Báo cáo Nghiên cứu và thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ 3 pha

SVTH: VŨ LẠNH TRUNG PHỤ LỤC NHẬN XÉT CỦA GVHD: ..........................................................................................................................3 NHẬN XÉT CỦA GVPB: ..........................................................................................................................4 LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................................................................6 LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................................................7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ......................................................................................................................8 I. ĐẶT VẤN ĐỀ .......................................................................................................................................8 II.TẦM QUAN TRỌNG CỦA VẤN ĐỀ…………………………………………………………………………..………….…….7 III.GIỚI HẠN VẤN ĐỀ…………………………………………………………………………………8 IV. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU...............................................................................................................9 V:HÌNH ẢNH VỀ KHỞI ĐỘNG MỀM ................................................................................................ 10 CHƯƠNG II :CƠ SỞ LÍ THUYẾT ....................................................................................................... 13 I.KHỞI ĐỘNG MỀM VÀ DỪNG MỀM .............................................................................................. 13 2.1 giới thiệu chung .................................................................................................12 2.2 kỹ thuật khởi động và dừng khởi động..................................................................................13 2.2.1 những nét chính ………………………………………………………………………...…..13 2.2.2 dừng tự do theo quán tính ………………………………………………………………….14 2.2.3 dừng mềm ………………………………………………………………………………….14 2.2.4 tiết kiệm năng lƣợng khi non tải …………………………………………………………...15 II.CÁC GIẢI PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ VÀ ƢU ĐIỂM CỦA BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ABB 16 2.3 bộ khởi động mềm không thay đổi tần số nguồn cấp giống nhƣ biến tần. ................................... 16 2.3.1Quạtlytâm: .............................................................................................................................. 17 2.3.2 Bơm ly tâm: .......................................................................................................................... 19 2.3.3 Máy nén : .............................................................................................................................. 20 2.4: ứng dụng ..................................................................................................................................... 22 LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 1 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN (KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA) .......................................................................................................................................................... 29 I: SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC,MẠCH ĐIỀU KHIỂN ........................................................................ 29 II: SỰ KHÁC BIỆT CỦA KHỞI ĐỘNG MỀM SO VỚI KHỞI ĐỘNG CỨNG .................................. 30 3.1 : Khởi động cứng: ....................................................................................................................... 30 3.2: Khởi động mềm: ......................................................................................................................... 30 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 30 I :PHẦN KẾT LUẬN .................................................................................................................................. 30 II:TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................. 31 LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 2 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG NHẬN XÉT CỦA GVHD: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………….………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………….…………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……….……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………….………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………….…………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………….………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………….…………………………………………… ……………………………………………………………………………………… LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 3 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG NHẬN XÉT CỦA GVPB: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………….………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………….…………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……….……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………….………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………….…………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………….……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 4 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………….………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………….…………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……….……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………….……………….. ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………….………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………….…………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………….………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………….…………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 5 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG LỜI NÓI ĐẦU Đồ án này là mốc quan trọng để kiểm tra nhận thức của sinh viên trong thời gian học tập và những kiến thức đã đƣợc giảng dạy ở trong trƣờng. Đồng thời nó còn đánh giá khả năng vận dụng lý thuyết để phân tích tổng hợp và giải quyết các bài toán trong thực tế khi làm đồ án sinh viên trao đổi, học hỏi trao dồi kiến thức. Nhận thức tầm quan trọng đó chúng em đã làm việc nghiêm túc vận dụng những kiến thức sẵn có của bản thân, những đóng góp ý kiến của bạn bè và đặc biệt là sự hƣớng dẫn của ThS. NGUYỄN VĂN PHƢỚC và một số thầy cô giảng dạy trong khoa điện của Trƣờng Cao Đẳng Công Thƣơng TPHCM để hoàn thành đồ án này. Trong quá trình thực hiện đề tài này cũng có nhiều sai sót hy vọng quý thầy thông cảm và bỏ qua,chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy. LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 6 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô trong khoa điện Trường Cao Đẳng Công Thương Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn đã truyền thụ cho nhóm chúng em những kiến thức quý báu trong thời gian qua. Chúng em xin chân thành cảm ơn ThS. NGUYỄN VĂN PHƯỚC , giảng viên Trường Cao Đẳng Công Thương Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tâm hướng dẫn,cung cấp tài liệu và tạo mọi điều kiện thuận lợi để nhóm có thể hoàn thành đồ án này. Trường Cao Đẳng Công Thương Thành Phố Hồ Chí Minh. LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 7 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN I. ĐẶT VẤN ĐỀ Những thành tựu của khoa học và kỹ thuật đã có nhiều ứng dụng rất lớn trong cuộc sống cũng nhƣ trong công nghiệp hiện nay. Đã đem đến cho chúng ta vô số những thành quả to lớn nhƣ ứng dụng điều khiển các thiết bị điện, động cơ điện nhƣ quạt và động cơ bơm Nội dung chính của đề tài mà chúng em thực hiện là “ NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA”. Động cơ không đồng bộ ba pha đƣợc dùng rộng rãi trong công nghiệp, vì chúng có cấu trúc đơn giản, làm việc với độ tin cậy, nhƣng có nhƣợc điểm là dòng điện khởi động lớn, gây ra sụt áp trong lƣới điện.Vì vậy đề tài của chúng em là phải nghiên cứu và thiết kế bộ khởi động mềm để điều khiển sao cho có thể làm hạn chế dòng điện khởi động , đồng thời điều chỉnh tăng mô men 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 hƣởng xấu đến các thiết bị khác trong lƣới điện. II. TẦM QUAN TRỌNG CỦA VẤN ĐỀ Ứng dụng của bộ khởi động mềm có ý nghĩa rất lớn và rất quan trọng trong công nghiệp vì nó tiết kiệm điện năng rất lớn, tăng tuổi thọ làm việc của động cơ hoạt động và không ảnh hƣởng đến các thiết bị khác trong lƣới điện khi động cơ vận hành.Ứng dụng này rất có giá trị để điều khiển điện áp đặt vào động cơ sẽ giảm dòng khởi động xuống còn 1.5 đến 3 lần dòng định mức, phụ thuộc vào chế độ tải vì khi động cơ đƣợc đóng trực tiếp vào lƣới điện dòng khởi động của động cơ không đồng bộ sẽ rất lớn từ 5 đến 7 lần đồng định mức.Điều này gây ảnh hƣởng rất lớn đến các thiết bị dùng điện khác nhất là khi công suất lƣới bị giới hạn hay ở cuối đƣờng dây có sụt áp lớn.Có thể tăng dần điện áp theo một chƣơng trình thích hợp để điện áp tăng tuyến tính từ một giá trị xác định đến điện áp định mức. LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 8 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG III. GIỚI HẠN VẤN ĐỀ Đề tài “ NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG 3 PHA” có thể giải quyết đƣợc vấn đề giảm dòng khởi cho động cơ khi khởi động và điều khiển điện áp ở đầu cực động cơ nhƣng vẫn hạn chế là chƣa thể nghiên cứu sâu hơn nữa những tính năng thực của bộ khởi động mềm đƣợc bán trên thị trƣờng hiện nay nhƣ: bảo vệ quá nhiệt cho động cơ, tích hợp hình thức giao tiếp mạng kiểu Modbus, điều khiển kết hợp với contactor nối tắt khi điều khiển xong tránh tổn hao nhiệt, có các ngõ vào ra đa chức năng. IV. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Đề tài chúng em tìm hiểu về động cơ không đồng bộ 3 pha và nghiên cứu và thiết kế bộ khởi động mềm. Mục đích thực hiện của đề tài là nghiên cứu nguyên lý và thiết kế mạch điện tử cũng nhƣ tìm hiểu về tập lệnh của vi điều khiển để lập trình điều khiển động cơ. Trong quá trình thực hiện đề tài này cũng có nhiều sai sót hy vọng quý thầy thông cảm và bỏ qua,chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy. LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 9 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG V:HÌNH ẢNH VỀ KHỞI ĐỘNG MỀM (1SFC 132198F0001) LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 10 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 11 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 12 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG CHƯƠNG II :CƠ SỞ LÍ THUYẾT I.KHỞI ĐỘNG MỀM VÀ DỪNG MỀM Động cơ không đồng bộ 3 pha dùng rộng rãi trong công nghiệp, vì chúng có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, nhƣng có nhƣợc điểm dòng điện khởi động lớn là vấn đề khởi động mềm và dừng mềm động cơ 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG Động cơ không đồng bộ 3 pha dùng rộng rãi trong công nghiệp, vì chúng có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, nhƣng có nhƣợc điểm dòng điện khởi động lớn, gây ra sụt áp trong lƣới điện. Phƣơng pháp tối ƣu hiện nay là dùng bộ điều khiển điện tử để hạn chế dòng điện khởi động, đồng thời điều chỉnh tăng mô men mở máy một cách hợp lý, vì vậy 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 hƣởng xấu đến các thiết bị khác trong lƣới. Phƣơng pháp khởi động đƣợc áp dụng ở đây là cần hạn chế điện áp ở đầu cực động cơ, tăng dần điện áp theo một chƣơng trình thích hợp để điện áp tăng tuyến tính từ một giá trị xác định đến điện áp định mức. Đó là quá trình khởi động mềm (ramp) toàn bộ quá trình khởi động đƣợc điều khiển đóng mở thyristor bằng bộ vi sử lý 16 bit với các cổng vào ra tƣơng ứng, tần số giữ không đổi theo tần số điện áp lƣới. Ngoài ra còn cung cấp cho chúng ta những giải pháp tối ƣu nhờ nhiều chức năng nhƣ khởi động mềm và dừng mêm, dừng đột ngột, phanh dòng trực tiếp, tiết kiệm năng lƣợng khi non tải. Có chức năng bảo vệ động cơ nhƣ bảo vệ quá tải, mất pha .. * Những ứng dụng điển hình của bộ khởi động mềm - Động cơ điện cho chuyên chở vật liệu. - Động cơ bơm. - Động cơ vân hành non tải lâu dài. - Động cơ có bộ chuyển đổi (ví dụ hộp số, băng tải ..) - Động cơ có quán tính lớn (quạt, máy nén, bơm, băng truyền, thang máy, máy LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 13 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG nghiền, máy ep, máy khuấy, máy dệt … * Những đặc điểm khác: - Bền vững tiết kiệm không gian lắp đặt. - Có chức năng điều khiển và bảo vệ. - Khoảng điện áp sử dụng 200 – 500 V, tần số 45 – 65 Hz. - Có phần mềm chuyên dụng đi kèm. - Lắp và đặt chức năng dễ dàng. 2.2 KỸ THUẬT KHỞI ĐỘNG VÀ DỪNG 2.2.1 Những nét chính Mạch lực của hệ thống khởi động mềm gồm 3 cặp thyristor đấu song song ngƣợc cho 3 pha. Vì mô men động cơ tỉ lệ với bình phƣơng điện áp, dòng điện tỉ lệ với điện áp, mô men gia tốc và dòng điện khởi động đƣợc hạn chế thông qua điều chỉnh trị số hiệu dụng của điện áp. Quy luật điều chỉnh này trong khi khởi động và dừng nhờ điều khiển pha (kích, mở 3 cặp thyristor song song ngƣợc) trong mạch lực. Nhƣ vậy, hoạt động của bộ khởi động mềm hoàn toàn dựa trên việc điều khiển điện áp khi khởi động và dừng, tức là trị số hiệu dụng của điện áp là thay đổi. Nếu dừng động cơ, mọi tín hiệu kích mở thyristor bị cắt và dòng điện dừng tại điểm qua không kế tiếp của điện áp nguồn. Giải thích: IA – Dòng điện ban đầu khi khởi động trực tiếp. LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 14 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG IS – Dòng điện bắt đầu có ramp điện áp. In – Dòng điện định mức của động cơ. Us – Điện áp bắt đầu ramp. Un – Điện áp định mức của động cơ. tr - Thời gian ramp. n - Tốc độ động cơ. Nếu phát hiện động cơ đạt tốc độ yêu cầu trƣớc khi hết thời gian đặt của bộ khởi động mềm, điện áp vào lập tức đƣợc tăng lên 100% điện áp lƣới, đó chính là chức năng phát hiện tăng tốc. 2.2.2 dừng tự do theo quán tính Nếu điện áp cấp bị cắt trực tiếp, động cơ chạy theo quán tính cho tới khi dừng trong khoảng thời gian xác định. Thời gian dừng với mômen quán tính nhỏ có thể rất ngắn, cần tránh trƣờng hợp này đề phòng sự phá huỷ về cơ và sự dừng tải đột ngột không mong muốn. 2.2.3 dừng mềm Không nên cắt trực tiếp các động cơ có mômen quán tính nhỏ nhƣ băng truyền, thang máy, máy nâng để đảm bảo không nguy hiểm cho ngƣời, thiết bị và sản phẩm. Nhờ chức năng dừng mềm mà điện áp động cơ đƣợc giảm từ từ trong khoảng từ 1 đến 20 giây tuỳ thuộc vào yêu cầu. Điện áp ban đầu cho dừng mềm Ustop = 0,9Un và điện áp cuối quá trình vào khoảng 0,85 điện áp ban đầu. Thời gian ramp điện áp tới 1000 giây cùng điện áp đầu và cuối quá trình dừng mềm đặt theo chƣơng trình. LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 15 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG Nhƣ vậy, thực chất dừng mềm là cố ý kéo dài quá trình dừng bằng cách giảm từ từ điện áp nguồn cung cấp vào động cơ. Nếu trong quá trình dừng mà có lệnh khởi động, thì quá trình dừng này lập tức bị huỷ bỏ và động cơ đƣợc khởi động trở lại. 2.2.4 tiết kiệm năng lượng khi non tải Nếu động cơ điện vận hành không tải hay non tải, trong trƣờng hợp này khởi động mềm giúp tiết kiệm điện năng nhờ giảm điện áp động cơ tới gia trị U0, việc giảm điện áp do đó làm giảm dòng điện, dẫn đến giảm bớt cả tổn hao đồng và tổn hao sắt %. II.CÁC GIẢI PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ VÀ ƯU ĐIỂM CỦA BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ABB 2.3 bộ khởi động mềm không thay đổi tần số nguồn cấp giống như biến tần. Thay vào đó nó tăng dần điện áp cấp vào động cơ từ 1 mức điện áp định trƣớc lúc vừa khởi động lên đến điện áp định mức. Với phƣơng pháp khởi động này, ta có thể điều chỉnh đƣợc chính xác lực khởi động mong muốn, bất kể đó là khởi động không tải hay có tải. Khởi động mềm giúp giảm dòng khởi động từ đó tránh gây sụt áp trong hệ thống nguồn điện. Bên cạnh đó nó cũng giúp giảm các xung lực cơ khí lên thiết bị khi khởi động do vậy giàm đƣợc chi phí bảo trì, bảo dƣỡng. Khởi động mềm cũng có chức năng dừng mềm nhƣ biến tần, nó loại trừ đƣợc các hiện tƣợng xấu nhƣ xung áp lực nƣớc, tăng vọt áp suất trong hệ thống bơm và tránh các hƣ hỏng cho các vật liệu dễ vỡ khi đƣợc tải trên băng chuyền. LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 16 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG Tất cả động cơ đều đều đƣợc dùng để khởi động hay lai các ứng dụng khác nhau. Chúng ta sẽ tìm hiểu vài ứng dụng động cơ thông dụng nhất: bơm ly tâm, quạt và máynén.... 2.3.1Quạt ly tâm: Quạt thƣờng cần momen quán tính lớn khi khởi động do nó có các cánh gió lớn. Đôi khi để giảm tải khi khởi động, ngƣời ta đóng kín van cấp gió, quạt khởi động ở chế độ không tải nên việc khởi động dễ dàng hơn . Tuy nhiên momen quán tính khởi động vẫn cao nên thời gian khởi động vẫn còn khá dài. Khởi động trực tiếp: monen quán tính cao của cánh quạt sẽ dẫn tới thời gian khởi động dài. Dòng khi khởi động trực tiếp rất cao có thể làm sụt nghiêm trọng điện áp nguồn gây ảnh hƣởng tới các thiết khác. Quạt ly tâm thƣờng đƣợc kéo bởi 1 hay nhiều dây đai truyền lực. Trong khi khởi động, các đai này có xu hƣớng bị trƣợt do lực khởi động quá lớn và các đai này không thể truyền tất cả lực do động cơ tạo ra. Điều này làm tăng chi phí bảo dƣỡng cho đai truyền, các ổ đỡ và gây tổn thất do dừng sản xuất để thay thế. LỚP TỰ ĐỘNG HÓA 10 trang 17 SVTH: VŨ LẠNH TRUNG Khởi động sao-tam giác : phƣơng pháp này tạo lực khởi động thấp. Do lực tỷ lệ với bình phƣơng dòng điện, lực do động cơ tạo ra ở chế độ sao có thể không đủ mạnh để gia tốc cánh quạt đạt tới tốc độ định mức. Khi chuyển sang chế độ tam giác, xung lực và dòng điện tăng vọt với cƣờng độ bằng hoặc thậm chí lớn hơn so với khởi động trực tiếp. Điều này làm đai truyền động bị trƣợt. Ta có thể khắc phục bằng cách kéo căng đai truyền, nhƣng làm vậy sẽ tăng áp lực cơ lên các ổ đỡ tại cả động cơ và quạt từ đó làm tăng chi phí bảo dƣỡng. Khởi động mềm: để khắc phục vấn đề đai truyền bị trƣợt, ta cần giàm momen lực tại thời điểm khởi động. Các bộ khởi động mềm của ABB sẽ giàm điện áp cấp vào động cơ tại thời điểm khởi động. Sau đó điện áp sẽ đƣợc tăng lên để kéo cánh quạt. Bộ khởi động mềm cho phép ta điều chỉnh lực khởi động phù hợp với bất kỳ điều kiện khởi động nào, cả không tải lẫn toàn tải. Dòng khởi động sẽ giảm và tránh đƣợcsụtápnguồnlƣới. Một số bộ khởi động mềm đƣợc tích hợp sẵn bộ bảo vệ non tải, nó sẽ dừng động cơkhi nhận thấy dòng điện bị sụt do đứt dây đai. Lựa chọn bộ khởi động: Cánh quạt thƣờng lớn, tạo ra lực q