Giáo trình điều khiển khởi động mềm

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN HÀ NỘI
******************

GIÁO TRÌNH
ĐIỀU KHIỂN KHỞI ĐỘNG MỀM
( Lưu hành nội bộ )

Tác Giả : Th.S Vũ Thanh Tuyến (chủ biên)
Th.S Nguyễn Hướng Dương


KHỞI ĐỘNG MỀM
1. Giới thiệu chung
Động cơ không đồng bộ 3 pha dùng rộng rãi trong cơng nghiệp, vì chúng
có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, nhưng có nhược điểm dòng điện khởi
động lớn, gây ra sụt áp trong lưới điện. Phương pháp tối ưu hiện nay là dùng bộ
điều khiển điện tử để hạn chế dòng điện khởi động, đồng thời điều chỉnh tăng
mô men mở máy một cách hợp lý, vì vậy các chi tiết của động cơ chịu độ dồn
nén về cơ khí ít hơn, tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động cơ. Ngồi việc
tránh dịng đỉnh trong khi khởi động động cơ, cịn làm cho điện áp nguồn ổn
định hơn khơng gây ảnh hưởng xấu đến các thiết bị khác trong lưới.
Phương pháp khởi động được áp dụng ở đây là cần hạn chế điện áp ở đầu
cực động cơ, tăng dần điện áp theo một chương trình thích hợp để điện áp tăng
tuyến tính từ một giá trị xác định đến điện áp định mức. Đó là q trình khởi
động mềm (ramp) tồn bộ q trình khởi động được điều khiển đóng mở
thyristor bằng bộ vi sử lý 16 bit với các cổng vào ra tương ứng, tần số giữ không
đổi theo tần số điện áp lưới. Ngồi ra cịn cung cấp cho chúng ta những giải
pháp tối ưu nhờ nhiều chức năng như khởi động mềm và dừng mêm, dừng đột
ngột, phanh dòng trực tiếp, tiết kiệm năng lượng khi non tải. Có chức năng bảo
vệ động cơ như bảo vệ quá tải, mất pha

* Những ứng dụng điển hình của bộ khởi động mềm
- Động cơ điện cho chuyên chở vật liệu.
-Động cơ bơm.
- Động cơ vân hành non tải lâu dài.
- Động cơ có bộ chuyển đổi (ví dụ hộp số, băng tải ..)
- Động cơ có quán tính lớn (quạt, máy nén, bơm, băng truyền, thang máy, máy
nghiền, máy ep, máy khuấy, máy dệt…
* Những đặc điểm khác:
- Bền vững tiết kiệm khơng gian lắp đặt.
- Có chức năng điều khiển và bảo vệ.
- Khoảng điện áp sử dụng 200 – 500 V, tần số 45 – 65 Hz.
- Có phần mềm chuyên dụng đi kèm.
- Lắp và đặt chức năng dễ dàng.
2. Kỹ thuật khởi động và dừng
a. Những nét chính
Mạch lực của hệ thống khởi động mềm gồm 3 cặp thyristor đấu song song
ngược cho 3 pha. Vì mơ men động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp, dịng điện tỉ
lệ với điện áp, mơ men gia tốc và dịng điện khởi động được hạn chế thông qua
điều chỉnh trị số hiệu dụng của điện áp. Quy luật điều chỉnh này trong khi khởi
động và dừng nhờ điều khiển pha (kích, mở 3 cặp thyristor song song ngược)
trong mạch lực. Như vậy, hoạt động của bộ khởi động mềm hoàn toàn dựa trên


việc điều khiển điện áp khi khởi động và dừng, tức là trị số hiệu dụng của điện
áp là thay đổi. Nếu dừng động cơ, mọi tín hiệu kích mở thyristor bị cắt và dịng
điện dừng tại điểm qua khơng kế tiếp của điện áp nguồn.
Giải thích:
IA – Dịng điện ban đầu khi khởi động trực tiếp.
IS – Dòng điện bắt đầu có ramp điện áp.
In – Dịng điện định mức của động cơ.

Us – Điện áp bắt đầu ramp.
Un – Điện áp định mức của động cơ.
tr - Thời gian ramp.
n - Tốc độ động cơ.
Nếu phát hiện động cơ đạt tốc độ yêu cầu trước khi hết thời gian đặt của bộ khởi
động mềm, điện áp vào lập tức được tăng lên 100% điện áp lưới, đó chính là
chức năng phát hiện tăng tốc.
b. Dừng tự do theo quán tính
Nếu điện áp cấp bị cắt trực tiếp, động cơ chạy theo quán tính cho tới khi dừng
trong khoảng thời gian xác định. Thời gian dừng với mômen quán tính nhỏ có
thể rất ngắn, cần tránh trường hợp này đề phòng sự phá huỷ về cơ và sự dừng tải
đột ngột không mong muốn.
c. Dừng mềm
Không nên cắt trực tiếp các động cơ có mơmen qn tính nhỏ như băng truyền,
thang máy, máy nâng để đảm bảo không nguy hiểm cho người, thiết bị và sản
phẩm.
Nhờ chức năng dừng mềm mà điện áp động cơ được giảm từ từ trong khoảng từ
1 đến 20 giây tuỳ thuộc vào yêu cầu. Điện áp ban đầu cho dừng mềm Ustop =
0,9Un và điện áp cuối quá trình vào khoảng 0,85 điện áp ban đầu. Thời gian
ramp điện áp tới 1000 giây cùng điện áp đầu và cuối quá trình dừng mềm đặt
theo chương trình.
Như vậy, thực chất dừng mềm là cố ý kéo dài quá trình dừng bằng cách giảm từ
từ điện áp nguồn cung cấp vào động cơ. Nếu trong q trình dừng mà có lệnh
khởi động, thì q trình dừng này lập tức bị huỷ bỏ và động cơ được khởi động
trở lại.
d. Tiết kiệm năng lượng khi non tải
Nếu động cơ điện vận hành không tải hay non tải, trong trường hợp này khởi
động mềm giúp tiết kiệm điện năng nhờ giảm điện áp động cơ tới gia trị U0,
việc giảm điện áp do đó làm giảm dịng điện, dẫn đến giảm bớt cả tổn hao đồng
và tổn hao sắt %.

3. BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM SIKOSTART:
SIKOSTART 3RW2221-1AB15 lµ bé khëi động mềm, cho
phép điều khiển động cơ AC không đồng bộ ba pha.
Bằng cách điều khiển độ lớn điện áp cung cấp cho động
cơ và giám sát dòng điện làm việc. SIKOSTART có thể khống
chế dòng điện làm việc của động cơ trong một giới hạn thời
gian cho phép hay bảo vệ cho động cơ nếu xảy ra sự cố quá
tải.
Thông qua việc cài đặt thời gian, SIKOSTART có thể
điều khiển động cơ khởi động mềm (dòng khởi động giới
hạn) hay dừng mềm mà không làm mômen của động cơ thay
đổi quá nhanh).

Sơ đồ trên mô tả SIKOSTART điều khiển động cơ trong
một quá trình khởi động mềm và dừng mềm. Dạng điện áp
(độ lớn) thay đổi theo chế độ cài đặt cho SIKOSTART và
dòng điện hiện của động cơ.
Để vận hành SIKOSTART, cần phải tìm hiểu hai phần
chính:
+ Cài đặt chế độ (khởi động và dừng).


+ Mắc mạch điều khiển và mạch động lực cho
SIKOSTART và động cơ.
1.1. Cài đặt chế độ khởi động và chế độ dừng cho
SIKOSTART thông qua 4 nút điều chỉnh và 8 công tắc
DIL:
* Cài đặt chế độ khởi động cho SIKOSTART :

Đặt chế độ khởi động bằng công tắc DIL3 và DIL5, gồm
các chế độ:
Công tắc DIL
DIL3

Hàm dốc điện áp.
DIL5
Giới hạn dòng.
Hàm dốc điện áp
với xung ban đầu.
Hàm dốc điện áp
với xung bàn đầu
và giới hạn dòng
Khởi động nhanh
Chế độ khởi động
Hàm dốc điện áp.

+ Đặt thời gian lên của điện áp t R bằng nút điều chỉnh RAMP
TIME (tR=0.3 - 180 sec).
+ Đặt điện áp (xung) ban đầu U ànf(UL) bằng nút điều chỉnh
START VOLTAGE (UAnf (UL) =20%-100% UN).
+ Đặt dòng giới hạn bằng IB nút điều chỉnh CURRENT LIMIT (víi
SIKOSTART, dßng Ic=5.5.a, IB=0.5 - 6 IC).
+ NÕu tB lớn hơn 20 sec thì SIKOSTART sẽ báo quá tải
(overload).
Thời gian xung tt=(50ms*tR) và ti nhỏ hơn hoặc bằng 1 sec.
* Cài đặt chế độ dừng cho SIKOSTART gômg các chế
độ:
+ Đặt chế độ dừng bằng công tắc DIL 1 và DIL 2.
Công tắc DIL

DIL 1

Chế độ dừng
DIL2
Tắt kiểu b¬m
H·m mét chiỊu
Dõng mỊm
Dõng nhanh


+ Đặt thời gian xuống của điện áp t Aus bằng nút điều chỉnh
STOP TIME (tắt kiểu bơm tAus = 5 -90s) (Dừng mềm: t Aus = 190s).
+ Đặt điện áp tắt UAB bằng nút điều chỉnh START VOLTAGE
(UAB=85% điện ¸p khëi ®éng).
+ Khi nèi contactor by pass, SIKOSTART chØ có thể vận hành ở
chế động dừng nhanh. Chi tiết về chế động khởi động và
dừng của SIKOSTART xem trong phụ lục.
1.2. LED hiển thị:
LED sáng
READY
START/STOPPING
MOTOR RUNNING
ENERGY SAVING
DC

Mô tả
Sẵn sàng khởi động
đàng khởi động/dừng
động cơ đang chạy
định

Tiết kiệm năng lợng
HÃm một chiều

LED chớp tắt
SUPPLY FAUL
THYRISTOR FAULT
OVERLOAD
GENERAL FAULT
START BLOCKED

Mô tả
Lỗi cấp nguồn
Hỏng Thyristor
Quá tải
Lỗi chung
Động cơ bị kẹt khởi động.

ổn

1.3. Mạch điều khiển và mạch động lực nối SIKOSTART
và động cơ.
* Mắc mạch điều khiển cho SIKOSTART:
a) Cấp nguồn điều khiển:
Có thể cấp nguồn cho mạch điều khiển của SIKOSTART
theo một trong ba mức điện áp trên hình vẽ là môt ví dụ cấp
nguồn 220 V cho mạch điều:


b) Ngõ vào điều khiển:
1) Điều khiển bằng nút nhấn:

(Nếu cả hai cùng đợc nhấn thì tín hiệu OFF đợc u tiên hơn).
2) Điều khiển bằng công tắc:

3) Điều khiển SIKOSTART gièng nh mét CONTACTOR:

4)
5) ChÕ ®é tù ®éng.


Mạch động lực và mạch điều khiển đợc cấp nguồn đồng
thời.
Chú ý: Trong hai cách điều khiể 3) và 4) SIKOSTART chỉ có
thể vận hành ở chế độ dừng nhanh (Costing down) không thể
vận hành ở các chế độ dừng mềm, tắt kiểu bơm hay hàm
một chiều.
6) Xác đinh lỗi (FAUL):

Khi bị lỗi SIKOSTART sẽ báo lỗi bằng các đèn. Sau khi khắc
phục lỗi xong để SIKOSTART hoạt động cần ph¶i Reset FAULT.
c) Ngâ ra


relay:

-

Mạch động lực nối SIKOSTART điều khiển động cơ.
EMERGENCY START: Khëi ®éng mỊm.
Voltage rampe with current limiting

Voltage rampe with start impulse.
Pump - stopping
Soft - stopping.


II. Đặt vấn để:
Sinh viên thực hiện các thành phần thực tập sau:
1) sử dụng SIKOSTART vận hành động cơ trong các chế
độ khởi động/dừng mềm:
Dùng SIKOSTART vận hành động cơ trong các chế độ:
* Khởi động mềm:
- Khởi động nhanh (Emergency start).
- Hàm dốc điện áp (voltage ramp).
- Hàm dốc điện áp với giới hạn dòng (voltage ramp with
current impulse).
- Hàm dốc điện áp với xung ban đầu (voltage ramp with
start impulse).
- Hàm dốc điện áp với xung ban đầu và giới hạn dòng
(voltage ramp with start impulse and current limiting).
* Dõng mỊm:
- Dõng nhanh (costing down).
- T¾t kiĨu b¬m (pump - stopping).
- Dõng mỊm (soft - stopping).
CÊp ngn ®iỊu khiĨn 220V, ®iỊu khiĨn b»ng nót nhÊn,
kh«ng sư dơng ngâ ra relay. Sư dơng contactor 220V- 3 tiÕp
®iĨm ®Ĩ nối SIKOSTART với động cơ 3 pha.


2) Sử dụng SIKOSTART khởi động mềm động cơ và
Bypass:

Dùng SIKOSTART khởi động mềm động cơ và bypass:
Khởi động mềm động cơ theo chế độ hàm dốc điện áp
với giới hạn dòng (voltage ramp with current limitting). Khi
động cơ đà chạy ổn định, dùng contactor bypass nối trực
tiếp động cơ với nguồn (sau đó có thể cắt SIKOSTART ra
khỏi mạch ®éng lùc - më contactor nèi SIKOSTART víi ®éng
c¬).
CÊp ngn ®iỊu khiĨn 220V, ®iỊu khiĨn b»ng nót nhÊn,
sư dơng ngâ ra relay ®Ĩ ®ãng contactor bypass. Sư dơng 2
contactor 220V - 3 tiếp điểm để làm contactor bypass và
nối với động cơ 3 pha.
3) Sử dụng PLC S7-200 và SIKOSTART khởi động
mềm cho hai động cơ:
Dùng một PLC S7-200 và một SIKOSTART khởi động mềm
cho 2 động cơ:
Lập trình PLC khởi động mềm cho hai động cơ, theo
chế độ hàm dốc điện áp với giới hạn dòng (Voltage ramp with
current limiting).
Khi có yêu cầu khởi động động cơ nào, ngời điểu cấp
tín hiệu (nút bấm) yêu cầu cho PLC. PLC đóng contactor nối
động cơ đó với SIKOSTART và cấp tín hiệu điều khiển
SIKOSTART giống nh một contactor. Khi động cơ chạy ổn
định, ngõ ra relay sẽ đa tín hiệu cho PLC mở contactor
bypass. Có thể đọc tín hiệu báo lỗi từ SIKOSTART thông qua
ngõ relay báo lỗi.
PLC có tín hiệu vào 24V; trong trờng hợp này, ngõ ra relay
của PLC điều khiển khởi động SIKOSTART và các contactor
bằng tín hiệu ®iƯn ¸p 220V. Ngâ ra relay cđa SIKOSTART
cÊp tÝn hiƯu 24 V cho PLC. Mạch động lực sử dụng 4
contactor 220V - 3 tiếp điểm để làm contactor bypass và

nối SIKOSTART với 2 động cơ 3 pha.
4) Hớng dẫn:
a) Sử dụng SIKOSTART vận hành động cơ trong các
chế độ khởi động mềm và dừng mềm:
- Đặt chế độ khởi động mềm bằng công tác DIL3 và DIL5.
- Đặt thời gian lên điện áp tR : RAMP TIME (tR=0.3 - 180
sec).
- Đặt điện áp (xung) ban đầu UAnf(UL): START VOLTAGE.
(UAnf(UL)= 20% - 100& UN).


- Đặt dòng giới hạn bằng IB nút điều chỉnh CURRENT LIMIT
(IC=5.5.A, IB=0.5 --6IC; trong bµi thùc tËp nµy chän I B=0.5
IC).
- Đặt chế độ dừng bằng công tắc DIL1 và DIL2.
- Đặt thời gian xuống của điện áp t Aus: STOP TIME (tAus=5 90 sec).
Đặt điện áp UAB: START VOLTAGE (UAB=85% điện áp
không động).
Nếu tB lớn hơn 20 sec thì SIKOSTART sẽ báo quá tải, over
load.
Thời gian xung t1=50ms * tR và t1 1 sec. TR đợc tính từ lóc
kÕt thơc t1.
b) Sư dơng SIKOSTART khëi ®éng mỊm ®éng cơ và
bypass:
- Sử dụng lại mạch điều khiển và mạch động lực ở phần 1.
Trong phần mạch động lực mắc thêm contactor bypass
nối nguồn với động cơ.
Trong phần mạch điều khiển mắc thêm mạch điều khiển
cho contactor bypass.
- Khi động cơ đà chạy ổn định, tiếp điểm (NO) giữa

chân 3 và chân 4 của SIKOSTART đóng lại, khi đó
contactor bypass đợc đóng và dòng điện vào động cơ
theo đờng contactor bypass. Lúc này có thể cắt
SIKOSTART ra khỏi mạch động lực - mở contactor nối
SIKOSTART với động cơ (có thể thông qua tiếp điểm
trung gian NC của Contactor bypass).
- Dừng động cơ bằng cách mở contactor bypass - dừng
SIKOSTART. Trong trờng hợp này. SIKOSTART chỉ có thể
dừng nhanh (costing down).
c) Sử dụng PLC S7-200 và SIKOSTART khởi động mềm
cho hai động cơ.
- Các chế độ hoạt động của SIKOSTART có thể nh phần 2.
Nhng tín hiệu tác động lên SIKOSTART và tín hiệu
SIKOSTART tác động lên động cơ phải qua trung gian PLC.
- Để điều khiển một động cơ chạy, chỉ cần nhấn nút
START ứng với động cơ đó trên PLC. Quá trình kết nối
SIKOSTART với động cơ - khởi động - bypass - cắt
SIKOSTART khởi động cơ - dừng SIKOSTART hoàn toàn tự
động do PLC điều khiển. Contactor bypass đợc điều
khiển trực tiếp từ PLC, nên khi SIKOSTART dừng vẫn không
ảnh hởng đến động cơ. Khoảng cách giữa mỗi thao tác
cần trên một khoảng thời gian đủ cho contactor ®¸p øng.


- Nhấn nút yêu cầu khởi động động cơ không có tác dụng
nếu động cơ đó dừng chua đủ 10 sec hay động cơ đó
đang chạy, hay dang khởi động một động cơ khác.
- Trong trờng hợp này, ngõ ra relay cđa PLC ®iỊu khiĨn khëi
®éng SIKOSTART (gièng nh mét Contactor) và các
contactor bằng tín hiệu điện áp 220V.

- Ngõ ra relay cđa SIKOSTART cÊp tÝn hiƯu 24V vỊ PLC để
báo động cơ đà chạy ổn định.
5. Yêu cầu chuẩn bị trớc khi thực tập:
(Mỗi sinh viên phải nộp chuẩn bị trớc khi vào thực tập)
- Tự tìm hiểu bộ khởi động mềm SIKOSTART.
- Tự tìm hiểu cấu PLC S7-200 CPU 226 của Siemens; Ngôn
ngữ phần mềm lập trình Step Microwin 32 (Các lệnh cần
dùng).
- Đối với phần 1 và phần 2:
Vẽ mạch điều khiển và mạch động lực cho SIKOSTART
điều khiển động cơ.
Thiết lập các thông số điều khiển trong từng chế độ cho
SIKOSTART.
Mô tả trình tự khởi động động cơ, bypass (phần 2) và
dừng động cơ.
- Đối với phần 3:
Xác định số tín hiệu vào và ra cần liên kết với PLC.
Vẽ mạch điều khiển kết nối PLC với SIKOSTART và các
contactor cùng với mạch động lực để điều khiển khởi động
hai động cơ.
Thiết lập các thông số điều khiển cho SIKOSTART.
Mô tả chế độ khởi động động cơ, nối bypass và chế độ
dừng động cơ.
Viết chơng trình LADDER cho PLC thực hiện chức năng
điều khiển.
6. Nội dung thực tập:
Trên cơ sở bài tự chuẩn bị, trong nhóm tự kiểm tra lại,
thống nhất và tiến hành thực tập gi¸m s¸t díi sù gi¸m s¸t
cđa c¸n bé híng d·n thực tập trong thời gian quy định:
- Đối với phần 1 và phần 2:

Nối mạch điều khiển và mạch động lực cho SIKOSTART
điều khiển động cơ.
Cài đặt các thông số điều khiển trong từng chế độ cho
SIKOSTART.
Xin phép và giải thích cho các bộ hỡng dẫn trớc khi vận
hành. Đóng nguồn va tiến hành dừng động cơ dới sự giám sát
của cán bộ hớng dẫn.
Ghi lại các hiệu ứng nh các thông số dể báo cáo.


- Đối với phần 3:
Dựa trên bài chuẩn bị đà thống nhất, lập trình LADDER
cho PLC để điều khiển khởi động hai động cơ thông qua
SIKOSTART và các contactor.
Nạp chơng trình điều khiển vào PLC; kiểm tra hoạt động
của chơng trình bằng cách mô phỏng các trạng thái qua các
nút nhấn và bóng đèn. Nếu hoạt động theo đúng yêu cầu,
báo cáo ngay với cán bộ hớng dẫn.
Nối mạch điều khiển kết nối PLC với SIKOSTART và các
contactor, cùng với mạch động lực để điều khiển khởi động
hai động cơ.
Cài đặt các thông số điều khiển cho SIKOSTART.
Xin phép và giải thích cho cán bộ hớng dẫn trớc khi vận
hành.
Đóng nguồn và tiến hành khởi động và dừng động cơ díi
sù gi¸m s¸t cđa c¸n bé híng dÉn.