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

LỜI MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của luận văn Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha hiện đang được sử dụng phổ biến, song hệ biến tần này được 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 trường có bộ biến tần động cơ điện xoay chiều này, được điều khiển bằng PLC S7 -300. Để nắm được 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 chiều để điều khiển chuyển động máy công nghiệp”. 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 được 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 được điều khiển bởi bộ PID S7-300 cụ thể là: Xác định được chất lượng của hệ thống với các bộ điều khiển được 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 được 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. - Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Võ Quang Nạp ở luận văn này sau khi nghiên cứu tôi chọn ứng dụng kết quả để điều khiển chuển động co một thang máy. 3. Nội dung luận văn Nội dung luận văn gồm 3 chương: Chương I: Xây dựng sơ đồ hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều khiển PID S7-300. Chương II. Khảo sát tính toán hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều. Chương III. Thí nghiệm Chương IV. Ứng dụng 1 Chương 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. Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống 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 tượng điều khiển của hệ truyền động. Động cơ này được điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi tần số của điện áp ra biến tần, công thức tính momen của động cơ này được thể hiện như sau: 2 1 2 1 2 11 2 1 )( 8 3 .2 2.2 .3 f U L p Lff pU M m π ππ == Từ công thức trên ta có hai phương pháp điều khiền - Phương pháp 1: 1 1 f U là hằng số, tăng U 1 , tăng f 1 phương pháp điều chỉnh này thích ứng với momen cản là hằng số (hình 1.2). 1.2.2 Giới thiệu biến tần MB420 Biến tần ở nước ta hiện có rất nhiều loại do các công ty của nước ngoài cung cấp như Siemen, Mishubishi … dưới đây là hình ảnh của biến tần MB420 cảu hãng Simen. 2 Hình 1.4: Biến tần MB420 1.2.3 Giới thiệu về PLC S7-300 1. Các module của PLC S7-300 Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hóa về cấu hình chúng được chia nhỏ thành các module. Số các module được sử dụng nhiều hay ít phụ thuộc vào bài toán. a. Module CPU: Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module khác nhau và chúng thường được đặt tên the bộ vi xử lý có trong nó như module CPU312, CPU314, CPU315. Những module cùng sử dụng một loại vi xử lý nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng cách thêm cụm chữ cái IFM (Intergrated funtion module). b. Module mở rộng: Các module mở rộng được chia thành 5 loại chính. + PS (Power supply): Module nguồn nuôi: PS power có 3 loại: 2A, 5A, 10A. + SM (Signal module): Module mở rộng tín hiệu vào/ra bao gồm. • DI (Digital input) Module mở rộng các cổng vào số. • DO (Digital output) Module mở rộng các cổng ra số. • DI/DO (Digital input/ Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số. 3 Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID 1.3. Các mạch vòng phản hồi 1.3.1. Mạch vòng phản hồi tốc độ (encoder) Đề ổn định tốc độ ta có thể sử dụng máy phát tốc hoạc Encoder để lấy tín hiệu, trong hệ thống này ta dùng Encoder và dưới đây là nguyên lý làm việc của Encoder. Nguyên lý làm việc Encoder: Khi có một tia sáng phát ra từ một Lead xuyên qua khe hở của một đĩa kim loại. Tia sáng đó kích thích các photon (được gọi là các sensor ánh sáng) các sensor này sẽ phản xạ lại một chùm ánh sáng, sinh ra một sóng hình sin, sóng này biến đổi thành sóng vuông hoặc các xung truyền đi. Các xung tín hiệu này sau khi truyền đến bộ đếm hoặc bộ điều khiển chúng sẽ cho tín hiệu để có các chức năng mong muốn. Số nhị phân được sử dụng cho Encodor có thể được mã hóa theo các loại mã phổ biến sau: Mã nhị phân tự nhiên, mã Gray và BCD. Trong đó mã Gray được dùng nhiều nhất vì bộ đếm dùng trong mạch xử lý tín hiệu của cảm biến chỉ có một bít thay đổi mỗi lần số đếm tăng lên một. Hình 1.11: Encodor tuyệt đối 8 bít 4 Ưu điểm của Encodor số: Cho độ phân giải cao (trên 20 bít binary) độ tin cậy chính xác cao hơn nhiều so với bộ cảm biến tương tự. * Với nguyên lý và các ưu nhược điểm như vậy Encoder sẽ được sử dụng để tạo ra mạch vòng phản hồi âm tốc độ và đo mạch phản hồi vị trí. 1.3.2. Mạch vòng phản hồi âm dòng điện Với hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều thì những thiết bị của nó được phép nối thành tổ hợp vì vậy mạch vòng phản hồi dòng điện đã được tích hợp trong khối nên trong sơ đồ hệ thống này không thể hiện, với sơ đồ khối của hệ thống như đã giới thiệu ta có thể xây dựng hệ điều khiển theo 3 phương án sau: - Điều khiển hệ chuyển động vô hướng - Hệ điều khiển trực tiếp mômen - Hệ điều khiển vecter Trong nội dung luận văn này tôi chọn hệ điều khiển vecter để nghiên cứu hệ truyền động biến tần động cơ điệu xoay chiều không đồng bộ ba pha để điều khiển chuyển động cho máy công nghiệp, trong chương tiếp theo sẽ tính toán hệ điều khiển này. 5 Chương 2. Khảo sát tính toán hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều 2.1. Xây dựng hệ điều khiền vecter (còn gọi là hệ điều khiển định hướng theo từ trường roto lồng sóc). Quá trình xây dựng hệ điều khiền vecter được thực hiện như sau: 2.1.1 Mô tả động cơ không đồng bộ ba pha dưới dạng các đại lượng vector không gian. Ta xét đông cơ có số đôi cực p = 1, trên Stator có của ba cuộn dây bó trí lệch nhau 120 0 . Dây quấn rotor của động cơ không đồng ba pha rotor lồng sóc thực chất là dây quấn nhiều pha, nhưng ta có thể quy về dây quấn 3 pha (hình 2.1). Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ 2.1.2. Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ từ hệ tọa độ vector không gian (a,b,c) về hệ tọa độ cố định trên stator ( βα , ). Hình 2.2 Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định stator ( α , β ) 6 Để thuận tiện cho việc nghiên cứu ta quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ ba pha từ hệ tọa độ vector không gian (a,b,c) về hệ tọa độ cố định trên stator ( βα , ) với quy ước là trục O α trùng với trục Oa. Một cách trực quan ta có thể coi hệ tọa độ cô định trên stator ( βα , ) bao gồm hai cuộn dây stator nằm trên hai trục ( βα , ). Các giá trị R 1 , R 2 không thay đổi. Hình 2.3. Hệ tọa độ cố định trên stator ( βα , ) về hệ tọa độ cố định trên rotor (x, y) 2.1.3. Quy đổi các đại lượng của động cơ KĐB ba pha từ hệ tọa độ cố định trên rotor (x, y) về hệ tọa độ cố định trên stator ( βα , ) Từ mô hình mạch của động cơ KĐB ba pha trên hệ tọa độ cố định stator ( βα , ), ta nhận thấy từng cặp ( βα 11 ,uu ); ( yx uu 22 , ); ( βα 11 ,ii );( yx ii 22 , ) có thể xem như tọa độ của các vector không gian 2121 ,,, iiuu   trên các hệ tọa độ ( βα , ) và (x, y). Bằng cách như vậy ta có thể quy đổi các đại lượng sang các tọa độ khác nhau. 7 Hình 2.4. Biểu diễn vector dòng điện rotor trên hệ tọa độ cố định stator ( βα , ) và hệ tọa độ cố định rotor (x, y) 2.1.4 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ ba pha từ hệ tọa độ cố định trên startor ( α , β ) về hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q). Hình 2.5. Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định stator ( βα , ) và hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 8 2.1.5. Sự biến đổi năng lượng và mômen điện từ. Bỏ qua tổn hao sắt từ và các tổn hao phụ thì năng lượng mà động cơ tiêu thụ sẽ chuyển hóa thành ba phần: W = W R + W L + W c Trong đó: W R là tổn hao trên các điện trở dây quấn. W L là năng lượng từ trường. W c là năng lượng cơ. 2.1.6. Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ. Từ phương trình (2-33) ta xây dựng sơ đồ cấu trúc của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) như hình 2.6 và hình 2.7. Các tín hiệu phản hồi E 1d , E 1q , E 2d , E 2q , được xác định theo các phương trình phi tuyến: 2.1.7 Cơ sở để xây dựng hệ điều khiển vecter. Dựa trên cơ sở phép chuyển đổi các đại lượng từ hai trục α và β về hai trục d và q đặt trên roto trong đó trục d trùng với từ thông của roto ψ 2 và hai trục α và β lệch so vớ d và q một θ 1 . Hình 2.8 Định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 2.5 Khảo sát chất lượng hệ truyền động - Để khảo sát chất lượng ta tiến hành mô phỏng hệ thống với T, K (p) , K i khác nhau để lấy giá trị T, K p , K i thích hợp mà hệ thống đảm bảo chất lượng. 9 - Để mô phỏng hệ thống này ta có thể dùng phần mềm Matlap simulink hoặc Pascal để mô phỏng trực tiếp từ phương trình đặc tính của mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ, hoặc có thể biến các phương trình đặc trưng thành các phương trình đại số sau đó dùng phần mềm Matlap simulink hoặc phầm mềm Pascal để mô phỏng. Trong luận văn này tôi sử dụng cả hai phần mềm trên để mô phỏng và kểm chứng. 2.5.1 Sử dụng phần mềm Matlap simulink 1. Khảo sát chất lượng mạch vòng dòng điện 1.1. Chuyển đổi hàm số truyền mạch vòng dòng điện sang hàm số truyền theo Z 1.2. Sử dụng phần mềm Matlab Sumulink mô phỏng hệ thống Sơ đồ mô phỏng mạch vòng dòng điện theo Matlab Sumulink như (hình 2.25), hàm W Hi (Z) và hàm R i (Z) theo số liệu đã tính toán. Hình 2.25: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng dòng điện theo Matlab Sumulink Sau khi thay đổi các thông số đã tính toán tiến hành sử dụng phần mềm Matlab Sumulink mô phỏng hệ thống ta được kết quả mô phỏng ở (hình 2-26a và hình 2-26b) 10 [...]... Chuyển động quay trực tiếp thang máy, truyền động cân băng định lượng, truyền động cho cầu trục và nhiều máy khác trong công nghiệp./ 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Nguyễn Trung Sơn, Cao Văn Thành (1999) Hệ thống điều khiển số máy điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2 Trần Thọ, Võ Quang Lạp (2004) Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ... được thực nghiệm như sau: - Để thí nghiệm ta thay PID số trong S7-300 với bộ điều khiển P hoặc PI và để đặt đầu vào phải lập chương trình điều khiển và cài đặt trên máy tính - Tín hiệu ra máy tính sẽ là tín hiệu điều khiển hệ thống truyền động này Vậy khi thay đổi lượng đặt đưa vào máy tính thì lượng ra tốc độ động cơ sẽ thay đổi - Kết quả thể hiện trên màn hình của máy tính 3.3 Thí nghiệm Trong phần... thiết bị thí nghiệm Trong chương I, đã giới thiệu sơ đồ cấu trúc hệ truyền động (hình 3-1) bao gồm: Động cơ không đồng bộ ba pha; Biến tần M420; bộ điều khiển PID dùng PLC S7-300; mạch vòng phản hồi tốc độ dùng Encoder Để thí nghiệm thì việc điều khiển giám sát hệ truyền động này phải dùng máy tính Hình 3-1: Sơ đồ khối hệ truyền động Và sơ đồ lắp ráp thiết bị xây dựng mô hình thực nghiệm (hình 3-2)... Giáo trình lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất bản giáo dục 4 Bùi Quý Lực (2005) Hệ thống điều khiển số trong công nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật 5 Nguyễn Phùng Quang (1996) Điều khiển động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 6 Nguyễn Phùng Quang (2006) MATLAB và SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội... trọng chuyển động trong giếng thang, bộ phận giảm chấn cho cabin và đối trọng đặt ở đáy giếng thang, hệ thống hạn chế tốc độ tác động lên bộ hãm bảo hiểm để dừng cabin khi tốc độ vượt quá giới hạn cho phép, tủ điện điều khiển cùng các trang thiết bị điện để điểu khiển tự động thang máy hoạt động theo đúng chức năng yêu cầu và bảo đảm an toàn, cửa cabin và các cửa tầng cùng hệ thống khóa liên động Hình... hồi tốc độ 23 Chương IV: Ứng dụng hệ truyền động biến tần - động cơ điện xoay chiều điều khiển bởi PLC S7-300 cho thang máy 4.1 Công dụng của thang máy Thang máy là một thiết bị chuyên dùng để vận chuyển người, hàng hóa, vật liệu, … theo phương thẳng đứng hoặc nghiêng một góc nhỏ hơn 15 0 so với phương thẳng đứng theo một góc đã định sẵn Nó là một loại hình máy nâng chuyển được sử dụng rộng rãi trong... quá điều chỉnh: = %22,096 Thời gian quá độ: < 0,1655 Số lần dao động : = 1,5 + Trường hợp 2: Độ quá điều chỉnh: = %25.750 Thời gian quá độ: < 0,1655 Số lần dao động : = 1,5 Với hai trường hợp khảo sát chất lượng dòng điện ở trên, sẽ thay chỉ số K i vào mạch vòng tốc độ để khảo sát chất lượng mạch vòng tốc độ, với hai trường hợp khảo sát chất lượng mạch vòng dòng điện sẽ có hai trường hợp khảo sát mạch... máy và vị trí của cabin 25 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Để thực hiện quá trình đề tài trên gặp rất nhiều khó khăn: - Đối với quá trình thí nghiệm: Thiết bị thiếu, do chưa quen thiết bị, thiết bị chưa đồng bộ, tài liệu trình bày nguyên lý chưa rõ ràng; phải phụ thuộc thời gian làm việc phòng thí nghiệm; - Về mặt lý thuyết: Hệ truyền động biến tần động cơ xoay chiều được điều khiển bởi bộ PID S7-300 là một hệ điều. .. thành công kết quả thí nghiệm được chỉ rõ ở chương 3 - Về mặt lý thuyết đã tính toán khảo sát mô phỏng để đánh giá chất lượng, kết quả mô phỏng được thể hiện chương 2 và các đường cong chất lượng thể hiện trên hình 2.26a; hình 2.26b; hình 2-28a và hình 2-28b đối với phương pháp sử dụng phần mềm Matlap simulink Đề xuất được ứng dụng hệ truyền động này để truyền động cho một số máy sản xuất như: Chuyển. .. thang máy trở khách Hệ thống điều khiển thang máy là toàn bộ các trang thiết bị và linh kiện điện, điện tử, bán dẫn bảo đảm cho thang máy hoạt động theo đúng chức năng yêu cầu và đảm bảo an toàn Các nút ấn trong cabin cho phép thực hiện các lệnh chuyển động đến các tầng cần thiết Các nút ấn ở cửa tầng cho phép hành khách gọi cabin đến cửa tầng đang đứng Các đèn tín hiệu ở cửa tầng và trong cabin cho . 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 chiều để điều khiển chuyển động máy công nghiệp . Kết. luận văn Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha hiện đang được sử dụng phổ biến, song hệ biến tần này được điều khiển bằng máy tính hoặc PLC là một hệ thống truyền động mới. 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