Đồ án Điều khiển bơm ổn định áp suất

Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 1 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG  BÁO CÁO ĐỒ ÁN KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Đề tài : ĐIỀU KHIỂN BƠM ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT Giáo viên hướng dẫn : Ts. Lê Quang Đức Sinh viên thực hiện : Trần Ngọc Hoàng 0951060021 Lƣơng Trọng Nam 0951060038 Đề tài : Bơm ổn định áp suất , điều khiển bơm cấp nước ổn định áp suất cho một chung cư khi các hộ sử dụng không có quy luật. Lưu lượng tối đa 50 m3/h, cột áp 40 m. Chọn bơm , động cơ , biến tần , cảm biến áp suất. Điều khiển ổn định áp suất nước. Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 2 I. TÌM HIỂU VỀ VẤN ĐỀ  ĐỐI TƢỢNG: tòa nhà khu công nghiệp, khu chung cư,  YÊU CẦU: Nhu cầu sử dụng nước trong khu công nghiệp, khu dân cư rất khác nhau trong các thời điểm của ngày (cao điểm và thấp điểm), yêu cầu đặt ra là phải giải quyết được việc tự động ổn định áp suất trên đường ống cấp nước và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống cấp nước.  Để đáp ứng nhu cầu áp lực nước trong hệ thống luôn đủ khi nhu cầu sử dụng nước thay đổi bất thường, máy bơm trong hệ thống luôn làm việc liên tục ở chế độ đầy tải. Tuy nhiên điều này dẫn đến 1 số bất lợi sau: +Áp lực nước trong hệ thống đôi khi tăng lên quá cao không cần thiết, 1 số thời điểm nhu cầu sử dụng nước giảm xuống nhưng hệ thống bơm vẫn chạy đầy tải. Điều này gây lãng phí năng lượng rất lớn và áp lực lên đường ống cao. + Bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ cơ khí. - Đặc tính của bơm: Đặc tính của bơm là mối quan hệ giữa lưu lượng và cột áp. Đặc tính làm việc của bơm khi dùng biến tần Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 3  GIẢI PHÁP: Vì vậy dùng biến tần để điều khiển hệ thống sẽ đáp ứng được những yêu cầu ta cần . Khi nhu cầu xử dụng nước cao, cần áp lực trên đường ống cao thì biến tần sẽ tự động điều khiển động cơ quay ở tốc độ cao nhất để duy trì áp lực, ngược lại khi nhu cầu xử dụng nước thấp, cần áp lực thấp, biến tần sẽ điều khiển động cơ giảm tốc độ xuống hoặc dừng hẳn. Khi đó năng lượng điện được tiết kiệm. - Khi dùng biến tần thì dòng khởi động được hạn chế sẽ không gây sụt áp khi khởi động để tránh ảnh hưởng tới các thiết bị khác. - Quá trình START , STOP của bơm được êm hơn, tác dụng giảm tác hại cho động cơ về mặt cơ khí. Chi phí bão dưỡng giảm. - Tiết kiệm năng lượng khi nhu cầu sử dụng thay đổi nhiều. - Có các chức năng bảo vệ : quá áp , thấp áp , quá nhiệt, bảo vệ nhiệt động cơ ,bảo vệ quá tải - Khởi động bơm từ từ với việc cài đặt thời gian tăng tốc, giảm tốc tránh gây rung đường ống và sự thay đổi áp suất đột ngộttránh ảnh hưởng xấu cho hệ thống.  Để biến tần điều khiển đƣợc hoạt động của bơm thì cần phải có cảm biến áp suất phản hồi về. Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 4 Sơ đồ khối của hệ thống nhƣ sau: I. CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH CỦA MÔ HÌNH. 1. Chọn bơm – động cơ Từ yêu cầu bơm nước với lưu lượng tối đa là:  Lưu lượng: Q = 50 m3/h  Cột áp : H= 40 m. Cho nên nhóm chọn bơm đi liền với động cơ nổi tiếng của hãng PENTAX - Ý  Type: CM 65 – 160A  Tốc độ : 2900 rpm  Điện áp-tần số-dòng điện: 400V-50Hz-30A  Cột áp-lưu lượng: 40.4m – 54 m3/h  Power: 15 kW (20 Hp)  Số cực: 2 poles  Áp suất max: 10 bar Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 5  Có catalogue kèm theo – (page 14) 2. Chọn biến tần. (chọn của hãng ROCKWELL)  Các loại biến tần ROCKWELL: powerflex 4 – 40 – 40P – 400 – 70 – 700 – 700H – 700S - 7000 Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 6 Với tải bơm này thì động cơ làm việc ở chế độ dài hạn, momen khởi động không lớn. Do đó chọn dòng biến tần PowerFlex 400 của ROCKWELL loại điều khiển U/f cho ứng dụng hệ thống cấp nước có yêu cầu tự động điều chỉnh áp suất ổn định. Với việc hỗ trợ chức năng điều khiển PID, biến tần sẽ nhận tín hiệu analog (dòng hoặc áp) từ sernsor áp suất (được gắn trên đường ống chính) đưa về, biến tần sẽ tự động thay đổi tần số, từ đó thay đổi tốc độ bơm, vì thế việc khống chế áp lực trên đường ống trở nên dễ dàng hơn rất nhiều. Yêu cầu: chọn biến tần PowerFlex 400 của hãng ROCKWELL sao cho PBT ≥ PBƠM hay PBT ≥ 15 kW (20Hp) Vậy nhóm chọn biến tần Powerflex 22C-D038A103 của hãng ROCKWELL với các tính năng đáp ứng yêu cầu đề ra. BIẾN TẦN THÔNG SỐ Công suất định mức 18,5KW Điện áp định mức 3 pha – 380V Dòng điện định mức 40 A (Input) 38A (Output) Tần số 50Hz Tính năng Điều khiển U/f Cấp bảo vệ IP30 Bảo vệ tránh cao áp 575 VAC Bảo vệ tránh thấp áp 275 VAC Bảo vệ dòng quá tải cho động cơ 110% cho 60 secs Hãng ROCKWELL Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 7 Có Catologue kèm theo (page 126)  Chọn các phụ kiện đi theo biến tần: a) Chọn Input & Output Line Reactors: Theo khuyến cáo của NSX biến tấn, nhóm chọn Line Reactors của hãng Rockwell có mã số: 1321 - 3R35B LINE REACTOR THÔNG SỐ Điện áp định mức 380 – 480 VAC Dòng điện định mức 35 A Giá trị điện cảm 0.8 Hãng ROCKWELL Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 8 b) Chọn EMC Line Fillter: Theo khuyến cáo của NSX biến tấn, nhóm chọn EMC Line Fillter của hãng Rockwell có mã số: 22-RFD050 EMC LINE FILLTER THÔNG SỐ Điện áp định mức 380 – 480 VAC Dòng điện định mức 50 A Hãng ROCKWELL Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 9 II. CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ 1. Chọn các thiết bị điều khiển và bảo vệ bên mạch động lực: a) Chọn CONTATOR Yêu cầu: Chọn loại AC1 hoặc AC3 (xuống một cấp) Uđm >=Ulưới =380V Iđm >=Idriver =40 A Điện áp cuộn hút 220-240 V AC → Dựa vào các yêu cầu và khuyến cáo của NSX biến tần, Nhóm chọn Contactor của hãng Allen-Bradley, có mã số: 100-C60F10 CONTACTOR THÔNG SỐ Loại AC1 Thông tin 1 NO Điện áp định mức 400 VAC Điện áp cuộn hút 220 - 230VAC Dòng điện định mức 100 A Hãng ALLEN BRADLEY Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 10 Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 11 b) Chọn MCB Yêu cầu: Dùng để bảo vệ ngắn mạch và quá tải Uđm >= Ulưới = 380V Iđm >=(1.2-1.4)* Idriver (40A) → Dựa vào các yêu cầu và khuyến cáo của NSX biến tần, Nhóm chọn MCB của hãng Allen-Bradley, có mã số: 140M-F8E-C45 MCB THÔNG SỐ Điện áp định mức 400 VAC Dòng điện định mức 45 A Dòng điện cắt 65 kA Hãng ALLEN BRADLEY Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 12 2. Chọn các thiết bị điều khiển và bảo vệ bên mạch điều khiển: a) Chọn CB bảo vệ các thiết bị trong mạch điều khiển: Yêu cầu: Uđm >=Ulưới = 220V ICB >=1.3*Itổng = 1 A  Dựa vào yêu cầu nhóm chọn CB loại BKN 1P+N, mã số 140M-C2E-B16 của hãng Allen-Bradley . Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 13 b) Chọn nút nhấn Yêu cầu: Nút nhấn ON: loại NO, màu xanh. Nút nhấn OFF: loại NC, màu đỏ. Thông số kĩ thuật của nút nhấn: Điện áp 220VAC  Vậy nhóm chọn nút nhấn của hãng IDEC có mã sản phẩm: YW1L-MF2E01QM3 (RED) và YW1L-MF2E10QM3 (GREEN) Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 14 Ghi chú:Catalog của nút nhấn trang 6/24 c) Chọn đèn báo Yêu cầu: chọn 1 đèn báo khi có nguồn cấp cho biến tần – khi nhấn nút ON (red), 1 đèn báo khi biến tần chạy – khi nhấn START (blue), 1 đèn báo khi biến tần dừng – khi nhấn nút STOP (red) và 1 đèn báo khi biến tần xảy ra lỗi (yellow) Thông số kĩ thuật của đèn: Điện áp 220 VAC  Vậy nhóm chọn đèn báo của hãng IDEC có mã sản phẩm: YW1P-2EQM3 Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 15 d) Chọn Relay trung gian: Yêu cầu: Dùng để điều khiển đóng cắt các tiếp điểm trên biến tần và trên mạch điều khiển. Yêu cầu đặc tính kĩ thuật: Điện áp định mức (cuộn hút + tiếp điểm): 220 VAC Số tiếp điểm cần thiết: 2 NO + 1 NC ĐÈN BÁO THÔNG SỐ Điện áp định mức 220 VAC Đường kính bệ tròn 22 mm Dòng điện tiêu thụ 2.7 mA Hãng IDEC Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 16  Vậy nhóm chọn Relay của hãng OMRON có mã số sau: MY2 AC220/240 (S) (cataloge kèm theo)  chọn đế cho relay: RELAY THÔNG SỐ Điện áp định mức (cuộn hút) 220/240 VAC Dòng điện định mức 4.8/5.3 mA Số cặp tiếp điểm 2 NO + 2 NC Hãng OMRON Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 17 Nhóm chọn đế Relay tương ứng với Relay trên của hãng OMRON, có mã số: PYF08A-E Ghi chú:Catalog của Relay trang 10/20 Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 18 e) Chọn cảm biến áp suất Ta tính được áp suất max của đường ống là: Pmax = ρ.g.h = 1000.10.40 = 400 kPa = 4 Bar Yêu cầu: chọn cảm biến áp suất có các đặc tính kĩ thuật sau: Dải áp suất: 0 ÷ (>= 4) bar Tín hiệu phản hồi: 4 ÷ 20 mA Nguồn cấp: 24 VDC  Dựa vào các thông số trên nhóm chọn cảm biến áp suất của hãng MEASUREMENT, có mã số M5100 SENSOR THÔNG SỐ Dải áp suất 0 – 7 bar Tín hiệu phản hồi 4 – 20 mA Nguồn cấp 9 – 30 VDC Hãng MEASUREMENT Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 19 f) Chọn cable điện  Cable cho mạch động lực Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 20 Theo khuyến cáo của NSX biến tấn, nhóm chọn Cable cho mạch động lực có tiết diện 25 mm2 của hãng LS-VINA Cable, dòng phụ tải khoảng 90 A : Ghi chú:Catalog của cáp trang 10/39  Chọn dây cáp điều khiển: Theo khuyến cáo của NSX biến tấn, nhóm chọn Cable cho mạch điều khiển có tiết diện 1 mm2 của hãng CADIVI Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 21 g) Chọn máy biến áp cách ly: Yêu cầu: Input voltage: 220 V Output voltage: 220 V Cách ly mạch điều khiển với lưới điện. Căn cứ trên các thiết bị đã chọn, biến áp cách ly cho mạch điều khiển có công suất khoảng 80VA  Vậy, nhóm chọn mba cách ly của hãng V-Standa., JSC có mã số: ST-1000VA-BACL Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 22 III. SƠ DỒ MẠCH 1. Mạch động lực (file autocad kèm theo) THIẾT BỊ CHỨC NĂNG Biến tần Điều khiển, bảo vệ động cơ Động cơ - Bơm Bơm nước Sensor Đo áp suất trên đường ống và phản hồi tín hiệu về biến tần Line Reactor Lọc sóng hài, chống nhiễu BACL THÔNG SỐ Điện áp vào 220 VAC – 1 phase Điện áp ra 220 VAC Công suất 1000 VA Hãng V-Standa., JSC Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 23 EMC Line Fiter Lọc sóng điện từ cao tần, chống nhiễu Tiếp điểm chính của contactor Đóng ngắt điện vào biến tần MCB Bảo vệ ngắn mạch 2. Mạch điều khiển (file autocad kèm theo) THIẾT BỊ CHỨC NĂNG CB Cấp nguồn và bảo vệ ngắn mạch cho mạch điều khiển Cuộn hút của contactor và rơle điều khiển Điều khiển đóng ngắt các tiếp điểm Biến áp cách ly Cấp nguồn và cách ly mạch điều khiển với lưới điện Biến trở Đặt tốc độ cho các động cơ Biến áp cách ly Cách ly mạch điều khiển với lưới điện Các nút nhấn Thao tác để điều khiển Các đèn báo Báo chế độ hoạt động và lỗi của hệ thống 3. Thuyết minh hoạt động (file autocad kèm theo) Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 24  Chế độ hoạt động - Bật MCB cấp nguồn cho mạch động lực và CB cấp nguồn cho mạch điều khiển. - Khi nhấn nút ON cuộn hút KM có điện cấp nguồn vào biến tần, đồng thời tiếp điểm phụ K1 đóng lại duy trì nguồn cho mạch điều khiển, đèn trắng sáng báo hiệu có nguồn vào hệ thống. Khi biến tần không có lỗi tiếp điểm R2 – R3 đóng lại, R1 – R2 mở ra, lúc này cho phép biến tần hoạt động. - Muốn động cơ chạy ta nhấn nút START, cuộn hút MY có điện, các tiếp phụ MY chuyển trạng thái, điều khiển biến tần cho động cơ chạy, đồng thời đèn RUN sáng, báo làm việc. - Khi động cơ đang chạy muốn động dừng thì ta nhấn nút STOP, đồng thời đèn STOP sáng, báo động cơ dừng làm việc. - Khi nhấn nút OFF toàn bộ hệ thống dừng hoạt động. - Trong quá trình hoạt động thay đổi tốc độ bơm bằng cách vặn biến trở.  Chế độ bảo vệ - Khi xảy ra sự cố ngắn mạch thì MCB sẽ ngắt nguồn vào biến tần, mạch động lực được bảo vệ. Khi có ngắn mạch bên mạch điều khiển thì CB bảo vệ (của biến áp cách ly) tác động, ngắt Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 25 nguồn điện vào mạch điều khiển, mạch điều khiển được bảo vệ. - Khi biến tần có sự cố thì tiếp điểm của Relay output R2 – R3 mở ra, R1 – R2 đóng lại, ngắt nguồn của cuộn hút contactor KM và cuộn hút Role MY làm dừng động cơ, đồng thời đèn ERROR sáng, báo lỗi. Lúc này vẫn có điện vào biến tần và đèn ERROR báo lỗi cho đến khi khắc phục sự cố hay ngắt nguồn vào hệ thống. IV. CÀI ĐẶT BIẾN TẦN. CÀI ĐẶT CÁC THÔNG SỐ CẦN THIẾT NO. Parameter Range setting Setting CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA BIẾN TẦN b001 Tần số xuất cho động cơ 0/ [Maximum Freq] 50 Hz b002 Tần số nguồn điện 0/ [Maximum Freq] 50 Hz b003 Dòng điện ra động cơ 0.0/(Drive Amps × 2) 30 A b004 Điện áp ra động cơ 0/510 380 VAC b006 Trạng thái biến tần 0/1 1111 b010 Công suất động cơ 0.0/999.9 kW 18.5 kW b014 Nhiệt độ biến tần 0/120 degC 400C CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ P031 Điện áp định mức của động cơ 20/Drive Rated Volts 380 VAC P032 Tần số định mức của động cơ 15/320 Hz 50 Hz A199 Số cực động cơ 2/40 2 pole A200 Dòng động cơ khi đầy tải 0.1/(Drive Amps × 2) 30 A P033 Dòng điện quá tải của động cơ 0.0/(Drive Amps × 2) 37.5 P034 Giới hạn tần số dưới động cơ làm việc 0.0/320.0 Hz 20 Hz Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 26 P035 Giới hạn tần số trên động cơ làm việc 0.0/320.0 Hz 50 Hz P036 Kiểu nguồn điều khiển 0/6 2 = “2 wire” P037 Chế độ dừng 0/7 4 = “Ramp” P038 Tốc độ tham chiếu 0/5 2 = “AI1” P039 Acc (thời gian khởi động) 0.00/600.00 Secs 3 secs P040 Dec (thời gian dừng) 0.00/600.00 Secs 3 secs P041 Reset về mặc định 0/1 0 = “ready” P042 Chế độ tự động/bằng tay 0/3 3 = “auto” P043 Quá tải động cơ 0/1 1 = “enabled” CÀI ĐẶT CÁC ĐẤU NỐI T055 Cài đặt cho relay output 1 0/23 7 = “above current” T056 Phần trăm relay 1 tác động 0.0/9999 150 T058 Thời gian relay 1 mở 0.0/600.0 Secs 0 secs T059 Thời gian relay 1 đóng 0.0/600.0 Secs 0 secs T069 Chọn tín hiệu trên chân AI1 0/6 1 = “4 – 20 mA” T073 Chọn tín hiệu trên chân AI2 0/7 1 = “4 – 20 mA” CÀI ĐẶT TRUYỀN THÔNG C101 Chọn ngôn ngữ 1/10 1 = “english” CÀI ĐẶT PHẢN HỒI A152 PID referrent 0/8 2 = “AI1” A153 PID feedback 0/2 1 = “AI2” A154 KP 0.00/99.99 1 A155 KI 0.0/999.9 Secs 2 secs A154 KD 0.00/99.99 (1/Secs) 0 (1/secs) A167 Flying start 0/1 1 = “enabled” A170 Chọn luật điều khiển 0/15 0 = “V/Hz” Đồ án môn học : Kĩ thuật điều khiển động cơ GVHD : TS. Lê Quang Đức NHÓM 04 – LỚP DC09 Page 27 V. HOẠCH TOÁN KINH TẾ. ST T TÊN SẢN PHẨM MÃ HÀNG HÃNG SX (XUẤT XỨ) SỐ LƢỢN G ĐƠN GIÁ 1 Động cơ - Bơm CM 65 – 160A PENTAX - Ý 1 2 Biến tần 22C-D038A103 ROCKWELL - MỸ 1 £1,660. 00 3 Line reactor 1321 - 3R35B ROCKWELL - MỸ 2 4 EMC Line Fillter 22-RFD050 ROCKWELL - MỸ 1 5 Contactor 100-C60F10 Allen-Bradley 1 6 MCB 140M-F8E-C45 Allen-Bradley 1 7 CB 140M-C2E-B16 Allen-Bradley 1 8 sensor M5100 Measuremen t 1 9 Dây cáp LS-VINA 25 mm 2 * 15m CADIVI 0.5 mm 2 * 5m 10 Nút nhấn YW1L-MF2E01QM3 (RED) IDEC 1 YW1L-MF2E10QM3 (GREEN) IDEC 1 11 Đèn báo YW1P-2EQM3 IDEC 4 12 Máy biến áp cách ly ST-1000VA-BACL V-Standa., JSC 1 13 Rơ le trung gian MY2 AC220/240S OMRON 1 14 Đế cắm rơ le PYF08A-E OMRON 1