Tbdtcs and hệ thống đã mở khóa

Trang 4 1.1.1Tổng quan về biến tầnBắt nguồn từ nhu cầu điều khiển tốc độ quay của động cơ 3 phakhôngđồng bộ, người ta đã phân tích từ công thức tính số số vòng quacủa động cơN = [60f x 1

BÀI GIẢNG

THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ HỆ THỐNG

Khoa Điều khiển - Tự động hoá

Người thực hiện: Đàm Xuân Đông

Tài liệu tham khảo:

+ Giáo trình “Điện tử công suất” Trần Xuân Minh - Đỗ Trung Hải.

+ Siemens, Hướng dẫn vận hành biến tần SINAMICS V20, Khởi động mềm SIRIUS 3RW30/3RW40.

+ Giáo trình “Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha”

+ AEG, UPS Protect 5.31 + Giáo trình “Mạng truyền thông công nghiệp SCADA” Lê Ngọc Bích - Phạm Quang Huy.

CH ƯƠNG 1 BIẾN TẦN 1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Khái niệm về biến tần 1.1.2 Cấu tạo biến tần

1.1.3 Nguyên lý hoạt động biến tần 1.1.4 Phân loại thiết bị biến tần

1.1.5 Các luật điều khiển trên biến tần 1.1.6 Biến tần Micromaster 420 - Siemens

1.2 Lựa chọn biến tần.

1.3 Cài đặt thông số, vận hành hệ thống dùng biến tần SINAMICS V20 của SIEMENS.

1.1.1 Tổng quan về biến tần

Bắt nguồn từ nhu cầu điều khiển tốc độ quay của động cơ 3 pha không đồng bộ, người ta đã phân tích từ công thức tính số số vòng qua của động cơ

N = [60f x (1-s)]/P

Từ có cho ta thấy muốn điều khiển tốc độ động cơ thì sẽ có 3 cách:

+ Thay đổi tần số điện (f) + S ố điện cực (p)

+ H ệ số trượt (s)

Nếu thay đối số điện cực (P) thì chỉ có thể thay đổi được vài cấp tốc độ

động cơ và mỗi lần tốc độ động cơ thay đổi sẽ dẫn đến hiện tượng giật động cơ

Nếu thay đổi hệ số trượt (s) thì cần phải có mạch điều chỉnh hệ số trượt

(tương đối phức tạp)

Như vậy:

Biến tần là một bộ thiết bị điện tử dùng để điều khiển tốc độ động cơ thông qua việc thay đổi tần số f1( thường là tần số lưới điện 50 Hz) sang một tần số f2 có thể điều chỉnh được.

Nói một cách đơn giản, biến tần chính là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được.

➢ Chính vì vậy nhờ có biến tần mà ta có thể làm cho động cơ chạy nhanh hơn hoặc chậm hơn so với chạy tần số 50Hz( 60Hz).

Ví dụ: Biến tần thay đổi tần số của dòng điện 3 pha 380V từ 1Hz đến 50Hz, hay tới

60Hz, thậm chí lên tới 400Hz và có thể điều chỉnh được Theo đó tần số của lưới nguồn

Do đó cần phải sử dụng biến tần với một số mục đích sau:

+ Có thể thay đổi tần số lưới điện từ đó thay đổi tốc độ động cơ mộtcách dễ dàng nhất (Trong khi lưới điện đang sử dụng có tần số f = 50/60 Hz)

+ Không cần phải dùng các mạch khởi động hình sao hay tam giác+ Dễ dàng khởi động các tải công suất lớn

+ Việc khởi động sẽ có tốc độ ban đầu la chậm và tăng dân lên mứcnhanh giúp đảm bảo không làm giật động cơ hay hư hỏng các bộ phận cơ khí,kết cấu máy móc

+ Tiết kiệm điện năng+ Bảo vệ hệ thống khi gặp những trường hợp: quá tải, quá dòng, quá áp

1.1.2 Cấu tạo biến tần

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của bộ

biến tần

+ Bộ chỉnh lưu: Có tác dụng biến đổi từ

điện áp xoay chiều tần số cố định ở đầu vào

thành điện áp một chiều.

+ Bộ lọc một chiều: có nhiệm vụ san

phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu.

+ Bộ nghịch lưu 3 pha: Có tác dụng biến

đổi từ điện áp 1 chiều trong bộ lọc trở

thành điện áp xoay chiều 3 pha với tần số

mong muốn

+ Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu

điều khiển theo một quy luật điều khiển.

+ Ngoài ra biến tần có thể sử dụng thêm

các thành phần như cuộn kháng, trở hãm,

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của biến tần

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt

+ N guồn điện xoay chiều 1 pha hay 3

pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn

1 chiều bằng phẳng Công đoạn này

được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu

diode và tụ điện.

+ Điện áp một chiều này được biến đổi

(nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3

pha đối xứng Công đoạn này hiện nay

được thực hiện thông qua hệ IGBT

(transistor lưỡng cực có cổng cách ly)

bằng phương pháp điều chế độ rộng

xung (PWM).

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý

hoạt động các van

1.1.4 Phân loại thiết bị biến tần

+ Biến tần trực tiếp + Biến tần gián tiếp

- Biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển

- Biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm

bộ biến đổi xung điện áp

- Biến tần gián tiếp dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịchlưu PWM

- Biến tần gián tiếp nguồn áp

- Biến tần gián tiếp nguồn dòng

Biến tần trực tiếp

Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi điện áp lưới

điện U1 có tần số f1 cố định thành điện áp U2 có tần số f2 điều chỉnh được

không cần có sự can thiệp của khâu trung gian và có thể nhỏ hơn tần số nguồn cấp.

Do quá trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là

bộ biến tần trực tiếp, còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định(Cycloconverter)

Thiết bị biến tần trực tiếp

Ở mỗi pha ở đầu ra (a, b, c) được cấp điện bởi hai nhóm Thyristor:

- Nhóm T tạo ra dòng điện chạy thuận

- Nhóm N tạo ra dòng chạy ngược

T N

* Nguyên lý hoạt động của biến tần trực tiếp

Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận ngược lần lượt được điều khiển làm việc theo chu kỳnhất định

Hình 1.8: Đồ thị điện áp đầu ra của bộ

biến tần trực tiếp

Xét ở nửa chu kỳ làm việc của sơ

đồ thuận: Thay đổi góc điều khiển

: /2 → 0 → /2

+ Tại điểm A:  = 0 điện áp chỉnh

lưu trung bình cực đại

+ Tại điểm B, C, D, E: góc  tăng

dần lên → điện áp trung bình giảm

xuống

+ Tại điểm F:  = /2 điện áp

trung bình là 0

Như vậy: Trong nửa chu kỳ đầu

điện áp trung bình là hình Sin (nét

* Ưu điểm:

+ Có thể thiết kế với một công suất khá lớn ở đầu ra và hiệu suất cao,điều này đặc biệt có ý nghĩa khi công suất hệ thống điều tốc cực lớn (các hệthống dùng động cơ công suất đến 16.000 KW)

* Nhược điểm:

+ Số lượng linh kiện nhiều dẫn đến tần số đầu ra giảm xuống

+ Chỉ có tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần sốđiện áp lưới ( tần số đầu ra bằng 1/3  1/2 tần số lưới điện)

+ Chất lượng điện áp ra thấp+ Khó điều khiển ở tần số cận không vì khi đó tổn hao sóng hài trongđộng cơ khá lớn

+ Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao

1.4.2 Biến tần gián tiếp

Biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều dùng bộ chỉnh lưu để biến đổinguồn điện xoay thành một chiều, sau đó lại dùng bộ nghịch lưu để biến đổidòng điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều

Thiết bị biến tần biến đổi tần số từ đầu f1 đến f2 thông qua các khâu :

+ Khâu chỉnh lưu + Khâu trung gian + Khâu nghịch lưu

Hình 1.9: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp

* S ơ đồ khối của biến tần gián tiếp

Chức năng của khâu này là biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành nănglượng điện một chiều.

Khối chỉnh lưu Diobe

Một số mạch chỉnh lưu dùng trong biến tần

+ Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dùng Diode:

+ Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dùng Thyristor

+ Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dùng GTO - Diode

Hình 1.13: Sơ đồ cầu chỉnh lưu dùng Thyristor

+ Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dùng MOSFET – Diode

+ Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dùng IGBT - Diode

Hình 1.15: Sơ đồ cầu chỉnh lưu dùng MOSFET - Diode

- Làm nhiệm vụ giữ cho điện áp ra hoặc dòng điện ra của khâu chỉnhlưu là hằng số nhằm tạo ra nguồn áp hay nguồn dòng một chiều để cung cấpcho mạch.

- Điện áp ra của nó sau khi đi qua bộ lọc L-C cho điện áp một chiều cógiá trị không đổi dùng để cấp cho khâu nghịch lưu

+ Khối nghịch lưu(IGBT)

Dạng sóng ra bộ nghịch lưu 3 pha

Biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển

+ Điện áp xoay chiều lưới điện được biến đổi thành điện áp một chiều

có điều chỉnh nhờ chỉnh lưu điều khiển tiristor

+ Khâu lọc có thể là bộ lọc điện dung hoặc điện cảm phụ thuộc vàodạng nghịch lưu yêu cầu

+ Khối nghịch lưu có thể sử dụng các tiristor hoặc transistor

Hình 1.20: Sơ đồ cấu trúc biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển

+ Khâu biến đổi điện áp hoặc dòng điện một chiều thành xoay chiều(đầu ra) thường dùng nghịch áp 3 pha bằng tiristor nên sóng hài bậc cao trongđiện áp xoay chiều đầu ra thường có biên độ khá lớn, dẫn tới mô men biến độngkhá lớn ảnh hưởng tới tính ổn định làm việc của động cơ, đặc biệt khi ở tốc độthấp.

+ Do khâu một chiều trung gian có bộ lọc bằng tụ lọc hoặc điện khángvới quán tính lớn, làm cho tính thích nghi trạng thái động của hệ thống thường

bị chậm trễ

** Biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp

Bộ biến tần xoay gián tiếp dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển kết hợpvới bộ biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh điện áp một chiều ở đầu vào khối nghịch lưu.

+ B ộ chỉnh lưu điôt không điều khiển: Biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều

để cấp cho khối nghịch lưu

+ Khối nghịch lưu: Biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều với tần số điều chỉnh

Hình 1.21: Sơ đồ cấu trúc biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu không điều khiển

Ưu điểm:

Bộ biến tần này đã phải thêm một khâu (chưa kể phải thêm khâu lọc)nhưng hệ số công suất đầu vào khá cao, khắc phục được nhược điểm của bộbiến tần thứ nhất

Nhược điểm:

Khối nghịch lưu đầu ra không thay đổi nên vẫn tồn tại nhược điểm làcác sóng hài bậc cao có biên độ khá lớn

** B iến tần gián tiếp dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu PWM

Là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.

Đây là phương pháp tiên tiến, hiệu quả nhất vì:

+ Vừa điều chỉnh được điện áp ra, vừa điều chỉnh được tần số

+ Điện áp ra gần với hình sin

+ Có thể dùng chỉnh lưu không điều khiển ở đầu vào nghịch lưu làmtang hiệu quả của sơ đồ

>> Cho phép điều khiển công suất cung cấp cho các thiết bị điện, đặc biệt là đối với tải quán tính như động cơ.

* Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu một pha

Tạo điện áp hình sin cho cầu NL 1 pha có 2 phương pháp:

+ Điều chế đơn cực

Sơ đồ nguyên lý bộ điều chế nghịch lưu đơn cực

+ Dùng 2 tín hiệu ngược dấu nhau m và – m chỉ

để ĐK van phía trên S1và S3.

+ Hai van phía d ưới được ĐK hoàn toàn phụ

thu ộc 2 van:

+ S4 nhận trạng thái lôgic phủ định của S1

+ S2 nh ận trạng thái logic phủ định của S3

+ Trong ph ạm vi nửa chu kỳ của điện áp cần tạo,

phụ tải chỉ nhận điện áp một dấu (do đó có tên đơn

c ực).

Điều chế hai cực

Hình 1.25: Sơ đồ nguyên lý bộ điều chế nghịch lưu hai cực

+ Trong mọi chu kỳ của điện áp cần tạo, phụ tải

luôn nhận điện áp ngược dấu Udc hoặc –Udc

(do đó có tên hai cực).

+ B ằng kỹ thuật Analog, có thể tạo hai tín hiệu

lôgic bằng các so sánh tín hiệu điều khiển m với

chuỗi xung răng cưa urc

Ưu điểm:

+ Mạch điện chính chỉ có một khâu công suất điều khiển được, đơn

giản hoá cấu trúc, hệ số công suất của mạng điện không liên quan tới biên độcủa điện áp đầu ra bộ nghịch lưu và tiến gần đến 1

+ Bộ nghịch lưu thực hiện đồng thời điều tần và điều áp, không liên

quan đến tham số của linh kiện khâu trung gian một chiều, đã làm tăng độ tácđộng nhanh trạng thái động của hệ thống

+ H ạn chế hoặc loại bỏ được sóng hài bậc thấp, làm cho động cơ có

thể việc với điện áp biến thiên gần như hình sin, biến động của mômen khá

nhỏ, mở rộng rất lớn phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động

* Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha

+ Phương pháp Sin PWM

Cặp van trong mỗi pha được điều

khiển ngược nhau:

+ Pha A: S1 mở thì S4 khoá và ngược lại

+ Pha B: S3 mở thì S6 khoá và ngược lại

+ Pha C: S5 mở thì S2 khoá và ngược lại

Hình 1.28: Các dạng sóng của bộ nghịch lưu

khi điều chế PWM

Các dạng sóng PWM ba

pha:

* Tần số của v tri và v control

Tần số của vtri: điện áp răng

Khi vcontrol > vtri, VA0 = Vdc/2

Khi vcontrol < vtri, VA0 = -Vdc/2

Trong đó:

VAB = VA0 - VB0

VBC = VB0 - VC0

** Biến tần gián tiếp nguồn áp

Nguồn áp ?

- Nguồn áp lý tưởng: Được nuôi bởi một nguồn điện áp một chiều UDC

- Dạng điện áp ra là không đổi, không phụ thuộc vào giá trị cũng nhưtính chất của phụ tải

- Làm việc được ở chế độ không tải nhưng không thể làm việc được ởchế độ ngắn mạch bởi vì khi đó về nguyên tắc dòng điện có thể lớn đến vôcùng

- Được tạo ra bằng cách mắc ở đầu ra một nguồn một chiều một tụ điện

có giá trị đủ lớn

Hình 1.29: Sơ đồ mạch lực nghịch lưu độc lập kiểu nguồn áp, a) Một pha, b) Ba pha

+ Dùng chỉnh lưu Thyristor

+ Dùng chỉnh lưu Diot, có bộ biến đổi xung áp một chiều

Hình 1.31: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp biến điệu

bề rộng xung

+ Các Diot ngược giúp cho quá

trình trao đổi công suất phản

kháng giữa tải với nguồn.

+ Chỉnh lưu đầu vào dùng Điốt:

Không có khả năng trao đổi công

suất với lưới.

+ 2 van trên cùng một nhánh cần

phải có một thời gian trễ tối thiểu

nhằm đảm bảo van phải chắc chắn

khoá lại trước khi van kia mở ra.

Nếu không sẽ xuất hiện dòng đâm

xuyên và phá hỏng các van.

+ Dùng chỉnh lưu Diôt

+ Trong trường hợp tải xoay chiều yêu cầu trả năng lượng về nguồn → điện áptrên tụ một chiều tăng lên quá lớn → trang bị thêm bộ phận băm xung (Mạch hãm:V7 + Rbr - điện trở công suất tiêu thụ năng lượng của tụ):

** Biến tần gián tiếp nguồn dòng

Nguồn dòng ?

+ Nguồn dòng lý tưởng là một nguồn điện với nội trở trong vô cùng lớn.

+ Dòng điện ra là không đổi, không phụ thuộc vào giá trị cũng như tính chất của phụ tải.

+ Điện áp ra phụ thuộc vào tải.

+ Nguồn dòng sẽ làm việc được ở chế độ ngắn mạch vì khi đó dòng điện vẫn không đổi, nhưng không thể làm việc được ở chế độ không tải

+ Nguồn dòng được tạo ra bằng cách mắc ở đầu ra một nguồn một chiều một điện cảm có giá trị đủ lớn Tuy nhiên điện cảm ở đầu vào sẽ chịu toàn bộ dòng điện yêu cầu của nghịch lưu, vì vậy có thể phải có công suất lớn.

Có 3 thành phần:

+ Khối chỉnh lưu: Điều chỉnh

ổn định dòng iDC của mạch một

chiều trung gian.

+ Mạch một chiều trung gian:

Nhiệm vụ hạn chế hài dòng của

iDC

+ Khối nghịch lưu: Nhiệm vụ

chuyển mạch dòng qua đó điều

khiển tốc độ quay của ĐC

+ Các tụ C1…C6: mắc song

song với phụ tải đóng vai trò là

các tụ chuyển mạch.

+ Để các Thyristor có thể

chuyển mạch được thì điện áp

trên tụ C phải chậm pha so với

dòng điện nghịch lưu.

+ Ở tần số thấp, nghĩa là thời gian T/2 quá lớn -> tụ sẽ phóng điện qua một phần của tải -> điện áp trên tụ ở cuối nửa chu kỳ

thấp -> không đủ để duy trì góc khoá cho van Do đó với sơ

đồ có điốt cách ly sẽ đảm bảo khả năng làm việc ở tần số thấp

Hình 1.32: Sơ đồ nghịch lưu nguồn dòng 3

pha có điốt cách ly

1.1.5 Các luật điều khiển trên biến tần

Cho đến nay, đã có nhiều lý thuyết xoay quanh vấn đề các vấn đề điều khiểncho biến tần như:

+ Điều khiển theo luật điện áp/tần số (U/f): Ở chế độ này biến tần sẽxuất điện áp ngõ ra tỷ lệ thuận với tần số

+ Điều khiển theo từ trường (FOC - Field Oriented Control): Haycòn gọi là phương pháp điều chế vector không gian (vector Control) là một

điện xoay chiều 3 pha

Mômen của động cơ không được điều khiển một cách “gián tiếp” thông quadòng điện mà được điều khiển “trực tiếp” thông qua việc đóng mở các van

suất theo quy luật dựa vào trạng thái tức thì của mômen và từ thông

1.1.5.1 Ph ương pháp điều khiển V/f

Dựa theo nguyên tắc moment xoắn trên trục động cơ không đồng bộ phụ thuộc vào tỉ lệ tần số và điện áp nguồn cấp, vì thế mục đích của chế độ trên là điều khiển tỉ lệ V/F = hằng số.

Ở chế độ này biến tần sẽ xuất điện áp ngõ ra tỷ lệ thuận với tần số Cónghĩa là biến tần sẽ điều khiển tần số từ 0-Fmax tương ứng với 0-Vmax

+ Từ 0 → F c ( khởi động): Điện áp cấp

vào thấp → dòng khởi động thấp →

động cơ không đủ momen để khởi động,

vì vậy việc bù điện áp được thực hiện

dẫn đến tỉ lệ V/F không tuyến tính.

+ Từ F c ( khởi động) → F đm : tỷ lệ V/F

tuyến tính → Momen động cơ ổn định.

+ F hoạt động > F đm : Điện áp bị giới hạn tại

điện áp định mức vì tránh sự cố phá vỡ

cách điện giữa các dây quấn → Momen

động cơ bị giảm.

** Nguyên lý ph ương pháp điều khiển V/f

Từ công thức:

Trong đó:

+ f : Tần số là việc của động cơ + fđm: Tần số định mức của động cơ

Để dòng từ hoá không thay đổi:

Như vậy: Từ thông động cơ được giữ không đổi khi tỉ lệ E/f được giữ không đổi (E/f =

const).