Tài liệu 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 .. 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 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 … stator (  ,  ) .............................. 24 2.1.2. 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi 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 WL(p) : Hàm truyền khâu lấy tín hiệu dòng điện Uđb : Điện áp đồng bộ. Uω : Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ. T, T1 : Chu kỳ lấy mẫu (hay gọi thời gian lƣợng tử). H(p) : Khâu lƣu giữ 0. T(p) : Hệ số truyền biến tần Uc : Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung. Kω : Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ đƣợc lấy từ Encoder Ki , Kp : Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện. Ku : Hệ số khuếch đại của bộ biến tần : Hệ số thời gian của biến tần; Tu CT, C0T : Hàm số truyền kín của mạch vòng dòng điện : Ma trận quy đổi W1(P) : Hàm số truyền khâu điện từ động cơ xoay chiều WKI Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Trang 1-1 2 1-2 Đường đặc tính của động cơ KĐB 3 1-3 3 1-4 Đường đặc tính của động cơ KĐB 420 1-5 sơ đ 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 Vòng quét chương trình 10 1-9 4 3 pha 5 13 1-10 20 1-11 21 Hình 2-1 22 2-2 24 2-3 stator (,) Hệ tọa độ cố định trên stator (  ,  ) về hệ tọa độ cố định trên 26 rotor (x, y) Biểu diễn vector dòng điện rotor trên hệ tọa độ cố định 2-4 stator (  ,  ) và hệ tọa độ cố định rotor (x, y) 27 Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định 2-5 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) 2-9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 36 39 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii . 2-10 Hình 2-11 2-12 Hình 2-13 40 Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ KĐB Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ KĐB Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ điện sử dụng biến tần và động cơ KĐB Hình 2-25 42 43 43 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 kp = 0,25; ki = 50; T= 0,5Tu = 0,002 62 Hình 2-26b Đáp ứng dòng điện với kp = 0,25; ki = 42; T= 0,5 Tu = 0,00165 43 Hình 2-27 Sơ đồ mô phỏng mạch vòng tốc độ theo Matlab Sumulink 64 Đáp ứng được tốc độ với kp= 0,25; ki = 42; kω= 0,0006 Hình 2-28a Hình 2-28b 64 T=0,5Tu=0,00165 Đáp ứng được tốc độ với kp= 0,25; ki = 50; kω= 0,00058; T=0,5Tu= 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 87 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix Hình 4-4 Đồ thị xác định số lần dừng Hình 4-5 a) Sơ đồ xác định độ chính xác khi dừng buồng thang; b) 81 Sự phụ thuộc của độ dừng chính xác ∆S của buồng thang 91 vào trị số tốc độ và gia tốc Hình 4-6 Sơ đồ mạch điện truyền động cho thang máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 93 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 Nội dung luận văn gồm 3 chƣơng: Chƣơng I: Xây 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. e Sp PID Kp U Ki Biến tần V (M420) (S7-300) Pv Kd W Động cơ 3 pha Encoder Tín hiệu 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  3U 12 . p 3p U 2  2 ( 1 )2 2.2 . f 1 .2 . f 1 L 8 L f 1 Từ công thức trên ta có hai phƣơng pháp điều khiền - Phƣơng pháp 1: U1 là hằng số, tăng U1, tăng f1 phƣơng pháp điều chỉnh f1 này thích ứng với momen cản là hằng số (hình 1.2). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 ω(Mp ) f11 ω1 ωn f1n ω2 f12 0 Mmm Mn M Mp = K Hình 1.2: Đường đặc tính của động cơ KĐB Phƣơng pháp 2: Tăng tần số nhƣng giữ nguyên điện áp ta đƣợc đạc tính nhƣ (hình 1.3) ω ω(Mp) ω1 f11 ωn f1n ω2 f12 0 Mp1 Mpn Mp2 M Pp = K Hình 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 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 Co T4 D4 Za 1.5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN Zc Zb 3 pha http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 1.5), quá trình khống chế các 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 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 60 120 180 240 300 360 θ V2 V3 θ V4 θ V5 θ V6 θ UA 2/3E iA 1/3E θ 0 φ iv1 θ 0 iv4 0 θ 0 θ iD1 iD4 θ 0 id θ 0 Hình 1.6: Giản đồ khống chế các van và dòng, áp của các phần tử trong sơ đồ biến tần 3 pha Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 a) : u = (ua, ub, uc = (ia, ib, ic). ch , . 0  nhƣ sau: 2 3 U= (u A  auB  a 2 u c ) =e A, j 2 3  1 3 j 2 2 (j2 = - 1) uB, uC : uA = Umcos( t ) uB = Umcos( t  2 ) 3 uC = Umcos( t  2 ) 3 uc = Umej( t )  0  , U . b) 1.5, . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 9 . : S TT 0 Van dẫn uA uB uC u T1, T3, T5 0 0 0 0 1 T5, T6, T1 1/3E -2/3E 1/3E 2 j3 Ee 3 2 T6, T1, T2 2/3E -1/3E -1/3E 2  j Ee 3 -2/3E 2 j3 Ee 3   3 T1, T2, T3 1/3E 1/3E 2 3 4 T2, T3, T4 -1/3E 2/3E -1/3E 2 j Ee 3 5 T3, T4, T5 -2/3E 1/3E 1/3E 2  j Ee 3 2 j Ee 3 6 T4, T5, T6 -1/3E -1/3E 2/3E 7 T2, T4, T6 0 0 0 2 3 0  vector không gian U 0  , nhƣ trên 1.7. . c) 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 đƣợc tổng hợp từ hai vectơ biên. Trên hình 1.7, giả sử vectơ không gian U Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 nằm trong góc phần tƣ thứ I, có thể đƣợc thể đƣợc tổng hợp từ hai vectơ biên  U  2, U 3.    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 2, U 3. Hình 1.7: Vectơ không gian và vectơ biên chuẩn Độ dài vectơ phải, trái đƣợc tính nhƣ sau:  | U p| =  | U t| =  2 3 2 3 |u|sin(   ) 3 |u|sin   là góc chỉ vị trí tƣơng đối của vectơ u trong góc phần sáu. Thực chất, phép điều chế vectơ không gian tạo ra các vectơ u p, ut trong mỗi chu kỳ tính toán, hay còn gọi là mỗi chu kỳ cắt mẫu Ts. Độ dài của các vector này đƣợc xác định bởi giá trị trung bình theo thời gian tồn tại của các vector u 1, u2 trong mỗi chu ký Ts nhƣ sau:  | U p| = tp ts   | U 1|; | U p| = tp ts  | U 2| Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 11 Độ dài của các vector biên chuẩn đƣợc xác định bởi giá trị của các điện áp  một chiều đầu vào | U p| =  2 E 3 | U p| =  2 Ui 3 U  | U | = U0. : tp = Ts U0 2  sin(   ) Ui 3 3 ut = Ts U0 2 sin  Ui 3 p Uo Ut , 0  q  1, : tp = Ts q  2 sin(  0) ; tt = Ts q sin 3 3 3 2 : tp + tt  Ts Khoảng thời gian còn lại trong chu kỳ cắt mẫu, t 0 = Ts –(tp + tt), 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 nhƣ biểu diễn trên hình 1.7. 1.2.3 7-300 1. Các module của PLC S7-300 Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, bộ điều khiển PLC đƣợc thiết kế không bị cứng hóa về cấu hình chúng đƣợc chia nhỏ thành các module. Số các module đƣợc 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 thƣờng đƣợc đặt tên the bộ vi xử lý có trong nó nhƣ module CPU312, CPU314, CPU315. Những module cùng sử dụng một loại vi xử lý nhƣng khác nhau về cổng vào/ra onboard cũng nhƣ các khối hàm đặc biệt đƣợc tích hợp sẵn trong thƣ viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra này sẽ đƣợc 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 đƣợc chia thành 5 loại chính. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/