Mô phỏng bộ khởi động mềm động cơ điện xoay chiều ba pha

Bài viết nghiên cứu cấu trúc khởi động mềm và phát triển một mô hình mô phỏng khởi động mềm dựa trên phần mềm PSIM. Các kết quả mô phỏng thể hiện tính chính xác và hiệu quả của mô hình được xây dựng.

44 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 29, Aug 2018 MÔ PHỎNG BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA SIMULATE SOFT - STARTER FOR AC MOTORS Phạm Tâm Thành1, Vũ Ngọc Minh2 Trường Đại học Hàng hải Việt Nam phamtamthanh@vimaru.vn 1,2 Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu cấu trúc khởi động mềm phát triển mơ hình mơ khởi động mềm dựa phần mềm PSIM Các kết mô thể tính xác hiệu mơ hình xây dựng Những kết nghiên cứu báo sở cho việc triển khai phần mềm khởi động mềm nhiệm vụ thiết thực có ý nghĩa với việc đào tạo nguồn nhân lực ngành kỹ thuật điều khiển tự động hóa Từ khóa: Bộ khởi động mềm, động khơng đồng rotor lồng sóc, mơ hình hóa Chỉ số phân loại: 2.2 Abstract: The paper studied the soft-starter structure and developed a soft-starter simulation model based on the PSIM software Simulation results show the accuracy and effectiveness of the model The research results of the paper are the basis for the deployment of soft start software in practical and meaningful tasks in the training of human resources in the field of control engineering and automation Keyworks: Soft-starter, induction motor, simulation Classification number: 2.2 Giới thiệu Khi khởi động trực tiếp dòng khởi động động lớn, gây phát nhiệt lớn cuộn dây động cơ, mô men khởi động lớn ảnh hưởng đến kết cấu khí động toàn hệ truyền động, gây cố sụt áp điều kiện công suất nguồn hữu hạn (hệ thống điện tàu thủy) gây nguy hại đến tải nhạy cảm Đối với động điện công suất lớn thường sử dụng phương pháp khởi động gián tiếp: Đổi nối - tam giác, sử dụng cuộn kháng khởi động, dùng điện trở khởi động…đảm bảo lưới điện không bị sập Các phương pháp khởi động gián tiếp chưa đáp ứng yêu cầu vì: + Dòng điện khởi động lớn, gây ảnh hưởng đến chất lượng nguồn điện; + Dòng điện khởi động lớn, gây ảnh hưởng đến chất lượng nguồn điện; + Mô men khởi động đập mạch lớn, phương pháp khởi động - tam giác; + Đặc tính khởi động hệ truyền động trình khởi động khơng tối ưu, khó tự động hóa q trình khởi động hệ thống gồm nhiều cụm động cần khởi động thời điểm Thời gian khởi động dừng máy dài, số ứng dụng chấp nhận được; + Không thể điều khiển trình dừng máy tối ưu, hệ thống sử dụng khởi động truyền thống dừng tự (phụ thuộc vào ma sát hệ truyền động); + Kích cỡ khởi động truyền thống nặng cồng kềnh; Khi khởi động động sử dụng khởi động mềm có ưu điểm trội: + Các khởi động mềm hoạt động theo nguyên lý điều khiển giảm điện áp đặt vào stator động cần khởi động Nói cách khác, dòng điện bơm vào động q trình khởi động điều khiển thơng qua việc điều chỉnh điện áp đặt lên cuộn stator động Do vậy, giảm dòng khởi động xuống ba đến bốn lần dòng định mức động cơ, đồng thời mô men khởi động giới hạn, dao động phạm vi hẹp (từ 1.5 đến 2.5 lần mô men định mức); + Quy luật điều chỉnh điện áp lập trình phần mềm, linh hoạt chọn đặc tính khởi động, dừng máy tối ưu “mềm” cho loại tải truyền động, như: Khởi động với gia tốc không đổi khởi động với dịng khơng đổi, khởi động cho loại tải máy bơm, quạt TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 29-08/2018 gió… Đặc biệt, giảm hiệu ứng “búa nước” tải máy bơm trình dừng máy; + Nhờ khả điều chỉnh phần mềm nên khởi động mềm tích hợp vào hệ thống tự động hóa, điều khiển tự động trình khởi động dừng máy, như: Đặt trước thời gian khởi khởi động dừng máy, phù hợp theo yêu cầu công nghệ hệ thống; + Cho phép khởi động lúc nhiều động có chung đặc tính tải mà khơng gây nhiễu loạn nguồn điện hệ thống Đặc biệt thích hợp hệ thống nguồn có cơng suất hữu hạn tàu thủy; + Được chế tạo dựa công nghệ van công suất bán dẫn (Thyristor IGBT) nên tuổi thọ cao, kích cỡ nhỏ tổn hao khởi động thấp Rất nhiều cơng trình nghiên cứu khởi động mềm [1-13] Trong cơng trình [4], [7] tập trung kỹ thuật khởi động theo dòng Bài báo tập trung mô khởi động mềm, sở cho việc triển khai chế tạo khởi động mềm thực tiễn Cấu trúc khởi động mềm Bộ khởi động mềm gồm bốn phần hình : + Mạch lực: Bộ phận làm việc khởi động mềm Mạch lực hệ thống khởi động mềm xây dựng ứng dụng điều áp xoay chiều ba pha với ba cặp Thyristor song song đấu ngược Nguyên lý hoạt động khởi động mềm dựa điều chỉnh trị số hiệu dụng điện áp Từ gián tiếp thay đổi dịng điện khởi động, mô men khởi động Quy luật điều chỉnh điện áp thực khởi động động dừng mềm nhờ thay đổi góc mở cặp van Thyristor mạch lực (hình 2); + Mạch điều khiển phát xung: Có nhiệm vụ nhận điện áp điều khiển từ mạch vi điều khiển để tạo góc mở van phù hợp; + Mạch vi điều khiển: Gồm chức đo lường, tạo điện áp điều khiển theo quy luật khởi động dừng mềm khởi động mềm, chức đóng cắt, bảo vệ; 45 + Giao diện người dùng: Chế độ vận hành tay thơng qua bàn phím hình hiển thị ngồi mặt tủ khởi động mềm A B C Đồng Màn hình Bàn phím Điều khiển phát xung Điều khiển Khuếc h đại xung Chuyển đổi dịng Rơ le Động Hình Cấu trúc chung khởi động mềm C B A MCB Ti Ti Ti T1 R2 C2 T4 K1 K1 K1 T3 K2 R2 C2 T5 T6 K2 R2 C2 T2 K2 Động Hình Sơ đồ mạch lực khởi động mềm dùng Thyristor Các chế độ làm việc khởi động mềm 3.1 Chế độ mode 1: Start Ramp Đây chế độ tăng dần điện áp đặt vào động từ điện áp ban đầu cài đặt trước (tùy loại động bơm sử dụng) Quá trình tăng điện áp chia làm ba giai đoạn: + Giai đoạn 1: Từ thời điểm bắt đầu khởi động tới thời điểm T1: Hình Điện áp đặt lên động trình khởi động với chế độ 46 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 29, Aug 2018 Điện áp đặt vào động tăng chậm giai đoạn mục đích để thắng mơ men cản ban đầu động Việc tăng chậm giúp giảm đáng kể dòng điện khởi động + Giai đoạn 2: Từ thời điểm T1 tới T2: Điện áp đặt vào động tăng nhanh giai đoạn mô men động tăng đáng kể Vì việc tăng nhanh điện điện áp đặt vào động giá trị định mức nhanh chóng đạt chế độ làm việc xác lập + Giai đoạn 3: Điện áp tải đạt định mức: Lúc động hoạt động chế độ xác lập với tốc dộ định mức, động đóng thẳng vào lưới nhờ contactor bypass đồng thời ngắt xung điều khiển van 3.2 Chế độ mode 2: Kick Start Hình Điện áp đặt lên động trình khởi động với chế độ Với số động có qn tính lớn cách khởi động theo mode không đủ để thắng mô men cản ban đầu động Vì cần phải dùng tới chế độ kick start để thực khởi động động dạng Quá trình khởi động động gồm: + Trước hết cấp vào động điện áp ban đầu lớn đủ để thắng mô men cản ban đầu động thời gian T1 (đủ nhỏ); + Tại thời điểm T1 giảm điện áp cấp vào động mức tương tự chế độ Sau khoảng thời gian T1 tới T2 ta tăng dần điện áp để động khởi động với mô men tăng dần; + Sau khởi động xong động hoạt động chế độ xác lập tương tự chế độ ta đóng contactor bypass đồng thời ngắt xung điều khiển van 3.3 Chế độ mode 3: Khởi động có giám sát dịng Hình Điện áp đặt lên động trình khởi động với chế độ Một q trình khởi động dài với dịng điện khởi động lớn dẫn tới vấn đề phát nhiệt ảnh hưởng tới động Chế độ giới hạn dòng điện khởi động nhằm tránh tác hại Tại chế độ ban đầu điện áp đặt vào động tương tự chế độ đồng thời tăng dần điện áp Nhưng điểm khác so với chế độ trình tăng điện áp liệu dịng điện phản hồi xử lí để so sánh với giá trị tới hạn cài đặt Nếu dòng điện trả lớn giá trị tới hạn điều khiển điều chỉnh mở van Thyristor cho điện áp đặt vào động giữ nguyên giá trị giữ nguyên liệu dòng điện gửi có cường độ nhỏ giá trị tới hạn điện áp tiếp tục tăng theo qui luật khởi động xong Cũng tương tự hai chế độ trước chế độ sau khởi động xong động đóng thẳng vào lưới thông qua contactor bypass đồng thời ngắt xung điều khiển mở van Thyristor 3.4 Chế độ dừng mềm Hình Điện áp trình dừng mềm Một số loại tải có qn tính lớn, việc cắt trực tiếp nguồn cấp khỏi động gây tác hại khí tính dừng mềm để hạn chế vấn đề Nguyên lý điều khiển hoạt động tính từ từ giảm dần điện áp đặt vào động thời gian t sau có lệnh dừng Từ tốc độ động giảm dần giá trị xác định có mô men nhỏ tiến hành ngắt nguồn điện khỏi động Khi có lệnh dừng thiết bị thực TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 29-08/2018 phát xung điều khiển Thyristor đồng thời ngắt contactor bypass Xung điều khiển điều khiển điện áp đặt vào động Mô khởi động mềm kết 4.1 Cấu trúc mô Bộ khởi động mềm mô sử dụng phần mềm PSIM PSIM hãng Powersim Inc sản xuất, phần mềm chuyên dụng cho thiết kế mô điện tử công suất, điều khiển động cơ, mô hệ thống động lực PSIM dễ sử dụng, giao diện đơn giản, thân thiện, dễ thao tác, tốc độ mô nhanh, thiết kế để mô tín hiệu tương tự tín hiệu số, khả phân tích dạng sóng phân tích nhiệt tốt PSIM công cụ mô mạnh mẽ cho việc phân tích biến đổi điện tử cơng suất, thiết kế vịng điều khiển hở kín, phù hợp để mô tả hệ thống truyền động điện Trong phần này, tác giả tập trung thiết kế mô hoạt động khởi động mềm, từ kiểm nghiệm, đánh giá hoạt động khởi động mềm Kết mơ giúp tính tốn, hiệu chỉnh tham số linh kiện trước chế tạo thực nghiệm + Khối nguồn ba pha: Trong PSIM có ký hiệu hình Thơng số kỹ thuật nhập vào bảng Điện áp hiệu dụng nguồn mô có giá trị 380V tương ứng với điện áp đỉnh 535V 47 lựa chọn dựa van thực tế nhà sản xuất Hình Van cơng suất thông số van + Khối động cơ, tải: Động khơng đồng rotor lồng sóc với cơng suất 100kW lựa chọn hình Tải phục vụ cho động tải quạt gió, bơm nước Hình Động cơ, tải, cảm biến đo dịng Hình Khối nguồn thơng số nguồn + Khối van công suất: Bộ khởi động mềm thiết kế sử dụng sáu van Thyristor mắc song song ngược mơ tả hình Các thơng số kỹ thuật van Phương trình mơ tả tải có dạng: T load =T c +k ω+k ω2 Trong đó: T c : Mô men cản tĩnh (ma sát đầu trục); k : Hệ số cản tải tuyến tính; k : Hệ số cản tải bình phương (Tải bơm nước, quạt gió) 48 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 29, Aug 2018 + Khối điều khiển phát xung: Được xây dựng hình 10 Góc điều khiển giảm dần theo thời gian Sáu phát xung tương ứng điều khiển mở sáu van công suất sơ đồ hình Thời điểm phát xung chỉnh định q trình mơ Ngun lý điều khiển thẳng đứng tuyến tính + Khối đo, hiển thị dạng sóng: Dịng điện, điện áp tải, van quan sát thơng qua sóng + Sơ đồ mạch khởi động mềm: Hình 11 trình bày sơ đồ mạch khởi động mềm hoàn thiện theo nguyên tác điều khiển vịng hở, luật điều khiển góc mở theo phương pháp thẳng đứng tuyến tính Hình 12 Góc mở α=110o Hình 13 Góc mở α=100o Hình 10 Bộ điều khiển phát xung Hình 14 Góc mở α=80o Hình 11 Sơ đồ mạch mô khởi động mềm 4.2 Kết mơ Hình 12 kết mô khởi động mềm hoạt động thời điểm góc mở α=110o Scope biểu diễn dịng điện tải pha Scope biểu diễn điện áp động Hình 15 Góc mở α=60o Hình 16 Góc mở α=45o TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 29-08/2018 Hình 17 Góc mở α=30o Các hình 12 đến 17 biểu diễn dịng điện, điện áp thời điểm khác Nhìn đồ thị ta thấy điện áp lớn van ≈600V Dòng điện tải khơng có biến động bất thường, dịng tải lớn ≈250A Khi góc điều khiển giảm 30o dòng tải liên tục, điện áp động hồn tồn điện áp nguồn cấp, khoảng góc mở α từ - 30o không cần điều khiển Kết luận Bài báo phân tích cấu trúc chung khởi động mềm ứng dụng phần mềm PSIM để mô khởi động mềm Các kết mô báo phản ánh hoạt động khởi động mềm, dẫn dắt điện áp đặt vào động trình khởi động thơng qua góc điều khiển α nhằm giảm dịng q trình khởi động Tài liệu tham khảo [1] Chia-Chou Yeh, and N.A.O Demerdash 2009 “Fault-Tolerant Soft Starter Control of Induction Motors With Reduced Transient Torque Pulsations.” IEEE Transactions on Energy Conversion 24(4): 848–59 http://ieeexplore.ieee.org/document/5291768/ [2] Corral-Hernandez, Jesus A et al 2015 “Transient-Based Rotor Cage Assessment in Induction Motors Operating With Soft Starters.” IEEE Transactions on Industry Applications 51(5): pp 3734–3742 [3]Damjanovic, Aleksandar 2016 “Protection of Medium Voltage SCR Driven Soft-Starter from High-Frequency Switching Transients.” IEEE Transactions on Industry Applications 52(6): pp.4652–4655 [4]Deraz, Said A., and Haitham Z Azazi 2017 “Current Limiting Soft Starter for Three Phase Induction Motor Drive System Using PWM AC Chopper.” IET Power Electronics 10(11): pp.1298–1306 http://digital- 49 library.theiet.org/content/journals/10.1049/ietpel.2016.0762 [5]Meshcheryakov, Victor N, Alexei M Evseev, and Andrei I Boikov 2018 “Active Energy Filter for Compensation of Harmonic Distortion in Motor Soft Starter.” 2018 17th International Ural Conference on AC Electric Drives (ACED): pp 0–4 [6]Mohammadi, Mohammad, Javad Shokrollahi Moghani, Sajad Arab Ansari, and Jafar Milimonfared 2018 “Fuzzy Logic Based Sensorless Soft Starter for Constant Frequency Wind Power Plants.” 9th Annual Power Electronics, Drives Systems and Technologies Conference (PEDSTC): pp.538–543 [7] Nied, Ademir et al 2010 “Soft Starting of Induction Motor with Torque Control.” IEEE Transactions on Industry Applications 46(3): pp.1002–1010 [8]Nwachukwu, C O, and M I Ajumuka 2017 “Asynchronous Machine Response to Transients.” 2017 IEEE 3rd International Conference on Electro-Technology for National Development (NIGERCON) [9]Pires, Igor A 2017 “Mitigation of Electric Arc Furnace Transformer Inrush Current Using SoftStarter- Based Controlled Energization.” IEEE Transactions on Industry Applications 9994(c): pp.1–12 [10]Pumps, Arge, and Compressors I N T H E Mega- “Adjustable-Speed Systems for Multiple Megawatt Rated Motors.” : pp.27–37 [11] Solveson, Mark G., Behrooz Mirafzal, and Nabeel A O Demerdash 2006 “Soft-Started Induction Motor Modeling and Heating Issues for Different Starting Profiles Using a Flux Linkage ABC Frame of Reference.” IEEE Transactions on Industry Applications 42(4): pp.973–982 [12]Starter, Fcma Soft 2017 “Design Of Solar Water Pumping System With FCMA Soft Starter.” Proceedings of the IEEE 2017 International Conference on Computing Methodologies and Communication (ICCMC) (Iccmc): pp.951–954 [13]Volle, Fabien, Suresh V Garimella, and Mark A Juds 2010 “Thermal Management of a Soft Starter: Transient Thermal Impedance Model and Performance Enhancements Using Phase Change Materials.” IEEE Transactions on Power Electronics 25(6): pp.1395–1405 Ngày nhận bài: 2/7/2018 Ngày chuyển phản biện: 5/7/2018 Ngày hoàn thành sửa bài: 26/7/2018 Ngày chấp nhận đăng: 2/8/2018 ... Cấu trúc khởi động mềm Bộ khởi động mềm gồm bốn phần hình : + Mạch lực: Bộ phận làm việc khởi động mềm Mạch lực hệ thống khởi động mềm xây dựng ứng dụng điều áp xoay chiều ba pha với ba cặp Thyristor... phân tích cấu trúc chung khởi động mềm ứng dụng phần mềm PSIM để mô khởi động mềm Các kết mô báo phản ánh hoạt động khởi động mềm, dẫn dắt điện áp đặt vào động trình khởi động thơng qua góc điều... điều khiển điện áp đặt vào động Mô khởi động mềm kết 4.1 Cấu trúc mô Bộ khởi động mềm mô sử dụng phần mềm PSIM PSIM hãng Powersim Inc sản xuất, phần mềm chuyên dụng cho thiết kế mô điện tử công