Thiết kế bộ điều khiển pid điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha trên plc s7 300

Cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo ThS Lê Văn Chương em đã hoàn thành nhiệm vụ được giao và rút ra những vấn đề cần thiết về điều khiển tốc độ động cơ với các phương pháp sử dụn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay các ngành công nghiệp đã và đang ứng dụng tự động hóa vào các quá trình sản xuất nhằm tạo ra năng suất cao, hạ giá thành sảm phẩm, giảm sức lao động của con người Việc ứng dụng PLC vào điều khiển quá trình công nghệ đã làm cho công việc thiết kế, lắp đặt, giám sát trở lên đơn giản và đem lại hiệu quả cao PLC có khả năng lập trình được các quá trình phức tạp, sửa đổi chương trình dễ dàng Ứng dụng của PLC biến tần động cơ được sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất, nó giúp cho việc điều khiển động cơ phù hợp với yêu cầu sử dụng, tiết kiệm dược năng lượng Trong đề tài này đề cập đến việc ứng dụng PLC đo, điều khiển và cảnh báo tốc độ động cơ

Cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo ThS Lê Văn Chương em đã hoàn

thành nhiệm vụ được giao và rút ra những vấn đề cần thiết về điều khiển tốc độ động cơ với các phương pháp sử dụng hợp lí và kinh tế

Để đạt được kết quả như ngày hôm nay em xin chân thành cảm ơn thầy giáo

ThS Lê Văn Chương đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình tìm

hiểu, nghiên cứu và thực hiện đồ án Em cũng xin cảm ơn tới Viện Kỹ thuật và Công nghệ đã tạo điều kịên trang thiết bị cho em có thể hoàn thành đồ án này

Em xin được chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Hồ Trung Phong

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này nhằm mục đích và thiết kế hệ thống điều khiển giám sát tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha Do yêu cầu phát triển của các ngành công nghiệp việc điều khiển tốc độ đông cơ nói riêng và điều khiển quá trình sản xuất nói chung

là một vấn đề rất bức thiết.Việc sử phần mềm step 7 để lập trình và sử dụng thuật toán điều khiển PID trong PLC đã giúp việc điều khiển tốc độ một cánh mềm mượt

và tiết kiệm Hệ thống được giám sát và điều khiển trên phần mềm Win cc Trong

đồ án này đã xây dựng được mô hình điều khiển và giám sát tốc độ trên các thiết bị thực tế

ABSTRACT

This project aims to design a three-phase asynchronous motor speed monitoring system Due to the development requirements of the industry, the control of the engine speed in particular and the control of the production process is generally a very urgent issue The use of step 7 software to program and use the algorithm PID control in the PLC helps to control the velocity of a smooth and economical blade The system is monitored and controlled on Win cc software This project has built up the control and monitoring model on the actual equipment

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNH 7

DANH MỤC BẢNG 9

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 10

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 12

1.1 Định nghĩa về động cơ xoay chiều ba pha 12

1.1.1Cấu tạo 12

1.2 Nguyên lý hoạt động 14

1.3 Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ 15

1.3.1 Đặt vấn đề 15

1.3.2 Khởi động động cơ dị bộ 16

1.4 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 17

1.4.1 Thống kê năng lượng của động cơ 17

1.4.2 Moment quay (moment điện từ) của động cơ dị bộ 18

1.4.3 Đặc tính cơ của động cơ dị bộ ba pha 20

1.5 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 21

1.5.1 Điều chỉnh động cơ dị bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn 22

1.5.2 Phương pháp điều chỉnh U/f = const 23

1.5.3 Chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ 25

1.6 Phương pháp đọc tốc độ động cơ dùng encoder 25

1.6.1 Khái niệm 26

1.6.2 Cấu tạo cơ bản của 1 encoder quay quang 26

1.6.3 Phân loại 27

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PLC S7 300 VÀ WIN CC 28

2.1 Giới thiệu về PLC S7-300 28

2.1.1 Cấu tạo của họ PLC S7-300 28

2.1.2 Các khối chức năng của PLC S7-300 29

2.2 Giới thiệu về phần mềm STEP 7 30

2.2.1 Giao diện phần mềm và các thao tác cơ bản trên phần mềm 30

2.2.2 Các lệnh lập trình trong Step 7 32

2.2.3 Các khối chức năng OB 38

2.3 Giới thiệu chung về Biến tần 39

2.3.1 Giới thiệu chung 39

2.3.2 Phân loại các bộ biến tần 39

2.4 Giới thiệu về WINCC 40

2.4.1 Khái niệm 40

2.4.2 Các thành phần của winCC 41

2.4.3 Các thành phần chính của cửa sổ dự án 41

CHƯƠNG 3 43

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA TRÊN PLC S7 300 43

3.1 Phân tích yêu cầu thiết kế 43

3.2 Sơ đồ chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát động cơ không đồng bộ

dung PLC 43

3.3 Lựa chon thiết bị cho hệ thống 44

3.3.1 Lựa chon PLC 44

3.3.2 Lựa chọn biến tần 45

3.3.3 Lựa chon Encoder 49

3.3.4 Lựa chọn động cơ truyền động 50

3.4 Phương pháp điều khiển PID 50

3.4.1 Hàm truyền đạt 50

3.4.2 Biến đổi bộ điều khiển PID 51

3.4.3 Các phương pháp xác định tham số của bộ điều khiển 52

3.5 Modul mềm PID trong PLC_S7-300 56

3.6 Thiết kế chương trình điều khiển trên step 7 59

3.6.1 Lưu đồ thuật toán 59

3.6.2 Phân định đầu vào ra và gắn địa chỉ bit .60

3.6.3 Xây dựng chương trình điều khiển 60

3.7 Thiết kế chương trình giám sát và điều khiển trên wincc 64

3.7.1 Chức năng điều khiển và giám sát của wincc 64

3.7.2 Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển 64

3.8 Mô hình giám sát và điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha 66

3.8.1 Giới thiệu về mô hình 66

3.8.2 Cài đặt và vận hành hệ thống 66

3.8.3 Kết nối phần cứng 67

3.8.4 Vận hành hệ thống và kết quả đạt được 68

KẾT LUẬN 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ 12

Hình 1.2 Sơ đồ năng lượng của động cơ di bộ 18

Hình 1.3 đặc tính M= f(s) khi U1= const, f1= const 21

Hình 1.4 Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luật điều khiển U/f=const 25

Hình 1.5 encoder 26

Hình 1.6 Cấu tạo của encoder 26

Hình 2.1 Các khối modul của PLC S7-300 28

Hình 2.2 Màn hình chính chương trình STEP 7 30

Hình 2.3 Màn hình soạn thảo các khối OB 30

Hình 2.4 Bảng ký hiệu (Symbol table) 31

Hình 2.5 Cửa sổ Set PG/PC Interface 31

Hình 2.6 Giao diện phần mềm wincc 41

Hình 3.1 Sơ đồ khối chức năng điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dung PLC 43

Hình 3.2 Module nguồn PS 307-2A của Siemens 44

Hình 3.3 Module CPU 313C 44

Hình 3.4 Biến tần MicroMaster 440 46

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý biến tần MM440 48

Hình 3.6 Encoder E50S8-3000-3-T-24 49

Hình 3.7 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID 50

Hình 3.8 Biểu đồ đáp ứng và điều chỉnh dùng PID 51

Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc của module mềm FB41 57

Hình 3.10 Thuật điều khiển PID 58

Hình 3.11 Giao diện làm việc của wincc 64

Hình 3.12 Tao kết nối với PLC 64

Hình 3.13 Khởi tao các tag hệ thống 65

Hình 3.14 Xây dựng màn hình điều khiển và giám sát 65

Hình 3.15 Sơ đồ mô hình điều khiển tốc độ động cơ 66

Hình 3.16 Kết quả hiển thị lên Wincc với tốc độ là 800 v/ph 68

Hình 3.17 Kết quả hiển thị tốc độ chưa có thông số PID với 800 v/ph 69

Hình 3.18 Kết quả hiển tốc độ khi có thông số PID với 800 v/phError! Bookmark not defined Hình 3.19 Kết quả hiển thị lên Wincc với tốc độ là 800 v/phError! Bookmark not defined

Hình 3.20 Kết quả hiển thị trên PID control với tốc độ là 800 v/ph 70

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Bộ soạn thảo trong wincc 42

Bảng 3.1 Các chân đấu dây điều khiển 47

Bảng 3.2 Các phương pháp xác định tham số điều khiển 54

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của các tham số điều khiển đến bộ điều khiển 55

Bảng 3.4 Phương pháp Ziegler–Nichols 55

Bảng 3.5 Khai báo các đỉa chỉ vào ra của chương trình 60

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

PLC Programmable logic controller Bộ điều khiển Logic Lập trình PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ

CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm HSC High Speed Counter Đếm xung tốc độ cao

cơ, đồng thời sẽ liên tục cập nhật tốc độ, độ rộng xung, tần số lên giao diện WinCC

Với đề tài này, ngoài phương pháp sử dụng truyền thông để điều khiển và giám sát thì chúng ta cũng có thể sử dụng những mạch điện trung gian để điều khiển

và giám sát tốc độ động cơ không đồng bộ roro lồng sóc Nhưng trong nội dung đề tài này em sử dụng phương pháp truyền thông để điều khiển và giám sát

Ở đề tài này em chỉ tập trung nghiên cứu các vấn đề về lập trình PLC S7- 300 và

mô phỏng hệ thống trên Wincc Không đi sâu vào các thuật toán điều khiển của nó Nội dung của đồ án được trình bày theo bốn chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu về động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha và các phương pháp điều khiển

Chương 2: Tổng quan về PLC s7 300 và Wincc Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ động coe xoay chiều không đồng bộ 3 pha trên PLC s7 300

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG

BỘ 3 PHA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

1.1 Định nghĩa về động cơ xoay chiều ba pha

- Động cơ không đồng bộ

Là động cơ điện hoạt động với tốc độ quay của Rotor chậm hơn so với tốc độ quay của từ trường stator.Ta thường gặp động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc vì đặc tính hoạt động của nó tốt hơn dạng dây quấn

Stator được quấn các cuộn dây lệch nhau về không gian (thường là 3 cuộn dây lệch nhau góc 120°) Khi cấp điện áp 3 pha vào dây quấn, trong lòng Stator xuất hiện từ trường Fs quay tròn với tốc độ n=60*f/p, với p là số cặp cực của dây quấn Stator, f là tần số

Từ trường này móc vòng qua Rotor và gây điện áp cảm ứng trên các thanh dẫn lồng sóc của rotor Điện áp này gây dòng điện ngắn mạch chạy trong các thanh dẫn Trong miền từ trường do Stator tạo ra, thanh dẫn mang dòng I sẽ chịu tác động của lực Bio-Savart-Laplace lôi đi Có thể nói cách khác: dòng điện I gây ra một từ trường Fr (từ trường cảm ứng của Rotor), tương tác giữa Fr và Fs gây ra momen kéo Rotor chuyển động theo từ trường quay Fs của Stator

1.1.1 Cấu tạo

Cơ cấu động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) tuỳ theo kiểu loại vỏ bọc kín hoặc

hở, là do hệ thống làm mát bằng cánh quạt thông gió đặt ở bên trong hay bên ngoài động cơ Nhìn chung motor giam toc có hai phần chính là phần tỉnh và phần quay

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ

• Phần tĩnh

Phần tĩnh hay còn gọi là stato gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn

- Lõi thép

Là bộ phận dẩn từ của máy có dạng hình trụ rổng, lõi thép được làm bằng các

lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 đén 0,5 mm, được dập theo hình vành khăn, phía trong có xẻ rảnh để đặt dây quấn và được sơn phủ trước khi ghép lại Cấu tạo motor giảm tốc

- Dây quấn

Dây quấn stato làm bằng dây đồng hoặc dây nhôm (loại dây email) đặt trong các rảnh của lõi thép Hai bộ phận chính trên còn có các bộ phận phụ bao bọc lõi thép là vỏ máy được làm bằng nhôm hoặc gang dùng để giử chặt lõi thép phía dưới

là chân đế để bắt chặt vào bệ máy, hai đầu có hai nắp làm bằng vật liệu cùng loại với vỏ máy, trong nắp có ổ đỡ (hay còn gọi là bạc) dùng để đở trục quay của rôto

• Phần quay Hay còn gọi là rôto, gồm có lõi thép, dây quấn và trục máy

- Lõi thép

Có dạng hình trụ đặc làm bằng các lá thép kỹ thuật điện, dặp thành hình dĩa và

ép chặt lại, trên mặt có các đường rãnh để đặt các thanh dẩn hoặc dây quấn Lõi thép được ghép chặt với trục quay và đặt trên hai ổ đở của stato

- Dây quấn

Trên rôto có hai loại: rôto lồng sốc và rôto dây quấn

+ Loại rôto dây quấn có dây quấn giống như stato, loại này có ưu điểm là môment quay lớn nhưng kết cấu phức tạp, giá thành tương đối cao

+ Loại rôto lồng sóc: kết cấu của loại này rất khác với dây quấn của stato Nó được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh của rôto, tạo thành các thanh nhôm

và được nối ngắn mạch ở hai đầu và có đúc thêm các cánh quạt để làm mát bên trong khi rôto quay

+ Phần dây quấn được tạo từ các thanh nhôm và hai vòng ngắn mạch có hình dạng như một cái lồng nên gọi là rôto lồng sóc Các đường rãnh trên rôto thông thường được dập xiên với trục, nhằm cải thiện đặt tính mở máy và giảm bớt hiện tượng rung chuyển do lực điện từ tác dụng lên rôto không liên tục

1.2 Nguyên lý hoạt động

Muốn cho động cơ làm việc, stato của động cơ cần được cấp dòng điện xoay chiều Dòng điện qua dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ:n=60 f/p (vòng/phút) trong đó:

f- là tần số của nguồn điện p- là số đôi cực của dây quấn stato Trong quá trình quay từ trường này sẽ quét qua các thanh dẩn của rôto, làm xuất hiện sức điện động cảm ứng Vì dây quấn rôto là kín mạch nên sức điện động này tạo

ra dòng điện trong các thanh dẩn của rôto Các thanh dẩn có dòng điện lại nằm trong từ trường, nên sẽ tương tác với nhau, tạo ra lực điện từ đặc vào các thanh dẩn

- Tổng hợp các lực này sẽ tạo ra môment quay đối với trục rôto, làm cho rôto quay theo chiều của từ trường Khi ĐC làm việc, tốc độ của rôto (n) luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường (n1) ( tứclà n Kết quả là rôto quay chậm lại nên luôn nhỏ hơn n1, vì thế động cơ được gọi là động cơ không đồng bộ Độ sai lệch giữa tốc độ rôto

và tốc độ từ trường được goi là hệ số trược, ký hiệu là: S

Thông thường hệ số trượt vào khoảng 2% đến 10%

Động cơ làm việc dựa vào định luật về luật điện từ F tác dụng lên thanh dẫn

có chiều dài l khi nó có dòng điện I và nằm trong từ trường có từ cảm Chiều và độ lớn của lực F được xác định theo tích véc tơ F=i.l.B Đó chính là định luật cơ bản của động cơ biến đổi điện năng thành cơ năng

Khi động cơ được cấp điện, dòng điện trong dây quấn stato sinh ra trong lõi sắt stato một từ trường quay với tốc độ đồng bộ

1 1

60 f

n p

=

(f1 là tần số dòng điện lưới đựa vào, p là số đôi cực của máy) Khi từ trường này quét qua thanh dẫn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi sắt roto và cảm ứng trong thanh dẫn đó sức điện động và dòng điện Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tổng ở khe hở Dòng điện trong thanh dẫn roto tác dụng với từ thông khe hở này sinh ra mômen Tác dụng đó làm cho roto quay với vận tốc không đồng bộ n (n < n1)

Để chỉ phạm vi tốc độ của động cơ người ta dùng hệ số trượt s, theo định

1

s n

Như vậy khi bắt đầu mở máy n = 0 nên s = 1, khi n n1 thì độ trượt s = 0

1.3 Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ 1.3.1 Đặt vấn đề

Theo yêu cầu của sản phẩm, động cơ điện lúc làm việc thường phải khởi động và dừng máy nhiều lần Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lưới mà yêu cầu về khởi động đối với động cơ điện khác nhau Có khi yêu cầu mômen khởi động dòng lớn, có khi cần hạn chế dòng điện khởi động và có khi cần

cả 2 Những yêu cầu trên đòi hỏi phải có tính năng khởi động thícử động

ứng

Trong nhiều trường hợp do phương pháp khởi động hay do chọn động cơ có tính năng khởi động không thích đáng nên thường gây nên những sự cố không mong muốn

-Phải có mômen khởi động đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải -Dòng điện khởi động càng nhỏ càng tốt

-Phương pháp khởi động và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn -Tổn hao công suất trong quá trình khởi động càng thấp càng tốt

Những yêu cầu trên thường mâu thuẫn với nhau, khi yêu cầu dòng điện khởi động nhỏ thường làm cho momen khởi động giảm theo hoặc cần các thiết bị phụ tải đắt tiền Vì vậy căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọn phương pháp khởi động thích hợp

Với động cơ không đồng bộ hiện nay có các phương pháp sau

- Khởi động trực tiếp -Khởi động bằng phương pháp hạ điện áp đặt vào stator động cơ:

+ Phương pháp khởi động sử dụng cuộn kháng + Phương pháp khởi động sử dụng biến áp tự ngẫu + Phương pháp khởi động đổi nối Sao-Tam giác Phương pháp khởi động động

cơ roto dây quấn

+ Khởi động bằng phương pháp tần số

mức từ 4 đến 8 lần Tuy dòng khởi động lớn như vậy nhưng mô men khởi động lại

nhỏ do hệ số công suất cos rất nhỏ 0

(cos = 0,1- 0,2), mặt khác khi khởi động, từ thông cũng bị giảm do điện áp 0giảm làm momen khởi động càng nhỏ

Dòng khởi động lớn gây ra 2 hậu quả sau:

- Nhiệt độ máy tăng vì tổn hao lớn, nhiệt lượng toả ra ở máy nhiều (đặc biệt ở các máy có công suất lớn hoặc máy thường xuyên phải khởi động)

Vì thế trong sổ tay kỹ thuật sử dụng máy bao giờ cũng cho số lần khởi động tối đa, và điều kiện khởi động

- Dòng khởi động lớn làm cho sụt áp lưới điện lớn, gây trở ngại cho các phụ tải cùng làm việc với lưới điện

Vì những lý do đó khởi động trực tiếp chỉ áp dụng cho các động cơ có công suất nhỏ so với các công suất của nguồn, và khởi động nhẹ (moment cản trên trục động cơ nhỏ) Khi khởi động nặng người ta không dùng phương pháp này

• Khởi động dùng phương pháp giảm dòng khởi động Dòng khởi động của động cơ xác định bằng biểu thức

Từ biểu thức này chúng ta thấy để giảm dòng khởi động ta có các phương pháp sau:

- Giảm điện áp nguồn cung cấp

- Đưa thêm điện trở vào mạch rotor

- khởi động bằng thay đổi tần số

Người ta dùng các phương pháp sau đây để giảm điện áp khởi động:dùng cuộn kháng, dùng biến áp tự ngẫu và thực hiện đổi nối sao-tam giác

Đặc điểm chung của các phương pháp giảm điện áp là cùng với việc giảm dòng khởi động, mô men khởi động cũng giảm

• Khởi động bằng phương pháp tần số

Do sự phát triển của công nghệ điện tử, ngày nay người ta đã chế tạo được các

bộ biến tần có tính chất kỹ thuật cao và giá thành rẻ, do đó ta có thể áp dụng phương pháp khởi động bằng tần số Thực chất của phương pháp này như sau: Động cơ được cấp điện từ bộ biến tần tĩnh, lúc đầu tần số và điện áp nguồn cung cấp có giá trị rất nhỏ, sau khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, ta tăng dần tần số

và điện áp nguồn cung cấp cho động cơ, tốc độ động cơ tăng dần, khi tần số đạt giá trị định mức, thì tốc độ động cơ đạt giá trị định mức Phương pháp khởi động này đảm bảo dòng khởi động không vượt quá giá trị dòng định mức

1.4 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 1.4.1 Thống kê năng lượng của động cơ

Về nguyên lý, máy điện không đồng bộ có thể làm việc như máy phát điện hoặc động cơ không đồng bộ Ở chế độ làm việc động cơ, năng lượng điện

được cung cấp từ lưới điện và chuyển sang rotor bằng từ trường quay Dòng năng lượng được biểu diễn như sau :

Công suất nhận từ lưới điện: P 1 =m 1 U 1 I 1 cosφ 1

Ở stato, năng lượng bị mất một phần do tổn hao ở điện trở cuộn dây

( ∆ PCu1)và trong lõi thép ( ∆PFe1) Vậy công suất điện từ chuyển từ stato

sang rotor như sau:

Pđt=P1- Pcu1- PFe1 Trong đó

∆ PCu1= m 1 I 1 R , ∆PFe1=m 1 I 2 Fe

RFe Tổn hao thép phụ thuộc vào tần số Tổn hao lõi thép phía rotor bỏ qua, vì

khi làm việc định mức tần số f 2 = (1 - 3)Hz Công suất điện từ chuyển sang rotor sẽ

ứng với công suất tác dụng sinh ra ở điện trở R2 "

s vậy:

' ' 2 2 ' 2 ' ' 2 '

Thành phần thứ nhất là tổn hao đồng ở cuộn dây rotor:

Vậy công suất hữu ích tính như sau:

P2 = Pcơ - Pcơ - Pp Tổng tổn hao của động cơ có giá trị:

Sơ đồ năng lượng của máy điện dị bộ biểu diễn trên hình

Hình 1.2 Sơ đồ năng lượng của động cơ di bộ

1.4.2 Moment quay (moment điện từ) của động cơ dị bộ

Công suất cơ học của máy điện không đồng bộ phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor (tốc độ cơ): Pcơ = Mcơ

Do đó mô men điện từ của máy điện không đồng bộ có thể tính được bằng biểu thức:

dt c

P

M = 

Ở đây :

1

2 2

60

tt co

f n

' ' 2 2

1

S

R S

1

4, 44

cos 2

cd tt

U I

Thay vào (công thức trên) ta được:

1.4.3 Đặc tính cơ của động cơ dị bộ ba pha

Đặc tính cơ được định nghĩa là mối quan hệ hàm giữa tốc độ quay và mô men điện từ của động cơ n= f(M)

Để dựng được mối quan hệ này, trước hết ta nghiên cứu công thức là mối quan

hệ M= f(s) và được gọi là đặc tính tốc độ của động cơ Từ biểu thức ta nhận thấy mối quan hệ giữa mô men và độ trượt là mối quan hệ phi tuyến Để khảo sát chúng

= + +

Ở đây: sth - là độ trượt tới hạn, tức là giá trị độ trượt ở đó xuất hiện mô men cực đại và cực tiểu Dấu ”+” ứng với chế độ động cơ còn dấu “-“ ứng với chế độ máy phát

Thay Sth vào (công thức trên) ta có:

2 1

Đường M = f(s) là đường 3 trên hình Giữa M và độ trượt còn có thể biểu diễn bời biểu thức sau:

max

2

th th

M M

s s

= +

Để dựng đặc tính tốc độ người ta thường dùng công thức này và có tên là công thức Kloss

Hệ số quá tải là tỷ số giữa mô men cực đại đối với mô men định mức

max

qt

dm

M K

M

Hình 1.3 đặc tính M= f(s) khi U1= const, f1= const

1.5 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rotor Rf

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ

- Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa

- Điều chỉnh bằng phương pháp nối tầng

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f1

Trong các phuơng pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao nhất, đạt đến mức độ tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi

điện áp phần ứng Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển Sau đây xin trình bày phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f1

1.5.1 Điều chỉnh động cơ dị bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn

Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực từ theo công thức:

1 0

có thể là từ thông stato Φ1, từ thông của rotor Φ2, hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φµ Vì momen động cơ tỉ lệ với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từ thông không đổi cũng làm giữ cho momen không đổi Có thể kể ra các luật điều khiển như sau:

- Luật U/f không đổi: U/f = const

- Luật hệ số quá tải không đổi: λ = Mth/Mc = const

- Luật dòng điện không tải không đổi: Io = const

- Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I1 = f(Δω)

1.5.2 Phương pháp điều chỉnh U/f = const

Sức điện động của cuộn dây stato E1 tỷ lệ với từ thông Φ1 và tần số f1 theo biều thức:

Nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z1, ta có E1 ≈ U1, do đó:

1 1

1

U K f

 =

Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U1/f1 không đổi Trong phương pháp U/f = const thì tỷ số U1/f1 được giữ không đổi và bằng tỷ số này ở định mức Cần lưu ý khi momen tải tăng, dòng động cơ tăng làm tăng sụt áp trên điện trở stato dẫn đến E1 giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm Do dó động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi

Ta có công thức tính momen cơ của động cơ như sau:

Momen tới hạn:

2 1

3 2

th

U M

2 ' 2

3 /2

dm dm

U R s M

2

32

dm thdm

U M

Ta thu được:

dm dm

a s M

2 '

32

dm th

o

U M

(X1 + X’2)>> R1/a, sụt áp trên R1 rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến

từ thông được giữ gần như không đổi Momen cực đại của động cơ gần như không đổi

Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R1/a sẽ tương đối lớn

so với giá trị của (X1 + X’2) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở stato khi momen tải lớn Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thông momen cực đại Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp, ta sẽ cung cấp thêm cho động cơ điện một điện áp Uo để từ thông của động cơ định mức khi

f = 0 Từ đó ta có quan hệ sau:

U1 =Uo + Kf1 Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U1 cấp cho động cơ U=Udm tại f = fdm Khi a > 1 (f > fdm ), điện áp được giữ không đổi và bằng định mức

mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số trong phương pháp điều khiển U/f=const:

Hình 1.4 Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo

luật điều khiển U/f=const

Từ đồ thị ta có nhận xét sau:

+ Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn

+ Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên Thay vì chỉ làm việc ở tốc độ định mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ định mức Momen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này

+ Chúng ta có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mức bằng cách tiếp tục tăng tần số Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trên điện áp định mức Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến momen giảm Ở vùng trên vận tốc cơ bản các hệ số ảnh hưởng đến momen trở nên phức tạp

+ Việc tăng tốc giảm tốc có thể được thực hiện bằng cách điều khiển sự thay đổi của tần số theo thời gian

1.5.3 Chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ

Sau khi so sánh phân tích, giới thiệu các phương pháp điều chỉnh tốc độ động

cơ em nhận thấy phương pháp thay đổi tần số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc

độ với chất lượng cao nhất Đây cũng chính là phương án tối ưu nhất được sử dụng rộng rãi ngày nay trong các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ của các nhà sản xuất

1.6 Phương pháp đọc tốc độ động cơ dùng encoder

encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể

là bánh xe, trục động cơ hoặc bất kỳ một thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc

Hình 1.5 encoder Những vấn đề cơ bản về encoder quay quang

1.6.1 Khái niệm

Encoder Là 1 loại cảm biến vị trí, đưa ra thông tin về góc quay dưới dạng số

mà không cần bộADC Encoder quay quang còn được gọi là bộ mã hóa vòng quay

1.6.2 Cấu tạo cơ bản của 1 encoder quay quang

- Đĩa quay được xẻ rãnh gắn vào trục

- Một nguồn sáng và 1 tế bào quang điện bố trí thẳng hàng

- Mạch khuếch đại

Hình 1.6 Cấu tạo của encoder

1.6.3 Phân loại

- Encoder tuyệt đối (Absolute encoder): Mã nhị phân, mã gray, mã BCD

- Encoder tương đối (Incremental encoder): loại 1 kênh, 2 kênh 4 Ứng dụng của encoder quay

- Trong các bài toán đo tốc độ động cơ

- Xác định khoảng dịch chuyển của đối tượng thông qua xác định số vòng quay của trục

- Ứng dụng rỗng rãi trong nhiều lĩnh vưc: Robot, máy công cụ,hàng không vũ trụ,

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PLC S7 300 VÀ WIN CC

2.1 Giới thiệu về PLC S7-300

2.1.1 Cấu tạo của họ PLC S7-300

PLC Step 7-300 thuộc họ Simatic do hãng Siemens sản xuất Đây là loại PLC

đa khối Cấu tạo cơ bản của loại PLC này là một đơn vị cơ bản (chỉ để xử lý) sau đó ghép thêm các module mở rộng về phía bên phải, có các module mở rộng tiêu chuẩn

Hình 2.1 Các khối modul của PLC S7-300

(*) Các đèn báo + Đèn SF: báo lỗi CPU

+ Đèn BAF: Báo nguồn ắc qui

+ Đèn DC 5v: Báo nguồn 5v

+ Đèn RUN: Báo chế độ PLC đang làm việc

+ Đèn STOP: Báo PLC đang ở chế độ dừng

(*) Công tắc chuyển đổi chế độ + RUN-P: Chế độ vừa chạy vừa sửa chương trình

+ RUN: Đưa PLC vào chế độ làm việc

+ STOP: Để PLC ở chế độ nghỉ

+ MRES: Vị trí chỉ định chế độ xoá chương trình trong CPU

Muốn xoá chương trình thì giữ nút bấm về vị trí MRES để đèn STOP nhấp nháy, khi thôi không nhấp nháy thì nhả tay Làm lại nhanh một lần nữa (không để ý đèn STOP) nếu đèn vàng nháy nhiều lần là xong, nếu không thì phải làm lại

2.1.2 Các khối chức năng của PLC S7-300

Tuỳ theo quá trình tự động hoá đòi hỏi số lượng đầu vào và đầu ra ta phải lắp thêm bao nhiêu module mở rộng cũng như loại module cho phù hợp Tối đa có thể

gá thêm 32 module vào ra trên 4 panen (rãnh), trên mỗi panen ngoài module nguồn, CPU và module ghép nối còn gá được 8 các module về bên phải Thường Step 7-

300 sử dụng các module sau:

+ Module nguồn PS (3 loại: 2A, 3A, 5A) + Module ghép nối IM (Intefare Module):

+ Module tín hiệu SM (Signal Module):

- Vào số: 8 kênh, 16 kênh, 32 kênh

- Ra số: 8 kênh, 16 kênh, 32 kênh

- Vào, ra số: 8 kênh vào 8 kênh ra,

- Vào tương tự: 2 kênh, 4 kênh, 8 kênh

- Ra tương tự: 2 kênh, 4 kênh, 8 kênh

- Vào, ra tương tự: 2 kênh vào 2 kênh ra, + Module hàm (Function Module)

- Đếm tốc độ cao

- Truyền thông CP 340, CP340-1, CP341

+ Module điều khiển (Control Module):

- Module điều khiển PID

- Module điều khiển Fuzzy

- Module điều khiển rô bot

- Module điều khiển động cơ bước

- Module điều khiển động cơ Servo

Địa chỉ phụ thuộc vào vị trí gá của module trên Panen

Chỗ gá module trên panen gọi là khe (Slot), các khe đều có đánh số, khe số 1

là khe đầu tiên của và cứ thế tiếp tục

Khi gá module số vào, ra lên một khe nào lập tức nó được mạng địa chỉ byte của khe đó, mỗi khe có 4 byte địa chỉ

Trên mỗi module thì mỗi đầu vào, ra là một kênh, các kênh đều có địa chỉ bit

là 0 đến 7 Địa chỉ của mỗi đầu vào, ra là số ghép của địa chỉ byte và địa chỉ kênh, địa chỉ byte đứng trước, địa chỉ kênh đứng sau, giữa hai số có dấu chấm

2.2 Giới thiệu về phần mềm STEP 7

2.2.1 Giao diện phần mềm và các thao tác cơ bản trên phần mềm

Hình 2.2 Màn hình chính chương trình STEP 7 Thanh chức năng chứa một nhóm các biểu tượng để truy cập các đặc điểm chương trình khác nhau của STEP 7

Hình 2.3 Màn hình soạn thảo các khối OB Symbol Table

Bảng ký hiệu (Symbol table): cho phép người dùng mô tả các địa chỉ sử dụng trong chương trình dưới dạng các tên gọi gợi nhớ Điều này giúp cho việc đọc hiểu chương trình dễ dàng và khi viết chương trình ít bị sai sót do sử dụng trùng địa chỉ

Hình 2.4 Bảng ký hiệu (Symbol table) Communication Set PG/PC: Khi kích hoạt sẽ mở ra hộp thoại cho phép chúng ta cài đặt các giao tiếp với máy tính như: chọn cổng giao tiếp, địa chỉ CPU, tốc độ truyền Đây là bước cần thực hiện khi bắt đầu giao tiếp giữa PLC với máy tính

Hình 2.5 Cửa sổ Set PG/PC Interface

Tạo một chương trình trong STEP 7 Tạo chương trình mới

Để tạo một chương trình mới trong STEP 7, chọn menu File > New hoặc biểu tượng trong toolbar để mở hộp thoại "New" cho phép tạo mới một chương trình (project)

2.2.2 Các lệnh lập trình trong Step 7

• Nhóm lệnh logic tiếp điểm

➢ Lệnh về bit:

Tiếp điểm thường hở: KQ=KT nếu I0.0=1 KQ=0 nếu I0.0=0

Tiếp điểm thường đóng: KQ=KT nếu I0.0=0 KQ=0 nếu I0.0=1

Lệnh Not: KQ thu được bằng đảo giá trị của KT, Nếu KT=1 thì KQ=0, Nếu KT=0 thì KQ=1

Ngõ ra (cuộn coil) : Gán KQ cho ngõ ra Q0.0

Xác định kết quả: Gán KQ tại vị trí mà lệnh được chèn Vd: M0.0 lưu kết quả sau 2 phép tính qua I0.0 và I0.1

Lệnh SET Bit: Gán giá trị 1 cho M0.0

Lệnh RESET Bit: Gán giá trị 0 cho M0.0

Vi phân cạnh lên: M0.0 lưu giá trị KQ ở vòng quét trước

Khi I0.0 chuyển trạng thái từ 0 sang 1 và M0.0 =0 thì Q0.0 =1

Vi phân cạnh xuống: M0.0 lưu giá trị KQ ở vòng quét trước

Khi I0.0 chuyển trạng thái từ 1 xuống 0 và M0.0=1 thì Q0.0=1

• Lệnh về timer:

➢ Lệnh S_PULSE:

Nếu I0.0=1 Timer được kích chạy, khi I0.0=0 hoặc chạy đủ thời gian đặt 2s thì Timer dừng Hoặc có tín hiệu I0.1 thì Timer cũng dừng Timer chỉ chạy lại khi có tín hiệu mới từ I0.0 (tức là I0.0 chuyển trạng thái từ 0 lên 1 )

Q0.0=1 khi Timer đang chạy

MW100 lưu giá trị đếm của Timer theo dạng Integer MW102 lưu giá trị của Timer theo dạng BCDChức năng của Timer này là tạo xung có thời gian được đặt sẵn

Trong quá trình chạy nếu có tín hiệu I0.1 thì Timer dừng Q0.0 =1 khi Timer đang chạy

Các ô nhớ MW100 và MW102 lưu giá trị hiện thời của Timer theo dạng Integer và dạng BCD

Số Timer trong S7_300 phụ thuộc vào loại CPU

CPU 312: có 128 Time

Có 2 cách cài đặt giá trị cho Timer:

- Cài thông số thời gian trực tiếp:

Để cài giá trị trực tiếp cho Timer ta phải thêm kí tự S5T# trước giá trị đặt Các kí tự kế tiếp là thông số thời gian muốn cài đặt cho Timer

- Cài đặt thông số thời gian thông qua biến nhớ:

Giá trị cài đặt cho timer thông qua một biến kiểu WORD 16 bits

➢ Bộ đếmCounter:

➢ Lệnh đếm lên xuống S_CUD:

Ngõ vào I0.2=1: đưa giá trị đếm vào PV Khi I0.0 chuyển trạng thái từ 0 lên 1, C0 đếm tăng lên 1

Khi I0.1 chuyển trạng thái từ 0 lên 1, C0 đếm giảm xuống 1

Khi cả I0.0 và I0.1 đều chuyển trạng thái thì C0 không thay đổi

Khi I0.3=1 thì C0 bị Reset về 0

Giá trị bộ đếm hiện thời nằm trong 2 ô nhớ MW100 và MW102 dưới dạng Integer và dạng BCD, giá trị này có tầm từ 0 – 999

Ngõ ra Q0.0=1 khi giá trị đếm lớn hơn 0

➢ Lệnh đếm lên S_CU:

Ngõ vào I0.1=1: đưa giá trị đếm vào PV Khi I0.0 chuyển trạng thái từ 0 sang 1, C0 đếm tăng lên 1 Khi I0.2 = 1 Counter bị Reset

Ngõ ra Q0.0=1 khi giá trị đếm lớn hơn 0 Giá trị bộ đếm hiện thời nằm trong 2 ô nhớ MW100 và MW102 dưới dạng Integer và dạng BCD, giá trị này có tầm từ 0 – 999

Ngõ ra Q0.0=1 khi giá trị đếm lớn hơn 0

➢ Lệnh đếm xuống S_CD:

Ngõ vào I0.1=1 : đưa giá trị đếm vào PV Khi I0.0 chuyển trạng thái từ 1 sang 0, C0 giảm đi 1 Khi I0.2 = 1 Counter bị Reset

Ngõ ra Q0.0=1 khi giá trị đếm lớn hơn Giá trị bộ đếm hiện thời nằm trong 2 ô nhớ MW100 và MW102 dưới dạng Integer và dạng BCD, giá trị này có tầm từ 0 – 999

Ngõ ra Q0.0=1 khi giá trị đếm lớn hơn 0