Nghiên cứu khảo sát và tính toán hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều để điều khiển chuyển động máy công nghiệp (Luận văn thạc sĩ)

i

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

Thái Nguyên, 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

ii
LỜI CAM ĐOAN

Sinh ngày: 15 tháng 11 năm 1985
Học viên lớp Cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trƣờng Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên

–
Tôi xin cam đoan đây là toàn bộ nội dung luận văn “
”, đƣợc thầy giáo PGS.TS Võ Quang Lạp hƣớng dẫn. Các

tài liệu tham khảo đã đƣợc chỉ ra trong luận văn. Các số liệu nêu trong luận văn
là trung thực. Những kết luận khoa học của luận văn chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kỳ công trình nào.
Tôi xin cam đoan nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm./.
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2014

Tác giả

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iii
LỜI CẢM ƠN

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... II
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... III
MỤC LỤC .................................................................................................................IV
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...............................................VI
........................................................... VII
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
CH

............................. 2
.................................................................................... 2
...................................................... 2

1.2.1 Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc ......................... 2
420................................................................................ 4
7-300 ............................................................................... 10
................................................................................... 20
(encoder) ............................................................ 20
1.3.2.

................................................................ 21

CHƢƠNG 2. KHẢO SÁT TÍNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ............................. 22
2.1. Xây dựng hệ điều khiền vecter .......................................................................... 22
............................................................. 22
… stator (  ,  ) .............................. 24

2.1.2.

2.1.3.. Quy đổi các đại lƣợng của động cơ ................................................................ 27
................................ 29
..................................................... 33
.............................. 35
ển vecter ......................................................... 37
2.2. Xây dựng hệ điều khiển số biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha ............... 42
..................................................................... 45
............................. 45
............................ 49
2.4. Quá trình khảo sát cụ thể .................................................................................... 51

2.4.1 Khảo sát ổn định mạch vòng dòng điện .......................................................... 51
2.4.2 Quá trình khảo sát ổn định mạch vòng tốc độ................................................. 57
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

v
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

Số 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 dòng 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 lƣợng tử).

H(p)

: Khâu lƣu 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 đƣợc 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
: Hệ số thời gian của biến tần;

Tu

CT, C0T

: Hàm số truyền kín của mạch vòng dòng điện
: Ma trận quy đổi

W1(P)

: Hàm số truyền khâu điện từ động cơ xoay chiều

WKI

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

vii

Trang
1-1

2

1-2

Đường đặc tính của động cơ KĐB

3

1-3

3

1-4

Đường đặc tính của động cơ KĐB
420

1-5

sơ đ

1-6

Giản đồ nguyên lý biến tần

6

1-7

Vectơ không gian và vectơ biên chuẩn

9

1-8

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID
Vòng quét chương trình

10

1-9

4
3 pha

5

13

1-10

20

1-11

21

Hình 2-1

22

2-2

24

2-3

stator (,)
Hệ tọa độ cố định trên stator (  ,  ) về hệ tọa độ cố định trên

26

rotor (x, y)

Biểu diễn vector dòng điện rotor trên hệ tọa độ cố định
2-4

stator (  ,  ) và hệ tọa độ cố định rotor (x, y)

27

Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định
2-5

stator (  ,  ) và hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q)

29

Hình 2-6

35

2-7

36

h 2-8

(d,q)

2-9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

36
39
/>

viii
.

2-10

Hình 2-11

2-12

Hình 2-13

40
Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa của hệ thống truyền động
điện sử dụng biến tần và động cơ KĐB

Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ truyền động điện sử dụng
biến tần và động cơ KĐB
Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ điện sử dụng biến tần và
động cơ KĐB

Hình 2-25

42

43

43
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 kp = 0,25; ki = 50; T= 0,5Tu = 0,002

62

Hình 2-26b

Đáp ứng dòng điện với kp = 0,25; ki = 42; T= 0,5 Tu = 0,00165

43

Hình 2-27

Sơ đồ mô phỏng mạch vòng tốc độ theo Matlab Sumulink

64

Đáp ứng được tốc độ với kp= 0,25; ki = 42; kω= 0,0006

Hình 2-28a

Hình 2-28b

64

T=0,5Tu=0,00165
Đáp ứng được tốc độ với kp= 0,25; ki = 50; kω= 0,00058;
T=0,5Tu= 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

87
/>

ix

Hình 4-4

Đồ thị xác định số lần dừng

Hình 4-5

a) Sơ đồ xác định độ chính xác khi dừng buồng thang; b)

81

Sự phụ thuộc của độ dừng chính xác ∆S của buồng thang

91

vào trị số tốc độ và gia tốc
Hình 4-6

Sơ đồ mạch điện truyền động cho thang máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

93

/>

1
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.
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn full