Điều khiển bơm ổn định áp suất đồ án môn học kỹ thuật điều khiển động cơ

Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 1

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG


BÁO CÁO ĐỒ ÁN
KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
Đề tài : ĐIỀU KHIỂN BƠM ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT
Giáo viên hướng dẫn : Ts. Lê Quang Đức
Sinh viên thực hiện : Trần Ngọc Hoàng 0951060021
Lƣơng Trọng Nam 0951060038

Đề tài : Bơm ổn định áp suất , điều khiển bơm cấp nước ổn định áp suất cho một chung
cư khi các hộ sử dụng không có quy luật. Lưu lượng tối đa 50 m
3
/h, cột áp 40 m. Chọn
bơm , động cơ , biến tần , cảm biến áp suất. Điều khiển ổn định áp suất nước.
Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 2
I. TÌM HIỂU VỀ VẤN ĐỀ
 ĐỐI TƢỢNG: tòa nhà khu công nghiệp,
khu chung cư, …
 YÊU CẦU: Nhu cầu sử dụng nước trong
khu công nghiệp, khu dân cư rất khác nhau
trong các thời điểm của ngày (cao điểm và thấp
điểm), yêu cầu đặt ra là phải giải quyết được

việc tự động ổn định áp suất trên đường ống cấp
nước và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống cấp
nước.
 Để đáp ứng nhu cầu áp lực nước trong hệ thống
luôn đủ khi nhu cầu sử dụng nước thay đổi bất
thường, máy bơm trong hệ thống luôn làm việc
liên tục ở chế độ đầy tải. Tuy nhiên điều này dẫn
đến 1 số bất lợi sau:
+Áp lực nước trong hệ thống đôi khi tăng lên quá cao không cần thiết, 1 số thời
điểm nhu cầu sử dụng nước giảm xuống nhưng hệ thống bơm vẫn chạy đầy tải.
Điều này gây lãng phí năng lượng rất lớn và áp lực lên đường ống cao.
+ Bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ cơ khí.
- Đặc tính của bơm: Đặc tính của bơm là mối quan hệ giữa lưu lượng và cột
áp.
Đặc tính làm việc của bơm khi dùng biến tần
Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 3


 GIẢI PHÁP:
Vì vậy dùng biến tần để điều khiển hệ thống sẽ đáp ứng được những yêu cầu ta cần .
Khi nhu cầu xử dụng nước cao, cần áp lực trên đường ống cao thì biến tần sẽ tự động
điều khiển động cơ quay ở tốc độ cao nhất để duy trì áp lực, ngược lại khi nhu cầu xử
dụng nước thấp, cần áp lực thấp, biến tần sẽ điều khiển động cơ giảm tốc độ xuống
hoặc dừng hẳn. Khi đó năng lượng điện được tiết kiệm.
- Khi dùng biến tần thì dòng khởi động được hạn chế sẽ không gây sụt áp khi khởi
động để tránh ảnh hưởng tới các thiết bị khác.
- Quá trình START , STOP của bơm được êm hơn, tác dụng giảm tác hại cho động
cơ về mặt cơ khí. Chi phí bão dưỡng giảm.

- Tiết kiệm năng lượng khi nhu cầu sử dụng thay đổi nhiều.
- Có các chức năng bảo vệ : quá áp , thấp áp , quá nhiệt, bảo vệ nhiệt động cơ ,bảo
vệ quá tải …
- Khởi động bơm từ từ với việc cài đặt thời gian tăng tốc, giảm tốc tránh gây rung
đường ống và sự thay đổi áp suất đột ngột…tránh ảnh hưởng xấu cho hệ thống.
 Để biến tần điều khiển đƣợc hoạt động của bơm thì cần phải có cảm biến áp
suất phản hồi về.



Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 4
Sơ đồ khối của hệ thống nhƣ sau:


I. CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH
CỦA MÔ HÌNH.
1. Chọn bơm – động cơ
Từ yêu cầu bơm nước với lưu lượng tối đa
là:
 Lưu lượng: Q = 50 m
3
/h
 Cột áp : H= 40 m.
Cho nên nhóm chọn bơm đi liền với động
cơ nổi tiếng của hãng PENTAX - Ý

 Type: CM 65 – 160A
 Tốc độ : 2900 rpm

 Điện áp-tần số-dòng điện: 400V-50Hz-30A
 Cột áp-lưu lượng: 40.4m – 54 m
3
/h
 Power: 15 kW (20 Hp)
 Số cực: 2 poles
 Áp suất max: 10 bar
Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 5

 Có catalogue kèm theo – (page 14)


2. Chọn biến tần. (chọn của hãng ROCKWELL)
 Các loại biến tần ROCKWELL: powerflex 4 – 40 – 40P – 400 – 70 – 700 –
700H – 700S - 7000



Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 6

Với tải bơm này thì động cơ làm việc ở chế độ dài hạn, momen khởi động không
lớn. Do đó chọn dòng biến tần PowerFlex 400 của ROCKWELL loại điều khiển
U/f cho ứng dụng hệ thống cấp nước có yêu cầu tự động điều chỉnh áp suất ổn
định. Với việc hỗ trợ chức năng điều khiển PID, biến tần sẽ nhận tín hiệu analog
(dòng hoặc áp) từ sernsor áp suất (được gắn trên đường ống chính) đưa về, biến tần
sẽ tự động thay đổi tần số, từ đó thay đổi tốc độ bơm, vì thế việc khống chế áp lực

trên đường ống trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
Yêu cầu: chọn biến tần PowerFlex 400 của hãng ROCKWELL sao cho
P
BT
≥ P
BƠM
hay P
BT
≥ 15 kW (20Hp)
Vậy nhóm chọn biến tần Powerflex 22C-D038A103 của hãng ROCKWELL với
các tính năng đáp ứng yêu cầu đề ra.




BIẾN TẦN
THÔNG SỐ
Công suất định mức
18,5KW
Điện áp định mức
3 pha – 380V
Dòng điện định mức
40 A (Input)
38A (Output)
Tần số
50Hz
Tính năng
Điều khiển U/f
Cấp bảo vệ
IP30

Bảo vệ tránh cao áp
575 VAC
Bảo vệ tránh thấp áp
275 VAC
Bảo vệ dòng quá tải
cho động cơ
110% cho 60 secs
Hãng
ROCKWELL
Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 7

Có Catologue kèm theo (page 126)

 Chọn các phụ kiện đi theo biến tần:
a) Chọn Input & Output Line Reactors:
Theo khuyến cáo của NSX biến tấn, nhóm chọn Line Reactors
của hãng Rockwell có mã số: 1321 - 3R35B

LINE REACTOR
THÔNG SỐ
Điện áp định mức
380 – 480 VAC
Dòng điện định mức
35 A
Giá trị điện cảm
0.8
Hãng
ROCKWELL

Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 8


b) Chọn EMC Line Fillter:
Theo khuyến cáo của NSX biến tấn, nhóm chọn EMC Line
Fillter của hãng Rockwell có mã số:
22-RFD050




EMC LINE FILLTER
THÔNG SỐ
Điện áp định mức
380 – 480 VAC
Dòng điện định mức
50 A
Hãng
ROCKWELL
Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 9

II. CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ
1. Chọn các thiết bị điều khiển và bảo vệ bên mạch động lực:
a) Chọn CONTATOR
Yêu cầu: Chọn loại AC1 hoặc AC3 (xuống một cấp)
U

đm
>=U
lưới
=380V
I
đm
>=I
driver
=40 A
Điện áp cuộn hút 220-240 V AC
→ Dựa vào các yêu cầu và khuyến cáo của NSX biến tần, Nhóm
chọn Contactor của hãng Allen-Bradley,
có mã số: 100-C60F10

CONTACTOR
THÔNG SỐ
Loại
AC1
Thông tin
1 NO
Điện áp định mức
400 VAC
Điện áp cuộn hút
220 - 230VAC
Dòng điện định mức
100 A
Hãng
ALLEN BRADLEY
Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 10




Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 11


b) Chọn MCB
Yêu cầu: Dùng để bảo vệ ngắn mạch và quá tải
U
đm
>= U
lưới
= 380V
I
đm
>=(1.2-1.4)* I
driver
(40A)
→ Dựa vào các yêu cầu và khuyến cáo của NSX biến tần, Nhóm
chọn MCB của hãng Allen-Bradley, có mã số: 140M-F8E-C45




MCB
THÔNG SỐ

Điện áp định mức
400 VAC
Dòng điện định mức
45 A
Dòng điện cắt
65 kA
Hãng
ALLEN BRADLEY

Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 12




2. Chọn các thiết bị điều khiển và bảo vệ bên mạch điều khiển:
a) Chọn CB bảo vệ các thiết bị trong mạch điều khiển:
Yêu cầu: U
đm
>=U
lưới
= 220V
I
CB
>=1.3*I
tổng
= 1 A
 Dựa vào yêu cầu nhóm chọn CB loại BKN 1P+N, mã số
140M-C2E-B16 của hãng Allen-Bradley .

Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 13




b) Chọn nút nhấn
Yêu cầu:
Nút nhấn ON: loại NO, màu xanh.
Nút nhấn OFF: loại NC, màu đỏ.
Thông số kĩ thuật của nút nhấn: Điện áp 220VAC
 Vậy nhóm chọn nút nhấn của hãng IDEC có mã sản phẩm:
YW1L-MF2E01QM3 (RED) và YW1L-MF2E10QM3
(GREEN)
Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 14

Ghi chú:Catalog của nút nhấn trang 6/24

c) Chọn đèn báo
Yêu cầu: chọn 1 đèn báo khi có nguồn cấp cho biến tần – khi
nhấn nút ON (red), 1 đèn báo khi biến tần chạy – khi nhấn
START (blue), 1 đèn báo khi biến tần dừng – khi nhấn nút STOP
(red) và 1 đèn báo khi biến tần xảy ra lỗi (yellow)
Thông số kĩ thuật của đèn: Điện áp 220 VAC
 Vậy nhóm chọn đèn báo của hãng IDEC có mã sản phẩm:
YW1P-2EQM3

Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 15









d) Chọn Relay trung gian:
Yêu cầu: Dùng để điều khiển đóng cắt các tiếp điểm trên biến tần
và trên mạch điều khiển.
Yêu cầu đặc tính kĩ thuật:
Điện áp định mức (cuộn hút + tiếp điểm): 220 VAC
Số tiếp điểm cần thiết: 2 NO + 1 NC
ĐÈN BÁO
THÔNG SỐ
Điện áp định mức
220 VAC
Đường kính bệ tròn
22 mm
Dòng điện tiêu thụ
2.7 mA
Hãng
IDEC

Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 16
 Vậy nhóm chọn Relay của hãng OMRON có mã số sau: MY2
AC220/240 (S) (cataloge kèm theo)





 chọn đế cho relay:
RELAY
THÔNG SỐ
Điện áp định mức (cuộn hút)
220/240 VAC
Dòng điện định mức
4.8/5.3 mA
Số cặp tiếp điểm
2 NO + 2 NC
Hãng
OMRON

Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 17
Nhóm chọn đế Relay tương ứng với Relay trên của hãng
OMRON, có mã số: PYF08A-E


Ghi chú:Catalog của Relay trang 10/20

Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 18
e) Chọn cảm biến áp suất
Ta tính được áp suất max của đường ống là:
Pmax = ρ.g.h = 1000.10.40 = 400 kPa = 4 Bar
Yêu cầu: chọn cảm biến áp suất có các đặc tính kĩ thuật sau:
Dải áp suất: 0 ÷ (>= 4) bar
Tín hiệu phản hồi: 4 ÷ 20 mA
Nguồn cấp: 24 VDC
 Dựa vào các thông số trên nhóm chọn cảm biến áp suất của
hãng MEASUREMENT, có mã số M5100







SENSOR
THÔNG SỐ
Dải áp suất
0 – 7 bar
Tín hiệu phản hồi
4 – 20 mA
Nguồn cấp

9 – 30 VDC
Hãng
MEASUREMENT
Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 19





f) Chọn cable điện
 Cable cho mạch động lực
Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 20
Theo khuyến cáo của NSX biến tấn, nhóm chọn Cable cho mạch
động lực có tiết diện 25 mm
2
của hãng LS-VINA Cable, dòng phụ
tải khoảng 90 A :




Ghi chú:Catalog của cáp trang 10/39

 Chọn dây cáp điều khiển:
Theo khuyến cáo của NSX biến tấn, nhóm chọn Cable cho mạch
điều khiển có tiết diện 1 mm

2
của hãng CADIVI
Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 21





g) Chọn máy biến áp cách ly:
Yêu cầu: Input voltage: 220 V
Output voltage: 220 V
Cách ly mạch điều khiển với lưới điện.
Căn cứ trên các thiết bị đã chọn, biến áp cách ly
cho mạch điều khiển có công suất khoảng 80VA
 Vậy, nhóm chọn mba cách ly của hãng V-Standa., JSC có mã
số: ST-1000VA-BACL
Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 22







III. SƠ DỒ MẠCH
1. Mạch động lực

(file autocad kèm theo)
THIẾT BỊ
CHỨC NĂNG
Biến tần
Điều khiển, bảo vệ động cơ
Động cơ - Bơm
Bơm nước
Sensor
Đo áp suất trên đường ống và
phản hồi tín hiệu về biến tần
Line Reactor
Lọc sóng hài, chống nhiễu
BACL
THÔNG SỐ
Điện áp vào
220 VAC – 1 phase
Điện áp ra
220 VAC
Công suất
1000 VA
Hãng
V-Standa., JSC
Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 23
EMC Line Fiter
Lọc sóng điện từ cao tần,
chống nhiễu
Tiếp điểm chính
của contactor

Đóng ngắt điện vào biến tần
MCB
Bảo vệ ngắn mạch…

2. Mạch điều khiển
(file autocad kèm theo)
THIẾT BỊ
CHỨC NĂNG
CB
Cấp nguồn và bảo vệ ngắn
mạch cho mạch điều khiển
Cuộn hút của
contactor và rơle
điều khiển
Điều khiển đóng ngắt các
tiếp điểm
Biến áp cách ly
Cấp nguồn và cách ly mạch
điều khiển với lưới điện
Biến trở
Đặt tốc độ cho các động cơ
Biến áp cách ly
Cách ly mạch điều khiển với
lưới điện
Các nút nhấn
Thao tác để điều khiển
Các đèn báo
Báo chế độ hoạt động và lỗi
của hệ thống

3. Thuyết minh hoạt động
(file autocad kèm theo)
Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 24
 Chế độ hoạt động
- Bật MCB cấp nguồn cho mạch động lực và CB cấp nguồn cho
mạch điều khiển.
- Khi nhấn nút ON cuộn hút KM có điện cấp nguồn vào biến
tần, đồng thời tiếp điểm phụ K1 đóng lại duy trì nguồn cho
mạch điều khiển, đèn trắng sáng báo hiệu có nguồn vào hệ
thống. Khi biến tần không có lỗi tiếp điểm R2 – R3 đóng lại,
R1 – R2 mở ra, lúc này cho phép biến tần hoạt động.
- Muốn động cơ chạy ta nhấn nút START, cuộn hút MY có
điện, các tiếp phụ MY chuyển trạng thái, điều khiển biến tần
cho động cơ chạy, đồng thời đèn RUN sáng, báo làm việc.
- Khi động cơ đang chạy muốn động dừng thì ta nhấn nút
STOP, đồng thời đèn STOP sáng, báo động cơ dừng làm việc.
- Khi nhấn nút OFF toàn bộ hệ thống dừng hoạt động.
- Trong quá trình hoạt động thay đổi tốc độ bơm bằng cách vặn
biến trở.
 Chế độ bảo vệ
- Khi xảy ra sự cố ngắn mạch thì MCB sẽ ngắt nguồn vào biến
tần, mạch động lực được bảo vệ. Khi có ngắn mạch bên mạch
điều khiển thì CB bảo vệ (của biến áp cách ly) tác động, ngắt
Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức

NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 25
nguồn điện vào mạch điều khiển, mạch điều khiển được bảo
vệ.

- Khi biến tần có sự cố thì tiếp điểm của Relay output R2 – R3
mở ra, R1 – R2 đóng lại, ngắt nguồn của cuộn hút contactor
KM và cuộn hút Role MY làm dừng động cơ, đồng thời đèn
ERROR sáng, báo lỗi. Lúc này vẫn có điện vào biến tần và
đèn ERROR báo lỗi cho đến khi khắc phục sự cố hay ngắt
nguồn vào hệ thống.
IV. CÀI ĐẶT BIẾN TẦN.
CÀI ĐẶT CÁC THÔNG SỐ CẦN THIẾT
NO.
Parameter
Range setting
Setting

CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA BIẾN TẦN
b001
Tần số xuất cho động cơ
0/ [Maximum Freq]
50 Hz
b002
Tần số nguồn điện
0/ [Maximum Freq]
50 Hz
b003
Dòng điện ra động cơ
0.0/(Drive Amps × 2)
30 A
b004
Điện áp ra động cơ
0/510
380 VAC

b006
Trạng thái biến tần
0/1
1111
b010
Công suất động cơ
0.0/999.9 kW
18.5 kW
b014
Nhiệt độ biến tần
0/120 degC
40
0
C

CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ
P031
Điện áp định mức của động cơ
20/Drive Rated Volts
380 VAC
P032
Tần số định mức của động cơ
15/320 Hz
50 Hz
A199
Số cực động cơ
2/40
2 pole
A200
Dòng động cơ khi đầy tải

0.1/(Drive Amps × 2)
30 A
P033
Dòng điện quá tải của động cơ
0.0/(Drive Amps × 2)
37.5
P034
Giới hạn tần số dưới động cơ
làm việc
0.0/320.0 Hz
20 Hz