Nguyên lí và quy luật điều chỉnh khi thay đổi tần số

n 1 =

p f₁

60

(1)

Ta thấy, tốc độ đồng bộ của động cơ không đồng bộ có thể thay đổi nếu ta thay đổi tần số lới điện f1. Do đó tốc độ của động cơ n= n1 ( 1- S ) (2), cũng thay đổi theo. Khi thay đổi tần số lới điện f1, nhận thấy nh sau: Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato, tức là xem r1 = 0 thì momen tới hạn cực đại là :

Trong đó : Mt = n x n U 55 , 9 2 3 1 2 1 (3) ω tốc độ góc đồng bộ

ω1 =2π_p^f1 (4) Xn = ω1Ln (5) Ln =L1 + L’ 2 Thay (4), (5) vào (3), ta đợc: M1=

( )

Biểu thức (7) cho ta thấy khi tăng tần số nguồn mà ta vẫn giữ nguyên U1 thì momen tới hạn cực đại M1 giảm rất nhiều. Do đó khi thay đổi tần số f1 thì đồng thời phải thay đổi U1 theo quy luật nhất định nhằm đảm bảo sự làm việc tơng ứng giữa mômen động cơ và mômen phụ tải. Nghĩa là tỉ số giữ mômen cực đại của động cơ và mômen phụ tải tĩnh với các đặc tính cơ là hằng số.

Λm = const M

M

c t =

Đặc tính cơ của bộ phận làm việc và quan hệ giữ tốc độ quay của mômen phụ tải nên trục quay.

Mc = f (n)

Theo biểu thức thực nghiệm mang tính chất tổng quát để mô tả dạng đặc tính cơ của bộ phận làm việc nh sau : Mc = Mco +(Mcđm - Mco) ( ^x dm n n ) (8) Trong đó

Mc mômen cản của bộ phận làm việc lên trục quay ở tốc độ n (Nm) Mco mômen cản của bộ phận làm việc lên trục quay khi n = 0

Mcđm mômen cản của bộ phận làm việc lên trục quay khi n = nđm

x là số mũ đặc trng mô tả dạng đặc tính cơ của bộ phận làm việc (cơ cấu sản xuất ) khác nhau, gồm 4 dạng nh sau :

- khi x = 0 ta có : Mc = Mcđm = const ( 8a)

Đây là đặc tính cơ đặc trng cho hệ thống nâng và luôn có giá trị nhất định (đờng 1 trên hình 6-1)

- khi x = 1, đặc tính có dạng : Mc = a + bn ( 8b )

Mc tỉ lệ bậc nhất với tốc độ. Đây là đặc tính dặc trng cho máy phát điện một chiều kích từ độc lập với phụ tải máy phát là một điện trở thuần ( đờng 2 hình 6-1).

- Khi x= -1, đặc tính có dạng : Mc = ( a+ b/n) (8c)

Momen tỉ lệ nghịch với tốc độ, đặc tính này đặc trng cho các máy cắt kim loại ( đờng 3 hình 6-1 ) .

Khi x =2 , đặc tính có dạng : Mc = a + bn2 ( 8d )

Momen tỉ lệ với bình phơng tốc độ, là đặc tính đặc trng cho máy nén, tàu thuỷ ... ( đ- ờng 4 hình 10 )

n

0

1

2

4

3

Mc

Nh vậy muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không bộ bằng cách thay đổi tần số ta phải có một bộ nguồn xoay chiều có thể điều chỉnh tần số điện áp một cách đồng thời theo quy luật sau :

- U1 / f1² = conts - U1² / f1 = conts

Nh vậy, dạng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi tần số theo quy luật điều chỉnh hình 11 Mc M Mc n 0 = const n n n 1.1 1c b 1.2 f f f 1.1 1.2 M 0 n = a+b/n c M 1.2 f 1ủm f 1.1 f n1.2 1.1 cb n n 1ủm 0 n1.2 1.1 1c b n n M n 1.2 f f ^f 1.1 1ủm

Hình 11: Các dạng đặc tính của động cơ không đồng bộ khi thay đổi tần số theo quy luật điều chỉnh U và f

II.Các bộ biến tần dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ

Để tạo ra các bộ biến tần có U và f thay đổi đợc, ngời ta có thể dùng các bộ biến tần với máy điện quay nh máy phát đồng bộ, máy phát không đồng bộ hoặc dùng bộ biến tần bán dẫn. So với các bộ biến tần bán dẫn, bộ biến tần máy phát điện quay có nhiều nhợc điểm và ngày càng ít dùng. Bởi vậy ta chỉ trình bầy các bộ biến tần bán dẫn. Các bộ biến tần bán dẫn gồm có : Bộ biến tần bán dẫn trực tiếp và bộ biến tần có khâu trung gian một chiều

II.1. Bộ biến tần trực tiếp dùng Thyristor

Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ biến tần dùng trực tiếp Thyristor có sơ đồ nguyên lí nh hình 12.

~ U

,f

N

T T

N

T

N

f

U

Hình 12: Sơ đồ nguyên lí của bộ biến tần trực tiếp dùng Thyristor

Bộ biến tần trực tiếp dùng Thyristor đổi trực tiếp nguồn xoay chiều ba pha U1,

f 1 bằng hằng số thành nguồn xoay chiều 3 pha có U2, f2 biến đổi. Bộ biến tần này gồm 18 Thyristor chia cho 3 pha, mỗi pha chia thành hai nhóm :

- Nhóm có catot nối chung lại gọi là nhóm thuận T, cung cấp phần điện áp dơng trên mỗi pha của động cơ.

- Nhóm có Anot nối chung gọi là nhóm nghịch cung cấp điện áp đầu ra cho nửa chu kì âm

ở mỗi pha có dùng hai cuộn kháng để làm giảm dòng điện cân bằng của các Thyristor khi chuyển mạch nhóm thuận và nhóm nghịch.

Nếu gọi tần số nguồn vào là f1, số pha điện áp đầu ra là m (m= 3), số đỉnh hình sin của sóng điện áp đầu vào trong nửa chu kỳ của điện áp đầu ra là n thì

f 2 =f1.

1 2n+m−

m

- Muốn thay đổi tần số f2 ta thay đổi số đỉnh hình sin của điện áp đầu vào trong nửa chu kỳ của điện áp đầu ra ( tức là thay đổi thời gian làm việc của Thyristor trong cùng một nhóm thuận hay nghịch so với chu kì sóng điện áp đầu vào ). - Muốn thay đổi trị số điện áp đầu ra của bộ biến tần là U2 ta thực hiện khống chế

thời gian kích xung lên các Thyristor so với thời điểm chuyển mạch nhiên. Tức là tạo ra một sóng điện áp đầu ra có trị số trung bình nhỏ hơn trị số trung bình của điện áp đầu ra khi chuyển mạch tự nhiên. Dạng sóng điện áp đầu ra của bộ biến tần ở hình 6-5

U

,U

U

U

_U

_U

( =0;n=3)

T

T

T

Hình 13 : Đồ thị điện áp 1 pha của bộ biến tần trực tiếp dùng Thyristor

II. 2. Bộ biến tần dùng Thyristor có khâu trung gian một chiều

Bộ biến tần có khâu trung gian một chiều là bộ biến tần đổi hai tầng. Nhóm chỉnh lu có chức năng biến đổi dòng điện xoăy chiều thành dòng điện một chiều. Sau khi qua bộ lọc, điện áp một chiều đợc nghịch lu thành điện áp xoăy chiều có tần số biến đổi . Nhóm nghịch lu ở đây làm việc độc lập với lới nghĩa là các van của chúng chuyển mạch cho nhau theo chế độ cỡng bức, ta gọi nghịch lu này là nghịch lu áp . Tần số đầu

ra đợc điều chỉnh nhờ thay đổi chu kỳ đóng cắt các van trong nhóm nghịch lu còn điện áp ra có thể điều chỉnh nhờ thay đổi góc thông của van trong nhóm chỉnh lu.

Sơ đồ nguyên lí của bộ biến tần có khâu trung gian một chiều hình 14

Hình 14: Sơ đồ nguyên lí bộ biến tần có bộ trung gian một chiều

Đây là sơ đồ nguyên lí của bộ biến tần có khâu trung gian một chiều dùng nghịch lu áp

Nhóm chỉnh lu gồm 6 Thyristor T7 : T12 làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều thành một chiều. Bộ lọc phẳng gồm kháng L0 và tụ C0 phần chính của của bộ nghịch lu là các Thyristor T1: T6 chunghs đợc mở theo thứ tự T1, T2 ,T3 , T4 , T6, T7 cách nhau 1/6 chu kì của áp ra.

Nh vậy : eKB U2,f2 ~ U1,f1 T10 T12 T8 C2 C6 C4 T8 T6 T4 D2 D6 D4 D8 D12 D10 Co D5 D3 D1 C5 C3 C1 T1 T3 T5 D11 D7 D9 T11 T9 T7 Lo L1 L2

Bằng cách thay đổi thời gian dẫn của các Thyristor ta thay đổi đợc điện áp tức là điều chỉnh đợc điện áp ra. Để chuyển mạch gĩa các van, ta dùng các tụ C1:C6.

Gỉa sử trong khoảng thời gian nào đó T1 ,T2 dẫn, tụ C1 đợc nạp từ nguồn hình 6-6 khi kích xung mở T3 tụ C1 phóng qua T1 và T3 tạo ra dòng khoá T1 làm T3 dẫn.

Các diode D1:D6 có tác dụng ngăn cách các tụ chuyển mạch với phụ tải, không cho áp trên tải không bị ảnh hởng bởi sự phóng nạp của tụ.

Các diode D7 :D1 tạo thành một cầu ngợc có tác dụng mở cho dòng phản kháng từ phía động cơ về tụ C0 , dòng điện này xuất hiện do sự chênh lệch pha giữa dòng và áp trên động cơ.

Các Thyristor của nghịch lu chuyển mạch theo tín hiệu điều khiển nên cực tĩnh điện áp trên mỗi pha stato thay đổi theo tần số điều khiển. Điện áp pha đa vào động cơ có dạng 6-7.

Hình 15 : Đồ thị điện áp pha trên đầu ra của biến tần có khâu trung gian một chiều.

U

III. ứng dụng trong công nghiệp .

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn đợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp với nhng u điểm nh : gọn nhẹ, dễ điều chỉnh.

Bộ biến tần dùng trực tiếp Thyristor đợc dùng trong công nghiệp nh điều chỉnh tốc độ trong truyền động chính của máy mài cao tốc, điều chỉnh tốc độ trong hệ hống truyền băng tải ...

Bộ biến tần dùng máy phát đồng bộ đợc ứng dụng khi cần điều chỉnh tốc độ đồng cho nhiều động cơ.

III.1. Yêu cầu : Gồm có

- Vẽ thiết kế mạch điều khiển ( Biến tần, mạch nối các núm ấn, bảng điều khiển ) - Vẽ sơ đồ mạch cấp khí nén

- Đa các thiết bị hàn + Thiết bị gồm : Máy hàn Đồ gá quay

+ Các linh kiện cần có cho bộ điều khiển đồ gá

- Do yêu cầu của điều khiển đồ gá là hoạt động theo kiểu phơng pháp hàn tự động dới lớp thuốc nên vị trí hàn đòi hỏi luôn ở vị trí hàn sấp . Ta thiết kế hệ thống điện cho đồ gá hoạt động.

- Do yêu cầu công nghệ của mối hàn cổ bình gas là mối hàn vòng có chiều quay thuận và quay nghịch nên ta dùng 2 cảm biến là cảm biến quay thuận và cảm biến quay nghịch.

- Dùng động cơ 4AA63B2Y3 là loại động cơ ba pha không đồng bộ có công suất 0,55 kw, chọn động cơ gắn liền với hộp giảm tốc , hộp giảm tốc có công suất là 0,4267 . Vì ậy chọn biến tần có công suất lớn hơn hoặc bằng động cơ , ta chọn biến tần có kí hiệu 3G3JV của hãng OMRON để điều chỉnh tốc độ cho động cơ.

- Để đống mở mạch cho phanh động cơ, đèn báo nguy hiểm và an toàn, dùng cảm biến.

Cung cấp điện cho động cơ vào 220V/ ra 24VDC.

III.2 Các thiết bị vào

A. Biến tần

Để thay đổi tốc độ của động cơ, đảo chiều quay của động cơ ta có thể dùng biến tần để điều khiển .Ta chọn biến tần phù hợp với động cơ, với động cơ ta chọn là loại có công suất 0,55kw nên ta cũng phải chọn biến tần có công suất lớn hơn hoặc bằng động cơ vì vậy ta chọn biến tần có kí hiệu 3G3JV của hãng OMRON.

Các chức năng thuận tiện sử dụng 3G3JV nh sau:

- Có các chức năng và tính hữu dụng của biến tần loại 3G3EV

- Dễ dàng thiết lập các thông số ban đầu và thao tác với các núm chỉnh FREQ ở mặt điều khiển trớc

- Dễ bảo trì, quạt làm mát có thể dễ dàng sửa chữa và thay thế tuổi thọ củ quạt có thể kéo dài bằng các chỉ bật lên khi biến tần hoạt động

Các đặc tính kỹ thuật của biến tần 3G3JV nh sau :

. Điện thế tiêu thụ 3pha 200 VAC 1 pha 200 VAC ( Thiếu ) Lắp đặt B. Máy hàn Chọn máy hàn.

ở đây ta chọn máy hàn Idealarc DC – 600 của hãng LINCOLN. Máy sử dụng dòng điện 1 chiều DC – 600 có những đặc tính đa dạng của 1 máy hàn. Sử dụng dòng điện 600A, nó đợc thiết kế với tính năng cao có thể vận hành 24giờ/ngày, 7 ngày/ tuần, với những đặc tính này DC- 600 trở thành một trong những máy hàn đa dạng, phù hợp với yêu cầu cho sự vận hành liên tục trong mọi ngành công nghiệp đòi hỏi sự bền

vững.Với u điểm vỏ ngoài chắc chắn vận hành điều chỉnh nguồn điện dễ dàng, chính xác, công tắc vận hành có đặc tính đa dạng với thiết kế tránh ẩm mốc, mài mòn do môi trờng…

Máy hàn Idealarc DC- 600

C.Cảm biến

Là các thiết bị đo các đại lợng (đối tợng điều khiển), vật lý (T0, P, V...) sau đó xử lý và đa ra tín hiệu điện ở đầu ra chuyển về bộ vi xử lý.

Qua phân tích bài toán: Để cơ cấu tịnh tiến chỉ hoạt động trên thanh ray trong một phạm vi cho phép, cần có hai cảm biến lắp trên hai đầu thanh ray để nhận biết khi cơ cấu khi đến vị trí này cảm biến đa tín hiệu vào bộ xử lý sau đó nó đa ra tín hiệu cho động cơ dừng lại. Muốn nhận biết đợc chiều quay của mâm cặp đồng thời phục vụ cho đếm số vòng quay của mâm cặp ta cần có hai cảm biến lắp tại vành mâm cặp.

+ Cảm biến dùng ở đây ta dùng là các công tắc hành trình (dạng của cảm biến tiếp xúc) nó sẽ chuyển mạch khi vật cần thăm dò tác động cơ học lên phần động của cảm biến, chuyển mạch là sự đóng mở công tắc điện cơ số lợng 2 chiếc đợc ký hiệu 1S32.5 và !S32.6. (phục vụ vho quá trình chuyển động quay).

+ Và loại cảm biến từ: của hãng HANYOUNG sản xuất. (là loại thờng mở, có ba dây). có thể chịu đợc điện áp từ 10 ữ 30 V, khoảng cách có thể nhận biết là 12,5 mm. Số lợng 2 chiếc (phục vụ cho quá trình chuyển động tịnh tiến).

Cảm biến từ

Khoảng cách nhận biết tốt nhất của cảm biến từ này là 70 % tức là 8,75 mm.

Brow (Red)

Blue (Black) LOAD

DC 12 ữ 24 V (DC 10 ữ 30 V)

Chú ý khi sử dụng không đợc xiết chặt các đai ốc quá chặt, nguồn, dòng điện không đợc biến đổi quá 10 %, dây không đợc chập chờn, khoảng cách cáp nối dài nhất là 200 m với tiết diện dây 0,3 mm2.

D. Nút ấn, đèn báo:

Ta sử dụng loại nút ấn do hãng SUNGHO sản xuất vơi mức điện áp có thể chịu đợc là 250 V và dòng là 5 A.

Cần có 1 nút Start (S32.0). 1 nút Stop (S32.1).

1nút dừng khẩn cấp (S33.6).

2 nút đảo chiều quay (S32.2 và S32.7).

Đèn báo là loại 24 V, 1 W, 4 mA do SUNGHO sản xuất.

E. Rơ le

Là một loại công tắcđóng mở phụ thuộc vào điện áp cung cấp cho cuộn dây tạo từ (điện áp một chiều).

Do hệ thống điều khiển thông qua PLC các tín hiệu ta đầu vào, ra của CPU chỉ sử dụng điện áp 24 V dạng 1 chiều, mà các động cơ nh: động cơ mâm cặp sử dụng điện áp 199 V dạng 1 chiều hay động cơ cho cơ câu tịnh tiến sử dụng điện áp 3 pha 220 V do vâỵ không thể đầu trực tiếp ra đợc dẫn đến cần có các rơle.

F. Các thiết bị khác

- Bộ cung cấp nguồn:

- Bảng mạch đảo chiều động cơ mâm cặp (A1) do hãng SIEMEN cung cấp . Có ký hiệu: 033 08 05 00. Số lợng: 1 bảng.

- Cầu chì: Loại 2A và 4A có kích thớc 5 x 20 mm. - Điốt (V1): Loại có ký hiệu: 1N4003. Số lợng: 1 con. - Điện trở (R1): 10 KΩ. Số lợng: 1 con.

- Công tắc chính (Q1): Là loại công tắc 3 pha 380 V, 5A. Số lợng: 1 Cái.

- Cầu đấu: X1 1ữ X1 50 và X2 1 ữ X2 6. và một số cầu đấu nối đất và cung cấp