Đồ án điều khiển truyền động điện

LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển ngành công nghệ thông tin, kỹ thuật điện tử phát triển kỹ thuật điều khiển tự động hóa Trong sản xuất cơng nghiệp, tự động hóa q trình sản xuất vấn đề then chốt cần giải nhằm nâng cao suất chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm lao động tay chân Một vấn đề quan trọng dây truyền tự động hóa việc điều chỉnh tốc độ động cơ, cấu truyền động hệ truyền động Việc sử dụng biến tần để điều khiển tốc độ động sử dụng rộng rãi q trình sản xuất Do bởi, thơng qua việc thay đổi tần số dòng điện xoay chiều, biến tần thay đổi điều chỉnh tốc độ động xoay chiều Như vậy, người dùng cần thực thao tác đơn giản điều chỉnh tần số tự liên tục thay đổi tốc độ quay động cách linh hoạt hiệu Ngoài ra, biến tần thường có hệ thống điện tử bảo vệ q dịng, bảo vệ cao áp thấp áp, tạo hệ thống an tồn vận hành; giảm hao mịn khí; tiết kiệm điện; nâng cao suất; đáp ứng u cầu cơng nghệ Vì vậy, nhóm em xin trình bày đề tài: “ Sử dụng biến tần để điều khiển tốc độ động không đồng ba pha tín hiệu analog” Sinh viên thực Nguyễn Viết Lâm MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 1.1 Định nghĩa, cấu tạo phân loại: 1.1.1 Định nghĩa: - Biến tần thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều tần số thành dịng điện xoay chiều tần số khác điều chỉnh cách vô cấp, không cần dùng đến hộp số khí, thơng thường sử dụng linh kiện bán dẫn để đóng ngắt 1.1.2 Cấu trúc biến tần: - Mạch chỉnh lưu: gồm diode công suất mắc theo dạng mạch cầu pha có nhiệm vụ chỉnh lưu nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện chiều - Bộ lọc DC: giúp cho điện áp chiều sau chỉnh lưu phẳng - Bộ nghịch lưu: gồm công tắc bán dẫn loại IGBT Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện chiều thành nguồn điện xoay chiều ba pha có tần số thay đồi 1.1.3 Phân loại biến tần: - Biến tần AC: Được sử dụng rộng rãi nhất, thiết kế dùng để điều khiển tốc độ động xoay chiều - Biến tần DC: Kiểm soát rẽ nhánh động điện chiều Ngồi cịn phân theo công suất đáp ứng cho tải, ứng dụng đặc biệt biến tần thang máy, lượng mặt trời,… 1.1.4 Ưu điểm biến tần: - Biến tần điều khiển vơ cấp tốc độ động điện - Với đặc tính khởi động mềm biến tần cho phép khống chế dịng khởi động khơng vượt q dịng định mức động cơ, tránh sụt áp tiết kiệm điện khởi động - Hiệu suất làm việc biến tần cao 90% - Hệ thống điều chỉnh tốc độ động biến tần đơn giản, làm việc nhiều môi trường khác nhau, đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác thay đổi tốc độ làm việc nhiều động lúc - Tăng tốc êm, chống giật giúp giảm áp lực lên hệ thống khí hộp số, phát đứt dây đai nhờ việc giảm sát momen tải - Tiết kiệm điện lên đến 60% trình khởi động vận hành - Dễ dàng kết nối với hệ thống điều khiển tự động - Tích hợp đầy đủ chức bảo vệ tải, nhiệt, dòng, áp, lệch pha, pha,… - An toàn, tiện lợi tốn chi phí bảo trì, bảo dưỡng 1.2 Các phương pháp điều khiển biến tần: - Các phương pháp điều khiển biến tần là: • • • Phương pháp điều khiển V/f Phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông_ FOC (Field Oriented Control) Phương pháp điều khiển trực tiếp momen _DTC ( Direct Torque Control) 1.2.1: Phương pháp điều khiển V/f: - Điều khiển V/f điều khiển mà loại biến tần có tích hợp phương pháp điều khiển - Ở phương pháp điều khiển ta có: + Momen lớn nhất: Khi tần số f gần với fđm X1>> RS dẫn đến: Tmax k()2 Tmax = Nếu giữ V/f = số Tmax = số + Dịng điện khởi động: Ir = ( X1 >> Rs + ) Ir = số thì: Ir ~ U/f - Đặc tính V/f: Khi f tăng dần đến fđm điện áp tăng theo Khi f tăng fđm điện áp không đổi - Ứng dụng: Điều khiển V/f gần chế độ điều khiển mặc định tất loại biến tần Chính sử dụng cho nhiều ứng dụng công nghiệp khác Một ứng dụng cài đặt biến tần chạy chế độ V/f: • • Điều khiển bơm, quạt Thiết bị nâng hạ • • Thang máy Hệ thống khí nén… 1.2.2 Phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông_ FOC (Field Oriented Control) - Phương pháp điều khiển tựa từ thông (Field Oriented Control- FOC) hay điều khiển vector phương pháp điều khiển dùng cho ĐCKĐB pha, dựa vào hệ trục tọa độ từ thông rotor, điều khiển động KĐB thực thơng qua điều khiển thành phần dòng điện stator isd (từ thông) isq * Phương pháp: Hệ tọa độ từ thông rotor quay với tốc độ ⍵e - Trước hết ta xét mơ hình động mà hệ trục tọa độ quay có trục d trùng với từ thơng rotor, lúc thành phần từ thông roto trục q có giá trị ψrq = Xét phương trình điện áp rotor trục d: mà ψrq = nên: Mặt khác: Cuối ta có: Phương trình phương trình vi phân bậc Ird với đầu vào Isd + Xét chế độ xác lập: 0= - – ird = nên ψrd = Lridr + LMisd = LMisd Như isd sử dụng để điều khiển từ thông ψrd ( giá trị định mức) - Phương trình momen có dạng sau: Như ta có ψrq = dẫn đến: Mặt khác: Nên ta có: Nếu ta giữ từ thơng ψrd giá trị đặt khơng đổi p( ψrd số iqs điều khiển Te - Chiến lược điều khiển động sau: • • isd điều khiển ψrd để giữ ψrd giá trị định mức isq điều khiển Te - Ứng dụng: Với khả điều khiển xác cao nên ứng dụng vào: • • • • Sử dụng số loại máy cắt in để đạt hiệu cao Một số hệ thống máy móc yêu cầu đồng tốc nhiều động với Một số hệ thống cẩu tháp Máy kiểm tra vải hay băng tải yêu cầu độ xác… 1.2.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen _DTC ( Direct Torque Control) - Trong năm gần đây, với xuất phát triển xử lý tín hiệu số (DSP) tốc độ ngày cao phương pháp điều khiển trực tiếp momen ( Direct Torque Control_ DTC) ngày ứng dụng rộng rãi cho hệ truyền động điện động không đồng * Cơ sở phương pháp điều khiển trực tiếp momen từ thơng: - Phương trình từ thơng stator rotor biểu diễn hệ tọa độ gắn với stator: - Phương trình momen điên từ: Từ phương trình ta được: - Mặt khác ta có: Cuối ta có phương trình momen: Với là góc từ thông rotor từ thông stator vector từ thông stator với rotor Như vậy, momen điều khiển qua: • • Điều khiển biên độ từ thơng ψs Điều khiển góc δψ từ thơng stator rotor - Ứng dụng: • • • • • Đáp ứng mô-men xoắn nhanh: làm giảm đáng kể thời gian, mang lại nhiều cải thiện trình kiểm tra, theo dõi thiết bị, sản phẩm Điều khiển mô-men xoắn tần số thấp: Điều đặc biệt có lợi cho cần cẩu thang máy, tải cần phải bắt đầu dừng lại thường xuyên mà giật đột ngột Hoặc máy cuộn dây, kiểm sốt lực căng đạt từ đến đến tốc độ tối đa So với biến tần dùng phương pháp PWM, DTC mang lại lợi ích tiết kiệm chi phí mà không cần máy đo tốc độ động Tuyến tính mơ-men xoắn: Điều quan trọng ứng dụng xác giống cuộn dây, sử dụng ngành giấy Độ xác tốc độ động: Sau thay đổi tải đột ngột, động phục hồi đến trạng thái ổn định nhanh 10 1.3 Biến tần INVT CHF 100A: INVT CHF 100A - Biến tần đa CHF100A biến tần đáp ứng yêu cầu hầu hết loại tải máy sản xuất thông dụng công nghiệp bơm, quạt, băng chuyền, máy trộn… CHF100A có dải cơng suất rộng từ 0.75 đến 500 kW Biến tần CHF100A thiết kế dễ dàng lựa chọn, cài đặt, chạy thử vận hành * Đặc tính kỹ thuật chính: • Điều khiển V/F, vector điều khiển moment • Torque khởi động 0.5Hz: 150% • Điều khiển tốc độ xác đến ±0.2%, đáp ứng nhanh= 18.5 kW) • Chức ứng dụng: PLC giản đơn, cấp tốc độ đặt trước, điều khiển PID, điều khiển ziczac máy quấn chỉ, cài đặt linh hoạt v/f… • Tích hợp sẵn IEC 61800-3 C3 Filter, Braking unit cho biến tần cơng suất 15 kW • Tích hợp cuộn kháng DC (từ 18.5 - 90 kW) 11 • 30 chức bảo vệ biến tần động trước cố dòng, áp cao, áp thấp, nhiệt, pha, lệch pha, đứt dây ngõ ra, tải • CE hợp chuẩn thị trường châu Âu • Tương thích điện từ: EN 61800-3:2004, 2006/95/EC 1.3.1 Sơ đồ đấu dây: * Sơ đồ đấu dây điển hình: 12 * Sơ đồ kết nối tổng quát: * Đấu nối mạch động lực ngõ vào: • CB TỔNG: Thật cần thiết có CB, phù hợp với công suất Biến tần, nối nguồn cấp AC pha terminals ngõ vào (R, S, T ) Dòng cắt CB cần lớn gấp 1.5~2 lần dòng định mức biến tần • Contactor: Dùng để ngắt dòng điện cung cấp hệ thống xảy cố, nên lắp contactor ngõ vào để điều khiển ON-OFF cho nguồn cấp 13 • AC reactor: Được lắp vào nhằm để bảo vệ chỉnh lưu cường độ dịng điện lớn Nó bảo vệ chỉnh lưu điện áp cấp thay đổi đột ngột áp ngược từ pha tải • Bộ lọc ngõ vào EMC: Khi Biến tần hoạt động dây điện động lực sinh từ gây nhiễu Bộ lọc EMC làm giảm thiểu tác dụng nhiễu Sơ đồ đấu dây động lực ngõ vào * Đấu nối động lực vào biến tần: • • • • DC reactor: Biến tần có cơng suất từ 18.5kW đến 90kW tích hợp sẵn DC reactor nhằm cải thiện hệ số công suất Bộ thắng điện trở thắng: Biến tần từ 15KW trở xuống có tích hợp sẵn thắng bên Để làm tiêu tán lượng điện sinh hoạt động hãm động năng, điện trở thắng đấu vào terminal (+) PB Chiều dài dây điện nối điện trở thắng phải nhỏ 5m Biến tần có cơng suất từ 18.5KW trở lên cần thắng bên ngồi, gắn vào terminal (+) (-) Cáp dẫn điện nối Biến tần thắng phải ngắn 5m Cáp dẫn điện nối thắng điện trở thắng phải ngắn 10m Nhiệt độ điện trở thắng tăng điện tái sinh chuyển thành nhiệt lượng, cần bảo vệ an tồn giải nhiệt tốt Chú ý: Phải chắn cực (+) (-) nối đúng; không phép nối tắt terminal (+) với (-), không hư hỏng cháy nổ xảy * Đấu dây động lực với động cơ: • Reactor Ngõ ra: Reactor cần lắp điều sau: khoảng cách Biến tần động lớn 50m, biến tần bị ngắt chế độ bảo vệ 14 • chống q dịng, có dịng điện rị lớn qua vỏ dây dẫn vào đất Và đồng thời để tránh hỏng cách điện motor, nên lắp reactor ngõ biến tần Bộ lọc ngõ EMC: Làm giảm thiểu rò điện dây cáp làm giảm nhiễu sóng hài bậc cao dây nối từ Biến tần đến động Đấu dây với động * Đấu dây cho hãm tái sinh: Bộ hãm tái sinh dùng đưa điện sinh việc thắng động trở lưới điện So sánh với cầu chỉnh lưu song song truyền thống dùng hãm tái sinh sử dụng IGBT làm cho tổng độ méo sóng hài (THD) giảm 4% Bộ hãm tái sinh dùng rộng rãi thiết bị ly tâm nâng hạ Đấu dây hãm tái sinh 15 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 2.1 Cấu tạo động khơng đồng bộ: Động không đồng Động không đồng gồm hai phận stator rotor, ngồi có thành phần khác vỏ máy , nắp máy trục máy Trục máy thường làm thép, gắn rotor * Stator ( phần tĩnh): - Stator gồm hai phận lõi thép dây quấn, ngồi cịn có vỏ máy nắp máy - Lõi thép stator có dạng hình trụ, làm từ thép kỹ thuật điện, có dập rãnh bên trong, ghép lại tạo thành rãnh theo hướng trục Lõi thép ép vào vỏ máy - Dây quấn stator thường làm dây đồng có bọc cách điện đặt rãnh lõi thép Dòng điện xoay chiều ba pha chạy dây quấn ba pha stator tạo lên từ trường quay - Vỏ máy gồm có thân nắp, thường chế tạo gang * Rotor ( phần quay): - Rotor phần quay gồm lõi thép, dây quấn trục máy 16 - Lõi thép rotor gồm thép kỹ thuật điện lấy từ phần bên lõi thép stator ghép lại, mặt dập rãnh để đặt dây quấn, có dập lỗ để lắp trục Trục động không đồng làm thép, có gắn lõi thép rotor - Dây quấn rotor của động không đồng có hai kiểu: rotor ngắn mạch hay cịn gọi rotor lồng sóc rotor dây quấn + Rotor lồng sóc: gồm đồng nhơm đặt rãnh bị ngắn mạch hai vành ngắn mạch hai đầu Với động nhỏ, dây quấn rotor đúc nguyên khối gồm dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt cánh quạt làm mát Các động công suất 100kW dẫn làm đồng đặt vào rãnh rotor gắn chặt vào vành ngắn mạch + Rotor dây quấn: quấn dây giống dây quấn ba pha stator có số cực từ dây quấn stator Dây quấn kiểu ln ln đấu (Y) có ba đầu đấu vào ba vành trượt, gắn vào trục quay rotor cách điện với trục Ba chổi than cố định tỳ vành trượt nầy để dẫn điện vào biến trở nối nằm động để khởi động điều chỉnh tốc độ 2.2 Nguyên lý làm việc động không đồng pha: - Động không đồng làm việc dựa tượng cảm ứng điện từ Khi đặt điện áp ba pha vào dây quấn ba pha đặt đối xứng lõi thép stator, khe hở khơng khí xuất từ trường quay mà thành phần bậc từ trường quay với tốc độ góc là: Trong đó: f - tần số dòng điện cấp cho stator p- số đôi cực dây quấn stator Đồng thời từ trường stator làm cảm ứng dòng điện vòng dẫn rotor (đối với rotor lồng sóc) Các dịng điện rotor đặt từ trường quay stator quay nên sinh lực điện từ (lực Lorentz) Tổng lực tạo momen quay rotor, rotor quay hướng với từ trường quay stator Ban đầu lúc từ trường quay stator sinh rotor tăng tốc nhanh để bắt kịp tốc độ từ trường quay đó, đồng thời từ trường quay quét qua rotor càngbgiảm nên sức điện động cảm ứng phía rotor giảm dẫn dịng điện giảm theo 17 Nếu tốc độ rotor tốc độ từ trường quay lúc khơng có lực điện từ sinh rotor quay chậm lại Do tốc độ quay rotor khơng thể tốc độ đồng bộ, tốc độ đồng phụ thuộc vào tần số nguồn cấp số đôi cực động cơ, sai khác tốc độ gọi tốc độ trượt 2.3 Ứng dụng, ưu nhược điểm động không đồng pha: - Động không đồng ba pha sử dụng rộng rãi thực tế sản xuất Các động không đồng có ưu điểm là: Cấu tạo đơn giản, đặc biệt động rotor lồng sóc, thiết kế sản xuất dễ dàng, dễ bảo dưỡng, không cần vành chuyển mạch chổi than.Chúng có momen qn tính trọng lượng nhỏ, hiệu suất cao, khả tải lớn vững CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT BỊ 3.1 Sơ đồ khối điều khiển tốc độ động cơ: HMI PLC AO BIẾN TẦN 0- ĐỘNG CƠ - Từ hình HMI ta đặt tần số mà ta mong muốn ( tương đương tốc độ), thông qua AO ta tín hiệu analog ( dải điện áp 0- 10V) để đưa vào biến tần để điều khiển tốc độ động 3.2 Thiết bị: 3.2.1 PLC S7- 300 CPU 314: - Thông số kỹ thuật: • • • • Hãng sản xuất: Siemens Bộ xử lý trung tâm MPI Nguồn cấp: 24VDC Bộ nhớ làm việc: 128 kb 18 PLC S7-300 CPU 314 3.2.2 Module đầu tương tự SM332 AO 2x12 BIT: SM332 AO 2x12 BIT - Thơng số kỹ thuật: • • • Hãng sản xuất: Siemens đầu tương tự U/I độ phân giải 12 bit Độ xác 0,6% 19 3.2.3: Màn hình HMI KTP700 Basic DP: HMI KTP700 Basic DP - Thơng số kỹ thuật: • • • • • • Kích thước hình: 7” TFT display Độ phân giải: 800x480 pixel Số màu: 64 000 Thao tác phím cảm ứng phím chức Kết nối: x MPI / PROFIBUS DP, x USB CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH PLC 4.1 Nhiệm vụ thực hiện: - Lập trình PLC S7- 300 biến tần INVT CHF 100 để điều khiển tốc độ động khơng đồng ba pha thơng qua tín hiệu tương tự 0-10V • • • Khi nhấn nút động chạy tốc độ Khi nhấn nút động chạy tốc độ Khi nhấn nút động chạy tốc độ 4.2 Biểu đồ chức năng: 20 Khởi tạo Chạy Tốc độ Động chạy tốc độ Tốc độ Động chạy tốc độ Tốc độ Động chạy tốc độ 4.3 Bảng địa biến: * Đầu vào: Tên Địa Stop Tốc độ Tốc độ Tốc độ I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 Tên Địa Chạy tốc độ Chạy tốc độ Chạy tốc độ Đầu AO Q0.0 Q0.1 Q0.2 PQW258 * Đầu ra: 4.4 Chương trình PLC: * Khối chuyển đổi Analog: 21 * Chương trình Main 22 23 4.5 Màn hình HMI: 24 4.6 Cài đặt biến tần: - Ấn nút để truy cập, thay đổi thông số, lưu liệu - Tại nhóm hàm P0.00 chọn giá trị để điều khiển phương pháp V/f - Tại nhóm hàm P0.01 chọn giá trị để chọn chế độ chạy từ việc ấn bàn phím biến tần: Cả phím RUN STOP/RST sử dụng cho lệnh điều khiển chạy dừng Nếu phím QUICK/JOG đặt hàm chuyển đổi FWD/REV (P7.03 set lên 1), lúc dùng để đảo chiều động Trong chạy, ấn đồng thời phím RUN STOP/RST lệnh dừng tự biến tần - Tại nhóm hàm P0.07 chọn giá trị để giá trị tần số chạy điều khiển ngõ vào analog AI2 CHƯƠNG : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1: Kết thực nghiệm: - Dưới kết đo chạy động tần số cài đặt: Tần số đặt (Hz) 10 25 40 50 Tần số thực tế (Hz) 10.45 26.25 42 50 Điện áp dây đầu (V) Điện áp đầu analog (V) Tốc độ động (rpm) 79 199 318 379 1.98 4.96 7.92 9.93 313 787 1260 1500 5.2 Nhận xét, kết luận: - Kết đo với kiến thức học - Các giá trị V/f gần 25 ... điều khiển trực tiếp momen _DTC ( Direct Torque Control) 1.2.1: Phương pháp điều khiển V/f: - Điều khiển V/f điều khiển mà loại biến tần có tích hợp phương pháp điều khiển - Ở phương pháp điều khiển. .. pháp điều khiển biến tần: - Các phương pháp điều khiển biến tần là: • • • Phương pháp điều khiển V/f Phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông_ FOC (Field Oriented Control) Phương pháp điều. .. ψrd số iqs điều khiển Te - Chiến lược điều khiển động sau: • • isd điều khiển ψrd để giữ ψrd giá trị định mức isq điều khiển Te - Ứng dụng: Với khả điều khiển xác cao nên ứng dụng vào: • • •