Ứng dụng thiết bị điện tử công suất thay thế máy phát điện một chiều trong hệ truyền động của các máy gia công cơ khí

ỨNG DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT THAY THẾ MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG CỦA CÁC MÁY GIA CÔNG CƠ KHÍ. KS. Phạm Thanh Liêm Viện Khoa học Công nghệ Mỏ “Chương trình mục tiêu Quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả” đang được triển khai trên diện rộng trong các ngành công nghiệp, trong đó có ngành Than. Thời gian qua, khi tiến hành khảo sát các thiết bị đặc trưng trong các Công ty chế tạo cơ khí của Ngành, nhóm kiểm toán đã nhận thấy một số máy móc, thiết bị gia công chế tạo cơ khí còn đang sử dụng các hệ truyền động lạc hậu, gây tổn thất nhiều năng lượng. Vì vậy, trong bài báo này chúng tôi muốn trình bày giải pháp ứng dụng thiết bị điện tử công suất thay thế máy phát điện một chiều trong hệ truyền động của các máy gia công cơ khí, một giải pháp hữu hiệu nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng cho xí nghiệp. 1) Hệ thống truyền động điện hiện đang sử dụng cho một số máy gia công cơ khí. Như chúng ta đều biết ưu điểm của động cơ một chiều là sinh ra mômen lớn. Do vậy, các động cơ trong các máy gia công cơ khí thường sử dụng động cơ điện một chiều. Nhưng việc điều khiển tốc độ động cơ một chiều không phải là vấn đề đơn giản. Trong hệ truyền động này động cơ điện một chiều được lấy điện từ tủ điều khiển cho động cơ điện một chiều. Đầu vào tủ điều khiển được cung cấp bởi một máy phát điện một chiều. Đây là một tổ máy, trong đó gồm có một động cơ không đồng bộ ba pha và một động cơ đồng bộ một chiều hoạt động ở chế độ máy phát. Động cơ không đồng bộ ba pha làm nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng. Cơ năng được chuyển qua máy phát DC và biến thành điện năng cung cấp cho tủ điều khiển. Qua thời gian sử dụng và bảo dưỡng các máy phát điện một chiều ngày càng không đảm nhiệm được nhiệm vụ cung cấp điện có chất lượng cho động cơ một chiều. Quá trình khảo sát các máy gia công cơ khí của một số Công ty cơ khí trong ngành Than chúng tôi thấy một vấn đề là máy móc đã được đầu tư khá lâu và hệ truyền động và điều khiển cho chúng đều đang tồn tại như mô tả ở trên. Với hệ truyền động này có khá nhiều nhược điểm như: Tổn thất năng lượng trong động cơ ba pha; Tổn thất năng lượng trong máy phát điện một chiều; Tổn thất năng lượng trong động cơ điện một chiều; Đặc tính cơ của động cơ không giữ được cứng như yêu cầu (do công suất máy phát giảm theo thời gian sử dụng); Bảo dưỡng sữa chữa hệ thống phức tạp; Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp điện trở gây tổn thất điện năng, với phương pháp này mômen khi chạy tốc độ thấp cũng yếu; Điều chỉnh tốc độ với số cấp hạn chế. 2) Hệ thống truyền động điện kiểu mới: Với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngày nay trên thị trường đã xuất hiện các bộ biến đổi với các tính năng và chất lượng cao, hoàn toàn có thể thay thế cho hệ truyền động cồng kềnh, có các chỉ tiêu năng lượng thấp, để cung cấp cho các động cơ điện một chiều của các máy công cụ trong các xí nghiệp gia công và chế tạo cơ khí. a) Cấu tạo hệ thống và nguyên lý hoạt động của thiết bị điện tử công suất: Mentor II (Hình 2) là bộ điều khiển động cơ một chiều kỹ thuật số vạn năng, được sử dụng rộng rãi cho hầu hết các ứng dụng điều khiển động cơ một chiều, công suất thiết kế từ 7,5 kW đến 750 kW, điện áp từ 208-660V. Mô hình hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kiểu mới này được mô tả trong Hình 1. Chúng có ưu điểm nổi bật là:  *     Điều khiển tốc độ chính xác đến 0,1%, đáp ứng nhanh, mô men ổn định; *     Cài đặt tham số dễ dàng nhờ cấu trúc Menu tham số và phần mềm cài đặt Mentor Soft; *     Các đầu vào ra tương tự và số đều có khả năng lập trình linh hoạt; *     Có sẵn cổng truyền thông RS485; *     Mở rộng tính năng dễ dàng bằng cách cắm thêm bộ đồng vi xử lý MD29; * Tổn hao công suất do thiết bị điện tử công suất sinh ra nhỏ (1÷3%) * Tạo được đặc tính cơ cứng do duy trì được mômen ổn định ngay cả khi điều chỉnh tốc độ. Hình 1: Mô hình hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kiểu mới b) Một số thông số của thiết bị điện tử công suất điều khiển động cơ điện một chiều S-RAM (Hình 3) là đồ thị thể hiện sự liên quan giữa gia tốc và vận tốc theo thời gian, trong đó gia tốc do điều khiển của thiết bị biến đổi đột ngột còn vận tốc quay của động cơ biến đổi theo đường cong trơn , do vận tốc biến đổi đều nên quá trình hoạt động được êm ái.  Các ứng dụng chính : * Máy đùn nhựa, cao su; * Máy bọc dây cáp điện; * Máy tạo cuộn; * Máy xeo giấy; * Máy ly tâm đường; * Dây chuyền cán thép; * Điều khiển máy cắt, máy CNC.  Hình 2: Thiết bị điện tử công suất (Mentor II và Mentor MP) Hình 3. Đồ thị thể hiện sự liên quan giữa gia tốc và vận tốc theo thời gian. Mentor II bộ điều khiển động cơ DC với dải công suất rộng, lập trình hoàn toàn, có chung phần giao diện điều khiển. Lập trình nhanh chóng với các thông số cài đặt ít nhất cho ứng dụng đơn giản. Việc ghép thêm module ứng dụng (MD29) cho phép tổ hợp các hệ thống truyền động nhiều động cơ DC cấp cao với nhiều tính năng thông minh. Các bộ xử lý thông minh này giúp giảm việc sử dụng các PLC chủ bằng cách thiết kế hệ thống theo kiểu điều khiển phân tán với mạng CTNet với phần mềm lập trình hệ thống (SYPT). Khi hệ thống yêu cầu sử dụng PLC, thì có sẵn nhiều kiểu module truyền thông hỗ trợ cho yêu cầu này. Trong Bảng 1 cho thấy các thông số kỹ thuật của một số bộ điều khiển đang có mặt trên thị trường. Bảng 1. Thông số kỹ thuật của một số bộ điều khiển Bộ điều khiển động cơ Kiểu bộ điều khiển và model Áp dụng với kiểu động cơ 400VDC Dòng điện lớn nhất (A) Đơn Bốn kW Hp Đầu vào AC Đầu ra DC M25 M25R 7.5 10 21 25 M45 M45R 15 20 38 45 M75 M75R 30 40 60 75 M105 M105R 37.5 50 88 105 M155 M155R 56 75 130 155 M210 M210R 75 100 175 210 M350 M350R 125 168 292 350 M420 M420R 150 200 350 420 M550 M550R 200 268 460 550 M700 M700R 250 335 585 700 M825 M825R 300 402 690 825 M900 M900R 340 456 750 900 M1200 M1200R 450 603 1000 1200 M1850 M1850R 750 1105 1540 1850 3) Thực tế ứng dụng thiết bị điện tử công suất và đánh giá. Việc ứng dụng thiết bị điện tử công suất vào điều khiển động cơ điện một chiều còn chưa được quan tâm đúng mức. Một phần vì nó không được sử dụng rộng rãi một phần vì máy điện một chiều không phổ biến bằng máy điện xoay chiều. Mặt khác lợi ích của nó sau khi lắp đặt chưa có đơn vị nào đưa ra báo cáo và đánh giá nên việc áp dụng nó còn khó khăn. Trong toàn bộ dây truyền sản xuất của Công ty chế tạo máy TKV (VMC) với số lượng thiết bị sử dụng động cơ điện một chiều rất nhiều nhưng chúng tôi mới chỉ tìm thấy máy phay răng 5B370 đã ứng dụng thiết bị điều khiển công suất kiểu mới này (Hình 4). Qua thời gian quản lý vận hành cho thấy những ưu điểm nổi bật của hệ thống này là: Thiết bị vận hành được gần 5 năm nhưng chưa xảy ra sự cố nào; Máy khởi động và chạy êm, khu vực vận hành ít tiếng ồn; Giảm được tổn thất điện năng đáng kể trong quá trình điều khiển tốc độ; Cơ cấu điều khiển được đơn giản hoá. (a) (b) (c) Hình 4: Vị trí đã ứng dụng tại máy phay răng 5B370 công ty VMC a) Máy phay răng đang công tác; b) Tủ điều khiển tốc độ ăn răng; c) Thiết bị điện tử công suất của hàng Control Techniques 4) Kết luận Ứng dụng thiết bị điện tử công suất là một xu thế tất yếu, cần được mở rộng áp dụng trong tương lại, nó đem lại hiệu quả về kinh tế rõ rệt. Việc ứng dụng thiết bị này không có gì phức tạp. Chi phí đầu tư ứng dụng thiết bị điện tử công suất không quá tốn kém và hoàn toàn có thể bù đắp các chi phí này trong thời gian ngắn do tiết kiệm chi phí điện năng hàng tháng của xí nghiệp. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 1. Đặng Văn Đào - Kỹ Thuật Điện; Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội 1994; 2. 3.