Tbdtcs and hệ thống đã mở khóa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

Khoa Điều khiển - Tự động hoá

BÀI GIẢNG

THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ HỆ THỐNG

Người thực hiện: Đàm Xuân Đông

Hà Nội - 2021

NỘI DUNG MÔN HỌC

Chương 1: Biến tần
Chương 2: Khởi động mềm

Chương 3: UPS

Số tín chỉ: 2 tín chỉ
Tổng thời lượng: 30 tiết

+ Lý thuyết: 21 tiết
+ Tiểu luận: 06 tiết
+ Thí nghiệm, thực hành: 03 tiết

Tài liệu tham khảo:
+ Giáo trình “Điện tử cơng suất” Trần Xuân Minh - Đỗ Trung Hải.
+ Siemens, Hướng dẫn vận hành biến tần SINAMICS V20, Khởi động mềm

SIRIUS 3RW30/3RW40.

+ Giáo trình “Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha”
+ AEG, UPS Protect 5.31
+ Giáo trình “Mạng truyền thơng cơng nghiệp SCADA” Lê Ngọc Bích - Phạm

Quang Huy.
+ Giáo trình “Matlab&Simulink” Nguyễn Phùng Quang

GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

CHƯƠNG 1

1.1 Giới thiệu chung BIẾN TẦN

1.1.1 Khái niệm về biến tần

1.1.2 Cấu tạo biến tần

1.1.3 Nguyên lý hoạt động biến tần

1.1.4 Phân loại thiết bị biến tần

1.1.5 Các luật điều khiển trên biến tần

1.1.6 Biến tần Micromaster 420 - Siemens

1.2 Lựa chọn biến tần.

1.3 Cài đặt thông số, vận hành hệ thống dùng biến tần SINAMICS

V20 của SIEMENS.

1.4 Truyền thơng biến tần với các bộ lập trình điều khiển

1.5 Lỗi khi vận hành và phương pháp khắc phục

GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Tổng quan về biến tần

Bắt nguồn từ nhu cầu điều khiển tốc độ quay của động cơ 3 pha
không đồng bộ, người ta đã phân tích từ cơng thức tính số số vịng qua
của động cơ

N = [60f x (1-s)]/P

Từ có cho ta thấy muốn điều khiển tốc độ động cơ thì sẽ có 3 cách:

+ Thay đổi tần số điện (f)

+ Số điện cực (p)

+ Hệ số trượt (s)

Nếu thay đối số điện cực (P) thì chỉ có thể thay đổi được vài cấp tốc độ
động cơ và mỗi lần tốc độ động cơ thay đổi sẽ dẫn đến hiện tượng giật

động cơ

Nếu thay đổi hệ số trượt (s) thì cần phải có mạch điều chỉnh hệ số trượt
(tương đối phức tạp)

Chính vì vậy việc điều khiển tần số (f) là cách đơn giản nhất để điều
khiển tốc độ của động cơ 3 pha không đồng bộ. GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

Như vậy:

Biến tần là một bộ thiết bị điện tử dùng để điều khiển tốc độ
động cơ thông qua việc thay đổi tần số f1( thường là tần số lưới điện 50
Hz) sang một tần số f2 có thể điều chỉnh được.

Nói một cách đơn giản, biến tần chính là thiết bị biến đổi dòng
điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số
khác có thể điều chỉnh được.
➢ Chính vì vậy nhờ có biến tần mà ta có thể làm cho động cơ chạy

nhanh hơn hoặc chậm hơn so với chạy tần số 50Hz( 60Hz).

Ví dụ: Biến tần thay đổi tần số của dòng điện 3 pha 380V từ 1Hz đến 50Hz, hay tới
60Hz, thậm chí lên tới 400Hz và có thể điều chỉnh được. Theo đó tần số của lưới nguồn
sẽ thay đổi thành tần số biến thiên. 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.

GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

Do đó cần phải sử dụng biến tần với một số mục đích sau:

+ Có thể thay đổi tần số lưới điện từ đó thay đổi tốc độ động cơ một
cách dễ dàng nhất (Trong khi lưới điện đang sử dụng có tần số f = 50/60 Hz)

+ Không cần phải dùng các mạch khởi động hình sao hay tam giác
+ Dễ dàng khởi động các tải công suất lớn
+ Việc khởi động sẽ có tốc độ ban đầu la chậm và tăng dân lên mức
nhanh giúp đảm bảo không làm giật động cơ hay hư hỏng các bộ phận cơ khí,
kết cấu máy móc
+ Tiết kiệm điện năng
+ Bảo vệ hệ thống khi gặp những trường hợp: quá tải, quá dòng, quá áp

GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

1.1.2 Cấu tạo biến tần

Hình 1.1 Cấu tạo biến tần GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

+ Bộ chỉnh lưu: Có tác dụng biến đổi từ Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của bộ
điện áp xoay chiều tần số cố định ở đầu vào biến tần
thành điện áp một chiều.

+ Bộ lọc một chiều: có nhiệm vụ san

phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu.

+ Bộ nghịch lưu 3 pha: Có tác dụng biến
đổi từ điện áp 1 chiều trong bộ lọc trở
thành điện áp xoay chiều 3 pha với tần số
mong muốn

+ Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu
điều khiển theo một quy luật điều khiển.

+ Ngồi ra biến tần có thể sử dụng thêm
các thành phần như cuộn kháng, trở hãm,...

GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của biến tần

+ Nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt
pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn động của biến tần
1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này
được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu
diode và tụ điện.

+ Điện áp một chiều này được biến đổi
(nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3
pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay
được thực hiện thông qua hệ IGBT
(transistor lưỡng cực có cổng cách ly)

bằng phương pháp điều chế độ rộng
xung (PWM).

GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

Hình 1.5: Sơ đồ ngun lý
hoạt động các van

GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

1.1.4 Phân loại thiết bị biến tần

+ Biến tần trực tiếp
+ Biến tần gián tiếp

- Biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển
- Biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu khơng điều khiển có thêm
bộ biến đổi xung điện áp
- Biến tần gián tiếp dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch
lưu PWM
- Biến tần gián tiếp nguồn áp
- Biến tần gián tiếp nguồn dòng

GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

1.4.1 Biến tần trực tiếp

Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi điện áp lưới
điện U1 có tần số f1 cố định thành điện áp U2 có tần số f2 điều chỉnh được
khơng cần có sự can thiệp của khâu trung gian và có thể nhỏ hơn tần số
nguồn cấp.

Do quá trình biến đổi khơng phải qua khâu trung gian nên được gọi là
bộ biến tần trực tiếp, còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định
(Cycloconverter).

Hình 1.6 Thiết bị biến tần trực tiếp

GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

+ Biến tần trực tiếp: Gồm hai nhóm chuyển mạch nối song song ngược.
Ở mỗi pha ở đầu ra (a, b, c) được cấp điện bởi hai nhóm Thyristor:

- Nhóm T tạo ra dịng điện chạy thuận.
- Nhóm N tạo ra dịng chạy ngược.

N T

Hình 1.7: Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần trực tiếp

GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

* Nguyên lý hoạt động của biến tần trực tiếp

Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận ngược lần lượt được điều khiển làm việc theo chu kỳ

nhất định.

Xét ở nửa chu kỳ làm việc của sơ

đồ thuận: Thay đổi góc điều khiển

: /2→ 0 → /2

+ Tại điểm A:  = 0 điện áp chỉnh

lưu trung bình cực đại

+ Tại điểm B, C, D, E: góc  tăng

dần lên → điện áp trung bình giảm

xuống

+ Tại điểm F:  = /2 điện áp

trung bình là 0

Như vậy: Trong nửa chu kỳ đầu Hình 1.8: Đồ thị điện áp đầu ra của bộ
điện áp trung bình là hình Sin (nét

đứt) biến tần trực tiếp

+ Xét tương tự cho nửa chu kỳ

ngược.

Muốn điện áp đầu ra có dạng gần sin hơn cần phải liên tục thay đổi góc điều khiển các van của
mỗi sơ đồ chỉnh lưu trong thời gian làm việc của nó( mơiz nửa chu kỳ điện áp ra)

GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

* Ưu điểm:

+ Có thể thiết kế với một công suất khá lớn ở đầu ra và hiệu suất cao,
điều này đặc biệt có ý nghĩa khi cơng suất hệ thống điều tốc cực lớn (các hệ
thống dùng động cơ công suất đến 16.000 KW).

* Nhược điểm:

+ Số lượng linh kiện nhiều dẫn đến tần số đầu ra giảm xuống.
+ Chỉ có tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số
điện áp lưới ( tần số đầu ra bằng 1/3  1/2 tần số lưới điện).
+ Chất lượng điện áp ra thấp
+ Khó điều khiển ở tần số cận khơng vì khi đó tổn hao sóng hài trong
động cơ khá lớn.
+ Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao.
+ Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin

GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

1.4.2 Biến tần gián tiếp
Biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều dùng bộ chỉnh lưu để biến đổi
nguồn điện xoay thành một chiều, sau đó lại dùng bộ nghịch lưu để biến đổi
dịng điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều.
Thiết bị biến tần biến đổi tần số từ đầu f1 đến f2 thông qua các khâu :

+ Khâu chỉnh lưu
+ Khâu trung gian
+ Khâu nghịch lưu

Hình 1.9: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp

GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

* Sơ đồ khối của biến tần gián tiếp

Khối chỉnh lưu Khối trung gian Khối nghịch lưu

Hình 1.10: Sơ đồ khối của biến tần gián tiếp GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

+ Khối chỉnh lưu( Diobe):

Chức năng của khâu này là biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng
lượng điện một chiều.

Hình 1.11: Khối chỉnh lưu Diobe GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

* Một số mạch chỉnh lưu dùng trong biến tần

+ Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dùng Diode:

Hình 1.12: Sơ đồ cầu chỉnh lưu dùng Diode

GV : Đàm Xuân Đông

Bộ môn đo lường - Khoa Điều khiển và Tự động hóa - EPU

+ Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dùng Thyristor

Hình 1.13: Sơ đồ cầu chỉnh lưu dùng Thyristor
+ Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dùng GTO - Diode

Hình 1.14: Sơ đồ cầu chỉnh lưu dùng GTO - Diode

GV : Đàm Xuân Đông