Nghiên cứu ứng dụng biến tần và khởi động mềm trong điều khiển động cơ công suất lớn

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu ứng dụng biến tần và khởi động mềm điều khiển động cơ công suất lớn, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Dương Đức Đạt
• Người hướng dẫn: GVHD: Trần Văn Hải
• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Ứng Dụng Biến Tần Và Khởi Động Mềm Cho Động Cơ Công Suất Lớn
• Loại tài liệu: đồ án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài

Đề tài 'Ứng dụng biến tần và khởi động mềm cho động cơ công suất lớn' tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của động cơ điện không đồng bộ. Biến tần và khởi động mềm là hai công nghệ tiên tiến giúp giảm dòng khởi động và tăng mômen mở máy. Việc sử dụng biến tần cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ một cách linh hoạt, từ đó tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tổn thất trong quá trình vận hành. Đặc biệt, trong các ứng dụng công nghiệp, việc khởi động động cơ công suất lớn thường gặp khó khăn do dòng khởi động cao, có thể lên đến 5-7 lần dòng định mức. Do đó, việc áp dụng khởi động mềm giúp giảm thiểu dòng khởi động, bảo vệ động cơ và các thiết bị khác trong hệ thống điện.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong ngành công nghiệp, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi nhờ vào tính đơn giản và độ tin cậy. Tuy nhiên, với động cơ công suất lớn, việc khởi động gặp nhiều thách thức. Dòng khởi động lớn có thể gây hư hỏng cho động cơ và làm giảm tuổi thọ của thiết bị. Việc nghiên cứu và ứng dụng biến tần và khởi động mềm không chỉ giúp giảm dòng khởi động mà còn tăng cường hiệu suất làm việc của động cơ. Sự phát triển của công nghệ bán dẫn đã mở ra cơ hội mới cho việc điều khiển động cơ một cách hiệu quả hơn, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong sản xuất công nghiệp.

II. Tổng quan về động cơ không đồng bộ ba pha

Động cơ không đồng bộ ba pha là loại động cơ phổ biến trong công nghiệp nhờ vào cấu tạo đơn giản và hiệu suất cao. Động cơ công suất lớn thường sử dụng rotor lồng sóc, giúp giảm dòng khởi động và tăng mômen mở máy. Tuy nhiên, nhược điểm của loại động cơ này là khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ. Việc áp dụng biến tần cho động cơ không đồng bộ giúp giải quyết vấn đề này, cho phép điều chỉnh tốc độ một cách linh hoạt và hiệu quả. Hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ cần phải đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất, độ tin cậy và khả năng điều chỉnh tốc độ. Việc sử dụng biến tần không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu tổn thất trong quá trình vận hành.

2.1 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ ba pha dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi dòng điện ba pha được cấp vào stator, nó tạo ra từ trường quay. Từ trường này tác động lên rotor, tạo ra mômen quay. Tốc độ quay của rotor luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường, tạo ra hiện tượng trượt. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ có thể thực hiện thông qua việc thay đổi tần số dòng điện cấp vào stator. Biến tần cho phép điều chỉnh tần số này một cách linh hoạt, từ đó điều chỉnh tốc độ động cơ theo yêu cầu của tải. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống.

III. Giới thiệu về biến tần

Biến tần là thiết bị quan trọng trong việc điều khiển động cơ điện. Nó cho phép điều chỉnh tốc độ và mômen của động cơ một cách chính xác. Ứng dụng biến tần trong công nghiệp giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tổn thất. Biến tần có thể được chia thành hai loại chính: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp. Mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Việc lựa chọn loại biến tần phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Biến tần ABB-ACS150 là một ví dụ điển hình về thiết bị này, với khả năng điều khiển linh hoạt và dễ dàng cài đặt.

3.1 Cấu tạo và chức năng của biến tần

Biến tần bao gồm các thành phần chính như bộ chỉnh lưu, bộ lọc, và bộ nghịch lưu. Bộ chỉnh lưu chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, trong khi bộ nghịch lưu chuyển đổi dòng điện một chiều trở lại thành dòng điện xoay chiều với tần số và biên độ điều chỉnh được. Biến tần không chỉ giúp điều chỉnh tốc độ mà còn bảo vệ động cơ khỏi các sự cố như quá tải, ngắn mạch. Việc sử dụng biến tần trong các ứng dụng công nghiệp giúp nâng cao hiệu suất làm việc, giảm thiểu tổn thất năng lượng và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

IV. Giới thiệu về bộ khởi động mềm

Bộ khởi động mềm là thiết bị giúp giảm dòng khởi động cho động cơ điện, đặc biệt là động cơ công suất lớn. Khởi động mềm giúp giảm thiểu tác động của dòng khởi động lớn đến hệ thống điện và động cơ. Thiết bị này hoạt động bằng cách điều chỉnh điện áp cấp vào động cơ trong quá trình khởi động, từ đó giảm dòng khởi động xuống mức an toàn. Việc sử dụng bộ khởi động mềm không chỉ bảo vệ động cơ mà còn giúp ổn định điện áp nguồn, tránh gây ảnh hưởng đến các thiết bị khác trong hệ thống. Các loại khởi động mềm trên thị trường hiện nay rất đa dạng, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

4.1 Nguyên lý hoạt động của bộ khởi động mềm

Nguyên lý hoạt động của bộ khởi động mềm dựa trên việc điều chỉnh điện áp cấp vào động cơ. Khi khởi động, bộ khởi động mềm sẽ giảm điện áp, từ đó giảm dòng khởi động. Sau khi động cơ đã đạt đến tốc độ nhất định, điện áp sẽ được tăng lên để động cơ hoạt động ở chế độ định mức. Việc này không chỉ giúp bảo vệ động cơ mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình khởi động. Bộ khởi động mềm Siemens – 3RW44 là một ví dụ điển hình, với khả năng điều chỉnh điện áp linh hoạt và dễ dàng cài đặt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. TÍNH CẦP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong các ngành sản xuất công nghiệp, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng khá phổ biến trong các hệ thống truyền động, dây chuyền sản xuất bởi tính chất đơn giản và tin cậy trong thiết kế chế tạo và sử dụng. Tuy nhiên khi sử dụng động cơ không đồng bộ trong sản xuất đặc biệt với các động cơ có công suất lớn ta cần chú ý tới quá trình khởi động động cơ do khi khởi động rotor ở trạng thái ngắn mạch, dẫn đến dòng điện khởi động và momen khởi động lớn, nếu không có biện pháp khởi động thích hợp có thể không khởi động được động cơ hoặc gây nguy hiểm cho các thiết bị khác trong hệ thống điện. Vấn đề khởi động động cơ điện không đồng bộ đã được nghiên cứu từ lâu với các biện pháp khá hoàn thiện để giảm dòng điện và momen khởi động.

Ngày nay, công nghệ bán dẫn ngày càng phát triển, các thiết bị bán dẫn công suất lớn ngày càng được sử dụng rộng rãi, với độ tin cậy ngày càng cao, có khả năng điều khiển tốt. Sự ra đời của các bộ biến tần, bộ khởi động mềm đã giải quyết những nhược điểm mà các phương pháp điều khiển truyền thống mắc phải. Việc giảm điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi động hoàn toàn có thể được thực hiện một cách dễ dàng bằng việc điều khiển góc mở của van bán dẫn, làm hạn chế dòng điện khởi động xuống còn 1.5 đến 3 lần dòng định mức, phụ thuộc vào chế độ tải vì khi động cơ được đóng điện trực tiếp vào lưới điện dòng khởi động của động cơ không đồng bộ sẽ rất lớn từ 5 đến 7 lần dòng định mức. Đồng thời điều chỉnh tăng mômen mở máy một cách hợp lý, cho nên các chi tiết của động cơ chịu độ dồn nén về cơ khí ít hơn, tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động cơ.

Ngoài việc tránh dòng đỉnh trong khi khởi động động cơ, còn làm cho điện áp nguồn ổn định hơn không gây ảnh hưởng xấu đến các thiết bị khác trong lưới điện. Với đề tài mà chúng em thực hiện là: “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN VÀ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” nghĩa là: điều SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 3 Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải khiển động cơ sao cho có thể làm hạn chế dòng điện khởi động, cũng như tăng mômen mở máy một cách hợp lý đồng thời điều chỉnh được tốc độ động cơ trong quá trình làm việc. Chúng em hy vọng sẽ mang đến những kiến thức hữu ích về biến tần và khởi động mềm, để phục vụ tốt hơn cho nhu cầu học tập và vận hành thực tiễn. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI Đề tài bao gồm các nội dung: - Tổng quan về động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển.

- Nghiên cứu, ứng dụng biến tần. - Nghiên cứu, ứng dụng bộ khởi động mềm. - Thi công mô hình biến tần và bộ khởi động mềm. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Với đề tài “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN VÀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” đã giải quyết được vấn đề giảm dòng khởi cho động cơ khi khởi động và điều khiển điện áp ở đầu cực động cơ nhưng vẫn còn hạn chế là chưa thể nghiên cứu sâu hơn nữa những tính năng thực của biến tần và bộ khởi động mềm được bán trên thị trường hiện nay như: - Tích hợp hình thức giao tiếp mạng kiểu Modbus.

- Các ngõ vào ra đa chức năng,… 1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đây là đề tài nghiên cứu lĩnh vực ứng dụng, chính vì vậy các phương pháp chủ yếu sử dụng để thực hiện đề tài này là: - Phương pháp tham khảo tài liệu: Bao gồm các tài liệu chuyên môn, bài giảng và giáo trình liên quan đến đề tài, các tài liệu tải từ Internet,… - Phương pháp thực nghiệm và mô phỏng: Tiến hành cài đặt, hiệu chỉnh và vận hành thực tế, thiết kế và mô phỏng mạch điện,. SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 4 Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Động cơ không đồng bộ ba pha do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, sử dụng và bảo quản thuận tiện, giá thành rẻ nên được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân, nhất là loại công suất dưới 100 kW.

Động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc cấu tạo đơn giản nhất (nhất là loại rotor lồng sóc đúc nhôm) nên chiếm một số lượng khá lớn trong loại động cơ công suất nhỏ và trung bình. Nhược điểm của động cơ này là điều chỉnh tốc độ khó khăn và dòng điện khởi động lớn thường bằng 5-7 lần dòng điện định mức. Để bổ khuyết cho nhược điểm này, người ta chế tạo đông cơ không đồng bộ rotor lồng sóc nhiều tốc độ và dùng rotor rãnh sâu, lồng sóc kép để hạ dòng điện khởi động, đồng thời tăng mômen khởi động lên.1: Động cơ không đồng bộ ba pha. Động cơ điện không đồng bộ rotor dây quấn có thể điều chỉnh tốc được tốc độ trong một chừng mực nhất định, có thể tạo một mômen khởi động lớn mà dòng khởi động không lớn lắm, nhưng chế tạo có khó hơn so với với loại rotor lồng sóc, do đó giá thành cao hơn, bảo quản cũng khó hơn.

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 5 Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải 2. CẤU TẠO Động cơ không đồng bộ ba pha có cấu tạo gồm hai phần: phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor). Phần tĩnh (Stator) Stato có cấu tạo gồm vỏ máy, lỏi sắt và dây quấn:  Vỏ máy: Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ. Thường vỏ máy được làm bằng gang.

Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000kW ) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy. Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau.  Lõi sắt: Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại.

Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại. Khi đường kính ngoài lớn hơn thì dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại. Mặt trong của lõi thép có các rãnh để đặt dây quấn.2: (a) lõi thép stator; (b) lá thép; (c) rãnh chứa dây quấn. Rãnh chứa dây quấn có nhiều hình dạng khác nhau.

Trong đó, phổ biến là rãnh hình thang và rãnh quả lê. SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 6 Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải Hình 2.3: Rãnh ở mặt trong stator.  Dây quấn: Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt. (a) sơ đồ bố trí ba cuộn dây stator.

(b) dây quấn ba pha đặt trong rãnh. Phần quay (rotor) Rotor có 2 loại chính : rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lòng sóc.  Rotor dây quấn : Rotor có dây quấn giống như dây quấn của stator. Dây quấn 3 pha của rotor thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài.

Đặc điểm là có SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 7 Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch. Nhược điểm so với động cơ rotor lồng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt và dễ cháy nổ.  Rotor lồng sóc : Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator.

Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc. Khe hở không khí Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Xét stator động cơ không đồng bộ ba pha đơn giản có 6 rãnh, trên stator được bố trí ba cuộn dây AX, BY và CZ.

Khi nối dây quấn stator vào nguồn điện 3 pha tần số f, trong dây quấn stator sẽ có hệ thống dòng điện 3 pha (isu, isv, isw), dây quấn stator sẽ sinh ra từ trường quay (như hình 2.1) Trong đó:  f1: tần số nguồn điện.  p: số đôi cực từ của dây quấn. SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 8 Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải Hình 2.5: Từ trường quay stator và sự hình thành các cực từ. Từ trường quay quét qua dây quấn rotor cảm ứng trong dây quấn rotor một sức điện động cảm ứng E2.

Do dây quấn rotor nối ngắn mạch, nên E2 tạo ra dòng điện I2 chạy trong các thanh dẫn rotor (chiều của i 2 xác định theo qui tắc bàn tay phải như hình 2. Dòng điện I2 cũng tạo ra từ trường quay với tốc độ n1 cùng chiều với từ trường stator. Từ trường trong khe hở không khí của máy là tổng từ trường do dòng điện stator và dòng điện rotor tạo ra và cũng là từ trường quay với tốc độ n 1. Từ trường khe hở không khí sẽ tác dụng lên dòng điện I2 lực F (chiều của F xác định theo qui tắc bàn tay trái như hình 2.

Tập hợp các lực tác dụng lên thanh dẫn theo phương tiếp tuyến với bề mặt rotor tạo ra mômen quay rotor. Và rotor sẽ quay cùng chiều từ trường với tốc độ n 2 nhỏ hơn tốc độ n1. Hiệu số giữa tốc độ từ trường và tốc độ rotor gọi là tốc độ trượt (n): n = n1- n2 (2.3) Đây chính là hệ số trượt của động cơ. SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 9 Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải Hình 2.

Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha.