Nghiên cứu, ứng dụng biến tần và khởi động mềm điều khiển động cơ công suất lớn

Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải LỜI NÓI ĐẦU Đất nước ta hiện nay đang hội nhập ngày càng sâu rộng vào nền kinh tế thế giới, việc cạnh trạnh về thị trường là rất khốc liệt. Để có được những sản phẩm cạnh tranh thì cần phải thay đổi công nghệ sản xuất lạc hậu, thay vào đó là những dây chuyền sản xuất khép kín, tính tự động hóa cao nhằm mang đến những sản phẩm chất lượng với giá thành rẻ, tăng tính cạnh tranh trên thị trường. Với những ưu điểm như hệ số công suất cao, vận hành tin cậy, giá thành rẻ và chi phí vận hành hằng năm thấp. Do đó, động cơ không đồng bộ đáp ứng được các yêu cầu cao trong điều khiển và được ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau đặc biệt là sản xuất công nghiệp…. Tuy nhiên, do cấu trúc phi tuyến với nhiều thông số nên việc điều khiển động cơ không đồng bộ là khó khăn. Những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn, vi điều khiển nhiều phương pháp điều khiển mới đã được đề xuất cho điều khiển động cơ không đồng bộ. Sử dụng biến tần và khởi động mềm là hai phương pháp điều khiển động cơ tiên tiến hiện nay, được ứng dụng rộng rãi với nhiều tính năng, đảm bảo các yêu cầu điều khiển. Đây cũng là lí do mà nhóm chúng em lựa chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN VÀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” cho đồ án của chúng em. Qua một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu và nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo hướng dẫn Trần Văn Hải cùng với các thầy cô giáo trong khoa, các bạn, đến nay đồ án của em đã hoàn thành. Với khả năng kiến thức còn nhiều hạn chế, do đó bản đồ án này sẽ không tránh khỏi những thiếu xót. Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô và các bạn để đồ án này được hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn! Tp.Hồ Chí Minh, ngày 6 tháng 6 năm 2012. SVTH: Dương Đức Đạt. Phạm Văn Cường. SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 1 Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Tp.Hồ Chí Minh, Ngày… tháng… năm 2012. Giáo viên hướng dẫn. (ký và ghi rõ họ tên) SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 2 Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN: Tp.Hồ Chí Minh, Ngày… tháng… năm 2012. Giáo viên phản biện. (ký và ghi rõ họ tên) SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 3 Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU 1 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 3 MỤC LỤC 4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 6 1.1. TÍNH CẦP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 6 1.2. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 6 1.3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 6 1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 7 2.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 8 2.2. CẤU TẠO 9 2.2.1. Phần tĩnh (Stator) 8 2.2.2. Phần quay (Rotor) 10 2.2.3. Khe hở không khí 11 2.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 11 2.4. CÁC YÊU CẦU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 14 2.4.1. Những yêu cầu đặt ra trong quá trình điều khiển động cơ 14 2.4.2. Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ 16 2.4.3. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 24 CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN 29 3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 29 3.2. CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG CỦA BIẾN TẦN 29 3.2.1. Biến tần trực tiếp 29 SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 4 Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải 3.2.2. Biến tần gián tiếp 33 3.3. ỨNG DỤNG CỦA BIẾN TẦN TRONG THỰC TẾ 36 3.4. MỘT SỐ LƯU Ý KHI SỬ DỤNG BIẾN TẦN 38 3.5. MỘT SỐ LOẠI BIẾN TẦN TRÊN THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY 38 3.6. ỨNG DỤNG CỦA BIẾN TẦN ABB- ACS150 45 3.6.1. Khởi động và nhập thông số 45 3.6.2. Các phương pháp điều khiển sử dụng biến tần ACS150 55 CHƯƠNG IV: GIỚI THIỆU VỀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM 63 4.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 63 4.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 63 4.2.1. Cấu tạo bộ khởi động mềm 63 4.2.2. Nguyên lý hoạt động của bộ khởi động mềm 68 4.3. ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM TRONG THỰC TẾ 69 4.4. MỘT SỐ LOẠI KHỞI ĐỘNG MỀM TRÊN THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY 70 4.5. ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM SIEMENS – 3RW44 76 4.5.1. Sơ đồ kết nối mạch nguồn và mạch điều khiển 76 4.5.2. Hiển thị và cài đặt thông số 77 KẾT LUẬN 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO. SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 5 Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. TÍNH CẦP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong các ngành sản xuất công nghiệp, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng khá phổ biến trong các hệ thống truyền động, dây chuyền sản xuất bởi tính chất đơn giản và tin cậy trong thiết kế chế tạo và sử dụng. Tuy nhiên khi sử dụng động cơ không đồng bộ trong sản xuất đặc biệt với các động cơ có công suất lớn ta cần chú ý tới quá trình khởi động động cơ do khi khởi động rotor ở trạng thái ngắn mạch, dẫn đến dòng điện khởi động và momen khởi động lớn, nếu không có biện pháp khởi động thích hợp có thể không khởi động được động cơ hoặc gây nguy hiểm cho các thiết bị khác trong hệ thống điện. Vấn đề khởi động động cơ điện không đồng bộ đã được nghiên cứu từ lâu với các biện pháp khá hoàn thiện để giảm dòng điện và momen khởi động. Ngày nay, công nghệ bán dẫn ngày càng phát triển, các thiết bị bán dẫn công suất lớn ngày càng được sử dụng rộng rãi, với độ tin cậy ngày càng cao, có khả năng điều khiển tốt. Sự ra đời của các bộ biến tần, bộ khởi động mềm đã giải quyết những nhược điểm mà các phương pháp điều khiển truyền thống mắc phải. Việc giảm điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi động hoàn toàn có thể được thực hiện một cách dễ dàng bằng việc điều khiển góc mở của van bán dẫn, làm hạn chế dòng điện khởi động xuống còn 1.5 đến 3 lần dòng định mức, phụ thuộc vào chế độ tải vì khi động cơ được đóng điện trực tiếp vào lưới điện dòng khởi động của động cơ không đồng bộ sẽ rất lớn từ 5 đến 7 lần dòng định mức. Đồng thời điều chỉnh tăng mômen mở máy một cách hợp lý, cho nên các chi tiết của động cơ chịu độ dồn nén về cơ khí ít hơn, tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động cơ. Ngoài việc tránh dòng đỉnh trong khi khởi động động cơ, còn làm cho điện áp nguồn ổn định hơn không gây ảnh hưởng xấu đến các thiết bị khác trong lưới điện. Với đề tài mà chúng em thực hiện là: “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN VÀ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” nghĩa là: điều SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 6 Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải khiển động cơ sao cho có thể làm hạn chế dòng điện khởi động, cũng như tăng mômen mở máy một cách hợp lý đồng thời điều chỉnh được tốc độ động cơ trong quá trình làm việc. Chúng em hy vọng sẽ mang đến những kiến thức hữu ích về biến tần và khởi động mềm, để phục vụ tốt hơn cho nhu cầu học tập và vận hành thực tiễn. 1.2. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI Đề tài bao gồm các nội dung: - Tổng quan về động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển. - Nghiên cứu, ứng dụng biến tần. - Nghiên cứu, ứng dụng bộ khởi động mềm. - Thi công mô hình biến tần và bộ khởi động mềm. 1.3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Với đề tài “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN VÀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” đã giải quyết được vấn đề giảm dòng khởi cho động cơ khi khởi động và điều khiển điện áp ở đầu cực động cơ nhưng vẫn còn hạn chế là chưa thể nghiên cứu sâu hơn nữa những tính năng thực của biến tần và bộ khởi động mềm được bán trên thị trường hiện nay như: - Tích hợp hình thức giao tiếp mạng kiểu Modbus. - Các ngõ vào ra đa chức năng,… 1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đây là đề tài nghiên cứu lĩnh vực ứng dụng, chính vì vậy các phương pháp chủ yếu sử dụng để thực hiện đề tài này là: - Phương pháp tham khảo tài liệu: Bao gồm các tài liệu chuyên môn, bài giảng và giáo trình liên quan đến đề tài, các tài liệu tải từ Internet,… - Phương pháp thực nghiệm và mô phỏng: Tiến hành cài đặt, hiệu chỉnh và vận hành thực tế, thiết kế và mô phỏng mạch điện, SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 7 Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Động cơ không đồng bộ ba pha do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, sử dụng và bảo quản thuận tiện, giá thành rẻ nên được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân, nhất là loại công suất dưới 100 kW. Động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc cấu tạo đơn giản nhất (nhất là loại rotor lồng sóc đúc nhôm) nên chiếm một số lượng khá lớn trong loại động cơ công suất nhỏ và trung bình. Nhược điểm của động cơ này là điều chỉnh tốc độ khó khăn và dòng điện khởi động lớn thường bằng 5-7 lần dòng điện định mức. Để bổ khuyết cho nhược điểm này, người ta chế tạo đông cơ không đồng bộ rotor lồng sóc nhiều tốc độ và dùng rotor rãnh sâu, lồng sóc kép để hạ dòng điện khởi động, đồng thời tăng mômen khởi động lên. Động cơ điện không đồng bộ rotor dây quấn có thể điều chỉnh tốc được tốc độ trong một chừng mực nhất định, có thể tạo một mômen khởi động lớn mà dòng khởi động không lớn lắm, nhưng chế tạo có khó hơn so với với loại rotor lồng sóc, do đó giá thành cao hơn, bảo quản cũng khó hơn. SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 8 Hình 2.1: Động cơ không đồng bộ ba pha. Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải 2.2. CẤU TẠO Động cơ không đồng bộ ba pha có cấu tạo gồm hai phần: phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor). 2.2.1. Phần tĩnh (Stator) Stato có cấu tạo gồm vỏ máy, lỏi sắt và dây quấn:  Vỏ máy: Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ. Thường vỏ máy được làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000kW ) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy. Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau.  Lõi sắt: Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại. Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại. Khi đường kính ngoài lớn hơn thì dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại. Mặt trong của lõi thép có các rãnh để đặt dây quấn. Rãnh chứa dây quấn có nhiều hình dạng khác nhau. Trong đó, phổ biến là rãnh hình thang và rãnh quả lê. SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 9 Hình 2.2: (a) lõi thép stator; (b) lá thép; (c) rãnh chứa dây quấn. Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải • Dây quấn: Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt. 2.2.2. Phần quay (rotor) Rotor có 2 loại chính : rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lòng sóc. • Rotor dây quấn : Rotor có dây quấn giống như dây quấn của stator. Dây quấn 3 pha của rotor thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc điểm là có SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 10 Hình 2.4. (a) sơ đồ bố trí ba cuộn dây stator. (b) dây quấn ba pha đặt trong rãnh. Hình 2.3: Rãnh ở mặt trong stator. [...]... việc của hệ thống thấp, một phần đáng kể công suất đầu vào không được sử dụng hiệu quả Hầu hết thời gian momen động cơ sinh ra đều lớn hơn momen yêu cầu của tải Khi khởi động trực tiếp từ lưới nguồn, dòng khởi động rất lớn Điều này làm tổn thất công suất lớn trên đường truyền và trong rotor, làm nóng động cơ, thậm chí có thể làm hỏng lớp cách điện Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện áp nguồn, ảnh hưởng... 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... TẠO VÀ CHỨC NĂNG CỦA BIẾN TẦN 3.2.1 Biến tần trực tiếp Hình 3.1: Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều-xoay chiều) Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới (f1 . điều khiển. - Nghiên cứu, ứng dụng biến tần. - Nghiên cứu, ứng dụng bộ khởi động mềm. - Thi công mô hình biến tần và bộ khởi động mềm. 1.3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Với đề tài “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN. ỨNG DỤNG BIẾN TẦN VÀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” đã giải quyết được vấn đề giảm dòng khởi cho động cơ khi khởi động và điều khiển điện áp ở đầu cực động cơ nhưng vẫn còn. em lựa chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN VÀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” cho đồ án của chúng em. Qua một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu và nhận được sự hướng