Đồ án Nghiên cứu ứng dụng biến tần ACS355 của hãng ABB dùng cho khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ dị bộ ba pha lồng sóc

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu ứng dụng biến tần ACS355 của hãng ABB dùng cho khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ dị bộ ba pha lồng sóc

1. LỜI NÓI ĐẦU Trong các ngành công nghiệp, động cơ điện không đồng bộ đƣợc sử dụng phổ biến bởi tính chất đơn giản và tin cậy trong thiết kế chế tạo và sử dụng. Tuy nhiên khi sử dụng động cơ không đồng bộ trong sản xuất đặc biệt với các động cơ có công suất lớn ta cần chú ý tới quá trình khởi động động cơ do khi khởi động rô to ở trạng thái ngắn mạch, dẫn đến dòng điện khởi động và mômen khởi động lớn, nếu không có biện pháp khởi động thích hợp có thể không khởi động đƣợc động cơ hoặc gây nguy hiểm cho các thiết bị khác trong hệ thống điện. Vấn đề khởi động động cơ điện không đồng bộ đã đƣợc nghiên cứu từ lâu với các biện pháp khá hoàn thiện để giảm dòng điện và mômen khởi động. Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đƣợc giao nhiệm vụ và nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ứng dụng biến tần ACS355 của hãng ABB dùng cho khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ dị bộ ba pha lồng sóc” do cô giáo Thạc Sĩ Đỗ Thị Hồng Lý và Kỹ Sƣ Đinh Thế Nam hƣớng dẫn thực hiện. Bản đồ án tốt nghiệp này bao gồm ba chƣơng: Chƣơng 1: Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha và các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ. Chƣơng 2 : Giới thiệu chung về biến tần. Chƣơng 3 : Thi công kết nối biến tần ABB ACS355 với động cơ dị bộ ba pha lồng sóc. 1
2. CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ DỊ BỘ BA PHA VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG Loại máy điện quay đơn giản nhất là loại máy điện không đồng bộ (dị bộ). Máy điện dị bộ có thể là loại một pha, hai pha hoặc ba pha. Căn cứ vào cách thực hiện rô to, ngƣời ta phân biệt hai loại: loại rô to ngắn mạch và loại rô to dây quấn. Cuộn dây rô to dây quấn là cuộn dây cách điện, thực hiện theo nguyên lý của cuộn dây dòng xoay chiều. Cuộn dây rô to ngắn mạch gồm một lồng bằng nhôm đặt trong các rãnh của mạch từ rô to, cuộn dây ngắn mạch là cuộn dây nhiều pha có số pha bằng số rãnh. 1.2. CẤU TẠO Máy điện quay nói chung và máy điện không đồng bộ nói riêng gồm hai phần cơ bản: phần quay (rô to) và phần tĩnh (stato). Giữa phần tĩnh và phần quay là khe hở không khí. a Stato b Rôto Cuộn dây stato Hình 1.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ 1.2.1. Cấu tạo của stato Stato gồm 2 phần cơ bản: mạch từ và mạch điện. 2
3. 1.2.1.1. Mạch từ: Mạch từ của stato đƣợc ghép bằng các lá thép điện có chiều dày khoảng (0,3-0,5) mm, đƣợc cách điện hai mặt để chống dòng Fuco. Lá thép stato có dạng hình vành khăn, phía trong đƣợc đục các rãnh. Để giảm dao động từ thông, số rãnh stato và rô to không đƣợc bằng nhau. Mạch từ đƣợc đặt trong vỏ máy.Ở những máy có công suất lớn, lõi thép đƣợc chia thành từng phần đƣợc ghép lại với nhau thành hình trụ bằng các lá thép nhằm tăng khả năng làm mát của mạch từ. Vỏ máy đƣợc làm bằng gang đúc hay gang thép, trên vỏ máy có đúc các gân tản nhiệt để tăng diện tích tản nhiệt. Tùy theo yêu cầu mà vỏ máy có đế gắn vào bệ máy hay nền nhà hoặc vị trí làm việc. Trên đỉnh có móc để giúp di chuyển thuận tiện. Ngoài vỏ máy còn có nắp máy, trên lắp máy có giá đỡ ổ bi. Trên vỏ máy gắn hộp đấu dây. 1.2.1.2. Mạch điện: Mạch điện là cuộn dây máy điện. 1.2.2. Cấu tạo của rô to 1.2.2.1. Mạch từ: Giống nhƣ mạch từ stato, mạch từ rô to cũng gồm các lá thép điện kỹ thuật cách điện đối với nhau. Rãnh của rô to có thể song song với trục hoặc nghiêng đi một góc nhất định nhằm giảm dao động từ thông và loại trừ một số sóng bậc cao. Các lá thép điện kỹ thuật đƣợc gắn với nhau thành hình trụ, ở tâm lá thép mạch từ đƣợc đục lỗ để xuyên trục, rô to gắn trên trục. Ở những máy có công suất lớn rô to còn đƣợc đục các rãnh thông gió dọc thân rô to. 1.2.2.2. Mạch điện: Mạch điện rô to đƣợc chia thành hai loại: loại rô to lồng sóc và loại rô to dây quấn. Loại rô to lồng sóc (ngắn mạch): Mạch điện của loại rô to này đƣợc làm bằng nhôm hoặc đồng thau. Nếu làm bằng nhôm thì đƣợc đúc trực tiếp và rãnh rô to, hai đầu đƣợc đúc hai 3
4. vòng ngắn mạch, cuộn dây hoàn toàn ngắn mạch, chính vì vậy gọi là rô to ngắn mạch. Nếu làm bằng đồng thì đƣợc làm thành các thanh dẫn và đặt vào trong rãnh, hai đầu đƣợc gắn với nhau bằng hai vòng ngắn mạch cùng kim loại. Bằng cách đó hình thành cho ta một cái lồng chính vì vậy loại rô to này có tên rô to lồng sóc. Loại rô to ngắn mạch không phải thực hiện cách điện giữa dây dẫn và lõi thép. Loại rô to dây quấn: Mạch điện của loại rô to này thƣờng đƣợc làm bằng đồng và phải cách điện với mạch từ. Cách thực hiện cuộn dây này giống nhƣ thực hiện cuộn dây máy điện xoay chiều đã trình bày ở phần trƣớc. Cuộn dây rôto dây quấn có số cặp cực và pha cố định. Với máy điện ba pha, thì ba đầu cuối đƣợc nối với nhau ở trong máy điện, ba đầu còn lại đƣợc dẫn ra ngoài và gắn vào ba vành trƣợt đặt trên trục rôto, đó là tiếp điểm nối với mạch ngoài. 1.2.3. Nguyên lý hoạt động Động cơ làm việc dựa vào định luật về luật điện từ F tác dụng lên thanh dẫn có chiều dài l khi nó có dòng điện I và nằm trong từ trƣờng có từ cảm B. Chiều và độ lớn của lực F đƣợc xác định theo tích véc tơ F=i.l.B. Đó chính là định luật cơ bản của động cơ biến đổi điện năng thành cơ năng. Khi động cơ đƣợc cấp điện, dòng điện trong dây quấn stato sinh ra 60 f trong lõi sắt stato một từ trƣờng quay với tốc độ đồng bộ n 1 1 p (1-1) (f1 là tần số dòng điện lƣới đƣa vào, p là số đôi cực của máy) Khi từ trƣờng này quét qua thanh dẫn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi sắt roto và cảm ứng trong thanh dẫn đó sức điện động và dòng điện. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dòng điện trong thanh dẫn roto tác dụng với từ thông khe hở này sinh ra mômen. Tác dụng đó làm cho roto quay với vận tốc không đồng bộ n (n < n1). Để chỉ phạm vi tốc độ của động cơ ngƣời ta dùng hệ số trƣợt s, 4
5. n - n theo định nghĩa hệ số trƣợt bằng: s 1 n1 (1-2) Nhƣ vậy khi bắt đầu mở máy n = 0 nên s = 1, khi n n1 thì độ trƣợt s = 0 1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.3.1. Khởi động trực tiếp Khởi động là quá trình đƣa động cơ đang ở trạng thái nghỉ (đứng im) vào trạng thái làm việc quay với tốc độ định mức. Khởi động trực tiếp, là đóng động cơ vào lƣới không qua một thiết bị phụ nào. Việc cấp một điện áp định mức cho stato động cơ dị bộ rô to lồng sóc hoặc động cơ dị bộ ro to dây quấn nhƣng cuộn dây rô to nối tắt, khi rô to chƣa kịp quay, thực chất động cơ làm việc ở chế độ ngắn mạch. Dòng động cơ rất lớn, có thể gấp dòng định mức từ 4 đến 8 lần. Tuy dòng khởi động lớn nhƣ vậy nhƣng mô men khởi động lại nhỏ do hệ số công suất cos 0 rất nhỏ (cos 0 = 0,1- 0,2), mặt khác khi khởi động, từ thông cũng bị giảm do điện áp giảm làm cho mô men khởi động càng nhỏ. Dòng khởi động lớn gây ra 2 hậu quả sau: - Nhiệt độ máy tăng vì tổn hao lớn, nhiệt lƣợng toả ra ở máy nhiều (đặc biệt ở các máy có công suất lớn hoặc máy thƣờng xuyên phải khởi động) Vì thế trong sổ tay kỹ thuật sử dụng máy bao giờ cũng cho số lần khởi động tối đa, và điều kiện khởi động. - Dòng khởi động lớn làm cho sụt áp lƣới điện lớn, gây trở ngại cho các phụ tải cùng làm việc với lƣới điện. Vì những lý do đó khởi động trực tiếp chỉ áp dụng cho các động cơ có công suất nhỏ so với các công suất của nguồn, và khởi động nhẹ (mômen cản trên trục động cơ nhỏ). Khi khởi động nặng ngƣời ta không dùng phƣơng pháp này. 5
6. 1.3.2. Khởi động gián tiếp 1.3.2.1. Khởi động động cơ dị bộ rô to dây quấn Với động cơ dị bộ rô to dây quấn để giảm dòng khởi động ta đƣa thêm điện trở phụ vào mạch rô to. Lúc này dòng ngắn mạch có dạng: U I 1 (1-3) ngm ' 2 ' 2 (R1 R2 Rp ) (X1 X 2 ) Việc đƣa thêm điện trở phụ Rp vào mạch rô to ta đựoc 2 kết quả: làm giảm dòng khởi động nhƣng lại làm tăng mômen khởi động. Bằng cách chọn điện trở Rp ta có thể đạt đƣợc mô men khởi động bằng giá trị mô men cực đại a) b) Hình 1.2. Khởi động cơ dị bộ rô to dây quấn a) Sơ đồ b) Đặc tính cơ Khi mới khởi động, toàn bộ điện trở khởi động đƣợc đƣa vào rô to, cùng với tăng tốc độ rô to, ta cũng cắt dần điện trở khởi động ra khỏi rô to để khi tốc độ đạt giá trị định mức, thì điện trở khởi động cũng đƣợc cắt hết ra khỏi rô to, rô to bây giờ là rô to ngắn mạch. 6
7. Phƣơng pháp này chỉ sử dụng cho động cơ rô to dây quấn vì điện trở ở ngoài mắc nối tiếp với cuộn dây rô to. 1.3.2. 2. Khởi động động cơ dị bộ rô to ngắn mạch Với động cơ rô to ngắn mạch do không thể đƣa điện trở vào mạch rô to nhƣ động cơ dị bộ rô to dây quấn để giảm dòng khởi động ta thực hiện các biện pháp sau: Ngƣời ta dùng các phƣơng pháp sau đây để giảm điện áp khởi động: dùng cuộn kháng, dùng biến áp tự ngẫu và thực hiện đổi nối sao-tam giác. * Phƣơng pháp sử dụng cuộn kháng Hình 1.3. Khởi động động cơ không đồng bộ bằng cuộn kháng Khi khởi động trong mạch điện stato đặt nối tiếp một điện kháng. Sau khi khởi động xong bằng cách đóng cầu dao D2 thì điện kháng này bị nối ngắn mạch. Điều chỉnh trị số của điện kháng đƣợc dòng điện khởi động cần thiết. Do điện áp sụt trên điện kháng nên điện áp khởi động trên đầu cực động cơ điện U‟ sẽ nhỏ hơn điện áp lƣới U1. Gọi dòng điện khởi động và mômen 7
8. khởi động khi khởi động trực tiếp Ik và Mk , sau khi thêm điện kháng vào dòng điện khởi động còn lại I‟k = k.Ik trong đó k<1. Nếu cho rằng khi hạ điện áp khởi động, tham số của máy điện vẫn giữ không đổi thì dòng điện khởi động nhỏ đi, điện áp đầu cực động cơ điện sẽ là U‟k = k.Uk . Vì mômen khởi động tỉ lệ với bình phƣơng của điện áp nên lúc đó mômen khởi động sẽ bằng M‟k 2 =k .Mk . Ưu điểm : Là thiết bị đơn giản Nhược điểm : Khi giảm dòng điện khởi động thì mômen khởi động cũng giảm xuống bình phƣơng lần. * Sử dụng phƣơng pháp dùng máy biến áp tự ngẫu Hình 1.4. Khởi động cơ không đồng bộ bằng biến áp tự ngẫu Sơ đồ lúc khởi động nhƣ hình 1.4, trong đó là T là biến áp tự ngẫu, bên cao áp nối với lƣới điện, bên hạ áp nối với động cơ điện, sau khi khởi 8
9. động xong thì cắt T ra (bằng cách đóng cầu dao D2 và mở cầu dao D3 ra). Gọi tỉ số biến đổi của may biến áp tự ngẫu là kt (kt<1) thì U‟k = kt * U1, dòng điện khởi động và mômen khởi động của động cơ điện sẽ là : 2 I‟K = KT * IK và M‟K= K T * MK Gọi dòng điện lấy từ lƣới vào là I1 (dòng điện sơ cấp của máybiến 2 áp tự ngẫu) thì dòng điện đó bằng I1 = KT * IK = K T * I‟K Ưu điểm : So với phƣơng pháp trên ta thấy, khi ta chọn KT = 0,6 thì mômen mở máy vẫn bằng M‟K = 0,36 MK nhƣng dòng điện khởi động lấy từ lƣới điện vào nhỏ hơn nhiều : I1 = 0,36 IK , ngƣợc lại khi ta lấy từ lƣới vào một dòng điện khởi động bằng dòng điện khởi động của phƣơng pháp trên thì phƣơng pháp này ta có mômen khởi động lớn hơn. Đó là ƣu điểm của phƣơng pháp dùng biến áp tự ngẫu hạ thấp điện áp khởi động. Nhược điểm : Mômen có các bƣớc nhảy do sự chuyển đổi giữa các điện áp. Chỉ có thể một số lƣợng các điện áp do đó dẫn đến sự chọn lựa các dòng điện không tối ƣu. Không có khả năng cung cấp một điện áp khởi động có hiệu quả đối với tải trọng thay đổi. Trong một số điều kiện khởi động đặc biệt giá thành của bộ khởi động thƣờng rất cao. * Khởi động bằng phƣơng pháp đổi nối sao-tam giác ( - ) Phƣơng pháp khởi động bằng đổi nối sao tam giác ( - ) thích ứng với những máy làm việc bình thƣờng đấu tam giác. Khi khởi động ta đổi U thành Y, nhƣ vậy điện áp đƣa vào mỗi pha chỉ còn 1 . Sau khi máy đã chạy, 3 đổi thành đấu tam giác 9
10. Hình 1.5. Sơ đồ đổi nối sao - tam giác Sơ đồ cách đấu dây nhƣ hình1.4, khi khởi động thì đóng cầu dao D2, cầu dao D1 mở, nhƣ vậy máy đấu Y, khi máy đã chạy rồi thì đóng cầu dao D1, cầu dao D2 mở, máy đấu theo . Theo phƣơng pháp ( - ) thì khi dây quấn đấu Y điện áp pha trên dây là : U1 Ukf (1-4) 3 Ik ’ 1 Ikf và M k Mk 3 3 Khi đấy If = Id (khi ấy Ukf = U1 và Ik = Ikf) cho nên khi khởi động đấu I k f Thì dòng điện bằng I1 = I’kf Ik nghĩa là dòng điện và mômen khởi 3 10
11. 1 động đều bằng mômen khởi động trực tiếp. Trên thực tế trƣờng hợp này 3 cũng nhƣ dùng một máy biến áp tự ngẫu để khởi động mà tỉ số biến đổi điện áp kt . Trong các phƣơng pháp hạ điện áp khởi động nói trên, phƣơng pháp khởi động - là tƣơng đối đơn giản nên đƣợc dùng rộng rãi đối với các động cơ khi làm việc đấu tam giác. Hình 1.6, ta thấy dòng khởi động bằng 1,4 đến 2,6 lần dòng định mức Ưu điểm: Tƣơng đối đơn giản nên đƣợc sử dụng rộng rãi với những động cơ điện đấu tam giác Nhược điểm : _ Mức độ giảm của cƣờng độ và mômen không thể điều khiển đƣợc 1 và tƣơng đối cố định giá trị định mức 3 _ Có bƣớc nhảy lớn về cƣờng độ và mômen khi bộ khởi động chuyển đổi sao tam giác. Chính các bƣớc nhảy này tạo ra các ứng suất cơ khí và đột biến về điện làm cho hệ thống dễ bị hƣ hỏng. Bƣớc nhảy này xuất hiện do khi động cơ đang hoạt động nguồn điện bị ngắt động cơ sẽ chuyển sang chế độ máy phát với nguồn điện đƣợc tạo ra có giá trị tƣơng đƣơng với nguồn cung cấp. Giá trị điện áp này vẫn đƣợc duy trì khi động cơ nối lại với nguồn ở chế độ đấu sao, tại đây xảy ra hiện tƣợng xung pha. Kết quả tạo ra một dòng điện có cƣờng độ lên đến gấp 2 lần giá trị dòng khởi động và mômen lên đến 4 lần giá trị mômen khởi động. Hình 1.7. trình bày quá trình này. 11
12. a) b) Hình 1.6. .a) Đặc tính điện - cơ; b) Đặc tính cơ Hình1 .7. Điện áp, cƣờng độ dòng điện khi chuyển từ sao sang tam giác 1.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DỊ BỘ Có nhiều phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ nhƣ: - Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto Rf . - Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato. - Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ. - Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa. 12
13. - Điều chỉnh bằng phƣơng pháp nối tầng. - Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f1. Trong các phuơng pháp trên thì phƣơng pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số cho phép điều chỉnh cả mômen và tốc độ với chất lƣợng cao nhất, đạt đến mức độ tƣơng đƣơng nhƣ điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển. Sau đây xin trình bày phƣơng pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f1. 1.4.1. Điều chỉnh động cơ dị bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn Nhƣ ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực từ theo công thức: 2f 1 (1-5) o p Mà ta lại có, tốc độ của roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công thức: o (1 s) (1-6) Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f1 hoặc thay đổi số đôi cực từ có thể điều chỉnh đƣợc tốc độ của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ đã đƣợc chế tạo thì số đôi cực từ không thể thay đổi đƣợc do đó chỉ có thể thay đổi tần số nguồn f1. Bằng cách thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh đƣợc tốc độ của động cơ. Nhƣng khi tần số giảm, trở kháng của động cơ giảm theo (X=2πfL ). Kết quả là làm cho dòng điện và từ thông của động cơ tăng lên. Nếu điện áp nguồn cấp không giảm sẽ làm cho mạch từ bị bão hòa và động cơ không làm việc ở chế độ tối ƣu, không phát huy đuợc hết công suất. Vì vậy ngƣời ta đặt ra vấn đề là khi thay đổi tần số cần có một luật điều khiển nào đó sao cho từ thông của động cơ không đổi. Từ thông này có thể là từ thông stato Φ1, từ thông của roto Φ2, hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φµ. Vì mômen 13
14. động cơ tỉ lệ với từ thông trong khe hở từ trƣờng nên việc giữ cho từ thông không đổi cũng làm giữ cho mômen không đổi. Có thể kể ra các luật điều khiển nhƣ sau: - Luật U/f không đổi: U/f = const - Luật hệ số quá tải không đổi: λ = Mth/Mc = const - Luật dòng điện không tải không đổi: Io = const - Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I1 = f(Δω) 1.4.2. Phƣơng pháp điều chỉnh tần số U/f = const Sức điện động của cuộn dây stato E1 tỷ lệ với từ thông Φ1 và tần số f1 theo biều thức:    E1K 1 f 1 U 1 I 1 Z 1 (1-7) Nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z1, ta có E1 ≈ U1, do đó: U1 1 K (1-8) f1 Nhƣ vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U1/f1 không đổi. Trong phƣơng pháp U/f = const thì tỷ số U1/f1 đƣợc giữ không đổi và bằng tỷ số này ở định mức. Cần lƣu ý khi mômen tải tăng, dòng động cơ tăng làm tăng sụt áp trên điện trở stato dẫn đến E1 giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm. Do dó động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi. Ta có công thức tính mômen cơ của động cơ nhƣ sau: 3U2 Mômen tới hạn: M 1 (1-9) th 2 ' 2(0R 1R 1(X 1X 2 )) Khi hoạt động ở định mức: 3U2 R' / s M 1dm 2 (1-10) dm R ' [(R2 )22(X X' ) ] 0dm 1s 1dm 2dm 3U2 M 1dm (1-11) thdm 22' 20dm (R 1RX) 1 (X 1dm 2dm ) 14
15. f Ta có công thức sau : a 1 (1-12) f1dm Với f1 - là tần số làm việc của động cơ, f1dm - là tần số định mức. Theo luật U/f= const : U U U f 1 1dm 1 1 a (1-13) f1 f 1dm U 1dm f dm U aU Ta thu đƣợc: 1 1dm (1-14) f1 af 1dm ’ Phân tích tƣơng tự, ta cũng thu đƣợc :ωo = aωodm; X1 = aX1dm; X 2 = ’ aX 2dm . Thay các giá trị trên vào (1-8) và (1-9) ta thu đƣợc công thức tính mômen và mômen tới hạn của động cơ ở tần số khác định mức: R ' U2 2 3 1dm M a.s (1-15) RR' o (12)X)22 (X ' a a.s 12 3 U2 M 1dm (1-16) th 2 2 o RR 11(X X)' 2 aa 12 ’ Dựa theo công thức trên ta thấy, các giá trị X1 và X 2 phụ thuộc vào tần số trong khi R1 lại là hằng số. Nhƣ vậy khi hoạt động ở tần số cao, giá trị (X1 ’ + X 2) >> R1/a, sụt áp trên R1 rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ thông đƣợc giữ gần nhƣ không đổi. Mômen cực đại của động cơ gần nhƣ không đổi. Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R1/a sẽ tƣơng ’ đối lớn so với giá trị của (X1 + X 2) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở stato khi mômen tải lớn. Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thông mômen cực đại. Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp, ta sẽ cung cấp 15
16. thêm cho động cơ điện một điện áp Uo để từ thông của động cơ định mức khi f = 0. Từ đó ta có quan hệ sau: U1 =Uo + Kf1 (1-17) Với K là một hằng số đƣợc chọn sao cho giá trị U1 cấp cho động cơ U=Udm tại f = fdm . Khi a > 1 (f > fdm ), điện áp đƣợc giữ không đổi và bằng định mức. Khi đó động cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông. Sau đây là đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa mômen và điện áp theo tần số trong phƣơng pháp điều khiển U/f=const: Hình 1.8. Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa mômen và điện áp theo tần số theo luật điều khiển U/f=const Từ đồ thị ta có nhận xét sau: + Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn. + Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên. Thay vì chỉ làm việc ở tốc độ định mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ định mức. Mômen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này. + Chúng ta có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mức bằng cách tiếp tục tăng tần số. Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trên 16
17. điện áp định mức. Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến mômen giảm. Ở vùng trên vận tốc cơ bản các hệ số ảnh hƣởng đến mômen trở nên phức tạp. + Việc tăng tốc giảm tốc có thể đƣợc thực hiện bằng cách điều khiển sự thay đổi của tần số theo thời gian. 1.4.3. Chọn phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ Sau khi so sánh phân tích, giới thiệu các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ em nhận thấy phƣơng pháp thay đổi tần số cho phép điều chỉnh cả mômen và tốc độ với chất lƣợng cao nhất. Đây cũng chính là phƣơng án tối ƣu nhất đƣợc sử dụng rộng rãi ngày nay trong các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ của các nhà sản xuất. 17
18. CHƢƠNG 2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BIẾN TẦN 2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Với sự phát triển nhƣ vũ bão về chủng loại và số lƣợng của các bộ biến tần, ngày càng có nhiều thiết bị điện - điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện. Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chất lƣợng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ đƣợc xem nhƣ vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp. Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn nhƣ điện áp hay các thông số mạch nhƣ điện trở phụ, thay đổi từ thông Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ. Có hai phƣơng pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ: + Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất. + Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phƣơng pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện đƣợc đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến tần đƣợc sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phƣơng pháp này. Khảo sát cho thấy: 18
19. + Chiếm 30% thị trƣờng biến tần là các bộ điều khiển mômen. + Trong các bộ điều khiển mômen động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng. + Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh đƣợc trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt. + Điều chỉnh lƣu lƣợng tƣơng ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt. + Điều chỉnh áp suất tƣơng ứng với điều chỉnh góc mở của van. + Giảm tiếng ồn công nghiệp. + Năng lƣợng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ. + Giúp tiết kiệm điện năng tối đa. + Nhƣ tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhƣng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phƣơng thức khác, không dùng mạch điện tử. Trƣớc kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chƣa phát triển, ngƣời ta chủ yếu sử dụng các nghịch lƣu dùng máy biến áp. Ƣu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhƣng còn nhiều hạn chế nhƣ: Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn. Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lƣu. Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo trì cũng nhƣ thay mới. Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra do có hiện tƣợng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp. Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần đƣợc thay đổi, giám sát nhƣ: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải mà 19
20. chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trƣờng hợp này. 2.2. PHÂN LOẠI BIẾN TẦN Biến tần thƣờng đƣợc chia làm hai loại: Biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp 2.2.1. Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lƣới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều. Tần số ra đƣợc điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lƣới ( f1 < flƣới ). Loại biến tần này hiện nay ít đƣợc sử dụng. Hình 2.1: Sơ đồ bộ biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp còn đƣợc gọi là biến tần phụ thuộc. Thƣờng gồm các nhóm chỉnh lƣu điều khiển mắc song song ngƣợc cho xung lần lƣợt hai nhóm chỉnh lƣu trên ta có thể nhận đƣợc dòng xoay chiều trên tải. Trên hình 2.1 biểu diễn bộ biến tần một pha. Từ hình vẽ ta thấy 6 tiristo đƣợc chia thành 2 nhóm: nhóm chung katod (T1,T3,T5) và nhóm chung anod (T2.T4,T6). Nhóm có katod chung sẽ tạo nửa chu kỳ điện áp ra dƣơng. Nhóm có anod chung sẽ tạo nửa 20
21. chu kỳ điện áp ra âm. Có 2 nguyên tắc điều khiển các nhóm tiristo để tạo điện áp ra: Điều khiển đồng thời, đó là phƣơng pháp điều khiển khi một nhóm làm việc ở chế độ chỉnh lƣu với góc mở α thì nhóm kia làm việc chế độ nghịch lƣu góc mở β. Cách điều khiển đồng thời có nhƣợc điểm tồn tại dòng cân bằng chạy quẩn trong các pha của nguồn (hoặc biến áp) nhƣng dòng liên tục Hình 2.2: Điện áp ra của bộ biến tần trực tiếp Điều khiển riêng biệt từng nhóm tiristo. Bản chất của phƣơng pháp điều khiển riêng là khi một nhóm làm việc thì nhóm kia không làm việc. Để thực hiện phƣơng pháp điều khiển riêng biệt ta phải có bộ cảm biến dòng đặt tại lối ra của các nhóm tiristo. Điện áp ra của bộ biến tần trực tiếp một pha biểu diễn trên hình 2.2 Chúng ta sử dụng sơ đồ trên để lý giải quan hệ giữa f1 và f2. Nhƣ chúng ta đã biết một bộ chỉnh lƣu toàn tiristo cho ta ud là một đƣờng cong gồm q đoạn sinus. Đối với bộ chỉnh lƣu 3 pha hình tia thì q=3, sơ đồ cầu thì q=6, q đƣợc gọi là chỉ số chuyển mạch, tức là trong một chu kỳ của điện áp nguồn dòng điện tải đã bị chuyển q lần từ tiristo này sang tiristo khác. Nếu ký hiệu N là số đoạn sinus có chứa trong nửa chu kỳ điện áp ra ta có: 21
22. Trong đó là khoảng dẫn dòng của mỗi tiristo do đó Do dó : = (2-1) Với một hệ thống nhất định q đã xác định, f1 đã xác định thì tần số f2 hoàn toàn phụ thuộc vào N. Trong điều khiển riêng biệt để lọai trừ sự cố 2 bộ chỉnh lƣu làm việc đồng thời ngƣời ta để một “thời gian chết” giữa thời điểm kết thúc làm việc của bộ biến đổi này và thời điểm bắt đầu của một bộ biến đổi khác. Thời gian chết đó t0=T1/q. Nhƣ vậy điện áp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua một van là chuyển ngay ra tải với U2(f2) Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp chỉ sử dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp. Vì việc thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc vào f1. 2.2.2. Biến tần gián tiếp Biến tần gián tiếp có sơ đồ cấu trúc tổng thể nhƣ sau: Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy điện áp xoay chiều có các thông số (U1,f1) đƣợc chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lƣu, qua một bộ lọc rồi đƣợc 22
23. biến trở lại điện áp xoay chiều với điện áp U2, tần số f2. Việc biến đổi năng lƣợng hai lần làm giảm hiệu suất biến tần. Song bù lại loại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần số f2 không phụ thuộc vào f1 trong một dải rộng cả trên và dƣới f1 vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển. Bộ biến tần này còn gọi là biến tần độc lập, trong biến tần này đầu tiên điện áp đƣợc chỉnh lƣu thành dòng một chiều, sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lƣu độc lập (quá trình thay đổi f2 không phụ thuộc vào f1). Khác với bộ biến tần trực tiếp việc chuyển mạch đƣợc thực hiện nhờ lƣới điện xoay chiều, trong bộ nghịch lƣu cũng nhƣ trong bộ điều áp một chiều, hoạt động của chúng phụ thuộc vào loại nguồn và tải. Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần .Tuy nhiên việc ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý nên ta phát huy tối đa các ƣu điểm của biến tần loại này và thƣờng sử dụng nó hơn. Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại đƣợc chia làm hai loại sử dụng nghịch lƣu áp và nghịch lƣu dòng. * Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng: Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của nguồn, còn dạng áp trên tải phụ thuộc là tuỳ thuộc vào các thông số của tải quy định. * Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp : Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp (nghĩa là điện trở nguồn bằng 0). Dạng của điện áp trên tải tuỳ thuộc vào dạng của điện áp nguồn, còn dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào thông số của mạch tải quy định. Bộ biến tần nguồn áp có ƣu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp sin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên đƣợc sử dụng rộng rãi hơn. 23
24. Chỉnh lƣu: Chức năng của khâu chỉnh lƣu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. Chỉnh lƣu có thể là không điều chỉnh hoặc có điều chỉnh. Ngày nay đa số chỉnh lƣu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thƣớc của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi. Nói chung chức năng biến đổi điện áp và tần số đƣợc thực hiện bởi nghịch lƣu thông qua luật điều khiển. Trong các bộ biến đổi công suất lớn, ngƣời ta thƣờng dùng chỉnh lƣu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi quá tải. Tùy theo tầng nghịch lƣu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà bộ chỉnh lƣu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tƣơng đối ổn định. Bộ lọc: là bộ phận không thể thiếu đƣợc trong mạch động lực cho phép thành phần một chiều của bộ chỉnh lƣu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều. Nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lƣu. Nghịch lƣu: Chức năng của khâu nghịch lƣu là biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi đƣợc và làm việc với phụ tải độc lập. Nghịch lƣu có thể là một trong ba loại sau: + Nghịch lƣu nguồn áp: Trong dạng này, dạng điện áp ra tải đƣợc định dạng trƣớc (thƣờng có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chất tải. Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ. Trong các ứng dụng điều kiển động cơ, thƣờng sử dụng nghịch lƣu nguồn áp. + Nghịch lƣu nguồn dòng: Ngƣợc với dạng trên, dạng dòng điện ra tải đƣợc định hình trƣớc, còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải. Nguồn cung cấp phải là nguồn dòng để đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện động thì phải có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều khiển ổn định dòng điện. 24
25. + Nghịch lƣu cộng hƣởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng hƣởng khi mạch hoạt động, do đó dạng dòng điện (hoặc điện áp) thƣờng có dạng hình sin. Cả điện áp và dòng điện ra tải phụ thuộc vào tính chất tải. 2.3. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TẦN 2.3.1. Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần nhƣ hình Chỉnh lưu Lọc Nghịch lưu M Mạch thu thập Mạch Kích Dữ liệu Nguồn Cách ly Màn hình hiển thị Và điều khiển Điều Khiển Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc cơ bản của biến tần 2.3.2. Nguyên lý hoạt động Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha. Bộ chỉnh lƣu có nhiệm biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều. Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lƣu. Nghịch lƣu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số có thể thay đổi đƣợc. Điện áp một chiều đƣợc biến thành điện áp xoay chiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhất định. Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều khiển nào đó đƣa đến các van công suất trong bộ nghịch lƣu. Ngoài ra nó còn có chức năng sau: 25
26. + Theo dõi sự cố lúc vận hành + Xử lý thông tin từ ngƣời sử dụng + Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm + Xác định đặc tính – mômen tốc độ + Xử lý thông tin từ các mạch thu thập dữ liệu + Kết nối với máy tính. Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van công suất trong mạch nghịch lƣu. Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly giữa mạch công suất với mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển. Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thông tin hệ thống nhƣ tần số, dòng điện, điện áp, và để ngƣời sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệ thống. Các mạch thu thập tín hiệu nhƣ dòng điện, điện áp, nhiệt độ, biến đổi chúng thành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý đƣợc. Ngài ra còn có các mạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác nhƣ bảo vệ chống quá áp hay thấp áp đầu vào. Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu đều cần cấp nguồn, các nguồn này thƣờng là nguồn điện một chiều 5, 12, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổn định. Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện thích hợp đó. Sự ra đời của các bộ vi xử lý có tốc độ tính toán nhanh có thể thực hiện các thuật toán phức tạp thời gian thực, sự phát triển của các lý thuyết điều khiển, công nghệ sản xuất IC có mức độ tích hợp ngày càng cao cùng với giá thành của các linh kiện ngày càng giảm dẫn đến sự ra đời của các bộ biến tần ngày càng thông minh có khả năng điều khiển chính xác, đáp ứng nhanh và giá thành rẻ. 26
27. CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ BẢNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG BIẾN TẦN ABB ACS355 ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DỊ BỘ ROTO LỒNG SÓC 3.1. GIỚI THIỆU VỀ HÃNG ABB TẠI VIỆT NAM ABB tại Việt Nam là một phần của tập đoàn ABB, một nhà lãnh đạo toàn cầu trong công nghệ điện và tự động hóa cho phép khách hàng tiện ích và ngành công nghiệp để cải thiện hiệu suất của họ trong khi làm giảm tác động môi trƣờng .Tập đoàn ABB của các công ty hoạt động trong khoảng 100 quốc gia và sử dụng khoảng 120.000 ngƣời thành lập tại Việt Nam vào năm 1993, ABB gần đây đã có hơn 750 nhân viên làm việc tại ba khu vực trên khắp đất nƣớc để đảm bảo sự hiện diện trên toàn quốc của thƣơng hiệu ABB. Trụ sở chính và nhà máy biến áp đƣợc đặt tại Hà Nội, các văn phòng chi nhánh tại Thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Vũng Tàu, Bắc Ninh. Cơ cấu Tập đoàn ABB đƣợc tổ chức trong năm Sản phẩm bộ phận điện, hệ thống điện, sản phẩm điện áp thấp Tự động hóa quá trình và Tự động hóa rời rạc và chuyển động để phục vụ cho từng nhóm khách hàng một cách hiệu quả nhất. Hỗ trợ đến năm đơn vị kinh doanh, ABB cung cấp đầy đủ các dịch vụ vòng đời từ các bộ phận phụ tùng và sửa chữa thiết bị đào tạo, chuyển đổi sang giám sát từ xa và hỗ trợ kỹ thuật từng thị trƣờng và ngành công nghiệp, ABB cung cấp khách hàng của ABB một đội ngũ chuyên dụng và thẩm quyền của doanh số bán hàng, dịch vụ chuyên nghiệp và kỹ thuật chuyên môn trong việc hỗ trợ của các phạm vi rộng lớn của Tập đoàn của các hệ thống và các sản phẩm điện và biến áp phân phối các nhà máy của ABB là một trong các nhà máy ABB tập trung trên toàn thế giới. ABB sản xuất một loạt các máy biến áp có công suất đến 63 MVA, điện áp đến 172 kV. Là nhà sản xuất máy biến áp lớn nhất tại Việt Nam. ABB tại Việt Nam đã 27
28. thành lập chính nó nhƣ là một đối tác công nghệ đáng tin cậy và có thẩm quyền cho chính phủ, khu vực tƣ nhân trong và ngoài nƣớc và trở thành một trong những tên tuổi nổi tiếng trong công nghệ điện và tự động hóa tại Việt Nam. 3.2. BIẾN TẦN ABB ACS355 ACS355 là biến tần đƣợc thiết kế để đáp ứng hàng loạt yêu cầu về ứng dụng máy công cụ. Loại biến tần này rất lý tƣởng cho các ứng dụng nhƣ chế biến thực phẩm, gia công vật liệu, dệt, in ấn, cao su, nhựa và công nghiệp chế biến gỗ 28
29. 3.2.1. Các tính năng nổi bật - Tƣơng thích c lập trình FlashDrop, lập trình khối tuần tự - , bo mạch phủ(Coated boards) - , đồng hồ thời gian thực - Tích hợp sẵn bộ lọc EMC và Bộ điều khiển phanh hãm - Bảo vệ biến tần khi đấu nhầm cáp mô tơ, cáp điều khiển - Giao tiếp mạng linh hoạt: Profibus, DeviceNet, CANopen, Modbus, Ethernet 3.2.2. Thông số kỹ thuật - Dùng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 Pha, 220V/0.37 11 kW, 380V/0.37 22 kW - Hệ số công suất: 0.98 - Tần số điện áp cấp: 48 – 63Hz - Tần số ngõ ra: 0 – 500Hz - Khả năng quá tải: 150% – 1 phút/10 phút, 180% – 2 giây - Nhiệt độ hoạt động: -10 – 400C, max. 500C - Hai ngõ vào analog 0(2) – 10V, -10 – 10V, 0(4) – 20mA, -20 – 20mA - 5 đầu vào số(DI) gồm 1 đầu vào xung(Pulse Train 0 16kHz), 2 đầu vào tƣơng tự(AI) - 1 đầu ra rơle (NO+NC), 1 đầu ra Transisstor(10 16kHz), 1 đầu ra tƣơng tự(AO) - Cấp bảo vệ IP20, NEMA 1(tuỳ chọn) 3.2.3. Các đầu vào ra - Nguồn cấp: 380 ÷ 480V tần số 50 Hz qua L1, L2, L3. - Đầu ra cấp cho động cơ: Thông qua các chân U2, V2, W2. 29
30. Hình 3.1. Biểu đồ kết nối các đầu vào ra của ABB ACS355 - Các đầu vào Analog: + AI1: tần số ra tham chiếu 0 ÷ 10V + AI2: mặc định 0 ÷ 10V 30
31. - Các đầu ra Analog: + AO: giá trị tần số ngõ ra 0 ÷ 20mA - Các đầu vào số: + DCOM: đầu vào số chung + DI1: dừng (DI1=0) và khởi động động cơ (DI1=1). + DI2: đảo chiều quay động cơ quay thuận (DI2=0), quay ngƣợc (DI2=1) + DI3, DI4: chọn tốc độ không đổi + DI5: chọn thời gian tăng tốc và giảm tốc - ROCOM, RONC, RONO: là ngõ ra rơ le - DOSCR, DOOUT, DOGND: ngõ ra số max.100mA - OUT1, OUT2, IN1, IN2: kết nối STO (tắt mômen xoắn an toàn) 3.3. CẤP NGUỒN CHO BIẾN TẦN VÀ ĐỘNG CƠ Hình 3.2. Sơ đồ mạch chính của biến tần ACS 355 Sơ đồ trên là mạch chính đơn giản của biến tần ACS 355 gồm: - U1, V1, W1 nhận cấp nguồn 3 pha xoay chiều cho biến tần từ lƣới điện. - Chỉnh lƣu (Rectifier) chuyển đổi điện áp 3 pha xoay chiều sang điện áp một chiều. - Bộ tụ (Capacitor bank) của mạch trung gian ổn định điện áp một chiều. 31
32. - Bộ biến đổi (Inverter) chuyển đổi điện áp một chiều trở lại xoay chiều cấp cho động cơ thông qua U2, V2, W2. - Phanh hãm (Brake chopper) kết nối điện trở hãm ngoài với mạch điện trung gian một chiều khi điện áp trong mạch vƣợt quá giới hạn tối đa của nó 3.4. KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ DỊ BỘ RÔTO LỒNG SÓC THÔNG QUA BIẾN TẦN ACS355 3.4.1. Cài đặt các thông số cho biến tần Sau khi biến tần đƣợc cấp nguồn từ lƣới điện ba pha thông qua các đầu vào U1, V1, W1 thì đầu tiên nhập dữ liệu cho biến tần từ bảng thông số motor: - Điện áp danh định : tham số 9905 đặt giá trị lên 380 V - Dòng điện danh định: tham số 9906 đặt giá trị lên 2,75 A - Tần số danh định: tham số 9907 đặt giá trị lên 50 Hz - Tốc độ danh định: tham số 9908 đặt giá trị lên là 1430 rpm - Công suất danh định: tham số 9909 đặt giá trị lên là 0.75 KW 3.4.2. khởi động và dừng mềm động cơ - Khởi động mềm: bằng cách thay đổi thời gian tăng tốc bằng tham số 2202 xác định thời gian khởi động. Thời gian yêu cầu cho tốc độ để thay đổi từ 0 đến tốc độ xác định. Thời gian khởi động có thể thay đổi (0÷1800) giây. - Dừng mềm: thay đổi thời gian dừng động cơ bằng tham số 2203. Thời gian yêu cầu cho tốc độ để thay đổi từ tốc độ xác định đến 0. Thời gian dừng có thể thay đổi (0÷1800) giây. 3.4.3. Điều khiển động cơ ở chế độ cục bộ của biến tần Thao tác nhƣ sau từ mặt biến tần ta nhấn nút LOC/REM để chuyển biến tần về chế độ điều khiển cục bộ góc trái hiện lên chữ LOC. Ở chế này động cơ đƣợc khởi động, dừng thay đổi tốc độ và đảo chiều quay thông qua các nút nhấn trên mặt biến tần cụ thể nhƣ sau: 32
33. - Khởi động và dừng động cơ: ta nhấn nút “start” để khởi động, nhấn nút “stop” để dừng động cơ. - Thay đổi tốc độ động cơ: bằng cách thay đổi tần số dùng các nút mũi tên lên hoặc xuống để tăng hoặc giảm tần số. - Thay đổi chiều quay động cơ: nhấn nút vị trí 7 DIR trên mặt biến tần (hình 3.3). 3.4.4. Điều khiển động cơ ở chế độ kiểm soát từ xa của biến tần Từ mặt biến tần ta nhấn nút LOC/REM để chuyển biến tần về chế độ điều khiển cục bộ góc trái hiện lên chữ REM. Chế độ kiểm soát từ xa của biến tần thì động cơ đƣợc kiểm soát thông qua thiết bị đầu cuối I/O của biến tần. Ở chế độ này ta có thể sử dụng ứng dụng macros để điều khiển động cơ, Các ứng dụng macro đƣợc lập trình sẵn bộ thông số, trong khi bắt đầu cài đặt biến tần ngƣời sử dụng chọn một trong các bộ thông số macros một trong số đó thích hợp nhất cho mục đích của mình. Với tham số 9902 APPLIC MACRO, ta thay đổi tới macros cần thiết và lƣu lại macros của mình. ACS355 có bảy macros tiêu chuẩn và ba macros ngƣời dùng. Bảng dƣới đây giới thiệu sơ lƣợc về các macros và mô tả những ứng dụng thích hợp. Bảng 3.1. Các ứng dụng macros của biến tần ACS355 Macros Những ứng dụng thích hợp ABB Đây là macros mặc định, nó cung cấp một mục đích chung Standard I/O cấu hìnhvới ba tốc độ không đổi.Thôngsố giá trị đƣợc mặc định 3-wire Macros này đƣợc sử dụng khi biến tần đƣợc điều khiển bằng cách sử dụng nút nhấn. Nó cung cấp ba tốc độ không đổi, để kích hoạt macro,thiết lập giá trịcủa thamsố 9902 đến 2 (3- WIRE). Alternate Macros này cung cấp I/O cấu hình thích nghi với một chuỗi 33
34. các tín hiệu điều khiển DI đƣợc sử dụng khi biến tần điều khiển xen kẻ chiều quay độngcơ. Để kích hoạt macros, đặt giá trị của tham số 9902 đến 3 (ALTERNATE). Motor Macro này cung cấp giao diện hữu hiệu cho các PLCthay đổi Potentiometer tốc độ chỉ dùng tín hiệu số. Để kích hoạt macro, đặt giá trị của tham số 9902 đến 4 (MOTOR POT). Hand/Auto Macros này có thể đƣợcsửdụng khi chuyển đổi giữa hai thiết bị kiểm soát bên ngoài cần thiết. Để kích hoạt macros đặt giá trị của tham số 9902 đến 5 (HAND/AUTO). PID Control Macros này cung cấp các thiết lập thông số cho hệ thống điều khiển vòng lặp kín nhƣ kiểm soát áp suất, kiểm soát lƣu lƣợng, vv kiểm soát cũng có thể chuyển sang kiểm soát tốc độ sử dụng một đầu vào kỹ thuật số. Để kích hoạt macros, đặt giá trị tham số 9902 đến 6 (PID CONTROL). Torque Macros này cung cấp các thiết lập thông số cho các ứng dụng Control có yêu cầu kiểm soát mômen xoắn của động cơ. Kiểm soát này cũng có thể đƣợc chuyển sang kiểm soát tốc độ bằng cách sử dụng một đầu vào kỹ thuật số. để kích hoạt macros, đặt giá trị của thamsố 9902 đến 8 (TORQUE CTRL). User Ngoài các ứngdụng macros tiêu chuẩn, nó có thể tạo ra ba macros ngƣời dùng các macros ngƣời dùng cho phép ngƣời dùng lƣu các tham số cài đặt, bao gồm cả nhóm 99 START- UP DATA, và kết quả của việc xác định động cơ vào bộ nhớ thƣờng xuyên và thu hồi các dữ liệu tại thời gian sau đó. Các bảng tham khảo cũng đƣợc lƣu nếu macro đƣợc lƣu và nạp trong chế độ kiểm soát cục bộ. Thiết lập điều khiển từ xa đƣợc lƣu vào các macros ngƣời dùng, nhƣng các thiết lập kiểm soát cục bộ thì không. 34
35. Do yêu cầu của đề tài là khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ dị bộ ba pha lồng sóc nên em sử dụng ứng dụng macros standard macros cho yêu cầu này. 3.4.4.1. Ứng dụng standard macros điều khiển động cơ Standard macros đây là macros mặc định, nó cung cấp một mục đích chung I/O cấu hìnhvới ba tốc độ không đổi. Để chọn ứng dụng standard macros thiết lập giá trị của tham số 9902 lên 1. Thông số giá trị đƣợc mặc định dƣới đây là những kết nối I/O mặc định của macros này. Hình 3.2.Biểu đồ những kết nối I/O mặc định của standard macros 1) AI1 đƣợc sử dụng nhƣ một tham chiếu tốc độ chọn ở chế độ vector. 2) Xem tham số nhóm 12 CONSTANT SPEEDS: DI3 DI4 Thao tác (tham số) 35
36. 0 0 đặt tốc độ thông qua AI1 1 0 tốc độ 1(1202) 0 1 tốc độ 2(1203) 1 1 tốc độ 3(1204) 3) 0 = thời gian trƣợc dốc dần theo các thông số 2202 và 2203. 1 = thời gian trƣợcdốcdần theo các thôngsố 2205 và 2206. 4) 360 lƣới lọc đƣợc nối đất. Mômen xoắn cố định = 0.5 N·m / 4.4 lbf. in. Hình 3.3. Mô hình sử dụng biến tần ABB ACS355 điều khiển động cơ 3 pha rô to lồng sóc. Trên mô hình em sử dụng các chốt cắm, switch để kết nối và điều khiển động cơ. Sau khi cấp nguồn cho biến tần và động cơ, động sẽ đƣợc khởi động và điều khiển trong ứng dụng macros này nhƣ sau: - Để khởi động và dừng động cơ: ta gạt switch tại vị trí DI 1 về “1” để khởi động và về “0” để dừng động cơ. - Đảo chiều quay của động cơ: gạt switch tại vị trí DI 2 về “1” để động cơ chạy ngƣợc và về “0” để động cơ chạy thuận. 36
37. - Để động cơ chạy với các cấp tốc độ không đổi ta có 2 đầu vào số là DI 3 và DI4 để mã hóa các cấp tốc độ khác nhau nhƣ sau: + Nếu DI3 = 0, DI4 = 0 có nghĩa là các switch tại vị trí của DI3 và DI4 đều ở vị trí “0” thì động cơ đƣợc thay đổi tốc độ thông qua AI1 + Nếu DI3 = 1, DI4 = 0 nghĩa là switch tại vị trí của DI3 gạt lên “1” còn switch tại vị trí của DI4 ở vị trí “0” thì động cơ chạy với tốc độ 1 đƣợc cài đặt qua tham số 1202 + Nếu DI3 = 0, DI4 = 1 nghĩa là switch tại vị trí của DI3 gạt về “0” còn switch tại vị trí của DI4 ở vị trí “1” thì động cơ chạy với tốc độ 2 đƣợc cài đặt qua tham số 1203 + Nếu DI3 = 1, DI4 = 1 có nghĩa là các switch tại vị trí của DI3 và DI4 đều ở vị trí “1” thì động cơ chạt với tốc độ 3 đƣợc cài đặt qua tham số 1204. - Điều khiển động cơ chạy vô cấp tốc độ: sử dụng biến trở để điều khiển tốc độ thích hợp cho động cơ. Trƣớc hết gạt các switch tại vị trí của DI3 và DI4 về vị trí “0”. Sau đó ta có thể vặn biến trở để thay đổi tốc độ tùy ý cho động cơ. 3.5. KIỂM NGHIỆM ĐÁNH GIÁ THIẾT KẾ Sau khi hoàn thành mô hình sử dụng biến tần để điều khiển động cơ, em nhận thấy sử dụng biến tần để điều khiển động cơ có những tính năng tốt nhƣ: - Bảo vệ động cơ, tăng tuổi thọ cho động cơ. Động cơ có thể đƣợc bảo vệ chống quá nóng bằng cách kích hoạt chức năng bảo vệ nhiệt động cơ. Biến tần tính toán nhiệt độ động cơ trên chuẩn của các giả định sau: 1) Động cơ ở trong nhiệt độ môi trƣờng là 300C khi nguồn đƣợc đặt vào biến tần 37
38. 2) Nhiệt độ động cơ đƣợc tính bằng cách sử dụng ngƣời dùng điều chỉnh hoặc tự động thời gian nhiệt không đổi động cơ. Biểu đồ tải phải đƣợc điều chỉnh trong trƣờng hợp nhiệt độ xung quanh vƣợt quá 30°C. a) b) Hình 3.4. a) biểu đồ thời gian nhiệt không đổi động cơ, b) biểu đồ tải động cơ - Hạn chế dòng khởi động động cơ. - Khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng bằng cách thay đổi tần số. Hình 3.5. Đặc tính cơ khi thay đổi tần số (f1>f2>f3) 38
39. - Có thể kết nối với thiết bị ngoại vi nhƣ PLC, encoder để điều khiển, giám sát tốc độ và chiều quay của động cơ. - Có khả năng đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau. - Các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc (dệt, băng tải). - Các thiết bị đơn lẻ yêu cầu tốc độ làm việc cao (máy li tâm, máy mài). Ứng dụng biến tần để điều khiển động cơ đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp đặc biệt là hệ thống bơm, hệ thống quạt, động cơ quán tính lớn, băng chuyền. Các doanh nghiệp có thể tiết kiệm điện năng lớn và tăng tuổi thọ động cơ khi sử dụng biến tần. 39
40. KẾT LUẬN Sau một thời gian dài tìm hiểu tài liệu và thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng biến tần ACS355 của hãng ABB dùng cho khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ dị bộ ba pha lồng sóc” đã giúp em có cái nhìn tổng quan về biến tần và đã xây dựng thành công mô hình điều khiển động cơ dị bộ ba pha lồng sóc thông qua biến tần ACS355. Đồng thời giúp em củng cố lại kiến thức về máy điện, trang bị điện, điện tử công suất đã học trong suốt thời gian vừa qua. Đề tài hoàn thành với những công việc đƣợc tác giả thực hiện : - Giới thiệu các phƣơng pháp khởi động động cơ. - Giới thiệu về nguyên lý và cấu tạo của biến tần, phân loại biến tần. - Thực hiện kết nối biến tần để khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ. Đây là đề tài mang tính ứng dụng cao rất phù hợp với yêu cầu khai thác hiện nay trong công nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn tới cô giáo Th.S Đỗ Thị Hồng Lý và KS Đinh Thế Nam ngƣời đã trực tiếp tận tình hƣớng dẫn và tạo điều kiện giúp em hoàn thành đồ án này. Em xin cám ơn các thây cô giáo trong khoa điện, các bạn sinh viên lớp ĐCL501 đã luôn giúp đỡ em trong học tập những năm qua. Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày 25 tháng 6 năm 2013 Sinh viên thực hiện Lê Văn Cƣờng 40
41. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh(2005), Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội. 2. GS TSKH Thân Ngọc Hoàn (2005), Máy điện, Nhà xuất bản xây dựng. 3. Nguyễn Phùng Quang(1996), Điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất bản giáo dục 4. Tài liệu kỹ thuật bộ biến tần ACS355, của hãng ABB. 5. http:// WWW. Google.com.vn. 6. http:// WWW. lib.hpu.edu.vn.vn. 41
42. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƢƠNG 1.GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ DỊ BỘ BA PHA VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 2 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG 2 1.2. CẤU TẠO 2 1.2.1. Cấu tạo của stato 2 1.2.1.1. Mạch từ 3 1.2.1.2. Mạch điện 3 1.2.2. Cấu tạo của rô to 3 1.2.2.1. Mạch từ 3 1.2.2.2. Mạch điện 3 1.2.3. Nguyên lý hoạt động 4 1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 5 1.3.1. Khởi động trực tiếp 5 1.3.2. Khởi động gián tiếp 6 1.3.2.1. Khởi động động cơ dị bộ rô to dây quấn 6 1.3.2. 2. Khởi động động cơ dị bộ rô to ngắn mạch 7 1.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DỊ BỘ 12 1.4.1. Điều chỉnh động cơ dị bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn 13 1.4.2. Phƣơng pháp điều chỉnh U/f = const 14 1.4.3. Chọn phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ 17 CHƢƠNG 2.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BIẾN TẦN 18 2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 18 2.2. PHÂN LOẠI BIẾN TẦN 20 2.2.1. Biến tần trực tiếp 20 42
43. 2.2.2. Biến tần gián tiếp 22 2.3. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TẦN 25 2.3.1. Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần 25 2.3.2. Nguyên lý hoạt động 25 CHƢƠNG 3.THIẾT KẾ BẢNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG BIẾN TẦN ABB ACS355 ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DỊ BỘ RÔ TO LỒNG SÓC 27 3.1. GIỚI THIỆU VỀ HÃNG ABB TẠI VIỆT NAM 27 3.2. BIẾN TẦN ABB ACS355 28 3.2.1. Các tính năng nổi bật 29 3.2.2. Thông số kỹ thuật 29 3.2.3. Các đầu vào ra 29 3.3. CẤP NGUỒN CHO BIẾN TẦN VÀ ĐỘNG CƠ 31 3.4. KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ DỊ BỘ RÔTO LỒNG SÓC THÔNG QUA BIẾN TẦN ACS355 32 3.4.1. Cài đặt các thông số cho biến tần 32 3.4.2. khởi động và dừng mềm động cơ 32 3.4.3. Điều khiển động cơ ở chế độ cục bộ của biến tần 32 3.4.4. Điều khiển động cơ ở chế độ kiểm soát từ xa của biến tần 33 3.4.4.1. Ứng dụng standard macros điều khiển động cơ 35 3.5. KIỂM NGHIỆM ĐÁNH GIÁ THIẾT KẾ 37 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 411 43