Báo cáo tốt nghiệp Tìm hiểu biến tần động cơ

Đại học bách khoa Hà Nội Viện Điện Bộ môn điều khiển tự động Báo cáo thực tập tốt nghiệp TÌM HIỂU BIẾN TẦN-ĐỘNG CƠ Sinh viên: Nguyễn Đình Đạt 20110193 Lớp: Điều khiển tự động CTTT, Khóa 56 Giáo viên hướng dẫn: Ts Đào Phương Nam Hà Nội, Tháng 5, 2016 Trang | Sinh Viên : Nguyễn Đình Đạt Nhận xét giáo viên: ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Trang | Sinh Viên : Nguyễn Đình Đạt Mục lục Trang Mục lục …………………………………………………………………………………… 1-Giới thiệu chung hệ thống biến tần………………………………………………… 1.1 Lịch sử khái niệm biến tần ………………………………………………… 1.2 Khái niệm biến tần – động ………………………………………………… 1.3 Các loại biến tần động thường gặp ………………………………………… 2- Cấu tạo nguyên lý hoạt động biến tần động cơ……………………………… 2.1 Nguyên lý hoạt động biến tần động ………………………………………… 2.2 Các phận biến tần …………………………………………………… - Lợi ích biến tần ………………………………………………………………… 10 3- Ứng dụng biến tần động ………………………………………………………… 11 3.1 Sự phát triển hệ thống biến tần – động …………………………………… 11 3.2 Ứng dụng biến tần động ………………………………………………… 12 Tài liệu tham khảo Trang | Sinh Viên : Nguyễn Đình Đạt Giới thiệu chung hệ thống biến tần 1.1 Lịch sử khái niệm biến tần Biến tần xuất từ năm 1980-1990 giải pháp nhằm kiểm soát tốc độ động Nó biến biến đổi tần số hay gọi gọi biến tần, điều tốc Năm 1986, AIE phát minh điều khiển tốc độ động chiều Năm 1992, điều khiển động có xu hướng thương mại xuất thị trường Biến tần thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều tần số thành dòng điện xoay chiều tần số khác điều chỉnh 1.2 Biến tần - động Biến tần ý nghĩ tới thiết bị tự động hóa, thiết bị giống từ điển đa điều khiển vô cấp tốc độ động không tiếp điểm đại giới, mang tiện ích vượt trội Đó biến tần bán dẫn, phương tiện kết nối giới truyền động, làm thay đổi kiểu tư điều khiển truyền động điện quản lý điện Biến tần-động thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên động thông qua điều khiển tốc độ động cách vô cấp, không cần dùng đến hộp số khí Biến tần thường sử dụng linh kiện bán dẫn để đóng ngắt cuộn dây động để làm sinh từ trường xoay làm quay rô-to (rotor) 1.3 Một số loại biến tần-động thường gặp Biến tần (VFD/VSD) thiết bị cho phép động điện hoạt động nhanh hiệu Nó có khả điều chỉnh tốc độ động điện cách dễ dàng linh hoạt Thông thường, chức thực cách sử dụng thiết bị chuyển mạch bán dẫn Loại biến tần sử dụng phổ biến biến tần AC, chúng sử dụng để giúp động cảm ứng điện từ dùng dòng điện xoay chiều hoạt động với nhiều tốc độ khác Dưới số loại biến tần sử dụng rộng rãi 1) Biến tần AC Biến tần dòng điện xoay chiều (AC) loại biến tần sử dụng rộng rãi Chúng thiết kế để điều khiển xe cộ chạy dòng điện xoay chiều Trang | Sinh Viên : Nguyễn Đình Đạt 2) Biến tần DC Biến tần dòng điện chiều (DC) kiểm soát rẽ nhánh động điện chiều Thiết kế động điện chiều phân chia phần cảm ứng điện mạch rẽ nhánh 3) Biến tần thay đổi điện áp đầu vào Biến tần thay đổi điện áp đầu vào (VVI) loại biến tần đơn giản Với loại này, thiết bị chuyển mạch đầu tạo sóng sin cho điện áp động điện cách nhập loạt sóng vuông điện áp khác Các biến tần này thường làm việc với hỗ trợ tụ điện lớn 4) Biến tần nguồn điện đầu vào Biến tần nguồn điện đầu vào (CSI) giống với VVI Sự khác biệt hai thiết kế biến tần nguồn điện đầu vào điều khiển để ép dòng dòng điện sóng vuông thành dòng đối lập với điện áp Biến tần nguồn điện đầu vào cần đến đảo lưu lớn để giữ cho dòng điện mức không đổi 5) Biến tần điều chỉnh độ rộng xung Biến tần điều chỉnh độ rộng xung (PWM) loại biến tần phức tạp Nó cho phép động điện hoạt động hiệu PWM thực điều thông qua việc sử dụng bóng bán dẫn Các bóng bán dẫn chuyển đổi dòng điện chiều tần số khác cung cấp loạt xung điện áp cho động động điện Mỗi xung chia thành phần để phản ứng với điện kháng động điện tạo dòng điện thích hợp động điện 6) Biến tần vector dòng biến đổi độ rộng xung Biến tần vector dòng biến đổi độ rộng xung loại biến tần Chúng sử dụng loại hệ thống điều khiển thường kết hợp chặt chẽ với động điện chiều Các biến tần có vi xử lý, chúng kết nối với động điện thông qua vòng điều khiển kín Điều cho phép xử lý kiểm soát chặt chẽ hoạt động động điện Trang | Sinh Viên : Nguyễn Đình Đạt Cấu tạo nguyên lý hoạt động biến tần – động 2.1 Nguyên lý hoạt động biến tần – động Biến tần (Inverter) hay biến đổi tần số (Variable Frequency Drive, VFD) thiết bị điều chỉnh tốc độ động điện xoay chiều thông qua việc thay đổi tần số nguồn điện cấp cho động Vì mà biến tần có tên goi khác điều chỉnh tốc độ động (Variable Speed Drive, VSD) Ngoài ra, điện áp cấp cho động biến tần thay đổi theo tần số nên biến tần gọi biến đổi điện áp tần số (Variable Voltage Variable Frequency Drive, VVVFD Hình 2.1 Sơ đồ minh họa hệ thống điều tốc độ động với biến tần Trang | Sinh Viên : Nguyễn Đình Đạt Cách thức hoạt động biến tần đơn giản Chủ yếu qua công đoạn sau: Công đoạn 1: Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều pha hay pha chỉnh lưu lọc thành nguồn chiều phẳng Công đoạn thực chỉnh lưu cầu diode tụ điện Điện đầu vào pha ba pha, mức điện áp tần số cố định Công đoạn 2: Điện áp chiều biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều pha đối xứng Mới đầu, điện áp Một chiều tạo trữ giàn tụ điện Điện áp chiều mức cao Tiếp theo, thông qua trình tự kích hoạt thích hợp biến đổi IGBT (IGBT từ viết tắt Tranzito Lưỡng cực có Cổng Cách điện hoạt động giống công tắc bật tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu Biến tần) Biến tần tạo điện áp Xoay chiều ba pha phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nhờ tiến công nghệ vi xử lý công nghệ bán dẫn lực nay, tần số chuyển mạch xung lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động giảm tổn thất lõi sắt động Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động biến tần Hệ thống điện áp xoay chiều pha đầu thay đổi giá trị biên độ tần số tuỳ theo điều khiển Hiệu suất chuyển đổi nguồn biến tần cao sử dụng linh kiện bán dẫn công suất chế tạo theo công nghệ đại Nhờ vậy, lượng tiêu thụ xấp xỉ lượng yêu cầu hệ thống Ngoài ra, biến tần ngày tích hợp nhiều kiểu điều khiển khác phù hợp hầu hết loại phụ tải khác Ngày biến tần có tích hợp PID thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, phù hợp cho việc điều khiển giám sát hệ thống SCADA Hiệu suất làm việc tiến tần thường đạt 92-98%, 2-8% tiêu hao tản nhiệt bổ sung gây trình chuyển mạch điện có tần số cao nguồn bổ sung theo yêu cầu linh kiện điện tử Trang | Sinh Viên : Nguyễn Đình Đạt 2.2 Các phận biến tần Thông qua trình hoạt động biến tần, ta rút cấu tạo biến tần gồm mạch chỉnh lưu, mạch chiều trung gian (DC link), mạch nghịch lưu phần điều khiển Từ đó, ta cụ thể hóa thành phận sau: 1/ Bộ chỉnh lưu Phần trình biến điện áp đầu vào thành đầu mong muốn cho động trình chỉnh lưu Điều đạt cách sử dụng chỉnh lưu cầu đi-ốt sóng toàn phần Bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt tương tự với chỉnh lưu thường thấy nguồn, dòng điện xoay chiều pha chuyển đổi thành chiều Tuy nhiên, cầu đi-ốt sử dụng Biến tần cấu hình đi-ốt bổ sung phép chuyển đổi từ điện xoay chiều ba pha thành điện chiều Các đi-ốt cho phép luồng điện theo hướng, cầu đi-ốt hướng dòng electron điện từ Dòng Xoay chiều (AC) thành Dòng Một chiều (DC) 2/ Tuyến dẫn Một chiều Tuyến dẫn Một chiều giàn tụ điện lưu trữ điện áp Một chiều chỉnh lưu Một tụ điện trữ điện tích lớn, xếp chúng theo cấu hình Tuyến dẫn Một chiều làm tăng điện dung Điện áp lưu trữ sử dụng giai đoạn IGBT tạo điện cho động 3/ IGBT Thiết bị IGBT công nhận cho hiệu suất cao chuyển mạch nhanh Trong biến tần, IGBT bật tắt theo trình tự để tạo xung với độ rộng khác từ điện áp Tuyến dẫn Một chiều trữ tụ điện Bằng cách sử dụng Điều biến Độ rộng Xung PWM, IGBT bật tắt theo trình tự giống với sóng dạng sin áp dụng sóng mang 4/ Bộ điện kháng Xoay chiều Bộ điện kháng dòng Xoay chiều cuộn cảm cuộn dây Cuộn cảm lưu trữ lượng từ trường tạo cuộn dây chống thay đổi dòng điện Bộ điện kháng dòng giúp giảm méo sóng hài, tức nhiễu dòng xoay chiều Ngoài ra, điện kháng dòng Xoay chiều giảm mức đỉnh dòng điện lưới hay nói cách khách giảm dòng chồng Tuyến dẫn Một chiều Giảm dòng chồng Tuyến dẫn Một chiều cho phép tụ điện chạy mát sử dụng lâu Trang | Sinh Viên : Nguyễn Đình Đạt Bộ điện kháng dòng Xoay chiều hoạt động hoãn xung để bảo vệ mạch chỉnh lưu đầu vào khỏi nhiễu xung gây bật tắt tải điện cảm khác ngắt mạch khởi động từ Có vài nhược điểm sử dụng điện kháng, chi phí tăng thêm, cần nhiều không gian pa-nen giảm hiệu suất Trong trường hợp gặp, điện kháng dòng sử dụng phía đầu Biến tần để bù cho động có điện cảm thấp, điều thường không cần thiết hiệu suất hoạt động tốt công nghệ IGBT 5/ Bộ điện kháng Một chiều Bộ điện kháng Một chiều giới hạn tốc độ thay đổi dòng tức thời tuyến dẫn Một chiều Việc giảm tốc độ thay đổi cho phép truyền động phát cố tiềm ẩn trước xảy hỏng hóc ngắt truyền động Bộ điện kháng Một chiều thường lắp đặt chỉnh lưu tụ điện Biến tần 7,5 kW trở lên Bộ điện kháng Một chiều nhỏ rẻ Bộ điện kháng Xoay chiều Bộ điện kháng Một chiều giúp tượng méo sóng hài dòng chồng không làm hỏng tụ điện, nhiên điện kháng không cung cấp bảo vệ chống hoãn xung cho chỉnh lưu 6/ Điện trở Hãm Tải có lực quán tính cao tải thẳng đứng làm tăng tốc động động cố chạy chậm dừng Hiện tượng tăng tốc động khiến động hoạt động máy phát điện Khi động tạo điện áp, điện áp quay trở lại tuyến dẫn Một chiều Lượng điện thừa cần phải xử lý cách Điện trở sử dụng để nhanh chóng “đốt cháy hết” lượng điện thừa tạo tượng cách biến lượng điện thừa thành nhiệt Nếu điện trở, lần tượng tăng tốc xảy ra, truyền động ngắt Lỗi Quá áp Tuyến dẫn Một chiều Trang | Sinh Viên : Nguyễn Đình Đạt  Lợi ích biến tần Biến tần kết hợp với động không đồng đem lại lợi ích sau: - Điều chỉnh tốc độ dễ dàng; - Hiệu suất làm việc máy cao; - Quá trình khởi động dừng động êm dịu nên giúp cho tuổi thọ động cấu khí dài hơn; - An toàn, tiện lợi việc bảo dưỡng giảm bớt số nhân công phục vụ vận hành máy - Tiết kiệm điện mức tối đa trình khởi động vận hành - Ngoài ra, hệ thống máy kết nối với máy tính trung tâm Từ trung tâm điều khiển nhân viên vận hành thấy hoạt động hệ thống thông số vận hành (áp suất, lưu lượng, vòng quay ), trạng thái làm việc cho phép điều chỉnh, chẩn đoán xử lý cố xảy  Một thử nghiệm quy mô lớn châu Âu cho thấy VFD tiết kiệm 24-78% điện năng, tùy vào điều kiện phụ tải yêu cầu công nghệ Hình 2.3 Tiết kiệm điện dùng VFD, so với trường hợp đối chứng Trang | 10 Sinh Viên : Nguyễn Đình Đạt 3.Ứng dụng biến tần-động 3.1 Sự phát triển hệ thống biến tần – động “Biến tần xem cách mạng điều khiển động điện” Hiện nay, sản xuất công nghiệp ngành dịch vụ kinh doanh khách sạn hay nhà văn phòng, động điện chiếm tỷ lệ lớn số thiết bị tiêu thụ điện Theo khảo sát hiệp hội Copper (International Copper Association) nghiên cứu gần tình hình tiêu thụ lượng khu vực kinh tế có đến 50% lượng tiêu thụ động điện Thống kê điện tiêu thụ trình sản xuất nhà đại có 72% điện tiêu thụ dùng để chạy động Trong 63% áp dụng cho loại bơm quạt gió Gần hai phần ba lượng điện sử dụng công nghiệp để cung cấp cho động nên tiết kiệm điện cho ứng dụng truyền động điện vấn đề thời Các thống kê cho thấy, điều khiển động điện biến tần (variable frequency drive –VFD hay Variable Speed Drive-VSD) có thị phần lớn giải pháp tiết kiệm điện Việc trang bị cho doanh nghiệp máy biến tần cần thiết thiết thực.Hiện doanh nghiệp máy biến tần máy thiếu trình sản xuất doanh nghiệp Biến tần giúp công ty giảm chi phí lượng cách đáng kể Sử dụng biến tần để điều chỉnh lượng không khí thay đổi áp suất tiết kiệm lượng nâng cao độ tin cậy hệ thống *Một vài dẫn chứng cụ thể ưu điểm VFD mang lại Việt Nam - Thông thường hệ thống điều hòa chiếm khoảng 80% lượng tiêu thụ điện khách sạn sử dụng giải pháp tiết kiệm điện với biến tần, số giảm từ 45% - 50% Mức đầu tư ban đầu 45.000 USD, sau 03 tháng vận hành tiết kiệm 120.000 kwh tương đương 11.000 USD Như thời gian hoàn vốn khoảng 12 tháng - Đối với nhà máy Bia rượu nước giải khát Hà Nam, tổng mức chi phí/ đơn vị sản phẩm chi phí điện chiếm 37% sau sử dụng VFD, chi phí điện giảm từ 12% 15% Đầu tư cho hệ thống làm lạnh nhà máy 710.000.000 VNĐ ngược lại tiết kiệm 10.000 - 12.000VND/ 1000 lít sản phẩm, tương đương với việc hoàn vốn sau 18 tháng./3/ - Tại khu vực Nhà máy sợi Hòa Thọ, có máy nén công suất 110 kW vận hành luân phiên 12 giờ/ngày Đây máy xuống cấp chạy tốn điện Để khắc phục, đơn vị lắp đặt biến tần điều khiển động máy nén khí giúp tiết kiệm 172.588 kWh, tương đương 20% điện cho khu vực Trang | 11 Sinh Viên : Nguyễn Đình Đạt 3.2 Ứng dụng biến tần động  Các ứng dụng cụ thể Về ứng dụng biến tần với công suất điều khiển lớn sử dụng hiệu trường hợp như: - Điều khiển động không đồng công suất từ 15 đến 600kW với tốc độ khác nhau; - Điều chỉnh lưu lượng bơm, lưu lượng không khí quạt ly tâm, suất máy, suất băng tải ; - Ổn định lưu lượng, áp suất mức cố định hệ thống bơm nước, quạt gió, máy nén khí cho dù nhu cầu sử dụng thay đổi; - Điều khiển trình khởi động dừng xác động hệ thống băng tải; - Biến tần công suất nhỏ từ 0,18- 14 kW sử dụng để điều khiển máy công tác như: cưa gỗ, khuấy trộn, xao chè, nâng hạ Với bơm quạt ly tâm máy có mô men tải thay đổi theo tốc độ vòng quay sau: Lưu lượng (m3/h) tỷ lệ bậc với tốc độ, Q1/Q2 = n1/n2 Áp suất (Pa) tỷ lệ bình phương tốc độ, H1/H2 = (n1/ n2)2 Công suất điện tiêu thụ (kW) tỷ lệ lập phương với tốc độ, P1/P2 = (n1/ n2)3 Ở đây: Q1, H1, P1 - lưu lượng, áp suất công suất điện tương ứng với số vòng quay định mức động ( n1= 2960, 1.460 vg/ph ) Q2, H2, P2 - lưu lượng, áp suất, công suất điện ứng với tốc độ vòng quay điều chỉnh (n2[...]...3.Ứng dụng của biến tần- động cơ 3.1 Sự phát triển của hệ thống biến tần – động cơ Biến tần được xem là cuộc cách mạng điều khiển động cơ điện” Hiện nay, trong sản xuất công nghiệp cũng như các ngành dịch vụ như kinh doanh khách sạn hay toà nhà văn phòng, các động cơ điện chiếm một tỷ lệ rất lớn trong số các thiết bị tiêu thụ điện Theo những... vì thế giải pháp ứng dụng biến tần là sự lựa chọn duy nhất cho khả năng tiết kiệm điện rất cao so với động cơ làm việc với tốc độ không đổi (100% nđm)  Hiệu quả khi sử dụng Biến tần kết hợp với động cơ không đồng bộ đã đem lại những lợi ích sau: - Hiệu suất làm việc của máy cao; - Quá trình khởi động và dừng động cơ rất êm dịu nên giúp cho tuổi thọ của động cơ và các cơ cấu cơ khí dài hơn; - An toàn,... thống kê cũng cho thấy, điều khiển động cơ điện bằng biến tần (variable frequency drive –VFD hay Variable Speed Drive-VSD) có thị phần lớn nhất trong các giải pháp tiết kiệm điện Việc trang bị cho doanh nghiệp một máy biến tần là rất cần thiết và thiết thực.Hiện nay trong doanh nghiệp thì máy biến tần là 1 máy không thể thiếu trong quá trình sản xuất của doanh nghiệp Biến tần sẽ giúp công ty giảm chi phí... tốn điện Để khắc phục, đơn vị đã lắp đặt biến tần điều khiển động cơ máy nén khí giúp tiết kiệm 172.588 kWh, tương đương 20% điện năng cho khu vực này Trang | 11 Sinh Viên : Nguyễn Đình Đạt 3.2 Ứng dụng của bộ biến tần động cơ  Các ứng dụng cụ thể Về ứng dụng biến tần với công suất điều khiển lớn được sử dụng hiệu quả trong các trường hợp như: - Điều khiển động cơ không đồng bộ công suất từ 15 đến trên... lượng được tiêu thụ bởi các động cơ điện Thống kê điện năng tiêu thụ trong các quá trình sản xuất và các toà nhà hiện đại thì đã có 72% điện năng được tiêu thụ là dùng để chạy các động cơ Trong đó 63% là được áp dụng cho các loại bơm và quạt gió Gần hai phần ba năng lượng điện sử dụng trong công nghiệp là để cung cấp cho các động cơ nên tiết kiệm điện cho các ứng dụng truyền động điện luôn là vấn đề thời... đã nêu ở trên, ở đầu ra của biến tần chỉ có dòng điện là hình sin nhưng điện áp không phải là hình sin mà có dạng chuỗi xung vuông điều biên nối tiếp nhau Nếu khoảng cách nối dây cáp điện giữa động cơ và biến tần lớn sẽ xảy ra hiện tượng quá điện áp (do hiện tượng phản xạ sóng điện áp), có thể dẫn đến lão hóa cách điện cuộn dây stato, giảm tuổi thọ thậm chí làm hỏng động cơ Vì vậy, khi lắp ráp phải... vòng quay định mức của động cơ ( n1= 2960, 1.460 vg/ph ) Q2, H2, P2 - lưu lượng, áp suất, công suất điện ứng với tốc độ vòng quay được điều chỉnh (n2