Đang tải... (xem toàn văn)
CHƯƠNG 1 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 7
Nội dung chính của chương 7
Mục tiêu cần đạt được của chương 7
BÀI 1: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ (Số tiết: 03 tiết) [1] 7
1.1 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 7
1.2 Nguyên lý và quy luật điều khiển khi thay đổi tần số nguồn 8
Trang 31.3 Phương pháp U/f 8
1.3.1 Chế độ làm việc của động cơ khi điều khiển điện áp-tần số không đổi 8
1.3.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển điện áp-tần số không đổi 10
1.4 Phương pháp điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ 11
1.4.1 Nguyên lý điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ 11
1.4.2 Hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ nguồn áp 12
1.4.3 Hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ nguồn dòng 14
CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG I 17
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BIẾN TẦN [1] 18
Nội dung chính của chương 18
Mục tiêu cần đạt được của chương 18
BÀI 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BIẾN TẦN (Số tiết: 03 tiết) [1] 18
2.1 Giới thiệu chung 18
2.2 Phân loại biến tần 19
2.3 Nguyên lý hoạt động và sơ đồ nguyên lý mạch động lực 19
2.3.1 Nguyên lý hoạt động 20
2.3.2 Biến tần gián tiếp nguồn dòng, nguồn áp 21
2.4 Cấu tạo của biến tần 24
2.4.1 Các bộ phận cơ bản 24
2.4.2 Các phụ kiện của biến tần 25
CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG 2 27
CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN 28
Nội dung chính của chương 28
Mục tiêu cần đạt được của chương 28
BÀI 3: BIẾN TẦN MM420 (Số tiết: 03 tiết) [2] 28
3.1 Phương pháp điều khiển biến tần cơ bản 28
3.2 Điều khiển cơ bản với biến tần Siemens [2] 28
3.2.1 Biến tần Siemens MM420 28
3.2.2 Biến tần Siemens MM440 39
Bài 4 BIẾN TẦN OMZON 3G3MV [3] 56
3.3 Biến tần Omron 3G3MV 56
3.3.1 Sơ đồ nguyên lý 56
3.3.2 Các đầu dây điều khiển và mạch lực 58
Trang 43.3.3 Các thông số cài đặt của biến tần 61
3.3.4 Cài đặt biến tần theo phương pháp V/f 67
BÀI 5 BIẾN TẦN ABB ACS150 [4] 71
3.4 Điều khiển cơ bản với biến tần ABB 71
3.4.1 Sơ đồ nguyên lý 71
3.4.2 Các đầu dây điều khiển và mạch lực 72
3.4.3 Các thông số cài đặt của biến tần 74
3.4.4 Cài đặt biến tần theo phương pháp PID 79
BÀI 6 BIẾN TẦN LS IC5 [5] 82
3.5 Biến tần LS-ic5 82
3.5.1 Sơ đồ nguyên lý 82
3.5.2 Các đầu dây điều khiển và mạch lực 84
3.5.3 Các thông số cài đặt của biến tần 85
3.5.4 Cài đặt biến tần theo phương pháp V/f 88
BÀI 7 ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN LS IE5 [6] 90
3.6 Điều khiển cơ bản với biến tần LS-iE5 90
3.6.1 Sơ đồ nguyên lý, thông số ký thuật 90
3.6.2 Cách đấu nối biến tần 92
3.6.3 Các thông số cài đặt 94
BÀI 8 ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN YASKAWA [7] 99
3.7 Điều khiển cơ bản với biến tần yaskawa 99
3.7.1 Sơ đồ nguyên lý 99
3.7.2 Các thông số cài đặt biến tần 103
BÀI 9 ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN MITSUBISHI [8] 108
3.8 Điều khiển cơ bản với biến tần mitsubishi 108
3.8.1 Sơ đồ nguyên lý 108
3.8.2 Cách đấu nối biến tần 109
3.8.3 Các thông số cài đặt 114
BÀI 10 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN NÂNG CAO 117
3.9 Phương pháp điều khiển biến tần nâng cao 117
3.9.1 Phương pháp điều khiển remote sử dụng cổng analog của PLC 117
3.9.2 Phương pháp điều khiển sử dụng PID 119
3.9.3 Phương pháp điều khiển sử dụng cổng truyền thông 121
Trang 53.9.4 Điều khiển nâng cao với biến tần Siemens 122
TÀI LIỆU THAM KHẢO 127
PHỤ LỤC 128
CÁC CÂU HỎI THƯỜNG GẶP 131
Bài thực hành số 1: Thực hành điều khiển cơ bản với biến tần Siemens MM420, MM440 (số tiết: 05 tiết) [1]; [2]; [3]; [6]; [7] 139
Bài thực hành số 2: Điều khiển cơ bản biến tần OMRON 3G3MV (số tiết: 05 tiết) [1]; [2]; [3]; [6]; [7] 146
Bài thực hành số 3: Điều khiển cơ bản với biến tần ABB ACS-150 (số tiết: 05 tiết) [1];[2]; [3]; [6]; [7] 150
Bài thực hành số 4: Điều khiển cơ bản biến tần LS-IC5 (số tiết: 05 tiết) [1]; [2]; [3]; [6]; [7] 156
Bài thực hành số 5: Thực hành điều khiển cơ bản với biến tần Yaskawa J1000 (số tiết:05 tiết) [1]; [2]; [3]; [6]; [7] 162
Bài thực hành số 6: Thực hành điều khiển cơ bản với biến tần Mitsubishi (số tiết: 02 tiết) [1]; [2]; [3]; [6]; [7] 168
Trang 6LỜI MỞ ĐẦU
Bài giảng Điều khiển biến tần động cơ điện xoay chiều được tập thể giảng viênthuộc bộ môn Điều khiển tự động biên soạn nhằm phục vụ cho việc giảng dạy củagiảng viên và học tập của sinh viên Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyềnthông - Đại học Thái Nguyên Tập bài giảng này được biên soạn theo nội dung đềcương chi tiết học phần Điều khiển biến tần động cơ điện xoay chiều ở trình độ đạihọc.
Nội dung tài liệu cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ bản về các loại biếntần; các phương pháp điều khiển biến tần cơ bản và kỹ năng cài đặt, vận hành, đấu nốimạch điện cho hệ truyền động Biến tần - động cơ xoay chiều Sau khi hoàn thành họcphần này, sinh viên có thể điều khiển, vận hành một số loại biến tần ứng dụng trongcông nghiệp Nội dung tài liệu gồm 3 chương:
Chương 1 Điều khiển động cơ không đồng bộChương 2 Cơ sở lý thuyết về biến tần
Chương 3 Điều khiển biến tần
Mặc dù tập thể tác giả đã dành nhiều thời gian và công sức để biên soạn, songkhó tránh khỏi thiếu sót Vậy, chúng tôi kính mong quý thầy cô và các bạn sinh viênđóng góp ý kiến để cuốn bài giảng được hoàn thiện hơn Xin trân trọng cảm ơn!
Trang 7CHƯƠNG 1 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Nội dung chính của chương
- Tìm hiểu về các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ.- Nguyên lý điều khiển tần số.
- Quy luật điều khiển tần số- điện áp không đổi.
Mục tiêu cần đạt được của chương
- Hiểu được các phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều không đồng bộ.- Hiểu được nguyên lý điều khiển khi thay đổi tần số.
BÀI 1: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ (Số tiết: 03 tiết) [1]1.1 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
Hiện nay, trong công nghiệp sử dụng nhiều loại động cơ để truyền động: động cơkhông đồng bộ, động cơ điện một chiều, động cơ đồng bộ… Tuy nhiên, được sử dụngphổ biến trong truyền động vẫn là động cơ không đồng bộ và động cơ điện một chiều.Động cơ không đồng bộ với ưu điểm: sử dụng trực tiếp nguồn điện lưới, cấu tạo đơngiản, giá thành hợp lý, sử dụng và bảo dưỡng dễ dàng Bên cạnh đó, động cơ khôngđồng bộ còn tồn tại một số nhược điểm: Momen mở máy nhỏ, đặc tính mở máy khôngtốt, dòng mở máy lớn, khó điều chỉnh tốc độ, hệ số công suất thấp.
Động cơ một chiều có ưu điểm: Momen khởi động lớn, dễ điều chỉnh tốc độ, khảnăng quá tải tốt và làm việc ổn định khi tải thay đổi, nhưng động cơ một chiều cónhững nhược điểm sau: cấu tạo phức tạp (có chổi than, cổ góp) nên vận hành kémchính xác, không an toàn trong quá trình làm việc Sử dụng nguồn điện một chiều, khókhăn trong công tác bảo dưỡng Giá thành đắt so với động cơ không đồng bộ cùngcông suất.
Tùy yêu cầu cụ thể để chọn loại động cơ phù hợp, nhưng tuy nhiên hiện động cơkhông đồng bộ vẫn được sử dụng phổ biến và để được sử dụng phổ biến, con người đãtập trung nghiên cứu và cải tiến các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ.
Để điều khiển động cơ không đồng bộ, hiện nay có các phương pháp: Điều chỉnhđiện áp đưa vào Stato, thay đổi số đôi cực từ trên mạch stato, thay đổi tần số nguồnđiện đưa vào stato, thay đổi điện trở mạch roto Tuy nhiên các phương pháp điều khiểnkia đều tồn tại những hạn chế và do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi điện tử vàđiện tử công suất, các bộ biến tần ra đời đã mở ra một triển vọng lớn trong lĩnh vực
Trang 8điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp tần số Sử dụng biến tần để điềukhiển động cơ theo các quy luật khác nhau ( quy luật U/f, điều khiển véc tơ ) đã tạora những hệ điều khiển tốc độ motor – động cơ điện có các tính năng vượt trội
1.2 Nguyên lý và quy luật điều khiển khi thay đổi tần số nguồn
Xuất phát từ biểu thức:
60 f
Ta thấy tốc độ đồng bộ của động cơ không đồng bộ có thể thay đổi bằng cáchthay đổi tần số lưới điện f1 Do đó tốc độ của động cơ: n = n1(1-s), cũng thay đổi theo.Khi thay đổi tần số lưới điện f1, ta nhận thấy rằng:
- Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato, tức xem r1 = 0 thì momen tới hạn cực đại củađộng cơ là:
2 f
Xn: Điện kháng tổng của cuộn dây; Xn = ω1Ln (Ln = L1 + L’2)
Thay các biểu thức trên vào biểu thức (1.1) ta có:
22132(2 )
u pM
f L
Đặt:
2232(2 ) n
Thì ta có:
phụ tải tĩnh đối với các đặc tính cơ tĩnh là hằng số
= Const.
Trang 91.3 Phương pháp U/f
1.3.1 Chế độ làm việc của động cơ khi điều khiển điện áp-tần số không đổi.
Chế độ làm việc của động cơ khi điều khiển điện áp – tần số không đổi đượcphân tích trên cơ sở giả thiết: điện áp stato động cơ có dạng hình Sin đối xứng ở bapha, có trị số biên độ và tần số không đổi Với giả thiết đó có thể bỏ qua hiệu ứng bềmặt; điện trở stato không đổi, điện trở tù hóa có thể bỏ qua, do đó nhánh mạch điện từhóa chỉ gồm điện kháng từ hóa (Xm) Sức điện động stato Es sinh ra bởi từ thông khehở sẽ nhỏ hơn điện áp stato một lượng sụt áp trên trở kháng tản từ stato (Rs +jXsб)Is.Do bỏ qua các thành phần sóng hài của sức từ động, nên từ thông khe hở sẽ có dạnghình sin và từ thông móc vòng mỗi vòng dây stato cũng là hàm hình sin.
Mặt khác, từ thông móc vòng qua một vòng dây stato có dạng: Ф = Фmsinωst.Trong đó: s 2 fs : Tần số góc của điện áp nguồn cung cấp.
Sức điện động ứng với mỗi vòng dây stato: es s mcos ts
Và trị số hiệu dụng sức điện động stato: Es 4, 44K f N w s 1 mVới: N1: là số vòng dây nói tiếp của 1 pha; Kw: là hệ số dây quấn.
Từ các biểu thức trên ta thấy rằng Фm sẽ tỉ lệ với tỉ số
hoặc
Khi điều khiển tần số, nếu giữ từ thông khe hở không khí không đổi thì động cơsẽ được sử dụng hiệu quả nhất, tức là có khả năng sinh momen lớn nhất Từ thông khe
hở không khí không đổi khi duy trì tỉ số
f không đổi Nếu sụt áp trên trở kháng tảntừ bé có thể bỏ qua thì sức điện động Es sẽ xấp xỉ bằng điện áp Us Do đó, từ thông khehở sẽ được duy trì gần không đổi khi duy trì tỉ số Us/fs hằng số Đây là nội dung cơ bảncủa luật điều khiển điện áp – tần số không đổi và phương pháp điều khiển này được sửdụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển hở đơn giản Tuy nhiên, ở vùng tần sốthấp, sụt áp trên trở kháng tản từ lớn nên từ thông khe hở sẽ giảm, khả năng sinhmomen của động cơ sẽ giảm.
Momen của động cơ được tính theo biểu thức:
Trang 10/3 ( )
X[R - (X X -X )] [X + ]
- Us: điện áp đặt vào stato.
- ωs: tần số góc của điện áp nguồn cung cấp.- ωsl: tần số góc của roto.
- Xm: điện kháng từ hóa- Rr: điện trở roto- Rs: điện trở stato.
- Xs = Xsб + Xm: điện kháng tổng stato- Xr = Xrб + Xm: điện kháng tổng roto
Với luật điều khiển tần số điện áp không đổi, ở vùng tần số cao, momen tới hạncó trị số gần như không phụ thuộc tần số nếu tỉ số Rs/fs Khi tần số giảm, từ thông khehở không khí sẽ giảm do sụt áp trên điện trở stato ứng với dòng định mức không đổivới mọi tần số Kết quả là momen tới hạn động cơ sẽ giảm, đặc biệt sẽ giảm nhanh ởvùng tần số thấp.
Các phân tích về lý thuyết và kết quả mô phỏng ở trên cho thấy, khi điều chỉnhđiện áp- tần số không đổi; từ thông động cơ chỉ được duy trì hằng số khi sụt áp trêndây quấn stato nhỏ có thể bỏ qua Trong áp dụng thực tế, do điện trở stato không thểbỏ qua nên sụt áp trên điện trở stato với dòng điện định mức sẽ không đổi khi giảmtần số, trong khi sụt áp trên điện kháng giảm theo tần số Do đó sụt áp trên điện trở sẽchiếm tỉ lệ lớn ở tần số nhỏ, sẽ ảnh hưởng lớn đến từ thông khe hở Dẫn đến momencủa động cơ giảm nhiều.
Trong trường hợp tổng quát, với đặc tính điện áp- tần số cố định sẽ khó duy trìđược từ thông khe hở không đổi khi phụ tải động cơ thay đổi, vì sụt áp trên stato làhàm của dòng điện stato Is Để khắc phục vấn đề này, điện áp động cơ có thể được điềuchỉnh tăng tỉ lệ vớ biên độ dòng điện động cơ ở vùng tần số thấp.
1.3.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển điện áp-tần số không đổi
Sơ đồ khối hệ thống truyền động biến tần- động cơ không đồng bộ với điều khiểnđiện áp- tần số được thể hiện ở Hình 1 1 dưới đây:
Trang 11Hình 1.1 Sơ đồ khối biến tần- động cơ
Mạch lực gồm một bộ chỉnh lưu điều khiển một pha hoặc ba pha, bộ lọc và bộnghịch lưu dạng sóng xung vuông Tín hiệu tần số đặt ωsđ khi bỏ qua tần số trượt sẽ làtín hiệu đặt tốc độ Tín hiệu điều khiển điện áp Usđ được tính từ tín hiệu tần số nhờkhâu tỉ lệ với hệ số G Ở chế độ làm việc xác lập, từ thông khe hở Фo sẽ xấp xỉ tỉ lệ
với tỉ số
định mức Trị số tín hiệu điện áp đặt Uo* tương ứng với trị số điện áp banđầuUo của động cơ đảm bảo động cơ tạo ra từ thông khe hở và momen tại tần số bằngkhông Ở chế độ làm việc xác lập, khi momen phụ tải tăng, trong vùng đặc tính làmviệc ổn định, độ trượt sẽ tăng và trạng thái làm việc ổn định của động cơ tương ứngvới sự cân bằng momen động cơ và momen phụ tải Nếu tín hiệu tần số đặt lớn hơn tầnsố định mức, điện áp bộ chỉnh lưu sẽ đạt giá trị lớn nhất và không đổi, động cơ sẽchuyển chế độ làm việc từ vùng momen không đổi sang vùng giảm từ thông: từ thôngkhe hở sẽ giảm, do đó momen động cơ sẽ giảm khi cùng giá trị dòng điện stato.
Ở hệ thống điều khiển điện áp vòng hở, từ thông khe hở sẽ thay đổi theo sự biếnthiên điện áp nguồn Đặc tính cơ lý tưởng với momen tới hạn không đổi ở vùng tần sốdưới định mức, khi động cơ tăng tốc và giảm tốc Do đó, để đảm bảo quá trình tăng tốcvà giảm tốc động cơ ổn định, tần số động cơ cần được thay đổi chậm và trơn sao chođộ trượt không vượt quá trị số tới hạn.
1.4 Phương pháp điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ
1.4.1 Nguyên lý điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ
Trong kỹ thuật điện, điều chế vector không gian (vector Control), còn gọi làđiều khiển tốc độ tựa từ thông (Field Oriented Control - viết tắt là FOC), là một
Trang 12phương pháp điểu khiển tần số (VFD) dòng điện của stator trong các đông cơ điệnxoay chiều 3 pha được chiếu bởi hai thành phần vuông góc, 2 thành phần này có thểbiểu diễn được trên vector không gian Thành phần thứ nhất xác định từ thông trênrotor của động cơ, Thành phần thứ hai xác định mô men quay Khi đó, việc xác địnhmomen điện từ của động cơ không đồng bộ sẽ tương tự như của động cơ điện mộtchiều kích từ độc lập.
Mđt= KФIư
K: hệ số phụ thuộc vào cấu trúc của động cơ
Như vậy, momen điện từ có thể được điều khiển bằng cách điều khiển riêng rẽhai thành phần: thành phần tạo từ thông và thành phần tạo momen của dòng điện stato.Điều này cũng tương tự như điều khiển riêng rẽ mạch điện phần ứng và mạch kích từcủa động cơ điện một chiều kích từ độc lập Điều khiển vectơ có thể được thực hiệnvới cả hệ thống động cơ không đồng bộ - biến tần nguồn áp hoặc nguồn dòng Băngphương pháp điều khiển vectơ chúng ta có thể xay dựng được một hệ thống truyềnđộng điện có chất lượng điều khiển rất cao ở cả bốn góc phần tư.
1.4.2 Hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ nguồn áp
Hệ thống được mô tả ở Hình 1 2 dưới Ở đây sẽ sử dụng mạch tách, mạchtách này sẽ sử dụng các thành phần trục dọc và trục ngang của dòng điện stato trong hệtrục tọa độ gắn với từ thông roto Mạch cũng có mạch vòng kín để điều khiển vị trí củaroto, tốc độ, momen điện từ và từ thông của roto.
Trên Hình 1 2, động cơ không đồng bộ được một biến tần nguồn áp điềukhiển Tuy nhiên, điện áp đầu ra của biến tần vẫn còn có các sóng đa hài bậc cao Điềunày sẽ gây tổn thất cho máy điện Mặt khác, tổn thất điều hòa của máy điện được xácđịnh bởi giá trị hiệu dụng của các dòng điều hòa.
Trang 13Hình 1.2 Hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ nguồn áp
Do đó, chúng ta phải tìm cách làm giảm giá trị của những dòng này để giảm tốtthất Dẫn đến một phương pháp mới có tên là phương pháp dòng điều hòa tối thiểu Cơsở của phương pháp này là xác định ngoại tuyến giản đồ đóng cắt tối ưu cho bộ biếntần ở trạng thái xác lập Như vậy với phương pháp mới này, chúng ta có thể đạt đượctối ưu chỉ ở chế độ xác lập Hơn nữa khi hệ thống hoạt động ở tần số thấp phươngpháp ngoại tuyến không tỏ ra có hiệu quả cao lắm Do vậy, người ta sử dụng phươngpháp điều khiển trực tuyến Điều này sẽ đảm bảo đạt được giá trị momen tuần hoàn tốithiểu với tần số đóng cắt tối thiểu Khi giảm được tần số đóng cắt của bộ biến tần sẽnâng cao được hiệu suất của hệ thống truyền động điện do giảm được tổn thất khi đóngcắt Điều này rất có ý nghĩa khi sử dụng tiristor với chuyển mạch cưỡng bức.
Bằng mô hình từ thông trên hình vẽ, chúng ta sẽ xác định được góc r Đạilượng này sẽ được sử dụng để tính toán trong các khối ejr
và e jr
Từ mô hình nàychúng ta xác định được tốc độ góc của từ thông roto mr và modun của dòng từ hóaroto imr Momen điện từ được xác định nhờ modun của vecto không gian dòng từ hóaroto.
Trang 14Giá trị ban đầu của bộ điều khiển vị trí, thường là loại P do tốc độ roto rbằngđạo hàm bậc một theo thời gian của góc quay roto, sẽ là giá trị đặt của tốc độ roto Bộđiều khiển tốc độ, thường là loại PI, sẽ cho ra các giá trị đặt của momen điện từ teđ vàsau bộ điều khiển momen, thường cũng là bộ PI, chúng ta sẽ thu được giá trị đặt củathành phần trục dọc dòng stato trong hệ trục tọa độ gắn với từ thông roto Với tần sốcao, khi không thể tăng được điện áp stato, máy điện sẽ phải làm việc ở trạng tháithiếu từ trường Điều này chúng ta có thể đạt được nhờ khâu tạo hàm FG Đầu ta củakhâu này sẽ là giá trị đặt của modun của vectơ không gian dòng từ hóa roto Giá trị nàysẽ phụ thuộc vào tốc độ của máy điện Giá trị đặt này sẽ được so sánh với giá trị thựctế của dòng từ hóa roto và sai số sẽ là đầu vào của bộ điều khiển từ thông, một bộ điềukhiển PI Đầu ra của bộ điều khiển từ thông sẽ là thành phần trục ngang của dòng statotrong hệ trục tọa độ gắn với từ thông roto Trên hình vẽ chúng ta có thể nhận thấy, bộđiều khiển momen đã đóng một vai trò tương tự như bộ điều khiển thành phần trục dọcdòng stato Do vậy, chúng ta có thể không cần sử dụng bộ điều khiển dòng này vàmạch phản hồi isy Như vậy, chỉ còn mạch phản hồi momen Mặt khác, giá trị nàycũng tỉ lệ với thành phần trục dọc dòng stato khi điện cảm từ hóa là hằng số.
1.4.3 Hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ nguồn dòng
Như ta đã biết, modun của vectơ không gian dòng Stato is tỉ lệ với dòng điệntrong mạch một chiều của biến tần Tuy nhiên góc không gian của vectơ không giandòng stato sđược xác định do hoạt động của bộ nghịch lưu Do luôn chỉ có dòng điệnchảy trong2 pha của stato, quỹ tích của đầu mút vectơ không gian dòng điện stato làmột hình sao sáu đỉnh với bán kính bằng giá trị của dòng điện trong mạch một chiều.Nhưng nếu có dòng chảy trong cả bap ha của stato thì quỹ tích sẽ là một đa giác nối tấtcả các điểm cuối của hình sao sáu đỉnh đó.
Ngoài thời gian chuyển mạch, trạng thái đóng cắt của biến tần được đặc trưng
bởi ej, trong đó góc β thay đổi gián đoạn bằng cách thêm từng 3
Tín hiệu điềukhiển đóng cắt các van của biến tần có thể được xây dựng bằng cách ứng dụng bộ đếmtròn 2 chiều sáu bước Phương pháp này được thể hiện ở hình vẽ 1.3:
Trang 15Hình 1.3 Hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ nguồn dòng
Giá trị tức thời của tốc độ góc ωr và của góc quay r được đo nhờ bộ cảm biến.Giá trị thực của góc quay roto r được so sánh với giá trị đặt td Sai số được đưa vàobộ điều khiển vị trí loại PI Đầu ra của bộ điều khiển vị trí là giá trị đặt của tốc độ roto
Giá trị này lại được so sánh với giá trị thực và sai số là đầu vào của bộ điều khiểntốc độ cũng loại PI Đầu ra của bộ điều khiển này là giá trị đặt của momen điện từ teđ.Giá trị đặt được so sánh với giá trị thực te để đưa vào bộ điều khiển momen loại PI màđầu ra của nó là giá trị đặt của thành phần trục dọc dòng điện stato trong hệ trục tọa độgắn với từ thông roto.
Thành phần trục ngang của dòng điện stato trong hệ trục tọa độ gắn với từ thôngroto là đầu ra của bộ điều khiển từ thông, cũng loại PI, mà đầu ra là sai lệch giữa giá trịđặt dòng từ hóa roto imrđ và giá trị thực imr Giá trị đặt imrđ chính là đầu ra của khối tạohãm FG với đầu vào là tốc độ roto đo được.
Hai thành phần trục ngang và trục dọc của dòng stato trong hệ trục tọa độ gắn vớitừ thông roto được đưa vào khối RP để xác định modun isđ và góc không gian sdcủa vectơ không gian dòng stato trong hệ trục tọa độ gắn với từ thông roto.
Trang 16Giá trị dòng stato đo được, cùng với giá trị tốc độ roto đo được là đầu vào củamô hình từ thông Đầu ra của mô hình từ thông là modun vectơ không gian dòng từhóa imr, thành phần tạo momen của dòng stato isy và vị trí không gian của vectơ từthông móc vòng roto r Momen điện từ được xác định bằng cách nhân thành phần
tạo momen của dòng stato với 22
được xác định bằng hằng số thời gian TD =
R Có thể giải quyết vấn đề này và tăngnhanh phản ứng dòng bằng cách thêm vào bộ điều khiển dòng điện một chiều khâu tạohàm để bù ảnh hưởng của sức điện động cảm ứng
Trang 17CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG I
Câu 1 Có mấy cách để điều khiển thay đổi tốc độ động cơ xoay chiều KĐB 3 pha? Câu 2 Nêu nguyên tắc phương pháp điều khiển điện áp U1
Câu 3 Nêu phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha bằng cách thay đổi
điện trở mạch roto?
Câu 4 Nêu nguyên lý và quy luật điều khiển khi thay đổi tần số nguồn là gì?Câu 5 Nêu cấu trúc hệ thống điều khiển điện áp - tần số không đổi?
Câu 6 Trình bày nguyên lý điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ 3 pha?
Câu 7 Nêu cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ nguồn dòng?Câu 8 Nêu cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ nguồn áp?Câu 9 Nêu phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi số đôi
cực từ phụ.
Câu 10 Nêu phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện
trở/ điện kháng mạch startor?
Trang 18CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BIẾN TẦN [1]
Nội dung chính của chương
- Giúp sinh viên hiểu được khái niệm về biến tần Cấu tạo, nguyên lý làm việc, phânloại biến tần.
Mục tiêu cần đạt được của chương
- Giúp sinh viên phân biệt các loại biến tần trực tiếp, gián tiếp, biến tần nguồn dòng và
nguồn áp Biết được nguyên lý điều khiển biến tần.
BÀI 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BIẾN TẦN (Số tiết: 03 tiết) [1]2.1 Giới thiệu chung
Ngày nay biến tần là một thiết bị được sử dụng phổ biến trong các dây chuyềncông nghiệp Đặc biệt là trong các hệ tryền động xoay chiều có sử dụng động cơ điệnxoay chiều thì biến tần là thiết bị thường được lựa chọn Biến tần là thiết bị biến đổinguồn điện xoay chiều có tần số f1 thành nguồn điện xoay chiều có tần số f2 thay đổiđược Biến tần là thiết bị dùng để thay đổi và điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều 3pha thông qua việc thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều 3 pha.
Ví dụ biến tần có thể thay đổi từ tần số 0Hz lên đến 400Hz, hoặc thậm chí một sốbiến tần còn làm thay đổi lên đến 590Hz và hơn nữa
Nói cách khác: Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dâybên 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 đóngngắt tuần tự dòng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoaylàm quay động cơ Các biến tần có thể điều chỉnh tốc độ động cơ từ chậm đếnnhanh tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, giúp cho động cơ hoạt động hiệu quả hơn.
Ứng dụng: Biến tần được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp đểđiều khiển tốc độ động cơ, đảo chiều quay, giảm dòng khởi động, giảm độ rung và tiếtkiệm năng lượng Bộ biến tần thường được sử dụng để điều khiển vận tốc động cơxoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo đó tần số của lưới nguồn sẽ thayđổi thành tần số biến thiên Ngoài việc thay đổi tần số còn có sự thay đổi tổng số pha.Từ nguồn lưới một pha, với sự giúp đỡ của bộ biến tần ta có thể mắc vào tải động cơba pha Bộ biến tần còn được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật nhiệt điện Bộ biến tầntrong trường hợp này cung cấp năng lượng cho lò cảm ứng.
Trang 192.2 Phân loại biến tần
Biến tần được phân thành rất nhiều loại theo nhiều cách khác nhau: Theo nguyênlý làm việc, sơ đồ cấu trúc mạch điện, theo số pha,…
Theo nguyên lý làm việc, biến tần được chia ra làm hai loại chính là: Biến tần
quay và biến tần tĩnh Trong đó biến tần quay là loại máy phát điện xoay chiều và biến
tần tĩnh là loại biến tần được chế tạo từ các linh kiện điện tử bán dẫn công suất Có hailoại biến tần tĩnh thường gặp đó là biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp.
Theo sơ đồ cấu trúc mạch điện, biến tần được chia ra làm hai loại chính:
- Biến tần trực tiếp: biến đổi trực tiếp điện áp lưới với tần số công nghiệp thành điệnáp đầu ra có giá trị và tần số thay đổi loại này ít được sử dung.
- Biến tần gián tiếp: biến đồi điện áp xoay chiều với tần số công nghiệp thành nguồnđiện một chiều, sau đó biến đổi điện áp một chiều này thành điện áp xoay chiều với giátrị và tần số thay đổi ở đầu ra.
Theo tổng số pha nguồn cấp, Biến tần được phân chia thành các loại như sau: - Biến tần một pha: Nguồn cấp là lưới điện 1 pha 220V, tín hiệu đầu ra là 3 pha 220V.- Biến tần ba pha: Nguồn cấp đầu vào là lưới điện 3 pha 380V và đầu ra là 380V Đaphần các loại biến tần ngày nay đều là loại này.
Trong chương trình cũng như trong công nghiệp, hiện nay chủ yếu dùng biến tầntĩnh loại gián tiếp một pha hoặc ba pha.
2.3 Nguyên lý hoạt động và sơ đồ nguyên lý mạch động lực
Cấu tạo của bộ biến tần gián tiếp gồm có bộ chỉnh lưu với chức năng chỉnh lưuđiện áp xoay chiều với tần số cố định ở ngõ vào và bộ nghịch lưu thực hiện việcchuyển đổi điện áp (hoặc dòng điện) chỉnh lưu sang dạng áp hoặc dòng xoay chiều ởngõ ra Bằng cấu trúc như trên, ta có thể điều khiển tần số ra một cách độc lập khôngphụ thuộc tần số vào
Các bộ biến tần gián tiếp thường hoạt động với công suất khoảng từ kW đến vàitrăm kW Phạm vi hoạt động của tần số khoảng vài phần chục Hz đến vài trăm Hz.Công suất tối đa của chúng có thể lên đến vài MW và tần số tối đa khoảng vài chụckHz (trong kỹ thuật nhiệt điện - lò cao tần).
Trang 202.3.1 Nguyên lý hoạt động
Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của biến tần
Nguyên lý cơ bản làm việc của biến tần cũng khá đơn giản Đầu tiên, nguồn điệnxoay chiều một pha hay ba pha được chỉnh lưu và được đưa qua khâu lọc thành nguồnmột chiều bằng phẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụđiện Điện áp một chiều ở trên sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều3 pha đối xứng Ban đầu, điện áp một chiều được tạo ra sẽ được trữ trong giàn tụ điện.Điện áp một chiều này ở mức rất cao.
Tiếp theo, thông qua trình tự kích hoạt đóng mở IGBT (IGBT là từ viết tắt củaTranzito Lưỡng cực có Cổng Cách điện hoạt động giống như một công tắc bật và tắtcực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của Biến tần) của Biến tần sẽ tạo ra một điện ápXoay chiều ba pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).
Hình 2.5 Dạng điện áp và dòng điện đầu ra của biến tần
Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần sốchuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số cao nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ vàgiảm tổn thất trên lõi sắt động cơ Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thểthay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển (khi cần tăng hoặc giảmtốc độ của động cơ) Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định
Trang 21tuỳ theo chế độ điều khiển Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp - tần số làkhông đổi.
Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4 Điện áp là hàm bậc 4của tần số Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêucầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men 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 linhkiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại Nhờ vậy, năng lượngtiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi 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 vàgiám sát trong hệ thống SCADA.
2.3.2 Biến tần gián tiếp nguồn dòng, nguồn áp.
a Biến tần gián tiếp nguồn áp:
Hình 2.3 trình bày sơ đồ nguyên lý của biến tần gián tiếp nguồn áp:
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý biến tần gián tiếp nguồn áp
Mạch trung gian một chiều: có chứa tụ lọc với điện dung khá lớn Cf (khoảng
vài ngàn F) mắc vào ngõ vào của bộ nghịch lưu Điều này giúp cho mạch trung gianhoạt động như nguồn điện áp Tụ điên cùng với cuộn cảm Lf của mạch trung gian tạothành mạch lọc nắn điện áp chỉnh lưu Cuộn kháng Lf có tác dụng nắn dòng điện chỉnhlưu Trong nhiều trường hợp, cuộn kháng Lf không xuất hiện trong cấu trúc mạch vàtác dụng nắn dòng của nó có thể được thay thế bằng cảm kháng tản máy biến áp cấpnguồn cho bộ chỉnh lưu Do tác dụng của diode nghịch đảo bộ nghịch lưu, điện áp đặttrên tụ chỉ có thể đạt các giá trị dương Tụ điện còn thực hiện chức năng trao đổi năng
Trang 22lượng ảo giữa tải của bộ nghịch lưu và mạch trung gian bằng cách cho phép dòng id2thay đổi chiều nhanh không phụ thuộc vào chiều của dòng id1
Bộ nghịch lưu áp: dạng một pha hoặc ba pha Quá trình chuyển mạch của bộ
nghịch lưu áp thường là quá trình chuyển đổi cưỡng bức Trong trường hợp đặc biệt bộnghịch lưu làm việc không có quá trình chuyển mạch hoặc với quá trình chuyển mạchphụ thuộc bên ngoài Từ đó, ta có hai trường hợp bộ biến tần với quá trình chuyểnmạch độc lập và quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài
Bộ chỉnh lưu: có nhiều dạng khác nhau, mạch tia, mạch cầu một pha hoặc ba
pha Thông thường ta gặp mạch cầu ba pha Nếu như bộ chỉnh lưu một pha và bộnghịch lưu ba pha, bộ biến tần thực hiện cả chức năng bộ biến đổi tổng số pha
Khi áp dụng phương pháp điều khiển theo biên độ cho điện áp tải xoay chiều rabộ chỉnh lưu phải là bộ chỉnh lưu điều khiển
Thông thường, bộ chỉnh lưu có dạng không điều khiển, bao gồm các diode mắcdạng mạch cầu Độ lớn điện áp và tần số áp ra của bộ nghịch lưu còn có thể điều khiểnthông qua phương pháp điều khiển xung thực hiện trực tiếp ngay trên bộ nghịch lưu Ởchế độ máy phát của tải (chẳng hạn khi hãm động cơ không đồng bộ), năng lượng hãmđược trả ngược về mạch một chiều và nạp cho tụ lọc Cf Năng lượng nạp về trên tụ làmđiện áp nó tăng lên và có thể đạt giá trị lớn có thể gây quá áp Để loại bỏ hiện tượngquá điện áp trên tụ Cf, một số biện pháp sau đây có thể thực hiện Phương pháp đơngiản nhất là tác dụng đóng mạch xả điện áp trên tụ qua một điện trở mắc song song vớitụ Việc đóng mạch xả tụ thực hiện nhờ công tắc bán dẫn S (chẳng hạn điều khiển áptụ giữa hai giá trị biên) dựa theo kết quả so sánh tín hiệu điện áp đo được trên tụ vớimột giá trị điện áp đặt trước cho phép
Một biện pháp khác là thực hiện đưa năng lượng quá áp trên tụ Cf về nguồn lướiđiện xoay chiều Trong trường hợp này, bộ biến tần được trang bị bộ chỉnh lưu kép Khả năng bộ chỉnh lưu kép cho phép thực hiện đảo chiều dòng điện qua bộ chỉnh lưuvà bằng cách này, trong điều kiện chiều điện áp tụ lọc không đổi dấu, năng lượng đượctrả về lưới điện xoay chiều qua bộ chỉnh lưu.
b Biến tần gián tiếp nguồn dòng
Hình 2.4 trình bày sơ đồ nguyên lý của biến tần gián tiếp nguồn dòng:
Trang 23Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý biến tần gián tiếp nguồn dòng
Mạch trung gian chỉ có cuộn cảm Lf (khoảng vài mH) Nhờ nó, mạch trung gianthực hiện chức năng nguồn dòng điện của bộ nghịch lưu Dòng điện của mạch trunggian có chiều không thay đổi Dòng được cuộn cảm nắn thẳng Cuộn cảm còn thựchiện chức năng trao đổi năng lương ảo giữa tải tiêu thụ và mạch trung gian Cuộn cảmtạo điều kiện cho quá trình thay đổi chiều của điện áp ud2 xảy ra nhanh chóng khôngphụ thuộc vào điện áp chỉnh lưu ud1.
Bộ nghịch lưu dòng: một pha hoặc thường gặp hơn ở dạng ba pha Tùy theo trường
hợp, có thể là bộ nghịch lưu với quá trình chuyển mạch cưỡng bức hoặc quá trìnhchuyển mạch phụ thuộc Bộ nghịch lưu dòng với quá trình chuyển mạch phụ thuộc vềbản chất là bộ chỉnh lưu có quá trình chuyển mạch phụ thuộc vào điện áp xoay chiềucủa tải và hoạt động trong chế độ nghịch lưu Từ đó, ta phân biệt các bộ biến tần vớiquá trình chuyển mạch cưỡng bức và bộ biến tần với quá trình chuyển mạch phụthuộc Điều khiển bộ nghịch lưu dòng có thể thực hiện theo phương pháp điều biênhoặc dùng kỹ thuật điều chế độ rộng xung
Bộ chỉnh lưu: có nhiều dạng, mạch tia, mạch cầu, một pha hoặc ba pha Khi cần đòi
hỏi phải truyền năng lượng theo hai chiều, ta chỉ cần bộ chỉnh lưu đơn với điện áp đổidấu được Ta thường sử dụng mạch cầu ba pha điều khiển Trong mọi trường hợp,dòng điện qua mạch phải được điều khiển về biên độ Do đó, bộ chỉnh lưu không điềukhiển (gồm các diode) không thể sử dụng được ở đây Để giảm bớt hiện tượng quáđiện áp trên các chi tiết bán dẫn của bộ nghịch lưu, ta có thể sử dụng bộ nghịch lưu vớitụ hạn chế quá điện áp mắc song song với tải hoặc sử dụng mạch tích năng lượng.
Trang 242.4 Cấu tạo của biến tần.
2.4.1 Các bộ phận cơ bản
a Bộ chỉnh lưu:
Bộ chỉnh lưu cầu diode tương tự với các bộ chỉnh lưu thường thấy trong bộnguồn, trong đó điện áp xoay chiều được chuyển đổi thành một chiều Điện áp sau khichỉnh lưu qua giàn tụ lọc để có điện áp phẳng, ổn định(DC bus) để cung cấp nguồncho IGBT.
Hình 2.8 Hình ảnh thực tế Diode trong biến tần Fuji Electric
b Bộ nghịch lưu:
Thiết bị IGBT chuyển mạch nhanh và cho hiệu xuất cao Trong biến tần, IGBTđược điều khiển kích mở theo trình tự để tạo xung với các độ rộng khác nhau từ điệnáp DC Bus được trữ trong tụ điện.
Bằng cách sử dụng phương pháp Điều chế Độ rộng Xung PWM, IGBT có thểđược kích mở theo trình tự để đầu ra giống với sóng dạng sin được áp dụng trên sóngmang.
PWM có thể được sử dụng để tạo đầu ra cho động cơ giống hệt với sóng dạngsin Tín hiệu này được sử dụng để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ.
Hình 2.9 Hình ảnh thực tế các IGBT trong biến tần Fuji Electric
Trang 25c Phần điều khiển:
Phần điều khiển sẽ kết nối với mạch ngoại vi nhận tín hiệu đưa vào IC chính đểđiều khiển biến tần theo cấu hình và cài đặt của người sử dụng.
Phần điều khiển bao gồm:
IC chính để xử lý thông tin và điều khiển hoạt động của biến tần.Ngõ vào analog: nhận tín hiệu điện áp 4-20mA hay điện áp 0-10VNgõ vào số: để kích cho biến tần chạy
Ngõ ra analog: kết nối với thiết bị ngoại vi khác để giám sát hoạt động của biến tần.Ngõ ra số: xuất tín hiệu chạy, cảnh báo…
2.4.2 Các phụ kiện của biến tần
a Bộ kháng điện xoay chiều:
Cuộn kháng AC là cuộn dây được quấn quanh lõi thép Cuộn kháng AC giúp giảmméo sóng hài, tức là nhiễu trên dòng xoay chiều đầu vào Ngoài ra, Cuộn kháng AC sẽgiảm biên độ đỉnh của cái gai nhọn đầu vào, giảm song hài sẽ giúp DC Bus ổn định vàtăng tuổi thọ của tụ.
Hình 2.10 Một số hình ảnh thực tế cuộn kháng AC Reactor
Cuộn kháng AC có thể hoạt động như một bộ lọc để bảo vệ mạch chỉnh lưu đầuvào khỏi nhiễu và xung nhọn gây ra do bật và tắt các tải điện cảm khác.
Có vài nhược điểm khi sử dụng bộ điện kháng, như chi phí tăng thêm, cầnnhiều không gian pa-nen hơn và đôi khi là giảm hiệu suất.
Trong các trường hợp hiếm gặp, bộ điện kháng dòng có thể được sử dụng ởphía đầu ra của Biến tần để bù cho động cơ có điện cảm thấp, nhưng điều này thườngkhông cần thiết do hiệu suất hoạt động tốt của công nghệ IGBT.
b Bộ kháng điện một chiều:
Trang 26Cuộn kháng DC khi được gắn vào biến tần trước tụ điện thì phần đầu vào củabiến tần như mạch mạch chỉnh lưu có bộ lọc là tụ điện và cuộn dây.
Khi gắn cuộn kháng một chiều cho biến tần sẽ giúp nguồn DC bus được ổnđịnh, năng lượng dự trữ lớn chống phần sụt áp nguồn đầu vào của biến tần nuôi nguồncho IGBT khi hoạt động với tải lớn Ngoài ra, cuộn kháng một chiều sẽ giảm nhiễuquay về nguồn do biến tần gây ra Cuộn kháng DC thường được lắp đặt giữa bộ chỉnhlưu và tụ điện trên các bộ Biến tần 7,5 kW trở lên Cuộn kháng DC có thể nhỏ và rẻhơn Cuộn kháng AC.
Hình 2.11 Hình ảnh thực tế về cuộn kháng DC Reactor
c Điện trở hãm:
Thông thường biến tần điều khiển động cơ chạy, khi động cơ dừng hoặc hãmlúc đó động cơ chuyển thành máy phát có năng lượng lớn Nhất là tải đứng và tải dạngthế năng, năng lượng này được trả về DC bus Thông thường biến tần sẽ điều khiểnthời gian hãm của motor hợp lý để không xảy ra tình trạng quá tải Nếu yêu cầu motordừng gấp thì nguồn năng lượng này sẽ phải được tiêu thụ bớt.
Điện trở hãm sẽ giúp biến tần tiêu thụ nguồn năng lượng đó.Khi điện án DC bustăng cao đến một trị số nhất định, biến tần sẽ kích dẫn transistor để điện áp DC bus quađiện trở hãm Điện trở biến đổi điện năng thành nhiệt năng.
Nếu không có điện trở, mỗi lần giảm tốc hay hãm, biến tần có thể báo lỗi doquá áp trên DC Bus.
Trang 27Hình 2.12 Hình ảnh thực tế về một số điện trở xả
CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG 2Câu 1 Nêu khái niệm và ứng dụng của biến tần?
Câu 2 Trình bày các phương pháp phân hoại biến tần?
Câu 3 Trình bày khái niệm và vẽ sơ đồ cấu trúc của biến tần trực tiếp?Câu 4 Phân tích nguyên lý hoạt động bộ biến tần trực tiếp một pha?Câu 5 Phân tích nguyên lý làm việc của biến tần trực tiếp ba pha?
Câu 6 Trình bày khái niệm và vẽ sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp? Tại sao
trong biến tần gián tiếp cần có bộ lọc?
Câu 7 Phân tích nguyên lý làm việc của biến tần gián tiếp?Câu 8 Phân biệt biến tần nguồn áp và biến tần nguồn dòng?
Câu 9 Trình bày các thiết bị cơ bản trong bộ điều khiển của biến tần?Câu 10 Trình bày chức năng của bộ kháng điện xoay chiều và một chiều?
Câu 11 Trình bày chức năng của điện trở hãm trong biến tần?
Câu 12 Phân tích nguyên lý hoạt động của biến tần nguồn dòng một pha?
Trang 28CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN
Nội dung chính của chương
- Tìm hiểu về biến tần của hãng Siemens: MM420, MM440- Tìm hiểu biến tần Omzon
- Tìm hiểu biến tần LS IC5, IE5- Tìm hiểu biến tần ABB ACS 150 - Tìm hiểu biến tần Yaskawa, - Tìm hiểu biến tần Mitsubishi
Mục tiêu cần đạt được của chương
- Biết cách đọc thông số biến tần từ đó biết cách lựa chọn biến tần, động cơ cho phù
hợp với yêu cầu công nghệ
- Thành thạo cài đặt điều khiển một số dòng biến tần của các hãng: Siemens, ABB,
LS, Omzon, Yaskawa, Mitsubishi.
BÀI 3: BIẾN TẦN MM420 (Số tiết: 03 tiết) [2]3.1 Phương pháp điều khiển biến tần cơ bản
Các phương pháp điều khiển biến tần bao gồm các phương pháp sau:
- Phương pháp điều khiển local: bao gồm các phương pháp điều khiển trên bànphím, điều khiển tương tự, điều khiển số.
+ Phương pháp điều khiển bằng bàn phím BOP
+ Phương pháp điều khiển tương tự: dùng biến trở để điều khiển thay đổi tần số.+ Phương pháp điều khiển số: dùng các đầu vào số trên biến tần để điều khiểnthay đổi tần số
- Phương pháp điều khiển remote: Sử dụng PLC để điều khiển biến tần trong đó
cũng bao gồm các phương pháp điều khiển như: điều khiển bằng analog, kiểudigital, truyền thông.
- Phương pháp điều khiển qua cổng truyền thông: thực tế nó là phương pháp điều
khiển thực hiện kết nối giữa biến tần và PLC điều khiển thông qua cổng truyềnthông.
3.2 Điều khiển cơ bản với biến tần Siemens [2]
3.2.1 Biến tần Siemens MM420
3.2.1.1 Thông số kỹ thuật, sơ đồ nguyên lý, cách đấu nối
Trang 29a Các thông số kỹ thuật:
- Dải điện áp đầu vào: 1 AC 200 V- 240 V
Bảng 3.1 Thông số biến tần loại 1 pha, 200 V- 240 V
- Dải điện áp đầu vào: 3AC 200 V- 240 V
Bảng 3.2 Thông số biến tần loại 3 pha, 200 V- 240 V
- Dải điện áp đầu vào: 3AC 380 V- 480 V
Bảng 3.3 Thông số biến tần loại 3 pha, 380 V- 480 V
b Sơ đồ nguyên lý:
Trang 30Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý biến tần Siemens MM420
c Các đầu dây điều khiển và mạch lực*Các đầu nối mạch lực:
- Có thể tiếp cận với các đầu nối nguồn điện vào và các đầu nối của động cơ bằng cáchtháo các phần vỏ máy phía trước.
Trang 31Hình 3.14 Hình ảnh đầu dây mạch lực
* Các đầu dây điều khiển:
Hình 3.15 Hình ảnh các đầu dây điều khiển
3.2.1.2 Các thông số cài đặt của biến tần.a Các nút chức năng của biến tần
Hình 3.16 Hình ảnh các phím chắc năng của biến tần MM420
Trang 32- Chức năng của các nút bấm trên màn hình biến tần:
Bảng 3.4 Các phím chức năng
- Phương thức truy cập và thay đổi thông số: Ví dụ thông số P0003- “ Mức độ truynhập”
Bảng 3.5 Cách truy nhập thông số
Trang 33- Cài đặt mặc định:
- Bộ biến tần MCROMASTER 420 được cài đặt mặc định khi xuất xưởng sao cho cóthể vận hành được mà không cần cài đặt thêm bất kỳ thông số nào nữa Để đạt đượcđiều này, các thông số của động cơ được kết nối với biến tần phải có thông số địnhmức phù hợp với thông số cài đặt mặc định (P0304, P0305, P0307, P0310) tương ứngvới động cơ 1LA7 - 4 cực của Siemens (hãy xem các thông số định mức ghi trênnhãn).
- Các thông số mặc định khác:+ Các nguồn lệnh P0700 = 2+ Nguồn điểm đặt P1000 = 2
+ Chế độ làm mát động cơ: P0335 = 0+ Giới hạn dòng điện: P0640 = 150%+ Tần số nhỏ nhất: P1080 = 0 Hz+ Tần số lớn nhất: P1082 = 50 Hz+ Thời gian tăng tốc: P1120 = 10 s+ Thời gian giảm tốc: P1121 = 10 s+ Chế độ điều khiển: P1300 = 0- Các đầu vào tương tự, số:
Trang 34Hình 3.17 Sơ đồ đấu dây khi cài đặt mặc định
- Giải thích:
Bảng 3.6 Các chân điều khiển
+ Khoá chuyển đổi DIP 50/60 HZ:
- Tần số định mức mặc định cho động cơ của bộ biến tần MICROMASTER là 50 Hz.Đối với động cơ được thiết kể chạy ở tần số định mức 60Hz, các bộ biến tần có thểđược đặt ở tần số này nhờ sử dụng khoá chuyển DIP 50/60 Hz.
+ Vị trí OFF: các thông số măc định của Châu Âu (tần số định mức của động cơ = 50Hz, công suất tính theo kW…)
+ Vị trí ON: Các thông số mặc định của Bắc Mỹ (tần số định mức của động cơ = 60Hz, công suất tính theo hp….).
Trang 35Hình 3.18 Hình ảnh khóa chuyển đổi DIP
- Giới thiệu một số thông số cơ bản:
- Bộ biến tần tương thích với động cơ nhờ sử dụng chức năng cài đặt thông số nhanh,và các thông số kĩ thuật quan trọng sẽ được cài đặt Cài đặt nhanh không cần đượcthực hiện nếu thông số định mức của động cơ ghi trong bộ biến tần FU (ví dụ động cơtiêu chuẩn 1LA 4 cực của Siemens) thích hợp với thông số định mức ghi trên nhãn củađộng cơ đang nối vào biến tần Các thông số có ký hiệu’ *’ có khả năng cài đặt nhiềuhơn các khả năng được liệt kê dưới đây Hãy xem danh sách thông số để biết thêm cáckhả năng cài đặt khác.
+ P0003: Mức truy nhập của người dùng *.
1: Mức cơ bản: Cho phép truy nhập tới những thông số thường dùng nhất (giá trịmặc định)
2: Mở rộng: Ví dụ truy nhập đến các các chức năng I/O3: Chuyên gia (chỉ dành cho chuyên gia)
+ P0010: Cài đặt thông số *
0: Sẵn sàng (giá trị mặc định)1: Cài đặt nhanh
30” Cài đặt tại nhà máy
Chú ý: P0010 nên được để ở 1 để cài đặt thông số định mức trên nhãn của động cơ.
+ P0100: Tiêu chuẩn Châu Âu/ Bắc Mỹ
0: Châu Âu [KW], tần số mặc định 50Hz (giá trị mặc định)1: Bắc Mỹ [hp], tần số mặc định 60Hz
Trang 36+ P0305: Dòng điện định mức động cơ
Dòng điện định mức [A] ghi trên nhãn của động cơ.
+ P0307: Công suất định mức động cơ
Công suất định mức [kW/hp] ghi trên nhãn của động cơ Nếu P0100 = 0 hoặc 2,giá trị tính theo đơn vị kW Nếu P0100 = 1, giá trị tính theo đơn vị hp.
+ P0308: Hệ số Cosϕ định mức động cơ
Hệ số công suất định mức (cosϕ) ghi trên nhãn Nếu như cài đặt là 0, giá trị được) ghi trên nhãn Nếu như cài đặt là 0, giá trị đượctự động tính toán Nếu P0100 = 1,2 thì P0308 không có ý nghĩa nên không cần nhập.
+ P0309: Hiệu suất định mức động cơ
Hiệu suất định mức của động cơ theo [%] được ghi trên nhãn Cài đặt là 0, giá trịtự được tính toán Nếu P0100 = 0 thì P0309 không có ý nghĩa, không cần nhập.
+ P0335: Chế độ làm mát động cơ (Chọn hệ thống làm mát động cơ)
0: Làm mát tự nhiên: Sử dụng trục gá quạt được gắn với động cơ.1 Làm mát cưỡng bức: Sử dụng quạt làm mát cấp nguồn riêng
+ P0640: Hệ số quá tải động cơ (giá trị mặc định 150%)
Hệ số quá tải của động cơ tính theo [%] tương ứng với P0305 Hệ số này xácđinh giới hạn dòng điện vào lớn nhất bằng a% dòng điện định mức của động cơ(P0305).
Trang 37+ P0700: Chọn nguồn lệnh (nhập nguồn lệnh)
0: Cài đặt mặc định1: BOP (bàn phím)
2: Đầu nối (giá trị mặc định: 2)4: USS trên đường chuyền BOP5: USS trên đường chuyền COM6: CB trên đường chuyền COM
+ P1000: Lựa chọn điểm đặt tần số
+ P1080: Tần số nhỏ nhất ( nhập tần số nhỏ nhất cho động cơ, đơn vị Hz) Giá trị
Trang 38+ P1135: OFF3 Thời gian giảm tốc (nhập thời gian giảm tốc dừng nhanh bằng s).
giá trị mặc định 5s.
Xác định thời gian để động cơ giảm từ tần số lớn nhất xuống trạng thái dừng hẳnđể thực hiện lệnh OFF3.
+ P1300: Phương pháp điều khiển ( Nhập kiểu điều khiển theo yêu cầu)
0: V/f kiểu tuyến tính (giá trị mặc định)1: V/f FCC
2: V/f kiểu đường parabol3: V/f kiểu có thể lập trình được
+ P3900: Kết thúc quá trình cài đặt nhanh thông số ( bắt đầu quá trình tính toán
3: Bắt đầu quá trình cài đặt nhanh chỉ dành cho các dữ liệu của động cơ
CHÚ Ý: Với P3900 = 1,2,3 - P0340 tự đặt tới 1 và các dữ liệu phù hợp được tính toán
3.2.1.3 Cài đặt biến tần theo phương pháp V/f và PIDa Cài đặt biến tần theo phương pháp V/f
- Để cài đặt biến tần theo phương pháp V/f ta cài đặt thông số P1300 như sau:
P1300: Kiểu điều khiển ( Nhập kiểu điều khiển theo yêu cầu)
0: V/f kiểu tuyến tính (giá trị mặc định)1: V/f FCC
2: V/f kiểu đường parabol3: V/f kiểu có thể lập trình được
b Cài đặt biến tần theo phương pháp PID
- Đề cài đặt biến tần theo phương pháp PID, ta tiến hành cài đặt các thông số sau:
+ P2200: Kích hoạt bộ điều khiển PID Giá trị mặc định: 0
Chế độ PID cho phép người sử dụng kích hoạt/ không kích hoạt bộ điều khiển PID.Chế độ cài đặt tới giá trị 1 sẽ kích hoạt bộ điều khiển PID vòng kín và sẽ tự động loại
Trang 39bỏ thời gian tăng tốc/giảm tốc được đặt trước ở P1120 và P1121 cùng điểm đặt tần sốthông thường.
+ P2253: Điểm đặt PID Giá trị mặc định: 0
Xác định nguồn điểm đặt cho đầu vào PID
+ P2254: Nguồn PID bù trừ Giá trị mặc định: 0
Chọn nguồn bù trừ cho điểm đặt PID Tín hiệu này được nhân với hệ số bù trừ và cộngvào với giá trị điểm đặt PID.
+ P2257: Thời gian tăng tốc cho điểm đặt PID Giá trị mặc định: 1s
Đặt thời gian tăng tốc cho điểm đặt PID
+ P2258: Thời gian giảm tốc cho điểm đặt PID Giá trị mặc định: 1s
Đặt thời gian giảm tốc cho điểm đặt PID
+ P2264: CI: Tín hiệu phản hồi PID Giá trị mặc định 755
Chọn nguồn cho tín hiệu phản hồi PID.
+ P2267: Giá trị tín hiệu phản hồi PID lớn nhất giá trị mặc định: 100%
Đặt giới hạn trên cho giá trị tín hiệu phản hồi theo [%]
+ P2268: Giá trị tín hiệu phản hồi PID nhỏ nhất giá trị mặc định: 0%
Đặt giới hạn dưới cho giá trị tín hiệu phản hồi theo [%]
+ P2280: Hệ số tỉ lệ của bộ điều khiển PID Giá trị mặc định: 3
Cho phép người sử dụng cài đặt hệ số tỉ lệ cho bộ điều khiển PID
+ P2285: Hằng số thời gian tích phân PID Giá trị mặc định: 0 s
Cài đặt hằng số thời gian tích phân cho bộ điều khiển PID
+ P2291: Giới hạn trên của đầu ra PID Giá trị mặc định: 100%
Đặt giới hạn trên cho đầu ra của bộ điều khiển PID theo [%]
+ P2292: Giới hạn dưới của đầu ra PID Giá trị mặc định: 0%
Bảng 3.7 Bảng thông số kỹ thuật
Trang 403.2.2 Biến tần Siemens MM440
3.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý*Các thông số kỹ thuật:
- Với dải điện áp đầu vào: 1 AC 200 V- 240 V, ±10%, ta có bảng thông số kỹ thuậtsau:
Bảng 3.8 Thông số các loại model biến tần 1 pha, 200 V- 240 V
- Dải điện áp đầu vào: 3 AC 200 V- 240 V, ±10%, ta có bảng thông số kỹ thuật sau:
Bảng 3.9 Thông số các loại model biến tần 3pha 200 V- 240 V
- Với dải điện áp đầu vào: 3 AC 380 V- 480 V, ±10%, bảng thông số kỹ thuật sau:
Bảng 3.10 Thông số các loại model biến tần 3pha, 380 V- 480 V