Thiết kế mô hình điều khiển – ổn định tốc độ động cơ sử dụng thuật toán PID trong PLC mitsubishi q

MỤC LỤC

[1]


DANH MỤC HÌNH ẢNH

[2]


LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại hiện nay cùng với sự cơng nghiệp hóa hiện đại hóa đất
nước nhiều ngành cơng nghiệp phục vụ q trình cơng nghiệp phát triển của đất
nước. Như khai thác khoáng sản vận chuyển nguyên vật liệu trong các bến cảng,
trong các nhà máy. Băng tải dùng để vận chuyển các vật liệu rời nhờ những ưu
điểm là có khả năng vận chuyển hàng hóa đi xa, làm việc êm năng suất cao và
tiêu hao năng lượng thấp. Chính nhờ những ưu điểm đó mà băng tải được ứng
dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khai thác hầm mỏ, bến cảng… Mặt khác yêu
cầu ứng dụng tự động hoá ngày càng cao vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất
(yêu cầu điều khiển tự động, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ…). Chính vì vậy cơng
nghệ thơng tin, cơng nghệ điện tử đã phát triển nhanh chóng làm xuất hiện một
loại thiết bị điều khiển khả trình PLC. Nhờ những đặc tính nổi trội mà PLC có
thể được ứng dụng vào rất nhiều nghành cũng như các cơng đoạn sản xuất khác
nhau.
Một trong số đó là cơng đoạn phân loại sản phẩm – 1 cơng đoạn hồn tồn
có thể làm thủ cơng nhưng với sự trợ giúp của PLC thì năng suất cũng như hiệu
quả được tăng lên gấp bội. Và cũng chính vì vậy mà chúng em quyết định thực
hiện đề tài Đồ án tốt nghiệp “Thiết kế Mơ hình điều khiển – ổn định tốc độ
động cơ sử dụng thuật toán PID trong PLC Mitsubishi Q. Thơng qua đồ án
này, chúng em có cơ hội tiếp cận và sử dụng các thiết bị điều khiển tự động
trong cơng nghiệp như PLC, biến tần, màn hình HMI, cảm biến,… đồng thời em

cũng có được những trải nghiệm thực tế vơ cùng hữu ích trong q trình làm đồ
án. Nó giúp em củng cố vững chắc hơn nữa về những gì đã được học trong nhà
trường và phát triển hơn các kỹ năng làm việc thực tế.

[3]


LỜI CẢM ƠN
Qua 5 năm học tập và rèn luyện tại trường ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG
NGHIỆP. Được sự chỉ bảo và giảng dạy nhiệt tình của các thầy cơ trong nhà
trường, đặc biệt là các thầy cô khoa Điện , chuyên ngành Tự Động Hóa đã
truyền đạt cho em những kiến thức về lý thuyết và thực hành trong suốt thời
gian học ở trường. Cùng với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ của thầy cô,
em đã hồn thành đồ án tốt nghiệp của mình.
Từ những kết quả mà em đã đạt được:
Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trường ĐẠI
HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP nói chung và các thầy cơ trong khoa Điện ,
bộ mơn Tự Động Hóa nói riêng đã tận tình hướng dẫn dạy dỗ trang bị kiến thức
bỏ ích trong thời gian em học ở trường.
Đặc biệt em xin chân thành gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy Th.S
Nguyễn Vĩnh Thuỵ đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo, định hướng nhiệt tình
trong quá trình học tập và tới khi bắt đầu đồ án và hoàn thành đồ án.
Thái Nguyên, ngày ... tháng 01 năm 2021
Sinh viên thực hiện

[4]


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG
CƠ.

I. Đặt vấn đề:
Trong ngành cơng nghiệp có rất nhiều hoạt động có liên quan đến tốc độ
động cơ điện. Đơi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ là yếu tố sống
cịn trong cơng nghiệp. Đặc biệt đối với chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ
thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép; hệ thống tự động pha trộn
nguyên liệu; máy ly tâm định hình khi đúc… Vì thế, việc điều khiển và ổn định
tốc độ động cơ được xem như vấn đề cốt yếu của các hệ thống điều khiển trong
công nghiệp. Vấn đề đặt ra là trong q trình sản xuất địi hỏi tính liên tục và ổn
định tốc độ động cơ.
Ta có thể kể đến một số hệ thống như sau :
- Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ bơm và quạt
- Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van
- Giảm tiếng ồn công nghiệp
- Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với luỹ thừa bậc ba của tốc độ động cơ
- Giúp tiết kiệm điện năng tối đa
II. Cấu trúc của hệ điều khiển
Điều khiển tín hiệu PID là một quá trình phức tạp. Để điều khiển chính xác
các đối tượng: nhiệt độ, độ ẩm, chiều dài, mực nước, lưu lượng, áp suất,..Cần
phải thiết kế từng PID độc lập cho từng đối tượng. Cấu trúc của một hệ PID của
một bể chứa dung dịch vừa cần trộn đều dung dịch vừa có thể điều khiển nhiệt
độ tại 70ºC.

Hình 1.1 : Cấu trúc điều khiển hệ thống ổn định nhiệt độ
Để điều khiển tự động với PID, cần có sự kết hợp của các thiết bị như sau:
• Van điều khiển lưu lượng
[5]


•

Cảm biến nhiệt độ

•

Biến tần điều khiển PID cho động cơ

•

Bộ điều khiển nhiệt độ PID cho van điều khiển

Cảm biến nhiệt độ có thể điều khiển được tốc độ của biến tần và lưu lượng
nước đi qua van điều khiển. Nhằm đảm bảo mức độ trộn đều dung dịch và nhệt
độ trong bể. Việc tăng hay giảm nhiệt độ phụ thuộc vào lưu lượng dung dịch đi
qua van điều khiển. Cịn trộn dung dịch đều hay khơng lại phụ thuộc vào biến
tần.
III. Vai trò và tầm quan trọng của thuật toán PID
Hiện nay việc đảm bảo chất lượng cho mỗi sản phẩm là vấn đề rất quan
trọng đối với các doanh nghiệp. Do đó yêu vầu đặt ra là phải làm sao cho các
sản phẩm đó phải có chất lượng. Vì vậy việc hiệu chỉnh các thơng số đầu vào
cũng như đầu ra phải dễ thực hiện và thuận lợi cho người điều khiển. Một bộ
điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ
chế phản hồi vòng điều khiển (lý thuyết điều khiển tự động) tổng quát được sử
dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là
bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. Bộ
điều khiển PID sẽ tính tốn giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số
biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số
bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Trong trường hợp khơng có
kiến thức cơ bản (mơ hình tốn học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển
PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các
thông số PID sử dụng trong tính tốn phải điều chỉnh theo tính chất của hệ

thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào
đặc thù của hệ thống.
IV. Chức năng và khả năng ứng dụng:
PID được coi là là bộ điều khiển lý tưởng của các hệ thống điều khiển quy
trình hiện đại. Nó được sử dụng hầu hết trong các ứng dụng điều khiển q trình
tự động trong cơng nghiệp hiện nay. Để điều chỉnh lưu lượng, nhiệt độ, áp suất,
vv…
• Giảm sai số xác lập đến mức tối thiểu nhất
•

Hạn chế độ dao động

•

Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố.
[6]


CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CHỌN BIẾN VÀO/RA, XÂY DỰNG BÀI
TỐN ĐIỀU KHIỂN VÀ MƠ TẢ HỆ THỐNG.
I.Phân tích chọn biến vào/ra.
1.1.Mô tả công nghệ
Hệ thống gồm động cơ xoay chiều KĐB 3 pha roto lồng sóc truyền động
cho băng tải Encoder qua khớp mềm để đưa ra tín hiệu phản hồi âm tốc độ đưa
về trung tâm xử lý PLC . Sau đó PLC sẽ sử dụng thuật tốn PID so sánh lượng
đặt với tín hiệu phẩn hồi thực hiện đưa ra tín hiệu điều khiển đến biến tần và
biến tần điều khiển động cơ.
Từ yêu cầu công nghệ hệ thống, ta xác định hệ thống gồm các biến sau:
1.2 Biến vào
- X000: nút ấn Start

X000=1, nút start được ấn
X000=0, nút start chưa được ấn
- X001: nút ấn Stop
X001=1, nút stop chưa được ấn
X001=0, nút ấn stop được ấn
1.3 Biến ra
- Y001: điều khiển đèn báo chạy
Y001=0, đèn tắt
Y001=1, đèn sáng
- Y002: điều khiển đèn báo dừng
Y002=0, đèn tắt
Y002=1, đèn sáng

[7]


II.Xây dựng bài tốn điều khiển và mơ tả cho hệ thống
2.1 Xây dựng bài toán điều khiển
2.1.1. Cấu trúc điều khiển PID
PID là bộ điều khiển hồi tiếp vòng kín được sử dụng nhiều nhất trong cơng
nghiệp. Là sự kết hợp của ba bộ điều khiển : tỉ lệ, tích phân và vi phân. Có khả
năng làm triệt tiêu sai số xác lập, tăng tốc độ đáp ứng, giảm vọt lố nếu thông số
của bộ điều khiển được lựa chọn thích hợp.

Hình 2.2: cấu trúc điều khiển thuật tốn PID
Trong đó :
P (Proportional): là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh
tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu.
I (Integral): là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu. Điều khiển tích
phân là phương pháp điều chỉnh để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai

lệch giảm về 0. Từ đó cho ta biết tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số
tích lũy trong quá khứ. Khi thời gian càng nhỏ thể hiện tác động điều chỉnh tích
phân càng mạnh, tương ứng với độ lệch càng nhỏ
D (Derivative): là vi phân của sai lệch. Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều
chỉnh sao cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào. Thời gian càng lớn thì
phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng
với thay đổi đầu vào càng nhanh
2.1.2 Khâu tỉ lệ ( P)

[8]


Khâu tỉ lệ (đơi khi cịn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá
trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó
với một hằng số Kp, được gọi là hệ số tỉ lệ
Khâu tỉ lệ được cho bởi:

Hệ số của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ. Nếu
hệ số của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định .Ngược lại, hệ số nhỏ là
do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển
kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu Hệ số của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều
khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống.
2.1.3 Khâu tích phân (Ti)
Phân phối của khâu tích phân (đơi khi cịn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên
độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian
(tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số
sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều
khiển. Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh
được xác định bởi độ lợi tích phân.
Thừa số tích phân được cho bởi:

[9]


Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá
trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ
điều khiển. Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá
khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và
tạo ra một độ lệch với các hướng khác). Để tìm hiểu thêm các đặc điểm của việc
điều chỉnh độ lợi tích phân và độ ổn của bộ điều khiển
2.1.4 Khâu vi phân (Td)
Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính tốn bằng cách xác định độ
dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân
tốc độ này với độ lợi tỉ lệ Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được
gọi là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi
phân
Thừa số vi phân được cho bởi:

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính
này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển
vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích
phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi
phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối
với nhiễu trong sai số, và có thể khiến q trình trở nên khơng ổn định nếu nhiễu
và độ lợi vi phân đủ lớn. Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn
thường được sử dụng hơn. Chẳng hạn như mạch bù sớm pha.
2.2 Đặc tính thuật tốn PID

Hình 2.3: Đặc tính của thuật tốn PID
[10]

Nhận xét :
- Độ lợi tỉ lệ : Giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng
lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn. Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến q
trình mất ổn định và dao động.
- Độ lợi tích phân : giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng
nhanh. Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân
trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương
trước khi tiến tới trạng thái ổn định.
- Độ lợi vi phân : giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm
đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín
hiệu trong phép vi phân sai số.
2.3 Ứng dụng thuật toán điều khiển PID

Hình 2.4: Cấu trúc điều khiển
Trong đó:
PID: Bộ điều khiển
Biến tần: Điều khiển tốc độ động cơ
SV: Giá trị đặt ( v/ph)
PV: tín hiệu phản hồi âm tốc độ
E(t): tín hiệu sai lệch đưa vào bộ điều khiển
Encoder: Thiết bị đọc xung tốc độ cao
2.4. Các phương pháp mô tả hệ thống.
Để mô tả hệ thống chúng ta sử dụng các mạch logic trình tự. Các phương
pháp mơ tả mạch logic trình tự:
a. Phương pháp bảng chuyển trạng thái.
Bảng gồm có số hàng là số trạng thái của hệ số cột là số tổ hợp các biến
vào
+ Trạng thái là một mệnh đề mô tả một nguyên công hoặc một quá trình

làm việc của hệ.
[11]


+ Biến vào có thể là 1 tín hiệu từ người điều khiển thiết bị chương trình
hoặc là do cơng nghệ.
+ Bảng đầu ra: Các hàng là các trạng thái các cột là các tín hiệu vào, các ơ
giao nhau giữa các hàng và các tổ hợp biến vào sẽ ghi trạng thái đích, cịn các ơ
giao nhau giữa các hàng với các cột của đầu ra sẽ ghi kết quả đầu ra của trạng
thái đó.
b. Phương pháp đồ hình.
+ Đồ hình Menly.
Gồm các đỉch là các trạng thái trong của hệ và các cung đích hướng, trên
các cung ghi biến tác động và kết quả hàm khi chịu tác động của biến đó.
+ Đồ hình MORE.
Các đỉnh là các trạng thái và giá trị trạng thái còn các cung sẽ ghi biến tác
động.
c. Phương pháp lưu đồ thuật toán.
+ Phương pháp giản đồ thời gian.
+ Phương pháp GRAFCET.
=> Căn cứ vào u cầu bài tốn và qua phân tích các phương pháp trên
ta dùng phương pháp lưu đồ thuật tốn để mơ tả hệ thống.

[12]


Hình 2.5: Lưu đồ thuật tốn

[13]

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
I. Lựa chọn động cơ truyền động:
Động cơ là một phần tử rất quan trọng trong hệ thống, thường xuyên phải
làm việc với nhiều trạng thái như là khởi động (quá trình quá độ), trạng thái quá
tải, trạng thái hãm. Hiện nay chia ra làm hai loại động cơ chính là:
+ Động cơ điện xoay chiều
+ Động cơ điện 1 chiều
1. Động cơ điện xoay chiều:
Động cơ xoay chiều được chia làm 2 loại:
- Động cơ đồng bộ
- Động cơ không đồng bộ
- Động cơ khơng đồng bộ:

Hình 3.1: động cơ khơng đồng bộ
Động cơ không đồng bộ 3 pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
từ công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỉ lệ rất lớn so với động cơ
khác. Sở dĩ như vậy là do động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, dễ chế
tạo, vật hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều 3 pha,
và về kinh tế giá thành nhỏ hơn so với động cơ một chiều. Động cơ khơng đồng
bộ có hai loại chính là:
+ Động cơ rơto lồng sóc
+ Động cơ rơ to dây quấn
- Động cơ đồng bộ:

[14]


Hình 3.2: Động cơ đồng bộ
Động cơ đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong những truyền động công

suất trung bình và lớn, có u cầu ổn định tốc độ cao. Động cơ đồng bộ thường
dùng cho máy bơm quạt gió, hệ truyền động trong nhà máy luyện kim và cũng
thường dùng làm động cơ sơ cấp trong các tổ máy phát - Động cơ công suất lớn.
Động cơ đồng bộ có độ ổn định tốc độ cao hệ số cosφ và hiệu suất lớn,
vận hành tin cậy.
2. Lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ:
a. Lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ:
+ Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi số đơi cực:
Dây quấn stato có thể nối thành bao nhiêu số đơi cực khác nhau thì tốc độ
có bấy nhiêu cấp, do đó thay đổi tốc độ chỉ có thể thay đổi từng cấp một khơng
bằng phẳng. Có nhiều cách để thay đổi số đơi cực của dây quấn stato.
- Đổi cách nối dây để có số đôi cực khác nhau. Dùng trong động cơ điện hai tốc
độ theo tỷ lệ 2:1.
- Trên rãnh stato đặt 2 dây quấn độc lập có số đơi cực khác nhau, thường để đạt
2 tốc độ theo tỷ lệ 4:3 hoặc 6:5.
- Trên rãnh stato có đặt 2 dây quấn độc lập có số đơi cực khác nhau, mỗi dây
quấn lại có thể đổi cách nối để có số đơi cực khác nhau.
Dây quấn roto trong động cơ không đồng bộ roto dây quấn có số đơi cực
bằng số đơi cực của dây quấn stato, do đó khi đấu lại dây quấn stato để có số
đơi cực khác nhau thì dây quấn roto cũng phải đấu lại .Vì vậy khơng được tiện
lợi
Ngược lại, dây quấn roto lồng sóc thích ứng với bất kỳ số đơi cực nào của
dây quấn stato, vì vậy thích hợp cho motor – động cơ điện thay đổi số đôi cực để
điều chỉnh tốc độ.
[15]


Mặc dù điều chỉnh tốc độ nhảy cấp, nhưng có ưu điểm giữ nguyên độ cứng
của đặc tính cơ.
+ Điều chỉnh tốc độ motor – động cơ điện không đồng bộ 3 pha bằng cách

thay đổi tần số:
Tốc độ của động cơ KĐB n = n1(1-s) = (60f/p)(1-s)
Khi hệ số trượt thay đổi ít thì tốc độ tỷ lệ thuận với tần số.
Mặt khác, từ biểu thức E 1=4.44f1W1KdqØmax ta nhận thấy max tỷ lệ
thuận với E1/f1
Chúng ta mong muốn giữ cho Ømax= const
Muốn vậy phải điều chỉnh đồng thời cả E/f , có nghĩa là phải sử dụng một nguồn
điện đặc biệt , đó là các bộ máy biến tần công nghiệp.
Do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi điện tử và điện tử công suất, các
bộ máy biến tần ra đời đã mở ra một triển vọng lớn trong lĩnh vực điều khiển
động cơ xoay chiều bằng phương pháp tần số. Sử dụng biến tần để điều khiển
động cơ theo các quy luật khác nhau ( quy luật v/f, điều khiển véc tơ..) đã tạo ra
những hệ điều khiển tốc độ motor – động cơ điện có các tính năng vượt trội.
+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stato:
Chúng ta đã biết, hệ số trượt giới hạn Sth không phụ thuộc vào điện áp,
nếu R’2 khơng đổi thì khi giảm điện áp nguồn U, hệ số trượt tới hạn Sth sẽ
khơng cịn Mmax giảm tỉ lệ với U2.
Phương pháp này chỉ thực hiện khi máy mang tải, còn khi máy không
mang tải mà giảm điện nguồn, tốc độ gần như không đổi.
+ Điều chỉnh tốc độ motor – động cơ điện KĐB bằng cách thay đổi điện trở
mạch roto của động cơ roto dây quấn:
Thông qua vành trượt ta nối một biến trở 3 pha có thể điều chỉnh được
vào dây quấn roto.
Với một mômen tải nhất định, điện trở phụ càng lớn thì hệ số trượt ở điểm
làm việc càng lớn ( từ a đến b rồi c ) nghĩa là tốc độ càng giảm xuống. Vì
mơmen tỷ lệ với cơng suất điện trở Pđt, nên ta có: (r2/s2)= ((r2+rf)/s).
Do Pđt bản thân không đổi, I2 cũng không đổi nên một bộ phận công suất
cơ trước kia đã biến thành tổn hao đồng I2 x Rf. Vì lúc đó cơng suất đưa vào
khơng đổi nên hiệu suất giảm, đây là nhược điểm của phương pháp này. Mặt
khác, tốc độ điều chỉnh nhiều hay ít cịn phụ thuộc vào tải lớn hay nhỏ.

Kết luận:
[16]


Do tính chất của hệ thống và nhận thấy khả năng điều chỉnh tốc độ động
cơ linh hoạt của biến tần nên trong đề tài này em lựa chọn phương pháp điều
chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số thông qua thiết bị biến tần.
3. Động cơ xoay chiều khơng đồng bộ 3 pha có hộp giảm tốc S8I25GT:
Đây là loại động cơ xoay chiều 3 pha có sử dụng hộp giảm tốc, được sử
dụng làm động cơ truyền động cho băng tải.

Hình 3.3: Động cơ pha có hộp giảm tốc S8I25GT
Thơng số kỹ thuật:
Nguồn: 3 pha-220V-50Hz
Dịng điện: I = 0,28 (A)
Tốc độ: n = 1350 (v/p)
4. Biến tần:
a. Khái niệm:
Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên
trong và thơng qua đó biến tần có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp
, không cần dùng đến các hộp số cơ khí.
b. Phân loại:
Biến tần thường được chia thành biến tần AC và biến tần DC
• Biến tần AC: được sử dụng một cách rộng rãi, chúng được thiết kế để điều
khiển tốc độ động cơ xoay chiều AC
[17]


•

Biến tần DC: kiểm xoát sự rẽ nhanh của động cơ điện một chiều

Ngồi ra ta cũng có thể phân loại biến tần theo công suất đáp ứng cho tải, ứng
dụng đặc biệt của biến tần như thang máy, năng lượng mặt trời, cầu trụ.
c. Cấu tạo:
Biến tần được cấu tạo từ các bộ phận có chức năng nhận nguồn điện có
điện áp đầu vào cố định với tần số cố định, từ đó biến đổi thành nguồn điện có
điện áp và tần số biến thiên ba pha (có thể thay đổi) để điều khiển tốc độ động
cơ
Một số bộ phận chính của biến tần có thể kể đến như: mạch chỉnh lưu,
mạch một chiều trung gian (DC link), mạch nghịch lưu và phần điều khiển
• Bộ chỉnh lưu: Phần đầu tiên trong quá trình biến điện áp đầu vào thành

•

•

•

•

đầu ra mong muốn cho động cơ là q trình chỉnh lưu. Điều này đạt được
bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt sóng tồn phần.
Tuyến dẫn một chiều: Tuyến dẫn một chiều là một giàn tụ điện lưu trữ
điện áp một chiều đã chỉnh lưu. Một tụ điện có thể trữ một điện tích lớn,
nhưng sắp xếp chúng theo cấu hình tuyến dẫn một chiều sẽ làm tăng điện
dung. Điện áp đã lưu trữ sẽ được sử dụng trong giai đoạn tiếp theo khi
IGBT tạo ra điện năng cho động cơ
IGBT: Thiết bị IGBT được công nhận cho hiệu suất cao và chuyển mạch
nhanh. Trong biến tần, IGBT được bật và tắt theo trình tự để tạo xung với

các độ rộng khác nhau từ điện áp tuyến dẫn một chiều được trữ trong tụ
điện.
Bộ kháng điện xoay chiều: Bộ điện kháng dòng xoay chiều là cuộn cảm
hoặc cuộn dây. Cuộn cảm lưu trữ năng lượng trong từ trường được tạo ra
trong cuộn dây và chống thay đổi dòng điện.
Bộ điện kháng một chiều: Bộ điện kháng một chiều giới hạn tốc độ thay

đổi dòng tức thời trên tuyến dẫn một chiều. Việc giảm tốc độ thay đổi này
sẽ cho phép bộ truyền động phát hiện các sự cố tiềm ẩn trước khi xảy ra
hỏng hóc và ngắt bộ truyền động ra
• Điện trở hãm: Lượng điện thừa tạo ra cần phải được xử lý bằng cách nào
đó. Điện trở được sử dụng để nhanh chóng “đốt cháy hết” lượng điện thừa
này được tạo ra bởi hiện tượng này bằng cách biến lượng điện thừa thành
nhiệt.
d. Nguyên lý hoạt động:
[18]


Khi khơng có nguồn điện: Ắc quy phóng điện qua bộ biến tần, chuyển
nguồn điện một chiều DC thành nguồn xoay chiều AC cung cấp nguồn cho tải.
Đối với dạng UPS offline/line-interactive có tác dụng bình ổn điện áp của
mạch và dự trữ năng lượng cho ắc quy. Các thiết bị điện thông thường được nối
trực tiếp với nguồn điện chính. Khi điện áp đi qua mạch dưới mức quy định hay
xảy ra tình trạng mất điện lưới chính, thì nguồn UPS bật chức năng sử dụng
bộ biến tần (Inverter) DC-AC, một thiết bị chủ yếu sử dụng năng lượng dự trữ
trong ắc quy. Sau đó UPS sẽ chuyển mạch cho các thiết bị kết nối với đầu ra
bộ biến tần này. Tiếp theo, ắc quy sẽ phóng điện qua bộ biến tần, chuyển nguồn
điện DC thành AC và cung cấp nguồn cho tải. Thời gian chuyển này có thể kéo
dài đến khoảng nhỏ hơn 20 mili giây tùy thuộc vào thời gian cần thiết để UPS
phát hiện ra các sự cố điện nêu trên.

Như vậy, thiết bị hay hệ thống lưới điện sẽ được đảm bảo ổn định trong
những trường hợp bất khả kháng xảy ra liên quan đến nguồn điện có khả năng
gây hư hại cho máy móc, thiết bị, từ đó gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến quy
trình hoạt động kinh doanh.
e. Biến tần Mitsubishi FR-E720 series:
Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều hoặc xoay chiều thành dịng
điện xoay chiều có tần số và điện áp có thể điều chỉnh. Đầu tiên, nguồn điện
xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng
phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện.
Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị khơng phụ thuộc
vào tải và có giá trị ít nhất 0.96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch
lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được
thực hiện thơng qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng
phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý
và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải
tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt
động cơ.

[19]


Hình 3.4 Cấu trúc biến tần
Để lựa chọn được loại biến tần phù hợp cho ứng dụng của bạn, cần xác định rõ
nhu cầu ứng dụng, mục đích sử dụng và cân đối mức đầu tư. Để chọn được loại
biến tần phù hợp nhất với yêu cầu sử dụng, cần lưu ý những nguyên tắc lựa chọn
sau đây:
•

•

•

•

Chọn biến tần phù hợp với loại động cơ và công suất động cơ: tìm
hiểu loại động cơ mình cần lắp biến tần là động cơ gì, đồng bộ hay
khơng đồng bộ, 1 pha hay 3 pha, DC hay AC, điện áp bao nhiêu… để
chọn biến tần phù hợp. Công suất biến tần phải chọn tương đương
hoặc lớn hơn công suất động cơ
Chọn biến tần theo yêu cầu ứng dụng: khi lựa chọn biến tần cần xác
định rõ ứng dụng là gì? Tốc độ u cầu bao nhiêu? Có u cầu tính
năng điều khiển cao cấp đặc biệt nào hay khơng? Có u cầu tính
đồng bộ hệ thống hay truyền thơng? Mơi trường làm việc có đặc điểm
nào cần lưu ý (ẩm ướt, nhiệt độ cao, nhiều bụi, dễ cháy nổ….). Nếu
khơng có u cầu gì đặc biệt, có thể chọn loại biến tần đa năng thông
dụng như GD20 hoặc GD200A, tuy nhiên nếu có yêu cầu đặc biệt cần
chọn các loại biến tần có tính năng phù hợp với u cầu.
Chọn biến tần theo tải thực tế: Việc chọn lựa biến tần theo tải là một
việc rất quan trọng. Việc đầu tiên là bạn phải xác định được loại tải
của máy móc là loại nào: tải nhẹ hay tải nặng, tải trung bình và chế độ
vận hành là ngắn hạn hay dài hạn, liên tục hay khơng liên tục… từ đó
chọn loại biến tần phù hợp.
Chọn biến tần thuận tiện cho người lập trình khi lập trình điều khiển
hoặc chọn nhà cung cấp có khả năng hỗ trợ lập trình cho các ứng
dụng của bạn.
[20]


•

Chọn biến tần theo đúng thông số kỹ thuật của biến tần cũ (trong
trường hợp thay thế hãng khác) hoặc theo thông số kỹ thuật thiết kế
yêu cầu.

Dựa vào những yêu cầu trên em lựa chọn biến tần Fr-E720

Hình 3.5: Biến tần mitshubishi FR-E720
+ Đặc điểm chung:
- Biến tần Mitsubishi FR-E720 mạnh mẽ, công nghệ điểu khiển hiện đại
- Điều khiển chính xác khơng cần encoder.
- Khả năng q tải tăng vượt trội (200% 3s)
- Chế độ cài đặt dễ dàng
- Thay thế quạt làm mát dễ dàng
[21]


- Vận hành êm ái.
- Tuổi thọ cao
- Biến tần Mitsubishi FR-E720 là dòng biến tần với đầy đủ các tính năng hữu
ích, thân thiện với mơi trường, tuổi thọ thiết kế lên tới 10 năm. Bàn phím cài đặt
dễ dàng.

Hình 3.6: Sơ đồ nối dây biến tần mitshubishi FR-E720
[22]


+ Thông số kỹ thuật:
Ứng dụng của
biến tần
Mitsubishi FRE720

Nguồn cấp
Công suất
Dịng điện
Dải tần số
Mơ men khởi
động
Khả năng q
tải
Phương pháp
điều khiển
Phanh hãm
Ngõ vào
Ngõ ra
Chức năng bảo
vệ
Chức năng
chính
Truyền
thơng
Thiết bị mở
rộng
Cấp bảo vệ

Cầu trục và các máy nâng hạ, băng chuyền, máy nén khí,
máy đùn ép, máy cuộn, hệ thống nhà kho tự động, máy nhấn
chịm và các máy cần tính năng điều khiển vị trí chính xác
1 pha 200-240VAC, 50/60Hz; 3 pha 200-240VAC, 50/60Hz
1 pha: 0,1-2,2kW, 3 pha: 0,1 - 15kW
1 pha: 0.8 (0.8) - 11 (10) A
3 pha: 0.8 (0.8) - 60 (57) A

0.2-400Hz
200%hoặc hơn tại 0.5 Hz khi từ tính điều khiển vector từ
thông được nâng cao.
150%/ 60 giây, 200%/ 3 giây
Soft-PWM control/high carrier frequency PWM control
(V/Fcontrol, Advanced magnetic flux vector control,
General-purpose magnetic flux vector control, Optimum
excitation control are available)
Analog, Digital
Open collectorhở , Relay
Động cơ, quá dòng tức thời, quá tải, quá áp, thấp áp, mất áp,
quá nhiệt, quá nhiệt điện trở phanh, ngăn chặn sụt
Thiết lập tối đa, tối thiểu tần số, lựa chọn đầu vào rơ le nhiệt
Chức năng tự động dò tốc độ động cơ khi mất nguồn sử
dụng cảm biến tốc độ
Tích hợp sẵn bộ điều khiển PID, liên kết máy tính (RS-485)
…
Hỗ trợ các chuẩn truyền thôngPU,USB, Modbus-RTU,
Profibus, CC-Link, CAN open và SSCNET III
Tiêu chuẩn: Tích hợp sẵn bộ lọc EMC, PLC
Lựa chọn: Bộ truyền thông, Cáp kết nối, DC reactor, AC
reactor, điện trở xả, bộ phanh, bộ điện trở..
IP00 (Mở lắp biến tần), IP20 (Đóng lắp)

[23]


II. Bộ điều khiển logic khả trình PLC:
1. Khái niệm:
PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập

trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển
logic thơng qua một ngơn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực
hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân
kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời
gian định thì hay các sự kiện được đếm. PLC dùng để thay thế các mạch
relay (rơ le) trong thực tế. PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái
trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo.
Ngơn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic. Hiện nay có nhiều
hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General
Electric, Omron, Honeywell…
Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển
bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp”
trong chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín
hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình
2. Cấu trúc của PLC:
Plc thường được cấu tạo bởi 3 thành phần chính đó là phần nguồn thường
là 220v hoặc 24v ( có một số loại plc ít phổ biến có thể sử dụng nguồn 5v hoặc
3.7v). Tiếp theo là CPU, mỗi loại plc tùy theo ứng dụng thì sẽ có tốc độ xử lý
cũng như bộ nhớ lưu trữ chương trình, khả năng mở rộng khác nhau. Phần còn
lại là khối ngoại vi bao gồm: in/out, truyền thông, module phát xung, analog.

[24]


Hình 3.7: Cấu trúc bộ điều khiển khả trình
Phần đầu vào / đầu ra: Phần đầu vào hoặc mô-đun đầu vào bao gồm các
thiết bị như cảm biến, công tắc và nhiều nguồn đầu vào thế giới thực khác. Đầu
vào từ các nguồn được kết nối với PLC thông qua đường ray đầu nối đầu vào.
Phần đầu ra hoặc mô-đun đầu ra có thể là một động cơ hoặc một solenoid hoặc
một đèn hoặc một lị sưởi, có chức năng được điều khiển bằng cách thay đổi các

tín hiệu đầu vào.
CPU: (Central Processing Unit) là đơn vị xử lý trung tâm. Nó là một bộ vi
xử lý mà có thể kết hợp với các hoạt động của hệ thống PLC. CPU thi hành
chương trình xử lý các tín hiệu I/O và được nối trực tiếp đến các thiết bị I/O
thông qua các tuyến đường dây thích hợp bên trong PLC.
Thiết bị lập trình: Đây là nền tảng mà chương trình hoặc logic điều khiển
được viết. Nó có thể là một thiết bị cầm tay hoặc một máy tính xách tay hoặc
một máy tính chun dụng.
Nguồn cung cấp: Nó thường hoạt động trên một nguồn cung cấp điện
khoảng 24 V, được sử dụng để cung cấp năng lượng đầu vào và các đầu ra.
Bộ nhớ: Bộ nhớ được chia thành hai phần – Bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ
chương trình. Thơng tin chương trình hoặc logic điều khiển được lưu trữ trong
bộ nhớ người dùng hoặc bộ nhớ chương trình từ nơi CPU tìm nạp các lệnh
chương trình. Tín hiệu đầu vào và đầu ra và tín hiệu bộ định thời và bộ đếm
được lưu trữ trong bộ nhớ hình ảnh đầu vào và đầu ra tương ứng

[25]