Giới thiệu về Biến tần và Hệ thống Điều khiển Tự động hóa

Chuyên khảo phân tích Tbdtcs and hệ thống, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Tác giả: Đàm Xuân Đông
• Trường học: Trường Đại Học Điện Lực
• Chuyên ngành: Điều Khiển - Tự Động Hóa
• Đề tài: Giới thiệu về Biến Tần và Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Hóa
• Loại tài liệu: bài giảng
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: BIẾN TẦN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Khái niệm về biến tần
• 1.3. Cấu tạo biến tần
• 1.4. Nguyên lý hoạt động biến tần
• 1.5. Phân loại thiết bị biến tần
• 1.6. Các luật điều khiển trên biến tần
• 1.7. Biến tần Micromaster 420 - Siemens
• 1.8. Lựa chọn biến tần
• 1.9. Cài đặt thông số, vận hành hệ thống dùng biến tần SINAMICS V20 của SIEMENS
• 1.10. Truyền thông biến tần với các bộ lập trình điều khiển
• 1.11. Lỗi khi vận hành và phương pháp khắc phục
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Biến tần và Hệ thống Điều khiển Tự động hóa

Biến tần là thiết bị quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động hóa, giúp điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn của động cơ điện. Hệ thống điều khiển tự động hóa sử dụng biến tần để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Việc hiểu rõ về biến tần và hệ thống điều khiển tự động hóa là cần thiết cho các kỹ sư và nhà quản lý trong ngành công nghiệp.

1.1. Khái niệm về Biến tần và Hệ thống Điều khiển

Biến tần là thiết bị điện tử dùng để điều chỉnh tần số và điện áp của động cơ. Hệ thống điều khiển tự động hóa tích hợp biến tần để tự động hóa quy trình sản xuất, giúp nâng cao hiệu quả và giảm thiểu sai sót.

1.2. Lợi ích của Biến tần trong Tự động hóa

Sử dụng biến tần giúp tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành và bảo trì. Biến tần còn giúp cải thiện độ chính xác trong điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ.

II. Vấn đề và Thách thức trong việc sử dụng Biến tần

Mặc dù biến tần mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc triển khai và sử dụng chúng cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như sóng hài, quá tải và độ tin cậy của hệ thống cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Sóng hài và ảnh hưởng đến hiệu suất

Sóng hài phát sinh từ biến tần có thể gây ra hiện tượng quá nhiệt và giảm hiệu suất của động cơ. Việc sử dụng bộ lọc sóng hài là cần thiết để giảm thiểu tác động này.

2.2. Quá tải và bảo vệ hệ thống

Quá tải có thể dẫn đến hư hỏng biến tần và động cơ. Cần có các biện pháp bảo vệ như cầu chì và bộ ngắt mạch để đảm bảo an toàn cho hệ thống.

III. Phương pháp và Giải pháp sử dụng Biến tần hiệu quả

Để tối ưu hóa việc sử dụng biến tần, cần áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại và giải pháp kỹ thuật phù hợp. Việc lập trình PLC và giám sát hệ thống là rất quan trọng.

3.1. Lập trình PLC cho Biến tần

Lập trình PLC giúp điều khiển biến tần một cách linh hoạt và hiệu quả. Các chương trình PLC có thể được thiết kế để tự động hóa quy trình sản xuất và điều chỉnh tốc độ động cơ.

3.2. Giám sát và điều khiển từ xa

Hệ thống giám sát giúp theo dõi tình trạng hoạt động của biến tần và động cơ. Việc điều khiển từ xa giúp tăng cường khả năng quản lý và giảm thiểu thời gian dừng máy.

IV. Ứng dụng thực tiễn của Biến tần trong Công nghiệp

Biến tần được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như sản xuất, chế biến thực phẩm, và hệ thống HVAC. Chúng giúp cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất

Trong ngành sản xuất, biến tần giúp điều chỉnh tốc độ băng tải và máy móc, từ đó nâng cao năng suất và giảm thiểu lãng phí năng lượng.

4.2. Ứng dụng trong hệ thống HVAC

Biến tần được sử dụng để điều chỉnh tốc độ quạt và bơm trong hệ thống HVAC, giúp tiết kiệm năng lượng và cải thiện hiệu suất làm mát.

V. Kết luận và Tương lai của Biến tần trong Tự động hóa

Biến tần sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong tự động hóa công nghiệp. Sự phát triển của công nghệ sẽ mang lại nhiều cải tiến cho biến tần, giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tác động môi trường.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ Biến tần

Công nghệ biến tần đang phát triển nhanh chóng với các tính năng thông minh và khả năng kết nối Internet. Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho tự động hóa.

5.2. Tác động đến môi trường và tiết kiệm năng lượng

Việc sử dụng biến tần giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và tác động đến môi trường. Đây là một yếu tố quan trọng trong việc phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 BIẾN TẦN 1.1 Giới thiệu chung 1.1 Khái niệm về biến tần 1.2 Cấu tạo biến tần 1.3 Nguyên lý hoạt động biến tần 1.4 Phân loại thiết bị biến tần 1.5 Các luật điều khiển trên biến tần 1.6 Biến tần Micromaster 420 - Siemens 1.2 Lựa chọn biến tần.3 Cài đặt thông số, vận hành hệ thống dùng biến tần SINAMICS V20 của SIEMENS.4 Truyền thông biến tần với các bộ lập trình điều khiển 1.5 Lỗi khi vận hành và phương pháp khắc phục GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU 1.1 Giới thiệu chung 1.1 Tổng quan về biến tần Bắt nguồn từ nhu cầu điều khiển tốc độ quay của động cơ 3 pha không đồng bộ, người ta đã phân tích từ công thức tính số số vòng qua của động cơ N = [60f x (1-s)]/P Từ có cho ta thấy muốn điều khiển tốc độ động cơ thì sẽ có 3 cách: + Thay đổi tần số điện (f) + Số điện cực (p) + Hệ số trượt (s) Nếu thay đối số điện cực (P) thì chỉ có thể thay đổi được vài cấp tốc độ động cơ và mỗi lần tốc độ động cơ thay đổi sẽ dẫn đến hiện tượng giật động cơ Nếu thay đổi hệ số trượt (s) thì cần phải có mạch điều chỉnh hệ số trượt (tương đối phức tạp) Chính vì vậy việc điều khiển tần số (f) là cách đơn giản nhất để điều khiển tốc độ của động cơ 3 pha không đồng bộ. GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU Như vậy: Biến tần là một bộ thiết bị điện tử dùng để điều khiển tốc độ động cơ thông qua việc thay đổi tần số f1( thường là tần số lưới điện 50 Hz) sang một tần số f2 có thể điều chỉnh được. Nói một cách đơn giản, biến tần chính là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được. ➢ Chính vì vậy nhờ có biến tần mà ta có thể làm cho động cơ chạy nhanh hơn hoặc chậm hơn so với chạy tần số 50Hz( 60Hz).

Ví dụ: Biến tần thay đổi tần số của dòng điện 3 pha 380V từ 1Hz đến 50Hz, hay tới 60Hz, thậm chí lên tới 400Hz và có thể điều chỉnh được. Theo đó tần số của lưới nguồn sẽ thay đổi thành tần số biến thiên. Chính vì vậy nhờ có biến tần mà ta có thể làm cho động cơ chạy nhanh hơn bình thường so với chạy tần số 50Hz. GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU Do đó cần phải sử dụng biến tần với một số mục đích sau: + Có thể thay đổi tần số lưới điện từ đó thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng nhất (Trong khi lưới điện đang sử dụng có tần số f = 50/60 Hz) + Không cần phải dùng các mạch khởi động hình sao hay tam giác + Dễ dàng khởi động các tải công suất lớn + Việc khởi động sẽ có tốc độ ban đầu la chậm và tăng dân lên mức nhanh giúp đảm bảo không làm giật động cơ hay hư hỏng các bộ phận cơ khí, kết cấu máy móc + Tiết kiệm điện năng + Bảo vệ hệ thống khi gặp những trường hợp: quá tải, quá dòng, quá áp GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU 1.2 Cấu tạo biến tần Hình 1.1 Cấu tạo biến tần GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU + Bộ chỉnh lưu: Có tác dụng biến đổi từ điện áp xoay chiều tần số cố định ở đầu vào thành điện áp một chiều.

+ Bộ lọc một chiều: có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu. + Bộ nghịch lưu 3 pha: Có tác dụng biến đổi từ điện áp 1 chiều trong bộ lọc trở thành điện áp xoay chiều 3 pha với tần số mong muốn + Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một quy luật điều khiển. + Ngoài ra biến tần có thể sử dụng thêm các thành phần như cuộn kháng, trở hãm,.2 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của bộ biến tần GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU 1.3 Nguyên lý hoạt động của biến tần + Nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện.

+ Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của biến tần GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động các van GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU 1.4 Phân loại thiết bị biến tần + Biến tần trực tiếp + Biến tần gián tiếp - Biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển - Biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp - Biến tần gián tiếp dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu PWM - Biến tần gián tiếp nguồn áp - Biến tần gián tiếp nguồn dòng GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU 1.1 Biến tần trực tiếp Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi điện áp lưới điện U1 có tần số f1 cố định thành điện áp U2 có tần số f2 điều chỉnh được không cần có sự can thiệp của khâu trung gian và có thể nhỏ hơn tần số nguồn cấp. Do quá trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp, còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter).6 Thiết bị biến tần trực tiếp GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU + Biến tần trực tiếp: Gồm hai nhóm chuyển mạch nối song song ngược. Ở mỗi pha ở đầu ra (a, b, c) được cấp điện bởi hai nhóm Thyristor: - Nhóm T tạo ra dòng điện chạy thuận.

- Nhóm N tạo ra dòng chạy ngược.7: Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần trực tiếp GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU * Nguyên lý hoạt động của biến tần trực tiếp Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận ngược lần lượt được điều khiển làm việc theo chu kỳ nhất định. Xét ở nửa chu kỳ làm việc của sơ đồ thuận: Thay đổi góc điều khiển : /2→ 0 → /2 + Tại điểm A:  = 0 điện áp chỉnh lưu trung bình cực đại + Tại điểm B, C, D, E: góc  tăng dần lên → điện áp trung bình giảm xuống + Tại điểm F:  = /2 điện áp trung bình là 0 Như vậy: Trong nửa chu kỳ đầu điện áp trung bình là hình Sin (nét Hình 1.8: Đồ thị điện áp đầu ra của bộ đứt) biến tần trực tiếp + Xét tương tự cho nửa chu kỳ ngược. Muốn điện áp đầu ra có dạng gần sin hơn cần phải liên tục thay đổi góc điều khiển các van của mỗi sơ đồ chỉnh lưu trong thời gian làm việc của nó( môiz nửa chu kỳ điện áp ra) GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU * Ưu điểm: + Có thể thiết kế với một công suất khá lớn ở đầu ra và hiệu suất cao, điều này đặc biệt có ý nghĩa khi công suất hệ thống điều tốc cực lớn (các hệ thống dùng động cơ công suất đến 16. * Nhược điểm: + Số lượng linh kiện nhiều dẫn đến tần số đầu ra giảm xuống.

+ Chỉ có tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp lưới ( tần số đầu ra bằng 1/3  1/2 tần số lưới điện). + Chất lượng điện áp ra thấp + Khó điều khiển ở tần số cận không vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ khá lớn. + Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao. + Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU 1.2 Biến tần gián tiếp Biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều dùng bộ chỉnh lưu để biến đổi nguồn điện xoay thành một chiều, sau đó lại dùng bộ nghịch lưu để biến đổi dòng điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều.

Thiết bị biến tần biến đổi tần số từ đầu f1 đến f2 thông qua các khâu : + Khâu chỉnh lưu + Khâu trung gian + Khâu nghịch lưu Hình 1.9: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU * Sơ đồ khối của biến tần gián tiếp Khối chỉnh lưu Khối trung gian Khối nghịch lưu Hình 1.10: Sơ đồ khối của biến tần gián tiếp GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU + Khối chỉnh lưu( Diobe): Chức năng của khâu này là biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều.11: Khối chỉnh lưu Diobe GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU * Một số mạch chỉnh lưu dùng trong biến tần + Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dùng Diode: Hình 1.12: Sơ đồ cầu chỉnh lưu dùng Diode GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU + Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dùng Thyristor Hình 1.13: Sơ đồ cầu chỉnh lưu dùng Thyristor + Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dùng GTO - Diode Hình 1.14: Sơ đồ cầu chỉnh lưu dùng GTO - Diode GV : Đàm Xuân Đông Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU + Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dùng MOSFET – Diode Hình 1.15: Sơ đồ cầu chỉnh lưu dùng MOSFET - Diode + Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dùng IGBT - Diode Hình 1.