Giới thiệu chung về RTG
Hình 1.1 Hình ảnh về cầu trục RTG
Cầu trục giàn bánh lốp, như mô tả trong hình 1.1, bao gồm các cơ cấu điều khiển chính như cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con và cơ cấu di chuyển giàn Nguồn điện cho cầu trục hoạt động được cung cấp bởi máy phát điện diesel lai Với tính cơ động và năng suất cao, cầu trục giàn bánh lốp là giải pháp hiệu quả cho việc nâng hạ và di chuyển hàng hóa.
Cấu trúc của RTG bao gồm các thành phần chính như chân cầu trục (1, 2, 3, 4), xà đỡ cho cơ cấu xe con và nâng hạ hàng (5), xe con (6), buồng lắp đặt thiết bị điều khiển chính (7), kẹp dây cấp nguồn cho các cơ cấu lắp phía trên (8), buồng điều khiển xe con (9), buồng Diesel – máy phát (10), hộp đấu dây (11), và động cơ di chuyển giàn (M1, M2) Tất cả các bộ phận này phối hợp với nhau để đảm bảo hoạt động hiệu quả của RTG.
Hình 1.2 Cơ cấu chính của RTG
Giàn di chuyển sử dụng hệ thống bánh lốp với hai động cơ truyền động, mỗi động cơ có công suất 45 kW Động cơ nâng hạ được lắp đặt trên xà đỡ xe con với công suất 150 kW, trong khi động cơ di chuyển xe con có công suất 15 kW.
Cấu trúc bàn điều khiển
Bảng điều khiển bên phải cabin
Bảng 1.1: Cơ cấu bảng điều khiển phía phải cabin
Thứ tự Tên gọi tiếng anh Dạng Chức năng
Tay điều khiển Điều khiển nâng hạ ,di chuyển
3 GANTRY LEFT Di chuyển sang trái
4 GANTRY RIGHT Di chuyển sang phải
Nút ấn Nút ấn dừng khẩn cấp
Công tắc Khóa mở chốt
10 20FT-40F Công tắc Thay đổi chiều dài móc phù hợp với container
Công tắc dùng khi chạm công
Công tắc Điều khiển đèn pha hệ thống chiếu sáng
16 ON/OFF Đèn chiếu sáng
ON-OFF Công tắc chuyển đổi
Nút ấn Khởi động bơm ngoặm
23 Nút ấn Đặt chốt bánh xe
Bảng điều khiển bên trái ca bin:
Bảng 1.2: Cơ cấu bảng điều khiển phía trái cabin
Thứ tự Tên tiếng anh Dạng Chức năng
Cần gạt Điều khiển di chuyển xe con
Nút ấn Nút dừng máy sự cố
6 RIGHT-LEFT Công tắc điều khiển nghiêng
8 LEFT-0-RIGHT Công tắc xoay
Chuyển chế độ hoạt động (chờ hoặc có tải)
12 SKEW SWITCH Công tắc Công tắc điều khiển độ nghiêng
13 FUEL LEVEL Kiểm tra mức dầu
14 CONTROL ON Nút bấm Ấn để bật nguồn điều khiển
15 CONTROL OFF Nút bấm Ấn để tắt nguồn điều khiển
16 ENGINE FAULT Đèn báo Máy bị lỗi
17 ENGINE RUN Đèn báo Máy đang hoạt động
18 BATTERRY ON Đèn báo Kiểm tra nguồn ắc quy
19 BUZZER STOP Nút bấm Còi báo dừng máy
20 CAB LIGHT Công tắc Đèn cabin
1.1.3 Các thông số chính về RTG
Sức nâng lớn nhất khi dùng khung cẩu: 35,6 tấn
Chế độ thử tải: 125% sức nâng lớn nhất
Khung cẩu: Khung cẩu kiểu ống lồng 20’, 40’
Cơ sở xe (khoảng cách trục bánh xe) : 6,4 m
Số lượng bánh xe cầu trục: 8 bánh (2 bánh/cụm chân) Áp lực lên bánh xe (khi không có tải trọng gió)
Với tải trọng danh định (35,6 tấn) xấp xỉ 26,9 tấn/bánh
Khi không tải: xấp xỉ 18,8 tấn/bánh
1.1.4 Tốc độ vận hành a Tốc độ nâng
Với tải lớn nhất : 20 m/phút
Chỉ với khung cẩu: 45 m/phút b Tốc độ di chuyển xe con : 70 m/phút c Tốc độ di chuyển giàn: 135 m/phút (không gió, không dốc, không tải)
1.1.5 Nguồn điện a Cầu trục được cung cấp bởi hệ thống điezel – máy phát điện b Động cơ điezel chính: Cummins
- Loại động cơ: kiểu NTA855-G2
- Loại vận hành: 4 kỳ, làm mát bằng nước và quạt gió tự lai c Mạch động cơ xoay chiều: AC 440V, 60Hz, 3 pha d Mạch điều khiển : AC 100V, 60Hz, 1 pha
Điện áp sử dụng cho hệ thống là AC 200V, 60Hz, 3 pha, trong khi điện áp sự cố và chiếu sáng là AC 220V, 60Hz, 3 pha Máy điều hòa không khí hoạt động với điện áp AC 100V, 60Hz, 1 pha, và bộ sấy nóng sử dụng điện áp AC 220V, 60Hz, 1 pha Nguồn năng lượng dự phòng được cung cấp ở điện áp AC 220V, 50Hz, 1 pha.
Bảng 1.3: Cơ cấu phanh hãm
Công dụng Số lượng Loại
Cơ cấu nâng hạ 1 Phanh đĩa điện thuỷ lực xoay chiều
Cơ cấu di chuyển xe con 1 Phanh đĩa điện từ 1 chiều
Cơ cấu di chuyển cầu trục 1 Phanh đĩa điện từ 1 chiều
Cơ cấu nghiêng 1 Phanh điện từ xoay chiều
1.1.7 Các thông số kĩ thuật cơ bản của máy phát điện xoay chiều và động cơ điện sử dụng trên cầu trục RTG
Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy phát điện và động cơ
Bảng 1.4: Bảng thông số kĩ thuật máy phát điện trên RTG [1]
Tốc độ ( v/ph) Điện áp (V) Đặc tính
450 1800 AC440 Liên Chống Vật liệu Đồng 1 nguồn cho động cơ điện
KVA tục thấm cách điện cấp
F bộ Đ/cơ cơ cấu nâng
1 Đ/cơ cơ cấu di chuyển xe con
1750 AC440 60# ED TEFC ’’ ’’ 1 Đ/cơ cơ cấu di chuyển cần trục
45KW 1533/2300 AC440 40%ED TEFC ’’ ’’ 2 Đ/cơ bơm thủy lực khung cẩu
TEFC ’’ ’’ 1 Đ/cơ cơ cấu chống nghiêng
’’ 2 thống lái Đ/cơ momen xoắn chống lắc
Những đặc điểm về điều khiển cầu trục RTG
Trên ca bin điều khiển, các cần điều khiển và nút bấm phanh hãm được bố trí hợp lý, giúp đảm bảo vận hành đơn giản cho các cơ cấu nâng hạ, di chuyển và di chuyển giàn Ngoài ra, các nút bấm cảnh báo và khẩn cấp cũng được sắp xếp một cách hợp lý để tăng cường an toàn trong quá trình vận hành.
1.2.2 Đảm bảo tốc độ nâng với tải trọng định mức Đảm bảo tốc độ nâng với tải trọng định mức là điều kiện để nâng cao năng suất bốc xếp hàng hoá, đưa lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật tốt nhất cho sự hoạt động của cần trục – cầu trục Nếu tốc độ nâng hạ thiết kế quá lớn sẽ đòi hỏi kích thước, trọng lượng của các bộ truyền cơ khí lớn,điều này dẫn tới giá thành chế tạo cao Mặt khác tốc độ nâng hạ tối ưu đảm bảo cho hệ thống điều khiển chuyển động của cơ cấu thoả mãn các yêu cầu về thời gian đảo chiều, thời gian hãm, làm việc liên tục trong chế độ quá độ (hệ thống liên tục đảo chiều theo chu kỳ bốc xếp), gia tốc và độ dật thoả mãn yêu cầu Ngược lại nếu tốc độ quá thấp sẽ ảnh hưởng đến năng suất bốc xếp hàng hoá RTG tốc độ nâng có thể đến 45m/p
1.2.3 Có khả năng thay đổi tốc độ phạm vi rộng
Khả năng điều chỉnh tốc độ trong quá trình bốc xếp không chỉ nâng cao năng suất mà còn đáp ứng được yêu cầu công nghệ cho nhiều loại hàng hóa khác nhau Cụ thể, khi nâng và hạ móc với tải trọng nhẹ, cần sử dụng tốc độ cao, trong khi đó, khi khai thác, cần duy trì tốc độ thấp và ổn định để hạ hàng hóa vào vị trí yêu cầu Hệ thống truyền động cũng cần có các tốc độ trung gian để đảm bảo hiệu quả trong quá trình bốc xếp.
- Tốc độ toàn tải: Vđm
- Tốc độ nâng một phần hai tải: 1,5- 1,7 Vđm
- Tốc độ nâng móc không: 3 3,5 Vđm
- Tốc độ hạ toàn tải: 2 2,5 Vđm
- Tốc độ hạ ít tải hoặc móc không: 2 Vđm
Do vậy để đảm bảo chất lượng nâng hạ hàng trên RTG đã thực hiện sử dụng
5 cấp tốc độ đảm bảo yêu cầu hàng hóa lúc chạm đất cũng như với các hàng hóa yêu cầu đòi chất lượng phục vụ tốt
1.2.4 Tác động nhanh thời gian quá độ ngắn Đối với chuyển động cầu trục và cần trục quá trình thay đổi tốc độ và quá trình phanh hãm xảy ra liên tục do vậy yêu cầu hệ thống phai tác động nhanh
Với vị trí của các loại phanh thủy lực và bộ biến đổi inverter, việc điều chỉnh tốc độ và thực hiện quá trình phanh hãm được thực hiện một cách hiệu quả, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật.
+ Khởi động nhanh ng khẩn cấp
1.2.5 Đảm bảo an toàn cho hàng hóa Đảm bảo an toàn cho hàng hóa là yêu cầu cao nhất trong công tác khai thác, vận hành cần trục – cầu trục Các hệ thống cần có các bảo vệ như: Bảo vệ móc chạm đỉnh, bảo vệ chùng cáp cho cơ cấu nâng hạ hàng Bảo đảm độ nghiêng, độ rung lắc của hàng hóa Bảo vệ góc quay hay bảo vệ hành trình cho cơ cấu quay và cơ cấu di chuyển Ngoài ra cần có các hệ thống đo lường và bảo vệ quá tải tải trọng nâng cho cơ cấu nâng hạ hàng và nâng hạ cần.
Giới thiệu về hệ thống điện
Để khởi động hệ thống, trước tiên cần khởi động máy phát điện xoay chiều ACG Sau khi máy phát hoạt động ổn định, đóng cầu dao MCB1 để kiểm tra điện áp và tần số do máy phát cung cấp, đồng thời cấp nguồn cho bộ điều khiển máy phát Tiếp theo, đóng cầu dao MCB2 để cấp nguồn cho hệ thống đo lường, bao gồm máy biến dòng, máy biến điện áp, vôn kế và ampe kế.
Khi các thông số đo được ở trạng thái bình thường, cầu dao MCB3 được đóng để cấp nguồn cho các bộ biến tần INV1, INV2, INV3, trong đó INV1 và INV2 cung cấp năng lượng cho động cơ nâng hạ và di chuyển xe cầu, còn INV3 cấp nguồn cho động cơ di chuyển xe con Cầu dao MCB4 đóng để cấp nguồn cho các cơ cấu phụ, trong khi cầu dao MCB6 qua các bộ chỉnh lưu cung cấp điện cho cơ cấu phanh hãm dừng Cầu dao MCB7 cấp nguồn cho động cơ bơm hơi của hệ thống lái, và khi MCB8, MCB9 được đóng, chúng cấp nguồn cho hệ thống chống lắc, với bộ tiếp điểm R tác động để điều chỉnh sự lệch lạc Các cầu dao phụ MCB = 1 cung cấp nguồn cho các quạt làm mát, động cơ chống lắc, quạt gió cho động cơ nâng, bơm thuỷ lực, phanh cho cơ cấu nâng và xe con Đóng cầu dao MCB10, MCB11, MCB12 sẽ cấp nguồn cho nguồn điều khiển chính 200V, nguồn PLC 200V, cuộn điều khiển, bộ điều khiển AC100V, bàn điều khiển các thiết bị làm mát, thiết bị chiếu sáng, đèn báo cho cầu trục, nguồn dự phòng, chiếu sáng cabin và xe con Hệ thống điều khiển động cơ Diesel sử dụng nguồn một chiều DC24V từ 2 acquy 12V.
D B RÉ SIS TO R D B RÉ SIS TO R D B RÉ SIS TO R D B RÉ SIS TO R DC CO N V ER TE R VE C TO R IN VER TE R
FU FU TR M CB 1 M CB 6 M CB 7 M CB 8 CB9 MB MB MB MB
M CB 3 H O IS T M OT OR 150K W 100 0/20 00 RP M C ONT G AN T RY MO TO R 45K W 15 33 /2 300 0R P M 40%E D T RO L E Y MO TO R 15K W 18 00 RP M T RO L E Y MO TO R 15K W 18 00 RP M
PG PG PG PG PG
IM IM IM IM IM
TR 440/ 200 TR 440/ 200, 100 TR 440/ 220 OL OL OL OL OL OL
G AN T RY B RE AK ST E E RI NG P UM P MO TO R B
SK E W MO TO R A NT I S WA Y T OR QUE MO TO R A NT I S WA Y T OR QUE MO TO R C OO L ING F AN S H O IS B L OW VE R SP R E A SE R H YD P UM P H O IS B RE AKS
MA IN C O N T P OWE R P L C P OWE R A C 200V SOL E N OI D P O WE A C 200V P AN E L C OO L E R P AN E L C OO L E R C O N T P A N E L
The article discusses essential components for maintaining a 220V gantry, including warning lights, spare parts for heaters and coolers, and hoist cable management It emphasizes the importance of a control panel for lighting and alarm systems, as well as the need for spare floodlights and DC power supplies Proper maintenance of these elements ensures safety and efficiency in operations.
AC G E NE R AT OR 450 K VA C ON T 18 00 R PM AC 460 E NG IN E C ON T ROL
WL M CB 4 TR 440 /2 20 C ONT P O WE R 100V INT E R COM SY S
SHO RE P OWE R AC 220 V1 P H AS E 50 HZ
V EC TO R IN V ER TE R D C C O N V ER TE R V EC TO R IN V ER TE R V EC TO R IN V ER TE R D C C O N V ER TE R
Hình 1.4 Sơ đồ đường dây chính RTG
Hệ thống cấp nguồn
Toàn bộ nguồn điện được cung cấp từ tổ máy phát đồng bộ đông cơ sơ cấp là động cơ diesel
Sơ đồ nguyên lý điều khiển trạm phát điện được biểu biễn trên hình 1.5
ACG: Máy phát điện đồng bộ ba pha có các thông số kỹ thuật sau:
Tốc độ: 1800 vg/ph Điện áp: AC 460 V 60 Hz
AVR: Bộ tự động điều chỉnh điện áp
R2: Chiết áp điều chỉnh độ lớn điện áp ra
PT1 : Máy biến áp 3 pha 440/110; 50 VA được mắc với nhau cấp nguồn 3 pha
110/60 Hz cho mạch đo lường
1 FM: Đồng hồ đo tần số
CT1, CT2: Máy biến dòng đo lường 600/5A
UV: Rơ le kiểm tra điện áp
PB1, N2: 2 trục đấu dây cấp nguồn DC 24V cho mạch điều khiển
1 MCB: Aptomat chính cấp nguồn động lực từ máy phát tới các cơ cấu
2 MCB: Aptomat cấp điện cho mạch đo lường
Có 2 tiếp điểm thường mở đóng chậm 1T(02-2C); 1T(02-5B)
GB: Rơle một chiều điều khiển bật AVR, có một tiếp điểm thường mở
GBT: Rơle thời gian một chiều có 2 tiếp điểm thường mở đóng chậm
GBT(02-4B); GBT(02-4C): Khống chế thời gian đóng AVR
FAL: Rơle một chiều báo sự cố có 1 tiếp điểm thường mở FAL(02-5A);
2 tiếp điểm thường đóng FAL(02-5D); FAL(02-2C)
RL1: Đèn báo sự cố
Các tiếp điểm đặc biệt của các rơle trong mạch điều khiển diesel:
Tiếp điểm thường mở 13L(02-2B) đóng khi tốc độ diesel đạt 1530vg/ph
- Tiếp điểm thường mở 15U cuộn dây 15U(101-7D)
- Đóng ở chế độ có tải (RATED), mở ở chế độ không tải IDLE
- Tiếp điểm thường đóng 5Z (cuộn dây 5Z) mở khi dừng diesel
5 K O M R2 V O L T A G E IN C R E A S E S P A C E H E A T E R D C 2 4V S UPP L IE D F R OM E N GIN E CO NTR OL P AN E L
2M C B 30 A F /S AT P T 1 50 VA 44 0/1 10 V 35 50 B 6 WL WL V 1 V M 0 ~ 600V A C F -5 UV RU 2S -C R-A 11 0 (0 2- 4A) 3 1 7 8 9
Hình 1.5 Sơ đồ cấp nguồn
Hệ thông chiếu sáng trên RTG đảm bảo độ sáng trong vận hành, sửa chữa trong thời gian ban ngày và ban đêm nên gồm có :
Hệ chiếu sáng
- Hệ thống đèn chiếu sáng ca bin là loại đèn huỳnh quang 20Wx2
- Hệ thống đèn buồng điều khiển phụ (troylley panel) huỳnh quang 10Wx2 phục vụ vận hành và sửa chữa
1.6 MẠNG TRUYỀN THÔNG VÀ THÔNG TIN LIÊN LẠC
1.6.1 Mạng PLC và kết nối
Thiết bị PLC dùng trong cầu trục RTG là bộ điều khiển logic mang tên MICREX_F do hãng FUJI của Nhật Bản chế tạo
F70S : Khối xử lý trung tâm
RMn: Các modul ghép nối ( n = 1, 2 ,3 , 5, 6 , 7, 8)
Khối xử lý trung tâm 70S có địa chỉ ADD = 0 bao gồm :
+ 3 module tín hiệu vào (100VAC mỗi modul có 16 đầu vào đánh số từ
+ 2 Module tín hiệu ra 200VAC từ WB0040 đến WB 005F
+ Một module kết nối RS485 16 bit
+ Một module kết nối RS232 16 bit
H O IST /G A N TR Y IN V E R TER W B10 0-W B11 5 H O IST /G A N TR Y IN V E R TER W B12 0-W B13 5
Hình 1.7 Hệ điều khiển PLC
Bảng điều khiển phụ xe con được trang bị thêm 5 module, trong đó có 3 module DI AC100v 16 bit, có chức năng nhận tín hiệu phản hồi từ các cơ cấu di chuyển xe con và thông báo các sự cố.
+1 module tín hiệu DO 200VAC điều khiển các công tắc tơ
Liên lạc giữa CPU của PLC và màn hình hiển thị, báo lỗi, cùng với hai bộ nghịch lưu INV1 và INV2 được thực hiện qua cáp quang và khối giao diện T-LINK Toàn bộ quy trình công nghệ và chương trình hoạt động của cầu trục đã được lập trình và cài đặt sẵn Người sử dụng có khả năng kiểm tra và thay đổi thông số bằng cách kết nối với máy tính thông qua giao diện RS232 có sẵn với CPU của PLC.
1.6.2 Mạng thông tin liên lạc
Trên cầu trục RTG, điện thoại interphone được sử dụng để hỗ trợ sửa chữa và thông tin liên lạc trong quá trình vận hành Hệ thống bao gồm hai máy được lắp đặt trên cabin và cạnh chân máy, sử dụng điện áp xoay chiều 100VAC chuyển đổi thành 6VDC Loại điện thoại có dây này được đặt trong một hộp bảo vệ cạnh chân máy có khóa, do người vận hành quản lý.
Giới thiệu về biến tần gián tiếp
Biến tần là thiết bị chuyển đổi tần số và điện áp nhằm điều chỉnh momen để đạt tốc độ mong muốn, ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực yêu cầu khắt khe về tốc độ và momen Một số loại biến tần còn khắc phục được hạn chế khi khởi động động cơ so với các phương pháp truyền thống như khởi động trực tiếp hay khởi động sao-tam giác Ngoài ra, biến tần còn giúp tiết kiệm điện năng hiệu quả.
Về phân loại biến tần ba pha gồm có hai loại:
+Biến tần gián tiếp : - Biến tần nguồn dòng
2.1.2.1 Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển
Bộ biến tần này chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều thông qua chỉnh lưu điều khiển tiristor, với khâu lọc có thể là bộ lọc điện dung hoặc điện cảm tùy thuộc vào yêu cầu nghịch lưu Việc điều chỉnh điện áp đầu ra U2 được thực hiện bằng cách điều khiển góc chỉnh lưu, trong khi tần số được điều chỉnh qua khâu nghịch lưu, tất cả được phối hợp trên một mạch điều khiển duy nhất Mặc dù cấu trúc đơn giản và dễ điều khiển, nhưng nhược điểm lớn nhất của bộ biến tần này là khi điện áp ra thấp, hệ số công suất giảm và sóng hài bậc cao trong điện áp xoay chiều đầu ra có biên độ lớn do sử dụng tiristor trong nghịch áp 3 pha.
Bộ biến tần gián tiếp với khâu trung gian một chiều bao gồm ba loại chính: a) Biến tần sử dụng chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor, b) Biến tần sử dụng chỉnh lưu không điều khiển kết hợp với bộ biến đổi xung điện áp, và c) Biến tần sử dụng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWM.
2.1.2.2 Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp
Bộ biến tần xoay gián tiếp sử dụng bộ chỉnh lưu không điều khiển kết hợp với bộ biến đổi xung điện áp một chiều nhằm điều chỉnh điện áp một chiều tại đầu vào của khối nghịch lưu, như thể hiện trong hình 2.1b.
Việc chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện một chiều để cung cấp cho khối nghịch lưu được thực hiện thông qua bộ chỉnh lưu điôt không điều khiển Khối nghịch lưu chỉ có khả năng biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều với tần số điều chỉnh được, nhưng không thể điều chỉnh điện áp đầu ra Do đó, cần bố trí thêm bộ biến đổi xung điện áp một chiều giữa khối chỉnh lưu và nghịch lưu để điều chỉnh giá trị điện áp một chiều cung cấp cho nghịch lưu, từ đó điều chỉnh giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều đầu ra U2 Mặc dù việc thêm bộ biến tần này làm tăng số khâu (bao gồm cả khâu lọc), nhưng hệ số công suất đầu vào vẫn cao, giúp khắc phục nhược điểm của bộ biến tần đầu tiên Tuy nhiên, khối nghịch lưu đầu ra vẫn tồn tại nhược điểm về sóng hài bậc cao với biên độ lớn.
2.1.2.3 Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu
Trong hệ thống điều tốc biến tần áp dụng phương pháp chỉnh tỷ số điện áp-tần số không đổi, việc sử dụng biến tần gián tiếp với tiristor dẫn đến việc điều chỉnh điện áp và tần số được thực hiện riêng biệt Cụ thể, tần số được điều chỉnh ở khâu nghịch lưu, trong khi điện áp được điều chỉnh ở khâu chỉnh lưu Sự phân chia này đã tạo ra một loạt vấn đề cần được giải quyết.
+ Mạch điện chính có 2 khâu công suất điều khiển được, nghĩa là khá phức tạp;
Khâu một chiều trung gian sử dụng bộ lọc bằng tụ lọc hoặc điện kháng có quán tính lớn, dẫn đến việc tính thích nghi trạng thái động của hệ thống thường bị chậm trễ.
Bộ chỉnh lưu có điều khiển làm giảm hệ số công suất của nguồn điện khi công suất đầu ra giảm theo chế độ làm việc của hệ điều tốc, đồng thời tăng cường sóng hài bậc cao trong dòng điện nguồn.
Đầu ra của bộ nghịch lưu thường tạo ra điện áp không hình sin, dẫn đến sự xuất hiện nhiều sóng hài bậc cao trong dòng điện động cơ, gây ra mô men biến động lớn và ảnh hưởng đến tính ổn định của động cơ, đặc biệt là ở tốc độ thấp Do đó, các thiết bị biến tần sử dụng linh kiện điện tử công suất dạng tiristor không đáp ứng được yêu cầu của các hệ thống điều tốc hiện đại Sự phát triển của các linh kiện điện tử công suất điều khiển hoàn toàn như GTO, IGBT, cùng với tiến bộ trong kỹ thuật vi điện tử, đã mở ra cơ hội giải quyết vấn đề này một cách hiệu quả.
Bộ biến tần PWM được giới thiệu trong Hình 2.1c là một dạng bộ biến tần gián tiếp với khâu trung gian một chiều Điểm khác biệt của nó là sử dụng khâu chỉnh lưu không điều khiển, và điện áp đầu ra của bộ biến tần này sẽ được xử lý qua bộ lọc.
C (hoặc L-C) là nguồn điện áp một chiều ổn định cung cấp cho khâu nghịch lưu Linh kiện đóng mở công suất trong khâu này bao gồm các phần tử điều khiển hoàn toàn, hoạt động với tần số cao, tạo ra trên đầu ra một loạt xung hình chữ nhật với độ rộng khác nhau Phương pháp điều khiển quy định quy luật phân bố thời gian và trình tự thao tác đóng - cắt (mở).
Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) là cách điều chỉnh độ rộng của các xung hình chữ nhật, giúp điều chế biên độ điện áp của sóng cơ bản đầu ra của nghịch lưu Phương pháp này đáp ứng yêu cầu phối hợp điều khiển tần số và điện áp trong hệ điều tốc biến tần Mạch điện được trình bày trong hình 2.1c có những đặc điểm nổi bật liên quan đến việc điều khiển này.
Mạch điện chính chỉ có một khâu công suất điều khiển được, giúp đơn giản hóa cấu trúc Hệ số công suất của mạng điện không phụ thuộc vào biên độ của điện áp đầu ra bộ nghịch lưu và tiến gần đến giá trị 1.
Bộ nghịch lưu thực hiện đồng thời điều tần và điều áp, giúp tăng cường độ tác động nhanh của trạng thái động trong hệ thống mà không bị ảnh hưởng bởi các tham số của linh kiện khâu trung gian một chiều.
Đồ thị điện áp đầu ra chất lượng cao giúp hạn chế hoặc loại bỏ sóng hài bậc thấp, cho phép động cơ hoạt động với điện áp biến thiên gần như hình sin Điều này dẫn đến sự biến động mô men nhỏ, đồng thời mở rộng đáng kể phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động.
2.1.2.4 Biến tần điều khiển vector
Biến tần trong điều khiển truyền động động cơ không đồng bộ
2.3.1 Động cơ không đồng bộ
Động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc, đặc biệt là động cơ không đồng bộ 3 pha, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và sinh hoạt Với giá thành rẻ, cấu tạo đơn giản và khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao và sự ăn mòn, động cơ này đang dần thay thế các động cơ điện chiều Việc áp dụng bộ biến tần đã mở ra nhiều cơ hội mới cho động cơ không đồng bộ Tuy nhiên, vẫn còn một số nhược điểm cần khắc phục.
Mômen tỷ lệ thuận với bình phương điện áp, vì vậy khi điện áp lưới giảm, mômen khởi động và mômen tới hạn sẽ giảm đáng kể.
+ Khe hở không khí nhỏ làm cho độ tin cậy giảm
Khi điện áp lưới tăng cao, stato của động cơ không đồng bộ có thể bị nóng quá mức, trong khi điện áp lưới giảm xuống lại khiến rôto gặp tình trạng tương tự Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều với hai dây quấn: dây quấn sơ cấp nhận điện áp lưới với tần số f1, còn dây quấn thứ cấp được khép kín.
Dây quấn thức cấp thứ cấp trong động cơ không đồng bộ tạo ra dòng điện nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ với tần số f2, phụ thuộc vào tốc độ góc của rôto Động cơ không đồng bộ được chia thành hai loại chính: động cơ KĐB dây quấn và động cơ KĐB rôto lồng sóc Động cơ KĐB dây quấn có rôto được quấn giống stato, thường sử dụng dây quấn 3 pha đấu hình sao, với ba đầu nối vào vành trượt và mạch ngoài qua chổi than Cấu trúc này cho phép kết nối thêm điện trở phụ vào mạch rôto, cải thiện khả năng khởi động và điều chỉnh tốc độ Ngược lại, động cơ KĐB rôto lồng sóc có cấu trúc rôto khác biệt, với các thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm được đặt trong rảnh rôto và nối tắt ở hai đầu vòng ngắn mạch.
Phần cảm của động cơ bao gồm ba cuộn dây được sắp xếp lệch nhau 120 độ và được cung cấp điện áp xoay chiều 3 pha để tạo ra từ trường quay Phần cảm này được lắp đặt ở stato và có thể được kết nối theo kiểu sao hoặc tam giác.
Động cơ KĐB bao gồm ba cuộn dây thường được đặt ở rôto, hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Khi điện áp ba pha được áp dụng vào ba dây quấn đối xứng trong lõi thép stato, từ trường quay sẽ tác động qua các thanh dẫn của phần ứng, tạo ra suất điện động cảm ứng Nếu mạch phần ứng kín, dòng điện cảm ứng sẽ sinh ra, với chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải Từ trường quay tiếp tục tác động vào dòng cảm ứng này, tạo ra hai lực từ với chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái, sinh ra mômen làm quay phần cảm theo chiều quay của từ trường.
Hình 2.5: Nguyên lý làm việccủa độngcơ xoay chiều 3 pha
Tốc độ quay của phần cảm luôn thấp hơn tốc độ quay của từ trường Khi phần cảm quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường, từ trường sẽ không còn tác động qua các dây dẫn phần cảm, dẫn đến việc suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng biến mất Tuy nhiên, mômen cản khiến phần cảm quay chậm lại so với từ trường, làm cho các dây dẫn phần cảm lại chịu tác động của từ trường, từ đó dòng điện cảm ứng xuất hiện trở lại Kết quả là mômen và phần cảm tiếp tục quay theo từ trường, nhưng tốc độ của chúng vẫn luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường.
2.3.2 Biến tần trong điều khiển truyền động động cơ không đồng bộ
Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực theo công thức:
Mà ta lại có tốc độ của rôto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công thức:
Việc điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ có thể thực hiện bằng cách thay đổi tần số nguồn f1, trong khi số đôi cực từ không thể thay đổi sau khi động cơ đã được chế tạo Khi tần số giảm, trở kháng của động cơ cũng giảm, dẫn đến việc dòng điện và từ thông tăng lên Nếu điện áp nguồn không đổi, điều này có thể gây lão hóa mạch từ và khiến động cơ hoạt động không hiệu quả Do đó, cần thiết phải có một luật điều khiển để duy trì từ thông không đổi, bao gồm từ thông stator Ф1, từ thông rôto Ф2, hoặc từ thông tổng mạch từ Ф Việc giữ cho từ thông ổn định cũng giúp duy trì mômen động cơ không đổi, vì mômen tỷ lệ với từ thông trong khe hở từ trường.
Sự phát triển nhanh chóng về chủng loại và số lượng bộ biến tần đã dẫn đến việc ngày càng nhiều thiết bị điện – điện tử ứng dụng công nghệ này Đặc biệt, bộ biến tần điều khiển động cơ điện là một trong những thiết bị quan trọng và phổ biến nhất hiện nay.
Tốc độ động cơ điện đóng vai trò quan trọng trong nhiều hoạt động công nghiệp, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và sự ổn định của hệ thống Ví dụ, trong các ứng dụng như máy ép nhựa, cán thép, và hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ là yếu tố quyết định Điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua các biện pháp nhân tạo như thay đổi điện áp, điện trở phụ và từ thông, giúp tạo ra các đặc tính cơ mới đáp ứng yêu cầu của phụ tải Có hai phương pháp chính để điều chỉnh tốc độ của 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 giúp giảm độ phức tạp của cơ cấu và cải thiện khả năng điều chỉnh, đặc biệt là khi áp dụng các hệ thống điều khiển điện tử Do đó, bộ biến tần được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ hiệu quả.
Khảo sát thực tế cho thấy, các bộ điều khiển mụmen chiếm 30% thị trường biến tần, trong đó 55% ứng dụng cho động cơ là quạt gió, chủ yếu phục vụ hệ thống HVAC (điều hòa không khí trung tâm) Đồng thời, 45% còn lại là ứng dụng cho bơm, chủ yếu trong ngành công nghiệp nặng Việc nâng cấp các hệ thống bơm và quạt từ điều khiển tốc độ không đổi lên hệ thống điều chỉnh tốc độ có thể mang lại lợi nhuận lớn nhờ vào việc giảm tiêu thụ năng lượng điện.
Bộ biến tần là thiết bị quan trọng trong hệ truyền động, có chức năng chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ, từ đó điều chỉnh tốc độ hoạt động của nó Mặc dù có thể thực hiện việc biến đổi này bằng nhiều phương thức khác nhau mà không cần sử dụng mạch điện tử, nhưng trước đây, khi công nghệ chế tạo bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu với máy biến áp Ưu điểm nổi bật của các thiết bị này là khả năng cung cấp điện áp ra ổn định và công suất lớn, tuy nhiên, chúng cũng gặp phải nhiều hạn chế so với biến tần hai bậc sử dụng linh kiện bán dẫn.
- Giá thành cao do phải dùng máy biến áp với công suất lớn
- Tổn thất công suất 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 máy biến áp gặp khó khăn do khoảng điều khiển hẹp và dễ bị quá điện áp ngõ ra, nguyên nhân chính là hiện tượng bão hòa từ của lõi thép.
Các hệ truyền động còn có nhiều thông số quan trọng cần được điều chỉnh và giám sát, bao gồm điện áp, dòng điện, khởi động mềm và tính chất tải Trong trường hợp này, bộ biến tần sử dụng thiết bị bán dẫn là giải pháp tối ưu nhất.
Biến tần hãng FUJI Nhật Bản với ứng dụng trên cần trục RTG và QC
2.4.1 Biến tần hãng FUJI Nhật Bản và các kiểu điều chỉnh tốc độ
Biến tần là thiết bị quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các thiết bị nâng hạ Biến tần gián tiếp bao gồm hai bộ phận chính: phần chỉnh lưu (converter) tạo ra điện áp một chiều tương đối phẳng và phần nghịch lưu (inverter) điều khiển điện áp và tần số dòng điện để điều chỉnh tốc độ mô men động cơ Các biến tần sử dụng trên RTG và QC thuộc loại FRN37 VG7S-4, FRN75 VG7S-4, FRN90 VG7S-4, FRN355 VG7S-4 của hãng FUJI, thuộc họ PRENIC 5000VGS series với công suất từ 0,75KW đến 400kW Các biến tần này được kết nối với máy tính qua chuẩn RS485 với tốc độ 38,4kbps và có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ.
Điều khiển tốc độ động cơ được phân thành hai loại chính: điều khiển vòng hở (open loop control) và điều khiển vòng kín (close loop control) Trong điều khiển vòng hở, các phương pháp như luật điều khiển V/F và điều khiển bù trượt (slip compensation) được áp dụng Ngược lại, điều khiển vòng kín sử dụng phản hồi từ các tín hiệu như dòng điện, tốc độ và từ thông, cho phép phân loại thành các phương pháp điều khiển như điều khiển trượt theo tần số (slip-frequency control), điều khiển vector (vector control) và điều khiển vector không dùng cảm biến (sensorless vector control).
Hình 2.7 Phương pháp điều khiển hệ thống v/f vòng hở
Biến tần loại điều khiển vòng hở với luật điều khiển v/f sử dụng tín hiệu đặt của tần số làm đầu vào Bộ vi xử lý sẽ tính toán điện áp đầu ra phù hợp với tần số đã đặt Đặc tính tốc độ mô men của biến tần sẽ thay đổi theo tải.
Hình 2.8 Đặc tính tốc độ và momen
Tốc độ của động cơ gần như không đổi mặc dù moment trên trục động cơ thay đổi trong các miền tần số từ f1 đến f6 Điều này cho thấy rằng điện áp và tần số cấp cho động cơ không ảnh hưởng đến tốc độ khi moment tải thay đổi, với hệ số trượt dưới 10% Việc điều khiển tốc độ động cơ thông qua việc thay đổi tần số và điện áp cấp vào động cơ dựa trên quy luật V/f Phương pháp điều khiển mạch hở không cần cảm biến tốc độ là lựa chọn đơn giản nhất cho các tải không yêu cầu phản ứng nhanh, như quạt gió và bơm Độ chính xác của tốc độ động cơ trong điều khiển mạch hở phụ thuộc vào mức độ thay đổi moment cản và tần số cấp điện áp đầu ra của biến tần.
Một dạng điều chỉnh kiểu khác của phương pháp điều chỉnh kiểu vòng hở:
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bù trượt kiểu vòng hở sử dụng momen tỉ lệ với dòng điện đầu ra, bằng cách lấy trực tiếp tín hiệu dòng ra của inverter để điều khiển Tín hiệu này được xử lý qua bộ vi xử lý mô men và chuyển đổi thành tín hiệu tần số thông qua bộ điều chỉnh K Sau đó, tín hiệu tần số này được so sánh với tín hiệu đặt để thực hiện luật v/f Mặc dù các phương pháp điều khiển kiểu vòng hở tương đối đơn giản, nhưng chúng được coi là phương pháp điều khiển thô Để khắc phục những nhược điểm này, các kiểu điều khiển hệ kín đã được phát triển.
+ Các kiểu điều khiển kiểu vòng kín:
Mô hình điều khiển tốc độ kiểu vòng kín có phản hồi tốc độ được thể hiện trong hình 2.10, trong đó mạch điều khiển nhận tín hiệu đặt là tốc độ và tín hiệu phản hồi cũng là tốc độ từ máy phát xung PG Tín hiệu này được đưa đến bộ điều khiển tốc độ, từ đó tần số được điều khiển bởi bộ điều khiển mô-men (torque controller) để điều chỉnh các IGBT.
Và đây là kiểu điều khiển trượt theo tần số (slip-frequency control sytem):
Hình 2.11 Mô hình điêu khiển slip-frequency control sytem
Việc điều khiển tốc độ đầu ra dựa vào tần số trượt của tải và bù cho sự thay đổi tốc độ bằng cách cộng thêm tín hiệu tốc độ từ đầu ra Hệ thống điều khiển này thuộc loại điều khiển đơn, thích hợp cho các ứng dụng điều khiển thông thường như phương pháp V/f, nhưng không đáp ứng tốt cho các hệ thống yêu cầu phản ứng nhanh Khi tín hiệu đặt là tốc độ, luật điều khiển V/f sử dụng tín hiệu phản hồi từ mã hóa xung, thường được áp dụng trong các mô hình cần trục.
Hình 2.12 Hệ thống điều khiển vector
Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ được trình bày trong hình 2.12 là một hệ thống tương đối hoàn thiện, và chúng ta sẽ khám phá chi tiết vấn đề này trong các phần tiếp theo.
2.4.2 Cấu trúc của biến tần sử dụng trên RTG
Biến tần sử dụng trên RTG gồm 2 loại biến tần FRN75 VG7S-4 và FRN37 VG7S-4 của hãng FUJI thuộc họ FENIC 5000 VG7S
Bảng 2.1 : Các thông sổ chính của biến tần trên RTG:
Số lƣợng Thông số chính Chức năng Bảo vệ
Bộ điều khiển 440V/50HZ hoặc 380V/60HZ với 4 cửa vào, 16 cấp tốc độ điều khiển, 2 ngõ vào analog 4-20mA và 0-10V Thiết bị có 2 ngõ ra Relay, 4 ngõ ra transistor, cùng với 3 ngõ ra analog Tần số ngõ ra có thể điều chỉnh từ 0.
200 Hz, 400Hz v/f Điều khiển PID Điều khiển 2 động cơ di xe con công suất
Bảo vệ quá dòng, quá áp, mất pha vào, mất pha ra, quá nhiệt, quá tải
3 80-440V/60HZ Tần số ra điều chỉnh được từ 0- 200Hz, 400Hz
Phương pháp điều khiên v/f Điều khiển P1D Điều khiển tốc độ dộng cơ nâng hạ
150 kw và 2 động cơ di chuy n dàn
Bảo vệ quá dòng, quá áp, mất pha vào, mất pha ra, quá nhiệt, quá tải
2.4.3 Cấu trúc của biến tần sử dụng trên QC
Biến tần sử dụng trên QC là FRN90 VG7S-4 và FRN355 VG7S-4 của hãng FUJI thuộc họ FENIC 5000 VG7S
Bảng 2.2: Các thông sổ chính của biến tần trên QC:
Biến tần sử dụng trên QC
380-440V/60HZ Tần số ngõ ra điều chỉnh được từ 0- 200 Hz, 400Hz
Phương pháp điều khi v/f Điều khiển PID Điều khiển 1 động cơ nâng hạ Boom
55kW và 1 động cơ di chuyển xe con 75 kw
Bảo vệ quá dòng, quá áp, mất pha vào, mất pha ra, quá nhiệt, quá tải
3PH 380-440V/50HZ hoặc 380-440V/60HZ Tần số ngõ ra điều chính được từ 0- 200 Hz, 400Hz
Phương pháp điều khiển v/f Điều khiến PID Điều khiển tốc độ của 12 động cơ xoay chiều 3 pha 7,5KW để di chuyển dàn và 1 động cơ
Bảo vệ quá dòng, quá áp, mất pha vào, mất pha ra, quá nhiệt, quá tải
2.4.4 Tính năng và đặc tính của biến tần FRENIC 5000VG7S
Biến tần bao gồm các thành phần chính như bộ chỉnh lưu, bộ lọc, bộ nghịch lưu và bộ tạo xung điều khiển Trong đó, bộ chỉnh lưu và nghịch lưu được cấu tạo từ 12 IGBT.
Hình 2.13 : Cấu tạo biến tần họ FRENIC
+ Chức năng các cọc nguồn chính và nối đất
Bảng 2.3 : Cọc đấu dây chỉnh biến tần
Kí hiệu cọc đấu Tên cọc đấu mô tả
L1/R, L2/S, L3/T Cọc cấp nguồn chính Kết nối 3 pha với nguồn
U, V, W Đầu ra Inverter Nối với động cơ
R0,T0 Cọc nối nguồn điều khiển(phụ)
Cùng kết nối với nguồn AC và nguồn dụ trữ cho mạch điều khiển
P1, P(+) Cọc đấu nối cuộn kháng điện Nối với cuộn kháng diện
P(+), DB Điện t hãm Trả năng lượng khi hãm
P(+), N(-) Cọc nối tín hiệu Cung ứng nguồn điện 1 chiều
G Đầu nối đất Nối đất toàn bộ khung biến tần
+ Chức năng của các cọc điều khiển
Bảng 2.4 : Các cọc điều khiển biến tần
Ký hiệu cực Tên cực Chức năng
13 Cấp nguồn cho triết áp Cấp nguồn 10V một chiều để đạt tốc độ POT ( l-5k )
12 Điện áp vào Điều khiển tốc độ động cơ theo lệnh điện áp vào tương tự từ bên ngoài
11 Khối chung đầu vào Một đầu nối chung cho các tín hiệu tương tự đầu vào
Ail Đầu vào tương tự 1 FWD-CM: ON Động cơ chạy theo chiều tiến
Ai2 Đầu vào tương tự 2
M Khối chung đầu vào tương tự Điện trở đầu vào: l0k
FWD FWD-CM: ON Động cơ chạy theo chều tiến
FWD-CM: ON động cơ chạy theo chiều tiến
REV Lệnh hoạt động đảo chiều
REV-CM: ON Động cơ chạy ngược REV-CM: OFF Động cơ giảm tốc độ và dừng lại X1 Đầu vào
Các chức năng đầu vào X2 bao gồm mệnh lệnh dừng máy bên ngoài, tín hiệu báo động ngoài, khả năng đặt lại tín hiệu báo động, và điều khiển nhiều tốc độ Những chức năng này có thể được bật hoặc tắt thông qua các đầu nối từ X1 đến X9.
Tính năng kĩ thuật của mạch vào kĩ thuật số
PLC Cấp nguồn tín hiệu PLC
Cm Khối chung đầu vào số Đầu nối chung dùng cho tín hiệu vào kĩ thuật sổ
M Đầu ra tương tự Khối chung đầu ra
Màn hình đưa tín hiệu ra ở điện áp DC
Tín hiệu đầu ra như sự vận hành, tốc độ tương đương, đề phòng sớm quá tải CME Khối chung trazitor
Đầu ra rơle báo động 30C cung cấp tín hiệu báo động qua rơle nối đầu ra (1SPDT) khi bộ biến tần dừng hoạt động do sự cố Điện áp kết nối tối đa là 250V AC với dòng điện 0.3A và hệ số công suất cos = 0,3.
Rơle đầu ra Có thể chọn 1 tín hiệu Điện áp nối: 250V AC, 0.361 A
RS485 thông tin đầu vào/ đầu ra Đầu vào / đầu ra cho sự thông tin RS485
SDM Cáp nối che chắn sự thông tin Nối với dây kim loại bảo vệ PA,PB
CM Khối chung đầu ra máy phát xung
Một đầu nối chung cho FA ,
FB PGP Đầu ra máy phát xung
PGM Đầu ra máy phát xung Nguồn cấp ( +15V DC chuyến mạch tới +12V DC) đến PG
+ Đặc tính của biến tần FRENIC 5000VG7S :
Hình 2.14 : Đặc tính thay đổi momen và tốc độ động cơ
Hình 2.15 : Đặc tuyến so sánh tín hiệu đặt và tín hiệu tải
Hình 2.16: Đặc tính biểu diễn các đại lượng dòng điện, tốc độ khi đảo chiều
2.4.5 Biến tần FRENIC 5000VG7S với điều khiển bằng vecto
Hình 2.17 Hệ thống điều khiển vector
Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ được trình bày trong hình 2.17 có khả năng hoạt động tương đối hoàn thiện Tín hiệu đầu vào được gửi đến vi xử lý để tính toán và biến đổi, từ đó tạo ra tín hiệu xung để mở và đóng các van dẫn, đảm bảo phù hợp với tải yêu cầu.
Hệ điều khiển vecto giúp động cơ xoay chiều phản ứng nhanh chóng Hệ thống này sử dụng tín hiệu đo từ dòng stator của động cơ, thông qua bộ quay vector, để chia thành hai thành phần chính.
- Thành phần tạo từ thông và I m
- Thành phần tạo ra moment I t
Cung cấp cho đối tượng thực hiện, điều này hoàn toàn giống như việc điều khiển động cơ một chiều
Hệ thống điều khiển theo vector nổi bật hơn so với phương pháp V/f nhờ khả năng điều khiển hiệu quả các đối tượng cần phản ứng nhanh và độ chính xác cao.
+ Quy trình tăng giảm nhanh + Dải tốc độ động cơ rộng + Hoàn toàn điều khiển được moment + Phản ứng điều khiển nhanh
MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN CẤP CHO ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA
Đặt vấn đề
Trong điều khiển biến tần có các phương pháp được đặt ra đó là :
Phương pháp điều khiển U/f (điều khiển vô hướng) là một phương pháp đơn giản, trong đó tần số thay đổi dẫn đến sự thay đổi tốc độ của động cơ Khi tần số thay đổi, từ thông cũng thay đổi, và từ thông của động cơ tỷ lệ với tỷ số U/F Do đó, khi điều chỉnh tần số, cần phải thay đổi điện áp tương ứng.
+ Đạt được các yêu cầu đơn giản
-Nhược điểm : Do trên động cơ xoay chiều 3 pha có các đại lượng phi tuyến tỉ số const f
U quá trình điều khiển không được tốt
+ Điều khiển tựa từ thông rô to (FOC)
Phương pháp điều khiển vector, hay còn gọi là FOC (Field Oriented Control), sử dụng các đại lượng điều khiển, trạng thái và đại lượng quan sát dưới dạng vector Ý tưởng chính của FOC là điều khiển động cơ xoay chiều ba pha tương tự như động cơ một chiều, giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong quá trình điều khiển.
-Ưu điểm, nhược điểm : Khắc phục được nhược điểm của phương pháp trên nhưng kĩ thuật thực hiện khó ,khá phức tạp
+ Phương pháp điều khiển trực tiếp giá trị mômen - DTC (DTC là điều khiển vô hướng hay điều khiển vector thực ra là tùy quan điểm.)
Một số thiết bị điện không cung cấp thông tin chi tiết về hoạt động, phần mềm lập trình và ngôn ngữ lập trình do yêu cầu công nghệ Tuy nhiên, thông qua cấu tạo bên ngoài, nguyên lý hoạt động và các chi tiết sử dụng, chúng ta có thể phán đoán và dần tìm hiểu sâu hơn về hệ thống của các thiết bị này.
Dựa vào cấu tạo của biến tần, tín hiệu phản hồi bao gồm tín hiệu từ encoder (PG) và tín hiệu dòng từ ba dây đầu vào động cơ gửi đến bộ vi xử lý Đây là các tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển vector, hoạt động dựa trên nguyên tắc từ thông.
Hình 3.1 Sơ đồ nghuyên lý hệ truyền động điện dùng trên QC,RTG
Từ đây ta có thể đi xây dựng các mô hình toán học cũng như cách điều khiển của các loại biến tần này.
Thiết lập mô hình toán hệ truyền động điện biến tần
3.2.1.Động cơ không đồng bộ trên các hệ tọa độ
Trước khi tiến hành xây dựng hệ thống truyền động điện biến tần, chúng ta cần khẳng định rằng việc xây dựng này sẽ tập trung vào mô hình điều khiển dựa trên nguyên tắc tựa từ trường.
Vector rotator vector processor i T i M i M * i T * speed regulation
Để điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều, cần chú ý đến hai thành phần chính: tốc độ và mô-men xoắn Việc điều chỉnh này đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất hoạt động của động cơ.
- Thứ nhất là dòng kích tư,Ikt( hay từ trường tạo ra)
- Thứ hai là dòng điện phần ứng Iư
Để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, ta chỉ cần thay đổi mômen, tương tự như việc điều chỉnh dòng phần ứng Khi muốn tăng tốc độ vượt quá tốc độ không tải hoặc tốc độ đặt, cần điều chỉnh từ thông hoặc dòng kích thích Việc điều khiển động cơ một chiều trở nên đơn giản với các ký hiệu và chỉ số chính.
Chỉ số phía bên phải s : Biểu diễn hệ tọa độ anpha- beta f : biểu diễn hệ tọa độ dq r : giá trị quan sát trên hệ tọa độ roto
Chỉ số phía bên phải phía dưới
Chữ cái đầu tiên : s : trên hệ stator r : trên hệ roto
D,q :trên tọa độ dq α,β : trên hệ cố định anpha beta u,v,w các pha stator
Các đại lượng của động cơ không đồng bộ u : điện áp (V) i: dòng điện(A) Ψ ; Từ thông (Wb)
Te : mô men điện từ(Nm)
The article discusses key parameters in electrical engineering, including the moment of torque (Nm), rotor angular speed (ω in rad/s), and stator magnetic flux angular speed (ωs in rad/s) It also addresses the angular speed of slip (ωsl in rad/s) and angles formed by the alpha-beta axis with phase a (θ in rad) and the dq axis with phase a (θs in rad) Additionally, it highlights the phase of voltage and current (φ) Understanding these concepts is essential for optimizing motor performance and efficiency.
Rr: điện trở roto quy đổi về stator (Ω)
Lm : Hỗ cảm stato và roto (H)
P : số đôi cực của động cơ
J :mô men quán tính (kg.m 2 )
Động cơ xoay chiều ba pha với ba cuộn dây có điện áp và dòng điện là các đại lượng phi tuyến, lệch pha nhau một góc 120 độ Tương tự, từ thông móc vòng cũng là các đại lượng thay đổi theo thời gian Điều này giúp chúng ta làm quen với việc sử dụng vectơ không gian cho các đại lượng ba pha.
Hình 3.2 Động cơ không đồng bộ roto lồng sooc
-Các phương trình cơ bản ;
(3.6) (3.7) (3.8) u su u u v sv v v s u R i d dt u R i d dt u R i d dt
Trên hệ tọa độ anpha –beta
Hình 3.3 Biểu diễn vector u s thay thế uu,uv,uw
Như vậy người ta thay thế ba vecto u su (t), u sv (t) ,u sw (t) bằng vecto quay u s (t), với u s ; ( ) 2 [ ( ) ( ) 120 ( ) 240 ]
Vector us (t)quay với tốc độ quay của từ trường quay ω s =2.pi.fs, với : ωs; là tốc độ góc của từ trường stator fs; tần số của từ trường stator
Các vector usu(t), usv(t) và usw(t) đại diện cho hình chiếu của vector us trên các tọa độ tương ứng với các pha khác nhau Tương tự, các đại lượng dòng điện từ thông ở stator và từ thông ở roto cũng được xác định theo cách tương tự.
Trong hệ tọa độ αβ, vector us(t) được biểu diễn với trục α trùng với cuộn dây pha a và trục β tạo với α một góc 90 độ Biểu thức cho vector này là s = usα + j usβ (3.16).
Tương tự với các thành phần khác ; s=i sα +j i sβ (3.17) s=Ψ sα +j Ψ sβ (3.18)
Hình 3.4 Biểu diễn vector u s trên tọa độ anpha-beta a Re
Dễ dàng nhìn thấy : usu=usα (3.19) u sβ = (3.20)
Từ phương trình 3.24 ta có :
(3.26) Thay vào các phương trình 4.21 và 4.22 ta được hệ sau ;
Đặt cá giá trị sau :
Từ 2 phương trình 3.27, 3.28 và qua phép biến đổi ta được hệ phương trình sau trên tọa độ anpha-beta :
' s s r r s s r r s s s r r s s r r s s s s r r di i u dt T T T L di i u dt T T T L d i dt T T
Hệ phương trình trên mô tả đầy đủ động cơ không đồng bộ trên hệ anpha-beta
Trong đó mô men sinh ra được tính ;
; (3.34) khi đó ta xây dựng được hệ động cơ không đồng bộ dưới tọa độ αβ
Qua phép biến đổi laplace ta được mô hình động cơ như hình 3.5
Hình 3.5 Biểu diễn động cơ không đồng bộ trên hệ αβ
-Biểu diễn động cơ không đồng bộ trên hệ dq
Hệ tọa độ dq, hay còn gọi là hệ từ thông rôt, là một hệ tọa độ quay với tốc độ góc omega, trong đó vector u s có các hình chiếu xuống trục tọa độ được coi là cố định.
Hình 3.6 Biểu diễn vector u s trên tọa độ dq
Như vậy theo hình 3.6 ta có thể biểu diễn u sd ,usq theo usα, usβ ; usd= usα.cosθ a + usβ.sinθ a (3.35) usq=- u sα sinθa+ u sβ cosθa (3.36) hay ta có : u s u s dq e j a
Vậy khi chuyển từ hệ αβ sang hệ dq ta phải cần góc teta ( góc tạo bởi trục αβ với dq) (*)
Tương tự như hệ αβ ta cũng có :
(4.38) (4.39) f s sd sq f s sd sq f s sd sq i i ji u u ju j
Kết hợp với những phương trình cơ bản 3.6 , 3.7, 3.8 ta có hệ sau ;
Từ hai phương trình 3.44 và 3.45 ta được ; s f 1 ( r s s f m ) (4.46) r i i L
Đặt ; ' / rd rd L m ; ' / rq rq L m
Qua phép biến đổi ta được ;
1 1 sd sd rd rq sd s sq s r r s sq rd rq sq sq s sd s r r s sd sd r di i u i dt T T T L di i u i dt T T T L d i dt T T
' ( ) ' (4.51) sd s sq r sq sq sq s sq r r d i dt T T
L (3.52) Qua biến đổi laplace và Ψ’ rq =0 nên ta có ;
(1 ) ' (4.54) sd s s sd s s sq m sq s s sq s s sq s rd r u R sT i L i u R sT i L i L
Với L s L s ; T s L s /R s ; Là điện cảm tiêu tán phía stator và hệ số tiêu tán từ thông phía stator
Như vậy ta có thể nhận xét từ hai phương trình 3.52 và 3.55 ;
+ Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều khiển từ thông roto hay chính là điều khiển dòng isd
+ Điều khiển mô men bằng cách điều khiển dòng i sq
Ta xây dụng được động cơ không dồng bộ trên hệ tọa độ dq
Hình 3.7 Biểu diễn động cơ không đồng bộ trên hệ dq
Kết luận, việc điều khiển động cơ không đồng bộ trở nên đơn giản hơn khi sử dụng hệ tọa độ dq Từ hai phương trình 3.42 và 3.43, chúng ta nhận thấy rằng việc điều chỉnh động cơ không đồng bộ có thể được xem như điều chỉnh động cơ một chiều Hiện tại, vấn đề cần giải quyết là điều chỉnh các thành phần dòng điện i_sd và i_sq.
3.2.2 Hệ điều khiển động cơ biến tần trên RTG
Mô hình điều khiển vecto động cơ không đồng bộ ;
Hình 3.8 Mô hình điều khiển động cơ không đồng bộ Để thực hiện điều khiển cần thưc hiện những khâu chính sau ;
Đầu tiên, tín hiệu phản hồi từ các biến dòng tại đầu ra của biến tần được xử lý Tín hiệu này được chuyển đổi sang hệ tọa độ mới là dòng isanpha và isbeta Tiếp theo, tín hiệu được chuyển sang hệ dq với góc teta đã được tính toán.
Tín hiệu phản hồi tốc độ được so sánh với tốc độ đặt thông qua bộ vi xử lý để tính toán góc teta, điều này là điều kiện quan trọng trong việc xác định vector điều chế.
Để xác định thành phần i* sd và i* sq, một yếu tố quan trọng cần xem xét là từ thông roto, một đại lượng khó đo đạc, nhưng có thể ước lượng thông qua cảm biến HULL.
+ Qua những khâu biến đổi để cuối cùng ta lấy được đại lượng cuối cùng trước khi đi vào điều chế vector là u sα và usβ
- Phần mô hình động cơ đã được biến đổi như hình 3.7
- phần DCi và Mtu theo mô hình sau từ hệ phương trình 3.54 ;
Hình 3.9 Khối MTu (Khối biến áp)
Hình 3.10 Khối DCi (Khối biến đổi dòng )
-Phần điều chế vector không gian ;
Một động cơ xoay chiều ba pha nuôi bởi biến tần nguồn áp như hình vẽ sau :
Hình 3.11 Biến tần gián tiếp nôi bởi nguồn áp
Bài viết đề cập đến việc có sáu van được chia thành ba cặp, với mỗi pha động cơ có hai trạng thái tương ứng Do đó, với ba pha động cơ, ta có 2^3 = 8 khả năng kết nối với nguồn một chiều U MC Từ đó, ta có tổng cộng 8 trạng thái tổ hợp khác nhau.
Bảng 3.1 : Các trường hợp đóng mở van
Bây giờ ta xét một trường hợp trong 8 trương hợp trên
Hình 3.12 Xét khả năng thứ hai của quá trình đóng mở van
Điện áp ra lớn nhất trên u wN được tính là uWN = (3/2)UMC Trong trường hợp thứ hai (u2), giống như các véc tơ chủân khác từ u0 đến u7, tạo ra 6 sector cùng với bốn gốc phần tư, giúp xác định vị trí của vector u s trong quá trình điều chế sau này.
Hình 3.13 Các vector chuẩn được xây dựng qua bảng 8cùng với 4 góc phần tư
Bây giờ ta xét một vector u s bất kì trên sector thứ nhất (S1) như sau :
Hình 3.14 Thực hiện vector u s bất kì
Như ta đã biết khi us ở vị trí các vector chuẩn tương ứng thì ta có ; u smax u 1 u 2 u 3 u 4 u 5 u 6 =UMC.2/3 (3.56)
Us ở một vị trí bất kì nào trong không gian ta luôn tách được thành 2 thành phần tương ứng Vd trường hợp trên ta có ;
+ us= usr +usl ( ở đây là các đại lượng vector).vậy ta đã tách thành các vectơ biên u sr , u sl
+ Khi đó ta điều chế vector biên như sau: max
Trong đó u sr , usl, T l , T r , T p ; là các đại lượng vector điện áp biên phải, biên trái,thời gian điều chế biên trái, biên phải và chu kì trích mẫu
Và hai vec tơ biên trái và biên phải được tính theo hai cách như sau :
C1 : Tính trực tiếp ul và ur
Hình 3.15 Tính các vector biên thông qua biết u s
Trong đó : u sd 2 u sq 2 u s (3.61) C2 : tính trực tiếp thông qua hai đại lượng u sα và usβ
Trong không gian 6 sector và 4 góc phần tư thì các vector được điều chế theo bảng sau :
Bảng 3.2 : Bảng tính giá trị u r , u l trong từng sector
3 u s 1 s 3 s u u Để tiện cho việc tính toán thì ta đua ra các thông số tính toán sau ;
+ Bằng việc xét dấu của usα và usβ ta sẽ xác định được us nằm ở góc phần tư nào rồi thực hiện bước tiếp
+ Bằng việc xác định b sẽ biết được us đi qua góc phần 6( b sẽ đổi dấu khi đi qua góc phần 6)
Và ta có biểu đồ thời gian phát xung như các hình sau :
Hình 3.16 Thời gian của việc điều chế vector u s trong chu kì trích mẫu T P
Hình 3.17 Thời gian của việc điều chế vector u s sector2, sector3
Hình 3.18 Thời gian của việc điều chế vector u s sector4, sector5,sector6
Từ đó ta có thể thiết lập được thuật toán tính toán cho vi xử lý như sau;
Nhập số liệu usα,usβ
Tính a,b, và c theo công thức 4.49 usβ