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

Mục tiêu của luận văn Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha hiện đang được sử dụngphổ biến, song hệ biến tần này được điều khiển bằng máy tính hoặc PLC là một hệthống tr

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 dụngphổ biến, song hệ biến tần này được điều khiển bằng máy tính hoặc PLC là một hệthống 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 truyềnđộng, 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 ápdụng 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 điềukhiển bằng PID S7-300 đây là một hệ thống điều khiển số Việc tính toán khảo sát dựatrên 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 biếntần động cơ xoay chiều được điều khiển bởi bộ PID S7-300 cụ thể là: Xác định đượcchất lượng của hệ thống với các bộ điều khiển được ứng dụng là khâu P và khâu PItrong mạch vòng tốc độ để so sánh với lý thuyết tính toán, đồng thời thông qua thínghiệm giúp cho việc nắm sâu sắc hơn về nguyên lý làm việc của hệ thống này và hiểuđược quá trình vận hành điều khiển hệ thống

- Từ kết quả lý thuyết và thực nghiệm chúng ta khẳng định ứng dụng của hệ truyềnđộng 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 cứutôi 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 điềukhiển 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

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.

PID(S7-300)

U V W

Biến tần (M420)

Encoder Động cơ 3 pha

Tín hiệu xung Encoder chuyển đổi sang tốc độ động cơ

Sp

Pv

e

Kp Ki Kd

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 khiểncủa 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 1

2 2

.

2

3

f

U L

p L

f f

p U

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 nhưSiemen, Mishubishi … dưới đây là hình ảnh của biến tần MB420 cảu hãng Simen

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 kếkhông bị cứng hóa về cấu hình chúng được chia nhỏ thành các module Số các moduleđược sử dụng nhiều hay ít phụ thuộc vào bài toán

a. Module CPU: Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module khác nhau vàchúng 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/raonboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điềuhành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọibằng 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

K p

KiT(Z+1) 2(Z-1)

K(Z-1) T.Z

E(iT) EZ

Ci(T) Ci(Z)

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 mỗilần số đếm tăng lên một

Ngu n

Hình 1.11: Encodor tuyệt đối 8 bít

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

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

1200 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)

B

Y b

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 ( ,  ).

Để thuận tiện cho việc nghiên cứu ta quy đổi các đại lượng điện của động cơ khôngđồng bộ ba pha từ hệ tọa độ vector không gian (a,b,c) về hệ tọa độ cố định trên stator (



 , ) với quy ước là trục O trùng với trục Oa Một cách trực quan ta có thể coi hệ tọa

độ cô định trên stator ( ,  ) bao gồm hai cuộn dây stator nằm trên hai trục ( ,  )

Các giá trị R1, R2 không thay đổi

Hình 2.3 Hệ tọa độ cố định trên stator ( ,  ) 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 ( ,  )

Từ mô hình mạch của động cơ KĐB ba pha trên hệ tọa độ cố định stator ( ,  ),

ta nhận thấy từng cặp (u1 , u1  ); (u2x,u2y); (i1 , i1  );(i2x,i2y) có thể xem như tọa độcủa các vector không gian u1 ,u2 ,i1 ,i2 trên các hệ tọa độ ( ,  ) và (x, y) Bằng cáchnhư vậy ta có thể quy đổi các đại lượng sang các tọa độ khác nhau

i 2 i 2

 θ

C đ nh trên stator

C đ nh trên stator (Quay ng rotor)

Hình 2.4 Biểu diễn vector dòng điện rotor trên hệ tọa độ cố định stator ( ,  ) 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 (,) về hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q).

i 1

i 1d d

0

 q

i 1q



θ 1

Hình 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)

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 sẽchuyển hóa thành ba phần:

W = WR + WL + Wc

Trong đó: WR là tổn hao trên các điện trở dây quấn

WL là năng lượng từ trường

Wc 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 rotorlồng sóc trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) như hình 2.6 và hình 2.7 Các tínhiệu phản hồi E1d, E1q, E2d, E2q, 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  và  về hai trục d và qđặt trên roto trong đó trục d trùng với từ thông của roto ψ2 và hai trục  và  lệch so vớ

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), Ki khác nhau đểlấy giá trị T, Kp, Ki thích hợp mà hệ thống đảm bảo chất lượng

- 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 vòngtốc 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 luậnvăn 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

WHi (Z) và hàm Ri(Z) theo số liệu đã tính toán

dongdien

D/Cso Bo

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 MatlabSumulink mô phỏng hệ thống ta được kết quả mô phỏng ở (hình 2-26a và hình 2-26b)

Hình 2-26a : Đáp ứng dòng điện với k p = 0,25; k i = 50; T= 0,002

Hình 2-26b : Đáp ứng dòng điện với k p = 0,25; k i = 42; T= 0,00165

Kết quả mô phỏng mạch vòng dòng điện cho thấy đáp ứng dòng điện đạt các yêucầu của hệ thống:

+ Độ quá điều chỉnh δ% >20%

+ tqd = 0,025 s

+ Sai lệch tĩnh = 4%

2 Khảo sát chất lượng mạch vòng tốc độ

2.1 Từ sơ đồ khối của mạch vòng tốc độ

Sau khi tổng hợp mạch vòng dòng điện, đối tượng điều khiển của mạch vòng tốc độ

có hàm truyền:

Hình 2-27: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng tốc độ theo Matlab Sumulink

Sau khi thay đổi các thông số đã tính toán tiến hành sử dụng phần mềm MatlabSumulink mô phỏng hệ thống ta được kết quả mô phỏng ở (hình 2-28a và hình 2-28b)

Hình 2-28a: Đáp ứng được tốc độ với k p = 0,25; k i = 42; k ω = 0,0006; T=0,00165

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

Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ cho thấy đáp ứng dòng điện đạt các yêu cầucủa hệ thống:

+ Độ quá điều chỉnh δ% >26%

+ tqd = 0,6 s

+ Sai lệch tĩnh = 0

2.5.2 Sử dụng phần mềm Pascal

1 Khảo sát chất lượng mạch vòng dòng điện

Các yêu cầu chất lượng là:

* Ở chế độ xác lập:

Độ sai lệch tĩnh nhỏ hơn giá trị cho phép: I  I cp

* Ở chế độ động:

+ Lượng quá điều chỉnh max imax i  maxcp

Từ phương trình sai phân trên lập trình theo ngôn ngữ Pascal ta sẽ vẽ được đườngcong dòng điện trong 2 trường hợp sau:

 Trường hợp 1: T = 0,00165(s); Kp = 0.25; Ki =42

 Trường hợp 2: T = 0,002(s); Kp = 0.25; Ki =50

Chương trình vẽ đường cong dòng điện xem phụ lục I “ PROGRAM DONGDIEN”,Kết quả chúng ta nhận được đường cong theo thời gian như hai trường hợp sau:

Từ kết quả vẽ đường cong dòng điện theo thời gian i(t) trong 2 trường hợp cácchỉ tiêu đạt được là:

+ Trường hợp 1: Độ 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 vòng tốc độ.

2 Khảo sát chất lượng mạch vòng tốc độ

Cơ sở lý thuyết để xét chất lượng cho mạch vòng tốc độ cũng giống như mạch vòngdòng điện Đó là phải tìm giá trị K của bộ điều chỉnh tốc độ R ứng với thời gian lượng

tử T và giá trị KP, Ki của bộ điều khiển dòng điện Ri đã chọn ở (a) để cho mạch vòng tốc

độ đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng

Từ phương trình sai phân này lập trình theo ngôn ngữ Pascal ta để được đườngcong n(t) ứng với các giá trị K cho 2 trường hợp:

 Trường hợp 1: T = 0,5Tu ; T = 0,00165 (s)

KP = 0,25; Ki = 42 ; K = 0,0006

 Trường hợp 2: T = 0,002 (s) ; KP = 0,25;

Ki = 50 ; K = 0,00058;

Chương trình vẽ đường cong tốc độ xem phụ lục II “ PROGRAM TOCDO”,

Kết quả chúng ta nhận được đường cong theo thời gian như hai trường hợp sau:

16

Từ kết quả vẽ đường cong tốc độ theo thời gian n(t) trong 2 trường hợp các chỉ tiêuđạt được là:

+ Trường hợp 1: Độ quá điều chỉnh: = %22,613

Thời gian quá độ: < 0,1655

Số lần dao động : n = 2+ Trường hợp 2: Độ quá điều chỉnh: = %19,907

Thời gian quá độ: < 0,1655

CHƯƠNG III Thí nghiệm

Nội dung chương này trình bày hệ thống truyền động thí nghiệm, nghiên cứu nguyên

lý làm việc và tiến hành thí nghiệm các chế độ làm việc khác nhau tại công ty Tự độnghóa Hoàng Liên

3.1 Giới thiệu 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

Máy tính

Bộ điều khiển PLC S7-300

Biến tần M420

Động cơ không đồng bộ 3 pha Encoder

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)

PLC

Biến tần M420

Động cơ

Hình 3-2: Các thiết bị mô hình thực nghiệm

3.2 Nguyên lý làm việc

Với sơ đồ khối (hình 3-1) thì quá trình thí nghiệm được thực nghiệm như sau:

- Để thí nghiệm ta thay PID số trong S7-300 với bộ điều khiển P hoặc PI và để đặtđầu 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 khithay 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 thí nghiệm này được tiến hành với hai bài thí nghiệm:

- Bài thí nghiệm thứ 1: khâu P

- Bài thí nghiệm thứ 2: khâu PI