Đề tài Hệ thống ứng dụng PLC S7 - 300 của hãng Siemens điều khiển động cơ không đồng bộ thông qua bộ biến tần Altivar 31 của hãng Schnieder

ộ động cơ không đồng bộ là quá trình thay đổi tốc độ động cơ theo ý chủ quan của con ngƣời phục vụ các yêu cầu về công nghệ. Phụ thuộc vào đặc tính cơ của cơ khí sản xuất mà quá trình thay đổi tốc độ xảy ra khi mô men cản không đổi (hình 2.5a) hoặc khi mô men cản thay đổi (hình 2.5b). Khi điều chỉnh tốc độ động cơ cần thoả mãn những yêu cầu sau: 47 Phạm vi điều chỉnh, sự liên tục trong điều chỉnh và tính kinh tế trong điều chỉnh. Với các thiết bị vận chuyển, phải điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng, còn thiết bị dệt hoặc giấy thì lại đòi hỏi tốc độ không đổi với độ chính xác cao. Để nghiên cứu các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ta dựa vào các biểu thức sau: n= ntt(1-s) (2.5) ntt= p f60 (2.5a) s= 2 1 E E hoặc s= 2 1 f f (2.5b) Mặt khác ta lại có: E2=I2 2 20 2 2 )( sXR Vậy s= 2 220 2 20 22 )( IXE IR (2.5c) Từ các công thức (2.5) rút ra các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ sau đây: 1.Thay đổi tần số nguồn cung cấp f1; 2.Thay đổi số đôi cực p; 3.Thay đổi điện trở R2 ở mạch rô to; n n n1 n2 n1 n2 Mc Mc= var M M a) b) Hình 2.5: Điều chỉnh tốc độ động cơ dị bộ a) Khi mô men cản không đổi, b)Khi mô men cản thay đổi 48 4.Thay đổi điện áp nguồn cung cấp E20 hoặc U1; 5.Thay đổi điện áp mạch rôto E2; 6.Thay đổi tần số f2. Trong các phƣơng pháp trên, ngƣời ta hay sử dụng phƣơng pháp 1, 2 và 4, còn động cơ dị bộ rôtodây quấn ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp 3. Dƣới đây trình bày ngắn gọn một số phƣơng pháp thƣờng dùng. 2.2.2. Thay đổi tần số nguồn điện cung cấp f1 Phƣơng pháp này chỉ sử dụng đƣợc khi nguồn cung cấp có khả năng thay đổi tần số. Ngày nay, do sự phát triển của công nghệ điện tử các bộ biến tần tĩnh đƣợc chế tạo từ các van bán dẫn công suất đã đảm nhiệm đƣợc nguồn cung cấp năng lƣợng điện có tần số thay đổi, do đó phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số đang đƣợc áp dụng rộng rãi và cạnh tranh với các hệ thống truyền động điện dòng một chiều. Nếu bỏ qua tổn hao điện áp ở mạch stato ta có: U1=E1=4,44f1W1kcd1 (2.6) Hay U1=kf1 (2.6a) Từ biểu thức này ta thấy nếu thay đổi f1 mà giữ U1=const thì từ thông sẽ thay đổi. Việc thay đổi từ thông làm giảm điều kiện công tác của máy điện, thay đổi hệ số cos , thay đổi hiệu suất và tổn hao lõi thép, do đó yêu cầu khi thay đổi tần số phải giữ cho từ thông không đổi. Mặt khác trong điều chỉnh tốc độ phải đảm bảo khả năng quá tải của động cơ không đổi trong toàn bộ phạm vi điều chỉnh, điều đó có nghĩa là phải giữ cho Mmax=const. Muốn giữ cho Mmax=const thì phải giữ cho từ thông không đổi. Muốn giữ cho từ thông không đổi thì khi thay đổi tần số ta phải thay đổi điện áp đảm bảo sự cân bằng của (2.6a). Mô men cực đại có thể biểu diễn bởi biểu thức: 49 Mmax= C 2 1 1 f U (2.7) Nếu hệ số quá tải không đổi, thì tỷ số của mômen tới hạn ở 2 tốc độ khác nhau phải bằng tỷ số mômen cản ở 2 tốc độ đó tức là: 2 1 2 1 2 1 2 1 '' ' '' ' '' '' ' ' U f f U M M M M c c th th (2.8) Từ đây ta có: '' ' 1 1 1 1 '' ' '' ' c c M M f f U U (2.9) trong đó M‟th và Mc‟ là mômen tới hạn và mômen cảm ứng với tần số nguồn nạp f1‟, điện áp U1‟ còn M‟‟th và Mc‟‟ là mômen tới hạn và mômen cảm ứng với tần số nguồn nạp f1‟‟ và điện áp U1‟‟. Nếu điều chỉnh theo công suất không đổi P2=const thì mômen của động cơ tỷ lệ nghịch với tốc độ do vậy: 1 1 '' ' ' '' f f M M c c (2.10) Do đó: '' 1 ' 1 1 1 '' ' f f U U (2.11) Trong thực tế ta thƣờng gặp điều chỉnh với Mc=const do đó: 1 1 f U const (2.12) Khi giữ cho =const thì cos =const, hiệu suất không đổi, I0=const. Nếu mômen cản có dạng quạt gió thì : 2 '' 1 ' 1 1 1 '' ' f f U U (2.13) Theo các biểu thức trên đây thì khi thay đổi tần số, mômen cực đại không đổi. Điều đó chỉ đúng trong phạm vi tần số định mức, khi tần số vƣợt ra ngoài phạm vi định mức thì khi tần sô giảm, mômen cực đại cũng giảm do 50 từ thông giảm, sở dĩ nhƣ vậy vì để nhận đƣợc các biểu thức trên ta đã bỏ qua độ sụt áp trên các điện trở thuần, điều đó đúng khi tần số lớn, nhƣng khi tần số thấp thì giá trị X giảm, ta không thể bỏ qua độ sụt áp trên điện trở thuần nữa, do đó từ thông sẽ giảm và mômen cực đại giảm. Trên hình 2.5 biểu diễn đặc tính cơ khi điều chỉnh tần số với f1>f2>f3. Ƣu điểm của phƣơng pháp điều chỉnh tần só là phạm vi điều chỉnh rộng, độ điều chỉnh láng, tổn hao điều chỉnh nhỏ. 2.2.3. Thay đổi số đôi cực Nếu động cơ dị bộ có trang bị thiết bị đổi nối cuộn dây để thay đổi số đôi cực thì ta có thể điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực. Để thay đổi số đôi cực ta có thể : -Dùng đổi nối một cuộn dây. Giả sử lúc đầu cuộn dây đƣợc nối nhƣ hình 2.7a, khi đó số cặp cực là p, nếu bây giờ đổi nối nhƣ hình 2.7b ta đuợc số cặp cực p/2. Hình 2.6: Đặc tính cơ khi điều chỉnh tần số theo nguyên lý: f1>f2>f3. 51 Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực biểu diễn trên hình 2.7c Để thay đổi cách nối cuộn dây ta có những phƣơng pháp sau: Đổi từ nối sao sang sao kép (hình 2.8a). Với cách nối này ta có: Giả thiết rằng hiệu suất và hệ số cos không đổi thì công suất trên trục động cơ ở sơ đồ Y sẽ là: PY= 3 UdIp cos 1 Cho sơ đồ YY ta có: Hình 2.7: Cách đổi nối cuộn dây: a) Mắc nối tiếp, số đôi cực là p b) Mắc song song số đôi cực là p/2; c)Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi số đôi cực i i i i i a) i i i i i b) n n 0 n0/2 p/2 p M 0 c) A B C (YY) A B C (YY) A B C ( ) Hình 2.8: Đổi nối cuộn dây a) Y YY, b) YY b) A B C (Y) a) 52 PYY = 3 Ud 2Ip cos 1 , do đó PY/PYY =2. Ở đây Ip-dòng pha. Nhƣ vậy khi thay đổi tốc độ 2 lần thì công suất cũng thay đổi với tỷ lệ ấy. Cách đổi nối này gọi là cách đổi nối có M=const. Ngƣời ta còn thực hiện đổi nối theo nguyên tắc sang YY(sao kép) hình 2.6b. Ta có: P = 3 Ud 3 Ip cos 1 PYY = 3 Ud 2Ip cos 1 , do đó PYY/P =2/ 3 =1,15 thực tế coi nhƣ không đổi. Đây là cách đổi nối có P=const. -Dùng cuộn dây độc lập với những số cực khác nhau, đó là động cơ dị bộ nhiều tốc độ. Với động cơ loại này stato có 2 hoặc 3 cuộn dây, mỗi cuộn dây có số đôi cực khác nhau. Nếu ta trang bị thiết bị đổi nối cuộn dây thì ta đƣợc 6 số cặp cực khác nhau ứng với 6 tốc độ. Đặc điểm của phƣơng pháp thay đổi tốc độ bằng thay đổi số đôi cực: rẻ tiền, dễ thực hiện. Tuy nhiên do p là một số nguyên nên thay đổi tốc độ có tính nhảy bậc và phạm vi thay đổi tốc độ không rộng. 2.2.4. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp nguồn cung cấp. Thay đổi điện áp nguồn cung cấp làm thay đổi đặc tính cơ (hình 2.9). Vì mô men cực đại Mmax=cU12, nên khi giảm điện áp thì mômen cực đại cũng giảm mà không thay đổi độ trƣợt tới hạn (vì sth R2/X2). Nếu mô men cản không đổi thì khi giảm điện áp từ Uđm tới 0,9Uđm tốc độ sẽ thay đổi, nhƣng khi điện áp giảm tới 0,7Uđm thì mômen của động cơ nhỏ hơn mômen cản, động cơ sẽ bị dừng dƣới điện. 53 Đặc điểm của phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp là phạm vi điều chỉnh hẹp, rất dễ bị dừng máy, chỉ điều chỉnh theo chiều giảm tốc độ. Mặt khác vì Pđt= CE20I2cos 2 = C1U1I2cos 1=const nên khi giảm điện áp U1, mà mômen cản không đổi sẽ làm tăng dòng trong mạch stato và rôto làm tăng tổn hao trong các cuộn dây. Để thay đổi điện áp ta có thể dùng bộ biến đổi điện áp không tiếp điểm bán dẫn, biến áp hoặc đƣa thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stato. Đƣa thêm điện trở thuần sẽ làm tăng tổn hao, nên ngƣời ta thƣờng đƣa điện kháng vào mạch stato hơn. Để mở rộng phạm vi điều chỉnh và tăng độ cứng của đặc tính cơ, hệ thống điều chỉnh tốc độ bằng điện áp thƣờng làm việc ở hệ thống kín. 2.2.5. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở mạch rôto. Phƣơng pháp điều chỉnh này chỉ áp dụng cho động cơ dị bộ rôto dây quấn. Đặc tính cơ của động cơ dị bộ rôto dây quấn khi thay đổi điện trở rôto biểu diễn trên hình 2.9. Bằng việc tăng điện trở rôto, đặc tính cơ mềm đi nhiều, nếu mômen cản không đổi ta có thể thay đổi tốc độ động cơ theo chỉều giảm. Nếu điện trở phụ thay đổi vô cấp ta thay đổi đƣợc tốc độ vô cấp , tuy nhiên việc thay đổi vô vấp tốc độ bằng phƣơng pháp điện trở rất ít dùng mà thay đổi nhảy bậc do đó các điện trở điều chỉnh đƣợc chế tạo làm việc ở chế độ lâu dài và có nhiều đầu ra. n n n0 n1 n2 n3 n0 n1 n2 n3 Mc M Uđm 0,9Uđm 0,8Uđm 0,7Uđm Mc M Mmax 0 0 Hình 2.9: Đặc tính cơ của động cơ dị bộ khi thay đổi điện áp nguồn cung cấp Hình 2.10: Đặc tính cơ của động cơ dị bộ dây quấn khi thay đổi điện điện trở rô to 54 Giá trị điện trở phụ đƣa vào rôto có thể tính bằng công thức: Rp= 1 1 2 s s R2 trong đó s1 và s2 ứng với tốc độ n1 và n2. Khi Mc=const thì phạm vi điều chỉnh tốc độ là n1 –n3 (hình 2.9), khi Mc tăng phạm vi điều chỉnh tốc độ sẽ tăng lên. Khi mômen cản không đổi thì công suất nhận từ lƣới điện không đổi trong toàn phạm vi điều chỉnh tốc độ. Công suất hữu ích P2=M 2 ở trên trục động cơ sẽ tăng khi độ trƣợt giảm. Vì P=Pđt-P2=M( 1- 2) là tổn hao rôto nên khi độ trƣợt lớn tổn hao sẽ lớn. Đặc điểm của phƣơng pháp điều chỉnh điện trở rôto là điều chỉnh láng, dễ thực hiện, rẻ tiền nhƣng không kinh tế do tổn hao ở điện trở điều chỉnh, phạm vi điều chỉnh phụ thuộc vào tải. Không thể điều chỉnh ở tốc độ gần tốc độ không tải. 2.2.6. Thay đổi điện áp ở mạch rôto Trƣớc khi bƣớc vào nghiên cứu phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng đƣa thêm sđđ vào mạch rôto, ta thực hiện việc thống kê công suất ở máy điện không đồng bộ khi có đƣa điện trở phụ vào mạch rôto. Công suất nhận vào: P1=m1U1I1cos 1 Công suất điện từ hay còn gọi là công suất từ trƣờng quay: Pđt=P1- P1 = P1-( PCu1 + PFe1) Đây là công suất chuyển qua từ trƣờng sang rôto. Công suất điện từ đƣợc chia ra công suất điện và công suất cơ: Pđt=Pcơ+Pđiện 55 trong đó: Pđiện = PCu2+P2 Ở đây P2 là tổn hao trên điện trở phụ đƣa vào mạch rôto, còn PCu2 là tổn hao đồng cuộn dây rôto do đó: P2=m2I2Rp, còn PCu2= m2R2.I22 Công suất cơ học Pcơ : là công suất ở điện trở : (R‟2+R‟p) s s1 do vây: Pcơ =m1(R‟2 +R‟p)I‟22 s s1 . Khi thay đổi tốc độ quay bằng thay đổi đện trở mạch rôto, là ta đã làm thay đổi P2 truyền cho điện trở phụ để công suất cơ khí Pcơ thay đổi vì: Pđt=Pcơ+P2+ PCu2 =const trong đó PCu2 = const. Bây giờ chúng ta nghiên cứu một phƣơng pháp khác thay đổi công suất P2 trong mạch rôto. Đó là phƣơng pháp đƣa thêm vào mạch rôto một đại lƣợng: E2 (hình 2.11) có cùng tần số rôto và cũng phải thay đổi theo tốc độ. Giả thiết rằng điều chỉnh tốc độ theo nguyên tắc :M=const, Pđt=const. Trong điều kiện đó, thống kê công suất nhƣ sau (hình 2.10): Pđt= Pcơ+Pđiện= Pcơ+P2+ PCu2 =const (2.14) PCu2 Pđiện I2 E2 Pđt f2=sf1 E 2 sX 2 R2 +P 2 -P2 E2 I2 Pđt f2=sf1 s E2 sX 2 R2 /s PCu2 Pcơ+Pđi ện I2 E2 Pđt E 2 X2 R2 +P 2 -P2 f2=f1 s s E 1 2 R2(1-s)/s coP a) b ) c) Pđiện Hình 2.11: Sơ đồ tƣơng đƣơng mạch rôto khi đƣa thêm sđđ vào: a)mạch thực, b)c) mạch tƣơng đƣơng đƣa về tần số f1 56 Tổn hao điện PCu2 trong trƣờng hợp này không đổi vì giá trị dòng điện I2 không phụ thuộc vào độ trƣợt. Trong vùng ổn định của đặc tính cơ tồn tại một giá trị dòng điện I2 và một giá trị hệ số cos 2 thoả mãn quan hệ: Pđt=m2E20I2cos 2 cI2cos 2 =const Nếu tăng công suất phát P2 (công suất phát mang dấu + trong biểu thức (2.14)) cho một tải nào đó ở mạch rôto sẽ làm giảm công suất cơ khí Pcơ vậy khi mô men cản không đổi sẽ làm tốc độ thay đổi (n=cPcơ), nếu mạch rôto đƣợc cấp vào một công suất tác dụng P2 (có dấu âm trong biểu thức (2.14)) thì Pcơ sẽ tăng, đồng nghĩa với tốc độ tăng. Nếu mạch rôto đƣợc cung cấp một công suất P2 bằng tổn hao PCu2 lúc này Pđiện =sPđt =0 có nghĩa là s=0 vậy động cơ quay với tốc độ từ trƣờng. Nếu bây giờ cấp cho mạch rôto một công suất P2 > Pcu2 thì động cơ quay với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ. Phƣơng pháp thay đổi tốc độ này cho phép thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng (trên và dƣới tốc dộ đồng bộ). Thay đổi pha của E2 làm thay đổi hệ số công suất stato và rôto, hệ số công suất có thể đạt giá trị cos =1 thậm chí có thể nhận đƣợc hệ số công suất âm. Nếu ta đƣa vào rôto công suất phản kháng thì động cơ không phải lấy công suất kháng từ lƣới, lúc này dòng kích từ cần thiết để tạo từ trƣờng động cơ nhận từ mạch rôto. Phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ trên đây gọi là phƣơng pháp nối tầng. 57 CHƢƠNG 3. TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN VÀ ỨNG DỤNG PLC ĐIỀN KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THÔNG QUA BỘ BIẾN TẦN 3.1. TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN Trong thực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp, các bộ biến tần đƣợc sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bị đốt nóng bằng cảm ứng, trong thiết bị chiếu sáng 3.1.1. Khái niệm Bộ biến tần là một thiết bị biến đổi năng lƣợng điện có điện áp u1, tần số f1 thành năng lƣợng điệu có tần số f2 và điện áp u2 nhờ các khóa điện tử (Năng lƣợng điện dòng một chiều có tần số f=0). Ngày nay do sự tiến bộ của công nghệ vi mạch và những công nghệ tiên tiến khác cùng với sự phát triển của lý thuyết điều khiển các hệ thống truyền động điện xoay chiều hiện đại nạp từ bộ biến tần đã có những đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt cho phép cạnh tranh với các hệ thống truyền động điện một chiều. 3.1.2. Phân loại: Ngƣời ta chia các bộ biến tần thành 2 loại : 1.Bộ biến tần trực tiếp 2. Bộ biến tần gián tiếp. 3.1.2.1. Biến tần trực tiếp: 58 Bộ biến tần trực tiếp là một thiết bị điện từ biến đổi năng lƣợng điện xoay chiều sang xoay chiều có biên độ điện áp và tấn số khác với biên độ điện áp và tần số đầu vào. Hình 3.1: 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 3.1 biểu diễn bộ biến tần một pha. Từ hình vẽ ta thấy 6 ti-ris-to 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 chu kỳ điện áp ra âm. Có 2 nguyên tắc điều khiển các nhóm ti-ris-to để tạo điện áp ra: a.Điều khiển đồng thời, đó là phƣơng pháp điều khiển khi một nhóm làm việc ở chế độ chỉnh lƣu với góc thì nhóm kia làm việc ở chế độ nghịch lƣu (góc điều khiển ). Cách điều khiển đồng thời có nhựợc điểm là tồn tại dòng cân bằng chạy quẩn trong các pha của nguồn (hoặc biến áp), nhƣng dòng liên tục. uA uB uC 0 T1 T3 T5 T2 T4 T6 Ztải 59 b. Điều khiển riêng biệt từng nhóm ti-ri-sto. 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 ti-ri-sto. Điện áp ra của bộ biến tần trực tiếp một pha biểu diễn trên hình 3.2. Tần số ra: 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 ti-ri-sto 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 ti-ri-sto này sang ti-ri-sto khác. Nếu ký hiệu N là số đoạn sinus có chứa trong nửa chu kỳ điện áp ra ta có: 2 2 2 T ) 2 ( 2 2 2 q N T trong đó q 2 là khoảng dẫn dòng của mỗi ti-ri-sto do đó: ura T2/2 t Hình 3.2: Điện áp ra của bộ biến tần trực tiếp 60 222 1 1 2 qN q T T f f Do đó: f2= 22 . 1 qN fq (10.14) 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. 3.1.2.2. Biến tần gián tiếp: Biến tần gián tiếp có sơ đồ cấu trúc tổng thể nhƣ hình 3.3: 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 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 U2 f2 U1 f1 Lọc Chỉnh lƣu Nghịch lưu Hình 3.3: Cấu trúc bộ biến tần gián tiếp 61 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. Bộ biến tần gián tiếp áp dụng qui tắc biến đổi năng lƣợng hai lần. Nhờ vào việc biến đổi năng lƣợng hai lần làm cho việc thay đổi tần số đƣợc dễ dàng thông qua mạch nghịch lƣu mà không phụ thuộc vào tần số nguồn ban đầu. 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 động 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. 62 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. Bộ biến tần nguồn áp có hai bộ phận riêng biệt, đó là bộ phận động lực và bộ phận điều khiển: Hình 3.4:Sơ đồ biến tần gián tiếp nguồn áp. + Phần động lực gồm có các phần sau : Hình 3.5: Sơ đồ mạch động lực. - Bộ chỉnh lƣu: có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều có tần số f1 thành dòng một chiều. - Bộ nghịch lƣu: là bộ rất quan trọng trong bộ biến tần, nó biến đổi dòng điện một chiều đƣợc cung cấp từ bộ chỉnh lƣu thành dòng điện xoay chiều có tần số f2. - 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. Nó có tác dụng sang bằng điện áp tải sau khi chỉnh lƣu. -Ngoài ra còn có bộ điều biến xung điện áp một chiều đƣợc sử dụng khi có sẵn nguồn một chiều cố định mà cần điều chỉnh điện áp ra tải. + Phần điều khiển: Là bộ phận không thể thiếu đƣợc quyết định sự làm việc của mạch động lực, để đảm bảo các yêu cầu tần số, điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch điều khiển quyết định. Chỉnh lƣu Lọc Băm Nghịch lƣu Bộ biến đổi ( mạch động lực ) Điều khiển U1, f1 U2, f2 63 Bộ điều khiển nghịch lƣu gồm 3 khâu: Hình 3.6:Sơ đồ của hệ thống điều khiển. - Khâu phát xung chủ đạo: là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển đƣa đến bộ phận phân phối xung điều khiển đến từng transisto IGBT. Khâu này đảm nhận điều chỉnh xung một cách dễ dàng, ngoài ra nó còn thể đảm nhận luôn chức năng khuếch đại xung. - Khâu phân phối xung: làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển vào khâu phát xung chủ đạo. - Khâu khuếch đại trung gian: có nhiệm vụ khuếch đại xung nhận đƣợc từ bộ phận phân phối xung đƣa đến đảm bảo kích thích mở van. 3.2. BỘ BIẾN TẦN VECTOR 3.2.1. Điều khiển vector Trong quá trình làm việc, tần số thay đổi tỉ lệ với tốc độ động cơ = F(f), khi tần số càng lớn thi tốc độ động cơ càng lớn. Tuy nhiên, thực tế khi ta thay đổi tần số của nguồn điện thì các giá trị : dòng điện, điện áp, độ trƣợt tới hạn, từ thông mạch stato cũng thay đổi theo. Để đơn giản quá trình điều khiển các tham số đó, thuật toán điều khiển đƣa ra nhằm mục đích tách riêng điều khiển độc lập mômen và từ thông, để nhận đƣợc tính chất điều chỉnh nhƣ máy điện một chiều. Đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập , các dòng điện ứng và phần kích từ là giao nhau nên các sức điện động đƣợc hình thành bởi chúng trong các cuộn dây cũng giao nhau. Mômen điện từ của động cơ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng và dòng kích từ, hai dòng điện này độc lập với nhau. Cho nên khi giữ dòng điện kích từ không đổi ta có thể điều Phát xung chủ đạo Phân phối xung Khuyếch đại xung Van 64 khiển mômen điện từ động cơ một chiều kích từ độc lập thông qua điều khiển dòng điện phần ứng, các thành phần sinh mômen và từ thông đƣợc điều khiển tách bạch. Những tính chất điều chỉnh cơ bản của máy điện kích từ độc lập nhƣ sau: - Máy điện một chiều có 2 kênh điều chỉnh, đó là cuộn kích từ và cuộn phần ứng. - 2 kênh điều chỉnh từ và điện hoàn toàn độc lập với nhau - Có thể điều chỉnh độc lập dòng phần ứng và từ thông - Véctơ từ thông tổng và dòng phần ứng iƣ không chuyển động trong không gian, do tác động của cổ góp và luôn luôn vuông góc với nhau, nên điều kiện tối ƣu tĩnh ở máy điện một chiều lúc nào cũng thỏa mãn. - Bằng cách sử dụng bộ biến đổi để điều chỉnh dòng rôto và điều chỉnh dòng kích từ, ta có thể tạo đƣợc từ thông và mômen ứng với thời gian điều khiển nhỏ nhất. Đối với động cơ không đồng bộ thì khác, bản thân động cơ không đồng bộ là hệ thống phụ thuộc, phi tuyến và có nhiều biến. Để có thể điều khiển động cơ không đồng bộ giống nhƣ động cơ một chiều kích từ độc lập thì một phƣơng pháp mới ra đời cho phép điều khiển tách bạch, độc lập các thành phần dòng điện Stator sinh mômen và từ thông. Trong quá trình quá độ thì mômen điện từ của máy điện xoay chiều khe hở đều phải tỷ lệ với tích của thành phần dòng điện sinh ra từ thông và thành phần dòng điện sinh momen trong không gian góc. Thƣờng để làm điều đó ta sử dụng các hệ toạ độ gắn với vectơ từ thông móc vòng stator, với vector từ thông móc vòng rôto, hoặc với vector từ thông từ hoá để xây dựng đƣợc biểu thức momen điện từ sao cho có thể giúp điều khiển độc lập các thành phần dòng điện sinh ra từ thông và sinh ra mômen. Máy điện dị bộ rôto lồng sóc chỉ có một lối vào điều khiển, đó là cuộn dây 3 pha stator. Dòng điện pha (ia,ib,ic) đặc trƣng bằng véctơ is chạy trong 65 các cuộn dây stato và cảm ứng trong rôto một dòng điện biểu diễn bằng vector ir . Trong hệ thống truyền động điều chỉnh, 3 cuộn dây stator đƣợc cấp điện từ bộ biến tần có điều chỉnh dòng stator. Tại mọi thời điểm, bộ biến tần sẽ xác định dòng is. Mối quan hệ điện từ của máy điện dị bộ, sẽ rất rõ ràng nếu ta nghiên cứu nó trong hệ vuông góc x, y gắn với từ thông rôto r .Véc tơ từ thông r luôn hƣớng theo trục x, không phụ thuộc vào tải và tốc độ động cơ. Nếu vector dòng stato is quay đồng bộ với từ thông rôto si = s thì ta đƣợc đồ thị véc tơ máy dị bộ không chuyển động trong hệ vuông góc trùng trục từ trƣờng rôto là x, y. Đem phân tích dòng is trong hệ này thành 2 thành phần isx và isy sao cho isx trùng với véc tơ từ thông rôto còn isy vuông góc với từ thông rôto. isy is m= isy x iA r ms s =TN d isx d s dt m=TN d dt m si a) b) iA iC=is( si+2 /3) iB=iscos( si+2 /3) if si=TN d si dt Hình 3.6: Máy điện dị bộ; a) Sơ đồ thay thế, b) Đồ thị vector Biểu thức mômen của động cơ dị bộ: m(t) = r M x x r issin (3.1) Vì issin = isy (3.2) Nên ta có: m(t) = r rN x T r r2= rr 1 r r2 (3.3) Từ biểu thức (3.3) ta thấy tốc độ máy điện dị bộ có thể điều chỉnh bằng: - Thay đổi tần số độ trƣợt r , khi giữ từ thông rôto không đổi. 66 - Thay đổi từ thông rôto r khi giữ tần số độ trƣợt r không đổi - Thay đổi đồng thời các đại lƣợng trên đây Việc lựa chọn đại lƣợng điều khiển nào thì hoàn toàn phụ thuộc vào tính chất động và tĩnh của hệ truyền động. Tuy nhiên, có thể khẳng định rằng, điều khiển giữ cho r =const có tính chất động tốt hơn là điều khiển giữ cho tốc độ độ trƣợt không đổi ( r =const). Khi thay đổi đồng thời r và r ta có thể đạt đƣợc đặc tính tối ƣu tĩnh và động tốt hơn. Trên cơ sở đó, các tham số điều khiển: dòng điện, điện áp, từ thông mạch stator, mômen, tốc độcủa động cơ đƣợc biến đổi qua trục tọa độ từ thông rôto cho phép điều khiển từ thông và mômen độc lập nhau thông qua điều khiển các giá trị tức thời của dòng điện hoặc giá trị tức thời của điện áp. Nếu xét trên hệ trục (d,q), nếu ta sử dụng công thức: M= KmIdsIqs (khi chọn trục d trùng với chiều vectơ từ thông rôto) có thể điều khiển M bằng cách điều chỉnh độc độc lập các thành phần dòng điện trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với vectơ từ thông rôto. Lúc này vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ tƣơng tự điều khiển động cơ điện một chiều. Ở đây thành phần dòng điện Ids đóng vai trò tƣơng tự nhƣ dòng điện kích từ động cơ một chiều (Ikt) và thành phần dòng Iqs tƣơng tự nhƣ dòng phần ứng động cơ một chiều (Iƣ) . * Ƣu điểm: Đáp ứng mô men tốt Điều khiển tốc độ chính xác Mô men cực đại ở tốc độ thấp Đặc tính tƣơng đƣơng với động cơ một chiều * Nhƣợc điểm: Cần bộ điều chế độ rộng xung Yêu cầu phải tính toán đƣợc giá trị dòng điện phản hồi 67 3.2.2. Bộ biến tần vector Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần vector 3.2.2.1. Mạch chỉnh lƣu: Bộ chỉnh lƣu có chức năng biến nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều, ở đây ta dùng mạch chỉnh lƣu hình cầu không điều khiển, bộ chỉnh lƣu bao gồm các nhóm van diode + Van có tác dụng đóng mở tạo thành dòng một chiều. So với chỉnh lƣu khác thì chỉnh lƣu hình cầu có đặc điểm sau: + Có điện áp đặt lên van nhỏ hơn + Điện áp đầu ra có độ nhấp nhô thấp, chất lƣợng điều chỉnh tốt hơn. + Nhƣng ở sơ đồ hình cầu có diode nhiều van nên giá thành đắt hơn . Hình 3.8: Sơ đồ mạch chỉnh lƣu ba pha hình cầu. D1 D2 D3 D4 D5 D6 68 Hình 3.9:Sơ đồ nguyên lý dạng sóng của mạch. 3.2.2.2. Mạch lọc: Bộ lọc là phần tử trung gian giữa nguồn chỉnh lƣu và bộ nghịch lƣu nhằm san phẳng điện áp và dòng điện chỉnh lƣu. Điện áp ra của bộ chỉnh lƣu vốn không bằng phẳng mà nhấp nhô. Hiện tƣợng nhấp nhô tạo ra các thành phần sóng hài gây nên sự tiêu phí năng lƣợng một cách vô ích, làm giảm hiệu suất của mạch chỉnh lƣu. Do đó để dòng điện áp ít thay đổi ta cần có bộ lọc. U Ud ia ib t t t t t ic U2b U2a U2c 69 Hình 3.10: Bộ lọc dùng tụ điện Đặc tính cơ bản của bộ lọc là cho phép dòng điện có tần số nào đó thông qua và ngăn trở các dòng điện tần số khác. Trong lĩnh vực điện tử công suất thƣờng sử dụng ba loại bộ lọc: -Bộ lọc dùng tụ điện C: Tụ C mắc song song với tải. Tụ không cho thành phần 1 chiều đi qua mà chỉ cho thành phần xoay chiều đi qua và một ít sóng hài bậc thấp. Điện dung càng lớn, dòng và áp trên tải càng đỡ nhấp nhô và hiệu quả lọc càng cao. -Bộ lọc dùng cuộn cảm L hay còn gọi là cuộn kháng san bằng: Cuộn cảm L mắc nối tiếp với tải, nó có tác dụng cho dòng điện một chiều đi qua dễ dàng, ngăn cản thành phần xoay chiều đi qua và do đó có thể giảm đƣợc độ nhấp nhô dòng và áp. Bộ lọc này thích hợp với tải công suất vừa và lớn. Hình 3.11: Bộ lọc dùng cuộn cảm -Bộ lọc dùng cả cuộn cảm L và tụ điện C: Bộ này sử dụng tổng hợp ƣu điểm tác dụng của cuộn cảm L và tụ điện C để lọc. Do đó các sóng hài càng đƣợc giảm nhỏ trƣớc khi tải ra và nhƣ vậy dòng điện ra tải và điện áp đặt lên tải rất ít nhấp nhô. Tăng chất lƣợng cung cấp điện cho tải, cũng nhƣ tạo sự an R U L 70 toàn làm việc cho bộ nghịch lƣu ta sử dụng bộ lọc tổng hợp điện cảm L và tụ điện C. Vì những ƣu điểm trên, trong thiết kế này ta dùng bộ lọc LC. *Sơ đồ mạch lọc sau chỉnh lƣu: Hình 3.12: Sơ đồ mạch lọc sau chỉnh lƣu. 3.2.2.3. Mạch nghịch lƣu: - Mạch nghịch lƣu: rất quan trọng trong bộ biến tần, nó biến đổi dòng điện một chiều đƣợc cung cấp từ bộ chỉnh lƣu thành dòng điện xoay chiều có tần số f2. - Trên hình 3.13 biểu diễn bộ biến tần vector dùng transisto IGBT, sơ đồ gồm 6 transisto IGBT: T1, T2 ,T3, T4, T5 , T6 nối theo sơ đồ cầu. Do các transisto IGBT không có khả năng chịu đƣợc điện áp âm nên ta dùng các diode mắc song song với các transisto IGBT để bảo vệ transisto IGBT khỏi điện áp ngƣợc. Trong sơ đồ các transisto IGBT T1, T3, T5 mắc chung cực colectơ ở phía dƣơng và các transisto IGBT T2, T4, T6 mắc chung cực emitơ về phía âm của nguồn điện một chiều Ud. *Nguyên lý hoạt động: Ud C + _ L Chỉnh Lƣu U 71 Hình 3.13: Sơ đồ bộ nghịch lƣu. Tụ C và cuộn dây có nhiệm vụ đảm bảo điện áp và dòng của nguồn ít bị thay đổi, mặt khác nó trao đổi năng lƣợng phản kháng với cuộn cảm. Phƣơng pháp điều khiển các van transisto IGBT thông thƣờng nhất là điều khiển cho góc mở của van là 0180 và 0120 . Ở đây ta xét góc dẫn với tải đấu sao nhƣ thiết kế bằng cách xác định điện áp trên tải trong từng khoảng thời gian 060 (vì cứ 060 có một sự chuyển trạng thái mạch) với nguyên tắc van nào dẫn coi là thông mạch. Nhìn chung sơ đồ này có dạng một pha tải nối tiếp với 2 pha đấu song song nhau. Do vậy điện áp trên tải sẽ chỉ có giá trị là 3 ZU (khi một pha đấu song song, với một trong hai pha còn lại) hoặc 2 3 ZU khi nó đấu nối tiếp với nhánh song song kia. Với giả thiết là tải đối xứng. *Nguyên tắc chuyển mạch: Cho góc mở của mỗi transisto IGBT là 0180 và cứ 060 tiếp theo (kể từ khi transisto IGBT trƣớc đó mở thì cho 1 transisto IGBT khác mở). Nhƣ vậy trong cùng 1 thời gian có 3 transisto IGBT mở. U C T1 T2 T3 T4 T5 T6 D1 D2 D3 D4 D5 D6 Za Zb Zc L 72 Bảng 3.1: Trạng thái quá trình mở các transisto IGBT Xét quá trình chuyển mạch từ T5 sang T2 tƣơng ứng khoảng từ ( 0 00 60 ) sang ( 0 060 120 ). Trong khoảng ( 0 00 60 ) thì T1, T5, T6 dẫn. Chiều dòng điện trên tải đƣợc xác định theo chiều mũi tên, đến thời điểm 60o thì đảo trạng thái từ T5 sang T2. Do trên tải ZC mang tính cảm nên dòng điện không đảo ngay lập tức mà năng lƣợng tích lũy trong ZC duy trì theo chiều cũ một thời gian, lúc đó buộc dòng diện duy trì phải thoát qua diode D2, qua tải về âm nguồn đến lúc dòng điện đổi chiều sẽ mang dòng điện duy trì thì D2 khoá. Quá trình chuyển mạch kết thúc. Cũng lý luận tƣơng tự ta đƣợc chuyển mạch hình (b) đến hình (f). T 0 60o 60 120o o 120 180 o o 180 240 o o 240 300o o 300 360 o o T1 1 1 1 0 0 0 T2 0 1 1 1 0 0 T3 0 0 1 1 1 0 T4 0 0 0 1 1 1 T5 1 0 0 0 1 1 T6 1 1 0 0 0 1 T1 T6 T5 Za Zb Zc T1 T2 T6 Za Zb Zc 73 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý chuyển mạch của bộ nghịch lƣu. Ta tính điện áp trên từng pha tải, trƣớc tiên là pha A: Trong khoảng 0 00 60 (hình a) 1 3 f A ZU U Trong khoảng 0 060 120 (hình b) 2 3 f A ZU U Trong khoảng 0 0120 180 (hình c) 1 3 f A ZU U Trong khoảng 0 0180 240 (hình d) 1 3 f A ZU U T4 T2 Za Zb Zc T3 T1 T2 Za Zb Zc T3 T4 T5 Za Zb Zc T3 T4 T5 Za Zb Zc T6 74 Trong khoảng 0 0240 300 (hình e) 2 3 f A ZU U Trong khoảng 0 0300 360 (hình f) 1 3 f A ZU U Tƣơng tự ta tính đƣợc các pha B,C Hình 3.15: Dạng sóng mạch nghịch lƣu. T4 io Uc Ub T5 T6 Ua T3 T1 T2 75 Bảng 3.2: Chuyển trạng thái của diode: 0 o 60 o 120 o 180 o 240 o 300 o D1 1 0 0 0 0 0 D2 0 1 0 0 0 0 D3 0 0 1 0 0 0 D4 0 0 0 1 0 0 D5 0 0 0 0 1 0 D6 0 0 0 0 0 1 *Vai trò của các diode: Hoàn trả dòng phản kháng. Xét quá trình chuyển mạch của nhịp T5,T6,T1 sang nhóm T6,T1,T2. Trƣớc khi chuyển mạch mà sau khi chuyển dòng trong pha 2 và 3 thay đổi, ta có điện áp cảm ứng là: 2 2 2 3 3 3 L L di U L dt di U L dt Hai điện áp này nối tiếp nhau và có giá trị lớn có cực dƣơng đặt tại 2 và cực tính âm đặt tại 3. Nếu không có diode mắc song song với T2 thì điện áp nói trên đặt lên transisto IGBT T2 và có giá trị lớn nên có thể đánh thủng transisto IGBT này. 3.3. ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA THÔNG QUA BỘ BIẾN TẦN 3.3.1. Đặt vấn đề Trƣớc kia, khi khoa học kỹ thuật chƣa thực sƣ phát triển thì vấn dề điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha gặp rất nhiều khó khăn, phạm vi ứng dụng điều chỉnh hẹp, chủ yếu sử dụng dộng cơ môt chiều có đặc 76 tinh điều chỉnh đơn giản. Tuy nhiên với dộng cơ không đồng bộ có những ƣu điểm mà các động cơ khác không có: giá thành rẻ, dễ vận hành, có thể làm việc ở môi trƣờng dễ cháy nổ, liên tục và dài hạn, đấu nối trực tiếp với nguồn điện 3 pha Nhờ những ƣu điểm này mà các động cơ không đồng bộ xoay chiều ngày càng đực sử dụng rộng rãi. Động cơ không đồng bộ 3 pha có cấu trúc rất phức tạp nên ta thấy có rất nhiều tham số cần điều chỉnh khiến cho bài toán điều khiển khó khăn trong việc điều khiển độc lập các tham số này cung nhƣ việc xây dựng mô hình điều khiển .Có rất nhiều phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ, một trong số đó la phƣơng phap điều chỉnh tần số. Muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số ta phải có một bộ nguồn xoay chiều có thể điều chỉnh tần số điện áp một cách đồng thời thông qua một biến tần. Để tạo ra các bộ biến tần có U và f thay đổi đƣợc ngƣời ta đã thiết kế ra nhiều loại biến tần nhƣng trong đồ án này ta chỉ xét đến bộ biến tần nguồn áp làm việc theo nguyên lý điều biến độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation). Bộ biến tần này đáp ứng đƣợc yêu cầu điều chỉnh, đồng thời nó còn tạo ra đƣợc điện áp và dòng điện gần giống hình sin.Đây là phƣơng pháp điều chỉnh triệt để cho phép thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số.Trong các hệ điều khiển chúng ta thƣờng gặp PLC điều khiển tốc độ động cơ thông qua biến tần. 3.3.2. Cấu trúc của hệ PLC- biến tần- động cơ không đồng bộ Hệ truyền động PLC- biến tần- động cơ không đồng bộ điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số kết hợp vơi thay đổi điện áp theo luật U/ f = const.Khi điện áp tăng thì tần số cũng tăng theo và ngƣợc lại. Cấu trúc của hệ truyền động này nhƣ sau: 77 Hình 3.16: Cấu trúc hệ PLC- Biến tần- Động cơ không đồng bộ Trong hệ điều khiển này ta coi biến tần- động cơ không đồng bộ là một khối đối tƣợng cần điều chỉnh và bộ điều khiển chính la PLC.Trông đó tín hiệu vào là điện áp và tần số, tín hiệu ra là tốc độ. Bộ biến tần nhƣ thế là một khâu động học và có thể biểu diễn nhƣ hỉnh 3.16: 3.3.3. Đặc điểm của hệ PLC- biến tần- động cơ không đồng bộ Với hệ điều khiển PLC- biến tần- động cơ không đồng bộ, đặc tính cơ của hệ cứng, phạm vi điều chỉnh rộng, độ bền cao, tổn thất năng lƣợng ít,hệ thống linh hoat, phƣơng pháp điều khiển khiển mềm thay đổi thông qua PLC mà không phải thay đổi cấu trúc phần cứng. Trong hệ điều khiển này, máy tính vừa thực hiện điều khiển và giám sát quá trình điều khiển thông qua PLC, PLC đƣa tín hiệu điều khiển vào biến tần và tự động điều chỉnh khi có tín hiệu phản hồi vị trí góc đƣa về, biến tần lấy tín hiệu vị trí góc và điều chỉnh động cơ. T i si siz is isz Hình 3.17: Bộ biến tần có điều chỉnh dòng stato nhƣ một khâu động học 78 3.3.4.Các ví dụ ứng dụng Trong các ngành công nghiệp nặng hiện nay(trong các nhà máy sản xuất xi măng, sản xuất giấy, sản xuất thép..) các động cơ đƣợc thiết kế để hoạt động liên tục, dài hạn, trong những môi trƣờng làm việc rất khắc nghiệt. Vì vậy yêu cầu đặt ra cho các động cơ này là phải có hiệu suất và độ tin cậy,dễ lắp đặt và bảo dƣỡng. Thông thƣờng các động cơ đƣợc sử dụng chủ yếu là đông cơ không đồng bộ rôto lồng sóc khởi đọng mềm hoặc thông qua biến tần để khởi động dễ dàng, giảm dòng khởi động và không gây biến động lớn cho điện áp nguồn cung cấp.Kết hợp với PLC để điều khiển tốc độ theo chu kỳ hay khoảng thời gian đặt sẵn,dáp ứng yêu cầu công nghệ. Hệ điều khiển này có thể tiết kiệm ít nhất 30% năng lƣợng tiêu thụ. Trong các hệ truyền động cầu trục cần trục hiện nay cũng đƣợc áp dụng kỹ thuật điều khiển PLC để đơn giản hóa hệ thống, tăng độ tin cậy cho các cầu trục cần trục khi đặc tính điều chỉnh có yêu cầu không cao trong việc thực hiện công nghệ bốc xếp hàng hóa ở các cảng biển. Hệ điều khiển cầu trục cần trục thƣờng dùng PLC kết hợp với biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. Hệ thống này dùng trong cầu trục cần trục có nhiều ƣu diểm nhƣ tạo ra đƣợc nhiều cấp tốc độ vì vậy hệ thống hoạt động êm, độ giật nhỏ, khả năng tự động hóa cao cho từng cần trục và cho cả hệ thống điều khiển khu vực cảng bốc xếp hàng hóa. 79 CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG PLC S7- 300 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ RÔTO LỒNG SÓC THÔNG QUA BỘ BIẾN TẦN ALTIVAR 31 CUA HÃNG SCHNIEDER 4.1. BỘ BIẾN TẦN ALTIVAR 31 CỦA HÃNG SCHNIEDER 80 4.1.1. Cấu tạo Hình 4.1: Cấu tạo của bộ biến tần Altivar 31 Trên hình 4.2 biểu diễn bộ biến tần ATV 31 dùng transisto IGBT, sơ đồ gồm 6 transisto IGBT: T1, T2 ,T3, T4, T5 , T6 nối theo sơ đồ cầu. Do các transisto IGBTkhông có khả năng chịu đƣợc điện áp âm nên ta dùng các điôt mắc song song với các transito để bảo vệ transito khỏi điện áp ngƣợc. Trong sơ đồ các transisto T1, T3, T5 mắc chung cực colectơ ở phía dƣơng và các transisto T2, T4, T6 mắc chung cực emitơ về phía âm của nguồn điện một chiều Ud.Vì bộ biến tần gián tiếp PWM dùng transisto IGBT nên điện áp ra trên tải lặp lại điện áp điều khiển trên cực cửa của transisto IGBT, có nghĩa là 81 điện áp ra trên tải của bộ biến tần cũng có dạng xung hình chữ nhật với những độ rộng khác nhau giống nhƣ điện áp điều khiển. Điện áp pha và dây của bộ biến tần 3 pha Altivar 31 biểu diễn trên hình 4.3: Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần Altivar 31 dùng transisto IGBT H.10.14 Điện áp điều khiển tran-si-to của bộ biến tần PWM ua Hình 4.3: Điện áp pha và dây bộ biến tần Altivar 31 dùng tran-si-to IGBT 82 Hình 4.4: Dạng sóng điện áp và dòng điện đầu ra biến tần Altivar 31 Bộ biến tần có những ƣu điểm sau: Dạng dòng điện tốt hơn, nếu biến tần dùng IGBT hoặc GTO thì dòng điện gần hình sin, mô men sinh của động cơ có giá trị không đổi và không chứa sóng bậc thấp, nên khởi động động cơ êm hơn. 4.1.2. Các đầu vào/ra * Nguồn cấp: điện áp 380 † 500 V, tần số 50 Hz qua các chân L1, L2, L3 * Đầu ra cấp cho động cơ: thông qua các chân U/T1, V/T2, W/T3 * Các đầu vào analog: AI1: tham chiếu tốc độ 0-10V, chƣa gán đối với ATV31xxxxxxA. AI2: tham chiếu tốc độ tổng 0±10V. AI3: 4-20mA chƣa gán chức năng * 2 đầu ra analog: AOV(0÷ 10 V), AOC(4÷ 20 mA) * Các đầu vào rơle báo lỗi: R1a, R1B, R1C, R2A, R2B. * Các đầu vào logic: LI1LI6, CLI trong đó: LI1, LI2 (vận hành 2 chiều): điều khiển 2-dây theo trạng thái, LI1=thuận, LI2=nghịch. LI3, LI4: dùng để chọn 4 tốc độ đặt trƣớc (tốc độ 1= tốc độ tham chiếu hoặc bằng 0, tốc độ 2 = 10Hz, tốc độ 3 = 15Hz, tốc độ 4 = 20Hz). 83 LI5-LI6: chƣa gán chức năng CLI: kết nối với PLC * Cổng truyền thông :RS 485 Hình 4.5: Các cổng vào/ ra của Altivar 31 4.1.3. Các chức năng chính Điều khiển tốc độ bằng phƣơng pháp định hƣớng theo vector từ thông Giám sát và điều khiển hoạt động qua công giao tiếp Bảo vệ cho biến tần và động cơ Đƣợc trang bị tính năng hãm trình tự Tích hợp bộ hiệu chỉnh PI, có thể chọn trƣớc tốc độ cài đặt Chức năng tự động dò thông số "auto-tuning" Chức năng điều khiển theo sức căng chuyên dụng cho ngành dệt Có tích hợp sẵn bộ lọc nhiễu điện từ lớp A hoặc có thể lắp thêm bộ lọc nhiễu lớp B Tích hợp hình thức giao tiếp kiểu Modbus, CANopen, Profibus DP, Device Net, Ethernet Lắp sẵn và có thể sử dụng ngay 84 4.1.4. Menu lập trình Hình 4.6: Menu lập trình Altivar 31 Vài thông số có thể đƣợc truy cập trong một số menu để tăng sự tiện dụng. Nhập các cài đặt. Trở về mặc định. Phục hồi và lƣu cấu hình. 85 4.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ỨNG DỤNG PLC S7- 300 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA THÔNG QUA BỘ BIẾN TẦN ATIVAR 31 4.2.1. Xây dựng mạch điều khiển sử dụng rơle điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha thông qua bộ biến tần Altivar 31 4.2.1.1. Mạch điều khiển sử dụng rơle Hình 4.7: Mạch điện sử dụng rơle 86 Bảng 4.1: Ký hiệu trong mạch điều khiển sử dụng rơle Stop Dừng hoạt động Start Bắt đầu hoạt động R1 Rơle trung gian 1 R2 Rơle trung gian 2 R3 Rơle trung gian 3 Ra Rơle nguồn áp RLN Rơle nhiệt RT1 Rơle thời gian 1 RT2 Rơle thời gian 2 RT3 Rơle thời gian 3 CT Contactor chính cấp nguồn cho biến tấn 4.2.1.2. Nguyên lý hoạt động Nhấn start, các cuộn hút của rơle Ra, contactor CT, rơle thời gian RT1 có điện, tiếp điểm duy tri của rơle Ra đóng lai, tiếp điểm chính của contactor CT đóng lại cấp nguồn cho động cơ thông qua biến tần Altivar 31, động cơ chạy với tốc độ định mức, tƣơng ứng với tần số cấp cho động cơ là 50 Hz. Sau khoảng thời gian là 30s rơle thời gian RT1 hút các tiếp điêm thƣờng mở của nó đóng lại, cấp nguồn cho các cuộn hút rơle R1, rơle thời gian RT2. Các tiếp điểm thƣờng mở của R1 đóng lại, chân logic LI3 đƣợc kịch hoạt chuyển từ trang thái “0” lên trạng thái “1”, động cơ sẽ chạy với tốc độ 1 tƣơng ứng với tần số cấp cho động cơ là 10 Hz. 87 Sau khoảng thời gian là 30s rơle thời gian RT2 hút các tiếp điêm thƣờng mở của nó đóng lại, cấp nguồn cho các cuộn hút rơle R2, rơle thời gian RT3. Các tiếp điểm thƣờng mở của R2 đóng lại, chân logic LI4 đƣợc kịch hoạt chuyển từ trang thái “0” lên trạng thái “1”. Đồng thời cuộn hút R1 bị cắt nguồn do thƣờng đóng của R2 mở ra, chân logic LI3 không đƣợc kích hoạt chuyển tứ trạng thái “1” xuống trạng thái “0”. Động cơ sẽ chạy với tốc độ 2 tƣơng ứng với tần số cấp cho động cơ là 15 Hz. Sau khoảng thời gian là 30s rơle thời gian RT3 hút các tiếp điêm thƣờng mở của nó đóng lại, cấp nguồn cho các cuộn hút rơle R3. Các tiếp điểm thƣờng mở của R2 đóng lại, chân logic LI4 và LI3 đều đƣợc kịch hoạt chuyển từ trang thái “0” lên trạng thái “1”. Động cơ sẽ chạy với tốc độ 3 tƣơng ứng với tần số cấp cho động cơ là 20 Hz. Nhấn Stop động cơ dừng hoạt động. 4.2.1.3. Các bảo vệ Bảo vệ không: tiếp điểm duy trì của Ra Bảo vệ quá tải nhiệt: rơle nhiệt RLN Bảo vệ mất pha: thông qua bộ biến tần Altivar 31 4.2.2. Ứng dụng PLC điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha thông qua bộ biến tần Altivar 31 4.2.2.1. Sơ đồ khối hệ thống ứng dụng PLC điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha thông qua bộ biến tần Altivar 31 88 Hình 4.8: Sơ đồ khối Biến tần ATV 31 PLC S7- 300 Động cơ KDB 3 pha Máy tính Nguồn 3 pha 89 4.2.2.2. Mạch nguồn 24 V/DC Hình 4.9: Sơ đồ khối mạch nguồn 24V/DC Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 24V/DC Mạch nguồn 24 V/DC bao gồm: Biến áp BA 220/18 V/3A: Nhiệm vụ chủ yếu là biến đổi năng lƣợng điện xoay chiều có điện áp 220V/50Hz thành năng lƣợng điện xoay chiều có điện áp 18V/50Hz . 90 Hình 4.11: Biến áp sử dụng trong mô hình * Chỉnh lƣu cầu 1pha CL/3A: Chức năng chính la chỉnh lƣu dòng xoay chiều 18V/AC thành dòng một chiều 24V/DC Hình 4.12: Cầu chỉnh lƣu sử dụng trong mô hình * Tụ lọc C1 1000 µF: Hình 4.13: Tụ lọc sử dụng trong mô hình * Nguyên lý hoạt động của mạch nguồn 24V/DC: 91 Điện áp 220VAC qua biến áp giảm xuống 18VAC. Điện áp này qua cầu chỉnh lƣu sẽ chuyển thành điện áp một chiều và đƣợc nhân với căn 2 (khoảng 1.4) vào khoảng 24 VDC đƣợc đƣa qua tu lọc. Tụ điện có tác dụng lọc thành phần sóng hài bậc cao và san phẳng điện áp một chiều nhấp nhô sau cầu chỉnh lƣu để tạo ra điện áp một bằng phẳng hơn. Mạch nguồn 24V/DC dùng để cấp nguồn cho các rơle 24 V/DC. Hình 4.14: Sơ đồ điện thực tế mạch nguồn 24V/DC 4.2.2.3. Sơ đồ điện ứng dụng PLC điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha thông qua bộ biến tần Altivar 31 * Sơ đồ: 92 Hình 4.15: Sơ đồ điện ứng dụng PLC S7- 300 để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha thông qua bộ biến tần Altivar 31 Gồm: Nguồn điện 3 pha 380V/50Hz: Cấp nguồn cho bộ biến tần Altivar 31 điều khiển động cơ. Nguồn điện 1 pha 220V/50Hz: cấp nguồn cho bộ PLC S7- 300 và CL 24V/DC. 93 Bộ PLC S7- 300: điều khiển cấp nguồn cho cuộn hút của các rơle trung gian. Mạch nguồn 24V/DC: chỉnh lƣu thành điện áp một chiều cấp cho PLC S7- 300 và cấp nguồn cho rơle trung gian. 2 nút nhấn: Start dùng để khởi động động cơ, cho hệ thống băt đầu hoạt động. Stop dùng để dừng động cơ. 2 rơle trung gian: chuyển tín hiệu từ PLC S7-300 tới các chân logic của Altivar 31. Hình 4.16: Rơle trung gian sử dụng trong mô hình Bộ biến tần Altivar 31: dùng để điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số cấp cho động cơ. Động cơ không đồng bộ 3 pha( DC KDB). * Nguyên lý hoạt động: 94 Tiến hành cấp nguồn 380V/50Hz cho bộ biến tần Altivar 31, cấp nguồn 220V/50Hz cho bộ PLC S7- 300 và mạch nguồn 24V/DC. Nhấn nút Start, động cơ chạy vơi tốc độ định mức tƣơng ứng nguồn điện có tần số 50Hz. Sau khoảng thời gian 30s, rơle trung gian RL1 Nhận đƣợc tín hiệu từ PLC S7-300, cuộn hút của nó hút các tiếp điểm thƣờng mở của RL1 đóng lại, xuất hiện dòng từ chân 24V tới chân logic LI3 của bộ biến tần Altivar 31, chân logic này chuyển từ trạng thái logic “0” lên trạng thái logic “1”. Động cơ không đồng bộ hoạt động ở cấp tốc độ 1 tƣơng ứng với nguồn cấp cho động cơ có tần số 10Hz. Sau khoảng 30s tiếp theo, rơle trung gian RL2 nhận đƣợc tín hiệu từ PLC S7-300, cuộn hút của nó hút các tiếp điểm thƣờng mở của RL2 đóng lại, xuất hiện dòng từ chân 24V tới chân logic LI4 của bộ biến tần Altivar 31, chân logic này chuyển từ trạng thái logic “0” lên trạng thái logic “1”. Đồng thời RL1 không nhận đƣợc tín hiệu từ PLC, nên chân logic LI3 chuyển từ trạng thái “1” xuống trạng thái “0”.Động cơ không đồng bộ tăng tốc hoạt động ở cấp tốc độ 2 tƣơng ứng với nguồn cấp cho động cơ có tần số 15Hz. Sau khoảng thời gian 30s, rơle trung gian RL1 lại nhận đƣợc tín hiệu từ PLC S7-300, cuộn hút của nó hút các tiếp điểm thƣờng mở của RL1 đóng lại, xuất hiện dòng từ chân 24V tới chân logic LI3 của bộ biến tần Altivar 31, chân logic này chuyển từ trạng thái logic “0” lên trạng thái logic “1”. Lúc này, cả LI3 và LI4 đều ở trạng thái logic “1”. Động cơ không đồng bộ tăng tốc hoạt động ở cấp tốc độ 3 tƣơng ứng với nguồn cấp cho động cơ có tần số 20Hz. Nhấn Stop để dừng hoạt động của hệ thống. 4.2.2.4. Các biến vào/ra * Các biến vào 95 Bảng 4.2: Các biến đầu vào Tên Chức năng I124.0 Start_ Bắt đầu hoạt động I124.1 Stop_ Dừng hoạt động * Các biến ra Bảng 4.3: Các biến đầu ra Tên Chức năng Q124.0 Q124.1 4.2.2.5. Chƣơng trình điều khiển Phụ lục 1: 96 KẾT LUẬN Sau một thời gian dài nghiên cứu tài liệu và thực hiện đề tài “. . .” đã giúp em có cái nhìn tổng quan về hệ thống điều khiển tự động và xây dựng thành công mô hình ứng dụng PLC S7- 300 để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha thông qua bộ biến tần Altivar 31. Đồng thời giúp em củng cố lại kiến thức về PLC, máy điện, trang bị điện, truyền động điệnđã học trong suốt thời gian vừa qua Đây là một đề tài không hoàn toàn là mới nhƣng nó rất phù hợp với thực tế sản xuất hiện nay, càng đi sâu nghiên cứu càng thấy nó hấp dẫn và thấy đƣợc vai trò của nó trong việc điều khiển tự động. Tuy nhiên để lập trình thành công PLC còn đòi hỏi một tầm hiểu biết nhất định về điện tử, tin họcnên em cũng gặp không ít khó khăn.Trong quá trình làm đồ án, mặc dù đã rất cố gắng nhƣng do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc sự chỉ bảo đóng góp của các thầy, cô giáo và các bạn để đồ án này đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn Th.S Nguyễn Đức Minh, ngƣời đã trực tiếp tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện cho em nghiên cứu, xây dựng thành công mô hình và hoàn thành đồ án này. Em xin cám ơn thây cô giáo trong bộ môn, các bạn sinh viên lớp DC1102 đã đƣa ra nhiều góp ý để hoàn thiện đồ án. Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng năm 2011 Sinh viên thực hiện Đỗ Đức Toàn 97 Tài liệu tham khảo [1]. Nguyễn Doãn Phƣớc - Phan Xuân Minh - Vũ Văn Hà (2000), Tự động hoá với Simatic S7-300, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. [2]. Phan Quốc Phô - Nguyễn Đức Chiến (2008), Giáo trình cảm biến, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. [3]. Tài liệu kỹ thuật S7-300/ S7-400 của Siemens. [4]. Tài liệu kỹ thuật bộ biến tần Altivar 31 của Schnieder. [5]. PGS.TSKH Thân Ngọc Hoàn. Máy điện. Nhà xuất bản xây dựng, Hà nội -2005 [6]. PGS.TSKH Thân Ngọc Hoàn. Mô phỏng hệ thống điều tử công suất và truyền động điện. Nhà xuất bản xây dựng, Hà nội -2002 [7]. PGS.TSKH Thân Ngọc Hoàn. Điều khiển tự động các hệ thống truyền động điện. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội- 2007 [8]. Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh. Điện tử công suất. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội -2005 [9]. Nguyễn Phùng Quang. Điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha. Nhà xuất bản giáo dục -1996 [10]. http:// WWW. Google.com.vn. [11]. http:// WWW. Tailieu.vn. 98 Phụ lục 1 99