Tài liệu Giáo trình biến tần

Tr-êng CAO §¼NG C¤NG NGHÖ VIETTRONICS Khoa ®iÖn - §IÖN Tö Giáo trình biÕn tÇn (INVERTER) Ng-êi thùc hiÖn: Ks. Phan V¨n C-êng Môc lôc 1. Ch-¬ng 1: Kh¸i niÖm chung vÒ biÕn tÇn 2. Ch-¬ng 2: CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng cña biÕn tÇn 3. Ch-¬ng 3: Nghiªn cøu hÖ biÕn tÇn Micromaster Vector vµ øng dông biÕn tÇn Micromaster Vector trong truyÒn ®éng ®iÖn xÝ nghiÖp c«ng nghiÖp. 4. Tµi liÖu tham kh¶o Ch-¬ng 1: Kh¸i niÖm chung vÒ biÕn tÇn 1.1. Kh¸i niÖm chung: BiÕn tÇn lµ thiÕt bÞ ®iÖn tö dïng ®Ó biÕn ®æi nguån ®iÖn xoay chiÒu cã tÇn sè vµ biªn ®é x¸c ®Þnh sang nguån ®iÖn xoay chiÒu kh¸c cã tÇn sè vµ biªn ®é thay ®æi ®-îc 1.2. Ph©n lo¹i biÕn tÇn: Cã nhiÒu ph-¬ng ph¸p ph©n lo¹i biÕn tÇn a. Ph©n lo¹i theo ph-¬ng ph¸p biÕn ®æi: - BiÕn tÇn trùc tiªp - BiÕn tÇn gi¸n tiÕp b. Ph©n lo¹i theo ngu«n ra: - BiÕn tÇn nguån dßng - BiÕn tÇn nguån ¸p c. Ph©n lo¹i theo ph-¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn: - Ph-¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn cæ ®iÓn - Ph-¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn PWM - Ph-¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn vector - Ph-¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn ma trËn d. Ph©n lo¹i theo nguån cÊp vµo: - BiÕn tÇn mét pha - BiÕn tÇn ba pha 1.3. øng dông cña biÕn tÇn Lĩnh vực có thể sử dụng biến tần để tiết kiệm điện năng là các hệ thống có mômen tải thay đổi theo tốc độ mà bơm và quạt ly tâm là những ứng dụng điển hình. Quan hệ giữa tải và vận tốc tuân theo luật đồng dạng: lưu lượng tỉ lệ bậc nhất, áp suất tỉ lệ bình phương, công suất tỉ lệ lập phương với vận tốc. Dưới đây, để làm rõ cơ chế tiết kiệm điện năng chúng ta sẽ khảo sát trường hợp bơm ly tâm. Trạng thái làm việc của hệ thống bơm có thể biểu diễn trên đồ thị lưu lượng - áp suất như hình 1: chế độ làm việc xác lập là giao điểm của đường cong đặc tính bơm và đặc tính hệ thống thủy lực. Ở bên trái điểm này làm, áp suất tạo ra bởi bơm lớn hơn áp suất cần thiết, lưu chất tăng vận tốc và lưu lượng tăng. Ở bên phải điểm làm việc, áp suất bơm tạo ra nhỏ hơn áp suất cần thiết lưu lượng giảm. Tại điểm làm việc, áp suất bơm cân bằng với áp suất hệ thống yêu cầu, lưu chất đạt đến vận tốc ổn định. Hình 1: Chế độ xác lập của hệ thống Trong các hệ thống điều khiển lưu lượng bằng van, đặc tính của hệ thống thủy lực thay đổi theo vị trí của van như trên hình 2. Điểm vận hành sẽ dịch chuyển trên đường đặc tính bơm tùy theo lưu lượng yêu cầu. Hình 2: Điều chỉnh lưu lượng bằng van Ngược lại, khi sử dụng biến tần để điều tiết lưu lượng, đặc tính bơm sẽ thay đổi và điểm làm việc sẽ dịch chuyển dọc theo đường đặc tính của hệ thống thủy lực như hình 3. Hình 3: Điều chỉnh lưu lượng bằng biến tần Tại mỗi điểm làm việc, công suất tiếp nhận bởi lưu chất có thể tính bằng tích của áp suất và lưu lượng và biểu diễn bởi diện tích hình chữ nhật gạch chéo trên hình 4. So sánh diện tích này ở hai phương thức điều khiển với cùng một lưu lượng làm việc dễ dàng nhận thấy công suất bơm cần phải phát động trong trường hợp sử dụng biến tần là ít hơn đáng kể khi lưu lượng nhỏ hơn giá trị định mức của hệ thống. Áp suất khi đó được giảm theo lưu lượng nhờ vậy tránh tiêu phí năng lượng do tổn thất áp suất như trong trường hợp điều khiển bằng van. Hình 4: Công suất tiêu thụ ở lưu lượng thấp thể hiện ưu điểm của điều khiển biến tần Ch-¬ng 2: CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng cña biÕn tÇn 2.1. CÊu tróc cña biÕn tÇn Phanh Bộ Điều Khiển Nguồn Mạch công suât Khối vào ra 2.2. Hai phương pháp biến đổi của biến tần là: + Phương pháp trực tiếp. - Sơ đồ cấu trúc A B C u2f2 u1f1 R Khối biến đổi S T TB Chấp hành - Nguyên lý + Phương pháp gián tiếp. - Sơ đồ cấu trúc u2f2 u1f1 A B C Chỉnh lưu - Nguyên lý Bộ lọc Nghịch lưu R T S 2.3. Các phương pháp điều biến của biến tần + Biến tần cổ điển. - Sơ đồ 1 pha: Dạng tín hiệu dòng và áp của biến tần 1 pha: - Sơ đồ 3 pha: Dạng tín hiệu dòng và áp của biến tần 3 pha: + Biến tần PWM - Mạch một pha: a, Loại đơn cực b, Loại lưỡng cực + Biến tần vector loại 3 pha: Xuất phát từ phương trình đặc tính cơ của động cơ 3 pha không đồng bộ là: Ta nhận thấy, việc điều khiển mô men và tốc độ vô cùng khó khăn, trong khi đó thì việc điều khiển động cơ điện 1 chiều thì đơn giản hơn nhiều: Vì mô men phụ thuộc chủ yếu vào Iư và Ikt. Do đó ta tìm cách đưa việc điều khiển động cơ 3 pha về giống với động cơ 1 chiều. Biến tần vector với mạch 3 pha   i su  I 0 sin t  2    i sv  I 0 sin  t     is 3   4   i sw  I 0 sin  t   3   i sd = i sβ sin δ + i sα cos δ i sq = i sβ cos δ - i sα sin δ Ch-¬ng 3: Nghiªn cøu hÖ biÕn tÇn Micromaster Vector vµ øng dông biÕn tÇn trong truyÒn ®éng ®iÖn 3.1. Ph©n lo¹i BiÕn tÇn cña h·ng Siemens bao gåm 4 lo¹i c¬ b¶n sau: - BiÕn tÇn Micromaster Vector - S - BiÕn tÇn Micromaster Vector – M - BiÕn tÇn Micromaster Vector - L - BiÕn tÇn Micromaster Eco 3.2. C¸c ®Æc tÝnh c¬ b¶n cña Micromaster + DÔ dµng cµi ®Æt, lËp tr×nh vµ sö dông + ChÞu qu¸ t¶i 200% trong3s cho tíi 150% trong 60s + M« men khëi ®éng lín vµ ®iÒu chØnh chÝnh x¸c tèc ®é motor bëi ®iÒu khiÓn vÐc t¬ + Cã thÓ kÕt hîp thªm víi bé läc + §iÒu chØnh dßng nhanh + Kho¶ng nhiÖt ®é ho¹t ®éng 0-50oC + Cã s½n c¸c hµm ®iÒu khiÓn chuÈn P, I, D dïng cho ®iÒu chØnh vßng kÝn (vßng ngoµi) . + Cã s½n nguån 15V, 50mA cÊp cho c¸c bé biÕn ®æi ph¶n håi. + §iÒu khiÓn tõ xa qua ®-êng truyÒn nèi tiÕp RS485 sö dông giao thøc USS víi ®Æc tÝnh ®iÒu khiÓn tíi 31 bé ®iÒu biÕn tÇn qua giao thøc USS. + C¸c th«ng sè ®-îc ®Æt tõ khi s¶n xuÊt cã thÓ ®Æt l¹i cho c¸c thiÕt bÞ cña ch©u ¢u, Asian vµ b¾c Mü. + TÇn sè ra cã thÓ ®-îc ®iÒu khiÓn bëi - TÇn sè ®Æt sö dông bµn phÝm - TÇn sè ®Æt sö dông tÝn hiÖu t-¬ng tù víi ®é ph©n gi¶i cao (dßng hoÆc ¸p) - Bé ph©n ¸p më réng - ®Çu vµo nhÞ ph©n - Chøc n¨ng thay ®æi tèc ®é qua bé ph©n ¸p - Giao diÖn nèi tiÕp + Cµi s½n h·m mét chiÒu víi bé h·m phøc hîp ®Æc biÖt + Cµi s½n phanh ng¾t cho ®iÖn trë ngoµi + T¨ng/gi¶m thêi gian víi ch-¬ng tr×nh san b»ng + Hai ch-¬ng tr×nh ®Çu ra r¬ le (13 hµm) +Ch-¬ng tr×nh ®Çu ra t-¬ng tù (1 cho MMV, 2 Cho MDV) + Cã thÓ chän module Profibus DP hoÆc CANbus + Tù ®éng ph©n tÝch 2,4,6 hoÆc 8 cùc motor bëi phÇn mÒm. + TÝch hîp phÇn mÒm ®iÒu khiÓn qu¹t lµm m¸t + Cã thÓ g¾n c¹nh nhau mµ kh«ng cÇn ®iÒu kiÖn vÒ kho¶ng c¸ch + TÝch hîp mét sè thµnh phÇn b¶o vÖ nh- b¶o vÖ qu¸ dßng, b¶o vÖ qu¸ nhiÖt, B¶o vÖ cao, thÊp ¸p... 3.3. Nh÷ng ®iÓm chó ý khi sö dông biÕn tÇn 3.3.1. ChØ dÉn ®Êu d©y CÇn ch¾c ch¾n r»ng mäi thiÕt bÞ trong tñ ®iÖn cã chøa biÕn tÇn ®Òu ®-îc nèi ®Êt. D©y nèi ®Êt cÇn ng¾n, dÉn ®iÖn tèt vµ dµy. §iÓm nèi ®Êt cã thÓ lµ ®iÒm trung tÝnh cña nguån h×nh Y. CÇn ch¾c ch¾n r»ng mäi thiÕt bÞ ®-îc nèi víi biÕn tÇn còng ®-îc nèi ®Êt cïng víi biÕn tÇn hoÆc nèi vµo ®iÓm trung tÝnh h×nh Y. D©y ®Én dÑt thÝch hîp h¬n v× chóng cã trë kh¸ng thÊp ë tÇn sè cao. §iÓm chung tÝnh cña ®éng c¬ ®-îc ®iÒu khiÓn bëi biÕn tÇn cã thÓ ®-îc nèi trùc tiÕp víi ®iÓm ®Êt chung cña biÕn tÇn(PE). Sö dông c¸p cã bäc tèt nÕu cã thÓ. §èi víi d©y kh«ng cã bäc cµng ng¾n cµng tèt. Nªn sö dông d©y c¸p cã d©y b¶o vÖ khi nèi vµo ®Çu ®iÒu khiÓn. C¸c c«ng t¾c t¬ trong tñ ®iÖn cÇn ®-îc khö nhiÔu. Víi lo¹i xoay chiÒu dïng R-C, víi lo¹i mét chiÒu sö dông ®iot. ViÖc nµy rÊt quan träng ®Æc biÖt víi c¸c c«ng t¾c t¬ ®-îc ®iÒu khiÓn bëi r¬le trong biÕn tÇn. Sö dông c¸p cã vá chèng nhiÔu hoÆc vá bäc kim lo¹i cho dÊu nèi víi ®éng c¬ vµ 2 ®Çu cña d©y dÉn cÇn ®-îc nèi ®Êt NÕu biÕn tÇn sö dông trong m«i tr-êng cã nhiÒu nhiÒu ®iÖn tõ bé läc cÇn ®-îc sö dông ®Ó gi¶m nhiÔu vµ t¨ng sù ®iÒu khiÓn tõ biÕn tÇn. 3.3.2. Ho¹t ®éng víi nguån kh«ng tiÕp ®Êt Micro Master ®-îc thiÕt kÕ ho¹t ®éng cã sö dông d©y ®Êt . ThiÕt bÞ ®Çu ra cã thÓ kh«ng tiÕp ®Êt, tuy nhiªn kh«ng nªn sö dông nh- vËy. khi ®ã chóng ta ph¶i chó ý mét sè vÊn ®Ò sau: Sö dông ®-êng d©y cã trë kh¸ng phï hîp vµ ®iÖn ¸p ®Ønh nhá nhÊt. ®iÖn ¸p nguån lín nhÊt lµ 500V ThiÕt bÞ sÏ t¾t víi lçi qu¸ dßng nÕu mét hoÆc vµi ®Çu ra cã biÓu hiÖn ch¹m ®Êt. ChØ sö dông ®-îc cho c¸c thiÕt bÞ kh«ng cã bé läc TÇn sè vßng xung ®iÒu khiÓn tèi ®a 2KHz 3.3.3. Sö dông sau mét thêi gian cÊt gi÷ + Thêi gian cÊt gi÷ d-íi 1 n¨m Kh«ng cã ®iÒu kiÖn ®Æc biÖt +Thêi gian cÊt gi÷ 1 ®Õn 2 n¨m CÊp nguån vµo biÕn tÇn kho¶ng 1 h tr-íc khi sö dông lÖnh ch¹y + Thêi gian cÊt gi÷ 2 ®Õn 3 n¨m CÊp nguån xoay chiÒu 25%®Þnh møc trong kho¶ng 30’, 50% trong 30’ tiÕp theo, 75%trong 30’ tiÕp vµ 100% trong 30’.Tæng thêi gian lµ 2h tr­íc khi cho ch¹y biÕn tÇn. +3 n¨m trë lªn. CÊp nguån nh- b-íc trªn tuy nhiªn thêi gian lµ 2h cho mçi b-íc. Tæng thêi gian kho¶ng 8h. 3.3.4. Khi sö dông d©y c¸p dµi. ChiÒu dµi d©y c¸p sö dông phô thuéc vµo lo¹i c¸p, tÇn sè lµm viÖc, d¶i c«ng suÊt vµ d¶i ®iÖn ¸p.Trong mét sè tr-êng hîp cã thÓ dµi tíi 200m mµ kh«ng cã ®iÒu kiÖn g× ®Æc biÖt 3.3.5. Mét sè tham sè c¬ b¶n TÇn sè ®Çu vµo 47Hz-63Hz TØ sè nguån vµo > 0.7 TÇn sè ®Çu ra 0Hz- 650Hz §é ph©n gi¶i 0.01Hz §Æc tÝnh qu¸ t¶i 200% trong 3s vµ 150% trong 60s ChÕ ®é b¶o vÖ Qu¸ ¸p, thÊp ¸p, qu¸ nhiÖt C¸c chÕ ®é b¶o vÖ thªm Ng¾n m¹ch, ch¹m ®Êt, kh«ng t¶i(hë m¹ch) §Çu vµo t-¬ng tù/ PID §¬n cùc :0-10V hoÆc 2-10V( nªn dïng biÕn trë 4,7K) 0-20mA hoÆc 4-20mA L-ìng cùc :-10 - +10V §é ph©n gi¶i ®Çu vµo t-¬ng tù 10 bÝt §Çu ra t-¬ng tù 0-20mA/4-20mA, ®é æn ®Þnh 5% §é æn ®Þnh ®iÓm ®Æt T-¬ng tù <1% Sè < 0.02% Gi¸m s¸t nhiÖt motor ®Çu vµo PTC §Çu ra ®iÒu khiÓn 2 r¬ le 230V AC/ 0.8A, 30V DC/2A Giao tiÕp RS485 NhiÖt ®é ho¹t ®éng 0-50oC NhiÖt ®é chÞu ®ùng -40-70oC Sö dông ë ®é cao <1000m HiÖu suÊt 97% §é Èm 95% 3.4. C¸c chÕ ®é ®iÒu khiÓn ®éng c¬ §èi víi biÕn tÇn do Siemen chÕ t¹o ®éng c¬ Kh«ng ®ång bé 3 pha cã thÓ ®-îc ®iÒu khiÓn theo 1 trong 4 chÕ ®é sau: 3.4.1. TuyÕn tÝnh V/f: Sö dông khi ®iÒu khiÓn song song nhiÒu ®éng c¬. t¾t c¶ c¸c ®éng c¬ ph¶i ®-îc cµi ®Æt r¬ le b¸o qu¸ t¶i vÒ nhiÖt nÕu ®ång thêi 2 hay nhiÒu ®éng c¬ ®-îc nèi víi 1 biÕn tÇn. 3.4.2. B×nh ph-¬ng V/f: Sö dông tèt khi c¸c t¶i d¹ng b¬m hay qu¹t giã 3.4.3. FCC: (Flux current control): ChÕ ®é nµy dÔ dµng cµi ®Æt, cho ®Æc tÝnh tèt nhÊt 3.4.4. SVC: (sensorless vector control) Sö dông tÝnh to¸n to¸n häc ngay trong b¶n th©n ®éng c¬ bao gåm tÝnh to¸n dßng ®iÖn, tÝnh vÞ trÝ vµ tèc ®é cña rotor v× vËy nã tèi -u cho tèc ®é vµ tÇn sè cña ®éng c¬ tuy nhiªn nã khã cµi ®Æt ®Ó ®-îc ®Æc tÝnh c¬ tèt nhÊt. MÆc dï kh«ng cã ph¶n håi tèc ®é vµ vÞ trÝ, hÖ thèng ®iÒu khiÓn vÉn lµ vßng kÝn bëi v× nã so s¸nh nh÷ng ®Æc tÝnh kü thuËt cña ®éng c¬ víi ®Æc tÝnh yªu cÇu. Do vËy hÖ thèng cÇn ®-îc ®Æt tham sè cÈn thËn ®Ó ®-îc ®Æc tÝnh tèt nhÊt. 3.5. Nh÷ng tÝnh n¨ng c¬ b¶n cña biÕn tÇn + §Æt ®-îc thêi gian t¨ng tèc khi khëi ®éng ®éng c¬ vµ thêi gian gi¶m tèc khi dõng ®éng c¬ (tíi 650s) + HiÓn thÞ ®-îc c¸c tham sè: TÇn sè ®Çu ra, TÇn sè ®Æt, ®iÖn ¸p ®Çu ra, §iÖn ¸p 1 chiÒu sau chØnh l-u, dßng ®éng c¬, momen quay, tèc ®é ®éng c¬, tr¹ng th¸i ®-êng truyÒn nèi tiÕp. + lùa chän ph-¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn T-¬ng tù, Sè(®iÒu khiÓn trùc tiÕp tõ panel hoÆc qua ®Çu vµo sè §iÒu khiÓn xa th«ng qua Bus nèi tiÕp + Lùa chän chÕ ®é ®iÒu khiÓn ( ®-êng cong U/f, SVC, FCC ) + Nh©n tØ lÖ c¸c tham sè cã thÓ hiÓn thÞ + §iÒu khiÓn dõng ®éng c¬ ®óng vÞ trÝ (kh«ng phô thuéc vµo tèc ®é ®éng c¬ tr-íc khi dõng) +§Çu ra r¬le dïng ®Ó ®ãng c¾t c¸c thiÕt bÞ b¶o vÖ, Phèi hîp ®iÒu khiÓn hay ®ãng c¾t thiÕt bÞ phanh ngoµi + §Æt thêi gian ®ãng më phanh ngoµi + §Æt tØ sè c¶nh b¸o qu¸ nhiÖt hay qu¸ dßng ®éng c¬ + §Æt tÇn sè xung + §Æt tham sè cho ®-êng truyÒn nèi tiÕp (Tèc ®é baud, time out, module..) + Cho phÐp chÕ ®é ®¶o chiÒu hay kh«ng cã ®¶o chiÒu ®éng c¬ + Cã chÕ ®é c¶nh b¸o lçi + Cã chÕ ®é b¸o lçi (l-u tr÷ ®-îc 4 tr¹ng th¸i lçi gÇn nhÊt) + Tù ®éng nhËn d¹ng ®iÖn trë Rotor + §Æt thêi gian trÝch mÉu cho tÝn hiÖu ph¶n håi + Cã thÓ nh©n tØ lÖ tÝn hiÖu ph¶n håi + §Æt giíi h¹n tÇn sè + §Æt tham sè ®iÒu khiÓn P, I, D + Cã thÓ tù ®éng ®Æt l¹i tham sè mÆc ®Þnh cña nhµ s¶n xuÊt + Cã chÕ ®é dïng ®iÖn trë h·m ngoµi + Cã thÓ tù reset khi ®· söa lçi 3.6. §Êu nèi biÕn tÇn TÊt c¶ c¸c biÕn tÇn Micromaster ®-îc trang bÞ trong phßng thÝ nghiÖm cã cÊu h×nh nh- sau: +2 ®Çu vµo t-¬ng tù + 2®Çu ra t-¬ng tù +6 ®Çu vµo sè