Báo cáo môn tự động hoá thiết bị điện

Hãy thiết kế sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển của hệ thống trạm bơm nước nông nghiệp gồm 6 máy bơm nước dùng chung một bộ khởi động mềm nhằm mục đích hạn chế dòng khởi động khi làm việc. Các động cơ khởi động lần lượt, khi hết thời gian khởi động thì động cơ được chuyển về làm việc trực tiếp với điện áp lưới. Để đảm bảo an toàn cho thyristor, giữa hai lần khởi động liên tiếp cần có khoảng thời gian nghỉ nhỏ.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ CHUYÊN NGÀNH : TỰ ĐỘNG HĨA ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN CƠNG NGHIỆP HỌC PHẦN : TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT BỊ ĐIỆN Giảng viên hướng dẫn Nhóm sinh viên Sinh viên thực Mã sinh viên Lớp : : : ……… : : HÀ NỘI, 11/2021 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU PHẦN 1: LÝ THUYẾT Điều khiển tự động theo nguyên tắc dòng điện 1.1 Nội dung nguyên tắc dòng điện .3 1.2 Khởi động động chiều kích từ độc lập theo ngun tắc dịng điện qua cấp điện trở Các điều chỉnh 2.1 Chức điều chỉnh 2.2 Một số hàm 2.3 MẠCH PID Chuyển sơ đồ điều khiển có tiếp điểm sau sang sơ đồ điều khiển không tiếp điểm 10 khởi động mềm cấu tạo ứng dụng 11 4.1 Nguyên lý cấu tạo hoạt động khởi động mềm 12 4.2 Đặc điểm khởi động mềm .13 4.3 Ưu nhược điểm phương pháp khởi động dùng khởi động mềm 13 PHẦN 2: BÀI TẬP ỨNG DỤNG 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Điều khiển động điện chiều theo ngun tắc dịng điện .4 Hình 1.2: Khởi động động chiều kích từ độc lập qua cấp điện trở .5 Hình 2.1: Mạch tạo hàm Hình 2.2: Bộ điều chỉnh tỷ lệ Hình 2.3: Bộ điều chỉnh tích phân .7 Hình 2.4: Bộ tích phân tỷ lệ Hình 2.5: Bộ vi phân Hình 2.6: Sơ đồ khối tổng quát mạch PID Hình 2.7: Sơ đồ ví dụ mạch PID 10 Hình 3.1: Sơ đồ chuyển mạch có tiếp điểm .10 Hình 3.2: Sơ đồ chuyển mạch không tiếp điểm .11 Hình 4.1: Cấu tạo hoạt động khởi động mềm .12 Hình 5.1: Sơ đồ mạch lực máy bơm 14 Hình 5.2: Sơ đồ mạch điều khiển máy bơm .15 Hình 5.3: Sơ đồ mạch lực điều khiển máy bơm mô CADSIMU.16 LỜI NĨI ĐẦU Trong cơng nghiệp dân sinh, thiết bị công nghiệp sử dụng rộng rãi Các thiết bị điện đa dạng , phong phú chủng loại đồng nghĩa với đa dạng điều khiển Trong năm gần , yêu cầu nâng cao chất lượng sản phẩm chất lượng sống đặt ngày cao Để đáp ứng yêu cầu thiết bị điện đóng vai trị đáng kể Việc hồn thiện công nghệ , nâng cao chất lượng mạch điều khiển nhằm nâng cao chất lượng thiết bị điện cần thiết Các tiến khoa học kĩ thuật ngày , tiến lĩnh vực điện tử tự động hóa có ảnh hưởng mạnh mẽ tới phát triển mạnh mẽ ngành kĩ thuật khác Sự đời biến đổi điện tử cơng suất với kích thước gọn nhẹ , tác động nhanh , dễ dàng ghép nối với các vi mạnh điều khiển máy tính cách mạng lớn điều khiển thiết bị điện Các thiết bị điện ngày nay, phần truyền thống thiết bị điện từ , cịn có them thiết bị điều khiển thiết bị điện tử Phần lớn mạch điều khiển dung kĩ thuật số với chương trình phần mềm linh hoạt , dung vi xử lý dễ dàng thay đổi cấu trúc mạch điều khiển , dung IC điều khiển chuyên dung Ứng dụng mạnh mẽ tiến vào điểu khiển thiết bị điện đòi hỏi hiểu biết tất yếu lĩnh vực , đặc biệt kỹ sư thiết bị điện điện tử Báo cáo chun đề em có trình bày kiến thức tự động hóa thiết bị điện ứng dụng số lĩnh vực khác Trong trình làm báo cáo chuyên đề em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo hướng dẫn: Phạm Thị Thùy Linh Cô giúp đỡ hướng dẫn tận tình giúp em hoàn thành báo cáo chuyên đề Mặc dù em cố gắng nhiều, song tránh khỏi thiếu sót sai lầm định Em mọng nhận góp ý bảo tận tình thầy mơn Em xin chân thành cảm ơn! ĐỀ BÀI BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ Phần 1: Lý thuyết Hãy trình bày hệ thống điều khiển thiết bị điện có tiếp điểm theo ngun tắc dịng điện Trình bày ví dụ khởi động động chiều kích từ độc lập theo nguyên tắc dòng điện qua cấp điện trở? Các điều chỉnh có chức hệ thống tự động hóa điều khiển thiết bị điện Phân loại điều chỉnh này? Hãy chuyển sơ đồ điều khiển có tiếp điểm sau sang sơ đồ điều khiển không tiếp điểm: Phần 2: Bài tập ứng dụng Hãy thiết kế sơ đồ mạch lực mạch điều khiển hệ thống trạm bơm nước nông nghiệp gồm máy bơm nước dùng chung khởi động mềm nhằm mục đích hạn chế dòng khởi động làm việc Các động khởi động lần lượt, hết thời gian khởi động động chuyển làm việc trực tiếp với điện áp lưới Để đảm bảo an toàn cho thyristor, hai lần khởi động liên tiếp cần có khoảng thời gian nghỉ nhỏ PHẦN 1: LÝ THUYẾT Điều khiển tự động theo nguyên tắc dòng điện 1.1 Nội dung nguyên tắc dòng điện Dòng điện mạch phần ứng động thông số làm việc quan trọng xác định trạngthái hệ truyền động điện Nó phản ánh trạng thái mang tải bình thường hệ thống, trạng tháimang tải, trạng thái tải phản ánh trạng thái khởi động hay hãm động cơtruyền động Trong trình khởi động, hãm, dòng điện cần phải đảm bảo nhỏ trị số giới hạncho phép Trong trình làm việc vậy, dịng điện phải giữ khơng đổi trị số đótheo u cầu q trình cơng nghệ Ta dùng cơngtăctơ có cuộn dây dịng điện rơle dịng điện kiểu điện từ khóađiện tử hoạt động theo tín hiệu vào trị số dịng điện để điều khiển hệ thống theo yêu cầu Dòng điện mạch phần ứng động dùng làm tín hiệu vào trực tiếp gián tiếp cho phần tử thụcảm dịng điện nói Khi trị số tín hiệu vào đạt đến giá trị ngưỡng xác định điều chỉnh đượccủa phát tín hiệu điều khiển hệ thống chuyển đến trạng thái làm việc yêu cầu Mạch điều khiển truyền động điện điển hình theo nguyên tắc dòng điện: Điều khiển theo nguyên tắc dịng điện tiếp điểm tác động theo tín hiệu dịng điện Tín hiệu dịng điện lấy từ rơle địng điện [5] Hình vẽ sơ đổ mạch ví dụ điều khiển động điện chiểu theo ngun tắc địng điện Tín hiệu dịng điện phần ứng lấy từ hai rơle dòng điện RD1, RD2 Sau cấp nguồn chiều tới mạch động lực mạch điều khiển, chưa có thiết bị cấp điện Nhấn nút M cơng tắc tơ K có điện, đóng tiếp điểm mạch động lực, đồng điện động tăng lớn chỉnh định rơle RD1, RD2, làm mở tiếp điểm rơle đồng mạch RD1 (9-11), RD2 (11-13) Tiếp điểm K mạch (1-7) đóng, rơle R1 có điện đóng mạch (1-9) K1 chưa hút mạch (9-11) hở Tốc độ động tăng, đòng điện động giảm, tới giá trị nhả tiếp điểm RD1 mạch (9-11) kín, K1 đóng tự giữ tiếp điểm K (9-11) Do cố ý chỉnh định RD2; có giá trị dịng điện nhả nhỏ RD1 nên tiếp điểm RD1 (9-11) đóng lại RD2 (11-18) khơng đóng K2 đóng làm dòng điện lại tăng lên, RD2 tiếp tục hở tiếp điểm Động tiếp tục khởi động, dòng điện giảm tới giá trị tác động RD2 Hình 1.1: Điều khiển động điện chiều theo nguyên tắc dòng điện Nhận xét điều khiển truyền động điện theo nguyên tắc dòng điện: - Ưu điểm: Thiết bị đơn giản, làm việc sơ đồ không chịu ảnh hưởng nhiệt độ cuộn dâycôngtăctơ, rơle - Nhược điểm: Độ tin cậy thấp, có khả đình gia tốc cấp trung gian động khởi độngbị q tải, dịng điện khơng giảm xuống đến trị số nhả rơle dòng điện 1.2 Khởi động động chiều kích từ độc lập theo nguyên tắc dịng điện qua cấp điện trở Hình 1.2: Khởi động động chiều kích từ độc lập qua cấp điện trở Cấp nguồn cho mạch lực mạch điều khiển động chưa hoạt động Bấm M role K có điện đóng tiếp điểm K1 (1 7) , R1 có điện đóng tiếp điểm R1( 9) Nhưng K1 chưa có điện RD1, RD2, RD3 hở, tốc độ động tăng dòng điện giảm Khi dịng điện giảm đến mức RD1 tiếp điểm RD1 (9 11) đóng lại Rơle K1 có điện đóng tiếp điểm K1 Dịng điện tiếp tục giảm đến mức RD2 tiếp điểm RD2 đóng Rơle K2 có điện đóng tiếp điểm K2 dịng điện tiếp tục giảm đến RD3, rơle K3 có điện đóng tiếp điểm K3 Động khởi động dùng đặc tính tự nhiên không qua cấp điện trở Các điều chỉnh 2.1 Chức điều chỉnh Trong mạch điều khiển tự động, mạch hiệu chỉnh có vai trị quan trọng, đảm bao chất lượng tĩnh động hệ thống Nhiệm vụ điều chỉnh: -Khuếch đại tín hiệu sai lệch nhỏ -Tạo hàm điều khiển để đảm bảo chất lượng tĩnh động Tuỳ theo phương pháp điều khiển mà ta có điều chỉnh tương tự, điều chỉnh xung hay điều chỉnh số 2.2 Một số hàm a) Nguyên tắc tạo hàm chức Sơ đồ hình 2.1 có quan hệ Id + I2 + I1 = Iv ~ Id = Yd (p).Ud I2 = Yht (p).U2 I1 = Y1 (p).U1 Yd (p).Ud + Yht (p).U2 + Y1 (p).U1 = U2 =−¿ ( Y d (p) Y 1( p) U d− U Y ht ( p) Y d ( p) ) (2.1) Hai điện áp Ud U1 trái dấu Hình 2.1: Mạch tạo hàm b) Điều chỉnh tỷ lệ Sơ đồ điều chỉnh tỷ lệ vẽ hình 2.2a, đáp ứng mạch cho hình 2.2b a)Sơ đồ mạch ; b)Đáp ứng đầu Hình 2.2: Bộ điều chỉnh tỷ lệ Hàm truyền hệ : F(p) = U2 R2 U = == K (2.2) U d −U ∆ U R1 c) Bộ điều chỉnh tích phân Sơ đồ mạch đáp ứng Thay vào biểu thức (2.1) với giá trị Ud = Uv; U1 = ta có: U2 = −Y V ( p) UV (2.3) Y ht ( p) a)Sơ đồ nguyên lý ; b)Đặc tính đầu Hình 2.3: Bộ điều chỉnh tích phân Thay giá trị YV(p) = 1 , Yht = C R p vào (2.3) ta có hàm truyền d, Sơ đồ mạch đáp ứng điều Chỉnh tích phân tỷ lệ vẽ hình 2.4 Y= −K X; K = p R C Thay vào biểu thức (2.1) với : YV (p) =−¿ R −1 Yht = R + C.p C p = R C p+1 Ta có: U −R2 R C p+1 Tp+1 = = −K Tp UV R1 R2 C p a)Sơ đồ nguyễn lý; b)Đặc tính đầu Hình 2.4: Bộ tích phân tỷ lệ e, Hàm truyền khâu vi phân Sơ đồ mạch đáp ứng điều chỉnh vi phân Vẽ hình 2.5 Hàm truyền khâu vi phân: Y = −¿ K.p.X; K = R.C Trên hàm truyền số khâu điển hình a)Sơ đồ mạch điện b)Đặc tính đầu Hình 2.5: Bộ vi phân 2.3 MẠCH PID Trong mạch điều khiển tự động, cần chất lượng tĩnh chất lượng động tốt người ta cần mạch hiệu chỉnh Dạng mạch hiệu chỉnh thường dùng mạch PID (Proportional Differential – tỷ lệ tích phân vi phân ) Sơ đồ khối tổng quát khâu hiệu chỉnh PID cho hình 2.6 Hình 2.6: Sơ đồ khối tổng quát mạch PID Tín hiệu đầu tính Ura = KpUv + K1∫ U V dt+ K D dUv dt Hàm truyền viết: ( Ura(p) = K p + ( ) K1 + K D p U V ( p) p U ( p) K D p + K p p + Ki = U V ( p) p ) Viết lại biểu thức hàm truyền W(p) = A 1= A p + A2 p+ τp KD K ; A 2= p ; τ = KI KI KI Hình 2.7: Sơ đồ ví dụ mạch PID Chuyển sơ đồ điều khiển có tiếp điểm sau sang sơ đồ điều khiển khơng tiếp điểm Hình 3.1: Sơ đồ chuyển mạch có tiếp điểm 10 Khi : R1= AT×BV RA= [ AT× ( M+RA) ]× R1 R2= [ AT× ( M+RA) ]× R1 × TMAX K= [ AT× ( M+RA) × (TMIN + K) × R1 × R2 Hình 3.2: Sơ đồ chuyển mạch khơng tiếp điểm Khởi động mềm cấu tạo ứng dụng Phương pháp khởi động dùng khởi động mềm trình hạn chế đầu cực động cơ, tăng dần điện áp theo chương trình tăng tuyến tính từ giá trị xác định đến điện áp có định mức Trong tồn q trình khởi động điều khiển đóng mở bằng  thyristor vi xử lý đáp ứng tần số giữ nguyên không đổi theo tần số điện áp lưới Khởi động mềm dùng để điều khiển động điện nhằm bảo vệ chống sụt áp hệ thống điện , làm giảm hao mịn hệ thớng máy móc khí , giúp động khởi động dừng êm , mợt sớ ứng dụng khởi đợng mềm có chức chớng q dịng đợt ngợt bảo vệ thiết bị , điều khiển Momen xoắn ( Torque Control ) theo sát tải motor tính giảm tuyến tính giúp giảm dịng mợt cách từ từ tùy theo yêu cầu sử dụng 11 Hình 4.1: Cấu tạo hoạt động khởi động mềm 4.1 Nguyên lý cấu tạo hoạt động khởi động mềm Bộ khởi động mềm không thay đổi tần số nguồn cấp giống biến tần, thay vào tăng dần điện áp cấp vào động từ mức điện áp định trước lúc vừa khởi động lên đến điện áp định mức Với phương pháp khởi động , người sử dụng điều chỉnh xác lực khởi động mong muốn , khởi động khơng tải hay có tải Mạch lực hệ thống khởi động mềm gồm cặp thyristor đấu song song ngược cho pha Vì mơmen động tỉ lệ với bình phương điện áp , dòng điện tỉ lệ với điện áp , mơ men gia tốc dịng điện khởi động hạn chế thông qua điều chỉnh trị số hiệu dụng điện áp Quy luật điều chỉnh khởi động dừng nhờ điều khiển pha ( kích mở cặp thyristor song song ngược ) mạch lực 12 Như , hoạt động khởi động mềm hoàn toàn dựa việc điều khiển điện áp khởi động dừng , tức trị số hiệu dụng điện áp thay đổi Nếu dừng động , tín hiệu kích mở thyristor bị cắt dịng điện dừng điểm qua không điện áp nguồn 4.2 Đặc điểm khởi động mềm Dừng tự theo quán tính : Nếu điện áp cấp bị cắt trực tiếp , động chạy theo quán tính dừng khoảng thời gian xác định Thời gian dừng với mơmen qn tính nhỏ ngắn , cần tránh trường hợp đề phòng phá huỷ dừng tải đột ngột không mong muốn Dừng mềm : Nhờ chức dừng mềm mà điện áp động giảm từ từ khoảng từ – 20 giây ( tuỳ thuộc vào yêu cầu ) Tiết kiệm lượng non tải : Nếu động điện vận hành không tải hay non tải , trường hợp khởi động mềm giúp tiết kiệm điện nhờ giảm điện áp động , việc giảm điện áp làm giảm dịng điện 4.3 Ưu nhược điểm phương pháp khởi động dùng khởi động mềm Ưu điểm của phương pháp khởi động dùng khởi động mềm bền vững tiết kiệm không gian cho việc lắp đặt Có chức điều khiển bảo vệ, khoảng điện áp sử dụng từ 200V đến 500V với tần số từ 45Hz đến 65Hz Có phần mềm chuyên dụng để kèm, lắp đặt chức dễ dàng Nhược điểm của phương pháp khởi động giá thành cao dòng điện khởi động lớn ảnh hưởng đến mạng lưới điện, nhiên có số giải pháp cho nhược điểm Ứng dụng thực tế khởi động mềm Hiện nay, phương pháp khởi động dùng khởi động mềm ứng dụng vào số lĩnh vực động điện cho việc chuyên chở vật liệu, động bơm, động vận hàng non tải lâu dài, động có chuyển đổi, độn có qn tính lớn băng chuyền, thang máy, máy ép, máy dệt, máy khuấy… Ngồi ra, phương pháp cịn bảo vệ nhiệt cho động cơ, bảo vệ máy móc tải, non tải với ngưỡng bảo vệ khoảng thời gian điều chỉnh, bảo vệ rotor động đảo chiều quay động 13 PHẦN 2: BÀI TẬP ỨNG DỤNG Hãy thiết kế sơ đồ mạch lực mạch điều khiển hệ thống trạm bơm nước nông nghiệp gồm máy bơm nước dùng chung khởi động mềm nhằm mục đích hạn chế dòng khởi động làm việc Các động khởi động lần lượt, hết thời gian khởi động động chuyển làm việc trực tiếp với điện áp lưới Để đảm bảo an toàn cho thyristor, hai lần khởi động liên tiếp cần có khoảng thời gian nghỉ nhỏ Hình 5.2: Sơ đồ mạch lực máy bơm 14 Hình 5.3: Sơ đồ mạch điều khiển máy bơm 15 Hình 5.4: Sơ đồ mạch lực điều khiển máy bơm mô CADSIMU 16 Sơ đồ mạch lực thiết kế gồm có thiết bị: + Nguồn pha 220V + Bộ khởi động mềm +Các khóa đóng cắt K1,K2,K3,K4,K5,K6 +Rơ le nhiệt CM1,CM2,CM3,CM4,CM5,CM6 ngắt dịng điện tải +Động máy bơm M1, M2, M3,M4,M5,M6 Sơ đồ mạch điều khiển gồm có thiết bị: + Cơng tắc thường mở thường đóng START, STOP + Các tiếp điểm K1, K2, K3,K4,K5,K6 +Các đèn báo động hoạt động H1, H2, H3,H4,H5,H6 +Đèn báo khẩn cấp + Tiếp điểm rơ le nhiệt CM1,CM2,CM3,CM4,CM5,CM6 + TIMER đếm thời gian T1,T2,T3,T4,T5 Nguyên lý hoạt động mạch : Khởi động động ba pha loạt hoạt động kích hoạt hệ thống lệnh điện. Hệ thống đưa hai nhiều động vào mạch với khởi động chúng theo trình tự. Kiểu khởi động thực lệnh điện với hỗ trợ rơ le hẹn giờ.Các động cấp nguồn theo trình tự thời gian sử dụng timer động 1-10s, động 2-20s, động 3-30s , động 4-40s, động 550s,động 6-60s Khởi động mạch lực cấp nguồn cho động mạch điều khiển (nguồn cấp cho mạch điều khiển 24V) Khi nhấn S1, cuộn dây công tắc tơ K1 cấp điện với định thời T1 bắt đầu đếm động số chạy 10s bóng đèn H1 điện báo hiệu động chạy Bộ định thời T1 kích hoạt cuộn dây cơng tắc tơ K2 cấp điện với định thời T2, trình tự lặp lại từ động số đến động số sáu động hoạt động Đèn errol báo cho động bị tải ngây ngắt nguồn khỏi động 17