Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát động cơ xoay chiều ba pha dựa trên bộ điều khiển PLC và biến tần

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung
thực và chưa được bảo vệ một học vị nào.
Tôi xin cam đoan, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cảm
ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Hưng Yên, ngày 22 tháng 9 năm 2015
Tác giả luận văn

.....................................

1


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc tích cực khẩn trương, đến nay đề tài
“Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát động cơ xoay chiều ba pha dựa trên bộ
điều khiển PLC và biến tần” đã được hoàn thành.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Hồ Khánh Lâm, người trực tiếp
hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm
ơn các thầy cô, lãnh đạo trong khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật Hưng Yên đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt
quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận văn.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình và người thân đã quan tâm
động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.

Hưng Yên, ngày 22 tháng 9 năm 2015
Tác giả luận văn

......................................

MỤC LỤC

2


BẢNG KÍ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chữ
viết tắt
ASCII

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

American Standard Code for
Information Interchage
CRC
Cyclic Redundancy Check
CPU
Central Processing Unit
FBD
Function Block Diagram
GUI
Graphical User Interface
HMI
Human- Machine Interface
LAD
Ladder logic
LRC
Longitudinal Redundancy Check
PID

Proportional Integral Derivative
PLC
Programmale Logic Controllers
RTU
Remote Terminal Units
SCADA Supervisory Control And Data
Acquisition
STL
StaTement List
XML
Extensible Markup Language

3

Chuẩn mã trao đổi thông tin Hoa
Kỳ
Mã phát hiện lỗi
Đơn vị xử lý trung tâm
Lập trình theo khối chức năng
Giao diện đồ họa người dùng
Giao diện người - máy
Lập trình theo dạng bậc thang
Mã phát hiện lỗi
Bộ điều khiển tích phân tỉ lệ
Khối điều khiển logic khả trình
Khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa
Hệ thống điều khiển giám sát và
thu thập dữ liệu
Lập trình theo tập lệnh
Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng

DANH MỤC BẢNG BIỂU

4


DANH MỤC HÌNH VẼ

5


LỜI MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hệ thống đo tốc độ động cơ là một hệ thống được áp dụng rất nhiều trong
các nhà máy sản xuất. Với những yêu cầu về điều khiển tốc độ động cơ cũng như
điều khiển tốc độ các thiết bị trong quá trình sản xuất. Từ những yêu cầu thực tế và
lòng đam mê học hỏi các hệ thống điều khiển tốc độ nên em mạnh dạn chọn đề tài
“ Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát động cơ xoay chiều ba pha dựa trên bộ
điều khiển PLC và biến tần” này để làm đề tài luận văn tốt nghiệp của mình.

2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU
Vào những giữa thập niên 90 của thế kỉ trước, do sử dụng các thiết bị vào/ra
(I/O) thu thập dữ liệu cũ, nên khi kết nối sẽ ưu tiên sử dụng các chuẩn kết nối phù
hợp với khoảng cách truyền dẫn như RS-485, tuy nhiên điều này lại hạn chế việc
lựa chọn thiết bị khi yêu cấu thay đổi.
Do nhược điểm nêu trên mà đến cuối những năm 90, xu hướng dịch chuyển
sang sử dụng các chuẩn truyền thông mở như IEC870-5-101/104 và DNP 3.0 đã
ngày càng phổ biến trong việc sản xuất các thiết bị cũng như các nhà cung cấp giải
pháp cho các hệ SCADA.

Đến năm 2000 thì hầu hết các nhà sản xuất thiết bị vào/ra dữ liệu đã đồng
loạt chuyển sang giao thức mở như Modicon MODBUS dựa trên chuẩn TCP/IP.
Hiện nay, các hệ SCADA đang trong xu hướng dịch chuyển sang công nghệ
chuẩn truyền thông. Ethernet và TCP/IP là các chuẩn cơ bản đang dần thay thế các
chuẩn cũ hơn.

3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM
VI NGHIÊN CỨU
3.1. Mục đích
Nghiên cứu, tìm hiểu về hệ SCADA trong thực tế, từ đó xây dựng mô hình
hệ SCADA để điều khiển giám sát động cơ xoay chiều ba pha dùng PLC S7 – 200.
Để thực hiện giám sát và điều khiển trên giao diện, nghiên cứu phần mềm WinCC
để xây dựng giao diện và lập trình giám sát, điều khiển tốc độ động cơ
6


Việc điều khiển một hệ thống bởi máy tính giúp cho việc lưu giữ các giá trị
hiện tại được thuận lợi hơn. Nghiên cứu tổng quan về PLCS7-200 và biến tần kết
hợp với phần mềm WinCC để xây dựng chương trình điều khiển, giám động cơ
xoay chiều ba pha một cách dễ dàng, chính xác.

3.2. Đối tượng
Đối tượng điều khiển trong mô hình này là động cơ không đông bộ ba pha
rotor lồng sóc được điều khiển giám sát bằng PLC và biến tần

3.3. Phạm vi nghiên cứu
Bằng PC (Personal Computer) với hệ điều hành Windows XP.
Giao tiếp máy tính thông qua phần mềm WinCC của công ty SIEMENS.
Sử dụng hệ SCADA để thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát các thiết bị,
các cơ cấu chấp hành ngày càng được sử dụng nhiều trong các nhà máy, xí nghiệp

và các dây chuyền sản xuất.
Chương trình điều khiển: soạn thảo bằng phần mềm Step7 của SIEMENS.

4. CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN VĂN
Luận văn đã trình bày tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát động cơ
không đồng bộ, mô hình và hiển thị trên máy
Nội dung luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1 : Tổng quan về hệ scada trong công nghiệp.
Chương 2 :Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ ba pha và biến tần DELTA VFD-B.
Chương 3 : Nghiên cứu phần mềm WINCC và PLC S7 – 200. Thiết kế và xây dựng.
chương trình điều khiển giám sát tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.
Chương 4 : Kết luận và kiến nghị.

5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để đạt được mục tiêu, yêu cầu đặt ra của đề tài, việc thực hiện đề tài sử
dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
+ Phương pháp thu nhập và tổng hợp tài liệu trong nước và ngoài nước có
liên quan đến động cơ KĐB xoay chiều 3 pha, biến tần DELTA VFD-B, phần mềm
S7 200, phần mềm win CC.
7


+ Từ các dây chuyền công nghệ thực tế và lý thuyết điều khiển tự động,
điều khiển logic tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển tự động bằng PLC S7-200.
+ Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiẻn giám sát hệ thống bằng phần
mềm Win CC.
+ Chạy thử giao diện giám sát nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi, từ đó hoàn thiện
và nâng cấp hệ thống.

8

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ SCADA TRONG CÔNG NGHIỆP
1.1. KHÁI NIỆM VỀ HỆ SCADA
* Giới thiệu chung về khái niệm SCADA

Hình 1.1. Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA điển hình

9


Hình 1.2. Cấu trúc phân cấp của hệ thống tự động

Trong mô hình phân cấp trên đây thì ta thấy hai cấp dưới cùng là cấp trường
và cấp điều khiển, thực hiện chức năng đo lường, vận hành và điều khiển, nhưng để
một hệ thống vận hành an toàn và hiệu quả thì cần phải có một hệ thống quản lí các
cấp điều khiển và cấp trường, đó chính là cấp thứ ba - cấp điều khiển giám sát.
Trong các dây chuyền sản xuất lớn ở các nhà máy thì số lượng thiết bị điều
khiển rất nhiều, vì vậy việc quản lý cả hệ thống khá phức tạp, chính vì vậy cần thiết
phải có một trạm vận hành giám sát, nhiệm vụ của trạm vận hành, giám sát này là
giám sát các thiết bị điều khiển, theo dõi hoạt động của quá trình sản xuất, phát hiện
lỗi để khắc phục kịp thời, đồng thời có thể can thiệp vào quá trình mà không cần
thiết phải có mặt tại hiện trường, thường các trạm giám sát, vận hành ở xa hiện
trường. Và cũng với trạm giám sát vận hành này ta có thể thực hiện một số chức
năng điều khiển cao cấp. Chính vì vậy khái niệm SCADA (Supervisory Control
And Data Acquisition) ra đời.
Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu là một phần không thể thiếu trong
một hệ thống tự động hóa hiện đại. Ngày nay khi mà công nghệ truyền thông công
nghiệp và công nghệ phần mềm phát triển đã mang lại nhiều khả năng, giải pháp

mới cho SCADA.
Cách khái quát nhất SCADA không có gì khác là một hệ thống điều khiển
giám sát. Là một hệ thống điều khiển giám sát hỗ trợ người sử dụng trong việc quan
sát và điều khiển từ xa. Để có thể quan sát và điều khiển từ xa cần phải có hệ thống
truy nhập và truyền tải dữ liệu, cũng như cần có giao diện người - máy HMI. Không
chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn cũng cần phải có giao diện
người máy - HMI để phục vụ việc thao tác và vận hành cục bộ.
SCADA - được hiểu như là giải pháp điều khiển giám sát sử dụng công nghệ
phần mềm chuyên dụng. Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp
điều khiển giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt
ngoài các máy tính thông thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ…)

10


S tin b trong cụng ngh phn mm v k thut mỏy tớnh PC ó thỳc y
s phỏt trin ca cỏc cụng c to dng phn mm SCADA theo mt hng mi, s
dng PC v Window NT lm nn phỏt trin v ci t.
Mt h SCADA ngy nay cú th m nhim vai trũ iu khin cao cp, iu
khin phi hp, khi m cp thp hn khụng th thc hin.
Trng tõm ca vic xõy dng cỏc h thng SCADA hin nay chớnh l la
chn cụng c phn mm thit k giao din v tớch hp h thng.

1.2. CC THNH PHN CA H THNG
Quản lý
công t y

PC

Điều hành

sản xuất

Điều khiển
giám sát

Điều khiển

Chấp hành
Qúa t rình kỹ t huật
Hình 2.3: Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống
điều khiển và giám sát

Hỡnh 1.3. Mụ hỡnh phõn cp h thng Scada

Cu trỳc mt h SCADA cú cỏc thnh phn c bn sau:
+ Trm iu khin giỏm sỏt trung tõm: l mt hay nhiu mỏy ch trung
tõm (central host computer server).
11


+ Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ
xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC
(Programmale Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành
(cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…).
+ Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các
thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu
cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ
+ Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là các thiết
bị hiển thị quá trình xử lí dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt
động của hệ thống.

1.3. CƠ CHẾ THU THẬP DỮ LIỆU
Thông thường MTU đặt ở trung tâm, nó có thể là máy tính với phần cứng và
phần mềm chuyên dụng nhận dữ liệu quá trình từ các trạm ở xa, hoặc nó có thể là
một thiết bị Master (một dạng Controller) làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu và điều
khiển có phần truyền thông với máy tính chủ.
Các cảm biến hay cơ cấu chấp hành trong hệ thống mạng công nghiệp nói
chung và trong các hệ thống SCADA sẽ được ghép nối với RTU hay PLC để thực
hiện một quá trình điều khiển theo một thuật toán nhất định. Đồng thời dữ liệu thu
thập được (dạng số) sẽ được truyền về trung tâm theo hệ thống mạng truyền thống.

12


Hình 1.4. Cơ chế thu thập dữ liệu trong hệ thống

1.4. XỬ LÝ DỮ LIỆU
Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA có thể là dạng liên tục (analog), dạng số
(digital) hay dạng xung (pulse).
Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao
diện đồ họa GUI dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các
thiết bị trong hệ thống. Tại một thời điểm, dữ liệu được hiện thị dưới dạng hình ảnh
tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo.
Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ
SCADA thường hiện thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ
họa (GUI) dưới dạng đồ thị.
Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lí lỗi rất thành công khi hệ
thống xảy ra sự cố. Nhìn chung, khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một trong
các cách xử lí sau:
• Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: trong các hệ SCADA có các RTU

có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ được sao lưu
13


vào trong bộ nhớ của RTU. Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng
tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường.
• Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA đều
được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai
đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ…do vậy các bộ phận dự phòng này sẽ
được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho
mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…).

1.5. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA SCADA
Xu hướng phát triển của các PLC và phần mềm HMI/SCADA là ngày càng
trở nên "mix and match" (tạm dịch là lựa chọn và kết nối khác nhau nhưng đều hộ
trợ cho nhau để tạo thành một chỉnh thể thống nhất).

14


1.6. MỘT SỐ HÌNH ẢNH HỆ THỐNG SCADA TRONG THỰC TẾ

Hình 1.5. Giao diện SCADA giám sát nhà máy bia

15


Hình 1.6. Giao diện SCADA của nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi

Hình 1.7. Giao diện SCADA của nhà máy xử lý nước thải công nghiệp

1.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Chương 1 đã trình bày tổng quát về hệ SCADA, các thành phần của hệ
thống, cơ chế thu thập dữ liệu, xử lí tín hiệu và xu hướng phát triển của SCADA
trong tương lai cũng như một số hình ảnh thực tế về hệ thống SCADA ở Việt Nam.
Trong giới hạn của luận văn này, chỉ thực hiện nghiên cứu và xây dựng mô
hình SCADA nhỏ gọn đó là xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ
ĐCKĐBBP. Hệ thống xây dựng gồm 3 cấp: cấp điều khiển giám sát, cấp điều khiển
cục bộ, cấp thiết bị chấp hành.
Hiện nay, với nền sản xuất công nghiệp hiện đại, để nâng cao năng suất, hiệu
suất sử dụng của máy, nâng cao chất lượng sản phẩm và các phương pháp tự động
hóa dây truyền sản xuất thì hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ là không
thể thiếu. Vì vậy nhiều loại động cơ điện đã được chế tạo và hoàn thiện cao hơn.
Trong đó động cơ điện không đồng bộ chiếm tỉ lệ lớn trong công nghiệp, do nó có
nhiều ưu điểm nổi bật như: giá thành thấp, dễ sử dụng, bảo quản đơn giản, chi phí
vận hành thấp…Để có thể sử dụng và điều khiển được tốc độ động cơ, ta sẽ đi
16


nghiên cứu cấu trúc, đặc điểm, nguyên lý hoạt động cũng như các phương pháp điều
khiển tốc độ động cơ.

CHƯƠNG 2
TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA VÀ
BIẾN TẦN DELTA VFD-B
2.1. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
2.1.1. Cấu tạo
Động cơ không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý
cảm ứng điện từ, có tốc độ của roto khác với tốc độ từ trường quay trong máy.

Hình 2.1. Động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ ba pha gồm có các bộ phận chính sau:
Phần tĩnh hay còn gọi là stato.
Phần quay hay còn gọi là rotor.
2.1.1.1. Phần tĩnh
Stator có cấu tạo gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn:
a) Vỏ máy:
Vỏ máy có tách dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch
dẫn từ. Thường vỏ máy được làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương đối
lớn (1000kW) thường dùng tấm thép hàn thành vỏ máy. Tùy theo cách làm nguội
máy mà dạng vỏ cũng khác nhau .
17


b) Lõi sắt :
Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để
giảm tổn hao, lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại.

Hình 2.2. Lõi thép được ghép nhiều hình rẻ quạt

c) Dây quấn:
Là dây điện từ, được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với
lõi sắt, có thể là dây nhôm hoăc đồng, được quấn thành các bối dây, tổ bối dây. Tùy
theo cuộn dây cuốn stato là 1 pha hay 3 pha mà ta có động cơ không đồng bộ 1 pha
hay 3 pha .

Hình 2.3. Dây quấn Stator

2.1.1.2. Phần quay

Rotor có 2 loại chính: rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc.
a) Rotor kiểu dây quấn:
Rotor kiểu dây quấn cũng giống như dây quấn stator. Dây quấn 3 pha của
rotor thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng
đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện
bên ngoài. Đặc điểm là có hệ thống qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất hay suất
18


điện động phụ vào mạch điện roto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ
hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn
rotor được nối ngắn mạch. Nhược điểm so với động cơ rotor lồng sóc là giá thành
cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nhiệt, dễ cháy nổ.
b) Rotor kiểu lồng sóc:
Kết cấu của loại dây này rất khác với dây quấn stator. Trong mỗi rãnh của lõi sắt
rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt ở lại hai
đầu bằng vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành 1 cái lồng mà người ta quen
gọi là lồng sóc

Hình 2.4. Động cơ rotor lồng sóc

c) Khe hở:
Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không đồng bộ
rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số
công suất của máy cao hơn.
2.1.2. Nguyên lý làm việc của ĐCKĐBBP
Nguyên lý dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi nam châm quay trong
cuộn dây, điện áp sẽ sinh ra giữa 2 đầu cuộn dây. Điện áp này sẽ sinh ra một dòng
điện xoay chiều. Mối liên hệ giữa dòng điện sinh ra trong cuộn dây và vị trí của
nam châm được chỉ ra trong hình vẽ. Dòng điện lớn nhất được sinh ra khi cực N và

cực S của nam châm gần với cuộn dây nhất. Tuy nhiên, chiều dòng điện ở mỗi nửa
vòng quay của nam châm lại ngược nhau.

19


Hình 2.5. Nam châm quay tạo ra từ trường

Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong khe hở không
khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ

n1 = 60 f1 / p

(

f1

p
là tần số lưới điện,

là

số cặp cực, tốc độ từ trường quay). Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự
ngắn mạch nên trong dây quấn rotor có dòng điện

I2

chạy qua. Từ thông do dòng

điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dòng

điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông khe hở sinh ra momen. Tác dụng đó
có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rotor. Trong những phạm vi tốc độ khác
nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau.
Khi nối dây cuốn vào lưới điện xoay chiều ba pha, trong động cơ sẽ sinh ra 1
từ trường quay. Từ trường này sẽ quét qua thanh dẫn rotor, làm cảm ứng trên dây
cuốn rôt một sức điện động E sẽ sinh ra dòng điện I chạy trong dây cuốn. Chiều của
sức điện động và chiều dòng điện được xác đinh theo qui tắc bàn tay phải.

20


Hình 2.6. Momen quay

Chiều dòng điện của thanh dẫn ở nửa phía trên rotor hướng từ trong ra ngoài,
còn dòng điện của các thanh dẫn nằm ở phía dưới rotor hướng từ ngoài vào trong.
Dòng điện I tác động tương hỗ với từ trường stato tạo ra lực điện từ trên dây dẫn
roto và momen quay làm cho roto quay với tốc độ n theo chiều quay từ trường .
Tốc độ quay của rotor n luôn nhỏ hơn tốc độ cảu từ trường quay stato

n1

. Có

sự chuyển động tương đối giữa rotor và từ trường quay stato duy trì được dòng điện
I và mômen M. Vì tốc độ của rotor khác với tốc độ của từ trường quay stato nên gọi
là động cơ không đồng bộ.

21

2.1.3. Các phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐBBP
2.1.3.1. Phương pháp đổi đầu dây quấn
Trong quá trình vận hành động cơ khi khởi động động cơ chúng ta cần quan
tâm đến 2 vấn đề:
- Giảm thấp dòng điện khởi động (qua hệ thống dây dẫn chính vào dây quấn
stato động cơ) ngay thời điểm khởi động.
- Phương pháp giảm thấp dòng điện khởi động thực chất là giảm thấp điện áp
cung cấp vào động cơ tại thời điểm khởi động. Theo lý thuyết ta có được quan hệ:
momen (hay ngẫu lực) khởi động tỷ lệ thuận với bình phương giá trị điện áp hiệu
dụng cấp vào động cơ, như vậy giảm giá trị dòng điện khởi động dẫn tới hậu quả
giảm thấp giá trị của momen khởi động.
Giảm điện áp nguồn cấp vào dây quấn stato bằng phương pháp: biến áp giảm
hay lắp đặt các phần tử hạn áp (cầu phân áp) dùng điện trở hay điện cảm.
Sử dụng bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha, dùng linh kiện điện tử điều
chỉnh thay đổi điện áp hiệu dụng nguồn 3 pha cấp vào động cơ. Hệ thống khởi động
này được gọi là phương pháp khởi động mêm (soft start) cho động cơ.
Các phương pháp ra dây trên stato của động cơ không đồng bộ 3 pha:
- Động cơ 3 pha 6 đầu dây ra (vẫn hành theo 1 trong 2 phương pháp: đấu Y
nối tương ứng so với sơ đồ đấu Y hay

∆

)

- Động cơ 3 pha 9 đầu dây ra (đấu vận hành theo 1 trong 2 phương pháp: đấu
Y nối tiếp – Y song song,

∆

nối tiếp -

∆

song song).

- Động cơ 3 pha 12 đầu dây ra (đấu vận hành theo 1 trong 4 cấp điện áp
nguồn 3 pha tương ứng với 1 trong sơ đồ đấu dây Y nối tiếp, Y song song,
tiếp,

∆

song song).

22

∆

nối


Một trong các biện pháp giảm áp là đấu nối tiếp điện trở Rmm với bộ dây
quấn stato tại lúc khởi động, tác dụng của Rmm trong trường hợp này là làm giảm
áp đặt vào từng pha dây quấn stato.
Tương tự như phương pháp đổi sơ đồ đấu dây để giảm dòng khởi động
phương pháp giảm áp cấp vào dây quấn stato cũng làm giảm momen mở máy. Do
tính chất momen tỉ lệ bình phương điện áp cấp vào động cơ, thường ta chọn các cấp
giảm áp: 80%, 64%, 50% cho động cơ. Tương ứng với các cấp giảm áp này, momen
mở máy chỉ khoảng 65%, 50%, 25% giá trị momen mở máy khi cấp nguồn trực tiếp
bằng định mức vào dây quấn stato
2.1.3.2. Giảm dòng khởi động dùng điện cảm giảm áp cấp vào dây quấn

Trường hợp này để giảm áp cấp vào dây quấn stato tại lúc khởi động. Chúng
ta đấu nối tiếp điện cảm (có giá trị điện kháng) Xmm với dây quấn stato.
Do tính chất momen tỉ lệ bình thường với điện áp cấp vào động cơ, thường
chúng ta chọn các cấp giảm áp: 80%, 64%, 50% cho động cơ. Tương ứng với các
cấp giảm áp này, momen mở máy chỉ còn khoảng 65%, 50% và 25% giá trị momen
mở máy khi cấp nguồn trực tiếp bằng đúng định mức vào dây quấn stato.
2.1.3.3. Giảm dòng khởi động dùng máy biến áp tự ngẫu giảm áp
Với các phương pháp giảm dòng mở máy dùng Rmm hay Xmm, dòng điện
mở máy qua dây quấn cũng chính là dòng điện qua dây nguồn. Khi sử dụng biến áp
giảm áp đặt vào dây quấn stato lúc khởi động, dòng điện mở máy qua dây quấn
giảm thấp. Nhưng dòng điện này chỉ xuất hiện phía thứ cấp biến áp còn dòng điện
qua dây nguồn chính là dòng qua sơ cấp biến áp.
Với biến áp giảm áp, dòng điện phía sơ cấp sẽ có giá trị thấp hơn dòng điện
phía thứ cấp. Tóm lại khi dùng máy biến áp giảm áp để giảm dòng khởi động, dòng
điện mở máy qua dây nguồn sẽ thấp hơn dòng điện mở máy khi dùng phương pháp
giảm dòng với Rmm hay Xmm.
Khi dùng biến áp giảm áp để giảm dòng khởi động thời gian hoạt động của
máy biến áp được bố trí nhiều cấp điện áp ra tương ứng với các mức 80%, 64%,
50% giá trị momen mở máy trực tiếp chỉ còn khoảng 65%, 50%, 25% giá trị momen
mở máy trực tiếp (khi cấp nguồn trực tiếp bằng đúng định mức cấp vào stato)
23


2.1.3.4. Sử dụng biến tần
Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong
động cơ và thông 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. 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 rotor.
2.1.4. Các phương pháp điều khiển động cơ

Tùy theo tính chất, yêu cầu của quá trình mà nó đòi hỏi các phương pháp
điều khiển thích hợp. Tính ổn định và chính xác của tốc độ cũng được đòi hỏi ở đây
đặt ra các vấn đề cần phải giải quyết.
Một điều thực sự cần thiết là phải khảo sát kỹ đối tượng mà ta cần phải điều
khiển để dẫn đến mô hình toán học cụ thể. Từ đó ta sẽ giải quyết bài toán điều khiển
trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu sẵn.
Cũng có khá nhiều các phương pháp điều khiển khác nhau như: điều khiển
on/off. Phương pháp này đem lại hiệu quả không cao, quá trình đáp ứng của hệ
thống chậm và kém chính xác; phương pháp điều khiển PID có độ ổn định cao, tốc
độ đáp ứng nhanh, xử lý chính xác, thích hợp cho các hệ thống yêu cầu độ chính
xác cao và thời gian đáp ứng nhanh; phương pháo điều khiển mờ có độ chính xác
cao hơn cả nhưng phương pháp này đòi hỏi thuật toán điều khiển và lập trình khá
phức tạp, đặc biệt đối với thiết bị không được hỗ trợ về điều khiển mờ. Đối với
những ứng dụng không yêu cầu cao về chất lượng đầu ra thì chưa cần ứng dụng
phương pháp này.
Từ những phân tích ở trên, để cho đơn giản nhưng vẫn đáp ứng được các yêu
cầu đề ra thì tác giả sẽ lựa chọn phương pháp điều khiển PID. Dưới đây ta sẽ đi
nghiên cứu về phương pháp này.

24


2.2. BIẾN TẦN DELTA VFD-B
2.2.1. Khái niệm
Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong
động cơ và thông 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. 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 rotor.

Hình 2.7. Biến tần DELTA

2.2.2. Cấu tạo
2.2.2.1. 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 toàn phần. Bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt tương tự với các bộ chỉnh lưu
thường thấy trong bộ nguồn, trong đó dòng điện xoay chiều một pha được chuyển
đổi thành một chiều. Tuy nhiên, cầu đi-ốt được sử dụng trong biến tần cũng có thể
cấu hình đi-ốt bổ sung để cho phép chuyển đổi từ điện xoay chiều ba pha thành điện
25