bài tập dài tìm hiểu động cơ dc công suất lớn khởi động mềm biến tần

Thông qua việc thay đổ ầi t n s cố ủa dòng điện xoay chi u, ề biến tần là thi t bế ị dùng để thay đổi và điều ch nh tỉ ốc độ động cơ xoay chiều.. Như vậy, người dùng chỉ cần thực hiện th

ĐẠI H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ ỘTrường Điện Điện Tử –

2

MỤC LỤC

CHƯƠNG I TÌM HIỂU VỀ BIẾN TẦN 4

I KHÁI QUÁT BIẾN TẦN VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA BIẾN TẦN 4

II PHÂN LO I BI N T N 6Ạ Ế Ầ 1 Biến t n trầ ực tiếp 6

2 Biến t n gián ầ tiếp 8

III SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TẦN 10

1 Cấu trúc cơ bản của m t b bi n tộ ộ ế ần 10

2 Nguyên lý hoạt động 10

IV MỘT SỐ BIẾN T N PHẦ Ổ BIẾN TRÊN TH TRƯỜNG 11 Ị 1 Biến t n MICROMASTER420 SIEMENSầ – 11

2 Bi n t n ACS 550 ABBế ầ – 18

Bảng điều khiển cơ bản 21

3 Biế ần t n Misubishi E700 22

CHƯƠNG II TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ DC CÔNG SUẤT LỚN 33

I TỔNG QUAN V DC MOTOR DRIVE 33Ề 1 Khái niệ 33 m 2 Nguyên lý hoạt động 34

3 Các thành ph n cầ ủa DC-Drive 35

4 Ưu điểm và nhược điểm của DC-Drive 37

5 Các thông s c n quan tâm c a b DC driveố ầ ủ ộ 37

II GIỚI THI U V M T SỐ THI T B DC DRIVE 38Ệ Ề Ộ Ế Ị 1 DCS 550 ABB 38

2 SIEMENS SIMOREG 6RA70 44

CHƯƠNG III TÌM HIỂU VỀ KHỞI ĐỘNG MỀM 55

KHÁI NIỆM 55

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ C U T O 55Ấ Ạ 1 C u t o c a khấ ạ ủ ởi động mềm 55

2 Nguyên lý hoạt động 55

ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG 57

1 Ưu và nhược điểm của khởi động mềm 57

2 ng dỨ ụng 58

CÁC LOẠI KHỞI ĐỘNG M M PHỀ Ổ BIẾN TRÊN THỊ TRƯỜNG 58

1 Khởi động mềm ATS48 - SCHNEIDER ELECTRIC 58

2 Khời độ ng m m 3RW30ề 65

3 Khởi động m m PCS - ABBề 66

CHƯƠNG I TÌM HIỂU VỀ BIẾN TẦN

Biến tần là thi t bế ị được s d ng ph bi n trong các ngành s n xu t và các khu công ử ụ ổ ế ả ấnghiệp ch bi n ch t o, ngày nay thiế ế ế ạ ết bị này đã trở nên quen thuộc mỗi khi nhắc đến

Nó là thi t bế ị dùng để thay đổ ầi t n s cố ủa dòng điện xoay chi u, t t n s này thành ề ừ ầ ốtần số khác có thể điều chỉnh được Thông qua việc thay đổ ầi t n s cố ủa dòng điện xoay chi u, ề biến tần là thi t bế ị dùng để thay đổi và điều ch nh tỉ ốc độ động cơ xoay chiều Như vậy, người dùng chỉ cần thực hiện thao tác đơn giản là điều chỉnh tần số thì đã có thể tự do và liên tục thay đổ ốc đội t quay của động cơ một cách linh hoạt và hiệu qu ả

Biến t n có 5 tác d ng chính sau: B o vầ ụ ả ệ động cơ, Giảm hao mòn cơ khí, Tiết kiệm điện, Nâng cao năng suất, Đáp ứng yêu cầu công nghệ

1 Bảo vệ động cơ Biế ần t n có th ể thay đổi tốc độ động cơ dễ dàng, bởi vậy dòng khởi

động của động cơ sẽ không vượt quá 1,5 lần so v i dòng khớ ởi động truyền thống bằng sao-tam giác, 4~6 lần dòng định mức.Biế ần thườn t ng có hệ thống điệ ử ản t b o v quá ệdòng, b o v cao áp và th p áp, t o ra m t h ả ệ ấ ạ ộ ệ thống an toàn khi v n hành ậ

2 Giảm hao mòn cơ khí Biến t n giúp quá trình khầ ởi động t từ ốc độ thấp giúp cho động cơ mang tải lớn không phải khởi động đột ngột, tránh hư hỏng phần cơ khí, ổtrục, tăng tuổi thọ động cơ

3 Tiết kiệm điện Nhờ ễ dàng thay đổ ốc độ d i t cho nên bi n t n có thế ầ ể tiết kiệm điện năng cho các tải thường không cần phải chạy hết công suất.Tiết kiệm điện 20-30 phần trăm so với hệ thống khở ội đ ng truyền th ng ố

4 Nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm Biế n t n có thầ ể giúp động cơ chạy nhanh hơn, thông thường là 54-60Hz, bình thường là 1500v/p với 50Hz, khi có biến tần thì 1800v/p với 60Hz, giúp tăng sản lượng đầu ra cho máy, tăng tốc độ cho các quạt thông gió

5 Cải ti n công nghế ệ Nhờ nguyên lý làm vi c chuyệ ển đổi nghịch lưu qua diode và tụđiện nên hệ s cosphi đạố t ít nhất là 0.96, công suất phản kháng từ động cơ rất thấp, gần như được bỏ qua, do đó giảm được dòng đáng kể trong quá trình hoạt động, giảm chi phí trong lắp đặt tủ t bù, giụ ảm thiểu hao hụt đường giây

Trong th c t có r t nhi u hoự ế ấ ề ạt động trong công nghi p có liên quệ an đế ốc độ động n t

cơ điện Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha tr n nguyên liộ ệu, máy ly tâm định hình khi đúc…Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện hay áp các thông s mố ạch như điệ trởn ph , ụ thay đổi từ thông … Từ đó

5

tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ Có hai phương pháp để điều ch nh t c ỉ ố độ động cơ:

+ Biến đổi các thông s c a b phố ủ ộ ận cơ khí tức là biến đổ ỷ ố truyềi t s n chuy n ti p t ể ế ừ

trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuấ t

+ Biế đổ ố độn i t c góc c a ng ủ độ cơ điện Phương pháp này làm gi m ả tính phức tạp của

cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độđộng cơ theo phương pháp này

Khảo sát cho th y: ấ

+ Chi m 30% th ế ị trường bi n t n là các bế ầ ộ điều khi n moment ể

+ Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ng d ng qu t gió, ứ ụ ạtrong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm 45%

là các ứng dụng bơm, chủ ế y u là trong công nghi p n ng ệ ặ

+ Nâng c p c i t o các hấ ả ạ ệ thống bơm và quạ ừ ệ điềt t h u khi n tể ốc độ không đổi lên h ệtốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từ việc tiết gi m nhiên liả ệu điện năng tiêu thụ.Tính h u d ng c a bi n t n trong các ng d ng ữ ụ ủ ế ầ ứ ụbơm và quạt

+ Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc đ ộBơm và Quạt

+ Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van

+ Giảm tiếng n công nghi p ồ ệ

+ Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc đ ộđộng cơ

+ Giúp ti t kiế ệm điện năng tối đa

+ Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần số ngu n cung c p ồ ấ cho động cơ để thay đổi t c ố độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số ngu n cung c p thì có thồ ấ ể thực hi n vi c biệ ệ ến đổi này theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử Trước kia, khi công nghệ chế ạ t o linh ki n bán dệ ẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp Ưu điểm chính c a các thi t b d ng này sóng dủ ế ị ạ là ạng điện áp ngõ ra r t t t (ít hài) và công suấ ố ất lớn (so với bi n t n hai b c dùng linh ki n bán dế ầ ậ ệ ẫn) nhưng còn nhiều h n chạ ế như: Giá thành cao do ph i dùng máy bi n áp công su t l n T n ả ế ấ ớ ổ thất trên bi n áp chiế ếm đến 50% t ng t n th t trên hổ ổ ấ ệ thống nghịch lưu Chiếm di n tích lệ ắp đặt lớn, dẫ đến khó n khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo trì cũng như thay mới Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra do có hiện tượng bão hoà

từ của lõi thép máy bi n áp Ngoài ra, các h truy n ế ệ ề động còn nhi u thông s khác c n ề ố ầđược thay i, giám sát đổ như: điện áp, dòng đi n, khệ ởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … mà chỉ có bộ biế ần t n s d ng ử ụ các thiế ịt b bán d n thích h p ẫ là ợnhất trong trường hợp này

II PHÂN LO ẠI BIẾ N T N Ầ

Biến tần thường được chia làm hai lo ại:

Biến t ần trực tiếp và biế n t ần gián ti p ế

1 Biến tần tr c p ự tiế

Biến t n tr c ti p là b biầ ự ế ộ ến đổ ầi t n số trực ti p tế ừ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian m t chi u T n sộ ề ầ ố ra được điều ch nh ỉ nhảy cấp và nhỏ hơn tần s ốlưới ( f1 < flưới ) Loại biế ần t n này hiện nay ít được sử

dụng

Hình 1.1: Sơ đồ bộ biến tần trực tiếp Biến t n tr c ti p ầ ự ế còn được g i là bi n t n phọ ế ầ ụ thuộc Thường g m các nhóm ồ chỉnh lưuđiều khiển m c ắ song song ngượ choc xung l n ầ lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta có thểnhận được dòng xoay chiề trên ải.u t Trên hình 2.1 biểu diễn bộ bi n t n mế ầ ột pha T ừhình v ta thẽ ấy 6 thyristo được chia thành nhóm: nhóm chung katod (T2 1,T ,T3 5) và nhóm chung anod (T2.T ,T4 6) Nhóm có katod chung s t o n a chu kẽ ạ ử ỳ điệ áp n ra dương Nhóm có anod chung sẽ tạo nửa chu kỳ điệ áp ra âm n Có 2 nguyên tắc điều khiển các nhóm thyristo để ạo điệ t n áp ra:

Điều khiển đồng thời, đó là phương pháp điều khiển khi một nhóm làm vi c ệ ở chế độ

chỉnh lưu ớ v i góc m α thì nhóm kia ở làm ệ vi c chế độ nghị lưu góc mở β Cách điều chkhiển đồng thời có nhược điểm tồn tại dòng cân bằng chạy qu n trong ẩ các pha c a ủnguồn (hoặc bi n ế áp) nhưng dòng liên t c ụ

7

Hình 1.2: Điện áp ra của bộ ế ầ bi n t n trực tiếp

Điều khiển riêng biệt từng nhóm thyristo B n chất cả ủa phương pháp điều khiển riêng

là khi m t nhóm làm vi c thì nhóm kia không làm viộ ệ ệc Để thực hiện phương pháp điều khiển riêng biệt ta phải có b cảm biộ ến dòng đặ ại lối ra của các nhóm thyristo t tĐiện áp ra của b biến t n trực tiếộ ầ p một pha bi u di n trên hình 2.2 ể ễ

Chúng ta s dử ụng sơ đồ trên để lý gi i quan h gi a f và f ả ệ ữ 1 2 Như chúng ta đã biết một

bộ chỉnh lưu toàn thyristo cho ta ud là mộ đườt ng cong gồm q đoạn sinus Đố ới v i bộ chỉnh lưu 3 pha hình tia thì q=3, sơ đồ cầu thì q=6, q được g i là ch sọ ỉ ố chuyển mạch, tức là trong một chu k cỳ ủa điện áp nguồn dòng điệ ải đã bị chuyển ầ ừn t q l n t thyristo này sang thyristo khác Nếu ký hiệu N là số đoạn sinus có chứa trong n a chu kử ỳ điện

áp ra ta có:

Trong đó là khoảng dẫn dòng của m i thyristo do ỗ đó

Với m t hộ ệ thống nhất định q đã xác định, f1 đã xác định thì t n sầ ố f2 hoàn toàn phụ thuộc vào Trong N điều khi n ể riêng biệ để lt ọai trừ ự ố s c 2 bộ chỉnh lưu làm việc đồng thời người ta để một “thời gian chết” giữa thời điểm kết thúc làm việc của

bộ biến đổi này và thời điểm bắt đầu của một bộ biến đổi khác Thời gian chết đó

t0=T1/q Như vậy điện áp xoay chiều U1(f1) ch c n qua mỉ ầ ột van là chuyển ngay ra tải với U2(f2)

Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp chỉ sử dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp Vì việc thay đổi tần số f 2

khó khăn và phụ thuộc vào f 1

2 Biến tần gián p tiế

Biến t n gián tiầ ếp có sơ đồ ấ c u trúc t ng th ổ ể như sau:

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp

Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy điện áp xoay chiều có các thông số (U1,f1) được chuyển thành một chiều nh mờ ạch chỉnh lưu, qua một bộ lọc rồi được bi n tr lế ở ại điệ áp n xoay chiều với điệ áp Un 2, t n s f Vi c biầ ố 2 ệ ến đổi năng lượng hai lần làm gi m hi u suả ệ ất biến t n Song bù l i lo i bi n t n này ầ ạ ạ ế ầ cho phép thay đổi d dàng t n s f không ph ễ ầ ố 2 ụthuộc vào f trong m t d i r ng c1 ộ ả ộ ả trên và dưới f1 vì t n s ra ch phầ ố ỉ ụ thuộc vào mạch điều khiển

Bộ bi n t n này còn g i là biế ầ ọ ến tần độ ậc l p, trong bi n tế ần này đầu tiên điện áp được chỉnh lưu thành dòng một chiều, sau đó qua bộ lọc rồi trở l i dòng xoay chiạ ều vớ ần i t

số f nh2 ờ b nghộ ịch lưu độ ậc l p (quá trình thay đổi f2 không ph thu c vào f ) Khác ụ ộ 1

với b bi n t n tr c ti p vi c chuy n mộ ế ầ ự ế ệ ể ạch được th c hi n nhự ệ ờ lưới điện xoay chiều, trong b ngh ch ộ ị lưu cũng như trong bộ điều áp một chiều, hoạt động của chúng phụ thuộc vào loại ngu n và tồ ả i

9

Việc biến đổi hai l n làm gi m hi u su t bi n t n Tuy nhiên ầ ả ệ ấ ế ầ việc ứng d ng hụ ệ điều khiển s nhố ờ ỹ thuật vi x lý nên ta phát huy tk ử ối đa các ưu điểm c a bi n t n ủ ế ầloại này và thường s d ng nó ử ụ hơn

Do tính ch t c a b l c nên bi n t n gián ti p lấ ủ ộ ọ ế ầ ế ại được chia làm hai loạ ử ụi s d ng nghịch lưu và ngháp ịch lưu dòng

Bộ bi n t n nguế ầ ồn áp có ưu điểm là t o ra dạ ạng dòng điện và điện áp sin hơn, dải biến thiên tần s ố cao hơn nên được sử ụ d ng rộng rãi hơn

Chỉnh lưu: Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chi u Chề ỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc có điều chỉnh Ngày nay đa sốchỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp m t chi u trong ph m vi r ng s ộ ề ạ ộ ẽlàm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi Nói chung chức năng biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua luật điều khiển Trong các bộ biến đổi công su t lấ ớn, người ta thường dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi quá t i Tùy theo t ng ả ầnghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định

Bộ lọc: là bộ ph n không thậ ể thiếu được trong mạch động lực cho phép thành ph n mầ ột chiều c a bủ ộ ỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay ch chiều Nhi m vệ ụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu

Nghịch lưu: Chức năng c a khâu nghủ ịch lưu là bi n ế đổi dòng m t chiộ ều thành dòng xoay chiều có t n s có thầ ố ể thay đổi được và làm vi c v i ph tệ ớ ụ ả đội c lập Nghịch lưu có thể

là một trong ba lo i sau: ạ

+ Nghịch lưu ngu n áp: Trong d ng này, d ng ồ ạ ạ điệ áp ra ả đượ định dạng trước n t i c (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thu c vào tính ch t tộ ấ ải Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ Trong các ứng dụng điều kiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp

+ Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược v i d ng trên, dớ ạ ạng dòng điện ra tải được định hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải Ngu n cung cồ ấp phải là nguồn dòng để đảm

M

Điề u Khi n ể Màn hình hi n th ể ị

Và điều khiển

Cách ly Ngu n ồ

Mạch Kích

Mạch thu thập

Nghịch lưu Lọc

Chỉnh lưu

bảo gi dòng mữ ột chi u ề ổn định, vì v y n u nguậ ế ồn là sức điện động thì phải có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều khiển ổn định dòng điện

+ Nghịch lưu cộng hưởng: Lo i này dùng nguyên t c cạ ắ ộng hưởng khi m ch hoạ ạt động,

do đó dạng dòng điện (hoặc điện áp) thường có dạng hình sin Cả điện áp và dòng điện ra tải phụ thuộc vào tính chất tải

III SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TẦN

1 Cấu trúc cơ bản của mộ t b biến tần ộ

Cấu trúc cơ bản của mộ ột b biến tần như hình

Hình 1.4: Sơ đồ ấu trúc cơ bả c n của biến tần

2 Nguyên lý hoạt động

Tín hiệu vào là điện áp xoay chi u m t pha ho c ba pha Bề ộ ặ ộ chỉnh lưu có nhiệm bi n ếđổi điện áp xoay chiều thành một chi u ề

Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp m t chi u sau chộ ề ỉnh lưu

Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chi u t n s ề có ầ ố

có thể thay i đổ đượ Điện m t c áp ộ chiều được bi n thành ế điện áp xoay chi u nh viề ờ ệc điều khiển m ởhoặc khóa các van công su t theo m t quy luấ ộ ật nhấ địt nh

Bộ điều khi n có nhi m v t o tín hiể ệ ụ ạ ệu điều khi n theo m t luể ộ ật điều khi n nào ể đó đưađến các van công suất trong b nghộ ịch lưu Ngoài nó còn ra có chức năng sau: + Theo dõi s c ự ố lúc vận hành

11

+ X ử lý thông tin từ người sử ụ d ng

+ Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm

mạch đi u khiề ển để ả b o v mệ ạch điều khi n ể

Màn hình hi n thể ị và điều khi n có nhi m v hi n th thông tin hể ệ ụ ể ị ệ thống như tần số, dòng điện, điện áp,… và để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho h ệ thống Các mạch thu thập tín hi u ệ như dòng điệ điện, n áp, nhi t ệ độ,… ế đổi chúng thành tín bi n hiệu thích hợp để mạch điều khi n có th xể ể ử lý được Ngài ra còn có các mạch làm nhiệm v b o v khác ụ ả ệ như ả b o v ệ chống quá áp hay thấp áp đầu vào…

Các mạch điều khi n, thu th p tín hiể ậ ệu đều c n c p ngu n, các nguầ ấ ồ ồn này thường là nguồn điện m t chi u 5, 12, 15VDC yêu cộ ề ầu điện áp c p phấ ải ổn định B ngu n có ộ ồnhiệm vụ t o ra nguạ ồn điện thích hợp đó

Sự ra đời của các bộ vi xử lý có tốc độ tính toán nhanh có thể thực hi n các thu t toán ệ ậphức t p thạ ời gian th c, s phát tri n c a các lý thuyự ự ể ủ ết điều khi n, công ngh s n xuể ệ ả ất

IC có mức độ tích h p ngày càng cao cùng v i giá thành c a các linh ki n ngày càng ợ ớ ủ ệgiảm dẫn đến sự ra đờ ủi c a các b bi n t n ngày càng thông minh có khộ ế ầ ả năng điều khiển chính xác, đáp ứng nhanh và giá thành rẻ

IV MỘ T S BIẾN T N PH Ố Ầ Ổ BIẾ N TRÊN TH Ị TRƯỜNG

• Điện áp định mức ngõ ra: 1/3 pha 220VAC và 3 pha 380VAC tu theo ỳ

điểm, V/f bình phương, điều khiển dòng từ thông FCC

nhiệt động cơ, quá nhiệt biến tần…

…