Ứng dụng PLC s7 200 kết hợp với giao diện máy tính điều khiển hệ thống động cơ

Bộ phận cơ bản của hệ thống tự động hóa trong công nghiệp đó là hệ thống thông tin đo lường và điều khiển các quá trình công nghệ.. Trong hệ thống này các thông tin được đo và thu thập t

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đạI học bách khoa hà nội

Trường đại học bách khoa hà nội

-

NGUYễN VĂN TRUNG

Đề tài: ứng dụng plc S7- 200 KếT HợP VớI GIAO

DIệN MáY TíNH ĐIềU KHIểN Hệ THốNG động cơ

Hà Nội - 2009

Luận v n hạ sỹ Điều k iển v ự đ n h a

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả trình bày trong luận văn là kết quả tự nghiên cứu của bản thân, không sao chép từ bất kỳ tài liệu nào có trước của những người khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Trung

Luận v n hạ sỹ Điều k iển v ự đ n h a

LỜI CảM ƠN

Luận văn này là kết quả của một thời gian dài nghiên cứu và làm việc

để áp dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn dưới sự hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Việt Tùng, sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo Khoa

Điện và Quản lý trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, sự hỗ trợ chân tình của Ban giám hiệu, các anh chị và các bạn đồng nghiệp đang công tác tại trường Cao đẳng Công nghiệp Sao Đỏ cùng các cơ quan hữu quan

Với tình cảm chân thành, người viết xin gửi lời cảm ơn đến:

- TS Nguyễn Việt Tùng là người hướng dẫn khoa học đã rất tận tình hướng dẫn và cho những lời khuyên sâu sắc không những giúp tôi hoàn thành luận văn mà còn truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu về nghề nghiệp

- Các thầy cô giáo của trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt hai năm học để tôi có được những kiến thức ứng dụng trong công tác và là cơ sở thực hiện luận văn này

- Quý thầy cô đã dành thời gian quý báu để đọc và phản biện luận văn này, xin cảm ơn những ý kiến nhận xét sâu sắc của quý thầy cô

- Ban giám hiệu cùng các anh chị, các bạn đồng nghiệp tại trường Cao

đẳng Công nghiệp Sao Đỏ đã đóng góp ý kiến quý báu cho việc hoàn thành luận văn này

- Các đơn vị doanh nghiệp đã cung cấp số liệu điều tra phục vụ cho quá trình nghiên cứu và viết luận văn

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do thời gian có hạn, kinh nghiệm và trình

độ bản thân còn nhiều hạn chế nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi những sai sót, tác giả rất mong nhận được những ý kiến góp ý của các thầy cô

và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2009

Học viên: Nguyễn Văn Trung

Luận v n hạ sỹ Điều k iển v ự đ n h a

DANH M Ụ C CÁC B Ả NG

Trang

Bảng 2.1.Trạng thỏi Logic của c c vộ tơđiện ỏp chuẩn 40

Bảng 2.2.Trạng thỏi Logic của gúc phần sỏu S1 42Bảng 2.3 Giỏ trị của vộ tơ biờn phụ thuộc vào vị trớ của vộ tơ

điện ỏp

44

Bảng 2.4.Cỏc model trong họ 3G3JV 45Bảng 2.5 Lựa chọn tín hiệu tần số chuẩn 48

Bảng 2.6 Phân chia vùng nhớ 58Bảng 2.7 Phân chia vùng đối tượng 59

Bảng 2.8.Cỏch đặt địa chỉ cho cỏc modul mở rộng trờn CPU 224 60

Bảng 2.9 Bảng cấu trúc 61 Bảng 3.1 Phân địa chỉ đầu vào 69

Bảng 3.2 Phân địa chỉ đầu ra 69

DANH M Ụ C CÁC HÌNH V Ẽ , ĐỒ TH Ị

Trang

Hình 1.1 Sơ đồ khối chung của HTC 7

Hình 1.2 Hệ thống HTC có cấu trúc song song 8

Hình 1.3 Hệ thống HTC có cấu trúc nối tiếp 8

Hình 1.4 Hệ thống HTC có cấu trúc song song- nối tiếp 9

Hinh 1.5 Hệ thống kiểm tra tự động 10

Hinh 1.6 Sơ đồ mô hình phân cấp HTC 13

Hình 1.7 Hệ thống HTC theo cấu trúc phân tán 14

Hình 2.1 Mô hình đơn giản ĐCKĐB .15

Hình 2.2 Thiết lập vé tơ không gian từ c c đại lượng ba pha .17

Hình 2.3 Biểu diễn trên hệ toạ độ d-q của ĐCKĐB 19

Hình 2.4 Thu thập giá trị thực của vé tơ dòng stato trên hệ tọa độ (d,q) 19

Hình 2.5 Mô hình trạng thái với hệ số hàm của ĐCKĐB trên hệ tọa độ (α,β) 25

Hình 2.6 Mô hình lên tục của ĐCKĐB trên hệ tọa độ (α,β) .26

Hình 2.7 Mô hình l ên tục của ĐCKĐB trên hệ tọa độ (α,β) trong trưêng hợp nuôi bằng biến tần nguồn dòng 27

Hình 2.8 Mô hình trạng thái dạng phi tuyến t nh yếu của ĐCKĐB trên hệ tọa độ (d,q) 30

Hình 2.9 Mô hình lên tục của ĐCKĐB trên hệ tọa độ (d,q) .31

Hình 2.10 Mô hình l ên tục của ĐCKĐB trên hệ tọa độ (d,q) trong trưêng hợp nuôi bằng biến tần nguồn dòng 32

Hình 2.11 Cấu trúc mô hình trạng thái gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ tọa độ (α,β) 34

Hình 2.12.Cấu trúc mô hình đối tượng dòng stato trên hệ tọa độ (α,β) .35

Hình 2.13.Cấu trúc mô hình i-ω của từ thông r«to trên hệ tọa độ (α,β) 35

Hình 2.14 Cấu trúc mô hình trạng thái gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ tọa độ (d,q) 37

Hình 2.15.Cấu trúc mô hình đối tượng dòng stato trên hệ tọa độ (d,q) .38

Hình 2.16.Cấu trúc mô hình i-ω của từ thông r«to trên hệ tọa độ (d,q) .38

Hình 2.17.Sơđồ mạch nghịch lưu 39

Hỡnh 2.18.Cỏc vộ tơ điện ỏp chuẩn u0,u1, u7 tạo bởi ba nhỏnh van 40

nghịch lưu.Q1, Q2,Q3,Q4: Cỏc gúc phần tư, S1, S2, …S6: Cỏ gúc phần sỏu Hỡnh 2.19.Thực hiện vộctơ điện ỏp từ hai vộ tơ biờn 41

Hỡnh 2.20.Mẫu xung của vộ tơđiện ỏp thuộc S1 .42

Hỡnh 2.21.Cỏc khả năng cho trước us 43

Hỡnh 2.22.Kích thước biến tần 46

Hỡnh 2.23.Công tắ lựa chọn để điều trỉnh tần số chuẩn .47

Hỡnh 2.24.Sơ đồ nguyên lý kết nối đầu vào .48

Hỡnh 2.25.Sơ đồ đấu dây 49

Hỡnh 2.26.Sơ đồ c u trúc PLC 50

Hỡnh 2.27.Các thiết bị vào ra thường gặp 52

Hỡnh 2.28.Sơ đồ kết nối đầu vào 52

Hỡnh 2.29.Cấu tạo PLC 533 Hỡnh 2.30.Kết nối PLC với máy t nh 54

Hỡnh 2.31.Cấu trúc bộ nhớ 57

Hỡnh 2.32.Mở rộng đầu vào ra cho PLC .60

Hỡnh 2.33.PLC thực hiện chương trỡnh theo một vũng lặp 600 Hỡnh 3.1 Sơ đồ mạ h lực 66

Hỡnh 3.2 Sơ đồ mạ h điều khiển 68

Hỡnh 4.1 Giao diện hệ thống động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc 72 Hỡnh 4.2 Giao diện điều khiển biến tần với cấp tần số cao nhất cho 3 động cơ 73

Hỡnh 4.3 Giao diện điều khiển biến tần với các cấp tần số và tải khác nhau cho 3 động cơ 74

Hỡnh 4.4 Giao diện đường đặc tính khởi động động cơ 1 75

Hỡnh 4.5 Giao diện đường đặc tính đảo chiều động cơ 2 ... .. .. ... .. .. .76

Hỡnh 4.6 Giao diện đường đặc tính thay đổ tốc độ động cơ 3 77

Hỡnh 4.7 Giao diện đường đặc tính khi thay đổi tải động cơ 1 78

Hỡnh 4.8 Giao diện lịch báo thời gian làm việc và sự cố của hệ thống động cơ 78

CÁC KÝ HI Ệ U VÀ CH Ữ VI Ế T T Ắ T

1 Các ký hi ệ u đ ã dùng.

i s , i r : Vé tơ dòng điện stato, dòng điện r«to

i su , i sv , i sw ,: Dòng điện pha stato

i s s , i s f : Vé tơ is trên hệ tọa độ cốđịnh stator và r«to

i sd , i sq : Thành phần dòng stato theo trục d và trục q

i s α , i s β : Thành phần dòng stato theo trục α và trục β

m T , m M : Mômen tải và mômen điện từ của động cơ

u s : Vé tơ điện áp stato

u sα , u sβ : Thành phần điện áp stato theo trục α, trục β

u sd , u sq : Thành phần điện áp stato theo trục d,trục q

u s , u s f : Vé tơ điện áp stato trên hệ tọa độ stato và hệ tọa độ r«to

ω , ω s , ω r : Vận tốc góc cơ,vận tốc gốc mạch stato và vận tốc gốc r«to

ψ r , ψ s : Vé tơ từ thông r«to và stato

| ψ r | : Môđun từ thông r«to

ψ rd , ψ rq : Thành phần từ thông r«to theo trục d và trục q

MN : Khởi động ngược 3 động cơ

D : Dừng 3 động cơ

MTtdt : Tăng tốc theo chiều thuận

MTtdg : Giảm tốc theo chiều thuận

MNtdt : Tăng tốc theo chiều ngược

MNtdg : Giảm tốc theo chiều ngược

DCt-n : Đảo chiều quay thuận – ngược

DCn-t : Đảo chiều quay ngược – thuận

S1-1 : Khởi động động cơ 1 quay thuận

S2-1 : Khởi động động cơ 2 quay thuận

S3-1 : Khởi động động cơ 3 quay thuận

f : Đại lượng quan sỏt trờn hệ tọa độ từ thụng rôto (hệ tọa độ (d,q)

s : Đại lượng quan sỏt trờn hệ tọa độ stato (hệ tọa độ (α,β)

R : Đại lượng quan sỏt trờn hệ tọa độ rôto với trục thục là trục rôto

* : Giỏ trị chủ đạo, giỏ trị đặt

d, q : Đại lượng thuộc hệ tọa độ (d,q)

α , β : Đại lượng thuộc hệ tọa độ (α,β)

u, v, w : Đại lượng thuộc pha u,v,w

4 Ma tr ậ n.

LuËn v n h¹ sü §iÒu k iÓn v ù ® n h a

I : Ma trận đơn vị

5 Các ch ữ vi ế t t ắ t.

HTC : Hệ thống thông tin công nghiệp

CPU : Máy tính công nghiệp

HIS : Máy tính giám sát (Human Interface Station)

CGU : Cổng thông tin (Communition Gateway Unit)

FI : Thiết bị hiện trường (Field Instruments)

ĐCKĐB : Động cơ không đồng bộ r«to lång sóc

Mục lục

Trang

Lời cam đoan

Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin đo lường

điều khiển trong công nghiệp

1.2.2.3 Phân loại hệ thống theo mục đích của HTC 11

1

2.1.1 Biểu diễn các đại lượng ba pha ĐCKĐB dưới dạng vectơ 15

2.1.2.1 Các phương trình cơ bản 21

1

2.1.2.2 Mô hình trạng thái liên tục ĐCKĐB trên hệ toạ độ stato 22 2.1.2.3 Mô hình trạng thái liên tục ĐCKĐB trên hệ toạ độ rôto 28 2.1.2.4 Mô hình trạng thái gián đoạn ĐCKĐB trên hệ toạ độ stato 32 2.1.2.5 Mô hình trạng thái gián đoạn ĐCKĐB trên hệ toạ độ rôto 35 2.1.3 Điều khiển nghịch lưu theo phương pháp điều chế véctơ không

gian

38

2.1.3.2 Phương phỏp t nh và xuất thời gian đúng ngắt ra van 43

3.1 Khái niệm về điều chỉnh tốc độ truyền động điện 64 3.1.1 Sai số tốc độ

3.1.4 Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải

điều khiển và giám sát

4.1 Thiết kế giao diện hệ thống

4.2 Giao diện điều khiển biến tần với cấp tần số cao nhất cho 3 động cơ

4.3 Giao diện điều khiển biến tần với các cấp tần số và tải khác nhau

cho 3 động cơ

4.4 Giao diện đường đặc tính khởi động động cơ 1

4.5 Giao diện đường đặc tính đảo chiều động cơ 2

4.6 Giao diện đường đặc tính thay đổi tốc độ động cơ 3

4.7 Đường đặc tính khi thay đổi tải

4.8 Lịch báo thời gian làm việc và sự cố của hệ thống động cơ

Mở ĐẦU

1 C ơ s ở khoa h ọ c và th ự c ti ễ n c ủ a đề tài

Trong sản xuất cụng nghiệp hiện đại, để nõng cao năng suất, hiệu suất

sử dụng mỏy, nõng cao chất lượng sản phẩm và cỏc phương phỏp tự động hoỏ dõy chuyền sản xuất thỡ hệ thống truyền động điện cú điều chỉnh tốc độ là khụng thể thiếu Trong cỏc loại động cơ điện trong cụng nghiệp, động cơ điện khụng đồng bộ chiếm tỷ lệ lớn, do nú cú nhiều ưu điểm như: giỏ thành thấp,

dễ sử dụng, bảo quản đơn giản, chi phớ vận hành thấp Đặc biệt là động cơ khụng đồng bộ ba pha rụto lồng súc, với cấu tạo đơn giản, tiện lợi, vỡ sử dụng trực tiếp lưới điện ba pha khụng phải tốn kộm thiết bị biến đổi Hơn thế nữa, loại động cơ này được sử dụng trong mụi trường dễ chỏy nổ vỡ khụng phỏt sinh tia lửa điện ở cổ gúp như động cơ điện một chiều và động cơ khụng đồng

bộ rụto dõy quấn…

Ngày nay với sự phỏt triển vũ bóo của khoa học cựng với việc ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật điện tử, tin học vào điều chỉnh tốc độ động

cơ, động cơ khụng đồng bộ càng được sử dụng rộng khắp trong cụng nghiệp cũng như dõn dụng

Trong cỏc phương phỏp điều chỉnh tốc độ thỡ thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ cú nhiều nổi trội hơn, cú thể điều chỉnh tốc độ động cơ

cả trờn và dưới tốc độ cơ bản, trong đú phương phỏp điều khiển dựa trờn cơ sở vộc-tơ khụng gian đó đưa việc điều chỉnh tốc độ động cơ khụng đồng bộ ba pha giống như điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều Chất lượng điều chỉnh cao, dải điều chỉnh rộng, điều chỉnh vụ cấp cả trờn và dưới tốc độ cơ bản

Vỡ vậy trong luận văn này, tụi chỉ nghiờn cứu phương phỏp sử dụng PLC, biến tần kết hợp với giao diện mỏy tớnh để điều khiển động cơ khụng đồng bộ ba pha rôto lồng súc

2 Mục đích nghiên cứu đề tài

Nghiờn cứu phương phỏp điều khiển động cơ khụng đồng bộ theo phương phỏp điều chế vộc-tơ khụng gian, trờn cơ sở đú tiến hành xõy dựng cấu trỳc phương phỏp sử dụng PLC, biến tần kết hợp với giao diện mỏy tớnh

để điều khiển hệ thống động cơ khụng đồng bộ ba pha rôto lồng súc Kết quả được kiểm tra thụng qua việc xõy dựng mô hình và mô phỏng bằng phần mềm Visual Basic Cấu trỳc bộ điều khiển sẽ là cơ sở trong việc hiện thực hoỏ sản phẩm ứng dụng trong các phòng thí nghiệm và trong công nghiệp

3 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tiến hành nghiờn cứu phương phỏp điều khiển động cơ khụng đồng bộ theo phương phỏp điều chế vộc-tơ khụng gian, nghiên cứu sử dụng phần mềm Visual Basic cho PLC, Biến tần kết hợp giao diện mỏy tớnh để điều khiển hệ thống động cơ khụng đồng bộ ba pha rôto lồng súc

4 Đối tượng nghiên cứu

- Phương phỏp điều chế vộc-tơ khụng gian

- Phần mềm Visual Basic

- PLC, biến tần và giao diện máy tính

5 Phương pháp nghiên cứu

5.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu

Tìm hiểu lý thuyết về phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không

đồng bộ xoay chiều 3 pha rôto lồng sóc bằng phương pháp điều chế vector không gian, phần mềm Visual Basic, cấu trúc phần cứng của PLC, biến tần, áp tô mát vạn năng và biến dòng

5.2 Phương pháp thực nghiệm

Lập trình PLC và lập trình mô phỏng hệ thống trên phần mềm Visual Basic nhằm thu thập thông tin, số liệu khi quan sát phần mềm Visual Basic mô phỏng các trạng thái làm việc của hệ thống động cơ như thay đổi các cấp tốc độ và thay đổi thông số của phụ tải

5.3 Phương pháp chuyên gia

Thông qua việc học tập lấy ý kiến của TS Nguyễn Việt Tùng, của các thầy cô giáo Khoa Điện và Quản lý trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các anh chị và các bạn đồng nghiệp đang công tác tại trường Cao đẳng Công

nghiệp Sao Đỏ cùng các cơ quan hữu quan về lý luận, thực tiễn các vấn đề nghiên cứu của đề tài để hoàn thiện nội dung nghiên cứu, thực nghiệm

6 Nội dung của đề tài

Nội dung của luận văn gồm 5 chương:

Chương I: Tổng quan về hệ thống thụng tin đo lường điều khiển trong cụng nghiệp

Chương II: Hệ thống cỏc thiết bị điều chỉnh

Chương III: Thiết kế mạch lực, điều khiển và bảo vệ

Chương IV: Nghiên cứu, thiết kế lập trình phần mềm điều khiển và giám sát

Chương V: Kết luận và hướng phỏt triển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP

1.1 Đặt vấn đề

Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, quá trình tự động hóa trong các xí nghiệp công nghiệp đang ngày càng chiếm ưu thế trong tất cả các khâu sản xuât cũng như các dây chuyền công nghệ Tự động hóa sẽ đem lại lợi ích

to lớn bởi vì nhờ nó mà năng suất lao động sẽ tăng vọt và chất lượng sản phẩm cũng sẽ tốt hơn, ổn định hơn

Bộ phận cơ bản của hệ thống tự động hóa trong công nghiệp đó là hệ thống thông tin đo lường và điều khiển các quá trình công nghệ Trong hệ thống này các thông tin được đo và thu thập từ đối tượng sản xuất thông qua các bộ cảm biến (sensor) hay dụng cụ đo tại hiện trường sau đó thông tin được truyền lên máy tính để xử lý, biến đổi, lưu giữ và thể hiện cho người sử dụng biết mà can thiệp hoặc đưa đi điều khiển đối tượng Mỗi quá trình như vậy sẽ được thực hiện thông qua một hệ thống bao gồm các quá trình như: Đo lường, xử lý và truyền thông tin, điều khiển đối tượng Vì vậy ta có thể gọi nó

là “Hệ thống thông tin đo lường điều khiển trong công nghiệp” gọi tắt là “Hệ thống thông tin công nghiệp” (HTC)

Để đảm bảo cho một dây chuyền sản xuất công nghệ hoạt động tốt và tối ưu nhất theo quy trình công nghệ đã định sẵn hệ thống cần phải hoàn toàn

tự động và làm việc phải tin cậy Vì vậy nhà thiết kế hệ thống thường phải sử dụng các công cụ hiện đại nhất như máy tính công nghiệp CPU thế hệ mới, các chương trình phần mềm có độ tin tưởng cao cũng như cài đặt các chương trình chuẩn đoàn kỹ thuật tự động cảnh báo sự cố hay hỏng hóc và thiết kế dự phòng nóng (cả phần cứng lẫn phần mềm), an toàn và bảo mật hệ thống

Đối với một quá trình công nghệ phức tạp thì thường lượng thông tin

đo lường ở đầu vào rất lớn vì vậy một yêu cầu cấp thiết là làm sao hệ thống

xử lý nhanh để đáp ứng với thời gian thực mọi thay đổi của đối tượng, vì vậy một cấu trúc mới ra đời đó là cấu trúc phân tán (hệ DCS) thay cho cấu trúc tập

trung (hệ SCADA) rất dễ bị tắc nghẽn thông tin Cấu trúc phân tán sẽ phân quy trình sản xuất thành nhiều công đoạn, mỗi công đoạn do một máy tính công nghiệp (CPU) đảm nhận giải quyết mọi nhiệm vô trong công đoạn đó,

xong rồi báo cáo kết quả lên máy tính chủ Nhờ cấu trúc phân tán mà hệ thống

có thể quản lý được lượng thông tin lớn và có tính mở cao

Một xu hướng nữa là khả năng tích hợp thông tin trong cùng một hệ thống, nghĩa là hệ thống có thể giải quyết không những các vấn đề điều khiển sản xuất mà còn điều hành sản xuất theo hướng tối ưu hóa và cả vấn đề quản

lý kinh tế cấp công ty

Phải nói rằng HTC ngày nay đã trở nên rất mạnh và không thể thiếu được trong các xí nghiệp hiện đại

1.2 Gi ới thiệu chung về hệ thống thông tin đo lường điều khiển trong côn g nghiệp

1.2.1 Giới thiệu chung

Hệ thống thông tin đo lường điều khiển trong công nghiệp gọi tắt là hệ thống thông tin công nghiệp (HTC) Hệ thống có nhiệm vụ bảo đảm cho các quá trình sản xuất công nghiệp luôn ổn định đúng theo quy trình công nghệ yêu cầu, bao gồm các thao tác thư: Đo lường, thu thập thông tin, biến đổi thông tin, truyền thông tin, lưu giữ tìm kiếm và thể hiện thông tin, đưa thông tin đi điều khiển đối tượng

1.2.1.1 Định nghĩa một HTC

“Hệ thống thông tin công nghiệp (HTC) là một tập hợp các thiết bị kỹ thuật có cùng một nhiệm vụ, cùng một angôrit chức năng nhằm thu thập tự động số liệu đo lường từ đối tượng, biến đổi nó, truyền nó, gia công lưu trữ hiển thị và đưa đi điều khiển đối tượng trong quá trình sản xuất công nghiệp”

1.2.1.2 Nh iệm vụ của HTC: Là thu nhận bằng thực nghiệm lượng

thông tin xác định về đối tượng cần khảo sát, xử lý thông tin và điều khiển đối tượng, trong đó diễn ra các quá trình sau đây:

Quá trình đo lường: Là quá trình sử dụng các phương pháp thực nghiệm để nhận được ước lượng về số lượng của đối tượng thông qua việc so sánh với mẫu đây là quá trình quan trọng nhất phục vụ cho những mục đích nghiên cứu khoa học cũng như trong sản xuất cồng nghiệp Quá trình đo lường mang tính chất số lượng và đòi hỏi thiết bị phải vạn năng bởi vì thông tin ban đầu về đại lượng đo thường biết rất ít

Quá trình kiểm tra tự động: Đây là quá trình giám sát các thông số của đối tượng, thực hiện việc so sánh liên tục giữa trạng thái của đại lượng kiểm tra với mẫu và đưa tín hiệu đi để đánh giá và báo hiệu Ở đây tín hiệu báo hiệu (bằng đèn, còi hay nhấp nháy trên màn hình) thể hiện trạng thái lớn hơn, nhỏ hơn hay bằng mẫu cho trước Vì vậy quá trình này mang tính chất chất lượng và đòi hỏi ít vạn năng hơn so với quá trình đo lường

Quá trình nhận dạng: Là quá trình xác định xem có tương ứng hay không giữa đối tượng và mẫu đã cho Quá trình này trong công nghiệp để phân loại sản phẩm hay phục vụ cho điều khiển quá trình

Quá trình chuẩn đoán: Để khôi phục sự làm việc bình thường của thiết

bị, cần phải luôn luôn theo dõi để tìm ra các phần tử hỏng hóc Một hệ thống kiểm tra các hoạt động của thiết bị kỹ thuật gọi là hệ thống chuẩn đoán kỹ thuật Hệ thống này cho phép tìm ra các phần tử hoạt động không đạt yêu cầu hay hỏng hóc để báo cho người vận hành biết và có hướng khắc phục hoặc tự động chuyển sang chế độ dự phòng

Quá trình điều khiển: Để điều khiển một thông số nào đó, ví dụ nhiệt

độ của lò chẳng hạn, người ta tiến hành đo nhiệt độ của lò, so sánh nhiệt độ

đo được (nhiệt độ đặt) độ sai lệch nhiệt độ sẽ được đưa tới thiết bị điều khiển

để điều khiển nhiệt độ lò sao cho độ sai lệch bằng không, nghĩa là bài toán điều khiển bao gồm cả hai quá trình đo lường và kiểm tra

Quá trình tính toán: Đây là quá trình không thể thiếu được trong các hệ thống hiện đại đó là việc tính toán các thông số trong các phép đo gián tiếp hay hợp bộ, tính toán các chế độ điều khiển tối ưu, thích nghi, tính toán các thông số của đo lường thống kê, tính toán các chỉ tiêu kinh tế v.v… các máy tính với tốc độ cao sẽ đảm nhận công việc này sao cho quá trình điều khiển phải ở chế độ thời gian thực

1.2.1.3 Đặc tính chung cña HTC: Tất cả các quá trình nêu trên đều có

đặc tính chung là cần phải có thu nhận thông tin đo bằng thiết bị kỹ thuật biến đổi thông tin đo, truyền thông tin đo, xử lý và lưu giữ thông tin đo, chỉ thị thông tin đo và đưa đi điều khiển đối tượng

1.2.1.4 Yêu cầu kỹ thuật: Một vấn đề đặt ra là ngày càng phải đo nhiều

điểm đo cùng một lúc với nhiều đối tượng và đại lượng đo khác nhau Trên cơ

sở đó mà xuất hiện hệ thống thông tin đo lường và điều khiển (HTĐ) Đó là tập hợp nhiều tổ hợp đo và điều khiển của nhiều đại lượng (có khi số lượng đến hàng nghìn điểm đo) và thông số của đối tượng công nghiệp

1.2 1.5 Sơ đồ khối chung của HTC

Ta có thể hình dung sơ đồ khối của HTC như hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ khối chung của HTC

Từ đối tượng công nghiệp qua thiết bị đo và thu nhận thông tin được truyền đến thiết bị gia công (máy tính) qua thiết bị lưu trữ, thiết bị thể hiện thông tin đo và đến người quan sát Thiết bị điều khiển làm nhiệm vụ điều khiển sự làm việc của toàn bộ hệ thống và điều khiển đối tượng theo yêu cầu của công nghệ

* Thiết bị đo và thu nhận: Bao gồm các Sensor biến các tín hiệu đo

thành tín hiệu điện, thiết bị đo nhằm mục đích thực hiện các phép đo, so sánh với mẫu, rời rạc hoá, lượng tử hoá, mã hoá…

* Thiết bị gia công thông tin: Tiến hành gia công thông tin theo một

angôrít đã định sẵn

* Thiết bị thể hiện thông tin đo: Đó là một loạt dụng cụ đo (số, kim chỉ,

tự ghi) là các trang màn hình chứa các thông tin như: số liệu đo, đồ thị, đồ họa (mảng màu), cảnh báo…

Như vậy nhiệm vụ của một hệ thống HTC là tự động hoá cao độ các quá trình đo, kiểm tra, nhận dạng, chẩn đoán, từ đó cho ra thông tin và ra lệnh điều khiển đối tượng kịp thời (theo toạ độ thời gian thực)

Thiết bị điều khiển

Người quan sát

TB gia công

TT

đo

TB

lưu giữ

TT

đo

TB

thể hiện

TT

1.2.2 Phân loại HTC

Các hệ thống thông tin công nghiệp HTC có thể phân loại theo nhiều cách sau đây:

1.2.2.1 Phân loại hệ thống theo sơ đồ cấu trúc

Có thể phân loại HTC theo sơ đồ cấu trúc sau:

a Hệ thống các kênh đo lường song song:

Trong hệ thống này các kênh được truyền song song từ đầu đến cuối, các kênh làm việc hoàn toàn độc lập

* Nhược điểm: Số lượng dây sẽ rất lớn (khi số kênh lớn) vì thế chỉ sử dụng ở phạm vi nhất định (với khoảng cách không quá 2km), phức tạp

* ¦u điểm: Độ tin cậy cao, nếu hỏng một kênh các kênh kia vẫn làm việc được

Hình 1.2 Hệ thống HTC có cấu trúc song song

b Hệ thống với kênh đo lường nối tiếp:

đo

S1

Phần ĐL2 Phần ĐLn

Phần ĐL1

Trong hệ thống này các kênh được chuyển từ song song thành nối tiếp

để đưa vào một kênh đo lường duy nhất thông qua bộ gộp kênh (GK)

* Ưu điểm: Ít tốn đường dây Sử dụng khi đo khoảng cách xa, giá thành

rẻ hơn, đơn giản

* Nhược điểm: Độ tịn cậy thấp vì nếu hỏng phần kênh chung coi như hỏng cả hệ thống

c Hệ thống các kênh đo lường kiểu song song nối tiếp:

Trong hệ thống này các kênh song song qua bộ gộp kênh (GK) biến thành nối tiếp Các nhóm này sẽ song song với nhau sau đó lại thành nối tiếp qua bộ GKM thông tin được truyền đến thiết bị hiển thị thông tin đo

* Một hệ thống như vậy có ưu điểm:

Tăng độ tin cậy

Tăng số kênh (nếu có m nhóm, mỗi nhóm n kênh thì số kênh sẽ là mxn)

Tăng độ chính xác và có thể sử dụng ở đầu vào các bộ GK tiếp xúc

* Nhược điểm: Phức tạp, thường dùng cho các hệ thống lớn và phải truyền đi xa

Hình 1.4 Hệ thống HTC có cấu trúc song song- nối tiếp

đo S1

Hinh 1.5 Hệ thống kiểm tra tự động

Trong hệ thống này bộ tạo mẫu M sẽ cho ra các giá trị mẫu tương ứng

và đưa vào các bộ so sánh SS1….SSn Thiết bị thể hiện chỉ trạng thái của tín hiệu đo so với mẫu (> = <) Các hệ thống kiểm tra tự động, nhận dạng, điều khiển, chẩn đoán kỹ thuật cũng có sơ đồ cấu trúc theo dạng này

1.2.2.2 Phân loại HTC theo cách truyền

Theo cách truyền tin có thể chia HTC thành các hệ thống sau đây:

a Hệ thống với kênh truyền hữu tuyến:

Truyền hữu tuyến là cách truyền thông tin qua đường dây Đường dây

ở đây có thể là đường dây trên không (dây telephone, dây điện tín, đường dây tải điện v v ) và đường dây cáp (cáp đồng trục, cáp song hành, cáp nhiều lõi…) Khả năng truyền của đường dây hữu tuyến là C= 1000 Mbit/s

b Hệ thống với kênh truyền vô tuyến:

- Sóng vô tuyến đi qua không khí thường được sử dụng khi không có khả năng truyền hữu tuyến trong các trường hợp như: máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ, ngoài biển khơi, trên núi cao, thông tin di động…

- Truyền vô tuyến bao gồm truyền sóng dài, sóng trungm sóng ngắn, sóng cực ngắn thông tin được tải đi bởi sóng mang

- Truyền VIBA là truyền sóng cực ngắn (để truyền thông tin số liệu)

- Truyền qua sóng vệ tinh cũng là sóng cực ngắn

Khả năng truyền của thông tin vô tuyến là: C= 100.000 Mbit/s

c Hệ thống với kênh truyền thông tin bằng cáp quang:

Sợi quang dùng để truyền thông tin ở dải bước sóng hồng ngoại (trong khoảng 0,85 – 1,5 mm) Sợi quang chủ yếu là thủy tinh thạch anh Ưu điểm của sợi quang là băng tần rộng, ít suy hao tín hiệu, có thể truyền song song nhiều sóng ánh sang trên cùng một sợi dây Khả năng truyền của sợi quang là C= 1.000.000 Mbit/s

1.2.2 3 Phân loại hệ thống theo mục đích của HTC

Theo mục đích của HTC có thể phân thành các hệ thống sau đây:

a Hệ thống đo lường: Đó là hệ thống có nhiệm vụ đo các đại lượng vật

lý Thông tin ra bằng số (ví dụ đo được nhiệt độ là 320C) hoặc là mang tính chất số lượng

Kết quả được đưa ra trực tiếp: kim chỉ, tự ghi, số, đồ thị, bảng số… Có

hệ thống cần phải qua xử lý nhờ vào mP và mC như lấy trung bình thống kê

Hệ thống cần phải vạn năng, vì có khi thông tin ban đầu bằng 0

b Hệ thống tự động kiểm tra và điều khiển: Để thực hiện việc kiểm tra (hay điều khiển) thường phải ấn định những giá trị chuẩn (set point) và so sánh những đại lượng cần kiểm tra với chúng Những hệ thống như vậy gọi là

hệ thống kiểm tra tự động Khác với hệ thống đo lường ở đây thông tin ra mang tính chất chất lượng Trả lời câu hỏi bằng thấp hơn hay cao hơn chuẩn

Vì thế hệ thống mang tÝnh chuyªn dông hơn Thông thường trong công nghiệp hai hệ thống đo lường và kiểm tra đi đôi với nhau

c Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật: Là hệ thống chuyên theo dõi để tìm ra hỏng hóc của toàn HTC Trên cơ sở kết quả chẩn đoán cho đánh giá về trạng thái của đối tượng, đặc tính hư hỏng và phương pháp sửa chữa chúng Những

hệ thống này cần có sự tham gia của thiết bị tính toán và logic

d Hệ thống nhận dạng: Là hệ thống nhận biết thông tin đo có giống mẫu hay không Thường phải kết hợp với thiết bị tính toán (ví dụ: hệ thống phân loại sản phẩm thành loại 1, 2, 3,…) Trong các hệ thống điều khiển cũng cần nhận dạng các đối tượng điều khiển

1.2.2.3 Phân loại hệ thống HTC theo khoảng cách

Theo khoảng cách có thể phân loại hệ thống thành hai hệ thống sau đây:

a Hệ thống tác động gần: Là hệ thống hoạt động trong phạm vi một nhà máy với bán kính dưới 2km Thông tin được truyền hữu tuyến bằng các chuẩn thông tin tương tự 20 mA hay các chuẩn thông tin số loại RS 485, RS 422, RSS 232…

b Hệ thống tác động xa: Là hệ thống hoạt động trong phạm vi xa cự ly thường trên 2km Để truyềm đi xa thường phải sử dụng các phương pháp điều chế tín hiệu để chống nhiễu, ở phía thu ngược lại phải có giải điều chế Ví dụ: Điều chế tần số FM (Frequency Modulation) sử dụng sóng mang có tần số cao để truyền tín hiệu đo tương tự hay tín hiệu số Nếu khoảng cách xa hơn nữa thì có thể dùng phương thức truyền VIBA hay vệ tinh

1.2.3 Cấu trúc chung của một hệ thống HTC

Để có khái niệm về một hệ thống thông tin đo lường – điều khiển công nghiệp ta xét cấu trúc của hệ theo mô hình phân cấp Một hệ thống thông tin công nghiệp bao gồm 5 cấp

Cấp thứ nhất: Cấp chấp hành

Bao gồm các thiết bị cảm biến (S) cơ cấu chấp hành (A)… có chức năng nhận số liệu đo nhờ các bộ cảm biến S, thực hiện việc điều khiển theo lệnh của cấp trên Cấp chấp hành chính là các thiết bị hiện trường FI (Field Instruments)

Cấp thứ hai: Cấp điều khiển

Bao gồm các máy tính điều khiển (CPU, các modul vào ra I/0), chúng

có chức năng điều khiển cơ sở, điều khiển logic, tổng hợp dữ liệu, bảo vệ thiết

bị, và giám sát hiện trường… ta gọi phần này là trạm điều khiển hiện trường (Field control station)

Cấp thứ ba: Cấp điều khiển quá trình giám sát

Thực chất ở cấp này là điều khiển quá trình bao gồm:

- Trạm thiết kế kỹ thuật EWS (Engineering Work Station) là trạm thiết

kế các khâu như chọn tần số lấy mẫu, chọn dải tần kênh liên lạc

- Lựa chọn tối ưu các thông số của tín hiệu sao cho sai số của phép đo

và điều khiển là nhỏ nhất

Định nghĩa mọi thiết bị kết nối và phân vùng quản lý của từng CPU trong hệ thống

- Trạm OS (Operating Station) trạm vận hành có chức năng vận hành

hệ thống bao gồm:

+ Điều khiển giám sát (supervisory control);

+ Tối ưu hóa quá trình (process optimization) về chất lượng cũng như năng lượng tiêu thụ;

+ Xử lý sự cố (Event and Alarm Horling);

+ Chẩn đoán kỹ thuật (Process Diagnosis);

+ Bảo toàn hệ thống (System Safety)

Hinh 1.6 Sơ đồ mô hình phân cấp HTC

Cấp thứ tư: Cấp điều hành sản xuất

Có chức năng:

- Theo dõi đánh giá kết quả dựa vào tình trạng thiết bị đầu vào, đầu ra sản phẩm

- Tính toán, tổ chức sản xuất theo hướng tối ưu hóa

Cấp thứ năm: Cấp quản lý công ty

Có chức năng:

- Tính toán kinh tế: Giá thành, lãi suất

- Thống kê số liệu và sản xuất kinh doanh

- Xử lý đơn đặt hàng, giao dịch thương mại, quản lý kho tang…

- Hoạch định tài nguyên của công ty như tài chính, nhân lực sản xuất khả năng mở rộng và phát triển sản xuất…

Quản

lý Cty Điều hành sản xuất Điều khiển giám sát Cấp điều khiển Cấp chấp hành

Ta có thể hình dung một HTC theo cấu trúc DCS

Hình 1.7 Hệ thống HTC theo cấu trúc phân tán

Có thể thấy hệ thống bao gồm các bộ phận sau đây:

HIS – Máy tính giám sát (Human Interface Station);

CGU – Cổng thông tin (Communition Gateway Unit);

VL – net – Bus điều khiển (Control bus);

FI- Thiết bị hiện trường (Field Instruments)

Trong hệ thống này mỗi công đoạn đều có một máy tính điều khiển (CPU) Nhiệm vụ đo và điều khiển trong công đoạn này đều được thực hiện

và báo cáo kết quả lên máy tính giám sát Một hệ thống như vậy sẽ cho ta khả năng quản lý được số điểm rất lớn và phải truyền theo phương thức mở cửa một hệ thống mở (OSI) để có thể kết nối với các hệ thống khác hoặc với internet

điều khiển điều khiển Máy tính điều khiển Máy tính

Modul I/O Modul I/O Modul I/O

Công đoạn 1

work stage 1

Công đoạn 1 work stage 1

Công đoạn 1 work stage 1

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU CHỈNH

2.1 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

2.1.1 Biễu diễn các đại lượng ba pha ĐCKĐB dưới dạng v ctơ

Động cơ không đồng bộ r«to lồng sóc được cấu tạo từ hai thành phần chính: Phần cố định stato và phần quay r«to Trên stato người ta bố trí ba

cuộn dây stato u, v, w đặt lệch nhau trong không gian một góc 120 0 với các thành phần điện áp tương ứng Trên r«to thường là các thanh dẫn đặt song song dọc theo trục quay và được ngắn mạch ở hai đầu bởi các vòng ngắn mạch

Khi có điện áp ba pha xoay chiều cấp vào các cuộn dây tương ứng của stato sẽ tạo ra từ trường quay, từ trường quay này sẽ cảm ứng lên r«to một sức điện động cảm ứng và do r«to kín mạch nên sẽ xuất hiện dòng điện chạy trong r«to Dòng điện trong r«to và từ trường quay sẽ tương tác với nhau tạo ra mômen quay làm quay r«to

Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh hoặc các phương pháp nghiên cứu trên ĐCKĐB cần phải có mô hình chính xác đến mức có thể ĐCKĐB Mô hình toán học thu được phải thể hiện được đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh Điều này dẫn đến các điều kiện giả thiết trong khi xây dựng mô hình Các điều kiện này một mặt đơn giản hoá mô hình có lợi cho việc thiết

kế, mặt khác chúng gây nên sai lệch nhất định (sai lệch trong phạm vi cho

Cuộn dây pha W

Cuộn dây pha V

Hình 2.1 Mô hình đơn giản ĐCKĐB.

stato

phép) giữa đối tượng và mô hình Sai lệch đó cần phải được loại trừ bằng các biện pháp thuộc về kỹ thuật điều chỉnh

MÆt kh¸c, khi xây dựng cách mô tả toán học các quan hệ vật lý bên trong ĐCKĐB xoay chiều ba pha ta sẽ thu được hoặc một hệ phương trình vi phân bậc cao, hoặc một mô hình trạng thái có tương tác lẫn nhau giữa các biến trạng thái Để đơn giản cho việc lập mô hình thì ta đưa ra một số giả thiết sau:

- Các cuộn dây stato được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian

- Các tổn hao sắt từ và bão hoà từ có thể bỏ qua

- Dòng từ hoá và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ

Ở đây, chúng ta không quan tâm đến việc động cơ được đấu theo hình

sao hay theo hình tam giác Ba dòng điện hình sin chảy trong ba cuộn dây stato là i su (t), i sv (t), i sw (t) thỏa mãn phương trình sau:

0 ) ( )

( )

) (

) 120 cos(

) (

) cos(

) (

0 0

t i

t i

t i

t i

t i

t i

s s

sw

s s

sv

s s

su

ω ω

ω

(2.2)

ĐCKĐB có ba cuộn dây đặt lệch nhau một góc 120 0 Nếu trên mặt cắt

đó, ta thiết lập một hệ toạ độ phức với trục thực đi qua trục cuộn dây u của

động cơ, ta có thể xây dựng không gian véctơ như sau:

s

j sw

j sv su

240 120

) ( )

( )

( 3

2 )

Trong công thức (2.3), i s (t) là véctơ có mođun không đổi quay trên mặt

phẳng phức với tốc độ góc ωs = 2πf s và tạo với trục thực (đi qua cuộn dây

pha u ) một góc γ = ωs(t ) Trong đó f s là tần số mạch stato Việc xây dựng

véctơ i s (t) được thể hiện như hình 2.2 2

Qua hình 2.2, , ta dễ dàng thấy rằng các dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của véctơ i s (t) lên trục của cuộn dây tương ứng Tương tự đối với các đại lượng khác của động cơ như: Điện áp, dòng r«to, từ thông stato hoặc

từ thông r«to, ta có thể xây dựng các véctơ không gian tương ứng như đối với dòng điện stato đã khảo sát trên Hệ tọa độ mặt phẳng phức trên được gọi là

được gọi là hệ toạ độ stato cố định hay hệ tọa độ (α,β) Trong đó trục thực của mặt phẳng phức là trục α, trục ảo là trục β

Khi ta chiếu véctơ i s (t) xuống hai trục α, β ta được hai dòng i sα và i sβ

Dễ dàng nhận thấy rằng hai thành phần dòng điện i sα và i sβ là hai dòng điện

hình sin Như vậy, hệ toạ độ cố định (α,β) tương ứng với hai cuộn dây cố định

α và β đã được thay thế cho ba cuộn dây stato u, v, w Trên cơ sở công thức (2.1) kèm theo điều kiện điểm trung tính không nối đất, ta chỉ cần đo 2 trong

số 3 dòng điện stato là ta có thể xác định véctơ i s (t) được tính toán theo công thức:

3

1

sv

i su

i s

i

su

i s

u v

2

su

0 120 j

sv ( t ) e i 3 2

0 240 j

sw ( t ) e i 3 2

ψ α

ψ

α

β α

β α

r j r

r

s j s s

s ju s

u s

u

r ji r

i r

i

s ji s

i s

i

(2.5)

Từ hệ toạ độ cố định, chúng ta có thể tìm ra quan hệ đối với các hệ tọa

độ quay bất kỳ Để xây dựng cấu trúc điều khiển bằng phương pháp tựa theo

từ thông r«to, mô hình động cơ cần được xây dựng trên hệ toạ độ quay (d,q)

(Hệ tọa độ r«to) Hệ toạ độ từ thông r«to là hệ toạ độ quay có trục thực trùng với hướng của véctơ từ thông r«to Ψr , gốc trùng với gốc của hệ tọa độ (α,β)

s f s

ϑ π

ω = 2 = Trong đó, f s là tần số của mạch stato Lúc này, véctơ dòng điện is (t) biểu diễn trên hệ tọa độ (d,q) là các thành phần i sd (t), i sq (t) Nếu ta tính toán được góc quay r«to ϑs thì ta thu được quan

hệ giữa hệ tọa độ (α,β) và hệ tọa độ (d,q):

s s

sd

s s

s s

sd

i i

i

i i

i

ϑ ϑ

ϑ ϑ

α β

α β

sin cos

.

cos sin

.

Từ đó ta có:

)sincos

()sincos

s i j s s

i s s

s s

ji s

Từ (2.7) ta thu được công thức tổng quát để chuyển véctơ giữa các hệ

tọa độ như sau:

s

j e

f s u

s s u

Như vậy, quá trình thiết lập các đại lượng ba pha trên hệ tọa độ r«to được thể hiện một cách đầy đủ như hình 2.4 4

Ưu điểm của hệ tọa độ (α,β) là do véctơ i s và Ψr cũng như bản thân hệ

tọa độ (d,q) quay đồng bộ với nhau với tốc độ ω s quanh gốc, do vậy các phần

tử của các véctơ là các đại lượng một chiều Trong chế độ vận hành xác lập, các phần tử đó thậm chí có thể là không đổi Trong quá trình quá độ, chúng có thể biến thiên theo một thuật toán điều khiển đã định trước

M 3~

3

2

s j

Hình 2.4 Thu h ậ p giá r ị h ự c c ủ a v ct ơ d ng stato rên h ệ ọ a đ (d,q).

Hìn 2.3 Biểu diễn rên hệ oạ độ d-q của ĐCKĐB.

α

β j

α s

Cuén d©y pha U

Cuén d©y pha W

β s

s

ϑ ϑ

Trên cơ sở hình 2.4, , ta có thể thấy rằng để tính toán các giá trị i sd , i sq ta phải thực hiện tính toán góc

ω = + , trong đó chỉ có ω có thể đo được Ngược lại, ωr =2.π.f r với f r là

tần số của mạch r«to ta chưa biết Vậy phương pháp mô tả trên hệ tọa độ (d,q) đòi hỏi phải xây dựng được phương pháp tính ω r một cách chính xác, đó chính là cơ sở của hệ thống điều khiển kiểu tựa theo từ thông r«to

Tương tự, chúng ta có thể biểu diễn các véctơ điện áp stato u s (t), dòng r«to i r (t), từ thông stato ψ s (t) hoặc từ thông r«to ψ r (t) trên hệ tọa độ (d,q)

sq j sd s

sq ju sd u s

u

rq ji rd i r

i

sq ji sd i s

i

ψ ψ

ψ

ψ ψ

m

sd

i r T p m L rd

23

.1

ψ

ψ

(2.10)

Trong đó: ψrd: Thành phần của véctơ từ thông r«to trên trục d

i sd , i sq: Thành phần của véctơ dòng stato trên trục d và q

m M , z p: Mômen quay của động cơ và số đôi cực từ

L r , L m: Điện cảm r«to và hỗ cảm giữa stato và r«to

Từ (2.10) cho ta thấy từ thông r«to có thể tăng giảm gián tiếp thông qua tăng giảm i sd và quan hệ giữa hai đại lượng là quan hệ bậc nhất thông qua

hằng số thời gian T r Nếu ta thực hiện áp đặt nhanh và chính xác dòng i sd, ta

có thể coi i sd là đại lượng điều khiển của từ thông r«to Do đó, i sd được xem như thành phần dòng điện kích từ Tương tự, nếu ta áp đặt nhanh và chính xác

dòng i sq thì i sq được xem là đại lượng điều khiển của mômen động cơ Do đó

i sqđược xem là thành phần dòng tạo mômen quay của động cơ

2.1.2 Mô hình Đ CK Đ B trong không gian tr ạ ng thái

Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh một đối tượng ta phải có mô hình chính xác đến mức tối đa của đối tượng điều chỉnh Trong thực tiễn kỹ thuật còn có các phương pháp không cần đến mô hình đối tượng điều chỉnh ví dụ như phương pháp điều khiển mờ Mô hình toán học của đối tượng phải thể hiện rõ các đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh Tuy nhiên, mô hình của ta xây dựng không phải mô tả chính xác đối tượng mà chỉ phục vụ cho việc xây dựng thuật toán điều chỉnh Vì vậy, trong quá trình xây dựng mô hình ta đưa ra các điều kiện giả thiết với một sai lệch nhất định nằm trong phạm vi cho phép Xuất phát điểm cho việc xây dựng mô hình ĐCKĐB là mô hình động cơ đ¬n giản thể hiện hình 2.1 1

Phương trình điện áp stato:

dt

s s d s s i s R

Trong đó: R s : Điện trở stato, ψ s: Từ thông stato

Áp dụng công thức chuyển toạ độ (2.8) ta có:

s

j e

k s u

k s k j s j e

k s d

j dt

k s d k s i s R

j dt

f s d f s i s R

r r d r r i r

j dt

f r d f r i r

Phương trình điện áp r«to trên hệ tọa độ (α,β):

s r r

j dt

s r d s r i r

R ψ ω ψ

Các phương trình (2.13), (2.14), (2.16), (2.17) là cơ sở cho việc xây dựng mô

hình trạng thái liên tục của ĐCKĐB

Phương trình từ thông:

r i r L s i m L r

r i m L s i s L s

s L m L s L

L σs , L r: Điện cảm phía stato và phía r«to

L σs , L σr: Điện cảm tản phía stato và phía r«to

Phương trình mômen:

) (sin sign i Z

2

3 ) (sin sign i Z

2

3

r p s

s s p

Phương trình chuyển động:

dt

d p Z

J T

m M

(2.20)

Từ các phương trình cơ bản, ta xây dựng hệ phương trình trên hệ tọa độ

=

+

=

r i r L s i m L r

r i m L s i s L s

s r r

j dt

s r d s r i r R

dt

s s d s s i s R

s

s

u

ψ

(2.21)

Từ hệ phương trình ta thực hiện khử các đại lượng không quan trọng:

Dòng của mạch điện r«to i s và cả từ thông ψ s Từ các phương trình từ thông

=

−

=

).(

).(

1

s s i m L

s r r L m L s s i s L

s

s

s s i m L

s r r L

s

s

i

ψψ

=

++

=

dt

s r d s r j r T

s s i r T m L

dt

s r d r L m L dt

s s

di s L

s s i s R

s

s

u

ψψ

ω

ψσ

1

0

Trong đó:

r L s L m L

L r T s R s

L s

T = ; = : Hằng số thời gian stato và r«to

Sau khi biến đổi ta thu được hệ phương trình viết dưới dạng các thành

−+

−+

1

/

/./

1

1

/

1/

1/

1

11

.1/

1/

1

11

βψα

ψωββ

ψ

βψωαψα

α

ψ

βσ

β

ψσ

σα

ψωσ

σβ

σ

σσ

β

ασ

βψωσ

σα

ψσ

σα

σ

σσ

α

r r T r s

i r

r T s

i r

r T r

s

i r T s T dt

s

di

s

u s L r

r r T s

i r T s T dt

r r

m L

r r

m L

s r s

r

β

ψβψ

α

ψα

ψψ

ψ

///

Để hoàn thiện việc xây dựng mô hình, ta bổ sung thêm phương trình

mômen có sử dụng các thành phần (α,β) Từ phương trình (2.22) và (2.19) ta

có:

)./

/( 2

3

αβ

ψβα

r s

i r r L m

L p z M

Từ (2.24) và (2.25) ta xây dựng được mô hình liên tục của ĐCKĐB

trên hệ tọa độ (α,β) như sau: (Hình 2.6 ) )

Các thành phần α và β của điện áp stato, dòng stato và từ thông r«to có

thể được viết lại dưới dạng véctơ với thành phần thực như sau:

x s : Véctơ trạng thái trên hệ tọa độ (α,β)

u s : Véctơ đầu trên hệ tọa độ (α,β)

T

r T r

T

r T r

T s

T o

r T r

T s

T

s

A

10

10

0

10

1

1

1

1.1

1

10

1.1

σ

σω

σ

σσ

σσ

ωσ

σσ

σσ

σσ

10

0

1

s L

s L s

B

σ σ

Từ các công thức trên ta thấy rõ: ĐCKĐB có mô hình trạng thái với ω trong ma trận hệ thống A s được coi như là một tham số hàm ( biến thiên theo thời gian) có thể đo được Mô hình trạng thái thể hiển như hình 2.5.

Mô hình đối tượng ĐCKĐB thể hiện hình 2.5 5 chỉ đúng với trường hợp

sử dụng biến tần nguồn áp mà không phù hợp với việc sử dụng biến tần nguồn dòng Để xây dựng dựng mô hình ĐCKĐB thích hợp cho việc thiết kế

với biến tần nguồn dòng ta thiết lập mô hình theo các thành phần i sα và i sβ Từ

(2.22) ta thay dòng r«to vào phương trình điện áp r«to:

s s r

m s r r

s

r

i T

L T

j dt

d

α β

α β

α α

ψψ

ωψ

ψωψ

ψ

s r r r r r

s r r r

r r

i T T

dt

d

i T T

dt

d

1

1

1

.1

/ /

/

/ /

/

Cùng với (2.25) ta xây dựng mô hình đầy đủ của ĐCKĐB nuôi bằng

biến tần nguồn dòng thể hiện hình 2.7 7

r

r

T s

m

z L

L

2

3 2

J s