ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP
NGUYỄN MẠNH NGÀ
NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU Ở PHỊNG THÍ NGHIỆM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP THÁI
NGUN ĐỂ ỨNG DỤNG VÀO SẢN XUẤT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KHOA CHUN MƠN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TRƯỞNG KHOA PGS.TS. VÕ QUANG LẠP

PHỊNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC

THÁI NGUN - NĂM 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
i
LỜI CAM ĐOAN

Tên tơi là: Nguyễn Mạnh Ngà
Sinh ngày: 16 tháng 7 năm 1975
Học viên lớp Cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ thuật

vẫn còn những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cơ
giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hồn thiện và có ý nghĩa ứng dụng
trong thực tế.
Xin chân thành cảm ơn!
Thái Ngun, ngày tháng năm 2014
Tác giả
Nguyễn Mạnh Ngà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU vii
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU SƠ ĐỒ KHỐI HỆ TRUYỀN ĐỘNG 2
PHỊNG THÍ NGHIỆM 2
1. Sơ đồ khối 2
2. Chức năng và nhiệm vụ các thiết bị trong sơ đồ 2
2.1. Động cơ điện xoay chiều khơng đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc 2
2.2. Giới thiệu biến tần 4
2.2.1. Thơng số kỹ thuật: 4
2.2.2. Điều khiển biến tần theo phương pháp vector khơng gian 6
2.3. Giới thiệu PLC 9
1.3.1. Cấu tạo 10
2.3.2. Ngun lý hoạt động 11

2.2. Tổng hợp mạch vòng dòng điện 34
2.3. Tổng hợp mạch vòng tốc độ 36
3. Xác định tính ổn định hệ thống 38
3.1. Xác định ổn định của mạch vòng dòng điện 38
3.2. Xác định ổn định của mạch vòng tốc độ 39
4. Tính tốn và khảo sát cho hệ truyền động biến tần – động cơ khơng đồng bộ ba
pha 41
4.1. Xét ổn định mạch vòng dòng điện 41
4.2. Xét ổn định mạch vòng tốc độ 44
5. Khảo sát chất lượng hệ thống bằng phần mềm Matlab Sumulink 47
5.1. Khảo sát chất lượng mạch vòng dòng điện 47
5.1.1. Chuyển đổi hàm số truyền mạch vòng dòng điện sang hàm số truyền theo Z 47
5.1.2. Sử dụng phần mềm Matlab Sumulink mơ phỏng hệ thống 48
5.2. Khảo sát chất lượng mạch vòng tốc độ 50
5.2.1. Từ sơ đồ khối của mạch vòng tốc độ 50
5.2.2. Sử dụng phần mềm Matlab Sumulink mơ phỏng hệ thống 51
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
v
CHƯƠNG III. THÍ NGHIỆM 53
1. Giới thiệu thiết bị thí nghiệm 53
2. Ngun lý làm việc 54
3.Thí nghiệm 54
3.1. Bài thí nghiệm 1 (khâu P) 55
3.2. Bài thí nghiệm 2 (khâu PI) 55
4. So sánh đánh giá kết quả thí nghiệm với tính tốn 57
5. Ứng dụng 57
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 1
PHỤ LỤC I 2
PHỤ LỤC II 9

i
, K
p
: Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện.
K
u
: Hệ số khuếch đại của bộ biến tần
T
u
: Hệ số thời gian của biến tần;
W
KI
: Hàm số truyền kín của mạch vòng dòng điện
C
T
, C
0
T

: Ma trận quy đổi
W
i
(P) : Hàm số truyền khâu điện từ động cơ xoay chiều


Hình 2.8: Sơ đồ mơ phỏng mạch vòng dòng điện theo Matlab Sumulink 32
Hình 2.9: Đáp ứng dòng điện với k
p
= 0,25; k
i
= 50; T= 0,5T
u
= 0,002 49
Hình 2.10a : Đáp ứng dòng điện với k
p
= 0,25; k
i
= 42; T= 0,5T
u
= 0,00165 49
Hình 2.10b: Sơ đồ mơ phỏng mạch vòng dòng điện theo Matlab Sumulink 50
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
viii
Hình 2.11: Sơ đồ mơ phỏng mạch vòng dòng điện theo Matlab Sumulink…… 51
Hình 2.12a: Đáp ứng được tốc độ với k
p
= 0,25; k
i
= 42; k
ω
= 0,0006;
T=0,5T
u
=0,00165 52
Hình 2.12b: Đáp ứng được tốc độ với k


1

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 thơng 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 ngun lý hoạt
động của hệ truyền động, đồng thời nghiên cứu ứng dụng vào truyền động
trong máy sản xuất nên tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu khảo sát hệ truyền
động biến tần động cơ điện xoay chiều ở phòng thí nghiệm Trường Đại
học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun để ứng dụng vào sản xuất ”
Kết quả đề tài sẽ làm tài liệu q giúp cho nghiên cứu học tập đồng
thời có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để vận hành, sửa chữa những thiết bị
ngồi thực tế.

2. Mục tiêu nghiên cứu

- Tính tốn 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 tốn khảo sát dựa trên kết quả mơ 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 tốn, đồng thời thơng qua thí nghiệm giúp cho việc nắm sâu sắc

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 khối truyền động hệ thống

Các thiết bị trong sơ đồ và thơng số kỹ thuật:
1 - Động cơ: 2,2 KW; U = 380VAC; I
đm
= 5A
2 - Biến tần Micromaster M420
3 - Bộ điều khiển trung tâm PLC S7-300
4 – Encoder

2. Chức năng và nhiệm vụ các thiết bị trong sơ đồ
2.1. Động cơ điện xoay chiều khơng đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc
Động cơ điện khơng đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng
làm động cơ điện. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá
thành hạ nên động cơ khơng đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi. Động cơ
khơng đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng
trong cơng nghiệp, nơng nghiệp và trong đời sống hàng ngày.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
4
2.2. Giới thiệu biến tần
– Biến tần M 420 (hình 1-2)

Hình 1-2: Hình dáng của Biến tần M 420

2.2.1. Thơng số kỹ thuật

- Nguồn cấp: 3 pha 200 – 240V, 380 – 480V, 50/60Hz
- Dải tần số ra: 0 - 650 Hz.
- Khả năng q tải 150% trong 60 giây
- Hiệu suất chuyển đổi đến 97%.
- Dải điều khiển từ: 0 - 10V, 4 - 20 mA.
- Tần số sóng mang lên tới 16 KHz.
- Dải cơng suất: 0.37 – 11 KW.
- Chế độ điều khiển động cơ: Tuyến tính U/f, bình phương U/f
Chức năng vận hành: Điều khiển đa tốc độ, Điều khiển PID, tự động
reset khi có lỗi, tự động dò chức năng, kết nối truyền thơng RS 485. Bảo vệ
q áp, sụt áp, q tải, nhiệt độ q cao, lỗi CPU, lỗi bộ nhớ, chạm mát đầu
ra khi cấp nguồn.
- Tiêu chuẩn bảo vệ IP 20
Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha được biểu diễn (hình 1-3), Sơ đồ gồm 6 van
điều khiển hồn tồn V1, V2 , V6 và diode ngược D1, D2, D6. Các diode
ngược giúp cho q trình trao đổi cơng suất phản kháng giữa tải với nguồn.
Đầu vào một chiều là một nguồn áp với đặc trưng có tụ C, giá trị đủ lớn. Phụ
tải 3 pha động cơ khơng đồng bộ ba pha rotor lồng sóc.

1
,
t
2
, t
3
. Trong khoảng t
0
cả ba van V1, V3, V5 đều dẫn, hay nói cách khác là tải
ba pha đầu ra bị nối ngắn mạch lên thanh dẫn (+) của nguồn một chiều E.
Điện áp ra tải ở cả ba pha đều bằng khơng. Trong khoảng t
3
cả ba van V2, V4,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
6
V6 đều dẫn, nói cách khác là tải đầu ra bị nối ngắn mạch xuống thanh dẫn (-)
của nguồn một chiều E. Điện áp ta ở cả ba pha cũng đều bằng khơng. Q
trình điều chế chỉ diễn ra trong khoảng t
1
và t
2
. Trong các khoảng t
1
và t
2
có
thể xác định được dạng điện áp ra nhờ các sơ đồ tương đương.

u
C
2
BA
++=
,
Trong đó
2
3
2
1
a
3
2
je
j
+−==
π
; j : Đơn vị số phức ảo (j
2

= - 1)
Nếu u
A
, u
B
, u
C
là một hệ thống điện áp ba pha sao cho:
t)( cosUu


Điều này nghĩa là trên mặt phẳng tọa độ 0αβ,
u
r
là một vector có độ dài
bằng biên độ của các điện áp pha, quay quanh gốc tọa độ với tốc độ góc bằng ω.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
7
- Trạng thái của van và các vector biên chuẩn:
Trong sơ đồ nghịch lưu áp ba pha như (hình 1.3), các van điều khiển
phải tn theo những quy luật nhất định, đó là khơng được ngắn mạch nguồn
một chiều đầu vào, khơng được hở mạch bất cứ pha nào ở đầu ra.
Khơng được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào vì sẽ sinh ra dòng
lớn, phá hủy van. Khi van điều khiển khơng nối một pha đầu nào đó với thanh
dẫn (+) hoặc (-) của nguồn một chiều, dòng có thể vẫn phải chạy qua các
diode, dẫn đến điện áp ra phụ thuộc vào tải, nghịch lưu khơng còn là nghịch
lưu áp như mong muốn.
Do những quy luật trên chỉ có 8 trạng thái van được phép, như được
biểu diễn trong bảng dưới đây:

STT Van dẫn u
A
u
B
u
C
u

2
π
j
Ee
−

5 V3,V4,V5 -2/3E 1/3E 1/3E
πj
Ee
−
3
2

6 V4,V5,V6 -1/3E -1/3E 2/3E
3
2
3
2
π
j
Ee
−

7 V2,V4,V6 0 0 0 0

Với mỗi trạng thái van, các điện áp pha có giá trị tương ứng. Tính tốn
vector khơng gian
u
r
,

0
u
r
7
u
r
4
u
r
3
u
r
2
u
r
IV
III
II
I
VI
V

Hình 1-4: Vector khơng gian và các vector biên chuẩn

- Tổng hợp vector khơng gian từ các vector biên: Một vector khơng
gian bất kỳ, giả sử nằm trong một góc phần sáu nào đó, có thể được tổng hợp
từ hai vector biên trên (hình 1.4), giả sử vector khơng gian
u
r







−= θ
π
3
sin u
3
2
u
p
r

θ;sin u
3
2
u
t
=
r

Trong đó:
θ
là góc chỉ ra vị trí tương đối của vector
u
r

trong góc phần

t2
s
p
p
u
T
t
u;u
T
t
u
rrrr
==

Độ dài của các vector biên chuẩn được xác định bởi giá trị của điện áp
một chiều đầu vào
E
3
2
u
p
=
r
, ký hiệu
ip
U
3
2
u =
r

sin θ
3
2
U
U
Tt
t
0
st
=

Gọi
t
U
U
q
0
=
là hệ số biến điệu, 0 ≤ q ≤ 1, có thể viết lại biểu thức tính
tốn thời gian như sau:






−= θ
3
π
sin
2.3. Giới thiệu PLC

PLC là từ viết tắt của cụm từ tiếng Anh "Programmabe Logic
Controller": Bộ điều khiển logic có thể lập trình (khả trình) cho phép thực
hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển logic thơng qua một ngơn ngữ lập
trình. Thực tế trong sản xuất PLC là một máy tính cơng nghiệp được gắn tại
chỗ với dây chuyền cơng nghệ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
10
1.3.1. Cấu tạo

- PLC thực chất cũng là một hệ vi sử lý, tuy nhiên nó có những ưu điểm
nổi bật mà các hệ vi sử lý khác khơng có. Những ưu điểm này ta sẽ xét sau,
trước tiên ta xem xét cấu trúc của nó, PLC gồm các bộ phận sau:
+ Hệ điều hành: Chương trình điều hành. Khối này dưới chương trình
điều khiển hệ thống và chia các bộ nhớ với các địa chỉ cố định đặt trước tạo
nên các vùng nhớ cụ thể như:
- Vùng nhớ chương trình điều khiển;
- Vùng nhớ biến trung gian;
- Vùng nhớ cho tín hiệu vào và tín hiệu ra cũng như các chương trình
giám sát kiểm tra hệ thống. Khối này thường sử dụng bộ nhớ ROM.
+ Bộ nhớ chương trình: Lưu chương trình điều khiển PLC, khi PLC
hoạt động, nó sẽ đọc và thực hiện chương trình được ghi trong bộ nhớ này. Bộ
nhớ chương trình là một vùng trong RAM của CPU.

+ Bộ vi sử lý:
Bộ vi sử lý gọi các lệnh trong bộ nhớ chương trình trên RAM ra để
thực hiện một cách tuần tự. Theo chương trình nó xử lý các thơng tin được lấy
ra từ bảng PII và chuyển kết quả xử lý sáng bảng PIQ.
+ Bus vào ra: Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi sử lý và
các modul vào ra thơng qua bus vào ra ngồi. Một bus gồm nhiều đường tính
hiệu song song và được nối với nhiều bộ phận khác nhau. Hệ thống bus được
chia thành 3 loại:
- Bus địa chỉ: Tín hiệu chỉ truyền thao một chiều từ CPU tới (hoặc thiết
bị điều khiển trực tiếp - DMAC), bộ nhớ hoặc của vào ra.
- Bus số hiệu: Tín hiệu trên đó truyền theo hai chiều
- Bus các tín hiệu điều khiển: Gồm một số là tín hiệu gửi từ CPU ra còn
một số lại là tín hiệu từ ngồi vào CPU.

2.3.2. Ngun lý hoạt động

PLC làm việc theo ngun tắc các kỳ lặp tự động, mỗi kỳ lặp được gọi
là một vòng qt. Mỗi vòng qt có một lần nhận dữ liệu vào và đưa kết quả
Nạp thơng tin
từ PII vào
Sử lý thơng tin
trong ACCU1
và ACCU2
TACCU2 thơng
tin tới PIQ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
12

chỉnh tối ưu.
Nhược điểm: - Hệ điều khiển PLC trong việc hiệu chỉnh thay đổi thơng
số cũng như thay đổi hàm hiệu chỉnh do đó người sử dụng phải am hiểu và
khi thay đổi chương trình khơng đúng sẽ làm dối loạn dây chuyền vì vậy gây
khó khăn cho người quản lý.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
13
- Do điện áp sử dụng trên PLC thấp vì vậy để đảm bảo an tồn phải có
biện pháp cách lý với điện áp lưới.
- Để thực hiện lập được chương trình điều khiển bắt buộc phải có máy
tính hoặc máy lập trình.
Ứng dụng của PLC:
- Ngày nay bộ điều khiển khả trình PLC được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều ngành cơng nghiệp cùng như phi cơng nghiệp trên tồn thế giới, nhờ ưu
điểm mềm dẻo, linh hoạt trong điều khiển. Nói riêng về bộ điều khiển PLC
của hãng SIEMENS (CHLB Đức), ngồi ưu điểm như đã trình bày ở trên thì
PLC của hãng còn rất đa dạng về chủng loại: Từ những loại nhỏ, phù hợp với
những u cầu điều khiển khơng phức tạp cho đến những bộ điều khiển cực
lớn có tác dụng như một máy vi tính, đáp ứng được mọi u cầu điều khiển
phức tạp nhất.
- Các bộ điều khiển khả trình họ SIMANTIC S5 của SIEMENS được
ứng dụng trong nhiều ngành cơng nghiệp. Ví dụ như ngành Dệt, Cơng nghiệp
chất dẻo, Xi măng và nó đã chiếm được cảm tình của các nhà sản xuất.
Tại Việt Nam, PLC họ SIMANTIC S5 của SIEMENS đã được đưa vào
điều khiển các dây chuyền sản xuất, cụ thể hóa cơng suất các tổ máy điện,
trong hệ điều khiển của Viet SoPtro, nhà máy thuốc lá Thăng Long, các Nhà
máy Dệt, Nhà máy Xi măng

* AI/AO (Analog Input/Analog Output):): Module mở rộng các cổng
vào/ra tương tự.
+ IM (Intuface Module): Module ghép nối.
+ FM (Function Module):Module có chức năng điều khiển riêng.
+ CP (Communication Module): Module phục vụ truyền thơng tin trên
mạng giữa các PLC với nhau hoặc PLC với máy tính.

2.3.4.2. Cấu trúc bộ nhớ của CPU
- Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng nhớ chương trình chia làm
ba miền:
* OB (Organiration Block): Miền chứa chương trình tổ chức.
* FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm
có biến hình thức để trao đổi Data với chương trình đã gọi nó.
FB (Function Blocb): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành
hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào
khác. Các Data này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng gọi là
(BD – Data Block).
Vùng chứa tham số của hệ điều hành vào chương trình ứng dụng, vùng
này được phân chia thành 7 miền khác nhau bao gồm:
* I (Process Inmage Input): Miền bộ đệm các Data cổng vào số.
* Q (Process Inmage output): Miền bộ đệm các Data cổng vào số.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
15
* M: Miền các cờ
* T (Timer): Miền nhớ phục vụ thời gian
* C (Counter) Miền nhớ phục vụ bộ đếm
* PI: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O extrrnal input)