Nghiên cứu, ứng dụng biến tần và khởi động mềm điều khiển động cơ công suất lớn

Việc giảm điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi động hoàn toàn có thể được thực hiện một cách dễ dàng bằng việc điều khiển góc mở của van bán dẫn, làm hạn chế dòng điện khởi động

LỜI NÓI ĐẦU

Đất nước ta hiện nay đang hội nhập ngày càng sâu rộng vào nền kinh tế thế giới, việc cạnh trạnh về thị trường là rất khốc liệt Để có được những sản phẩm cạnh tranh thì cần phải thay đổi công nghệ sản xuất lạc hậu, thay vào đó là những dây chuyền sản xuất khép kín, tính tự động hóa cao nhằm mang đến những sản phẩm chất lượng với giá thành

rẻ, tăng tính cạnh tranh trên thị trường

Với những ưu điểm như hệ số công suất cao, vận hành tin cậy, giá thành rẻ và chi phí vận hành hằng năm thấp Do đó, động cơ không đồng bộ đáp ứng được các yêu cầu cao trong điều khiển và được ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau đặc biệt

là sản xuất công nghiệp… Tuy nhiên, do cấu trúc phi tuyến với nhiều thông số nên việc điều khiển động cơ không đồng bộ là khó khăn

Những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn, vi điều khiển nhiều phương pháp điều khiển mới đã được đề xuất cho điều khiển động cơ không đồng

bộ Sử dụng biến tần và khởi động mềm là hai phương pháp điều khiển động cơ tiên tiến

hiện nay, được ứng dụng rộng rãi với nhiều tính năng, đảm bảo các yêu cầu điều khiển

Đây cũng là lí do mà nhóm chúng em lựa chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG

BIẾN TẦN VÀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” cho đồ án của chúng em Qua một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu và nhận được sự

hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo hướng dẫn Trần Văn Hải cùng với các thầy

cô giáo trong khoa, các bạn, đến nay đồ án của em đã hoàn thành

Với khả năng kiến thức còn nhiều hạn chế, do đó bản đồ án này sẽ không tránh khỏi những thiếu xót Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô

và các bạn để đồ án này được hoàn chỉnh hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 6 tháng 6 năm 2012

Phạm Văn Cường

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

Tp.Hồ Chí Minh, Ngày… tháng… năm 2012

Giáo viên hướng dẫn

(ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN:

Tp.Hồ Chí Minh, Ngày… tháng… năm 2012

Giáo viên phản biện

(ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 1

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 3

MỤC LỤC 4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 6

1.1 TÍNH CẦP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 6

1.2 NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 6

1.3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 6

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 7

2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 8

2.2 CẤU TẠO 9

2.2.1 Phần tĩnh (Stator) 8

2.2.2 Phần quay (Rotor) 10

2.2.3 Khe hở không khí 11

2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 11

2.4 CÁC YÊU CẦU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 14

2.4.1 Những yêu cầu đặt ra trong quá trình điều khiển động cơ 14

2.4.2 Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ 16

2.4.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 24

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN 29

3.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 29

3.2 CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG CỦA BIẾN TẦN 29

3.2.1 Biến tần trực tiếp 29

3.2.2 Biến tần gián tiếp 33

3.3 ỨNG DỤNG CỦA BIẾN TẦN TRONG THỰC TẾ 36

3.4 MỘT SỐ LƯU Ý KHI SỬ DỤNG BIẾN TẦN 38

3.5 MỘT SỐ LOẠI BIẾN TẦN TRÊN THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY 38

3.6 ỨNG DỤNG CỦA BIẾN TẦN ABB- ACS150 45

3.6.1 Khởi động và nhập thông số 45

3.6.2 Các phương pháp điều khiển sử dụng biến tần ACS150 55

CHƯƠNG IV: GIỚI THIỆU VỀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM 63

4.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 63

4.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 63

4.2.1 Cấu tạo bộ khởi động mềm 63

4.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ khởi động mềm 68

4.3 ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM TRONG THỰC TẾ 69

4.4 MỘT SỐ LOẠI KHỞI ĐỘNG MỀM TRÊN THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY 70

4.5 ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM SIEMENS – 3RW44 76

4.5.1 Sơ đồ kết nối mạch nguồn và mạch điều khiển 76

4.5.2 Hiển thị và cài đặt thông số 77

KẾT LUẬN 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 TÍNH CẦP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong các ngành sản xuất công nghiệp, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng khá phổ biến trong các hệ thống truyền động, dây chuyền sản xuất bởi tính chất đơn giản

và tin cậy trong thiết kế chế tạo và sử dụng Tuy nhiên khi sử dụng động cơ không đồng

bộ trong sản xuất đặc biệt với các động cơ có công suất lớn ta cần chú ý tới quá trình khởi động động cơ do khi khởi động rotor ở trạng thái ngắn mạch, dẫn đến dòng điện khởi động và momen khởi động lớn, nếu không có biện pháp khởi động thích hợp có thể không khởi động được động cơ hoặc gây nguy hiểm cho các thiết bị khác trong hệ thống điện

Vấn đề khởi động động cơ điện không đồng bộ đã được nghiên cứu từ lâu với các biện pháp khá hoàn thiện để giảm dòng điện và momen khởi động Ngày nay, công nghệ bán dẫn ngày càng phát triển, các thiết bị bán dẫn công suất lớn ngày càng được sử dụng

rộng rãi, với độ tin cậy ngày càng cao, có khả năng điều khiển tốt Sự ra đời của các bộ

biến tần, bộ khởi động mềm đã giải quyết những nhược điểm mà các phương pháp điều

khiển truyền thống mắc phải Việc giảm điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi động hoàn toàn có thể được thực hiện một cách dễ dàng bằng việc điều khiển góc mở của

van bán dẫn, làm hạn chế dòng điện khởi động xuống còn 1.5 đến 3 lần dòng định mức,

phụ thuộc vào chế độ tải vì khi động cơ được đóng điện trực tiếp vào lưới điện dòng khởi

động của động cơ không đồng bộ sẽ rất lớn từ 5 đến 7 lần dòng định mức Đồng thời điều

chỉnh tăng mômen mở máy một cách hợp lý, cho nên các chi tiết của động cơ chịu độ dồn nén về cơ khí ít hơn, tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động cơ Ngoài việc tránh dòng đỉnh trong khi khởi động động cơ, còn làm cho điện áp nguồn ổn định hơn không gây ảnh hưởng xấu đến các thiết bị khác trong lưới điện

Với đề tài mà chúng em thực hiện là: “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN

VÀ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” nghĩa là: điều

khiển động cơ sao cho có thể làm hạn chế dòng điện khởi động, cũng như tăng mômen

mở máy một cách hợp lý đồng thời điều chỉnh được tốc độ động cơ trong quá trình làm việc Chúng em hy vọng sẽ mang đến những kiến thức hữu ích về biến tần và khởi động mềm, để phục vụ tốt hơn cho nhu cầu học tập và vận hành thực tiễn

1.2 NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài bao gồm các nội dung:

- Tổng quan về động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển.

- Nghiên cứu, ứng dụng biến tần.

- Nghiên cứu, ứng dụng bộ khởi động mềm.

- Thi công mô hình biến tần và bộ khởi động mềm.

1.3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Với đề tài “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN VÀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” đã giải quyết được vấn đề giảm dòng khởi cho động cơ khi khởi động và điều khiển điện áp ở đầu cực động cơ nhưng vẫn còn hạn chế là chưa thể nghiên cứu sâu hơn nữa những tính năng thực của biến tần và bộ khởi động mềm được bán trên thị trường hiện nay như:

- Tích hợp hình thức giao tiếp mạng kiểu Modbus.

- Các ngõ vào ra đa chức năng,…

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đây là đề tài nghiên cứu lĩnh vực ứng dụng, chính vì vậy các phương pháp chủ yếu

sử dụng để thực hiện đề tài này là:

- Phương pháp tham khảo tài liệu: Bao gồm các tài liệu chuyên môn, bài giảng và

giáo trình liên quan đến đề tài, các tài liệu tải từ Internet,…

- Phương pháp thực nghiệm và mô phỏng: Tiến hành cài đặt, hiệu chỉnh và vận

hành thực tế, thiết kế và mô phỏng mạch điện,

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Động cơ không đồng bộ ba pha do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, sử dụng và bảo quản thuận tiện, giá thành rẻ nên được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân, nhất là loại công suất dưới 100 kW

Động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc cấu tạo đơn giản nhất (nhất là loại rotor lồng sóc đúc nhôm) nên chiếm một số lượng khá lớn trong loại động cơ công suất nhỏ và trung bình Nhược điểm của động cơ này là điều chỉnh tốc độ khó khăn và dòng điện khởi động lớn thường bằng 5-7 lần dòng điện định mức Để bổ khuyết cho nhược điểm này, người ta chế tạo đông cơ không đồng bộ rotor lồng sóc nhiều tốc độ và dùng rotor rãnh sâu, lồng sóc kép để hạ dòng điện khởi động, đồng thời tăng mômen khởi động lên

Động cơ điện không đồng bộ rotor dây quấn có thể điều chỉnh tốc được tốc độ trong một chừng mực nhất định, có thể tạo một mômen khởi động lớn mà dòng khởi động không lớn lắm, nhưng chế tạo có khó hơn so với với loại rotor lồng sóc, do đó giá thành cao hơn, bảo quản cũng khó hơn

Hình 2.1: Động cơ không đồng bộ ba pha.

 Lõi sắt:

Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại Khi đường kính ngoài lớn hơn thì dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại Mặt trong của lõi thép có các rãnh để đặt dây quấn

Rãnh chứa dây quấn có nhiều hình dạng khác nhau Trong đó, phổ biến là rãnh hình thang và rãnh quả lê

Hình 2.2: (a) lõi thép stator; (b) lá thép; (c) rãnh chứa dây quấn.

• Dây quấn:

Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt

2.2.2 Phần quay (rotor)

Rotor có 2 loại chính : rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lòng sóc

• Rotor dây quấn :

Rotor có dây quấn giống như dây quấn của stator Dây quấn 3 pha của rotor thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài Đặc điểm là có

Hình 2.4 (a) sơ đồ bố trí ba cuộn dây stator

(b) dây quấn ba pha đặt trong rãnh.

Hình 2.3: Rãnh ở mặt trong stator.

thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch Nhược điểm so với động cơ rotor lồng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt và dễ cháy

nổ

• Rotor lồng sóc :

Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc

2.2.3 Khe hở không khí

Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn

2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Xét stator động cơ không đồng bộ ba pha đơn giản có 6 rãnh, trên stator được bố trí

ba cuộn dây AX, BY và CZ

Khi nối dây quấn stator vào nguồn điện 3 pha tần số f, trong dây quấn stator sẽ có hệ thống dòng điện 3 pha (isu, isv, isw), dây quấn stator sẽ sinh ra từ trường quay (như hình 2.5) với tốc độ:

Từ trường quay quét qua dây quấn rotor cảm ứng trong dây quấn rotor một sức điện động cảm ứng E2 Do dây quấn rotor nối ngắn mạch, nên E2 tạo ra dòng điện I2 chạy trong các thanh dẫn rotor (chiều của i2 xác định theo qui tắc bàn tay phải như hình 2.5) Dòng điện I2 cũng tạo ra từ trường quay với tốc độ n1 cùng chiều với từ trường stator Từ trường trong khe hở không khí của máy là tổng từ trường do dòng điện stator và dòng điện rotor tạo ra và cũng là từ trường quay với tốc độ n1 Từ trường khe hở không khí sẽ tác dụng lên dòng điện I2 lực F (chiều của F xác định theo qui tắc bàn tay trái như hình 2.5) Tập hợp các lực tác dụng lên thanh dẫn theo phương tiếp tuyến với bề mặt rotor tạo

ra mômen quay rotor Và rotor sẽ quay cùng chiều từ trường với tốc độ n2 nhỏ hơn tốc độ

n1 Hiệu số giữa tốc độ từ trường và tốc độ rotor gọi là tốc độ trượt (n):

n n n

n = −

(2.3)

Đây chính là hệ số trượt của động cơ

Hình 2.5: Từ trường quay stator và sự hình thành các cực từ.

Khi s=0 nghĩa là n1=n2, tốc độ rotor bằng tốc độ từ trường, chế độ này gọi là chế độ không tải lý tưởng (không có bất cứ sức cản nào lên trục) Ở chế độ không tải thực, s≈0

Tần số dòng điện trong rotor rất nhỏ, nó phụ thuộc vào tốc độ trượt của rotor so với

từ trường:

1 2

1 1 2

1

*60

)(

*

*60

n

n n n p n n p

Hình 2.6 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha.

Động cơ không đồng bộ có thể làm việc ở chế độ máy phát điện nếu ta dùng một động cơ khác quay nó với tốc độ cao hơn tốc độ đồng bộ, trong khi các đầu ra của nó được nối với lưới địện Nó cũng có thể làm việc độc lập nếu trên đầu ra của nó được kích bằng các tụ điện

Động cơ không đồng bộ có thể cấu tạo thành động cơ một pha Động cơ một pha không thể tự mở máy được, vì vậy để khởi động động cơ một pha cần có các phần tử khởi động như tụ điện, điện trở …

Khi nam châm điện quay (tốc độ n1 vòng/ phút ) làm đường sức từ quay cắt qua các cạnh của khung dây cảm ứng gây nên sức điện động E trên khung dây Sức điện động E sinh ra dòng điện I chạy trong khung dây Vì dòng điện I nằm trong từ trường nên khi từ trường quay làm tác động lên khung dây một lực điện từ F Lực điện từ này làm khung dây chuyển động với tốc độ n vòng/ phút

2.4 CÁC YÊU CẦU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

2.4.1 Những yêu cầu đặt ra trong quá trình điều khiển động cơ

Những động cơ trước đây thường được chế tạo để làm việc với tải không đổi trong suốt quá trình làm việc Điều này làm cho hiệu suất làm việc của hệ thống thấp, một phần đáng kể công suất đầu vào không được sử dụng hiệu quả Hầu hết thời gian momen động

cơ sinh ra đều lớn hơn momen yêu cầu của tải

Khi khởi động trực tiếp từ lưới nguồn, dòng khởi động rất lớn Điều này làm tổn thất công suất lớn trên đường truyền và trong rotor, làm nóng động cơ, thậm chí có thể làm hỏng lớp cách điện Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện áp nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ

Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ hóa, tải hầu như chỉ có tính cảm Kết quả là hệ số công suất (PF: Power Factor) rất thấp, khoảng 0,1 Khi tải tăng lên dòng điện làm việc bắt đầu tăng Dòng điện từ hóa duy trì hầu như không

đổi trong suốt quá trình hoạt động từ không tải đến đầy tải Vì vậy, khi tải tăng hệ số công suất cũng lên Khi động cơ làm việc với hệ số công suất nhở hơn 1, dòng điện trong động cơ không hoàn toàn sin Điều này cũng làm giảm chất lượng công suất nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ

Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn cấp hoặc đảo chiều động cơ Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm Trong các ứng dụng trước đây, các phương pháp hãm cơ thường được sử dụng Lực ma sát giữa phần cơ và má phanh có tác dụng hãm Tuy nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả và tổn hao nhiệt lớn

Trong nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ như quạt, máy bơm Ở những tải loại này, momen cản tỷ lệ với bình phương tốc độ, công suất

tỷ lệ với lập phương của tốc độ Do đó việc điều chỉnh tốc độ, điều này phụ thuộc vào tải,

có thể tiết kiệm điện năng Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốc độ động cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào Mà điều này là không thể thực hiện được đối với những động cơ sử dụng trực tiếp điện áp lưới

Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị định mức, dòng điện trong động cơ chứa nhiều thành phần điều hòa bậc cao Điều này làm tăng tổn thất trong động cơ dẫn đến giảm tuổi thọ của động cơ Momen sinh ra bởi động cơ bị gợn sóng Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạt động ở tần số cao bởi tính chất cảm của động cơ Nhưng ở tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung, làm ảnh hưởng đến các vòng đồng của rotor Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếu không được bảo vệ sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ

Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển thông minh Sự phát triển của các van công suất, công nghệ sản xuất IC tích hợp cao cho ra đời những bộ

vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự phát triển của kỹ thuật tính toán đã dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt được chất lượng cao

2.4.2 Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ

2.4.2.1 Mở máy trực tiếp động cơ điện rotor lồng sóc

Đây là phương pháp mở máy đơn giản nhất, chỉ việc đóng trực tiếp động cơ điện vào lưới điện là được

• Ưu điểm:

- Đây là phương pháp đơn giản

- Nếu nguồn điện tương đối lớn thì có thể dùng phương pháp này để mở máy vì

mở máy nhanh và đơn giản

• Nhược điểm:

- Dòng điện mở máy tương đối lớn

- Nếu quán tính của tải tương đối lớn, thời gian mở máy quá dài thì có thể làm cho máy nóng và ảnh hưởng đến điện áp của lưới

Hình 2.7: Sơ đồ đóng trực tiếp động cơ vào lưới điện.

2.4.2.2 Hạ điện áp mở máy

Mục đích của phương pháp này là giảm dòng điện mở máy nhưng đồng thời mômen

mở máy cũng giảm xuống Do đó đối với những tải yêu cầu có mômen mở máy lớn thì phương pháp này không dùng được Tuy vậy, đối với những thiết bị yêu cầu mômen mở máy nhỏ thì phương pháp này rất thích hợp Ví dụ: tải quạt gió,bơm,

2.4.2.3 Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện stator:

Sơ đồ nối dây như hình 2.9 Khi mở máy trong mạch điện stator đặt nối tiếp một điện kháng Sau khi mở máy xong bằng cách đóng tiếp điểm K1 của công tắc tơ thì điện kháng này bị nối ngắn mạch Điều chỉnh trị số của điện kháng thì có thể có được dòng điện mở máy cần thiết

Do có điện áp gáng trên điện kháng nên điện áp mở máy trên đầu cực động cơ U’

K

sẽ nhỏ hơn điện áp lưới Gọi dòng điện mở máy và mômen khi mở máy trực tiếp là IK và

MK Nếu cho rằng khi hạ điện áp mở máy, tham số của máy điện vẫn giữ không đổi thì sau khi thêm điện kháng vào:

Dòng điện mở máy còn lại là : I’

Mômen mở máy là: M’

K = k2.MK

Trong đó: k < 1

• Ưu điểm:

- Thiết bị khởi động đơn giản

- Dòng điện mở máy có thể điều chỉnh được cho phù hợp với yêu cầu

- Phương pháp này được dùng cho động cơ công suất hạ áp và cao áp

2.4.2.4 Dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp mở máy

Sơ đồ nối dây như hình 2.10 Bên cao áp nối với lưới điện, bên hạ áp nối với động

cơ điện Sau khi mở máy xong thì cắt máy biến áp tự ngẫu (bằng cách đóng tiếp điểm K2

vào và mở K1 ra)

Gọi tỷ số biến đổi điện áp của biến áp tự ngẫu là kT (kT < 1) thì:

- Điện áp đầu cực động cơ : U’

Như vậy ta thấy dòng điện mở máy lấy từ lưới giảm hơn kT2 lần

Hình 2.10: Hạ áp mở máy bằng biến áp tự ngẫu.

• Ưu điểm:

- Dòng điện mở máy có thể điều chỉnh được cho phù hợp với yêu cầu

- Với dòng điện mở máy bằng dòng điện mở máy của phương pháp dùng cuộn kháng thì ta có mômen máy lớn hơn

- Phương pháp này dùng được cho cả động cơ hạ áp, cao áp

• Nhược điểm:

- Mômen mở máy giảm

- Phải đầu tư thêm một máy biến áp tự ngẫu

2.4.2.5 Mở máy bằng phương pháp đổi nối Y - ∆:

Phương pháp mở máy Y - ∆ thích ứng với những máy khi làm việc bình thường đấu tam giác Khi mở máy ta đổi thành Y, như vậy điện áp đưa vào hai đầu mỗi pha chỉ có

U1/ 3 Sau khi đã chạy rồi, đổi lại thành cách đấu ∆ Sơ đồ cách đấu dây như hình 2.11 Khi mở máy thì đóng ATM, tiếp điểm KY đóng, còn tiếp điểm K∆ mở, như vậy máy đấu

Y Khi máy đã chạy rồi thì đóng tiếp điểm K∆, máy đấu ∆

Theo phương pháp Y - ∆ thì khi dây quấn đấu Y thì ta có:

- Điện áp pha trên dây quấn là : Ukf = U1

3 1

- Dòng điện pha khi mở máy là : 'kf Ikf

Khi mở máy trực tiếp động cơ đấu ∆ khi đó:

- Điện áp pha trên dây quấn là : Ukf = U1

- Dòng điện pha khi mở máy là : Ik = 3 I.kf

Như vậy khi mở máy đấu Y thì:

'

3

1 I 3

- Không dùng cho động cơ Y/∆ = 220/380

Hình 2.11: Mở máy bằng cách đổi nối Y - ∆.

- Không điều chỉnh được dòng điện khởi động theo yêu cầu.

2.4.2.6 Mở máy bằng cách thêm điện trở phụ vào rotor

Phương pháp này chỉ thích hợp với những động cơ điện rotor dây quấn vì đặc trưng của loại động cơ điện này là có thể thêm điện trở vào cuộn dây rotor Khi điện trở rotor thay đổi thì ta có đường đặc tính M = f(s) như hình 2.12 Khi điều chỉnh điện trở mạch điện rotor thích đáng thì sẽ được trạng thái mở máy lý tưởng (đường 4) Sau khi máy đã quay để duy trì một mômen điện từ nhất định trong quá trình mở máy ta cắt dần điện trở thêm vào rotor làm cho quá trình tăng tốc của động cơ điện thay đổi từ đường 4 sang đường 1 và sau khi cắt toàn bộ điện trở thì sẽ theo đường 1 tăng tốc đến điểm làm việc

• Ưu điểm:

- Dùng cho động cơ rotor dây quấn có thể đạt được mômen mở máy lớn

- Dòng điện mở máy nhỏ nên những nơi nào mở máy khó khăn thì dùng động

cơ điện loại này

Hình 2.12: Sơ đồ nối dây và đặc tính mômen khi thêm điện

trở vào rotor để mở máy.

- Bảo quản khó hơn, hiệu suất thấp hơn.

- Tổn thất công suất trên điện trở phụ lắp vào rotor

2.4.2.7 Mở máy dùng bộ khởi động mềm (bộ điều áp xoay chiều)

Dùng ba cặp thyristor đấu song song ngược như hình 2.13 Ứng với các góc mở α

khác nhau của các cặp thyristor, điện áp trung bình đặt vào động cơ khác nhau ứng với từng góc α

- Bộ khởi động dùng thêm ba cặp thyristor cho nên giá thành tăng.

2.4.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rotor Rf

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stator

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ

- Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa

- Điều chỉnh bằng phương pháp nối tầng

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f1

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 đây xin trình bày phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng

bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f1 và phương pháp thay đổi điện áp stator

2.4.3.1 Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f 1

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:

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: I0 = const

- Luật điều khiển dòng stator theo hàm số của độ sụt tốc: I1 = f(Δω)

2.4.3.2 Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stator

Sức điện động của cuộn dây stator E1 tỷ lệ với từ thông Φ1 và tần số f1 theo biều thức:

1 1 1 1 1

=

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:

2 ' 2 1 0

' 2

2 1

/3

X X s

R R

s R U M

Và momen tới hạn:

))(

(2

3

2 ' 2 1

2 1 1 0

2 1

X X R R

U

M th

+++

2 ' 2 1 0

' 2

2 1

/3

dm dm

dm

dm dm

X X

s

R R

s R U M

))(

(2

3

2 ' 2 1

2 1 1 0

2 1

dm dm

dm

dm thdm

X X

R R

U M

++

1 1

Với f1- là tần số làm việc của động cơ, f1dm- là tần số định mức Theo luật U/f=const:

a f

f U

U f

U f

U

dm dm dm

=

1

1 1

1 1

1 1

1

(2-10)

Ta thu được:

1dm 1

1dm 1

aff

aUU

2 ' 2 1

' 2 2 1

0

.3

X X s

a

R a R

s a

R U

2 1

2 1 1

2 1 0

2

3

X X a

R a

=

Dựa theo công thức trên ta thấy, các giá trị X1 và X’2 phụ thuộc vào tần số trong khi

R1 lại là hằng số Như vậy khi hoạt động ở tần số cao, giá trị (X1 + X’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 U0 để từ thông của động cơ định mức khi f = 0 Từ đó ta có quan hệ sau:

Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U1 cấp cho động cơ:

U=Udm tại f=fdm

Khi a > 1 (f > fdm ), 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:

Từ (hình 2.14) 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

Hình 2.14: Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luật

điều khiển U/f=const.

CHƯƠNG III GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN

3.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Biến tần là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện có tần số f1 cố định thành nguồn điện có tần số fr thay đổi được nhờ các khóa bán dẫn

Biến tần chia làm hai loại:

- Biến tần phụ thuộc - trực tiếp

- Biến tần độc lập - gián tiếp

3.2 CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG CỦA BIẾN TẦN

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 sử dụng

Cấu trúc của thiết bị biến tần trực tiếp như trên hình 3.1 Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được Do quá trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp, còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter)

Hình 3.1: Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay

chiều-xoay chiều)

Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều được tạo bởi mạch điện mắc song song ngược hai sơ đồ chỉnh lưu tiristor (hình 3.2) Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận nghịch lần lượt được điều khiển làm việc theo chu kỳ nhất định Trên phụ tải sẽ nhận được điện áp

ra xoay chiều U1 Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điều khiển α, còn tần số của nó phụ thuộc vào tần số khống chế quá trình chuyển đổi sự làm việc của hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược Nếu góc điều khiển α không thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra có giá trị không đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện áp đầu ra Muốn nhận được điện áp đầu ra có dạng gần hình sin hơn cần phải liên tục thay đổi góc điều khiển các van của mỗi sơ đồ chỉnh lưu trong thời gian làm việc của nó (mỗi nửa chu kỳ điện áp ra); chẳng hạn ở nửa chu kỳ làm việc của sơ đồ thuận, thực hiện thay đổi góc điều khiển α từ π/2 (ứng với điện

áp trung bình bằng không) giảm dần tới 0 (ứng với điện áp trung bình là cực đại), sau đó lại tăng dần α từ 0 lên tới π/2 thì điện áp trung bình đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu lại từ giá trị cực đại giảm về 0, tức là làm cho góc α thay đổi trong phạm vi π/2 ÷ 0 ÷ π/2, để điện

áp biến đổi theo quy luật gần hình sin, như trên hình 3.3 Trong đó, tại điểm A có α = 0, điện áp chỉnh lưu trung bình cực đại, sau đó tại các điểm B, C, D, E góc α tăng dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho đến điểm F với α = π/2 điện áp trung bình là 0 Điện áp trung bình trong nửa chu kỳ là hình sin trong hình vẽ thể hiện bằng nét đứt Sự điều khiển sơ đồ ngược trong nửa chu kỳ âm điện áp ra cũng tương tự như thế

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp.

Hình 3.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay

chiều-xoay chiều hình sin.

Hình 3.4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc

của các khâu trong biến tần trực tiếp.

Trên đây đã phân tích đầu ra một pha biến tần xoay chiều - xoay chiều (trực tiếp), đối với phụ tải ba pha, hai pha khác cũng dùng mạch điện đảo chiều mắc song song ngược, điện áp trung bình đầu ra có góc pha lệch nhau 1200 Như vậy, nếu mỗi một sơ đồ chỉnh lưu đều dùng loại sơ đồ cầu ba pha thì bộ biến tần ba pha sẽ cần tổng cộng tới 36 tiristor (mỗi nhánh cầu chỉ dùng một tiristor), nếu dùng loại sơ đồ tia ba pha, cũng phải dùng tới 18 tiristor Vì vậy thiết bị biến tần trực tiếp tuy về mặt cấu trúc chỉ dùng một khâu biến đổi, nhưng số lượng linh kiện lại tăng lên rất nhiều, kích thước tổng tăng lên rất lớn.

Do những thiết bị này đều tương tự như thiết bị của bộ biến đổi có đảo dòng thường dùng trong hệ thống điều tốc một chiều có đảo chiều nên quá trình chuyển mạch chiều dòng điện được thực hiện giống như trong sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển (chuyển mạch tự nhiên), đối với các linh kiện không có các yêu cầu gì đặc biệt Ngoài ra, từ hình 3.3 có thể thấy, khi điện áp đổi chiều đồ thị hình sin của điện áp nguồn cũng có thể biến đổi theo rất nhanh chóng, vì vậy tần số đầu ra lớn nhất cũng không vượt quá 1/3 ÷ 1/2 tần số lưới điện (tuỳ theo số pha chỉnh lưu), nếu không, đồ thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường của hệ thống điều tốc biến tần Do số lượng linh kiện tăng lên nhiều, tần số đầu ra giảm xuống, phạm vi thay đổi tần số đầu ra của bộ biến tần hẹp (vì cũng bị gới hạn cả tần số thấp nhất) nên hệ điều tốc này ít được dùng, chỉ trong một số lĩnh vực công suất lớn và cần tốc độ làm việc thấp, chẳng hạn như máy cán thép, máy nghiền bi, lò xi măng, những loại máy này khi dùng động cơ tốc độ thấp được cấp điện bởi biến tần trực tiếp có thể loại bỏ được hộp giảm tốc rất cồng kềnh và thường dùng tiristor mắc song song mới thoả mãn được yêu cầu công suất đầu ra

Bộ biến tần trực tiếp tuy có một số nhược điểm là số lượng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi tần số không rộng, chất lượng điện áp ra thấp, nhưng có ưu điểm là hiệu suất cao hơn so với các bộ biến tần gián tiếp, điều này đặc biệt có ý nghĩa khi công suất hệ thống điều tốc cực lớn (các hệ thống dùng động cơ công suất đến 16.000 KW) Trên đồ thị dạng sóng (hình 3.4) ta thấy công suất tức thời của biến tần bao gồm có bốn giai đoạn Trong hai khoảng ta có tích điện áp và dòng điện của biến tần dương, biến tần lấy công suất từ

lưới cung cấp cho tải Trong hai khoảng còn lại ta có tích giữa điện áp và dòng điện trong biến tần âm nên biến tần biến đổi cung cấp lại công suất cho lưới.

3.2.2 Biến tần gián tiếp

Biến tần gián tiếp hay còn gọi là biến tần có khâu trung gian một chiều, dùng bộ chỉnh lưu biến đổi nguồn xoay chiều thành một chiều, sau đó lại dùng bộ nghịch lưu biến đổi nguồn một chiều thành xoay chiều Khâu trung gian một chiều đóng vai trò tích lũy năng lượng dưới dạng nguồn áp dùng tụ điện hoặc nguồn dòng dùng cuộn cảm tạo ra một khâu cách ly nhất định giữa phụ tải và nguồn điện áp lưới Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:

Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp

M

Chức năng của các khối chính như sau:

 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

 Lọc: Bộ lọc có 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

Ngoài ra, còn có các khối phụ:

 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:

- 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

- 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 số 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

3.3 ỨNG DỤNG CỦA BIẾN TẦN TRONG THỰC TẾ

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 đúc… Vì 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 mềm (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 trong trường hợp này

3.4 MỘT SỐ LƯU Ý KHI SỬ DỤNG BIẾN TẦN

- Tùy theo ứng dụng mà bạn lựa chọn bộ biến tần cho phù hợp, theo cách đó bạn sẽ

chỉ phải trả một chi phí thấp mà lại đảm bảo độ tin cậy làm việc

- Bên trong bộ biến tần là các linh kiện điện tử bán dẫn nên rất nhạy cảm với điều

kiện môi trường, mà Việt Nam có khí hậu nóng ẩm nên khi lựa chọn bạn phải chắc chắn rằng bộ biến tần của mình đã được nhiệt đới hoá, phù hợp với môi trường khí hậu Việt Nam

- Bạn phải đảm bảo điều kiện môi trường lắp đặt như nhiệt độ, độ ẩm, vị trí Các bộ

biến tần không thể làm việc ở ngoài trời, chúng cần được lắp đặt trong tủ có không gian rộng, thông gió tốt (tủ phải có quạt thông gió), vị trí đặt tủ là nơi khô ráo trong phòng có nhiệt độ nhỏ hơn 5000C, không có chất ăn mòn, khí gas, bụi bẩn,

độ cao nhỏ hơn 1000m so với mặt nước biển

- Đọc kỹ hướng dẫn sử dụng, nếu không hiểu hoặc không chắc chắn thì không tự ý

mắc nối hoặc thay đổi các tham số cài đặt Nhờ các kỹ thuật viên của hãng cung cấp biến tần cho bạn hướng dẫn lắp đặt, cài đặt để có được chế độ vận hành tối ưu cho ứng dụng của bạn Khi biến tần báo lỗi hãy tra cứu mã lỗi trong tài liệu và tìm hiểu nguyên nhân gây lỗi, chỉ khi nào khắc phục được lỗi mới khởi động lại

- Mỗi bộ biến tần đều có một cuốn tài liệu tra cứu nhanh, bạn nên ghi chép chi tiết

các thông số đã thay đổi và các lỗi mà bạn quan sát được vào cuốn tài liệu này, đây là các thông tin rất quan trọng cho các chuyên gia khi khắc phục sự cố

3.5 MỘT SỐ LOẠI BIẾN TẦN TRÊN THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY

3.5.1 Biến tần Simen

3.5.1.1 Biến tần Siemens M420

Họ biến tần MICROMASTER 420 - 6SE6420 có công suất định mức từ 0.37KW đến 11KW đối với điện áp vào 3 pha AC 380V đến 480V, 0.12 KW đến 5.5KW đối với

điện áp vào 3 pha AC 200V đến 240V và 0.12KW đến 3KW đối với điện áp vào 1 pha

AC 200V đến 240V tần số ngõ vào 50/60Hz

Các đặc tính khác:

- Điện áp định mức ngõ ra: 1/3 pha 220VAC và 3 pha 380VAC tuỳ theo chọn

mã hàng, tần số ngõ ra từ 0Hz đến 650Hz

- Các đầu đấu nối vào và ra: 3 đầu vào số,1 đầu vào tương tự, 1 đầu ra rơle, 1

đầu ra tương tự,1 cổng RS485, có chức năng hãm DC và hãm hổn hợp

- Phương pháp điều khiển: Phương pháp điều khiển V/F tuyến tính, V/F đa

điểm, V/f bình phương, điều khiển dòng từ thông FCC

- Chức năng bảo vệ: quá tải, thấp áp, quá áp, chạm đất, ngắn mạch, quá nhiệt

động cơ, quá nhiệt biến tần.…

- Các tuỳ chọn khác như: Bảng điều khiển BOP, bảng điều khiển AOP, bộ ghép

nối PC, đĩa CD cài đặt, modul profibus, bộ lọc đầu vào, lọc đầu ra

Ứng dụng: Dùng cho các ứng dụng đơn giản có công suất dưới 11KW (Bơm, quạt,

băng chuyền )

- Ứng dụng tốt cho hệ thống quạt.

- Ứng dụng tốt các giải pháp tiết kiệm điện trong các hệ thống quạt.

Hình 3.6:Biến tần Siemens M420

3.5.1.2 Biến tần Siemens M430:

Biến tần MICROMASTER 430 - 6SE6430 có công suất định mức từ 7.5KW đến 250KW đối với điện áp vào 3 pha AC 380V đến 480V, tần số ngõ vào 50/60Hz điện áp định mức ngõ ra: 3 pha 380VAC , tần số ngõ ra từ 0Hz đến 650Hz

Các đặc tính kỹ thuật khác:

- Các đầu đấu nối vào và ra : 6 đầu vào số, 2 đầu vào tương tự, 3 đầu ra rơle, 2

đầu ra tương tự,1 cổng RS485, 15 cấp tần số cố định có chức năng hãm DC và hảm hổn hợp, có tích hợp bộ điều khiển PID

- Phương pháp điều khiển: V/f tuyến tính, V/f bình phương, V/f đa điểm, điều

khiển dòng từ thông, điều khiển vecter, điều khiển momen

- Chức năng bảo vệ: quá tải, thấp áp, quá áp, chạm đất, ngắn mạch, quá nhiệt

động cơ, quá nhiệt biến tần.…

- Các tuỳ chọn khác như: Bảng điều khiển BOP-2, bộ phụ kiện lắp BOP trên

cánh tủ, bộ ghép nối PC, modul profibus, bộ lọc đầu vào, bộ lọc đầu ra.…

Ứng dụng: Chuyên dụng cho các dự án tiết kiệm năng lượng (bơm, quạt) MM430

ứng dụng chuyên cho bơm , quạt và các Momen thay đổi theo tốc độ khác

- Ứng dụng tốt cho các hệ thống bơm.

- Giải pháp tiết kiệm điện trong các hệ thống quạt gió.

Hình 3.7: Biến tần Siemens M430