NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TẦN

Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều khiển sử dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau đó đưa ra một một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp

PHẦN I

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TẦN

I.CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.Phân loại biến tần

Biến tần thường được chia làm hai loại:

- Biến tần trực tiếp

- Biến tần gián tiếp

1.1.Biến tần trực tiếp

Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp

từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu

trung gian một chiều Tần số ra được điều chỉnh

nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới ( f1 < flưới )

Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng

1.2.Biến tần gián tiếp

Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:

Hình 3-1: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp

Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy

có tên gọi là biến tần gián tiếp Chức năng của các khối như sau:

a) Chỉnh lưu: Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiềuthành điện áp một chiều Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc có điều chỉnh.Ngày nay đa số chỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiềutrong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộbiến đổi Nói chung chức năng biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởinghịch lưu thông qua luật điều khiển Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người

ta thường dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ chotoàn hệ thống khi quá tải Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn

áp mà bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định

b) Lọc: Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu

c) Nghịch lưu: Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng một chiềuthành dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độclập Nghịch lưu có thể là một trong ba loại sau:

- Nghịch lưu nguồn áp: trong dạng này, dạng điện áp ra tải được định dạngtrước (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chấttải Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ Trong cácứng dụng điều kiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp.

- Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược với dạng trên, dạng dòng điện ra tải đượcđịnh hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải Nguồn cung cấp phải là nguồndòng để đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện độngthì phải có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắcđiều khiển ổn định dòng điện

Nghịch lưu cộng hưởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng hưởng khi mạch hoạtđộng, do đó dạng dòng điện (hoặc điện áp) thường có dạng hình sin Cả điện áp vàdòng điện ra tải phụ thuộc vào tính chất tải

II.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản (hình 3-2) Đầu tiên,nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiềubằng phẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện.Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vàotải và có giá trị ít nhất 0.96 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) Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán

giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ

hình 3-2 :sơ đồ nguyên lý biến tần

Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số

vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quyluật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển Đối với tải có mô men không đổi, tỉ sốđiện áp - tần số là không đổi Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàmbậc 4 Điện áp là hàm bậc 4 của tần số Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàmbậc hai của tốc độ M =n2 phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mômen cũng lại là hàm bậc hai của điện áp

Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiệnbán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại Nhờ vậy, năng lượng tiêuxấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu của hệ thống

Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phùhợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID vàthích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển

và giám sát trong hệ thống SCADA

1.Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là tạo ra một tín hiệu sin

chuẩn có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ra nghịch lưu Tínhiệu này sẽ được so sánh với một tín hiệu răng cưa có tần số lớn hơn rất nhiều tần

số của tín hiệu sin chuẩn Giao điểm của hai tín hiệu này xác định thời điểm đóng

mở van công suất Điện áp ra có dạng xung với độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ

Hình 3-2: Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung

ra )

Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực,điều biến theo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lưỡng cực.Trong đề tài này em sử dụng phương điều chế độ rộng xung đơn cực

Phương pháp điều chế cơ bản là:

- Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM)

1.1Điều chế theo phương pháp SPWM

Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín hiệu

xung tam giác v tri (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin chuẩn v c

(gọi là tín hiệu điều khiển) Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ nghich lưumột pha, thì ở ngõ ra sẽ thu được dạng xung điện áp mà thành phần điều hòa cơ

bản có tần số bằng tần số tín hiệu điều khiển v c và biên độ phụ thuộc vào nguồn

điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên

độ sóng mang Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều tần số tín hiệu điều khiển Hình 3-3 miêu tả nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM một pha:

Hình 3-3: Nguyên lý điều chế SPWM một pha

Khi:

v c > v tri , V A0 = V dc /2

v c < t tri , V A0 = -V dc /2

Đối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như hình 3-4 Để tạo ra điện áp sin bapha dạng điều rộng xung, ta cần ba tín hiệu sin mẫu.

Hình 3-4: Nghịch lưu áp ba pha

Nguyên lý điều chế và dạng sóng như sau:

Hình 3-5: Nguyên lý điều chế SPWM ba pha

Hệ số điều chế biên độ ma được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ của tín hiệuđiều khiển với biên độ của sóng mang:

Vc - biên độ sóng điều khiển

Vtri - biên độ sóng mang

Trong vùng tuyến tính (0 < ma < 1), biên độ của thành phần sin cơ bản VA01

(điện áp pha) trong dạng sóng đầu ra tỷ lệ với hệ số điều biến theo công thức:

dc

V m V

Hệ số điều chế tỷ số mf là tỷ số giữa tần số sóng mang và tần số tín hiệu điềukhiển:

tri f c

f m f

Giá trị của mf được chọn sao cho nên có giá trị dương và lẻ Nếu mf là một giátrị không nguyên thì trong dạng sóng đầu ra sẽ có các thành phần điều hòa phụ(subharmonic) Nếu mf không phải là một số lẻ, trong dạng sóng đầu ra sẽ tồn tạithành phần một chiều và các hài bậc chẵn Giá trị của mf nên là bội số của 3 đốinghịch lưu áp ba pha vì trong điện áp dây đầu ra sẽ triệt tiêu các hài bậc chẵn vàhài là bội số của ba

Như vậy, nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên độ vàtần số của điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu sin

chuẩn v c Đặc trưng cơ bản của phương pháp này là thành phần sóng điều hòa củađiện áp ra Muốn giảm các sóng điều hòa bậc cao cần phải tăng tần số sóng manghay tần số PWM Tuy nhiên càng tăng tần số PWM thì tổn hao chuyển mạch lạităng lên

2 Định nghĩa đơn giản về PID

2.1 Điều chỉnh tỷ lệ (P) là gì:

Điều chỉnh tỷ lệ là phương pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ vớisai lệch đầu vào

2.2 Điều chỉnh tích phân (I) là gì:

Phương pháp điều chỉnh tỷ lệ để lại một độ lệch (offset)sau điều chỉnh rất lớn

Để khắc phục ta sử dụng kết hợp điều chỉnh tỷ lệ với điều chỉnh tích phân Điềuchỉnh tích phân là phương pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho độlệch giảm tới O

2.3 Điều chỉnh vi phân( D):

Khi hằng số thời gian hoặc thời gian chết của hệ thống rất lớn điều chỉnh theo Phoặc PI có đáp ứng quá chậm thì ta sử dụng kết hợp với điều chỉnh vi phân Điềuchỉnh vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỷ lệ với tốc độ thay đổi sai lệchđầu vào

3 Thực tế về các bộ điều chỉnh PID

Hiện nay hầu hết các bộ điều chỉnh mới sản xuất có chức năng tự động xác địnhtham số PID Chức năng tự động này làm việc rất tốt với các hệ thống điều chỉnhnhiệt độ và tốc độ động cơ Các hệ thống lớn không có chức năng tự đông xác địnhthông số nhưng được trang bị hệ thống vẽ đồ thị tín hiệu đo được của biến quátrình (proces value- PV) và biến đầu ra của bộ điều khiển (manipulated value-MV)

Ta có thể dễ dàng nhìn được dạng PV và đo được chu kỳ dao động cũng như độlệch Mỗi mạch vòng thường có thể đặt thông số trực tiếp trên giao diện người vàmáy hoặc dùng máy tính lập trình can thiệp Tuỳ theo nhà sản xuất mà số lượng,tên gọi các thông số có thể khác nhau Có ba thông số cơ bản mà hầu hết các bộđiều chỉnh đều giống nhau là ba thông số PID

4 Hiệu chỉnh theo phương pháp thử sai của Thomas Chen công ty FOXBORO

Ba thông số quan trọng nhất là PID được thể hiện như sau:

P: trong lý thuyết thường thể hiện bằng hệ số tỷ lệ nhưng ngày nay trong hầuhết các hệ thống người ta không sử dụng hệ số tỷ lệ K mà dùng một thông số khácgọi là dải tỷ lệ (proportional band – P band) ý nghĩa của dải tỷ lệ như sau: P band

="20%" thì với sự thay đổi 20 % giá trị đầu vào bộ điều khiển sẽ gây ra sự thay đổi100% tin hiệu đầu ra, với P band ="500%" thì với sự thay đổi tín hiệu đo 100 % thìtín hiệu đầu ra chỉ thay đổi có 20% Quan hệ giữa hệ số tỷ lệ và dải tỷ lệ:

K= 100/ % P band

I: Được thể hiện theo đơn vị đo thời gian là giây Thời gian càng nhỏ thể hiệntác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, ứng với độ lệch càng bé

D: Cũng được thể hiện theo đơn vị đo thời gian là giây Thời gian càng lớn thìđiều chỉnh vi phân càng mạnh, ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vàocàng nhanh

Rất ít các mạch điều chỉnh yêu cầu sử dụng điều chỉnh D Hầu hết mạch điềuchỉnh PI đủ đáp ứng yêu cầu điều chỉnh Sau đây là phương pháp xác định thông số

PI

Bước 1:

Đặt thời gian tích phân cực đại, thời gian vi phân cực tiểu Khi đó hệ thống chỉđiều khiển tỉ lệ Sau đó giảm dải tỉ lệ cho đến khi dao động xuất hiện đo chu kì củadao động

(khoảng thời gian giữa hai điểm cực đại hoặc cực tiểu của dao động Ta gọi thờigian này là chu kỳ tự nhiên)

Bước 2:

Đặt thời gian tích phân bằng chu kỳ tự nhiên Quan sát chu kỳ dao động mới ,

nó sẽ tăng thêm khoảng 40~43% của chu kỳ tự nhiên Nếu chu kỳ dao động lớnhơn mức trên thì cần tăng thời gian tích phân

Bước 3: Cuối cùng ta điều chỉnh dải tỷ lệ sao cho độ lệch và thời gian đạt đến

ổn định phù hợp với yêu cầu Nguyên tắc điều chỉnh như sau dải tỷ lệ càng lớn thì

độ lệch điều chỉnh càng lớn, thời gian đạt đến ổn định càng ngắn, dải tỷ lệ càngnhỏ thì độ lệch càng nhỏ, thời gian đạt đến ổn định càng dài

Mặc dù không có điều kiện thủ nghiệm nhiều cũng như tổng kết kết quả thựcnghiệm nhưng phương pháp trên thực sự giúp chúng tôi có được định hướng khihiệu chỉnh các thông số

PHẦN II

SƠ ĐỒ KẾT NỐI VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH

ĐIỀUKHIỂN BIẾN TẦN CHO BƠM VỚI ÁP SUẤT

KHÔNG ĐỔI LÀ 6 BAR

I SƠ ĐỒ KẾT NỐI

1.Thông số thiết bị

1.1 Phần cứng biến tần

ABB

Đặc điểm:

- Dùng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 Pha, 220V/0.37…11 kW, 380V/0.37…22 kW

- IP20, NEMA 1 (tuỳ chọn); Tần số ra: 0-500 Hz; Hệ số công suất 0.98

- Tương thích công cụ lập trình FlashDrop

- 5 đầu vào số (DI) gồm 1 đầu vào xung (Pulse Train 0…10kHz), 2 đầu vào tương

tự (AI)

- 1 đầu ra rơ le 250VAC/ 30VDC; 1 đầu ra Transistor (10…16kHz); 1 đầu ra tương

tự (AO)

- Ứng dụng: dùng để điều khiển máy bơm tăng

áp, máy bơm chìm, trạm bơm, quạt …

a) sau đây tóm tắc các chức năng chính được

hiển thị trên bảng điều khiển tích hợp

b Trên bên phải – đơn vị của giá trị hiển thị

c Giữa – biến ; nói chung, cho thấy các thông số và giá trị tín hiệu

các menu hoặc danh sách, ngoài ra nó còn hiển thị báo động và lỗi

d Giữa và bên trái phía dưới – trạng thái thao tác bảng :

OUTPUT: kiểu đầu vào

PAR: kiểu tham số

MENU: menu chính

FAULT : kiểu lổi

e Phía dưới bên phải – các chỉ số:

FWD (chiều thuận) / REV (chiều nghịch): hướng của quay của động cơ

Nhấp nháy chậm: dừng lại

Nhấp nháy nhanh: đang chạy chưa đạt điểm đặt

Không dổi: đang chạy đạt điểm đặt,

SET : Hiển thị giá trị có thể được sửa đổi (trong tham số hay kiểu tham số)

2 RESET/EXIT – Thoát tới mức menu cao hơn mà không lưu giá

trị thay đổi những lỗi khởi động lại trong đầu ra và những kiểu lỗi

3 MENU/ENTER – Nhập sâu hơn vào menu ở chế độ thông số , lưu giá trị Hiển thị như trên các cài đặt mới

4 Up –

• Cuộn lên thông qua một trình đơn hoặc danh sách

• Tăng giá trị nếu một tham số được chọn

• Tăng giá trị tham khảo ở chế độ tham khảo

Giữ phím để thay đổi giá trị nhanh hơn

5 Down –

• Cuộn xuống thông qua một trình đơn hoặc danh sách

• Làm giảm giá trị nếu một tham số được chọn

• Làm giảm giá trị tham khảo ở chế độ tham khảo

Giữ phím để thay đổi giá trị nhanh hơn

6 LOC/REM – Thay đổi giữa kiểm soát cục bộ và kiểm soát từ xa của biến tần

7 DIR – Thay đổi hướng quay của động cơ

8 STOP – Dừng biến tần trong kiểm soát cục bộ

9 START 1 Tình trạng LED – xanh cho hoạt động bình thường.nếu LED nháy, hoặc

đỏ, xem chọn LEDs trên trang

M515X-12345P-010BG = 4-20 mA current loop, with a custom pressure port to drawing 12345 (consult factory) 7/16 pressure port, 10 bar gauge

1.3Thông số kĩ thuật bơm

Model MD: Bơm ly tâm liền trục

Bơm ly tâm liền trục được chế tạo theo đúng tiêu chuẩn EN 733 (hoặc DIN24255) và được chế tạo bằng gang đúc Ứng dụng cho bơm tăng áp, hệ thống giảinhiệt, hệ thống điều hoà trung tâm, hệ thống rửa và nhiều ứng dụng khác trongcông nghiệp

Thông số kỹ thuật:

- Áp lực hoạt động tối đa: 10bar

- Nhiệt độ lưu chất tối đa: 900C

Vật liệu chế tạo

- Thân bơm, thân sau buồng bơm được chế tạo bằng gang đúc

- Trục bơm được chế tạo bằng thép không gỉ AISI 304

- Cụm gioăng kín trục được chế tạo bằng Carbon/ Ceramic/NBR

Cánh bơm được chế tạo bằng gang đúc và đồng đúc B10

- Bảo vệ quá tải Cấp sẵn trong động cơ cung cấp do người sử dụng dùng cho loại động cơ 3 pha

2.Sơ đồ kết nối

Sơ đồ kết nối cảm biến áp suất với biến tần ABB

Sơ đồ chân biến tần ABB

Sơ đồ khối PID control

II.VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Cài đặt cho biến tần sử dụng Assistant Control Panel.

Bảng sau đây tóm tắt các chức năng chính và hiển thị trên Assistant

Control Panel.

1 Tình trạng LED – xanh cho hoạt động bình

thường.nếu LED nháy, hoặc

đỏ, xem chọn LEDs trên trang 306

2 màn hình LCD – chia làm 3 khu vực chính:

a tình trạng biến, tùy thuộc vào phương thức hoạt

động, xem phần

Status line trên trang 80

b biến trung tâm; nói chung , cho thấy tín hiệu và

giá trị tham số, menus

hoặc danh sách Cũng cho thấy các lỗi và báo động

c line dưới – cho thây chức năng hiện tại của 2

phím mềm và, nếu được,

kích hoạt ,màn hình hiển thị đồng hồ

3 phím mềm 1 – chức năng phụ thuộc thuộc

tính.Các văn bản ở góc dưới bên

trái của màn hình LCD cho thấy các chức năng