Đồ án Thiết kế hệ truyền động điện, ổn định tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha công suất lớn

iển. Sau đây xin trình bày phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f1. 1.5.1 Điều chỉnh tốc độ dộng cơ KĐB bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rotor Hình 1. 7 a) Sơ đồ điều chỉnh tốc b) Các đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB Nguyên lí điều chỉnh: Khi thay đổi R2f với các giá trị khác nhau, thì Sth sẽ thay đổi tỉ lệ còn Mth=const ta sẽ được 1 họ đặc tính cơ có chung ω0 , Mth có tốc độ khác nhau và có các tốc độ làm việc xác lập tương ứng Qua hình 1.7 ta có Mth=const Và: 0< R2f1<R2f2<...<R2f.ic<... SthTN < Sth1<Sth2<< Sth.ic<... ∆ωTN<∆ω1<∆ω2<....<∆ωic<.... ωTN>ω1>ω2>...>ωic>... Như vậy, khi cho R2f càng lớn để điều chỉnh tốc độ càng nhỏ, thì độ cứng đặc tính cơ càng dốc, sai số tĩnh càng lớn, tốc độ làm việc càng kém ổn định, thậm chí khi R2f=R2f.ic dẫn đến Mn=Mc làm cho động cơ không quay được. Và khi thay đổi các giá trị R2f.c > R2f.ic thì tốc độ động cơ vẫn bằng không nghĩa là không điều chỉnh được tốc độ, hay còn gọi là điều chỉnh không triệt để. Các chỉ tiêu chất lượng của phương pháp: -Phương pháp này có sai số tĩnh lớn nhất là khi điều chỉnh càng sâu thì s% càng lớn có thể s% > s%cp -Phạm vi điều chỉnh hẹp -Vùng điều chỉnh dưới tốc độ định mức -Phù hợp với phụ tải thế năng, mà khi điều chỉnh mà giữ dòng điện rotor không đổi thì momen cũng không đổi * Ưu điểm: Phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch rotor để điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB có ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền dễ điều chỉnh tốc độ động cơ. Hay dùng điều chỉnh tốc độ cho các phụ tải dạng thế năng. *Nhược điểm: Điều chỉnh không triệt để, khi điều chỉnh càng sâu thì sai số tĩnh càng lớn, phạm vi điều chỉnh hẹp, điều chỉnh trong mạch rotor dòng rotor lớn nên phải thay đổi từng cấp điện trở phụ công suất điều chỉnh lớn tổn hao năng lượng trong quá trình điều chỉnh lớn. 1.5.2 Điều chỉnh động cơ KĐB bằng cách thay đổi điện áp stator Momen động cơ KĐB tỉ lệ với bình phương điện áp stator nên có thể điều chỉnh momen và tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp stato và giữ tần số không đổi nhờ bộ biến đổi điện áp xoay chiều như hình 1.8 Hình 1. 8 a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng điện áp stato b) Các đặc tính điều chỉnh bằng điện áp stato động cơ KĐB Nếu coi bộ ĐAXC là nguồn lí tưởng (Zb=0), khi Ub = Udm thì momen tới hạn Mth.u tỉ lệ với bình phương điện áp, còn Sth.u = const: Mth.u= Mth.ghUb2U1 = Mth.Ub2 Sth.u= Sth.gh= const Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh và giảm bớt mức phát nóng của động cơ người ta mắc thêm điện trở phụ R2f. Khi đó nếu đặt điện áp vào stato là định mức ( Ub=U1) thì ta được đặc tính mềm hơn đặc tính tự nhiên, gọi là đặc tính giới hạn Mth.gh= Mth Trong đó: Mth.gh và Sth.gh là momen và hệ số trượt tới hạn của đặc tính giới hạn. Mth và Sth là momen và hệ số trượt tới hạn của đặc tính tự nhiên Dựa vào đặc tính giới hạn Mgh(s) và nếu ω = const ta suy ra đặc tính điều chỉnh ứng với giá trị Ub cho trước nhờ quan hệ: Mu = ub2; Mu= MuMgh Đặc tính điều chỉnh trong trường hợp này như hình 1.52b *Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp stato được sử dụng rộng rãi vì thực hiện dễ dàng và tự động hóa. Xét về chỉ tiêu năng lượng, tuy tổn thất trong bộ biến đổi không đang kể nhưng điện áp stato bị biến dạng so với hình sin nên tổn thất phụ trong động cơ lớn do đó hiệu suất không cao 1.5.3 Điều chỉnh động cơ KĐB bằng cách thay đổi số đôi cực p Theo quan hệ: ω=ω0(1-s)=2πf1(1-s)p Trong đó: f1 là tần số lưới điện, p là số đôi cực. Vậy, thay đổi số đôi cực p, sẽ điều chỉnh được ω0 và sẽ điều chỉnh được ω. Để có thể thay đổi được số đôi cực p, người ta phải chế tạo những động cơ ĐK đặc biệt, có các tổ dây quấn stato khác nhau để tạo ra được p khác nhau, gọi là máy đa tốc. Có hai cách đấu như sau: Hình 1. 9 Sơ đồ đổi nối ∆ - YY Hình 1. 10 Đổi nối dây quấn stato theo sơ đồ Y-YY Khi đổi nối ∆ - YY ta có những quan hệ sau. Khi nối ∆ hai đoạn dây stato nối tiếp nên: R1=2r1 ; X1=2x1 Và tương ứng R2=2r2 ; X2=2x2 ; Xnm=2xnm Trong đó: r1, r2, x1, x2 điện trở và điện kháng mỗi đoạn dây stato và roto. Đặt điện áp lên dây quấn mỗi pha là Uf∆ = 3U1 Do đó: Sth∆=R'2∆R1∆2+X1∆+X2∆'2=r2'r12+xnm2 Mth∆=U12332ω0R1∆±R1∆2+Rnm2=9U124ω0r1±r22+Xnm2 Nếu nối YY thì: R1YY=12r1; X1YY=12X1 ; R2YY=12r2; X2YY=12X2 Còn điện áp trên dây quấn mỗi pha là UfYY = U1 vì vậy: SthYY=R'2YYR1YY2+X1YY+X2YY'2=r2'r12+xnm2=Sth∆ MthYY=3U122ω0YYR1YY±R1YY2+XnmYY2=3U122ω0r1±r22+Xnm2 Ta thấy: MthYYMth∆= 23 Như vậy khi nối tam giác sang sao kép tốc độ không tải lí tưởng tăng 2 lần, Sth giữ nguyên, Mth giảm 1/3 Khi đổi nối Y-YY: SthY=r2'r12+Xnm2 MthY=3U124ω0r1±r22+Xnm2 SthY=SthYY; MthY=12MthYY + Ưu điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng cách thay đổi số đôi cực là thiết bị đơn giản, rẻ tiền, các đặc tính cơ đều cứng và khả năng điều chỉnh triệt để (điều chỉnh cả tốc độ không tải lý tưởng). Nhờ các đặc tính cơ cứng, nên độ chính xác duy trì tốc độ cao và tổn thất trượt khi điều chỉnh thực tế không đáng kể. + Nhược điểm lớn của phương pháp này là có độ tinh kém, dải điều chỉnh không rộng và kích thước động cơ lớn. 1.5.4 Điều chỉnh động cơ KĐB bằng cách thay đổi tần số nguồn Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực từ theo công thức: ω0=2πf1p Mà ta lại có, tốc độ của rotor động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công thức: ω=ω0 (1-s) Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f1 hoặc thay đổi số đôi cực từ có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ đã được chế tạo thì số đôi cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần số nguồn f1. Bằng cách thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ. Nhưng khi tần số giảm, trở kháng của động cơ giảm theo (X=2πfL ). Kết quả là làm cho dòng điện và từ thông của động cơ tăng lên. Nếu điện áp nguồn cấp không giảm sẽ làm cho mạch từ bị bão hòa và động cơ không làm việc ở chế độ tối ưu, không phát huy đuợc hết công suất. Vì vậy người ta đặt ra vấn đề là khi thay đổi tần số cần có một luật điều khiển nào đó sao cho từ thông của động cơ không đổi. Từ thông này có thể là từ thông stato Φ1, từ thông của rotor Φ2, hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φµ. Vì momen động cơ tỉ lệ với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từ thông không đổi cũng làm giữ cho momen không đổi. Có thể kể ra các luật điều khiển như sau: - Luật U/f không đổi: U/f = const - Luật hệ số quá tải không đổi: λ = Mth/Mc = const - Luật dòng điện không tải không đổi: Io = const - Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I1 = f(Δω) * Phương pháp điều chỉnh U/f = const Sức điện động của cuộn dây stato E1 tỷ lệ với từ thông Φ1 và tần số f1 theo biểu thức: E1=K Φ1f1=U1-I1Z1 Nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z1, ta có E1 ≈ U1, do đó Φ1=KU1f1 Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U1/f1 không đổi. Trong phương pháp U/f = const thì tỷ số U1/f1 được giữ không đổi và bằng tỷ số này ở định mức. Cần lưu ý khi momen tải tăng, dòng động cơ tăng làm tăng sụt áp trên điện trở stato dẫn đến E1 giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm. Do dó động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi. Ta có công thức tính momen cơ của động cơ như sau: Momen tới hạn : Mth= 3U122ω0R1+R12+(X1+X2')2 Khi hoạt động ở định mức: Mdm=3U1đm2R2'/sω0đmR1+R2's2+X1đm+X2đm'2 Mthđm=3U1đm22ω0(R1+R12+X1đm+X2đm'2 Ta có công thức a= f1f1đm Với f1 là tần số làm việc của động cơ , f1đm là tần số định mức. Theo luât U/f= const U1f1 = U1đmf1đm => U1U1đm=f1f1đm =a Ta được: U1= aU1đm f1= af1đm Phân tích tương tự, ta cũng thu được : ωo = aωodm; X1 = aX1dm; X’2 = aX’2dm . Thay các giá trị trên ta thu được công thức tính momen và momen tới hạn của động cơ ở tần số khác định mức: M=3ω0U1đm2R2'a.sR1a+R2'as2+X1+X2'2 Mth=32ω0.U1đm2R1a+R1a2+ (X1+X2')2 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 + X2’2) >> 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. Momen 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 của (X1 + X’2) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở stato khi momen tải lớn. Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thông momen cực đại. Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp, ta sẽ cung cấp thêm cho động cơ điện một điện áp Uo để từ thông của động cơ định mức khi f = 0. Từ đó ta có quan hệ sau: U1 =Uo + Kf1 (1-43) Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U1 cấp cho động cơ U=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. Sau đây là đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số trong phương pháp điều khiển U/f=const: Hình 1. 11 Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luật điều khiển U/f=const Từ đồ thị ta có nhận xét sau: + Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn. + Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên. Thay vì chỉ làm việc ở tốc độ định mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ định mức. Momen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này. + Chúng ta có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mức bằng cách tiếp tục tăng tần số. Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trên điện áp định mức. Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến momen giảm. Ở vùng trên vận tốc cơ bản các hệ số ảnh hưởng đến momen trở nên phức tạp. + Việc tăng tốc giảm tốc có thể được thực hiện bằng cách điều khiển sự thay đổi của tần số theo thời gian. *Ưu điểm: - Điều chỉnh tốc độ động cơ theo yêu cầu - Hệ thống điều chỉnh tốc độ đơn giản dễ dàng - Thay đổi tốc độ động cơ cùng một lúc - Cho phép mở rộng dải điều chỉnh - Đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau - Tiết kiệm điện năng *Nhược điểm: - Sử dụng linh kiện bán dẫn có giá thành đắt 1.5.5 Điều chỉnh động cơ KĐB bằng cuộn kháng bão hòa a) Sơ đồ nguyên lí: Kháng bão hòa gồm cuộn làm việc Wlv và cuộn từ hóa Wth quấn chúng lên một gông từ. Nó có thể là 1 pha hoặc 3 pha. Sơ đồ nối kháng bão hòa để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ như sau: Hình 1. 12 Sơ đồ nguyên lí điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng phương pháp dùng kháng bão hòa Khi thay đổi dòng từ hóa Ith nhờ biến trở đặt tốc độ, độ từ thẩm của lõi thép sẽ thay đổi do đó điện kháng của cuộn làm việc Wlv biến đổi điện áp đặt vào, động cơ biến cho ta các đặc tính cơ như hình vẽ (1.13) mỗi vùng ứng với 1 trị số của dòng từ hóa Ith. b) Đặc tính cơ Hình 1. 13 Đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng kháng bão hòa Hệ thống này có 2 vùng chết không điều chỉnh được. Vùng thứ nhất nằm giữa đặc tính cơ có Imax và đặc tính cơ tự nhiên. Vùng thứ 2 nằm giữa trục tung và đường có Ith=0. Sở dĩ có 2 vùng này vì dòng từ hóa đạt được cực đại Imax nhưng Xlv vẫn có một giá trị nhỏ gây sụt áp nên đặc tính này không trùng với đặc tính cơ tự nhiên. Còn khi cuộn kháng bị khử từ hoàn toàn Ith=0 thì Xlv vẫn còn giá trị hữu hạn nên đặc tính cơ không tương ứng không thể sát trục tung. c) Nhận xét Ta thấy cuộn kháng bão hòa như 1 biến kháng không tiếp điểm. Nó cho phép điều chỉnh tinh. Đồng thời xây dựng được hệ tự động hóa để ổn định tốc độ. Hệ kháng bão hòa có đặc tính cơ có momen Mmax lớn. Khả năng quá tải và ổn định cao sai số tốc độ đặc nhỏ. Hệ này có dải điều chỉnh D= 2-5. Tuy nhiên muốn mở rộng dải điều chỉnh thì tổn thất trượt trong roto ( M, ω0, S) quá lớn. Vì vạy động cơ bị đốt nóng quá mức. 1.5.6 Điều chỉnh động cơ KĐB bằng phương pháp nối tầng Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi các thông số của đông cơ hoặc thay đổi các thông số của nguồn cung cấp đều có nhược điểm cơ bản là không tận dụng được tổn thất công suất trượt ở mạch rôto . Tổn thất công suất trượt này ∆P3=M.ω0.S trong hầu hết các trường hợp đều tiêu tán vô ích dưới dạng nhiệt trên điện trở mạch rôto . Vì vậy chỉ tiêu năng lượng của các phương pháp này đều thấp . Đối với những động cơ KĐB rôto dây quấn có công suất lớn hoặc rất lớn , thì tổn thất công suất trượt sẽ rất lớn .Do đó có thể không dùng được các thiết bị chuyển đổi và điều khiển ở mạch rôto . Việc sử dụng trực tiếp năng lượng trượt ấy rất khó khăn vì tần số dòng điện rôto khác với tần số lưới. Để vừa tận dụng được năng lượng trượt, vừa điều chỉnh được tốc độ của động cơ KĐB rôto dây quấn, người ta sử dụng các sơ đồ nối tầng . Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB trong các sơ đồ nối tầng được thực hiện bằng cách đưa vào rôto của nó một sức điện động phụ Ef sức điện động phụ này có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với sức điện động cảm ứng trong mạch rôto E2 và có tần số bằng tần số rôto. Sức điện động phụ có thể là xoay chiều hoặc một chiều như sơ đồ nguyên lý hình 1.14 Hình 1. 14 Sơ đồ nguyên lý khi đưa các sức điện động phụ vào mạch rôto của động cơ KĐB để điều chỉnh tốc độ của nó trong sơ đồ nối tầng . a, Sức điện động xoay chiều ; b, Sức điện động một chiều . Giả thiết điều kiện làm việc ở trạng thái động cơ nghĩa là nó tiêu thụ năng lượng từ lưới là sinh năng lượng trượt ở mạch rôto khi đưa Ef vào, dòng điện rôto xác định theo biểu thức : I2 = E2.Ef/Z . Giả thiết Mc = const và động cơ đang làm việc xác định trên đặc tính ứng với một giá trị Ef nào đó . Nếu tăng Ef lên thì dòng I2 giảm và có một trị số nhỏ hơn mômen Mc , nên tốc độ của động cơ giảm . Khi tốc độ giảm tốc độ trượt S tăng lên làm cho E2 = E2nm.S tăng lên . Kết quả là dòng điện rôto I2 và mômen điện từ của động cơ tăng lên cho đến khi mômen của thiết bị nối tầng cân bằng với mômen Mc thì quá trình giảm tốc kết thúc, động cơ làm việc xác lập với tốc độ thấp hơn trước , khi /E2/ = /Ef/ , I2 = 0 . Động cơ có tốc độ không tải lý tưởng ω0lt . Khi Ef = 0 động cơ làm việc trên đặc tính gần với đặc tính tự nhiên . Theo nguyên lý biến đổi năng lượng trượt, người ta chia các sơ đồ nối tầng thành hai loại : - Nối tầng điện ( có M = const ). - Nối tầng điện cơ ( có P = const ). a. Sơ đồ nối tầng điện : Trong những sơ đồ nối tầng loại này, năng lượng trượt có tần số f2 = f1.S ở mạch rôto của động cơ KĐB có điều khiển được đưa đến đầu vào của bộ biến đổi BBĐ sau khi trừ tổn thất ở trong dây quấn rôto ΔPđ và tổn thất trong bộ biến đổi ΔPb năng lượng trượt được biến đổi thành điện năng Pđ trả về lướt như giản đồ năng lượng, trong các sơ đồ này bộ biến đổi và động cơ chỉ liên hệ về điện với nhau. Vì vậy gọi là “ sơ đồ nối tầng điện” . Mômen trên trục của thiết bị nối tầng. M=Pcơω Pcơ= Pđm = P12đm - ∆Psđm Nếu giữ I1đm thì P12 ≈ 3Ufđm.Iđm = P12đm = Mđm. ω0 Tổn thất trượt ΔPsđm = P12đm.Sđm = Mđm. ω0.Sđm Còn tốc độ ω=ω’đm= ω0 (1-Sđm) Vậy M = Pcơđmωđm =Pcơdm.ω01-Sđm'ω01-Sđm Nghĩa là ở sơ đồ nối tầng điện khi làm việc trên các đặc tính điều chỉnh (đặc tính có Ef ≠ 0 ). b. Sơ đồ nối tầng điện - cơ: Năng lượng trượt sau khi qua bộ biến đổi được biến thành điện năng và đưa đến động cơ phụ ĐP. Động cơ phụ lại biến điện năng đưa lên trục động cơ. Như vậy, hệ thống gồm bộ biến đổi và ĐP liên hệ với động cơ cả về điện lẫn về cơ. Vì vậy, gọi là “ Sơ đồ nối tầng điện cơ”. Công suất tổng đưa ra trên trục của thiết bị nối tầng điện cơ là: Pt = Pcơ + ΔP3 Nếu giữ I1đm thì P12đm: P12đm= Pđm(1-S) + Pđm*S = Pđm = const Nghĩa là các sơ đồ nối tầng điện cơ khi làm việc trên các đặc tính điều chỉnh, công suất của hệ thống không đổi và bằng định mức. Nguyên lý điều chỉnh công suất trượt thường được áp dụng cho những truyền động công suất lớn khi đó làm việc tiết kiệm điện năng có ý nghĩa lớn. Một số vấn đề quan trọng nữa đối với hệ thống công suất lớn là vấn đề khởi động động cơ. Thường dùng điện trở phụ chất lỏng để khởi động động cơ đến tốc độ làm việc sau đó đến chế độ điều chỉnh công suất trượt. Vì vậy nên áp dụng hệ thống này cho các truyền động có số lần khởi động, dừng máy và đảo chiều ít. 1.6 CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ Trong các phuơng pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao nhất, đạt đến mức độ tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển.Sau khi so sánh phân tích, giới thiệu các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ em nhận thấy phương pháp thay đổi tần số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao nhất. Đây cũng chính là phương án tối ưu nhất được sử dụng rộng rãi ngày nay trong các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ của các nhà sản xuất. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN 2.1 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống truyền động điện 2.1.1 Sơ đồ khối Hình 2. 1 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống Encoder Hình 2. 2 Sơ đồ cấu trúc truyền động 2.1.2 Chức năng - Bộ biến tần: dùng để khởi động, điều khiển, ổn định tốc độ động cơ - Bộ chỉnh lưu: chuyển đổi điện áp 3 pha xoay chiều sang điện áp một chiều - Bộ lọc: ổn định điện áp 1 chiều - Bộ nghịch lưu: chuyển đổi điện áp 1 chiều trở lại điện áp xoay chiều cấp cho động cơ - Bộ điều khiển: so sánh giá trị đặt và giá trị đo lường, thông qua các hàm chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển để điều khiển các thông số - Encoder: đo tốc độ của động cơ cung cấp thông tin phản hồi cho bộ điều khiển 2.1.3 Nguyên lí hoạt động Bộ biến tần được cấp nguồn 3 pha xoay chiều được bộ chỉnh lưu biến đổi thành nguồn 1 chiều sau đó san phẳng nhờ bộ lọc.Điện áp một chiều này được biến đổi nghịch lưu lại thành nguồn xoay chiều cung cấp cho động cơ khởi động. Encoder đo tốc độ động cơ thực rồi cung cấp thông tin cho bộ biến tần để bộ biến tần điều chỉnh, ổn định tốc độ động cơ bằng cách thay đổi các thông số để phù hợp với động cơ. 2.2 Bộ biến tần 2.2.1 Biến tần V20 V20 là biến tần được thiết kế để đáp ứng hàng loạt yêu cầu về ứng dụng máy công cụ. Loại biến tần này rất lý tưởng cho các ứng dụng: Dùng cho động cơ bơm, quạt gió, băng tải, máy kéo sợi, máy tiện Hình 2. 3 Biến tần V20 -Tính năng nổi bật: + Biến tần siemens V20 có 4 kích thước: + Dễ lắp đặt + Có thể lắp liền kề cho dạng treo tường + Kết nối mạng USS, Modbus RTU tại ngay cầu đấu + Tích hợp bộ hãm từ 7.5 KW đến 30 KW + Dễ sử dụng + Nạp thông số cài đặt không cần nguồn cung cấp + Có sẵn tham số cho các ứng dụng và sơ đồ đấu dây + Chế độ Keep Running giúp hoạt động liên tục + Dải điện áp rộng làm mát tiên tiến và phủ mạ bo mạch làm tăng độ bền bỉ + Dễ tiết kiệm + Chế độ ECO cho điều khiển V/f, V2/f + Chế độ ngủ đông + Nối cầu DC Thông số kĩ thuật: Tiêu chí Thông số kĩ thuật Công suất 0.12kW – 22 kW Điện áp 1 pha x 200...240V (±10%) 3 pha x 380...480V (±10%) Phạm vi điều chỉnh biến tần 0...599Hz Chế độ điều khiển V/f, V2/f Tần số điều chế 4-16KHz Điều khiển hồi tiếp PID Có khả năng giao diện USS, Modbus RTU Giao diện bên ngoài biến tần V20 Với máy tính qua cổng USB, BOP-2, IOP, SD card Phần mềm cài đặt thông số và chuẩn đoán lỗi 2.2.2 Biến tần Siemens G120 Hình 2. 4 Biến tần G120 Biến Tần G120C Siemens tích hợp truyền thông chuẩn Modbus RTU, Profibus DP, CANopen, công suất tới 18,5kW, cấp điện áp 3 pha. Biến tần có chế độ điều khiển V/f, Vector control, tần số điều chế 4 kHz (lên đến 16 kHz). Là loại biến tần có khả năng giao diện: RS485/USS, PROFIBUS DP, CANopen. Đây là loại biến tần có rât nhiều ứng dụng như: trong hệ thống băng tải, bơm, quạt, máy nén, máy trộn và máy đùn... Thông số kĩ thuật: Thông số kỹ thuật của Biến tần Siemens G120 Dãy công suất biến tần 0,25 kW đến 250 kW (PM 240) Cấp điện áp biến tần G120 3 pha x 380 ... 480V (±10%) Dãy công suất biến tần 5,5 kW đến 90 kW (PM 250) Cấp điện áp biến tần G120 3 pha x 380 ... 480V (±10%) Dãy công suất biến tần 7,5 kW đến 55 kW (PM 260) Cấp điện áp cho biến tần 3 pha x 500 ... 690V (±10%) Phạm vi điều chỉnh 0 ... 650 Hz (điều khiển V/f) 0 ... 200 Hz (điều khiển Vector) Chế độ điều khiển V/f, Vector & Torque control Tần số điều chế 4 kHz (lên đến 16 kHz) Điều khiển hồi tiếp PID Có khả năng giao diện RS485/USS, PROFIBUS DP, CANopen, Modbus, BACnet Giao diện bên ngoài Với máy tính qua cổng USB, BOP-2, IOP, MMC Card, SD Card Phần mềm cài đặt thông số và chuẩn đoán lỗi Ứng dụng biến tần G120: - Hệ thống quạt, bơm, máy nén - Hệ thống máy đùn, máy trộn, máy nghiền, băng tải 2.2.3 Biến tần LS IC5 Hình 2. 5 Biến tần LS IC5 LS IC5 là biến tần được thiết kế để đáp ứng hàng loạt yêu cầu về ứng dụng máy công cụ. Loại biến tần này rất lý tưởng cho các Ứng dụng: Dùng cho động cơ bơm, quạt gió, băng tải, máy kéo sợi, máy tiện Các đặc tính nổi bật: + Biến tần IC5 kế thừa thuật toán điều khiển Sensorless Vector + Cải thiện đặc tính điều khiển momen + Cải thiện khả năng thay đổi tốc độ trong điều kiện khi tải thay đổi + Chức năng Auto- Tuning: Các thông số cơ bản của động cơ được dò tự động, cải thiện đáng kể momen ở tốc độ thấp, tối ưu khả năng điều khiển động cơ + Công tắc chuyển đổi PNP và NPN + Phương pháp truyền thông Modbus RTU + Chức năng điều khiển PID Đặc điểm kĩ thuật của IC5 Thông số biến tần SV004IC5-1 SV008IC5-1 SV015IC5-1 SV022IC5-1 Dải công suất HP 0.5 1 2 3 KW 0.4 0.75 1.5 2.2 Dải thông số ngõ ra Công suất BK(kVA) 0.95 1.9 3 4.5 Dòng tải 2.5 5 8 12 Dòng áp 3 pha: 200-230 VAC Tần số 0-400 Hz Dải thông số ngõ vào Điện áp 1 pha: 200-230 VAC Tần số 50 - 60Hz (5%) 2.2.4 Chọn biến tần + Biến tần : V20 Tiêu chí Thông số kĩ thuật Công suất 0.12kW – 22 kW Điện áp 1 pha x 200...240V (±10%) 3 pha x 380...480V (±10%) Phạm vi điều chỉnh biến tần 0...599Hz Chế độ điều khiển V/f, V2/f Tần số điều chế 4-16KHz Điều khiển hồi tiếp PID Có khả năng giao diện USS, Modbus RTU Giao diện bên ngoài biến tần V20 Với máy tính qua cổng USB, BOP-2, IOP, SD card Phần mềm cài đặt thông số và chuẩn đoán lỗi 2.3 Encoder đo tốc độ động cơ điện 2.3.1 Nguyên lí của các bộ điều khiển tốc độ thông thường Trong hầu hết các máy móc thông thường, bộ biến tần chủ yếu được dùng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều theo vòng hở. Tức là không có phản hồi tốc độ thực tế về. Do vậy mà tốc độ tại ngõ ra động có thể không chính xác và không bằng tốc độ đặt. Trong những ứng dụng yêu cầu điều khiển chính xác tốc độ tại ngõ ra thì các biến tần thông thường không giải quyết được bài toán trên. Giải pháp ứng dụng biến tần tich hợp tính năng đọc và phát xung từ Bộ đo tốc độ Encoder, điều khiển chính xác tốc độ vòng kín. Sử dụng bộ đo tốc độ ( được gọi là Encoder) gắn trên trục động cơ và sự phát xung của encoder được sử dụng như 1 cảm biến để cung cấp tín hiệu hồi tiếp tốc độ này tương ứng với tốc độ động cơ phản hồi về biến tần. Khi đó bộ xử lí bên trong biến tần sẽ so sánh với tín hiệu yêu cầu( tốc độ đặt của người sử dụng) để đưa ra quyết định điều khiển ( tăng tốc hay giảm tốc hoặc giữ nguyên tốc độ). Độ phân giải của Encoder càng cao thì khả năng điều khiển càng chính xác. Trong biến tần cho phép nhận Encoder có độ phân giải lên đến 20000 xung/vòng. Do vậy tốc độ sẽ được điều khiển và ổn định một cách chính xác và tương đương đến 99% tốc độ mong muốn. 2.3.2 Encoder tăng ( incremental Encoder) Cấu tạo của Encoder tăng: Bên trong của Encoder tăng gồm có 1 đĩa chia vạch, 1 mạch điện tử, 3 đèn phát hồng ngoại và 3 đèn thu đặt đối xứng với đèn phát qua đĩa chia vạch, số vạch trên đĩa quyết định số xung trên 1 vòng quay của tín hiệu pha A hoặc B, việc xác định vị trí quay và tốc độ quay dựa trên việc tính toán số xung đếm được trong một khoảng thời gian nhất định hoặc trên một vòng quay. + Các tín hiệu ra: A,B,Z có loại còn có đầu ra đảo A, B, Z. + Các xung A và B lệch pha nhau 900: Có nhiều độ phân giải khác nhau cho mỗi vong quay. Ví dụ: 600, 1024, 2048 P/R ( xung trên 1 vòng quay), độ phân giải càng cao giá thành càng đắt/ + Xung Z : Đưa ra một xung cho mỗi vòng quay Hình 2. 6 Đĩa quang và tín hiệu ra của Encoder tăng Ưu điểm: Giá thành rẻ, chế tạo đơn giản, xử lí tín hiệu trả về dễ dàng Nhược điểm: dễ bị sai lệch về xung khi trả về. Khi đó nếu hoạt động lâu dài sai số này sẽ tích lũy 2.3.3 Encoder tuyệt đối ( Absolute Encoder) Cấu tạo cũng gần giống như loại Encoder tăng. Tuy nhiên loại Encoder tuyệt đối được thiết kế để đo trực tiếp ví trí của trục quay, nên trên đĩa vạch có nhiều lớp chia vạch, đồng thời có nhiều cặp đèn thu phát hồng ngoại hơn loại Encoder tăng. Mục đích để xác định chính xác giá trị tuyệt đối của vị trí trục quay. Tùy theo số vị trí trên một vòng quay cần được mã hóa ( độ phân giải ) mà đĩa chia vạch có số lớp tương ứng. Ví dụ 3 lớp, 4 lớp, 5 lớp, 8 lớp, 12 lớp tương ứng với mã hóa 3 bit, 4 bit, 5 bit,8 bit, 12 bit hay khả năng mã hóa tương ứng là 8 vị trí, 16 vị trí, 32 vị trí, 256 vị trí, 4096 vị trí, ...Số vị trí được mã hóa càng nhiều thì giá thành Encoder càng cao. Hình 2. 7 Tín hiệu của Encoder tuyệt đối loại 3 lớp (3bit, 8 vị trí) - Ưu điểm: Giữ được giá trị tuyệt đối khi Encoder mất nguồn - Nhược điểm: Giá thành cao vì chế tạo phức tạp, đọc tín hiệu ngõ ra khó 2.3.4 Chọn Encoder Encoder OMRON E6B2-CWZ6C hay còn gọi là bộ đo tín hiệu xung là một trong những thiết bị tự động hóa rất quan trọng đặc biệt là trông ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao như: ngành in ấn, bao bì... Đối với những ứng dụng nhỏ đòi hỏi độ chính xác không cao thì chỉ cần sử dụng những bộ encoder với ít số xung phát ra trong 1 vòng. Ví dụ: 100p/r, 360p/r, ...Tuy nhiên ở những bộ phận đòi hỏi độ chính xác cao: cắt giấy, cắt bao bì... đòi hỏi độ chính xác cao, do đó sử dụng loại Encoder có nhiều xung trên vòng: 1000p/r, 2000p/r Hình 2. 8 Encoder OMRON E6B2-CWZ6C Thông số kĩ thuật: – Đường kính trục: 6mm – Đường kính thân: 40mm – Điện áp hoạt động: 5 – 24VDC – Có nhiều loại độ phân giải: 100 – 2000xung/vòng – Pha đầu ra: A,B,Z – Loại ngõ ra: NPN cực thu hở – Tần số đáp ứng: 100 KHz. CHƯƠNG 3: KẾT NỐI BIẾN TẦN SIEMENS V20 VỚI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA CÔNG SUẤT LỚN 3.1 KHÁI QUÁT BIẾN TẦN VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA BIẾN TẦN Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngày càng có nhiều thiết bị điện - điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện. Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúcVì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp. Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ: + Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất. + Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này. Khảo sát cho thấy: + Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment. + Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng. + Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt. + Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt. + Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van. + Giảm tiếng ồn công nghiệp. + Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ. + Giúp tiết kiệm điện năng tối đa. + Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử. Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp. Ưu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như: Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn. Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu. Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo trì cũng như thay mới. Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp. Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất. 3.2 PHÂN LOẠI BIẾN TẦN Biến tần thường được chia làm hai loại: - Biến tần trực tiếp - Biến tần gián tiếp 3.2.1 Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều. Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới ( f1 < flưới). Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng. Hình 3. 1 Sơ đồ bộ biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp còn được gọi là biến tần phụ thuộc. Thường gồm các nhóm chỉnh lưu điều khiển mắc song song ngược cho xung lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta có thể nhận được dòng xoay chiều trên tải. Trên hình 2.1 biểu diễn bộ biến tần một pha. Từ hình vẽ ta thấy 6 thyristo được chia thành 2 nhóm: nhóm chung katod (T1,T3,T5) và nhóm chung anod (T2.T4,T6). Nhóm có katod chung sẽ tạo nửa chu kỳ điện áp ra dương. Nhóm có anod chung sẽ tạo nửa chu kỳ điện áp ra âm. Có 2 nguyên tắc điều khiển các nhóm thyristo để tạo điện áp ra: Điều khiển đồng thời, đó là phương pháp điều khiển khi một nhóm làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc mở α thì nhóm kia làm việc chế độ nghịch lưu góc mở β. Cách điều khiển đồng thời có nhược điểm tồn tại dòng cân bằng chạy quẩn trong các pha của nguồn (hoặc biến áp) nhưng dòng liên tục Hình 3. 2 Điện áp ra của bộ biến tần trực tiếp Điều khiển riêng biệt từng nhóm thyristo. Bản chất của phương pháp điều khiển riêng là khi một nhóm làm việc thì nhóm kia không làm việc. Để thực hiện phương pháp điều khiển riêng biệt ta phải có bộ cảm biến dòng đặt tại lối ra của các nhóm thyristo. Điện áp ra của bộ biến tần trực tiếp một pha biểu diễn trên hình 3.2 Chúng ta sử dụng sơ đồ trên để lý giải quan hệ giữa f1 và f2. Như chúng ta đã biết một bộ chỉnh lưu toàn thyristo cho ta ud là một đường cong gồm q đoạn sinus. Đối với bộ chỉnh lưu 3 pha hình tia thì q=3, sơ đồ cầu thì q=6, q được gọi là chỉ số chuyển mạch, tức là trong một chu kỳ của điện áp nguồn dòng điện tải đã bị chuyển q lần từ thyristo này sang thyristo khác. Nếu kí hiệu N là số đoạn sinus có chứa trong nửa chu kỳ điện áp ra ta có: Trong đó là khoảng dẫn dòng của mỗi thyristo do đó: Do dó : f2 =qf12N + q - 2 (2-1) Với một hệ thống nhất định đã xác định, f1 đã xác định thì tần số f2 hoàn toàn phụ thuộc vào N. Trong điều khiển riêng biệt để lọai trừ sự cố 2 bộ chỉnh lưu làm việc đồng thời người ta để một “thời gian chết” giữa thời điểm kết thúc làm việc của bộ biến đổi này và thời điểm bắt đầu của một bộ biến đổi khác. Thời gian chết đó t0=T1/q.Như vậy điện áp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua một van là chuyển ngay ra tải với U2(f2). Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp chỉ sử dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp. Vì việc thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc vào f1. 3.2.2 Biến tần gián tiếp Biến tần gián tiếp có sơ đồ cấu trúc tổng thể như sau: Hình 3. 3 Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy điện áp xoay chiều có các thông số (U1,f1) được chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, qua một bộ lọc rồi được biến trở lại điện áp xoay chiều với điện áp U2, tần số f2. Việc biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu suất biến tần. Song bù lại loại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần số f2 không phụ thuộc vào f1 trong một dải rộng cả trên và dưới f1 vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển. Bộ biến tần này còn gọi là biến tần độc lập, trong biến tần này đầu tiên điện áp được chỉnh lưu thành dòng một chiều, sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay đổi f2 không phụ thuộc vào f1). Khác với bộ biến tần trực tiếp việc chuyển mạch được thực hiện nhờ lưới điện xoay chiều, trong bộ nghịch lưu cũng như trong bộ điều áp một chiều, hoạt động của chúng phụ thuộc vào loại nguồn và tải. Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần .Tuy nhiên việc ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý nên ta phát huy tối đa các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử dụng nó hơn. Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm hai loại sử dụng nghịch lưu áp và nghịch lưu dòng. Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng: Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của nguồn, còn dạng áp trên tải phụ thuộc là tuỳ thuộc vào các thông số của tải quy định. Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp : Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp (nghĩa là điện trở nguồn bằng 0). Dạng của điện áp trên tải tuỳ thuộc vào dạng của điện áp nguồn, còn dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào thông số của mạch tải quy định. Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp sin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn. Chỉnh lưu: Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc có điều chỉnh. Ngày nay đa số chỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi. Nói chung chức năng biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua luật điều khiển. Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thường dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi quá tải. Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định. Bộ lọc: là bộ phận không thể thiếu được trong mạch động lực cho phép thành phần một chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều. Nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu. Nghịch lưu: Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập. Nghịch lưu có thể là một trong ba loại sau: + Nghịch lưu nguồn áp: Trong dạng này, dạng điện áp ra tải được định dạng trước (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chất tải. Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ. Trong các ứng dụng điều kiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp. + Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược với dạng trên, dạng dòng điện ra tải được định hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải. Nguồn cung cấp phải là nguồn dòng để đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện động thì phải có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều khiển ổn định dòng điện. + Nghịch lưu cộng hưởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng hưởng khi mạch hoạt động, do đó dạng dòng điện (hoặc điện áp) thường có dạng hình sin. Cả điện áp và dòng điện ra tải phụ thuộc vào tính chất tải. 3.3 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TẦN 3.3.1 Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần như hình Hình 3. 4 Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần 3.3.2 Nguyên lý hoạt động Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha. Bộ chỉnh lưu có nhiệm biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều. Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu. Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số có thể thay đổi được. Điện áp một chiều được biến thành điện áp xoay chiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhất định. Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều khiển nào đó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu. Ngoài ra nó còn có chức năng sau: + Xử lý thông tin từ người sử dụng + Theo dõi sự cố lúc vận hành + Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm + Xác định đặc tính – momen tốc độ + Xử lý thông tin từ các mạch thu thập dữ liệu + Kết nối với máy tính. Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van công suất trong mạch nghịch lưu. Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly giữa mạch công suất với mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển. Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thông tin hệ thống như tần số, dòng điện, điện áp, và để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệ thống. Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp, nhiệt độ, biến đổi chúng thành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý được. Ngoài ra còn có các mạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác như bảo vệ chống quá áp hay thấp áp đầu vào Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu đều cần cấp nguồn, các nguồn này thường là nguồn điện một chiều 5, 12, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổn định. Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện thích hợp đó. Sự ra đời của các bộ vi xử lý có tốc độ tính toán nhanh có thể thực hiện các thuật toán phức tạp thời gian thực, sự phát triển của các lý thuyết điều khiển, công nghệ sản xuất IC có mức độ tích hợp ngày càng cao cùng với giá thành của các linh kiện ngày càng giảm dẫn đến sự ra đời của các bộ biến tần ngày càng thông minh có khả năng điều khiển chính xác, đáp ứng nhanh và giá thành rẻ. 3.4 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HÃNG SIEMENS TẠI VIỆT NAM Siemens Việt Nam có mặt tại Việt Nam từ năm 1979 với việc cung cấp và lắp đặt hai tua bin hơi công nghiệp Nhà máy Giấy Bãi Bằng. Việc thành lập văn phòng đại diện vào năm 1993 và trở thành công ty trách nhiệm hữu hạn vào năm 2002 là những mốc quan trọng trong lịch sử phát triển của công ty tại Việt Nam. Trong nhiều thập kỷ qua, Siemens đã tham gia thực hiện thành công hàng loạt các dự án cơ sở hạ tầng quan trọng. Hiện nay, Siemens là công ty đứng đầu thị trường và dẫn đầu về đổi mới sáng tạo trên các lĩnh vực Nguồn điện, Quản lý Điện năng, Dịch vụ Nguồn điện, Hệ thống vận chuyển, Công nghệ tòa nhà, Nhà máy số, Công nghiệp Quy trình và Truyền động, và Y tế. 3.5 BIẾN TẦN SIEMENS V20 Hình 3. 5 Biến tần SIEMENS V20 V20 là biến tần được thiết kế để đáp ứng hàng loạt yêu cầu về ứng dụng máy công cụ. Loại biến tần này rất lý tưởng cho các Ứng dụng: Dùng cho động cơ bơm, quạt gió, băng tải, máy kéo sợi, máy tiện 3.5.1 Các tính năng nổi bật Tính năng nổi bật: + Biến tần siemens V20 có 4 kích thước: + Dễ lắp đặt + Có thể lắp liền kề cho dạng treo tường + Kết nối mạng USS, Modbus RTU tại ngay cầu đấu + Tích hợp bộ hãm từ 7.5 KW đến 30 KW + Dễ sử dụng + Nạp thông số cài đặt không cần nguồn cung cấp + Có sẵn tham số cho các ứng dụng và sơ đồ đấu dây + Chế độ Keep Running giúp hoạt động liên tục + Dải điện áp rộng làm mát tiên tiến và phủ mạ bo mạch làm tăng độ bền bỉ + Dễ tiết kiệm + Chế độ ECO cho điều khiển V/f, V2/f + Chế độ ngủ đông + Nối cầu DC 3.5.2 Thông số kĩ thuật Tiêu chí Thông số kĩ thuật Công suất 0.12kW – 22 kW Điện áp 1 pha x 200...240V (±10%) 3 pha x 380...480V (±10%) Phạm vi điều chỉnh biến tần 0...599Hz Chế độ điều khiển V/f, V2/f Tần số điều chế 4-16KHz Điều khiển hồi tiếp PID Có khả năng giao diện USS, Modbus RTU Giao diện bên ngoài biến tần V20 Với máy tính qua cổng USB, BOP-2, IOP, SD card Phần mềm cài đặt thông số và chuẩn đoán lỗi 3.6 KẾT NỐI BIẾN TẦN VỚI ĐỘNG CƠ Hình 3. 8 Sơ đồ mạch chính của biến tần V20 Sơ đồ trên là mạch chính đơn giản của biến tần V20 gồm: - R, S, T nhận cấp nguồn 3 pha xoay chiều cho biến tần từ lưới điện. - Chỉnh lưu (Rectifier) chuyển đổi điện áp 3 pha xoay chiều sang điện áp một chiều. - Bộ tụ (Capacitor bank) của mạch trung gian ổn định điện áp một chiều. - Bộ biến đổi (Inverter) chuyển đổi điện áp một chiều trở lại xoay chiều cấp cho động cơ thông qua U, V, W. - Phanh hãm (Brake chopper) kết nối điện trở hãm ngoài với mạch điện trung gian một chiều khi điện áp trong mạch vượt quá giới hạn tối đa của nó Chương 4 : Xây dựng mô hình thực nghiệm 4.1 Lựa chọn biến tần, Encoder và động cơ + Biến tần : V20 Tiêu chí Thông số kĩ thuật Công suất 0.12kW – 22 kW Điện áp 1 pha x 200...240V (±10%) 3 pha x 380...480V (±10%) Phạm vi điều chỉnh biến tần 0...599Hz Chế độ điều khiển V/f, V2/f Tần số điều chế 4-16KHz Điều khiển hồi tiếp PID Có khả năng giao diện USS, Modbus RTU Giao diện bên ngoài biến tần V20 Với máy tính qua cổng USB, BOP-2, IOP, SD card Phần mềm cài đặt thông số và chuẩn đoán lỗi +Động cơ : Bơm nước Trung quốc Điện áp : ∆/Y :220 /380v Công suất : 0.18 kW Tốc độ : 1400 vòng/phút + Encoder OMRON E6B2-CWZ6C: Đường kính trục: 6mm Đường kính thân: 40mm Điện áp hoạt động: 5 – 24VDC Có nhiều loại độ phân giải: 100 – 2000xung/vòng Pha đầu ra: A,B,Z Loại ngõ ra: NPN cực thu hở Tần số đáp ứng: 100 KHz. 4.2 Điều khiển biến tần V20 từ bàn phím Nhập các thông số định mức của động cơ vào biến tần Nhập các thông số tần số giới hạn lớn nhất nhỏ nhất Sau khi nhập thông số vào biến tần, đặt P700= 1, P1000= 1, Đặt P10 = 0 để chạy biến tần Ấn nút khởi động biến tần ( Run ) màu xanh để khởi động và chạy biến tần Ấn nút tăng giá trị Up trong khi động cơ đang chạy để tăng tần số Ấn nút Giảm giá trị Down trong khi động cơ chạy để giảm tần số Thay đổi chiều quay bằng nút đảo chiều động cơ ( Forward/Reverse) Ấn nút dừng biến tần Stop để dừng động cơ Chú ý: không nên cài đặt tần số giới hạn nhỏ nhất bằng không. 4.3 Điều khiển biến tần V20 từ công tắc, chiết áp ( Có 4 công tắc DI1, DI2, DI3, DI4 quy định chức năng tại 4 tham số tương ứng là P701/P702/P703/P704). Nhập các thông số định mức cảu động cơ vào biến tần Sau khi nhập các thông số vào biến tần, đặt P700=2 , P1000=2 Để khởi động/ dừng động cơ, bật / tắt công tắc ứng với một trong 3 tham số P701/P702/P703/P704 đặt =1 Để đảo chều quay động cơ bật công tắc ứng với 1 trong 3 tham số P701/P702/P703/P704 đặt =12 Để chạy nhắp động cơ bật công tắc ứng với 1 trong 3 tham số P701/P702/P703 đặt =10 hoặc 11 ( động cơ phải không trong trạng thái làm việc) Để thay đổi tốc độ động cơ, sử dụng biến trở chiết áp 4.4 Điều khiển biến tần V20 ở chế độ nhiều cấp tốc độ Nhập các thông số định mức của động cơ vào biến tần Sau khi nhập các thông số vào biến tần, đặt P0700=2; P701/P702/P703/P704 = 15/16/17/18 và P1000=3 (DI1, DI2, DI3, DI4 tương ứng với các bit 0,1,2,3) Đặt các cấp tần số tại P1001,P1002, P1003, P1004, P1005, P1006, P1007..., P1015 Thay đổi vị trí các công tắc điều khiển, theo dõi các tần số hoạt động để rút ra các quy luật điều khiển Thử nghiệm các chức năng khác của các công tắc bằng cách cài đặt lại P701/ P702/ P703/ P704 sau đó cho chạy để kiểm tra các chức năng của các đầu vào số. 4.5 Điều khiển biến tần V20 ở chế độ vòng kín PID Các tham số bộ điều chỉnh PID trong biến tần simens V20 Cấp điện và cài đặt tham số theo bảng sau P10=30, P970=1 Nhóm Tham số Nội dung Phạm vi cài đặt Mặc định Sau khi cài đặt P003 Chọn cấp độ mở rộng cho biến tần 1: cấp độ cơ bản 2: cáp độ mở rộng 3: cấp độ chuyên gia 1 3 P004 Chọn nhóm điều khiển Chọn chế độ hiển thị tham số 2 0 P2200 Kích hoạt bộ điều khiển PID 0: không sử dụng 1: Sử dụng chế dộ PID 0 1 P2253 Chọn nguồn vào tín hiệu đặt cho PID 2224.0: cố định tín hiệu đặt 1050: tín hiệu đặt MOP 755.0: tín hiệu đặt từ AI1 755.1: tín hiệu đặt từ AI2 2015.1: tín hiệu đặt từ bàn phím của biến tần 2019.1: tín hiệu đặt qua cổng truyền thông USS 2050.1 Tín hiệu đặt qua cổng truyền thông CB 755.0 P2264 Chọn nguồn vào tín hiệu phản hồi 755.1: AI2 755.1 P701 Tín hiệu ON/OFF DI 1 là tín hiệu ON/OFF 1 1 P756 Chọn kiểu đầu vào chân AI 2 0: 0-10V 1: 0-10V có hiển thị 2: 0-20mA 3:0-20mA có hiển thị 4: -10V => +10V 0 P2280 Hệ số Kp 3.000 1.000 P2285 Hằng số thời gian tích phân Ki 0.000s 1.000s P2291 Giới hạn trên của đầu ra PID 100.00% 100.00% P2292 Giới hạn dưới của đầu ra PID 0.00% 0.00% Lưu ý: Phần ghi in nghiêng không được phép cài khác Tín hiệu phản hồi được lấy từ encoder, đầu ra của encoder được chuẩn hóa 0-10V tương đương với 0-1400 vòng /phút Tín hiệu đặt tốc độ được lấy từ biến trở vào chân AI1 4.6 Mô hình thực nghiệm Kết luận Sau một thời gian dài tìm hiểu tài liệu và thực hiện đề tài “Thiết kế hệ truyền động điện, ổn định tốc độ động cơ KĐB 3 Pha công suất lớn” đã giúp em có cái nhìn tổng quan về biến tần và đã xây dựng thành công mô hình điều khiển động cơ KĐB 3 Pha thông qua biến tần LS iG5A. Đồng thời giúp em củng cố lại kiến thức về máy điện, trang bị điện, điện tử công suất, truyền động điệnđã học trong suốt thời gian vừa qua. Đề tài hoàn thành với những công việc được thực hiện : - Nghiên cứu tổng quát các phương pháp khởi động động cơ. - Nghiên cứu về nguyên lý và cấu tạo của biến tần. - Thực hiện kết nối biến tần để khởi động và điều khiển động cơ. - Ổn định tốc độ động cơ - Ứng dụng hệ thống ổn định vào các hệ thống như băng tải, thang cuốn... * Hướng phát triển của đề tài Đề tài “Thiết kế hệ thống truyền động điện điều khiển, ổn định tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha công suất lớn” đã được em xây dựng tương đối hoàn chỉnh, xong em tự nhận thấy rằng đồ án của mình còn nhiều thiếu sót vì vậy để đồ án này thêm phần phong phú, mang tính áp dụng trong thực tế hơn, có khả năng làm việc cao hơn thì đồ án của em cần phải có thêm các tính năng thiết thực. Từ đề tài này có thể ứng dụng để áp dụng cho điều khiển hệ thống băng tải giúp, quá trình làm việc trong các nhà máy , xí nghiệp được ổn định, nhanh hơn, hiệu quả cao hơn hoặc là ứng dụng vào hệ thống thang cuốn giúp con người di chuyển một cách dễ dàng. Chúng em mong rằng với những hướng phát triển,nâng cao đã nêu trên sẽ giúp khắc phục một số hạn chế của đồ án, làm cho đồ án mang tính ứng dụng cao hơn nữa vào thực tế, mang lại nhiều lợi ích của con người trong tương lai. Đây là đề tài mang tính ứng dụng cao rất phù hợp với yêu cầu khai thác hiện nay trong công nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo Nguyễn Công Cường người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện giúp em hoàn thành đồ án này. Em xin cám ơn các thây cô giáo trong khoa Điện – Điện Tử đã luôn giúp đỡ em trong học tập những năm qua. Em xin chân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo [1] Giáo trình truyền động điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội [2] Giáo trình Công nghệ chế tạo máy điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội [3] Giáo trình điện tử công suất, Nhà xuất bản Giáo dục Các trang web tham khảo: https://123doc.org/document/3573310-do-an-thiet-ke-he-thong-truyen-dong-dien-cho-dong-co-xoay-chieu-ba-pha-khong-dong-bo.htm Danh mục hình Hình 1. 1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ 2 Hình 1. 2 Sơ đồ năng lượng của động cơ không đồng bộ 9 Hình 1. 3 Sơ đồ thay thế 1 pha ĐCKĐB 10 Hình 1. 4 Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 11 Hình 1. 5 Đặc tính cơ của các dạng phụ tải 14 Hình 1. 6 Các dạng đặc tính cơ của ĐCKĐB khi thay đổi tần số theo qui luật điều chỉnh U và f 15 Hình 1. 7 a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ 16 Hình 1. 8 a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng điện áp stato 18 Hình 1. 9 Sơ đồ đổi nối ∆ - YY 19 Hình 1. 10 Đổi nối dây quấn stato theo sơ đồ Y-YY 20 Hình 1. 11 Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luật điều khiển U/f=const 25 Hình 1. 12 Sơ đồ nguyên lí điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng phương pháp dùng kháng bão hòa 26 Hình 1. 13 Đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng kháng bão hòa 27 Hình 1. 14 Sơ đồ nguyên lý khi đưa các sức điện động phụ vào mạch rôto của động cơ KĐB để điều chỉnh tốc độ của nó trong sơ đồ nối tầng . 28 Hình 2. 1 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống 31 Hình 2. 2 Sơ đồ cấu trúc truyền động 32 Hình 2. 3 Biến tần V20 33 Hình 2. 4 Biến tần G120 34 Hình 2. 5 Biến tần LS IC5 36 Hình 2. 6 Đĩa quang và tín hiệu ra của Encoder tăng 38 Hình 2. 7 Tín hiệu của Encoder tuyệt đối loại 3 lớp (3bit, 8 vị trí) 39 Hình 2. 8 Encoder OMRON E6B2-CWZ6C 40 Hình 3. 1 Sơ đồ bộ biến tần trực tiếp 44 Hình 3. 2 Điện áp ra của bộ biến tần trực tiếp 45 Hình 3. 3 Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp 46 Hình 3. 4 Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần 49 Hình 3. 5 Biến tần LS IG5A 52 Hình 3. 6 Các kiểu biến tần họ IG5 53 Hình 3. 7 Kết nối các đầu vào ra của LS IG5A 55 Hình 3. 8 Sơ đồ mạch chính của biến tần LS IG5A 56 NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 1. Tinh thần thái độ, sự cố gắng của sinh viên trong quá trình thực hiện Đồ án/khóa luận: 2. Đánh giá chất lượng Đồ án/khóa luận tốt nghiệp (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trên các mặt: lý luận, thực tiễn, chất lượng thuyết minh ): 3. Chấm điểm của giảng viên hướng dẫn (Điểm ghi bằng số và chữ) Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Giảng viên hướng dẫn ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN 1. Đánh giá chất lượng Đồ án/khóa luận tốt nghiệp về các mặt: thu thập và phân tích số liệu ban đầu, cơ sở lý thuyết, vận dụng vào điều kiện cụ thể, chất lượng thuyết minh và các bản vẽ, mô hình (nếu có) : 2. Chấm điểm của người phản biện (Điểm ghi bằng số và chữ) Hà Nội, ngày tháng năm 2018