1
Để giải quyết đề tài trong luận văn có những nội dung sau:
1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ
ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC S7-300.
Xây dựng sơ đồ khối hệ truyền động biến tần – động cơ điện
xoay chiều điều khiển bởi module mềm PLC S7-300.
Hình 1.1: Mơ hình hệ thống
Trong sơ đồ này động cơ được điều chỉnh tốc độ bằng cách thay
đổi tần số. Biến tần dùng để điều khiển điện áp ra cung cấp cho động
cơ. PID S7-300 là bộ điều khiển số. cóChai mạch vịng phản hồi,
mạch vịng âm dịng điện để ổn định dịng điện được tích hợp trong
biến tần, mạch vòng âm tốc độ để ổn định tốc độ dùng Encoder. S p là
tín hiệu điều khiển được lấy từ máy tính. Như vậy đây là hệ thống
truyền động biến tần – động cơ điện xoay chiều điều khiển số.
2
2. PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ
TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ ĐIỆN KĐB BA PHA
Trong bản luận văn đã đưa ra hai phương án điều khiển đó là
phương án điều khiển vector và điều khiển trực tiếp momen.
3
Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển vectơ của hệ ổn định tần số máy sử
dụng ĐC KĐB xoay chiều ba pha
Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ biến tần - ĐC KĐB xoay chiều ba pha điều
khiển trực tiếp momen
Qua phân tích đã chọn phương án điều khiển vector, đồng thời
tiến hành xây dựng sơ đồ hệ điều khiển vector biến tần – động cơ điện
không đồng bộ.
3. KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VÀ KIỂM NGHIỆM
HỆ ĐIỀU KHIỂN VECTOR BIẾN TẦN- ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ
- Xây dựng sơ đồ khối hệ điều khiển số biến tần - động cơ điện
xoay chiều.
Sơ đồ khối hệ điều khiển số được xây dựng dựa trên:
* Cơ sở hệ điều khiển vector.
4
Từ sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ KĐB (hình 2.9) và sơ
đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết bị biến tần
(hình 2.11), thành lập được sơ đồ hình3.1.
Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ
5
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển đợng cơ khơng
đồng bợ bằng thiết bị biến tần.
Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc chi tiết của hệ thống TĐĐ sử dụng biến tần
và động cơ không đồng bộ
6
Sau khi biến đổi sơ đồ, giả thiết từ thông là khơng đổi dẫn tới chỉ
cịn một mạch vịng i1q . Như vậy sơ đồ hình 3.2b là sơ đồ mà chúng ta
đưa hệ điều khiển biến tần – động cơ điện xoay chiều về hệ truyền
động động cơ điện một chiều kích từ độc lập .
Với sơ đồ này thay bộ điều chỉnh dòng điện R i và bộ điều chỉnh
tốc độ R ω bằng bộ điều khiển số ta được sơ đồ khối hệ điều khiển số
như sau:
* Cơ sở 2 là dựa vào bộ điều khiển số.
- Khảo sát ổn định và khảo sát chất lượng
7
Khảo sát ổn định:
+ Mạch vòng dòng điện : Từ sơ đồ khối hệ điều khiển số, sau khi
biến đổi ta được hàm truyền hệ kín:
D3 Z 3 + D2 Z 2 + D1Z + D0
W KI ( Z ) =
E3 Z 3 + E2 Z 2 + E1Z + E0
Phương trình đặc tính là :
E3 Z 3 + E2 Z 2 + E1Z + E0
=0
Từ phương trình này ta khảo sát ổn định bằng phương pháp đại
số (dựa vào bảng Routh).
Với các số liệu tính tốn như sau: T = 0,00165;
Kp = 0,25 ; Ki
= 42 sau khi thay số, tính tốn, biến đổi Z =(V+ 1)/(V-1 ) ta được
phương trình sau:
Ta có:
G0V 3 + G1V 2 + G2V + G = 0
0,0421V 3 + 0,6383V 2 + 7,4635V + 34,2122 = 0
Xét ổn định :
Lập bảng Routh:
G0 = 0,042; G1 = 0,6383;
N 0 = 5,2073 ; N 2 = 0 ; N1 =
N 0G3 − G1 0
= 34,2122
N0
Ta thấy các hệ số G0, G1, N0, N1 của bảng Routh đều lớn hơn
không, thỏa mãn điều kiện ổn định mạch vòng dòng điện.
+ Đối với mạch vòng tốc độ, ta khảo sát tương tự như mạch vòng
dòng điện
Hàm số truyền của mạch vòng tốc độ:
K 0 D3 Z 4 + K 0 D2 Z 3 + K 0 D1Z 2 + K 0 D0 Z
n( Z )
⇒ W Kω ( Z ) =
=
4
3
2
F4 Z + F3 Z + F2 Z + F1Z + F0
Uω ( Z )
8
Phương trình đặc tính:
F4 Z 4 + F3 Z 3 + F2 Z 2 + F1Z + F0 =
Đổi
V +1
V −1
biến:
Z
=
ta
được:
0
Phương
Q4V 4 + Q3V 3 + Q2V 2 + Q1V + Q0 = 0
Ta xét ổn định cho mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn Routh.
Lập bảng Routh:
Với các số liệu tính tốn như sau:
T = 0,00165; Kp = 0,25; Ki = 42; K ω = 0,0006
Ta có:
Q4V 4 + Q3V 3 + Q2V 2 + Q1V + Q0 = 0 ,
thay số và tính tốn
⇒ 74,9460V 4 + 22,7266V 3 + 2,6741V 2 + 0,2130V + 0,0094 = 0
Xét ổn định :
Lập bảng Routh:
Q0 = 74,946;
R0 = 1,6743
R1 =
S0 =
;
Q1 = 22,7266
R2 =
Q1.Q4 − Q0 .0
= Q4 = 74,9460
Q1
R0Q3 − R2Q1 1,6743.2,6741 − 74,9460.0,2130
=
= 13,1900
R0
1,6743
R0Q3 − R2Q1 1,6743.22,7266 − 74,9460.0,2130
=
= 13,1922
R0
1,6743
trình
:
9
S1 =
R1 R2 − R0 S 0 13,1900.74,9460 − 1,6743.13,1922
=
= 73,2714
R1
13,1900
Ta thấy các hệ số Q0, Q1, R0, R1, S0, S1 của bảng Routh đều lớn
hơn không, thỏa mãn điều kiện ổn định của mạch vòng tốc độ.
Khảo sát chất lượng:
Dùng phần mềm Pascal để mô phỏng
+ Khảo sát chất lượng mạch vịng dịng điện
Sau khi biến đổi ta có phương trình sai phân:
Y ( K + 1) = ( − E2Y ( K + 2 ) − E1Y ( K + 1) − E0Y ( K ) + D3 + D2 + D1 + D0 )
E3
(3-6)
Từ phương trình sai phân trên lập trình theo ngơn ngữ Pascal ta sẽ
vẽ được đường cong dịng điện trong 2 trường hợp sau:
•
Trường hợp 1: T = 0,5Tu = 0,00165(s);
Kp = 0.25; Ki =42
•
Trường hợp 2: T = 0,61Tu = 0,002(s); Kp = 0.25; Ki =50
Kết quả mô phỏng hai trường hợp được thể hiện trên 2 hình vẽ sau:
10
11
12
+ Trường hợp 1: Độ quá điều chỉnh: = %22,096
Thời gian quá độ: < 0,1655
Số lần dao động : = 1,5
+ Trường hợp 2: Độ quá điều chỉnh: = %25.750
Thời gian quá độ: < 0,1655
Số lần dao động : = 1,5
+ Khảo sát chất lượng mạch vịng tốc đợ
Phương trình sai phân
Y[K+4] = (-F3Y[K+3] - F2Y[K+2] - F1Y[K+1] - F0Y[K] +
+ K0D3 + K0D2 + K0D1 + K0D0)/F4
Từ phương trình sai phân này lập trình theo ngơn ngữ Pascal ta
được đường cong n(t) ứng với các giá trị Kω cho 2 trường hợp:
•
Trường hợp 1: T = 0,5Tu = 0,00165 (s) ; KP = 0,25; Ki =
42 ; Kω = 0,0006
•
Trường hợp 2: . T = 0,61Tu = 0,002 (s) ;
KP = 0,25; Ki =
50 ; Kω = 0,00058
Kết quả mô phỏng hai trường hợp được thể hiện trên 2 hình vẽ sau:
13
14
Từ kết quả vẽ đường cong tốc độ theo thời gian n(t) trong 2
trường hợp các chỉ tiêu đạt được là:
15
+ Trường hợp 1: Độ quá điều chỉnh: = %22,613
Thời gian quá độ: < 0,1655
Số lần dao động : n = 2
+ Trường hợp 2: Độ quá điều chỉnh: = %19,907
Thời gian quá độ: < 0,1655
Số lần dao động : n= 2
*
Chọn trường hợp 2 : . T = 0,5Tu ; KP = 0,25 ; Ki = 50
Để kiểm chứng với tính tốn lý thuyết thì bản luận văn đã tiến
hành thí nghiệm ở phịng thí nghiệm của nhà trường :
Hình 3.11 Mơ hình thực nghiệm
16
Hình 3.12 Kết quả thí nghiệm khâu P
Hình 3.13 Kết quả thí nghiệm khâu PI
* Kết quả thí nghiệm: - Độ quá điều chỉnh
δ%<
20%
- Thời gian quá độ tqđ <0,5 s
* Kết quả tính tốn: : - Độ q điều chỉnh
δ%<
22,613%
- Thời gian quá độ tqđ <0,1655 s
17
Như vậy, qua q trình thí nghiệm, so sánh với lý thuyết thì ta
thấy hệ thống đảm bảo chất lượng
4. ỨNG DỤNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ
ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐIỀU KHIỂN BỞI PLC S7-300 CHO BÀN
MÁY GIA CÔNG TIA LỬA
Ứng dụng hệ truyền động để điều khiển chuyển động bàn máy
gia cơng tia lửa điện.
Hình 4.13 Sơ đồ khối hệ truyền động biến tần – động cơ điện xoay
chiều cho máy gia công tia lửa điện
Trong sơ đồ này có 3 chuyển động x,y,z với yêu cầu chuyển
động bàn máy có thể xây dựng hệ điều khiển hở hoặc kín. Với hệ điều
khiển kín:
18
Tín hiệu
yêu cầu
Tachometer
UYC
+_
Bàn máy
RT
UVT
Động
cơ
Rω
+_
Resolver
Vít me đai ốc
UTĐ
Phản hồi tốc độ
Phản hồi vị trí
Hình 4.11. Sơ đồ hệ thống điều khiển vịng kín dùng Tachometer,
Resolver
Hình 4.12. Sơ đồ điều khiển vịng kín dùng Tachometer, Encoder.
Với sơ đồ này, trục động cơ được nối cứng với bàn máy nên
khơng có sai số. Mạch vòng trong là hệ thống đã khảo sát ở trên, mạch
vịng ngồi lấy tín hiệu vị trí so sánh với tín hiệu từ máy tính. Tín hiệu
ra là tín hiệu vị trí đồng thời là tín hiệu vào của tốc độ.
Kết luận
- Xây dựng được sơ đồ khối hệ truyền động
19
- Chọn phương án điều khiển truyền động vector, đưa hệ truyền
động này.
- Khảo sát ổn định, chất lượng hệ thống, thí nghiệm hệ truyền
động, so sánh với kết quả tính tốn.
- Đề xuất ứng dụng hệ truyền động để điều khiển chuyển động
bàn máy gia công tia lửa điện.
20
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Tên đề tài:
“ NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ TÍNH TỐN HỆ TRUYỀN
ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐỂ ỨNG
DỤNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG BÀN MÁY GIA CÔNG
TIA LỬA ĐIỆN”
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
GVHD: PGS.TS. Võ Quang Lạp
Học viên: Trần Thị Sự
