Tìm Hiểu Về Biến Tần và Hệ Thống Điện Tử Công Suất

Tbdtcs, hay còn gọi là thiết bị điều khiển tốc độ động cơ, đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu… 349 trang · Trường Đại Học Điện Lực · 2021.

• Tác giả: Đàm Xuân Đông
• Trường học: Trường Đại Học Điện Lực
• Chuyên ngành: Điều Khiển - Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Bị Điện Tử Công Suất Và Hệ Thống
• 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
• 1.1.1. Khái niệm về biến tần
• 1.1.2. Cấu tạo biến tần
• 1.1.3. Nguyên lý hoạt động biến tần
• 1.1.4. Phân loại thiết bị biến tần
• 1.1.4.1. Biến tần trực tiếp
• 1.1.4.2. Biến tần gián tiếp
• 1.1.5. Các luật điều khiển trên biến tần
• 1.1.6. Biến tần Micromaster 420 - Siemens
• 1.2. Lựa chọn biến tần
• 1.3. Cài đặt thông số, vận hành hệ thống dùng biến tần SINAMICS V20 của SIEMENS
• 1.4. Truyền thông biến tần với các bộ lập trình điều khiển
• 1.5. Lỗi khi vận hành và phương pháp khắc phục
• 2. CHƯƠNG 2: KHỞI ĐỘNG MỀM
• 3. CHƯƠNG 3: UPS
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Tbdtcs và hệ thống đã mở khóa

Tbdtcs, hay còn gọi là thiết bị điều khiển tốc độ động cơ, đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện. Hệ thống đã mở khóa cho phép người dùng điều chỉnh và kiểm soát các thông số hoạt động của thiết bị một cách linh hoạt. Việc hiểu rõ về Tbdtcs và hệ thống đã mở khóa sẽ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu chi phí vận hành.

1.1. Tbdtcs là gì và lợi ích của nó

Tbdtcs là thiết bị điện tử dùng để điều khiển tốc độ động cơ. Lợi ích của Tbdtcs bao gồm tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu tiếng ồn và tăng tuổi thọ cho động cơ. Việc sử dụng Tbdtcs giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu suất làm việc.

1.2. Hệ thống đã mở khóa là gì

Hệ thống đã mở khóa cho phép người dùng truy cập và điều chỉnh các thông số của thiết bị một cách dễ dàng. Điều này giúp cải thiện khả năng kiểm soát và giám sát, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.

II. Vấn đề và thách thức liên quan đến Tbdtcs

Mặc dù Tbdtcs mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số vấn đề và thách thức trong quá trình triển khai. Các vấn đề thường gặp bao gồm sự phức tạp trong cài đặt, yêu cầu về kỹ thuật cao và chi phí đầu tư ban đầu. Những thách thức này cần được giải quyết để tối ưu hóa hiệu quả của Tbdtcs.

2.1. Các vấn đề thường gặp với Tbdtcs

Một số vấn đề thường gặp với Tbdtcs bao gồm lỗi trong quá trình cài đặt, khó khăn trong việc điều chỉnh thông số và sự không tương thích với các thiết bị khác. Những vấn đề này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống.

2.2. Thách thức trong việc triển khai hệ thống đã mở khóa

Việc triển khai hệ thống đã mở khóa đòi hỏi sự đầu tư về công nghệ và nhân lực. Thách thức lớn nhất là đảm bảo tính bảo mật và an toàn cho hệ thống, tránh các rủi ro từ việc truy cập trái phép.

III. Phương pháp tối ưu hóa hiệu suất của Tbdtcs

Để tối ưu hóa hiệu suất của Tbdtcs, cần áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại và công nghệ tiên tiến. Việc sử dụng các thuật toán điều khiển thông minh và hệ thống giám sát sẽ giúp nâng cao hiệu quả hoạt động và giảm thiểu rủi ro.

3.1. Ứng dụng công nghệ điều khiển thông minh

Công nghệ điều khiển thông minh giúp tối ưu hóa quy trình hoạt động của Tbdtcs. Việc áp dụng các thuật toán điều khiển như PID, Fuzzy Logic sẽ giúp cải thiện độ chính xác và hiệu suất của hệ thống.

3.2. Giám sát và bảo trì hệ thống

Giám sát thường xuyên và bảo trì định kỳ là rất quan trọng để đảm bảo Tbdtcs hoạt động hiệu quả. Việc sử dụng các công cụ giám sát hiện đại sẽ giúp phát hiện sớm các vấn đề và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động.

IV. Ứng dụng thực tiễn của Tbdtcs trong doanh nghiệp

Tbdtcs đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất công nghiệp đến quản lý năng lượng. Việc áp dụng Tbdtcs giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí, nâng cao hiệu suất và cải thiện chất lượng sản phẩm.

4.1. Tbdtcs trong ngành sản xuất

Trong ngành sản xuất, Tbdtcs giúp điều khiển tốc độ động cơ một cách chính xác, từ đó nâng cao hiệu suất sản xuất và giảm thiểu lãng phí năng lượng. Việc sử dụng Tbdtcs cũng giúp cải thiện chất lượng sản phẩm.

4.2. Tbdtcs trong quản lý năng lượng

Tbdtcs đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý năng lượng, giúp giảm thiểu tiêu thụ điện năng và tối ưu hóa chi phí vận hành. Việc áp dụng Tbdtcs trong quản lý năng lượng giúp doanh nghiệp đạt được mục tiêu bền vững.

V. Kết luận và tương lai của Tbdtcs

Tbdtcs sẽ tiếp tục phát triển và đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điều khiển hiện đại. Với sự tiến bộ của công nghệ, Tbdtcs sẽ ngày càng trở nên thông minh và hiệu quả hơn, giúp doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình sản xuất và tiết kiệm năng lượng.

5.1. Tương lai của Tbdtcs

Tbdtcs sẽ ngày càng được cải tiến với các công nghệ mới như IoT và AI, giúp nâng cao khả năng tự động hóa và điều khiển. Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho doanh nghiệp trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất.

5.2. Tầm quan trọng của Tbdtcs trong phát triển bền vững

Tbdtcs không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn góp phần vào phát triển bền vững. Việc áp dụng Tbdtcs trong các hệ thống điều khiển sẽ giúp giảm thiểu tác động đến môi trường và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Bài giảng Thiết bị điện tử công suất và hệ thống do giảng viên Đàm Xuân Đông (Bộ môn Đo lường – Khoa Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Điện lực) biên soạn năm 2021. Tài liệu được thiết kế phục vụ chương trình đào tạo bậc đại học khối ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa với khối lượng 2 tín chỉ, tương ứng 30 tiết định mức (bao gồm 21 tiết lý thuyết, 06 tiết tiểu luận và 03 tiết thí nghiệm, thực hành).

Về mục tiêu học tập (learning outcomes), giáo trình trang bị cho người học hệ thống kiến thức toàn diện về nguyên lý cấu tạo, phân tích sơ đồ mạch lực, phương pháp điều chế và giải thuật điều khiển các bộ biến đổi bán dẫn công nghiệp. Người học sau khi hoàn thành học phần có khả năng:

1. Phân tích và phân loại các cấu trúc mạch biến tần (trực tiếp, gián tiếp nguồn áp, nguồn dòng), mạch khởi động mềm và hệ thống cấp nguồn liên tục (UPS).
2. Nắm vững kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM đơn cực, hai cực, Sin PWM) và các luật điều khiển động cơ ($V/f$, FOC, DTC).
3. Vận hành, cài đặt thông số thực tế trên các dòng thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn như biến tần Siemens SINAMICS V20, Micromaster 420, thiết bị khởi động mềm Siemens SIRIUS 3RW30/3RW40 và hệ thống AEG Protect 5.31.
4. Thiết lập kết nối truyền thông công nghiệp giữa thiết bị biến đổi công suất với các bộ điều khiển lập trình (PLC) và xử lý sự cố kỹ thuật trong vận hành.

Cấu trúc tài liệu tiếp cận từ việc phân tích toán học các quy luật truyền động điện (quan hệ giữa tần số, số cực, hệ số trượt với tốc độ quay), khảo sát chi tiết linh kiện bán dẫn công suất (Diode, Thyristor, GTO, MOSFET, IGBT), từ đó mở rộng sang cấu trúc điều khiển hệ thống và ứng dụng thực nghiệm. Điểm đặc thù của giáo trình là sự kết hợp đồng bộ giữa lý thuyết chuyển mạch điện tử công suất với tài liệu kỹ thuật của các nhà sản xuất thiết bị công nghiệp chuẩn mực (Siemens, AEG).

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung môn học được tổ chức thành 3 chương chuyên đề với tiến trình phát triển kiến thức từ thiết bị điều khiển tốc độ toàn dải, thiết bị khởi động hạn chế dòng, đến hệ thống nguồn dự phòng bảo vệ:

• Chương 1: Biến tần (Nội dung trọng tâm)
  • Tổng quan và nguyên lý: Phân tích phương trình tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha $N = \frac{60f(1-s)}{P}$ để luận giải tính ưu việt của phương pháp điều khiển tần số ($f$) so với thay đổi số đôi cực ($P$) hay hệ số trượt ($s$). Định nghĩa chức năng biến đổi điện áp nguồn cố định ($f_1 = 50/60\text{ Hz}$) thành dải tần số biến thiên ($1\text{ Hz} - 400\text{ Hz}$).
  • Cấu trúc phần cứng: Phân tích chức năng 4 khối cơ bản gồm bộ chỉnh lưu, bộ lọc một chiều ($L-C$), bộ nghịch lưu 3 pha (sử dụng van IGBT) và khối điều khiển; khảo sát các phần tử phụ trợ như cuộn kháng, mạch hãm tái sinh ($V_7 + R_{br}$).
  • Phân loại bộ biến đổi: Phân tích cấu trúc biến tần trực tiếp (Cycloconverter gồm 2 nhóm Thyristor thuận - nghịch điều khiển góc mở $\alpha$ từ $\pi/2 \to 0 \to \pi/2$, dải tần ra $f_2 \le 1/2 f_1$) và 5 nhóm biến tần gián tiếp (dùng chỉnh lưu điều khiển, dùng bộ biến đổi xung áp, dùng nghịch lưu PWM, biến tần nguồn áp VSI, biến tần nguồn dòng CSI).
  • Kỹ thuật điều chế và luật điều khiển: Phân tích giải pháp điều chế xung PWM 1 pha (đơn cực, hai cực) và Sin PWM 3 pha (so sánh sóng mang răng cưa $v_{tri}$ với điện áp mẫu hình sin $v_{control}$). Trình bày 3 luật điều khiển chính: Điều khiển $U/f$ ($E/f = \text{const}$, bù áp vùng tần số thấp $F_c$, suy giảm từ thông khi $f > f_{đm}$), điều khiển vector từ trường (FOC), và điều khiển trực tiếp mô-men (DTC).
  • Ứng dụng và vận hành: Khảo sát dòng biến tần Micromaster 420, SINAMICS V20; quy trình lựa chọn công suất, cài đặt thông số vận hành, kết nối truyền thông PLC và quy trình chẩn đoán, khắc phục lỗi (quá dòng, quá áp, quá tải).
• Chương 2: Khởi động mềm
  • Khảo sát cấu trúc mạch lực điều khiển điện áp xoay chiều bằng van Thyristor đấu song song ngược.
  • Nguyên lý hạn chế dòng khởi động và giảm sụt áp lưới điện công nghiệp.
  • Khảo sát thiết bị thực tế dòng Siemens SIRIUS 3RW30 và 3RW40.
• Chương 3: Hệ thống cấp nguồn liên tục (UPS)
  • Cấu trúc và nguyên lý vận hành các hệ thống UPS công nghiệp.
  • Khảo sát giải pháp phần cứng và kỹ thuật vận hành dòng thiết bị AEG Protect 5.31.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống lý thuyết nền tảng chặt chẽ dựa trên:

• Lý thuyết truyền động điện xoay chiều: Xác lập mối quan hệ giữa từ thông khe hở không khí, điện áp stator và tần số nguồn cấp thông qua tỉ số $E/f = \text{const}$. Khi bỏ qua sụt áp trên điện trở và điện kháng tản stator ($U \approx E$), nguyên lý được chuyển hóa thành luật điều khiển $V/f = \text{const}$ nhằm duy trì mô-men cực đại không đổi trong vùng dưới tần số định mức ($f < f_{đm}$).
• Lý thuyết chuyển mạch bán dẫn công suất: Phân tích đặc tính chuyển mạch của các phần tử Diode, Thyristor, GTO, MOSFET và IGBT trong các cấu hình mạch cầu chỉnh lưu 1 pha, 3 pha và mạch nghịch lưu áp 3 pha. Xác lập yêu cầu bắt buộc về thời gian trễ khóa mạch (dead-time) giữa hai van trên cùng một nhánh để triệt tiêu dòng đâm xuyên.
• Nguyên lý nguồn áp và nguồn dòng: Phân biệt bản chất vật lý giữa nguồn áp (sử dụng tụ điện dung lượng lớn ở khâu trung gian, điện áp ra không phụ thuộc tải, cấm ngắn mạch) và nguồn dòng (sử dụng cuộn cảm giá trị lớn, dòng điện nạp không đổi, làm việc được ở chế độ ngắn mạch nhưng cấm hở mạch, có khả năng trả năng lượng về lưới qua cầu chỉnh lưu).

Kỹ năng phát triển

Tài liệu hướng tới việc hình thành 3 nhóm năng lực chuyên môn:

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Tính toán phân tích giản đồ kích đóng van bán dẫn; tính toán lựa chọn dải tần số làm việc của biến tần; cấu hình sơ đồ đấu dây mạch lực và mạch điều khiển cho biến tần SINAMICS V20 và khởi động mềm SIRIUS.
• Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Đánh giá thành phần sóng hài bậc cao trong điện áp đầu ra; phân tích ưu nhược điểm giữa cấu trúc điều khiển vòng hở (open-loop dựa trên dòng điện hồi tiếp) và điều khiển vòng kín (closed-loop tích hợp encoder phản hồi tốc độ); nhận diện ảnh hưởng của sụt áp stator ở vùng tần số thấp để xác lập tham số bù điện áp (voltage boost).
• Kỹ năng thực hành và ứng dụng (Practical competencies): Cài đặt tập tham số vận hành cho hệ truyền động; thiết lập cấu hình mạng truyền thông công nghiệp kết nối biến tần với PLC/SCADA; phân tích mã lỗi hệ thống và thực hiện quy trình bảo dưỡng, xử lý sự cố quá tải, ngắn mạch, quá nhiệt trên thiết bị thực tế.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình được biên soạn với phương pháp sư phạm tích hợp lý thuyết giải tích mạch và thực nghiệm ứng dụng:

[Khảo sát lý thuyết truyền động điện]
[Phân tích mạch lực & Kỹ thuật chuyển mạch (PWM)]
[Mô hình hóa giải thuật điều khiển (V/f, FOC, DTC)]
[Tiểu luận & Thực hành trên thiết bị thực tế (SINAMICS V20, SIRIUS, AEG)]

• Phân bổ thời lượng: Cấu trúc 30 tiết được chia thành 21 tiết giảng dạy lý thuyết trên lớp nhằm truyền đạt các nguyên lý giải tích; 06 tiết tiểu luận dành cho sinh viên nghiên cứu chuyên sâu về các chuyên đề thiết bị hoặc mô phỏng hệ thống; 03 tiết thí nghiệm, thực hành trực tiếp tại phòng lab đo lường - tự động hóa.
• Bài tập và tiểu luận (Case studies): Sinh viên được giao thực hiện các đề tài tiểu luận liên quan đến việc xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ, khảo sát các giao thức truyền thông công nghiệp (như USS, Modbus RTU trên SINAMICS V20), hoặc phân tích cấu hình khởi động cho tải có quán tính lớn.
• Phương pháp thực hành: Kết hợp giữa thực hành đo kiểm dạng sóng trên mô hình phần cứng thực tế với công cụ mô phỏng giải tích trên nền tảng MATLAB & Simulink (theo định hướng tài liệu tham khảo của tác giả Nguyễn Phùng Quang).
• Phương pháp đánh giá (Assessment methods): Đánh giá quá trình dựa trên chuyên cần, điểm kiểm tra lý thuyết định kỳ, kết quả bảo vệ tiểu luận chuyên đề và kỹ năng thao tác trong các bài thực hành đo kiểm.
• Hướng dẫn tự học: Tài liệu định hướng sinh viên tra cứu song song catalog kỹ thuật chính hãng từ Siemens (SINAMICS V20 Inverter Manual, SIRIUS 3RW30/40 Soft Starter Manual), kết hợp nghiên cứu các giáo trình kinh điển về điện tử công suất của Trần Xuân Minh - Đỗ Trung Hải và mạng truyền thông SCADA của Lê Ngọc Bích - Phạm Quang Huy.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

Nội dung bài giảng thể hiện rõ các điểm cập nhật kỹ thuật phù hợp với thực tế sản xuất công nghiệp:

Tiêu chí	Nội dung thể hiện trong giáo trình	Giá trị học thuật / Kỹ thuật
Gắn kết thiết bị thực tế	Tích hợp trực tiếp hướng dẫn kỹ thuật của Siemens Micromaster 420, SINAMICS V20, SIRIUS 3RW30/40, AEG Protect 5.31.	Loại bỏ khoảng cách giữa lý thuyết giải tích trừu tượng và thiết bị phần cứng công nghiệp thực tế.
Kỹ thuật điều khiển hiện đại	Trình bày đầy đủ từ điều khiển vô hướng $V/f$ đến điều khiển vector không gian (FOC) và điều khiển trực tiếp mô-men (DTC).	Giúp người học nắm bắt các chuẩn điều khiển từ mức độ cơ bản đến các giải pháp truyền động chất lượng cao.
Chi tiết kỹ thuật điều chế	Phân tích sâu kỹ thuật điều chế PWM 1 pha (đơn cực, hai cực) và Sin PWM 3 pha bằng cách so sánh $v_{control}$ với $v_{tri}$.	Làm rõ bản chất toán học của việc tạo ra điện áp xoay chiều sin hóa và triệt tiêu sóng hài bậc thấp.
Tích hợp truyền thông công nghiệp	Thiết lập kết nối giữa biến tần với các bộ điều khiển lập trình PLC và hệ thống giám sát SCADA.	Phù hợp với xu thế tự động hóa tích hợp trong các nhà máy hiện đại theo mô hình SCADA/DCS.
Giải pháp bảo vệ phần cứng	Phân tích hiện tượng dòng đâm xuyên nhánh van, mạch xả điện trở hãm tái sinh ($V_7 + R_{br}$), cuộn kháng lọc hài.	Cung cấp góc nhìn thực tiễn về an toàn thiết bị, bảo vệ quá dòng, quá áp và ổn định lưới.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên mục tiêu: Sinh viên năm thứ 3 và năm thứ 4 chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện, Công nghệ Đo lường và Hệ thống Điều khiển tại các trường đại học khối kỹ thuật.
• Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các học phần nền tảng gồm:
  • Điện tử công suất cơ bản (nguyên lý van bán dẫn, mạch chỉnh lưu, nghịch lưu cơ bản).
  • Lý thuyết điều khiển tự động (mô hình không gian trạng thái, hàm truyền, hệ thống vòng kín/vòng hở).
  • Máy điện và Truyền động điện (đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha, sơ đồ thay thế động cơ).
• Giảng viên: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuẩn cho học phần Thiết bị điện tử công suất và hệ thống (2 tín chỉ), làm khung phân bổ nội dung tiểu luận và xây dựng bài tập thực hành đo lường.
• Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật: Dùng làm tài liệu tra cứu kỹ thuật về cấu trúc mạch lực biến tần, hướng dẫn cài đặt thông số thiết bị khởi động mềm và hệ thống cấp nguồn dự phòng UPS trong nhà máy.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được biên soạn phục vụ trực tiếp cho sinh viên ngành Điều khiển - Tự động hóa, Kỹ thuật Điện (bậc đại học) và kỹ sư vận hành hệ thống truyền động điện công nghiệp cần tài liệu tham khảo chuẩn mực về biến tần, khởi động mềm và UPS.

2. Cần kiến thức nền nào để học tốt giáo trình?

Người học cần nắm vững lý thuyết mạch điện, máy điện (đặc biệt là động cơ không đồng bộ 3 pha), linh kiện điện tử công suất cơ bản (Diode, Thyristor, IGBT) và kiến thức về hệ thống điều khiển tự động.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu thuần lý thuyết khác?

Giáo trình kết hợp đồng thời giữa lý thuyết toán học (phương trình truyền động, giải thuật điều chế PWM, luật điều khiển $V/f$, FOC, DTC) với việc hướng dẫn cấu hình, cài đặt tham số và xử lý sự cố trên các dòng thiết bị thương mại phổ biến (Siemens SINAMICS V20, SIRIUS 3RW30/40, AEG Protect 5.31).

4. Làm sao để tự học và nghiên cứu giáo trình hiệu quả?

Người học nên kết hợp đọc lý thuyết từng chương với việc sử dụng phần mềm MATLAB & Simulink để mô phỏng dạng sóng nghịch lưu PWM và phản ứng động học của động cơ; đồng thời tra cứu manual hướng dẫn vận hành của các dòng biến tần SINAMICS V20 để hiểu rõ các thông số cài đặt thực tế.

5. Giáo trình sử dụng các tài liệu tham khảo bổ trợ nào?

Tài liệu trích dẫn trực tiếp từ các nguồn học thuật và tài liệu kỹ thuật tiêu chuẩn:

• Giáo trình Điện tử công suất – Trần Xuân Minh, Đỗ Trung Hải.
• Tài liệu vận hành Siemens SINAMICS V20, SIRIUS 3RW30/3RW40.
• Giáo trình Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha.
• Tài liệu kỹ thuật AEG UPS Protect 5.31.
• Giáo trình Mạng truyền thông công nghiệp SCADA – Lê Ngọc Bích, Phạm Quang Huy.
• Giáo trình Matlab & Simulink trong Điều khiển Tự động – Nguyễn Phùng Quang.

---

Kết luận

Bài giảng Thiết bị điện tử công suất và hệ thống của tác giả Đàm Xuân Đông là tài liệu học thuật hệ thống hóa toàn diện các thiết bị biến đổi công suất tĩnh trong công nghiệp. Tài liệu cung cấp lộ trình học tập khoa học từ việc phân tích nguyên lý máy điện, lý thuyết chuyển mạch van bán dẫn, giải thuật điều chế độ rộng xung (PWM), cho đến kỹ năng cấu hình phần cứng và chẩn đoán lỗi trên các thiết bị thực tế của Siemens và AEG. Đây là tài liệu phục vụ hiệu quả công tác giảng dạy, học tập và nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực Tự động hóa và Truyền động điện.

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.