CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
4.1 Tìm hiểu về động cơ biến tần
4.1.1 Biến tần là gì
- Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được.
Hình 4.1: Một số biến tần
Nói cách khác:
- Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí. Biến tần sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự dòng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay động cơ.
- Có nhiều loại biến tần như: Biến tần AC, biến tần DC; biến tần 1 pha 220V, biến tần 3 pha 220V, biến tần 3 pha 380V, biến tần 3 pha 660V, biến tần trung thế... Bên cạnh các dòng biến tần đa năng, các hãng cũng sản xuất các dòng biến tần chuyên dụng: biến tần chuyên dùng cho bơm, quạt; biến tần chuyên dùng cho nâng hạ, cẩu trục; biến tần chuyên dùng cho thang máy; biến tần chuyên dùng cho hệ thống HVAC;...
Tại sao chúng ta cần phải sử dụng biến tần?
Trang 38
Hình 4.2: Công thức tính tốc độ động cơ điện xoay chiều
- Từ công thức trên, có thể thấy rằng để thay đổi được tốc độ của động cơ, người ta sử dụng 3 phương pháp:
• Thay đổi số cực của động cơ P • Thay đổi hệ số trượt s
• Thay đổi tần số f của điện áp đầu vào.
- Trong đó, 2 phương pháp đầu tiên rất khó thực hiện và cũng không mang lại hiệu quả cao. Chỉ còn phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ bằng cách thay đổi tần số của điện áp đầu vào là hiệu quả nhất. Biến tần là thiết bị được sử dụng để thay đổi tần số của nguồn điện cung cấp đặt lên động cơ, qua đó sẽ làm thay đổi tốc độ của động cơ.
4.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến tần.
❖ Cấu tạo
- Bên trong biến tần là các bộ phận có chức năng nhận điện áp đầu vào có tần số cố định để biến đổi thành điện áp có tần số thay đổi để điều khiển tốc độ động cơ. Các bộ phận chính của biến tần bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ lọc, bộ nghịch lưu IGBT, mạch điều khiển.
- Ngoài ra biến tần được tích hợp thêm một số bộ phận khác như: bộ điện kháng xoay chiều, bộ điện kháng 1 chiều, điện trở hãm (điện trở xả), bàn phím, màn hình hiển thị, module truyền thông,...
Trang 39
Hình 4.3: Sơ đồ mạch điện của biến tần
❖ Nguyên lý hoạt động của biến tần:
- Đầu tiên, nguồn điện 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Điện đầu vào có thể là 1 pha hoặc 3 pha, nhưng nó sẽ ở mức điện áp và tần số cố định (ví dụ 380V 50Hz)
- Điện áp 1 chiều ở trên sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Mới đầu, điện áp một chiều được tạo ra sẽ được lưu trữ trong giàn tụ điện. Tiếp theo, thông qua quá trình tự kích hoạt thích hợp, bộ biến đổi IGBT (viết tắt của tranzito lưỡng cực có cổng cách điện hoạt động giống như một công tắc bật và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của biến tần) sẽ tạo ra một điện áp xoay chiều 3 pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.
Hình 4.4: Biến đổi điện áp/tần số qua biến tần
- Hệ sống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ cùng tần số vô cấp tùy theo bộ điều khiển. Theo như lý thuyết, giữa tần số và điện áp sẽ có 1 quy luật nhất định tùy theo chế độ điều khiển. Đối với tải momen không đổi, tỉ số điện áp – tần số sẽ là không đổi. Nhưng với tải bơm và quạt, quy luật này sẽ là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính
Trang 40
momen là hàm bậc 2 của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/ quạt do thân momen cũng lại là hàm bậc 2 của điện áp.
- Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Vì thế, năng lượng tiêu thụ của nó xấp xỉ bằng với năng lượng yêu cầu của hệ thống. - Ngoài ra thì biến tần ngày nay tích hợp với nhiều kiểu điều khiển khác nhau, phù hợp với hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Hiện nay, biến tần có tích hợp cả bộ PID đồng thời thích hợp nhiều chuẩn truyền thông khác nhau. Phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.
4.1.3 Một số ứng dụng của động cơ biến tần.
Do ưu điểm vượt trội nên biến tần được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp và dân dụng, đặc biệt là trong công nghiệp. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến không thể thiếu biến tần: Bơm nước, quạt hút/đẩy, máy nén khí, băng tải, thiết bị nâng hạ, máy cán kéo, máy ép phun, máy cuốn/nhả, thang máy, hệ thống HVAC, máy trộn, máy quay ly tâm, cải thiện khả năng điều khiển của các hộp số, thay thế cho việc sử dụng cơ cấu điều khiển vô cấp truyền thống trong máy công tác,...
Hình 4.5: Ứng dụng biến tần cho quạt, bơm
- Trong hệ thống truyền thống, áp lực và lưu lượng bơm được điều khiển bởi: Động cơ nhiều tốc độ, van ra/vào hoặc hệ thống hồi lưu. Tất cả các phương pháp này đều hao phí năng lượng nhiều, gây sốc cơ khí, giảm tuổi thọ hệ thống và tăng tổn thất đường ống. -Việc sử dụng biến tần điều khiển động cơ cho phép điều khiển áp lực, lưu lượng theo yêu cầu cần thiết, khởi động mềm, tối ưu hóa hoạt động của động cơ, tiết kiệm điện năng lượng.
Trang 41
Hình 4.6: Ứng dụng biến tần cho máy khí nén
- Chế độ điều khiển cung cấp khí thông thường theo phương thức đóng/cắt. Chế độ này kiểm soát không khí đầu vào qua van cửa vào. Khi áp suất đạt đến giới hạn trên, van cửa vào đóng và máy nén sẽ đi vào trạng thái hoạt động không tải, khi áp suất đạt dưới hạn dưới, van cửa vào mở và máy nén sẽ đi vào trạng thái hoạt động có tải. Công suất định mức của motor được chọn theo nhu cầu lớn nhất và thông thường được thiết kế dư tải, dòng khởi động lớn, motor hoạt động là liên tục khi không tải làm tiêu tốn một lượng lớn điện năng.
- Chế độ điều khiển tốc độ quay motor bằng biến tần: lượng cung cấp khí chỉ cần đáp ứng đủ lượng khí tiêu dùng, hệ thống cung cấp khí có thể đạt được hiệu quả cao nhất và tiết kiệm điện.
Trang 42
Hình 4.7: Ứng dụng biến tần cho thiết bị nâng hạ
- Đối với cơ cấu nâng hạ thì biến tần cần phải có hai đặc điểm chính như sau: một là phải chọn loại biến tần có moment khởi động lớn bởi vì ở tần số thấp đối với những loại biến tần thường moment rất thấp nếu dùng cho cầu trục có thể gây hiện tượng trượt hay rớt tải, hai là biến tần phải được trang bị hệ thống xả hoặc hồi được tiếp về lưới, khi cơ cấu nâng hạ đưa tải lên cao, sau đó hạ xuống thấp lúc này động cơ đóng vai trò như máy phát làm tăng điện áp một chiều của biến tần nếu không có bộ xả hoặc bộ trả điện áp về lưới thì chắc chắn biến tần sẽ báo lỗi không hoạt động được.
Hình 4.8: Ứng dụng biến tần cho máy cán kéo
- Đối với các máy ép phun truyền thống sử dụng các bơm thủy lực cố định công suất thường tính ở điều kiện tải max, van điều chỉnh được sử dụng để thay đổi lưu lượng và áp suất tiêu thụ, một tỉ lệ lớn năng lượng bị tiêu hao qua van dưới dạng áp suất chênh lệch bởi dòng tràn. Vì vậy năng lương tiêu hao vô công rất lớn.
Trang 43
- Nếu hệ thống điều khiển với biến tần có thể tự động điều chỉnh tốc độ của động cơ bơm dầu theo yêu cầu tải thực tế (áp suất và lưu lượng) phù hợp với từng giai đoạn thì năng lượng tiêu thụ sẽ đạt mức thấp nhất.
4.1.4 Lợi ích khi sử dụng động cơ biến tần
• Thay đổi tốc độ và đảo chiều động cơ quay
Biến tần là một thiết bị có thể thay đổi động cơ nhanh chóng và dễ dàng do dòng khởi động của động cơ làm việc không quá 1.5 lần. Nếu được so sánh với dòng khởi động truyền thống thì biến tần này làm việc hiệu quả hơn. Cách thay đổi tốc độ của thiết bị này rất tốt, vì thế nó luôn mang tới những lợi ích tuyệt vời cho người sử dụng. Ngoài việc thay đổi tốc độ ra thì việc đảo chiều của động cơ cũng được biến tần thực hiện với thao tác nhanh qua việc kết nối cùng bộ nguồn cho dòng điện 1 chiều đi vào. Rồi sau đó thay đổi dòng điện đó thành dòng điện xoay chiều giúp cho người dùng thấy được những ưu điểm mà biến tần đem lại. Chính nhờ lợi ích này mà các doanh nghiệp đã đưa biến tần sử dụng trong ngành công nghiệp.
• Bảo vệ động cơ, giảm hao mòn cơ khí
Khi cho thiết bị biên tần giảm dòng khởi động làm cho thiết bị này từ quá trình khởi động cao sang quá trình khởi động thấp sẽ giúp cho các động cơ tránh được việc mang tải lớn. Đã vậy, nó còn giúp cho thiết bị tránh hư hỏng các phần cơ khí, các bộ phận bên trong, đồng thời giúp tăng cao tuổi thọ của động cơ. Thế nên, người dùng cần phải lưu
ý việc này để giảm dòng khởi động hợp lý, giúp cho việc bạn sử dụng biến tần được hiệu quả hơn trong công việc.
• Tiết kiệm năng lượng
Do biến tần có thể thay đổi tốc độ khởi động cho động cơ dễ dàng.Nên thiết bị có tính năng tiết kiệm năng lượng điện năng vô cùng tốt. Làm cho người dùng tránh được tiê tốn nhiều trong việc chi trả chi phí khi sử dụng thiết bị này. Khi cho thiết bị biến tần hoạt động theo tốc độ cụ thể và chính xác thì các tải không cần chạy hết công suất. Nhờ vậy mà tính tiết kiệm điện sẽ tăng từ 20 tới 30% so vơi việc bạn sử dụng hệ thống khởi động truyền thống.
• Bảo vệ an toàn hệ thống điện
Trang 44
Khi người dùng cho biến tần khởi động trực tiếp thì dòng khởi động sẽ thấp hơn gấp nhiều lần dòng định mức nếu sử dụng hệ thống khởi động truyền thống có thể làm cho dòng khởi động tăng cao hơn so với dòng định mức nhưng đưa biến tần vào thì hoạt động sẽ êm hơn. Đáp ứng được nhiều hơn cho nhu cầu lớn của người dùng. Không những thế, nói còn không làm cho chính biến bị sụt áp khi hoạt động cùng các thiết bị điện khác trên cùng hệ thống điện. Ngoài ra thì các tải trong máy bơm nước, máy nén khi hay quạt,… hay những ứng dụng khác cần phải điều khiển lưu lượng/ áp suất thì biến tần sẽ mau chóng ngừng động cơ và cho động cơ ở chế độ không tải. Nhờ đó mà nó vừa có thể vừa tiết kiệm được điện năng tiêu thụ cho người dùng mà nó còn vừa giúp bảo vệ được hệ thống điện một cách an toàn giúp người dùng thiết bị biến tần này được tốt nhất.
• Giám sát và điều khiển an toàn
Biến tần có khả năng giám sát tốt đồng thời làm cho hệ thống điện an toàn. Không những thế nó còn giúp cho các thiết bị điện khác làm việc song song với biến tần ổn định. Không những thế mà biến tần còn giúp cho quá trình sản xuất của những thiết bị doanh nghiệp tăng cao, đáp ứng được nhu cầu lớn từ chính tay người tiêu dùng nên với tính năng giám sát, nhờ tích hợp hệ thống điều khiển nên việc giám sát quy trình hoạt động của những thiết bị điện khác trong quá trình làm việc càng dễ dàng hơn.
Nhờ những lợi ích này mà người dùng có thể sử dụng hiểu quả biến tần này cho công việc của mình. Ngoài ra, còn dựa vào lợi ích đó mà cải thiện và điều chỉnh thiết bị biến tần tốt nhất giúp công việc của bạn đạt được kết quả đáng mong đợi hơn.
4.1.5 Cách chọn biến tần cho động cơ
• Dựa vào nguồn và công suất động cơ
Dựa vào nguồn của động cơ ta nên chọn biến tần có nguồn đầu ra phù hợp với nguồn cấp cho động cơ. Ví dụ: Đối với động cơ 3 pha sử dụng nguồn 380V ta có nên chọn biến tần có đầu ra 3 pha 380V ( đầu vào biến tần có thể 1 pha hoặc 3 pha ).
Dựa theo công suất động cơ: ta thường lấy công suất động cơ là mức minimum rồi nhân với hệ số an toàn cho phù hợp là được ( hệ số an toàn = 1.2 – 1.5). Ví dụ: Motor công suất 2.5kW ta nên chọn Biến tần tối thiểu 2.5 * 1.2 = 3kW. Do biến tần không có công suất 3kW nên ta chọn loại 3.7kW .
Trang 45
• Dựa vào loại tải
Máy biến tần tải nhẹ: Với các ứng dụng như bơm, quạt thì chúng ta chọn dòng máy biến tần tải nhẹ.
Máy biến tần tải trung bình: Dùng cho các loại máy ly tâm, máy công cụ, băng tải, bơm áp lực,... .
Máy biến tần tải nặng: Dùng cho các loại máy nén, cẩu trục, nâng hạ, máy ép,... • Dựa vào đặc điểm vận hành
Chế độ vận hành ngắn hạn: Chọn các biến tần để điều khiển động cơ tăng tốc, giảm tốc, đảo chiều quay liên tục, chạy, dừng,... đòi hỏi các biến tần có khả năng chịu được quá tải cao. Các bạn có thể lắp thêm điện trở xả để có thể bảo vệ được biến tần khỏi bị cháy. Chế độ vận hành dài hạn: Dành cho những động cơ thường đạt tốc độ ổn định trong thời gian tương đối dài sau khi đã khởi động, chẳng hạn như quạt, bơm, băng tải,...
• Cách chọn biến tần dựa vào các dòng biến tần chuyên dụng
Nhiều thương hiệu chế tạo các dòng biến tần chuyên dụng thường chỉ dùng cho 1 loại ứng dụng, chẳng hạn như quạt, máy làm nhang hay thang máy. Loại biến tần này có đặc điểm dễ thấy là được tối ưu cả về tính năng và giá thành so với việc chọn sử dụng các biến tần đa năng.
- Một số biến tần phổ biến hiện nay: • Biến tần INVT
• Biến tần Siemens
Trang 46
• Biến tần Danfoss
• Biến tần LS
Trang 47
• Biến tần ABB