đề tài xây dựng hệ thống điều khiển giám sát tốc độ hệ truyền động điện chỉnh lưu động cơ một chiều

Vấn đề quan trọng trong các dây chuyển sản xuất là điều khiển chỉnh tốc độ động cơ hay đảo chuyền quay động cơ để nâng cao năng suất Hệ thống điều khiển chỉnh lưu – động cơ điện một chiề

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN

Giáo viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Hữu Hải

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Đức Ngô Tuấn Long Bùi Đức Hạnh Vũ Văn Thế

Nguyễn Viết Phương

Hà Nội, 2021

2

3

4

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 9

1.1 Cấu trúc chung hệ truyền động điện một chiều 9

1.1.1 Cấu trúc chung 9

1.1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện một chiều 10

1.1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 10

1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều 12

1.2.1 Phương pháp điều chỉnh điện trở mạch phần ứng 13

1.2.2 Phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ 14

1.2.3 Phương pháp điều chỉnh thay đổi điện áp phần ứng 15

1.3 Hệ truyền động chỉnh lưu thysistor - động cơ ( T- Đ) 15

1.4 Bộ biến đổi chỉnh lưu cầu 1 pha 18

1.4.1 Chỉnh lưu cầu 1 pha đối xứng 18

1.4.2 Chỉnh lưu cầu 1 pha không đối xứng 19

1.4.3 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính 23

CHƯƠNG 2 TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN242.1 Lựa chọn phương án 24

2.1.1 Phân tích đề tài 24

2.1.2 Đo tốc độ động cơ bằng Encoder 25

2.1.3 Thuật toán điều khiển PID 28

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 43

3.1 Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát 43

3.2 Các thiết bị điều khiển giám sát 44

3.2.1 PLC S7 1200 CPU 1214 DC/DC/DC 44

3.2.2 Mômen điều khiển tải: 44

3.2.3 Sơ đồ đấu nối mô hình thực tế 45

3.3 Cài đặt phần mềm và cấu hình HMI WEINTEK 46

5

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH, LẬP TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG 48

4.1 Lập trình cho PLC 48

4.1.1 Khởi tạo chương trình 48

4.1.2 Cấu hình và lập trình cho bộ điều khiển 49

4.2 Lập trình thiết kế giao diện điều khiển giám sát 57

4.3 Mô hình thực tế 60

4.4 Kết quả thực nghiệm 61

4.4.1 Thay đổi tốc độ đặt vào động cơ 62

4.4.2 Thay đổi mômen tải khi động cơ đang chạy ổn định 63

KẾT LUẬN 64

Tài liệu tham khảo 65

6

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ TĐ 9

Hình 1.2 Độ cứng đặc tính cơ 11

Hình 1.3 Sơ đồ nối dây động cơ kích từ độc lập 11

Hình 1.4 Sơ đồ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 12

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập 13

Hình 1.6 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng 13

Hình 1.7 Đặc tính cơ (b) – cơ điện (a) của động cơ khi giảm từ thông 14

Hình 1.8 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp phần ứng 15

Hình 1.9 Sơ đồ thay thế chỉnh lưu thysistor - động cơ và đặc tính cơ của động cơ 16

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu cầu 1 pha đối xứng 18

Hình 1.11 Dạng sóng dòng, áp chỉnh lưu cầu 1 pha đối xứng điều khiển tải 19

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lí của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không đối xứng catot chung 19

Hình 2.3 Hai kênh A, B lệch pha nhau trong encoder 27

Hình 2.4 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 28

Hình 2.5 Xác định tham số của đặc tính quá tính 30

Hình 2.6 Giao diện bộ PID trong phần mềm 31

Hình 2.7 PID xử lý tín hiệu vào ra 33

Hình 2.8 Điều khiển tự động trong PI 33

Hình 2.9 Động cơ DC 34

Hình 2.10 Bộ biến đổi AC/DC 35

Hình 2.11 Encoder hãng omron 36

Hình 2.12 Module CPU 214 DC/DC/DC 38

Hình 2.13 Sơ đồ đi dây PLC 39

Hình 2.14 Module analog output 40

Hình 2.15 Màn hình cảm ứng Weintek 42

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển và giám sát hệ truyền động điện một chiều 43Hình 3.2 Module PLC S7-1200 6ES7214-1AE40-0XB0 DC/DC/DC 44

Hình 3.3 Mômen điều chỉnh tải một chiều 44

Hình 3.4 Sơ đồ đấu nối các module 45

7

Hình 3.5 Chọn màn hình HMI và địa chỉ IP của HMI WEINTEK 46

Hình 3.6 Chọn PLC trong HMI và cài địa chỉ IP 47

Hình 4.1 Khởi tạo project mới 48

Hình 4.2 CPU của S7-1200 48

Hình 4.3 Giao diện phần cứng CPU 214 DC/DC/DC 49

Hình 4.4 Thiết lập module analog output 49

Hình 4.5 Thiết lập module mở rộng analog output 50

Hình 4.6 Tên biến, địa chỉ và kiểu dữ liệu trong PLC tag 50

Hình 4.7 Tên biến, địa chỉ và kiểu dữ liệu trong khối DB 50

Hình 4.8 Chương trình ngắt Cyclic interrupt 51

Hình 4.9 Gọi ra khối PID_Compact 51

Hình 4.10 Chương trình xử lý lỗi PID 52

Hình 4.11 Bảng cấu hình cho bộ PID 52

Hình 4.12 Chọn đầu vào ra cho bộ PID 53

Hình 4.13 Đặt giá trị giới hạn cho tốc độ 53

Hình 4.14 Đặt giá trị giới hạn cho phát xung 54

Hình 4.15 Đọc tốc độ động cơ 54

Hình 4.16 Thay đổi tốc độ động cơ bằng tay trên HMI 55

Hình 4.17 Cảnh báo tốc độ động cơ 56

Hình 4.18 Import Tags cho HMI 57

Hình 4.19 Chọn loại files Import Tags 57

Hình 4.20 Giao diện thiết kế màn hình Weintek 58

Hình 4.21 Gán tags cho đồ thị và các giá trị, nút ấn 58

Hình 4.22 Giao diện cảnh báo 59

Hình 4.23 Giao diện download PC-HMI 60

Hình 4.24 Mô hình điều khiển giám sát động cơ một chiều 60

Hình 4.25 Bộ PID_Compact đang chạy 61

Hình 4.26 Biểu đồ đầu vào ra bộ PID_Compact 61

Hình 4.27 Thông số bộ PID khi chạy ổn định 62

Hình 4.28 Biểu đồ đáp ứng quá độ theo thời gian 62

Hình 4.29 Đường đặc tính thay đổi khi thay đổi momen tải 63

8

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây với tốc độ phát triển kinh tế cao, sản xuất hàng hóa đẩy mạnh, vấn đề áp dụng khoa học kỹ thuật vào các quy trình sản xuất là vấn đề cấp bách hàng đầu Cùng với sự phát triển của một số ngành như điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đã phát triển vượt bậc Bất kỳ ở vị trí nào, bất kỳ công việc gì mỗi chúng ta đều tiếp cận với điều khiển và giám sát Nó là khâu quan trọng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta

Hiện nay, các hệ thống dây chuyển tự động trong các nhà máy, xí nghiệp được sử dụng rất rộng rãi, vận hành có độ tin cậy cao Vấn đề quan trọng trong các dây chuyển sản xuất là điều khiển chỉnh tốc độ động cơ hay đảo chuyền quay động cơ để nâng cao năng suất

Hệ thống điều khiển chỉnh lưu – động cơ điện một chiều cũng là một ứng dụng của kỹ thuật điều khiển và nó có một vai trò quan trọng trong các dạng truyển động hiện đang dùng, nhất là trong các lĩnh vực đồi hỏi khả năng điều khiển cao như trong các dây chuyển sản xuất

Với đề tài: Xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát tốc độ hệ truyền động điện – chỉnh lưu – động cơ một chiều, chúng em đã nghiên cứu điều khiển và giám sát ổn định tốc độ động cơ điện một chiều sử dụng PLC s7-1200 với nội dung chính như sau:

Phần 1: Tổng quan về hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều Phần 2: Tính chọn các thiết bị mạch lực và mạch điều khiển

Phần 3: Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát Phần 4: Phân tích, lập trình và mô phỏng kiểm chứng

Trong quá trình nghiên cứu không thể tránh khỏi thiếu sót kính mong quý thầy cô chỉ bảo để em được hiểu thêm, có kiến thức nhất định để phục vụ cho chuyên nghành của mình sau này

Em xin chân thành cảm ơn sự tận tình giúp đỡ của thầy Nguyễn Hữu Hải và các thầy cô tự động hoá và đo lường đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đề tài này

Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Nhóm sinh viên

Cấu trúc chung:

BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động cơ điện; MSX: Máy sản xuất; R và RT: Bộ điều chỉnh truyền động và công nghệ; K và KT: các Bộ đóng cắt phục vụ truyền động và công nghệ;

GN: Mạch ghép nối; VH: Người vận hành Cấu trúc của hệ TĐĐ TĐ gồm 2 phần chính:

- Phần lực (mạch lực): từ lưới điện hoặc nguồn điện cung cấp điện năng đến bộ biến đổi (BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX) Các bộ biến đổi như: bộ biến đổi máy điện (máy phát điện một chiều, xoay chiều, máy điện khuếch đại), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà), bộ biến đổi điện tử, bán dẫn (Chỉnh lưu tiristor, bộ điều áp một chiều, biến tần transistor, tiristor) Động cơ có các loại như: động cơ một chiều, xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt

- Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ và cho người vận hành Đồng thời một số hệ TĐĐ TĐ khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác hoặc với máy tính điều khiển

Hình 1.1 Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ TĐ

10

1.1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện một chiều

- Truyền động điện không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định

- Truyền động có điều chỉnh: tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh mô men, lực kéo, và hệ truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí Trong hệ này có thể là hệ truyền động điện tự động nhiều động cơ theo cấu trúc và tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động điện tự động điều khiển số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện tự động điều khiển theo chương trình

- Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động không tự động và hệ truyền động điện tự động

- Ngoài ra, còn có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v…

1.1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

1.1.3.1 Khái niệm đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ:

M= f() Thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ:

- Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính có được khi động cơ nối theo sơ đồ bình thường, không sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác và các thông số nguồn cũng như của động cơ là định mức Như vậy mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên

- Đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính cơ điều chỉnh là đặc tính cơ nhận được sự thay đổi một trong các thông số nào đó của nguồn, của động cơ hoặc nối thêm thiết bị phụ trợ vào mạch, hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt Mỗi động cơ có thể có nhiều đặ tính cơ nhân tạo

Độ cứng đặc tính cơ:

Đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm “độ cứng đặc tính cơ” và được tính:

 = 

Nếu đặc tính cơ tuyến tính thì:  = 

11

- Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ cứng (  40) - Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ mềm (  10) 1.1.3.2 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Khái niệm: Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và momen của động cơ ω = f(M) hoặc n=f(M)

Với Rư = rư + rcf + rb +rct

rư: điện trở cuộn dây phần ứng rcf: điện trở cuộn cực từ phụ rb: điện trở cuộn bù

rct: điện trở tiếp xúc của chổi điện

Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức: Eư = P.N

2Пa ω.Ф = K ω Hình 1.2 Độ cứng đặc tính cơ

Hình 1.3 Sơ đồ nối dây động cơ kích từ độc lập

12 Trong đó:

p: số đôi cực từ chính

N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: số đôi mạch nhánh song song

Ф: từ thông kích từ dưới một cực từ (Wb) ω: tốc độ góc (rad/s)

k = 2ПaP.N (k: là hệ số cấu tạo của động cơ) Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:

Eư = Ke Ф n Mà ω =2Пn

60 vì vậy Eư = PN60 Ф n Ke = PN

60a (Hệ số sức điện động của động cơ) Ke =

Mặt khác Mđt của động cơ được xác định: Mđt=k Ф

Và bỏ qua các tổn thất cơ vâ tổn thất thép thì momen trên trục bằng momen điện từ Cuối cùng ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập :

ω = UưKФ - Rư

(KФ)2 .M, có thể thấy có 3 đại lượng có thể được thay đổi để điều chỉnh tốc độ động cơ, ứng với một giá trị mômen tải đã cho ứng với 3 phương pháp đó là :

Hình 1.4 Sơ đồ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

13 - U : Là giá trị điện áp đặt vào phần ứng - Rư + Rf: Là điện trở mạch phần ứng - Φ: Là từ thông của động cơ

1.2.1 Phương pháp điều chỉnh điện trở mạch phần ứng

Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf

 ( )2

Đặc điểm của phương pháp:

- Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn

- Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng thêm điện trở)

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình 1.6 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng

14

- Tổn hao công suất dưới dạng nhiệt điện trở lớn

- Dải điều chỉnh phụ thuộc vào mômen tải Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh càng nhỏ

Trong thực tế, khi thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng sẽ gây ra một tổn hao công suất rất lớn và không thể điều chỉnh trơn tốc độ nên phải điều chỉnh theo từng cấp điện trở

1.2.2 Phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ

Giả thiết ta giữ điện áp phần ứng U ư = Udm = const; điện trở phần R ư = const; và thay đổi dòng điện kích từ Ikt của động cơ Điều này tương ứng với việc từ thông của mạch từ sẽ thay đổi

Ta được:

- Tốc độ không tải:

- Do việc điều chỉnh đựơc thực hiện ở mạch kích từ, có dòng kích từ nhỏ hơn rất nhiều so với mạch lực, nên công suất tổn hao ít Đây là ưu điểm nổi bật của động cơ điện một chiều ( kích từ độc lập ) so với các loại động cơ khác

- Phương pháp này chịu ảnh hưởng của hiện tượng từ dư và các nhiễu, làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng của các hệ truyền động đảo chiều bằng kích từ - Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện

chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển Hình 1.7 Đặc tính cơ (b) – cơ điện (a) của động cơ khi giảm từ thông

15

mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là momen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh Và do đó giá trị lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện

1.2.3 Phương pháp điều chỉnh thay đổi điện áp phần ứng

Nếu giữ =dm= const ; R ư= const và thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Udm , ta được :

- Tốc độ không tải :

dmo U

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên và có độ cứng đặc tính cơ là không đổi, trong đó đường đặc tính cơ tự nhiên là là đặc tính cơ lúc vận hành ở chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông đạt giá trị định mức và không nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ)

Khi giảm điện áp phần ứng đặt vào động cơ thì dòng điện ngắn mạch sẽ giảm (Inm=

1.3 Hệ truyền động chỉnh lưu thysistor - động cơ ( T- Đ)

Với hệ truyền động T - Đ ta có thể thay đổi thời điểm đặt xung điện áp lên cực điều khiển, nhờ đó ta có thể điều chỉnh được điện áp chỉnh lưu

Cấu tạo hệ T - Đ bao gồm :

- Máy biến áp ( MBA ): Chức năng biến điện áp xoay chiều về điện áp phù hợp với động cơ

- Thysistor: Là phần từ biến đổi:

Hình 1.8 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp phần ứng

16

- Thysistor mở khi : VA > VK và có xung điều khiển

- Thysistor khoá khi: VA < Vk và dòng thysistor giảm về 0 - Cuộn cảm LK: Có tác dụng san bằng điện áp làm việc - Động cơ điện một chiều

Nguyên lý hoạt động :

 Xét trong chế độ dòng gián đoạn:

- Khi cuộn cảm LK có giá trị Ld không đủ lớn thì năng lượng trong cuộn cảm không đủ lớn để duy trì dòng điện trong cuộn, do vậy sinh ra dòng gián đoạn

- Đặc điểm của hệ CL – Đ ở chế độ này là dòng điện không ổn định, momen sinh ra không đều, động cơ có tốc độ không được ổn định

Do vậy, ta cần áp dụng các phương pháp tự động điều chỉnh đặc biệt khi sử dụng hệ CL – Đ ở chế chế độ dòng gián đoạn Thực tế người ta thường tăng Ld để tạo ra dòng liên tục

 Xét trong chế độ dòng liên tục:

Chỉnh lưu điều khiển có góc mở van  nhất định tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên Tác động mở từng van vào các thời điểm khác nhau cho dòng điều chỉnh lưu id (Ta đã chọn  để có dòng id liên tục do vậy ta luôn có dòng qua động cơ)

Việc lựa chọn thời điểm mở van ta sẽ điều chỉnh được suất điện động chỉnh lưu Ed và do vậy sẽ điều chỉnh được điện áp phần ứng động cơ Uư.

Lưu ý: Khi có hiện tượng trùng dẫn ( hai van cùng dẫn) sẽ làm ngắn mạch phía thứ cấp máy biến áp.Vì vậy để tránh hiện tượng cháy, nổ do ngắn mạch ta phải lắp MBA có U N %={5  10}%

- Đặc tính cơ của hệ T – Đ

Hình 1.9 Sơ đồ thay thế chỉnh lưu thysistor - động cơ và đặc tính cơ của động cơ

17 Phương trình đặc tính cơ:

Từ đó ta có :

dmdoo U

.cos 

Khi thay đổi góc điều khiển :

- Trong khoảng  =[0/2] thì bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu + Nếu E > 0 , động cơ làm việc ở chế độ động cơ

+ Nếu E < 0 động cơ làm việc ở chế độ hãm ngược

- Trong khoảng  = [/2max] thì tải có tính chất thế năng Để quay ngược động cơ, lúc này Ed và E đổi dấu Nên dòng điện Iu vẫn chạy theo chiều cũ, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh Bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu biến cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều trả về lưới

Ưu nhược điểm của hệ T- Đ - Ưu điểm:

+ Độ tác động nhanh cao

+ Dễ tự động hoá, van có hệ số khuếch đại công suất lớn nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và đặc tính động của hệ thống

+ Không gây ồn

+ Điều khiển góc mở van  có thể điều chỉnh tốc độ nhanh

+ Công suất điều khiển nhỏ, giá thành rẻ hơn so với các hệ truyền động khác

- Nhược điểm:

+ Van bán dẫn có dòng phi tuyến, thời gian quá độ sẽ lớn

+ Điện áp chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện và ở xấu dạng điện áp của nguồn hoặc lưới

+ Hệ số công suất của mạch thấp

Tương ứng với góc mở ta có hai chế độ làm việc của mạch chỉnh lưu là: Khi α < π /2 và E < 0 mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu

Khi α > π /2 và E > 0 mạch làm việc chế độ nghịch lưu phụ thuộc

Ta chỉ xét trường hợp mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc điều khiển α < π /2 và E > 0

Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) Ud = U2 = U2msin ωt (v)

Khi T1 và T3 mở cho dòng chảy qua ta có phương trình để xát định dòng điện qua tải: Ldi/dt + R.id + E = U2 = U2msin ωt (v)

Tại lúc góc pha bằng π, U2 = 0 nhưng T1 và T3 vẫn chưa bị khóa vì dòng qua chúng vẫn còn lớn hơn 0

Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) Ud = -U2 = -U2msin ωt (v)

Sự mở T2 và T4 làm cho UN = UB và UM = UA Do đó điện áp trên T1 và T3 là: UT1 = UA – UM = UA - UB = U1 < 0

UT3 = UN – UB = UA - UB = U2 < 0

Do đó làm cho T1 và T3 tắt một cách tự nhiên

Hình 1.11 Dạng sóng dòng, áp chỉnh lưu cầu 1 pha đối xứng điều khiển tải

1.4.2 Chỉnh lưu cầu 1 pha không đối xứng

1.4.2.1 Sơ đồ mắc catot chung

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lí của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không đối xứng catot chung  Nguyên lý làm việc:

Sơ đồ các van Thyristor mắc theo kiểu catốt chung chúng được mở ở các thời điểm góc mở  của nó Các van điốt chúng luôn mở tự nhiên theo điện áp nguồn

- Tại thời điểm t = t1 cho xung điều khiển vào mở T1 Trong khoảng thời gian từ t1 đến , Thyristor T1 và điốt D2 mở cho dòng chảy qua Khi U2 bắt đầu đổi dấu,điốt D1 mở ngay, T1 tự nhiên bị khoá lại, dòng id = Id chuyển từ T1 sang D1

- Như vậy ở sơ đồ này có hai đoạn dẫn của của hai nhóm van T1, D1 và T2, D2 do đó ở những đoạn này tải bị ngắn mạch nên Ud = 0 Như vậy dòng id vẫnliên tục, song dòng i2 lại đứt đoạn do dòng id chảy qua hai van điốt thẳng hàng mà không về nguồn Điều này sẽ có lợi về năng lượng vì năng lượng không bị trả về nguồn mà giữ lại trong tải

- Trị trung bình điện áp tải

d 1 2sin 2 21cos

2 

- Trị trung bình dòng điện tải: Id = RdUd

- Trị trung bình dòng điện qua Thyristor là: I T = 2

Hình 1.13 Đồ thị dạng điện áp ra

21 1.4.2.2 Sơ đồ thyristor mắc thẳng hàng

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý của bộ chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng mắc thẳng hàng

 Nguyên lý làm việc:

Trong sơ đồ này các điôt D1 ,D2 vẫn mở tự nhiên ở nửa đầu các chu kỳ: D1 mở khi U2 âm; D2 mở khi U2 dương Các Thyristor mở theo góc mở  Tuy nhiên các van khoá theo nhóm: D1 dẫn sẽ làm T1 khoá, T1 dẫn thì D1 bị khoá

Tương tự D2 dẫn thì T2 khoá và ngược lại, T2 dẫn thì D2 khoá

- Tại thời điểm t =t1 cho xung điều khiển mở Thyristor T1 Trong khoảng thời gian từ t1   , Thyristor T1và điốt D2 cho dòng chảy qua Khi U2 bắt đầu đổi dấu, điốt D1 mở ngay làm cho Thyristor T1 tự nhiên bị khoá lại, dòng id = Idchuyển từ T1 sang D1 Điốt D1 và D2 cùng cho dòng chảy qua, Ud = 0

- Trong khoảng   (+) thì điốt D1,D2 dẫn

- Tại thời điểm t = t2 = ( + ) cho xung điều khiển mở T2 Dòng tải id = Id chảy qua điốt D1 và T2 Điốt D2 bị khoá lại Như vậy từ thời điểm t = (+)  2 thì T2 ,D1 cùng dẫn, T1 dẫn làm D2 khoá Ud = - U2

- Trong sơ đồ này ta thấy góc dẫn dòng của Thyristor và của điốt không bằng nhau Góc dẫn của điốt là D = ( + ) , còn góc dẫn của Thyristor là T = ( - )

- Trong khoảng thời gian t =   (+) thì chỉ có điốt D1, D2 dẫn dòng, tải bị ngắn mạch nên ở các đoạn này điện áp tải Ud = 0

- Dạng điện áp Ud như hình vẽ, đồ thị dẫn của van cho thấy chúng dẫn không bằng nhau:

+ Thyristor dẫn trong khoảng ( - ) + Điốt dẫn trong khoảng ( + ) - Trị trung bình điện áp tải:

d 1 2sin 2 21cos

2 

22 - Trị trung bình của dòng điện tải: Id =

RdUd- Trị trung bình dòng điện qua van là:

IT =

Id d =

2 I

d ;IĐ =

2 I

d

Hình 1.15 Đồ thị dạng điện áp ra

23

1.4.3 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

 Nguyên lý hoạt động : + Dùng 2 điện áp : URC,Uđk

- Điện áp răng cưa (URC) có dạng tuyến tính được động bộ từ lưới điện, và thông thường thời điểm tạo điện áp răng cưa trùng với thời điểm chuyển mạch tự nhiên

- Điện áp điều khiển (Uđk )là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ

+ Điện áp răng cưa (URC) và điện áp điều khiển (Uđk) được đưa vào bộ so sánh, khi URC=Uđk sẽ có xung điều khiển mở thông Thyristor

+ Bằng cách thay đổi điện áp điều khiển Uđk ta có thể điều chỉnh được thời điểm phát xung điều khiển mở Thyristor ( tức là điều khiển góc mở α (α = Π

) để xác định Uđk)

- Uđk = URC max khi α = Π - Uđk = 0 khi α = 0

+ Thường chọn: URCmax = Uđkmax =10V

Hình 1.16 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

24

CHƯƠNG 2 TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

2.1 Lựa chọn phương án 2.1.1 Phân tích đề tài

Đề tài: Xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát tốc độ hệ truyền động điện chỉnh lưu- động cơ điện một chiều

Vai trò của động cơ DC trong thực tế: Vì động cơ DC quay với tốc độ nhanh, động cơ xoay vòng liên tục… nên được sử dụng trong các thiết kế cần sử dụng 1 thiết bị quay với tốc độ cao (rpm) như trục bánh xe ô tô, cánh quạt máy…

Điều khiển động cơ điện một chiều (DC Motor) là một ứng dụng thuộc dạng cơ bản nhất của điều khiển tự động vì DC Motor là cơ cấu chấp hành (actuator) được dùng nhiều nhất trong các hệ thống tự động (ví dụ robot) Điều khiển được DC Motor là bạn đã có thể tự xây dựng được cho mình rất nhiều hệ thống tự động

Đề tài là một bài tổng hợp nhiều vấn đề ứng dụng PLC bao gồm nhận dữ liệu từ người dùng, điều khiển motor, đọc encoder, hiển thị màn hình HMI, cả giải thuật điều khiển PID…Do đó, chúng ta phải nắm được các vấn đề cơ bản như lập trình, mạch cầu

Có 2 phương pháp điều khiển động cơ DC là analog và digital Sử dụng bộ biến đổi AC/DC có sẵn tín hiệu điều khiển analog để điều khiển tốc độ động cơ DC

Vì vậy ta dùng phương pháp điều khiển tương tự analog Sử dụng PLC điều khiển động cơ DC bằng phương pháp sử dụng ngõ ra analog của PLC đấu vào chân điều khiển analog của bộ biến đổi AC/DC

Sơ đồ khối hệ thống:

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống

- Cảnh báo ngưỡng vướt quá tốc độ

Khi nói đến điều khiển động cơ DC, đại lương điều khiển chính là vận tốc

Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì chúng ta nhất thiết phải đọc được góc quay của motor Một số phương pháp có thể được dùng để xác định góc quay của motor bao gồm tachometer (thật ra tachometer đo vận tốc quay), dùng biến trở xoay, hoặc dùng encoder Ta sẽ dùng bộ biến đổi F-U, biến đổi tín hiệu xung sang tín hiệu điện áp 0-10V Từ đó sẽ đọc được tốc độ động cơ bằng cổng analog input

2.1.2 Đo tốc độ động cơ bằng Encoder

2.1.2.1 Tổng quan về encoder

Encoder là một thuật ngữ chỉ các bộ mã hóa vòng quay Cấu tạo cơ bản của nó gồm một cặp diode thu phát tín hiệu quang học từ một đĩa tròn (chuyển động tròn) hay một thước thẳng (Chuyển động dài) có đục lỗ hay sơn tạo các điểm có khoảng cách đều

Đo tốc độ động cơ dùng encoder, tín hiệu từ encoder tạo ra các dạng xung vuông có tần số thay đổi phụ thuộc vào tốc độ động cơ Đây cũng là phương pháp mà người ta sử dụng để ổn định tốc độ động cơ hay điều khiển nhanh chậm…

Encoder là một phần tử được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động, hay đơn giản như gắn trong bánh xe hơi để báo vận tốc

2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của encoder

Hệ thống optical encoder bao gồm một nguồn phát quang (thường là hồng ngoại – infrared), một cảm biến quang và một đĩa có chia rãnh Optical encoder lại được chia thành 2 loại: encoder tuyệt đối (absolute optical encoder) và encoder tương đối (incremental optical encoder) Trong đa số các DC Motor, incremental optical encoder được dùng và mô hình động cơ trong đồ án này cũng không ngoại lệ Khi nói encoder tức là incremental encoder

26

Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I (Index) Trong hình 2 bạn thấy hãy chú ý một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phát-thu dành riêng cho lỗ nhỏ này Đó là kênh I của encoder Cữ mỗi lần motor quay được một vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến Như thế kênh I xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor Bên ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này

Đây là kênh A của encoder, hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh I, điểm khác nhau là trong 1 vòng quay của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh A N là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải (resolution) của encoder

Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có khi trên mỗi đĩa chĩ có vài rãnh nhưng cũng có trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia

Để điều khiển động cơ, bạn phải biết độ phân giải của encoder đang dùng Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển

Tuy nhiên trên các encoder còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường tròn với kênh A nhưng lệch một chút (lệch M+0,5 rãnh), đây là kênh B của encoder

Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 90 Bằng cách phối hợp kênh A và B người đọc sẽ biết chiều quay của động cơ

Hình 2.2 Optical Encoder

27

Hình 2.3 thể hiện sự bộ trí của 2 cảm biến kênh A và B lệch pha nhau Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại xuyên qua, và ngược lại Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh

Xét trường hợp motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải Bạn hãy quan sát lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ở mức thấp

Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải qua trái Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao

Như vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta không những xác định được góc quay (thông qua số xung) mà còn biết được chiều quay của động cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A)

2.1.2.3 Bộ biến đổi F-U

Là bộ biến đổi tín hiệu xung (tần số) sang tín hiệu điện áp, bộ biến đổi này có tác dụng chuyển tín hiệu xung từ encoder khi đọc tốc độ sang tín hiệu analog dạng điện áp 0-10V, PLC sẽ đo tốc độ bằng tín hiệu điện áp và tính toán ra tốc độ động cơ

Hình 2.3 Hai kênh A, B lệch pha nhau trong encoder

28

2.1.3 Thuật toán điều khiển PID

2.1.3.1 Điều khiển PID số

Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (setpoint) bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra

Hệ thống điều khiển có thể sử dụng P, PI, PD, hoặc PID để hiệu chỉnh sai số Nhìn chung, bộ điều khiển PID “hiệu chỉnh” hệ thống bằng cách lựa chọn những giá trị thích hợp cho ba thông số P,I,D

Trong lĩnh vực điều khiển, bộ điều khiển PID được xem như một giải pháp đa năng cho các ứng dụng điều khiển tương tự hay điều khiển số.Hầu hết các bộ điều khiển trong công nghiệp được sử dụng là bộ điều khiển PID Nếu được thiết kế tốt, bộ điều khiển PID có khả năng điều khiển hệ thống đáp ứng tốt các chỉ tiêu chất lượng như đáp ứng nhanh, thời gian quá độ ngắn, độ quá điều chỉnh thấp, triệt tiêu được sai lệch tĩnh

Luật điều khiển PID được định nghĩa: u(t) = KP ( e(t) +

T tet dt0

dttde )(

=KP + KI

+KDs = KP( 1+

+TDs ) 1 Thành phần tỉ lệ (P)

u(t) = Kpe(t)

Tác động của thành phần tích phân đơn giản là tín hiệu điều khiển tỉ lệ tuyến tính với sai lệch điều khiển Ban đầu, khi sai lệch lớn thì tín hiệu điều khiển lớn Sai lệch giảm dần thì tín hiệu điều khiển cũng giảm dần Khi sai lệch e(t) = 0 thì u(t) = 0 Một vấn đề là khi sai lệch đổi dấu thì tín hiệu điều khiển cũng đổi dấu

Hình 2.4 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

29

Thành phần P có ưu điểm là tác động nhanh và đơn giản Hệ số tỉ lệ Kp càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó thành phần P có vai trò lớn trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ

Tuy nhiên, khi hệ số tỉ lệ Kp càng lớn thì sự thay đổi của tín hiệu điều khiển càng mạnh dẫn đến dao động lớn, đồng thời làm hệ nhạy cảm hơn với nhiễu đo Hơn nữa, đối với đối tượng không có đặc tính tích phân thì sử dụng bộ p vẫn tồn tại sai lệch tĩnh 2 Thành phần tích phân (I)

u(t) = KI

Với thành phần tích phân, khi tồn tại một sai lệch điều khiển dương, luôn làm tăng tín hiệu điều khiển, và khi sai lệch là âm thì luôn làm giảm tín hiệu điều khiển, bất kể sai lệch đó là nhỏ hay lớn Do đó, ở trạng thái xác lập, sai lệch bị triệt tiêu e(t) = 0 Đây cũng là ưu điểm của thành phần tích phân

Nhược điểm của thành phần tích phân là do phải mất một khoảng thời gian để đợi e(t) về 0 nên đặc tính tác động của bộ điều khiển sẽ chậm hơn Ngoài ra, thành phần tích phân đôi khi còn làm xấu đi đặc tính động học của hệ thống, thậm chí có thể làm mất ổn định

Người ta thường sử dụng bộ PI hoặc PID thay vì bộ I đơn thuần vừa để cải thiện tốc độ đáp ứng, vừa đảm bảo yêu cầu động học của hệ thống

3 Thành phần vi phân (D)

Mục đích của thành phần vi phân là cải thiện sử ổn định của hệ kín Do động học của quá trình, nên sẽ tồn tại một khoảng thời gian trễ làm bộ điều khiển chậm so với sự thay đồi của sai lệch e (t) và đầu ra y(t) của quá trình Thành phần vi phân đóng vai trò dự đoán đầu ra của quá trình và đưa ra phản ứng thích hợp dựa trên chiều huớng và tốc độ thay đổi của sai lệch e(t), làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ

Một uu điểm nữa là thành phần vi phân giúp ổn định một số quá trình mà bình thường không ổn định đuợc với các bộ p hay PI

Nhuợc điểm của thành phần vi phân là rất nhạy với nhiễu đo hay của giá trị đặt do tính đáp ứng nhanh nêu ở trên

4 Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

Phương pháp dựa trên đặc tính quá độ của quá trình thu được từ thực nghiệm với giá trị đặt thay đổi dạng bậc thang (Phương pháp Ziegler-Nichols 1):

Bảng 1 Chọn hệ số cho bộ điều khiển băng phương pháp ZN1 Phương pháp này có một số nhược điểm như sau:

- Việc lấy đáp ứng tín hiệu bậc thang rất dễ bị ảnh hưởng của nhiễu và không áp dụng được cho quá trình dao động hoặc quá trình không ổn định

- Đối với các quá trình có tính phi tuyến mạnh, các số liệu đặc tính nhận được phụ thuộc rất nhiều vào biên độ và chiều thay đổi giá trị đặt

- Phương pháp kẻ tiếp tuyến để xác định các số liệu  và a kém chính xác

- Đặc tính đáp ứng của hệ kín với giá trị đặt thường hơi quá dao động (Hệ số tắt dần khoảng 0.25)

2.1.3.2 Bộ PID trong PLC S7-1200

PLC S7-1200 cung cấp: Một bộ PID_Compact với chức năng tự điều chỉnh bằng tay hoặc tự động có thể điều khiển lập trình dễ dàng Việc sử dụng PLC sẽ làm cho thuật toán đơn giản hơn rất nhiều khi máy tính hầu như đã làm hết công việc tính toán cho bộ điều khiển

Hình 2.5 Xác định tham số của đặc tính quá tính

31

Hình 2.6 Giao diện bộ PID trong phần mềm

Setpoint IN Real Điểm đặt của bộ điều khiển PID trong chế độ tự động.Giá trị mặc định:0.0

- Trên cạnh của sự thay đổi từ TRUE sang FALSE,bộ điều khiển PID chuyển tới chế độ vận hành cuối cùng và State = sRet.i_Mode

ManualValue IN Real Giá trị xử lí cho việc vận hành bằng tay Default value: 0.0

32 dụng:

- mode Chế độ vận hành không hoạt động - Input value = 0

- Integral part of the process value = 0 - Giá trị trung gian của hệ thống được reset các thông số PID được duy trì)

ScaledInput OUT Real Scaled process value Default value: 0.0 Output(1) OUT Real Output value Default value: 0.0

Output_PER(1) OUT Word Analog output value Default value: W#16#0 Output_PWM(1) OUT Bool Output value for pulse width modulation

Default value: FALSE SetpointLimit_H OUT Bool

Giới hạn trên của SP Default value: FALSE Nếu SetpointLimit_H=TRUE,đạt đến giới hạn trên tuyệt đối của SP Default value: FALSE SetpointLimit_L OUT Bool

Giới hạn dưới của SP Default value: FALSE Nếu SetpointLimit_H=TRUE,đạt đến giới hạn dưới tuyệt đối của SP Default value: FALSE InputWarning_H OUT Bool

Nếu InputWarning_H = TRUE ,giá trị xử lí(PV) đạt đến hay vượt mức giới hạn trên Default value: FALSE

InputWarning_L OUT Bool

Nếu InputWarning_H = TRUE ,giá trị xử lí(PV) đạt đến hay vượt mức giới hạn dưới Default value: FALSE

State OUT Int

Chế độ vận hành hiện tại của bộ điều khiển PID Default value: 0

Sử dụng sRet.i_Mode để chuyển chế độ - State = 0: Inactive

- State = 1: Pretuning (điều chỉnh sơ bộ) - State = 2: Manual fine tuning

- State = 3: Automatic mode - State = 4: Manual mode

Error OUT DWord Error message Default value: DW#16#0000 (no error)

(1)Các thông số Output, Output_PER, và Output_PWM được sử dụng song song