Đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha

Đồ án tốt nghiệp
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 4
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7
TÓM TẮT ĐỒ ÁN 8
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 10
1.1. Đặt vấn đề 10
1.2. Mục đích nghiên cứu 11
1.3. Phạm vi nghiên cứu 11
1.4. phương pháp và phương tiện nghiên cứu 11
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH
ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN 3 PHA 12
I. ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA CẤP TỪ
BIẾN TẦN 12
2.1. Khái quát chung 12
2.2. Ưu điểm, nhược điểm của động cơ như sau 12
2.3. Cấu tạo và nguyên lý của động cơ không đồng bộ 3 pha 12
2.3.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha 12
2.3.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ 15
2.4. Các đặc điểm điều chỉnh khi sử dụng biến tần 17
2.5. Hệ truyền động điện trên cơ sở động cơ không đồng bộ ba pha 19
II. MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3 PHA 20
2.1. Khái niêm 20
2.2. Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ 20
Trang 1
Đồ án tốt nghiệp
2.2.1. Kết cấu của máy phát điện đồng bộ cực ẩn
2.2.2. Kết cấu của máy điện cực lồi
2.3. Hệ kích từ của máy phát đồng bộ

2.3.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ
2.3.2. Quan hệ giữa điện áp ra với dòng điện kích từ
2.4. Các thông số chủ yếu của máy phát điện đồng bộ
2.4.1. Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục ( X
d
, X
q
)
2.4.2. Điện kháng quá độ X’
d
2.4.3. Điện kháng siêu quá độ
2.5. Các đặc tính của máy phát đồng bộ
III. THIẾT BỊ TẠO TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN
3.1. Ưu và nhược điểm khi sử dụng hệ thống dùng PLC
3.2. Lý do sử dụng PLC cho đề tài
3.3. Bộ điều khiển PID trong PLC Step7
3.3.1. Bộ điều khiển mềm PID
3.3.2. Bộ điều khiển FB41 (CONT C)
IV. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
4.1. Biến tần Micro Master 440 – MM440
4.1.1 Giới thiệu chung
4.1.2. Nét nổi bật của MM440
4.1.3. Các tính chất của biến tần
4.1.4. Thông số kỹ thuật của biến tần MM440
4.1.5.2. Sơ đồ mạch điều khiển
4.1.6. Các thông số cài mặc định của biến tần
V. THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘ PHẢN HỒI VỀ PLC
Trang 2
Đồ án tốt nghiệp
5.5. Giới thiệu chung về máy phát tốc

5.5.2. Nguyên lý làm việc của máy phát tốc
VI. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU VÀ TẦN
SỐ
6.1. Các phương pháp đo điện áp
6.1.1. Vônmét số chuyển đổi thời gian
6.1.2. Vônmét số chuyển đổi tần số
6.1.3. Vônmet chuyển đổi trực tiếp (chuyển đổi bù)
6.1.4. Vônmét số sử dụng ADC
6.1.5. Đo điện áp bằng phương pháp so sánh
6.2. Các phương pháp đo tần số
6.2.1. Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng
6.2.2. Đo tần số bằng phương pháp so sánh bao gồm
6.2.3. Đo tần số bằng phương pháp đếm tần
VII. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG
7.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo lường và điều khiển ổn định điện áp và
tần số máy phát điện 3 pha.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU
KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN 3 PHA.
A. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TRONG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
I. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐO ĐIỆN ÁP, TÂN SỐ
1.1. Sơ đồ nguyên lý mạch đo phản hồi tần số
1.2. Sơ đồ board và bố trí linh kiện
1.3. Sơ đồ mạch board
1.4. Chức năng và nguyên lý của từng khối
1.5. Giới thiệu về IC chuyển đổi số sang tương tự DAC 0808
Trang 3
Đồ án tốt nghiệp
II. XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN ÁP ĐẦU RA CỦA MÁY PHÁT TỐC
III. THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN 3
3.1. Sơ đồ mạch nguồn kích từ cho máy phát điện 3 pha

3.1.1. Sơ đồ nguyên lý
3.1.2. Sơ đồ bố trí linh kiện
3.1.3. Sơ đồ mạch board
3.1.4. Giới thiệu các phần tử trong mạch
3.1.5. Nguyên lý hoạt động của mạch nguồn kích từ
B. KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH HỆ THỐNG
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
A. Kết quả thực hiện đồ án
B. Hướng khắc phục và hướng phát triển của đề tài
C. Những thuận lợi và khó khăn
Tài liệu tham khảo
Trang 4
Đồ án tốt nghiệp
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Stato: Phần tĩnh động cơ không đồng bộ
Roto: phần quay động cơ không đồng bộ
F
1
: Tần số lưới điện
P: Số đôi cực động cơ không đồng bộ
E
2
: Sức điện động của động cơ không đồng bộ
W: Tốc độ quay của động cơ không đồng bộ
S: Hệ số trượt của động cơ
M
th
: Momen tới hạn
HTTĐĐ: Hệ thống truyền động điện
D: Đường kính roto trong máy phát

L: Chiều dài
E
1
: Sức điện động cảm ứng trên các pha của máy phát
W: Số vòng dây cuộn dây stato của máy phát
K
d0
: Hệ số dây quấn

q
: Từ thông do cuộn kích từ sinh ra
TĐK: Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ
I
t
: Dòng kích từ
U
t
: Điện áp kích từ
R
t
: Điện trở kích từ
X
d
: Điện kháng đồng trục của máy phát
X
q
: Điện kháng ngang trục của máy phát
Trang 5
Đồ án tốt nghiệp
X

q
’: Điện kháng quá độ của máy phát
K
p
: Hệ số khuêch đại
E: Sai số
W
K
: Là cuộn dây kích từ của máy phát tốc
U
k
: Là điện áp mẫu chính xác cao
CT: Là thiết bị tự động phát hiện sự chênh lệch điện áp ΔU =U
X
ưU
K
Trang 6
Đồ án tốt nghiệp
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ 13
Hình 2.2: Kết cấu stato máy điện không đồng bộ 14
Hình 2.3: Cấu tạo rôto động cơ không đồng bộ 14
Hình 2.4: Cấu tạo máy điện không đồng bộ rôto dây quấn 15
Hình 2.5: Quá trình tạo mômen của máy điện không đồng bộ 17
Hình 2.6: Mô hình điều khiển động cơ bằng biến tần 17
Hình 2.8: Cấu trúc của khối PID mềm trong Step 7 29
Hình 2.9: Cấu trúc bên trong của Modul mềm FB41 “CONT_C’. 30
Hình 2.10: Sơ đồ khối thuật điều khiển PID trong khối FB41 31
Hình 2.11: Cấu trúc khối FB41 32
Hình 2.12: Bộ điều khiển PID 39

Hình 2.13: Sơ đồ chức năng của hệ thống điều khiển với một bộ điều khiển PID 42
Hình 2.14: Thông số kỹ thuật của biến tần MM440 43
Hình 2.15: Sơ đồ mạch động lực của MM440 49
Hình 2. 16: Các đầu nối của MM440 50
Bảng 4: Các đầu dây điều khiển 50
Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý của biến tần MM440 53
Hình 2.19: Nguyên lý làm việc của máy phát tốc độ 55
Hình 2.20: Quan hệ Uf=F(n) 56
Hình 2.21: Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần
số máy phát điện 3 pha. 63
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mạch đo phản hồi tần số 64
Hình 3.2: Sơ đồ bố trí linh kiện khối vi xử lý khối chỉnh lưu tạo xung vuông 65
Trang 7
Đồ án tốt nghiệp
Hình 3.3: Sơ đồ board khối vi xử lý khối chỉnh lưu tạo xung vuông
Hình 3.4: Dạng sóng điện áp xung vuông
Hình 3.5: Cấu tạo của DAC0808
Hình 3.6: Sơ đồ thu gọn của DAC0808
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý khuếch đại điện áp
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý mạch kích từ
Hình 3.9: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch nguồn kích từ
Hình 3.10: Sơ đồ mạch board mạch nguồn kích từ
Hình 3.11: Hình dạng thực của LM317
Hình 3.12: Hình dạng thực tế của transistor B688
Hình 3.13: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của điện áp đầu ra vào tốc độ quay của
roto
Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tần số đầu ra vào tốc độ quay của
roto
Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của điện áp đầu ra vào tốc độ quay của
roto khi đầu ra của máy phát được nối với tải 3 bóng đèn sợi đốt 75w

Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tần số đầu ra vào tốc độ quay của
roto khi đầu ra của máy phát được nối với tải 3 bóng đèn sợi đốt 75w
Trang 8
Đồ án tốt nghiệp
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Như ta đã biết với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật như hiện
nay và trong tương lai thì vấn đề đo lường điều khiển, giám sát một hệ thống là
một vấn đề vô cùng quan trọng góp phần vào việc phát triển ngành công nghiệp
của nước ta. Chúng em đã thực hiện đề tài “ Đo lường và điều khiển ổn định điện
áp và tần số máy phát điện 3 pha”. Với mong muốn tìm hiểu về công nghệ của đề
tài và củng cố những kiến thức đã thu được.
Trong đề tài này chúng em đã thực hiện những nội dung sau:
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: “Tổng quan về hệ thống đo lường và điều khiển ổn định điện áp và
tần số máy phát điện 3 pha”. Trong phần này chúng em trình bày tổng quan về
máy phát, tìm hiểu về các đo lường tần số, điện áp, giới thiệu tổng quan về PLC,
PID, xây dựng và ghép nối hệ thống.
Chương 3: “ Xây dựng và khảo sát hệ thống”. Trên cơ sở yêu cầu của bài toán
cũng như các thiết bị hiện có chúng em xin trình bày phương pháp giải quyết bài
toán của đề tài một cách tối ưu nhất có thể.

Trang 9
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Đặt vấn đề
Trước kia, khi khoa học kỹ thuật chưa phát triển thì vấn đề đo lường và
điều khiển ổn định điện áp và tần số của máy phát điện 3 pha gặp nhiều khó khăn,
phạm vi ứng dụng hệ điều chỉnh này hẹp, hầu hết đều sử dụng động cơ một chiều
do đặc tính điều chỉnh đơn giản. tuy nhiên, động cơ xoay chiều không đồng bộ có
những ưu điểm mà các động cơ khác không có: Gía thành rẻ, dễ vận hành, có thể

làm việc trong môi trường dễ cháy nổ, liên tục và dài hạn, đấu nối trực tiếp với
nguồn lưới điện 3 pha …nhờ những ưu điểm này mà các động cơ không đồng bộ
xoay chiều 3 pha được sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp hiện nay.
Trong các hệ điều khiển, chúng ta thường gặp bộ ba: PLC – biến tần –
động cơ nhưng mối quan hệ điều khiển của bộ ba này xảy ra như thế nào? Vai trò
của nó ra sao thì đó lại là câu hỏi mà không phải ai cũng có thể hiều được.
Do đặc thù của ngành công nghiệp nặng ( trong các nhà máy: sản xuất xi
măng, sản xuất giấy, sản xuất thép …) các động cơ sẽ được thiết kế và hoạt động
liên tục, dài hạn trong thời tiết nóng và độ ẩm cao. Vì vậy yêu cầu đặt ra cho các
động cơ này phải hiệu suất và độ tin cậy, dễ lắp đặt và bảo dưỡng. Thông thường
các động cơ hạ áp thường là các động cơ xoay chiều 3 pha roto lồng sóc, với công
suất từ 75kw trở lên trang bị bộ khởi động mềm hoặc biến tần để khởi động dễ
dàng, giảm dòng khởi động và không gây biến động lớn cho điện áp nguồn cung
cấp. Mặt khác, Theo đánh giá của dự án “ Đánh giá tiết kiệm điện năng” tháng 9
năm 2009, nếu chúng ta lắp đặt bộ điều chỉnh biến tần có thể tiết kiệm ít nhất đến
30% lượng năng lượng tiêu thụ.
Trong suốt quá trình học tập tại trường chúng em đã tiếp thu được vốn kiến
thức nhất định, đế có thế áp dụng và củng cố kiến thức chúng em đã thực hiện đồ
án “ Đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha xoay
chiều”.
Trang 10
Đồ án tốt nghiệp
1.2. Mục đích nghiên cứu
Thực hiện đề tài “Đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy
phát điện 3 pha” giúp cho người thực hiện áp dụng được những kiến thức đã được
học và còn nâng cao kiến thức về điều khiển động cơ, sử dụng biến tần…Đặc biệt
nó cung cấp một cái tổng quan về ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha.
Sau khi thực hiện được đề tài có thể áp dụng cho việc giảng dạy trong
khoa ngoài ra có thể áp dụng trong công nghiệp.
Mục tiêu cụ thể: Đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy phát điện

3 pha.
1.3. Phạm vi nghiên cứu
Do hạn chế về thời gian, đồ án chỉ tập chung nghiên cứu về đo lường và
điều khiển điện áp và tần số máy phát điện 3 pha.
1.4. Phương pháp và phương tiện nghiên cứu
Phương pháp:
Tham khảo tài liệu: Chủ yếu là tài liệu về biến tần, Lập trình PLC, động cơ
không đồng bộ 3 pha, máy phát điện, máy phát tốc.
Thực nghiệm: Khảo sát thực tế bằng các thiết bị trên khoa.
Phương tiện:
•
Sách tham khảo và các tài liệu trên mạng.
•
Modul PLC.
•
Phần mềm simatic S7 - 300.
•
Biến tần MM400
•
Động cơ không đồng bộ 3 pha
•
Máy phát điện 3 pha xoay chiều
•
Máy phát tốc

Trang 11
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN
ĐỊNH ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN 3 PHA
I. ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA CẤP

TỪ BIẾN TẦN
2.1. Khái quát chung
Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều, làm việc theo
nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của rotor khác với tốc độ từ trường quay
trong máy.
Ngày nay, động cơ xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và
chiếm tỷ lệ lớn so với động cơ khác.
2.2. Ưu điểm, nhược điểm của động cơ như sau
Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, giá thành hạ, vận hành an
toàn, chịu được điều kiện làm việc trong môi trường khắc nghiệt, nối trực tiếp với
nguồn điện lưới xoay chiều 3 pha nên không cần dùng đến bộ biến đổi do vậy tiết
kiệm được chi phí, giảm giá thành trong chế tạo và sử dụng.
Nhược điểm: Hệ số cosφ không cao, đặc tính điều chỉnh (khi mở máy, khi
điều chỉnh tần số, ổn định và khống chế tốc đô) phức tạp nên gặp khó khăn trong
quá trình điều chỉnh.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật
điện tử công suất, vi sử lý, tin học…đã cho phép giải quyết vấn đề phức tạp trong
vấn đề điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha, đáp ứng với thời gian thực với chất
lượng điều khiển cao, khắc phục được những hạn chế trước đây (mở rộng rải điều
chỉnh, điều chỉnh với độ chính xác cao…) và dần dần thay thế hệ truyền động
động cơ 1 chiều.
2.3. Cấu tạo và nguyên lý của động cơ không đồng bộ 3 pha
2.3.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha
Trang 12
Đồ án tốt nghiệp
Cấu tạo động cơ không đồng bộ được trình bày trên (hình 2.1) gồm hai bộ
phận chủ yếu là stato và rôto, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy. Trục
làm bằng thép, trên đó gắn rôto, ổ bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm
mát máy dọc trục.
Hình 2.1. Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ

1: Lõi thép stato 6: Hộp đầu cực
2: Dây quấn stato 7: Lõi thép rôto
3: Nắp máy 8: Thân máy
4: Ổ bi 9: Quạt gió làm mát
5: Trục máy 10: Hộp quạt
Stato ( phần tĩnh )
Stato gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ
máy và nắp máy.
Lõi thép: Lõi thép stato có dạng hình trụ (hình 2.2b), làm bằng các lá thép
kỹ thuật điện, được dập rãnh bên trong (hình 2.1a) rồi ghép lại với nhau tạo thành
các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.
Trang 13
Đồ án tốt nghiệp
Dây quấn stato: Dây quấn stato thường được làm bằng dây đồng có bọc
cách điện và đặt trong các rãnh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy
trong dây quấn ba pha stato sẽ tạo nên từ trường quay.
Vỏ máy: Vỏ máy gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang.
Hình 2.2: Kết cấu stato máy điện không đồng bộ
a) Lá thép ststo b) Lõi thép stato
Rôto (phần quay)
Rôto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.
Hình 2.3: Cấu tạo rôto động cơ không đồng bộ
a) Dây quấn rôto lồng sóc b) Rôto lõi thép c) Ký hiệu động cơ trên
sơ đồ
Lõi thép: Lõi thép rôto gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bên
trong của lõi thép stato ghép lại, mặt ngoài dập rãnh (hình 2.3a) để đặt dây quấn,
ở giữa có dập lỗ để lắc trục.
Trang 14
Đồ án tốt nghiệp
Trục: Trục của máy điện không đồng bộ làm bằng thép, trên đó gắn lõi thép

rôto.
Dây quấn rôto: Dây quấn rôto của máy điện không đồng bộ có hai kiểu:
rôto ngắn mạch còn gọi là rôto lồng sóc và rôto dây quấn.
Rôto lồng sóc (hình 2.3a) gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong
rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vòng ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ nhỏ, dây
quấn rôto được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt
và cánh quạt làm mát (hình 2.3b).
Rôto dây quấn (hình 2.4) cũng quấn giống như dây quấn ba pha stato và
có cùng số cực từ như dây quấn stato. Dây quấn kiểu này luôn luôn đấu sao (Y)
và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt, gắn vào trục quay của rôto và cách điện với
trục. Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điện vào một biến
trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.
Hình 2.4: Cấu tạo máy điện không đồng bộ rôto dây quấn

Trang 15
Đồ án tốt nghiệp
2.3.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ
Cho dòng xoay chiều ba pha vào dây quấn ba pha đặt trong rãnh stato của
động cơ không đồng bộ, dòng xoay chiều ba pha sẽ sinh ra một từ trường quay,
quay với tốc độ:
(1.1)
Trong đó: là tần số lưới điện, p là số đối cực.
Từ trường quét qua dây dẫn rôto và cảm ứng trong dây dẫn rôto một sức điện
động:
(1.2)
Vì dây quấn rôto nối ngắn mạch nên có dòng

i
2
, chiều của i

2
cùng chiều với E
2

và được xác định theo qui tắc bàn tay phải. “ Khi xác định chiều của E
2
ta căn cứ
vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn (rôto) với từ trường. Nếu coi từ
trường là đứng yên thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn sẽ ngược chiều
với n1, vì n < n
1
nên áp dụng quy tắc bàn tay phải ta xác định được chiều của sức
điện động”.
Dây dẫn rôto có dòng i
2
nằm trong từ trường quay stato sẽ sinh ra lực điện
từ được xác đinh theo quy tắc bàn tay trái. Tạo momen quay kéo rôto quay cùng
chiều với n1 với tốc độ n < n
1
gọi

là động cơ không đồng bộ.
Gọi hệ số trượt của động cơ là s. Và s được tính như sau:
(0 < s < 1) (1.3)
Thường thì s = 0,02 ÷ 0,06
Về mặt năng lượng: Điện năng đưa vào dây quấn stato đã biến thành cơ
năng trên trục của máy điện, nghĩa là máy điện làm việc ở chế độ động cơ điện.
Trang 16
Đồ án tốt nghiệp
Hình 2.5: Quá trình tạo mômen của máy điện không đồng bộ

2.4. Các đặc điểm điều chỉnh khi sử dụng biến tần
3~
ĐC
Biến tần
Hình 2.6: Mô hình điều khiển động cơ bằng biến tần
Tuỳ theo hệ điều khiển biến tần − động cơ mà người ta phân biến tần thành
hai loại chính:
- Biến tần trực tiếp: Là loại biến tần có tần số đầu ra luôn nhỏ hơn tần số
đầu vào (thường nhỏ hơn 50Hz) dùng cho các hệ truyền động công suất lớn. Loại
này biến đổi thẳng dòng điện xoay chiều tần số f
1
thành f
2
, không qua khâu chỉnh
lưu (CL) nên hiệu suất cao hơn loại biến tần độc lập (biến tần gián tiếp) nhưng
Trang 17
Đồ án tốt nghiệp
việc thay đổi tần số ra khó khăn và phụ thuộc vào tần số vào f
1
.
- Biến tần gián tiếp nguồn áp: Là loại biến tần dùng cho hệ truyền động
nhiều động cơ, bộ điều khiển biến tần này có thêm bộ điều chế độ rộng xung cho
chất lượng điều chỉnh điện áp cao hơn. Biến tần loại này, dòng điện xoay chiều
đầu vào tần số f
1
được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều (tần số f = 0), rồi lại
được biến đổi thành dòng xoay chiều tần số f
2
. Đây là loại biến tần được dùng phổ
biến hơn vì tần số f

2
cần phải có hoàn toàn không phụ thuộc gì vào f
1
mà chỉ phụ
thuộc vào mạch điều khiển.
Biến tần cho phép ta thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ không đồng bộ,
tốc độ quay của động cơ được xác định như sau:
(1.4)
Trong đó: ω: Là tốc độ quay của động cơ.
p: Là số đôi cặp cực của động cơ
s: Là độ trượt của tần số
f
s
: Là tần số của nguồn cung cấp
Từ biểu thức trên ta thấy khi thay đổi tần số nguồn cấp thì tốc độ ω thay
đổi, động cơ không đồng bộ trong hệ biến tần - động cơ được coi như một đối
tượng điều khiển có nhiều tham số. Trong đó đại lượng đầu vào là điện áp U
S
,
tần số f
s
, đại lượng đầu ra là tốc độ ω, mômen và vị trí, ngoài ra còn có đại lượng
mômen tới hạn (M
th
).
Bài toán điều khiển động cơ không đồng bộ có thể gọi là bài toán phi
tuyến vì có nhiều tham số: Tốc độ, mômen, dòng điện, từ thông, điện áp, trở
kháng…phụ thuộc vào tần số nguồn cung cấp. Để đảm bảo chỉ tiêu và đặc tính
điều chỉnh ta thực hiện điều chỉnh cả điện áp nguồn cấp sao cho đảm bảo tỷ số
. Đối với hệ điều khiển dùng biến tần nguồn áp cần đảm bảo cho mômen

không đổi và tổn thất nhỏ nhất trong toàn bộ dải điều chỉnh.
Trang 18
Đồ án tốt nghiệp
2.5. Hệ truyền động điện trên cơ sở động cơ không đồng bộ ba pha
Một hệ thống truyền động điện (HTTĐĐ) là một tập hợp các thiết bị dùng
để biến đổi điện năng thành cơ năng và các thiết bị dùng để điều khiển quá trình
biến đổi đó.
Về cấu trúc, một HTTĐĐ nói chung, bao gồm các khâu: Bộ biến đổi,
Động cơ điện, Khâu truyền lực, Cơ cấu sản xuất hay cơ cấu làm việc, Khối điều
khiển
Biến tần
Động cơ KĐB
Bộ điều khiển
U(t) ω(t), θ(t)
Đối tượng điều chỉnh

Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha
Trong hệ này, ta coi biến tần − động cơ không đồng bộ như là một khối đối
tượng cần điều chỉnh, bộ điều khiển ở đây có thể là máy tính hoặc PLC.
-
Tín hiệu vào là điện áp, tần số.
-
Tín hiệu ra là tốc độ của động cơ.
Đối với hệ truyền động ở trên, động cơ được sử dụng là động cơ xoay
chiều không đồng bộ, đại lượng điều chỉnh ở đây là dòng điện, điện áp, tốc độ, vị
trí v v…Bộ điều khiển dùng biến tần có nhiều ưu điểm: Đơn giản, gọn nhẹ, giảm
được tổn hao trong quá trình làm việc, dễ dàng điều chỉnh và điều chỉnh với chất
lượng cao….
Trang 19
Đồ án tốt nghiệp

II. MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3 PHA
Máy điện đồng bộ là thiết bị điện quan trọng được sử dụng rộng rãi trong
công nghiệp. phạm vi sử dụng chính là làm máy phát điện, nghĩa là biến đổi cơ
năng thành điện năng. Điện năng chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và đời
sống được sản xuất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi, tuabin khí hoặc
tuabin nước. Hai loại thường gặp nhất là máy phát nhiệt điện và máy phát thủy
điện 3 pha.
Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ đặc biệt trong các thiết bị
lớn,vì khác với động cơ không đồng bộ là chúng có thể phát ra công suất phản
kháng.
Thông thường các máy đồng bộ được tính toán, thiết kế sao cho chúng
có thể phát ra công suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng. Trong một số
trường hợp, việc đặt các máy đồng bộ ở gần các trung tâm công nghiệp lớn là chỉ
để phát ra công suất phản kháng. Với mục đích chính là bù hệ số công suất cosϕ
cho lưới điện được gọi là máy bù đồng bộ.
Ngoài ra các động cơ đồng bộ công suất nhỏ ( đặc biệt là các động cơ kích
từ bằng nam châm vĩnh cửu ) cũng được dùng rộng rãi trong các trang bị tự động
và điều khiển…
2.1. Khái niêm
Máy phát điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng thông thường
sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ. Nguồn cơ năng sơ cấp có thể là các động cơ
tua bin hơi, tua bin nước, động cơ đốt trong, tua bin gió hoăc các nguồn cơ năng
khác.
Máy phát giữ một vai trò then chốt trong các thiết bị cung cấp điện. Nó
thực hiện 3 chức năng: Phát điện, chỉnh lưu, hiệu chỉnh điện áp.
2.2. Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ
Máy phát điện đồng bộ gồm 2 thành phần chính đó là roto và stato.
2.2.1. Kết cấu của máy phát điện đồng bộ cực ẩn
Trang 20
Đồ án tốt nghiệp

Roto của máy phát điện đồng bộ cực ẩn được làm bằng thép hợp kim chất
lượng cao và được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt
dây cuốn kích từ.
Dây cuốn kích từ đặt trong rãnh roto được chê tạo từ dây đồng trần tiết
diện chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm. Các vòng dây
của bối dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng thành các bối
dây đồng tâm. Các vòng dây của bối dây này được cách điện với nhau bằng một
lớp mica mỏng. Để cố định và chặt dây cuốn kích từ trong rãnh, miệng rãnh được
nêm kín bởi các thanh nêm bằng thép không từ tính phần đầu nối của dây kích từ
được đai chặt bằng các ống thép phi từ tính.
Stato của máy điện đồng bộ cực ẩn bao gồm lõi thép, trong đó có đặt dây
cuốn 3 pha và thân máy, nắp máy. Lõi thép stato được ép bằng lá tôn silic dày
0,5mm hai mặt có phủ sơn cách điện. Lõi thép stato được đặt cố định trong thân
máy.
2.2.2. Kết cấu của máy điện cực lồi
Máy điện đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp, vì vậy khác với máy
đồng bộ cực ẩn đường kính roto có thể lớn tới D = 15m trong khi chiều dài l lại
nhỏ, với tỷ lệ l/D = (O,15 – 0,2).
Roto của máy phát đồng bộ cực lồi có công suất nhỏ và trung bình có lõi
thép được chế tạo bằng thép đúc và gia côn thành khối hình lăng trụ hoặc khối
hình trụ. Trên mặt có đặt các cực từ, ở các máy có công suất lớn lõi thép đó được
hình thành bởi các tấm thép dày (1- 6) mm được dập và đúc định hình sẵn để ghép
thành các khối lăng trụ. Cực từ đặt trên lõi thép roto được ghép bằng những lá
thép dày từ (1 – 1,5)mm.
Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn
uốn theo chiều mỏng thành từng quận dây. Cách điện giữa các vòng dây là lớp
mica hoặc amiang. Các cuộn dây sau khi đã gia công được nồng vào thân cực.
Stato của máy phát điện đồng bộ cực lồi có cấu tạo tương tự của máy phát
cực ẩn.
Trang 21

Đồ án tốt nghiệp
2.3. Hệ kích từ của máy phát đồng bộ
2.3.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ
Cuộn kích từ được nuôi bằng nguồn 1 chiều. Trong cuộn dây kích từ sinh
ra từ trường kích từ khi roto được quay bằng động cơ sơ cấp thì từ trường này trở
thành từ trường quay với tốc độ bằng tốc độ động cơ sơ cấp hay tốc độ đồng bộ n
không đổi. Từ trường quay này quét qua thanh dẫn của các pha trên stato làm suất
hiện sức điện động cảm ứng E
1
trên các pha. Các sức điện động cảm ứng biến đổi
theo quy luật sin, với tần số f
1
= p.n (Hz) và có trị số hiệu dụng bằng:
E
1
= 4,44.f
1
.W.K
do
.
q
Trong đó: f
1
: Tần số
W: Số vòng dây cuộn dây stato
K
do
: Hệ số dây quấn

q

: Từ thông do cuộn kích từ sinh ra
Khi máy được nối với tải thì trong các pha sinh ra dòng điện pha: i
A
, i
B
, i
C

với tần số f
1
. Vì cuộn dây của các pha được đặt trong stato lệch nhau một góc 120
0

trong không gian nên khi roto quay từ trường quét nên các cuộn dây và sinh ra sức
điện động cảm ứng trên mỗi cuộn dây này lệch nhau một góc 120
0
điện. Do đó tạo
ra nguồn điện ba pha đối xứng ở đầu ra của máy phát.
Hệ kích từ có nhiệm vụ cung cấp dòng một chiều cho các cuộn dây kích
thích của máy phát điện đồng bộ. Nó phải có khả năng điều chỉnh bằng tay hoặc
tự động điều chỉnh dòng kích thích để đảm bảo máy phát làm việc ổn định kinh tế,
với chất lượng điện năng cao trong mọi tình huống.
Trong chế độ làm việc bình thường, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh
được điện áp ở đầu cực máy phát, thay đổi lượng công suất phản kháng phát vào
lưới điện. Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) làm việc nhằm giữ điện áp
máy phát không đổi khi phụ tải biến động. Ngoài ra TĐK còn nhằm các mục đích
khác như nâng cao giới hạn công suất truyền tải từ máy phát điện vào hệ thống,
Trang 22
Đồ án tốt nghiệp
đặc biệt khi nhà máy nối với hệ thống qua đường dây dài, đảm bảo ổn định tĩnh

nâng cao tính ổn định động cho hệ thống điện.
Trong chế độ sự cố thì hệ thống kích từ làm việc ở chế độ cưỡng bức để
duy trì điện áp của máy phát.
Như vậy một hệ thống kích từ làm việc tin cậy phải đảm bảo được những
yếu tố sau:
1. Có khả năng điều chỉnh dòng kích từ i
t
= U
t
/r
t
để duy trì điện áp
máy phát U trong điều kiện làm việc bình thường.
2. Cưỡng bức kích thích để giữ đồng bộ máy phát với lưới khi điện áp lưới
hạ thấp do xảy ra ngắn mạch ở xa. Muốn vậy hệ thống kích từ phải có khả năng
tăng nhanh gấp đôi dòng kích từ trong khoảng thời gian t = 0,5s.
Hay:
= 2
3. Có khả năng triệt từ trường kích thích, nghĩa là giảm nhanh chóng điện
kich thích i
t
đên 0 mà điện áp không vượt quá giá trị cho phép.
Có ba loại hệ kích từ cho máy phát điện đồng bô sau đây:
- Hệ kích từ dùng máy kích từ một chiều.
- Hệ kích từ dùng máy kích từ xoay chiều kết hợp với bộ chỉnh lưu.
- Hệ tự kích từ.
Trong thiết kế này ta chọn phương pháp kích từ dùng kích từ một chiều
2.3.2. Quan hệ giữa điện áp ra với dòng điện kích từ
U = f(i
t

) đặc tính tải của máy phat điện đồng bộ.
- Khi tăng i
t
thì U tăng.
- Khi giảm i
t
thì U giảm.
Trang 23
Đồ án tốt nghiệp
Dựa vào mối quan hệ U = f(i
t
) ngươi ta xây dựng được những bộ
nguồn kích từ có khả năng tự động ổn định điện áp của máy phát. Tức là khi điện
áp của máy phát thay đổi thì bộ nguồn kích từ tự động điều chỉnh dòng điện kích
từ để cho điện áp ra của máy phát đạt một giá trị ổn định đặt sẵn. Để điều chỉnh
dòng kích từ ngươi ta điều chỉnh điện áp kích từ i
t
= U
t
/r
t
.

2.4. Các thông số chủ yếu của máy phát điện đồng bộ
Trong máy phát điện đồng bộ ngoài các thông số như: Công suất, điện áp,
dòng điện định mức… còn phải kể đến các thông số cơ bản khác của máy phát
điện đồng bộ là: Điện trở, điện kháng của cuộn dây, các hằng số quán tính điện và
cơ.
2.4.1. Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục ( X
d

, X
q
)
Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục là một trong những thông số
đặc trưng của máy phát điện ở chế độ xác lập. Ở máy phát cực lồi vì ở mặt cực,
từ thông khe hở không khí là không đều, nên mạch từ không bão hòa. Do đó điện
kháng dọc trục và ngang trục là khác nhau (X
d
# X
q
). Còn ở máy phát cực ẩn thì
khe hở không khí là đều nhau, mạch từ bão hòa nên: X
d
= X
q
.
2.4.2. Điện kháng quá độ X’
d
Đặc trưng cho cuôn cảm của cuộn dây ở chế độ xác lập, ở chế độ này từ
thông sinh ra bởi cuộn dây stato đi qua cuộn dây roto bị giảm do phản ứng hỗ cảm
của cuộn dây này. Điện trở mạch kín của cuộn dây roto thường nhỏ nên phản ứng
Trang 24
Đồ án tốt nghiệp
hỗ cảm triêt tiêu hoàn toàn từ thông bên trong nó. Vì thế có thể coi điện cảm của
nó khi mạnh khép kín ra bên ngoài cuộn dây roto là rất nhỏ và không phụ thuộc
vào dạng cực từ.
2.4.3. Điện kháng siêu quá độ
Điện kháng này đặc trưng cho điện cảm của cuộn dây stato ở giai đoạn đầu
của chế độ quá độ. Ở giai đoạn đầu của chế độ này bị ảnh hưởng của cuôn dây
cản, làm giảm từ thông cuộn dây stato. Do đó X”

d
< X’
d
. Do dòng điện xuất hiện
trong cuộn dây cản là tức thời cho nên điện kháng X’’
d
chỉ tồn tại trong giai đoạn
đầu của chế độ quá độ.
2.5. Các đặc tính của máy phát đồng bộ
Khi vận hành bình thường máy phát đồng bộ cung cấp cho tải đối xứng.
chế độ này phụ thuộc vào hộ tiêu thụ điện năng nối với máy phát, công suất cung
cấp cho tỉ không vượt quá giá trị định mức mà gần bằng giá trị định mức. Mặt
khác ở chế độ này thông qua các đại lượng như điện áp, dòng điện, dòng kích từ,
hệ số cosϕ, tần số f, và tốc độ quay n. Để phân tích đặc tính đặc tính làm việc của
máy phát điện đồng bộ ta dựa vào 3 đại lượng chủ yêu U, I, I
t
thành lập các đường
đặc tính sau: Đặc tính không tải, đặc tính ngắn mạch, đặc tính ngoài, đặc tính điều
chỉnh của máy phát điện đồng bộ, đặc tính tải của máy phát đồng bộ, họ đặc tính
V của máy phát điện.
III. THIẾT BỊ TẠO TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN
Thiết bị điều khiển logic khả trình (Progammable Logic Control), viết tắt
thành PLC, là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển
số thông qua ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thực hiện thuật toán đó bằng
mạch số. Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ
điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với
môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính). Toàn bộ chương
trình được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình (khối OB,
FC hoặc FB) và được thực hiện lặp theo chu kì của vòng quét (Scan).
Trang 25