Nghiên cứu, ứng dụng biến tần và bộ khởi động mềm điều khiển động cơ công suất lớn

Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải LỜI NÓI ĐẦU Đất nước ta hội nhập ngày sâu rộng vào kinh tế giới, việc cạnh trạnh thị trường khốc liệt Để có sản phẩm cạnh tranh cần phải thay đổi công nghệ sản xuất lạc hậu, thay vào dây chuyền sản xuất khép kín, tính tự động hóa cao nhằm mang đến sản phẩm chất lượng với giá thành rẻ, tăng tính cạnh tranh thị trường Với ưu điểm hệ số công suất cao, vận hành tin cậy, giá thành rẻ chi phí vận hành năm thấp Do đó, động khơng đồng đáp ứng yêu cầu cao điều khiển ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác đặc biệt sản xuất công nghiệp… Tuy nhiên, cấu trúc phi tuyến với nhiều thông số nên việc điều khiển động khơng đồng khó khăn Những năm gần đây, với phát triển mạnh mẽ công nghệ bán dẫn, vi điều khiển nhiều phương pháp điều khiển đề xuất cho điều khiển động không đồng Sử dụng biến tần khởi động mềm hai phương pháp điều khiển động tiên tiến nay, ứng dụng rộng rãi với nhiều tính năng, đảm bảo yêu cầu điều khiển Đây lí mà nhóm chúng em lựa chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN VÀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” cho đồ án chúng em Qua thời gian tìm hiểu, nghiên cứu nhận hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo hướng dẫn Trần Văn Hải với thầy cô giáo khoa, bạn, đến đồ án em hồn thành Với khả kiến thức cịn nhiều hạn chế, đồ án khơng tránh khỏi thiếu xót Chúng em mong nhận đóng góp ý kiến từ q thầy bạn để đồ án hoàn chỉnh Xin chân thành cảm ơn! Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2012 SVTH: Dương Đức Đạt Phạm Văn Cường SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Tp.Hồ Chí Minh, Ngày… tháng… năm 2012 Giáo viên hướng dẫn (ký ghi rõ họ tên) SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN: Tp.Hồ Chí Minh, Ngày… tháng… năm 2012 Giáo viên phản biện (ký ghi rõ họ tên) SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 TÍNH CẦP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .6 1.2 NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 1.3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.2 CẤU TẠO 2.2.1 Phần tĩnh (Stator) 2.2.2 Phần quay (Rotor) 10 2.2.3 Khe hở khơng khí 11 2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 11 2.4 CÁC YÊU CẦU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA .14 2.4.1 Những yêu cầu đặt trình điều khiển động 14 2.4.2 Các phương pháp khởi động động không đồng 16 2.4.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ động không đồng .24 CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN 29 3.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 29 3.2 CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG CỦA BIẾN TẦN 29 3.2.1 Biến tần trực tiếp 29 SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải 3.2.2 Biến tần gián tiếp 33 3.3 ỨNG DỤNG CỦA BIẾN TẦN TRONG THỰC TẾ 36 3.4 MỘT SỐ LƯU Ý KHI SỬ DỤNG BIẾN TẦN 38 3.5 MỘT SỐ LOẠI BIẾN TẦN TRÊN THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY 38 3.6 ỨNG DỤNG CỦA BIẾN TẦN ABB- ACS150 45 3.6.1 Khởi động nhập thông số 45 3.6.2 Các phương pháp điều khiển sử dụng biến tần ACS150 .55 CHƯƠNG IV: GIỚI THIỆU VỀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM 63 4.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 63 4.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 63 4.2.1 Cấu tạo khởi động mềm 63 4.2.2 Nguyên lý hoạt động khởi động mềm .68 4.3 ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM TRONG THỰC TẾ 69 4.4 MỘT SỐ LOẠI KHỞI ĐỘNG MỀM TRÊN THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY 70 4.5 ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM SIEMENS – 3RW44 76 4.5.1 Sơ đồ kết nối mạch nguồn mạch điều khiển 76 4.5.2 Hiển thị cài đặt thông số 77 KẾT LUẬN 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 TÍNH CẦP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong ngành sản xuất công nghiệp, động điện không đồng sử dụng phổ biến hệ thống truyền động, dây chuyền sản xuất tính chất đơn giản tin cậy thiết kế chế tạo sử dụng Tuy nhiên sử dụng động không đồng sản xuất đặc biệt với động có cơng suất lớn ta cần ý tới trình khởi động động khởi động rotor trạng thái ngắn mạch, dẫn đến dòng điện khởi động momen khởi động lớn, khơng có biện pháp khởi động thích hợp khơng khởi động động gây nguy hiểm cho thiết bị khác hệ thống điện Vấn đề khởi động động điện không đồng nghiên cứu từ lâu với biện pháp hồn thiện để giảm dịng điện momen khởi động Ngày nay, công nghệ bán dẫn ngày phát triển, thiết bị bán dẫn công suất lớn ngày sử dụng rộng rãi, với độ tin cậy ngày cao, có khả điều khiển tốt Sự đời biến tần, khởi động mềm giải nhược điểm mà phương pháp điều khiển truyền thống mắc phải Việc giảm điện áp đặt vào động q trình khởi động hồn tồn thực cách dễ dàng việc điều khiển góc mở van bán dẫn, làm hạn chế dòng điện khởi động xuống 1.5 đến lần dòng định mức, phụ thuộc vào chế độ tải động đóng điện trực tiếp vào lưới điện dịng khởi động động không đồng lớn từ đến lần dòng định mức Đồng thời điều chỉnh tăng mômen mở máy cách hợp lý, chi tiết động chịu độ dồn nén khí hơn, tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động Ngoài việc tránh dòng đỉnh khởi động động cơ, làm cho điện áp nguồn ổn định không gây ảnh hưởng xấu đến thiết bị khác lưới điện Với đề tài mà chúng em thực là: “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN VÀ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” nghĩa là: điều SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải khiển động cho làm hạn chế dịng điện khởi động, tăng mômen mở máy cách hợp lý đồng thời điều chỉnh tốc độ động trình làm việc Chúng em hy vọng mang đến kiến thức hữu ích biến tần khởi động mềm, để phục vụ tốt cho nhu cầu học tập vận hành thực tiễn 1.2 NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI Đề tài bao gồm nội dung: - Tổng quan động không đồng phương pháp điều khiển - Nghiên cứu, ứng dụng biến tần - Nghiên cứu, ứng dụng khởi động mềm - Thi cơng mơ hình biến tần khởi động mềm 1.3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Với đề tài “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN VÀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” giải vấn đề giảm dòng khởi cho động khởi động điều khiển điện áp đầu cực động hạn chế chưa thể nghiên cứu sâu tính thực biến tần khởi động mềm bán thị trường như: - Tích hợp hình thức giao tiếp mạng kiểu Modbus - Các ngõ vào đa chức năng,… 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đây đề tài nghiên cứu lĩnh vực ứng dụng, phương pháp chủ yếu sử dụng để thực đề tài là: - Phương pháp tham khảo tài liệu: Bao gồm tài liệu chuyên môn, giảng giáo trình liên quan đến đề tài, tài liệu tải từ Internet,… - Phương pháp thực nghiệm mô phỏng: Tiến hành cài đặt, hiệu chỉnh vận hành thực tế, thiết kế mô mạch điện, SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Động không đồng ba pha kết cấu đơn giản, làm việc chắn, sử dụng bảo quản thuận tiện, giá thành rẻ nên sử dụng rộng rãi kinh tế quốc dân, loại công suất 100 kW Động điện khơng đồng rotor lồng sóc cấu tạo đơn giản (nhất loại rotor lồng sóc đúc nhơm) nên chiếm số lượng lớn loại động cơng suất nhỏ trung bình Nhược điểm động điều chỉnh tốc độ khó khăn dòng điện khởi động lớn thường 5-7 lần dòng điện định mức Để bổ khuyết cho nhược điểm này, người ta chế tạo đông không đồng rotor lồng sóc nhiều tốc độ dùng rotor rãnh sâu, lồng sóc kép để hạ dịng điện khởi động, đồng thời tăng mơmen khởi động lên Hình 2.1: Động không đồng ba pha Động điện không đồng rotor dây quấn điều chỉnh tốc tốc độ chừng mực định, tạo mơmen khởi động lớn mà dịng khởi động khơng lớn lắm, chế tạo có khó so với với loại rotor lồng sóc, giá thành cao hơn, bảo quản khó SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải 2.2 CẤU TẠO Động khơng đồng ba pha có cấu tạo gồm hai phần: phần tĩnh (stator) phần quay (rotor) 2.2.1 Phần tĩnh (Stator) Stato có cấu tạo gồm vỏ máy, lỏi sắt dây quấn:  Vỏ máy: Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ Thường vỏ máy làm gang Đối với máy có cơng suất tương đối lớn (1000kW ) thường dùng thép hàn lại làm thành vỏ máy Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ khác  Lõi sắt: Lõi sắt phần dẫn từ Vì từ trường qua lõi sắt từ trường quay nên để giảm tổn hao lõi sắt làm thép kỹ thuật điện ép lại Khi đường kính ngồi lõi sắt nhỏ 90 mm dùng trịn ép lại Khi đường kính ngồi lớn dùng hình rẻ quạt ghép lại Mặt lõi thép có rãnh để đặt dây quấn a) b) c) Hình 2.2: (a) lõi thép stator; (b) thép; (c) rãnh chứa dây quấn Rãnh chứa dây quấn có nhiều hình dạng khác Trong đó, phổ biến rãnh hình thang rãnh lê SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải Rãnh hở Rãnh kín Rãnh hình thang Rãnh nửa hở Rãnh lê Hình 2.3: Rãnh mặt stator  Dây quấn: Dây quấn stator đặt vào rãnh lõi sắt cách điện tốt với lõi sắt Pha U Pha V Pha W b) a) Hình 2.4 (a) sơ đồ bố trí ba cuộn dây stator (b) dây quấn ba pha đặt rãnh 2.2.2 Phần quay (rotor) Rotor có loại : rotor kiểu dây quấn rotor kiểu lịng sóc  Rotor dây quấn : Rotor có dây quấn giống dây quấn stator Dây quấn pha rotor thường đấu hình ba đầu nối vào vành trượt thường làm đồng đặt cố định đầu trục thơng qua chổi than đấu với mạch điện bên ngồi Đặc điểm có SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 10 Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải Hình 4.18: Đường đặc tuyến điện áp theo thời gian V=f(s)  Thiết lập đường đặc tuyến điện áp giới hạn dòng điện: SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 88 Đồ án học phần SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường GVHD: Trần Văn Hải Trang 89 Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải Hình 4.19: Đường đặc tuyến điện áp khởi động V=f(s) Hình 4.20: Đường đặc tuyến dòng điện khởi động  Thiết lập chế độ điều khiển Moment: Hình 4.21: Đường đặc tuyến moment theo thời gian M=f(s) SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 90 Đồ án học phần SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường GVHD: Trần Văn Hải Trang 91 Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải  Thiết lập đường đặc tuyến Moment với giới hạn dòng điện: SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 92 Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải Hình 4.22: Đường đặc tuyến moment trình khởi động Hình 4.23: Đường đặc tuyến dòng điện khởi động SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 93 Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải  Cài đặt chế độ khởi động trực tiếp: Hình 4.24: Đường đặc tuyến dịng điện khởi động trực tiếp Hình 4.25: Đường đặc tuyến dịng điện khởi động trực tiếp SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 94 Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải  Cài đặt nhiệt độ phát nóng động cơ: SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 95 Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải  Cài đặt chế độ dừng: Hình 4.26: Đường đặc tính tốc độ n(s) qua phương pháp dừng động SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 96 Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải  Thiết lập chế độ dừng “coasting down”: SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 97 Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải  Cài đặt chế độ dừng mềm điều khiển Moment: Hình 4.27: Đường đặc tính moment dừng mềm SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 98 Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải  Cài đặt thơng số giới hạn dịng điện khởi động: SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 99 Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải NHẬN XÉT: Bộ khởi động mềm xem giải pháp kinh tế để khởi động dừng động công suất lớn nhờ có ưu điểm vượt trội so với phương pháp khởi động truyền thống như: - Bảo vệ tránh chạy không tải, ngược pha, tải động cơ, kẹt khí - Giảm ảnh hưởng đến nguồn cung cấp (dòng đỉnh sụt áp khởi động) - Khả giao tiếp với mạng điều khiển - Về mặt cơng nghệ, dễ dàng tích hợp vào khởi động mềm chức dịch lui pha sóng điện áp để tiết kiệm điện động làm việc chế độ nhẹ tải - Tuy nhiên, chức tiết kiệm điện khởi động mềm, có, thực chất nhằm vào việc cải thiện hiệu suất động SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường 100 Trang Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải KẾT LUẬN Biến tần khởi động mềm giải phần nhược điểm mà phương pháp điều khiển truyền thống mắc phải, để từ nâng cao lực tự động hóa, nâng cao chất lượng sản phẩm bước tìm câu trả lời cho toán tiết kiệm lượng Trong đồ án này, chúng em trình bày vấn đề đề tài: - Tổng quan động không đồng - Các phương pháp điều khiển động - Biến tần ứng dụng - Khởi động mềm ứng dụng - Tìm hiểu sản phẩm biến tần, khởi động mềm thị trường HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI - Nghiên cứu, ứng dụng sâu tính thực biến tần khởi động mềm có thị trường nay, là: bảo vệ nhiệt cho động cơ, ngõ vào/ra đa chức - Thiết kế hệ thống điều khiển tối ưu - Kết nối điều khiển cho toàn hệ thống Với tầm hiểu biết nhiều hạn chế thời gian nghiên cứu đề tài không nhiều nên đồ án chúng em không tránh khỏi sai xót Chúng em mong nhận ý kiến góp ý từ q thầy cơ, bạn để đồ án hoàn thiện Một lần chúng em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình thầy Trần Văn Hải với quý thầy cô khoa Điện- Điện tử, bạn động viên từ phía gia đình, giúp chúng em hồn thành tốt khóa luận tốt nghiệp SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường 101 Trang Đồ án học phần GVHD: Trần Văn Hải Em xin chân thành cảm ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bài giảng Điện tử công suất - Trường ĐH CNTP Tp.HCM, 2011 [2] Bài giảng Truyền động điện - Trường ĐH CNTP Tp.HCM, 2009 [3] Catalogue biến tần, khởi động mềm hãng ABB, Siement, Schneider, Omron…cung cấp [4] Vũ Gia Hanh – Máy điện 1, NXB Khoa học- Kỹ thuật, 2009 [5] Nguyễn Văn Nhờ – Giáo trình Điện tử cơng suất- tập 1, NXB ĐH Quốc gia Tp.HCM, 2005 [6] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh – Giáo trình Điện tử công suất NXB Khoa học - Kỹ thuật, 2007 [7] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi – Điều chỉnh tự động truyền động điện NXB khoa học kỹ thuật, 2008 [8] Tài liệu tham khảo từ trang web như: http://tailieu.vn http://www.webdien.com http://www.dientuvietnam.net http://thietbidien.vn http://www.bientan.com.vn http://www.kilobooks.com SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường 102 Trang ... tài “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN VÀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” giải vấn đề giảm dòng khởi cho động khởi động điều khiển điện áp đầu cực động hạn chế chưa thể nghiên cứu... quan động không đồng phương pháp điều khiển - Nghiên cứu, ứng dụng biến tần - Nghiên cứu, ứng dụng khởi động mềm - Thi cơng mơ hình biến tần khởi động mềm 1.3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Với đề tài “NGHIÊN... với động có cơng suất lớn ta cần ý tới trình khởi động động khởi động rotor trạng thái ngắn mạch, dẫn đến dòng điện khởi động momen khởi động lớn, khơng có biện pháp khởi động thích hợp khơng khởi