Datn_Compress (1).Pdf

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ TDD XOAY CHIỀU 3 PHA SỬ DỤNG PLC BIẾN TẦN Giáo viên hướng dẫn TS VÕ QUANG VINH Sinh viên thực hiện HO[.]

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ TDD XOAY CHIỀU 3 PHA SỬ DỤNG

PLC- BIẾN TẦN

Giáo viên hướng dẫn :

TS VÕ QUANG VINH

Sinh viên thực hiện :

HOÀNG VĂN TÙNG

Ngành

: ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

Chuyên ngành :

CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Lớp :

Đ9 – CNTĐ1

Khóa :

2014 - 2019

Hà Nội, tháng 1 năm 2019

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, nước ta đã và đang xây dựng ngày càng nhiều nhà máy đa dạng về công nghệ Ứng dụng công nghệ tự động vào trong sản xuất là nhu cầu tất yếu của Việt Nam, một nước đang trên đường phát triển và hội nhập cùng thế giới Ngành tự động hóa cũng không ngừng phát triển để đáp ứng nhu cầu sản xuất Tự động hóa trong quá trình sản xuất đã và đang được ứng dụng rộng rãi vào các ngành sản xuất đem lại rất nhiều ưu điểm như: nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm, từng bước thay thế dần sức lao động của con người góp phần không nhỏ vào sự phát triển của đất nước

Các hệ thống thu thập, giám sát, xử lý và điều khiển các quá trình công nghiệp Scada

đã xuất hiện ngày càng nhiều trong các lĩnh vực như: Công nghiệp, dầu khí, năng lượng hàng không và nhiều lĩnh vực khác Các module điều khiển lập trình PLC… cùng với các màn hình cảm ứng có thể điều khiển và lập trình ngày càng sử dụng rộng rãi giúp việc điều khiển, giám sát ngày càng dễ dàng

Xuất phát từ những đặc điểm trên em đã chọn đề tài:” THIẾT KẾ HỆ TDD XOAY HIỀU

3 PHA SỬ DỤNG PLC- BIẾN TẦN” Với đồ án này em mong muốn củng cố kiến thức

đã học ở nhà trường gắn liền trong thực tế để tạo bước tiền đề trước khi ra trường và làm trong một nhà máy xí nghiệp

Sinh viên thực hiện

HOÀNG VĂN TÙNG

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành tốt đề tài, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Võ Quang Vinh và các thầy cô trong khoa Điều Khiển & Tự Động Hóa trường đại học Điện Lực đã giúp đỡ chúng em trong thời gian làm đề tài.Và hơn nữa, cảm ơn thầy đã dìu dắt, trang bị kiến thức chuyên môn Đồng thời nhóm cũng cảm ơn các bạn trong lớp D9-CNTD1 đã có những góp

ý quý báu cho nhóm

Do thời gian có hạn nên cũng không thể tránh được những sai sót trong quá trình làm

đề tài Nhóm mong có những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn để có thể hoàn thiện được đề tài tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên thực hiện

HOÀNG VĂN TÙNG

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY

CHIỀU 3 PHA SỬ DỤNG BIẾN TẦN 1

1.1 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂNTỐCĐỘ 1

1.1.1 Nguyên lý làm việc và đặc tính của động cơ 1

1.1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 4

1.2 CÁC PHƯƠNGPHÁPĐIỀUCHỈNHTẦNSỐNGUỒNCUNGCẤPCHO ĐỘNGCƠKHÔNGĐỒNGBỘ 6

1.2.1 Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi 6

1.2.2 Luật điều chỉnh từ thông không đổi 7

1.2.3 Luật điều chỉnh tần số trượt không đổi 7

1.2.4 Luật điều chỉnh tần số với phương pháp véc tơ không gian 8

1.3 NGUYÊNLÝLÀM VIỆC VÀCÁCPHƯƠNG PHÁPĐIỀU KHIỂNCỦA BIẾNTẦN 9 1.3.1 Nguyên lý làm việc của biến tần 9

1.3.2 Các phương pháp điều khiển biến tần 12

1.4 HỆTRUYỀNĐỘNGPLC-BIẾNTẦN-ĐỘNGCƠ 22

1.4.1 Sơ đồ khối hệ PLC- Biến Tần- Động cơ- Encoder 22

1.4.2 Giới thiệu bộ điều khiển PID 23

1.4.3 Sơ đồ nối dây hệ TDD sử dụng PLC- Biến Tần Omron 3G3JX A2007 24

1.5 KẾTLUẬNCHƯƠNG1 24

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ CÓ TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG 25

2.1. BỘĐIỀUKHIỂNPLCS71200 25

2.2.1 Giới thiệu 25

2.2.2 Phân loại 26

2.2.3 Cấu trúc bên ngoài 27

2.2.4 Cấu trúc bên trong 28

2.2.5 Các ngôn ngữ lập trình 29

2.2.6 Phần mềm lập trình TIA Protal 31

2.2.7 Một số tập lệnh cơ bản Ngôn ngữ LAD 32

2.2. BỘBIẾNTẦNOMRON 40

2.3.1 Giới thiệu 40

2.3.2 Biến Tần 3G3JX OMRON 41

2.3.3 Các phím chức năng của biến tần 43

2.3.4 Các tham số cơ bản của biến tần 45

2.3. TÌMHIỂUVỀENCODER 54

2.4. KẾTLUẬNCHƯƠNG2 56

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ TDD SỬ DỤNG PLC- BIẾN TẦN OMRON 3G3JX A2007 56

3.1. SƠĐỒĐẤUNỐI 56

3.2. CÁCKHÍCỤĐIỆN 59

3.3. HÌNHẢNHTHỰCTẾMÔHÌNH 60

3.4. CÀIĐẶTTHÔNGSỐBIẾNTẦN 61

3.5. CHƯƠNGTRÌNHĐIỀUKHIỂNTRÊNPLC 63

3.5.1 Bảng phân công địa chỉ vào ra: 63

3.5.2 Cấu hình phần cứng 64

3.5.3 Lập bảng tag trên TIA 65

3.5.4 Chương trình điều khiển chính: 65

3.5.5 Chương trình con Cyclic Interrupt: 74

3.6. GIAODIỆN ĐIỀUKHIỂNVÀGIÁMSÁTTRÊNWINCCFLEXIBLE 2008 75

3.6.1 Yêu cầu và các bước cần thực hiện 75

3.6.2 Một số hình ảnh giám sát thực tế 78

3.7. KẾTLUẬNCHƯƠNG3 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH

Hình 1: Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ 1

Hình 2: Đặc tính của động cơ không đồng bộ ω = f(M) trong chế độ động cơ 3

Hình 3: Khái quát phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ ba pha 5

Hình 4: Quan hệ dòng điện stato và từ thông rôto 7

Hình 5: Biểu diễn véc tơ không gian 9

Hình 6: Sơ đồ biến tần nguồn áp SPWM 10

Hình 7: Sơ đồ nguyên lý mạch điện bộ nghịch lưu SPWM 12

Hình 8: Hình sao điện áp của biến tần - động cơ 13

Hình 9: Điều chế véc tơ điện áp không gian 14

Hình 10: So sánh biên độ điện áp 15

Hình 11: Mạch điện tương đương ở trạng thái ổn định của động cơ điện cảm ứng và sức điện động cảm ứng 18

Hình 12: Đặc tính cơ ở các chế độ điều chế phối hợp điện áp – tần số khác nhau 19

Hình 13: Sơ đồ khối chức năng hoạt động hệ thống 23

Hình 14: Bộ điều khiển PID 23

Hình 15: Sơ đồ nối dây hệ TDD sử dụng PLC- Biến Tần Omron 3G3JX A2007 24

Hình 16: Hình dạng bên ngoài của S7- 1200 và các modul mở rộng 25

Hình 17: Hình dạng bên ngoài của S7 -1200 (CPU 1214C) 27

Hình 18: Cấu trúc bên trong 29

Hình 19: Chương trình LAD 29

Hình 20: Chương trình FDB 30

Hình 21: Trình tự thiết kế chương trình điều khiển 31

Hình 22: Giao diện lập trình 31

Hình 23: Hình ảnh thực tế một số họ biến tần OMRON 40

Hình 24: Sơ đồ đấu nối biến tần 41

Hình 25: Nối dây nguồn cho biến tần và động cơ 42

Hình 26: Mặt trên của biến tần 43

Hình 27: Encoder thực tế trên thị trường 54

Hình 28: Cấu tạo của Encoder 55

Hình 29: Encoder quang quay 55

Hình 30: Hai kênh A và B lệch pha nhau trong Encoder 56

Hình 31: Sơ đồ đấu nối 57

Hình 32: Mô hình thực tế 60

Hình 33: Cấu hình PLC và modul AO trong TIA 64

Hình 34: PLC tag 65

Hình 35: Các chế độ làm việc của biến tần 65

Hình 36: Các lệnh chạy tại chỗ 66

Hình 37: Chế độ chạy từ xa thao tác trên giao diện WinCC 66

Hình 38: Các lệnh chạy từ xa 67

Hình 39: Lệnh quay thuận 67

Hình 40: Lệnh quay ngược 68

Hình 41: Bộ đếm xung tốc độ cao sau thời gian 1s 69

Hình 42: Chuyển đổi dữ liệu sang số thực 69

Hình 43: Tính toán tốc độ động cơ trong phần mềm TIA 70

Hình 44: Tính toán tốc độ phản hồi PID khi tốc độ dương 70

Hình 45: Tính toán tốc độ phản hồi PID khi tốc độ âm 71

Hình 46: Tính toán tốc độ đặt PID khi tốc độ đặt dương 71

Hình 47: Tính toán tốc độ đặt PID khi tốc độ đặt âm 71

Hình 48: Lệnh tính sai lệch tĩnh 72

Hình 49: Lệnh reset hệ thống 72

Hình 50: Đo tần số 73

Hình 51: Đo dòng điện 73

Hình 52: Hiển thị các tham sô điều khiển PID 73

Hình 53: Bộ PID ổn định tốc độ trong khối Cyclic Interrup 74

Hình 54: Reset PID khi có lỗi 74

Hình 55: Màn hình giới thiệu 76

Hình 56: Màn hình thiết kế 76

Hình 57: Khi động cơ chưa chạy 78

Hình 58: Khi tốc độ đặt là +1000 78

Hình 59: Tốc độ đặt +600 79

Hình 60: Khi tốc độ đặt là -600 79

Bảng 1: Các chế độ điều khiển biến tần 21 Bảng 2: Các đặc điểm cơ bản của S7-1200: 26 Bảng 3: Các đặc tính họ 3G3X 40 Bảng 4: Các chức năng điều khiển biến tần _ 43 Bảng 5:Các tham số cơ bản của biến tần _ 45 Bảng 6: Các khí cụ dùng trong mô hình _ 59 Bảng 7: Các thông số cài đặt cho mô hình 61 Bảng 8: Bảng phân công địa chỉ vào ra 63

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ

Ngành: CNKT điều khiển và tự động hóa Hệ đào tạo: Đại học chính quy

1 Tên đồ án/khoá luận tốt nghiệp

“Thiết kế hệ truyền động điện sử dụng PLC- Biến tần”

2 Lý do chọn đề tài

Xây dựng mô hình thí nghiệm cho môn học PLC tại khoa

3 Nội dung, nhiệm vụ nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động điện xoay chiều 3pha sử dụng biến tần

Chương 2: Tìm hiểu các thiết bị có trong hệ truyền động

Chương 3: Thiết kế mô hình hệ TDD sử dụng PLC- Biến tần Omron 3G3JX A2007

4 Tài liệu, dữ liệu tham khảo

-

Trường Đại học Điện Lực

-

xuất bản Khoa học Kỹ thuật, 1994

-

Khoa học Kỹ thuật, 2005

-

-

5 Ngày giao đề tài: 05/10/2018

6 Ngày nộp quyển: 03/01/2019

Hà Nội, ngày 03 tháng 01 năm 2019

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

P a g e 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY

CHIỀU 3 PHA SỬ DỤNG BIẾN TẦN

1.1 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU

KHIỂN TỐC ĐỘ

1.1.1 Nguyên lý làm việc và đặc tính của động cơ

tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha…

Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn, các động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu, (dòng khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ)

Trong thời gian gần đây, do phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tin học, động cơ ĐK mới được khai thác các ưu điểm của chúng Nó trở thành

hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả so với hệ Tiristor - Động cơ điện một chiều

Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ:

Hình 1: Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ

- Uf1 trị số hiệu dụng của điện áp pha stato

- Iµ , I1 , I’2 các dòng điện từ hóa stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato

- Xµ , 𝑋1𝛿 , 𝑋2𝛿′ điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tản stato và điện kháng tản roto đã quy đổi về stato

- Rµ, R1, R’2 các điện trở tác dụng của mạch từ hóa của cuộn dây stato và roto đã quy đổi về stato

𝑝 trong đó:- f1 là tần số của điện áp nguồn đặt vào stato

- p là số đôi cực của động cơ

s s

R



Hình 2: Đặc tính của động cơ không đồng bộ 𝜔 = f(M) trong chế độ động cơ

P a g e 4

1.1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

Động cơ không đồng bộ làm việc theo nguyên lý cảm ứng, trong đó không có sự phân

ly giữa phần cảm ( kích thích sinh từ thông từ hóa) và phần ứng Từ thông động cơ và momen là các hàm phi tuyến của nhiều biến Chính vì vật mà trong định hướng xây dựng các hệ truyền động điện không đồng bộ người ta thường có xu hướng tiếp cận với đặc tính điều chỉnh của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Để có thể đưa ra các phương háp chung trong điề khiển, hãy xét phương trình cân bằng công suất của động cơ không đồng

bộ :

𝑃đ𝑡 = 𝑃𝑐ơ+ ∆𝑃𝑠 (1-7) Trong đó 𝑃đ𝑡 = 𝑀 𝜔1 : công suất điện từ truyền từ stato sang roto

𝑃𝑐ơ =M 𝜔 : công suất cơ

∆𝑃 = 3𝑅2 ′ 𝐼2′2 : tổn hao đồng trên điện trở mạch roto

Như vậy với một momen với tải xác định (𝑀 = 𝑀𝑐 ) muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, chủ yếu chỉ có hai hướng hoặc là điều chỉnh tốc độ đồng bộ hoặc là điều chỉnh công suất tổn hao ∆𝑃 Phương pháp thứ nhất liên quan đến các hệ thống điều chỉnh tần số, phương pháp thứ hai liên quan đến điều chỉnh điện trở mạch roto hoắc điều chỉnh công suất trượt Khái quát chung về các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha

Trong bảng ta thấy có bốn phương pháp, nếu đứng về phương điện tổn thất khi điều chỉnh ta có hai phương pháp Điều chỉnh tổn thất và điều chỉnh kinh tế Còn phân loại theo sơ đồ bố trí mạch lực ta có mạch tác động lên stato mạch tác động vào roto

 Phương pháp điều chỉnh điện áp stato dùng tiristo có phạm vi điều chỉnh tốc độ và momen hẹp Đường 1 là đường giới hạn góc mở 𝛼𝑚𝑎𝑥 , đường 2 hạn chế do đưa điện trở phụ, đường 3 hạn chế do quá đòng điện Vì vậy ngày nay người ta ít dùng, chủ yếu dùng để khởi động động cơ không đồng bộ roto lồng sóc phụ tải bơm và quạt gió

 Phương pháp điều chỉnh điện trở phụ nối vào roto của động cơ không đồng bộ rôt dây quấn Thực chất là phương pháp tổn thất, hiệu suất truyền động suy giảm khi chiều chỉnh sâu tốc độ Tuy vậy phương pháp này có hiệu quả tốt là moomen khởi động lớn, thích hợp với truyền động cơ cấu nâng hạ của cấu trúc và cần trục, nên nó vẫn được sử dụng ở dải công suất nhỏ và trung bình

 Phương pháp điều chỉnh công suất trượt thực hiện đối với động cơ roto quấn dây Thực chất của phương pháp này là công suất điện được cấp 100% cho động cơ ở phóa sau sato, với phụ tải định trước, để điều chỉnh giảm tốc độ (giảm trượt ) được biến đổi trả lại lưới, nếu bỏ qua tổn thất bộ biến đổi ta Như vậy công suất điện tiêu thụ của động cơ gần tương ứng với công suất cơ, nên phương pháp này gọi là phương pháp điều chỉnh kinh tế Tuy vậy nó dùng ở dải công suất lớn ( > 400kw) thì mới có hiệu quả kinh tế

P a g e 5

 Phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cung cấp được sử dụng cho động cơ không đồng bộ cho đến nay vẫn là phương pháp tốt nhất, vì nó điều chỉnh trực tiếp công suát điện đầu vào động cơ, đặc tính cơ có độ cứng không thay đổi trong dải biến đổi ngày càng hạ, tính năng kỹ thuật ngày càng nâng cao, nên hệ truyền động điều khiển tần số được sử dụng phổ biến nhất hiện nay

Điều chỉnh công suất trượt Điều chỉnh xung điện trở

P a g e 6

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ NGUỒN CUNG CẤP CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.2.1 Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi

Xuất phát từ phương trình tính mômen tới hạn khi bỏ qua điện trở dây quấn stator là:

2 2

Mth: mômen tới hạn của động cơ,

Lm: điện cảm hỗ cảm giữa mạch stato và rôto,

Lr: điện cảm của rôto Ls là điện cảm mạch stato,

0



Ufs : điện áp cấp cho động cơ ở tần số f,

Khả năng quá tải về mômen được quy định bằng hệ số quá tải mômen:

m th

M M

2 0

P a g e 7

1.2.2 Luật điều chỉnh từ thông không đổi

Quan hệ giữa dòng điện stato và từ thông roto là:

Ta có từ biểu thức (1-15) có thể biểu diễn trong hình sau, cho trường hợp khi giữ r bằng hằng số ( hình 4 )

Hình 4: Quan hệ dòng điện stato và từ thông rôto Như vậy muốn giữ từ thông không đổi thì dòng điện phải điều chỉnh theo độ trượt, như quan hệ (1-15)

Nếu giữ  r constthì vector từ thông roto và vector dòng điện roto phải luôn vuông góc với nhau trong không gian và khi ấy momen điện từ của động cơ hoàn toàn tỷ lệ với biên độ dòng điện roto theo biểu thức:

M  r r I (1-16) Luật điều chỉnh này không những cần phải giữ  không đổi mà còn phải giữ cho vector của dòng điện luôn luôn vuông góc với vector từ thông  Khi ấy sẽ thảo mãn momen tới hạn của động cơ trong toàn bộ dải điều chỉnh

1.2.3 Luật điều chỉnh tần số trượt không đổi

P a g e 8

Ở chế độ xác lập mô tả toán học của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc là:

2

0

0

0 0

s s

1.2.4 Luật điều chỉnh tần số với phương pháp véc tơ không gian

Các luật điều khiển tần số nói trên thực chất là điểu khiển một cách gián tiếp giữ từ thông động cơ không đổi cho nên không đạt được hiệu quả triệt để Với cách thức tiếp cận với phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều, trong động cơ không đồng bộ, người

ta đã xây dựng khái niệm véctơ dòng điện không gian, véctơ điện áp không gian, véctơ từ thông không gian ở cả stato và roto

Động cơ không đồng bộ ba pha, có các cuộn dây pha bố trí đối xứng, có thể coi các dòng điện trong các pha là véctơ, với độ lớn là các thành phần dòng điện các pha (

i i

,

, i

P a g e 9

Hình 5: Biểu diễn véc tơ không gian

Khi đó các vector dòng điện ba pha được viết ở dạng sau:

1.3.1 Nguyên lý làm việc của biến tần

Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản 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 không 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 thông 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

P a g e 10

dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ

Hình 6: Sơ đồ biến tần nguồn áp SPWM

Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp - tần số là không đổi Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4 Điện áp là hàm bậc

4 của tần số Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp

Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống

Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA

Nguyên lý làm việc của bộ nghịch lưu SPWM

Khối nghịch lưu SPWM, là sơ đồ biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều mà điện

áp đầu ra rất gần hình sin Để thực hiện, có thể chia nửa chu kỳ hình sin N phần bằng nhau, như trên hình (trong đó N=12) sau đó thay thế một phần đường cong hình sin bằng một xung hình chữ nhật với chiều cong xác định và có diện tích bằng diện tích bao bởi trục hoành và phần đường cong hình sin được thay thế, trung điểm của xung hình chữ nhật trùng với trọng tâm của mỗi một phần trên sóng hình sin Như vậy đồ thị sóng do N xung hình chữ nhật cùng biên độ nhưng khác nhau về chiều rộng đã thay thế (tương đương) cho một nửa chu kỳ hình sin Tương tự, ở các chu kỳ khác của sóng hình sin cũng được thay thế theo phương pháp vậy

Một loạt xung trên chính là đồ thị đầu ra của bộ nghịch lưu SPWM Có thể thấy rằng

do biên độ bằng nhau của các xung nên khối nghịch lưu có thể cung cấp bởi nguồn điện một chiều không đổi, tức là có thể dùng chỉnh lưu điot xung đầu ra khối nghịch lưu không

P a g e 11

điều khiển Giá trị biên độ của xung đầu ra khối nghịch lưu chính là điện áo đầu ra của khối chỉnh lưu Khi khối nghịch lưu làm việc ở trạng thái lý tưởng, tín hiệu điều khiển sự

mở khóa của van bán dẫn công suất tương ứng cũng sẽ có dạng là một chuỗi xung tương

tự như trên hình Về mặt lý thuyết mà nói độ rộng của các xung này có thể dùng phương pháp tính để tìm Nhưng biện pháp thường dùng trong thực tế là sử dụng phương pháp điều chế tương tự như trong kỹ thuật thông tin, đồ thị sóng mong muốn (ở đây là sóng hình sin) làm sóng điều chế, còn tín hiệu chịu sự điều khiển của nó gọi là sóng mang Trong nghịch lưu SPWM thường dùng sóng tam giác cân làm sóng mang, bởi vì sóng tam giác cân là hình sóng tuyến tính có độ rộng trên dưới đối xứng nhau, lúc nó giao với đường cong trơn bất kỳ, ở thời điểm giao ấy sẽ bắt đầu xuất hiện hoắc mất tín hiệu điều khiển van bán dẫn công suất, có nghĩa rằng: đầu ra bộ điều chế nhận được chuỗi xung hình chữ nhật điều khiển các van tương tự như chuỗi xung trên hình đó chính là kết quả cần thiết của bộ PWM

Bộ dao động tạo sóng tải dạng tam giác

1.3.2 Các phương pháp điều khiển biến tần

Bằng việc thay đổi luật điều khiển tần số nguồn cấp sẽ cho ta các phương pháp điều khiển biến tần khác nhau Tuy nhiên, các biến tần ngày nay chủ yếu được điều khiển theo 2 luật là: Luật điều chỉnh từ thông không đổi (Phương pháp phối hợp điều khiển điện áp và tần số) và luật điều khiển tần số bằng phương pháp vecto không gian (Phương pháp điều chế

véc tơ điện áp không gian)

P a g e 13

Phương pháp điều chế véc tơ điện áp không gian

Hệ thống điện áp đặt lệch pha U a

 

 

 

U  U , với U am là biên độ điện áp pha

Căn cứ vào luật chuyển mạch và sơ đồ nối dây tương ưng có thể thấy rằng điện áp không gian của hệ biến tần – động cơ, tại một thời điểm, sẽ chỉ lấy các giá trị gián đoạn là một trong số tám véctơ:

Hình 8: Hình sao điện áp của biến tần - động cơ

Để thỏa mãn các luật điều khiển khác nhau thì véctơ điện áp

U

P a g e 14

Kỹ thuật điều chế véctơ điện áp không gian khác kỹ thuât SPWM ở chỗ nó không sử dụng các bộ điều chế riêng rẽ mà véctơ điện áp mong muốn được hình thành bởi tổ hợp chuyển mạch phức hợp

Ví dụ như trên Hình véctơ mong muốn U s dcó thể được phân tích thành hai thành phần

tự trên hai véctơ V V a, b cách nhau một phần sáu vòng tròn:

A, B là các hệ số tỷ lệ, chúng là khoảng thời gian cần thiết tồn tại các véc tơ

V

V

1 2

d s

s

d s

s

a b s

Điều chế véc tơ điện áp không gian và các biến thể của nó đạt được chỉ số điều chế cực đại mmax  0,907

P a g e 16

Phương pháp phối hợp điều khiển điện áp và tần số

Lúc động cơ không đồng bộ mang phụ tải 𝑀𝑐 và làm việc ổn định, khi đó 𝑀𝑐 = 𝑀đ𝑡 (

bỏ qua tổn hao mô men do ma sát), từ biểu thức 1.30 ta được

1

sR U

a, Điều khiển phối hợp tỷ số điện áp và tần số không đổi ( 𝜔𝑈1

1= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡) Trong công thức 1.29 đã chỉ rõ , muốn giữ cho từ thông θ𝑚 không đổi, nhằm tận dụng hết khả năng của lõi sắt từ, phát huy hết khả năng sinh mô men của động cơ, khi dưới tần

số cơ bản phải dùng phương pháp điều khiển tỷ số điện áp và tần số không đổi Lúc thực hành điều khiển tỷ số điện áp và tần số không đổi, tốc độ quay đồng bộ tự khắc cũng thay đổi theo tần số

1

1

3

dt

p

R M s

U n

P a g e 17

là khi thay đổi tần số ở điều kiện tỷ số điện áp và tần số không đổi (U1/1 const), đường đặc tính cơ về cơ bản là tịnh tiến lên xuống Các đường này gần giống đường đặc tính động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điều chỉnh điện áp phần ứng Khác nhau

là ở chỗ, sau khi mô men tăng đến giá trị cực đại, tốc độ quay lại giảm xuống, đường đặc tính lại quay ngoắt trở lại Hơn nữa, lúc tần số càng thấp mô men cực đại càng nhỏ, điều này đã được chứng minh bởi công thức 1.33

Biến đổi chút ít đối với công thức 1.33 có thể nhận được quan hệ về sự thay đổi của

mô men cực đại 𝑀𝑡

( hay mô men tới hạn ) khi 𝜔1 khi U1/



 

2 1

b, Điều khiển 𝐸𝑓/𝜔𝑡=const

Hình 1.20 biểu diễn lại mạch điện tương đương ở trạng thái ổn định của động cơ điện cảm ứng, trong đó ý nghĩa sức điện động của mấy chỗ trên đó như sau:

𝐸𝑓 là sức điện động cảm ứng trong cá cuộn dây của mỗi pha do từ thông khe hở gây nên (hỗ cảm);

' 2

I

r

E

' 2

R s

𝐸𝑠 là sức điện động cảm ứng do từ thông toàn mạch stator

𝐸𝑟 là sức điện động cảm ứng do từ thông toàn mạch rotor (đã quy đổi về mạch stator) Nếu trong khi điều khiển phối hợp điện áp – tần số, nâng một cách phù hợp điện áp

𝑈1, làm cho nó sau khi khắc phục được sụt áp mạch stator có thể duy trì E f /



ở tần số cơ bản ) thì từ công thức 1-34 có thể lấy, mặc cho tần số có trị số lớn nhỏ khác nhau thì từ thông của mỗi cực đều là hằng số Sau đây sẽ trình bày cách tìm đường đặc tính cơ khi điều khiển E f /



Từ mạch điện tương đương trên hình có thể thấy:

f

E I

Đây chính là phương trình đường đặc tính cơ khi E f /



Sử dụng phướng pháp phân tích giống như trên khi s rất nhỏ, bỏ qua số hạng có chưa 𝑠2 ở mẫu số trong công thức 1-36 ta có :

P a g e 19

2 1 '

Lúc này đường đặc tính có dạnh hypecbon

Khi giá trị của s nằm trong khoảng giữa hai vùng trên, đường đặc tính chuyển tiếp từ đường thẳng sang đường cong hypecboloit, toàn bộ đường đặc tính có tính tương đồng với đường đặc tính khi điều khiển tỷ số điện áp và tần số không đổi Nhưng so sánh công thức với công thức 1-38 có thể thấy, công thức momen khi điều khiển E f /const

trong mẫu số có chứa số hạng s nhỏ thua số hạng còn loại trong công thức điều khiển

0

1 0

-s

c

dt

M

Hình 12: Đặc tính cơ ở các chế độ điều chế phối hợp điện áp – tần số khác nhau a) điều khiển U1/1 = const; b) điều khiển E f /1 = const; c) điều khiển E r/1 = const

Lấy đạo hàm đới với s cho công thức 1-39 và chodM dt 0

ds  , có thể nhận được hệ số trượt tới hạn khi điều khiển E f /1 const:

' 2 '

1 2

t

R s

c, Điều khiển E r /



Nếu trong điều khiển điện áp và tần số không đổi nâng cao tương đối điện áp 𝑈1 lên một ít, tìm cách loại bỏ sụt áp trên điện kháng tản mạch rotor là có thể nhận được phép điều khiển E r /



Từ hình có thể viết : 2' '

2/

r

E I

Điều khiển vector thực

Phạm vi

điều khiển

tốc độ

1:10 (6Hz đến 50Hz, Điện lưới)

1:120 (0.5Hz đến 50Hz, điện lưới)

1:200 (0.3Hz đến 50Hz, điện lưới)

1:1500 (1 vòng/phút đến 1500 vòng/phút, điện lưới, máy phát)

(rad/s)

20 đến 30 (rad/s)

Sơ lược Với đa số các

dạng phương pháp điều khiển máy biến tần phổ

Để giải quyết vấn đề momen xoắn ở tốc độ thấp trong điều khiển V/F,

Ở các động cơ không có Encoder, hoạt động điều khiển đạt được thông

Phương pháp này chia dòng điện động cơ thành các phần theo từ thông

và các phần do momen xoắn tạo ra và sử điều

P a g e 22

biến, điện áp

và tần số được duy trì kiểm soát ở các giá trị không đổi

phương pháp này được sử dụng nhằm điều chỉnh điện áp đầu ra bằng các phép tính vector cho dòng điện động cơ

qua việc tính điện áp/dòng điện và hằng số của động

cơ

khiển từng phần độc lập Phương pháp này cho phép momen xoắn và vị trí được điều khiển ở độ chính xác cao và độ nhạy cao

này cực kỳ linh hoạt đối với các động

cơ tiêu chuẩn

có ít bộ phận điều khiển

Phương pháp này cần một động cơ bất biến (ổn định), tuy nhiên cấu tạo mạch tương đối đơn giản do có ít

bộ phận điều khiển

Phương pháp này cần có một hằng

số của động cơ và điều chỉnh độ lợi

Phương pháp này cần có một động cơ gắn

encoder và điều khiển

độ lợi

Động cơ có

thể sử dụng

Động cơ thường

Động cơ thường

Động cơ thường Động cơ có điều khiển

vector chuyên dụng, gắn encoder phản hồi

1.4 HỆ TRUYỀN ĐỘNG PLC- BIẾN TẦN- ĐỘNG CƠ

1.4.1 Sơ đồ khối hệ PLC- Biến Tần- Động cơ- Encoder

Trên thực tế để ứng dụng hệ truyền động Biến tần- động cơ không đồng bộ (vòng

hở-không có cảm biến) trong các bài toán có tải thay đổi người ta thêm vào hệ các bộ điều

khiển phản hồi tạo thành một vòng kín Nhiệm vụ của các bộ điều khiểu là tiếp nhận thông tin phản hồi từ các thiết bị cảm biến (encoder) qua đó tính toán và điều chỉnh các thông số đầu vào cho bộ biến tần để động cơ có thể đạt được tốc độ mong muốn Phương pháp này cũng có thể sử dụng cho các hệ kin giúp việc điều khiển trở nên linh động hơn Hiện nay bộ điều khiển phản hồi phổ biến và được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp

là bộ điều khiển PID(PID- Proportional Integral Derivative) Các dòng biến tần trên thị trường hiện nay cũng tích hợp sẵn bộ điều khiển PID Tuy nhiên để dễ dàng hơn trong điều khiển và ứng dụng đa dạng cho nhiều bài toán thì việc sử dụng các bộ PID trong PLC để thay cho bộ PID trong biến tần là phổ biến nhất

P a g e 23

Encoder Máy tính

Hình 13: Sơ đồ khối chức năng hoạt động hệ thống

1.4.2 Giới thiệu bộ điều khiển PID

Hình 14: Bộ điều khiển PID Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi

nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt

là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển

có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống

P a g e 24

1.4.3 Sơ đồ nối dây hệ TDD sử dụng PLC- Biến Tần Omron 3G3JX A2007

Hình 15: Sơ đồ nối dây hệ TDD sử dụng PLC- Biến Tần Omron 3G3JX A2007

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trong chương 1 đã trình bày tổng quan về động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều chỉnh tốc độ đặc biệt là phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cấp sử dụng bộ biến tần Đưa ra cấu trúc và thiết kế mẫu hệ truyền động điện xoay chiều sử dụng PLC – Biến Tần để điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ

Chương tiếp theo em sẽ trình bày và tìm hiểu chi tiết về các thiết bị có trong hệ truyền động sử dụng PLC – Biến Tần

PLC S7-1200 (Promamable Logic Controller) là những kết hợp I/O và các lựa

chọn cấp nguồn, bao gồm 9 module các bộ cấp nguồn cả VAC – hoặc VDC - các

bộ nguồn với sự kết hợp I/O DC hoặc Relay Các module tín hiệu để mở rộng I/O

và các module giao tiếp dễ dàng kết nối với các mặt của bộ điều khiển Tất cả các phần cứng Simatic S7-1200 có thể được gắn trên DIN rail tiêu chuẩn hay trực tiếp trên bảng điều khiển, giảm được không gian và chí phí lắp đặt

Các module tín hiệu có trong các model đầu vào, đầu ra và kết hợp loại 8, 16,

và 32 điểm hỗ trợ các tín hiệu I/O DC, relay và analog Bên cạnh đó, bảng tín hiệu tiên tiến có trong I/O số 4 kênh hay I/O analog 1 kênh gắn đằng trước bộ điều khiển S7-1200 cho phép nâng cấp I/O mà không cần thêm không gian Thiết kế có thể mở rộng này giúp điều chỉnh các ứng dụng từ 10_I/O đến tối đa 284_I/O, với khả năng tương thích chương trình người sử dụng nhằm tránh phải lập trình lại khi chuyển đổi sang một bộ điều khiển lớn hơn Các đặc điểm khác: bộ nhớ 50 KB với giới hạn giữa dữ liệu người sử dụng và dữ liệu chương

P a g e 26

trình, một đồng hồ thời gian thực, 16 vòng lặp PID với khả năng điều chỉnh tự động, cho phép bộ điều khiển xác định thông số vòng lặp gần tối ưu cho hầu hết các ứng dụng điều khiển quá trình thông dụng Simatic S7-1200 cũng có một cổng giao tiếp Ethernet 10/100Mbit tích hợp với hỗ trợ giao thức Profinet cho lập trình, kết nối HMI /SCADA hay nối mạng PLC với PLC

2.2.2 Phân loại

Việc phân loại S7-1200 dựa vào loại CPU mà nó trang bị: Các loại PLC thông dụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C Thông thường S7-1200 được phân ra làm 2 loại chính:

Loại cấp điện 220VAC:

Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC – 30VDC)

Bảng 2: Các đặc điểm cơ bản của S7-1200:

50 Kbytes 2Mbytes 2Kbytes

4 3- 100 kHz 1- 30 kHz 3- 80 kHz 1- 20 kHz

6 3- 100 kHz 3- 30 kHz 3- 80 kHz 3- 20 kHz

2.2.3 Cấu trúc bên ngoài

Hình 17: Hình dạng bên ngoài của S7 -1200 (CPU 1214C)

P a g e 28

CPU 1214C gồm 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, có khả năng mở rộng thêm 3 module tín hiệu (SM), 1 mạch tín hiệu(SB) và 8 module giao tiếp (CM)

Các đèn báo trên CPU 1214C:

 STOP / RUN (cam / xanh): CPU ngừng / đang thực hiện chương trình đã nạp vào bộ nhớ

 ERROR (màu đỏ): màu đỏ ERROR báo hiệu việc thực hiện chương trình

đã xảy ra lỗi

 MAINT (Maintenance): led cháy báo hiệu việc có thẻ nhớ được gắn vào hay không

 LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối với tính thành công

 Rx / Tx: Đèn vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền

2.2.4 Cấu trúc bên trong

Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC S7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản:

bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất / nhập

- Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất

- Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất hoạt động

- Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý

- Các thành phần nhập và xuất (input / output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin

từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển Tín hiệu nhập

có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến,… Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây

P a g e 29

của bộ khởi động động cơ, các van solenoid,…

Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình hay bằng máy vi tính

Hình 18: Cấu trúc bên trong

2.2.5 Các ngôn ngữ lập trình

 Ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder logic)

Hình 19: Chương trình LAD Chương trình LAD (Hình 2.5) bao gồm cột dọc biểu diễn nguồn điệnlogic cùng với các kí hiệu công tắc logic tạo thành một nhánh mạch điện logic nằm ngang Ở hình bên, logic điều khiển được biểu diễn bằng hai công tắc thường hở, một công tắc thường đóng và một ngõ ra relay logic

Các kí hiệu công tắc trên được dùng để xây dựng nên bất kì mạch logic nào: sự kết hợp nhiều mạch logic có thể biểu diễn mạch điều khiển cho một ứng dụng có logic điều khiển phức tạp Điều cần thiết cho công việc thiết kế chương trình ladder

P a g e 30

là lập tài liệu về hệ thống và mô tả hoạt động của chúng để người sử dụng hiểu được mạch ladder một cách nhanh chóng và chính xác

Các qui ước của ngôn ngữ lập trình LAD:

- Các đường dọc trên sơ đồ biểu diễn đường công suất, các mạch được nối kết với đường này

- Mỗi nấc thang (thanh ngang) xác định một hoạt động trong quá trình điều khiển

- Sơ đồ thang được đọc từ trái sang phải và từ trên xuống Nấc ở đỉnh thang được đọc từ trái sang phải, nấc thứ hai tính từ trên xuống cũng đọc tương tự… Khi ở chế độ hoạt động, PLC sẽ đi từ đầu đến cuối chương trình thang sau đó lặp đi lặp lại nhiều lần Quá trình lần lượt đi qua tất cả các nấc thang gọi là chu kỳ quét

- Mỗi nấc thang bắt đầu với một hoặc nhiều ngõ vào và kết thúc với ít nhất một ngõ ra

- Các thiết bị điện được trình bày ở điều kiện chuẩn của chúng Vì vậy, công tắc thường hở được trình bày ở sơ đồ thang ở trạng thái hở Công tắc thường đóng được trình bày ở trạng thái đóng

- Thiết bị bất kỳ có thể xuất hiện trên nhiều nấc thang Có thể có một rơle đóng một hoặc nhiều thiết bị

- Các ngõ vào và ra được nhận biết theo địa chỉ của chúng, kí hiệu tùy theo nhà sản xuất qui định

 Ngôn ngữ lập trình FDB (Funtion Block Diagram)

Hình 20: Chương trình FDB Phương pháp này có cách biểu diễn chương trình như sơ đồ không tiếp điểm dùng các cổng logic (thường dùng theo ký tự của EU)

Theo phương pháp này các tiếp điểm ghép nối tiếp được thay thế bằng cổng AND, các tiếp điểm ghép song song được thay thế bằng cổng OR, các tiếp điểm

P a g e 32

2.2.7 Một số tập lệnh cơ bản Ngôn ngữ LAD

Tiếp điểm thường mở: