i
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

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



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

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN II
LỜI CẢM ƠN III
MỤC LỤC IV
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VI

v
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

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

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
1
(P) : Hàm số truyền khâu điện từ động cơ xoay chiều

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

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 k
p
= 0,25; k
i
= 50; T= 0,5T
u
= 0,002
62

ω
= 0,00058;
T=0,5T
u
= 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

”.
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

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.


3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

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.

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

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

1
1
f
U
là hằng số, tăng U
1
, tăng f
1
phƣơng pháp điều chỉnh
này thích ứng với momen cản là hằng số (hình 1.2).
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

1
2
n
0
M
M
n
ω(M
p
)
f
11
f
1n
f
12
Mp = K

= K
ω
M
pn
M
p2

Hình 1.3: Đường đặc tính của động cơ KĐB
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

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.

1.4 420


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.
7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

V
1
0
60
120 180 240 300 360






V
2
V
3
V
4
V

i
A

Hình 1.6: Giản đồ khống chế các van và dòng, áp của các phần
tử trong sơ đồ biến tần 3 pha
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

a)
: u = (u
a
, u
b
, u
c
= (i
a
, i
b
, i
c).
ch
,
.
0

nhƣ sau:
U=
)(
3


)
u
B = U
m
cos(
3
2


t
)
u
C = U
m
cos(
3
2


t
)
u
c = U
m
e
j(
t

)

, T
3,
T
5

0
0
0
0
1
T
5
, T
6,
T
1

1/3E
-2/3E
1/3E
3
3
2

j
Ee


2
T


j
Ee

4
T
2
, T
3,
T
4

-1/3E
2/3E
-1/3E
3
2
3
2

j
Ee

5
T
3
, T
4,
T
5


7
T
2
, T
4,
T
6

0
0
0
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

10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN



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
| =
3
2
|u|sin(

s

nhƣ sau:
|

U
p
| =
s
p
t
t
|

U
1
|; |

U
p
| =
s
p
t
t
|

U
2
|

.
:
t
p
= T
s

)
3
sin(
3
2
0



i
U
U

u
t
= T
s


sin
3
2
0

sin
3
2

:
t
p
+ t
t


T
s

Khoảng thời gian còn lại trong chu kỳ cắt mẫu, t
0
= T
s
–(t
p
+ t
t
), 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.

Ci(T)
Ci(Z)

Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID

 AI (Analog input): Module mở rộng các cổng vào tƣơng tự.
 AO (Analog output): Module mở rộng các cổng ra tƣơng tự chúng chính
là những bộ chuyển đổi số tƣơng tự.
 AI/AO: (Analog input/Analog output): Module mở rộng các cổng vào/ra
tƣơng tự.
+ IM (Intuface module): Module ghép nối
+ FM (Function module) Module có chức năng điều khiển riêng.
+ CP (Communication module): Module phụa vụ truyền thông tin trên mạng
giữa các PLC với nhau hoạc giữa PLC với máy tính.
2. Cấu trúc bộ nhớ của CPU
* Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng chứa chƣơng trình chia làm ba
miền:
 OB (Organiration block): Miền chứa chƣơng trình tổ chức.
 FC(Function): Miền chứa chƣơng trình con đƣợc tổ chức thành hàm có
biến hình thức để trao đổi data với trƣơng trình đã gọi nó.
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

 FB (Function block):Miền chứa chƣơng trình con đƣợc tổ chức thành hàm
và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chƣơng trình nào khác. Các
data này phải đƣợc xây dựng thành một khối dữ liệu riêng gọi là (BD- Data
block).
* Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng
Vùng này đƣợc phân chia thành 7 miền khác nhau bao gồm:
 I (Process image input): Miền bộ đệm các data cổng vào số.

4. Cấu trúc chương trình
Chƣơng trình cho S7-300 đƣợc lƣu trong bộ nhớ của PLC ở vùng dành riêng
cho chƣơng trình có thể lập với hai dạng cấu trúc khác nhau.
* Lập trình tuyến tính: Toàn bộ chƣơng trình điều khiển nằm trong một bộ
nhớ. Loại hình cấu trúc này hợp với những bài toán tự động nhớ, không phức
tạp. Khối đƣợc chọn phải là khối OB1, là khối PLC luôn quét và thực hiện các
lệnh trong nó thƣờng xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và lại quay lại
lệnh đầu tiên.
* Lập trình có cấu trúc: Chƣơng trình đƣợc chia thành những phần nhỏ với
từng nhiệm vụ riêng và những phần này nằm trong những khối chƣơng trình
khác nhau. Loại hình cấu trúc này phù hợp với nhừng bài toán điều khiển nhiều
nhiệm vụ và phức tạp. PLC S7-300 có 4 loại khối cơ bản sau:
Truyền thông và
kiểm tra nội bộ
Truyền thông và
kiểm tra nội bộ
Truyền thông và
kiểm tra nội bộ
Truyền thông và
kiểm tra nội b
15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

 Loại khối OB (Organization block): Khối tổ chức và quản lý chƣơng trình
điều khiển.
 Loại khối PB (Program block): Khối chƣơng trình với chức năng riêng
giống nhƣ một chƣơng trình con hoặc một hàm (chƣơng trình con có biến hình).
 Loại khối FB (Function block): Là loại khối đặc biệt có khả năng trao đổi
một lƣợng dữ liệu lớn với các khối chƣơng trình khác.
 Loại DB (Data block): Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện

- Bit s là bit dấu (s = 0 số dƣơng, s = 1 số âm)
- Phần e chỉ số mũ
- Phần f: phần hệ số. F = b
0
.2
-1

+ b
1
.2
-2

+ b
2
.2
-3

+ …+ b
22
.22
-23

- u
k
= (-1)
s
2
e-127
.(1+f)


+ OS: Ghi lại giá trị bit bị tràn ra ngoài giá trị bảng ô nhớ.
+ CC0 và CC1: Hai bit báo trạng thái kết quả phép tính với số nguyên, số
thực, phép dịch chuyển hoặc phép tính logic trong ACCU.
CC1
CC0
Ý nghĩa
0
0
1
0
1
0
Kết quả bằng 0
Kết quả nhỏ hơn 0
Kêt quả lớn hơn 0

Khi thực hiện lệnh toán học nhƣ cộng, trừ, nhân, chia với số thực, số nguyên.
c. Các lệnh logic tiếp điểm
- Lệnh gán

Trích đoạn Chế độ làm việc của tải và yêu cầu của hệ truyền động điện dùng trong thang máy Các yêu cầu về truyền động điện

---