Đồ án Tìm hiểu các bộ điều khiển bộ biến tần nguồn áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

ISO 9001:2015

TÌM HIỂU CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN

NGUỒN ÁP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

HẢI PHÒNG - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

ISO 9001:2015

TÌM HIỂU CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN

NGUỒN ÁP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

Sinhviên

: Đào Viết Định

Giáo viên hướng dẫn : GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn

HẢI PHÒNG - 2019

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

----------------o0o-----------------

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Mã sinh viên: 1412102092

Sinh viên: Đào Viết Định

Lớp: ĐC 1802

Ngành: Điện tự động công nghiệp

Tên đề tài: Tìm hiểu các bộ điều khiển bộ biến tần nguồn áp

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI

1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp (về

lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bảnvẽ)

.............................................................................................................................

2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán

.............................................................................................................................

3. Địa điểm thực tập tốtnghiệp:

.............................................................................................................................

CÁC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Người hướng dẫn thứ nhất:

Họ và tên

:

Thân Ngọc Hoàn

Học hàm, học vị

Cơ quan công tác

GS.TSKH

:

Trường Đại học dân lập Hải Phòng

Toàn bộ đề tài

Nội dung hướng dẫn :

Người hướng dẫn thứ hai:

Họ và tên

:

Học hàm, học vị

Cơ quan công tác

:

Nội dung hướng dẫn :

Đềtàitốtnghiệpđượcgiaongày 15 tháng 10 năm 2018 Yêu

cầu phải hoàn thànhtrướcngày 7 tháng 1 năm2019

Đã nhận nhiệm vụ: Đ.T.T.N

Sinh viên

Đã nhận nhiệm vụ: Đ.T.T.N

Cán bộ hướng dẫn Đ.T.T.N

GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn

Đào Viết Định

Hải Phòng, ngày.....tháng.....năm 2019

HIỆU TRƯỞNG

GS.TS.NGƯT Trần Hữu Nghị

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TỐT NGHIỆP

Họ và tên giảng viên: ...................................................................................................

Đơn vị công tác:

........................................................................ ..........................

Họ và tên sinh viên:

.......................................... Chuyên ngành: ...............................

Nội dung hướng dẫn: .......................................................... ........................................

....................................................................................................................................

1. Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp

....................................................................................................................................

2. Đánh giá chất lượng của đồ án/khóa luận (so với nội dung yêu cầu đã đề ra

trong nhiệm vụ Đ.T. T.N trên các mặt lý luận, thực tiễn, tính toán số liệu…)

....................................................................................................................................

3. Ý kiến của giảng viên hướng dẫn tốt nghiệp

Được bảo vệ

Không được bảo vệ

Điểm hướng dẫn

Hải Phòng, ngày … tháng … năm ......

Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN CHẤM PHẢN BIỆN

Họ và tên giảng viên: ..............................................................................................

Đơn vị công tác:

Họ và tên sinh viên:

Đề tài tốt nghiệp:

........................................................................ .....................

...................................... Chuyên ngành: ..............................

......................................................................... ....................

....................................................................................................................................

............................................................................................................

1.Phần nhận xét của giáo viên chấm phản biện

........................................................................................................................

2. Những mặt còn hạn chế

........................................................................................................................

3. Ý kiến của giảng viên chấm phản biện

Được bảo vệ

Không được bảo vệ

Điểm hướng dẫn

Hải Phòng, ngày … tháng … năm ......

Giảng viên chấm phản biện

(Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

LỜI MỞ

ĐẦU……………………………………………………………………………………………………

………………..1

CHƯƠNG 1 : CẤU TẠO CỦA BIẾN TẦN

INVERTER ………………………………………………………………..2

1.1 TÌM HIỂU BIẾN TẦN.............................................................................2

1.1.1 Khái niệm biến tần ................................................................................2

1.1.2 Phân loại biến tần ..................................................................................2

1.1.3 Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp. ..................................2

1.2. SƠ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG ....................................5

1.2.1. Sơ đồ khối ............................................................................................5

1.2.2. Nguyên lí hoạt động: ..........................................................................1 0

1.2.3. Các chức năng của màn hình hiển thị và các phím :............................ 11

1.3. CÁC THAM SỐ CÀI ĐẶT:...................................................................2 1

1.3.1. Các chức năng ứng dụng của tham số ................................................2 2

CHƯƠNG 2: BIẾN TẦN NGUỒN

ÁP……………………………………………………………………………………46

2.1.

Khái niệm .......................................................................................... 46

2.2. Các loại biến tần nguồn áp ..................................................................4 7

2.2.1. Biến tần nguồn áp một pha (Bộ nghịch lưu áp cầu một pha) ...........4 7

2.2.2. Hệ thống Mac – Maray – Betfor ...................................................... 50

2.2.3. Bộ nghịch lưu nối tiếp .....................................................................5 2

2.2.4. Nghịch lưu hỗn hợp (song song - nối tiếp) .......................................5 5

2.2.5. Biến tần nguồn áp ba pha .................................................................5 7

CHƯƠNG 3: KIỂM SOÁT DÒNG ĐIỆ N C Ủ A BI Ế N T Ầ N NGU Ồ N

ÁP……………………………………….59

3.1. Gi ớ i thi ệ u.................................................................................................5 9

3.2. Các phương pháp kiểm soát lớ p............................................................ 60

3.2.1. Điề u khi ể n hi ệ n t ạ i tr ễ ........................................................................6 0

3.2.2. Điề u khi ển dòng tuyến tính vớ i PWM................................................6 2

3.3.

Mô tả ki ểm soát hiệ n t ạ i hi ệ n t ạ i...................................................... 63

3.3.1. Chi ến lượ c ki ểm soát .......................................................................6 3

3.3.2. Ch ức năng chất lượ n g ......................................................................6 4

3.3.3. Mô hình biế n t ầ n ................................................................................6 5

3.3.4. Mô hình tả i....................................................................................... 67

3.3.5. Mô hình thờ i gian r ờ i r ạ c .................................................................6 8

3.3.6. L ự a ch ọn véc tơ điện á p ...................................................................6 9

3.4. Th ự c hi ệ n chi ến lượ c ki ểm soát .......................................................... 70

3.4.1. Cân nhắ c th ự c t ế ..............................................................................7 0

3.4.2. Thu ật toán điề u khi ể n .....................................................................7 1

3.5. K ế t qu ả mô phỏ n g ................................................................................7 5

3.6. K ế t qu ả th ự c nghi ệ m .............................................................................8 1

Ý KIẾN VÀ KẾ T LU Ậ N

85

TÀI LIỆ U THAM KH Ả O 87

LỜI MỞ ĐẦU

Trong nền công nghiệp hiện đại, các thiết bị điều khiển hay những bộ điều

tốc có vai trò rất quan trọng. Những thiết bị này không những việc đáp ứng được

những yêu cầu khắt khe trong điều khiển mà còn tạo được những tiện ích ngoài

mong muốn cho nhà sản xuất. Có rất nhiều loại thiết bị điều khiển được sử dụng

trong điều khiển các động cơ công nghiệp 3 pha như biến tần trực tiếp, gián tiếp.

Do những ưu điểm của biến tần gián tiếp so với biến tần trực tiếp nên trong đồ

án tốt nghiệp em trình bày một trong các loại biến tần gián tiếp là các bộ điều

khiển nguồn áp.

Đề tài “Tìm hiểu các bộ điều khiển bộ nguồn áp” còn khá mới mẻ đối với sinh

viên chúng em. Để nghiên cứu đề tài này đòi hỏi phải tìm tòi, nghiên cứu không

chỉ những tài liệu trong nước mà còn có những tài liệu nước ngoài. Tuy nhiên

với sự giúp đỡ của thầy giáo GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn em đã hoàn thành đồ

án tốt nghiệp này với một kết quả khả quan.

Cuối cùng em xin cảm ơn các thầy cô trong khoa điện- điện tử, ngành điện công

nghiệp và đặc biệt là thầy giáo GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn đã tận tình giúp đỡ

em hoàn thành đồ án này.

Hải Phòng, Ngày Tháng Năm 201

Sinh viên thực hiện

Đào Viết Định

1

CHƯƠNG 1 : NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ BIẾN TẦN

1. MỞ ĐẦU (GIỚI THIỆU QUA VỀ BIẾN TẦN)

1.1.1. Khái niệm biến tần

- Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều từ tần số này sang dòng điện

xoay chiều có tần số khác có thể thay đổi được. Đối với các biến tần dùng trong

việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì ngoài việc thay đổi tần số thì nó

còn có thể thay đổi điện áp ra khác với điện áp cấp vào biến tần.

1.1.2. Phân loại biến tần

Biến tần thường được chia làm hai loại:

- Biến tần trực tiếp

- Biến tần gián tiếp

o Biến tần trực tiếp

Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không

thông qua khâu trung gian một chiều. Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ

hơn tần số lưới ( f₁< f_lưới). Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng.

o Biến tần gián tiếp.

Để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy có tên

gọi là biến tần gián tiếp

1.1.3. Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp.

Biến tần với chức năng điều khiển vô cấp tốc độ động cơ cho phép người sử

dụng điều chỉnh tốc độ cơ theo nhu cầu và mục đích sử dụng

Chức năng điều khiển tốc độ động cơ lên tới 16 cấp với khả năng kiểm soát thời

gia tốc/ giảm tốc ,nhiều mức công suất phù hợp với nhiều loại động cơ .Có chức

năng bảo vệ quá tải ,quá áp, thấp áp, quá dòng,thấp dòng ,quá nhiệt động cơ,nối

2

đất….nó giúp người vận hành yên tâm không phải lo lắng về vấn đề mất kiểm

soát trong quá trình vận hành

Biến tần giúp các dây chuyền hoạt động tối ưu: tiết kiệm điện năng ,đồng bộ các

thiết bị(động cơ) hoạt động trơ tru, thân thiện với người sử dụng và giảm thiểu

chi phí bảo chì- bảo dưỡng

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 lượng 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 được xem

như 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 như điện áp hay các thông số mạch như 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 phương 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. Phương pháp này làm giảm tính

phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi

ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến tần được sử

dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này.

Như 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 nhưng

3

nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này

theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử. Trước kia, khi công

nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các

nghịch lưu dùng máy biến áp. Ưu 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) nhưng còn nhiều hạn chế như:

- 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

lưu.

- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu,

bảo trì cũng như thay mới.

-

Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá

điện áp ngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp.-Ngoài

ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát

như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất

tải … mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất

trong trường hợp này.

4

1.2.SƠ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNGCỦA BIẾN TẦN

1.2.1. Sơ đồ khối

5

Nối đến nguồn cung cấp.Khi sử

dụng nguồn AC một pha, nối

vào R(L1) và S(L2).Khi sử dụng

bộ biến đổi hệ số công suất cao

(FR-HC) hoặc (FR-CV ) thì

không cần nối đến bất kì đường

nào.

R, S, T

Ngõ vào cung

cấp nguồn AC

(L1,L2,L3)

Ngõ ra của

Nối đến động cơ 3 pha rotor

lồng sốc

U, V, W

inverter

Mạch

động

lực

P,PR

Kết nối điện trở Kết nối điện trở hãm

hãm

(+,PR)

Hai ngõ này được kết nối đến bộ

P,N

Kết nối đến bộ

phận hãm

phận hãm và bộ biến đổi hệ số

công suất lớn( FR-HC)

(+,-)

Không kết nối tắt giữa P(+) và

P1, nối cuộn dây DC cải thiện

hệ số công suất vào.

P,P1

Nhân tố cải thiện

hệ số công suất

(+,P1)

Đất

Chân nối đất inverter. Phải luôn

(Ground Earth) nối đất cho inverter.

Khởi động động Khởi động động cơ quay thuận

Mạch

điều

khiển

tín

STF

STR

cơ quay thuận

khi ngõ ra STF-SD là ON

Khởi động động Khởi động động cơ quay ngược

cơ quay ngược khi ngõ ra STR-SD là ON

Chọn lựa đa tốc Chọn lựa nhiều tốc độ khi các

hiệu

vào

RH,RM,RL

độ

ngõ RH, RM, RL với SD

6

Khi nối tắt hai cực MRS và SD

trong khoảng 20ms thì sẽ ngắt

tín hiệu ra của inverter.Tín hiệu

này được dung để ngắt ngõ ra

của inverter khi dừng động cơ

bằng hãm từ .

MRS

Dừng ngõ ra

Xóa trạng thái đang hoạt đông

khi cho mạch hoạt động bảo vệ.

Nối tắt 2 cực RES-SD trong 0.1s

(hoặc hơn) sau đó hở mạch.Hệ

số đặt phải luôn reset

RES

SD

Reset

Nối với các tiếp điểm vào và

Tiếp điểm vào đồng hồ hiển thị. Tiếp điểm ra

chung

có điện áp ra 24v Dc và dòng

0,1A.

Khi nối với một ngõ ra của

transistor(ngõ ra cực thu hở),như

là PLC .Dùng nguồn vào khoảng

24V DC, 0.1A.

Chân chung các

transistor bên

ngoài.

Mạch

điều

khiển

tín

PC

10

2

Nguồn cung cấp 5V DC.

hiệu

vào

để định tần số

nguồn

Dòng tải 10mA.

Khi ngõ vào từ 0-5V DC (hoặc

từ 0-10V DC), tần số ra lớn nhất

đạt được tại 5V (hoặc 10V).Ngõ

vào và ngõ ra có quan hệ tỉ lệ.

Định tần số

(dòng điện)

7

Có thể thay đổi mức điện áp 5V

hay 10V bằng cách sử dụng

Pr.73. Điện trở vào là 10KΩ.

Điện áp vào có thể chịu đến

20V.

Tín hiệu vào từ 4-20mA DC.Tần

số ra lớn nhất tại20mA. Bộ

inverter được điều chỉnh để tại

Thiết lập tần số 4mA cho ra tần số là 0Hz và

4

(dòng điện )

20mA cho tần số là 60Hz. Dòng

tối đa có thể có thể chịu được là

30mA.Điện trở vào khoảng

250Ω.

Chân chung cho tín hiệu điều

chỉnh tần số ( chân1,2 hoặc 4).

Không được nối đất chân này.

Tiếp điểm báo mạch bảo vệ của

inverter đã hoạt động và ngõ ra

đã dừng. 200V AC 0.3A hoặc

30V DC 0.3A. Khi báo động thì

nối mạch giữa A-C và hở mạch

giữa B-C

Ngõ vào chung

để định tần số.

5

Tín hiệu báo

động ngõ ra.

A, B, C

Ngõ ra chung

cực thu hở.

Inverter đang

hoạt động

Đây là ngõ ra cho các chân

RUN và FU.

SE

Ngõ ra là mức thấp L khi tần số

ra của inverter luôn hơn tần số

RUN

8

bên ngoài.. Ngõ ra là mức cao H

khi dừng inverter hoặc trong

suốt quá trình hãm DC.Tải có

thể cho phép chịu được là 24V

DC 0.1A

Ngõ ra ở mức L khi tần số ra

cao hơn tần số định trước.

Ngõ ra ở mức H khi tần số ra

thấp hơn tần số định trước. Tải

có thể chịu được là 24V DC

0.1A.

FU

Dò tần số

Chọn một tần số từ ngõ ra và tần

số ngõ ra là tuyến tính.Điện áp

Dùng cho đồng ra là dạng xung, vì thế có thể kết

FM

hồ hiển thị

nối một đồng hồ hiển thị số. Đặc

điểm xung : 1440xung/giây tại

60Hz.

Giao tiếp RS-485 có thể được

thực hiện khi sử dụng đầu nối

PU

Đầu nối PU

9

1.2.2.Nguyên lí hoạt động:

-Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha. Bộ chỉnh lưu có nhiệm

vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều.

-Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu.

-Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có

tần số có thể thay đổi được. Điện áp một chiều được 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 đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu. Ngoài ra nó còn có chức năng

sau:

- Theo dõi sự cố lúc vận hành

- Xử lý thông tin từ người sử dụng

- Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm

- Xác định đặc tính – momen 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 lưu. 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 như tần

số, dòng điện, điện áp,… và để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệ

thống.

Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp nhiệt độ,… biến đổi chúng

thành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý được. Ngài ra còn có

10

các mạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác như 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 thường

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.

1.2.3.Các chức năng của màn hình hiển thị và các phím:

11