Sử dụng bộ điều khiển PID trong biến tần để điều khiển tốc độ của động cơ bơm duytrì được áp suất 4 bar trên đường ống.Hệ thống bơm nước có các thiết bị như sau:- Biến tần chọn loại biến
Tổng quan về đề tài
Hệ thống bơm nước sinh hoạt cho tòa nhà 33 tầng cần duy trì áp suất đường ống là 4 bar để cung cấp đủ nước Trên đường ống có gắn cảm biến áp suất để đưa tín hiệu về biến tần Sử dụng bộ điều khiển PID trong biến tần để điều khiển tốc độ của động cơ bơm duy trì được áp suất 4 bar trên đường ống.
Hệ thống bơm nước có các thiết bị như sau:
- Biến tần (chọn loại biến tần Mitsubishi FR-E720)
- Cảm biến áp suất có tín hiệu ngõ ra: 0-10VDC
- Các nút nhấn: START, STOP, SW, RESET
- Các đèn báo hiển thị: RUN-L, STOP-L, ERR-L
Hệ thống sử dụng lưới điện 3 pha có Ud = 380V và có thể cung cấp lưu lượng nước Q = 20m 3 /h.
Mục tiêu của đề tài
Ý nghĩa của đề tài
Với những công trình cũ hoặc nhỏ để áp suất nước đủ sử dụng người ta sử dụng một bồn nước để ở vị trí cao nhất của công trình Sau đó bơm nước dự trữ lên trên này, tận dụng thế năng để tạo áp lực nước cho toàn bộ công điểm và các nơi, phải thường xuyên vệ sinh cho bồn nước và không thể cung cấp nước cho một lượng lớn nhu cầu sử dụng với phương pháp này. Đề tài nghiên cứu này thực hiện một trong những phương pháp ổn định áp suất nước trong một tòa nhà hay rộng hơn là ổn định áp suất cho một công trình dân sinh hoặc công trình công cộng Giải quyết vấn đề áp suất không ổn định, cũng như đảm bảo lượng nước lớn cho cả một công trình.
Phương pháp thực hiện
Với đề tài “Điều khiển ổn định áp suất đường ống bằng biến tần mitsubishi (dùng bộ pid - 1 bơm)” được giao, trước tiên ta đi phân tích nguyên tắc hoạt động của hệ thống như sau: Tín hiệu từ cảm biến áp suất đọc trên đường ống sẽ được gửi về đầu vào tương tự của biến tần Biến tần sẽ so sánh giữa áp suất đặt và áp suất phản hồi để điều khiển thay đổi tốc độ bơm của động cơ để hệ thống bám theo áp suất đặt
Phương pháp nghiên cứu và thực hiện đồ án như sau:
Từ phân tích yêu cầu công nghệ để lựa chọn các thiết bị trong hệ thống như biến tần, động cơ bơm, cảm biến áp suất, các thiết bị đóng cắt, …;
Tính toán và lựa chọn thiết bị;
Vẽ sơ đồ khối hệ thống
Vẽ sơ đồ nguyên lý của hệ thống
Vẽ sơ đồ bố trí thiết bị
Sơ đồ đấu nối thiết bị
Cài đặt cho biến tần
1.3 Cấu trúc quyển thuyết minh
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 3: Thiết kế sơ đồ hệ thống và tính chọn thiết bị Chương 4: Cài đặt thông số biến tần
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về 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 Nói cách khác:
Biến tần là thiết bị giúp điều khiển tốc độ động cơ vô cấp, thay thế cho hộp số cơ khí Nó hoạt động bằng cách thay đổi tần số dòng điện cung cấp cho cuộn dây bên trong động cơ Các linh kiện bán dẫn trong biến tần đóng ngắt tuần tự các cuộn dây này, tạo ra từ trường xoay để làm quay rô-to (phần chuyển động trong động cơ).
Biến tần được sử dụng để kiểm soát tốc độ động cơ AC bằng cách thay đổi tần số điện áp nguồn Phân loại biến tần rất đa dạng, tùy thuộc vào tính năng, cấu tạo và ứng dụng cụ thể.
Phân loại theo phương pháp biến đổi: Biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp
Phân loại theo nguồn ra: Biến tần nguồn dòng và biến tần nguồn áp
Phân loại theo phương pháp điều khiển: Phương pháp điều khiển cổ điển và phương pháp điều khiển PWM, phương pháp điều khiển vector và phương pháp điều khiển ma trận, …
Phân loại theo nguồn cấp vào: Biến tần 1 pha, biến tần 3 pha, … c Cấu tạo của biến tần
Cấu tạo thông thường của biến tần sẽ bao gồm: mạch chỉnh lưu, mạch nghịch lưu và mạch điều khiển
Bộ chỉnh lưu: Bộ chỉnh lưu (diode) giống như các bộ chỉnh lưu khác trong bộ nguồn, trong đó điện áp xoay chiều được biến đổi thành một chiều. Điện áp sau khi chỉnh lưu đi qua tụ lọc sẽ có điện áp phẳng, ổn định để cấp nguồn cho IGBT
Bộ nghịch lưu: Thiết bị IGBT là bộ phận quan trọng của biến tần, đảm bảo chuyển mạch nhanh, cho hiệu xuất cao IGBT được điều khiển kích mở theo trình tự lập trình sẵn.
Phần điều khiển: Phần điều khiển có chức năng đảm bảo kết nối với mạch ngoại vi nhận tín hiệu đưa vào IC chính để điều khiển biến tần theo cấu hình và cài đặt được lập sẵn của người sử dụng Phần điều khiển bao gồm các bộ phận:
IC chính đảm nhiệm vai trò để xử lý thông tin và điều khiển biến tần
Ngõ vào analog: nhận tín hiệu điện áp 4 – 20mA hoặc điện áp 0 – 10V
Ngõ vào số: để kích cho biến tần chạy
Ngõ ra analog: đảm nhiệm vai trò 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… d Nguyên lý hoạt động của biến tần
Trước khi tìm hiểu nguyên lý hoạt động của biến tần, chúng ta nên biết rõ để thay đổi được tốc độ của động cơ có thể sử dụng những phương pháp nào ?
Cho đến hiện nay thì có 3 phương pháp chính có thể sử dụng là:
Cách 1: Thay đổi số cực động cơ P
Cách 2: Thay đổi hệ số trượt s
Cách 3: Thay đổi tần số f của điện áp đầu vào
Hình 2 1 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của biến tần
Trong đó, 2 phương pháp đầu khó thực hiện và không mang lại hiệu quả cao Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số là phương pháp hiệu quả nhất.
Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha Bộ chỉnh lưu có nhiệm biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều.
Bộ lọc có nhiệm vụ sang phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu.
Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số có thể thay đổi được Điện áp một chiều được biến thành điện áp xoay chiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhất định.
Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều khiển nào đó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu Ngoài ra nó còn có chức năng sau:
- Theo dõi sự cố lúc vận hành
- Xử lý thông tin từ người sử dụng
- Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm
- Xác định đặc tính – momen tốc độ
- Xử lý thông tin từ các mạch thu thập dữ liệu, kết nối với máy tính.
Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van công suất trong mạch nghịch lưu Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly giữa mạch công suất với mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển.
Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thông tin hệ thống như tần số, dòng điện, điện áp,… và để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệ thống Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp, nhiệt độ,… biến đổi chúng thành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý được Ngài ra còn có các mạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác như bảo vệ chống quá áp hay thấp áp đầu vào…
Tổng quan về biến tần
Vai trò của biến tần
Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngày càng có nhiều thiết bị điện- điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện.
Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động 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 , cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, 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 áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông từ đó 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 chỉnh tốc độ động cơ.
Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.
Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm 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 độ động cơ theo phương pháp này.
Khảo sát cho thấy: Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển
Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng.
Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.
Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt:
Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ bơm và quạt
Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van
Giảm tiếng ồn công nghiệ
Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ
Giúp tiết kiệm điện năng tối đa.
Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp Ưu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như:
Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn.
Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu.
Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó 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 biến áp. Ngoài ra, biến tần tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau Biến tần còn tích hợp cả bộ PID, FOC, Vector , Torque control (sensorless hoặc encorder) và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau (RS232 hoặc RS485), phù hợp cho công tác điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA hay các hệ thống có tích hợp màn hình HMI, Bộ lập trình PLC…
Biến tần FR-E720 là dòng biến tần được sản xuất bởi hãng Mitsubishi của Nhật Bản Thích hợp dùng cho băng tải, thang máy, máy đóng gói, máy công cụ, máy ép,… Đây là dòng biến tần có thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm không gian lắp đặt, thân thiện với môi trường.
Hình 2 2 Hình ảnh biến tần FR-E720 Đặc điểm chung:
Biến tần Mitsubishi FR-E720 series có hệ thống làm mát:
Nhỏ gọn nhưng được trang bị tính năng và hiệu suất ở mức cao nhất
Dễ sử dụng và tiết kiệm điện năng
Biến tần FR-E720 có bộ kiểm tra hoạt động với chức năng đảm bảo an toàn khi làm việc
Thiết kế tuổi thọ cao với khả năng tự tìm lỗi
Có chức năng mật khẩu
Dễ dàng thay thế quạt làm mát
Điện trở phanh có thể kết nối
Chức năng bảo vệ và quá tải với hệ thống kiểm tra sự cố phase cho cả đầu vào và ra đảm bảo hoạt động không xảy ra hỏng hóc
FR-E720 series thân thiện với môi trường và an toàn. Ứng dụng của biến tần
Nguồn cấp 3Pha 200 - 240VAC 50Hz/60Hz
200% hoặc hơn tùy theo phương pháp điều khiển Khả năng quá tải 150% vòng/ 60s, 200% vòng/ 3s
Soft-PWM control/high carrier frequency
Ngõ vào Analog, Digital, Lựa chọn đa tốc độ, cài đặt từ xa, chọn chức năng thứ hai, bốn cấp quá tải giá trị, hoạt động luân phiên PU, V/F, PU- NET, External-NET, ngõ ra dừng lại, lựa chọn tự giữ bắt đầu, cài đặt lại biến tần, báo tín hiệu khi biến tần hoạt động và khóa ngoài khi PU hoạt động
Open collector hở, Relay , Cảnh báo tình trạng quá tải, ngõ ra phát hiện tần số, tái tạo phanh, cảnh báo lỗi rơ le, biến tần sẵn sàng hoạt động, ngõ ra phát hiện dòng, giới hạn PID, cảnh báo quạt tản nhiệt quá nóng,cảnh báo giảm tốc khi mất điện tức thời, điều khiển PID kích hoạt, PID bị gián đoạn, giám sát an toàn, cảnh báo tuổi thọ, hẹn giờ thời gian bảo trì.
Chức năng bảo vệ Động cơ, quá dòng tức thời, quá tải, quá áp, thấp áp, mất áp, quá nhiệt, quá nhiệt điện trở phanh, ngăn chặn sụt
Thiết lập tối đa, tối thiểu tần số, đầu vào rơ le nhiệt; tự động dò tốc độ động cơ sau mất nguồn bằng cảm biến tốc độ; tích hợp bộ điều khiển PID, kết nối máy tính để tiện giám sát và điều chỉnh.
Hỗ trợ các chuẩn truyền thông RS-485, kết nối PU,USB, Modbus-RTU, Profibus, CC-
Link, CAN open và SSCNET III Cấp bảo vệ IP00 (Mở lắp biến tần), IP20 (Đóng lắp)
Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật của biến tần FR-E720
Với những tính năng hiện đại kèm thiết kế nhỏ gọn tinh tế,dòng biến tần Mitsubishi FR- E720 là một sự lựa chọn hợp lý trong hệ thống tự động ngày nay Sơ đồ nối dây biến tần FR-E720 được thể hiện trên hình 2.3
Hình 2 3 Sơ đồ nối dây biến tần FR-E720
Giải thích những chân cơ bản trên biến tần:
R S T (L1 L2 L3): đấu vào nguồn động lực
PR P1: có thể kết nối với điện trở xả sử dụng trong các trường hợp chạy tải lớn, có quán tính lớn hoặc thời gian tăng/giảm tốc ngắn.
Chân STR: chạy ngược (có nghĩ là khi nối chân STR với chân SD, biến tần sẽ chạy ngược).
Chân STF: chạy thuận (có nghĩ là khi nối chân STF với chân
SD, biến tần sẽ chạy thuận ).
MRS: là chân output stop
RH: chân tín hiệu tốc độ cao
RM: chân tín hiệu tốc độ trung bình
RL: chân tín hiệu tốc độ thấp
FM: chân để báo tốc độ của biến tần (nối chân FM và chân
SD với 1 đồng hồ hiển thị tốc độ)
Chân điều khiển tốc độ: 10-2-5
- Chân 10 là chân ngõ ra 5v của biến tần
- Chân 2 là chân chênh áp
- Khi đấu biến trở ta đấu vào 3 chân 10-2-5, chân 2 là chân giữa của biến trở, chân 10-5 là 2 chân bìa của biến trở, khi vặn biến trở lên mà động cơ giảm tốc độ thì có thể đảo 2 chân 10 và 5 lại với nhau.
- Chân 4 là chân tín hiệu ngõ vào analog dòng điện 0- 20mA, 4- 20mA trong đó đấu chân 4 và số 5
- Chân RUN là báo tin hiệu running của biến tần
- Chân FU là chân Free quenlcy detection
- Chân SE mở cửa ngõ ra phổ biến
Biến tần mitsubisi FR-720
1 cặp thường hở, bộ rơ le này đang mặt định chế độ báo lỗi để chuyển chế độ thì ta vào cài lại thông số của biến tần.
Cảm biến áp suất
Định nghĩa
Cảm biến áp suất là thiết bị điện tử chuyển đổi tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện, thường được dùng để đo áp suất hoặc các ứng dụng có liên quan đến áp suất.
Hình 2 4 Cảm biến áp suất đường ống
Ứng dụng
Cảm biến áp suất được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống cấp nước, xử lý nước thải, chữa cháy, đường ống nước lạnh, đường ống áp suất khí gas, khí nén và nhiều ứng dụng khác để giám sát áp suất.
Bằng giám sát áp suất nước giúp vận hành theo yêu cầu, chức năng của hệ thống Cảnh báo khi có sự thay đổi áp suất nước đưa tín hiệu về bộ điều khiển tại chỗ hoặc trung tâm để xử lý, nhằm giám sát khắc phục sự cố sớm nhất.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Hình 2 5 Cấu tạo cảm biến áp suất
Cấu tạo của cảm biến áp suất màng bao gồm:
- Phần đầu: được làm bằng thép không gỉ, tiếp xúc đều.
- Bên trong: là một màng cảm biến và một bộ khuếch đại tín hiệu điện. Nguyên lý hoạt động:
Giả sử khi áp suất dương (+) đưa vào thì lớp màng sẽ căng lên từ trái sang phải, còn khi đưa vào áp suất âm (-) thì lớp màng sẽ căng ngược lại.
Hình 2 6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất
Máy bơm nước ly tâm
Định nghĩa
Máy bơm ly tâm (Centrifugal pump), là một loại máy bơm thủy lực cánh dẫn, hoạt động nhờ cánh bơm, cơ năng của máy chuyển sang năng lượng thủy động của dòng ra Từ đó mà nước được dẫn vào tâm quay của cánh bơm và nhờ lực ly tâm đẩy nước ra ngoài các mép cánh bơm.
Phân loại
Có nhiều cách phân loại máy bơm ly tâm:
Dựa vào hình dạng vỏ máy bơm: bơm hình xoắn ốc (volute pump) và bơm khuếch tán (diffuser pump)
Dựa vào số lượng đầu hút: bơm đầu hút đơn (single suction pump) và bơm đầu hút đôi (double suction pump)
Trong phân loại theo số tầng cánh, máy bơm được chia thành hai loại chính: bơm đơn cấp (hay còn gọi là bơm một tầng cánh) và bơm đa cấp (hay còn gọi là bơm đa tầng cánh).
Dựa vào phương trục máy: máy trục ngang và trục đứng
Hình 2 7 Hình ảnh máy bơm tâm trục ngang và trục đứng
Máy bơm ly tâm trục đứng
Máy bơm ly tâm trục đứng là loại máy bơm ly tâm đa tầng cánh (Vertical Centrifugal pumps) Nó là dòng máy bơm có cấu tạo thân thẳng đứng, thường hay sử dụng để bơm nước cho các tòa nhà, hệ thống phòng cháy chữa cháy, hệ thống nước trong nhà máy cần áp lực mạnh (máy bơm cao áp). a Cấu tạo
Về cấu tạo cơ bản thì các loại máy bơm ly tâm trục đứng sẽ gồm có các bộ phận sau:
- Guồng máy bơm: thường làm bằng inox, một số có cấu tạo bằng gang.
- Cốt bơm: là bộ phận nối cánh và motor.
- Cánh máy bơm: là một lớp các cánh được sắp xếp trật tự, mỗi loại máy bơm sẽ có số lượng cánh khác nhau, kích thước cánh khác nhau Cánh bơm thường được làm bằng đồng, nhựa, inox, máy bơm ly tâm trục đứng thuộc dòng máy bơm cánh hở.
- Động cơ điện: là bộ phận giúp cho cánh bơm có thể chuyển động và hút – đẩy nước đi.
- Rọ bơm: hay còn gọi là luppe, dùng trong trường hợp bơm hút nước từ bể chứa.
- Khớp nối: Giữa trục của cánh và trục motor điện có một khớp nối, khớp nối này sẽ tiện cho việc bảo trì, thay thế trong trường hợp motor hoặc guồng bơm bị hư hỏng.
Hình 2 8 Hình ảnh cấu tạo máy bơm ly tâm trục đứng b Nguyên lý hoạt động
Cũng tương tự như các dòng máy bơm ly tâm khác đó chính là sử dụng lực ly tâm để làm nước chuyển động từ đầu hút đi đến đầu xả.
Khi động cơ hoạt động, trục của động cơ sẽ ăn khớp với trục cánh kéo theo cánh quạt của máy bơm quay Chất lỏng cấp cho đầu vào của máy sẽ bị hút mạnh vào trong guồng máy bơm Chất lỏng sẽ bị lực ly tâm đẩy, xoắn và bắn ra ngoài đầu mép cánh bơm, theo lực ly tâm di chuyển lên trên, tới đầu ra của máy bơm và di chuyển ra ngoài Trong quá trình nước bị tác dụng của lực ly tâm, thì khi đó bên trong guồng bơm sẽ có áp suất chênh lệch với áp suất bên ngoài, từ đó mà chất lỏng tiếp tục bị hút vào bên trong guồng bơm.
Aptomat
Khái niệm
Aptomat là tên gọi được bắt nguồn từ tiếng Nga Được người Việt hiểu theo nghĩa một thiết bị đóng ngắt tự động Tên tiếng Anh là Circuit Bkeaker (viết tắt là CB) nó có chức năng bảo vệ hệ thống tránh hiện tượng quá tải và ngắn mạch trong hệ thống điện (hoặc có thêm chức năng chống giật chống rò, bảo vệ theo từ nhiệt).
Aptomat được phân chia ra nhiều loại theo chức năng, hình dạng, kích thước khác nhau.
Hình 2 9 Hình ảnh thực tế aptomat a Cấu tạo
Aptomat thường được chế tạo có hai cấp tiếp điểm (tiếp điểm chính và hồ quang) hoặc ba tiếp điểm (chính, phụ, hồ quang).
Khi đóng mạch, tiếp điểm hồ quang đóng trước, tiếp theo là tiếp điểm phụ, sau cùng là tiếp điểm chính.
Khi cắt mạch thì ngược lại, tiếp điểm chính mở trước, sau đến tiếp điểm phụ, cuối cùng là tiếp điểm hồ quang
Như vậy hồ quang chỉ cháy trên tiếp điểm hồ quang, do đó bảo vệ được tiếp điểm chính để dẫn điện
Dùng thêm tiếp điểm phụ để tránh hồ quang cháy lan vào làm hư hại tiếp điểm chính. b Nguyên lý hoạt động
Hình 2 10 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động Aptomat Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện, Aptomat được giữ ở trạng thái đóng tiếp điểm nhờ móc 2 khớp với móc 3 cùng một cụm tiếp điểm động Bật Aptomat ở trạng thái ON, với dòng điện định mức nam châm điện
5 và phần ứng 4 không hút.
Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ở nam châm điện
5 sẽ hút phần ứng 4 xuống làm bật nhả móc 3, móc 5 được thả tự do, lò xo 1 được thả lỏng, kết quả các tiếp điểm của Aptomat được mở ra, mạch điện bị ngắt. c Các thông số kỹ thuật của aptomat
- In: Dòng điện định mức Ví dụ: MCCB 3Pha 250A 36kA, In = 250A.
- Ir: là dòng hoạt động được chỉnh trong phạm vi cho phép của Aptomat Ví dụ aptomat chỉnh dòng 250A có thể điều chỉnh từ 125A đến 250A.
- Ue: Điện áp làm việc định mức.
- Icu: Dòng cắt ngắn mạch là khả năng chịu đựng dòng điện lớn nhất của tiếp điểm trong 1 giây.
- Icw: Khả năng chịu dòng ngắn mạch trong 1 đơn vị thời gian.
- Ics: khả năng cắt thực tế khi xảy ra sự cố của thiết bị
- AT: Ampe Trip (dòng điện tác động).
- AF: Ampe Frame (dòng điện khung)
Contactor (công tắc tơ) hay còn gọi là khởi động từ là khí cụ điện hạ áp, thực hiện việc đóng cắt thường xuyên các mạch điện động lực Contactor là thiết bị điện đặc biệt quan trọng trong hệ thống điện Nhờ có contactor ta có thể điều khiển các thiết bị như động cơ, tụ bù, hệ thống chiếu sáng, thông qua nút nhấn, chế độ tự động hoặc điều khiển từ xa.
Hình 2 11 Hình ảnh thực tế của contactor a Cấu tạo
Contactor bao gồm 3 bộ phận chính:
1 Nam châm điện: gồm có các chi tiết: Cuộn dây dùng tạo ra lực hút nam châm; Lõi sắt; Lò xo tác dụng đẩy phần nắp trở về vị trí ban đầu.
2 Hệ thống dập hồ quang: Khi chuyển mạch, hồ quang điện sẽ xuất hiện
Tiếp điểm chính: Có khả năng cho dòng điện lớn đi qua Tiếp điểm chính là tiếp điểm thường hở đóng lại khi cấp nguồn vào mạch từ của contactor trong tủ điện làm mạch từ hút lại.
Tiếp điểm phụ: Có khả năng cho dòng điện đi qua các tiếp điểm nhỏ hơn 5A Tiếp điểm phụ có hai trạng thái: Thường đóng và thường mở.
Tiếp điểm thường đóng là loại tiếp điểm ở trạng thái đóng (có liên lạc với nhau giữa hai tiếp điểm) khi cuộn dây nam châm trong contactor ở trạng thái nghỉ (không được cung cấp điện) Tiếp điểm này mở ra khi contactor ở trạng thái hoạt động Ngược lại là tiếp điểm thường mở.
Như vậy, hệ thống tiếp điểm chính thường được lắp trong mạch điện động lực, còn các tiếp điểm phụ sẽ lắp trong hệ thống mạch điều khiển của Contactor.
Hình 2 12 Hình ảnh cấu tạo của contactor b Nguyên lý hoạt động
Khi cấp nguồn trong mạch điện điều khiển bằng với giá trị điện áp định mức của Contactor vào hai đầu cuộn dây quấn trên phần lõi từ đã được cố định trước đó thì lực từ sinh ra sẽ hút phần lõi từ di động và hình thành mạch từ kín (lúc này lực từ sẽ lớn hơn phản lực của lò xo) Contactor bắt đầu trạng
Nhờ bộ phận liên động về cơ giữa lõi từ di động và hệ thống tiếp điểm sẽ làm cho tiếp điểm chính đóng lại và tiếp điểm phụ chuyển đổi trạng thái (khi thường đóng sẽ mở ra và khi thường hở sẽ đóng lại), trạng thái này sẽ được duy trì Khi nguồn điện ngưng cấp cho cuộn dây thì contactor ở trạng thái nghỉ và các tiếp điểm lại trở về trạng thái ban đầu. c Các thông số kỹ thuật cơ bản của contactor
- Dòng điện định mức: Là dòng điện chảy qua hệ thống tiếp điểm chính của contactor khi đóng mạch điện phụ tải Với giá trị này của dòng điện, mạch dẫn điện chính của contactor không bị phát nóng quá giới hạn cho phép.
- Điện áp định mức: Là điện áp đặt trên hai cực của mạch dẫn điện chính của contactor.
- Khả năng đóng của contactor: Được đánh giá bằng giá trị dòng điện mà contactor có thể đóng thành công Thường thì giá trị này bằng từ 1 đến 7 lần giá trị dòng điện định mức.
Khả năng ngắt của tiếp điểm là thông số quan trọng đánh giá khả năng cắt mạch của contactor Giá trị dòng điện ngắt thể hiện cường độ dòng điện mà contactor có thể ngắt thành công khỏi mạch Giá trị dòng điện ngắt thường dao động từ 1 đến 10 lần dòng điện định mức của contactor.
- Độ bền cơ: Là số lần đóng ngắt khi không có dòng điện chảy qua hệ thống tiếp điểm của contactor Vượt quá số lần đóng ngắt đó, các tiếp điểm xem như bị hư hỏng, không còn sử dụng được nữa Các loại contactor thường có độ bền cơ từ 5 triệu đến 10 triệu lần đóng ngắt.
- Độ bền điện: Là số lần đóng ngắt dòng điện định mức Contactor loại thường có độ bền điện vào khoảng 200.000 - 1 triệu lần đóng ngắt.
Nút nhấn
Hình 2 13 Hình ảnh thực tế của nút nhấn
Nút nhấn còn gọi là nút điều khiển là 1 loại khí cụ điện điều khiển bằng tay, dùng để điều khiển từ xa các khí cụ điện đóng cắt bằng điện từ, điện xoay chiều điện 1 chiều hạ áp các dụng cụ báo hiệu và cũng để chuyển đổi các mạch điện điều khiển, tín hiệu liên động bảo vệ.
Nút nhấn thường để khởi động, dừng và đảo chiều quay các động cơ điện bằng cách đóng cắt các cuộn dây nam châm điện của công tắc tơ khởi động từ.
Nút nhấn gồm hệ thống lò xo, hệ thống tiếp điểm thường mở và thường đóng và vỏ bảo vệ khi tác động vào nút nhấn các tiếp điểm chuyển trạng thái ban đầu.
Nút nhấn thường được bố trí trên bảng điều khiển, kết nối với tụ điện trong hộp nút nhấn Các loại nút nhấn phổ biến có dòng điện định mức 5A, điện áp ổn định 400V, tuổi thọ điện thế lên tới 200.000 lần đóng cắt và tuổi thọ cơ học đạt 1.000.000 lần đóng cắt Nút nhấn màu đỏ thường được sử dụng để tắt máy, trong khi nút nhấn màu xanh được dùng để khởi động.
Đèn báo
Đèn báo thường được sử dụng để báo nguồn, báo trạng thái máy… trong tủ điện và các thiết bị điện khác Được thiết kế với vỏ kim loại chắc chắn, thẩm mĩ cao, điện áp 12v, 24v và 220V dễ dàng đấu nối với nhiều màu sắc cho khác hàng lựa chọn theo nhu cầu sử dụng Hình 2.16 thể hiện hình ảnh của đèn báo trong thực tế.
Hình 2 14 Hình ảnh thức tế đèn báo
THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ
Sơ đồ khối hệ thống
Hình 4 1 Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống bao gồm 6 khối với chức năng như sau:
(1) Khối nguồn : Cấp nguồn cho biến tần
(2) Khối biến tần: Nhận các tín hiệu điều khiển từ nút nhấn và các cảm biến để điều khiển động cơ bơm theo áp suất đặt.
(3) Khối động cơ bơm: Thực hiện bơm nước lên bể
(4) Khối nút nhấn: Bao gồm nút START, STOP và RESET để gửi tín hiệu điều khiển tới biến tần.
(5) Khối cảm biến áp suất: Cảm biến áp suất được đặt trên đường ống và đo áp suất ở đó và gửi tín hiệu về biến tần.
(6) Khối trung gian: là các rơ le trung gian, có chức năng truyền tải tín hiệu từ khối điều khiển sang khối động lực.
(7) Khối đèn báo: gồm các đèn báo dùng để báo hiệu trạng thái hoạt động của hệ thống.
Sơ đồ bố trí thiết bị
Hình 4 2 Sơ đồ bố trí thiết bị
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển và mạch động lực
3.3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
Hình 4 3 Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển
Khi cấp nguồn cho mạch điều khiển và mạch động lực đèn báo 3 pha và đèn STOP-L sáng
Chế độ AUTO: Nhấn START cuộn dây K có điện làm cho tiếp điểm duy trìK thường hở đóng lại cấp điện cho cuộn dây K và làm đèn RUN-L sáng , bơm chạy ở chế độ PID là mình cài ở biến tần trả tín hiệu về bơm Khi nhấn STOP thì tiếp điểm STOP thường mở đóng lại làm đèn STOP_L sáng , đồng thời STOP thường đống mở ra bơm dừng hoạt động.
Chế độ MAN: Nhấn START cuộn dây RL có điện, bơm chạy với tốc độ định mức (bơm chạy trực tiếp từ lưới điện, không qua biến tần).
Khi bị lỗi thì cuộn dây REAY ở biến tần có điện sẽ thì khóa RELAY ở mạch điều khiển sẽ đóng lại làm ngắt điện đồng thời đèn ERR-L sáng.
3.3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực
Hình 4 4 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực
Tính chọn thiết bị
Hệ thống bơm nước cung cấp cho tòa nhà 33 tầng, trung bình mỗi tầng có chiều cao h = 3m Chiều cao toà nhà h = 33 x 3m = 99m.
Với yêu cầu đảm bảo kỹ thuật, chiều cao mực nước máy ≥30% chiều cao toà nhà nên chọn chiều cao cột áp máy bơm ≥129m.
Hệ thống có thể cung cấp lưu lượng nước Q = 20m 3 /h
Hình 3 1 Hình ảnh và thông số kỹ thuật của bơm lựa chọn
Theo bảng tra chọn bơm của hãng Pentax tham khảo tại địa chỉ: http://pentaxitaly.com/pentax-msva-8-15.html
Ta chọn mã bơm Máy Bơm Trục Đứng Đa Tầng Cánh Pentax MSVA 8/15 20HP 15kW có các thông số sau:
P = 20HP, Q = 21m 3 /h, chiều cao mực nước H = 147m.
Với tải máy bơm này thì động cơ làm việc ở chế độ dài hạn và momen khởi động không lớn Do đó dòng biến tần FR-E720 của Mitsubishi được thiết kế đặc biệt để ứng dụng trong các hệ thống cấp nước có yêu cầu tự động điều chỉnh áp suất ổn định.
Với việc hỗ trợ chức năng điều khiển PID, biến tần sẽ nhận tín hiệu analog (dòng hoặc áp) từ sensor áp suất (được gắn trên đường ống chính) đưa về, biến tần sẽ tự động thay đổi tần số, từ đó thay đổi tốc độ bơm, vì thế việc khống chế áp lực trên đường ống trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
Chọn biến tần theo công suất của động cơ Động cơ 15kW do đó biến tần cần chọn có mã hiệu FR-E720-15K https://codienhaiau.com/product/bien-tan-3-pha-mitsubishi-fr-e720-15k/
3.5.3 Tính chọn cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất cần đáp ứng được:
- Ngõ ra dạng áp từ : 0 – 10VDC
- Theo yêu cầu đề bài ổn định áp suất từ 4bar
- Môi trường làm việc là: nước sinh hoạt
Tra mã cảm biến áp suất tham khảo tại https://sensors.vn/san-pham/cam- bien-ap-suat/cam-bien-ap-suat-layher-10-bar-type-814-010-5055.ht
Ta chọn cảm biến áp suất có mã PTEJ0010BCMG (10BAR, 0 – 10V) của hãng SENSYS
Dòng điện chảy qua rơle nhiệt là:
Trong đó k 1,2 1,4 Chọn k 1,3 Suy ra: I RN 8,278 A
Mã rơle nhiệt Khoảng điều chỉnh dòng điện
Bảng 3 1 Bảng mã relay nhiệt của hãng Fuji
Theo bảng tra mã rơle nhiệt 3 pha của hãng Fuji trên bảng 3.2, ta chọn rơ le nhiệt mã TR-N2 hoặc TR-N2/3.
Dòng điện định mức chảy qua động cơ bơm là:
√3 380 0,9.0,86 =¿29,445AChọn dòng điện làm việc của contactor thoả mãn điều kiện:
Trong đó k 1,2 1,5 Chọn k 1,4 Suy ra: I contactor = 41,223 A
Theo bảng tra các mã Contactor 3 pha của hãng Fuji trên bảng 3.1.
Mã Contactor Dòng điện định mức I n (A)
Bảng 3 2 Bảng mã contactor 3 pha của hãng Fuji
Theo bảng 3.1 ta chọn loại contactor mã SC-N2S 50A (có thể chọn SC-N3 65A hoặc lớn hơn nhưng chi phí cao).
3.5.6 Tính chọn CB cấp nguồn
Dòng điện tính toán cho aptomat:
Mã MCCB Dòng điện định mức (A)
Bảng 3 3 Bảng tra mã MCCB của hãng mitsu
Theo bảng tra mã MCCB của hãng Fuji trên bảng 3.3, ta chọn loại MCCB mã NF63-CV 3P 3A 5kA.
3.5.7 Tính chọn dây dẫn cho mạch động lực Áp dụng công thức:
S: là tiết diện dây dẫn (mm 2 )
J: là mật độ dòng điện cho phép (A/mm 2 ) Đối với dây đồng khoảng 5A/mm 2
I: là dòng điện chạy qua dây dẫn (A)
Với dòng điện định mức của bơm là 29,445 A tiết diện dây dẫn là:
Theo quy cách của hãng Cadivi sản suất, em chọn dây dẫn có tiết diện là 6 mm 2
Tổng hợp các thiết bị chính trong hệ thống và giá tham khảo …
Sau đây là bảng giá kham khảo các thiết bị chính trong hệ thống:
STT Thiết bị SL Tổng (đồng) Tham khảo giá
FR-E720-15K - Biến tần Mitsubishi 15kW 3 Pha 220V -
1 2.450.000 https://sensors.vn/sanpham/ cam-bien-ap-suat/cam-bien- ap-suat-sensys- ptej0010bcmg-10-bar-0-10v- 2953.html
1 142.110.000 http://pentaxitaly.com/ pentax-msva-8-15.html
MC-22b 1 430.000 https:// dongnguyenelectric.com/ contactor-khoi-dong-tu-ls
MT-32 1 310.000 https:// dongnguyenelectric.com/ contactor-khoi-dong-tu-ls
3 114.000 https:// maybompanasonic.net/bang- gia-thiet-bi-cong-tac-nut- nhan-hanyoung.html
3 144.000 https:// maybompanasonic.net/bang- gia-thiet-bi-cong-tac-nut- nhan-hanyoung.html
1 1.040.000 https://hadra.com.vn/bang- bao-gia-vo-tu-dien-son-tinh- dien-gia-tot-nhat-thi-truong- 500.html
Bảng 3 4 Bảng giá các thiết bị chính trong hệ thống
CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT THÔNG SỐ BIẾN TẦN
4.1 Cài đặt thông số biến tần
(Pr.) Ý nghĩa Giá trị cài đặt Ghi chú
2 Tần số tối thiểu 20HZ 0-120HZ
9 Dòng bảo vệ quá tải nhiệt 40A 0-500A
13 Tần số bắt đầu 0HZ 0-60HZ
29 Chọn tăng/giảm tốc 2 Tăng giảm tốc kiểu S
80 Công suất động cơ 15 kW
84 Tần số động cơ 50HZ
Là chân dao tín hiệu phản hồi từ cảm biến đưa về chân 4 của biến tần (0-10V)
241 Chọn đơn vị hiển thị đầu vào 2 Đơn vị VDC
129 Dải hệ số tỷ lệ(PID) 100% Thông số P
130 Thời gian điều khiển tích phân (PID)
Giá trị max của tín hiệu phản hồi từ cảm biến đưa vào chân 4 của biến tần (10V)
Cảm biến áp suất 0-4bar tương ứng với giá trị 0- 100% (Giá trị trả về (0-10V))
150 Mức độ phát hiện quá dòng ra 110% 0-120%
152 Mức phát hiện không có dòng 5% 0-50%
160 Chọn hiển thị thông số 0
Hiển thị thông số đơn giản và mở rộng
244 Chọn hoạt động làm mát 1
Luôn on khi biến tần chạy Và on/ off tùy thuộc vào nhiệt độ khi biến tần dừng
250 Chọn chế độ dừng 50s Dừng sau 50s
251 Bảo vệ pha đầu ra 1 Có bảo vệ
872 Bảo vệ pha đầu vào 1 Có bảo vệ
261 Chọn cách dừng khi mất điện 2
Khi mất điện hay thấp áp biến tần giảm tốc để dừng lạiKhi có điện biến
