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 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

THÁI NGUN - NĂM 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

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


CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA
MÃ SỐ: 60520216

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 />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
Cơng nghiệp Thái Ngun
Hiện đang cơng 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 phòng thí nghiệm Trường Đại
học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun 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 cơng 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, phòng 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 Cơng nghiệp Thái Ngun, 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 q trình thực hiện luận văn này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cơ giáo ở phòng thí nghiệm
đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hồn 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 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 />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
2.3.3. 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. Vòng 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 vòng 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 khơng đồng bộ ba pha. 27
1.1. Phép biến đổi tọa độ U
a
, U
b
, U
c
thành Uα, U
β
27
1.2. Cơ sở định hướng từ thơng trong hệ tọa độ tựa theo từ thơng rotor (d,q)
và động cơ khơng đồng bộ 32
1.3. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển số biến tần – động cơ khơng đồng bộ
và động cơ khơng 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 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 />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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ĐCKĐB : Động cơ điện khơng đồng bộ
Ec : Encoder

P : Bộ điều chỉnh tỷ lệ.
PID : Bộ điều chỉnh dùng S7-300
W
L
(p) : Hàm truyền khâu lấy tín hiệu dòng điện
U
đb
: Điện áp đồng bộ.
U
ω
: Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ.
T, T
1
: Chu kỳ lấy mẫu (hay gọi thời gian lượng tử).
H(p) : Khâu lưu giữ 0.
T(p) : Hệ số truyền biến tần
U
c
: Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung.
K
ω
: Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ được lấy từ Encoder
K
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











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 qt của PLC 10
Hình 1.6 : Hoạt động của khối số học 11
Hình 1.7: Vòng 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 khơng 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 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 />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
p
= 0,25; k
i
= 50; k
ω
= 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 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
hơn về ngun lý làm việc của hệ thống này và hiểu được q 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 phòng thí nghiệm.
Chương II: Khảo sát tính tốn hệ truyền động phòng 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
PHỊNG THÍ NGHIỆM



1. Sơ đồ khối

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

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 />


3
Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi
trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất cơng nghiệp, trong giao thơng 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 khơng đổi hoặc với tốc độ thay đổi được. Hiện
nay khoảng 75 - 80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độ khơng
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 u cầu.

Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn cơng 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 cơng cụ khơng 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 mơi
trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao. Vì những ưu điểm này nên
động cơ khơng đồng bộ được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế
quốc dân với cơng 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 thơng 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 đòi 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 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.
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 khơng gian (Spce Vector Modulation-
SVM) 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 T
s
có dạng đối xứng theo mỗi nửa chu kỳ T
s
/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 T
s
/2 đều có 4 khoảng thời gian đặc trưng: t
0
, t
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 />

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.

2.2.2. Điều khiển biến tần theo phương pháp vector khơng gian

- Khái niệm về vector khơng gian:
Trước hết ta cần đưa các khái niệm về vector khơng 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, dòng điện ba pha bất kỳ có thể biểu diễn như một vector
gồm ba thành phần: u = (u
A
, u
B
, u
C
) hoặc i = (i
A

, i
B
, i
C
). 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 mơ 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:
)uaau(u
3
2
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
m
A
ω=

)
3
2
-t ( cosUu
m
B
π
ω=

)
3

2
t ( cosUu
m
C
π
ω +=

Thì
)(m
C
Uu
tj
e
ω
=

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 />


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
r

0 V1,V3,V5 0 0 0 0
1 V5,V6,V1 1/3E -2/3E 1/3E
3
3
2
π
j
Ee
−

2 V6,V2,V2 2/3E -1/3E -1/3E
0
3
2

j
Ee

3 V1,V2,V3 1/3E 1/3E -2/3E
3
3
2
π
j
Ee

4 V2,V3,V4 -1/3E 2/3E 1/3E
3
3
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
,
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.
p
u
r
β
α
t
u

r
u
r
θ
5
u
r
6
u
r
1
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

nằm trong góc
phần tư II, có thể được tổng hợp từ hai vector biên
2
u
r
,
3
u
r
theo biểu thức:
tp
uuu
rrr
+=

Trong đó
tp

u,u
rr
gọi là vector phải và vector trái, là hai vector biên
2
u
r
,
3
u
r
.
Về hình học, có thể tính độ dài vector phải, trái như sau:






−= 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
sáu, tính theo chiều ngược kim đồng hồ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />


9
Thực ra, phép điều chế vector khơng gian tạo ra các vector
tp
u,u
r
r

trong
mỗi chu kỳ tính tốn, hay còn gọi là mỗi chu kỳ cắt mẫu
s
T
. Độ dài của các
vector được xác định bởi giá trị trung bình theo thời gian tồn tại của các

vector
2
u
r
,
3
u
r
trong mỗi chu kỳ cắt mẫu như sau:
3
s
t
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
. Độ dài của vector
u
r

là
vector ra mong muốn, ký hiệu là
0
u U=
r

Từ đó xuy ra biểu thức tính tốn các giá trị thời gian điều chế như sau:






−= θ

3
π
sin
3
2
U
U
Tt
i
0
sp

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
3
2
qTt
sp
;
sin θ
3
2
qTt
st
=

Để phép biến điệu thực hiện được, các thời gian phải, trái phải thỏa
mãn điều kiện:
stp
Ttt ≤+

Khoảng thời gian còn lại chu kỳ cắt mẫu,

)(
0 tps
ttTt −−=
, phải áp dụng
vector khơng,
,u
0
r
hoặc
7
u
r


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 qt của PLC

+ Cổng giao tiếp: Cổng giao tiếp của PLC dùng phương pháp truyền
thơng 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 />


11
thể sử dụng. Chương trình có thể đặt, xóa, khởi phát cùng như dừng các bộ
đếm, bộ đếm thời gian. Các giá trị đếm, giá trị thời gian được lưu giữ trên một
vùng dành riêng của RAM trong.
Cờ là các ơ nhớ đặc biệt trên RAM trong, nơi lưu giữ các kết quả trung

gian trong q trình xử lý chương trình.
+ Khối số học: Khối số học chứa hai thanh ghi tích lũy ACCU1 và
ACCU2. Các thanh ghi này có thể xử lý các phép tốn theo byte hoặc từ.




Hình 1-6: Hoạt động của khối số học
Thanh ghi tích lũy là thanh ghi 16 bus (1 từ) được chia thành byte thấp
và byte cao.
+ 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 />


12
ra bên ngồi, khi hết vòng qt thứ nhất thì tự động chuyển sang vòng qt
thứ hai và cứ tiếp tục như vậy. Trong mơt vòng qt thực hiện bốn bước:
Bước 1: Nhận dữ liệu đầu vào và ghi lại bảng ảnh vào.

Bước 2: Đọc chương trình điều khiển trên cơ sở dữ liệu vào đã có (cố
định) xử lý chương trình được kết quả ghi lại bảng ảnh ra.

Bước 3: Thực hiện truyền thơng trong PLC hoặc các PLC với nhau
cùng như thơng tin qua lại với máy tính, từ đó kiểm nghiệm lại kết quả.

Bước 4: Gửi kết quả từ bảng ảnh ra đến thiết bị chấp hành bên ngồi.

Như vậy để thực hiện một kỳ qt mất một khoảng thời gian, thời gian
này càng nhỏ càng tốt nhưng phụ thuộc vào tốc độ xử lý của mỗi loại vi sử lý
nằm trong PLC và thời gian được đặt cố định do nhà chế tạo. Vì vậy chương
trình điều khiển nên lập sao cho càng ngắn càng tốt.

2.3.3. Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của PLC

Ưu điểm: - Với một hệ điều khiển được tạo lập bởi PLC có ưu điểm nổi
bật là hồn tồn chủ động kết hợp với phần cứng và chương trình phần mềm

để tạo nên một hệ điều khiển với cơng nghệ bất kỳ mà khơng cần phải thay
đổi phần cứng vì tất cả các thiết bị được sử dụng trong hệ đều thơng qua
chương trình phần mền và chúng cũng được phép nối với nhau thơng qua
phần mềm, chính vì vậy làm cho q trình cải tiến thay đổi hồn chỉnh và sửa
chữa cũng rất đơn giản, chỉ cần thay đổi phần mềm tức là sẽ tạo nên được
điều khiển là tối ưu mà các hệ điều khiển logic trước khơng có được.
- Với hệ điều khiển dùng PLC vừa có thể tiến hành hiệu chỉnh, chỉnh
sửa nhưng hệ thống vẫn làm việc tức là vẫn đảm bảo dây chuyền cơng nghệ
khơng bị dừng, vì vậy nó cho phép hiệu chỉnh để đạt được chất lượng hiệu
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 />


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

2.3.4. Giới thiệu tự động hóa với SIMANTIC S7 – 300

2.3.4.1. Các module của PLC S7-300
Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, bộ điều khiển PLC được
thiết kế khơng bị cứng hóa về cấu hình chúng được chia nhỏ thành các
module số các module sử dụng nhiều ít phụ thuộc vào bài tốn.
- Module CPU: Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại khác nhau và
chúng thường được đặt tên theo bộ vi sử lý có trong nó như module CPU312,
CPU314, CPU315.
Những module cùng sử dụng một loại vi sử lý nhưng khác nhau về
cổng vào/ra onboarb cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong
thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboarb này
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />


14
sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng cách thêm cụm chữ cái IFM
(Integrated Funtion Module)
- Module mở rộng: Các module mở rộng được chia thành 5 loại chính:
+ PS (Power Supply): Module nguồn ni, PS có ba 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.
* AI (Analog Input): Module mở rộng các cổng vào tương tự.
* AO (Analog Output): Module mở rộng các cổng ra tương tự chúng
chính là những bộ chuyển đổi số tương tự.
* 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 />

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)
* PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O extrrnal input)
Vùng chứa các khối Data: Được chia hai loại:
* DB (Data Block): Miền chứa dữa liệu được tổ chức thành khối
* Local data block: Miền dữ liệu địa phương

2.3.4.3. Vòng qt chương trình
PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp, mỗi vòng lặp được gọi là
vòng qt (Scan). Mỗi vòng qt được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển từ các
cổng vào số tới bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình.
Trong từng vòng qt chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh
kết thúc của khối OBL (Block End).
Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung
của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số, vòng qt được kết thúc bằng giai đoạn
truyền thơng nội bộ và kiểm lỗi.


Hình 1-7: Vòng qt chương trình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />