Nghiên cứu khảo sát và tính toán hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều để điều khiển chuyển động máy công nghiệp

i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  LÊ PHÚC THẢO NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Võ Quang Lạp Thái Nguyên, 2015 ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Sinh ngày: 15 tháng 11 năm 1985 Học viên lớp Cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Tôi xin cam đoan đây là toàn bộ nội dung luận văn “ ”, đƣợc thầy giáo PGS.TS Võ Quang Lạp hƣớng dẫn. Các tài liệu tham khảo đã đƣợc chỉ ra trong luận văn. Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận khoa học của luận văn chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tôi xin cam đoan nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm./. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Tác giả iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của nhà trƣờng, các khoa, phòng chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa sau đại học, các giảng viên Trƣờng Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy giáo PGS.TS Võ Quang Lạp đã tận tình hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở phòng thí nghiệm đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất. Mặc dù đã rất cố gắng, song do thời gian nghiên cứu có hạn, nên có thể luận vẫn còn những thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế. Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Tác giả iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN II LỜI CẢM ƠN III MỤC LỤC IV DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VI VII LỜI MỞ ĐẦU 1 CH 2 2 2 1.2.1 Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc 2 420 4 7-300 10 20 (encoder) 20 1.3.2. 21 CHƢƠNG 2. KHẢO SÁT TÍNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG 22 2.1. Xây dựng hệ điều khiền vecter 22 22 2.1.2. … stator (  , ) 24 2.1.3 Quy đổi các đại lƣợng của động cơ 27 29 33 35 ển vecter 37 2.2. Xây dựng hệ điều khiển số biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha 42 45 45 49 2.4. Quá trình khảo sát cụ thể 51 2.4.1 Khảo sát ổn định mạch vòng dòng điện 51 2.4.2 Quá trình khảo sát ổn định mạch vòng tốc độ 57 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.5. Khảo sát chất lƣợng hệ truyền động 60 a. Sử dụng phần mềm Matlap simulink 60 1. Khảo sát chất lƣợng mạch vòng dòng điện 60 2. Khảo sát chất lƣợng mạch vòng tốc độ 62 65 1. Khảo sát chất lƣợng mạch vòng dòng điện 65 2. Khảo sát chất lƣợng mạch vòng tốc độ 69 73 3.1. Giới thiệu thiết bị thí nghiệm 73 3.2. Nguyên lý làm việc 75 3.3. Thí nghiệm 75 3.3.1. Bài thí nghiệm 1 (khâu P) 76 3.3.2. Bài thí nghiệm 2 (khâu PI) 76 3.4. So sánh đánh giá kết quả thí nghiệm với tính toán 77 CHƢƠNG IV: ỨNG DỤNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐIỀU KHIỂN BỞI PLC S7-300 CHO THANG MÁY 79 4.1. Công dụng của thang máy 79 4.1.1 Tình hình sử dụng thang máy ở Việt Nam 79 4.1.2 Phân loại và kí hiệu thang máy 80 4.1.3 Cấu tạo của thang máy 83 4.2 Chế độ làm việc của tải và yêu cầu của hệ truyền động điện dùng trong thang máy 85 4.2.2 Các yêu cầu về truyền động điện 87 4.2.3 Các yêu cầu về năng suất, dừng chính xác, tiết kiệm năng lƣợng và AT 88 4.2.4 Sơ đồ mạch điện và nguyên lý làm việc 93 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ĐCKĐB : Động cơ điện không đồng bộ Ec : Encoder P : Bộ điều chỉnh tỷ lệ. PID : Bộ điều chỉnh dùng S7-300 W L (p) : Hàm truyền khâu lấy tín hiệu dòng điện U đb : Điện áp đồng bộ. U ω : Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ. T, T 1 : Chu kỳ lấy mẫu (hay gọi thời gian lƣợng tử). H(p) : Khâu lƣu giữ 0. T(p) : Hệ số truyền biến tần U c : Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung. K ω : Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ đƣợc lấy từ Encoder K i , K p : Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện. K u : Hệ số khuếch đại của bộ biến tần T u : Hệ số thời gian của biến tần; W KI : Hàm số truyền kín của mạch vòng dòng điện C T , C 0 T : Ma trận quy đổi W 1 (P) : Hàm số truyền khâu điện từ động cơ xoay chiều vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Trang 1-1 2 1-2 Đường đặc tính của động cơ KĐB 3 1-3 Đường đặc tính của động cơ KĐB 3 1-4 420 4 1-5 sơ đ 3 pha 5 1-6 Giản đồ nguyên lý biến tần 6 1-7 Vectơ không gian và vectơ biên chuẩn 9 1-8 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID 10 1-9 Vòng quét chương trình 13 1-10 20 1-11 21 Hình 2-1 22 2-2 stator (  ,  ) 24 2-3 Hệ tọa độ cố định trên stator (  , ) về hệ tọa độ cố định trên rotor (x, y) 26 2-4 Biểu diễn vector dòng điện rotor trên hệ tọa độ cố định stator (  , ) và hệ tọa độ cố định rotor (x, y) 27 2-5 Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định stator (  , ) và hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 29 Hình 2-6 35 2-7 36 h 2-8 (d,q) 36 2-9 39 viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ . 2-10 40 Hình 2-11 Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ KĐB 42 2-12 Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ KĐB 43 Hình 2-13 Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ điện sử dụng biến tần và động cơ KĐB 43 Hình 2-25 44 Hình 2-15 Sơ đồ cấu trúc hệ thống 45 Hình 2-25 Sơ đồ mô phỏng mạch vòng dòng điện theo Matlab Sumulink 61 Hình 2-26a Đáp ứng dòng điện với k p = 0,25; k i = 50; T= 0,5T u = 0,002 62 Hình 2-26b Đáp ứng dòng điện với k p = 0,25; k i = 42; T= 0,5 T u = 0,00165 43 Hình 2-27 Sơ đồ mô phỏng mạch vòng tốc độ theo Matlab Sumulink 64 Hình 2-28a Đáp ứng được tốc độ với k p = 0,25; k i = 42; k ω = 0,0006 T=0,5T u =0,00165 64 Hình 2-28b Đáp ứng được tốc độ với k p = 0,25; k i = 50; k ω = 0,00058; T=0,5T u = 0,002 64 Hình 3-1 Sơ đồ khối hệ truyền động 74 Hình 3-2 Các thiết bị mô hình thực nghiệm 74 3-3 Kết quả thí nghiệm khâu P 76 3-4 Kết quả thí nghiệm khâu PI 77 Hình 4-1 Cấu tạo thang máy trở khách 84 Hình 4-2 Chế độ làm việc của tải 86 Hình 4-3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của quãng đường s, tốc độ v, gia tốc a và độ giật  theo thời gian 87 ix Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4-4 Đồ thị xác định số lần dừng 81 Hình 4-5 a) Sơ đồ xác định độ chính xác khi dừng buồng thang; b) Sự phụ thuộc của độ dừng chính xác ∆S của buồng thang vào trị số tốc độ và gia tốc 91 Hình 4-6 Sơ đồ mạch điện truyền động cho thang máy 93 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của luận văn Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha hiện đang đƣợc sử dụng phổ biến, song hệ biến tần này đƣợc điều khiển bằng máy tính hoặc PLC là một hệ thống truyền động mới thông minh và hiện đại. Ở phòng thí nghiệm của Nhà trƣờng có bộ biến tần động cơ điện xoay chiều này, đƣợc điều khiển bằng PLC S7 -300. Để nắm đƣợc nguyên lý hoạt động của hệ truyền động, đồng thời nghiên cứu ứng dụng vào truyền động trong máy sản xuất nên tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khảo sát và tính toán hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay ”. Kết quả đề tài sẽ làm tài liệu quý giúp cho nghiên cứu học tập đồng thời có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để vận hành, sửa chữa những thiết bị ngoài thực tế. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Tính toán khảo sát hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều đƣợc điều khiển bằng PID S7-300 đây là một hệ thống điều khiển số. Việc tính toán khảo sát dựa trên kết quả mô phỏng giúp chúng ta kiểm nghiệm so sánh với kết quả thí nghiệm. - Tiến hành thí nghiệm và kiểm nghiệm các chế độ làm việc của hệ truyền động biến tần động cơ xoay chiều đƣợc điều khiển bởi bộ PID S7-300 cụ thể là: Xác định đƣợc chất lƣợng của hệ thống với các bộ điều khiển đƣợc ứng dụng là khâu P và khâu PI trong mạch vòng tốc độ để so sánh với lý thuyết tính toán, đồng thời thông qua thí nghiệm giúp cho việc nắm sâu sắc hơn về nguyên lý làm việc của hệ thống này và hiểu đƣợc quá trình vận hành điều khiển hệ thống. - Từ kết quả lý thuyết và thực nghiệm chúng ta khẳng định ứng dụng của hệ truyền động này là khả thi, từ đó đề xuất ứng dụng cho một số máy trong công nghiệp. - . 3. Nội dung luận văn [...]... dựng sơ đồ hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều khiển PID S7-300 chiều Chƣơng IV Ứng dụng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 Chƣơng 1 Xây dựng sơ đồ hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều khiển PID S7-300 1.1 Sơ đồ khối hệ truyền động Kp e Sp PID U Ki Biến tần V (M420) (S7-300) Pv Kd W Động cơ 3 pha Encoder Tín hiệu xung Encoder chuyển đổi... xung Encoder chuyển đổi sang tốc độ động cơ 1 1.2 Chức năng nhiệm vụ của các khối trong sơ đồ 1.2.1 Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha trong sơ đồ là đối tƣợng điều khiển của hệ truyền động Động cơ này đƣợc điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi tần số của điện áp ra biến tần, công thức tính momen của động cơ này đƣợc thể hiện nhƣ sau: Mm ... khiển vecter Trong nội dung luận văn này tôi chọn hệ điều khiển vecter để , trong chƣơng tiếp theo sẽ tính toán hệ điều khiển này Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 24 biến tần động cơ điện xoay chiều 2.1 Xây dựng hệ điều khiền vecter (còn gọi là hệ điều khiển định hƣớng theo từ trƣờng roto lồng sóc) Quá trình xây dựng hệ điều khiền vecter đƣợc thực hiện nhƣ sau: không gian... nh 1.11 1.3 Với hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều thì những thiết bị của nó đƣợc phép nối thành tổ hợp vì vậy mạch vòng phản hồi dòng điện đã đƣợc tích hợp trong khối nên trong sơ đồ hệ thống này không thể hiện, với sơ đồ khối của hệ thống nhƣ đã giới thiệu ta có thể xây dựng hệ điều khiển theo 3 phƣơng án sau: ệ vô hƣớng - Hệ điều khiển trực tiếp mômen - Hệ điều khiển vecter Trong... 1.3: Đường đặc tính của động cơ KĐB Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 Phƣơng pháp này rất thích hợp trong quá trình điều chỉnh tốc độ của máy sản xuất Momen biến thiên công suất là hằng số với phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ này tạo ra khả năng ứng dụng của động cơ này rất lớn, đặc biệt nó dùng trong hệ thống tự động truyền động điện biến tần động cơ điện xoay chiều đƣợc ổn... động điện biến tần động cơ điện xoay chiều đƣợc ổn định tốc độ thì hệ thống này không kém gì hệ truyền động tự động Vì vậy hệ truyền động này đƣợc sử dụng phổ biến trong hệ thống máy công nghiệp 1.2.2 420 Biến tần ở nƣớc ta hiện có rất nhiều loại do các công ty của nƣớc ngoài cung cấp nhƣ Siemen, Mishubishi … dƣới đây là hình ảnh của biến tần MB420 cảu hãng Simen 1.4 D1 T1 Uv 420 T3 D3 T5 D5 T6 D6 T2 D2... thực hiện phép tính và Cú pháp A Toán hạng là dữ liệu kiểu BOOL hoặc địa chỉ bit I,Q,M, L,D,T,C Nếu FC = 0 lệnh sẽ gán giá trị logic của toán hạng vào RLO Ngƣợc lại FC = 1 nó thực hiện phép tính và giữa RLO với toán hạng và ghi kết quả vào RLO Lệnh tác động vào thanh ghi trạng thái nhƣ sau: B R - CC 1 CC 0 OV - - - OS - OR x ST A RO L x F x C 1 - Lệnh thực hiện phép tính và với giá trị... van từ V1 đến V6, điện áp pha, dòng điện qua van, qua đi ốt và dòng điện qua phụ tải đƣợc thể hiện nhƣ trên (hình 1.6) Với việc khống chế theo phƣơng pháp bình thƣờng thì điện áp ra là không đạt hình Sin Và để điều khiển biến tần có thể điều chỉnh theo 3 phƣơng pháp sua: - Phƣơng Pháp khinh điển - Phƣơng pháp điều chỉnh độ rộng xung (PWM – puls with modulation) - Phƣơng pháp điều khiển vecter không... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 14 Truyền thông và kiểm tra nội bộ Truyền thông và kiểm tra nội bộ Truyền thông và kiểm tra nội bộ Truyền thông và kiểm tra nội bộ Hình 1.9 : Vòng quét chương trình Thời gian cần thiết để thiết lập PLC thực hiện một vòng quét gọi là thời vòng quét (scan timer) Thời gian vòng quét không cố định, nhƣ vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tƣợng để xử lý, tính toán và tín hiệu điều khiển tới đối... pháp điều khiển vecter không gian (Space vecter modulation – SVM) Trong 3 phƣơng pháp trên thì phƣơng pháp điều khiển vecter không gian có nhiều ƣu điểm vì vậy trong hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng pháp này Dƣới đây là nội dung của phƣơng pháp điều khiển vecter không gian Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 7 V1 θ 0 60 120 180 . NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  LÊ PHÚC THẢO NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘ LUẬN VĂN THẠC. luận văn Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha hiện đang đƣợc sử dụng phổ biến, song hệ biến tần này đƣợc điều khiển bằng máy tính hoặc PLC là một hệ thống truyền động mới. truyền động, đồng thời nghiên cứu ứng dụng vào truyền động trong máy sản xuất nên tôi chọn đề tài: Nghiên cứu khảo sát và tính toán hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay ”. Kết quả đề tài