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

i TRẦN THỊ SỰ 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VÕ QUANG LẠP - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Trần Thị Sự Sinh ngày: 16/11/1986 Học viên lớp cao học khóa 14 – Tự động hóa – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Ngun Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu nêu luận văn trung thực Những kết luận khoa học luận văn chưa công bố cơng trình Tơi xin cam đoan thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, nhận quan tâm lớn nhà trường, khoa, phòng ban chức năng, thầy cô giáo đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, khoa sau đại học, giảng viên tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới thày PGS TS VÕ QUANG LẠP Thày tận tình giúp đỡ tơi trình tìm hiểu thực tế để phát đề tài trình thực đề tài luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thày giáo phịng thí nghiệm trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên giúp đỡ tạo điều kiện để tơi thực hồn thành thí nghiệm điều kiện tốt Mặc dù cố gắng, song trình độ kinh nghiệm cịn hạn chế nên luận văn tơi cịn thiếu sót Tơi mong nhận ý kiến đóng góp từ thày giáo đồng nghiệp để luận văn tốt có ý nghĩa ứng dụng thực tế Xin chân thành cảm ơn! Tác giả Trần Thị Sự Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv MỤC LỤC Mở đầu CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU I Sơ đồ khối I.1 Động điện I.2 Biến tần I.2.1 Khối động lực I.2.2 Khối điều khiển I.2.3.1 Khái niệm vectơ không gian I.2.3.2 Trạng thái van vectơ biên chuẩn I.2.3.3.Tổng hợp vectơ không gian từ vectơ biên I.3 PLC S7-300 11 I.4 Thiết bị lấy tín hiệu tốc độ 11 CHƢƠNG II: PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ ĐIỆN KĐB BA PHA 16 II.1 Các phương pháp điều khiển biến tần động điện xoay chiều ba pha 16 II.1.1 Điều khiển vectơ (FOC) 16 II.1.2 Điều khiển trực tiếp momen (DTC) 17 II.2 Xây dựng phương pháp điều khiển vectơ 18 II.2.1 Mô tả động KĐB ba pha dạng đại lượng vector không 19 gian II.2.2 Quy đổi đại lượng điện động không đồng từ hệ tọa độ 22 vector không gian (a,b,c) hệ tọa độ cố định stator (  ,  ) II.2.3 Quy đổi đại lượng động KĐB ba pha từ hệ tọa độ cố định 25 rotor (x, y) hệ tọa độ cố định stator (  ,  ) II.2.4 Phép chuyển đổi trục tọa độ đại lượng điện ĐC KĐB ba pha từ hệ tọa độ cố định stator (  ,  ) hệ tọa độ tựa theo từ thơng rotor(d,q) Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 27 v 31 33 35 CHƢƠNG III: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG VÀ KIỂM NGHIỆM HỆ ĐIỀU KHIỂN VECTOR BIẾN TẦN- ĐỘNG CƠ 39 KHÔNG ĐỒNG BỘ III.1 Khảo sát ổn định hệ điều khiển 39 III.1.1 Cơ sở xây dựng hệ điều khiển vector biến tần – động KĐB số 39 III.1.1.1 Cấu trúc hệ điều khiển vector 39 III.1.1.2 Dựa vào điều khiển số S7-300 40 III.1.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển số 48 III.1.3 Quá trình khảo sát ổn định 50 III.1.3.1 Khảo sát mạch vòng dòng điện 50 III.1.3.2 Khảo sát mạch vòng tốc độ 59 III.1.4 Quá trình khảo sát chất lượng 64 III.1.4.1 Khảo sát chất lượng mạch vòng dòng điện 65 III.1.4.2 Khảo sát chất lượng mạch vòng tốc độ 69 III.2 Thí nghiệm 73 III.2.1 Giới thiệu thiết bị thí nghiệm 73 III.2.2 Nguyên lý làm việc 76 III.2.3 Thí nghiệm 76 III.2.3.1 Thí nghiệm 77 III.2.3.1 Thí nghiệm 77 III.2.4 So sánh đánh giá kết 78 CHƢƠNG IV: ỨNG DỤNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐIỀU KHIỂN BỞI PLC S7-300 CHO BÀN 79 MÁY GIA CÔNG TIA LỬA C 79 79 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi 81 82 82 83 85 85 87 89 89 90 IV.4 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống truyền động biến tần – động điện xoay chiều ba pha cho máy gia công tia lửa điện 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94 TÀI LIỆU TAM KHẢO 96 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ CPU D DTC ĐC KĐB FOC ĐKCL Điều khiển chỉnh lưu ĐKNL Điều khiển nghịch lưu H(p) I 10 Ke Hệ số Encoder phản hồi âm tốc độ 11 β Hệ số biến đổi điều khiển dòng điện 12 K Hệ số khâu lấy tín hiệu tốc độ 13 P Bộ điều chỉnh tỉ lệ 14 PI Bộ điều chỉnh tỉ lệ tích phân 15 PID (Central Processing Unit) Bộ xử lý trung tâm Bộ điều chỉnh vi phân Điều khiển trực tiếp momen Động không đồng Điều khiển vectơ Khâu lưu giữ khơng Bộ điều chỉnh tích phân (Proportinal Intrergal Derivative) Bộ điều chỉnh tỉ lệ vi tích phân 16 PLC Programmable Logic Controller”: Bộ điều khiển logic 17 PWM (Pulse Width Modulation) Phương pháp biến điệu bề rộng xung 18 SVM (Space Vector Modulation) Phương pháp biến điệu vector khơng gian 19 T 20 CNC Chu kì lấy mẫu (thời gian lượng tử) Computer numberial control Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ MINH HỌA Số hiệu Nội dung Trang Hình 1.1 Mơ hình hệ thống Hình1.2a Đặc tính thay đổi tần số, điện áp khơng đổi Hình1.2b Đặc tính thay đổi tần số điện áp (U/f =const) Hình 1.3 Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp pha Hình 1.4 Vectơ khơng gian vectơ biên chuẩn 10 Hình 1.5 Đặc tính đo máy phát tốc chiều 12 Hình 1.6 Mạch đo tốc độ máy phát tốc xoay chiều ba pha 13 Hình 1.7 Mạch nhân xung đầu phát tốc xung 13 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Cấu trúc điều khiển vectơ hệ ổn định tần số máy sử dụng động KĐB xoay chiều ba pha Sơ đồ khối hệ biến tần - động điện KĐB xoay chiều ba pha điều khiển trực tiếp momen Sơ đồ nguyên lý dây quấn động không đồng 16 18 19 Hệ tọa độ vector không gian ( a,b,c) hệ tọa độ cố định Hình 2.4 Hình 2.5 22 stator (  ,  ) Hệ tọa độ cố định stator (  ,  ) hệ tọa độ cố định 24 rotor (x, y) Biểu diễn vector dòng điện rotor hệ tọa độ cố định stator Hình 2.6 (  ,  ) hệ tọa độ cố định rotor (x, y) 25 Biểu diễn vector dòng điện stator hệ tọa độ cố định stator Hình 2.7 (  ,  ) hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 27 2.8 34 2.9 35 2.10 36 (d,q) 2.11 Số hóa Trung tâm Học liệu 38 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix Hình 3.1 Hình 3.2a Hình 3.2b Sơ đồ cấu trúc chi tiết hệ thống TĐĐ sử dụng biến tần ĐC KĐB Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần ĐC KĐB Sơ đồ cấu trúc rút gọn hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần ĐC KĐB 40 42 43 Hình 3.3 Đồ thị đặc tính khâu điều khiển I 45 Hình 3.4 Đồ thị đặc tính khâu điều khiển D 46 Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID 47 Hình 3.6 Đồ thị đặc tính PID 48 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID số 48 Hình 3.8 Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển số biến tần động điện xoay chiều Sơ đồ khối hệ truyền động 49 71 Hình 3.10 72 Hình 3.11 Kết thí nghiệm khâu P 73 Hình 3.12 Kết thí nghiệm khâu PI 73 Hình 4.1 76 Hình 4.2 77 Hình 4.3 78 Hình 4.4 80 Hình 4.5 81 Hình 4.6 82 Hình 4.7 83 Hình 4.8 83 X,Y,Z Hình 4.9 86 Hình 4.10 86 Hình 4.11 g Tachometer, Resolver Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 86 x Hình 4.12 Hình 4.13 , Encoder Sơ đồ khối hệ truyền động biến tần – động điện xoay chiều cho máy gia công tia lửa điện Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 87 87 83 IV.1 : e We = Ue Ie te : Ue, Ie Do Ue Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 84 = 300μs) : Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 85 IV.1.3 : ) - - ) ) IV.1.3 c - - - : Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 86 - : W Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 87 IV.2 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 88 ,Y,Z 5, Bơm 2, Phơi /R - Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 89 :đ Z CNC controler Y X Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 90 - 0,001 inch Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 91 Z CNC contr oler Y X 4.10 Tín hiệu yêu cầu Tachometer UYC Bàn máy +_ RT R +_ Động Vít me đai ốc UVT UTĐ Phản hồi tốc độ Phản hồi vị trí 4.11 Số hóa Trung tâm Học liệu , Resolver http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Resolver 92 4.12 chometer, Encoder IV.4 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống truyền động biến tần – động điện xoay chiều ba pha cho máy gia công tia lửa điện Dựa sở thiết kế hệ thống truyền động kín để truyền động cho máy gia công tia lửa điện dựa theo hình 4.12 thiết kế sơ đồ khối hệ truyền động biến tần – động điện xoay chiều cho máy gia công tia lửa điện hình vẽ (hình 4.13) Hình 4.13 Sơ đồ khối hệ truyền động biến tần – động điện xoay chiều cho máy gia công tia lửa điện Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 93 * Giới thiệu sơ đồ Trong sơ đồ hệ thống truyền động biến tần - động điện xoay chiều điều khiển PID S7-300 mạch vòng phản hồi âm tốc độ dùng encoder Để điều khiển chuyển động bàn máy gia cơng tia lửa điện ta thiết kế mạch vịng đo tín hiệu đặt, tín hiệu lấy từ vị trí bàn máy Như encoder vừa dùng để tạo tín hiệu âm tốc độ vừa làm sensor để đo vị trí bàn máy vị trí bàn máy láy từ encoder so sánh với tín hiệu đặt máy tính đưa vào điều khiển hệ thống truyền động * Nguyên lý làm việc Trong chương ba tính tốn ổn định chất lượng có kết luận ổn định hệ thống chất lượng đảm bảo ứng dụng để truyền động máy gia công tia lửa điện CNC ngun lý ổn định vị trí sau: Với lượng đặt định xác định vị trí bàn máy định trình làm việc vị trí thay đổi thơng qua tín hiệu vị trí bàn máy lấy từ encoder so sánh với lượng đặt từ máy tính tín hiệu sai lệch đưa đến điều khiển hệ thống truyền động dẫn đến tốc độ động thay đổi làm cho vị trí bàn máy ổn định Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Với đề tài : “Nghiên cứu khảo sát tính tốn hệ truyền động biến tần - động điện xoay chiều để ứng dụng điều khiển chuyển động bàn máy gia công tia lửa điện” từ yêu cầu mục tiêu đặt luận văn giải đầy đủ cho kết sau: - Đã xây dựng sơ đồ khối hệ truyền động biến tần – động điện xoay chiều ba pha roto ngắn mạch điều khiển modul mềm PID S7-300 - Đã trình bày cụ thể nguyên lý làm việc khối sơ đồ từ giúp cho việc nghiên cứu chương - Hệ truyền động biến tần – động điện xoay chiều điều khiển PID S7-300 hệ phi tuyến Trong luận văn đưa hai phương án để điều khiển hệ truyền động điều khiển vector điều khiển trực tiếp momen Đây hai phương pháp điều khiển đại ứng dụng thích hợp cho hệ điều khiển này, sau phân tích chọn phương pháp điều khiển vector Với phương pháp điều khiển vector đưa hệ điều khiển chuyển động giống hệ điều khiển động điện chiều - Đã xây dựng hệ điều khiển số dựa sở hệ điều khiển vector khối điều khiển mềm PID S7-300, từ giúp cho việc khảo sát hệ truyền động số biến tần – động điện xoay chiều ba pha - Đã tính toán ổn định cụ thể với T, Ki, Kp, với thơng số thêm K  mạch vịng tốc độ Bản luận văn khảo sát ổn định chất lượng hệ thống phương pháp đại số Sau ứng dụng phần mềm Pascal vẽ đặc tính động i(t) (t), kết cho thấy hệ thống đảm bảo chất lượng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 95 - Với kết tính toán khảo sát ổn định chất lượng bước đầu đề xuất khả ứng dụng hệ truyền động cho điều khiển chuyển động bàn máy gia cơng tia lửa điện CNC - Đã thí nghiệm thành công hệ truyền động biến tần - động điện xoay chiều điều khiển PID S7-300 phịng thí nghiệm trường Q trình thí nghiệm với điều khiển P PI mạch vòng tốc độ cho ta kết để làm sở so sánh với kết mô lý thuyết Kết thể mục III.2.4 với kết thí nghiệm khẳng định hệ truyền động ứng dụng để điều khiển chuyển động bàn máy CNC hoàn toàn thỏa mãn - Đã nghiên cứu tổng quát yêu cầu điều khiển chuyển động máy gia công tia lửa điện CNC, từ xây dựng sơ đồ khối hệ điều khiển chuyển động bàn máy gia công tia lửa điện, dùng hệ truyền động biến tần động điện xoay chiều ba pha với điều khiển PID S7-300 Kiến nghị : - Hạn chế luận văn tiến hành tính tốn, khảo sát mặt lý thuyết thí nghiệm hệ truyền động chưa tiến hành kiểm nghiệm mơ hình thực kéo bàn máy nên xây dựng, nghiên cứu để đưa hệ thống truyền động ứng dụng cụ thể cho điều khiển chuyển động bàn máy từ tiếp tục khảo sát, tính tốn đánh giá chất lượng hệ điều khiển chuyển động bàn máy đồng thời tiếp tục nghiên cứu để ứng dụng vào thực tế Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 96 TÀI LIỆU TAM KHẢO [1] TS.Trần Thọ, PGS-TS.Võ Quang Lạp “Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện”, nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2004 [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, “Điều chỉnh tự động truyền động điện”, nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2004 [3] Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Nguyễn Trung Sơn, Cao Văn Thành, “Điều khiển số máy điện”, nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1999 [4] TS Bùi Quý Lực, “Hệ thống điều khiển số công nghiệp, nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2005 [5] Nguyễn Phùng Quang, “Điều khiển động không đồng xoay chiều ba pha”, nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2006 [6] Nguyễn Thương Ngô, “Lý thuyết điều khiển tự động đại”, nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2003 [7] Phạm Văn Bình, “Máy điện tổng quát”, nhà xuất Việt Nam [8] Ang Hồi, Nguyễn Văn Chất, Nguyễn Thị Liên Anh, “Trang bị điện – điện tử máy công nghiệp dùng chung”, nhà xuất giáo dục [9] Võ Minh Chính (chủ biên), Phạm Quốc Hải,Trần Trọng Minh, “Điện tử công suất”, nhà xuất khoa học kỹ thuật [10] PGS.TS Võ Quang Lạp, “Giáo trình điện tử công suất ứng dụng”, Thái Nguyên 2002 [11] Nguyễn Mạnh Tiến - Vũ Trọng Hồi, “Trang bị điện - Điện tử - Máy gia công kim loại”, NXB giáo dục 1996 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC S7-300 Hệ truyền động biến tần động điện xoay chiều điều khiển máy tính PLC sử dụng nhiều để truyền động cho máy công. .. ? ?Nghiên cứu khảo sát tính tốn hệ truyền động biến tần - động điện xoay chiều để ứng dụng điều khiển chuyển động bàn máy gia công tia lửa điện? ?? Với cách đặt vấn đề kết đề tài luận văn vừa có tính. .. nghiệm hệ điều khiển vector biến tần - động không đồng Chương IV: Ứng dụng hệ truyền động biến tần - động điện xoay chiều điều khiển PLC S7-300 cho chuyển động bàn máy gia công tia lửa điện Kết