Thời gian gần đây một số trạm bơm đ−ợc đầu t− đồng bộ bằng thiết bị nhập ngoại, các máy bơm đ−ợc trang bị thiết bị khởi động mềm rất −u việt. Các thiết bị loại này ngoài chức năng khởi động mềm còn có chức năng điều khiển tối −u công suất làm việc của động cơ, dừng mềm động cơ. Đó là những vấn đề rất cần thiết đối với những máy bơm công suất lớn có hệ thống động học dài và nặng. Ngoài tính năng khởi động, điều khiển và dừng mềm nó còn có rất nhiều các tính năng về xử lý tín hiệu bảo vệ, an toàn cho hệ thống truyền động của bơm ở mức độ cao.
Hiện nay trên thế giới rất nhiều hãng sản xuất chế tạo thiết bị khởi động và kèm theo các chức năng khác phục vụ hoạt động của động cơ điện 3 pha mang lợi ích kinh tế lớn. VD: Thiết bị khởi động và điều khiển động cơ của MOTOROLA (Mỹ), SIEMEN (Đức), SOMA, CONTROL TECHNIQUES, FAIRFORD (Anh), TOSHIBA, MITSUMITSI (Nhật), LG (Hàn Quốc)… Mỗi loại thiết bị đều có đặc tr−ng riêng phụ thuộc vào lĩnh vực công nghệ khác nhau. Vì vậy, việc lựa chọn phải phù hợp với từng loại thiết bị công nghệ. ở n−ớc ta ch−a thể chế tạo và sản xuất đ−ợc phần mềm của thiết bị này chủ yếu vẫn là nhập khẩu đồng bộ. Qua thời gian nghiên cứu hợp tác với các Công ty điện tử trong n−ớc, nhờ có linh kiện và các cụm linh kiện, chúng ta đã lựa chọn lắp ráp thiết bị khởi động điều khiển động cơ theo nguyên lý của hãng CONTROL TECHNIQUES – FAIRFORD loại SFE- 370. [20]
3.3.2.1. Sơ đồ khối thiết bị loại SFE- 370
Thiết bị khởi động, điều khiển và dừng động cơ bằng việc điều khiển điện áp và dòng điện nhờ hệ thống máy tính điều khiển là thiết bị thông minh. Đó là thành quả nghiên cứu của các nhà khoa học thế giới về lĩnh vực điều khiển số đã và đang đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp cũng nh− nông nghiệp trên thế giới bởi tính −u việt và hiệu quả kinh tế cao.
Nhờ sử dụng nguyên tắc này, nối 2 Thyristor song song ng−ợc vào mỗi pha của động cơ, thiết bị có thể điều chỉnh liên tục điện áp đầu vào của động cơ sẽ bắt đầu từ giá trị t−ơng đối thấp và đ−ợc tăng dần đến điện áp định mức. Do Mômen của động cơ tỷ lệ với bình ph−ơng của điện áp lên Mômen khởi động cũng tăng từng b−ớc nhỏ đảm bảo sự khởi động 1 cách êm ái cho động cơ cũng nh− cho phụ tải. Khi dừng động cơ quá trình này lại đ−ợc thực hiện t−ơng tự nh−ng theo quy luật ng−ợc lại.
Sơ đồ cấu trúc của thiết bị có dạng nh− Hình 3.15
1- Bộ tạo hàm điều khiển; 2 – Bộ so sánh ; 3- Bộ phát xung
5 MB Uđk Uđf Nguồn 1 2 3 4
Hình 3.15- Cấu trúc bộ điều áp xoay chiều dùng Thyristor
ở
4-Thiết bị đồng pha; 5- khối mạch lực
3.3.2.2. Nguyên lý thiết bị
Trên cơ sở nguyên lý bộ điều khiển điện áp xoay chiều 3 pha dùng Thyristo, sử dụng một phần mềm máy tính chuyên dùng để điều khiển, phần mềm máy tính luôn giám sát theo dõi biến động của tải và cung cấp nguồn năng l−ợng vừa đủ cho động cơ hoạt động. Với nguyên lý này thiết bị có khả năng khởi động mềm, dừng máy mềm. Thiết bị SFE có khả năng làm việc với các kiểu sơ đồ nối mạch: nối tiếp mạch với động cơ và làm việc liên tục dài hạn; mắc song song với động cơ, làm việc ở chế độ khởi động và dừng; mắc
theo mạch đảo chiều quay và chỉ thực hiện chức năng khởi động mềm; thiết bị còn có khả năng khởi động đ−ợc cho nhiều động cơ
Căn cứ vào các yêu cầu nâng cao chất l−ợng và hiệu quả hệ thống TĐĐ máy bơm ta sử dụng sơ đồ mạch nối tiếp động cơ Hình 3.16 [20]
Sơ đồ chỉ dùng 1 công tắc tơ K1. Máy SFE đ−ợc mắc nối tiếp với mô tơ máy làm việc liên tục đảm nhiệm chức năng khởi động mềm, điều khiển tối −u công suất và dừng mềm, chức năng bảo vệ.
a. Hệ thống mạch điều khiển.
Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển nh− hình 3.17
Tín hiệu chạy dừng Đặt tốc độ
L−u giữ
Các cửa vào logic Bộ vi xử lý và vi ngoại
Đồng hồ Bộ vi xử lý Bộ Phân kênh của bus Bộ giải mã địa chỉ Bộ đếm sai phần mạch và khởi đầu Bộ nhớ ch−ơngtrình Bộ đếm Đo đạc Điện áp Dòng điện
Các cửa vào t−ơng tự Bộ dồn kênh
t−ơng tự
t−ơng tự / SốBiến đổi
Bộ xử lý tín hiệu đặt tốc độ
Điều khiển các THYRISTO
công suất
Hiển thị thông báo
An toàn Đặt tốc độ
Hình 3.17- Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển.
Các ch−ơng trình phần mềm cho phép tối −u hoá điều khiển và thay đổi các tính năng mong muốn nh− điều khiển mô men hoặc từ thông thay đổi. Có thể thực hiện điều khiển lôgíc phức tạp. Nhờ có điều khiển số ta có thể đo l−ờng và xử lý tín hiệu, đánh giá các đại l−ợng bên trong hệ thống, bảo trì và phát hiện sự cố.
* Phần cứng: Chọn bộ vi xử lý có bít máy, tốc độ, dung l−ợng bộ nhớ, số giao diện vào ra thích hợp cho nhiệm vụ điều khiển
* Phần mềm: Xác định chu kỳ lấy mẫu và lập trình cho mạch điều khiển số. Dự tính các chức năng bảo vệ, an toàn lao động và các chức năng mở máy hãm động.
b. Các cụm linh kiện của thiết bị:
Thyristo ký hiệu TF 91514 (Z) có các thông số kỹ thuật sau: Các thông số kỹ thuật của Thyristo TF 91514 (Z) Iahd (A) Iatb (A) Ung (Max) ∆Ua (V) IGT (mA) dta dI ) s (A/à dt dUa ) s (V/à TK (V/ms) 1560 955 1400 1.75 200 800 300 30
c. Bộ vi điều khiển vi xử lý tín hiệu:
*Các thông số kỹ thuật của bộ Vi xử lý Intel 16 bít – ký hiệu 80286 nh− sau:
Fclk: 20Mhz
MIPS (triệu lệnh /S): 1.2
Số transitor: 134.000
Bus dữ liệu : 16 bít
Dung l−ợng địa chỉ: 16MB
Số chân: 68
Chế độ bộ nhớ ảo: Có
Bộ quản lý bộ nhớ bên trong: Có Đồng xử lý toán học: 80.287 * Bộ vi điều khiển thông dụng
Ký hiệu: 68 HC11A
Version không có ROM: 68 HC11AO
Version có EPROM: 68 HC11A8
ROM: 8 KB RAM: 256 Byte Số cổng vào ra: 8 * Cổng giao tiếp RS232C: Tốc độ truyền tín hiệu: 20KB/S Điện áp ra hở mạch: + 3V đến + 25V Điện áp ra có tải: ± 5V đến ± 15V; (3 ữ 7)KΩ Tốc độ quét (dV/dt): 30 V/àS Trở kháng vào : (3 ữ 7) KΩ 2500 PF Điện áp nguồn: - 25V ữ 25V
* Ch−ơng trình phần mềm khởi động và dừng động cơ: 68HC11 * Sơ đồ khối cụm thiết bị, các cổng vào ra của thiết bị: phụ lục 1
3.3.2.3. Đặc điểm làm việc của thiết bị
a) Các thông số ở chế độ khởi động
Dòng khởi động có thể điều chỉnh đ−ợc trong phạm vi từ (100%- 550%)Iđm của động cơ .
Khởi động có thể thực hiện theo 2 ph−ơng thức là khởi động với dòng không đổi và khởi động với dòng tăng dần theo luật thiết lập tr−ớc
Điện áp định mức 380V.
Thời gian khởi động 0ữ60giây. Sô máy khởi động 01ữ02 máy.
b) Các thông số ở chế độ dừng:
Thời gian dừng mềm trong giới hạn từ (0ữ100) giây.
Quy luật giảm điện áp trong quá trình dừng đ−ợc sử lý phụ thuộc vào thời gian đặt.
Thiết bị khởi động mềm và thiết bị điều khiển bảo vệ là các thiết bị điều
khiển siêu nhỏ dựa trên cơ sở khởi động mềm kết hợp với công nghệ tiên tiến,
đ−ợc thiết kế với các đặc điểm khác nhau nhằm bảo vệ hệ thống TĐĐ cho các
loại máy bơm với các cỡ công suất bằng và lớn hơn 75kW
c) Tính năng tiết kiệm điện năng cho động cơ điện
Bản thân động cơ không thể thay đổi đ−ợc năng l−ợng cung cấp đầu vào (kể cả dòng điện và điện áp). Nhờ có 1 phần mềm cài đặt trong Microcomputer, thiết bị có thể xác định mức tải của động cơ ở mọi điểm cần thiết và điều chỉnh điện áp phù hợp với mức tải đó thông qua các mạch Thyristor. Nhờ vậy thiết bị có thể tiết kiệm đ−ợc năng l−ợng phù hợp và các tổn thất phụ tải, đồng thời nâng cao hệ số công suất (cosϕ) khi động cơ làm việc ở chế tải thấp. Đây chính là vấn đề cốt lõi của quá trình tiết kiệm điện năng.Thiết bị thông minh này theo dõi mọi yêu cầu đặc tr−ng của mỗi động cơ. Nhờ có thiết bị cung cấp điện năng đủ cần thiết kịp thời (1/100s) cho
động cơ ở các mức tải khác nhau lên động cơ luôn luôn ở mức “ đủ tải lý t−ởng ”và nhờ đó động cơ đạt hiệu suất cao trong thời gian vận hành.
Một −u điểm đặc biệt của việc sử dụng bộ khởi động tối −u hoá làm giảm nhẹ yêu cầu bảo d−ỡng thiết bị cơ điện đi liền với nó. Tối −u hoá làm giảm nhiệt độ bề mặt của mô tơ bằng cách giảm hao tổn trong máy, kéo dài tuổi thọ của mô tơ, giảm nhiệt độ không khí xung quanh trong quá trình làm việc giảm dòng điện, giảm hao tổn cáp, các hệ thống áptômát, công tắc không phải đóng mở ở chế độ dòng điện lớn mà nó đ−ợc thực hiện bởi các Thyristor vì vậy ít bị h− hỏng sửa chữa và thay thế.
Qua các phân tích và đánh giá ở trên có thể rút ra một số kết luận sau: 1) Do lịch sử xây dựng các trạm bơm, do mức độ trang bị và trình độ kỹ thuật của từng thời kỳ. Các thiết bị khởi động các máy bơm hiện nay có tới gần 85% số máy đang phải làm việc với những thiết bị khởi động chất l−ợng thấp, gây ảnh h−ởng rất lớn tới chất l−ợng điện năng của l−ới điện, tuổi thọ của các thiết bị trong hệ thống TĐĐ và hiệu quả sử dụng điện.
2) Các bộ khởi động bằng MBA tự ngẫu, bằng cuộn kháng nối tiếp, mặc dù đã hạn chế đ−ợc phần nào dòng điện khi khởi động nh−ng chất l−ợng khởi động vẫn ch−a đáp ứng đ−ợc nh− mong muốn, hệ số dòng điện cực đại tại thời điểm khởi động vẫn còn cao (3,2 – 4)Iđm của động cơ, hiện t−ợng “Giật” của bơm tại thời điểm bắt đầu khởi động còn mạnh.
3) Bộ khởi động bằng Thyristo có khả năng điều khiển tối −u công suất và điện áp cung cấp cho động cơ trong qúa trình khởi động, có thể giảm dòng cực đại xuống thấp nhất cũng nh− có thể hạn chế tối đa các xung lực xảy ra không mong muốn trong hệ thống truyền động khi khởi động, nh−ng vẫn còn nhiều tồn tại, ch−a mang lại hiệu quả nh− mong muốn.
4) Trên cơ sở nguyên lý làm việc của bộ khởi động Thyristo, khai thác khả năng của thiết bị để điều khiển tối −u công suất trong chế độ làm việc,
đồng thời hạn chế những tác hại khi dừng máy bơm là những yêu cầu thực tế khách quan của các hệ thống TĐĐ máy bơm hiện đại.
5) Chọn ph−ơng pháp điều khiển, phân tích ph−ơng trình chuyển động của hệ trong chế độ khởi động và dừng, các đặc tính cơ khi điều khiển điện áp, từ đó xác định quy luật điều khiển phù hợp là cơ sở cho việc nghiên cứu nâng cao chất l−ợng hệ thống TĐĐ máy bơm.
3.4. Ph−ơng pháp khởi động, điều khiển và dừng bơm
