ĐỒ ÁN HỌC PHẦN TỰ ĐỘNG Diều Khiển Áp Suất Đường Ống

Hệ thống bơm nước sinh hoạt cho tòa nhà 33 tầng cần duy trì áp suất đường ống là 4 bar để cung cấp đủ nước. Trên đường ống có gắn cảm biến áp suất để đưa tín hiệu về biến tần. Sử dụng bộ điều khiển PID trong biến tần để điều khiển tốc độ của động cơ bơm duy trì được áp suất 4 bar trên đường ống

TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2022

ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT ĐƯỜNG ỐNG

Giáo viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Thủy Đăng Thanh

Người thực hiện Nguyễn Thế Thật

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN TỰ ĐỘNG

Họ và tên sinh viên:

1

Ngành : CNKT điều khiển và tự động hóa

1 Đầu đề đồ án:

ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT ĐƯỜNG ỐNG BẰNG BIẾN

TẦN MITSUBISHI (DÙNG BỘ PID - 1 BƠM)

2 Yêu cầu đồ án

Hệ thống bơm nước sinh hoạt cho tòa nhà 33 tầng cần duy trì ápsuất đường ống là 4 bar để cung cấp đủ nước Trên đường ống có gắncảm biến áp suất để đưa tín hiệu về biến tần Sử dụng bộ điều khiểnPID trong biến tần để điều khiển tốc độ của động cơ bơm duy trì được

áp suất 4 bar trên đường ống

Hệ thống bơm nước có các thiết bị như sau:

- Biến tần (chọn loại biến tần Mitsubishi FR-E720)

- Bơm ba pha

- Cảm biến áp suất có tín hiệu ngõ ra: 0-10VDC

- Các nút nhấn: START, STOP, SW, RESET

- Các đèn báo hiển thị: RUN-L, STOP-L, ERR-L

Hệ thống sử dụng lưới điện 3 pha có Ud=380V và có thể cung cấp lưulượng Q = 20m3/h

Bảng 1: Hệ thống hoạt động theo yêu cầu sau:

Trạng thái ban đầu

1 Cấp nguồn, đèn báo 3 pha và đèn STOP-L sáng

Trường hợp không bị lỗi

2 Chế độ hoạt động AUTO

Nhấn START, đèn RUN-L sáng, bơm hoạt động

Bơm được điều khiển chạy với tốc độ thay đổi theo bộ PIDNhấn STOP, đèn RUN-L tắt, đèn STOP-L sáng, hệ thốngdừng hoạt động

4 Trường hợp Bơm bị lỗi thì dừng biến tần (bơm dừng hoạtđộng), đèn ERR-L sáng và RUN-L tắt, đèn STOP-L sáng

5 Khắc phục lỗi sau đó nhấn nút RESET hệ thống trở lại trạngthái ban đầu

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

a Vẽ sơ đồ khối hệ thống

b Vẽ sơ đồ nguyên lý của hệ thống

c Vẽ sơ đồ bố trí thiết bị

d Sơ đồ đấu nối thiết bị

e Tính toán và chọn động cơ bơm, biến tần, cảm biến, CB, tủ điện, dâyđộng lực…

f Trình bày các thông số cài đặt cho biến tần và giải thích

- Cài đặt chế độ vận hành

- Cài đặt các thông số cơ bản của động cơ

- Cài đặt thời gian tăng/ giảm tốc, moment khởi động

- Cài đặt các thông số bảo vệ

- Cài đặt chế độ điều khiển PID

LỜI CẢM ƠN

Đồ án môn học HỌC PHẦN TỰ ĐỘNG là đồ án nhằm giúp chosinh viên chúng em hiểu biết thêm rất nhiều về thực tiễn, đó là sự gắn

bó giữa lý thuyết và thực hành, là tiền đề làm đồ án tốt nghiệp sắp tới

Đồ án môn học này giúp cho em có kiến thức vững vàng hơn trongchuyên môn

Qua đó giúp em tự tin hơn khi làm các đồ án môn học khác Trongthời gian qua nhờ sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn, đã truyềnđạt những kiến thức trong thực tiễn và học tập để có nền tảng chotương lai sau này ra trường

Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Cô Nguyễn Thủy Đăng Thanh

đã hướng dẫn tận tình trong quá trình làm đồ án Đồng thời em cũngthật sự cám ơn cơ sở vật chất khá đầy đủ của trường gớp phần rất quantrọng quá trình làm đồ án của chúng em

Do điều kiện khách quan và kiến thức, cũng như kinh nghiệm thực

tế còn hạn chế, nên đồ án này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót.Vậy em mong các thầy, cô trong bộ môn giúp đỡ chỉ bảo thêm để emhoàn thiện hơn trong học tập và trong công việc sau này

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 2

1 Tổng quan về đề tài 2

2 Đặt điểm và giải pháp về hệ thống cấp nước cho nhà cao tầng 2

2.1 Đặc điểm về hệ thống cấp nước cho nhà cao tầng 2

2.2 Giải pháp cấp nước cho nhà cao tầng 4

3 Ý nghĩa và phương pháp thực hiện đề tài 6

3.1 Ý nghĩa của đề tài 6

3.2 Phương pháp thực hiện đề tài 7

4 Cấu trúc quyển thuyết minh 7

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

1 Biến tần Mitsubishi FR-E720 7

1.1 Tổng quan về biến tần 7

1.2 Biến tần Mitsubishi FR-E720 14

2 Cảm biến áp suất 19

2.1 Định nghĩa 19

2.2 Ứng dụng 19

2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 20

3 Máy bơm ly tâm 21

3.1 Định nghĩa 21

3.2 Phân loại 21

3.3 Máy bơm ly tâm trục đứng 22

4 Các thiết bị điện khác 24

4.1 Aptomat 24

4.2 Contactor 26

5 Rơle nhiệt 29

5.1 Nút nhấn 31

5.2 Đèn báo 32

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ 30

1 Tính chọn biến tần 30

2 Tính chọn bơm 3 pha 30

3 Tính chọn cảm biến áp suất 31

4 Tính chọn contactor 31

5 Tính chọn relay nhiệt 32

6 Tính chọn CB cấp nguồn 32

7 Tính chọn dây dẫn cho mạch động lực 33

8 Tổng hợp các thiết bị chính trong hệ thống và giá kham khảo 33

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ HỆ THỐNG VÀ CÀI ĐẶT THÔNG SỐ BIẾN TẦN 35

1 Yêu cầu công nghệ của hệ thống 35

2 Thiết kế hệ thống điều khiển ổn định áp suất đường ống bằng biến tần Mitsubishi 36

2.1 Sơ đồ khối hệ thống 36

2.2 Sơ đồ bố trí thiết bị 37

2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 37

2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 38

3 Cài đặt thông số biến tần 39

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 44

1 Kết quả quá trình nghiên cứu 44

2 Điểm hạn chế 44

3 Hướng giải quyết và phát triển 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

MỤC LỤC HÌNH Ả

Hình 2 1 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của biến tần 9

Hình 2 2 Hình ảnh biến tần FR-E720 14

Hình 2 3 Sơ đồ nối dây biến tần FR-E720 17

Hình 2 4 Cảm biến áp suất đường ống 19

Hình 2 5 Cấu tạo cảm biến áp suất 20

Hình 2 6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất 20

Hình 2 7 Hình ảnh máy bơm tâm trục ngang và trục đứng 22

Hình 2 8 Hình ảnh cấu tạo máy bơm ly tâm trục đứng 23

Hình 2 9 Hình ảnh thực tế aptomat 24

Hình 2 10 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động Aptomat 25

Hình 2 11 Hình ảnh thực tế của contactor 26

Hình 2 12 Hình ảnh cấu tạo của contactor 27

Hình 2 13 Hình ảnh relay nhiệt 29

Hình 2 14 Sơ đồ cấu tạo relay nhiệt 30

Hình 2 15 Hình ảnh thực tế của nút nhấn 31

Hình 2 16 Hình ảnh thức tế đèn báo 32

Y Hình 3 1 Hình ảnh và thông số kỹ thuật của bơm lựa chọn 30

Hình 4 1 Sơ đồ khối hệ thống 36

Hình 4 2 Sơ đồ bố trí thiết bị 37

Hình 4 3 Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển 37

Hình 4 4 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 38

MỤC LỤC BẢNG BI

Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật của biến tần FR-E720 16

Bảng 3 1 Bảng mã contactor 3 pha của hãng Fuji 31

Bảng 3 2 Bảng mã relay nhiệt của hãng Fuji 32

Bảng 3 3 Bảng tra mã MCCB của hãng Fuji 32

Bảng 3 4 Bảng giá các thiết bị chính trong hệ thống 35 Y

LỜI MỞ ĐẦU

Nền công nghiệp thế giới đang trên đà phát triển ngày càng cao,trong đó vấn đề điều khiển tự động luôn là mối quan tâm hàng đầutrong các ứng dụng khoa học sản xuất Nó đòi hỏi sự chính xác, tínhtiêu chuẩn và khả năng xử lý nhanh ở mức hoàn hảo, chỉ như vậy mớiđáp ứng được nhu cầu ngày càng gia tăng của xã hội

Một trong những vấn đề mà các cư dân trong một chung cư rấtquan tâm là áp lực nước sinh hoạt Áp lực nước thường yếu vào giờ caođiểm gây bất tiện cho các cư dân và ảnh hưởng nhiều đến cuộc sống

Để giải quyết vấn đề này người ta sẽ sử dụng phương pháp điều khiển

áp lực nước theo thời gian vận hành

Với đề tài báo cáo môn học lần này, em lựa chọn đề tài “Điều khiển ổn định áp suất đường ống bằng biến tần mitsubishi (dùng

bộ pid - 1 bơm)”.

Do điều kiện, kiến thức và thời gian còn hạn chế nên trong đề tàinày chưa được hoàn thiện một cách tốt nhất Em kính mong các thầy côgiáo góp ý để em có thể hoàn thiện tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU

1 Tổng quan về đề tài

Hệ thống bơm nước sinh hoạt cho tòa nhà 33 tầng cần duy trì ápsuất đường ống là 4 bar để cung cấp đủ nước Trên đường ống có gắncảm biến áp suất để đưa tín hiệu về biến tần Sử dụng bộ điều khiểnPID trong biến tần để điều khiển tốc độ của động cơ bơm duy trì được

áp suất 4 bar trên đường ống

Hệ thống bơm nước có các thiết bị như sau:

- Biến tần (chọn loại biến tần Mitsubishi FR-E720)

- Bơm ba pha

- Cảm biến áp suất có tín hiệu ngõ ra: 0-10VDC

- Các nút nhấn: START, STOP, SW, RESET

- Các đèn báo hiển thị: RUN-L, STOP-L, ERR-L

Hệ thống sử dụng lưới điện 3 pha có Ud = 380V và có thể cung cấp lưulượng nước Q = 20m3/h

2 Đặt điểm và giải pháp về hệ thống cấp nước cho nhà cao tầng 2.1 Đặc điểm về hệ thống cấp nước cho nhà cao tầng

a Đặc điểm về kiến trúc

Công trình nhà cao tầng thường có kiến trúc rất phong phú và đa dạng

 Về chức năng sử dụng nhà cao tầng là công trình đa năng, cónhiều chức năng khác nhau như văn phòng, khách sạn, nhà ở cho thuê,siêu thị…

 Nhà cao tầng có chiều cao lớn nên khi thiết kế phải có giải pháp

để đảm bảo áp lực tự do giữa các tầng là tương đương nhau

 Nhà cao tầng thường có nhiều hệ thống kỹ thuật vì vậy thườngđặt các hệ thống trong hộp kỹ thuật

 Nhà cao tầng đặc biệt là nhà có nhiều chức năng khác nhauthường có các tầng kỹ thuật

 Việc tổ chức mặt bằng trong nhà cao tầng rất phức tạp do đóphải có giải pháp phù hợp khi thiết kế hệ thông cấp thoát nước

 Nhà cao tầng có nhiều khối nên thường có các khe lún rất đadạng nên hạn chế đặt các tuyến kỹ thuật qua các khe lún

c Đặc điểm về phòng cháy chữa cháy

 Nhà cao tầng có số lượng người và tài sản lớn nên việc đảm bảo

an toàn phòng cháy chữa cháy là vấn đề được đặc biệt quan tâm Việc

tổ chức thoát nạn thường rất khó khăn

 Chất chữa cháy dự trữ trong công trình thường không đáp ứng

đủ nhu cầu chữa cháy hoặc kém hiệu quả

 Nước trong hệ thống cấp nước thô thì rất yếu không đủ cungcấp

 Giao thông không thuận lợi do người và phương tiện tham giagiao thông cao nên gây cản trở cho lực lượng chữa cháy

d Đặc điểm về trang thiết bị trong nhà cao tầng

Tùy thuộc vào chức năng sử dụng của từng loại nhà mà công trình

có thể được trang bị các hệ thống kỹ thuật:

 Hệ thống cấp thoát nước sinh hoạt, sản xuất, thoát nước mái

 Hệ thống thu gom chất thải rắn

 Hệ thống cứu hỏa và báo cháy.

 Hệ thống điều hòa không khí

 Hệ thống cung cấp điện động lực và chiếu sang

 Hệ thống thông hơi

 Hệ thống cung cấp khí đốt…

2.2 Giải pháp cấp nước cho nhà cao tầng

Nhà cao tầng thường có chiều cao lớn, độ chênh áp lực tại các tầnglớn nên khi thiết kế phải dùng sơ đồ phân vùng cấp nước để đảm bảolưu lượng và áp lực giữa các tầng áp lực trong hệ thống đường ốngcấp nước được tạo ra bằng hệ thống thiết bị bơm áp lực hoặc bằng các

bể dự trữ nước được đặt ở tầng cao nhất của công trình (áp lực nước rơi

tự do)

Áp lực nước có thể được tính toán cho toàn bộ hệ thống của côngtrình hoặc có thể phân chia thành các vùng cấp nước riêng biệt Mỗivùng cung cấp nước cho 1 số tầng nhất định Số tầng trong mỗi vùngkhông nhất thiết phải bằng nhau mà còn phụ thuộc vào các giải phápthiết kế cụ thể sao cho đảm bảo áp lực đồng đều cho toàn bộ hệ thốngđường ống cấp nước

Nếu trong các nhà cao tầng cũng dùng sơ đồ hệ thống cấp nướcgiống như hệ thống cấp nước cho nhà thấp tầng, nghĩa là chỉ dùng 1loại máy bơm cấp nước cho toàn ngôi nhà và két nước đặt ở tầng caonhất thì sẽ có nhiều bất lợi cụ thể:

Về vấn đề hiệu quả kinh tế: trong nhà cao tầng, các thiết bị vệ sinh

được trang bị hoàn chỉnh, số lượng thiết bị nhiều, tiêu chuẩn dùng nướccao, lưu lượng tính toán lớn nên đường kính các ống đứng phân phốicũng khá lớn Nếu bố trí đường ống chính phân phối phía trên, bơmnước lên két rồi từ két phân phối xuống các tầng dưới thì đường ống

đứng có dạng phía trên to, phía dưới nhỏ, dung tích két nước lớn, ảnhhưởng đến kết cấu của nhà Ngược lại, nếu bố trí đường ống chính phânphối ở dưới dẫn lên các tầng, đường ống dẫn nước lên và xuống kétchung thì dung tích két nước nhỏ hơn nhưng đường ống đứng cấp nước

có dạng: dưới to trên nhỏ, điều đó làm cho áp lực tự do ở các tầng dướicàng lớn Cả 2 trường hợp đều dẫn đến giá thành xây dựng mạng lướilớn vì các đoạn ống phía đầu phải có đường kính lớn để tải lưu lượngcho các đoạn sau Nếu so sánh với phương án phân ra từng vùng cấpnước thì đường kính ống sẽ nhỏ hơn, giá thành xây dựng hệ thống sẽgiảm

Về vấn đề áp lực dư và phân phối nước đều: nếu nhà cao tầng chỉ

có 1 máy bơm thì áp lực của máy bơm phải đảm bảo đưa nước lên tầngcao nhất, đảm bảo nhu cầu dùng nước của các thiết bị ở tầng cao nhất.Như vậy, áp lực nước ở tầng dưới sẽ quá lớn Theo tính toán sơ bộ thì

áp lực cần thiết cho ngôi nhà 10 tầng là 35 ÷ 50m, 15 tầng là 60 ÷ 70m,

20 tầng là 75 ÷ 85m Lúc đó áp lực nước tại chân các ống đứng ở tầng

1 cũng tương ứng là 35 ÷ 50m, 60 ÷ 70m và 75 ÷ 85m Điều đó dẫntới việc khử áp lực dư ở các tầng dưới đảm bảo áp lực tự do ở các thiết

bị tương đối đều nhau để phân phối nước đều, chế độ làm việc của hệthống sát với tính toán sẽ gặp nhiều khó khăn áp lực dư quá lớn cũnggây trở ngại cho người sử dụng, khó điều chỉnh nhiệt độ khi dùng vòitrộn nóng lạnh, gây ồn khi sử dụng,…

Trong sơ đồ phân vùng cấp nước nếu bố trí đường ống chính phânphối từ dưới lên, để đảm bảo việc phân phối nước đều tại các tầng thìvận tốc nước trong đường ống phải lớn hơn vận tốc kinh tế Từ đó dẫntới làm tăng tổn thất trong đường ống ⇒ áp lực máy bơm tăng ⇒không kinh tế

Nếu bố trí đường ống chính phân phối từ trên xuống, thì áp lực củamáy bơm so với trường hợp trên là không thay đổi Các đường trụcchính cấp xuống các tầng có thể giảm tiết diện ống sao cho tổn thấttrong các tầng bằng chiều cao hình học của tầng để đảm bảo việc khử

áp lực dư tại các tầng dưới Trong trường hợp này, đối với nhà cao tầng

sẽ kinh tế hơn vì giảm được giá thành xây dựng mạng lưới do việcgiảm tiết diện ống

Về vấn đề tiêu hao điện năng cho máy bơm: khi ngôi nhà cao tầng

chỉ dùng 1 máy bơm chung thì máy bơm phải đủ được lưu lượng cungcấp cho toàn ngôi nhà và áp lực phải đảm bảo đưa được nước lên tầngcao nhất ⇒ năng lượng điện tiêu thụ tỷ lệ thuận với lưu lượng và cột ápcủa máy bơm ⇒ điện năng tiêu thụ lớn hơn so với trường hợp táchthành nhiều máy bơm cung cấp cho từng vùng riêng biệt với lưu lượng

 Phân vùng song song

 Phân vùng nối tiếp

Ngoài ra còn phân vùng cân bằng bể chứa với thiết bị điều hoà áplực và phân vùng theo ống đứng cấp nước

3 Ý nghĩa và phương pháp thực hiện đề tài

3.1 Ý nghĩa của đề tài

Với những công trình cũ hoặc nhỏ để áp suất nước đủ sử dụngngười ta sử dụng một bồn nước để ở vị trí cao nhất của công trình Sau

đó bơm nước dự trữ lên trên này, tận dụng thế năng để tạo áp lực nướccho toàn bộ công trình Phương pháp này đơn giản và dễ thực hiện, tuynhiên lượng nước dự trữ trên bồn không được nhiều, áp lực nướckhông đồng đều tại các thời điểm và các nơi, phải thường xuyên vệsinh cho bồn nước và không thể cung cấp nước cho một lượng lớn nhucầu sử dụng với phương pháp này

Đề tài nghiên cứu này thực hiện một trong những phương pháp ổnđịnh áp suất nước trong một tòa nhà hay rộng hơn là ổn định áp suấtcho một công trình dân sinh hoặc công trình công cộng Giải quyết vấn

đề áp suất không ổn định, cũng như đảm bảo lượng nước lớn cho cảmột công trình

3.2 Phương pháp thực hiện đề tài

Với đề tài “Điều khiển ổn định áp suất đường ống bằng biến tần mitsubishi (dùng bộ pid - 1 bơm)” được giao, trước tiên ta đi

phân tích nguyên tắc hoạt động của hệ thống như sau: Tín hiệu từ cảmbiến áp suất đọc trên đường ống sẽ được gửi về đầu vào tương tự củabiến tần Biến tần sẽ so sánh giữa áp suất đặt và áp suất phản hồi đểđiều khiển thay đổi tốc độ bơm của động cơ để hệ thống bám theo ápsuất đặt

Phương pháp nghiên cứu và thực hiện đồ án như sau:

 Từ phân tích yêu cầu công nghệ để lựa chọn các thiết bị trong

hệ thống như biến tần, động cơ bơm, cảm biến áp suất, các thiết bịđóng cắt, …;

 Tính toán và lựa chọn thiết bị;

 Vẽ sơ đồ khối hệ thống

 Vẽ sơ đồ nguyên lý của hệ thống

 Vẽ sơ đồ bố trí thiết bị

 Sơ đồ đấu nối thiết bị

 Cài đặt cho biến tần

4 Cấu trúc quyển thuyết minh

Quyển thuyết minh được trình bày trong 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Giới thiệu các thiết bị sử dụng trong hệ thốngChương 3: Tính toán và lựa chọn thiết bị

Chương 4: Thiết kế sơ đồ hệ thống và cài đặt thông số biến tầnChương 5: Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Biến tần Mitsubishi FR-E720

1.1 Tổng quan về biến tần

a Khái niệm

Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này

thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được Nói

cách khác: Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên

cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độđộng cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí Biếntần thường sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự các cuộndây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay rô-to (rotor).Biến tần thường được sử dụng để điều khiển vận tốc động cơ xoaychiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo đó tần số của lướinguồn sẽ thay đổi thành tần số biến thiên

b Phân loại biến tần

 Phân loại theo phương pháp biến đổi: Biến tần trực tiếp và biếntần gián tiếp

 Phân loại theo nguồn ra: Biến tần nguồn dòng và biến tầnnguồn áp

 Phân loại theo phương pháp điều khiển: Phương pháp điềukhiển cổ điển và phương pháp điều khiển PWM, phương pháp điềukhiển vector và phương pháp điều khiển ma trận, …

 Phân loại theo nguồn cấp vào: Biến tần 1 pha, biến tần 3 pha,

…

c Cấu tạo của biến tần

Cấu tạo thông thường của biến tần sẽ bao gồm: mạch chỉnh lưu,mạch nghịch lưu và mạch điều khiển

Bộ chỉnh lưu: Bộ chỉnh lưu (diode) giống như các bộ chỉnh lưu

khác trong bộ nguồn, trong đó điện áp xoay chiều được biến đổi thànhmột chiều Điện áp sau khi chỉnh lưu đi qua tụ lọc sẽ có điện áp phẳng,

ổn định để cấp nguồn cho IGBT

Bộ nghịch lưu: Thiết bị IGBT là bộ phận quan trọng của biến tần,

đảm bảo chuyển mạch nhanh, cho hiệu xuất cao IGBT được điềukhiển kích mở theo trình tự lập trình sẵn

Phần điều khiển: Phần điều khiển có chức năng đảm bảo kết nối

với mạch ngoại vi nhận tín hiệu đưa vào IC chính để điều khiển biếntần theo cấu hình và cài đặt được lập sẵn của người sử dụng Phần điềukhiển bao gồm các bộ phận:

 IC chính đảm nhiệm vai trò để xử lý thông tin và điều khiểnbiến tần

 Ngõ vào analog: nhận tín hiệu điện áp 4 – 20mA hoặc điện áp 0– 10V

 Ngõ vào số: để kích cho biến tần chạy

 Ngõ ra analog: đảm nhiệm vai trò kết nối với thiết bị ngoại vikhác để giám sát hoạt động của biến tần

 Ngõ ra số: xuất tín hiệu chạy, cảnh báo…

d Nguyên lý hoạt động của biến tần

Trước khi tìm hiểu nguyên lý hoạt động của biến tần, chúng ta nênbiết rõ để thay đổi được tốc độ của động cơ có thể sử dụng nhữngphương pháp nào ?

Cho đến hiện nay thì có 3 phương pháp chính có thể sử dụng là:

 Cách 1: Thay đổi số cực động cơ P

 Cách 2: Thay đổi hệ số trượt s

 Cách 3: Thay đổi tần số f của điện áp đầu vào

Hình 2 1 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của biến tần

Trong đó, 2 phương pháp đầu khó thực hiện và không mang lạihiệu quả cao Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổitần số là phương pháp hiệu quả nhất

 Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha Bộchỉnh lưu có nhiệm biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều

 Bộ lọc có nhiệm vụ sang phẳng điện áp một chiều sau chỉnhlưu

 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 đượcbiến thành điện áp xoay chiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa cácvan công suất theo một quy luật nhất định

 Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luậtđiều khiển nào đó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu.Ngoài ra nó còn có chức năng sau:

- Theo dõi sự cố lúc vận hành

- Xử lý thông tin từ người sử dụng

- 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 máytính.

 Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trựctiếp 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 mạchđiều 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 thểđặt lại thông số cho hệ thống Các mạch thu thập tín hiệu như dòngđiện, điện áp, nhiệt độ,… biến đổi chúng thành tín hiệu thích hợp đểmạch điều khiển có thể xử lý được Ngài ra còn có các mạch làmnhiệm vụ bảo vệ khác như bảo vệ chống quá áp hay thấp áp đầuvào…

 Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu đều cần cấp nguồn, cácnguồn này thường là nguồn điện một chiều 5, 12, 15VDC yêu cầuđiện áp cấp phải ổn định Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điệnthích 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 triểncủa các lý thuyết điều khiển , công nghệ sản xuất IC có mức độ tíchhợp ngày càng cao cùng với giá thành của các linh kiện ngày cànggiảm dẫn đến sự ra đời của các bộ biến tần ngày càng thông minh cókhả năng điều khiển chính xác, đáp ứng nhanh và giá thành rẻ

Nguồn điện xoay chiều một pha hay ba pha được chỉnh lưu, sau đólọc thành nguồn điện một chiều bằng phẳng nhờ tụ điện và bộ chỉnhlưu cầu diode Nhờ vậy, cos(ɣ) - hệ số công suất biến tần có giá trịkhông phụ thuộc vào tải và có Min=0.96

Tiếp đến, điện áp một chiều được biến đổi (nghịch lưu) thành điện

áp xoay chiều ba pha đối xứng, thông qua hệ IGBT (transistor lưỡngcực có cổng cách ly) bằng cách điều chế độ rộng xung (PWM).Nhờ công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực rất phát triểnhiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âmnhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.Ngoài ra, biến tần tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phùhợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau Biến tần còn tích hợp cả bộPID, FOC, Vector , Torque control và thích hợp với nhiều chuẩntruyền thông khác nhau (RS232 hoặc RS485), phù hợp cho công tắcđiều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA hay các hệ thống cótích hợp màn hình HMI, Bộ lập trình PLC…

e Lợi ích từ biến tần đem lại

 Dễ ràng thay đổi tốc độ động cơ, đảo chiều quay động cơ

 Giảm dòng khởi động so với phương pháp khởi động trực tiếp,khởi động sao - tam giác nên không gây ra sụt áp hoặc khó khởi động

 Quá trình khởi động thông qua biến tần từ tốc độ thấp giúpcho động cơ mang tải lớn không phải khởi động đột ngột, tránh hưhỏng phần cơ khí, ổ trục, tăng tuổi thọ động cơ

 Tiết kiệm năng lượng đáng kể so với phương pháp chạy động

 Biến tần được tích hợp các module truyền thông giúp cho việcđiều khiển và giám sát từ trung tâm rất dễ dàng.

f Ứng dụng của biến tần

Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộbiến tần, ngày càng có nhiều thiết bị điện- điện tử sử dụng các bộ biếntần, 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 liênquan 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 địnhcủa hệ thống,… Ví dụ: máy ép nhựa , cán thép, hệ thống tự động phatrộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc,… Vì thế, việc điều khiển

và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệthống điều khiển trong công nghiệp

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thayđổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điệntrở phụ, thay đổi từ thông từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có nhữngtốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ Có hai phươngpháp để điều chỉnh tốc độ động cơ

 Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ sốtruyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất

 Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làmgiảm 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 theophương pháp này

Khảo sát cho thấy: Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điềukhiển moment.

Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứngdụng quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòakhông khí trung tâm), chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu làtrong công nghiệp nặng

Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độkhông đổi lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp vớilợi 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 vàquạt

 Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van

 Giảm tiếng ồn công nghiệ

 Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độđộng cơ

 Giúp tiết kiệm điện năng tối đa

Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năngchính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độđộng cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thựchiện việc biến đổi này theo nhiều phương thức khác, không dùngmạch điện tử Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưaphát 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 rarất tốt (ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiệnbán 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 thốngnghịch lưu.

 Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắpđặt, duy tu, bảo trì cũng như thay mới

 Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bịquá điện áp ngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biếnáp

Ngoài ra, biến tần tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phùhợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau Biến tần còn tích hợp cả bộPID, FOC, Vector , Torque control (sensorless hoặc encorder) và thíchhợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau (RS232 hoặc RS485), phùhợp cho công tác điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA haycác hệ thống có tích hợp màn hình HMI, Bộ lập trình PLC…

1.2 Biến tần Mitsubishi FR-E720

Biến tần FR-E720 là dòng biến tần được sản xuất bởi hãngMitsubishi của Nhật Bản Thích hợp dùng cho băng tải, thang máy,máy đóng gói, máy công cụ, máy ép,… Đây là dòng biến tần có thiết kếnhỏ gọn, tiết kiệm không gian lắp đặt, thân thiện với môi trường

Hình 2 2 Hình ảnh biến tần FR-E720

 Dễ sử dụng và tiết kiệm điện năng

 Biến tần FR-E720 có bộ kiểm tra hoạt động với chức năng đảmbảo an toàn khi làm việc

 Thiết kế tuổi thọ cao với khả năng tự tìm lỗi

 Có chức năng mật khẩu

 Dễ dàng thay thế quạt làm mát

 Điện trở phanh có thể kết nối

 Chức năng bảo vệ và quá tải với hệ thống kiểm tra sự cố phasecho cả đầu vào và ra đảm bảo hoạt động không xảy ra hỏng hóc

 FR-E720 series thân thiện với môi trường và an toàn

Ứng dụng của

biến tần

Mitsubishi

FR-E720

Quạt, bơm, HVAC

Nguồn cấp 3Pha 200 - 240VAC 50Hz/60Hz

Công suất 0.1 - 15kw

Dòng điện 0.8 - 10A

Dải tần số 0.2 - 400Hz

Mô men khởi

động 200% hoặc hơn tùy theo phương pháp điều khiểnKhả năng quá tải 150% vòng/ 60s, 200% vòng/ 3s

-Ngõ vào Analog, Digital, Lựa chọn đa tốc độ, cài đặt từ

xa, chọn chức năng thứ hai, bốn cấp quá tải tùy chọn, hoạt động JOG, điều khiển PID có giá trị,

hoạt động luân phiên PU, V/F, PU-NET, External-NET, ngõ ra dừng lại, lựa chọn tự giữ bắt đầu, cài đặt lại biến tần, báo tín hiệu khi biến tần hoạt động và khóa ngoài khi PU hoạt động

Ngõ ra

Open collector hở, Relay , Cảnh báo tình trạng quá tải, ngõ ra phát hiện tần số, tái tạo phanh, cảnh báo lỗi rơ le, biến tần sẵn sàng hoạt động, ngõ ra phát hiện dòng, giới hạn PID, cảnh báo quạt tản nhiệt quá nóng,cảnh báo giảm tốc khi mất điện tức thời, điều khiển PID kích hoạt, PID

bị gián đoạn, giám sát an toàn, cảnh báo tuổi thọ, hẹn giờ thời gian bảo trì

Chức năng bảo vệ

Động cơ, quá dòng tức thời, quá tải, quá áp, thấp

áp, mất áp, quá nhiệt, quá nhiệt điện trở phanh, ngăn chặn sụt

Chức năng chính

Thiết lập tối đa, tối thiểu tần số, lựa chọn đầu vào rơ le nhiệt Chức năng tự động dò tốc độ động cơ khi mất nguồn sử dụng cảm biến tốc độ,Tích hợp sẵn bộ điều khiển PID, liên kết máy tính

…

Truyền thông Hỗ trợ các chuẩn truyền thông RS-485, kết nối PU,USB, Modbus-RTU, Profibus, CC-Link,

CAN open và SSCNET IIICấp bảo vệ IP00 (Mở lắp biến tần),IP20 (Đóng lắp)

Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật của biến tần FR-E720

Với những tính năng hiện đại kèm thiết kế nhỏ gọn tinh tế,dòngbiến tần Mitsubishi FR- E720 là một sự lựa chọn hợp lý trong hệ thống

tự động ngày nay Sơ đồ nối dây biến tần FR-E720 được thể hiện trênhình 2.3

Hình 2 3 Sơ đồ nối dây biến tần FR-E720

Giải thích những chân cơ bản trên biến tần:

 R S T (L1 L2 L3): đấu vào nguồn động lực

 U V W: đấu vào động cơ

 PR P1: có thể kết nối với điện trở xả sử dụng trong các trườnghợp chạy tải lớn, có quán tính lớn hoặc thời gian tăng/giảm tốc ngắn

 Chân SD: chân tín hiệu chung của các tín hiệu ngõ vào

 Chân STR: chạy ngược (có nghĩ là khi nối chân STR với chân

SD, biến tần sẽ chạy ngược)

 Chân STF: chạy thuận (có nghĩ là khi nối chân STF với chân

SD, biến tần sẽ chạy thuận )

 Chân PC: chân nguồn 24V

 RES: là chân reset

 MRS: là chân output stop

 RH: chân tín hiệu tốc độ cao

 RM: chân tín hiệu tốc độ trung bình

 RL: chân tín hiệu tốc độ thấp

 FM: chân để báo tốc độ của biến tần (nối chân FM và chân SDvới 1 đồng hồ hiển thị tốc độ)

 Chân điều khiển tốc độ: 10-2-5

- Chân 10 là chân ngõ ra 5v của biến tần

- Chân 5 là chân GND

- Chân 2 là chân chênh áp

- Khi đấu biến trở ta đấu vào 3 chân 10-2-5, chân 2 là chân giữacủa biến trở, chân 10-5 là 2 chân bìa của biến trở, khi vặn biến trở lên

mà động cơ giảm tốc độ thì có thể đảo 2 chân 10 và 5 lại với nhau

- Chân 4 là chân tín hiệu ngõ vào analog dòng điện 0- 20mA, 20mA trong đó đấu chân 4 và số 5

4 Chân RUN là báo tin hiệu running của biến tần

- Chân FU là chân Free quenlcy detection

- Chân SE mở cửa ngõ ra phổ biến

 Chân A B C: bộ rơ le ngõ ra, trong đó 1 cặp thường đóng và 1cặp thường hở, bộ rơ le này đang mặt định chế độ báo lỗi để chuyểnchế độ thì ta vào cài lại thông số của biến tần