Nghiên cứu xây dựng hệ thực nghiệm biến tần – động cơ điện xoay chiều, phục vụ cho công tác đào tạo nghề điện công nghiệp của khoa điện, trường cao đẳng nghề yên bái

Là một giáo viêndạy nghề điện tôi rất quan tâm đến hệ truyên động điện xoaychiều nói trên với mục đích nâng cao kiến thức về lĩnh vực nàyđồng thời góp phần nâng cao chất lượng đào tạo củ

MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết cua đề tài.

Hiện nay hệ thống truyền động điện xoay chiều đang trở nênphổ biến và được rất nhiều người quan tâm Là một giáo viêndạy nghề điện tôi rất quan tâm đến hệ truyên động điện xoaychiều nói trên với mục đích nâng cao kiến thức về lĩnh vực nàyđồng thời góp phần nâng cao chất lượng đào tạo của nhà

trường.Vì vậy tôi chọn đề tài : “Nghiên cứu xây dựng hệ thực nghiệm Biến tần – Động cơ điện xoay chiều, phục vụ cho công tác đào tạo nghề Điện công nghiệp của khoa Điện, trường Cao đẳng nghề Yên Bái”.

2 Mục tiêu của luận văn

Xây dựng hệ thí nghiệm biến tần động cơ xoay chiềuphục vụ cho công tác đào tào nghề điện của trường Cao đẳngnghề Yên Bái

3 Đối tượng nghiên cứu

- Biến tần 3 pha, Động cơ xoay chiều 3 pha, Điều khiển

hệ Biến tần - động cơ xoay chiều

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nâng cao được chất lượng đào tạo nghề của nhà trườngĐáp ứng được yêu cầu của thực tế sản xuất

5 Kết cấu của luận văn của luận văn

Chương 1: Thực trạng và yêu cầu đào tạo nghề Điện của

trường Cao đẳng nghề Yên Bái

Chương 2: Nghiên cứu điều khiển hệ truyền động biến

tần - động cơ không đồng bộ ba pha

Chương 3: đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng

và thực nghiệm

Chương 4: Xây dựng hệ thực nghiệm biến tần - động cơ

xoay chiều ba pha

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1

THỰC TRẠNG VÀ YÊU CẦU ĐÀO TẠO NGHỀ ĐIỆN

CỦA TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ YÊN BÁI

1.1.1 Quá trình phát triển trường Cao đẳng nghề Yên BáiTrường Cao đẳng nghề Yên Bái được thành lập theoQuyết định số 670/QĐ-LĐTBXH ngày 27/5/2009 của Bộ Laođộng - Thương binh và Xã hội

- là trường cao đẳng nghề công lập duy nhất của tỉnh YênBái

- Có nhiệm vụ tổ chức đào tạo nghề theo 3 cấp trình độ :Cao đẳng nghề, trung cấp nghề và sơ cấp nghề với các nghề:Điện công nghiệp, điện dân dụng, điện tử công nghệ thông tin,

cơ khí, công nghệ ô tô, sư phạm kỹ thuật, xây dựng, giao thông,

kế toán doanh nghiệp

1.3 Chương trình đào tạo nghề điện công nghiệp

Chương trình đào tạo được kết hợp giữa lý thuyết và thựchành

Gồm 36 mô đun trong đó mô đun 26 Truyền động điệnThời gian mô đun: 150giờ; (Lý thuyết: 60 giờ; Thựchành: 90 giờ)

Bài 8 : Bộ biến tần (Thời gian: 20 giờ)

1.5 Kết luận chương 1

Phần thực hành về điều khiển động cơ xoay chiều trong

hệ : biến tần - động cơ xoay chiều là rất cần thiết vì trong thực

tế đang sử dụng rất nhiều

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG

BỘ BA PHA

2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

Điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều KĐB ba pha(ASM) có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau : Điều chỉnh điện áp đặt vào dây cuốn stato;

2.2 Điều khiển hệ BĐTS – ĐCKĐB

Điều khiển hệ BĐTS - ĐCKĐB có 3 phương pháp chủyếu sau

- Điều khiển vô hướng (SFC: Scalar Frequency Control).

- Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC: Field Oriented Control)

- Điều khiển trực tiếp momen (DTC: Direct Toque Control)

2.3 Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC)

2.3.1 Vectơ không gian và hệ tọa độ từ thông

Ba dòng pha hình sin phía stator i , i , i* su * sv * swcủa động cơxoay chiều ba pha không nối điểm trung tính:

Đo tốc độ quay

Hình 2.7 Cấu trúc kinh điển của hệ TĐĐXCBP điều khiển

kiểu T 4 R

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ

THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

3.2 Sơ đồ công nghệ hệ thống truyền động BĐTS- ĐCKĐB

3.3 Kiểm tra chất lượng bằng mô phỏng

3.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng.

3.3.1.1 Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống:

Sơ đồ mô phỏng hệ thống Biến tần – Động cơ xoay chiều

ba pha như hình 3.2

Hình 3.1: Sơ đồ công nghệ hệ thống BĐTS- CKĐB

3.3.1.2 Khối động cơ không đồng bộ:

Hình 3.3: Khối động cơ xoay chiều ba pha

Three-phase inverter Three-phase

g A B C + -

g A B C +

-Tm

m A B C

Induction

Do thi

VBus Bctrl VBus*

V_bridge+

V_bus+

3 C

2 B

1 A

Measurement list

tp371343 Goto [tp371345]

From

Tm

Te m

thr,wr

ASM_mechanics

powersysdomain ASM

1 Tm

3.3.1.3 Khối điều khiển vectơ (vector control)

3.3.1.4 Khối điều khiển tốc độ (Speed control):

Three-phase inverter Three-phase

thyristor rectifier

3 Ctrl

2 Conv.

1 Motor

Six step generator

g A B C +

-g A B C +

-Tm m

A B C

Induction machine

VBus Bctrl VBus*

P_chop Alpha VBus_f Ctrl

DC bus Voltage Controller

Alpha Bctrl pulse_out A C

Bridge firing unit

P_chop Bctrl

Meas.

V_bridge+

V_bus+

V_bridge-

V_bus-Braking chopper

2 Mec_T

3 dir

2 Volts* 1 Freq*

-K-rpm2hz

rpm2hz

-K-num(z) den(z) lowpass speed filter

ctrl_sat

-K-N* Ramp N*

Sign

kp Proportional gain

ki Integral gain

K Ts (z+1) 2(z-1)

Voltage reference (V) Frequency reference (Hz)

Hình 3.5: Cấu trúc khối điều khiển tốc độ (speed control)

3.3.2 Kết quả mô phỏng

3.3.2.1 Động cơ làm việc không tải ở tần số khác nhau

- Tần số 50 Hz

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0

Hình 3.8 : Mô men điện từ ở tần số 50HZ

Hình 3.9: Điện áp ra của biến tần không tải ở tần số 15HZ

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -10

3.3.2.2 Động cơ làm việc có tải:

1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2 -15

Hình 3.14: Mômen tải của động cơ ở tần số 50HZ

Hình 3.15: Điện áp đặt vào động cơ ở tần số 15HZ có tải

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -10

Hình 3.16: Tốc độ của động cơ ở tần số 15HZ có tải

Hình 3.17: Mô men của động cơ ở tần số 15HZ

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -100

3.4 Đánh giá bằng kết quả thực nghiệm:

tiến hành các thí nghiệm về điều chỉnh tốc độ động cơbằng tần số trên mô hình điều chỉnh lưu lượng bằng bơm cấpnước cho bình chứa với điều khiển mức, nhiệt độ và lưu lượngtại phòng thí nghiệm của Khoa Điện - trường đại học KTCN

3.4.1 Cấu hình thực nghiệm về điều khiển tại trung tâm thí nghiệm

Hình 3.18: Mô hình thí nghiệm điều khiển mức, nhiệt độ và lưu lượng

Hình 3.20: Giao diện trong thí nghiệm điều khiển

Hình 3.21 Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển

3.4.2 Giới thiệu về các thiết bị của mô hình thực nghiệm:

Các thiết bị thí nghiệm được lấy từ danh mục các thiết bịthí nghiệm của khoa điện trường ĐHKTCN

3.4.3 Kết quả thí nghiệm

3.4.2.1 Kết quả 01

Thực hiện thí nghiệm tần số thay đổi từ 50 Hz xuống 25

Hz (có tải) khi bộ điều khiển PID có các tham số : Kp = 2; KI =20; KD = 0,1

Thực hiện thí nghiệm với tần số thay đổi từ 50Hz xuống

25 Hz khi hệ thống có tải và bộ điều khiển PID có các tham sốđiều khiển đặt như sau :

Kp = 2; KI = 3; KD = 0,1

Hình 3.22: Kết quả thí nghiệm thí nghiệm tần số 25Hz

3.4.2.2 Kết quả 02

Thay đổi tham số bộ điều khiển PIDTham số của bộ điềukhiển: Kp = 2; KI = 3; KD = 0,1 và tần số làm việc 25 Hz, phụtải thay đổi

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG BÀI THỰC NGHIỆM BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA

4.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý bài thí nghiệm

Sơ đồ nguyên lý của mạch thí nghiệm như hình H4.2

Sơ đồ nguyên lý

Hình 4.4 Sơ đồ lắp ráp thiết bị của bài thực nghiệm

Tên và các thông số của thiết bị trong bảng danh mụcthiết bị thí nghiệm).

4.3 Nội dung các bài thí nghiệm

4.3.1 Bài số 1 : Điều khiển tốc độ động cơ bằng thay đổi tần số

Phương pháp này sử dụng các đầu vào số (Digital) đểkhởi động và điều khiển bộ biến tần

Các bước thực hiện phương pháp này như sau:

(1) Kiểm tra các đầu nối cấp nguồn cho biến tần và cácđầu nối ra động cơ, các thiết bị điện

(2) Nối đầu nối điều khiển số 9 tới đầu nối 5 thông quacông tắc thứ nhất ( gọi là DIN 1).Công tắc này sẽ có chức năngchạy / dừng động cơ

(3) Nối đầu nối điều khiển số 9 tới đầu nối 6 thông quacông tắc thứ hai ( gọi là DIN 2) Công tắc này sẽ có chức năngtăng/giảm tốc độ động cơ một tẩn số cố định ( gọi là tần số cốđịnh 2)

(4) Nối đầu nối điều khiển số 9 tới đầu nối 7 thông quacông tắc thứ ba ( gọi là DIN 3) Công tắc này sẽ có chức năngtăng/giảm tốc độ động cơ một tẩn số cố định ( gọi là tần số cốđịnh 3)

(5) Nối đầu nối điều khiển số 9 tới đầu nối 8 thông quacông tắc thứ tư (gọi là DIN 4) Công tắc này sẽ có chức năngtăng/giảm tốc độ động cơ một tẩn số cố định ( gọi là tần số cốđịnh 4)

(6) Lắp vỏ biến tần và đóng nguồn cấp điện cho biến tần.(7) Đặt thông số P00304 đúng như bảng công suất trênđộng cơ

(8) Đặt P0010 = 0 để cài đặt các thông số của đầu vàoDIN.

(9) Đặt P0700 = 2 để xác định các tần số làm việc( DIN2, DIN3, DIN4)

(10) Đặt P1000 = 3 để chọn điểm đặt tần số cố định.(11) Đặt P0701 = 1 để xác định chức năng của DIN1 làđiều khiển động cơ quay theo chiều kim đồng hồ

(12) Đặt P0702 = 15 xác định chức năng của DIN2 là tần

Ứng với mỗi tần số cố định ta sẽ nhận được tốc độ tươngứng, Khi phụ tải thay đổi ta sẽ xác định được đặc tính của hệthống

4.4.2 Bài số 2 : Điều khiển hệ thống ở chế độ điều khiển vector

Hình 4.6: Mô hình điều khiển động cơCài đặt chế độ điều khiển vector

(1) Kiểm tra các đầu nối cấp nguồn cho biến tần và cácđầu nối ra động cơ, các thiết bị điện

(2) Bật Aptomat trên bàn thí nghiệm Ấn nút START đểcấp điện cho bộ biến tần

(3) Đặt thông số P0003 = 3 để cho tất cả các thông sốcủa bộ biến tần có thể điều chỉnh được

(4) Đặt các thông số P0304-P0311 theo đúng bảng côngsuất động cơ

(5) Lựa chọn chế độ điều khiển vector (P1300 = 20)(6) Đảm bảo động cơ đang mát và lệnh RUN Việc xácđịnh tự động chỉ xẩy ra trong lần đầu khởi động khi P1300 đạttới 20 Việc ngắt quá trình tự động kiểm tra bằng cách ngắtnguồn hoặc hủy lệnh RUN có thể gây ra lỗi và kiểm tra tự động

sẽ được lặp lại Nếu các thông số động cơ thay đổi thì việckiểm tra tự động cũng được thực hiện lại

(7) Giống như mọi hệ thống điều khiển, điều khiểnvector cũng cần được ổn định nhờ việc đặt thông số giới hạnkhuếch đại tỷ lệ (P1470) và khuếch đại tích phân (P1472) Cácgiá trị thực và giá trị đặt được xác định bằng cách kiểm tra, tuynhiên thường cài đặt như sau:

(8) Đặt P1452 = 4ms, hằng số thời gian của bộ lọc PT1dùng để cản dịu sai số của khâu điều khiển tốc độ khi làm việc

ở chế độ vectơ không sensor (SLVC) Việc giảm giá trị này làmtăng chất lượng động của quá trình điều chỉnh tốc độ Nếu đặt ởgiá trị thấp hoặc giá trị cao thì sẽ gây ra mất ổn định

(9) Đặt P1470 = 3, hệ số khuếch đại của khâu điều khiểntốc độ trong chế độ điều khiển Vector

(10) Đặt P1472 = 400ms, hằng số thời gian tích phân củakhâu điều khiển tốc độ trong chế độ điều khiển Vector khôngsensor

(11) Đặt P1755 = 5Hz, tần số khởi động của chế độ điềukhiển vectơ không sensor (SLVC), do đó chế độ điều khiển véc

tơ không sensor chuyển từ vòng hở sang vòng kín tại tần số đó

4.6 Kết luận chương 4

Thông qua thực nghiệm sinh viên sẽ hiểu nguyên lý làmviệc, làm quen với các thiết bị trong thực tế Biết cách điềuchỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc.Kêt quả thực nghiệm góp phần nâng cao chất lượng đàotạo nghề ở trường Cao đẳng Vì vậy việc xây dựng bài thựcnghiệm về hệ thống BĐTS- ĐCKĐB trong trường dạy nghềYên Bái là cần thiết và cần được quan tâm thực hiện /

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận:

Nội dung luận văn đã thể hiện phương pháp điều khiểntốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha rortor lồng sóc, điều khiểncác hệ truyền động xoay chiều bằng phương pháp điều khiểntựa theo từ thông rotor (T4R)

- tác giả đã đề xuất xây dựng hệ thống thực làm thựcnghiệm phục vụ công tác đào tạo của trường nghề, nâng caođược kỹ năng cho sinh viên

Tất cả các nội dung của luận văn đã được tác giả hoànthành :

Chương 1: Thực trạng và yêu cầu đào tạo nghề Điện của

trường Cao đẳng nghề Yên Bái

Chương 2: Nghiên cứu điều khiển hệ truyền động biến

tần - động cơ không đồng bộ ba pha

Chương 3: đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng

và thực nghiệm

Chương 4: Xây dựng hệ thực nghiệm biến tần - động cơ

xoay chiều ba pha

Trong chương 3 tác giả đã tìm hiều về hệ thống thínghiệm – thực hành của trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp.Trong chương 4, đã xây dựng được bài thực hành biếntần động cơ xoay chiều ba pha phù hợp với điều kiện củatrường Cao đẳng nghề Yên Bái

2 Kiến nghị:

Với thời gian nghiên cứu còn ít, kiến thức và kinh nghiệm

về điều khiển có hạn, cho nên nội dung luận văn sẽ còn một số

hạn chế, đề nghị các thầy trong hội đồng chỉ dẫn để tác giả tiếptục nghiên cứu hoàn thiện và có thể áp dụng tốt kết quả nghiêncứu vào công tác thực hành thí nghiệm của trường Cao đẳngnghề Yên Bái, đồng thời nghiên cứu thêm các hệ thống thínghiệm thực hành khác như điều khiển PLC cho các đối tượngcông nghiệp, nhằm nâng cao trình độ, kỹ năng cho sinh viênsau khi tốt nghiệp.

Đề nghị nhà trường cho phép tác giả được bảo vệ luậnvăn trước hội đồng và được nhận bằng tốt nghiệp thac sĩ kỹthuật chuyên ngành Tự động hoá

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyen Phung Quang and Jörg-Andreas Dittrich, “Vector Control of Three-Phase AC Machines”, springer

[2] Nguyễn Phùng Quang, “Điều khiển tự động truyền động xoay chiều ba pha”, NXB Giáo dục, 1998.

[3] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich, “Truyền động điện thông minh”, NXB KHKT, 2006

[4] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị

Hiền, Truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà

Nội 2001

[5] Trần Bá Thời (tác giả), Trần Thọ, Võ Quang Lạp

(biên dịch):“Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện” Nhà

xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004

[6] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải,

Dương Văn Nghi: “Điều chỉnh tự động truyền động điện” Nhà

xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004

[7] Nguyễn Phùng Quang: “Matlab  Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà

Nội, 2006

[8] Trần Xuân Minh, Nguyễn Như Hiển: “Tổng hợp hệ điện cơ” NXB KH&KT, 2011.