Nghiên cứu hệ thống điều khiển trạm bơm nước sạch

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống điều khiển trạm
bơm nước sạch do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Mạnh
Tiến. Các kết quả số liệu nêu trong đồ án đều có thật, thu được từ quá trình tìm hiểu,
nghiên cứu của bản thân và chưa từng được công bố trong bất kỳ một tài liệu khoa học,
kỹ thuật nào.
Hà Nội, ngày 16/12/2014
Sinh viên

Phạm Xuân Thủy

1

1


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Đất nước ta đang trong thời kỳ đổi mới và hội nhập, các tòa nhà cao tầng mọc
lên rất nhanh, cấp đủ nước sinh hoạt cho tòa nhà là nhiệm vụ rất quan trọng.
Hiểu được tầm quan trọng đó, em chọn đề tài đồ án tốt nghiệp là “ Nghiên cứu
hệ thống điều khiển trạm bơm nước sạch” của trụ sở Bộ Công an. Đồ án của em đề
cập đến các vấn đề sau:
1. Cấu tạo và đặc tính máy bơm.
2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha.
3. Xây dựng hệ thống điều khiển lưu lượng và áp lực.
4. Tổng hợp hệ thống điều khiển và mô phỏng.
5. Các bản vẽ.
Trong quá trình làm đồ án em đã nghiêm túc vận dụng những kiến thức đã được
truyền thụ từ các thầy cô ở trường, những kiến thức đã được học từ các bạn, sự tìm

hiểu, khám phá của bản thân và đặc biệt là những kiến thức từ sự hướng dẫn tận tình
của thầy giáo Nguyễn Mạnh Tiến để hoàn thành đồ án này.
Tuy nhiên, do kiến thức hạn chế và còn thiếu kinh nghiệm, bản đồ án của em
không tránh khỏi những thiếu xót vì vậy kính mong được sự giúp đỡ và chỉ bảo của
các thầy cô trong bộ môn để đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn.

2

2


Mục lục
MỤC LỤC

3

3


Chương 1: Cấu tạo và đặc tính máy bơm.
CHƯƠNG 1. CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH MÁY BƠM
Máy bơm là công cụ đắc lực phục vụ con người, không chỉ trong sản xuất mà
còn cả trong sinh hoạt, chứng tỏ tầm quan trọng của máy bơm trong thời buổi hiện
nay. Máy bơm có rất nhiều chủng loại và mẫu mã khác nhau, trong đồ án này em xin
trình bày về máy bơm ly tâm trục đứng.
Chúng ta luôn bắt gặp những hệ thống bơm nước tuần hoàn trong các nhà máy
sản xuất công nghiệp hay hệ thống cung cấp nước sinh hoạt trong các tòa nhà cao ốc…
nơi cần lượng nước sinh hoạt lớn với nhu cầu, lưu lượng luôn thay đổi thường xuyên.
Yêu cầu đặt ra là phải giải quyết được việc ổn định áp suất trên đường ống cấp nước

và tiết kiệm năng lượng thông qua hệ thống điều khiển tự động trạm bơm nước sạch.
1.1. Máy bơm.
1.1.1.Cấu tạo.

Hình 1.1. Máy bơm trục đứng.
Máy bơm là một loại máy thủy lực, nhận năng lượng từ bên ngoài( cơ năng,
thủy năng, điện năng..vv..) và truyền năng lượng cho dòng chất lỏng, nhờ vậy đưa chất
lỏng lên một độ cao nhất định hoặc dịch chuyển chất lỏng theo hệ thống đường ống.
Được cấu tạo từ nhiều bộ phận chính và mỗi bộ phận đều có nhiệm vụ khác
nhau.
Bánh công tác:
Là một bộ phận rất quan trọng của máy bơm, kết cấu có ba dạng chính là cánh
mở hoàn toàn, mở một phần và cánh kín.

4


Chương 1: Cấu tạo và đặc tính máy bơm.
Bánh công tác được lắp cố định trên trục của bơm cùng với các chi tiết khác cố
định với trục tạo nên phần quay của bơm gọi là Rôto.
Bánh công tác được đúc bằng gang hoặc thép theo phương pháp đúc chính xác
và độ sai số rất nhỏ.
Các bề mặt cánh dẫn và đĩa bánh công tác yêu cầu có độ nhẵn tương đối cao để
giảm tổn thất.
Bánh công tác và Rôto của máy bơm đều phải được cân bằng tĩnh và cân bằng
động để khi làm việc bánh công tác không chạm vào thân bơm.
Trục bơm: thường được chế tạo bằng thép hợp kim , chống rỉ và thường được
lắp với bánh công tác thông qua mối ghép then.
Bộ phận dẫn hướng vào và bộ phận dẫn hướng ra.
Hai bộ phận này thuộc thân máy bơm thường, buồng xoắn ốc, đúc bằng gang,

có hình dạng tương đối phức tạp.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động.
Trước khi máy bơm làm việc cần làm cho thân bơm trong đó có bánh công tác
và ống hút được điền đầy nước thường gọi là mồi bơm.
Trong khi vận hành bơm ly tâm, bánh công tác của bơm sẽ quay, kéo theo đó là
các phần tử chất lỏng nằm trong bánh công tác chịu tác động của một loại lực gọi là
lực ly tâm.
Theo nguyên lý của lực ly tâm, nước được dẫn vào tâm quay của cánh bơm nhờ
lực ly tâm nước được văng ra mép cánh bơm, năng lượng bên ngoài thông qua cánh
bơm đã được truyền cho dòng nước, một phần tạo nên áp năng, một phần tạo nên động
năng khiến nước chuyển động.
Các phần tử chất lỏng sẽ chuyển động theo các máng dẫn rồi vào các ống đẩy
với áp xuất cao hơn, đây được gọi là quá trình đẩy của bơm.
Quá trình hút diễn ra được nhờ quá trình đẩy, khi các phần tử chất lỏng được
đẩy ra sẽ tạo ra một vùng chân không ở đầu vào cộng thêm áp suất đầu vào của bơm
nhỏ hơn áp suất trong bể chứa nên nước được hút vào bên trong bơm.
Quá trình đẩy và hút của bơm là liên tục và tạo thành dòng chảy liên tục qua
bơm trong thời gian máy bơm được vận hành.

5


N
n

H

Chương 1: Cấu tạo và đặc tính máy bơm.
1.1.3.
Q Đặc tính kỹ thuật:

Suất vòng quay thấp

Việc lựa chọn máy bơm chính xác với các thông số Q và H là khó có thể, cần

phải đổi đường đặc tính của nó. Một trong những cách thay đổi đường đặc tính của
máy bơm là thay đổi số vòng quay, hình dạng các đặc tính được thể hiện như hình 1.2.
Bơm có suất vòng quay cao đường công suất và cột áp nghiêng hơn, với loại có
suất vòng quay thấp thì đường công suất phẳng hơn.
Bơm dòng hỗn hợp có đặc tính lưu lượng, cột áp thoải loại này đặc trưng cho
bơm hỗn hợp và bơm dọc trục.

0

Q

Hình 1.2.Các đặc tính của bơm.
1.2. Nguyên lý điều chỉnh lưu lượng.
Trạm bơm có hai máy bơm cùng bơm để cấp nước vào đường ống chung. Áp
lực và lưu lượng nước thay đổi theo hàng giờ tùy theo nhu cầu sử dụng.
Bơm và các thiết bị đi kèm như đường ống, van, đài nước đượcthiết kế với lưu
lượng bơm rất lớn, vì thế điều chỉnh lưu lượng nước bơm được thực hiện bằng các
phưng pháp sau:

6


H

Chương 1: Cấu tạo và đặc tính máy bơm.

Có hai phương pháp để điều chỉnh lưu lượng nước trong trạm bơm cấp nước
sinh hoạt đó là điều chỉnh bằng van tiết lưu và thay đổi số vòng quay của động cơ
không đồng bộ xoay chiều ba pha.
1.2.1. Điều chỉnh bằng tiết lưu:
Đối với bơm điều chỉnh bằng tiết lưu chỉ thực hiện trên đầu đẩy của máy bơm.
Nếu đặt ở đầu hút thì khi điều chỉnh sâu ( giảm nhanh lưu lượng) dễ xảy ra hiện tượng
đứt dòng, phá vỡ chế độ làm việc ổn định của bơm.
Mặt khác, thay đổi lưu lượng không chỉ phụ thuộc vào độ mở của van tiết lưu
mà còn do sự thay đổi đặc tính của hệ thống.

hQ2
Hht
hs

Q

Hình 1.3. phương pháp điều chỉnh bằng tiết lưu
Ta có công thức:

Như vậy có thể thay đổi cột áp tĩnh toàn phần theo hai khả năng:
Thứ nhât: Thay đổi bằng cách thay đổi
Thứ hai: Thay đổi bằng cách thay đổi .
Nếu coi áp suất đầu hút bằng áp suất khí quyển và không thay đổi, ta có thể
thay đổi bằng hai cách:

7


Chương 1: Cấu tạo và đặc tính máy bơm.
Thay đổi chiều cao h. Khi tăng h, tăng và lưu lượng giảm, ngược lại khi giảm

h, giảm lưu lượng tăng.
Thay đổi áp xuất đầu xả : Tăng , tăng, lưu lượng giảm và ngược lại.
Phương pháp điều chỉnh này có nhược điểm là không những gây tổn hao năng
lượng mà còn có thể gây nên hiện tượng hỏng hóc thiết bị và đường ống do chấn động
khi đóng mở van.
Phương pháp này không tối ưu, vì vậy chỉ có thể thực hiện việc điều chỉnh lưu
lượng bằng phương pháp thay đổi số vòng quay.
1.2.2. Điều chỉnh lưu lượng bằng thay đổi số vòng quay:
n,N,P
n4
n3
n2
n1
P4
P3
P2
P1
0

A4
A3
A1

A2
Q

Q1 Q2 Q3 Q4

Hình 1.4. Điều chỉnh bằng thay đổi số vòng quay.
Máy làm việc với các vòng quay khác nhau: n1; n2; n3; n4.

Trong đó: , tương ứng với từng số vòng quay máy có đặc tính công tác khác
nhau, trong khi đặc tính của máy không thay đổi nên các điểm công tác cũng không
đổi.
Tại các điểm , năng suất và cột áp có giá trị tương ứng và .
Từ đặc tính theo số vòng quay ta thấy rằng. Khi tăng số vòng quay, lưu lượng
và cột áp đều tăng, ngược lại khi giảm số vòng quay thì lưu lượng và cột áp đều giảm.
Tương ứng các điểm công tác , ta có các công suất tiêu thụ N và hiệu suất
tương ứng.
Trường hợp lý tưởng trong các cơ cấu truyền động không có tổn thất:

8


Chương 1: Cấu tạo và đặc tính máy bơm.

hay:

Trường hợp trong cơ cấu truyền động có tổn thất ( dùng khớp trượt thủy lực,
động cơ không đồng bộ có trở kháng trong mạch roto), những mất mát này tỷ lệ với sự
giảm số vòng quay thì quan hệ sẽ là:
hay:
Như vậy khi có tổn thất, ở chế độ làm việc thay đổi ( Q n – Q), công suất tiêu
hao lớn hơn trong trường hợp lý tưởng.

Điều chỉnh lưu lượng theo số vòng quay có những ưu điểm sau:
Điều chỉnh bằng phương pháp này có thể tăng hoặc giảm lưu lượng khác với
điều chỉnh tiết lưu ( n= const) là loại điều chỉnh một chiều theo chiều giảm lưu lượng.
Vận hành rất hiệu quả vì không có tổn thất năng lượng như điều chỉnh bằng tiết
lưu, tuy nhiên trong thực tế không phải lúc nào cũng sử dụng được phương pháp này.
Đối với máy ly tâm công suất lớn có thể sử dụng động cơ điện thay đổi số vòng

quay theo cấp. Ưu điểm cơ bản là hiệu suất cao nhưng đắt nên ít được sử dụng.
Đối với máy ly tâm công suất nhỏ chạy bằng động cơ điện, việc thay đổi số
vòng quay là không thể thực hiện được.

• Kết luận.
Qua những ưu nhược điểm đã nêu trên, em lựa chọn phương pháp điều
khiểnlưu lượng bằng việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều ba
pha.

9


Chương 2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
CHƯƠNG 2. ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY
CHIỀU BA PHA
2.1. Cấu tạo.
Giống như các máy điện quay khác, động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
gồm có 2 phần là phần động và phần tĩnh:

Hình 2.1. Hình dạng bên ngoài của động cơ.
2.1.1. Phần tĩnh- Stato.
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn, thông thường được làm bằng
gang, đối với loai có công suất lớn (1000kw) thì thường dùng thép tấm để hàn lại.
Lõi thép được ghép bởi các lá thép kỹ thuật điện hình vành khăn có sẻ rãnh ở
bên trong để đặt dây quấn Stato.
Mỗi lõi thép kỹ thuật điện đều được phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm tổn
hao do dòng điện xoáy gây nên, nếu máy có công suất lớn thì lõi thép sẽ được gép từ
nhiều thép hình.
Dây quấn là dây điện từ có thể là dây đồng hoặc nhôm được quấn thành các tổ
bối dây.

Các yêu cầu đối với dây quấn là: Sinh ra được sức điện động cần thiết cho dòng
điện nhất định chạy qua mà không bị nóng, sinh ra mô men, đảm bảo đổi chiều tốt.

10


Chương 2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
2.1.2. Phần động- Rô to:
Lõi thép cũng được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện có sẻ rãnh bên ngoài để
đặt dây quấn rô to.
Động cơ có cuộn dây rô to nối ngắn mạch gọi là động cơ không đồng bộ rô to
ngắn mạch hay còn gọi là rô to lồng sóc.
Đối với loại rô to dây quấn, cuộn dây rô to nối hình sao còn ba đầu được nối
đến ba vòng góp cố định trên trục gọi là ba vành trượt. Có ba chổi than tiếp xúc với ba
vành trượt này để nối ra ngoài. Có thể nối tiếp dây quấn rô to với các điện trở phụ để
mở máy và điều chỉnh tốc độ, động cơ rô to thường được đúc bằng đồng hoặc nhôm.
2.2.

Nguyên lý hoạt động.

Hình 2.2. Sơ đồ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ.
Khi có dòng điện ba pha vào ba cuộn dây, đặt lệch nhau trong không gian một
góc thì trong động cơ sinh ra từ trường quay.
Rô to được nối ngắn mạch làm xuất hiện dòng điện ngắn mạch trên dây quấn rô
to, có chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào dòng
cảm ứng này một lực có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái, tạo ra mô men làm
quay rô to theo chiều quay của từ trường quay.
Tốc độ quay của rô to luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường và tốc độ quay
của từ trường phụ thuộc vào số đôi cực p, số cặp cực càng lớn thì tốc độ quay của từ
trường càng giảm.

hoặc:

11


Chương 2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Tốc độ không đồng bộ của rô to luôn nhỏ hơn tốc độ đồng
bộ, được đánh giá qua một đại lượng là hệ số trượt:

Ở chế độ động cơ độ trượt có giá trị:

Tốc độ là tốc độ lớn nhất mà rô to có thể đạt được nếu không có lực cản nào,
tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ.
2.3.

Đặc tính của động cơ không đồng bộ.
Với những giá trị khác nhau của ( ). Phương trình cho những giá trị của M.

Đường biểu diễn = f(s) trên trục tọa độ SOM như hình 2.3 đó là đường đặc tính cơ của
động cơ không đồng bộ ba pha.

Hình 2.3. Đường đặc tính cơ động cơ không đồng bộ ba pha.
2.3.1. Phương trình đặc tính cơ.
Phương trình đặc tính cơ động cơ không đồng bộ có dạng:

12

Chương 2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Đặc tính cơ có một điểm cực trị: Mth và Sth.
Mô men tới hạn:
Độ trượt tới hạn:

Trong đó:
U1 - Điện áp pha đặt vào cuộn dây stato.
- Điện trở một pha cuộn dây rô to qui đổi về stato.
s - Độ trượt
- Tốc độ quay
R1- Điện trở một pha cuộn dây stato
Xn - Điện kháng ngắn mạch
- Điện kháng tản một pha cuộn dây stato.
- Điện kháng tản một pha cuộn dây rô to.
Đặc tính của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ là một đường cong phức
tạp có hai đoạn AK và BK, được phân bởi điểm tới hạn K.
Đoạn AK gần thẳng và cứng, trên đoạn này mô men động cơ tăng khi tốc độ
giảm và ngược lại, chính vì vậy động cơ làm việc trên đoạn này ổn định.
Đoạn BK cong với dốc dương, trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định.
Trên đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ

= 0, = 1 và mô men mở

máy:

Điểm A ứng với mô men cân bằng 0 ( = 0) và tốc độ đồng bộ:

Trong đó:

13


Chương 2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
- Tần số nguồn.
p – Số đôi cực

2.3.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.
Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rô to.
Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato.
Điều chỉnh bằng cách thay đổi số cực từ.
Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa.
Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn

• Kết luận: Trong các phương pháp trên thì phương pháp điều chỉnh tốc độ động
cơ không đồng bộ ba pha bằng cách thay đổi tần số là ưu việt.
Cho phép điều chỉnh cả mô men và tốc độ với chất lượng cao nhất.
Hạn chế được dòng cao khi khởi động.
Điều khiển linh hoạt các máy bơm.
Phạm vi điều khiển rất rộng 1,1 đến 400Kw.
Tự động ngừng máy khi đạt tới điểm cài đặt.
Tăng tốc, giảm tốc nhanh giúp biến tần theo kịp tốc độ hiện thời của động cơ,
tránh quá tải hoặc quá điện áp khi khởi động.
Bảo vệ được động cơ khi mất pha, lệch pha, quá tải, quá dòng, quá nhiệt...
Kích thước nhỏ gọn, không tốn diện tích của trạm bơm.
Kết nối được với máy tính chạy trên hệ điều hành Windows.
2.4. Nguyên lý điều chỉnh tần số.
Tốc độ đồng bộ động cơ:
hoặc:
Như vậy khi thay đổi tần số, tốc độ đồng bộ động cơ sẽ thay đổi, tốc độ động cơ

sẽ thay đổi. Khi điều chỉnh tần số, điện áp phải thay đổi theo để đảm bảo chỉ tiêu năng
lượng cao và động cơ không bị bão hòa từ.
Quan hệ gọi là quy luật điều chỉnh tần số mà trong thực tế có hai quy luật: Luật
điều khiển tần số cơ bản và luật điều khiển từ thông khe hở không đổi.
Luật điều khiển tần số cơ bản:
Điều khiển điện áp và tần số đảm bảo khả năng quá tải không đổi.

14


Chương 2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Biểu thức của quy luật tần số cơ bản ở dạng tổng quát khi coi điện trở stato
bằng không (= 0):

Quan hệ phụ thuộc vào đặc tính mô men cản.
Trong thực tế có ba dạng mô men cản: Mc= hằng số; Mc

1/ ; Mc

2

. Tương

ứng sẽ là ba luật điều khiển tần số khác nhau.
+ Mc = hằng số, luật điều khiển:
+ Mc , luậtđiều khiển:

+ Mc

2

, luật điều khiển:

Tốc độ

Dạng đặc tính cơ lý tưởng ( = 0) ứng với ba luật điều khiển như trong hình 2.4.
MC

a.

Tốc độ

U/f = const

Momen

MC

Momen

b.

15


Chương 2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Tốc độ
MC

c.

Momen

Hình 2.4. Đặc tính động cơ với ba luật điều khiển tần số (= 0).
a.
b.
c.
Tuy nhiên thực tế: 0 nên khả năng quá tải sẽ giảm khi tần số giảm.
Biểu thức mô men tới hạn động cơ khi không bỏ qua có dạng:

Ở vùng tần số cao ( xung quanh tần số định mức), mô men tới hạn có trị số gần
như không phụ thuộc tần số nếu tỷ số /f nhỏ.
Khi tần số giảm, từ thông khe hở sẽ giảm, từ thông khe hở sẽ giảm do sụt áp
trên điện trở stato ứng với dòng định mức không đổi mọi tần số. Kết quả là mô men tới
hạn động cơ sẽ giảm, đặc biệt là giảm nhanh ở vùng tần số thấp.
Do điện trở stato không thể bỏ qua nên sụt áp trên điện trở stato ứng với dòng
điện định mức sẽ không đổi khi giảm tần số.
Trong khi sụt áp trên điện kháng giảm theo tần số, do đó sụt áp trên điện trở sẽ
chiếm tỷ lệ lớn ở tần số nhỏ, sẽ ảnh hưởng đến từ thông khe hở.
Vì vậy trong thực tế, tỷ lệ điện áp- tần số thường được tăng lên ở vùng tần số
thấp để bù lại sụt áp trên điện trở stato.

16


Chương 2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Dạng đặc tính tuyến tính là dạng mang tính lý thuyết, đặc tính khác là đặc tính
sử dụng trong thực tế.
Với dạng đặc tính phi tuyến, điện áp tỷ lệ tần số ở vùng tần số cao, khi tần số
giảm nhỏ, điện áp được tăng trơn đều tương đối so với lý thuyết.

Với phụ tải quạt gió, mô men động cơ ở tốc độ thấp rất nhỏ, tỷ số điện áp và tần
số có thể giảm nhỏ để mức độ phát nóng động cơ bé nhất.
Trong các hệ thống truyền động điện khác, mức độ tăng điện áp ở tần số thấp
có thể chỉnh định phù hợp với đặc tính phụ tải.

U1đm

U1
Hình 2.5. Dạng đặc tính Ucó hiệu chỉnh.
0
Trị số được
trọn để
stato có trị số cần thiết ở tần số bằng không và trị
fngđiện ápfđm
số định mức ở tần số định mức.
Với phụ tải động cơ yêu cầu mô men khởi động lớn, điện áp được điều chỉnh
U10ở tần số zero ( thời điểm đầu tiên của quá trình khởi động).
để dòng điện động cơ lớn
Nhưng trị số lớn có thể làm động cơ quá nhiệt nếu động cơ thường xuyên làm
f
việc ở tốc độ thấp do mức độ làm mát của động cơ tự làm mát giảm
đáng kể.
2.5. Bộ biến tần.

17


Chương 2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Biến tần là thiết bị để biến đổi điện áp hoặc dòng điện xoay chiều ở đầu vào từ
tần số này thành điện áp, dòng điện có tần số khác ở đầu ra nhờ các khóa bán dẫn.

Biến tần được chia thành hai loại là: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp.
2.5.1. Biến tần trực tiếp.
Biến tần trực tiếp là biến tần có tần số đầu ra luôn nhỏ hơn tần số của lưới và
thường dùng cho truyền động có công suất lớn.
Mỗi lần nối tải vào nguồn bằng một phần tử đóng ngắt duy nhất trong một
khoảng thời gian nhất định, không thông qua một khâu năng lượng trung gian nào.
Biến tần trực tiếp có thể trao đổi năng lượng với lưới điện một cách liên tục,
nhất là đối với các động cơ cỡ lớn từ vài trăm Kw đến vài Mw. Ngoài ra tổn hao công
suất trên máy biến tần trực tiếp cũng ít hơn vì phụ tải chỉ nối với nguồn qua một phần
tử đóng cắt không phải qua hai phần tử và khâu trung gian như biến tần gián tiếp.
Sơ đồ van và quy luật điều khiển ở biến tần trực tiếp sẽ phức tạp hơn ở biến tần
gián tiếp. Với kỹ thuật điện tử và kỹ thuật vi xử lý phát triển như hiện nay thì vấn đề
này hoàn toàn thực hiện được nhưng trong thực tế ít được sử dụng.
2.5.2. Biến tần gián tiếp.
Biến tần gián tiếp hay còn gọi là biến tần có khâu trung gian một chiều, dùng
bộ chỉnh lưu biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều sau đó lại dùng bộ
nghịch lưu để biến đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều.
Khâu trung gian một chiều đóng vai trò là một khâu tích lũy năng lượng dưới
dạng nguồn áp dùng tụ điện hoặc nguồn dòng dùng cuộn cảm tạo ra khâu cách ly nhất
định giữa phụ tải và nguồn điện áp lưới.
Tùy thuộc khâu trung gian một chiều làm việc ở chế độ nguồn dòng hay nguồn
áp mà biến tần chia thành:
Biến tần nguồn dòng.
Biến tần nguồn áp không điều khiển.
Biến tần nguồn áp có điều khiển.
Để cung cấp cho động cơ nguồn điện có điện áp và tần số thay đổi cần có một
bộ biến đổi tần số gọi là bộ biến tần (BBT).
BBT có khâu trung gian một chiều gồm ba khối: Chỉnh lưu (CL), lọc và nghịch
lưu (NL). Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp( 50Hz) được chỉnh lưu thành nguồn

18


Chương 2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
một chiều nhờ bộ chỉnh lưu (CL) điều khiển hoặc bộ chỉnh lưu điều khiển, sau đó
được lọc và bộ nghịch lưu( NL) sẽ biến đổi thành nguồn điện áp xoay chiều ba pha có
tần số biến đổi cung cấp cho động cơ.

C

Hình 2.6. Sơ đồ hệ thống truyền động biến tần- động cơ không đồng bộ.

Bộ biến tần cần thỏa mãn những yêu cầu sau:
Dễ dàng lắp đặt các thông số, đấu nối, vận hành đơn giản.
Thời gian tác động đến các tín hiệu điều khiển nhanh.
Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn.
Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không
đổi trong vùng điều chỉnh mô men không đổi.
Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số.
Đảm bảo chức năng bảo vệ cho cả biến tần và động cơ.
Bảo vệ quá áp, thấp áp, ngắn mạch.
Bảo vệ nối đất.

19


Chương 2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Bộ biến tần bán dẫn điện áp được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện nay,
có hai loại chính tùy thuộc vào bộ chỉnh lưu và nghịch lưu.
•

Bộ biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu điều khiển.

•

Bộ biến tần nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung với bộ chỉnh lưu dùng
đi ốt.

0

FXNL

Hình 2.7. Sơ đồ bộ biến tần điều chế độ rộng xung.

Điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu không điều khiển (dùng điôt) có trị số không
đổi được lọc nhờ tụ điện có trị số khá lớn.
Điện áp và tần số được điều chỉnh nhờ bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung
(Pulse Modulation Width- PMW).
Các mạch nghịch lưu bằng các tranzito ( BJT, MOSFEST, IGBT) được điều
khiển theo nguyên lý PMW đảm bảo cung cấp điện áp động cơ có dạng gần sin nhất.
Mạch nghịch lưu có chức năng điều khiển đồng thời cả điện áp và tần số động cơ.

20


Chương 2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Khi thay đổi lượng đặt f*, tần số động cơ sẽ thay đổi tỷ lệ với f* và điện áp động
cơ sẽ thay đổi tỷ lệ với tần số động cơ.

2.5.3. Mạch nghịch lưu ba pha PWM:

Hiện nay trong công nghiệp sử dụng phổ biến các BBT dạng PMW, với các van
bán dẫn là các tranzito: MOSFETS, IGBT. Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu ba pha được
trình bày trên ( Hình 2.10).
Phương pháp điều biến độ rộng xung cho phép điều khiển cả biên độ và tần số
điện áp tải khi nghịch lưu được cấp từ điện áp một chiều Ud không đổi.
Để nhận được điện áp 3 pha đối xứng, các điện áp điều khiển hình sin 3 pha đối
xứng lệch nhau một gócđược so sánh với cùng một điện áp răng cưa tần số cao (thông
thường lớn hơn 1-2 KHz).
Nguyên lý điều khiển nghịch lưu ba pha được biểu diễn trên ( hình 2.8) với =
15.
Các phần tử chuyển mạch được điều khiển theo phương pháp điều biến điện áp
đơn cực:
Các điện áp điều khiển điều chế tạo xung mở các van pha A (; van pha B( và
van pha C (có dạng.

+

Id
T1
Ud

RH

A
T4

TH

-

Đ1

Đ4

T3
B
T6

Đ3

T5

Đ5
ĐK

C
Đ6

T2

Đ2

N

21


Chương 2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Hình 2.8. Sơ đồ bộ biến tần với nghịch lưu ba pha PMW.

+
+
+
Điện áp răng cưa so sánh với các điện áp điều khiển hình sin tạo xung điều
khiển các van bán dẫn của nghịch lưu theo nguyên tắc sau:

22


Chương 2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

23


Chương 2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Hình 2.9. Dạng điện áp động cơ.

24


Chương 3. Xây dựng hệ thống điều khiển lưu lượng và áp lực
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG
VÀ ÁP LỰC
3.1. Thiết lập sơ đồ khối và mô tả hoạt động.

B1

Q1

RQ1

Rp
( –)
p

Q*

BBT1

Ô1

Đ1

CB1

Q1*

Q

Q2*

PP

B2

Q2

RQ2

BBT2

Đ2

CB 7,5 ÷ 10,5 at
CB2
Ô2

Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lưu lượng và áp lực.
- Bộ điều chỉnh áp lực
PP- Khâu phân phối nước cho hai đường ống của hai bơm.
- Bộ điều chỉnh lưu lượng
- Bộ biến tần.
- Động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha.
- Máy bơm nước.
- Các bộ cảm biến
- Lưu lượng tổng của đường ống.
– Tín hiệu lưu lượng mà cảm biến đo được.
Trong sơ đồ khối hệ thống điều khiển lưu lượng và áp lực gồm có hai máy bơm
làm việc song song và bơm vào đường ống chung.
Lưu lượng bơm được điều khiển nhờ bộ điều chỉnh lưu lượng .
Áp lực đường ống được điều chỉnh nhờ bộ điều chỉnh áp lực .
Các bộ cảm biến đo lưu lượng của đường ống và báo về Bộ biến tần để điều
khiển bơm chạy hoặc dừng.

25