ĐIỀU KHIỂN tốc độ ĐỘNG cơ AC DÙNG PLC kết hợp BIẾN tần

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ  BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN THIẾT BỊ VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐỀ SỐ 18: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ AC DÙNG PLC KẾT HỢP BIẾN TẦN NHÓM 08: LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại cơng nghiệp hóa bước đại hóa nay, sở sản xuất công nghiệp mọc lên nấm sau mưa rào Ở nơi đó, thiết bị điện- tự động hóa ngày phổ biến đóng vai trị vơ quan trọng việc với người tạo sản phẩm để phục vụ cho nhu cầu, đời sống xã hội Nhóm chúng em xin phép nghiên cứu đề tài ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ AC KẾT HỢP SỬ DỤNG BIẾN TẦN, đề tài mang tính thực tế cao quan trọng chuyên ngành tự động hóa xí nghiệp cơng nghiệp Trong tập cố gắng trình độ cịn mức hạn chế nên có nhiều thiếu sót, chúng em mong quý thầy cô thông cảm bảo để chúng em tiếp thu nâng cao lực, nhận thức hiểu biết đề tài Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN Tổng quan biến tần Biến tần thiết bị biến đổi tần số thơng qua biến đổi tốc độ động cách vô cấp, không cần dùng đến hộp số khí biến tần thường sử dụng linh kiện bán dẫn để đóng ngắt cuộn dây động để làm sinh từ trường xoay làm quay rô-to (rotor) Ứng dụng biến tần: - Điều khiển động không đồng với tốc độ khác nhau; - Điều chỉnh lưu lượng bơm, lưu lượng khơng khí quạt ly tâm, suất máy, suất băng tải; - Ổn định lưu lượng, áp suất mức cố định hệ thống bơm nước, quạt gió, máy nén khí … cho dù nhu cầu sử dụng thay đổi; - Điều khiển trình khởi động dừng xác động hệ thống băng tải; - Biến tần công suất nhỏ từ 0,18- 14 kW sử dụng để điều khiển máy công tác như: cưa gỗ, khuấy trộn, xao chè, nâng hạ… Hiệu sử dụng biến tần? Biến tần kết hợp với động không đồng đem lại lợi ích sau: - Hiệu suất làm việc máy cao; - Quá trình khởi động dừng động êm dịu nên giúp cho tuổi thọ động cấu khí dài hơn; - Sử dụng biến tần an tồn, tiện lợi việc bảo dưỡng biến tần giảm bớt số nhân công phục vụ vận hành máy … - Biến tần giúp tiết kiệm điện mức tối đa trình khởi động vận hành Cấu tạo nguyên lý làm việc biến tần +) Với mong muốn điều chỉnh tốc độ quay động phương pháp điều chỉnh tần số làm việc hiệu đạt chất lượng cao Vậy làm mà biến tần điều chế tần số điện cấp động từ điện lưới tần số 50Hz ban đầu? Biến tần cấu tạo từ thành phần chính: Bộ chỉnh lưu: Có tác dụng biến đổi từ điện áp xoay chiều tần số cố định đầu vào thành điện áp chiều +)Bộ lọc chiều: Có tác dụng lọc san phẳng điện áp chiều tích trữ +)Bộ nghịch lưu pha: Có tác dụng biến đổi từ điện áp chiều lọc trở thành điện áp xoay chiều pha với tần số mong muốn Ngoài biến tần sử dụng thêm thành phần cuộn kháng, trở hãm, +)Như để thực việc điều chế tần số, biến tần trước tiên biến đổi từ điện áp xoay chiều (1pha/3pha) điện áp chiều, lọc sau đưa vào mạch nghịch lưu để biến đổi ngược lại thành điện áp xoay chiều pha có tần số điều chỉnh Các tính biến tần: Biến tần vốn chế tạo từ bán dẫn công suất, việc sử dụng biến tần có nghĩa bạn hưởng nhiều tính thơng minh, linh hoạt như: +) Tự động nhận dạng thông số động +) Điều khiển thông qua mạng +) Thiết lập 16 cấp tốc độ thơng qua đầu vào Digital +) Có thể điều chỉnh trơn vô cấp thông qua đầu vào analog +) Khống chế dòng khởi động động giúp cho trình khởi động êm ( mềm) nâng cao độ bền kết cấu khí, giảm thiểu chi phí lắp đặt, bảo trì, tiết kiệm khơng gian lắp đặt, chế độ tiết kiệm lượng Các phương pháp để điều khiển biến tần: - Điều khiển trực tiếp từ bàn phím - Điều khiển gián tiếp thông qua PLC - Điều khiển qua cổng digital - Điều khiển qua cổng analog - Điều khiển qua cổng truyền thông RS-485 Chương II: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ AC KHÔNG ĐỒNG BỘ Tổng quan động không đồng Động điện xoay chiều hay Động AC động điện dẫn động dòng điện xoay chiều (AC) Động AC thường bao gồm hai phần bản, stator bên ngồi có cuộn dây cấp dịng xoay chiều để tạo từ trường quay rô-to bên gắn vào trục đầu tạo từ trường quay thứ hai Từ trường rơto tạo nam châm vĩnh cửu, lồi từ trở, cuộn dây điện DC AC Ít phổ biến hơn, động tuyến tính AC hoạt động nguyên tắc tương tự động quay có phận cố định chuyển động chúng bố trí theo cấu hình đường thẳng, tạo chuyển động thẳng thay xoay Nguyên lý hoạt động Hai loại động AC động cảm ứng điện từ động đồng Động cảm ứng điện từ (hoặc động không đồng bộ) phụ thuộc vào khác biệt nhỏ tốc độ từ trường quay stator tốc độ trục rotor gọi trượt tạo dòng điện cảm ứng cuộn dây rotor Kết là, động cảm ứng điện từ tạo mô-men xoắn với tốc độ đồng tượng cảm ứng (hoặc trượt) không liên quan ngừng tồn Ngược lại, động đồng không phụ thuộc vào cảm ứng điện từ - trượt hoạt động sử dụng nam châm vĩnh cửu, cực từ lồi cuộn dây rôto độc lập Động đồng tạo mô-men xoắn danh định xác với tốc độ đồng Hệ thống động đồng nguồn đôi rô-to dây quấn khơng chổi than có cuộn dây rơto độc lập kích thích khơng phụ thuộc vào ngun tắc cảm ứng - trượt dòng điện Động đồng nguồn đôi rô-to dây quấn không chổi than động đồng hoạt động xác tần số nguồn cấp hay bội số tần số cung cấp Các loại động khác bao gồm động dịng điện xốy, máy móc chuyển mạch học AC DC, tốc độ phụ thuộc vào kết nối cuộn dây điện áp Nếu rơto động lồng sóc chạy tốc độ đồng thực, dịng điện rơto vị trí rơto khơng thay đổi khơng có dịng điện tạo lồng sóc Vì lý này, động lồng sóc thơng thường chạy chậm vài chục vịng/phút so với tốc độ đồng Vì trường quay (hoặc trường xung tương đương) có hiệu quay nhanh rơto, nói trượt qua bề mặt rơto Sự khác biệt tốc độ đồng tốc độ thực tế gọi 'trượt' , tải động làm tăng lượng trượt động chậm lại chút Ngay khơng có tải trọng, tổn thất học bên làm xuất hiện tương trượt Tốc độ động AC xác định chủ yếu tần số nguồn cung cấp AC số cực cuộn dây stato, theo quan hệ: Ns = 60.F/p với Ns = Tốc độ đồng bộ, tính theo vịng / phút F = Tần số nguồn AC p = Số cực cuộn dây pha RPM thực tế cho động cảm ứng nhỏ tốc độ đồng tính tốn lượng gọi trượt , tăng với mô-men xoắn tạo Không tải, tốc độ gần với đồng Khi nạp, động tiêu chuẩn trượt từ đến 3%, động đặc biệt lên tới 7%, loại động gọi động mômen hoạt động mức trượt 100% (0 RPM / chết hoàn tồn) Độ trượt động AC tính bằng: S= (Ns – Nr)/Ns với Nr = Tốc độ quay, theo vịng / phút S = Trượt bình thường, to Ví dụ, động bốn cực điển hình chạy 60 & nbsp; Hz đạt định mức 1725 vòng/phút mức đầy tải, tốc độ tính tốn 1800 vòng/phút Tốc độ loại động thay đổi theo truyền thống cách bổ sung cuộn dây cực động bật tắt để thay đổi tốc độ từ trường quay Tuy nhiên, với phát triển điện tử công suất, tần số nguồn cung cấp điện thay đổi để điều khiển tốc độ động mượt mà Loại rotor phần cứng cho điều khiển cảm ứng, ngoại trừ việc sử dụng từ trường quay làm ứng dụng điện túy (không phải điện cơ) Các loại động thị trường 3.1 Rơ-to lồng sóc pha Hầu hết động AC phổ biến sử dụng rơ-to lồng sóc, tìm thấy tất động dòng điện xoay chiều gia dụng cơng nghiệp nhẹ Rơ-to lồng sóc giống lồng quay cho thú cưng Động lấy tên từ hình dạng rotor "cuộn dây" - có vịng hai đầu rotor, với kết nối vòng chạy hết chiều dài rotor Nó thường đúc nhơm đồng đổ mỏng rơ-to, thường có vịng phần đầu nhìn thấy Phần lớn dịng rotor chảy qua khơng phải có trở cao thường sơn Điện áp thấp dòng cao điển hình vịng đầu cuối; động hiệu suất cao thường sử dụng đồng đúc để giảm trở kháng rôto Trong hoạt động, động rơ-to lồng sóc xem máy biến áp với cuộn thứ cấp xoay Khi rơto khơng quay đồng với từ trường, dịng rotor lớn cảm sinh; dòng rotor lớn từ hóa rotor tương tác với từ trường stato làm rôto gần đồng với trường stato Một động lồng sóc khơng tải tốc độ không tải định mức tiêu thụ lượng điện để trì tốc độ rotor chống lại ma sát tổn thất điện trở Khi tải học tăng tải điện - tải điện vốn liên quan đến tải học Điều tương tự máy biến áp, tải điện sơ cấp có liên quan đến tải điện thứ cấp Đây lý động rô-to lồng sóc khiến đèn nhà bị mờ khởi động, không làm mờ đèn khởi động đai quạt (và tải học) bị loại bỏ Hơn nữa, động lồng sóc chết (quá tải với trục bị kẹt) tiêu thụ dòng điện giới hạn điện trở mạch cố gắng khởi động Trừ khác giới hạn dịng điện (hoặc cắt hồn tồn), khơng lớp cách điện cuộn dây bị đốt nóng phá hủy Hầu máy giặt, máy rửa chén, quạt độc lập, máy ghi âm, vv sử dụng số biến thể động ro-to lồng sóc 3.2 Rơ-to dây quấn pha Một thiết kế thay thế, gọi rôto dây quấn, sử dụng cần điều chỉnh tốc độ Trong trường hợp này, rơto có số cực stato cuộn dây làm dây dẫn, nối với vành trượt trục Chổi than kết nối vành trượt với điều khiển biến trở cho phép thay đổi tốc độ trượt động Trong số ổ đĩa rotor có tốc độ biến thiên công suất cao định, lượng tần số trượt bắt, chỉnh lưu quay trở lại nguồn điện thông qua biến tần Với công suất điều khiển hai chiều, rôto dây quấn trở thành người tham gia tích cực q trình chuyển đổi lượng, với cấu hình nguồn đơi cho rơ-to dây quấn giúp nhân đôi mật độ công suất So với rơto lồng sóc, động rotor dây quấn tốn yêu cầu bảo dưỡng vành trượt chổi quét, chúng dạng chuẩn để điều khiển tốc độ thay đổi trước thiết bị điện tử nhỏ gọn đời Với biến tần đổi điện với điều khiển tần số thay đổi được sử dụng để kiểm sốt tốc độ nên động rô-to dây quấn trở nên phổ biến Có vài phương pháp khởi động động ba pha Khi khởi động với mơmen khởi động lớn dịng khởi động cao, động khởi động đường dây, cách áp dụng đường dây điện áp đầy đủ cho thiết bị đầu cuối (trực tiếp, DOL) Trường hợp cần giới hạn dịng kích từ khởi động (như động lớn so với công suất ngắn mạch nguồn cung cấp), động khởi động chế độ giảm áp sử dụng cuộn cảm mắc nối tiếp, biến áp tự ngẫu, thyristor thiết bị khác Một kỹ thuật sử dụng khởi động - tam giác (YΔ), nơi cuộn dây động ban đầu kết nối cấu hình để tăng tốc tải, sau chuyển sang cấu hình tam giác tải đạt tốc độ Kỹ thuật phổ biến châu Âu so với Bắc Mỹ Điều khiển tranzitor trực tiếp thay đổi điện áp cần đặc tính khởi động động tải Đây loại động trở nên phổ biến ứng dụng kéo đầu máy kéo, nơi gọi động đầu kéo không đồng 3.3 Mô-tơ servo pha Một động servo AC hai pha điển hình có rơ-to lồng sóc trường bao gồm hai cuộn dây: cuộn (AC) điện áp không đổi cuộn dây điều khiển điện áp (AC) theo phương vng góc (nghĩa lệch pha 90 độ) với cuộn để tạo từ trường quay Đảo ngược pha làm cho động đảo chiều Bộ khuếch đại servo AC, khuếch đại cơng suất tuyến tính, cấp nguồn cho cuộn dây điều khiển Điện trở rôto thực cách có chủ ý để đường cong mơ-men xoắn - tốc độ tuyến tính Động servo hai pha vốn thiết bị có tốc độ cao, mô-men xoắn thấp, giảm tốc lớn để tăng tải trọng 3.4 Động điện xoay chiều pha Động pha khơng có từ trường quay độc đáo động nhiều pha Trường đảo dấu (đảo ngược cực) cặp cực xem hai trường quay theo hướng ngược Cho nên cần phải có từ trường thứ cấp làm rơto di chuyển theo hướng định Sau khởi động, trường stator đảo dấu quay tương đối so với rôto Một số phương pháp thường sử dụng là: 3.5 Động cực xẻ rãnh Động có cực xẻ rãnh loại động pha phổ biến Nó sử dụng thiết bị yêu cầu mô-men xoắn khởi động thấp, chẳng hạn quạt điện, máy bơm nhỏ thiết bị gia dụng nhỏ Trong động này, "cuộn xẻ rãnh" đồng vòng đơn tạo từ trường chuyển động Một phần cực bao quanh cuộn dây vòng đồng; dòng điện cảm ứng vòng chống lại thay đổi thông lượng qua cuộn dây Điều gây khoảng thời gian trễ thơng lượng qua cuộn xẻ rãnh, cường độ trường tối đa di chuyển cao mặt cực chu kỳ Điều tạo từ trường quay mức độ thấp đủ lớn để quay rotor tải trọng Khi rôto tăng tốc độ, mô-men xoắn 3.1 Động AC công suất Hp (0,74kW) Loại motor Động điện pha Cơng suất 1HP Tốc độ vịng quay 1.490 vòng/phút Nguồn điện áp 220V/50Hz 3.1 Biến tần Delta VFD007E21A Thông số kỹ thuật  Model VFD: VFD007E21A  Điện áp: 1P 220V  Công suất: 0.75kw ( 1HP ) tương thích với cơng suất động lựa chọn bên 16  Dòng định mức: 4.2 A  Tần số: 0.1 – 599 Hz  Kiểu làm mát: Làm mát tự nhiên  Khối lượng: 1.1 kg  Đặc điểm moment xoán: Tự động bù moment xoán, moment xốn lên đến 150% 3.0 Hz  Khả chịu tải: 150% dòng định mức phút  Dãi điều chỉnh tốc độ: 0.1 – 60s  Truyền thông: MODBUS – RS485  Khả điều chỉnh 16 cấp tốc độ, DI, relay out put ( NO, NC), chế độ điều khiển motor phụ,…  Analog output dòng tần số  Chức tích hợp: Tích hợp PLC đơn giản, tự động điều chỉnh điện áp (VAR), tăng tốc giảm tốc theo đường cong S, ghi lưu lỗi, tự động khởi động lại điện tạm thời, điều khiển PID, chức ngủ thức, …  Chức bảo vệ: Quá áp, dòng, thấp áp, thấp dòng, tải, chạm đất, nhiệt, ngắn mạch IGBT, lỗi ngoài,… 17 Sơ đồ chân biến tần 3.2 Bộ điều khiển PLC Siemens s7-1200 DC/DC/RLY Trên thị trường có nhiều loại CPU khác nhau, theo thực tế nên chọn dịng CPU siemens cho hệ thống điều khiển q trình Ngồi lựa chọn dịng CPU chọn dịng đầu vào DC tốt cho việc bảo đảm tuổi thọ điều khiển trường hợp nguồn điện khơng ổn định 18 Chọn dịng PLC có đầu relay hệ thống khơng điều khiển xung số, khơng phải đóng cắt liên tục nên dùng relay 3.3 Modul analog SM 1232 AQ Để xuất tín hiệu analog tới biến tần Model: 6ES7232-4HD32-0XB0 – Module S7-1200 SM 1232 AO SIMATIC S7-1200, Analog output, SM 1232, AO, +/-10 V, 14-bit resolution, or 0-20 mA/4-20 mA, 13-bit resolution 19 3.4 Encoder Omron Encoder 1000 xung E6B2-CWZ6C sản xuất hãng Omron cho độ xác, độ ổn định độ bền cao Encoder 1000 xung Omron E6B2-CWZ6C sử dụng để kết nối với động cấu cần xác định tọa độ, vị trí, , Encoder có độ xác cao lên đến 1000 xung/ vòng (1000 p/r) với kênh xung đầu riêng biệt A, B, Z Lưu ý không cấp áp, va đập gỡ encoder làm hư cấu trúc bên Thông số kỹ thuật:  Model: Omron E6B2-CWZ6C 1000 p/r  Điện áp sử dụng: 5~24VDC  Dòng tiêu thụ: max 80mA  Số xung: 1000 xung / vòng (1000 p/r)  Số kênh xung: kênh xung riêng biệt A, B, Z  Tần số đáp ứng tối đa: 100Khz  Dạng ngõ xung: NPN cực thu hở (cần mắc trở treo lên VCC để tạo mức cao (High)) 20 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động AC PLC biến tần 21 Sơ đồ đấu nối hệ thống: 22 Chương trình điều khiển Được thiết kế phần mềm TIA Portal v14, lựa chọn CPU Siemens Nếu sử dụng CPU hãng khác phải thay phần mềm hãng 6.1 khai báo biến 23 6.2 khai báo khối PID 24 6.4 Đặt thêm số điều kiện cho khối hoạt động tốt 6.5 Khai báo biến cho khối HSC 25 6.6 Chương trình 26 27 Khởi chạy 7.1 Chế độ chạy biến tần B1: Kết nối hệ biến tần, PLC, Động B2: Set up chế độ biến tần B3: Cài đặt thông số (parameter) cho biến tần Lần lượt ấn mode đến kênh cài đặt thơng số chính, gồm: Setting mode (gồm chế độ chạy thuận, chạy ngược, chạy jog(chạy lần xong dừng)) Setting parameter ( gồm thông số tần số, điện áp, cường độ dòng điện cấp cho động cơ) Setting direction (chạy vị trí) 7.2 Chế độ điều khiển hình wineCC Thiết kế giao diện WineCC phần mềm TIAPortal V14 Các biến hình gán từ chương trình bên Các bước điều khiển: B1: kết nối PLC, hình wineCC, biến tần, động cấp nguồn cho hệ B2: Ra lệnh điều khiển cho động chạy thực thao tác từ hình: Các chức gồm có:+ ) Hiển thị tốc độ động hình wine CC thơng qua chế độ đọc xung + ) Điều chỉnh tốc độ động chế độ xuất analog + ) Điều chỉnh tốc độ động theo cấp chế độ digital 28 KẾT LUẬN Có nhiều phương án để điều khiển động cơ, điều khiển mạch relay, mạch khởi động mềm, mạch điện tử adruino thay sử dụng phương án Nhưng công nghiệp, môi trường cần hoạt động liên tục cần có tính chất dễ thay thế, sửa chữa bảo trì, hệ PLC- Biến tần- Động lựa chọn hợp lý, vừa dễ dàng tùy biến theo mong muốn người sử dụng, lại dễ dàng hiệu chỉnh, sửa chữa với người bảo trì 29 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Thành viên nhóm phân chia công việc, thành viên làm 50% : Thành viên Mai Văn Đạt - Công việc Lý thuyết biến tần, động AC - Phương pháp lựa chọn điều khiển PLC, lý thuyết Lê Bá Trí điều khiển PLC Thiết kế sơ đồ khối hệ thống - Thiết kế mạch điều khiển - Thiết kế chương trình điều khiển 30 ... điều khiển động AC sử dụng biến tần Ý tưởng Sử dụng hệ thống biến tần kết hợp PLC để điều khiển tốc độ động AC có cơng suất 1Hp( = 0,74kW) Động có gắn encoder để phản hồi tín hiệu điều khiển điều. .. thông qua chế độ đọc xung + ) Điều chỉnh tốc độ động chế độ xuất analog + ) Điều chỉnh tốc độ động theo cấp chế độ digital 28 KẾT LUẬN Có nhiều phương án để điều khiển động cơ, điều khiển mạch relay,... với cuộn khởi động, tạo mạch LC tạo lệch pha lớn (và đó, mơ men khởi động lớn nhiều) so với động tách pha động cực xẻ rãnh 3.8 Động khởi động điện trở 10 Động khởi động trở kháng động cảm ứng