Điều khiển động cơ: Quạt gió

ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ : QUẠT GIÓ GVHD : LÊ QUANG ĐỨC SVTH : LỚP TD06 NHÓM 12 1. LÊ HỒNG LONG 2. NGUYỄN VĂN THẮNG A 3. NGUYỄN XUÂN THỦY ĐỀ TÀI NHÓM 12 Quạt gió : điều khiển quạt gió làm mát cấp khí lạnh cho phòng từ máy điều hoà, điều khiển theo nhiệt độ phòng. Quạt có công suất 25 kW, Chọn động cơ, AC drive của Siemens để điều khiển nhiệt độ của phòng. - Vẽ mạch điện động lực và mạch điều khiển. - Chọn thiết bị điện, dây cáp, có bảo vệ quá tải, ngắn mạch. - Điều khiển ổn định nhiệt độ phòng bằng cách điều khiển tốc độ động cơ, chọn cảm biến nhiệt độ. - Thuyết minh giải pháp. - Lập hồ sơ kỹ thuật bao gồm bản vẽ, danh sách thiết bị, giá thành, bản vẽ tủ điện. I. GIẢI PHÁP CHO ĐỀ TÀI Cần các thiết bị: 1. Bộ điều khiển 2. Động cơ quạt gió 3. Cảm biến nhiệt độ phòng 4. Các thiết bị bảo vệ cho hệ thống Giải pháp sơ lược:  Động cơ: Theo yêu cầu của đề tài, quạt có công suất 25KW nên ta chọn động cơ có công suất phù hợp. Ta chọn động cơ có công suất 26 KW.  Thiết bị điều khiển: Để điều khiển nhiệt độ phòng ta cần điều khiển tốc độ quạt (động cơ) => Chọn biến tần. Để điều khiển tốc độ quạt ta cần dựa vào giá trị sai lệch giữa nhiệt độ đặt (tham chiếu) và nhiệt độ đo(phản hồi). Giá trị nhiệt độ đo được lấy từ cảm biến nhiệt độ phòng.  Bảo vệ cho biến tần ta cần Aptomat, Contactor, Cầu chì.  Biến tần giữ nhiệm vụ điều khiển và bảo vệ cho động cơ. II. CHỌN THIẾT BỊ 1. Motor 1LA9 66 – 2LA công suất 26 kW a. Đặc tính : Các thông số: Áp: 3pha 380V Dòng định mức: 45,5A Công suất: 26KW Hệ số công suất: 0.91 Hiệu suất: 91% Tốc độ: 2935 rpm Số cặp cực: 2 Kiểu làm mát: tự làm mát bằng quạt. Nặng: 102Kg Làm mát: tự làm mát bằng quạt: chất liệu: nhựa, bảo vệ bọc bởi lưới thép. b.Kích thước : cần thiết cho việc lắp đặt động cơ Làm mát: tự làm mát bằng quạt: chất liệu: nhựa, bảo vệ bọc bởi lưới thép. 2. Biến tần – AC Drive Siemens MM430 công suất 30 kW MM430 phù hợp với các ứng dụng có tốc độ thay đổi đặc biệt là bơm quạt với những tính năng PID, điều khiển phân tầng. Đạt hiệu quả cao, giúp tiết kiệm năng lượng, chi phí.  Đặc tính cơ bản: o Dễ dàng, có chỉ dẫn khởi động o Cấu trúc bộ điều khiển cho phép cấu hình linh hoạt tối đa. o Sáu ngõ vào digital, có thể lập trình được riêng biệt o 2 ngõ vào analog (0-10V, 0-20mA), có thể được sử dụng như ngõ vào số thứ 7, 8. o 2 ngõ ra analog có thể lập trình (0-20mA) o 3 ngõ ra relay có thể lập trình được (30V DC/5A cho tải thuần trở, 250VAc/2A cho tải cảm). o Tiếng ồn do vận hành bé, nhờ xung với tần số cao, điều chỉnh được. o Bảo vệ hoàn toàn cho motor và inverter o Bộ dk PID o Kiểu: năng lượng thấp  Đặc tính vận hành: o Nhiệt độ vận hành: -10 tới 40 0 C o Vỏ bọc tốt o Kết nối dễ o Có thể gở bảng dk ra o  Thông số kỹ thuật: - Điện áp vào và công suất: 3pha 380 ~ 480V (AC±10%): 7,5 ~ 250kW - Tần số điện vào: 47 đến 63Hz - Tần số điện ra: 0Hz đến 650Hz - Hệ số công suất: 0,95 - Hiệu suất chuyển đổi: 96% đến 97% - Khả năng quá tải: Quá tải 140% trong 3 giây hay 110% trong 60 giây ở mỗi 300 giây - Dòng điện vào khởi động: Thấp hơn dòng điện vào định mức - Phương pháp điều khiển: Tuyến tính V/f; bình phương V/f; đa điểm V/f; điều khiển dòng từ thông FCC - Tần số điều chế xung (PWM): Chế độ tiết kiệm điện năng (4kHz (tiêu chuẩn cho 400V - 3 pha); 2kHz đến 16kHz (bước chỉnh 2kHz) - Tần số cố định: 15, tuỳ đặt - Dải tần số nhảy: 4, tuỳ đặt - Độ phân giải điểm đặt: 10 bit analog / 0,01Hz giao tiếp nối tiếp (mạng) - Các đầu vào số: 6 đầu vào số lập trình được, cách ly. / Có thể chuyển đổi PNP/NPN - Các đầu vào tương tự: AIN 1: 0 đến 10V hặoc 0 đến 20mA hoặc -10V đến +10V dùng cho điểm đặt AIN 2: 0 đến 10V hặoc 0 đến 20mA - Các đầu ra rơ le: 3, tuỳ chọn chức năng 30V DC/5A (tải trở), 250V AC/2A (tải cảm) - Các đầu ra tương tự: 2, tuỳ chọn chức năng; 0 ~ 20m - Cổng giao tiếp nối tiếp: RS-485, vận hành với USS protocol, RS 232 theo yêu cầu - Độ dài cáp động cơ: - Không có kháng ra: Tối đa 50m (bọ kim); Tối đa 100m (không bọc kim) - Có kháng ra: Tối đa 200m (bọ kim); Tối đa 300m (không bọc kim) - Tính tương thích điện từ: Bộ biến tần với bộ lọc EMC lắp sẵn theo EN 61 800-3 (giới hạn theo chuẩn EN 55 011, class B) - Hãm: Hãm DC, hãm tổ hợp - Cấp bảo vệ: IP20 - Dải nhiệt độ làm việc: -10ºC đến +40ºC - Nhiệt độ bảo quản: -40ºC đến +70ºC - Độ ẩm: 95% (không đọng nước) - Độ cao lắp đặt: Đến 1000m trên mực nước biển - Các chức năng bảo vệ: Thấp áp, quá tải, quá áp, chạm đất, ngắn mạch, chống kẹt, quá nhiệt động cơ, quá nhiệt biến tần, khoá tham số PIN - CE mark: Phù hợp với các chỉ dẫn về thiết bị thấp áp 73/23/EC; Loại có vỏ bọc còn phù hợp với chỉ dẫn 89/336/EC General Circuit Diagram MM430 Terminal connection diagram MM430  Bố trí lắp đặt bên trong tủ điện : - Không đặt biến tần nằm ngang. - Không đặt trong môi trường nhiều bụi, khí gas, nước.. - Độ ẩm < 95% - Không đặt gần môi trường có từ tính. - Không gian trên và dưới tối thiểu: 300 mm  Tìm hiểu về ouput choke và filter - Output choke : Output chokes can be sup-plied for reducing the capaci-tive compensation currents and dV/dt in the case of motor cables >50m (shielded) or >100m (unshielded). - Filter : Có chức giới hạn dòng hay áp nạp xả khi inverter vận hành, chống nhiễu do các hài. - Với ứng dụng của đề tài ta không cần phải chọn Output Choke vì chiều dài cable đến động cơ ta chọn không quá 100m. - Nếu xung quanh có các thiết bị quan trọng mà bị ảnh hưởng bởi sóng và và nhiễu thì ta nên chọn Filter, ngược lại không cần chọn để giảm chi phí. Lưu ý: chọn Inverter có Filter bên trong thì không được phép dung với lưới điện có trung tính không nối đất. 3. Chọn Aptomat : 3RV1042 – 4MA10 Trong catalog của biến tần, khi chọn xong biến tần thì nhà sản xuất có thêm phần khuyến cáo chọn aptomat và cầu chì để bảo vệ cho biến tần. Aptomat bảo vệ biến tần khi mạng điện xảy ra ngắn mạch. 4. Chọn Công tắc tơ : có chức năng đóng cắt cung cấp nguồn cho biến tần, bảo vệ biến tần khi xảy ra quá tải, lúc này ta điều khiển mở tiếp điểm của công tắc tơ để cách ly nguồn với biến tần. Loại : 3RT1046-1AP00 Công suất: 45KW/400VAC Áp điều khiển: 230VAC Phối hợp bảo vệ loại 1 phù hợp với ứng dụng quạt gió. Với khung phía trên là chọn Contactor cùng CB phối hợp bảo vệ kiểu 2. Đặc tính bảo vệ quá tải: class 10 Kích thước và lắp đặt contactor và Aptomat: phối hợp bảo vệ kiểu 1 Các thông số về kích thước yêu cầu khi lắp đặt dùng để bố trí các thiết bị trong tủ điện sao cho hiệu quả nhất. 5. Cầu chì : để bảo vệ quá tải cho biến tần Chọn theo khuyến cáo khi chọn biến tần. Loại : 3NA3824 Cầu chì bảo vệ mạch điều khiển: Bảo vệ dòng quá tải qua mach điều khiển bằng 2 cầu chì (có thể không cần cầu chì trên phần dây nối mass) Cầu chì là phần tử bảo vệ quá dòng điện và chịu được dòng điện làm việc cực đại. 6. Chọn cảm biến nhiệt độ phòng : a. Cảm biến nhiệt độ phòng có tín hiệu ra là điện áp 0 – 10V - Type : DRTE 2201 của hãng Satchwell - Power supply : 24 VAC - Temperature range : 0 – 40 độ C b. Cảm biến nhiệt độ phòng có tín hiệu ra là dòng điện 4 – 20 mA - Type : Sensor temperature room 536 – 779 Siemens - Power supply : 24 VDC - Temperature range : 0 – 50 độ C 7. Chọn cable : a. Chọn cable cho động cơ : Tiết diện max: 16mm2 Chiều dài cáp (Động cơ và Biến tần): dài nhất là 50m, tùy chọn để thuận tiện lắp đặt, vi thiết kế không có Choke (cái để giảm dòng tồn dư do tải có tính dung, thường thì dây dài, cáp để gần nhau thường có tính dung, hay 1 vài lý do khác.) Loại cáp: - 3 lõi đồng, của Cadivi - Dây điện CV 16mm² giá 23,300 VNĐ/m Cáp vào ra biến tần : => để thống nhất với 1 loại cáp với động cơ ta chọn cáp như cáp của dộng cơ đã chọn ở trên. Cáp đấu nối mạch đk biến tần: Tiết diện cho phép: 0.08 -> 2.5 mm2 Dây điện CV 2.0mm² (Cadivi) 3,400 Vnd/m 8. Chọn các thiết bị cho mạch điều khiển : a. Đèn báo hiệu : b. Nút nhấn : 9. Chọn tủ điện :  Chọn tủ có: Cao >=1200mm Rộng >=300mm Dài >= 400mm => Chọn loại : 1200*600*350*1 cánh 1.5 - khóa vặn tay Giá : 1.380.000 VNĐ 300mm 520mm 245mm 275mm 300mm >=1200mm III. THUYẾT MINH GIẢI PHÁP 1. Mạch động lực : a. Với cảm biến có ngõ ra là tín hiệu điện áp :  Để ổn định được nhiệt độ phòng ta cần điều khiển tốc độ quạt theo giá trị sai lệch giữa nhiệt độ đặt và đo. - Nếu nhiệt độ đặt lớn hơn nhiệt độ đo : tăng tốc độ quạt - Nếu nhiệt độ đặt bé hơn nhiệt độ đo : giảm tốc độ quạt - Nếu nhiệt độ đặt bằng nhiệt độ đo : giữ nguyên tốc độ quạt  Để điều khiển được tốc độ quạt ta dùng chức năng PID trong biến tần. - Thiết lập kênh tham chiếu PID là ngõ vào Analog input 1 (ADC 1) với tín hiệu ngõ vào là điện áp từ 0 – 10V. Ta dùng biến trở 10K cấp nguồn 10 VDC mắc theo sơ đồ như hình vẽ để tạo được giá trị điện áp 0 – 10V. - Thiết lập kênh hồi tiếp giá trị nhiệt độ đo về vòng điều khiển kín PID là ngõ vào Analog input 2 (ADC 2). Tín hiệu hồi tiếp từ cảm biến về là 0 – 10V tương ứng với 0 – 40 độ C. - Chức năng điều khiển PID sẽ so sánh giá trị tham chiếu và giá trị hồi tiếp để điều khiển tốc độ quạt nhằm ổn định nhiệt độ phòng.  Aptomat dùng để bảo vệ ngắn mạch khi có sự cố xảy ra.  Cầu chì dùng để bảo vệ khi biến tần làm việc quá tải.  Công tắc tơ có nhiệm vụ đóng cắt nguồn cung cấp cho biến tần sẵn sàng hoạt động. Khi biến tần làm việc quá tải ta xuất tín hiệu điều khiển mở tiếp điểm Contactor để cách ly biến tần với nguồn điện, tránh hư hỏng.  Nhiệm vụ của biến tần là điều khiển và bảo vệ cho động cơ. b.Với cảm biến có tín hiệu ngõ ra là dòng điện từ 4 – 20 mA  Khác với tín hiệu hồi tiếp là điện áp thì hồi tiếp về dòng điện ta cần thiết lập biến tần có kênh tham chiếu ngõ vào là dòng điện.  Thiết lập giá trị tham chiếu của PID là tín hiệu dòng từ 4 – 20 mA.Ta dùng một biến trở cấp nguồn 24 VDC và mắc theo sơ đồ hình vẽ trong mạch bên dưới. Giá trị của điện trở dựa vào tín hiệu dòng 4 – 20 mA nên giá trị biến trở thay đổi tương ứng là 6K – 1.2 K vì thế ta chọn biến trở 10K.  Kênh hồi tiếp giá trị nhiệt độ về cũng thiết lập ngõ vào là dòng điện. Mắc cảm biến theo như sơ đồ kết nối mạch động lực. Nguồn cấp cho cảm biến là 24 VDC. Giá trị dòng hồi tiếp từ 4 – 20 mA tương ứng 0 – 50 độ C. 2. Mạch điều khiển :  Nguồn cấp cho mạch điều khiển là 220 VAC được lấy từ 1 dây pha và 1 dây trung tính của lưới điện. Có cầu chì bảo vệ quá tải.  Dùng 1 button latching để cung cấp nguồn cho biến tần và 2 relay có sẵn trên biến tần để điều khiển các đèn báo hiệu  Cụ thể như sau: - Lamp power Inverter : báo hiệu có nguồn cấp vào inverter, đèn sáng nhờ tiếp điểm thường mở của Contactor. Khi cuôn hút có điện, tiếp điểm đóng lại làm đèn sáng lên. - Lamp Stop : báo hiệu biến tần chưa làm việc nghĩa là động cơ chưa hoạt động , đèn được cấp nguồn 220V thông qua tiếp điểm thường đóng của Relay 3 của biến tần. - Lamp Run : báo hiệu biến tần đang trong trạng thái hoạt động nghĩa là động cơ đang hoạt động. Để làm được điều này ta nối đèn báo hiệu vào tiếp điểm thường mở của Relay 3. Ta phải thiết lập chức năng đảo trạng thái của Relay 3 khi biến tần đang hoạt động. Bằng cách thiết lập mục Digital output (r0730) relay 3 với thông số Diver Running thì kích hoạt đảo trạng thái của Relay 3 (P0733>52.2). - Lamp error : đèn báo hiệu lỗi sáng lên khi có lỗi xảy ra. Đèn này được cấp nguồn 220V thông qua tiếp điểm thường mở của Relay 2. Để thực hiện được chức năng này ta cần thiết lập chức năng Digital output của Relay 2 – đảo trạng thái khi có lỗi xảy ra. Ta cần thiết lập thông số Driver fault active trong mục setting của biến tần (P0732>52.3). - Ngoài ra : biến tần còn có chức năng Flying restart. Chức năng này có tác dụng bắt lại tốc độ tức thời của động cơ ngay tại thời điểm động cơ bị mất điều khiển, điển hình là trường hợp bị mất điện và có điện lại ngay tức thì phù hợp với đối tượng điều khiển là quạt gió.  Nếu không có chức năng này thì động cơ khi bị mất điều khiển thì khi có tín hiệu điều khiển lại thì động cơ sẽ được khởi động lại từ đầu với tần số ngõ ra dành cho mục đích khởi động, mà tốc độ của quạt đang ở tốc độ cao nên dễ dàng bị shock, gây hư hỏng động cơ.  Để thiết lập thông số flying restart ta thiết lập thông số P1200>4 hoặc 5 hoặc 6 tùy vào từng chức năng. IV.LẬP HỒ SƠ KỸ THUẬT : 1. Bản vẽ : có file autocad kèm theo. 2. Danh sách thiết bị và giá thành : Thiết bị Loại, kiểu Chứcnăng Dòng (đm) Áp (đm) Số lượng Giá thành Ghi chú Motor 1LA9 66 – 2LA (Siemens) Quay quạt, thổi gió vào phòng 45.5A 3phase400VAC 1 $1001 P=26KW Biến tần Micromaster 430 6SE6430- 2UD33-0DA0 (Siemens) Điều khiển, bảo vệ động cơ Iin=59A Iout=62A 3pha 380 ~ 480V (AC±10%) 1 $1709 P=30KW Bộ giao diện điều khiển BOP-2 Lắp vào biến tần để làm dao diện cài đặt cho biến tần 1 $29.5 Phải có để có thểcài đặt biến tần. Aptomat 3RV1042 –4MA10 (Siemens) Bảo vệ ngắn mạch, quá tải 80A Iq=100KA 3pha 380 ~ 480V 1 $281,96 Contactor 3RT1046- 1AP00 (Siemens) Đóng cắt 3pha 380 ~ 480V 1 $192 Uđk= 230VAC Cầu chì mạch động lực 3NA3824 (Siemens) Bảo vệ Biến tần 80A 380VAc 3 3x $9,72 1 cực, do đó dùng 3 cái cho 3 đầu vào Inverter Cảm biến DRTE2201(Satchwell) Hồi tiếp tín hiệu nhiệt về dưới dạng áp 24VAc 1 $134 Phải dung 1 biến thếcho cảm biến này. Cầu chì mạch điều khiển 5SG7610 (Siemens) Bảo vệ quá tải mạch điều khiển. 16A 1pha230VAC 2 $8 Đèn báo 22mm KH-2203L-2 (Siemens) Báo trạng thái 1 pha 220V 7 7x $7 Mua 4 cái với các màu: blue, green, red, yellow Nút nhấn HW1E-BV411R Nhấn điều khiển đóng cắt, vận 220 VAC 1 $8,82 Khóa, hồi khi vặnxoay Màu đỏ (Siemens) hành thiếtbị 40mm Biến trở 10kOhm $0.5 Dùng để thiết lập giá trị đặt nhiệt độ Cable cho mạch động lực CV 16mm2 (Cadivi) Kết nối mạch động lực 101A 400VAc 50 mét 50x$1.73/m dài 50m3 lỏi đồng Cable cho mạch điều khiển CV 2.0mm2 (Cadivi) Kết nối mạch điều khiển 20A 240VAc 10 mét 10x$0.2/m 1 lỏi đồng Biến áp 220/24VAc Biến áp 220/24VAC Lấy áp 24 VAC cho cảm biến 1 $2 Tủ điện Sản xuất tạiVN Lắp đặt thiết bị vào 1 $81.17 1200*600*350*1 cánh 1.5 - khóa vặn tay Tổng giá thành : $ 3.593,61 USD tương đương 65 triệu VNĐ