CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.2.3 Nguyên lý hoạt động
Figure 3.2-1 Nguyên lý hoạt động của biến tần
Biến tần thay đổi điện áp hay tốc độ cho động cơ xoay chi u b ng cách chuyề ằ ển đổi dòng điện xoay chiều cung cấp 1 pha hoặc 3 pha thành dòng điện 1 chiều trung gian sử dụng c u chầ ỉnh lưu, sau đó điện áp 1 chiều này được cho qua các tụ điện để san phẳng, sau đó lại được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều cung cấp cho động cơ với giá trị tần số thay đổi. Công đoạn này hiện nay được th c hi n thông qua h ự ệ ệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ ộ r ng xung PWM.
3.2.4 Đấu nối thiết bị
Figure 3.2-2 Đấu nối động lực biến tần
Ký hiệu Tên Mô tả Mạch động lực R,S,T(L1, L2,L3) Ngõ vào cung cấp nguồn AC
Nối đến ngu n cung c p.Khi s d ng ồ ấ ử ụ nguồn AC m t pha, n i vào R(L1) và ộ ố S(L2).Khi s d ng b biử ụ ộ ến đổi hệ ố s công suất cao (FR-HC) ho c (FR-CV) thặ ì khơng c n nầ ối đến b t kấ ì đường nào. U, V, W Ngõ ra c a inverterủ Nối đến động cơ 3 pha rotor lồng sóc. P,PR(+,P) Kết nối điện trở hãm Hai ngõ này được sử dđiện tr hãm.ở ụng để ế k t nối đến
P, N (+ -)
Kết nối đến bộ ph n ậ
hãm
Hai ngõ này được kết nối đến bộ phận hãm và b biộ ến đổ ệ ối h s công suất lớn (FR-HC). P,P1(+,P1) Nhân tố cải thiện h s ệ ố công suất
Không kết nối tắt gi a P(+) và Pl, nữ ối cuộn dây DC c i thi n h s công suả ệ ệ ố ất vào.
Đất (Ground,
Earth)
Chân nối đất inverter. Phải luôn nối đất cho inverter. Mạch điều khiển (tín hệu vào) STF Khở ội đ ng động cơ quay thuận
Khởi động động cơ quay thuận khi ngõ ra STF-SD là ON.
STR Khở ộđộng cơ i đ ng quay ngược
Khởi động động cơ quay ngược khi ngõ ra STR-SD là ON.
RH, RM, RL
Chọn lựa đa tốc độ
Chọn lựa nhiề ốc độu t khi các ngõ RH, RM, RL với SD.
MRS Dừng ngõ ra
Khi nối tắt hai c c MRS và SD trong ự khoảng 20ms thì s ngẽ ắt tín hiệu ra của inverter.Tín hi u nệ ày được dùng đểngắt ngõ ra c a inverter khi dủ ừng động cơ bằng hãm từ.
RES Reset
Xóa trạng thái đang hoạt động khi cho mạch hoạt động b o v . Nả ệ ối t t 2 cắ ực RES-SD trong 0.1s (hoặc hơn) sau đó h ở mạch. H s ệ ố đặt ph i luả ôn reset.
SD vào chungTiếp điểm Nối với cthị. Tiếp điểác tiếp điểm ra có điệm vn ào và đồng h hi n áp ra 24V DC và ồ ể dòng 0,1A. PC Chân chung các transistor bên ngoài.
Khi nối với m t ngõ ra cộ ủa transistor (ngõ ra cực thu hở), như là PLC. Dùng nguồn vào khoảng 24 V DC, 0.1 A. 10 Nguồn cung cấp để định tần số nguồn 5V DC. Dòng t i 10mA.ả 2 Định tần số (dòng điện)
Khi ngõ vào từ 0-5V DC (hoặc từ 0-10V DC), tần số ra lớn nhất đạt đượ ạc t i 5V (hoặc 10V).Ngõ vào và ngõ ra có quan h ệ tỉ l . Có th ệ ể thay đổi mức điện áp 5V hay 10V b ng cằ ách sử ụng Pr.73. Điệ d n tr ở vào là 10KΩ. Điện áp vào có thể chịu đến 20V.
4
Thiết lập t n ầ số ịng (d
điện)
Tín hiệu vào t 4-20mA DC.T n sừ ầ ố ra lớn nhất t i ạ 20mA. B ộ inverter được điều chỉnh để tại 4mA cho ra tần số là 0Hz và 20mA cho t n s là 60Hz. Dịng tầ ổ ối đa có thể có th ểchịu được là 30mA.Điện tr ở vào khoảng 250Ω.
5
Ngõ vào chung để định tần số.
Chân chung cho tín hiệu điều ch nh t n s ỉ ầ ố (chân 1,2 ho c 4ặ ). Khơng được nối đất chân này.
A, B, C
Tín hiệu báo động
ngõ ra
Tiếp điểm báo mạch bảo vệ của inverter đã hoạt động và ngõ ra đã dừng. 200V AC 0.3A ho c 30V DC 0.3A. Khi bặ áo động thì nối m ch giạ ữa A-C và hở ạ m ch giữa B-C.
RUN đang hoạt Inverter động
Ngõ ra là m c th p L khi t n s ra cứ ấ ầ ố ủa inverter luôn hơn tần số bên ngoài. Ngõ ra là mức cao H khi dừng inverter ho c trong ặ suốt quá trình hãm DC.Tải có th cho ể phép chịu được là 24V DC 0.1A.
FU Dò tần số
Ngõ ra ở m c L khi t n sứ ầ ố ra cao hơn tần số định trước. Ngõ ra m c H khi t n s ở ứ ầ ố ra thấp hơn tần số định trước. Tải có th ể chịu được là 24V DC 0.1 A.
SE
Ngõ ra chung c c ự
thu hở Đây là ngõ ra cho các chân RUN và FU.
FM
Dùng cho đồng hồ
hiển thị
Chọn m t t n s t õ ra và t n s ngõ ra ộ ầ ố ừng ầ ố là tuy n tính.ế Điện áp ra là d ng xung, vạ ì thể có th kể ết nối một đồng h hi n th s . ồ ể ị ố Đặc điểm xung: 1440xung/giây t i 60Hz.ạ
3.2.5 Biến tần Mitsubishi FR-D700 3.2.5.1 Thông số k thuỹ ật
Figure 3.2-4 Biến tàn Mitsubishi FR-D700
- Dải công su t: 0.1 ấ – 15 Kw - Tần số ngõ ra: 0.2 đến 400 Hz
- Khả năng chịu quá t i: 150% trong 60s, 200% trong 0.5s ả - Ngõ vào analog: 2 cổng
- Tín hiệu ngõ vào analog: 0 10V, 0 – –5V, 4 20mA – - Ngõ vào digital: 5 cổng
- Tín hiệu ngõ vào digital: 24 VDC, điều khi n Run/Stop, Forward/Reverse, ể Multi Speed
- Ngõ ra digital: 5 c ng. Báo tr ng thái hoổ ạ ạt động c a bi n t n, báo l i, có th ủ ế ầ ỗ ể cài đặt các cổng theo từng ng d ng cứ ụ ụ thể
- Chế độ điều khiển: Forward/Reverse, Multi Speed, PID control, truy n thông ề - Chức năng bảo vệ động cơ khi quá tải, ng n mắ ạch khi đang hoạt động - Có chân k t nế ối điện trở thắng cho ng d ng c n d ng nhanh ứ ụ ầ ừ - Có thể g n thêm card m r ng I/O, card truy n thông ắ ở ộ ề - Tích hợp thêm cổng kết nối màn hình r i ờ
- Cấp độ bảo vệ: IP20
3.2.5.2 Chức năng các phím
Phím Chức năng
Dùng để thay đổi t n sốầ và tham s cài đố ặt.
Khởi động động cơ.
Chức năng ngừng: Nhấn phím này để ngừng motor và cùng lúc màn hình s nháy sáng lẽ ệnh điều khi n. ể
Chức năng reset: Khi có lỗi xảy ra nh n phấ ím STOP để khởi động lại inverter và lưu báo lỗi vào bộ nhớ.
Dùng đểthay đổi chức năng cài đặt.
Ghi lại một giá trị được thiết lậ ởp chế độ ài đặt. c
Thay đổi chế độ PU hoặc ch độ tín hiệu bên ngồi.ế
3.3 Tổng quan về bơm và ghép bơm
3.3.1 Khái niệm và phân loại bơm
3.3.1.1 Khái niệm
Bơm là loại thiết bị được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, dùng để vận chuy n ch t lể ấ ỏng chuyển động trong ống. Bơm là loại thi t b chính cung cế ị ấp năng lượng cho chất lỏng để thắng tr lở ực trong đường ống khi chuyển động, nâng chất lỏng lên độ cao nào đó, tạo lưu lượng trong thiết b công nghị ệ,… Năng lượng của bơm đượ ấy từ c l các nguồn động năng khác.
3.3.1.2 Phân loại
Theo nguyên lý hoạt động, bơm chất lỏng chia làm ba nhóm chính sau:
- Bơm thể tích: việc hút và đẩy chất lỏng ra khỏi bơm nhờ sự thay đổi thể tích của khơng gian làm việc trong bơm. Do đó thể tích và áp su t ch t l ng trong ấ ấ ỏ bơm sẽ thay đổi, cung cấp năng lượng cho chất lỏng.
Việc thay đổi thể tích trong bơm có thể do: Chuyển động tịnh tiến (bơm piston) Chuyển động quay (bơm roto)
- Bơm động lực: việc hút và đẩy chất lỏng ra khỏi bơm nhờ sự chuyển động quay trịn c a các ủ bơm, khi đó động năng của cánh qu t s truyạ ẽ ền vào chất lỏng tạo năng lượng cho dòng chảy.
Năng lượng của cánh quạt truy n vào ch t lỏng có th dưới dạng: ề ấ ể Lực ly tâm (bơm ly tâm)
Lực đẩy c a cánh quủ ạt (bơm hướng trục) Lực ma sát (bơm xốy lốc)
- Bơm khí động: việc hút và đẩy chất lỏng được thực hiện nhờ sự thay đổi áp suất của dịng khí chuyển động trong bơm và tạo năng lượng cho dịng ch y. ả
Bơm Ejector: việc thay đổi áp su t dịng khí s t o ra l c lôi cu n chấ ẽ ạ ự ố ất lỏng cùng dịng khí.
Thùng nén: t o áp su t trên b m t ch t l ng nh m t o cho ch t lạ ấ ề ặ ấ ỏ ằ ạ ấ ỏng có thế năng cần thiết để chuyển động.
3.3.2 Ghép bơm
3.3.2.1 Ghép bơm song song
Trong các trạm bơm câp nước cũng như thoát nước, khi yêu câu v n chuyên mậ ột lưu lượng nướ ớn người ta thườc l ng sử dụng nhiêu bơm cùng làm việc.
Các bơm khi làm việc cùng cấp nước vào một hệ thống đường ống gọi là làm việc song song. Vì thế khi các bơm làm việc song song trong hệ thống thì chúng có cột áp bằng nhau và b ng c t áp yêu c u c a hằ ộ ầ ủ ệ thống, còn lưu lượng c a hủ ệ thống s b ng tẽ ằ ổng lưu lượng của các bơm.
Trong th c t ự ế người ta có th ghép hai ho c nhiể ặ ều bơm làm việc song song trên cùng một hệ thống đường ống. Thậm chí có những trường hợp hai trạm làm việc song song trên một hệ thống đường ống. Để xác định điểm làm vi c c a tệ ủ ừng bơm phả ựng đường đặc i d tính tổng c ng c a chúng khi làm vi c song song. ộ ủ ệ
Figure 3.3-1 H ệthống hai bơm (cùng đặc tính) ghép song song
Hai bơm cùng đặc tính làm việc song song:
Trên Figure 3.3-1 gi i thiớ ệu hai bơm cùng đặc tính Q-H làm vi c song song trên ệ cùng đường ống.
Do khi làm vi c song song, c t áp tệ ộ ổng H,„ của h ệthống băng cột áp c a tủ ừng bơm: 𝐻𝑡𝑐 = 𝐻1 = 𝐻2 =𝐻3 =... = 𝐻𝑛 (1)
nên khi dựng đường đặc tính t ng c ng ch cổ ộ ỉ ần nhân đơi hồnh độ ( lưu lượng) còn tung độ (cột áp) giữ nguyên.
Figure 3.3-2 Đặc tính làm việc song song của hai bơm giống nhau
Ví dụ : tìm c trên đường đặc tính t ng c ng Q-ổ ộ 𝐻(1+2), ch vi c lỉ ệ ấy ac = 2ab. Tương tự như vậy s ẽ tìm được các điểm của đường đặc tính tổng cơng Q-𝐻(1+2).
Giao điểm giữa hai đường đặc tính đường ống DE và đường đặc tính tổng cộng Q- 𝐻(1+2)là điểm làm việc của hai bơm ghép song song, hoành độcho lưu lượng tổng cộng Q-𝐻(1+2), tung độ cho c t áp t ng c ng ộ ổ ộ 𝐻(1+2). Từ điểm 2 kẻ đường song song v i trớ ục hoành, đường này cắt đường đặc tính c a mủ ỗi bơm Q- 𝐻1,2 tại điểm 1 cho lưu lượng 𝑄1, cột áp 𝐻1 c a tủ ừng bơm khi làm việc song song trong h ệthống. Như vậy khi hai bơm làm việc song song trong hệ thống, chúng luôn tuân theo điều ki n (1) và (2). Tệ ừ đồ thị Figure 12 thấy :
𝐻(1+2)= 𝐻1= 𝐻2 𝑄1= 𝑄2=𝑄(1+2) 2
Từ điểm I k ẻ đường song song v i trớ ục tung được điểm 3 và 4 cho công su t và hiấ ệu suất của từng bơm khi làm việc song song trong hệ thống.
Giao điểm 5 của đường đặc tính từng bơm Q- 𝐻1,2 với đường đặc tính đường ng ố xác định điểm làm việc của từng bơm trong hệ ống cho lưu lượ th ng Q, cột áp H. Từ điểm 5 kẻ đường song song v i trớ ục tung được điểm 6 và 7 xác định công su t và hi u su t cấ ệ ấ ủa tưng bơm khi làm việc riêng rẽ.
Từ đồthị Figure 3.3-2 thấy:
2𝑄1= 𝑄(1+2)< 2𝑄
Tức là lưu lượng tổng cộng của hai bơm ghép song song trên một hệ thống đường ống nhỏ hơn tổng lưu lượng của chúng khi làm việc riêng rẽ trong hệ thống ấy. Nguyên nhân c a s giủ ự ảm lưu lượng này là do khi các bơm làm việc song song, lưu lượng trong đường ống tăng lên sẽ làm tăng tôn thất cột áp. Do đó cột áp tồn phần của bơm cũng tăng lên, điểm làm việc lùi về phía có cột áp lớn, vì thế lưu lượng của bơm khi làm việc song song bị giảm đi so với khi làm việc riêng rẽ.
Sự làm vi c song song c a hai ệ ủ bơm có lợi nhất trong trường hợp điểm làm việc 1 ứng với giá tr hi u su t l n nhị ệ ấ ớ ất. Điều đó có thê thực hiện được n u chế ọn bơm hợp lý. Khi chọn bơm, lấy lưu lượng của mỗi bơm bằng nửa lưu lượng tính tốn, cịn cột áp toàn phần xác định ứng với giá trị lưu lượng tính tốn.
3.3.2.2 Ghép bơm nối tiếp
Các bơm gọi là làm việc nối tiếp nêu sau khi ra khỏi bơm này, chấ ỏng được đưa t l tiếp vào ống hút của bơm kia, rồi sau đó mới được đưa vào hệ thông. Như vậy khi các bơm làm vi c n i tiệ ố ếp, lưu lượng c a chúng b ng nhau và bủ ằ ằng lưu lượng t ng c ng c a h ổ ộ ủ ệ thống:
𝑄1 = 𝑄2 =...=𝑄ℎ𝑡 còn cột áp của hệ thông băng tông cột áp của các bơm:
𝐻ℎ𝑡 =𝐻2 + 𝐻2+ 𝐻3+...
Các bơm làm việc nối tiếp được sử dụng khi hệ thống yêu cầu áp lực cao mà một bơm không đáp ứng được.
Figure 3.3-3 H ệthống 2 bơm (cùng đặc tính) ghép n i tiố ếp
Hệ thống 2 bơm (cùng đặc tính) ghép nối tiếp:
Trên Figure 3.3-4 gi i thiớ ệu đặc tính của hai bơm giống nhau làm vi c n i tiệ ố ếp. Đặc tính t ng c ng cổ ộ ủa hai bơm được d ng b ng cách: ng v i mự ằ ứ ớ ỗi điểm trên đường đặc tính của bơm, giữ ngun hồnh độ và nhân đơi tung độ. Ví dụ điểm c trên đường đặc tính t ng ổ cộng Q-𝐻(1+2) nhận được bằng cách lấy tung độ ac = 2ab, cịn hồnh độ giữ ngun. Đặc tính đường ng CE cố ắt đặc tính Q-𝐻(1+2) tại A xác định điểm làm vi c cệ ủa hai bơm trong hệ thống. T ừ đường đặc tính xác định được lưu lượng 𝑄(1+2) và cột áp 𝐻(1+2) của hai bơm làm việc nố ếp. Lưu lượi ti ng của mỗi bơm:
𝑄1= 𝑄2= 𝑄(1+2)
Và cột áp:
𝐻1= 𝐻2=𝐻(1+2) 2
Figure 3.3-4 Đặc tính làm việc của hai bơm ghép nối ti p ế
Figure 3.3-5 Đặc tính làm việc của hai bơm ghép nối ti p ế
Trên Figure 3.3-5 gi i thiớ ệu đặc tính của hai bơm giống nhau ghép n i ti p khi có ố ế . Cách dựng đường đặc tính t ng cổ ộng cũng giống như trường hợp trên. A là điểm
hệ thống y. Tấ ừ đồ thị thấy răng, trong trường hợp này khi ghép hai bơm làm việc nối tiếp khơng nh ng có khữ ả năng tăng cột áp mà cịn tăng cả lưu lượng của hệ thống.
3.4 Tổng quan bộ điều khiển PID
3.4.1 Tổng quan bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là b ộ điều khi n s ể ử dụng k ỹthuật điều khi n theo vịng l p có h i tiể ặ ồ ếp được s d ng r ng rãi trong các h ử ụ ộ ệthống điều khiển tự động. Một bộ điều khiển PID c g ng hi u ch nh sai l ch gi a tín hi u ngõ ra ố ắ ệ ỉ ệ ữ ệ và ngõ vào sau đó đưa ra một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp.
Hệ thống được thiết kế hồ ếp âm đơn vị có sơ đồi ti khối như sau:
Figure 3.4-1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vịng kín
Bộ điều khi n PID là mể ột cơ chế điều khi n l p h i tiể ặ ồ ếp được sử d ng r ng rãi trong ụ ộ hệ thống điều khiển công nghi p do d s d ng. M t b ệ ễ ử ụ ộ ộ điều khiển PID điều ch nh gi a giá ỉ ữ trị biến đo được và giá tr mong muị ốn đạt được b ng cách tính tốn và xu t ra m t "tín hiằ ấ ộ ệu