đề tài nghiên cứu hệ biến tần động cơ không đồng bộ 3 pha

Lời nói đầu Như biết ngày nay,Trong thời đại cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước,ngành cơng nghiệp có vai trị quan trọng nhằm thúc đẩy phát triển kinh tế.Đưa công nghệ vào sản xuất yêu cầu tất yếu Khi mà động điện ứng dụng rộng rãi nghành cơng nghiệp điều khiển cách tối ưu vấn đề đặt Có nhiều phương pháp để điều khiển động không đồng pha.Trải qua nhiều giai đoạn, qua nhiều phương pháp.Cho đến Biến tần tạo đưa vào ứng dụng trở thành giải pháp tối ưu dùng rộng rãi Có nhiều hãng nước sản xuất loại biến tần khác Misubishi số đó.Chúng em giao đề tài”nghiên cứu hệ biến tần-Động không đồng pha” chuyên sâu biến tần hãng Mitsubishi.Em chọn biến tần FR-A700 để nghiên cứu.Qua đề tài em có thêm nhiều kiến thức hệ biến tần-động không đồng pha Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Tự động hóa giúp đỡ em đặc biệt thầy Nguyễn Duy Minh trực tiếp giảng dạy hướng dẫn chúng em làm đề tài Mặc dù có nhiều cố gắng q trình làm đề tài, chưa có nhiều kinh nghiệm nên cịn có nhiều nhiều sai sót cách trình bày phần thể đồ án mong thầy, bạn góp ý bổ sung thêm Em xin chân thành cảm ơn PHẦN 1: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐÔNG BỘ PHA 1 1 Khái niệm động không đồng pha 2 2 Cấu tạo máy điện không đồng pha 2.1 2.1 Stato 2.1.1 a Lõi thép 2.1.2 b Dây quấn 2.1.3 c Vỏ máy 2.2 2.2 Roto 2.2.1 a Lõi thép 2.2.2 b Dây quấn 3 3 Nguyên lý làm việc động không đồng pha 3.0.1 Khi xác định chiều sức điện động: 4 4 Điều chỉnh tốc độ động không đồng pha 4.1 4.1 Thay đổi tần số 4.2 4.2 Thay đổi số đôi cực 4.3 4.3 Thay đổi điện áp cung cấp cho stato 4.4 4.4 Thay đổi điện trở mạch roto 5 5 Đặc tính làm việc máy điện không đồng pha 5.1 5.1 Tốc độ quay n 5.2 5.2 Hiệu suất η 5.3 5.3 Hệ số công suất cosφ Khái niệm động không đồng pha Động KĐB pha Động KĐB pha loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ Động không đồng ba pha loại động mà làm việc có tốc độ quay roto n (tốc độ máy) khác với tốc độ quay từ trường n1 Động không đồng pha so với loại động khác có cấu tạo vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên sử dụng nhiều sản xuất sinh hoạt Các thông số động không đồng pha là: Cơng suất có ích trục   Pđm Điện áp dây stato                     Uđm Dòng điện dây Stato                 Iđm Tần số dòng điện stato             f Tốc độ quay roto                      n Hệ số công suất                      Cos φ Hiệu suất                                η Cấu tạo máy điện không đồng pha Mặt cắt ngang hai phận động KĐB pha Cấu tạo máy điện không đồng pha gồm hai phận là: stato roto, ngồi cịn có vỏ máy nắp máy 2.1 Stato Stato phần tĩnh gồm hai phần lõi thép dây quấn, ngồi có võ máy nắp máy a Lõi thép Lõi thép stato có rãnh hướng trục Lõi thép stato hình trụ thép kỹ thuật điện dập rãnh bên trong, ghép lại với tạo thành rãnh theo hướng trục Lõi thép ép bên vỏ máy b Dây quấn Sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt 12 rãnh Dây quấn stato làm dây quấn bọc cách điện (dây điện từ) đặt rãnh lõi thép Hình sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt 12 rãnh stato, dây quấn pha A rãnh 1, 4, 7, 10, pha B đặt rãnh 3, 6, 9,12, pha C đặt rãnh 2, 5, 8, 11 Dòng điện xoay chiều ba pha chạy ba dây quấn stato tạo từ trường quay c Vỏ máy Vỏ máy làm nhôm gang, dùng để giữ chặt lõi thép cố định máy bệ Hai đầu vỏ có nắp máy, đỡ trục Võ máy nắp máy dùng để bảo vệ máy 2.2 Roto Roto phần quay gồm lõi thép, dây quấn trục máy a Lõi thép Mặt cắt ngang lõi thép stato Lõi thép gồm thép kỹ thuật điện dập rãnh mặt ghép lại, tạo thành rãnh theo hướng trục, có lỗ để lắp trục b Dây quấn Roto lồng sóc cơng suất lớn Roto lồng sóc cơng suất nhỏ Dây quấn roto có hai kiểu: roto ngắn mạch (còn gọi roto KĐB lồng sóc) roto dây quấn – Roto lồng sóc: Động điện có roto lồng sóc gọi động KĐB lồng sóc Loại roto lồng sóc cơng suất 100 kW, rãnh lõi thép roto đặt đồng, hai đầu nối ngắn mạch hai vòng đồng tạo thành lồng sóc Ở động roto lồng sóc cơng suất nhỏ chế tạo cách đúc nhôm vào rãnh lõi thép roto, tạo thành nhôm, hai đầu đúc ngắn mạch cánh quạt làm mát – Roto dây quấn: Roto dây quấn Loại động có roto dây quấn gọi động không đồng ba pha roto dây quấn Trong rãnh lõi thép roto người ta đặt dây quấn ba pha Dây quấn roto thường nối sao, ba đầu nối với ba vòng tiếp xúc đồng, cố định trục roto cách điện với trục Dây quấn roto nối với biến trở ngồi Nhờ ba chổi than tì sát vào ba vịng tiếp xúc, dây quấn roto nối với vòng tiếp xúc, nhờ chổi than dây quấn roto nối với ba biến trở bên để mở máy hay điều chỉnh tốc độ Động lồng sóc loại phổ biến giá thành rẻ làm việc đảm bảo Động roto dây quấn có ưu điểm mở máy điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt vận hành tin cậy động lồng sóc, nên dùng động lồng sóc khơng đáp ứng u cầu truyền động Nguyên lý làm việc động không đồng pha Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba pha dây quấn stato, tạo từ trường quay p đôi cực, quay với tốc độ Từ trường quay cắt dẫn dây quấn roto, cảm ứng sức điện động Vì dây quấn roto nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sinh sinh dòng điện chạy dẫn roto Lực tác dụng tương hỗ từ trường qua máy với dẫn mang dòng điện roto, kéo roto quay chiều quay với từ trường với tốc độ n Để minh họa, hình bên vẽ từ trường quay tốc độ n1, chiều sức điện động dòng điện cảm ứng dẫn roto, chiều vẽ lực điện từ Fđt Nguyên lý làm việc động không đồng ba pha Khi xác định chiều sức điện động: Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải, ta vào chiều chuyển động tương đối dẫn với từ trường Nếu coi từ trường đứng yên, chiều chuyển động tương đối dẫn ngược với chiều n1, từ áp dụng quy tắc bàn tay phải, xác định chiều suất điện động hình vẽ (dấu  ⨂ chỉ chiều từ vào trang giấy) Chiều lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay n1 Tốc độ n máy nhỏ tốc độ từ trường quay n1 vì tốc độ khơng có chuyển động tương đối, dây quấn roto khơng có suất điện động dịng điện cảm ứng, lực điện từ khơng Độ chênh lệch tốc độ từ trường quay tốc độ máy gọi tốc độ trượt n2 n2 = n1 – n Hệ số trượt tốc độ là: Khi roto đứng yên (n = 0), hệ số trượt s = 1; roto quay định mức s = 0,02 ÷ 0,06 Tốc độ động là:  vòng/phút Điều chỉnh tốc độ động không đồng pha Tốc độ động khơng đồng ba pha tính theo cơng thức:  vịng/phút Nhìn vào biểu thức ta thấy: Với động điện KĐB lồng sốc điều chỉnh tốc độ động cách thay đổi tần số dòng điện stato cách đổi nối dây quấn stato để thay đổi số đôi cực từ p từ trường, thay đổi điện áp đặt vào stato để thay đổi hệ số trượt s Tất phương pháp thực phía stato Với động roto dây quấn thường điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở roto để thay đổi hệ số trượt s, việc điều chỉnh thực phía roto 4.1 Thay đổi tần số Việc thay đổi tần số f dòng điện stato thực biến đổi tần số (bộ biến tần) Như ta biết từ thông Φmax tỷ lê thuận với tỉ số U1/f, khi thay đổi tần số người ta mong muốn giữ cho từ thông Φmax không đổi, để mạch từ máy trạng thái định mức Muốn phải điều chỉnh đồng thời tần số điện áp, giữ cho tỉ số điện áp U1 và tần số f khơng đổi Hình vẽ họ đặc tính máy điện khơng đồng pha điều chỉnh tốc độ cách thay đổi tỉ số U1/f khơng đổi Đặc tính động thay đổi tỉ số U/f Việc điều chỉnh tốc độ quay thay đổi tần số thích hợp điều chỉnh nhóm động lồng sóc Điều chỉnh tốc độ thay đổi tần số cho phép điều chỉnh tốc độ cách phẳng phạm vi rộng Với phát triển vượt bậc linh kiện điện tử giá thành biến tần ngày giảm Các biến tần ứng dụng ngày rộng rãi 4.2 Thay đổi số đôi cực Số đôi cực từ trường quay phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn Động KĐB pha có cấu tạo dây quấn để thay đổi số đôi cực từ gọi động không đồng pha nhiều cấp tốc độ Phương pháp sử dụng cho loại roto lồng sóc Mặc dù điều chỉnh tốc độ nhảy cấp, có ưu điểm giữ nguyên độ cứng đặc tính cơ, động nhiều cấp tốc độ sử dụng rộng rãi máy luyện kim, máy tàu thủy, … Đặc tính động thay đổi số cặp cực 4.3 Thay đổi điện áp cung cấp cho stato Phương pháp thực việc giảm điện áp Khi giảm điện áp đường đặc tính M = f(s) thay đổi hệ số trượt thay đổi, tốc độ động thay đổi Hệ số trượt s1, s2, s3 ứng điện áp U1đm, 0,85 U1đm và 0,7 U1đm Điều chỉnh tốc độ thay đổi điện áp cấp cho stato Nhược điểm phương pháp điều chỉnh tốc độ quay điện áp giảm khả tải động cơ, dải điều chỉnh tốc độ hẹp, tăng tổn hao dây quấn roto Việc điều chỉnh tốc độ thay đổi điện áp dùng chủ yếu với động công suất nhỏ có hệ số trượt tới hạn Sth lớn 4.4 Thay đổi điện trở mạch roto Điều chỉnh tốc độ thay đổi điện trở roto Phương pháp áp dụng động roto dây quấn, người ta mắc biến trở ba pha vào mạch roto Biến trở điều chỉnh tốc độ phải làm việc lâu dài nên có kích thước lớn so với biến trở mở máy Khi tăng điện trở tốc độ quay động giảm Nếu moment cản, dịng roto khơng đổi, tăng điện trở để giảm tốc độ tăng tổn hao cơng suất biến trở, phương pháp không kinh tế Tuy nhiên phương pháp đơn giản, điều chỉnh đơn khoảng điều chỉnh tương đối rộng, sử dụng điều chỉnh tốc độ quay động cơng suất cỡ trung bình Đặc tính làm việc máy điện khơng đồng pha 5.1 Tốc độ quay n Tốc độ quay có quan hệ với hệ số trượt s theo biểu thức: Khi tải tăng, công suất P2 trên trục động tăng, moment cản tăng lên từ hệ số trượt s tăng lên tốc độ động giảm xuống (hình dưới) Đặ c tính tốc độ quay 5.2 Hiệu suất η Hiệu suất động tính sau: P1 là công suất tác dụng điện động tiêu thụ để biến đổi sang công suất P2 P2 là công suất hữu ích trục động Động khơng đồng pha thường thiết kế cho hiệu suất cực đại hệ số tải  Trong khoảng kt = 0,5 ÷ hiệu suất khơng đổi (hình bên dưới) Hiệu suất động cơng nghiệp khoảng 0,75 ÷ 0,95 Đặc tính hiệu suất 5.3 Hệ số công suất cosφ Hệ số công suất máy điện không đồng pha tỉ số cơng suất tác dụng P1 với cơng suất tồn phần S Q công suất phản kháng mà động tiêu thụ để tạo từ trường cho máy Khi máy quay khơng tải, cơng suất P1 nhỏ, cosφ thấp từ 0,2 ÷ 0,3 Khi tải tăng, cơng suất P1 tăng cosφ tăng lên đạt đến giá trị định mức cosφđm = 0,8÷ 0,9 Khi tải, từ đường đặc tính cosφ ta thấy dịng điện vượt định mức (tức I1/Iđm > 1) cosφ lại giảm xuống, từ thơng tản tăng, Q1 tăng Từ đặc tính cosφ ta thấy, không nên cho máy làm việc không tải non tải Ngoài qua đồ thị ta thấy cơng suất P2 tăng moment M dịng điện stato I1 đều tăng 1.2.5.3.Module CANopen Để mở rộng tính kết nối, giao tiếp truyền thông với thiết bị nhiều hãng, Siemens phát triển module CM CANopen cho PLC S7 – 1200, cho phép cấu hình với hai chế độ Master slave 1.2.5.4.Sing Board Sing Board cắm phía than CPU để mở rộng them DI/DO, AI/AO, Pin backup ( Battery board ) liệu thời gian thực, mở rộng truyền thông với RS485 ( Communications boards ) 1.3 Vùng nhớ, địa kiểu liệu PLC S7 -1200 1.3.1 Vùng nhớ chương trình PLC S7 – 1200 CPU hỗ trợ vùng nhớ để lưu trữ chương trình người dùng, liệu cấu hình hệ thống sau:  Load memory: Không ( non – volatile ) sử dụng để lưu trữ chương trình người dùng, liệu cấu hình PLC Khi project download xuống PLC, lưu vùng nhớ Load memory Vùng nhớ nằm thể nhớ MMC (nếu có) nằm CPU Người dùng tăng dung lượng vùng nhớ thẻ MMC  Work memory: Vùng nhớ bị liệu CPU điện Trong trình hoạt động, CPU copy số phần, chức project từ vùng nhớ Load memory sang vùng nhớ Work memory để thực  Retentive memory: vùng nhớ sử dụng để lưu trữ lại liệu cần thiết, mong muốn CPU điện hoàn toàn 1.3.2 Thẻ nhớ MMC Một lựa chọn khác để lưu trữ chương trình người dùng giống vùng nhớ nói trên, sử dụng Simatic MMC để lưu trữ chương trình người dùng transfer chương trình người dùng Nếu người dùng sử dụng thẻ nhớ MMC, CPU chạy chương trình từ thẻ nhớ vùng nhớ CPU Thẻ nhớ Simatic MMC sử dụng thẻ nhớ chương trình, thẻ transfer, lưu trữ liệu data log sử dụng để nâng cấp firmware cho CPU  Khi muốn download chương trình xuống nhiều CPU giống project Việc sử dụng phần mềm làm tốn thời gian … việc sử dụng simatic MMC với chức thẻ transfer giúp cho hiệu nhiều Người dùng cần cắm thẻ nhớ MMC đợi transfer xong lấy thẻ nhớ  Dùng thẻ nhớ với chức thẻ nhớ chương trình tất chức CPU hoạt động load từ thẻ nhớ  Mgoài ra, thẻ MMC sử dụng để lưu trữ thông tin data log, mở rộng vùng nhớ lưu trữ cho Web server, sử dụng để nâng cấp firmware cho CPU ( Ví dụ từ V1.0 lên V2.0, V2.0 lên V2.3 … ) 2.3.3.Kiểu liệu S7 – 1200 Kiểu liệu hỗ trợ cho PLC S7-1200 giải thích cách định dạng liệu kích thước liệu thơng qua bảng 2.5 Bảng 2.5.Kiểu liệu PLC S7-1200 Kiểu liệu Bit chuỗi Bit Miêu tả     Bool gồm bít đơn Byte gồm bit Word gồm 16 bit Dword gồm 32 bit Interger       USInt ( số interger không dấu bit ) SInt ( số interger có dấu bit ) UInt ( số interger không dấu 16 bit ) Int ( số interger có dấu 16 bit ) UDInt ( số interger không dấu 32 bit ) Dint ( số interger có dấu 32 bit ) Số thực – Real  Real – số thực dấu chấm động 32 bit  LReal – số thực dấu chấm động 64 bit Data and time  Data kiểu liệu 16 bit số ngày có tầm từ D#1990-1-1 đến D#2168-12-31  DTL ( data and time long ) bao gồm liệu với 12 byte lưu giữ thông tin ngày, tháng, năm  Year (UInt): 1970 → 2554  Month (USInt) : → 12  Day (USInt): → 31  Weekday (USInt): → (1 chủ nhật )  Hours (USInt): → 59  Seconds (USInt): 0→ 59  Nanoseconds (UDInt): → 999999999  Time kiểu liệu 32 bit miêu tả theo chuẩn IEC time tầm giá trị lên đến T#24D20H31M23S647MS  TOD (time of day) kiểu liệu 32 bit có tầm giá trị từ TOD#0:0:0:0 đến TOD#23:59:59:999 Char Sting Array Structure  Char kiểu liệu ký tự với bit  Sting kiểu liệu chuỗi lên tới 254 char  Arry kiểu liệu mảng bao gồm nhiều thành phần đơn giống kiểu liệu Mảng tạo giao diện interface OB, FB, FC, DB  Struct kiểu liệu định dạng theo cấu trúc thành phần bao gồm nhiều kiểu liệu khác PLC data types PLC Data types hay gọi UDT dạng liệu cấu trúc định nghĩa người dùng Pointer Pointer hay trỏ sử dụng để định địa gián tiếp  BCD 16 có giá trị từ -999 → 999  BCD32 có giá trị từ -9999999 → 9999999 BCD(*) Ghi chú: (*) BCD kiểu liệu, nhiên đưa vào liên quan tới việc đến việc chuyển đổi liệu sau 1.3.4 Vùng nhớ địa Step Basic V1x Tia Portal hỗ trợ cho việc lập trình tag nhớ (Symbolic) Người dùng tạo tag nhớ hay Symbolic (tên gợi nhớ) cho địa liệu cần dùng, khơng phân biệt vùng nhớ tồn cục (global) hay vùng nhớ cục (local) Để truy xuất Tag nhớ chương trình cần gọi tên Tag cho tham số lệnh Để hiểu rõ cấu trúc CPU địa vùng nhớ, tìm hiểu sâu địa trực tiếp (absolute) tảng cho việc sử dụng Tag nhớ PLC  Vùng nhớ toàn cục – Global memory: CPU cung cấp vùng nhớ toàn cục như: I (input), Q(output), vùng nhớ nội M (memory) Những vùng nhớ tồn cục truy xuất tất khối  Khối liệu DB: Cũng vùng nhớ toàn cục Ngoài vùng nhớ DB sử dụng với chức Instance DB để lưu trữ định cho FB cấu trúc tham số FB  Vùng nhớ tạm – Temp ( hay vùng nhớ Local): Vùng liệu cục sử dụng khối chương trình OB, FC, FB Vùng nhớ L sử dụng cho biến tạm (temp) trao đổi liệu biến hình thức với khối chương trình gọi Nội dung mộ khối liệu miền nhớ bị xóa kết thúc chương trình Vùng nhớ I, Q PLC S7-1200 truy xuất dạng process image Để truy xuất trực tiếp với ngõ vào/ra vật lý, them “:P” Ví dụ như: I0.0:P, Q0.0:P Chế độ Forcing ứng dụng cho tín hiệu vào/ra vật lý (Ix.y:P, Qx.y:P) Bảng 2.6.Bảng phân loại vùng nhớ PLC S7-1200 Vùng nhớ Process image I Ngõ vào vật lý Ix.y:P Process image Q Ngõ vật lý Qx.y:P Miêu tả Được copy liệu từ tín hiệu ngõ vào vật lý bắt đầu quét chương trình Đọc địa từ ngõ vào CPU, SB, SM Có thể dùng chế độ Force với ngõ vào vật lý Chuyển liệu tới tín hiệu ngõ vật lý bắt đầu quét chương trình Xuất trực tiếp tới ngõ ran gay tới ngõ vật lý CPU, SB, SM Có thể dùng chế độ Force với ngõ vào vật lý Vùng nhớ nội M Lưu trữ liệu/tham số trước đưa ngoại vi Có thể cài đặt để sử dụng chức Retentive memory vùng nhớ Vùng nhớ tạm Local Vùng nhớ sử dụng để lưu trữ tạm thời memory khối OB, FB, FC Dữ liệu ngừng gọi khối Khối liệu DB Được sử dụng theo định dạng vùng nhớ toàn cục, lưu liệu tham số cho khối hàm FB Có thể cài đặt để sử dụng chức Retentive meory vùng nhớ 2.4.Phần mềm ngôn ngữ lập trình PLC S7-1200 2.4.1 Phần mềm lập trình PLC S7-1200 Năm 2009, Siemens giới thiệu PLC S7-1200 với phần mềm lập trình Tia Portal V10.5 tích hợp sẵn Step Basic, lập trình cho PLC S7-1200 WinCC Basic lập trình cho hình KTP Từ năm 2010 đến nay, Siemens không ngừng cải tiến nâng cấp cấp phần mềm Tia Portal V10.5 lên tới Tia Portal V13 Hiện phần mềm Tia Portal khơng lập trình cho Controller mà cịn thiết kế giao diện HMI SCADA cấu hình cho Driver Siemens Tuy nhiên, nội dung trình bày tìm hiểu PLC S7-1200 phần mềm Step Basic V1x Tia Portal để lập trình cho PLC S7-1200 2.4.2 Ngơn ngữ lập trình PLC S7-1200 Với dòng sản phẩm PLC S7-1200 ứng dụng cho hệ thống nhỏ vừa, Siemens phát triển ưu tiên hỗ trợ cho ngơn ngữ lập trình chính, là: LAD, FBD SCL  LAD – Ladder: Đây ngơn ngữ lập trình dựa theo sơ đồ mạch Nó đơn giản, dễ hiểu, dễ chỉnh sửa tiện lợi  FBD – Function Block Diagram: Đây ngơn ngữ lập trình dựa theo đại số Bool  SCL – Structure Language Control: Đây ngôn ngữ lập trình theo dạng text ngơn ngữ trình cấp cao sử dụng dựa Pascal phát triển Ngơn ngữ lập trình SCL coi ngơn ngữ hướng tới đối tượng cho PLC, gần gũi với tư người dùng Khi viết code cho khối hàm ( OB, FB, FC ) người dùng sử dụng ngơn ngữ để lập trình 27 CHƯƠNG Giới thiệu biến tần 2.1 Giới thiệu chung Biến tần thiết bị dùng để thay đổi điều chỉnh tốc độ động xoay chiều pha thơng qua việc thay đổi tần số dịng điện xoay chiều pha Ngày biến tần thiết bị sử dụng phổ biến công nghiệp Biến tần thiết bị biến đổi nguồn điện xoay chiều có tần số f thành nguồn điện xoay chiều có tần số f r thay đổi Ưng dụng: Bộ biến tần thường sử dụng để điều khiển vận tốc động xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo tần số lưới nguồn thay đổi thành tần số biến thiên Ngoài việc thay đổi tần số cịn có thay đổi tổng số pha Từ nguồn lưới pha, với giúp đỡ biến tần ta mắc vào tải động ba pha Bộ biến tần sử dụng rộng rãi kỹ thuật nhiệt điện Bộ biến tần trường hợp cung cấp lượng cho lò cảm ứng 2.2 Phân loại biến tần Theo nguyên lý làm việc, biến tần chia làm hai loại là: - Biến tần quay: máy phát điện xoay chiều - Biến tần tĩnh: loại biến tần chế tạo từ linh kiện điện tử bán dẫn cơng suất Có hai loại biến tần tĩnh thường gặp: Biến tần trực tiếp biến tần gián tiếp Theo sơ đồ cấu trúc mạch điện, biến tần chia làm hai loại chính: - Biến tần trực tiếp: biến đổi trực tiếp điện áp lưới với tần số công nghiệp thành điện áp đầu có giá trị tần số thay đổi loại sử dung - Biến tần gián tiếp: biến đồi điện áp xoay chiều với tần số công nghiệp thành nguồn 28 điện chiều, sau biến đổi điện áp chiều thành điện áp xoay chiều với giá trị tần số thay đổi đầu Theo tổng số pha: - Biến tần pha - Biến tần ba pha Trong chương trình công nghiệp, chủ yếu dùng biến tần tĩnh loại gián tiếp pha ba pha 2.3 Nguyên lý hoạt động sơ đồ nguyên lý mạch động lực Cấu tạo biến tần gián tiếp gồm có chỉnh lưu với chức chỉnh lưu điện áp xoay chiều với tần số cố định ngõ vào nghịch lưu thực việc chuyển đổi điện áp (hoặc dòng điện) chỉnh lưu sang dạng áp dòng xoay chiều ngõ Bằng cấu trúc trên, ta điều khiển tần số cách độc lập không phụ thuộc tần số vào.  Các biến tần gián tiếp thường hoạt động với công suất khoảng từ kW đến vài trăm kW Phạm vi hoạt động tần số khoảng vài phần chục Hz đến vài trăm Hz Công suất tối đa chúng lên đến vài MW tần số tối đa khoảng vài chục kHz (trong kỹ thuật nhiệt điện - lò cao tần) 2.3.1 Nguyên lý hoạt động Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động biến tần 29 Nguyên lý làm việc biến tần đơn giản Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều pha hay pha chỉnh lưu lọc thành nguồn chiều phẳng Công đoạn thực chỉnh lưu cầu diode tụ điện Điện áp chiều biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều pha đối xứng Ban đầu, điện áp chiều tạo trữ giàn tụ điện Điện áp chiều mức cao Tiếp theo, thơng qua trình tự kích hoạt đóng mở IGBT (IGBT từ viết tắt Tranzito Lưỡng cực có Cổng Cách điện hoạt động giống công tắc bật tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu Biến tần) Biến tần tạo điện áp Xoay chiều ba pha phương 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 cao 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 (khi cần tăng giảm tốc độ động cơ) Theo lý thuyết, tần số điện áp có quy luật định tuỳ theo chế độ điều khiển Đối với tải có mơ men khơng 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 thân mô men lại hàm bậc hai điện áp Hình 2.2 Dạng điện áp dịng điện đầu biến tần Hiệu suất chuyển đổi nguồn biến tần cao sử dụng linh kiện bán dẫn công suất chế tạo theo công nghệ đại Nhờ vậy, lượng tiêu thụ xấp xỉ lượng yêu cầu hệ thống Ngồi ra, biến tần ngày tích hợp nhiều kiểu điều khiển khác phù hợp hầu hết loại phụ tải khác Ngày biến tần có tích hợp PID thích 30 hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, phù hợp cho việc điều khiển giám sát hệ thống SCADA 2.3.2 Biến tần gián tiếp nguồn dòng, nguồn áp Biến tần gián tiếp nguồn áp: Sơ đồ nguyên lý: Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý biến tần gián tiếp nguồn áp Mạch trung gian chiều: có chứa tụ lọc với điện dung lớn C (khoảng vài ngàn F) mắc vào ngõ vào nghịch lưu Điều giúp cho mạch trung gian hoạt động nguồn điện áp Tụ điên với cuộn cảm L mạch trung gian tạo thành mạch lọc nắn điện áp chỉnh lưu Cuộn kháng L có tác dụng nắn dịng điện chỉnh lưu Trong nhiều trường hợp, cuộn kháng L không xuất cấu trúc mạch tác dụng nắn dịng thay cảm kháng tản máy biến áp cấp nguồn cho chỉnh lưu Do tác dụng diode nghịch đảo nghịch lưu, điện áp đặt tụ đạt giá trị dương Tụ điện thực chức trao đổi lượng ảo tải nghịch lưu mạch trung gian cách cho phép dịng i thay đổi chiều nhanh khơng phụ thuộc vào chiều dòng i   Bộ nghịch lưu áp: dạng pha ba pha Quá trình chuyển mạch nghịch lưu áp thường trình chuyển đổi cưỡng Trong trường hợp đặc biệt nghịch lưu làm việc khơng có q trình chuyển mạch với q trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngồi Từ đó, ta có hai trường hợp biến tần với trình chuyển mạch độc lập trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngồi   Bộ chỉnh lưu: có nhiều dạng khác nhau, mạch tia, mạch cầu pha ba pha Thông thường ta gặp mạch cầu ba pha Nếu chỉnh lưu pha nghịch lưu ba pha, biến tần thực chức biến đổi tổng số pha.  Khi áp dụng phương pháp điều khiển theo biên độ cho điện áp tải xoay chiều chỉnh lưu phải chỉnh lưu điều khiển.  Thông thường, chỉnh lưu có dạng khơng điều khiển, bao gồm diode mắc dạng mạch cầu Độ lớn điện áp tần số áp nghịch lưu cịn điều khiển thông qua phương pháp điều khiển xung thực trực tiếp nghịch lưu Ở chế độ máy phát tải (chẳng hạn hãm động không đồng bộ), lượng hãm trả ngược mạch chiều nạp cho tụ lọc C Năng lượng nạp tụ làm điện áp tăng lên đạt giá trị lớn gây áp Để loại bỏ tượng điện áp tụ C , số biện pháp sau thực Phương pháp đơn giản f f f f d2 d1 f f 31 tác dụng đóng mạch xả điện áp tụ qua điện trở mắc song song với tụ Việc đóng mạch xả tụ thực nhờ cơng tắc bán dẫn S (chẳng hạn điều khiển áp tụ hai giá trị biên) dựa theo kết so sánh tín hiệu điện áp đo tụ với giá trị điện áp đặt trước cho phép  Một biện pháp khác thực đưa lượng áp tụ C nguồn lưới điện xoay chiều Trong trường hợp này, biến tần trang bị chỉnh lưu kép Khả chỉnh lưu kép cho phép thực đảo chiều dòng điện qua chỉnh lưu cách này, điều kiện chiều điện áp tụ lọc không đổi dấu, lượng trả lưới điện xoay chiều qua chỉnh lưu Biến tần gián tiếp nguồn dòng: Sơ đồ nguyên lý: f Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý biến tần gián tiếp nguồn dịng Mạch trung gian có cuộn cảm L (khoảng vài mH) Nhờ nó, mạch trung gian thực chức nguồn dòng điện nghịch lưu Dòng điện mạch trung gian có chiều khơng thay đổi Dòng cuộn cảm nắn Cuộn cảm thực chức trao đổi lương ảo tải tiêu thụ mạch trung gian Cuộn cảm tạo điều kiện cho trình thay đổi chiều điện áp u xảy nhanh chóng khơng phụ thuộc vào điện áp chỉnh lưu u Bộ nghịch lưu dòng: pha thường gặp dạng ba pha Tùy theo trường hợp, nghịch lưu với trình chuyển mạch cưỡng trình chuyển mạch phụ thuộc Bộ nghịch lưu dịng với q trình chuyển mạch phụ thuộc chất chỉnh lưu có q trình chuyển mạch phụ thuộc vào điện áp xoay chiều tải hoạt động chế độ nghịch lưu Từ đó, ta phân biệt biến tần với trình chuyển mạch cưỡng biến tần với trình chuyển mạch phụ thuộc Điều khiển nghịch lưu dịng thực theo phương pháp điều biên dùng kỹ thuật điều chế độ rộng xung.  Bộ chỉnh lưu: có nhiều dạng, mạch tia, mạch cầu, pha ba pha Khi cần đòi hỏi phải truyền lượng theo hai chiều, ta cần chỉnh lưu đơn với điện áp đổi dấu Ta thường sử dụng mạch cầu ba pha điều khiển Trong trường hợp, dòng điện qua mạch phải điều khiển biên độ Do đó, chỉnh lưu không điều khiển (gồm diode) sử dụng Để giảm bớt tượng điện áp f d2 d1 32 chi tiết bán dẫn nghịch lưu, ta sử dụng nghịch lưu với tụ hạn chế điện áp mắc song song với tải sử dụng mạch tích lượng 2.4 Cấu tạo biến tần 2.4.1 Các phận Bộ chỉnh lưu: Bộ chỉnh lưu cầu diode tương tự với chỉnh lưu thường thấy nguồn, điện áp xoay chiều chuyển đổi thành chiều Điện áp sau chỉnh lưu qua giàn tụ lọc để có điện áp phẳng, ổn định(DC bus) để cung cấp nguồn cho IGBT Hình 2.5 Hình ảnh thực tế Diode biến tần Fuji Electric Bộ nghịch lưu: Thiết bị IGBT chuyển mạch nhanh cho hiệu xuất cao Trong biến tần, IGBT điều khiển kích mở theo trình tự để tạo xung với độ rộng khác từ điện áp DC Bus trữ tụ điện Bằng cách sử dụng phương pháp Điều chế Độ rộng Xung PWM, IGBT kích mở theo trình tự để đầu giống với sóng dạng sin áp dụng sóng mang PWM sử dụng để tạo đầu cho động giống hệt với sóng dạng sin Tín hiệu sử dụng để điều khiển tốc độ mô-men xoắn động Hình 2.6 Hình ảnh thực tế IGBT biến tần Fuji Electric Phần điều khiển: Phần điều khiển kết nối với mạch ngoại vi nhận tín hiệu đưa vào IC để điều khiển biến tần theo cấu hình cài đặt người sử dụng Phần điều khiển bao gồm: IC để xử lý thơng tin điều khiển hoạt động biến tần 33 Ngõ vào analog: nhận tín hiệu điện áp 4-20mA hay điện áp 0-10V Ngõ vào số: để kích cho biến tần chạy Ngõ analog: kết nối với thiết bị ngoại vi khác để giám sát hoạt động biến tần Ngõ số: xuất tín hiệu chạy, cảnh báo… Các phương pháp điều khiển biến tần: Điều khiển local Điều khiển remote Điều khiển qua cổng truyền thông 2.4.2 Các phụ kiện biến tần Bộ kháng điện xoay chiều: Cuộn kháng AC cuộn dây quấn quanh lõi thép Cuộn kháng AC giúp giảm méo sóng hài, tức nhiễu dịng xoay chiều đầu vào Ngồi ra, Cuộn kháng AC giảm biên độ đỉnh gai nhọn đầu vào, giảm song hài giúp DC Bus ổn định tăng tuổi thọ tụ Hình 2.7 Một số hình ảnh thực tế cuộn kháng  AC Reactor Cuộn kháng AC hoạt động lọc để bảo vệ mạch chỉnh lưu đầu vào khỏi nhiễu xung nhọn gây bật tắt tải điện cảm khác Có vài nhược điểm sử dụng điện kháng, chi phí tăng thêm, cần nhiều không gian pa-nen giảm hiệu suất Trong trường hợp gặp, điện kháng dịng sử dụng phía đầu Biến tần để bù cho động có điện cảm thấp, điều thường khơng cần thiết hiệu suất hoạt động tốt công nghệ IGBT Bộ kháng điện chiều: Cuộn kháng DC gắn vào biến tần trước tụ điện phần đầu vào biến tần mạch mạch chỉnh lưu có lọc tụ điện cuộn dây Khi gắn cuộn kháng chiều cho biến tần giúp nguồn DC bus ổn định, lượng dự trữ lớn chống phần sụt áp nguồn đầu vào biến tần nuôi nguồn cho IGBT hoạt động với tải lớn 34 Ngoài ra, cuộn kháng chiều giảm nhiễu quay nguồn biến tần gây Cuộn kháng DC thường lắp đặt chỉnh lưu tụ điện Biến tần 7,5 kW trở lên Cuộn kháng DC nhỏ rẻ Cuộn kháng AC Hình 2.8 Hình ảnh thực tế cuộn kháng DC Reactor Điện trở hãm: Thông thường biến tần điều khiển động chạy, động dừng hãm lúc động chuyển thành máy phát có lượng lớn Nhất tải đứng tải dạng năng, lượng trả DC bus Thông thường biến tần điều khiển thời gian hãm motor hợp lý để không xảy tình trạng tải Nếu yêu cầu motor dừng gấp nguồn lượng phải tiêu thụ bớt Điện trở hãm giúp biến tần tiêu thụ nguồn lượng đó.Khi điện án DC bus tăng cao đến trị số định, biến tần kích dẫn transistor để điện áp DC bus qua điện trở hãm Điện trở biến đổi điện thành nhiệt Nếu khơng có điện trở, lần giảm tốc hay hãm, biến tần báo lỗi áp DC Bus Hình 2.9 Hình ảnh thực tế số điện trở xả 35 ... BỘ PHA 1 1 Khái niệm động không đồng pha 2 2 Cấu tạo máy điện không đồng pha 2.1 2.1 Stato 2.1.1 a Lõi thép 2.1.2 b Dây quấn 2.1 .3? ?c Vỏ máy 2.2 2.2 Roto 2.2.1 a Lõi thép 2.2.2 b Dây quấn 3? ?3 Nguyên... tính làm việc máy điện không đồng pha 5.1 5.1 Tốc độ quay n 5.2 5.2 Hiệu suất η 5 .3? ?5 .3 Hệ số công suất cosφ Khái niệm động không đồng pha Động KĐB pha Động KĐB pha loại máy điện xoay chiều, làm... tần số thay đổi đầu Theo tổng số pha: - Biến tần pha - Biến tần ba pha Trong chương trình cơng nghiệp, chủ yếu dùng biến tần tĩnh loại gián tiếp pha ba pha 2 .3 Nguyên lý hoạt động sơ đồ nguyên