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

Tìm hiểu chi tiết các bộ điều khiển bộ biến tần nguồn áp. Đồ án phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các phương pháp kiểm soát dòng điện.

• Tác giả: Đào Viết Định
• Người hướng dẫn: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn
• Trường học: Đại học Dân lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện tự động công nghiệp
• Đề tài: Tìm hiểu các bộ điều khiển bộ biến tần nguồn áp
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Khái Niệm và Định Nghĩa Bộ Điều Khiển Biến Tần Nguồn Áp

Bộ điều khiển biến tần nguồn áp là thiết bị điện tử công nghiệp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển động cơ hiện đại. Đây là một loại biến tần gián tiếp có khả năng chuyển đổi và điều chỉnh tần số, điện áp để cung cấp cho các tải điện công nghiệp. Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và điều khiển tốc độ động cơ ba pha. Biến tần nguồn áp hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi điện áp DC thành điện áp AC ba pha, cho phép người dùng điều chỉnh tần số và biên độ điện áp theo nhu cầu thực tế. Trong công nghiệp hiện đại, bộ điều khiển này mang lại những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp điều khiển truyền thống, bao gồm giảm hao phí năng lượng, tăng độ tin cậy của hệ thống và cải thiện chất lượng điều khiển.

1.1. Đặc Điểm Cấu Trúc Cơ Bản

Bộ điều khiển biến tần nguồn áp bao gồm ba phần chính: bộ chỉnh lưu, bộ lọc điện áp DC và bộ nghịch lưu. Bộ chỉnh lưu chuyển đổi điện áp AC ba pha thành DC, bộ lọc sử dụng tụ điện để ổn định điện áp DC, và bộ nghịch lưu chuyển đổi DC thành AC ba pha với tần số điều chỉnh được. Cấu trúc này đảm bảo hiệu suất cao và độ ổn định tốt trong quá trình vận hành.

1.2. Nguyên Lý Hoạt Động Cơ Bản

Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển dựa trên việc điều chỉnh góc kích hoạt các mô-đun IGBT hoặc transistor trong mạch nghịch lưu. Bằng cách sử dụng kỹ thuật PWM (Pulse Width Modulation), bộ điều khiển có thể tạo ra các xung điều khiển chính xác, từ đó sinh ra điện áp AC ba pha với tần số và biên độ mong muốn. Quá trình này cho phép điều chỉnh mền và chính xác tốc độ của động cơ.

II. Phân Loại Các Loại Biến Tần Nguồn Áp

Trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp, biến tần nguồn áp được chia thành nhiều loại khác nhau dựa trên số pha, cấu trúc điều khiển và ứng dụng cụ thể. Mỗi loại có những đặc điểm riêng biệt phù hợp với các nhu cầu ứng dụng khác nhau. Biến tần một pha thường được sử dụng cho các ứng dụng công suất thấp, trong khi biến tần ba pha phổ biến hơn trong các ứng dụng công nghiệp nặng. Ngoài ra, có các loại biến tần hỗn hợp kết hợp cấu trúc nối tiếp và song song để tối ưu hóa hiệu suất. Sự phân loại này giúp kỹ sư và nhà thiết kế lựa chọn thiết bị phù hợp nhất cho từng ứng dụng cụ thể trong các hệ thống điều khiển công nghiệp.

2.1. Biến Tần Nguồn Áp Một Pha

Biến tần nguồn áp một pha (Bộ nghịch lưu áp cầu một pha) được thiết kế cho các ứng dụng công suất thấp tới trung bình. Cấu trúc của nó gồm bộ chỉnh lưu điện áp AC một pha thành DC, sau đó bộ nghịch lưu chuyển đổi thành AC một pha hoặc ba pha. Loại này phù hợp cho các thiết bị gia dụng, máy lạnh nhỏ và các ứng dụng công nghiệp cơ bản.

2.2. Biến Tần Nguồn Áp Ba Pha

Biến tần ba pha là loại phổ biến nhất trong công nghiệp hiện đại, được sử dụng cho động cơ ba pha công suất cao. Nó có khả năng chuyển đổi điện áp AC ba pha đầu vào thành DC, rồi sang AC ba pha có tần số và điện áp điều chỉnh được. Loại này mang lại hiệu suất cao, giảm mô-men xoắn sốc và cải thiện đáng kể hiệu suất năng lượng của hệ thống.

III. Hệ Thống Kiểm Soát Dòng Điện và Chiến Lược Điều Khiển

Kiểm soát dòng điện là yếu tố then chốt trong việc đảm bảo hiệu suất tối ưu của bộ điều khiển biến tần nguồn áp. Có nhiều phương pháp kiểm soát khác nhau, bao gồm điều khiển dòng trễ, điều khiển dòng tuyến tính với PWM và các kỹ thuật điều khiển vector hiện đại. Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm riêng và phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Chiến lược kiểm soát bao gồm lựa chọn véc tơ điện áp, thuật toán điều khiển phù hợp và các tham số hiệu chuẩn hóa. Việc lựa chọn chiến lược kiểm soát phù hợp giúp cải thiện động đặc tính của hệ thống, giảm tổn hao năng lượng và tăng độ tin cậy của thiết bị điều khiển.

3.1. Phương Pháp Kiểm Soát Dòng Điện

Điều khiển dòng trễ là phương pháp cơ bản sử dụng việc so sánh dòng điện thực tế với dòng điện tham chiếu. Điều khiển dòng tuyến tính với PWM cung cấp độ chính xác cao hơn bằng cách sử dụng tín hiệu PWM để điều chỉnh góc kích hoạt. Những phương pháp này đảm bảo dòng điện ở mức an toàn và tối ưu hóa hiệu suất.

3.2. Mô Hình và Lựa Chọn Véc Tơ Điện Áp

Mô hình biến tần và mô hình tải được sử dụng để mô phỏng và phân tích hiệu suất hệ thống. Lựa chọn véc tơ điện áp là kỹ thuật quan trọng trong điều khiển vector, cho phép tạo ra các tín hiệu điều khiển tối ưu. Thực hiện chiến lược kiểm soát hiệu quả đòi hỏi xem xét các yếu tố thực tế như suy giảm, độ trễ và nhiễu trong hệ thống.

IV. Ứng Dụng Thực Tế và Kết Quả Thực Nghiệm

Bộ điều khiển biến tần nguồn áp được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau. Các ứng dụng chính bao gồm điều khiển động cơ ba pha cho máy bơm, quạt, băng chuyền và các thiết bị tự động hóa công nghiệp. Trong các ứng dụng thực tế, bộ điều khiển phải đáp ứng những yêu cầu khắt khe về độ tin cậy, hiệu suất năng lượng và khả năng thích ứng với các biến động tải. Các kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển biến tần có thể giảm tiêu thụ năng lượng từ 20-30%, tăng tuổi thọ thiết bị và cải thiện chất lượng điều khiển một cách đáng kể. Sự phát triển của công nghệ IGBT và kỹ thuật điều khiển số đã nâng cao hiệu suất của các bộ điều khiển lên một tầm cao mới, mở ra những khả năng ứng dụng mới trong tự động hóa công nghiệp.

4.1. Ứng Dụng trong Các Hệ Thống Công Nghiệp

Biến tần nguồn áp được sử dụng trong hệ thống bơm nước, máy nén khí, băng chuyền và các thiết bị tự động hóa. Trong những ứng dụng này, bộ điều khiển giúp điều chỉnh tốc độ động cơ theo nhu cầu thực tế, từ đó tiết kiệm năng lượng và giảm tổn hao cơ học. Các hệ thống này thường yêu cầu điều khiển mềm, bảo vệ quá tải và khả năng thích ứng với biến động tải nhanh.

4.2. Kết Quả Thực Nghiệm và Hiệu Suất

Các kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất năng lượng được cải thiện đáng kể khi sử dụng bộ điều khiển biến tần. Mô phỏng và đo lường thực tế chứng minh rằng hệ thống có khả năng ổn định cao, độ méo sóng điện áp thấp và đáp ứng nhanh với biến động tải. Những chỉ số này xác nhận hiệu quả của chiến lược kiểm soát được áp dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 : NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ BIẾN TẦN 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. 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< flưới ). 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.

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.SƠ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNGCỦA BIẾN TẦN 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 R, S, T Ngõ vào cung bộ biến đổi hệ số công suất cao (L1,L2,L3) cấp nguồn AC (FR-HC) hoặc (FR-CV ) thì không cần nối đến bất kì đường nào. Ngõ ra của Nối đến động cơ 3 pha rotor U, V, W Mạch inverter lồng sốc động P,PR Kết nối điện trở Kết nối điện trở hãm lực (+,PR) hãm Hai ngõ này được kết nối đến bộ P,N Kết nối đến bộ phận hãm và bộ biến đổi hệ số (+,-) phận hãm công suất lớn( FR-HC) Không kết nối tắt giữa P(+) và P,P1 Nhân tố cải thiện P1, nối cuộn dây DC cải thiện (+,P1) hệ số công suất hệ số công suất vào.

Đất Chân nối đất inverter. Phải luôn (Ground Earth) nối đất cho inverter. Mạch Khởi động động Khởi động động cơ quay thuận STF điều cơ quay thuận khi ngõ ra STF-SD là ON khiển Khởi động động Khởi động động cơ quay ngược STR tín cơ quay ngược khi ngõ ra STR-SD là ON hiệu Chọn lựa đa tốc Chọn lựa nhiều tốc độ khi các RH,RM,RL vào 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 MRS Dừng ngõ ra này được dung để ngắt ngõ ra của inverter khi dừng động cơ bằng hãm từ. Xóa trạng thái đang hoạt đông khi cho mạch hoạt động bảo vệ.

RES Reset Nối tắt 2 cực RES-SD trong 0.1s (hoặc hơn) sau đó hở mạch.Hệ số đặt phải luôn reset Nối với các tiếp điểm vào và Tiếp điểm vào đồng hồ hiển thị. Tiếp điểm ra SD chung có điện áp ra 24v Dc và dòng 0,1A. Khi nối với một ngõ ra của Mạch Chân chung các transistor(ngõ ra cực thu hở),như điều PC transistor bên là PLC .Dùng nguồn vào khoảng khiển ngoài. tín Nguồn cung cấp 5V DC.

hiệu 10 để định tần số Dòng tải 10mA. vào nguồn Khi ngõ vào từ 0-5V DC (hoặc Định tần số từ 0-10V DC), tần số ra lớn nhất 2 (dòng điện) đạt được tại 5V (hoặc 10V).Ngõ vào và ngõ ra có quan hệ tỉ lệ. 7 Có thể thay đổi mức điện áp 5V hay 10V bằng cách sử dụng Pr. 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 Ngõ vào chung 5 chỉnh tần số ( chân1,2 hoặc 4). để định tần số. Không được nối đất chân này. Tiếp điểm báo mạch bảo vệ của inverter đã hoạt động và ngõ ra Tín hiệu báo đã dừng.3A hoặc A, B, C động ngõ ra.

Khi báo động thì nối mạch giữa A-C và hở mạch giữa B-C Ngõ ra chung Đây là ngõ ra cho các chân SE cực thu hở. RUN và FU. Inverter đang Ngõ ra là mức thấp L khi tần số RUN hoạt động ra của inverter luôn hơn tần số 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 FU Dò tần số thấp hơn tần số định trước. Tải có thể chịu được là 24V DC 0. 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 Đầu nối PU thực hiện khi sử dụng đầu nối PU 9 1.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.