đề tài nghiên cứu khảo sát và tính toán hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều để ứng dụng điều khiển chuyển động bàn máy gia công tia lửa điện”

MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của luận văn Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều được điều khiển bởi máy tính hoặc PLC là hệ điều khiển truyền động thông minh có nhiều ưu điểm so với những hệ thống kinh điển, nó đã và đang được sử dụng rộng rãi cho nhiều máy công nghiệp. Hiện tại những hệ thống truyền động cũ cũng đang được thay thế bằng hệ truyền động này. Hơn nữa ở phòng thí nghiệm của trường được trang bị một mô hình thí nghiệm hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều khiển bằng PLC S7-300. Với ưu điểm của hệ mới này kết hợp với việc thí nghiệm thuận lợi nên đề tài luận văn được chọn là: “Nghiên cứu khảo sát và tính toán hệ truyền động biến tần - động cơ điện xoay chiều để ứng dụng điều khiển chuyển động bàn máy gia công tia lửa điện” Với cách đặt vấn đề trên kết quả đề tài luận văn vừa có tính lý thuyết vừa kết hợp được thực nghiệm sẽ làm cho bản luận văn có tính khoa học và tính thực tiễn cao. 2. Mục tiêu nghiên cứu Để thực hiện đầy đủ mục tiêu của luận văn đề ra bản luận văn được thực hiện với các mục tiêu như sau: • Về mặt lý thuyết: - Trình bày tổng quan về sơ đồ hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều khiển bằng PLC S7-300 giúp cho việc tính toán khảo sát. - Khảo sát tính toán đánh giá chất lượng của hệ thống để có nhận xét sơ bộ về hệ truyền động. • Về mặt thực nghiệm - Tìm hiểu thiết bị thí nghiệm - Tiến hành thí nghiệm trên mô hình thực của nhà trường với các chế độ và thông số khác nhau để so sánh đánh giá chất lượng với lý thuyết. - Đề xuất ứng dụng hệ truyền động này vào thực tế. 3. Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, luận văn bao gồm các chương sau: Chương I: Tổng quan về hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều khiển bằng PLC S7-300. 1 Chương II: Phân tích và chọn phương pháp điều khiển hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ ba pha. Chương III: Khảo sát, đánh giá chất lượng và kiểm nghiệm hệ điều khiển vector biến tần - động cơ không đồng bộ. Chương IV: Ứng dụng hệ truyền động biến tần - động cơ điện xoay chiều điều khiển bởi PLC S7-300 cho chuyển động bàn máy gia công tia lửa điện. Kết luận và kiến nghị 2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC S7-300. Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều khiển bởi máy tính hoặc PLC được sử dụng nhiều để truyền động cho các máy công nghiệp. Để hiểu rõ nguyên lý làm việc và khả năng ứng dụng của nó, ta nghiên cứu khảo sát và tính toán hệ truyền động này để đề xuất ứng dụng vào thực tế sản xuất. I. Sơ đồ khối Sơ đồ khối hệ truyền động được thể hiện như hình vẽ: Hình 1.1: Mô hình hệ thống Động cơ điện xoay chiều ba pha được điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi tần số, điện áp cung cấp cho nó lấy từ biến tần ba pha. Điều khiển hệ truyền động này được thực hiện nhờ bộ điều khiển PID của PLC S7-300. Để ổn định tốc độ thì có một mạch vòng phản hồi âm tốc độ dùng Encoder. Tín hiệu đặt S P để điều chỉnh tốc độ động cơ thông thường được lấy ra từ máy tính hoặc một khâu riêng. Mạch vòng phản hồi âm dòng điện được cài sẵn tích hợp trong biến tần. 3 I.1 Động cơ điện Động cơ này trong sơ đồ được điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số. Từ phương trình momen của động cơ không đồng bộ: M m = ks x U ω 2 3 2 1 = 2 1 1 2 11 2 1 8 3 2 2.2 .3         = f U L p Lff pU π ππ Trong đó: p f s 1 .2 π ω = là tốc độ từ trường quay fkU i ' φ = tỉ lệ thuận với U 1 Từ đó ta có hai phương pháp điều khiển tốc độ: - Phương pháp thay đổi tần số nhưng giữ nguyên điện áp có dạng đặc tính: Hình1.2a: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số, điện áp không đổi - Phương pháp vừa điều chỉnh tần số vừa điều chỉnh điện áp, U/f = const có dạng đặc tính: Hình1.2b. Đặc tính cơ khi thay đổi tần số và điện áp (U/f =const) 4 Hiện nay để điều khiển tốc độ động cơ người ta dùng biến tần điều khiển tần số tạo ra khả năng ứng dụng của động cơ này rất lớn. Vì vậy, hệ thống biến tần động cơ điện xoay chiều đã và đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. I.2 Biến tần Biến tần hay còn gọi là nghịch lưu là thiết bị dùng để biến đổi điện áp hay dòng điện một chiều thành điện áp xoay chiều ở tần số khác nhau. Biến tần có thể là một pha hay ba pha. Hiện tại biến tần có nhiều hãng sản suất, biến tần có hai khối chủ yếu là: khối động lực và khối điều khiển. I.2.1 Khối động lực Khối động lực của biến tần có thể dùng các linh kiện bán dẫn Thyristor hoặc Tranzitor công suất. Biến tần được ứng dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ, thông thường là biến tần nguồn áp, với linh kiện là tranzitor công suất, sơ đồ mạch động lực như hình vẽ. Hình 1.3: Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha Trong sơ đồ này các tranzitor T 1 ÷ T 6 làm nhiệm vụ nghịch lưu, diot D 1 ÷ D 6 làm nhiệm vụ chỉnh lưu để trả năng lượng của phụ tải cho nguồn (ví dụ khi hãm tái sinh). Với sơ đồ nghịch lưu trên dựa vào tính chất của điện áp ba pha xoay chiều, chúng ta khống chế sẽ nhận được điện áp xoay chiều ba pha trên phụ tải (Z A , Z B , Z C ) với tần số khác nhau. I.2.2 Khối điều khiển Khối điều khiển của biến tần làm nhiệm vụ điều khiển điện áp ra và tần số ra của biến tần, đối với biến tần ba pha có ba phương pháp điều khiển: - Phương pháp kinh điển 5 - Phương pháp biến điệu bề rộng xung (Pulse Width Modulation- PWM) - Phương pháp biến điệu vectơ không gian (Space Vector Modulation- SVM) Dạng sóng điện áp ra biến tần khi điều khiển theo phương pháp PWM có dạng như hình vẽ: Với dạng điện áp này ta thấy điện áp ra tức thời là những xung có tần số rất lớn nhưng điện áp ra trung bình có dạng hình sin với tần số ra yêu cầu, và điện áp trung bình này đặt lên động cơ làm động cơ quay với tần số đặt. I.2.3.1 Khái niệm về vectơ không gian Một hệ thống điện áp, dòng điện ba pha bất kỳ có thể biểu diễn như một vectơ gồm 3 thành phần: u = (u A , u B , u C ) hoặc i = (i A , i B , i C ). Cách biểu diễn này không thuận tiện vì mỗi vectơ được biểu diễn bởi ba tọa độ. Park đã đưa ra phép biến đổi cho phép biến đổi hệ tọa độ bất kỳ về hệ tọa độ hai trục, thuận tiện cho việc biểu diễn các vectơ theo cách con người có thể nhìn nhận được một cách thông thường. Theo phương pháp biến đổi Park, một hệ thống ba pha bất kỳ, điện áp hay dòng điện, biểu diễn qua một vectơ trên mặt phẳng tọa độ αβ 0 như sau: ( ) CBA uaauuu 2 3 2 ++= Trong đó, 2 3 2 1 2 3 2 ja e j +−== π ; j: đơn vị số phức ảo (j 2 = -1). Nếu u A , u B , u C là một hệ thống điện áp ba pha sao cho: )cos( tUu m A ω = ) 3 2 cos( π ω −= tUu m B 6 ) 3 2 cos( π ω += tUu m C Thì u = U m e j( t ω ) , nghĩa là trên mặt phẳng tọa độ 0 αβ , u là một vectơ có độ dài bằng biên độ của các điện áp pha, quay quanh gốc tọa độ với tốc độ góc bằng ω . I.2.3.2. Trạng thái của van và các vectơ biên chuẩn Trong sơ đồ nghịch lưu áp ba pha hình 1.3 các van điều khiển phải được tuân theo các quy luật nhất định, đó là không được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào, không được hở mạch bất cứ pha nào ở đầu ra. Không được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào vì sẽ sinh ra dòng lớn phá hủy van. Khi van điều khiển không nối một pha đầu ra nào đó với thanh dẫn (+) hoặc (-) của nguồn một chiều, dòng có thể vẫn phải chạy qua các điôt, dẫn đến điện áp ra phụ thuộc vào tải, nghịch lưu không còn là nghịch lưu áp như mong muốn. Do những quy luật trên chỉ có 8 trạng thái van được phép, như được biểu diễn trong bảng dưới đây. STT Van dẫn u A u B u C u 0 T 1 , T 3, T 5 0 0 0 0 1 T 5 , T 6, T 1 1/3E -2/3E 1/3E 3 3 2 π j Ee − 2 T 6 , T 1, T 2 2/3E -1/3E -1/3E π j Ee − 3 2 3 T 1 , T 2, T 3 1/3E 1/3E -2/3E 3 3 2 π j Ee 4 T 2 , T 3, T 4 -1/3E 2/3E -1/3E 3 2 3 2 π j Ee 5 T 3 , T 4, T 5 -2/3E 1/3E 1/3E π j Ee − 3 2 6 T 4 , T 5, T 6 -1/3E -1/3E 2/3E 3 2 3 2 π j Ee − 7 T 2 , T 4, T 6 0 0 0 0 Với mỗi trạng thái van, các điện áp pha có giá trị tương ứng. Tính toán vectơ không gian u, có thể thấy rằng các trạng thái van từ 1 đến 6 ứng với 6 vectơ, có hướng cố định trên mặt phẳng, lệch nhau một góc 60 o , được biểu diễn trên hệ tọa độ 0 αβ , như trên hình 1.4. Các vectơ gọi là vectơ biên chuẩn, tạo nên đỉnh của một lục giác 7 đều, chia mặt phẳng thành sáu góc bằng nhau, gọi là các vectơ, được đánh số từ I đến VI. I.2.3.3.Tổng hợp vectơ không gian từ các vectơ biên Một vectơ không gian bất kì, giả sử nằm trong một góc phần sáu nào đó, có thể được tổng hợp từ hai vectơ biên. Trên hình1.4, giả sử vectơ không gian u nằm trong góc phần sáu thứ I, có thể được thể được tổng hợp từ hai vectơ biên u 1, u 2 . u = u p + u t Trong đó: u p và u t gọi là vectơ phải và vectơ trái là hai vectơ nằm dọc theo hai vectơ biên u p , u t . Hình 1.4: Vectơ không gian và vectơ biên chuẩn Độ dài vectơ phải, trái được tính như sau: θ θ π sin 3 2 3 sin 3 2 uu uu t p =       −= (1) θ là góc chỉ vị trí tương đối của vectơ u trong góc phần sáu. Thực chất, phép điều chế vectơ không gian tạo ra các vectơ u p , u t trong mỗi chu kỳ tính toán, hay còn gọi là mỗi chu kỳ cắt mẫu T s . Độ dài của các vector này được xác định bởi giá trị trung bình theo thời gian tồn tại của các vector u 1 , u 2 trong mỗi chu ký T s như sau: ; 1 u T t u s p p = t s t p u T t u = (2) 8 Độ dài của các vector biên chuẩn được xác định bởi giá trị của các điện áp một chiều đầu vào oi UEu == 3 2 . Từ (1) và (2) suy ra biểu thức tính toán các giá trị thời gian điều chế: ; 3 sin 3 2       −= θ π i o sp U U Tt θ sin 3 2 i o st U U Tt = (3) Đặt 1 U U q o = là hệ số biến điệu, 10 ≤≤ q , có thể viết lại biểu thức tính thời gian như sau: ; 3 sin 3 2       −= θ π qTt sp θ sin 3 2 qTt st = (4) Điều kiện: t p + t t ≤ T s Khoảng thời gian còn lại trong chu kỳ cắt mẫu, t 0 = T s –(t p + t t ), phải áp dụng vector không. Điều kiện trên nói lên rằng vector điện áp ra phải nằm trong vòng tròn tiếp xúc với các cạnh của lục giác đều như biểu diễn trên hình 1.4 ở trên. I.3 Giới thiệu PLC S7-300 PLC step S7-300 thuộc họ Simatis do hãng Simen sản xuất. I.3.1 Giới thiệu về PLC PLC là từ viết tắt của cụm từ “Programmable Logic Controller”: Bộ điều khiển logic có thể lập trình (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Thực tế trong sản suất PLC là một máy tính công nghiệp được gắn tại chỗ với dây truyền công nghiệp. PLC thực chất cũng là một hệ vi xử lí, tuy nhiên nó có các ưu điểm nổi bật mà các hệ vi xử lí khác không có, PLC gồm các bộ phận sau: • Hệ điều hành: Chương trình điều hành Khối này dưới chương trình điều hành hệ thống và phân chia các bộ nhớ với các địa chỉ cố định đặt trước tạo nên các vùng nhớ cụ thể như: - Vùng nhớ chương trình điều khiển. - Vùng nhớ biến trung gian. - Vùng nhớ cho tín hiệu vào và tín hiệu ra cũng như các chương trình giám sát kiểm ta hệ thống. Khối này thường sử dụng bộ nhớ ROM. • Bộ nhớ chương trình 9 Lưu giữ chương trình điều khiển PLC, khi PLC hoạt động, nó sẽ đọc và thực hiện chương trình được ghi trong bộ nhớ này. Bộ nhớ chương trình là một vùng trong RAM của CPU. • Bảng các đầu vào, đầu ra Hình 1.5 Cấu trúc tổng quát của PLC • Cổng giao tiếp Cổng giao tiếp của PLC dùng phương pháp truyền thông nối tiếp, qua cổng này PLC có thể nối với máy lập trình PG, các bảng điều khiển OB và nối với các PLC khác. • Bộ đếm thời gian, bộ đếm cờ Trong CPU có những bộ đếm thời gian (Timers), các bộ đếm (Counters) và các cờ (Flags) mà chương trình có thể sử dụng. Chương trình có thể đặt, xóa hoặc khởi phát cũng như dừng các bộ đếm thời gian. Các giá trị đếm, giá trị thời gian được lưu giữ trên một vùng dành riêng cho RAM trong. Cờ là các ô nhớ đặc biệt trên RAM trong, nơi lưu giữ các kết quả trung gian trong quá trình xử lý chương trình. • Khối số học 10 [...]... rõ hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều khiển bằng PLC Đây là hệ truyền động thông minh có nhiều ưu điểm so với hệ thống truyền động kinh điển Trong chương tiếp theo sẽ nghiên cứu các phương pháp điều khiển của hệ điều khiển này 24 CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ ĐIỆN KĐB BA PHA II.1 Các phương pháp điều khiển biến tần động cơ điện. .. đưa về dạng điều khiển như động cơ điện một chiều kích từ độc lập, điều này dễ dàng được ứng dụng trong điều khiển truyền động cho máy sản xuất Vì vậy trong luận văn này phương pháp điều khiển vector được chọn để nghiên cứu khảo sát hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha II.2 Xây dựng phương pháp điều khiển vectơ Nhằm đạt được các tính năng điều khiển tương tự như động cơ một chiều ta... các hệ truyền động biến tần – động cơ điện xoay chiều thì cấu trúc điều khiển vectơ dựa theo từ thông rotor là một trong những cấu trúc điều khiển hiện đại nhất Cấu trúc của hệ truyền động như hình 2.1 Phần lực gồm có động cơ KĐB xoay chiều ba pha và bộ nghịch lưu (NL) Phần điều khiển gồm các khối chủ yếu: Các sensor đo dòng 2 pha động cơ isa và isb , máy đo tốc độ quay của động cơ; khâu chuyển đổi 3... thể điều khiển độc lập từ thông và momen động cơ Kênh điều khiển momen thường gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và một mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh momen Kênh điều khiển từ thông thường gồm một mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh từ thông Do đó hệ thống truyền động điện động cơ KĐB có thể tạo được đặc tính tĩnh và động cao, có thể so sánh được với động cơ một chiều Đối với các hệ truyền. .. điện xoay chiều ba pha Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ được nghiên cứu trong rất nhiều công trình trong đó có hai phương pháp có nhiều ưu điểm được ứng dụng là: điều khiển vectơ (FOC) và điều khiển trực tiếp momen (DTC) II.1.1 Điều khiển vectơ (FOC) Điều khiển vectơ có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động Nguyên lý điều khển vectơ dựa trên ý tưởng điều khiển. .. lượng động và tĩnh của truyền động Hiện nay đo tốc độ trong hệ truyền động, người ta thường dùng: 1 Máy phát tốc một chiều Yêu cầu đối với máy phát tốc một chiều là điện áp một chiều có chứa ít thành phần xoay chiều tần số cao và tỉ lệ với tốc độ động cơ, không bị trễ nhiều về giá trị và dấu so với biến đổi đại lượng đo Ngoài ra còn có yêu cầu điện áp một chiều phát ra không phụ thuộc vào tải, vào nhiệt... điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển vectơ của hệ ổn định tần số máy sử dụng ĐC KĐB xoay chiều ba pha Phương pháp này đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng như chất lượng điều khiển tối ưu momen Việc điều khiển vectơ dựa trên định hướng vectơ từ thông roto có thể cho phép điều khiển tách rời hai... điều chỉnh Để đảm bảo chất lượng điều chỉnh các thành phần xoay chiều không được vượt quá 10% thành phần một chiều và đảm bảo quan hệ tuyến tính giữa điện áp ra và tốc độ chính xác nhỏ nhất là 1% 21 Hình 1.8: Đặc tính đo máy phát tốc một chiều 2 Máy phát tốc xoay chiều Phần rotor là nam châm vĩnh cửu, stator là cuộn dây Điện áp ra máy phát tốc: U 0 = K ω cos p p ωt Là điện áp xoay chiều, biên độ và. .. sα và i sβ ; khâu biến đổi tọa độ (α , β ) ra (d,q) đối với dòng điện (CTDi) và khâu biến đổi tọa độ (d,q) về (α , β ) đối với điện áp (CTDu); khâu MHD dùng để tính góc lệch giữa vectơ từ thông rotor với trục chuẩn (α , β ) (góc θ e ); khâu điều chỉnh dòng (ĐCD) dùng để tính các thành phần theo trục d và q của điện áp chuyển đổi cho động cơ (u sd và usq); khâu điều chế vectơ không gian dùng để tính. .. của máy phát thay đổi Điện áp đầu ra của máy phát tốc còn bị thay đổi do điện trở của chổi than Cuối cùng là ảnh hưởng của phản ứng phần ứng tới hệ số tỉ lệ Điện áp đầu ra máy phát tốc bao gồm cả thành phần xoay chiều và sóng điều hòa do tổng số thanh dẫn của máy phát Các sóng điều hòa này có tần số cao nên có thể bố trí mạch lọc Tuy vậy ở một số máy phát tốc lại phát ra thành phần xoay chiều tần số . “Nghiên cứu khảo sát và tính toán hệ truyền động biến tần - động cơ điện xoay chiều để ứng dụng điều khiển chuyển động bàn máy gia công tia lửa điện Với cách đặt vấn đề trên kết quả đề tài luận văn. hệ điều khiển vector biến tần - động cơ không đồng bộ. Chương IV: Ứng dụng hệ truyền động biến tần - động cơ điện xoay chiều điều khiển bởi PLC S 7-3 00 cho chuyển động bàn máy gia công tia lửa. lửa điện. Kết luận và kiến nghị 2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC S 7-3 00. Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều khiển