Báo cáo đồ án truyền động điện tìm hiểu hệ plc biến tần động cơplc

này là thuận tiện về lập trình do sử dụng cổng download/uplad là dây mạng, hỗ trợ cập nhật nhiều tập lệnh mới và đa dạng. Dòng cao cấp hiện nay gồm có S7-300 đã ngưng sản xuất và thay t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Điện – Điện tử

Lịch sử hãng Simens:

Siemens là một hãng chuyên sản xuất thiết bị công nghiệp rất nối tiếng của Đức Các sản phẩm chủ lực của hãng xuất hiện ở một số ngành như tự động hóa, y tế, điện năng và vận tải Riêng ở thị trường Việt Nam, Siemens chính thức hiện diện vào năm 1993 Đây là một trong những thương hiệu xâm nhập thị trường sớm nhất chính vì vậy độ phổ của thiết bị siemens rất lớn.

Có thể dễ dàng tìm thấy thiết bị của hãng siemens trong chương trình đào tạo của những trường đại học, cao đẳng, trung cấp lớn ở nước ta nhờ sợ hỗ trợ tốt của hãng với việc hỗ trợ về giá cũng như setup phòng thực hành cho các cơ sở giáo dục Chính vì vậy mà đa số anh em bảo trì hay kỹ thuật nhà máy được qua đào tạo bài bản đều có một lượng kiến thức nhất định về các thiết bị của Siemens.

Có xuất sứ từ Đức, một trong những nước có nền công nghiệp phát triển bậc nhất của thế giới chính vì vậy mà đặc điểm nổi bật của các sản phẩm của hãng Siemens đó chính là hoạt động rất ổn định kèm với độ bền rất cao Nhiều thiết bị của Siemens có thể có tuổi thọ vượt trội hơn so với một số thiết bị của nhà sản xuất ở châu Á khác.

Phân loại các dòng PLC Simens:

Với việc sản xuất plc từ khá sớm nên Siemens có rất nhiều dòng sản phẩm plc khác nhau theo từng giao đoạn công nghệ Chính vì vậy mà trong phần này mình sẽ giới thiệu một số thiết bị nổ bật và còn xuất hiện phổ biến trong máy móc dây chuyền mà thôi.

 Dòng sản phẩm đã cũ nhưng còn được dùng khá nhiều

đó là S7-200 có đặc điểm là giá thành cạnh tranh, thị

trường đồ cũ có nhiều hàng Tuy nhiên có nhược điểm là thị trường có xuất hiệu hàng nhái và vì là dòng cũ nên tốc độ xử lý cũng như tập lệnh lập trình còn hạn chế  Plc S7-1200 là dòng phổ biến nhất hiện đang lưu hành

trên thị trường của Siemens Đặc điểm nổi bật của dòng

này là thuận tiện về lập trình do sử dụng cổng

download/uplad là dây mạng, hỗ trợ cập nhật nhiều tập lệnh mới và đa dạng.

 Dòng cao cấp hiện nay gồm có S7-300 đã ngưng sản xuất và thay thế là S7-1500 với tốc độ cpu cao có thể

mở rộng truyền thông và I/O nhiều để điều khiển dây chuyền, máy móc loại lớn.

 Đối với nhà máy lớn gồm nhiều phân xưởng tập trung hay phân tán thì Siemens hiện nay vẫn có dòng plc

Siemens S7-400

 Và đặc biệt hãng Siemens có dòng giá siêu rẻ tên gọi là Plc logo với màn hình tích hợp bàn phím để người sử dụng có thể lập trình nhanh bằng màn hình này mà không cần phải sử dụng máy tính.

Ưu nhược điểm của dòng PLC Simens S7-1200:

Ưu điểm:

 Là hàng thương hiệu Siemens của Đức có uy tín và chất lượng tốt nên khi lắp tủ sẽ tạo sự yên tâm cho người sử dụng.

 Độ bền và hoạt động với độ tin cậy rất cao nên thuận tiện cho việc sử dụng trong những máy móc hoạt động liên tục 24/7.

 Có kích thước nhỏ gọn, kèm khả năng mở rộng với nhiều module chức năng khác nhau Có thể gắn signa board mở rộng trên cpu.

 Tích hợp sẵn cổng ehternet để kết nối với ngoại vi bằng chuẩn truyền thông mạng RJ45 Có thể dùng cổng này để lập trình download/upload luôn.

 Có thể khóa mật khẩu nhiều lớp để bảo vệ chương trình Nhược điểm:

 Đầu tiên đó chính là giá thành của cpu và module mở rộng có giá thành còn cao so với một số thương hiệu như Mitsubishi hay Omron.

 Cpu thường tích hợp ít in/out nên đối với một số ứng dụng bắt buộc phải mở rộng thêm in/out.

 Phần mềm lập trình tương đối nặng nên cần máy tính cấu hình trung bình trở lên mới chạy mượt được.

 Hiện nay có thêm một nhược điểm nữa là đa số xuất sứ đều made in china.

BIẾN TẦN

Biến tần 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.

Hay nói cách khác, biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí.

Biến tần sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự dòng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay động cơ.

Biến tần thường được chia thành biến tần AC và biến tần DC

 Biến tần AC: được sử dụng một cách rộng rãi, chúng được thiết kế để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều AC

 Biến tần DC: kiểm xoát sự rẽ nhanh của động cơ điện một chiều

Ngoài ra ta cũng có thể phân loại biến tần theo công suất đáp ứng cho tải, ứng dụng đặc biệt của biến tần như thang máy, năng lượng mặt trời, cầu trục,…

Cấu tạo:

Biến tần được cấu tạo từ các bộ phận có chức năng nhận nguồn điện có điện áp đầu vào cố định với tần số cố định, từ đó biến đổi thành nguồn điện có điện áp và tần số biến thiên ba pha (có thể thay đổi) để điều khiển tốc độ động cơ

Một số bộ phận chính của biến tần có thể kể đến như: mạch chỉnh lưu, mạch một chiều trung gian (DC link), mạch nghịch lưu và phần điều khiển

Bộ chỉnh lưu

Phần đầu tiên trong quá trình biến điện áp đầu vào thành đầu ra mong muốn cho động cơ là quá trình chỉnh lưu Điều này đạt được bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt sóng toàn phần.

Tuyến dẫn một chiều

Tuyến dẫn một chiều là một giàn tụ điện lưu trữ điện áp một chiều đã chỉnh lưu Một tụ điện có thể trữ một điện tích lớn, nhưng sắp xếp chúng theo cấu hình tuyến dẫn một chiều sẽ làm tăng điện dung Điện áp đã lưu trữ sẽ được sử dụng trong giai đoạn tiếp theo khi IGBT tạo ra điện năng cho động cơ

Thiết bị IGBT được công nhận cho hiệu suất cao và chuyển mạch nhanh Trong biến tần, IGBT được bật và tắt theo trình tự để tạo xung với các độ rộng khác nhau từ điện áp tuyến dẫn một chiều được trữ trong tụ điện

Bộ kháng điện xoay chiều

Bộ điện kháng dòng xoay chiều là cuộn cảm hoặc cuộn dây Cuộn cảm lưu trữ năng lượng trong từ trường được tạo ra trong cuộn dây và chống thay đổi dòng điện.

Bộ điện kháng một chiều

Bộ điện kháng một chiều giới hạn tốc độ thay đổi dòng tức thời trên tuyến dẫn một chiều Việc giảm tốc độ thay đổi này sẽ cho phép bộ truyền động phát hiện các sự cố tiềm ẩn trước khi xảy ra hỏng hóc và ngắt bộ truyền động ra

Điện trở hãm

Lượng điện thừa tạo ra cần phải được xử lý bằng cách nào đó Điện trở được sử dụng để nhanh chóng “đốt cháy hết” lượng điện thừa này được tạo ra bởi hiện tượng này bằng cách biến lượng điện thừa thành nhiệt.

Nguyên lý hoạt động:

Đầu tiên, nguồn điện 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 đầu vào có thể là một pha hoặc 3 pha, nhưng nó sẽ ở mức điện áp và tần số cố định (ví dụ 380V 50Hz)

Điện áp 1 chiều ở trên sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng Mới đầu, điện áp một chiều được tạo ra sẽ được lưu trữ trong giàn tụ điện.

Tiếp theo, thông qua quá trình tự kích hoạt thích hợp, bộ biến đổi IGBT (viết tắt của tranzito lưỡng cực có cổng cách điện hoạt động giống như một công tắc bật và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của biến tần) sẽ tạo ra một điện áp xoay chiều 3 pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.

- Biến tần điều khiển tốc dộ motor - Biến tần hòa lưới

- Biến tần thang máy - Biến tần hạ thế - Biến tần trung thế

Các hãng thông dụng trong thị trường Việt Nam:

 Biến tần xuất xứ châu Âu:

- Biến tần ABB: hoạt động trong các lĩnh vực thiết bị điện, hệ thống điện, tự động hoá và truyền động, tự động hóa quy trình và thiết bị điện hạ thế.

- Biến tần Simens: có lĩnh vực kinh doanh chính là điện khí hoá, tự động hoá và số hoá

 Biến tần xuất xứ Trung Quốc:

- Biến tần INVT, Sumo,…

 Biến tần xuất xứ Đài Loan:

- Biến tần Delta và Shihlin

 Động cơ đồng bộ từ (AC Synchronous Permanent Magnet Motors): Được thiết kế đặc biệt để sử dụng với hệ biến tần  Động cơ không đồng bộ quay cực (AC Asynchronous

Wound Rotor Motor): Thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu mô-men xoắn khởi động cao nhưng công suất từ nguồn không đủ.

 Động cơ không đồng bộ quay lồi (AC Asynchronous

Squirrel Cage Motors): Loại động cơ phổ biến nhất được sử dụng với hệ biến tần trong các ứng dụng công nghiệp

ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Trong hệ thống PLc và biến tần, tốc độ động cơ có thể được ổn định bằng cách sử dụng các khối điều khiển PID để điều chỉnh tốc độ Đầu vào của khối điều khiển PID sẽ là giá trị tốc độ thực tế của động cơ, và đầu ra của khối sẽ được sử dụng để điều chỉnh tần số đầu vào của biến tần Điều này giúp giảm độ trễ trong hệ thống và đảm bảo rằng tốc độ động cơ được giữ ổn định và chính xác.

Các thông số PID (P , I, D) sẽ được điều chỉnh sao cho phù hợp với động cơ và tải Để đạt được điều này, các thử nghiệm và hiệu chỉnh sẽ được thực hiện trên hệ thống để đảm bảo rằng tốc độ động cơ được giữ ổn định trong mọi điều kiện hoạt động.

Điều khiển với bộ điều khiển PID

 PID là bộ điều khiển kín được coi là lý tưởng đối với các tham số các bộ điều khiển liên tục Kết hợp giữa các bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân, PID được coi là bộ điều khiển động mà việc thay đổi tham số của bộ điều khiển có khả năng làm thay đổi các đặc tính động và đặc tính tĩnh của hệ điều khiển tự động.

 Đặc biệt trong hệ điều khiển PLC - biến tần - động cơ, để thấy rõ được vai trò của bộ điều khiển PID trong quá trình điều khiển ổn định tốc độ và vị trí góc của hệ này, dựa trên những thông tin phần trên, ta tiến hành xây dựng mô hình điều khiển dựa trên công cụ có sẵn Matlab Theo sơ đồ cấu trúc hình thu thập giá trị đặc tính bám của hệ thống trước và sau khi có bộ điều chỉnh PID.

2.XÂY DỰNG HỆ PLC- BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ

2.1.Lựa chọn PLC – Biến Tần – Động Cơ

 PLC

PLC Simens S7-1200

- SIMATIC S7-1200 CPU 1212 AC/DC/RLY

- Thông số kỹ thuật:

SIMATIC S7-1200, CPU 1212C, COMPACT CPU,

AC/DC/RLY, ONBOARD I/O: 8 DI 24V DC; 6 DO RELAY 2A; 2 AI 0 – 10V DC, POWER SUPPLY: AC 85 – 264 V AC AT 47 – 63 HZ, PROGRAM/DATA MEMORY: 75 KB Bộ nhớ: 75 KB work memory và 2 MB Load memory 4 bộ đếm xung tốc độ cao với tối đa ( 3 100 kHz và

Giá thành của PLC Simens S7-1200 SIMATIC S7-1200

- Dùng cho động cơ không đồng bộ (AM)

- Vận hành đơn giản, thích hợp cho nhiều ứng dụng tải trung bình và tải nhẹ

- Điều khiển nhiều cấp tốc độ

Giá thành của biến tần INVT GD20: 4.605.000đ

 Động cơ

Motor 5.5Kw 7.5hp 4 pole 380v

- Thông số kỹ thuật:  Dây đồng Insulation Class F  Điện áp 3 phase 3 pha 380v

 Tần Số lưới điện: 50Hz tốc độ motor đạt 1400- 1450- 1470 vòng

 Định mức dòng điện cao nhất: Ampe Dòng Ample khuyên dùng: 80% của Ampe định mức Motor Điện 3 Pha 7.5Hp 5.5Kw 4 Pole:11.7 (A) là 9.36 (A)

 Vòng bi bạc đạn: C & U, SKF, NSK, Top 10 toàn thế giới  Hệ số Cos Phi, trên 90%: Hiệu suất chuyển hóa điện năng

thành cơ năng rất cao, tiết kiệm điện tối đa

 Chế độ làm mát toàn phần: quạt làm mát ở phía sau và cánh tóa nhiệt dài đưa gió đi khắp toàn thân motor

- Giá thành: 3.360.000 - 5.190.000đ

2.2.Lựa chọn các thiết bị bảo vệ

Thiết bị bảo vệ pha: Relay bảo vệ pha

 Bảo vệ mất pha dùng chủ yếu cho các tải 3 pha mà tại đó nếu mất 1 trong 3 pha thì sẽ gây ra sự hoạt động sai ví dụ động cơ ba pha khi mất 1 pha thì dễ bị cháy, chỉnh lưu 3 pha nếu mất 1 pha thì điện áp DC ngõ ra có thể bị thay đổi…

 Bảo vệ đảo pha sử dụng trong trường hợp động cơ 3 pha truyền động trong các hệ thống mà chiều quay đã được ấn định và sẽ gây ra hư hỏng nếu nhấn nút chạy thuận mà động cơ lại chạy ngược Việc đảo pha chỉ có thể xảy ra khi tiến hành sửa chữa, thay thế máy biến áp hoặc đường dây  Tính năng bộ bảo vệ mất pha:

o Bảo vệ mất pha (Tránh việc cháy, hư hỏng thiết bị: động cơ, máy bơm,…).

o Bảo vệ sụt áp o Bảo vệ quá áp.

o Bảo vệ lệch áp, chênh áp

o Bảo vệ đảo pha, thứ tự pha điện.

Thiết bị bảo vệ quá áp, thấp áp, quá tải 63A TVPS1-63B Mã SP: TVPS1-63B

TVPS1-63B là thiết bị bảo vệ mạng lưới điện ưu việt hơn hầu hết các aptomat bảo vệ trong các tủ điện gia đình khi có thể:

 Tự động ngắt điện khi phát hiện quá áp, thấp áp khiến các thiết bị điện hoạt động không ổn định, giảm tuổi thọ, cháy nổ.

 Tự đóng ngắt điện khi phát hiện quá dòng, quá tải gây cháy nổ, hỏng hóc thiết bị điện.

 Tự động đóng điện khi các thông số về điện áp, dòng điện trở về trạng thái ổn định, an toàn cho các thiết bị điện.

 Đo và hiển thị các thông số về điện áp và cường độ dòng điện lên màn hình trên sản phẩm

 Tùy chỉnh các thông số trên sản phẩm tùy mục đích người dùng.

2.3.Xây dựng mô hình điều khiển ổn định tốc độ động cơ bằng Matlab-Simulink

2.4 THIẾT KẾ MẠCH HỆ THỐNG

 Sơ đồ mạch động lực

 Sơ đồ mạch điều khiển

2.5 CÀI ĐẶT BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

*Gi i thi u vềề dòng inverter CHF100A hãng INVT.ớệ

Biến tần CHF100A là dòng biến tần được ứng dụng rộng rãi cho nhiều loại máy móc tự đô ̣ng hóa, như băng chuyền, cần trục, nâng hạ, máy nén

– Chế độ điều khiển: điều khiển V/F (V/F control), điều khiển vector không gian (Sensorless Vector), điều khiển moment (Torque control).– Phương pháp điều khiển tốc độ: điều khiển bằng keypad, ngõ vào

analog, HDI, truyền thông, PID, Simple PLC…– Các ngõ vào ra:

+ Ngõ vào số có thể chọn chức năng: 7 ngõ vào số, 1 ngõ vào dạng xung tốc độ cao

+ Ngõ vào analog có thể thay đổi chức năng: 1 ngõ vào điện áp AI1 (- 10V đến 10V); 1 ngõ vào dạng điện áp và dòng điện AI2 (0 – 10V hoặc 0 – 20mA).

+ Ngõ ra dạng cực C để hở hoặc ngõ ra xung tốc độ cao: 1 ngõ ra + Ngõ ra dạng relay: 2 relay

+ Ngõ ra analog: 2 ngõ ra analog

Dòng inverter CHF100A hãng INVT

* Cài đ t biềến tầền INVT CHF100Aặa) Thông số cơ bản.

b) Thông số điều khiển khởi động, dừng

c) Thông số động cơ

d) Nhóm các chân điều khiển ngõ vào

e) Nhóm các chân ngõ ra

f) Nhóm thông số bảo vệ