 3 pha
2.1. Phần tĩnh (Stato):


GVHD: Ths Trần Văn Hùng SVTH: Trần Duy Hưng
3 Lê Kim Tân

Cũng làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại giống như ở Stato.
Lõi thép được ép trực tiếp lên trục, bên ngoài có xẻ các rãnh để đặt dây
quấn.
2.2.2. Trục máy:
Được làm bằng thép, có gắn lõi thép Roto. Trục được đỡ trên nắp máy
nhờ có ổ lăn hay ổ trượt.
2.2.3. Dây quấn Roto:
Tùy theo động cơ không đồng bộ mà ta chia ra Roto dây quấn hay Roto
lồng sóc.
2.2.3.1. Roto dây quấn:
Roto dây quấn có kiểu giống như dây quấn Stato và có số cực bằng số
cực ở Stato. Trong động cơ trung bình và lớn thì dây quấn được quấn theo
kiểu sóng hai lớp để giảm bớt các đầu nối, kết cấu dây quấn chặt chẽ.
Trong động cơ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn ba
pha của động cơ thường đấu hình sao, ba đầu ra của nó nối với ba vòng
trượt đồng thau gắn trên trục của Roto. Ba vòng trượt này cách điện với
nhau và với trục.Tỳ trên ba vòng trượt là ba chổi than.Thông qua chổi than
có thể đưa điện trở phụ vào mạch Roto, có tác dụng cải thiện tính năng mở
máy, điều chỉnh tốc độ, hệ số công suất được thay đổi.
2.2.3.2. Roto lồng sóc:
Kết cấu rất khác với dây quấn Stato. Các dây quấn là các thanh đồng
hay thanh nhôm đặt trên các rãnh lõi thép Roto. Hai đầu các thanh dẫn nối
với các vòng đồng hay nhôm gọi là vòng ngắn mạch. Như vậy dây quấn
Roto hình thành một cái lồng quen gọi là lồng sóc.
Ngoài ra, dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi thép. Rãnh
Roto có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc thành hai rãnh gọi là lồng sóc

đm
Tốc độ quay định mức (Vòng/phút).
 f
đm
Tần số định mức (Hz).
3. Nguyên lý làm việc của động cơ 3 phase
3.1. Nguyên lý làm việc
Khi nối dây quấn Stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, hệ thống dòng
xoay chiều ba pha chạy vào dây quấn sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ:
ω
1
=




f
1
: tần số dòng điện chạy trong dây quấn Stato.
Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F

GVHD: Ths Trần Văn Hùng SVTH: Trần Duy Hưng
5 Lê Kim Tân

p : số cặp cực.
Từ trường quay quét qua các thanh dẫn Roto cảm ứng trong dây quấn
Roto sức điện động E
2
, sinh ra dòng điện I
2

Tùy theo điện áp của lưới điện mà ta đấu dây Stato theo hình Y hay Δ.
Mỗi động cơ điện ba pha gồm có ba dây quấn pha. Khi thiết kế người ta đã
quy định điện áp định mức cho mỗi dây quấn. Động cơ điện phải làm việc
đúng với điện áp quy định ấy. Để thuận tiện cho việc đấu động cơ, người
ta kí hiệu 6 đầu dây của ba cuộn là AX, BY, CZ .
Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F

GVHD: Ths Tr
ầ
n Văn Hùng

SVTH: Tr
ầ
n Duy Hưng

Cách đấu 6 đầu dây như thế nào để điện áp vào động cơ luôn là định
mức:
Động cơ ba pha có điện áp định mức cho mỗi pha dây quấn là 220V
(U
p
=220V), trên động cơ ghi thông số Δ/Y 220V/380V.
 Nếu động cơ làm việc ở mạng điện có Ud = 380V thì động cơ phải
đấu theo hình Y:
I
d
= I
p
; U
d
= √3 U


Đấu hình sao
Đấu hình tam giác
Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F

GVHD: Ths Trần Văn Hùng SVTH: Trần Duy Hưng
7 Lê Kim Tân

II. VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A
1. Tổng quan về PIC16F877A
Vi điều khiển PIC 16F877A là 1 vi điều khiển thuộc họ 16Fxxx với các
thông số cơ bản như sau:
 Tập lệnh gồm có 35 lệnh có độ dài 14 bit. Mỗi lệnh thực hiện trong
1 chu kì xung Clock.
 Tốc độ tối đa cho phép là 20 MHz .
 Bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit.
 Bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM.
 Bộ nhớ dữ liệu EEPROM 256x8 byte.
 5 Port I/O với 33 PIN.
 2 Timer 8 bit, 1 Timer 16 bit.
 2 module Capture, Compare, PWM.
 Các chuẩn giao tiếp SSP (Synchnous Serial Port), SPI và I2C.
 Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART 9 bit.
 Cổng giao tiếp PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển
RD, WR, CS từ bên ngoài.
 8 kênh chuyển đổi Analog 10 bit.
 Bộ nhớ Flash có khả năng ghi xóa 100.000 lần.
 Bộ nhớ EEPROM có thể ghi xóa 1.000.000 lần.
 Dữ liệu EEPROM có thể lưu trữ được tới trên 40 năm.
 Chế độ tạm nghỉ để tiết kiệm điện năng.

 RC0 làm ngõ ra bộ dao động hoặc ngõ vào của Timer1.
 RC1, RC2 có cùng 3 chức năng: Ngõ ra PWM, Capture,
Compare. RC1 còn là ngõ vào dao động Timer1.
 RC3: Ngõ vào xung tuần tự đồng bộ.
 RC6: Chân phát dữ liệu nối tiếp.
 RC7: Chân nhận dữ liệu nối tiếp.
 Port D: Port I/O gồm 8 chân từ 19-22, 27-30 tương ứng RD0-RD7.
 Port E: Gồm các chân 8,9,10 và thường được dùng để chọn/đọc/ghi
cho port slave song song.
 Các chân khác.
 Chân 13(OSC1/CLKI): Tiếp nhận xung ngoài dao động.
 Chân 14(OSC2/CLKO): Ngõ ra dao động thạch anh.
 Chân 1: Ngõ vào Reset.
 Chân 12,31 nối đất Vss. Chân 11, 32 nối nguồn V
DD.

2.2. Sơ đồ khối các chức năng PIC 16F877A
Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F

GVHD: Ths Trần Văn Hùng SVTH: Trần Duy Hưng
10 Lê Kim Tân Hình I.6: Sơ đồ khối PIC 16F877A
Ghi chú: Chi tiết về PIC 16F877A xem trong Datasheet PIC 16F877A
III. PHƯƠNG PHÁP PWM (PULSE WIDTH MODULATION)
1. Định nghĩa
PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra
tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng
của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra trên tải. Các PWM

nguồn cung cấp cho tải. Vì vậy với t
o
thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung
cấp toàn bộ , một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải.
Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :
Gọi t
1
là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở) còn T là thời gian của
cả sườn âm và dương, U
max
là điện áp nguồn cung cấp cho tải.
=> Ud = U
max
.( t
1
/T) (V)
3. Ứng dụng của phương pháp PWM
PWM được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điều khiển. Lấy điển hình
nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ băm
xung áp, điều áp Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm của động cơ hay
cao hơn nữa nó còn được dùng để điều khiển ổn định tốc độ động cơ.
Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM nó còn tham gia và
điều chế các mạch nguồn như là: boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha
Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công
suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định.
Như vậy PWM được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện điện tử
trong thực tế. Phương pháp PWM cũng thường được các đội Robocon sử
dụng để điều khiển động cơ hay ổn định tốc độ động cơ.
IV. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN V/f
1. Tại sao phải điều khiển V/f = Const

Giả sử động cơ hoạt động dưới tần số định mức (a<1). Từ thông động
cơ được giữ ở giá trị không đổi. Do từ thông của động cơ phụ thuộc vào
dòng hóa từ của động cơ nên động cơ được giữ không đổi khi dòng từ hóa
được giữ không đổi tại mọi thời điểm làm việc của động cơ.
Ta có phương trình tính dòng từ hóa tại điểm làm việc định mức như sau:
I
m
=

đ

đ
.




Với L
m
là điện cảm mạch từ hóa
Tại tần số làm việc f:
I
m
=

.
đ
.



Ta có công thức tính Moment với sơ đồ đơn giản của động cơ:
M=

ω



đ

.
′





′





(


′

)



,
a.X) ta sẽ có công thức tính Moment ở tần số f khác định mức:
M=


đ


đ

.
′

.





′

.



(


′


Với ω = 2.π.f
Dựa theo công thức trên ta thấy các giá trị X
s
X’
r
phụ thuộc vào tần số
còn giá trị R
s
thì không phụ thuộc tần số. Như vậy, khi hoạt động ở tần số
cao, giá trị (+′)

>>



nên ta coi sụt áp trên R
s
là rất nhỏ nên giá trị
E suy giảm rất ít nên ta coi như từ thông không thay đổi. Dẫn tới Moment
cực đại của động cơ được giữ gần như không đổi.
Tuy nhiên, khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị



sẽ tương đối lớn so
với giá trị của (+ ′)

dẫn đến sụt áp nhiều ở Stator khi Moment tải
Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F


 Cho phép nối mạng.
 Có thể tháo lắp thiết bị trong khi máy tính đang làm việc.
 Có thể cung cấp nguồn cho các mạch đơn giản.
Các thiết bị kết nối được chia làm thành 2 loại DTE (Data Teminal
Equipment) và DCE (Data Communication Equipment). Các thiết bị DCE
là các thiết bị trung gian như MODEM còn DTE là các thiết bị tiếp nhận
dữ liệu như máy tính, PLC, vi điều khiển… Việc trao đổi tín hiệu thông
thường qua 2 chân là RxD (nhận) và TxD (phát). Các tín hiệu còn lại có
chức năng hỗ trợ thiết lập và điều khiển quá trình truyền nhận, được gọi là
các thiết bị bắt tay (Handshake).
Tín hiệu truyền theo chuẩn RS-232 của EIA (Electronic Industry
Associations). Chuẩn RS-232 quy định mức Logic 1 ứng với điện áp từ -
Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F

GVHD: Ths Trần Văn Hùng SVTH: Trần Duy Hưng
16 Lê Kim Tân

3=> -25V (Mark). Mức logic 0 ứng với điện áp từ 3 => 25V (Space) và có
khả năng cung cấp dòng từ 10 mA đến 20 mA. Ngoài ra tất cả các ngõ đều
có chức năng chống chập mạch.
Chuẩn RS-232 có khả năng truyền với tốc độ 20.000 bps nhưng nếu
cáp đủ ngắn có thể truyền với tốc độ 115.200 bps. Các phương pháp kết
nối giữa DTE và DCE như sau:
 Đơn công (simplex Connection): Dữ liệu chỉ truyền theo 1 hướng.
 Bán song công (Half duplex): dữ liệu truyền theo 2 hướng nhưng
mỗi thời điểm chỉ truyền theo 1 hướng.
 Song công (Full duplex): Dữ liệu được truyền đồng thời theo 2
hướng.
Định dạng khung truyền của chuẩn RS-232 như sau:


truyền
Đặc điểm
1

DCD

DCE
> DTE

Data Cary Detect:
DCE phát hi
ệ
n sóng mang

2 RxD DCE > DTE Recived Data: Nhận dữ liệu
3

TxD

DTE
> DCE

Transmitted Data:
Phát d
ữ

li
ệ
u



DCE
> DTE

Data Set Ready:
DCE s
ẵ
n sàng làm vi
ệ
c

7

RTS

DTE
> DCE

Request To Send:
DTE yêu c
ầ
u truy
ề
n d
ữ

li
ệ
u



Khi kết nối như trên thì quá trình phát phải đảm bảo tốc độ ở đầu phát
và đầu thu phải giống nhau. Khi có dữ liệu đến DTE thì dữ liệu này sẽ
được đưa vào bộ đệm và tạo ngắt.
3. Các thuộc tính của cổng nối tiếp (cổng COM)
 Setting: Xác định các tham số cho cổng nối tiếp. Cú pháp:
Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F

GVHD: Ths Trần Văn Hùng SVTH: Trần Duy Hưng
18 Lê Kim Tân

MSComm1.Settings=”BBBB,P,D,S”
Trong đó:
 BBBB: tốc độ truyền (bps): 1200, 2400, 9600, 19200.
 P: kiểm tra chẵn lẻ:
- O: Old - kiểm tra lẻ.
- E: Even - kiểm tra chẵn.
- M: Mark - luôn bằng 1.
- S: Space - luôn bằng 0.
- N: None - không kiểm tra
 D: số bit dữ liệu, mặc định là 8.
 S: Bit Stop
 CommPort: Xác định số thứ tự của cổng truyền thông, cú pháp:
MSComm1.Comport=Port number
Port number nằm trong khoảng từ 1-99 (COM1, COM2…).
 Port Open: Đặt trạng thái hay kiểm tra trạng thái đóng mở của cổng
nối tiếp. Nếu thuộc tính này dùng để mở trạng thái thì phải dùng 2
thuộc tính là Setting và CommPort. Cú pháp:
MSComm1.PortOpen=True/False
 Input: Nhận 1 chuỗi dữ liệu và xóa khỏi bộ đệm, cú pháp:
Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/F

GVHD: Ths Trần Văn Hùng SVTH: Trần Duy Hưng
20 Lê Kim Tân

PHẦN II
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA THEO PHƯƠNG PHÁP V/f
I. YÊU CẦU CƠ BẢN VỀ THIẾT BỊ
Thiết kế biến tần ba pha điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha
công suất 1KW.
Các thông số cơ bản của động cơ:
Kí hiệu Tên thông số Đơn vị tính Đấu Δ/Y
P
đm
Công suất định mức Kw 1.0