Nghiên cứu, tìm hiểu về biến tần IG5A ứng dụng điều chỉnh tốc độ động cơ

Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 3
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI :
Nghiên cứu, tìm hiểu về biến tần IG5A ứng dụng điều chỉnh tốc độ động cơ
không đồng bộ ba pha sử dụng đầu vào số
Người hướng dẫn

:

Sinh viên thực hiện :

Lớp

:

Hưng Yên – Năm 2020

1


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
LỜI CẢM ƠN
Qua một thời gian nghiên cứu và thực hiện, đến nay chúng em đã hồn thành đồ án mơn
học 3 với đề tài: “Nghiên cứu, tìm hiểu về biến tần IG5A ứng dụng điều chỉnh tốc độ
động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng đầu vào số” do giảng viên Nguyễn Đình Hùng

hướng dẫn đã được thực hiện trong suốt thời gian nghiên cứu và thi công đề tài chúng
em đã gặp khơng ít vướng mắc nhất định và đã nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình
và q báu
Để hồn thành đồ án môn học 3, lời đầu tiên cho phép em xin được chân trọng cảm ơn
thầy đã luôn tận tình chỉ đạo, cung cấp tài liệu và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho chúng
em trong suốt quá trình nghiên cứu tìm hiểu và xây dựng đồ án này.
Em xin được bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô trong khoa điện - điện tử - trường
ĐHSPKT Hưng Yên đã truyền thụ những kiến thức quý báu vừa bổ ích trong thời
gian học tại trường, để giúp chúng em có thể hồn thành đồ án mơn học 3 nền tảng
kiến thức chuyên môn vững chắc và tự tin khi tìm việc sau khi ra trường.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của những người bạn, người thân, xin được cảm ơn
tất cả mọi người đã luôn động viên chúng em trong suốt thời gian học tập cũng như xây
dựng đồ án này
Xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất!
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
2


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI
1.1: Tổng quan chung về động cơ không đồng bộ ba pha........................10
1.1.1: Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha.....................................10

1.1.2: Nguyên lý làm việc động cơ không đồng bộ ba pha..................11
1.1.3: Một số phương pháp điều khiển tốc độ động cơ ba pha.............13
1.1.3.1: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số........................13
1.1.3.2: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cấp cho
stato.........................................................................................................14
1.1.3.3: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch
roto..........................................................................................................15
1.1.3.4: Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều khiển công suất trượt về
nguồn...........................................................................................................15
1.2: Tổng quan về biến tần............................................................................15
1.2.1: Khái niệm và phân loại biến
tần...............................................................15
1.2.2: Cấu tạo của biến
tần............................................................................16

3


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
1.2.3: Nguyên lý làm việc của biến
tần .......................................................17
1.2.4: Ứng dụng của biến
tần........................................................................19
1.3: Tổng quan về đầu vào tín hiệu
số....................................................................21
1.3.1: Khái niệm đầu vào,tín
hiệu.................................................................21
1.3.2: Tín hiệu
số..........................................................................................21
CHƯƠNG 2:NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ SƠ ĐỒ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA
2.1: Phân tích ý tưởng thiết
kế......................................................................21
2.2: Thiết kế sơ đồ điều chỉnh tốc độ động
cơ...............................................21
2.3: Nguyên lý hoạt
động..............................................................................21
2.4: Bật tắt, đảo chiều động cơ sử dụng công tắc hoặc nút
nhấn...................21
2.5: Tăng tốc sử dụng nút nhấn UPDOWN..................................................21
CHƯƠNG 3:LẮP RÁP,KHẢO SÁT,THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ SẢN
PHẨM
4


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
3.1: Khảo sát hệ thống điều chỉnh và hiển thị tốc độ động
cơ.......................22
3.2: Nhận xét kết quả thu được của hệ thống điều khiển, hiển thị tốc độ
động cơ không đồng bộ ba
pha.......................................................................................22
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu tạo động cơ khơng đồng bộ ba pha
Hình 1.2 Từ trường quay động cơ khơng đồng bộ ba pha
Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của bộ biến tần
Hình2.1 : Sơ đồ kết nối biến tần với động cơ và nút nhấn
Hình 3.1 : Sơ đồ kết nối

5


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
Hình 3.2: Kết quả thu được

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Một trong những thành tựu quan trọng nhất của tiến bộ khoa học kỹ thuật
là tự động sản xuất. Nó cho phép nâng cao độ chính xác gia cơng, đồng
thời cũng rút ngắn được thời gian sản xuất, giảm sức lao động, mang lại
hiểu quả kinh tế. Chính vì vậy ở nước ta hiện này và nhiều nước trên thế
giới đã và đang ứng dụng rộng rãi các dây chuyền sản xuất tự động vào
hầu hết các lĩnh vực sản xuất. Để đáp ứng yêu cầu của xã hội cần có
nhiều kỹ sư có chuyên môn về điều khiển tự động, nhiều trường đã và
đang giảng dạy lý thuyết điều khiển tự động cho sinh viên ngành kỹ
thuật.
Thực tế cho thấy các thiết bị loại nặng đều dùng động cơ. Các động cơ
thường được điều chỉnh tốc độ quay và đổi chiều quay bằng biến tần vì
biến tần nhỏ gọn, dễ lăp đặt, hiện đại. Vì vậy áp dụng thiết bị biến tần vào
nền cơng nghiệp hiện đại 4.0 ngày càng phổ biến.
6


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
Một thực tế là hiện nay trong các doanh nghiệp trên thị trường sử dụng
khá phổ biến loại IG5A cho quá trình điều khiển như: điều khiển tốc độ
động cơ, đảo chiều quay động cơ,…
Xuât phát từ những nhu cầu như vậy,nhóm em dưới sự hướng dẫn của
thầy Nguyễn Đình Hùng , đề tài của chúng em là: Nghiên cứu,tìm hiểu về
biến tần IG5A ứng dụng điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

sử dụng đầu vào số.

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu, tìm hiểu về biến tần IG5A đáp ứng yêu cầu đào tạo cho
sinh viên chuyên ngành tự động hố cơng nghiệp trong các trường kỹ
thuật.
- Giúp cho sinh viên đáp ứng tốt yêu cầu công việc trong thực tế sau khi
tốt nghiệp.
- Giá thành rẻ,phù hợp với điều kiện học tập cũng như điều kiện kinh tế
của các trường nếu muốn nhân rộng mơ hình phục vụ đào tạo nhưng vẫn
phải đảm bảo tính thẩm mỹ,kỹ thuật và ứng dụng được trong lĩnh vực đào
tạo

PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI

7


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
-Nghiên cứu điều khiển các bào toán bằng biến tần IG5A, cụ thể ứng
cụng điều khiển và khống chế động cơ điện không đồng bộ 3 pha

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI
1.1: Tổng quan chung về động cơ không đồng bộ ba pha
1.1.1: Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha
- Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha gồm hai bộ phận chính stato và roto,
ngồi ra cịn các bộ phận khác như vỏ máy, quạt gió, hộp nối dậy... chi thiết xem
theo hình cắt bổ động cơ dưới đây:

8


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
Hình 1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha.
a) Stato (Phần tĩnh)
- Lõi thép Stato: Được ghép bằng các lá thép Kỹ thuật điện hình vành khăn,
có xẻ rãnh ở bên trong để đặt dây quấn Stato. Trường hợp máy có cơng suất lớn,
kích thước lõi thép lớn thì lõi thép sẽ được ghép từ nhiều lá thép hình rẻ quạt
như hình vẽ. lõi thép có dạng hình trụ , làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ,
được dập rảnh trong rồi ghép lại với nhau tạo thành các rảnh theo hướng trục .
Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.
- Dây quấn Stato: Là dây điện từ, có thể là dây Đồng hoặc Nhôm, được quấn
thành các Bối dây, Tổ bối dây; Tùy theo cuộn dây quấn Stato là 1fa hay 3fa mà
ta có động cơ khơng đồng bộ 1pha hoặc 3pha.
b) Roto ( Phần quay)
- Roto có cấu trúc hình trụ, gồm hai phần dây quấn và lõi thép
- Lõi thép: Cũng được ghép bằng các lá thép Kỹ thuật điện, có sẻ rãnh ở bên
ngồi để đặt dây quấn Rơto.
- Dây quấn: Động cơ có cuộn dây Rơto nối ngắn mạch gọi là động cơ không
đồng bộ Rôto ngắn mạch hay Rơto lồng sóc vì có dạng như lồng sóc.
Đối với loại Rơto dây quấn, cuộn dây Rơto nối hình Sao (Y), cịn 3 đầu được
nối đến 3 vịng góp cố định trên trục, được cách điện với trục và gọi là 3 Vành
trượt. Có 3 Chổi than tiếp xúc với 3 vành trượt này để nối ra ngồi; Người ta có
thể nối nối tiếp dây quấn Rơto với các điện trở phụ để mở máy hoặc điều chỉnh
tốc độ.
Động cơ Rơto lồng sóc được dùng phổ biến nhất, lồng sóc được đúc bằng
Đồng hoặc Nhơm.
1.1.2 Ngun lý làm việc động cơ không đồng bộ ba pha.

9


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
Để giải thích ngun lý làm việc của động cơ KĐB ta giả sử đã tạo ra từ trường
quay trong lõi thép stato bằng cách: Khi ta cho dòng điện 3 pha,tần số f vào ba
dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ n = 60f.
Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rơto,cảm ứng các suất điện
động.Vì dây quấn rôto nối ngắn mạch nên suất điện động cảm ứng sẽ sinh ra
dịng trong các thanh dẫn rơto.Lực tương hỗ,giữa từ trường quay của máy với
thanh dẫn mang dịng điện rơto.Kéo rơto quay cùng chiều quay từ trường với
tốc độ n .
Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải.Ta căn cứ
vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn ngược với chiều n .Từ đó áp
dụng quy tắc bàn tay phải xác định chiều suất điện động như hình vẽ:Ở thanh
dẫn giá trên suất điện động cảm ứng có chièu đi từ trong ra ngồi ( kí hiệu là
dấu ““).
Ở thanh dẫn ở phía dưới thì ngược lại chiều của suất điện động cảm ứng là đi từ
ngoài vào trong ( kí hiệu là dấu ).

Hình 1.2 Từ trường quay động cơ không đồng bộ ba pha

10


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
Các thanh dẫn rơto được ngắn mạch bởi hai vòng ngằn mạch ở hai đầu rơto (cấu
tạo của rơto lồng sóc).Vì vậy suất điện động cảm ứng sẽ tạo ra dòng điện cảm
ứng.Trong các thanh dẫn:chiều của dòng điện cảm ứng cùng chiều với suất điện
động cảm ứng.Các thanh dẫn rơto,mang dịng điện lại nằm trong từ trường của

dây quấn stato nên chịu tác dụng của lực điện từ,chiều của lực điện từ F xác
định theo quy tắc bàn tay trái,trùng với chiều quay n .Trên hình vẽ biểu diễn
chiều của lực điện từ F tác dụng lên hai thanh dẫn,ta thấy rằng:các lực điện từ F
tạo thành ngẫu lực,có xu hướng kéo rơto theo chiều kim đồng hồ(cùng chiều
của từ trường quay).
Dây quấn rơto lồng sóc gồm có rất nhiều thanh dẫn,bằng cách tương tự ta xác
định được chiều của lực điện từ F có tác dụng lên từng thanh dẫn tổng hợp tác
dụng của các lực điện từ F sẽ tạo thành mômen quay kéo rôto của động cơ quay
theo chiều của từ trường với tốc độ ntừ trường quay n ).Rõ ràng là tốc độ quay của rôto phải luôn nhỏ hơn tốc độ
của từ trường .
Vì nếu tốc độ bằng nhau (n = n ) nghĩa là tốc độ tương đối giữa các thanh dẫn
rôto với từ trường là bằng 0.Như vậy sẽ khơng có chuyển động tương đối
.Trong dây quấn rơto khơng có suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng I
= 0 lực điện từ F cũng sẽ bằng 0 (F = 0) và rôto quay chậm lại.Vậy nên tốc độ
quay của rôto phải luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường . Chính vì vậy động
cơ này gọi là động cơ KĐB.
Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ
trượt n2 .
n2 = n1 - n (1.1)
Khi rôto đứng yên (n=0) hệ số trượt S =1
Khi rôto quay định mức : S = 0,02  0,06 thì tốc độ động cơ sẽ là
11


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
n = n1 (1-S) = (1-S) vòng/ph (1.2)
Trên lý thuyết S biến thiên từ 0 -> 1 hoặc từ 0% đến 100% thì thực tế trị số của
S ở tải định mức đối với động cơ KĐB.
Thông thường giới hạn 23%. Với động cơ KĐB có thể hệ số trượt nâng cao.S

có thể đạt tới 10%.Vì vậy tốc độ làm việc của động cơ KĐB vẫn gần bằng tốc
độ từ trường ở phụ tải tốc độ của từ trường là 3000v/ph.Thì tốc độ của rôto
khoảng 2850  2950 v/ph.
1.1.3: Một số phương pháp điều khiển tốc độ động cơ ba pha
1.1.3.1: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số.
Từ biểu thức: n =n1.=
Ta thấy khi thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ thì tốc độ đồng bộ (n1) thay
đổi dẫn tới tốc độ động cơ (n) cũng thay đổi.
Mặt khác từ các biểu thức:
Mth = với Xnm = Lnm

(1.5)
w=(1-s)w1 =(1-s)(1.6)

Khi tăng tần số nguồn mà vẫn giữ nguyên Uf thì moment tới hạn cực đại Mt
giảm rất nhiều. Do đó khi thay đổi tần số f1 thì đồng thời phải thay đổi U1 theo
các quy định nhất định nhằm đảm bảo sự làm việc tương ứng giữa moment
động cơ và moment phụ tải. Nghĩa là tỉ số giữa moment cực đại của động cơ và
moment phụ tải tĩnh đối với các đặc tính cơ là hằng số.Như vậy muốn điều
chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số ta phải có một bộ nguồn xoay
chiều có thể điều chỉnh tần số và điện áp một cách đồng thời. Biến tần là một bộ
điều chỉnh tần số và điện áp được sử dụng khá nhiều hiện nay để thay đổi tốc độ
động cơ.

12


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
Ưu điểm: Cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của
hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều, hệ thống điều chỉnh tốc độ động

cơ bằng biến tần có kết cấu đơn giản, làm việc được trong nhiều môi trường
khác nhau, khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng. Có khả năng đáp ứng
cho nhiều ứng dụng khác nhau như các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động
cơ cùng một lúc (dệt, băng tải ...). Các thiết bị đơn lẻ yêu cầu tốc độ làm việc
cao (máy li tâm, máy mài...).
Nhược điểm: Giá thành của một bộ biến tần khá cao và địi hỏi người vận hành
phải có trình độ.
Ứng dụng: Các bộ bến tần này thường được sử dụng cho việc điều chỉnh tốc độ
trong truyền động chính của các máy mài cao tốc, điều chỉnh tốc độ động cơ
trong các hệ thống băng tải. Bộ biến tần máy phát đồng bộ được dùng khi cần
thiết điều chỉnh tốc độ đồng thời nhiều động cơ.
1.1.3.2: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stato.
Moment động cơ khơng đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp stator, do đó có
thể điều chỉnh được moment và tốc độ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp
stator trong khi giữ nguyên tần số.
Để điều chỉnh điện áp động cơ phải dùng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều
(ĐAXC). Có thể sử dụng máy biến áp tự ngẫu, điện kháng hoặc bộ biến đổi bán
dẫn làm ĐAXC, vì lý do kỹ thuật và kinh tế mà bộ điều áp kiểu van bán dẫn là
phổ biến hơn cả.
Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách
thay đổi điện áp nguồn được sử dụng rộng rãi vì thực hiện dễ dàng và tự động
hóa, đặc biệt là bộ điều chỉnh điện áp dùng thyristor.
Nhược điểm: Xét về chỉ tiêu năng lượng, tuy tổn thất trong bộ biến đổi không
đáng kể nhưng điện áp stator bị biến dạng so với hình sin nên tổn thất phụ trong
động cơ lớn do đó hiệu suất khơng cao. Do độ trượt tới hạn nhỏ nên phương
13


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
pháp này khơng áp dụng cho động cơ rotor lồng sóc, khi điều chỉnh điện áp cho

động cơ rotor dây quấn cần nối thêm điện trở phụ vào mạch rotor để mở rộng
dải điều chỉnh tốc độ và moment.
Ứng dụng:
Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà moment tải
là hàm tăng theo tốc độ như quạt gió, bơm ly tâm, ...
1.1.3.3: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch roto.
Khi thay đổi điện trở phụ trong mạch rotor động cơ không đồng bộ sẽ làm chosth
thay đổi tỷ lệ bậc nhất với điện trở, còn Mth thì khơng thay đổi vì thế sẽ thay đổi
được tốc độ động cơ. Như vậy điện trở phụ càng lớn thì sth càng lớn tốc độ càng
nhỏ.
Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách
thay đổi điện trở phụ mạch có ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền, dễ điều chỉnh tốc độ
động cơ.
Nhược điểm: Điều chỉnh không triệt để, phạm vi điều chỉnh hẹp, điều chỉnh
trong mạch rotor, dòng rotor lớn nên phải thay đổi từng cấp điện trở phụ, công
suất điều chỉnh lớn, tổn hao năng lượng trong quá trình điều chỉnh lớn.
Ứng dụng: phương pháp này thường được áp dụng cho điều chỉnh tốc độ các
động cơ truyền động cho các máy nâng- vận chuyển có yêu cầu điều chỉnh tốc
độ không cao.
1.1.3.4.Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều khiển công suất trượt về nguồn.
Để điều chỉnh tốc độ động cơ khơng đồng bộ bắng cách làm mềm đặc tính và để
ngun tốc độ khơng tải lý tưởng thì cơng suất trượt ΔPs = s.Pđt được tiêu tán
trên mạch rotor. Ở các hệ thống truyền động điện công suất lưới, tổn hao này là
đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận dụng được

14


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
cơng suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt hay còn

gọi là sơ đồ nối tầng.
Ưu điểm: Sơ đồ nối tầng có nhiều ưu điểm hơn so với các sơ đồ nối điện trở phụ
vào mạch rotor hoặc thay đổi các thông số của động cơ. Trong các hệ thống nối
tầng, công suất trượt được trả về lưới điện hoặc đưa lên trục động cơ làm tăng
công suất kéo của nó. Bên cạnh đó phương pháp này cịn có khả năng điều
chỉnh bằng phẳng.
Nhược điểm: Do hệ thống mắc thêm nhiều tầng và có thêm các đơng cơ phụ
MC, FĐ trong mạch làm hệ thống đắt tiền, xét về chỉ tiêu kinh tế thì khơng phù
hợp.
Ứng dụng: Phương pháp này được sử dụng nhiều trong các truyền động động cơ
điện khơng đồng bộ dây quấn có cơng suất lớn.
1.2 Tổng quan về biến tần
1.2.1 Khái niệm là phân loại biến tần
Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong
động cơ và thơng qua đó biến tần có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô
cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí. Nói một cách đơn giản, biến tần
chính là thiết bị biến đổi dịng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện
xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được. Biến tần thường sử dụng các
linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra
từ trường xoay làm quay rô-to (rotor). Biến tần có thể thay đổi tần số từ 1Hz
đến 50Hz, thậm chí là 60Hz hoặc lên đến 400Hz đối với loại động cơ chạy tốc
độ cao trong các máy CNC. 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.
Biến tần thường được chia thành biến tần AC và biến tần DC:
-Biến tần AC: được sử dụng một cách rộng rãi, chúng được thiết kế để
điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều AC.
15


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A

-Biến tần DC: kiểm xốt sự rẽ nhanh của động cơ điện một chiều.
Ngồi ra ta cũng có thể phân loại biến tần theo công suất đáp ứng cho tải, ứng
dụng đặc biệt của biến tần như thang máy, năng lượng mặt trời, cầu trục,…
1.2.2 Cấu tạo của biến tần
Biến tần được cấu tạo từ các bộ phận có chức năng nhận nguồn điện có
điện áp đầu vào cố định với tần số cố định, từ đó biến đổi thành nguồn điện có
điện áp và tần số biến thiên ba pha (có thể thay đổi) để điều khiển tốc độ động
cơ.
Một số bộ phận chính của biến tần có thể kể đến như: mạch chỉnh lưu, mạch
một chiều trung gian (DC link), mạch nghịch lưu và phần điều khiển:
Bộ chỉnh lưu: Phần đầu tiên trong quá trình biến điện áp đầu vào thành đầu ra
mong muốn cho động cơ là quá trình chỉnh lưu. Điều này đạt được bằng cách sử
dụng bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt sóng tồn phần.
-Tuyến dẫn một chiều: Tuyến dẫn một chiều là một giàn tụ điện lưu trữ điện áp
một chiều đã chỉnh lưu. Một tụ điện có thể trữ một điện tích lớn, nhưng sắp xếp
chúng theo cấu hình tuyến dẫn một chiều sẽ làm tăng điện dung. Điện áp đã lưu
trữ sẽ được sử dụng trong giai đoạn tiếp theo khi IGBT tạo ra điện năng cho
động cơ.
-IGBT: Thiết bị IGBT được công nhận cho hiệu suất cao và chuyển mạch
nhanh. Trong biến tần, IGBT được bật và tắt theo trình tự để tạo xung với các
độ rộng khác nhau từ điện áp tuyến dẫn một chiều được trữ trong tụ điện.
Bộ kháng điện xoay chiều: Bộ điện kháng dòng xoay chiều là cuộn cảm hoặc
cuộn dây. Cuộn cảm lưu trữ năng lượng trong từ trường được tạo ra trong cuộn
dây và chống thay đổi dòng điện.

16


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
Bộ điện kháng một chiều: Bộ điện kháng một chiều giới hạn tốc độ thay đổi

dòng tức thời trên tuyến dẫn một chiều. Việc giảm tốc độ thay đổi này sẽ cho
phép bộ truyền động phát hiện các sự cố tiềm ẩn trước khi xảy ra hỏng hóc và
ngắt bộ truyền động ra.
1.2.3 Nguyên lý làm việc của biến tần

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của bộ biến tần
Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha. Bộ chỉnh lưu có nhiệm
biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều.
Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu.
Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có
tần số có thể thay đổi được. Điện áp một chiều được biến thành điện áp xoay
chiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van cơng suất theo một quy luật
nhất định.

17


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều khiển nào
đó đưa đến các van cơng suất trong bộ nghịch lưu. Ngồi ra nó cịn có chức
năng sau:
+ Theo dõi sự cố lúc vận hành.
+ Xử lý thông tin từ người sử dụng.
+ Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm.
+ Xác định đặc tính – momen tốc độ.
+ Xử lý thông tin từ các mạch thu thập dữ liệu.
+ Kết nối với máy tính.
Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van công
suất trong mạch nghịch lưu. Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly giữa mạch công
suất với mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển.

Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thơng tin hệ thống như tần
số, dịng điện, điện áp,… và để người sử dụng có thể đặt lại thơng số cho hệ
thống. Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp, nhiệt độ,… biến đổi
chúng thành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý được. Ngài ra
cịn có các mạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác như bảo vệ chống quá áp hay thấp
áp đầu vào…
Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu đều cần cấp nguồn, các nguồn này
thường là nguồn điện một chiều 5, 12, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổn
định. Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện thích hợp đó. Sự ra đời của các
bộ vi xử lý có tốc độ tính tốn nhanh có thể thực hiện các thuật tốn phức tạp
thời gian thực, sự phát triển của các lý thuyết điều khiển, cơng nghệ sản xuất IC
có mức độ tích hợp ngày càng cao cùng với giá thành của các linh kiện ngày

18


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
càng giảm dẫn đến sự ra đời của các bộ biến tần ngày càng thơng minh có khả
năng điều khiển chính xác, đáp ứng nhanh và giá thành rẻ.
Nguồn điện xoay chiều một pha hay ba pha được chỉnh lưu, sau đó lọc thành
nguồn điện một chiều bằng phẳng nhờ tụ điện và bộ chỉnh lưu cầu diode. Nhờ
vậy, cos(ɣ) - hệ số công suất biến tần có giá trị khơng phụ thuộc vào tải và có
Min=0.96.
Tiếp đến, điện áp một chiều được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay
chiều ba pha đối xứng, thơng qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách
ly) bằng cách điều chế độ rộng xung (PWM).
Nhờ công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực rất phát triển hiện nay, tần số
chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn
cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ
Điện áp xoay chiều ba pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô

cấp tuỳ theo bộ điều khiển.
Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ
điều khiển. Đối với tải có moment khơng đổi, tỉ số giữa điện áp và tần số không
đổi.
Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc
4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính moment là hàm bậc hai của tốc độ phù
hợp với yêu cầu của tải bơm - quạt vì moment cũng là hàm bậc hai của điện áp.
Hiệu suất chuyển đổi nguồn của biến tần rất cao vì sử dụng linh kiện bán dẫn
công suất, sản xuất bởi công nghệ tiên tiến, giúp năng lượng tiêu thụ xấp xỉ
bằng năng lượng u cầu bởi hệ thống.
Ngồi ra, biến tần tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết
các loại phụ tải khác nhau. Biến tần còn tích hợp cả bộ PID, FOC, Vector
19


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
(sensorless hoặc encorder), Torque control (sensorless hoặc encorder) và thích
hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau (RS232 hoặc RS485), phù hợp cho
công tác điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA hay các hệ thống có
tích hợp màn hình HMI, Bộ lập trình PLC…
1.2.3 Ứng dụng của biến tần

Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần,
ngày càng có nhiều thiết bị điện- điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một
bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển
tốc độ động cơ điện.
Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong cơng nghiệp có liên quan đến tốc độ
động cơ điện. Đơi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố
sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống,… Ví dụ: máy ép
nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm

định hình khi đúc,… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được
xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp.
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông
số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thơng
từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với
yêu cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:
-Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển
tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.
-Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức
tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng
dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để
điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này.
20


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
Khảo sát cho thấy: Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment.
Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió,
trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hịa khơng khí trung tâm), chiếm
45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng.
Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi
lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu
về từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.
Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt:
-Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ bơm và quạt.
-Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van.
-Giảm tiếng ồn cơng nghiệp.
-Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ.
-Giúp tiết kiệm điện năng tối đa.
Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay

đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu
chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo
nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử. Trước kia, khi công nghệ
chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch
lưu dùng máy biến áp. Ưu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng
điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và cơng suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh
kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như:
-Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn.
-Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch
lưu.

21


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
-Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu,
bảo trì cũng như thay mới.
-Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện
áp ngõ ra do có hiện tượng bão hồ từ của lõi thép máy biến áp.
Ngoài ra, các hệ truyền động cịn nhiều thơng số khác cần được thay đổi, giám
sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất
tải,… mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong
trường hợp này
1.3 Tổng quan về đầu vào tín hiệu số
1.3.1 Khái niệm đầu vào,tín hiệu
- Đầu vào là nơi nhập tín hiệu hay dữ liệu vào hệ thống.Đầu ra là nơi hệ thống
xuất ra kết quả hay dữ liệu gửi đi từ nó
- Trong các mạch điện thơng thường thì đầu vào và ra là phân biệt,có hướng,
khơng lẫn lộn.Khi đó đường truyền tín hiệu có hướng xác định,là “dẫn tín hiệu
đến” đầu vào là”đưa tín hiệu đi” từ đầu ra.Trong hệ thống dùng bus kết nối các

logic ba trạng thái thì đường dẫn tín hiệu(bus) là dùng chung và lệnh về trạng
thái I/O sẽ quyết định phần tử ra nào đưa số liệu lên bus và đầu vài nào tiếp
nhận số liệu.
- Để trao đổi thông tin thì các thiết bị gom các đường truyền nói trên vào đầu
nối điện tiêu chuẩn phù hợp, có thể có thêm đường dẫn nguồn,để ghép nối
chúng với nhau
1.3.2 Tín hiệu đầu vào số
- Đây là tín hiệu rời rạc theo biên độ. Vì trong một thời điểm nó chỉ có một
trong hai giá trị là 0 hoặc 1( ứng với 0V họặc 5V) .
22


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
- Trong thực tế, ví dụ về tín hiệu số có thể thấy là máy truyền mã morse, tín
hiệu trong dây mạng, USB,........

CHƯƠNG 2:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ SƠ ĐỒ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA
2.1 Phân tích ý tưởng thiết kế
Có rất nhiều các phương pháp để xây dựng hệ thống nhưng trong đề
tài này chúng em sử dụng phương pháp thay đổi tần số bằng thiết bị chính là
biến tần IG5A.
Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng
biến tần IG5A để điều chỉnh tốc độ, chạy thuận, nghịch, hãm.....của động cơ.
Đây là đề tài mang tính ứng dụng cao rất phù hợp với yêu cầu khai thác
hiện nay trong công nghiệp.
2.2 Sơ đồ kết nối

23

Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A

Hình2.1 : Sơ đồ kết nối biến tần với động cơ và nút nhấn
2.3: Nguyên lý hoạt động
- Khi cấp nguồn 220V cho biến tần vào chân R-T. Cài đặt các lệnh cho biến
tần theo yêu cầu của đồ án .
+ Ấn K1 để động cơ chạy thuận, ấn S1 để động cơ tăng tốc, ấn S2 để động
cơ giảm tốc
 Động cơ chạy thuận đến khi nhả tay ra khỏi nút ấn S1. Tại đây gim lại
tần số mong muốn, sau đó ấn S2 để giảm tần số theo mong muốn
+ Ấn K2 để động cơ chạy ngược chiều, tiếp tục ấn S1 để động cơ tăng tốc,
sau đó ấn S2 để động cơ giảm tốc
 Động cơ chạy ngược chiều đến khi nhả tay ra khỏi nút ấn S1. Tại đây
gim lại tần số mong muốn, sau đó ấn S2 để giảm tần số theo mong
muốn

24


Nghiên cứu, tìm hiểu biến tần IG5A
2.4 Bật tắt, đảo chiều động cơ sử dụng công tắc hoặc nút nhấn
Để thuận tiện trong việc khảo sát và hoàn thành đồ án, nhóm chúng em chọn
bật tắt, đảo chiều động cơ sử dụng cơng tắc.
Nhóm chúng em sủa dụng động cơ có thơng số P=0.4 KW, I=2 A
Các thao tác lập trình trên biến tần để bật tắt, đảo chiều động cơ sử dụng công
tắc:
- H93_1 : Đưa về thông số mặc định
- H30_0.4 : Lựa chọn đặt công suất động cơ =0.4 KW

- H33_2 : Dòng danh định động cơ =2 A
- Drv_0 :Chế độ điều khiển từ bàn phím
- F22_50 : Cài đặt tần số cơ bản = 50
- F21_60 : Cài đặt tần số max = 60
- I17 : Gán chức năng cho đầu vào P1
2.5 Tăng tốc sử dụng nút nhấn UP-DOWN
-Các thao tác lập trình như phần 2.4 và thêm các thao tác sau :
- FRQ_8: Phương pháp cài đặt tần số
- I22: Gán chức năng đầu vào cho P6
+ I22_15 :Lệnh tăng tần số lên(UP)
- I23: Gán chức năng đầu vào cho P7
+ I23_16: Lệnh giảm tần số (DOWN)

25