Giáo trình điều khiển khởi động mềm

Phương pháp tối ưu hiện nay là dùng bộ điều khiển điện tử để hạn chế dòng điện khởi động, đồng thời điều chỉnh tăng mô men mở máy một cách hợp lý, vì vậy các chi tiết của động cơ chịu độ

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN HÀ NỘI

******************

GIÁO TRÌNH

ĐIỀU KHIỂN KHỞI ĐỘNG MỀM

( Lưu hành nội bộ )

Tác Giả : Th.S Vũ Thanh Tuyến (chủ biên) Th.S Nguyễn Hướng Dương

KHỞI ĐỘNG MỀM

1 Giới thiệu chung

Động cơ không đồng bộ 3 pha dùng rộng rãi trong công nghiệp, vì chúng

có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, nhưng có nhược điểm dòng điện khởi động lớn, gây ra sụt áp trong lưới điện Phương pháp tối ưu hiện nay là dùng bộ điều khiển điện tử để hạn chế dòng điện khởi động, đồng thời điều chỉnh tăng

mô men mở máy một cách hợp lý, vì vậy 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

Phương pháp khởi động được áp dụng ở đây là cần hạn chế điện áp ở đầu cực động cơ, tăng dần điện áp theo một chương trình thích hợp để điện áp tăng tuyến tính từ một giá trị xác định đến điện áp định mức Đó là quá trình khởi động mềm (ramp) toàn bộ quá trình khởi động được điều khiển đóng mở thyristor bằng bộ vi sử lý 16 bit với các cổng vào ra tương ứng, tần số giữ không đổi theo tần số điện áp lưới Ngoài ra còn cung cấp cho chúng ta những giải pháp tối ưu nhờ nhiều chức năng như khởi động mềm và dừng mêm, dừng đột ngột, phanh dòng trực tiếp, tiết kiệm năng lượng khi non tải Có chức năng bảo

vệ động cơ như bảo vệ quá tải, mất pha

* Những ứng dụng điển hình của bộ khởi động mềm

- Động cơ điện cho chuyên chở vật liệu

-Động cơ bơm

- Động cơ vân hành non tải lâu dài

- Động cơ có bộ chuyển đổi (ví dụ hộp số, băng tải )

- Động cơ có quán tính lớn (quạt, máy nén, bơm, băng truyền, thang máy, máy nghiền, máy ep, máy khuấy, máy dệt…

* Những đặc điểm khác:

- Bền vững tiết kiệm không gian lắp đặt

- Có chức năng điều khiển và bảo vệ

- Khoảng điện áp sử dụng 200 – 500 V, tần số 45 – 65 Hz

- Có phần mềm chuyên dụng đi kèm

- Lắp và đặt chức năng dễ dàng

2 Kỹ thuật khởi động và dừng

a Những nét chính

Mạch lực của hệ thống khởi động mềm gồm 3 cặp thyristor đấu song song ngược cho 3 pha Vì mô men động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp, dòng điện tỉ

lệ với điện áp, mô men gia tốc và dòng điện khởi động được hạn chế thông qua điều chỉnh trị số hiệu dụng của điện áp Quy luật điều chỉnh này trong khi khởi động và dừng nhờ điều khiển pha (kích, mở 3 cặp thyristor song song ngược) trong mạch lực Như vậy, hoạt động của bộ khởi động mềm hoàn toàn dựa trên

việc điều khiển điện áp khi khởi động và dừng, tức là trị số hiệu dụng của điện

áp là thay đổi Nếu dừng động cơ, mọi tín hiệu kích mở thyristor bị cắt và dòng điện dừng tại điểm qua không kế tiếp của điện áp nguồn

Giải thích:

IA – Dòng điện ban đầu khi khởi động trực tiếp

IS – Dòng điện bắt đầu có ramp điện áp

In – Dòng điện định mức của động cơ

Us – Điện áp bắt đầu ramp

Un – Điện áp định mức của động cơ

tr - Thời gian ramp

n - Tốc độ động cơ

Nếu phát hiện động cơ đạt tốc độ yêu cầu trước khi hết thời gian đặt của bộ khởi động mềm, điện áp vào lập tức được tăng lên 100% điện áp lưới, đó chính là chức năng phát hiện tăng tốc

b Dừng tự do theo quán tính

Nếu điện áp cấp bị cắt trực tiếp, động cơ chạy theo quán tính cho tới khi dừng trong khoảng thời gian xác định Thời gian dừng với mômen quán tính nhỏ có thể rất ngắn, cần tránh trường hợp này đề phòng sự phá huỷ về cơ và sự dừng tải đột ngột không mong muốn

c Dừng mềm

Không nên cắt trực tiếp các động cơ có mômen quán tính nhỏ như băng truyền, thang máy, máy nâng để đảm bảo không nguy hiểm cho người, thiết bị và sản phẩm

Nhờ chức năng dừng mềm mà điện áp động cơ được giảm từ từ trong khoảng từ

1 đến 20 giây tuỳ thuộc vào yêu cầu Điện áp ban đầu cho dừng mềm Ustop = 0,9Un và điện áp cuối quá trình vào khoảng 0,85 điện áp ban đầu Thời gian ramp điện áp tới 1000 giây cùng điện áp đầu và cuối quá trình dừng mềm đặt theo chương trình

Như vậy, thực chất dừng mềm là cố ý kéo dài quá trình dừng bằng cách giảm từ

từ điện áp nguồn cung cấp vào động cơ Nếu trong quá trình dừng mà có lệnh khởi động, thì quá trình dừng này lập tức bị huỷ bỏ và động cơ được khởi động trở lại

d Tiết kiệm năng lượng khi non tải

Nếu động cơ điện vận hành không tải hay non tải, trong trường hợp này khởi động mềm giúp tiết kiệm điện năng nhờ giảm điện áp động cơ tới gia trị U0, việc giảm điện áp do đó làm giảm dòng điện, dẫn đến giảm bớt cả tổn hao đồng

và tổn hao sắt %

3 BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM SIKOSTART:

SIKOSTART 3RW2221-1AB15 là bộ khởi động mềm, cho phép điều khiển động cơ AC không đồng bộ ba pha

Bằng cách điều khiển độ lớn điện áp cung cấp cho động cơ và giám sát dòng điện làm việc SIKOSTART có thể khống chế dòng điện làm việc của động cơ trong một giới hạn thời gian cho phép hay bảo vệ cho động cơ nếu xảy ra sự cố quá tải

Thông qua việc cài đặt thời gian, SIKOSTART có thể

điều khiển động cơ khởi động mềm (dòng khởi động giới hạn) hay dừng mềm mà không làm mômen của động cơ thay

đổi quá nhanh)

Sơ đồ trên mô tả SIKOSTART điều khiển động cơ trong một quá trình khởi động mềm và dừng mềm Dạng điện áp (độ lớn) thay đổi theo chế độ cài đặt cho SIKOSTART và dòng điện hiện của động cơ

Để vận hành SIKOSTART, cần phải tìm hiểu hai phần chính:

+ Cài đặt chế độ (khởi động và dừng)

+ Mắc mạch điều khiển và mạch động lực cho SIKOSTART và động cơ

1.1 Cài đặt chế độ khởi động và chế độ dừng cho SIKOSTART thông qua 4 nút điều chỉnh và 8 công tắc DIL:

* Cài đặt chế độ khởi động cho SIKOSTART :

Đặt chế độ khởi động bằng công tắc DIL3 và DIL5, gồm các chế độ:

Giới hạn dòng

Hàm dốc điện áp với xung ban đầu Hàm dốc điện áp với xung bàn đầu

và giới hạn dòng Khởi động nhanh Chế độ khởi động Hàm dốc điện áp

+ Đặt thời gian lên của điện áp tR bằng nút điều chỉnh RAMP TIME (tR=0.3 - 180 sec)

+ Đặt điện áp (xung) ban đầu Uànf(UL) bằng nút điều chỉnh START VOLTAGE (UAnf (UL) =20%-100% UN)

+ Đặt dòng giới hạn bằng IB nút điều chỉnh CURRENT LIMIT (với SIKOSTART, dòng Ic=5.5.a, IB=0.5 - 6 IC)

+ Nếu tB lớn hơn 20 sec thì SIKOSTART sẽ báo quá tải (overload)

Thời gian xung tt=(50ms*tR) và ti nhỏ hơn hoặc bằng 1 sec

* Cài đặt chế độ dừng cho SIKOSTART gômg các chế

độ:

+ Đặt chế độ dừng bằng công tắc DIL 1 và DIL 2

Tắt kiểu bơm Hãm một chiều Dừng mềm Dừng nhanh

+ Đặt thời gian xuống của điện áp tAus bằng nút điều chỉnh STOP TIME (tắt kiểu bơm tAus = 5 -90s) (Dừng mềm: tAus = 1-90s)

+ Đặt điện áp tắt UAB bằng nút điều chỉnh START VOLTAGE (UAB=85% điện áp khởi động)

+ Khi nối contactor by pass, SIKOSTART chỉ có thể vận hành ở chế động dừng nhanh Chi tiết về chế động khởi động và dừng của SIKOSTART xem trong phụ lục

1.2 LED hiển thị:

MOTOR RUNNING động cơ đang chạy ổn

định

START BLOCKED Động cơ bị kẹt khởi động

1.3 Mạch điều khiển và mạch động lực nối SIKOSTART

và động cơ.

* Mắc mạch điều khiển cho SIKOSTART:

a) Cấp nguồn điều khiển:

Có thể cấp nguồn cho mạch điều khiển của SIKOSTART theo một trong ba mức điện áp trên hình vẽ là môt ví dụ cấp nguồn 220 V cho mạch điều:

b) Ngõ vào điều khiển:

1) Điều khiển bằng nút nhấn:

(Nếu cả hai cùng đợc nhấn thì tín hiệu OFF đợc u tiên hơn) 2) Điều khiển bằng công tắc:

3) Điều khiển SIKOSTART giống nh một CONTACTOR:

4) 5) Chế độ tự động

Mạch động lực và mạch điều khiển đợc cấp nguồn đồng thời

Chú ý: Trong hai cách điều khiể 3) và 4) SIKOSTART chỉ có thể vận hành ở chế độ dừng nhanh (Costing down) không thể vận hành ở các chế độ dừng mềm, tắt kiểu bơm hay hàm một chiều

6) Xác đinh lỗi (FAUL):

Khi bị lỗi SIKOSTART sẽ báo lỗi bằng các đèn Sau khi khắc phục lỗi xong để SIKOSTART hoạt động cần phải Reset FAULT

c) Ngõ ra

Mạch động lực nối SIKOSTART điều khiển động cơ

- EMERGENCY START: Khởi động mềm

- Voltage rampe with current limiting

- Voltage rampe with start impulse

Pump - stopping

- Soft - stopping

II Đặt vấn để:

Sinh viên thực hiện các thành phần thực tập sau:

1) sử dụng SIKOSTART vận hành động cơ trong các chế

độ khởi động/dừng mềm:

Dùng SIKOSTART vận hành động cơ trong các chế độ:

* Khởi động mềm:

- Khởi động nhanh (Emergency start)

- Hàm dốc điện áp (voltage ramp)

- Hàm dốc điện áp với giới hạn dòng (voltage ramp with current impulse)

- Hàm dốc điện áp với xung ban đầu (voltage ramp with start impulse)

- Hàm dốc điện áp với xung ban đầu và giới hạn dòng (voltage ramp with start impulse and current limiting)

* Dừng mềm:

- Dừng nhanh (costing down)

- Tắt kiểu bơm (pump - stopping)

- Dừng mềm (soft - stopping)

Cấp nguồn điều khiển 220V, điều khiển bằng nút nhấn, không sử dụng ngõ ra relay Sử dụng contactor 220V- 3 tiếp

điểm để nối SIKOSTART với động cơ 3 pha

2) Sử dụng SIKOSTART khởi động mềm động cơ và Bypass:

Dùng SIKOSTART khởi động mềm động cơ và bypass:

Khởi động mềm động cơ theo chế độ hàm dốc điện áp với giới hạn dòng (voltage ramp with current limitting) Khi

động cơ đã chạy ổn định, dùng contactor bypass nối trực tiếp động cơ với nguồn (sau đó có thể cắt SIKOSTART ra khỏi mạch động lực - mở contactor nối SIKOSTART với động cơ)

Cấp nguồn điều khiển 220V, điều khiển bằng nút nhấn,

sử dụng ngõ ra relay để đóng contactor bypass Sử dụng 2 contactor 220V - 3 tiếp điểm để làm contactor bypass và nối với động cơ 3 pha

3) Sử dụng PLC S7-200 và SIKOSTART khởi động mềm cho hai động cơ:

Dùng một PLC S7-200 và một SIKOSTART khởi động mềm cho 2 động cơ:

Lập trình PLC khởi động mềm cho hai động cơ, theo chế độ hàm dốc điện áp với giới hạn dòng (Voltage ramp with current limiting)

Khi có yêu cầu khởi động động cơ nào, ngời điểu cấp tín hiệu (nút bấm) yêu cầu cho PLC PLC đóng contactor nối

động cơ đó với SIKOSTART và cấp tín hiệu điều khiển SIKOSTART giống nh một contactor Khi động cơ chạy ổn

định, ngõ ra relay sẽ đa tín hiệu cho PLC mở contactor bypass Có thể đọc tín hiệu báo lỗi từ SIKOSTART thông qua ngõ relay báo lỗi

PLC có tín hiệu vào 24V; trong trờng hợp này, ngõ ra relay của PLC điều khiển khởi động SIKOSTART và các contactor bằng tín hiệu điện áp 220V Ngõ ra relay của SIKOSTART cấp tín hiệu 24 V cho PLC Mạch động lực sử dụng 4 contactor 220V - 3 tiếp điểm để làm contactor bypass và nối SIKOSTART với 2 động cơ 3 pha

4) Hớng dẫn:

a) Sử dụng SIKOSTART vận hành động cơ trong các chế độ khởi động mềm và dừng mềm:

- Đặt chế độ khởi động mềm bằng công tác DIL3 và DIL5

- Đặt thời gian lên điện áp tR : RAMP TIME (tR=0.3 - 180 sec)

- Đặt điện áp (xung) ban đầu UAnf(UL): START VOLTAGE (UAnf(UL)= 20% - 100& UN)

- Đặt dòng giới hạn bằng IB nút điều chỉnh CURRENT LIMIT (IC=5.5.A, IB=0.5 6IC; trong bài thực tập này chọn IB=0.5

IC)

- Đặt chế độ dừng bằng công tắc DIL1 và DIL2

- Đặt thời gian xuống của điện áp tAus: STOP TIME (tAus=5

-90 sec)

Đặt điện áp UAB: START VOLTAGE (UAB=85% điện áp không động)

Nếu tB lớn hơn 20 sec thì SIKOSTART sẽ báo quá tải, over load

Thời gian xung t1=50ms * tR và t1 1 sec TR đợc tính từ lúc kết thục t1

b)Sử dụng SIKOSTART khởi động mềm động cơ và bypass:

- Sử dụng lại mạch điều khiển và mạch động lực ở phần 1 Trong phần mạch động lực mắc thêm contactor bypass nối nguồn với động cơ

Trong phần mạch điều khiển mắc thêm mạch điều khiển cho contactor bypass

- Khi động cơ đã chạy ổn định, tiếp điểm (NO) giữa chân 3 và chân 4 của SIKOSTART đóng lại, khi đó contactor bypass đợc đóng và dòng điện vào động cơ theo đờng contactor bypass Lúc này có thể cắt SIKOSTART ra khỏi mạch động lực - mở contactor nối SIKOSTART với động cơ (có thể thông qua tiếp điểm trung gian NC của Contactor bypass)

- Dừng động cơ bằng cách mở contactor bypass - dừng SIKOSTART Trong trờng hợp này SIKOSTART chỉ có thể dừng nhanh (costing down)

c) Sử dụng PLC S7-200 và SIKOSTART khởi động mềm cho hai động cơ.

- Các chế độ hoạt động của SIKOSTART có thể nh phần 2 Nhng tín hiệu tác động lên SIKOSTART và tín hiệu SIKOSTART tác động lên động cơ phải qua trung gian PLC

- Để điều khiển một động cơ chạy, chỉ cần nhấn nút START ứng với động cơ đó trên PLC Quá trình kết nối SIKOSTART với động cơ - khởi động - bypass - cắt SIKOSTART khởi động cơ - dừng SIKOSTART hoàn toàn tự

động do PLC điều khiển Contactor bypass đợc điều khiển trực tiếp từ PLC, nên khi SIKOSTART dừng vẫn không

ảnh hởng đến động cơ Khoảng cách giữa mỗi thao tác cần trên một khoảng thời gian đủ cho contactor đáp ứng

- Nhấn nút yêu cầu khởi động động cơ không có tác dụng nếu động cơ đó dừng chua đủ 10 sec hay động cơ đó

đang chạy, hay dang khởi động một động cơ khác

- Trong trờng hợp này, ngõ ra relay của PLC điều khiển khởi

động SIKOSTART (giống nh một Contactor) và các contactor bằng tín hiệu điện áp 220V

- Ngõ ra relay của SIKOSTART cấp tín hiệu 24V về PLC để báo động cơ đã chạy ổn định

5 Yêu cầu chuẩn bị trớc khi thực tập:

(Mỗi sinh viên phải nộp chuẩn bị trớc khi vào thực tập)

- Tự tìm hiểu bộ khởi động mềm SIKOSTART

- Tự tìm hiểu cấu PLC S7-200 CPU 226 của Siemens; Ngôn ngữ phần mềm lập trình Step Microwin 32 (Các lệnh cần dùng)

- Đối với phần 1 và phần 2:

Vẽ mạch điều khiển và mạch động lực cho SIKOSTART

điều khiển động cơ

Thiết lập các thông số điều khiển trong từng chế độ cho SIKOSTART

Mô tả trình tự khởi động động cơ, bypass (phần 2) và dừng động cơ

- Đối với phần 3:

Xác định số tín hiệu vào và ra cần liên kết với PLC

Vẽ mạch điều khiển kết nối PLC với SIKOSTART và các contactor cùng với mạch động lực để điều khiển khởi động hai động cơ

Thiết lập các thông số điều khiển cho SIKOSTART

Mô tả chế độ khởi động động cơ, nối bypass và chế độ dừng động cơ

Viết chơng trình LADDER cho PLC thực hiện chức năng

điều khiển

6 Nội dung thực tập:

Trên cơ sở bài tự chuẩn bị, trong nhóm tự kiểm tra lại, thống nhất và tiến hành thực tập giám sát dới sự giám sát của cán bộ hớng dãn thực tập trong thời gian quy định:

- Đối với phần 1 và phần 2:

Nối mạch điều khiển và mạch động lực cho SIKOSTART

điều khiển động cơ

Cài đặt các thông số điều khiển trong từng chế độ cho SIKOSTART

Xin phép và giải thích cho các bộ hỡng dẫn trớc khi vận hành Đóng nguồn va tiến hành dừng động cơ dới sự giám sát của cán bộ hớng dẫn

Ghi lại các hiệu ứng nh các thông số dể báo cáo

- Đối với phần 3:

Dựa trên bài chuẩn bị đã thống nhất, lập trình LADDER cho PLC để điều khiển khởi động hai động cơ thông qua SIKOSTART và các contactor

Nạp chơng trình điều khiển vào PLC; kiểm tra hoạt động của chơng trình bằng cách mô phỏng các trạng thái qua các nút nhấn và bóng đèn Nếu hoạt động theo đúng yêu cầu, báo cáo ngay với cán bộ hớng dẫn

Nối mạch điều khiển kết nối PLC với SIKOSTART và các contactor, cùng với mạch động lực để điều khiển khởi động hai động cơ

Cài đặt các thông số điều khiển cho SIKOSTART

Xin phép và giải thích cho cán bộ hớng dẫn trớc khi vận hành

Đóng nguồn và tiến hành khởi động và dừng động cơ dới

sự giám sát của cán bộ hớng dẫn