Đồ án Điều khiển tốc độ động cơ dùng biến tần abb acs 150

ột số dạng sóng ở hình 3.25 thì giống với các dạng sóng đã đạt được trong các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha sử dụng kỹ thuật SPWM (hình 3.24). Cụ thể là: + Điện áp dây của tải (hình 3.14d) trong VSI thì giống với dòng điện dây của tải (hình 3.25d) trong CSI. + Dòng điện liên kết một chiều (dc link current) (hình 3.14g) trong VSI thì giống với điện  áp liên kết một chiều (hình 3.25g) trong CSI. Hình 3.24 Các dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha ứng với kỹ thuật điều chế SPWM (ma=0.8, mf = 9): (a) tín hiệu sóng mang và tín hiệu điều chế; (b) trạng thái của công tắc S1; (c) trạng thái của công tắc S3; (d) dòng điện ngõ ra xoay chiều; (e) phổ của (d); (f) điện áp ngõ ra xoay chiều; (g) điện áp một chiều; (h) phổ của điện áp một chiều; (i) dòng qua công tắc S1; (j) áp qua công tắc S1. Điều này đưa ra tính đối ngẫu giữa hai phương thức khi ta sử dụng các phương pháp điều chế tương tự nhau. Vì vậy, ứng với các giá trị lẻ là bội của 3 của tần số sóng mang cơ bản mf, các hài trong dòng điện ngõ ra xoay chiều xuất hiện tại các tần số fh và quanh các mf và các bội số của nó, cụ thể là:           (3.50) Với l= 1, 3, 5, …  ứng với k= 2, 4, 6, … và l= 2, 4, … ứng với k= 1, 5, 7, … như vậy h không phải là một bội số của 3. Vì vậy, các hài sẽ tại mf ± 2, mf ± 4, … , 2mf ± 1, 2mf ± 5, … , 3mf ± 2, 3mf ± 4, … , 4mf ± 1, 4mf ± 5, …. Với các điện áp tải dạng gần như sin, các hài trong điện áp liên kết một chiều tại các tần số được cho bởi:    (3.51) Với l= 0, 2, 4, … ứng với k= 1, 5, 7, … và l= 1, 3, 5, …  ứng với l= 0, 2, 4, … như vậy h= l*mf  ±k là dương và không là bội của 3. Ví dụ, hình 4.25h cho ta thấy hài thứ 6 (h=6) h = 1 * 9 - 2 - 1 = 6. Kết luận tương tự có thể được đưa ra với các giá trị nhỏ hơn và lớn hơn của mf với cùng phương pháp như VSI. Vì vậy, biên độ tối đa của dòng điện dây ngõ ra xoay chiều cơ bản là oa1=  ii/2 vì vậy ta có thể viết:    (3.52) Để tăng thêm biên độ của dòng tải, ta có thể sử dụng phương pháp quá điều chế (overmodulation). Trong vùng này, ngưỡng của các dòng điện dây cơ bản là          (3.53) IV. Biến tần đa bậc 1.Giới thiệu về biến tần đa bậc Hiện nay một vấn đề lớn đặc ra ở các nhà máy công nghiệp là việc sử dụng các hệ thống công suất rất lớn mà nếu sử dụng biến tần đơn bậc thì không thể đáp ứng nổi, biến tần đa bậc đã và đang phát triển ở các nước tiên tiến, tại Việt Nam thì biến tần đa bậc cũng có một chuyên gia đang nghiên cứu, nhưng nhìn chung thì nó khá mới mẻ và đòi hỏi phải có hiểu biết sâu rộng mới có thể nghiên cứu về nó. Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu về cách thức cấu tạo, phương thức điều khiển của biến tần đa bậc. 1.1 .Khái niệm. Hiện nay biến tần đã và đang được sử dụng rất có hiệu quả trên  thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng, tuy có nhiều ưu điểm và ứng dụng hiệu quả cao nhưng biến tần đơn bậc cũng còn tồn tại một số hạn chế như: Sóng điện áp còn nhiều hài bậc cao, chưa thật sự gần sin. Trị số điện kháng Lf mạch lọc còn cao, dẫn đến tổn hao. Tổn hao  trong quá trình đóng cắt (Psw)  cao. Công suất truyền tải còn thấp (Pcond)… Để khắc phục những hạn chế nói trên người ta mới phát minh ra biến tần đa bậc nhằm phục vụ và đáp ứng tốt hơn nhu cầu của con người. Hình 1.0 Mô hình biến tần đa bậc động cơ không đồng bộ Trong các đồ thị dưới đây nói về ưu điểm biến tần bậc cao so với biến tần bậc thấp hơn. Hình 1.2 Đồ thị miêu tả ưu điểm của biến tần đa bậc. Tại sao khi đa bậc thì THD giảm, Lf giảm và công suất truyền tăng, cũng như công suất tổn hao thấp. Tại vì khi số bậc biến tần càng cao thì dạng sóng điện áp ngõ ra gần sin hơn, nên bộ lọc lọc ít hơn, tổn hao do cảm kháng bộ lọc sinh ra thấp hơn, khi sóng ra gần sin hơn thì công suất truyền qua cũng cao hơn, cản phá ít hơn. Ta có công thức tính tổng độ méo dạng do hài có công thức sau:. Ta thấy từ công thức này thì càng nâng số bậc lên thì THD càng tăng. Biến tần đa bậc có những ưu điểm vượt trội như trên, biến tần đa bậc đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Khái niệm biến tần đa bậc xuất phát từ quá trình điện áp giữa đầu pha tải (điểm a,b,c với điểm 0) của nguồn một nhiều thay đổi giữa hai hay nhiều bậc khác nhau gọi là biến tần đa bậc. Ví dụ như nếu là biến tần hai bậc thì giá trị điện áp này thay đổi giữa hai bậc là +Udc/2 và –Udc/2… . Do sự thay đổi điện áp giữa các bậc dẫn tới dV/dt khá lớn và hiện tượng điện áp common-mode rất quan trọng. Để khắc phục điều này người ta sử dụng bộ nghịch lưu đa bậc, do tính phổ dụng của nó mà có thể gọi là biến tần đa bậc( Multi-level Inverter) 1.2. Neutural point clamped inverter NPC Trên sơ đồ là bộ nghịch lưu ba bậc, điện áp trên mỗi tụ bằng ½ điện áp trên nguồn DC. Mỗi điểm pha a, b, c có thể nối với các điểm 0, n, p theo các sơ đồ đóng ngắt khác nhau của khóa bán dẫn. Các mức điện áp pha a có thể đạt được như sau: Vout S1 S2 S3 S4 +Vdc/2 1 1 0 0 0 0 1 1 0 -Vdc/2 0 0 0 1 Theo tính toán các giá trị điện áp đặt trên các điốt bên trong sẽ cao hơn các điốt khác, nhất là với mô hình NPC bậc cao hơn, điều này thật là một nhược điểm cùa mô hình NPC. Hình 1.5b Mô hình bộ nghịch lưu NPC 3 bậc, 5 bậc hay n bậc. Do mất đối xứng trong thời gian nạp xả tụ mà điện áp tụ trở nên mất cân bằng. 1.2.1 Ưu điểm chính của mô  hình là Giảm thành phần sóng hài Giảm dV/dt ( bằng một nửa so với bộ nghịch lưu hai bậc) 1.2.2 Nhược điểm Mức độ chịu đựng điện áp trên các điốt là khác nhau. Điều khiển PWM phức tạp hơn bậc hai. Cần nhiều điốt kẹp. Vấn đề cần bằng áp tụ DC-links là khá phức tạp. 2. Cấu trúc biến tần đa bậc ( bộ nghịch lưu đa bậc) Hiện nay có một số loại nghịch lưu như sau: Nghịch lưu dạng điốt kẹp ( Neutural Point Clamped  Multilevel Inverter NPC). Nghịch lưu đa bậc dạng Cascade( Cascade Multilevel Inverter). Nghịch lưu đa bậc dạng Flying Capacitor. Một số tổ hợp các loại trên. Để đơn giản và dễ hiểu khi ví dụ  chúng ta sẽ chỉ  lấy ví dụ về biến tần ba bậc (bộ nghịch lưu ba bậc) hoặc 5 bậc (bộ nghịch lưu năm bậc). 2.1 Cascade Multilevel Inverter Cấu trúc nghịch lưu đa bậc dạng Cascade xuất hiện lần đầu vào năm 1975, sử dụng nguồn DC riêng, gồm nhiều bộ nghịch lưu cầu một pha mắc nối tiếp.  Sử dụng quy tắc kích đối nghịch cho từng cặp S1-S4 và S2-S3. Mỗi một bộ nghịch lưu áp cầu một pha tạo ra điện áp đầu ra ba mức –U,  0, U. Với sự kết hợp n bộ nghịch lưu cầu 1 pha trên nhánh tải tạo nên điện áp đầu ra có: n mức điện áp dương (U, 2U,…, nU). n mức điện áp âm (-U, -2U,…, -nU). 1 mức điện áp 0. Ví dụ bộ nghịch lưu 5 bậc dạng Cascade với hai bộ nghịch lưu cầu 1 pha mắc nối tiếp trên mỗi pha. Như trên hình, ta thấy điện áp giữa điểm pha a với điểm 0 có 5 bậc. Để cho dễ hiểu, ta xem các khóa bán dẫn  như các công tắc cơ khí. Dễ dàng nhận thấy ở mỗi nhánh pha trong biến tần cascade được tạo thành từ việc ghép nối các cầu H ( H-bidge) nối tiếp nhau và cứ bao nhiêu nhánh pha thì ghép song song bấy nhiêu dãy, minh họa như  hình sau: Từ lí luận này ta dễ dàng chuyển đổi mô hình 2.3 hay một bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascade thành mô hình 1.4 đơn giản hơn như hình dưới: Hình 1.4 Mô hình đơn giản hóa bộ nghịch lưu đa bậc dạng Cascade 2.1.1 Ưu điểm Dễ dàng thiết kế thành các môđun lắp ráp dễ dàng tăng số bậc lên. Mỗi mođun gồm 1 nguồn DC, một tụ lọc và một mạch cầu 1 pha H-bridge Đối với hệ thống cung cấp AC, các điốt chỉnh lưu đóng vai trò là mạch cầu đa xung làm giảm méo dòng điện cho nguồn cung cấp. Dạng sóng đầu ra có thành phần hài rất thấp mặc cho tần số đóng cắt khóa là thấp. Do vậy dạng này được sử dụng rộng rãi và thông dụng nhất. Tuy nhiên nó cần nhiều nguồn một chiều. 2.1.2 Nhược điểm Nhược điểm chính của hệ thống là khi không sử dụng nguồn DC độc lập mà sử dụng các máy biến thế.Ví dụ như một bộ nghịch lưu 5 bậc dạng Cascade sẽ dẫn tới một máy biến áp 1 đầu vào và 2 đầu ra, tổng cộng ba pha sẽ là 6 đầu ra ( secomdaries). Như vậy sẽ tăng kích thước và giá thành lên rất nhiều và tổn hao máy biến áp là lớn. 2.2. Capacitor Clamped Multilevel Inverter  Với sơ đồ ba bậc các mức điện áp đạt được như sau: VAN = Vdc/2                            khi S1 = S2 = 1 VAN = 0                                    khi S2= S3 = 1 VAN = -Vdc/2                          khi S3 = S4 = 1 Tụ C nạp điện khi cặp S1, S4 được bậc và xả điện khi S2 = S3 =1. Quá trình nạp xả được cân bằng khi có sự chọn lựa hợp lí các tổ hợp trạng thái các mức điện áp 0. Sự phân tích ở các bậc cao hơn là khá phức tạp. 2.2.1 Ưu điểm của mô hình này là Sắp xếp đơn giản, kết cấu thành từng khối. Cân bằng áp tụ dễ dang hơn 2.2.2 Nhược điểm Có số lựợng tụ lớn Giải thuật PWM khá phức tap 2.3. Cấu trúc phối hợp Giản đồ vector và dạng sóng dòng áp Hình 1.5d Hình miêu tả mô hình cấu phúc phối hợp Mô hình cấu trúc biến tần phối hợp giữa Cascade và NPC, cụ thể là kết hợp giữa NPC ba bậc và kết nối  Cascade giữa các cầu  H năm bậc. Thông qua việc kết nối ta dễ dàng nâng cao số bậc.Tuy nhiên nó lại rất khó khăn trong tính toán và thiết kế, nên thường ít được áp dụng trong thực tế. 3. So sánh về các dạng nghịch lưu đa bậc. Tuy mỗi loại  nghịch lưu đều có nhưng ưu nhược điểm riêng, nhưng phổ biến nhất vẫn là hai dạng NPC và Cascade. Vì nếu như nhược điểm của mô hình phối hợp NPC và Cascade là phức tạp trong phương thức điều khiển thì phương thức dùng tụ điện thay đổi lại khó thực hiện vì điện áp mỗi tụ được nạp xả khác nhau khi bậc làm việc với số bậc lớn, gây ra sự mất cân bằng áp tụ. 3.1 Phương pháp Sin PWM (Ứng dụng ở tần số khá cao f < 9500Hz) Phương pháp này sử dụng sóng điều chế dạng Sin để so sánh với các sóng mang dạng tam giác tạo giản đồ kích đóng  cho các linh kiện. Với bộ nghịch lưu m bậc sẽ sử dụng m -1 sóng mang cùng tần số fc, cùng biên độ Ac, sóng điều chế có biên độ Am, tần số fm. Sử dụng sóng mang tần số cao sẽ làm cho các sóng hài tập trung xung quanh ở các tần số cao f = k.fc. Tuy nhiên sẽ phát sinh tổn hao do đóng ngắt tần số cao của linh kiện. Sóng điều chế Urx ( x= a,b,c) mang theo thông tin về biên độ và tần số của hài cơ bản đầu ra. Các dạng sóng mang thường dùng: APOD: Hai sóng mang bề cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch đđi 180 độ. POD:  Bố trí xung  quanh trục, các sóng mang nằm trên trục sẽ cùng pha, ngược lại các sóng mang nằm dưới trực sẽ bị dịch đi 180 độ. PD:  Bố trí cùng pha. Trong các phương pháp bố trí sóng mang, dạng PD cho THD  đạt được là nhỏ nhất. Đối với bộ nghich lưu ba bậc, APOD và POD cho cùng kết quả dạng sóng mang.   Với các cách bố trí  linh kiện như vậy, các  linh kiện đđược đảm bảo theo quy tắc kích đđối nghịch. Sự so sánh giữa sóng đđiều chế Ura  và Ucar1 tạo ra giản đđồ đóng  ngắt cho S1, S3 với Vcar2 cho ra giản đđồ đđóng ngắt cho S2, S4 như sau: Ura > Vcar1                                   S1 = 1      S3 = 0 Ura < Vcar1                                   S1 = 0      S3 = 1 Ura > Vcar2                                   S2 = 1       S4 = 0 Urs < Vcar2                                   S2 = 0       S4 = 1 Từ giản đồ đóng cắt ta rút ra điện áp pha tâm nguồn DC như sau: Chỉ số điều chế:m = Usa.√3/U Chỉ số biên độ ma = Am/Ac Chỉ số tần số : mf = fm/fc So sánh THD với dạng sóng mang APOD có THD =0.668 ta thấy dạng sóng PD cho độ méo dạng áp dây tải là nhỏ nhất. Tuy nhiên dạng sóng mang APOD lại cho kết quả điện áp Common mode nhỏ nhất Nhược điểm của phương pháp điều chế SinPWM là khả năng điều chế tuyến tính chỉ đạt đến khi ma = 1. Do đó biên độ áp tải cơ bản chỉ đạt đếnVdc/2. Để mở rộng giá trị này, một số phương pháp sóng mang với tín hiệu điều chế được biến đổi để tăng khả năng điều chế tuyến tính lên. Đó là các phương pháp điều chế độ rộng xung cải biên (Modified SinPWM) 3.2. Switching  frequency optimal PWM method( SFO PWM) Với đặc điểm của phương pháp sóng mang là dễ điều khiển và thực hiện,do vậy thực hiện cải tiến phương pháp sóng mang để nâng cao chất lượng điềukhiển là giải pháp tốt. Đó là việc cộng thêm một hàm Offset vào sóng điều chếdạng Sin để đạt được một chỉ tiêu về chất lượng. Đối với phương pháp SFO PWM, sóng Offset là tín hiệu thứ tự không (sóng hài bội ba). Cách tạo Voffset như sau: Voffset = (Max(Vsa,Vsb,Vsc) + Min(Vsa,Vsb,Vsc))/2. Ura = Vsa – Voffset. Urb = Vsb – Voffset. Urc = Vsc – Voffset. Với Vsx (x=a,b,c) là tín hiệu điều chế sin. Hình 1.8a Tín hiệu Voffset Hình 1.8bTín hiệu điều chế pha a Ura với biên độ =0.693 Hình 1.8c Tín hiệu điều chê Sin Với những đặc tính của phương pháp sóng mang là đề điểu khiển và thực hiện so vậy thực hiện cải tiến phương pháp sóng mang để nâng cao chất lượng điều khiển là giải pháp tốt. Đó là việc cộng thêm một hàm Offset vào sóng điều chế dạng Sin để đạt được một tiêu chí về chất lượng. Có một phương pháp khắc phục được điều này với khả năng điều khiển linh hoạt hơn, mềm dẻo hơn. Đó là phương pháp vectơ không gian. 3.3. Phương pháp vector không gian Phương pháp điều chế vector không gian là phương thức thay thế 3 vector điện áp 3 pha thành một vector duy nhất quay trong không gian. Như vậy thay vì phải tính toán trên 3 pha ta chỉ cần tính toán trên hệ trục hai pha tính theo độ lớn và góc pha của đại lượng này. Điều này sẽ làm phép tính đơn giản đi rất nhiều. Minh họa trên hình 2.9.  Các phép chuyển đổi giữa các hệ trục tọa độ trên hình 2.9 có thể diễn tả như sau. Để biểu diễn vector điện áp  trong hệ trục ba pha (tương tự như 3 pha stator trong động cơ KĐB), người ta có thể tính theo 3 thành phần trên 3 trục ua, ub, uc. Nhưng do phép tính dạng này khá phức tạp nên có thể biểu diễn vector  theo các dạng hệ trục tọa độ khác ví dụ như hệ trục tọa độ d-q quay cùng vận tốc  với hệ trục 3 pha (tương tự như vector từ thông của từ trường quay 3 pha trong động cơ KĐB). Do các thành phần vector đều quay cùng một vận tốc của từ trường quay stator s nên có thể chuyển đổi chúng tính trên một hệ trục tọa độ tĩnh ((tương tự như động cơ KĐB xoay chiều 2 pha anpha và peta , với anpha và peta là các đại lượng hình sin). Như vậy nhờ vào sự chuyển đổi qua lại giữa các hệ trục tọa độ, ta có thể tính được vector không gian theo nhiều cách. Việc chọn lựa hệ tọa độ được thực hiện sao cho việc tính toán quá trình được dễ dàng. Cụ thể khi tính toán với bộ VSI, ta nên chọ hệ trục tọa độ tĩnh (-); khi tính toán cho hệ truyền động biến tần - động cơ điều khiển theo hệ trục quay 3.4 Giản đồ vector điện áp bộ biến tần ba bậc Quá trình đóng cắt các khoá bán dẫn tạo nên 27 trạng thái khác nhau trên lục giác, mỗi trạng thái được minh hoạ bởi tổ hợp (ka, kb, kc), với các giá trị ka = 0, 1, 2; kb = 0, 1, 2; kc = 0, 1, 2; là hệ số trạng thái tương ứng của các pha a, b, c. Ví dụ xét hệ số ka của pha a ta có:                                                       (2.15) Trong quá trình kích dẫn qui luật sau đây phải được tuân thủ:                                                                             (2.16) Với: x = a, b, c Từ đó, ta có thể hiểu trạng thái (200) có nghĩa là: Hình 2.10: Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu áp 3 bậc Như vậy như định nghĩa về vector không gian đã nói ở phần trước trong mục này, tương ứng 27 trạng thái kích dẫn linh kiện ta thu được 19 vị trí của vector không gian của điện áp tạo thành bao gồm 12 vector nằm trên đỉnh và trung điểm của hình lục giác lớn bao ngoài, 6 vector nằm trên 6 đỉnh của hình lục giác bên trong và 3 vector không gian nằm tại tâm của hình lục giác (Hình 2.10). Đối với các vector nằm tại đỉnh của hình lục giác bên trong, tồn tại hai trạng thái kích dẫn khác nhau của các linh kiện nhưng lại có cùng chung một vị trí vector không gian. Ngoài ra còn tồn tại ba trạng thái kích dẫn khác nhau cho cùng vị trí vector không. Do đó từ biến tần ba bậc trở lên, bắt đầu xuất hiện các vector redundant. Khái niệm vector redundant có ý nghĩa rất quan trọng trong việc điều chế, các vector dư thừa này không phải là không thật sự cần thiết cho các hoạt động điều khiển của mạch. Nó có một ý nghĩa quan trọng trong việc chuyển trạng thái Có nghĩa là có một số trạng thái chuyển mạch sẽ bị dư thừa khi tạo nên cùng một trạng thái điện áp ngõ ra, do đó khi thay đổi trạng thái chuyển mạch được chọn bằng những vector đạng ở trạng thái dư thừa này thì sự chuyển mạch trong biến tần đa bậc không thể chỉ có một cách thức duy nhất mà thật ra là rất nhiều. Nếu tận dụng tốt các vector này, có thể tạo ra được một số phương thức điều chế mới đơn giản và hiệu quả hơn phương thức SVPWM truyền thống vừa nên trên. Qua nhiều nghiên cứu gần đây, có thể thấy rằng một số lượng lớn các vector redundant có một ý nghĩa rất quan trọng cho biến tần đa bậc. Bằng cách sử dụng nó một cách thích đáng, có thể đặt được sự cải thiện rất lớn về các mặt như: - Cân bằng được điện thế trên các tụ điện. - Chia nhỏ dòng cảm ứng. - Điều khiển dễ dàng hơn dòng nguồn DC cung cấp. - Giảm tần số đóng cắt trên các khóa bán dẫn. Ngoài các yếu tố vừa nên bên trên, một yếu tố không kém phần quan trọng đó là khi lựa chọn được các trạng thái redundant (Redundant State Selection - RSS) sẽ ảnh hưởng đến điện áp C.M (do RSS tăng – giảm điện áp trên tất cả các pha). Qua giản đồ RSS cho từng pha, dễ dàng nhận thấy các vector không gian điện áp không chỉ được thực thi từ một tổ hợp các trạng thái đóng cắt mà là một tập hợp số lượng các trạng thái redundant. Về nguyên lý, phương pháp điều chế vector không gian với bộ biến tần đa bậc được thực hiện tương tự như ở hai bậc. Để tạo ra vector trung bình tương đương cho một vector  cho trước, trước hết hãy xem vector  nằm ở vị trí nào trong hình lục giác. Để thuận tiện, thông thường diện tích hình lục giác được chia nhỏ thành các hình lục giác con. Ví dụ góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác được giới hạn bởi ba vector ,  và  được chia nhỏ thành các diện tích như hình 2.11. Vector  đang được điều khiển cần đạt được các giá trị sao cho vị trí của nó nằm ở phần diện tích k. Bước kế tiếp ta xác định các vector không gian cần thiết – còn gọi là các vector cơ bản, các vector này cần thiết để tạo nên vector trung bình nằm trong diện tích k. Nhìn vào hình ta thấy đó chính là các vector ,  và . Như vậy vector tương đương vector  có thể được biểu diễn duy trì các tác động quay theo trình tự   trong khoảng thời gian T1,  trong khoảng thời gian T2,   trong khoảng thời gian T3 theo hệ thức sau: (a)       (b) Hình 2.11: Vị trí vector  ở phần diện tích k của giản đồ vector                                                                              (2.17) Với TS = T1 + T2 + T3 là chu kỳ lấy mẫu. Hình 2.12: Vector  được trình bày trong hệ trục toạ độ tĩnh Vấn đề còn lại là xác định các thời gian tác dụng T1, T2, T3 của các vector cơ bản. Nếu ta biết được vector  dưới dạng các thành phần vuông góc U và U trong hệ tọa độ tĩnh, minh hoạ trên hình 2.12, quan hệ giữa các thành phần vector u và u với thời gian duy trì trạng thái vector ,  và  có thể được biểu diễn dưới dạng ma trận như sau:           (2.18) Với V1, V2, V3, V1, V2, V3 là các thành phần theo hệ trục toạ độ – của các vector ,  và  trên lục giác. Từ đó thời gian có thể xác định theo ma trận ngược:       (2.19) Hay thường viết dưới dạng các giá trị tương đối (bỏ qua các đơn vị, giúp dễ dàng hơn khi biểu diễn): dj = Tj/Ts ; j = 1, 2, 3:                 (2.20) Áp dụng cụ thể vào bốn diện tích hình tam giác trong góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác (, ‚, ƒ, „), chú ý đến vector cơ bản trong mỗi diện tích trên, ta thu được kết quả sau (xem Hình 2.11): Trong diện tích , vector cơ bản ,  và :           (2.21) Trong diện tích ‚, vector cơ bản ,  và :                          (2.22) Trong diện tích ƒ, vector cơ bản ,  và :                          (2.23) Trong diện tích „, vector cơ bản ,  và :                           (2.24) Nếu vector nằm ở phần sáu thứ i so với góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác tính từ vị trí trục thực , ta có thể qui đổi nó về góc phần sáu thứ nhất để xác định thời gian tác động của các vector cơ bản được xác định theo hệ thức:   với: i = 1, 2, …, 6   (2.25)   với: i = 1, 2, …, 6    (2.25) Từ giản đồ vector và các công thức vừa nêu, thành lập giản đồ kích dẫn các linh kiện cho bộ nghịch lưu áp ba bậc minh hoạ trên Hình 2.13, áp dụng cho góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác trong một chu kỳ lấy mẫu. Chú ý do trạng thái kích dẫn các linh kiện trên cùng nhánh pha tải cho bởi qui luật đối nghịch nên giản đồ chỉ cần trình bày trạng thái của S1x và S2x, với x = a, b, c. Từ giản đồ ta thấy các trạng thái kích dẫn tương ứng cho ba vector cơ bản ,  và . Trên hình 2.13, ta thấy S1c luôn ở trạng thái ngắt do sóng mang Sp1 không giao với sóng điều chế . Thời gian kích dẫn các vector này có thể suy ra từ biểu thức tính toán T1, T2, T3 ở trên hoặc trên kỹ thuật điều chế bề rộng xung dựa vào sóng mang (CBPWM) như trên Hình 2.16. Như vậy dựa vào giản đồ kích dẫn các linh kiện, ngoài giá trị modul và góc pha đã biết trong đồ thị vector quay ta còn biết được trạng thái đó sẽ phải duy trì trong thời gian bao lâu (thời gian đóng ngắt các tiếp điểm). Hình 2.13: Giản đồ kích dẫn linh kiện trong nghịch lưu áp 3 bậc Những kỹ thuật vừa nêu có thể dễ dàng ứng dụng sang các bộ nghịch lưu áp đa bậc, cụ thể khi áp dụng các công thức vừa nêu bên trên, ta có giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu năm bậc. 3.5. Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu năm bậc Với bộ nghịch lưu năm bậc, khả năng điều khiển kích dẫn linh kiện tạo nên 125 trạng thái khác nhau. Ta xét mỗi trạng thái minh hoạ bởi tổ hợp (ka kb kc), với:                          (2.26) Các hệ số trạng thái ka, kb, kc phụ thuộc vào cách quy ước trước. Ta tiến hành quy ước như sau: (sự quy ước này dựa vào bảng trạng thái đóng ngắt) Hình 2.14: Giản đồ vector điện áp Bộ nghịch lưu năm bậc                 2.27) Trong quá trình kích, quy luật đóng ngắt đối nghịch phải tuân thủ:  ;        (2.28) Với x = a, b, c. Theo định nghĩa vector không gian, tương ứng 125 trạng thái kích dẫn linh kiện ta thu được 61 vị trí vector không gian của vector điện áp tạo thành. Tại tâm của lục giác có năm trạng thái khác nhau cho cùng vị trí tại đó là vector không. Các vị trí còn lại ứng với các trạng thái được biểu diễn trong giản đồ vector hình 2.14 V. Ứng dụng biến tần đa bậc 1. Giới thiệu Ngày nay, trong lĩnh vực truyền động điện, vấn đề điều khiển tốc độ động cơ đôi khi là một yếu tố mang tính sống còn. Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số của mạch như: điện trở phụ, từ thông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ. Các phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ: Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp cơ khí, tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất. Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp điện, tức là biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Ở đây, ta chỉ xem xét việc điều chỉnh tốc độ dùng các biến tần theo phương pháp điện. Các bộ biến tần với chức năng và lợi thế của chúng đã được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các hệ truyền động. Trong đó, một phần đáng kể các biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ điện. Chức năng chính của bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ, và ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … do đó, chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất được ứng dụng trong trường hợp này. Để điều khiển được tốc độ của động cơ trong các hệ thống truyền động điện, ta phải nắm được đặc điểm của các loại động cơ điện và đặc tính cơ của nó từ đó, ta mới có hướng sử dụng các loại biến tần một cách phù hợp và hiệu quả nhất. Ở đây ta chỉ chú trọng đến loại động cơ điện không đồng bộ xoay chiều 3 pha và đặc tính cơ của nó. 2. Đặc tính cơ của các động cơ điện 2.1. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (song song) Truyền động điện một chiều sử dụng các động cơ điện một chiều được dùng cho các máy có  yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và mômen, và nó có chất lượng điều chỉnh tốt. Tuy nhiên, động cơ điện một chiều có cấu tạo phức tạp và giá thành cao, và nó đòi hỏi phải có bộ nguồn một chiều, do đó trong những trường hợp không có yêu cầu cao về điều chỉnh, người ta thường chọn động cơ KĐB để thay thế. Đặc tính cơ Phương trình đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ  ω = f(M) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Trong đó: - M: mômen quay: M = K. φ.Iư - Uư : điện áp phần ứng động cơ, (V) - Rư : điện trở cuộn dây phần ứng (Rư = rư + rct + rcb + rcp ) - Rp : điện trở phụ mạch phần ứng. - Iư   :  dòng điện phần ứng động cơ. K =  là hệ số kết cấu của động cơ. p - Số đôi cực từ chính. N - Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng. a - Số mạch nhánh song song của cuộn ứng. φ - Từ thông qua mỗi cực từ. Phương trình đặc tính cơ có dạng hàm bậc nhất y = B + Ax, nên đường biểu diễn trên hệ tọa độ M0ω là một đường thẳng với độ dốc âm. Đường đặc tính cơ cắt trục tung 0ω tại điểm có tung độ Tốc độ ωo được gọi là tốc độ không tải lý tưởng khi không có lực cản nào cả. Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ở chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra trường hợp MC = 0. Hình 1.1: Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập Khi phụ tải tăng dần từ MC = 0 đến MC = Mđm thì tốc độ động cơ giảm dần từ ωo đến ωđm. Điểm A(Mđm, ωđm) gọi là điểm định mức. Điểm cắt của đặc tính cơ với trục hoành 0M có tung độ ω = 0 và có hoành độ suy từ phương trình đặc tính cơ: Hình 1.2 : Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Mômen Mnm và Inm gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch. Đó là giá trị mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điện đầy đủ mà tốc độ bằng 0. Trường hợp này xảy ra khi bắt đầu mở máy và khi động cơ đang chạy mà bị dừng lại vì bị kẹt hoặc tải lớn quá kéo không được. Dòng điện Inm này lớn và thường bằng Inm = (10 ÷ 20)Iđm Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tượng tồn tại kéo dài 2.2. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp Đặc tính cơ. Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều nói chung ta có: Uư = Eư + (Rư + Rưf).Iư Eư = K.φ. ω Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp:  Hình 1.3 Đồ thị đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp là một đường hyperbol. Thực tế, động cơ thường được thiết kế để làm việc với mạch từ bảo hòa ở vùng tải định mức. Do vậy, khi tải nhỏ, đặc tính cơ có dạng đường hypecbol bậc 2 và mềm, còn khi tải lớn (trên định mức) đặc tính có dạng gần thẳng và cứng hơn vì mạch từ đã bảo hòa (φ = const). Khi MC = 0 (Iư = 0), theo phương trình đặc tính cơ thì trị số φ sẽ vô cùng lớn. Thực tế do có lực ma sát ở cổ trục động cơ và mạch từ khi Ikt = 0 vẫn còn có từ dư (φ d− ≠ 0) nên khi không tải MC ≈ 0, tốc độ động cơ lúc đó sẽ là: Tốc độ này không phải lớn vô cùng nhưng do từ dư φ dư  nhỏ nên ωo cũng lớn hơn nhiều so với trị số định mức (5-6) ωđm và có thể gây hại và nguy hiểm cho hệ TĐĐ. Vì vậy không được để động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải hoặc rơi vào tình trạng không tải. Không dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp với các bộ truyền đai hoặc ly hợp ma sát... Thông thường, tải tối thiểu của động cơ là khoảng (10÷20)% định mức. Chỉ những động cơ công suất rất nhỏ (vài chục Watt) mới có thể cho phép chạy không tải. 2.3. Động cơ điện ba pha xoay chiều không đồng bộ (KĐB) Truyền động điện không đồng bộ: Dùng động cơ điện xoay chiều không đồng bộ. Động cơ KĐB ba pha có ưu điểm là có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha. Tuy nhiên, trước đây các hệ truyền động động cơ KĐB lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ do việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB có khó khăn hơn động cơ điện một chiều. Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp chế tạo các thiết bị bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, truyền động không đồng bộ phát triển mạnh mẽ và được khai thác các ưu điểm của mình, đặc biệt là các hệ có điều khiển tần số. Những hệ này đã đạt được chất lượng điều chỉnh cao, tương đương với hệ truyền động một chiều. Đặc tính cơ. Khi coi 3 pha động cơ là đối xứng, được cấp nguồn bởi nguồn xoay chiều hình sin 3 pha đối xứng và mạch từ động cơ không bão hòa thì ta có thể xem xét động cơ qua sơ đồ thay thế 1 pha. Đó là sơ đồ điện một pha phía stator với các đại lượng điện ở mạch rôto đã quy đổi về stator. Hình 1.4 : Sơ đồ thay thế một pha động cơ KĐB Khi cuộn dây stator được cấp điện với điện áp định mức U1ph.đm trên 1 pha mà giữ yên rotor (không quay thì mỗi pha của cuộn dây rotor sẽ xuất hiện một sức điện động E2ph.đm theo nguyên lý của máy biến áp. Hệ số quy đổi sức điện động là: Các đại lượng điện ở mạch rotor có thể quy đổi về mạch stator theo cách sau: - Dòng điện:   I'2 = kI I2 - Điện kháng: X'2 = kX X2 - Điện trở:      R'2 = kR R2 Trên sơ đồ thay thế ở hình trên, các đại lượng khác là: I0                     - Dòng điện từ hóa của động cơ. Rm, Xm          - Điện trở, điện kháng mạch từ hóa. I1                     - Dòng điện cuộn dây stator. R1, X1            - Điện trở, điện kháng cuộn dây stator. Dòng điện rotor quy đổi về stator có thể tính từ sơ đồ thay thế: Ta có: : Công suất nhiệt trong cuộn dây 3 pha. Thay vào phương trình tính mômen ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ. Trong đó: Xnm = X1 + X'2 là điện kháng ngắn mạch. Với những giá trị khác nhau của s (0≤ s ≤1), phương trình đặc tính cơ cho ta những giá trị tương ứng của M. Đường biểu diễn M = f(s) trên hệ trục tọa độ sOM như hình dưới.Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó: Giải phương trình ta có: Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có: Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0≤ s ≤1 nên giá trị sth và Mth của đặc tính cơ chỉ ứng với dấu (+). Hình 1.5 : Đặc tính cơ của động cơ KĐB. Đoạn AK và KB, phân giới bởi điểm tới hạn K. Đoạn đặc tính AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn này, mômen động cơ tăng thì tốc độ động cơ giảm. Do vậy, động cơ làm việc trên đoạn đặc tính này sẽ ổn định. Đoạn KB cong với độ dốc dương. Trên đoạn này, động cơ làm việc không ổn định. 3. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ba pha KĐB sử dụng biến tần. Động cơ điện xoay chiều được dùng rất phổ biến trong một dải công suất rộng vì có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ vận hành, nguồn điện sẵn (lưới điện xoay chiều). Tuy nhiên, trong các hệ cần điều chỉnh tốc độ, đặc biệt với dải điều chỉnh rộng thì động cơ xoay chiều được sử dụng ít hơn động cơ một chiều vì còn gặp nhiều khó khăn. Gần đây, nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử, bán dẫn, việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ đã có nhiều khả năng tốt hơn. 3. 1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto. Phương pháp này chỉ được sử dụng với động cơ rotor dây quấn và được ứng dụng rất rộng rãi do tính đơn giản của phương pháp. Sơ đồ nguyên lý và các đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phần ứng như hình 1.6. Hình 1.6 : Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3 pha bằng cách thay đổi điện trở phụ trong rotor. Nhận xét: - Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ về phía giảm. - Tốc độ càng giảm, đặc tính cơ càng mềm, tốc độ động cơ càng kém ổn định trước sự lên xuống của mômen tải. - Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số mômen tải. Mômen tải càng nhỏ, dải điều chỉnh càng  hẹp. - Khi điều chỉnh sâu (tốc độ nhỏ) thì độ trượt động cơ tăng và tổn hao năng lượng khi điều chỉnh càng lớn. - Phương pháp này có thể điều chỉnh trơn nhờ biến trở nhưng do dòng phần ứng lớn nên thường được điều chỉnh theo cấp. 3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch stato. Thực hiện phương pháp này với điều kiện giữ không đổi tần số. Điện áp cấp cho động cơ lấy từ một bộ biến đổi điện áp xoay chiều. BBĐ điện áp có thể là một máy biến áp tự ngẫu hoặc một BBĐ điện áp bán dẫn như được trình bày ở mục trước. Hình sau trình bày sơ đồ nối dây và các đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần cảm. Hình 1.7 : Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3 pha bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch stator. Nhận xét: - Thay đổi điện áp chỉ thực hiện được về phía giảm dưới giá trị định mức nên kéo theomômen tới hạn giảm nhanh theo bình phương của điện áp. - Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ thường có độ trượt tới hạn nhỏ nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm điện áp thường được thực hiện cùng với việc tăng điện trở phụ ở mạch rotor để tăng độ trượt tới hạn do đó tăng được dải điều chỉnh - Khi điện áp đặt vào động cơ giảm, mômen tới hạn của các đặc tính cơ giảm, trong khi tốc độ không tải lý tưởng (hay tốc độ đồng bộ) giữ nguyên nên khi giảm tốc độ thì độ cứng đặc tính cơ giảm, độ ổn định tốc độ kém đi. 3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn xoay chiều. Thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ là thay đổi tốc độ không tải lý tưởng nên thay đổi được đặc tính cơ. Tần số càng cao, tốc độ động cơ càng lớn. Khi điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ thì các thông số liên quan đến tần số như cảm kháng thay đổi, do đó, dòng điện, từ thông,... của động cơ đều bị thay đổi theo và cuối cùng các đại lượng như độ trượt tới hạn, mômen tới hạn cũng bị thay đổi. Chính vì vậy, điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp thay đổi tần số thường kéo theo điều chỉnh điện áp, dòng điện hoặc từ thông của mạch stator. Khi giảm tần số xuống dưới tần số định mức, cảm kháng của động cơ cũng giảm và dòng điện động cơ tăng lên. Tần số giảm, dòng điện càng lớn, mômen tới hạn càng lớn. Để tránh cho động cơ bị quá dòng, phải đồng thời tiến hành giảm điện áp sao cho U/f =const. Đó là luật điều chỉnh tần số - điện áp khi f fđm ta không thể tăng điện áp U > Uđm nên các đặc tính cơ không giữ được giá trị mômen tới hạn. Người ta cũng thường dùng cả luật điều chỉnh tần số - dòng điện. 3.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực của động cơ. Đây là cách điều chỉnh tốc độ có cấp. Đặc tính cơ thay đổi vì tốc độ đồng bộ thay đổi theo số đôi cực. Động cơ thay đổi được số đôi cực là động cơ được chế tạo đặc biệt để cuộn dây stator có thể thay đổi được cách nối tương ứng với các số đôi cực khác nhau. Các đầu dây để đổi nối được đưa ra các hộp đấu dây ở vỏ động cơ. Số đôi cực của cuộn dây rotor cũng phải thay đổi như cuộn dây stator. Điều này khó thực hiện được đối với động cơ rotor dây quấn, còn đối với rotor lồng sóc thì nó lại có khả năng tự thay đổi số đôi cực ứng với stator. Do vậy, phương pháp này được sử dụng chủ yếu cho động cơ rotor lồng sóc. Các động cơ chế tạo sẵn các cuộn dây stator có thể đổi nối để thay đổi số đôi cực đều có rotor lồng sóc. Tỷ lệ chuyển đổi số đôi cực có thể là 2:1, 3:1, 4:1 hay tới 8:1. VI. Giới thiệu biến tần ACS 150 1. Nguồn cung cấp Một pha: 200 v – 240v (+-10%) Tần số : 48 – 63 Hz Hệ số công suất : 0.98 2.Cấu trúc tổng quan của biến tần ABB STT Ghi chú 3 Bảng điều khiển tichd hợp trên mặt máy gồm : bàn phím + màn hinh hiển thị 4 Nút thay đổi tần số : SPEED 5 Cổng kết nối truyền thông 8 Ngõ in/out 9 Kết nối nguồn cung cấp , kết nối với motor 10-11-12 Giá đỡ dây nối ngõ vào in/out 3.Chi tiết về sơ đồ kết nối in/ out của biến tần ABB ACS 150 4.Cách kết nối nên tránh ở ngõ ra của biến tần 5.Sơ đồ kết nối IN/OUT S1 : chọn tín hiệu analog điều khiển là dòng hay áp Dòng từ 0(4) -> 20 mA Áp từ 0(2) -> 10V Chức năng của các ngõ vào DI sẽ được cài đặt , ở mỗi cách cài đặt khác nhau thì cách kết nối sẽ khác nhau .Bên cạnh đó DI5 còn có thể cài đặt để nhận tần số từ bên ngoài vào 6.Chức năng từng phím trên mặt máy Thứ tự Chức năng 1 Màn hình hiển thị LCD chia thành 5 vùng Phía trên bên trái – Chọn cách thức điều khiển LOC : Điều khiển từ bàn phím REM : Điều khiển từ bên ngoài b .Phía trê bên phải : Đơn vị của giá trị hiển thị c. Ở giửa trung tâm màn hình : Hiển thị thông tin chung , tham số hiển thị , giá tri tín hiệu Menu hoặc bảng danh sách .Ngoài ra còn hiển thị những lỗi cảnh báo nếu có. d.Phía dưới bên trái : Hiển thị trạng thái hoạt động e.Phía dưới bên phải : FRW/REV SET : Cài đặt tham số hoặc giá trị 2 RESET/EXIT : Thoats ra khỏi MENU , hoặc lúc cái đặt tham số mà không cần lưu , hoăc reset khi bi lổi hay có cảnh báo 3 MENU/ENTER : cho hiển thị menu . lưu khi cài đặt giá trị , hiển thị giá trị cài đặt mới 4 UP: chọn các mục trong MENU hoặc LIST Chọn giá trị nhanh hơn 5 DOWNọn các mục trong MENU hoặc LIST Chọn giá trị nhanh hơn 6 LOC/REM : chọn phương thức điều khiển 7 DIR : thay đổi chiều quay của động cơ 8 STOP : Dừng quay động cơ khi điều khiển ở chế độ LOC 9 STAST : Cho quay động cơ khi điều khiển ở chế độ LOC 10 Potentiometer : Thay đổi tần số khi điều khiển ở chế độ LOC 7 .MENU chính Dùng các phím ,,, để chọn các chọ càn cài đặt trong MENU 8.Cách cài đặt và hoạt động của chế độ “ SHORT PARAMETER MODE “ Cách cài đặt và lưu giá trị tham số thực hiện giống các bước ở trên: 1105 Cài đặt giá trị lớn nhất từ tần số bên ngoài REF1 1202,1203,1204 Cài đặt tốc độ ( điều khiển tần số ngõ ra) 1,2,3 1301 Cài đặt phần trăm nhỏ nhất tín hiệu analog vào 2008 Cài đặt giá trị lớn nhất điều khiển tần số ngõ ra 2102 Chọn chức năng dừng của motor 2202 Chọn thời gian tăng tốc để đạt giá trị mong muốn 2203 Thời gian giảm tốc để dùng động cơ Điều khiển motor Bằng tay : nhấn phím LOC/REM , khi màn hình hiển thị LOC Nhấn RUN motor chạy , stop dừng Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách vặn nút SPEED (hình bên) Thay đổi chiều động cơ bằng cách nhấn nút FW/RS Điều khiển bằng REMOTE CONTROL Nhấn phím LOC/REM , khi màn hình hiển thị REM Một số cài đặt : Dòng AI điều khiển từ bên ngoài nối vào chân AI DI 1 = ON Dừng Động cơ 9. Cách cài đặt và hoạt động của chế độ “ LONG PARAMETER MODE “ : Các thao tác gần giống cách cài đặt và hoạt động của chế độ “ SHORT PARAMETER MODE “ 10.Một số sơ đồ kết nối dây IN/ OUT ABB khuyên dùng (macro) 10.1. ABB Standard macro Cách kết nối: Macro này dùng để điều khiển động cơ ở một tốc độ xác định DI3 DI4 TỐC ĐỘ HOẠT ĐỘNG 0 0 Tốc độ được cài đặt tư mặt máy potentiometer 1 0 Tốc độ 1 ( lệnh 1202) 0 1 Tốc độ 2 ( lệnh 1203) 1 1 Tốc độ 3 (lệnh 1204) DI5 =0 : cài đặt thời gian ở các lệnh 2202 và 2203 =1 : cài đặt thời gian ở các lệnh 2205 và 2206 10.2. 3 wire macro Macro này gần giông macro ABB Standard macro chỉ kác ở chổ DI1, DI2 tích cực khi có xung cạnh lên hay xuống của tín hiệu DI4 DI5 TỐC ĐỘ HOẠT ĐỘNG 0 0 Tốc độ được cài đặt tư mặt máy potentiometer 1 0 Tốc độ 1 ( lệnh 1202) 0 1 Tốc độ 2 ( lệnh 1203) 1 1 Tốc độ 3 (lệnh 1204) 10.3.Alternate Macro DI3 DI4 TỐC ĐỘ HOẠT ĐỘNG 0 0 Tốc độ được cài đặt tư mặt máy potentiometer 1 0 Tốc độ 1 ( lệnh 1202) 0 1 Tốc độ 2 ( lệnh 1203) 1 1 Tốc độ 3 (lệnh 1204) 10.4. Motor potentiometer macro (1) Nếu DI3 và DI4 điều hoạt động hoặc không hoạt động thì tần sô chuẩn sẻ không thay đổi. 11. Tín hiệu điều khiển kết nối từ bên ngoài Analog signal: Voltage signal : 0(2) – 10v ,Rin > 312 kohm Current Signal : 0(4) – 20 mA , Rin = 100ohm Sơ đồ kết nối khi ngõ vào là tín hiệu Dòng: Sơ đồ kết nối khi tín hiệu vào là áp Digital Signal: Có 5 ngõ vào số từ DI1 – DI5 Tùy vào cài đặt của máy mà mỗi ngõ vào số sẽ co chức năng tương ứng 12. Điều khiển 12.1 . Điều khiển bằng tay với sự hổ trợ màn hình và bàn phím Nhấn vào nút LOC trên mặt máy màn hình hiển thị LOC ở bên phải : tức chọn chế độ điều khiển bằng tay Volum Speed để tăng giảm tần số chọn Nhấn nút Start : Động cơ bắt đầu chạy Nhấn nút stop : Động cơ dừng Muốn thay đổi tốc độ động cơ ta vặn họn volum SPEDD , tần sốs hiển thị trên màn hình thay đổi -> tố độ động cơ thay đổi 12.2. Điều khiển bằng các thiết bị ngoại vi bên ngoài: ( WIN CC + PLC + MODUL EM 235 ) Nhấn vào nút LOC trên mặt máy màn hình hiển thị REM ở bên phải : tức chọn chế độ điều khiển từ thiệt bị bên ngoài Cài đặt : Tùy vào cách cài đặt cách nố dây ddể điều khiển từ bên ngoài khác nhau Kểt nối sơ đò dây như sau: VII. EM235 EM 235 là modul analog hổ trợ PLC ( cụ thể ở đây là cpu 224 SIEMEN) trong việc xuất tín hiệu tương tự ra bên ngoài để điều khiển thiết bị ngoại vi . Nguồn Cung cung cấp : 24VDC Có 4 ngõ vào analog (dòng /áp)/ 1 ngõ ra analog ( dòng/ áp) Sơ đồ cấu trúc vào ra cung Modul analog EM235 Các swith từ 1 – 6 dùng để chọ tín hiệu ngõ ra phù hợp với tín hiệu điều khiển mô tả chi tiét ở bảng sau: Attenuation : hệ số suy giảm VIII. PLC 1. Giới thiệu PLC S7-200 Điện áp cấp nguồn: 15 ÷ 30VDC Ngõ vào tích cực: 15 ÷ 30VDC Điện áp tại ngõ ra: 15 ÷ 30VDC 2. Sơ đồ khối cấu tạo của PLC Có các loại PLC S7-200 (Siemens): Các loại PLC thông thường: CPU222, CPU224, CPU224XP, CPU226 Theo loại điện áp người ta phân ra 2 loại: Loại cấp điện áp 220VAC : Ngõ vào : tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC ( 15VDC – 30VDC) Ngõ ra : Ngõ ra rơ le Loại cấp điện áp 24VDC : Ngõ vào : tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC ( 15VDC – 30VDC) Ngõ ra : Ngõ ra Transistor 3. Ứng dụng xuất sung tốc độ cao CPU S7_200 có 2 ngõ ra xung tốc độ cao (Q0.0 ,Q0.1), dùng cho việc điều rộng xung tốc độ cao nhằm điều khiển các thiết bị bên ngoài. Việc điều rộng xung được thực hiện thông qua việc định dạng Wizard Có 2 cách điều rộng xung: điều rộng xung 50%(PTO) và điều rộng xung theo tỉ lệ(PWM). 3.1. Điều rộng xung 50% (PTO) Loại này xuất ra ngõ ra giá trị Ton = 50%T, điện áp trung bình = ½ VDC Ngoài ra: Q0.0 Q0.1 SMW68 SMW78 : Xác định chu kì thời gian SMW70 SMW80 : Xác định chu kì phát xung SMD72 SMD82 : Xác định số xung điều khiển Các Byte cho việc định dạng SMB67 ( cho Q0.0) và SMB77 ( cho Q0.1) Result of executing the PLS instruction Control Register (Hex Value) Enable Select Mode PTO Segment Operation Time Base Pulse Count Cycle Time 16#81 Yes PTO Single 1 µs/cycle Load 16#84 Yes PTO Single 1 µs/cycle Load 16#85 Yes PTO Single 1 µs/cycle Load Load 16#89 Yes PTO Single 1 ms/cycle Load 16#8C Yes PTO Single 1 ms/cycle Load 16#8D Yes PTO Single 1 ms/cycle Load Load 16#A0 Yes PTO Multiple 1 µs/cycle 16#A8 Yes PTO Multiple 1 ms/cycle 3.2. Điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM) Ứng dụng này điều rộng xung theo tỷ lệ tùy ý. Ton = 0 ÷ 100% T Định dạng thời gian cơ sở ( Time base) dựa trên bảng sau: Result of executing the PLS instruction Control Register (Hex Value) Enable Select Mode PWM Update Method Time Base Pulse Width Cycle Time 16#D1 Yes PWM Synchronous 1 µs/cycle Load 16#D2 Yes PWM Synchronous 1 µs/cycle Load 16#D3 Yes PWM Synchronous 1 µs/cycle Load Load 16#D9 Yes PWM Synchronous 1 ms/cycle Load 16#DA Yes PWM Synchronous 1 ms/cycle Load 16#DB Yes PWM Synchronous 1 ms/cycle Load Load Các Byte cho việc định dạng SMB67 ( cho Q0.0) SMB77 ( cho Q0.1) Ngoài ra: Q0.0 Q0.1 SMW68 SMW78 : Xác định chu kì thời gian SMW70 SMW80 : Xác định chu kì phát xung SMD72 SMD82 : Xác định số xung điều khiển 4. Đọc xung tốc độ cao (High Speed Counter - HSC) Định dạng bộ đếm tốc độ cao theo trình Wizard của Step 7 Micro Win. Ta thực hiện các bước sau: Chọn trình Wizard HSC: Chọn chế độ cho HSC: Định dạng bộ đếm Các chế độ của HSC và kết nối với ngõ vào của PLC để sử dụng bộ HSC Chế độ Miêu tả Input HSC0 I0.0 I0.1 I0.2 HSC1 I0.6 I0.7 I0.2 I1.1 HSC2 I1.2 I1.3 I1.1 I1.2 HSC3 I0.1 HSC4 I0.3 I0.4 I0.5 HSC5 I0.4 0 Đếm lên xuống Nhịp 1 Xóa 2 Bắt đầu 3 Đếm lên xuống với điều khiển hướng bên ngoài Nhịp Hướng 4 Xóa 5 Bắt đầu 6 Đếm lên xuống với hai xung nhịp Nhịp lên Nhịp xuống 7 Xóa 8 Bắt đầu 9 Đếm lên xuống với 2 xung AB vuông pha từ Encoder Nhịp A Nhịp B 10 Xóa 11 Bắt đầu 12 Chỉ có HSC0 và HSC3 hổ trợ Chế độ 12 HSC0 đếm số xung và xuất ra Q0.0 HSC3 đếm số xung và xuất ra Q0.1 - Các bit được sử dụng để điều khiển các chế độ của HSC: HDEF Control Bits(used only when HDEF is executed) HSC0 HSC1 HSC2 HSC4 Description SM37.0 SM47.0 SM57.0 SM147.0 Active level control bit for Reset**: 0 = Reset active high 1 = Reset active low SM47.1 SM57.1 Active level control bit for Start**: 0 = Start active high 1 = Start active low SM37.2 SM47.2 SM57.2 SM147.2 Counting rate selection for Quadrature counters: 0 = 4x counting rate 1 = 1x counting rate Các bit điều khiển: HSC0 HSC1 HSC2 HSC3 HSC4 HSC5 Description SM37.3 SM47.3 SM57.3 SM137.3 SM147.3 SM157.3 Counting direction control bit: 0 = count down 1 = count up SM37.4 SM47.4 SM57.4 SM137.4 SM147.4 SM157.4 Write the counting direction to the HSC: 0 = no update 1 = update direction SM37.5 SM47.5 SM57.5 SM137.5 SM147.5 SM157.5 Write the new preset value to the HSC: 0 = no update 1 = update preset SM37.6 SM47.6 SM57.6 SM137.6 SM147.6 SM157.6 Write the new current value to the HSC: 0 = no update 1 = update current SM37.7 SM47.7 SM57.7 SM137.7 SM147.7 SM157.7 Enable the HSC: 0 = disable the HSC 1 = enable the HSC Các bit trạng thái: HSC0 HSC1 HSC2 HSC3 HSC4 HSC5 Description SM36.0 SM46.0 SM56.0 SM136.0 SM146.0 SM156.0 Not used SM36.1 SM46.1 SM56.1 SM136.1 SM146.0 SM156.1 Not used SM36.2 SM46.2 SM56.2 SM136.2 SM146.0 SM156.2 Not used SM36.3 SM46.3 SM56.3 SM136.3 SM146.0 SM156.3 Not used SM36.4 SM46.4 SM56.4 SM136.4 SM146.0 SM156.4 Not used SM36.5 SM46.5 SM56.5 SM136.5 SM146.0 SM156.5 Current counting direction status bit: 0 = counting down; 1 = counting up SM36.6 SM46.6 SM56.6 SM136.6 SM146.0 SM156.6 Current value equals preset value status bit: 0 = not equal; 1 = equal SM36.7 SM46.7 SM56.7 SM136.7 SM146.0 SM156.7 Current value greater than preset value status bit: 0 = less than or equal; 1 = greater than IX. WINCC 1. Giới thiệu WinCC (Windows Control Center) Các bước để tạo một Project trong WinCC Khởi động WinCC Tạo một Project mới Cài đặt Driver kết nối PLC Tạo các biến Tạo và soạn thảo một giao diện người dùng Cài đặt thông số cho winCC Runtime Chạy chương trình (Activate) 2. Khởi động WinCC Nhấn nút Start – Simatic – WinCC – Windows Control Center 3. Tạo một Project mới Chọn Single-User Project. dụng bộ HSC: Gõ tên Project vào project name 4. Cài đặt Driver kết nối PLC Phải chuột vào Tag Management chọn Add New Driver Hộp thoại xuất hiện chọn Driver: OPC.chn 5. Tạo các biến 5.1 Biến nội Phải chuột vào Internal tags Chọn New Tag… Hộp thoại Tag Properties xuất hiện Chọn Tên Tag và kiểu dữ liệu chọn xong bấm OK 5.2. Biến ngoại: Sử dụng PC Access Khởi động PC Access – File – New chọn Tên PLC Địa chỉ PLC (từ 1 đến 126) Để tạo các biến ngoại ta chọn New - Item Hộp thoại Item Properties xuất hiện: Sau khi tạo xong các biến ta tiến hành tạo liên kết với WinCC Trong màn hình WinCC phải chuột vào OPC Groups chọn System Parameter Hộp thoại OPC Item Manager : Chọn Browse Server – đánh dấu vào Read Access và Write Access Nhấp vào “+” tại S7200.OPCServer Sau đó chon Add và chọn tiếp S7200 – OPCServer và Finish 6. Tạo và soạn thảo một giao diện người dùng Phải chuột vào Graphics Designer chọn New Picture Hộp thoại Graphics Designer xuất hiện: Trong màn hình này ta tạo các vùng liên kết, các nút nhấn và đồ thị hiển thị…. Và chỉnh sửa sao cho phù hợp với người dùng. 7. Cài đặt thông số cho winCC Runtime Trên cửa sổ WinCC Explorer click chuột phải vào mục Computer, chọn Properies sau đó Chọn Properties lần nữa. Trên tab Graphics Runtime chọn trang màn hình khởi động, và đặt các thuộc tính cho màn hình giao diện Nhấn Ok để thoát. Cuối cùng nhấn Active để chạy chương trình. CHƯƠNG 2THỰC HIỆN ĐỒ ÁN I. Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển motor II. Điều khiển bằng tay Các bước thực hiện: Cài đặt thông số biến tần Nhấn phím LOC/ REM trên bàn phím điều khiển , cho màn hình hiển thị chữ LOC bên phải màn hình START -> động cơ hoạt động , SPEED thay đổi tần số -> thay đổi tốc độ động cơ FW/RS : chọn chiều quay của động cơ STOP : Dừng động cơ III. Điều khiển bằng WIN CC + PLC _ MODUL E235 1.Cài đặt thông số Menu -> PAR L -> - 10- ( START/STOP/DIR) -> 9 ( tức họn 2 ngõ vào số DI1 DI2 ) DI1 DI2 Hoạt động 0 0 STOP 1 0 START FORWARD 0 1 SATRT REVERSE 1 1 STOP 2. Chương trinh điều khiển PLC + WICC 2.1 Chương trình PLC 2.1.1.Chương trình chính 2.1.2.Chương trình SRB_HSC 2.1.3.Chương trình ngắt INT_10 2.2 Tạo Item trong PC Access 2.3.Giao diện WINCC: START_FW: Chạy tới. START_RW: Chạy lùi. RESET: Reset hệ thống. STOP: Dừng chương trình CHƯƠNG 3ĐÁNH GIÁ – KẾT LUẬN Ở đề tài chúng này chúng em thực hiện hoàn chỉnh điều khiển Động cơ 3 pha không đồng bộ bằng biến tần ABB – ACS150 Cả hai chế độ : - Bằng phím chức năng ở mặt máy - Thông qua giao tiếp PLC Do thời gian và kiến thức có hạn vì vậy Đề tài không tránh khỏi những sai sót, mong quý thầy cô và các bạn sinh viên đóng góp ý kiến để đề tài ngày càng hoàn thiện hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Nhờ (2002). Điện tử công suất 1. Nhà xuất bản Đại học quốc gia TPHCM. [2] Lê Văn Doanh (chủ biên), Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thinh. Điện tử công suất. Tập 1 và 2. Nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật. [3] M.H Rashid (2001), Power electronics, circuits, devices, and applications. Prentice – Hall International Editions. [4]  Đinh Thị Yên Hòa, Tài liệu ôn tập môn truyền động điện, (lưu hành nội bộ).[5] Poh Chiang Loh et al.(2003). Reduced Common Mode modulation strategies forcascaded multilevel inverters. In IEEE transactions on industry applications, vol.39 No 5September/ october 2003 [6] Sergio Busquets-Monge, Josep Bordonau, Dushan Boroyevich, and Seigio Somavilla (2004). The nearest three virtual space vector PWM- A modulation for the Comprehensive Neutral Point balancing in three level NPC inverter. In IEEE Power electronics letters, vol 2, No 1, March 2004 11 [7] Website www.hiendaihoa.com [8] Website www. Dientuvietnam.com [9] abb.com/ [10]siemen.com