Xây dựng các mạch điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng PLC Mistubishi có chức năng khởi động trực tiếp và đảo chiều động cơ...17 2.5.1... Các hệ thống này sử dụng điện làm ngu
TỔNG QUAN
CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Truyền động cho một máy, một dây chuyền sản xuất mà dùng năng lượng điện thì gọi là truyền động điện (TĐĐ) Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử, cơ, thủy lực phục vụ cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho cơ cấu chấp hành trên các máy sản xuất, đồng thời có thể điều khiển dòng năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất.
Về cấu trúc, một hệ thống TĐĐ nói chung bao gồm các khâu:
Hình 1: cấu trúc hệ truyền động điện.
1 Bộ biến đổi: Bộ biến đổi dùng để biến đổi loại dòng điện( Xoay chiều thành một chiều hoặc ngược lại), biến đổi loại nguồn( nguồn áp thành nguồn dòng hoặc ngược lại), biến đổi mức điện áp( hoặc dòng điện),
Page biến đổi số pha, biến đổi tần số,… Các bộ biến đổi thường dùng là máy phát điện, hệ máy phát – động cơ (hệ F- Đ), các chỉnh lưu không điêu khiển và có điều khiển, các bộ biến tần,…
2 Động cơ điện: dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành điện năng( khi hãm điện) Các động cơ điện thường dùng là: động cơ xoay chiều KĐB ba pha roto dây quấn hay lồng sóc; động cơ điện một chiều kích từ song song, nối tiếp hay kích từ bằng nam châm vĩnh cữu; động cơ xoay chiều đồng bộ,…
3 Truyền lực: khâu truyền lực, dùng để truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu sản xuất hoặc dùng để biến đổi dạng chuyển động( quay thành tịnh tuến hay lắc) hoặc làm phù hợp về tốc độ Momen, lực Để truyền lực, có thể dùng các bánh răng, thanh răng, trục vít, xích, đai truyền, các bộ ly hợp cơ hoặc điện từ,…
4 Cơ cấu sản xuất hay cơ cấu làm việc, thực hiện các thao tác sản xuất và công nghệ( gia công chi tiết, nâng – hạ tải trọng, dịch chuyển…).
5 Điều khiển: Khối điều khiển là các thiết bị dùng để điều khiển bộ biến đổi, đông cơ điện, cowcaasu truyền lực.
Hệ thống điều khiển bao gồm các thành phần đo đạc, thiết lập và điều chỉnh thông số kỹ thuật, công cụ và thiết bị chuyển mạch điện áp và dòng điện có tiếp điểm (chẳng hạn như rơ le, công tắc tơ) hoặc không tiếp điểm (điện tử, bán dẫn) Các hệ thống truyền động điện tự động khác có thể có thêm mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác như máy tính điều khiển, bộ xử lý và bộ lập trình logic có thể lập trình (PLC) để điều khiển tắt/bật.
Các thiết bị đo lường, cảm biến ( sensor) dùng để lấy các tín hiệu phản hồi có thể là các loại đồng hồ đo, các cảm biến từ, cơ, quang,… Một hệ thống truyền động điện không nhất thiết phải có đầy đủ các khâu nêu trên tuy nhiên, một hệ thống truyền động điện bất kỳ luôn bao gồm hai phần chính:
Phần lực: bao gồm bộ biến đổi và động cơ điện.
Một hệ thống truyền động điện được gọi là hệ hở khi không có phản hồi và được gọi là hệ kín khi có phản hồi, nghĩa là giá trị của đại lượng đầu ra được đưa trở lại đầu vào dưới dạng một tín hiệu nào đó để điều chỉnh lại việc điều khiển sao cho đại lượng đầu ra đạt giá trị mong muốn.
1.1.Phân loại hệ thống truyền động điện.
Hệ truyền động điện được phân loại dựa trên đặc điểm của động cơ điện sử dụng trong hệ, bao gồm các loại: hệ truyền động động cơ điện một chiều, hệ truyền động động cơ điện xoay chiều, hệ truyền động động cơ bước, hệ truyền động động cơ đồng bộ, hệ truyền động động cơ không đồng bộ và một số loại khác.
Truyền động điện một chiều: dùng động cơ điện một chiều Truyền động điện một chiều sử dụng cho các máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và moomen, nó có chất lượng điều chỉnh tốt.
Truyền động điện không đồng bộ: dùng động cơ điện xoay chiều không đồng bộ Động cơ không đồng bộ ba pha có ưu điểm là có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lươi điện xoay chiều ba pha.
Truyền động điện đồng bộ sử dụng động cơ điện xoay chiều đồng bộ ba pha, chuyên dùng cho những truyền động không điều chỉnh tốc độ, có công suất lớn từ hàng trăm KW đến hàng MV Các ứng dụng phổ biến của loại truyền động này bao gồm máy nén khí, quạt gió, bơm nước và máy nghiền.
Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, động cơ đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại giải công suất từ vài trăm W ( cho cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, cơ cấu
Page chuyển động của tay máy, người máy) đến hàng MW ( cho các truyền động máy cán, kéo tàu tốc độ cao,…). b Theo tính năng điều chỉnh:
Truyền động không điều chỉnh: động cơ chỉ quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định.
Truyền có điều chỉnh: trong loại này , tùy thuộc yêu cầu công nghệ mà ta có truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh Moonmen, lực kéo và truyền động điểu chỉnh vị trí. c Theo thiết bị biến đổi:
Hệ máy phát- động cơ(F- Đ): động cơ điện một chiều được cấp điện từ một máy phát điện một chiều( bộ biến đổi máy điện).
Thuộc hệ này có hệ máy điện khuyêch đại- đông cơ (MĐKĐ – Đ), đó là hệ có BBĐ là máy điện khuếch đại từ trường ngang.
Hệ chỉnh lưu – động cơ (CL- Đ); động cơ một chiều được cấp điện từ một bộ chỉnh lưu( BCL) Chỉnh lưu có thể không điều khiển(Điôt) hay có điều khiển (Thyristor)… d Một số cách phân loại khác:
TÍNH TOÁN CHỌN THIẾT BỊ
Lựa chọn động cơ không đồng bộ 3 pha
MSSV: 42001225 => Số cuối MSSV = 5. Để chọn động cơ không đồng bộ ba pha có khả năng kéo tải:
Vì số cặp cực quá lớn dẫn đến tốc độ quay đồng bộ sẽ càng thấp, động cơ nhiều cặp cực thường sử dụng ở các ứng dụng đòi hỏi tốc độ quay thấp và moment xoắn cao Tuy nhiên, động cơ với số cặp cực quá lớn như 12.5 cặp, sẽ làm giảm giá trị hiệu suất của động cơ và đòi hỏi một hệ thống khởi động, dừng động cơ phức tạp hơn, đòi hỏi sử dụng các phương pháp đặc biệt và làm tăng chi phí đầu tư ban đầu.
Công suất cần biết để động cơ có thể kéo tải 30N m ở tốc độ 480 (rpm) là:
60 07.96(W) Theo yêu cầu đề bài thì ta cần chọn một động cơ có đầy đủ thông số để đáp ứng yêu cầu sau:
Động cơ có công suất lơn hơn 1.51 (kW).
Động cơ có moment định mức lớn hơn 30 N m
Động cơ có tốc độ định mức lơn hơn 480 (rpm )
2.1.1 Chọn động cơ JUMAR 4kW | 5.5 HP | 6 cực.
Hãng sản xuất JUMAR Điện áp (V) 380 V/ 660 V
Tốc độ vòng quay (v/phút) 960
Tính toán lại moment định mức, tốc độ lớn nhất:
Tốc độ định mức (max): ω= N∗2 60 π = 960∗2 60 π 0.5(rad/ s).
Ta có tốc độ định mức N = 960 (rpm) và số cặp cực p =6.
Nên ta có thể suy tính ra tốc độ đồng bộ: N s = 960∗50
Từ thông số động cơ, ta có thể tính được Moment xoắn định mức của động cơ:
Từ các công thức tính toán và các thông số của động cơ mà moment xoắn định mức tính được, ta có thể thấy động cơ đáp ứng tốt yêu cầu đưa ra.
2.2 Sơ đồ mạch động lực và điều khiển.
Hình sử dụng 1 nút nhấn STOP và 2 nút Fwd, Rvs cho chạy thuận và chạy nghịch Do tiếp điểm của nút nhấn sẽ trả về vị trí ban đầu sau khi ngưng tác động Do đó để duy trì contactor đóng sau khi nhã nút nhấn ta mắc song song với nút Fwd tiếp điểm thường đóng của KM1, mắc song song Rvs với tiếp điểm thường đóng KM2.
2.2.1 Tên gọi, kí hiệu và chức năng của các linh kiện trong mạch:
CB: Circuit Breaker người Việt Nam thường gọi theo phiên âm tiếng
Nga là Aptonat có chức năng dùng để bảo vệ khi quá tải, ngắn mạch trong hệ thống điện.
MCB: Là từ viết tắt của Miniature Circuit Breaker, là loại CB thu nhỏ được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điện gia đình và các ứng
Page dụng thương mại nhỏ MCB thường có kích thước nhỏ gọn, có thể lắp đặt trên thanh DIN hoặc trực tiếp trên bảng điện.
Chức năng của MCB: MCB được sử dụng để bảo vệ các mạch điện khỏi quá tải và ngắn mạch Nó có thể được đặt trong các mạch riêng lẻ hoặc trong các bảng điện để bảo vệ toàn bộ hệ thống MCB có thể được thiết lập để ngắt mạch ở mức dòng điện nhất định, và có thể được đặt lại sau khi xảy ra sứ cố.
OLR: Overload Relay (OLR) là một thiết bị bảo vệ điện tử được sử dụng để bảo vệ các động cơ khỏi dòng quá tải OLR được thiết kể để giám sát dòng điện của động cơ, và nếu dòng điện vượt quá mức cho
Page phép, nó sẽ ngắt mạch để bảo vệ động cơ khỏi hư hỏng do dòng quá tải.
Chức năng chính của Overload Relay (OLR) là bảo vệ động cơ khỏi dòng quá tải Khi động cơ hoạt động, OLR sẽ giám sát dòng điện đi qua động cơ Nếu dòng điện vượt quá mức cho phép, OLR sẽ ngắt mạch để ngăn chặn tình trạng quá tải và giảm thiểu nguy cơ hư hỏng cho động cơ.
OLR cũng có thể giúp giảm thiểu sự cố và tăng hiệu suất cho hệ thống điện Khi một động cơ bị quá tải, nó có thể làm tăng nhiệt độ của động cơ, làm giảm tuổi thọ và hiệu suất của nó, và có thể gây ra các vấn đề
Page khác trong hệ thống điện OLR sẽ ngăn chặn tình trạng quá tải này bằng cách ngắt mạch, giữ cho động cơ hoạt động trong mức dòng điện an toàn và giảm thiểu tình trạng hư hỏng.
Contactor là một thiết bị điện được sử dụng để đóng cắt, điều khiển hoạt động của các thiết bị điện, chẳng hạn như động cơ, máy bơm hoặc các thiết bị khác Hoạt động của contactor dựa trên cơ chế đóng ngắt mạch điện, cho phép hoặc ngăn chặn dòng điện từ nguồn điện cấp tới thiết bị điện.
Contactor có khả năng điều khiển hoạt động của thiết bị điện, bao gồm động cơ điện, máy nén khí, bơm nước, đèn và nhiều thiết bị khác Tính năng này cho phép bật hoặc tắt hoạt động của các thiết bị này theo nhu cầu, mang lại sự tiện lợi và linh hoạt trong việc quản lý hệ thống điện.
Chuyển đổi tải điện: Contactor có khả năng chuyển đổi tải điện giứa các nguồn cấp khác nhau, tuỳ thuộc vào điều kiện hoạt động của hệ thống điện.
Bảo vệ tải điện: Contactor có thể được thiết kế với các tính năng bảo vệ, chẳng hạn như chức năng cắt tự động hoặc khả năng chống quá tải, để đảm bảo an toàn cho tải điện.
Tích hợp vào hệ thống điện tử: Contactor có thể kết nối với các thiết bị điện tử cho phép điều khiển từ xa nhằm tăng sự linh hoạt và hiệu quả của hệ thống.
Nguồn điện 3 pha đấu vào tiếp điểm chính 1, 3, 5 của MCB.
Tiếp điểm chính 2, 4, 6 của MCB đấu vào 3 tiếp điểm chính 1, 3, 5 của Contactor, KM1, KM2.
Tiếp điểm chính 2, 4, 6 của Contactor KM1 được đấu thứ tự vào 3 tiếp điểm chính 5, 3, 1 của OL.
Tiếp điểm chính 2, 4, 6 của Contactor KM2 được đấu thứ tự vào 3 tiếp điểm chính 1, 3, 5 của OL.
Tiếp điểm chính 2, 4, 6 của OL đấu vào 3 đầu dây U1, V1, W1 của đông cơ 3 pha.
Dây PE của động cơ đấu vào dây PE của nguồn.
Dây pha L nguồn đấu vào MCB (Miniature Circuit Breaker), sau đó đấu với tiếp điểm thường đóng 95 của Rơ le nhiệt.
Tiếp điểm thường đóng 96 của Rơ le nhiệt đấu với tiếp điểm thường đóng 1 của nút nhấn OFF.
Tiếp điểm thường đóng 2 của nút nhấn STOP đấu với tiếp điểm thường mở 3 của nút nhấn Fwd, Rvs; đồng thời đấu với tiếp điểm thường mở
Tiếp điểm thường mở 4 của nút nhấn Fwd đấu với tiếp điểm thường đóng 21 của Công tắc tơ KM2 Tiếp điểm 22 của KM2 đấu với tiếp điểm thường mở 14 của KM1 và A1 cuộn dây Công tắc tơ KM1.
Tiếp điểm thường mở 4 của nút nhấn Rvs đấu với tiếp điểm thường đóng 21 của Công tắc tơ KM1 Tiếp điểm 22 của KM1 đấu với tiếp điểm thường mở 14 của KM2 và A1 cuộn dây Công tắc tơ KM2.
Dây trung tính N và đèn tín hiệu.
Dây trung tính nguồn đấu vào MCB.
Tiếp điểm A2 của cuộn dây Công tắc tơ KM1, KM2, tiếp điểm 97 thường mở của OL đấu vào dây trung tính N.
Đèn Đỏ: X1 đấu vào dây pha, X2 đấu với tiếp điểm 98 thường mở của
OL Báo tín hiệu khi động cơ quá tải.
Nguyên lý hoạt động của mạch.
Khi nhấn nút Fwd thì cuộn dây contactor KM1 được cấp điện nên KM1 đóng, động cơ chạy chiều thuận Đồng thời tiếp điểm thường đóng của KM1 đóng tự giữ cho nút nhấn Fwd.
Lựa chọn bộ khởi động mềm
Theo đề bài, và các thông số tính toán chọn được bộ khởi động mềm Siemens 3RW4024-1BB14, AC/DC 110 - 230V, 12.5A,5.5KW, 200V ~ 480V.
Motor khi hoạt động thường yêu cầu một lượng điện lớn trong quá trình tăng tốc đến tốc độ định mức Vì vậy, bộ khởi động mềm được sử dụng để hạn chế sự tăng đột biến của dòng điện, hay được gọi là “dòng khởi động”
Page và mô-men xoắn của động cơ điện Làm cho động cơ hoạt động an toàn hơn, mượt mà hơn và khởi động dần dần.
Bộ khởi động mềm sẽ bảo vệ động cơ điện khỏi những hư hỏng có thể xảy ra, đồng thời kéo dài tuổi thọ của động cơ điện và toàn bộ hệ thống bằng cách giảm nhiệt do khởi động / dừng thường xuyên, giảm áp lực cơ học trên động cơ, trục của nó và giảm ứng suất điện động trên dây cáp điện.
Trong trường hợp sử dụng dòng trực tiếp để chạy động cơ, dòng điện qua dây sẽ rất lớn yêu cầu hệ thống cung cấp điện phải có kích thước dây tương ứng, dẫn đến chi phí tăng thêm Vì vậy, bộ khởi động mềm thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp có tải quán tính cao đòi hỏi phải có dòng khởi động lớn.
Những ứng dụng điển hình của bộ khởi động mềm:
Động cơ điện cho chuyên chở vật liệu.
Động cơ vân hành non tải lâu dài.
Động cơ có bộ chuyển đổi (ví dụ hộp số, băng tải )
Động cơ có quán tính lớn (quạt, máy nén, bơm, băng truyền, thang máy, máy nghiền, máy ep, máy khuấy, máy dệt …
Cách điều khiển của khởi động mềm Siemens:
Bộ Soft starter có thể được điều khiển bằng cách khởi động / dừng bằng nút nhấn trực tiếp hoặc, nó có thể được điều khiển qua mạng Ethernet/Profibus… Cả hai phương pháp điều khiển đều có ưu điểm và nhược điểm của nó.
Nguyên tắc hoạt động chính của bộ thiết bị khởi động mềm là đều chỉnh điện áp cấp vào động cơ khi động cơ khởi động và dừng, thông qua việc tác động vào trị số hiệu dụng của điện áp Việc điều chỉnh
Page dòng điện sẽ điều chỉnh được trị số hiệu dụng của điện áp, do moment động cơ tỉ lệ với bình phương của điện áp và điện áp tỉ lệ thuận với dòng điện, moment gia tốc Thiết bị khởi động mềm bao gồm 3 cặp thyristor (SCR) đấu song song ngược với nhau, khi thiết bị ở trạng thái đóng/ngắt, các cặp thyristor (SCR) này sẽ ngăn không cho dòng điện chạy qua Tuy nhiên, khi thiết bị ở trạng thái mở, các cặp thyristor sẽ mở dần góc kích của các van bán dẫn, để dòng điện chạy qua nhưng ngăn không cho dòng điện chạy qua đồng thời ồ ạt, mà từ từ cung cấp năng lượng cho động cơ khởi động, giúp động cơ tăng tốc từ từ, không quá nhanh làm hệ thống điện sụt áp.
Phần góc mở của van bán dẫn là chìa khóa để điều chỉnh điện áp cấp vào thiết bị và động cơ Van mở từ từ cho đến khi được mở hoàn toàn thì điện áp sẽ đạt tới giá trị điện áp định mức lớn nhất, cũng là lúc động cơ đã đạt tới tốc độ tối đa và vận hành ổn định.
Khi động cơ đạt tới tốc độ giới hạn định mức, tiếp điểm Contactor bypass trên bộ khởi động mềm sẽ tự động đóng lại, khiến dòng điện không còn đi qua thyristor Thời gian khởi động và dừng có thể điều chỉnh theo nhu cầu, với giá trị mặc định là 6 giây.
2.3.2 Sơ đồ đấu dây của bộ khởi động mềm.
2.3.3 Trình tự hoạt động của mạch:
Bước 1: Thiết lặp thời gian khởi động và thời gian dừng cho động cơ trên bộ khởi động mềm là 6 giây.
Khi công tắc đóng mạch (MCB) ở trạng thái đóng, nhấn nút START để cấp điện cho cuộn dây khởi động từ KM1 Tiếp theo, các tiếp điểm chính của KM1 đóng lại và cho phép dòng điện chạy qua bộ khởi động mềm Sau đó, dòng điện sẽ tiếp tục chạy qua động cơ, giúp động cơ xoay và hoạt động.
Do tác dụng của bộ khởi động mềm, động cơ sẽ tăng tốc dần sau khi ta nhấn nút START và sẽ đạt tốc độ xác lập sau thời gian thiết lập là 6 giây Đồng thời khi có dòng qua cuộn KM1 thì tiếp điểm phụ (thường hở) KM1(13 14) cũng đóng lại cho dòng đi qua ST và Run để tiếp tục cấp cho cuộn KM1 sau khi ta thả nút START.
Bước 3: Nhấn STOP để dừng động cơ Sau khi nhấn STOP cuộn KM1 sẽ không còn dòng đi qua, các tiếp điểm chính của contactor KM1 sẽ
Page hở ra và động cơ sẽ từ từ giảm tốc độ và sau thời gian thiết lập 6 giây thì động cơ sẽ dừng hẳn.
Xây dựng các mạch điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng PLC (Mistubishi) có chức năng khởi động trực tiếp và đảo chiều động cơ
STT KÊNH BIẾN KIỂU DỮ LIỆU
Bảng 1: Đầu vào Đầu ra
Mô tả Địa chỉ Mô tả Địa chỉ
Khối PLC Khối biến tần Động cơ
2.5.2 Sơ đồ mạch động lực và mạch điều khiển.
QUẢ MÔ PHỎNG
3.1.1 Bảng thống số của động cơ Điện trở giữa stato: Rs 0.294 (Ω) Điện trở liên rôto: Rr 0.156 (Ω) Độ tự cảm từ hóa: Lm 0.041 (H) Điện cảm stato: Ls 0.00139 (H) Độ tự cảm rôto: Lr 0.00074 (H)
Tần số tham chiếu: f 50 (Hz) Điện áp 380 V
3.1.2 Kết quả sau thu được khi chạy mô phỏng động cơ động cơ.
Hệ số trượt định mức: S n = ( 1− N N m s ) =1− 1000 9 60 =0,04
Tốc độ trượt định mức: N s = N s −N m =n s × N s = 4 0[rpm ].
Môment định mức: T N =9,550 P N [kW ] n M , n [rpm] 8.2(Nm )
Do tải đấu Y nên điện áp đặt lên 1 pha của động cơ:
Dòng điện ổn định đạt khoảng 20 (A).
3.2 Trạng thái điều khiển khởi động trực tiếp và đảo chiều. 3.2.1 Nhấn nút Fwd động cơ chạy thuận.
3.2.2 Nhấn nút Rvs động cơ chạy nghịch.
3.3 Các trạng thái chạy bằng bộ khởi động mềm Siemens 3RW4024-1BB14. 3.3.1 Nhấn nút START động cơ sẽ khởi động trong khoảng thời gian 6s.
3.3.2 Nhấn nút STOP động cơ sẽ dừng trong khoảng thời gian 6s.
