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. 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. Nội dung luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.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. Chƣơng IV. Ứng dụng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 3 Chƣơng 1.
Xây dựng sơ đồ hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều khiển PID S7-300.1 Sơ đồ khối hệ truyền động. Kp U Sp e PID Ki Biến tần V (S7-300) (M420) Kd W Pv 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 1.1 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: 3U 12. f 1 L 8 L f 1 Từ công thức trên ta có hai phƣơng pháp điều khiền U1 - Phƣơng pháp 1: là hằng số, tăng U1, tăng f1 phƣơng pháp điều chỉnh f1 này thích ứng với momen cản là hằng số (hình 1.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 4 ω(Mp ) f11 ω1 ωn f1n ω2 f12 0 Mn Mmm 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.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 1.2 420 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.4 420 T1 D1 T3 D3 T5 D5 Uv Co T4 D4 T6 D6 T2 D2 Za Zb Zc 1.5 3 pha Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.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.
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.vn/ 7 V1 θ 0 60 120 180 240 300 360 V2 θ V3 θ V4 θ V5 θ V6 θ UA 2/3E iA 1/3E θ 0 φ iv1 θ 0 iv4 0 θ iD1 0 θ 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www. : S Van dẫn uA uB uC u TT 0 T1, T3, T5 0 0 0 0 2 j3 1 T5, T6, T1 1/3E -2/3E 1/3E Ee 3 2 j 2 T6, T1, T2 2/3E -1/3E -1/3E Ee 3 2 j3 3 T1, T2, T3 1/3E 1/3E -2/3E Ee 3 2 2 j3 4 T2, T3, T4 -1/3E 2/3E -1/3E Ee 3 2 j 5 T3, T4, T5 -2/3E 1/3E 1/3E Ee 3 2 2 j 3 6 T4, T5, T6 -1/3E -1/3E 2/3E Ee 3 7 T2, T4, T6 0 0 0 0 vector không gian U 0 , nhƣ trên 1. 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.7, giả sử vectơ không gian U Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.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 3.7: Vectơ không gian và vectơ biên chuẩn Độ dài vectơ phải, trái đƣợc tính nhƣ sau: 2 | U p| = |u|sin( ) 3 3 2 | U t| = |u|sin 3 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: tp tp | U p| = | U 1|; | U p| = | U 2| ts ts Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 11 Độ dài của các vector biên chuẩn đƣợc xác định bởi giá trị của các điện áp 2 2 một chiều đầu vào | U p| = E | U p| = Ui U 3 3 | U | = U0. : U0 2 tp = Ts sin( ) Ui 3 3 U0 2 ut = Ts sin Ui 3 Uo p , 0 q 1, Ut 2 2 : tp = Ts q sin( 0) ; tt = Ts q sin 3 3 3 : 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.
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. 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).
Module mở rộng: Các module mở rộng đƣợc chia thành 5 loại chính. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 12 + PS (Power supply): Module nguồn nuôi: PS power có 3 loại: 2A, 5A, 10A. + SM (Signal module): Module mở rộng tín hiệu vào/ra bao gồm. DI (Digital input) Module mở rộng các cổng vào số.
DO (Digital output) Module mở rộng các cổng ra số. DI/DO (Digital input/ Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số.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. 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.