Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu khảo sát hệ truyền động biến tần động cơ xoay chiều ở phòng thí nghiệm trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên để ứng dụng vào sản xuất

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG 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 CÔNG NGHIỆP THÁI
NGUYÊN ĐỂ ỨNG DỤNG VÀO SẢN XUẤT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

THÁI NGUN - NĂM 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN

/>

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG 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 CÔNG NGHIỆP THÁI
NGUYÊN ĐỂ ỨNG DỤNG VÀO SẢN XUẤT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN
TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. VÕ QUANG LẠP
PHÒNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC

THÁI NGUN - NĂM 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN

/>

i
LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi 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
Cơng nghiệp Thái Nguyên
Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề n Bái
Tơi xin cam đoan đây là tồn bộ nội dung luận văn “Nghiên cứu khảo sát
hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ở phịng thí nghiệm Trường Đại
học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên để ứng dụng vào sản xuất” được thầy

giáo PGS.TS Võ Quang Lạp hướng dẫn; các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra
trong luận văn. Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận
khoa học của luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào.

Tơi xin cam đoan nếu có gì sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm./.
Thái Ngun, ngày

tháng

năm 2014

Tác giả

Nguyễn Mạnh Ngà

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN

/>

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn
của nhà trường, các khoa, phịng chức năng, các thầy cơ giáo và đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa sau đại học, các giảng
viên Trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, đã tạo điều kiện cho tơi hồn 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 hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cơ giáo ở phịng 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 cịn những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô

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 Nguyên, ngày

tháng

Tác giả

Nguyễn Mạnh Ngà

Soá hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN

/>
năm 2014


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. Thông số kỹ thuật: ................................................................................................... 4
2.2.2. Điều khiển biến tần theo phương pháp vector không gian .................................... 6
2.3. Giới thiệu PLC ................................................................................................... 9
1.3.1. Cấu tạo .................................................................................................................... 10
2.3.2. Nguyên lý hoạt động.............................................................................................. 11
2.3.3. Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của PLC ....................................................... 12
2.3.4. Giới thiệu tự động hóa với SIMANTIC S7 - 300 ................................................ 13
2.3.4.1. Các module của PLC S7-300.........................................................................................13
2.3.4.2. Cấu trúc bộ nhớ của CPU...............................................................................................14
2.3.4.3. Vịng qt chương trình..................................................................................................15
2.3.4.4. Cấu trúc chương trình.....................................................................................................16
2.3.4.5. Ngơn ngữ lập trình S7 – 300..........................................................................................16
2.4. Các mạch vịng phản hồi ....................................................................................23
2.4.1. Mạch vòng phản hồi tốc độ (encoder) .................................................................. 23

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN

/>

iv
2.4.2. Mạch vòng âm dòng điện ...................................................................................... 25

CHƯƠNG II. KHẢO SÁT TÍNH TỐN HỆ TRUYỀN ĐỘNG PHỊNG THÍ
NGHIỆM .........................................................................................................27
1. Xây dựng sơ đồ vector hệ truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ ba pha. 27

1.1. Phép biến đổi tọa độ Ua, Ub , Uc thành Uα, Uβ ....................................................... 27
1.2. Cơ sở định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q)

và động cơ không đồng bộ ...............................................................................32
1.3. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển số biến tần – động cơ không đồng bộ
và động cơ không đồng bộ ...............................................................................32
2. Tổng hợp hệ thống ................................................................................................33
2.1. Hàm số truyền của các khâu ..................................................................................... 33
2.2. Tổng hợp mạch vòng dòng điện............................................................................... 34
2.3. Tổng hợp mạch vịng 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 vịng tốc độ ................................................................. 39
4. Tính tốn và khảo sát cho hệ truyền động biến tần – động cơ không 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 mô 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

/>

v

CHƯƠNG III. THÍ NGHIỆM .........................................................................53
1. Giới thiệu thiết bị thí nghiệm.................................................................................53
2. Nguyên 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

Soá hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN

/>

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 dịng 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 lượng tử).

H(p)

: Khâu lưu 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 được 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

CT, C0T

: Hàm số truyền kín của mạch vịng dịng điện
: Ma trận quy đổi

Wi(P)

: Hàm số truyền khâu điện từ động cơ xoay chiều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN

/>

vii

DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU
Hình 1.1: Sơ đồ khối truyền động hệ thống........................................................2
Hình 1.2: Hình dáng của Biến tần M420............................................................4
Hình 1.3: Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha ...........................................5
Hình 1.4: Vector khơng gian và các vector biên chuẩn ......................................8
Hình 1.5: Cấu trúc tổng quát của PLC..............................................................10
Hình 1.6 : Hoạt động của khối số học ..............................................................11
Hình 1.7: Vịng qt chương trình ...................................................................15
Hình 1.8: Sơ đồ cấu tạo Encodor tương đối .....................................................24
Hình 1.9 : Biểu đồ xung của encoder tương đối tăng dần .................................24
Hình 1.10: Encoder tuyệt đối 8 bít ...................................................................25
Hình 2.1: Định hướng từ thơng trong hệ tọa độ tựa theo từ thơng rotor (d,q) ...27
Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vector..................................................28
Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vector..................................................29
Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vector..................................................29
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa của hệ thống truyền động điện sử dụng
biến tần và động cơ không đồng bộ ................................................................. 31
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điện sử dụng biến tần …………………31
Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống điện sử dụng biến tần và động cơ
khơng đồng bộ............................................................................................. ....32
Hình 2.8: Sơ đồ mơ phỏng mạch vịng dịng điện theo Matlab Sumulink..........32
Hình 2.9: Đáp ứng dòng điện với kp = 0,25; ki = 50; T= 0,5Tu = 0,002.............49
Hình 2.10a : Đáp ứng dịng điện với kp = 0,25; ki = 42; T= 0,5Tu = 0,00165 ....49
Hình 2.10b: Sơ đồ mơ phỏng mạch vịng dịng điện theo Matlab Sumulink .. ..50

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN

/>

viii

Hình 2.11: Sơ đồ mơ phỏng mạch vịng dịng điện theo Matlab Sumulink……..51
Hình 2.12a: Đáp ứng được tốc độ với kp= 0,25; ki = 42; kω= 0,0006;
T=0,5Tu=0,00165 ............................................................................................ 52
Hình 2.12b: Đáp ứng được tốc độ với kp= 0,25; ki = 50; kω= 0,00058;
T=0,5Tu=0,002 ............................................................................................... 52
Hình 3-1: Sơ đồ khối hệ truyền động………………………………………………..…..…………………...53
Hình 3.2: Các thiết bị mơ hình thực nghiệm.....................................................54
Hình 3.3. Kết quả thí nghiệm khâu P ...............................................................55
Hình 3.4: Kết quả thí nghiệm khâu PI ..............................................................56

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN

/>

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 phịng 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 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 hệ truyền
động biến tần động cơ điện xoay chiều ở phịng thí nghiệm Trường Đại
học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Nguyên để ứng dụng vào sản xuất ”
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 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 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 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
hơn về nguyên lý làm việc của hệ thống này và hiểu được 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 cơng nghiệp.
3. Nội dung luận văn
Nội dung luận văn gồm 3 chương:
Chương I: Giới thiệu sơ đồ khối hệ truyền động phịng thí nghiệm.
Chương II: Khảo sát tính tốn hệ truyền động phịng thí nghiệm.
Chương III: Thí nghiệm.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN

/>

2
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU SƠ ĐỒ KHỐI HỆ TRUYỀN ĐỘNG
PHÒNG THÍ NGHIỆM

1. Sơ đồ khối

PID

e

Sp

Kp

U

Ki

Biến tần V
(M420)

(S7-300)
Kd

Pv

W

Động cơ 3 pha

Encoder
Tín hiệu xung Encoder chuyển
đổi sang tốc độ động cơ

Hình 1-1: Sơ đồ khối truyền động hệ thống
Các thiết bị trong sơ đồ và thông số kỹ thuật:
1 - Động cơ: 2,2 KW; U = 380VAC; Iđm = 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 không 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 không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi. Động cơ
không 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

/>

3

Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi
trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận
tải, trong các thiết bị điện dân dụng,... Ước tính có khoảng 50% điện năng sản
xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền động điện. Hệ truyền động điện

có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thay đổi được. Hiện
nay khoảng 75 - 80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độ không
đổi. Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầu như khơng cần điều khiển
trừ các q trình khởi động và hãm. Phần còn lại, là các hệ thống có thể điều
chỉnh được tốc độ để phối hợp đặc tính động cơ và đặc tính tải theo yêu cầu.
Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi
xử lý, các hệ điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng
rãi và là công cụ không thể thiếu trong q trình tự động hóa.
Động cơ khơng đồng bộ có nhiều ưu điểm như: Kết cấu đơn giản, làm
việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi
trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao. Vì những ưu điểm này nên
động cơ không đồng bộ được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế
quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn KW.
Cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa,
phạm vi ứng dụng của động cơ khơng đồng bộ ngày càng rộng rãi. So với
máy điện một chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp rất nhiều khó
khăn bởi vì các thơng số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi
theo thời gian, cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc máy của động cơ
điện xoay chiều so với máy điện một chiều. Cho nên việc tách riêng điều
khiển giữa momen và từ thơng để có thể điều khiển độc lập địi hỏi một hệ
thống có thể tính tốn cực nhanh và chính xác trong việc qui đổi các giá trị
xoay chiều về các biến đơn giản. Vì vậy, cho đến gần đây, phần lớn động cơ
xoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ khơng đổi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN

/>

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 quá 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 công 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 dị chức năng, kết nối truyền thông RS 485. Bảo vệ
quá áp, sụt áp, quá tải, nhiệt độ quá 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 hoàn toàn 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 không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN

/>

5

Đối với nghịch lưu áp ba pha có ba phương pháp điều khiển để tạo ra
một hệ thống điện áp trên tải, đó là:
- Phương pháp cơ bản
- Phương pháp biến điệu bề rộng xung (Pulse Width Modulation- PWM).
- Phương pháp biến điệu vector không gian (Spce Vector ModulationSVM) Trong bài thí nghiệm này biến tần được điều khiển SVM.

Hình 1-3: Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha
Trên (hình 1-3), chỉ thể hiện tín hiệu điều khiển cho ba van V1, V3, V5,
nối lên thanh dẫn (+) của nguồn một chiều. Các van nối xuống thanh dẫn (-)
được điều khiển ngược lại. Lưu ý dạng của tín hiệu điều khiển trong mỗi chu
kỳ xung răng cưa Ts có dạng đối xứng theo mỗi nửa chu kỳ Ts/2. Lý do là

đầu chu kỳ và giữa chu kỳ, tín hiệu răng cưa có biên độ lớn nhất nên
khơng thể cắt một điện áp sin chuẩn nào.
Trong mỗi nửa chu kỳ Ts/2 đều có 4 khoảng thời gian đặc trưng: t0, t1,
t2, t3. Trong khoảng t0 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 không. Trong khoảng t3 cả ba van V2, V4,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN

/>

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 t1 và t2. Trong các khoảng t1 và t2 có
thể xác định được dạng điện áp ra nhờ các sơ đồ tương đương.
2.2.2. Điều khiển biến tần theo phương pháp vector không gian
- Khái niệm về vector không gian:
Trước hết ta cần đưa các khái niệm về vector không gian. Một hệ thống
điện áp, dòng điện ba pha bất kỳ có thể biểu diễn như một vector gồm ba
thành phần điện áp, dịng điện ba pha bất kỳ có thể biểu diễn như một vector
gồm ba thành phần: u = (uA, uB, uC) hoặc i = (iA, iB, iC). Cách biểu diễn này
khơng thuận tiện vì mỗi vector được biểu diễn bởi ba tọa độ, hay nói cách
khác ta cần một hệ tọa độ gồm ba trục cơ bản để mô tả các vector. Park đã
đưa ra phép biến đổi, gọi là phép biến đổi Park, cho phép biến đổi tọa độ ba
trục bất kỳ về hệ tọa độ hai trục, thuận tiện cho việc biểu diễn các vector theo
cách con người có thể nhìn nhận một cách thơng thường.
Theo phép biến đổi của Park, một hệ thống ba pha bất kỳ. Điện áp hay
dòng điện, biểu diễn qua một vector trên mặt phẳng tọa độ 0αβ như sau:

2
u = (uA + auB + a2uC) ,
3
Trong đó a = e

j

2π
3

1
3
=− + j ;
2

2

j : Đơn vị số phức ảo (j2 = - 1)

Nếu uA, uB, uC là một hệ thống điện áp ba pha sao cho:

u A = U m cos (ω t)

2π
)
3
2π
u C = U m cos (ω t +
)
3
u B = U m cos (ω t -

Thì u C = U m e j (ωt )

r

Điều này nghĩa là trên mặt phẳng tọa độ 0αβ, u 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

/>

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 tuân theo những quy luật nhất định, đó là khơng được ngắn mạch nguồn
một chiều đầu vào, không được hở mạch bất cứ pha nào ở đầu ra.
Không được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào vì sẽ sinh ra dịng
lớn, phá hủy van. Khi van điều khiển khơng nối một pha đầu nào đó với thanh
dẫn (+) hoặc (-) của nguồn một chiều, dịng có thể vẫn phải chạy qua các
diode, dẫn đến điện áp ra phụ thuộc vào tải, nghịch lưu khơng cịn 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

uA

uB

uC

r
u

0

V1,V3,V5

0

0

0

0

1

V5,V6,V1

1/3E

-2/3E

1/3E

2

V6,V2,V2

2/3E

-1/3E

-1/3E

π

2 −j3
Ee

3
2 j0
Ee
3
π

3

V1,V2,V3

1/3E

1/3E

-2/3E

2 j3
Ee
3
π

4

V2,V3,V4

-1/3E

2/3E

1/3E

5

V3,V4,V5

-2/3E

1/3E

1/3E

2 −j3
Ee
3
2 − jπ
Ee
3
2π

6

V4,V5,V6

-1/3E

-1/3E

2/3E

2 −j 3

Ee
3

7

V2,V4,V6

0

0

0

0

Với mỗi trạng thái van, các điện áp pha có giá trị tương ứng. Tính tốn

r

vector khơng gian u , có thể thấy rằng các trạng thái van từ 1 đến 6 ứng sáu
vector, có hướng cố định trên mặt phẳng tọa độ 0αβ, như trên (hình 1.4). Các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN

/>

8

vector, gọi là vector biên chuẩn, tạo nên đỉnh của một lục giác đều và được
chia mặt phẳng thành sáu góc bằng nhau gọi là các vector, được đánh số từ I

đến VI.
β

r
u4

III

IV

r
u5

r
u0

r
u3

r
ut

r
u
θ
r
up

r
u7

V

II
I

α

r
u2

VI

r
u6

r
u1

Hình 1-4: Vector khơng gian và các vector biên chuẩn
- Tổng hợp vector không gian từ các vector biên: Một vector không
gian bất kỳ, giả sử nằm trong một góc phần sáu nào đó, có thể được tổng hợp

r

từ hai vector biên trên (hình 1.4), giả sử vector khơng gian u nằm trong góc
phần tư II, có thể được tổng hợp từ hai vector biên

r r r
u = up + u t

Trong đó

r r
u p , u t gọi

r r
u 2 , u3 theo

biểu thức:

là vector phải và vector trái, là hai vector biên

r r
u 2 , u3 .
Về hình học, có thể tính độ dài vector phải, trái như sau:

r
2
π

up =
u sin  − θ 
3
3

r
ut =

2
u sin θ;

3

r

Trong đó: θ là góc chỉ ra vị trí tương đối của vector u trong góc phần
sáu, tính theo chiều ngược kim đồng hồ.

Số hóa bởi Trung tâm Học lieäu –ĐHTN

/>

9

r r

Thực ra, phép điều chế vector không gian tạo ra các vector u p , u t trong
mỗi chu kỳ tính tốn, hay cịn gọi là mỗi chu kỳ cắt mẫu Ts . Độ dài của các
vector được xác định bởi giá trị trung bình theo thời gian tồn tại của các
vector ur 2 , ur 3 trong mỗi chu kỳ cắt mẫu như sau:
t r
r
r
t r
up = p u2 ; ut = t u3
Ts
Ts

Độ dài của các vector biên chuẩn được xác định bởi giá trị của điện áp

r

2
r
2
r
một chiều đầu vào u p = E , ký hiệu u p = Ui . Độ dài của vector u là
3
3
vector ra mong muốn, ký hiệu là ur = U 0
Từ đó xuy ra biểu thức tính tốn các giá trị thời gian điều chế như sau:
t p = Ts

U0 2

π
sin  − θ 
Ui 3

3

t t = Ts

U0
Ut

2
sin θ
3

Gọi q = U0 là hệ số biến điệu, 0 ≤ q ≤ 1, có thể viết lại biểu thức tính
Ut

tốn thời gian như sau: t p = Ts q

2
2
π

sin  − θ  ; t t = Ts q
sin θ
3 3

3

Để phép biến điệu thực hiện được, các thời gian phải, trái phải thỏa
mãn điều kiện: t p + tt ≤ Ts
Khoảng thời gian còn lại chu kỳ cắt mẫu, t0 = Ts − (t p − tt ) , phải áp dụng

r
r
vector không, u 0 , hoặc u 7
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

/>

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.
+ Bảng các đầu vào, đầu ra (PII và PIQ):
Vùng đệm cho các đầu vào và ra, các bảng này là một vùng trên RAM trong.

Hình 1-5: Cấu trúc tổng quát của PLC
+ Cổng giao tiếp: Cổng giao tiếp của PLC dùng phương pháp truyền
thông nối tiếp, qua cổng này PLC có thể nối với máy lập trình PG, các bảng
điều khiển OB và nối với các PLC khác.
+ Bộ đếm thời gian, bộ đếm và cờ: Trong CPU có những bộ đếm thời
gian (Timers), các bộ đếm (Counters) và các cờ (Flags) mà chương trình có

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN

/>