Đề tài này sẽ là một trong những đề tài nối tiếp trong hệ thống đề tài về phòng thí nghiệm tự động hóa giai đoạn I đã hoàn thành trong năm 2009, trong đề tài có sử dụng thiết bị cũng như kết quả về bộ điều khiển khả trình PLC S7300 để tích hợp hệ thống.
MỤC LỤC MỤC LỤC MỞ ĐẦU Tính thiết đề tài 2.Mục đích nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƢƠNG I VẤN ĐỀ SỬ DỤNG BIẾN TẦN HIỆN NAY VÀ GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI BIẾN TẦN 1.1 Vấn đề lƣợng khả tiết kiệm lƣợng biến tần 1.2 Sử dụng biến tần cho động đứng phƣơng diện công nghệ 1.3 Một số loại biến tần hay dùng thị trƣờng 14 CHƢƠNG 19 KẾT NỐI BIẾN TẦN ALTIVAR 31 VỚI S7-300 CỦA SIEMENS 19 2.1 ALTIVAR 31 19 2.1.1 Hình dáng, chức năng, đặc điểm công nghệ 19 2.1.2 Sơ đồ đấu nối biến tần Altival 31 23 2.2 Bàn thí nhiệm S7-300 bảng đấu nối trung gian 24 2.2.1 Bàn thí nghiệm S7-300 24 2.2.2 Bảng đấu nối 25 Hình 2.6 Bảng đấu nối trung gian 25 2.3 Kết nối S7-300 với biến tần để điều khiển động 25 CHƢƠNG 28 MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM PLC KẾT NỐI BIẾN TẦN ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 28 3.1 Đặt vấn đề 28 3.2 Đấu nối thiết bị mơ hình 28 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 33 Kết luận 33 Kiến nghị 33 THAM KHẢO 34 -1- MỞ ĐẦU Tính thiết đề tài Trong dây chuyền sản xuất nay, vấn đề điều khiển động đƣợc quan tâm ý đặc biệt Tốc độ lƣợng mà tiêu thụ ln ln đƣợc tính tốn xác kiểm sốt chặt chẽ Để làm đƣợc việc cần phải có thiết bị đại nhƣ hiểu biết lĩnh vực điều khiển tự động cách có hệ thống Nhƣ để sinh viên trƣờng thực thao tác điều khiển với hệ thống nhƣ cần phải có mơ hình để sinh viên thực tập Kết đề tài giải đƣợc khó khăn nói 2.Mục đích nghiên cứu Mục tiêu đề tài xây dựng hệ bao gồm thiết bị điều khiển đƣợc lập trình trƣớc, tiết kiệm lƣợng điều khiển tốc độ, hệ cấu chấp hành sau tài liệu thiết kế, tính tốn nhƣ phƣơng pháp vận hành điều khiển hệ thống Đề tài đề tài nối tiếp hệ thống đề tài phịng thí nghiệm tự động hóa giai đoạn I hồn thành năm 2009, đề tài có sử dụng thiết bị nhƣ kết điều khiển khả trình PLC S7-300 để tích hợp hệ thống Điều làm tăng tính liên kết hệ thống thí nghiệm ngành điện tự động, đồng thời làm giảm chi phí cho việc đầu tƣ xây dựng phịng thí nghiệm cho mơn học Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài Đối tƣợng mà tác giả hƣớng đến sinh viên ngành Điện tự động Công nghiệp hệ Đại học, Cao đẳng, Trung cấp đƣợc đạo tạo trƣờng Đại Học Dân Lập Hải Phòng -2- Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài Tác giả thực đề tài dựa phƣơng pháp thực nghiệm mơ hình, kết thu đƣợc sát với thực tế Mơ hình trực quan sinh động giúp sinh viên trƣờng hoàn tồn theo kịp với sản suất mà không nhiều thời gian nghiên cứu đào tạo lại Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Đóng góp mặt khoa học, phục vụ công tác đào tạo: Đây đề tài mở, làm cơng cụ để phát triển tƣ khoa học sinh viên giáo viên ngành điện công nghiệp Là thiết bị đại cần thiết lĩnh vực đào tạo công CNH - HĐH nƣớc ta - Những đóng góp mặt xã hội (các giải pháp cho vấn đề xã hội): Đào tạo lớp kỹ sƣ có trình độ tiệm cận với trƣờng bạn trƣờng khu vực lĩnh vực điều khiển tự động -3- CHƢƠNG I VẤN ĐỀ SỬ DỤNG BIẾN TẦN HIỆN NAY VÀ GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI BIẾN TẦN 1.1 Vấn đề lƣợng khả tiết kiệm lƣợng biến tần Ở xí nghiệp, nhà máy nhà máy điện có thiết bị hút thổi gió, khói, nƣớc có sử dụng động ba pha xoay chiều làm động sơ cấp Tại xí nghiệp khác, thƣờng thiết bị làm mát (điều hoà trung tâm ), máy bơm nƣớc Trong trình sản xuất, lƣu lƣợng thiết bị cần thay đổi để phù hợp với nhu cầu cụ thể sản xuất xí nghiệp, nhà máy Với động sơ cấp động xoay chiều ba pha, việc điều chỉnh lƣu lƣợng thiết bị khó khăn nhƣ ta biết, lƣu lƣợng môi chất thông qua thiết bị phụ thuộc vào tốc độ qua động sơ cấp Với cấu tạo động xoay chiều ba pha truyền thống tốc độ quay động coi nhƣ khơng đổi với hệ thống lƣới điện xoay chiều có tần số công nghiệp f = 50Hz thông qua quan hệ f="p.n/60" - p số đơi cực động cơ, n tốc độ quay Với quan hệ này, tốc độ quay động cịn phụ thuộc vào tần số lƣới điện Vì để thực thay đổi đƣợc lƣu lƣợng, điều tốt thay đổi tốc độ động sơ cấp, có nghĩa cần thay đổi tần số lƣới điện Thêm nữa, nhƣ ta biết, hệ truyền động loại bơm quạt, mômen tải phụ thuộc vào tốc độ quay trục theo hàm bình phƣơng Lƣu lƣợng hệ tỉ lệ thuận với tốc độ quay: Trong đó, cơng suất địi hỏi hệ thống lại tích số mơmen tốc độ quay: P=Mxn Do đó, cơng suất địi hỏi hệ thống tỉ lệ với lập phƣơng tốc độ quay tỉ lệ với lập phƣơng lƣu lƣợng: Do việc điều chỉnh -4- tần số lƣới điện điều đƣợc, nên xí nghiệp, nhà máy thƣờng để điều chỉnh lƣu lƣợng, ngƣời ta thƣờng sử dụng biện pháp điều chỉnh chắn đầu vào, đầu làm đƣờng quay trở lại Thí dụ nhƣ nhà máy nhiệt điện, quạt hút khói, thổi gió, đầu đầu vào quạt, thƣờng có chắn động, gồm cánh hình cánh quạt, có trục quay theo bán kính Có động nhỏ điều khiển độ quay chắn này, để tạo khe hở rộng hay hẹp tuỳ theo yêu cầu cho gió, khói lọt qua Việc điều chỉnh lƣu lƣợng khói gió kiểu đối phó có đem lại hiệu điều chỉnh lƣu lƣợng khói gió nhƣng khơng kinh tế động làm việc gần nhƣ khơng thay đổi, lƣợng điện tiêu thụ không giảm đƣợc Hiển nhiên phƣơng pháp đây, lƣợng tiêu thụ toàn hệ thống lớn nhiều so với lƣợng yêu cầu lƣu lƣợng yêu cầu giảm so với thiết kế Mặc dù giảm lƣu lƣợng ra, lƣợng tiêu thụ giảm nhƣng tổn hao thiết bị khống chế nhƣ chắn lớn Các phƣơng pháp điều chỉnh chắn khác cho thấy tổn hao chắn khác nhiều Việc làm tổn hao chắn gợi tiềm tiết kiệm lớn.Nhƣ biết trên, lƣu lƣợng thiết bị phụ thuộc vào tốc độ động sơ cấp, mà tốc độ lại phụ thuộc vào tần số nguồn điện Vì với động sơ cấp có, việc điều chỉnh tốc độ dễ dàng thực đƣợc thay đổi tần số nguồn điện Giải pháp cho vấn đề sử dụng biến tần để thay cho van Theo công nghệ truyền thống trƣớc thực đƣợc việc biến tần tần số cao, với công suất nhỏ kỹ nghệ truyền truyền hình Cịn với tần số cơng nghiệp với công suất lớn hàng trăm kilô wat chƣa thực đƣợc -5- Cho đến nay, rào cản trình độ cơng nghệ bị tháo bỏ, nƣớc có kỹ nghệ tiền tiến chế tạo đƣợc máy biến tần công suất lớn, đƣợc áp dụng vào sản xuất, giải đƣợc vấn đề điều chỉnh tốc độ động ba pha xoay chiều đem lại hiệu cao mặt kinh tế Việc điều chỉnh đầu (v.d lƣu lƣợng) bơm/quạt đƣợc thực đầu vào nguồn sinh lƣu lƣợng, thơng qua điều chỉnh tốc độ động truyền động bơm/quạt Khi dùng van (hoặc để van sẵn có mở tối đa) đƣơng nhiên khơng cịn tổn thất van Động sinh công suất trục lớn nhu cầu thực để thắng sức cản van Nguyên lý làm việc biến tần đơn giản Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều pha hay pha đƣợc chỉnh lƣu lọc thành nguồn chiều phẳng Công đoạn đƣợc thực chỉnh lƣu cầu diode tụ điện (tụ DC link) Nhờ vậy, hệ số công suất cos hệ biến tần có giá trị khơng phụ thuộc vào tải có giá trị 0.96 Điện áp chiều đƣợc biến đổi (nghịch lƣu) thành điện áp xoay chiều pha đối xứng Công đoạn đƣợc thực thông qua hệ IGBT (transistor lƣỡng cực có cổng cách ly) phƣơng 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 Hệ thống điện áp xoay chiều pha đầu thay đổi giá trị biên độ tần số vô cấp tuỳ theo điều khiển Theo lý thuyết, tần số điện áp có quy luật định tuỳ theo chế độ điều khiển Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp - tần số không đổi Tuy với tải bơm quạt, quy luật lại hàm bậc Điện áp hàm bậc tần số Điều tạo đặc tính mơ men hàm bậc hai tốc độ phù hợp với yêu cầu tải bơm/quạt -6- thân mô men lại hàm bậc hai điện áp Hiệu suất chuyển đổi nguồn biến tần cao sử dụng linh kiện bán dẫn công suất chế tạo theo cơng nghệ đại Chính vậy, lƣợng tiêu thụ xấp xỉ lƣợng yêu cầu hệ thống Qua tính tốn với liệu thực tế, với chi phí thực tế với động sơ cấp khoảng 100 kW, thời gian thu hồi vốn đầu tƣ cho biến tần khoảng từ tháng đến tháng Hình 1.1 Nguyên lý làm vàm việc biến tần Hiện Việt nam có số xí nghiệp sử dụng máy biến tần có kết rõ rệt Với giải pháp tiết kiệm lƣợng bên cạnh việc nâng cao tính điều khiển hệ thống, biến tần đƣợc coi ứng dụng chuẩn cho hệ truyền động cho bơm quạt Nhờ tính kỹ thuật cao với công nghệ điều khiển đại (điều khiển tối ƣu lƣợng) biến tần làm hài lòng nhiều nhà đầu tƣ nƣớc, khu vực giới 1.2 Sử dụng biến tần cho động đứng phƣơng diện công nghệ So với loại động điện khác (động điện đồng bộ, động điện chiều) động khơng đồng có nhiều ƣu việt nhƣ: kết cấu đơn giản, dễ sử dụng, độ bền cao, giá đầu tƣ thấp Nhƣng sử dụng thiết -7- bị để điều khiển loại đơn giản động không đồng lại tồn số nhƣợc điểm nhƣ: - Dòng điện khởi động lớn, gấp 4-6 lần dòng điện định mức động cơ, chí cịn cao đặc biệt máy ln có tải thƣờng trực nhƣ máy bơm nƣớc, quạt ly tâm, máy nén khí, băng tải, máy nghiền búa Điều gây ảnh hƣởng xấu tới máy khác vận hành đồng thời giảm tuổi thọ động điện - Tốc độ vòng quay động điện cảm ứng đƣợc điều khiển theo cấp (hữu cấp) Thông thƣờng động thay đổi đƣợc dãy tốc độ đồng nhƣ: 3.000 - 1.500vg/ph; 1.500 - 1.000vg/ph 1.000 - 750 vg/ph, có cơng nghệ sản xuất yêu cầu hệ thống truyền động cần đƣợc điều khiển tốc độ liên tục (vô cấp) theo mô men phụ tải thay đổi nên hệ truyền động điện khơng có khả đáp ứng Để khởi động dừng động điện không đồng công suất vừa lớn thông thƣờng sở sản xuất sử dụng phƣơng pháp khởi động trực tiếp (qua cầu dao áp tô mát) nên gây sụt áp đƣờng dây lớn Cơ sở sản xuất có điều kiện sử dụng thiết bị “khởi động sao/tam giác (Υ/∆)” hạn chế đƣợc dòng điện khởi động nên độ sụt áp tổn hao điện đƣờng dây giảm đáng kể Tuy nhiên, với phƣơng pháp “cổ truyền” phù hợp với xu sản xuất hàng hóa chất lƣợng cao theo cơng nghệ tiên tiến tỷ lệ tổn thất điện tồn hệ thống cịn cao Gần đây, nhiều sở sản xuất có cơng suất tiêu thụ điện lớn nhƣ trạm bơm nƣớc phục vụ sản xuất nơng nghiệp, xí nghiệp sản xuất chế biến nơng hải sản, hoa sử dụng thiết bị “khởi động mềm” Khởi động mềm thiết bị điện tử thay cho phƣơng pháp khởi động “sao/tam giác” nhằm giảm dịng điện khởi động, nhƣng khơng có khả điều khiển tốc độ động Khởi động mềm thƣờng kết hợp với động điện -8- khơng đồng cơng suất trung bình lớn nhƣng khơng địi hỏi phải thay đổi số vịng quay, ví dụ số thiết bị máy nhƣ: bơm nƣớc nơng nghiệp, quạt thơng gió kho bảo quản, máy nghiền thức ăn chăn nuôi Do phát triển vƣợt bậc kỹ thuật vi điện tử điện tử cơng suất nên ngày có nhiều loại thiết bị điều khiển động điện không đồng với chức hoàn hảo (thuận tiện sử dụng, an tồn có khả tiết kiệm điện tối đa) mà “ biến tần AC ” điển hình Biến tần nguồn bán dẫn điều khiển kết hợp với động không đồng xoay chiều ba pha để thực khởi động/dừng điều chỉnh xác số vịng quay động theo u cầu cơng nghệ Có nhiều loại biến tần đƣợc thiết kế phù hợp với dẫy động công suất từ nhỏ (vài trăm Woat) đến hàng 100kW Bộ biến tần phải thực đƣợc chức năng: - Biến đổi điện áp xoay chiều ba pha nguồn điện vào thành điện áp chiều nhờ chỉnh lƣu cầu ba pha; - Sau nhờ nghịch lƣu (INVERTER) đổi ngƣợc lại thành điện áp xoay chiều ba pha biến đổi theo phƣơng pháp điều chế độ rộng xung ; - Kết đầu biến tần dịng điện có dạng hình sin, cịn điện áp có dạng xung vng nối tiếp tần số đƣợc điều chỉnh tùy ý để đƣợc tốc độ theo công nghệ chọn Về ứng dụng: Biến tần AC với công suất điều khiển lớn đƣợc sử dụng hiệu trƣờng hợp nhƣ: - Điều khiển động không đồng công suất từ 15 đến 600kW với tốc độ khác - Điều chỉnh lƣu lƣợng bơm, lƣu lƣợng khơng khí quạt ly tâm, suất máy, suất băng tải - Ổn định lƣu lƣợng, áp suất mức cố định hệ thống bơm nƣớc, quạt gió, máy nén khí cho dù nhu cầu sử dụng thay đổi; -9- - Điều khiển trình khởi động dừng xác động hệ thống băng tải Biến tần AC công suất nhỏ từ 0,18 đến 14 kW nhƣ Altivar 11và Altivar 28 sử dụng để điều khiển máy công tác nhƣ: cƣa gỗ, khuấy trộn, xao chè, nâng hạ Với bơm quạt ly tâm máy có mơ men tải thay đổi theo tốc độ vòng quay nhƣ sau: - Lƣu lƣợng (m3/h) tỷ lệ bậc với tốc độ, Q1/Q2 = n1/n2 ; - Áp suất (Pa) tỷ lệ bình phƣơng tốc độ, H1/H2 = (n1/ n2)2; - Cơng suất điện tiêu thụ (kW) tỷ lệ lập phƣơng với tốc độ, P 1/P2 = (n1/ n2)3 Ở đây: Q1, H1, P1 - lƣu lƣợng, áp suất công suất điện tƣơng ứng với số vòng quay định mức động ( n 1= 2960, 1.460 vg/ph ) Q2, H2, P2 - lƣu lƣợng, áp suất, công suất điện ứng với tốc độ vòng quay đƣợc điều chỉnh (n2