Tương thích điện từ trong bộ điều khiển động cơ xoay chiều

Các thiết bị trong hệ thống điện công nghiệp,các dây chuyền sản xuất trong nhà máy được điều khiển từ động cơ cảm ứng không đồng bộ KĐB với chi phí hợp lý và độ bền cấu trúc.. Các hệ thố

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ

Đề tài:

TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRONG BỘ ĐIỀU

KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

LỚP : KTĐT K25

Đà Nẵng 11/2013

Tiểu luận môn Tương thích điện từ

[Type the document title]

LỜI MỞ ĐẦU

Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên thế giới đang phát triển rất nhanh, luôncần đạt đến những yêu cầu kỹ thuật mới Các thiết bị trong hệ thống điện công nghiệp,các dây chuyền sản xuất trong nhà máy được điều khiển từ động cơ cảm ứng không đồng

bộ (KĐB) với chi phí hợp lý và độ bền cấu trúc Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ KĐB

là một vẫn đề khó khăn, phức tạp vì động cơ KĐB là một hệ phi tuyến, cần thuật toánđiều khiển chặt chẽ Hiệu quả kinh tế trong sản xuất phụ thuộc vào việc sử dụng hợp lýcác thiết bị điện trong sản xuất, điều khiển đạt hiệu suất tối ưu nhất

Các hệ thống cần điều khiển tốc độ động cơ hoạt động theo yêu cầu chính xác,việc sử dụng bộ điều khiển động cơ xoay chiều có vai trò rất quan trọng trong điềukhiển động cơ điện KĐB ba pha Bên cạnh đó, môi trường công nghiệp bị ảnh hưởngbởi các loại nhiễu do các thiết bị điện, điện tử gây ra Khi bộ điều khiển động cơ xoaychiều hoạt động trong môi trường nhiễu, nhiễu được bức xạ và truyền thông qua các dâycáp tín hiệu và dây cáp nguồn, có thể ảnh hưởng đến chức năng, gây lỗi hay thậm chígây hư hại cho bộ điều khiển

Để ngăn chặn điều này, một số bộ điều khiển động cơ xoay chiều có chống nhiễutăng cường nhưng kết quả còn hạn chế và không kinh tế Do đó, phương pháp hiệu quả

là tìm ra nguyên nhân gây nhiễu và sử dụng giải pháp phù hợp để đạt mục tiêu “khôngbức xạ, không truyền dẫn và không tiếp thu nhiễu” Các giải pháp này cần được ápdụng

Thiết bị A Thiết bị B

Tương thích điện từ (TTĐT)- một thuật ngữ chỉ rõ đặc tính mà những thiết bị

điện tử, tin học có được khi chúng vận hành tốt trong một môi trường có sự hiện diện của

các thiết bị khác hoặc có tín hiệu nhiễu từ môi trường xung quanh chúng tác động vào

Mô hình cơ bản của TTĐT được minh họa bởi hình 1.1

Môi trường ngoài

Hình 1.1 Mô hình cơ bản của TTĐT

Nếu một hệ thống là EMC thì phải thỏa mãn ba tiêu chuẩn sau:

• Không gây ra nhiễu với các hệ thống khác

• Không nhạy với sự phát xạ từ các hệ thống khác

• Không gây ra nhiễu cho chính nó

Khái niệm chính trong TTĐT là mối quan hệ giữa “Nguồn phát- Đường dẫn- Máy

thu”

Hình 1.2: Nguồn phát- Đường dẫn- Máy thu

Có ba thành phần cơ bản: Nguồn phát, đường dẫn và máy thu

Máy thu có thể có hai loại khác nhau:

- Loại chủ động: Máy thu thanh hoặc máy thu hình

- Loại thụ động: Máy vi tính hoặc một số loại thiết bị điện tử khác

Một số đề xuất để giải quyết vấn đề TTĐT trong mô hình này

- Khử năng lượng tại nguồn phát (nghĩa là ta có thể giảm tổng năng lượng được phátxạ)

- Xác định đường truyền dẫn cho bản thân thiết bị, đường dẫn này phải được kiểmsoát thông qua các dây dẫn hoặc bức xạ ra không gian

- Xác định đặc tính của máy thu và làm cho nó có thể tăng khả năng chống nhiễu hơn.Tóm lại, các vấn đề của EMC liên quan đến sự phát sinh, sự truyền và sự thunhận năng lượng điện từ Hình 1.2 minh họa ba yếu tố của một vấn đề EMC: nguồn tạo

ra sự phát xạ, và đường dẫn mang năng lượng phát xạ chuyển từ nguồn đến máy thu, và

vì vậy năng lượng điện từ không mong muốn được chuyển đổi thành một số tác độngkhông mong đợi

1.2. Tương thích điện từ trong bộ điều khiển động cơ xoay chiều

1.2.1. Bộ điều khiển động cơ xoay chiều

1.2.1.1. Động cơ xoay chiều

 Cấu tạo: gồm hai bộ phận chính

- Cuộn dây cố định (còn gọi là Stator)

- Bộ phận xoay (còn gọi là Rotor)

Hình 1.3 Cấu tạo của động cơ xoay chiều

Stator gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vànhtròn để tạo ra từ trường quay Rotor hình trụ có tác dụng như một cuộn dây quấn trên lõithép.

Khi mắc động cơ vào mạng điện xoay chiều, từ trường quay do Stator gây ra làmcho Rotor quay trên trục Chuyển động quay của Rotor được trục máy truyền ra ngoài

và được sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác Trụcnày quay với tốc độ do biến tần xác định

1.2.1.2. Bộ điều khiển động cơ xoay chiều

Bộ điều khiển động cơ xoay chiều là thiết bị dùng để điều khiển tốc độ của động

cơ điện, động cơ cảm ứng, hay động cơ đồng bộ Động cơ điện xoay chiều đầu tiênđược thiết kế vào năm 1899 Động cơ điện chuyển đổi điện năng thành cơ năng nhờ vàohiện tượng cảm ứng điện từ Các động cơ này được đặc trưng bởi:

- Tốc độ cố định, xác định bởi tần số của nguồn điện cấp

- Moment xoắn cố định

Tuy nhiên, với tốc độ cố định thì không phù hợp cho tất cả trường hợp; do đó,cần phải điều chỉnh tốc độ theo yêu cầu thực tế

Bộ điều khiển động cơ xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Ví

dụ, các dòng chảy của nước và hóa chất trong tiến trình công nghiệp thường được điềukhiển bằng cách điều chỉnh tốc độ của các máy bơm; hay bộ điều khiển động cơ gắn vớicác quạt để điều chỉnh luồng không khí trong hệ thống điều hòa không khí và nhiệt lớn…

 Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển động cơ xoay chiều:

Tốc độ được điều khiển bằng cách thay đổi tần số của nguồn điện cấp cho động

cơ Điện lưới xoay chiều 3 pha được nối đến động cơ và tạo ra một từ trường quay trong

nó Rotor của động cơ điện sẽ theo từ trường quay này Bộ điều khiển động cơ xoay chiều

sẽ chuyển đổi tần số của nguồn điện cấp sang tần số nằm trong khoảng 0-300 Hz hoặcthậm chí cao hơn, và do đó điều khiển tốc độ động cơ tỷ lệ thuận với tần số

 Các thành phần chính của bộ điều khiển động cơ xoay chiều:

Hình 1.4 Các thành phần chính của bộ điều khiển động cơ xoay chiều

• Bộ chỉnh lưu:

Bộ điều khiển động cơ xoay chiều được cấp nguồn bởi điện lưới thông qua bộchỉnh lưu Bộ chỉnh lưu có thể là 1 chiều hoặc 2 chiều Khi chỉnh lưu 1 chiều, bộđiều khiển động cơ xoay chiều có thể tăng tốc và chạy động cơ bằng cách lấy nănglượng từ mạng điện Nếu chỉnh lưu 2 chiều, bộ điều khiển động cơ xoay chiềucũng có thể mang năng lượng quay từ động cơ và hồi tiếp lại cho mạng điện

• Mạch DC:

Mạch DC sẽ lưu trữ nguồn điện từ bộ chỉnh lưu cho bộ biến tần sử dụng Tronghầu hết các trường hợp, nguồn điện được lưu trữ trong các tụ điện có dung lượngcao

• Bộ biến tần:

Bộ biến tần lấy nguồn từ mạch DC và cung cấp cho động cơ Bộ biến tần sử dụng

kỹ thuật điều chế tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha đầu ra cho động cơ Tần số cóthể được điều chỉnh để phù hợp với nhu cầu

 Ưu điểm:

• Cho phép người dùng kiểm soát tốc độ của động cơ đem lại nhiều thuận lợitrong quá trình kiểm soát Điều chỉnh tốc độ như là phương tiện để kiểmsoát tiến trình:

- Hoạt động mượt mà hơn

- Kiểm soát tăng tốc

- Tốc độ làm việc khác nhau cho mỗi tiến trình

- Bù đắp cho sự thay đổi các biến của tiến trình

- Điều chỉnh tốc độ sản xuất

- Cho phép định vị chính xác

- Kiểm soát moment

- Khống chế dòng khởi động động cơ, giúp quá trình khởi động êm ái, nângcao độ bền kết cấu cơ khí

- Tiết kiệm năng lượng…

 Nhược điểm:

- Tạo ra lượng nhiệt lớn và các sóng hài

1.2.2. Tương thích điện từ trong bộ điều khiển động cơ xoay chiều

Khi bộ điều khiên động cơ xoay chiều hoạt động, tín hiệu điều hòa sẽ xuất hiện ởđầu vào và đầu ra của bộ điều khiển động cơ xoay chiều Nó tạo ra một mức nhiễu điện

từ nhất định cho các thiết bị điện xung quanh và mạng điện lưới Động cơ xoay chiềuthường được ứng dụng trong môi trường công nghiệp với nhiễu điện từ mạnh Trong điềukiện như vậy, một động cơ xoay chiều có thể gây nhiễu hoặc bị gây nhiễu

Bộ điều khiển động cơ xoay chiều của Delta được thiết kế TTĐT và tuân thủ cáctiêu chuẩn EMC EN61800 -3 năm 2004 Cài đặt các bộ điều khiển động cơ xoay chiềuchính xác sẽ giảm ảnh hưởng nhiễu điện từ và đảm bảo tính ổn định lâu dài của hệ thốngđiện

Chương 2: VẤN ĐỀ TRÁNH NHIỄU ĐIỆN TỪ

2.1 Các loại nhiễu điện từ

Nhiễu điện từ của bộ điều khiển động cơ xoay chiều có thể được phân biệt thành nhiễu ởchế độ sai lệch và nhiễu ở chế độ chung

Nhiễu ở chế độ sai lệch bị gây ra bởi điện dung kí sinh giữa các dây dẫn và nhiễu ở chế

độ chung bị gây ra bởi đường dẫn ghép của chế độ chung được tạo ra bởi điện dung kísinh giữa các dây dẫn và đất

Hình 2.1 Nhiễu ở chế độ sai lệch và chế độ chung

Về cơ bản, nhiễu ở chế độ sai lệch có tác động lớn hơn đối với bộ điều khiển động

cơ AC và nhiễu ở chế độ chung có tác động lớn hơn đối với các thiết bị điện tử có độnhạy cao Một lượng quá nhiều nhiễu ở chế độ sai lệch có thể kích hoạt hệ thống bảo vệmạch của bộ điều khiển động cơ AC Nhiễu ở chế độ chung ảnh hưởng đến các thiết bịđiện tử ngoại vi thông qua kết nối đất chung

Noise Unshielded cable

Send Receive

Load Cstray

Ground

Các vấn đề TTĐT có thể quan trọng hơn khi theo các điều kiện sau đây:

- Khi một bộ điều khiển động cơ AC công suất lớn được kết nối với mộtđộng cơ công suất lớn

- Điện áp làm việc của bộ điều khiển động cơ AC tăng lên

- Các IGBT chuyển mạch nhanh

- Khi một dây cáp dài được sử dụng để nối động cơ với bộ điều khiển động

cơ AC

2.2 Đường truyễn dẫn của nhiễu điện từ

Nhiễu làm ảnh hưởng đến các thiết bị/ hệ thống điện ngoại vi có độ nhạy cao thôngqua đường dẫn và bức xạ, các đường truyền của chúng được trình bày sau đây:

 Dòng nhiễu trong các dây cáp điện không bọc được dẫn tới đất thông quađiện dung kí sinh với một điện áp chế độ chung Có hoặc không có cácmodule khác có khả năng chống nhiễu ở chế độ chung này phụ thuộc vào

hệ số nén đồng pha CMRR, thể hiện trong hình 2.2

Hình 2.2

 Nhiễu ở chế độ chung trong cáp nguồn được truyền qua điện dung kí sinh

và được ghép với cáp tín hiệu lân cận, thể hiện trong hình 2.3 Một sốphương pháp có thể được áp dụng để giảm ảnh hưởng của nhiễu ở chế độ

Unshielded cable Noise

Cstray

Unshielded cable Noise

Cstray Send Receive

Load

chung này, ví dụ như bọc các dây cáp tín hiệu hoặc các dây cáp nguồn,tách riêng các loại cáp nguồn và tín hiệu, lấy cáp tín hiệu đầu vào và bênđầu ra xoắn chúng với nhau để cân bằng điện dung kí sinh, để các cápnguồn và cáp tín hiệu chéo nhau góc 90°…

Cable

GroundHình 2.3

 Nhiễu ở chế độ chung được ghép thông qua cáp nguồn đến các hệ thốngnguồn khác, sau đó cáp của hệ thống nguồn được nối với hệ thống truyềntải, như thể hiện trong hình 2.4

GroundHình 2.4

 Nhiễu ở chế độ chung của một dây cáp nguồn không bọc chắn được truyềnxuống đất thông qua điện dung kí sinh Vì cả hai dây bọc chắn và không

Noise Unshielded cable

Cstray

Load Cstray

Ground

bọc chắn dây được nối đến một đất chung, các hệ thống khác có thể bị ảnhhưởng bởi nhiễu truyền từ mặt đất trở lại vào hệ thống thông qua dây bọcchắn Xem hình 2.5

Hình 2.5

 Khi có quá nhiều dòng điều chế xung đi qua một dây cáp của bộ điều khiểnđộng cơ AC không nối đất, nó hoạt động như một ăng-ten và tạo ra nhiễubức xạ

Chương 3: CÁC GIẢI PHÁP GIẢM NHIỄU ĐIỆN TỪ



 Dòng rò của một thiết bị điện tử được dẫn xuống đất thông qua dây nối đất

và điện cực nối đất Theo định luật Ohm, hiệu điện thế có thể phát sinh khi điện trở đấtcủa điện cực và điện trở đất của đất là khác nhau

 Theo định luật Ohm, điện trở đất cho điện cực và đất là khác nhau, trongtrường hợp này hiệu điện thế có thể phát sinh

3.1 Giải pháp nối đất

3.1.1 Nối đất bảo vệ và nối đất chức năng

 Nối đất bảo vệ được ứng dụng bên ngoài các tòa nhà và phải có sức điện trởthấp Mặt khác, nối đất chức năng có thể được ứng dụng bên trong các tòa nhà và phải cótrở kháng thấp

 Mục tiêu của TTĐT là để tránh bất kỳ tác động nhiễu Nôi đất cho TTĐT

có thể được phân biệt bởi tần số Đối với tần số thấp hơn 10kHz, nên sử dụng hệ thốngđất đơn điểm và đối với các tần số cao hơn 10 kHz , nên sử dụng hệ thống đất đa điểm

• Nối đất đơn điểm: tất cả các đất tín hiệu của tất cả các thiết bị truyền dẫncông nghiệp được nối tiếp để tạo thành một điểm tham chiếu duy nhất.Điểm này có thể được nối trực tiếp đến đất; đến điểm nối đất được chỉ địnhhoặc đến điểm an toàn đã được nối đất

• Nối đất đa điểm: tất cả các tín hiệu của tất cả các thiết bị truyền dẫn côngnghiệp được nối đất độc lập

• Nối đất Hybrid: loại nối đất này hoạt động khác biệt đối với các tần số thấp

và cao Khi hai phần của thiết bị A và B được kết nối thông qua một dây cápđược bọc chắn, một đầu được nối trực tiếp với đất trong khi đầu kia được nốivới đất thông qua một tụ điện Hệ thống nối đất này đáp ứng các tiêu chuẩncho nối đất tần số cao và thấp

• Nối đất floating: các tín hiệu của tất cả các thiết bị truyền dẫn công nghiệp

được cách ly với nhau và không được nối đất

 Dòng DC chảy đều khắp dây dẫn, nhưng dòng điện AC chảy về phía bề mặtcủa dây dẫn khi tần số tăng, điều này được gọi là "hiệu ứng bề mặt" Nó làm cho diện tích

HF

1

LF-HF 2

1 Braided 3

mặt cắt hiệu dụng bị giảm khi tăng tần số Do đó để tăng diện tích mặt cắt hiệu dụng đốivới các tần số cao bằng cách thay thế mấu dây nối đất bằng các dây dẫn bện hoặc dây dẫndải Tham khảo hình sau đây





 Đây là lý do tại sao phải sử dụng dây nối đất ngắn và dày để nối với đườngdẫn đất chung hoặc thanh góp nối đất Đặc biệt là khi một bộ điều khiển (ví dụ như PLC)được nối với một bộ điều khiển động cơ AC, nó phải được nối đất bởi một dây dẫn ngắn

và dày và được đề xuất sử dụng dây dẫn bện bằng phẳng (ví dụ: lưới kim loại) với mộttrở kháng thấp hơn ở tần số cao

 Nếu dây nối đất quá dài, điện cảm của nó có thể ảnh hưởng đến cấu trúccủa các tòa nhà hoặc tủ điều khiển và tạo ra điện cảm tương hỗ và điện dung kí sinh.Được thể hiện trong hình dưới đây, một dây nối đất dài có thể trở thành một ăng-tenthẳng đứng và biến thành một nguồn nhiễu



Painted sheet metal

- Sử dụng một mạch nguồn chung

- Nối đất đơn điểm

- Cách ly các tín hiệu (ví dụ bằng photocouplers)

Lo n

g P

A EquipmentB

Very good

Cable Earth plane

• Kí hiệu thứ 2 thể hiện kết nối giữa đất và thiết bị cung cấp nguồn

- T: Được nối trực tiếp tới đất (Điểm nối đất này tách biệt với các điểm nối đấtkhác trong hệ thống cung cấp nguồn)

- N : Nối với đất thông qua dây dẫn được cung cấp bởi hệ thống cung cấpnguồn

• Kí hiệu thứ ba và thứ tư ra thể hiện vị trí của dây đất

- S: Các dây trung tính và dây đất riêng biệt

- C: Dây trung tính và đất được kết hợp thành một dây dẫn đơn

 Hệ thống TN:

- TN: Điểm trung tính của máy biến áp hay máy phát điện áp thấp được nối

đất, thường là điểm nối sao trong hệ thống điện 3 pha Thân của thiết bị điện được nối đấtthông qua nối đất này tại máy biến áp

- Protective earth (PE): Dây dẫn nối phần kim loại tiếp xúc với người dùng.

- Neutral (N): Dây dẫn nối với điểm nối sao trong hệ thống điện 3 pha hoặc

mang dòng rò trong một hệ thống điện 1 pha

- Hệ thống TN-C-S

- TN-CS: hệ thống dây trung tính và đất kết hợp (dây trung tính nối đất bảovệ) được sử dụng trong các hệ thống nhất định nhưng cuối cùng chia thành hai dây dẫnriêng biệt PE và N Một ứng dụng điển hình của dây PEN được kết hợp là từ trạm biến ápđến tòa nhà nhưng trong tòa nhà dây trung tính bảo vệ nối đất được tách thành các dây

- Một bộ lọc bên trong nên bị ngắt kết bởi dây nhảy RFI và một bộ lọc bênngoài không nên được cài đặt khi bộ điều khiển động cơ AC hoặc bộ điều khiển động cơtrợ lực AC được kết nối với một hệ thống IT.

-3.2 Giải pháp bọc chắn

3.2.1 Bọc chắn là gì?

- Bọc chắn tĩnh điện được sử dụng để cách ly thiết bị để nó sẽ không tạo ranhiễu điện từ trường hoặc bị ảnh hưởng bởi một trường điện từ bên ngoài Một vật liệudẫn điện được sử dụng cho bọc chắn tĩnh điện để tạo ra sự cách ly này.

- Một lồng Faraday có thể được làm từ một lưới kim loại hoặc vật liệu dẫnđiện Một đặc trưng của kim loại là nó có tính dẫn điện cao và không tĩnh điện, điều này

sẽ tạo ra sự che chắn và ngăn nhiễu của các điện trường bên ngoài Kim loại với độ dẫnđiện cao của nó sẽ bảo vệ các thiết bị bên trong khỏi những điện áp cao - không có điện

áp nào truyền vào lồng ngay cả khi lồng đang tải một dòng điện cao Ngoài ra, trườngđiện từ cũng có thể đi qua lồng Faraday mà không gây ra bất kỳ sự xáo trộn

- Bọc chắn được sử dụng cho một số thiết bị điện và thiết bị đo lường vớimục đích ngăn chặn nhiễu Ví dụ về bọc chắn bao gồm:

• Nối đất thiết bị trong nhà có điện áp cao sử dụng khung kim loại hoặc lưới kimloại mật độ cao

• Bọc chắn một biến áp điện có thể đạt được bằng cách quấn một tấm kim loại giữacác cuộn dây sơ cấp và thứ cấp hoặc bằng cách thêm một dây sứ vào cuộn dây,sau đó nối đất

• Một lớp bọc chắn, được làm bằng lưới kim loại hoặc sợi dẫn điện để có sự bảo vệhiệu quả cho các công nhân làm việc trong một môi trường điện áp cao

- Trong hình bên dưới, thiết bị radio xuất hiện dường như không hoàn toànbao phủ bởi kim loại nhưng nếu tính dẫn điện của kim loại là cao, sóng radio được hoàntoàn bị chặn và thiết bị radio sẽ không nhận được bất kỳ tín hiệu

-

Các kết nối điện thoại di động cũng được thiết lập thông qua việc truyềnsóng vô tuyến Đây là lý do tại sao việc tiếp nhận điện thoại di động thường bị ngắt khi