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

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

Tu : Hệ số thời gian của biến tần;

WKI : Hàm số truyền kín của mạch vòng dòng điện

CT, C0

T

: Ma trận quy đổi

W1(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 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

Hình 2-28a

Đáp ứng được tốc độ với kp= 0,25; ki = 42; kω= 0,0006

T=0,5Tu=0,00165 64

Hình 2-28b

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

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

2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

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