22
Hình 2.17 Sơ đồ khối chức năng bộ điều khiển theo phương pháp VOC
Khối chuyển hệ tọa độ
* Khâu biến đổi α-β/k-γ:
Thực hiện xác định góc pha 𝜃 = 𝛾𝑈𝐿 giữa vector điện áp lưới 𝐮𝐋 và trục α của hệ
tọa độ cố định αβ. Với phương pháp VOC thì 𝐮𝐋 được chọn trùng với trục d của
hệ tọa độ quay dq , vì thế góc 𝛾𝑈𝐿 được xác định bằng vòng khóa pha PLL dùng để chuyển đổi đại lượng điện qua lại giữa hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ quay dq (𝛾𝑈𝐿 chính là góc quay của hệ tọa độ quay dq so với hệ tọa độ cố định αβ) :
{
𝑠𝑖𝑛𝛾𝑈𝐿 = 𝑢𝐿𝛽
√(𝑢𝐿𝛼)2+ (𝑢𝐿𝛽)2 𝑐𝑜𝑠𝛾𝑈𝐿 = 𝑢𝐿𝛼
√(𝑢𝐿𝛼)2+ (𝑢𝐿𝛽)2
* Khâu chuyển đổi tọa độ αβ/dq:
Thực hiện nhiệm vụ biến đổi dòng điện lưới từ hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq.
Công thức tính 𝑖𝐿𝑑, 𝑖𝐿𝑞trong hệ tọa độ dq từ 𝑖𝐿𝛼, 𝑖𝐿𝛽trong hệ tọa độ αβ là : [iiLd
Lq] = [−sinγcosγUL sinγUL
UL cosγUL] [
iLα iLβ]
* Khâu chuyển đổi tọa độ dq/αβ:
Thực hiện nhiệm vụ biến đổi vector điện áp tải quy đổi từ hệ tọa độ dq (𝑢𝑆𝑑, 𝑢𝑆𝑞) sang hệ tọa độ αβ (𝑢𝑆𝛼, 𝑢𝑆𝛽 ) là các tín hiệu đầu vào của khâu điều chế xung theo phương pháp SinPWM. Công thức chuyển đổi :
[uuLα
Lβ] = [cosγsinγUL −sinγUL
UL cosγUL ] [ uLd uLq] (2.31) (2.32) (2.33)
Khối điều chế xung SinPWM
Với các lượng đặt điện áp 𝑢𝐴∗, 𝑢𝐵∗, 𝑢𝐶∗ cho các pha được tính toán từ bộ điều khiển và phép chuyển tọa độ từ αβ sang abc , ta đưa vào so sánh với tín hiệu mẫu dạng xung tam giác tần số cao để tạo tín hiệu logic xung vuông điều khiển các cặp van đóng cắt tương ứng với 3 tín hiệu điều khiển van 𝑆𝑎, 𝑆𝑏, 𝑆𝑐 trong công thức (2.11) và các công thức liên quan.
Hình 2.18 Sơ đồ điều chế SinPWM
Bộ điều khiển dòng điện
Theo công thức (2.26) và (2.27) khi lựa chọn bộ điều khiển PI cho mạch vòng dòng điện ta có lượng đặt đầu ra bộ điều khiển :
𝑢𝑆𝑑 = −𝐾𝑝(𝑖𝐿𝑑∗− 𝑖𝐿𝑑) − 𝐾𝐼∫(𝑖𝐿𝑑∗− 𝑖𝐿𝑑)𝑑𝑡 + 𝑢𝐿𝑑 + 𝜔𝐿𝑖𝐿𝑞 𝑢𝑆𝑞 = −𝐾𝑝(𝑖𝐿𝑞∗− 𝑖𝐿𝑞) − 𝐾𝐼∫(𝑖𝐿𝑞∗− 𝑖𝐿𝑞)𝑑𝑡 + 𝑢𝐿𝑞 − 𝜔𝐿𝑖𝐿𝑑 Với : 𝐾𝑝, 𝐾𝐼 là thông số bộ điều khiển PI
𝜔 là tần số góc lưới điện ; L là điện kháng toàn mạch của bộ biến đổi 𝑖𝐿𝑑∗, 𝑖𝐿𝑞∗ là lượng đặt dòng điện lưới trên hệ tọa độ quay dq
𝑖𝐿𝑑, 𝑖𝐿𝑞 là dòng điện lưới trên hệ tọa độ quay dq 𝑢𝐿𝑑, 𝑢𝐿𝑞 là điện áp lưới trên hệ tọa độ quay dq
𝑢𝑆𝑑, 𝑢𝑆𝑞 là điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu tích cực trên hệ tọa độ quay dq Thay công thức (2.31) và (2.32) vào công thức (2.26) và (2.27), ta tìm được hàm truyền hệ kín mạch vòng dòng điện có dạng : 𝐺𝑘𝑖(𝑠) = 𝑖𝐿𝑑 𝑖𝐿𝑑∗ = 𝑖𝐿𝑞 𝑖𝐿𝑞∗ = 𝐾𝑝𝑠 + 𝐾𝐼 𝐿𝑠2+ (𝑅 + 𝐾𝑝)𝑠 + 𝐾𝐼
Xấp xỉ hàm truyền hệ kín ở trên về dạng hàm truyền khâu dao động bậc 2 có dạng :
𝐺𝑘𝑖(𝑠) ≈ 𝜔𝑛 2
𝑠2+ 2𝜀𝜔𝑛𝑠 + 𝜔𝑛2 Chọn 𝜀 = 1
√2 và điều chỉnh 𝜔𝑛 đến đáp ứng mong muốn , cân bằng hệ số tìm ra thông số 𝐾𝑝, 𝐾𝐼 của bộ điều khiển PI.
(2.34) (2.35)
24
Hình 2.19 Cấu trúc xen kênh mạch vòng dòng điện
Bộ điều khiển điện áp
Xét phương trình cân bằng năng lượng trên tụ C có : 𝐸𝐿 − 𝐸𝑙𝑜𝑎𝑑 =1
2𝐶𝑢𝑑𝑐 2
Với : 𝐸𝐿, 𝐸𝑙𝑜𝑎𝑑 là năng lượng ở trên lưới điện và năng lượng tiêu hao của phụ tải 𝑢𝑑𝑐 là điện áp một chiều tức thời 2 đầu tụ C
C là điện dung của tụ
Từ công thức (2.33) , ta có biến thiên năng lượng trên tụ chính là công suất trao đổi giữa lưới và tải :
1 2𝐶
𝑑𝑢𝑑𝑐2
𝑑𝑡 = 𝑃𝐿 − 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 Với : 𝑃𝐿 là công suất lưới điện ; 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 là công suất phụ tải Đặt W = udc2 có : 1 2𝐶 𝑑𝑊 𝑑𝑡 = 𝑃𝐿 − 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 Mặt khác : 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 = 𝑢𝑑𝑐2 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑= 𝑊 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑 ; 𝑃𝐿 =3
2𝐸𝑚𝑖𝐿𝑑 (𝐸𝑚 là biên độ điện áp pha lưới điện) 1 2𝐶𝑑𝑊 𝑑𝑡 =3 2𝐸𝑚𝑖𝐿𝑑 − 𝑊 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑 Ta có hàm truyền mạch vòng điện áp có dạng : G(s) = W iLd = 3Em 2 Rload + Cs
Với bộ điều khiển PI cho mạch vòng điện áp ta có hàm truyền hệ kín có dạng: ULq ULd ILd ILq USd (2.38) USq ILd∗ ILq∗ = 0 = (2.36) (2.37)
Gku(s) = A Tu 𝐾𝑝𝑠 + 𝐾𝐼 s2+ (1 + AKT p u ) s +AKT I u Trong đó : A = 3 2EmRload ; Tu = RloadC 2
Xấp xỉ hàm truyền hệ kín ở trên về dạng hàm truyền khâu dao động bậc 2 có dạng :
𝐺𝑘𝑢(𝑠) ≈ 𝜔𝑛 2
𝑠2+ 2𝜀𝜔𝑛𝑠 + 𝜔𝑛2 Chọn 𝜀 = 1
√2 và điều chỉnh 𝜔𝑛 đến đáp ứng mong muốn , cân bằng hệ số tìm ra thông số 𝐾𝑝, 𝐾𝐼 của bộ điều khiển PI.
26
CHƯƠNG 3. TÌM HIỂU HỆ BIẾN TẦN SINAMICS S120 3.1 Giới thiệu chung về Sinamics S120
Vấn đề tiết kiệm năng lượng nổi lên như một vấn đề cấp thiết, mang tính sống còn đối với mỗi doanh nghiệp, vì lý do đó mà một hệ truyền động biến tần 4Q với khả năng tái tạo điện năng đã và đang thể hiện tính ưu việt của nó so với các hệ truyền động khác. Hệ truyền động 4Q sẽ ngày càng trở nên phổ biến đặc biệt là với các ứng dụng tiêu tốn nhiều năng lượng. Với biến tần Seimens dù đã có nhiều dòng biến tần phổ biến trên thị trường như Simovert Masterdrives, Micromaster,… nhưng chúng dần bộc lộ các thiếu hụt về độ linh hoạt, tính chính xác cũng như không đáp ứng xu hướng tiết kiệm năng lượng của các ứng dụng trong các ngành sản xuất khác nhau.
Chính vì thế, hãng Seimens đã nghiên cứu và phát triển dòng sản phẩm Sinamics phục vụ các ứng dụng về truyền động hiện đại hơn tập trung vào ứng dụng trong nhà máy, Sinamics cung cấp giải pháp cho hầu hết các tác vụ truyền động trong các ứng dụng như :
- Ứng dụng máy bơm và quạt trong công nghiệp sản xuất
- Ứng dụng cho truyền động độc lập phức tạp : máy ép, máy đùn,thang máy,băng chuyền hoặc hệ thống vận chuyển.
- Ứng dụng truyền động theo quá trình sản xuất trong dệt may,sản xuất nhựa, sản xuất giấy hoặc là quá trình xay,nghiền,…
- Ứng dụng cho truyền động servo chất lượng cao trong các máy CNC , máy đóng gói , máy in ấn,…
Tùy thuộc vào ứng dụng mà ta có thể lựa chọn loại phiên bản khác nhau :
- Các dòng SINAMICS G được sản xuất cho các ứng dụng với động cơ không đồng bộ. Các ứng dụng có yêu cầu không cao liên quan đến quá trình hãm động cơ và độ chính xác trong điều khiển tốc độ.
- Các dòng SINAMICS S dùng để xử lý các tác vụ truyền động phức tạp cho động cơ đồng bộ/không đồng bộ với yêu cầu cao về quá trình hãm và độ chính xác. Đặc biệt, SINAMICS S cung cấp khả năng tích hợp chức năng công nghệ khác nhau trong hệ thống điều khiển truyền động.
Tiêu biểu dòng như SINAMICS S120 được dùng cho ứng dụng độ phức tạp cao, cấu trúc của hệ thống được thiết kế mang tính chuyên biệt cao, mỗi chức năng của hệ thống được chia nhỏ và sản xuất thành các dạng modul ghép nối tích hợp mà không tập trung hết trên một thiết bị như dòng biến tần trước kia.
Hình 3.1 Một số hệ thống Sinamics S120
Tính năng và đặc điểm của Sinamics S120
* Dải công suất ứng dụng rộng :
Hệ biến tần Sinamics S120 được sản xuất phục vụ một dải công suất rộng và tùy theo công suất mà được chia làm 3 loại kích cỡ: Booksize, Blocksize và Chassis size . Ở báo cáo này chúng ta tập chung tìm hiều về hệ thống biến tần S120 loại Booksize với công suất thiết bị 16kW.
* Tính linh hoạt cao :
Với thiết kế dạng modul, các bộ biến đổi chỉnh lưu và nghịch lưu được tách biệt với nhau tạo nên sự dễ dàng trong việc bố trí thiết bị trong nhà máy theo vị trí của các máy sản xuất. Ta có thể cấu hình các bộ chỉnh lưu Infeed dạng tập trung và phân tán các bộ nghịch lưu Drive đi kèm động cơ. Ngoài ra, việc điều khiển nhiều bộ chỉnh lưu, nghịch lưu được thực hiện chỉ bằng một khối điều khiển duy nhất mà vẫn có thể cài đặt riêng cho từng bộ cũng tạo nên độ linh hoạt cho vận hành hệ thống.
* Dễ dàng nâng cấp hoặc khắc phục sự cố :
Việc thay thế hay nâng cấp hệ thống cũng trở nên nên dễ dàng khi có bất cứ thay đổi liên quan nào đến máy móc hoặc sự cố trong từng dây chuyền sản xuất thì chỉ cần xác định modul bị lỗi và tiến hành thay thế ngay bộ thiết bị mới. Hệ thống sẽ nhận dạng thiết bị mới được thay thế và vận hành bình thường, nếu khối thay thế là khối điều khiển thì ta chỉ cần cắm lại thẻ nhớ flash của khối cũ để cài lại các cài đặt hệ thống cho khối điều khiển mới.
* Khả năng trao đổi năng lượng :
Một hệ biến tần Sinamics S có thể gồm nhiều bộ chỉnh lưu cấp nguồn cho nhiều bộ nghịch lưu kết nối động cơ nên trong hoạt động có thể phát sinh quá trình hãm động cơ sinh năng lượng dư thừa. Năng lượng dư thừa đó có thể thông qua bộ nghịch lưu được chuyển thành nguồn một chiều cấp bổ sung cho các bộ nghịch lưu nối động cơ đang làm việc ở chế độ động cơ , giảm bớt tiêu hao năng lượng được chỉnh lưu từ lưới. Trong một số trường hợp nếu năng lượng một chiều trả về quá nhiều thì modul bộ chỉnh lưu (Active Line Module) hỗ trợ cung
28 cấp ngược lại cho lưới điện, tăng độ hiệu quả sử dụng điện của hệ thống nên nhiều lần thay vì đốt bỏ trên điện trở xả như trước.
* Chế độ điều khiển động cơ đa dạng :
Với thiết kế cho ứng dụng điều khiển chất lượng cao nên dòng Sinamics S hỗ trợ người sử dụng cài đặt hầu hết các phương pháp điều khiển động cơ từ đơn giản như điều khiển vòng hở V/f đến phức tạp như điều khiển FOC , hoặc điều khiển đặc thù cho hệ truyền động servo động cơ đồng bộ/không đồng bộ. Một số lựa chọn đi kèm như điều khiển dùng sensor/sensorless, điều khiển tốc độ/momen, điều khiển tăng giảm tốc đường thẳng/đường S-shape,… cũng được tích hợp đầy đủ do người sử dụng lựa chọn để cài đặt.
* Cài đăt vận hành dễ dàng :
Mọi cài đặt hệ thống biến tần được thực hiện thông qua phần mềm chuyên dụng, có giao diện thân thiện, trực quan cho từng loại modul ở toàn dải công suất thiết bị từ đó tạo điều kiện thuận lợi và giảm chi phí đào tạo người vận hành hệ thống cho doanh nghiệp.
Cấu trúc tổng quát
Hệ thống điều khiển truyền động điện SINAMICS S120 hoàn chỉnh được cấu thành qua ghép nối nhiều khối chức năng với nhau tùy theo yêu cầu công nghệ, ta có tổng quan hệ thống như gồm :
Hình 3.2 Cấu trúc hệ thống Sinamics S120
* Bộ lọc và cuộn kháng (Line filter + Line reactor) :
Đây là khối chức năng bổ trở nên được lặp thêm vào nguồn cấp 3 pha trước khi cấp cho các modul chỉnh lưu đằng sau. Tác dụng mang lại là chống sự tăng trưởng điện áp và dòng điện đột ngột từ nguồn điện lưới ảnh hưởng trực tiếp đến các bộ biến đổi phía sau, tăng tuổi thọ cho thiết bị. Ngoài ra, bộ lọc còn giảm
thiểu sóng hài trong quá trình hoạt động của hệ thống ảnh hưởng ngược lại lưới điện; khi hệ thống có trả năng lượng về lưới thì cuộn kháng đóng vai trò như kho dự trữ năng lượng cần thiết cho bộ chỉnh lưu tích cực.
Tùy thuộc vào các loại modul chỉnh lưu khác nhau được sử dụng mà ta nên sử dụng kèm theo các loại bộ lọc kèm theo, hầu hết các modul chỉnh lưu loại Basic/Smart/Active Line Module đều được yêu cầu ghép nối với bộ cuộn kháng (Line reactor) và có thể lựa chọn bộ lọc loại “Basic Line Filter” hoặc “Wideband Line Filter”. Một lựa chọn nhanh gọn hơn là người dùng chọn mua các bộ thiết bị tích hợp sẵn cả bộ lọc và cuộn kháng (Active Interface Module) được hãng cung cấp để giảm thời gian lặp đặt riêng rẽ.
* Bộ chỉnh lưu (Line Module):
Các bộ Line Module đóng vai trò chỉnh lưu nguồn xoay chiều đầu vào thành nguồn điện DC đầu ra cấp cho các bộ nghịch lưu phía sau. Hãng Siemens cung cấp 3 loại modul chỉnh lưu :
- Bộ chỉnh lưu cơ bản (Basic Line Module) có cấu tạo là bộ chỉnh lưu cầu diode thông thường vẫn được dùng trong các loại biến tần tích hợp (chỉnh lưu và nghịch lưu trong cùng một thiết bị). Ứng dụng của bộ chỉnh lưu này cho chất lượng nguồn DC không cao so với 2 loại còn lại và không cung cấp khả năng trả năng lượng về lưới.
- Bộ chỉnh lưu thông minh (Smart Line Module) cung cấp khả năng trả năng lượng về lưới nhưng nguồn chỉnh lưu DC đầu ra không được điều khiển ổn định và có dạng dòng điện/điện áp như một bộ Basic Line Module dùng chỉnh lưu cầu diode.
- Bộ chỉnh lưu tích cực (Active Line Module) : Đây được coi là modul chỉnh lưu hoàn thiện nhất khi cung cấp khả năng ổn định điện áp DC đầu ra trước biến động điện áp lưới và cho phép ttao đổi năng lượng 2 chiều có điều khiển. Modul chỉnh lưu này là lựa chọn hàng đầu cho các yêu cầu truyền động phức tạp, chất lượng cao.
Các bộ chỉnh lưu dạng modul này hoàn toàn có thể sử dụng độc lập hoặc ghép nối với nhau để tạo nên nguồn DC Bus lớn, ổn định phục vụ cho bộ nghịch lưu kết nối động cơ.
* Bộ nghịch lưu (Motor Module):
Đây là các bộ nghịch lưu biến đổ nguồn DC của modul chỉnh lưu thành nguồn 3 pha đã điều chỉnh để vận hành động cơ. Modul này cho phép thực hiện cả chức năng điều khiển vòng hở và vòng kín tùy thuộc vào cài đặt người dùng. Có 2 loại chính :
- Khối nghịch lưu đơn (Single Motor Module) : Cho phép bộ nghịch lưu cấp nguồn vận hành một động cơ duy nhất trong chế độ điều khiển vòng kín.
- Khối nghịch lưu kép (Double Motor Module) : Cho phép đồng thời cấp nguồn vận hành 2 động cơ chạy trong chế độ điều khiển vòng kín.
30 Các modul nghịch lưu này có thể chạy độc lập hoặc ghép nối với nhau cho các ứng dụng yêu cầu truyền động đa trục.
* Bộ điều khiển (Control Unit):
Bộ điều khiển (Control Unit) được coi là bộ não của hệ thống Sinamics S120 với khả năng kết nối điều khiển thông qua kết nối truyền thông Driver-CliQ do Siemens phát triển. Kết nối này giúp khối CU giao tiếp với các modul chỉnh lưu và nghịch lưu , thực hiện điều khiển chính xác cho từng modul trong hệ thống đồng thời thu thập giữ liệu cho tính toán, giám sát hệ thống. Người dùng tiến hành cài đặt vận hành bằng phần mềm trên máy tính và kết nối với khối CU qua cồng LAN, Profibus và Profinet. Chương trình cài đặt được lưu lại trên thử nhớ gắn trên khối CU để dễ dàng cho việc thay thế và mở rộng.
* Các khối chức năng khác :
Để hoàn thiện hệ thống có các khối chức năng bổ trợ :
- Modul cảm biến (Sensor Module) : Với điều khiển vòng kín thì cần sử dụng các cảm biến tốc độ khác nhau với từng loại động cơ nhưng do hệ thống Sinamics S120 chỉ làm việc với các tín hiệu chuẩn hóa theo truyền thông Driver-CliQ nên các tín hiệu nhận từ cảm biến tốc độ sẽ thông qua Sensor Module để chuẩn hóa lại cung cấp tín hiệu phản hồi cho mạch vòng điều khiển.
- Modul kết nối vào ra (Terminal Module) : Để giao tiếp điều khiển từ khối CU với các tín hiệu điều khiển bên ngoài như nút ấn hay PLC thì cần các cổng kết nối vào ra tương ứng. Với các hệ thống cần quá nhiều đầu vào ra thì khối CU sẽ không cung cấp đủ mà sẽ cần các modul kết nối vào ra gắn thêm để hỗ trợ việc này.
- Bộ nguồn (Power Supply) : Cung cấp nguồn điện áp hoạt động 24V cho các bảng mạch điều khiển cho toàn bộ hệ thống để chạy các tác vụ về điều