Đồ án điều khiển truyền động điện

Việc sử dụng biến tần để điều khiển tốc độ động cơ đang được sử dụng rộngrãi trong quá trình sản xuất.. Do bởi, thông qua việc thay đổi tần số của dòng điệnxoay chiều, biến tần sẽ thay đ

LỜI NÓI ĐẦUNgày nay cũng với sự phát triển của các ngành công nghệ thông tin, kỹ thuậtđiện tử là sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hóa Trong sản xuất côngnghiệp, tự động hóa quá trình sản xuất là một vấn đề then chốt cần giải quyết nhằmnâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm lao động tay chân.Một trong các vấn đề quan trọng trong dây truyền tự động hóa là việc điều chỉnhtốc độ của động cơ, cơ cấu truyền động chính trong các hệ truyền động đó

Việc sử dụng biến tần để điều khiển tốc độ động cơ đang được sử dụng rộngrãi trong quá trình sản xuất Do bởi, thông qua việc thay đổi tần số của dòng điệnxoay chiều, biến tần sẽ thay đổi và điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều Như vậy,người dùng chỉ cần thực hiện thao tác đơn giản là điều chỉnh tần số thì đã có thể tự

do và liên tục thay đổi tốc độ quay của động cơ một cách linh hoạt và hiệu quả.Ngoài ra, biến tần thường có hệ thống điện tử bảo vệ quá dòng, bảo vệ cao áp vàthấp áp, tạo ra một hệ thống an toàn khi vận hành; giảm hao mòn cơ khí; tiết kiệmđiện; nâng cao năng suất; đáp ứng yêu cầu công nghệ

Vì vậy, nhóm em xin trình bày đề tài: “ Sử dụng biến tần để điều khiển tốc

độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng tín hiệu analog”

Sinh viên thực hiện Nguyễn Viết Lâm

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN

1.1 Định nghĩa, cấu tạo và phân loại:

1.1.1 Định nghĩa :

- Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điệnxoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được một cách vô cấp, không cần dùngđến các hộp số cơ khí, thông thường sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắttuần tự

1.1.2 Cấu trúc cơ bản của biến tần:

- Mạch chỉnh lưu: gồm 6 diode công suất mắc theo dạng mạch cầu 3 pha có nhiệm

vụ chỉnh lưu nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện 1 chiều

- Bộ lọc DC: giúp cho điện áp 1 chiều sau chỉnh lưu được bằng phẳng hơn

- Bộ nghịch lưu: gồm 6 công tắc bán dẫn loại IGBT Bộ nghịch lưu có nhiệm vụchuyển đổi nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều ba pha có tần sốthay đồi

1.1.3 Phân loại biến tần:

- Biến tần AC: Được sử dụng rộng rãi nhất, được thiết kế dùng để điều khiển tốc độđộng cơ xoay chiều

- Biến tần DC: Kiểm soát sự rẽ nhánh của động cơ điện 1 chiều

Ngoài ra còn phân theo công suất đáp ứng cho tải, ứng dụng đặc biệt của biến tầnnhư thang máy, năng lượng mặt trời,…

1.1.4 Ưu điểm của biến tần:

- Biến tần có thể điều khiển vô cấp tốc độ động cơ điện

- Với đặc tính khởi động mềm của biến tần nó cho phép khống chế dòng khởi độngkhông vượt quá dòng định mức của động cơ, do đó tránh sụt áp và tiết kiệm điệnkhi khởi động

- Hiệu suất làm việc của biến tần cao hơn 90%

- Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tần rất đơn giản, làm việc đượctrong nhiều môi trường khác nhau, đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau và cóthể thay đổi tốc độ làm việc nhiều động cơ một lúc

- Tăng tốc êm, chống giật giúp giảm áp lực lên hệ thống cơ khí như hộp số, pháthiện đứt dây đai nhờ việc giảm sát momen tải

- Tiết kiệm điện năng lên đến 60% trong quá trình khởi động và vận hành

- Dễ dàng kết nối với hệ thống điều khiển tự động

- Tích hợp đầy đủ các chức năng bảo vệ quá tải, quá nhiệt, quá dòng, quá áp, lệchpha, mất pha,…

- An toàn, tiện lợi và ít tốn chi phí bảo trì, bảo dưỡng

1.2 Các phương pháp điều khiển trong biến tần:

- Các phương pháp điều khiển trong biến tần là:

• Phương pháp điều khiển V/f

• Phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông_ FOC (Field OrientedControl)

• Phương pháp điều khiển trực tiếp momen _DTC ( Direct Torque Control)

1.2.1: Phương pháp điều khiển V/f:

- Điều khiển V/f là điều khiển cơ bản nhất mà hầu như mọi loại biến tần đều có

- Ở phương pháp điều khiển này ta có:

+ Momen lớn nhất: Khi tần số f gần với fđm thì X1>> RS dẫn đến:

Tmax k()2

Tmax = Nếu giữ V/f = hằng số thì Tmax = hằng số

+ Dòng điện khởi động:

Ir = ( X1 >> Rs + )nếu Ir = hằng số thì: Ir ~ U/f

- Đặc tính V/f:

Khi f tăng dần đến fđm thì điện áp sẽ tăng theo

Khi f tăng quá fđm thì điện áp sẽ không đổi

- Ứng dụng: Điều khiển V/f gần như là chế độ điều khiển mặc định trên tất cả các

loại biến tần Chính vì vậy nó có thể sử dụng cho rất nhiều ứng dụng trong côngnghiệp khác nhau Một ứng dụng cơ bản đều có thể cài đặt biến tần chạy ở chế độV/f:

• Điều khiển bơm, quạt

* Phương pháp:

Hệ tọa độ từ thông rotor quay với tốc độ ⍵ e

- Trước hết ta xét mô hình động cơ khi mà hệ trục tọa độ quay có trục d trùng với

từ thông rotor, lúc này thành phần từ thông roto trên trục q có giá trị là 0

ψrq = 0Xét phương trình điện áp rotor trên trục d:

Như vậy isd sẽ được sử dụng để điều khiển từ thông ψrd ( bằng giá trị định mức).

- Phương trình momen có dạng sau:

Như trên ta có ψrq = 0 dẫn đến:

Mặt khác:

Nên ta có:

Nếu ta giữ từ thông ψrd là giá trị đặt không đổi thì p( ψrd sẽ là hằng số và khi đó iqs

sẽ điều khiển Te

- Chiến lược điều khiển động cơ sẽ như sau:

• isd sẽ điều khiển ψrd để giữ ψrd bằng giá trị định mức

• isq sẽ điều khiển Te

- Ứng dụng: Với khả năng điều khiển chính xác cao nên được ứng dụng vào:

• Sử dụng trong một số loại máy cắt và in để đạt được hiệu quả cao

• Một số hệ thống máy móc yêu cầu đồng tốc nhiều động cơ với nhau

• Một số hệ thống cẩu tháp

• Máy kiểm tra vải hay băng tải yêu cầu độ chính xác…

1.2.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen _DTC ( Direct Torque

Control).

- Trong những năm gần đây, với sự xuất hiện và phát triển của các bộ xử lý tín hiệu

số (DSP) tốc độ ngày càng cao thì phương pháp điều khiển trực tiếp momen( Direct Torque Control_ DTC) ngày càng được ứng dụng rộng rãi cho các hệtruyền động điện động cơ không đồng bộ

* Cơ sở phương pháp điều khiển trực tiếp momen và từ thông:

- Phương trình từ thông stator và rotor biểu diễn trên hệ tọa độ gắn với stator:

- Phương trình momen điên từ:

Từ các phương trình trên ta được:

vector từ thông stator với rotor

Như vậy, momen có thể được điều khiển qua:

• Điều khiển biên độ từ thông ψs

• Điều khiển góc δψ giữa từ thông stator và rotor

có thể đạt được từ 0 đến đến tốc độ tối đa

• So với các biến tần dùng phương pháp PWM, DTC mang lại lợi ích tiết kiệmchi phí mà không cần máy đo tốc độ động cơ

• Tuyến tính mô-men xoắn: Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng chínhxác giống như cuộn dây, được sử dụng trong ngành giấy

• Độ chính xác tốc độ động: Sau khi thay đổi tải đột ngột, động cơ có thể phụchồi đến trạng thái ổn định nhanh hơn

1.3 Biến tần INVT CHF 100A:

INVT CHF 100A

- Biến tần đa năng CHF100A là biến tần đáp ứng yêu cầu hầu hết các loại tải vàmáy sản xuất thông dụng trong công nghiệp như bơm, quạt, băng chuyền, máytrộn… CHF100A có dải công suất rộng từ 0.75 đến 500 kW Biến tần CHF100Ađược thiết kế rất dễ dàng lựa chọn, cài đặt, chạy thử và vận hành

• Truyền thông: Modbus, RS485

• Keypad có thể lấy rời để giám sát và cài đặt từ xa (>= 18.5 kW)

• Chức năng ứng dụng: PLC giản đơn, các cấp tốc độ đặt trước, điều khiểnPID, điều khiển ziczac máy quấn chỉ, cài đặt linh hoạt v/f…

• Tích hợp sẵn IEC 61800-3 C3 Filter, Braking unit cho biến tần công suấtdưới 15 kW

• Tích hợp cuộn kháng DC (từ 18.5 - 90 kW)

• 30 chức năng bảo vệ biến tần và động cơ trước các sự cố như là quá dòng, ápcao, áp thấp, quá nhiệt, mất pha, lệch pha, đứt dây ngõ ra, quá tải

• CE hợp chuẩn thị trường châu Âu

• Tương thích điện từ: EN 61800-3:2004, 2006/95/EC

1.3.1 Sơ đồ đấu dây:

* Sơ đồ đấu dây điển hình:

* Sơ đồ kết nối tổng quát:

* Đấu nối mạch động lực ngõ vào:

• CB TỔNG: Thật cần thiết có một CB, phù hợp với công suất Biến tần, nối ởgiữa nguồn cấp AC 3 pha và terminals ngõ vào (R, S, T ) Dòng cắt của CB cần lớngấp 1.5~2 lần dòng định mức của biến tần

• Contactor: Dùng để ngắt dòng điện cung cấp khi hệ thống xảy ra sự cố, nênlắp contactor ở ngõ vào để điều khiển ON-OFF cho nguồn cấp

• AC reactor: Được lắp vào nhằm để bảo vệ bộ chỉnh lưu khi cường độ dòngđiện lớn Nó cũng bảo vệ bộ chỉnh lưu khi điện áp cấp thay đổi đột ngột hoặc ápngược từ pha tải.

• Bộ lọc ngõ vào EMC: Khi Biến tần hoạt động các dây điện động lực của nó

có thể sinh ra từ gây nhiễu Bộ lọc EMC sẽ làm giảm thiểu tác dụng nhiễu

Sơ đồ đấu dây động lực ngõ vào

* Đấu nối động lực vào biến tần:

• DC reactor: Biến tần có công suất từ 18.5kW đến 90kW được tích hợp sẵnmột DC reactor nhằm cải thiện hệ số công suất

• Bộ thắng và điện trở thắng: Biến tần từ 15KW trở xuống có tích hợp sẵn bộthắng bên trong Để làm tiêu tán năng lượng điện sinh ra do hoạt động hãmđộng năng, điện trở thắng được đấu vào terminal (+) và PB Chiều dài dâyđiện nối điện trở thắng phải nhỏ hơn 5m

Biến tần có công suất từ 18.5KW trở lên thì cần một bộ thắng bên ngoài, nóđược gắn vào terminal (+) và (-) Cáp dẫn điện nối giữa Biến tần và bộ thắngphải ngắn hơn 5m Cáp dẫn điện nối giữa bộ thắng và điện trở thắng phảingắn hơn 10m

• Nhiệt độ của điện trở thắng sẽ tăng vì điện năng tái sinh được chuyển thànhnhiệt lượng, vì vậy cần bảo vệ an toàn và giải nhiệt tốt

• Chú ý: Phải chắc chắn các cực (+) (-) được nối đúng; không được phép nốitắt terminal (+) với (-), nếu không hư hỏng hoặc cháy nổ có thể xảy ra

* Đấu dây động lực với động cơ:

• Reactor Ngõ ra: Reactor cần được lắp trong điều sau: khi khoảng cách giữaBiến tần và động cơ lớn hơn 50m, biến tần có thể bị ngắt do chế độ bảo vệ

chống quá dòng, bởi vì có dòng điện rò lớn qua vỏ dây dẫn vào đất Và đồngthời để tránh hỏng cách điện motor, nên lắp reactor ở ngõ ra biến tần.

• Bộ lọc ngõ ra EMC: Làm giảm thiểu sự rò điện của dây cáp và làm giảmnhiễu sóng hài bậc cao trên các dây nối từ Biến tần đến động cơ

Đấu dây với động cơ

* Đấu dây cho bộ hãm tái sinh:

Bộ hãm tái sinh được dùng đưa điện năng sinh ra do việc thắng động cơ trở

về lưới điện So sánh với bộ cầu chỉnh lưu song song truyền thống thì dùng bộ hãmtái sinh sử dụng IGBT làm cho tổng độ méo sóng hài (THD) giảm hơn 4% Bộhãm tái sinh được dùng rộng rãi trong các thiết bị ly tâm và nâng hạ

Đấu dây bộ hãm tái sinh

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

2.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ:

Động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ gồm hai bộ phận chính là stator và rotor, ngoài ra cócác thành phần khác như vỏ máy , nắp máy và trục máy Trục máy thường làmbằng thép, trên đó gắn rotor

- Dây quấn stator thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trongcác rãnh của lõi thép Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba phastator sẽ tạo lên từ trường quay

- Vỏ máy gồm có thân và nắp, thường được chế tạo bằng gang

* Rotor ( phần quay):

- Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy

- Lõi thép rotor gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bên trong của lõithép stator ghép lại, mặt ngoài dập rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có dập lỗ để lắptrục Trục của động cơ không đồng bộ làm bằng thép, trên đó có gắn lõi thép rotor.

- Dây quấn rotor của của động cơ không đồng bộ có hai kiểu: rotor ngắn mạch haycòn gọi là rotor lồng sóc và rotor dây quấn

+ Rotor lồng sóc: gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bịngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu Với động cơ nhỏ, dây quấn rotorđược đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánhquạt làm mát Các động cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng đượcđặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vào vành ngắn mạch

+ Rotor dây quấn: được quấn dây giống như dây quấn ba pha stator và cócùng số cực từ như dây quấn stator Dây quấn kiểu này luôn luôn đấu sao (Y) và có

ba đầu ra đấu vào ba vành trượt, gắn vào trục quay của rotor và cách điện với trục

Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt nầy để dẫn điện vào một biến trởcũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ

2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ 3 pha:

- Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Khi đặtđiện áp ba pha vào dây quấn ba pha đặt đối xứng trong lõi thép stator, khi đó trongkhe hở không khí xuất hiện từ trường quay mà thành phần bậc 1 của từ trường nàyquay với tốc độ góc là:

Trong đó: f - là tần số dòng điện cấp cho stator

p- là số đôi cực của dây quấn stator

Đồng thời từ trường stator này làm cảm ứng ra các dòng điện vòng trong cácthanh dẫn rotor (đối với rotor lồng sóc) Các dòng điện rotor này được đặt trong từtrường quay stator quay nên sinh ra lực điện từ (lực Lorentz) Tổng các lực này tạo

ra momen quay rotor, rotor quay cùng hướng với từ trường quay stator Ban đầulúc khi từ trường quay stator sinh ra thì rotor tăng tốc nhanh để bắt kịp tốc độ từtrường quay đó, đồng thời từ trường quay quét qua rotor càngbgiảm nên sức điệnđộng cảm ứng phía rotor sẽ giảm dẫn và dòng điện cũng giảm theo

Nếu tốc độ rotor bằng tốc độ từ trường quay thì lúc đó sẽ không có lực điện

từ được sinh ra và rotor sẽ quay chậm lại Do đó tốc độ quay rotor không thể bằngtốc độ đồng bộ, tốc độ đồng bộ phụ thuộc vào tần số nguồn cấp và số đôi cực củađộng cơ, sai khác giữa 2 tốc độ gọi là tốc độ trượt

2.3 Ứng dụng, ưu nhược điểm của động cơ không đồng bộ 3 pha:

- Động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế sản xuất.Các động cơ không đồng bộ có ưu điểm là: Cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơrotor lồng sóc, thiết kế và sản xuất dễ dàng, dễ bảo dưỡng, không cần vành chuyểnmạch và chổi than.Chúng có momen quán tính và trọng lượng nhỏ, hiệu suất cao,khả năng quá tải lớn và vững chắc

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT BỊ 3.1 Sơ đồ khối điều khiển tốc độ động cơ:

- Từ màn hình HMI ta đặt tần số mà ta mong muốn ( tương đương tốc độ), thôngqua bộ AO thì ta được tín hiệu analog ( dải điện áp 0- 10V) để đưa vào biến tần đểđiều khiển tốc độ động cơ

• Khi nhấn nút 1 động cơ chạy tốc độ 1.

• Khi nhấn nút 2 động cơ chạy tốc độ 2

• Khi nhấn nút 3 động cơ chạy tốc độ 3

4.2 Biểu đồ chức năng:

Động cơchạy tốc độ2

Động cơchạy tốc độ

1

* Chương trình Main.

4.5 Màn hình HMI:

4.6 Cài đặt biến tần:

- Ấn 2 nút và để truy cập, thay đổi thông số, lưu dữ liệu

- Tại nhóm hàm P0.00 chọn giá trị 0 để điều khiển phương pháp V/f

- Tại nhóm hàm P0.01 chọn giá trị 0 để chọn chế độ chạy từ việc ấn bàn phím trênbiến tần: Cả 2 phím RUN và STOP/RST được sử dụng cho lệnh điều khiển chạydừng Nếu phím QUICK/JOG được đặt là hàm chuyển đổi FWD/REV (P7.03 setlên 1), thì lúc này nó được dùng để đảo chiều động cơ Trong khi đang chạy, ấnđồng thời 2 phím RUN và STOP/RST thì sẽ là lệnh dừng tự do biến tần

- Tại nhóm hàm P0.07 chọn giá trị 2 để giá trị tần số chạy được điều khiển bởi ngõvào analog AI2

CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Điện áp dâyđầu ra (V)

Điện áp đầu raanalog (V)

Tốc độ động cơ(rpm)

- Kết quả đo được đúng với kiến thức được học

- Các giá trị V/f gần như là bằng nhau