Điều khiển động cơ xoay chiều cấp từ biến tần bán dẫn

Điều khiển động cơ xoay chiều cấp từ biến tần bán dẫn

Bài 1

GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN VÀ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

I GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN VÀ ỨNG DỤNG BIẾN TẦN TRONG THỰC TẾ.

1 Giới thiệu về Biến tần.

Biến tần là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện có tần số cố định sang nguồn điện có tần số có thể thay đổi được mà không làm thay đổi điện áp và dòng điện

3 Một số dòng Biến tần của SIEMENS.

- Với động cơ AC không đồng bộ: Biến tần có thể điều khiển với dải

+Biến tần MM440 điều khiển các động cơ dải công suất từ 0.25÷

250 (kW) và yêu cầu tải cứng vững như hệ thống cầu trục, hệ thống nâng hạ

- Với động cơ DC một chiều: Để điều khiển tốc độ động cơ,

công suất khác nhau Biến tần SIMOVERT DC được ứng dụng rất nhiều trong nghành thép.

- Với động cơ bước: Để điều khiển tốc độ các động cơ bước

thì SIEMENS có biến tấn SIMOSTEP điều khiển các động cơ bước với các dải công suất khác nhau

- Với động cơ SERVO: Với các động cơ AC SERVO (Động

cơ AC đồng bộ) SIEMENS có biến tần SIMODRIVER điều khiển cho các động cơ với dải công suất khác nhau

4 Giới thiệu Biến tần MM440.

MICROMASTER 440 là Biến tần dùng để điều khiển tốc độ và momen động cơ 3 pha (đồng bộ hoặc không đồng bộ), động cơ 1 chiều, động cơ bước Dải công suất Biến tần từ 120W đến 200kW Biến tần này có 3 kiểu màn hình vận hành (SDP, BOP, AOP) tương ứng với những khả năng truy nhập tham số khác nhau, rất thuận tiện cho người sử dụng ở mọi cấp độ

Các tham số lên đến hàng nghìn với đầy đủ các chức năng và phương pháp điều khiển giúp tối ưu hóa việc điều khiển động cơ trong các ứng dụng thực tế

Cùng với chức năng báo lỗi chi tiết nên việc bảo trì, bảo dưỡng cũng dễ dàng hơn

Ngoài ra, với dải công suất rất rộng của loại Biến tần MM 440 giúp người sử dụng có nhiều lựa chọn phù hợp với mọi mô hình, mọi ứng dụng trong các Nhà máy, cơ sở sản xuất…

Hình 1 Biến tần MM440 có công suất khác nhau

• Một số ứng dụng của Biến tần MM440:

- Cầu trục: Các hệ thống thang máy với tốc độ 1.2m/s

- Thang máy: Thang máy vận chuyển, bàn cán

- Đóng goi: Máy đóng gói thùng carton

- Máy dệt: Khung dệt, cuốn và xả cuốn, máy giặt công nghiệp, máy kéo khung

- Chế biến gỗ: Máy khoan cắt gỗ, máy tiện

- Hệ thống máy quán tính lớn: Các máy bơm ly tâm, máy nghiền

II MÔ HÌNH BIẾN TẦN MM 440.

1 Sơ đồ hệ thống:

Mô hình Biến tần gồm các thiết bị: Biến tần MM440 SIEMENS, động

cơ AC 3 pha, ENCODER phản hồi tốc độ, và 4 đồng hồ đo dòng điện, điện áp, công suất và tốc độ

Mô hình được xây dựng để khai thác các ứng dụng trong công nghiệp như: Điều khiển động cơ 3 pha có phản hồi đo tốc độ, cách đo các tham số dòng điện, điện áp và tốc độ Từ đây có thể xây dựng được

mô hình điều khiển động cơ 3 pha có phản hồi để ổn định tốc độ trong các ứng dụng công nghiệp

AC 220V

Hình 2 Sơ đồ mô hình thí nghiệm Biến tần MM 440

2 Các thiết bị trong mô hình.

2.1 Biến tần MM440 250kW.

Đây là loại Biến tần thuộc model MM440 nhưng có công suất nhỏ

(750W) Được ứng dụng để điều khiển động cơ nhỏ trong các ứng dụng như: Các mô hình trong phòng thí nghiệm (thang máy, mô hình mức ), vận chuyển, băng tải

IGBT BĂM XUNG

CHỈNH LƯU 1 CHIỀU

ĐỘNG CƠ

MẠCH ĐIỀU

Hình 4 Nguyên lý hoạt động của Biến tần

• Sơ đồ khối của Biến tần MM440:

Hình 5 Sơ đồ khối Biến tần MM 440

• Cách đấu dây trong động cơ

Trong hộp đấu dây của động cơ có 6 đầu ra là U,V,W và X,X,Z cho 3

cuộn dây của động cơ Tùy cách đấu mà ta có sơ đồ Δ hay Y.

U V W

X Y Z

• Đây là hai cách nối:

• Cách đấu dây động cơ với biến tần.

Cách đi dây cho biến tần (Hình dưới)

+ Cáp số 1 là cáp nối từ nguồn điện công nghiệp tới biến tân

+ Cáp số 2 là cáp nối dây điều khiển, các đầu vào ra số và tương tự + Cáp số 3 là cáp nối từ biến tần tới động cơ

• Sơ đồ cấp nguồn cho cho Biến tần – Động cơ theo sơ đồ nối một pha.

Hình 6 Sơ đồ cấp nguồn cho Biến tần

Hình 7 Cách đấu dây Biến tần

2.3 Rotary Encoder E40S.

- Encoder E40S là loại có 3 pha đầu ra (A, B, Z), được cấp nguồn 24V

và có 1000 xung/vòng

Hình 8 ENCODER

- Các đầu dây của Encoder E40S:

- Encoder E40S được đấu cứng vào trục động cơ để đo tốc độ động

cơ và cho hiển thị lên đồng hồ xung Số vòng quay sẽ tính theo phút hay theo giây do người thực hành đặt và đồng hồ sẽ hiện số vòng quay trên trục động cơ

2.4 Đồng hồ xung MP5W

Đồng hồ xung MP5W dùng để hiện thị tốc độ trên trục động cơ do

Encoder phản hồi về Đồng hồ này hiển được 5 chữ số (99999), với nguồn

cấp 100/240 VAC, 50/60Hz

Hình 9 Đồng hồ xung MP5W

• Sơ đồ các chân của đồng hồ:

2.5 Đồng hồ đo dòng điện, điện áp, công suất.

Trong mô hình thí nghiệm sử dụng 3 đồng hồ đo I, U, P Đồng hồ được

nối trực tiếp ở đầu ra của Biến tần tức đầu vào động cơ vì vậy các tham số

đo được là các tham số phía trước động cơ

Ngoài ra, mô hình còn sử dụng các nút ấn, nút dùng khẩn cấp, biến trở

và role

2.6 Máy điện một chiều kích từ độc lâp.

Máy điện một chiều được dùng làm động cơ điện hoặc máy phát điện hoặc một số ứng dụng khác

Máy điện một chiều ở chế độ máy phát được dùng làm nguồn điện cho các động cơ điện một chiều, làm nguồn điện một chiều kích thích từ trong máy điện đồng bộ…

Hình 11 STATOR của động cơ DC

- Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng vào lõi sắt cực từ

- Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều

- Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ , đồng thời làm vở máy

- Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ ghóp

- Nắp máy: Nắp máy làm vật cách điện, tránh các vật bên ngoài rời vào dây quấn và làm giá đỡ ổ bi…

- Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng

có bọc điện

- Cổ ghóp: Cổ ghóp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều

- Cánh quạt: Cơ cấu dùng để làm mát máy điện

- Trục máy: Trên trục máy có đặt lõi sắt phần ứng, cổ ghóp, cánh quạt và ổ bi

Bài 2

HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI TẢI KHÔNG ĐỔI

I GIỚI THIỆU HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG

CƠ XOAY CHIỀU.

Động cơ KĐB có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha nên được sử dụng rất rộng rãi Động cơ KĐB được cấu tạo phần cảm và phần ứng tách biệt, từ thong động cơ cũng như mômen động cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số Do vậy hệ tự động truyền động điện động cơ KĐB là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh Hiện nay, thường sử dụng bỗn hệ truyền động điều chỉnh tự động động cơ KĐB.1) Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi Tiristor

2) Điều chỉnh điện trở roto bằng bộ biến đổi xung Tiristor

3) Điều chỉnh công suất trượt PS

4) Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ bằng các bộ biến đổi tần số

Điều khiển tần số là một phương pháp điều khiển hiện đại cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB trơn, rộng và hiệu quả

Trong truyền động điện có hai hệ truyền động là hệ điều khiển tốc

độ vòng hở và hệ điều khiển tốc độ vòng kín (có phản hồi) động cơ

Hệ điều khiển tốc độ động cơ vòng hở thường không đáp ứng được khi hệ cần có quá trình gia tốc và tăng tốc nhanh vì tần số nguồn có thể thay đổi quá nhanh vượt quá tần số roto tới hạn, dòng điện động cơ lớn, nhưng hệ số công suất, mômen và hiệu suất động cơ lại thấp.

Hệ điều khiển tốc độ có phản hồi sẽ giúp hệ làm việc ổn định trong chế độ xác lập khi điện áp nguồn và phụ tải thay đôỉ và có phản ứng quá độ nhanh

Hệ phản hồi có phản hồi mômen và phản hồi tốc độ

• Sơ đồ khối hệ thống truyền động:

a) Hệ thống điều khiển mômen

b) Hệ thống điều khiển tốc độ Hình 13 Sơ đồ khối hệ thống truyền động

Hệ thống truyền động động cơ xoay chiều dùng phương pháp điều khiển tần số và điều khiển vecto để điều khiển tốc độ động cơ Trong mô hình này sử dụng phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều bằng thay đổi tần

số nguồn cấp theo luật điện áp-tần số thay đổi

Bộ điều khiển mômen

Bộ biến đổi công

_ M

Mđ

Bộ điều khiển mômen

Bộ biến đổi công

Tải _

M

Mđ

Bộ điều khiển tốc độ

_

đ

ω

II ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP - TẦN SỐ KHÔNG ĐỔI

Sơ đồ khối hệ thống truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ với điều khiển điện áp – tần số không đổi được trình bày hình dưới

Hình 14 Sơ đồ khối hệ thống biến tần – động cơ

Mạch lực gồm một bộ chỉnh lưu điều khiển CL một pha hoặc ba pha,

bộ lọc và nghịch lưu (NL) dạng sóng xung vuông Tín hiệu tần số đặt ωsđ là tín hiệu đặt tốc độ Tín hiệu điều khiển Usđ được tính từ tín hiệu tần số nhờ khâu tỷ lệ với hệ số G Ở chế độ làm việc xác lập, từ thông khe hở φ0 tỉ lệ với tỉ số Us/ωs định mức Trị số tín hiệu đăt U0 là trị số điện áp ban đầu của động cơ đảm bảo động cơ tạo ra từ thong khe hở và mômen tại tần số bằng không Ở chế độ xác lập, khi mômen phụ tải tăng, trong vùng làm việc ổn định, dộ trượt sẽ tăng và trạng thái làm việc ổn định của động cơ tương ứng với sự cân bằng giữa mômen động cơ và mômen phụ tải Nếu tín hiệu tần số đặt lớn hơn tần số định mức, điện áp bộ chỉnh lưu sẽ đạt giá trị lớn nhất và không đổi, động cơ sẽ chuyển chế độ làm việc từ vùng mômen không đổi sang vùng giảm từ thong: Từ thông khe hở giảm, do đó mômen động cơ sẽ giảm khi cùng giá trị dòng điện Stator

G

U/f

+ +

5

ω

Hinh 15 Đặc tính cơ của hệ Biến tần – động cơ xoay chiều

Ở hệ điều khiển điện áp vòng hở, từ thong khe hở sẽ biến thiên theo

sự biến thiên của nguồn Hình trên là đặc tính cơ lý tưởng với mômen tới hạn không đổi ở vùng tần số dưới định mức, khi động cơ tăng tốc và giảm tốc độ

Ở chế độ xác lập, nếu tần số đặt ωsđ tăng nhẩy cấp với trị số lớn, độ trượt tăng lớn, điểm lamf việc sẽ vượt qua điểm tới hạn và động cơ sẽ làm việc không ổn định Khi tần số giảm mạnh quá trình cũng xảy ra tương tự

Để đảm baor quá trình tăng tốc và giảm tốc tốc độ động cơ ổn định, tần số động cơ cần được thay đổi chậm và trơn sao cho độ trượt không vượt quá trị số tới hạn

Quá trình tăng tốc độ với hạn chế dòng điện từ điểm 1  4 Khi tần

số tăng với giá trị lớn, động cơ sẽ chuyển điểm làm việc 1 sang điểm 2, tiếp theo là quá trình tăng trơn của tần số khi dòng điện được hạn chế ở giới hạn cho phép, tương ứng là mômen hằng số (điểm 2 - 3) Cuối cùng, đoạn 3 –

4, dòng điện động cơ giảm dần và động cơ làm việc ổn định ở điểm 4 Quá trình giảm tốc cũng xảy ra tương tự

III CÀI ĐẶT BIẾN TẦN.

• Có 3 loại panel vận hành thường sử dụng để thiết lập các thông số cho biến tần.

Hình 16 Các màn hình vận hành của Biến tần MM 440

SDP – Panel hiển thị trạng thái Có sẵn khi mua biến tần.

BOP – Panel vận hành cơ bản Các lệnh hiển thị dưới dạng kí hiệu Khi

thiết lập

thông số cho biến tần , người ta phải dùng bảng tra cứu

AOP – Panel vận hành cấp cao Các lệnh hiển thị dưới dạng các Menu nên

dễ dàng thao tác

Khi làm việc với Biến tần trước tiên ta phải khai báo các tham số cho Biến tần và tham số của đối tượng cần điều khiển.Các tham số cần cài đặt bao gồm:

- Cài đặt tham số động cơ

- Cài đặt thời gian khởi động và dừng động cơ

- Cài đặt chế độ điều khiển động cơ từ BOP hay từ đầu vào tương tự

và số

- Cài đặt thuật toán điều khiển

Như vậy, bằng cách cài đặt các tham số ta có thể điều khiển được động cơ

Qua việc cài đặt các tham số ở trên ta thấy có 3 cách để điều khiển động cơ:

- Điều khiển động cơ thông qua màn hình BOP của Biến tần

- Điều khiển động cơ qua đầu vào tương tự - số

- Điều khiển động cơ bằng PLC (Kết nối với PLC bên ngoài)

• Cài đặt thông số biến tần theo luật U/f không đổi.

Khi điều khiển tần số, nếu giữ từ thông khe hở không đổi thì động

cơ sẽ được sử dụng hiệu quả nhất tức là có khả năng sinh mômen lớn nhất Từ thông khe hở không đổi khi duy trì tỉ số Es/fs không đổi Nếu sụt áp trên trở kháng tản từ bé có thể bỏ qua thì sức điện động Es sẽ xấp xỉ bằng điện áp Us Do đó, từ thông khe hở sẽ được duy trì gần như không đổi khi duy trì tỉ số U/f bằng hằng số

Hình 17 Quan hệ giữa tốc độ động cơ và điện áp nguồn cấp

Tham số P1300 cho phép chọn các chế độ điều khiển với luật U/f không đổi

- P1300 = 0: U/f với đặc tính đường thẳng

- P1300 = 1: U/f với đặc tính FCC

- P1300 = 2: U/f với đặc tính Parabol

- P1300 = 3: U/f với đặc tính có thể lập trình

- P1300 = 4: U/f với đặc tính ECO

- P1300 = 5: U/f với đặc tính cho các ứng dụng máy dệt

- P1300 = 6: U/f với đặc tính FCC cho các ứng dụng máy dệt

- P1300 = 19: U/f với đặc tính điện áp đặt độc lập

- P1300 = 20: U/f với đặc tính điều khiển vector không nhạy

- P1300 = 22: U/f với đặc tính điều khiển vector mômen không nhạy

IV ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC BẰNG MÀN HÌNH BOP.

1 Các phím chức năng trên BOP.

Hình dạng Chức

năng Mô tả

Hiển thị trạng thái

LCD hiển thị các tham số cài đặt hiện tại

Phím Start

Ấn phím này để Start biến tần Để sử dụng được phím này thì thông số P0700 = 1

Phím Stop

OFF1 OFF2

Ấn phím này để Stop biến tần Để sử dụng được phím này thì thông số P0700

= 1

Chế độ bằng tay

Phím chuyển chế độ điều khiển bằng tay(thao tác trên màn hình BOP-2)

Chế độ

tự động

Phím chuyển chế độ điều khiển tự(điều khiển biến tần thông qua các đầu vào hoặc qua mạng)

Phím chức năng

Phím này được dùng để xem một số thông tin thêm

Ấn và giữ phím này trong 2 giây từ bất kỳ thông số nào trong khi hoạt động, màn hình sẽ hiển thị các thông tin sau:

1 Điện áp 1 chiều sau chỉnh lưu (V)

Phím truy cập thông số

Để truy cập vào thông số nào đó bạn phải ấn phím này

Phím tăng giá trị

Ấn phím này để tăng giá trị đang hiển thị

Phím giảm giá trị

Ấn phím này để giảm giá trị đang hiển thị

2 Cách truy nhập vào và thay đổi thông số trên BOP.

Bảng dưới đây mô tả thủ tục truy cập vào một thông số nào của biến

tần Ví dụ truy cập vào thông số P0719 và thay đổi giá trị của chúng

1 Ấn để truy cập vào các tham số

2 Ấn đến khi hiện ra P0719

3 Ấn để truy cập mức giá trị

4 Ấn , màn hình hiện ra giá trị hiện tại

5 Ấn hoặc để thay đổi đến giá trị

mong muốn Nếu không cần thay đổi giá

trị thì bỏ qua bước này

6 Ấn để xác nhận và lưu giá trị vừa đặt

7 Ấn đến r0000

8 Ấn để trở về trạng thái ban đầu

3 Các bước cài đặt cho biến tần để điều khiển động cơ.

Bước 1 : Reset biến tần

P0010 = 30

P0970 = 1

Màn hình hiện ra Busy Chờ ít phút cho đến khi màn hình trở lại hiển thị P0970

Bước 2 : Cài đặt các tham số của biến tần

Trong bước này ta cần phải xem kĩ nhãn của động cơ để nhập các thông số cho chính xác

Cách đọc các thông số của động cơ và tham số có liên quan

Hình 18 Động cơ AC 3 pha

• Các bước cài đặt Biến tần:

 Quá trình Quick Commissioning.

 Các thông số cần khởi động cho ứng dụng:

P0003 1 3 Mức truy cập tham số người sử dụngP0010 0 1 Cho phép thay đổi các thông số ĐC

P0308 0 cosϕ Hệ số cosϕ của động cơ

Commissioning

P1040 0 F Đặt tần số hoạt động cố định

P108

P1082 50 50 Tần số lớn nhất

P1120 10 30 Thời gian tăng tốc

P1121 30 30 Thời gian giảm tốc

* Chú ý: Kết thúc quá trình cài đặt phải đặt tham số P0010 = 0 (Ready)

V CÀI ĐẶT BIẾN TẦN TỪ ĐẦU VÀO TƯƠNG TỰ - SỐ.

1 Sơ đồ khối bên trong biến tần.