Tài liệu Điều khiển số

ĐỀ TÀI: Điều khiển số

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây công nghệ thông tin có những bước phát triển nhảy vọt, đặc biệt là sù ra đời của máy tính đă tạo cho xă hội một bước phát triển mới, nó ảnh hưởng đến hầu hết các vấn đề của xă hội và trong công nghiệp cũng vậy. Hoà cùng với sự phát triển đó, ngày càng nhiều nhà sản xuất đă ứng dụng cỏc cỏc họ vi xử lư có tính năng mạnh vào trong công nghiệp, trong việc điều khiển và xử lư dữ liệu. Những hạn chế của kỹ thuật tương tự như sự trôi thông số, sự làm việc cố định dài hạn, những khó khăn của việc thực hiện chức năng điều khiển phức tạp đă thúc đẩy việc chuyển nhanh công nghệ số. Ngoài ra điều khiển số c̣n cho phép tiết kiệm linh kiện phần cứng, cho phép têu chuẩn hoá. Với cùng một bộ vi xử lư, một cấu trúc phần cứng có thể dùng cho mọi ứng dụng, chỉ cần thay mội dung ô nhớ. Tuy nhiên kỹ thuật số có những nhược điểm như xử lư các tín hiệu rời rạc ., đồng thời tín hiệu tương tự cú ưu điểm mà kỹ thuật số không có được như tác động nhanh và liên tục. V́ vậy ngày nay xu hướng trong điều khiển là phối hợp điều khển số và điều khiển tương tự.

Để nắm vững được những kiến thức đă học th́ việc nghiên cứu là cần thiết đối với sinh viên. Đồ án môn học Điều khiển số đó giỳp cho em biết thêm dược rất nhiều về cả kiến thức lẫn kinh nghiệm.

Nhân đây em c̣ng xin cảm ơn rất nhiều đến thầy giáo Phạm Cụng Ngụ đó tận t́nh hướng dẫn và chỉ bảo em để làm bài này.



















CHƯƠNG 1. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

Công nghiệp hóa - Hiện đại hoá là mục tiêu số một của đất nước ta hiện nay trên con đường đi lên một cường quốc của khu vực và thế giới. Kỷ nguyên điện tử tin học đang phỏt triờn mạnh mẽ trên toàn thế giới, ứng dụng những thành tựu đó trong lĩnh vực công nghiệp và đặc biệt là trong truyền động điện công nghiệp là hết sức quan trọng, cần thiết. Với khối lượng tỡnh toỏn những bài toán công nghiệp là tương đối lớn, ngày nay đây là một công việc nặng nề phức tạp. Ngày nay với những bộ vi xử lư, vi điều khiển, tốc độ cao đă hoàn toàn thoả măn những yêu cầu đặt ra với những đ̣i hỏi trên. Và tạo ra một bước đột phá mới trong lĩnh vực điều khiển tự động, đú chớnh là lĩnh vực điều khiển số. Mô h́nh cơ bản của hệ thống điờự khiển số là :



[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]§èi t­îng §K

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]
D/A

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]Vi xö lƯ
DIGITAL


[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]
A/D

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]







[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]Khèi ®o ph¶n håi

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]




A/D : (Analog / Digital ) bé biến đổi tương tự sốD/A : (Digital / Analog) bé biến đổi số tương tự


Tín hiệu vào ra của đối tượng điều khiển là tín hiệu liên tục, c̣n tín hiệu vào ra máy tính là tín hiệu số. Trờn cơ sở sơ đồ khối hệ thống điều khiển số đó chúng ta sẽ xây dựng sơ đồ khối của hệ thống điều khiển động cơ xoay chiều ba pha như sau:







[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]














Đây là sơ đồ khối cơ bản mà bất kỳ một hệ thống điều khiển nào cũng không thể thiếu được. Nhưng đứng trước những đũi hỏi của hệ thống xoay chiều ba pha, yêu cầu chất lượng hệ thống mà các kỹ sư cần cân nhắc các phương án điều khiển, và t́m ra một phương án tối ưu, thoả măn bài toán kinh tế, với những yêu cầu mà hệ thống đ̣i hỏi. Nhưng trên tất cả người kỹ sư cần đặt tính kỹ thuật và kinh tế lên hàng đầu.

Trong lĩnh vực truyền động điện mức chính xác của tốc độ động quyết định tất cả chất lượng hệ thống.

Chính v́ vậy, xây dựng các phương án điều khiển cho từng loại động cơ phù hợp với hệ thống chúng ta cần đặt lên hàng đầu. Trong hệ truyền động điện xoay chiều động cơ thường được sử dụng gồm hai loại chính là : động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bé, trong đó động cơ không đồng bộ được ứng dụng nhiều nhất, c̣n động cơ đồng bộ Ưt sử dụng,nú chỉ thường dùng trong một số ứng dụng đặc biệt.

Trong động cơ xoay chiều không đồng bộ c̣n chia ra làm hai loại : động cơ xoay chiều không đồng bộ roto dây quấn và động cơ xoay chiều không đồng bộ roto lồng sóc. Trước đây trong các hệ truyền động điện xoay chiều, người thiết kế thường sử dụng động cơ xoay chiều roto dây quấn do những yêu cầu vượt trội của nó trong các yêu cầu về điều chỉnh tốc độ.Tuy nhiên ngày nay loại roto lồng sóc chiếm ưu thế tuyệt đối trên thị trường. V́ lư do đơn giản dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ.

Và sự phát triển vũ boó của kỹ thuật vi điện tử, với giá thành ngày càng hạ, đă cho phép thực hiện thành công các kỹ thuật điều khiển phức tạp đối với loại roto lồng sóc.

Các phương án xây dựng sơ đồ điờự khiển hệ thống :

1.1 Điều chỉnh điện áp đặt vào Stato động cơ :
Xuất phát từ phương tŕnh đặc tính cơ :

Ta có :

Với tần số và tốc độ động cơ không đổi th́ mô men của động cơ không đổi th́ mô men của roto Với tần số và tốc độ động cơ không đổi th́ mô men của động cơ không đổi th́ mô men của roto tỷ lệ với b́nh phương điện áp stato.
Nếu phương tŕnh đặc tính cơ của phụ tải có dạng :



điều này có nghĩa là động cơ có độ trượt định mức nhá, lúc đó tổn thất khi điều chỉnh sẽ là :


Giá trị cực đại của tổn thất công suất là : Giá trị cực đại của tổn thất công suất là :

Như vậy ta có :


Việc điều chỉnh điện áp stato là không thể triệt để do mọi đặc tính điều chỉnh đều đi qua điểm không tải lư tưởng, tổn thất công suất trượt động cơ tăng lên nếu tốc độ quay của roto :

Truyền động không đồng bộ điều chỉnh điện áp stato chỉ thích hợp nhất với các loại tải có mô men là hàm tăng của tốc độ. Truyền động không đồng bộ điều chỉnh điện áp stato chỉ thích hợp nhất với các loại tải có mô men là hàm tăng của tốc độ.

1.2.Điều chỉnh điện trở đặt vào roto động cơ :

Xuất phát từ phương tŕnh đặc tính cơ :

Từ phương tŕnh trên ta thấy khi giữ giá trị điện áp, tần số của động cơ không đổi nếu thay đổi điện trở mạch roto (điện trở )th́ đặc tính cơ của động cơ cũng biến đổi theo.

Phương pháp điều chỉnh điện trở mạch roto, thực hiện các quá tŕnh điều chỉnh thông số mạch điện roto của động cơ, giá trị của điện trở tổng mạch roto gồm có

Khi tăng giá trị của điện trở tổng R, hệ số trượt tới hạn tăng c̣n mô men tới hạn của động cơ vẫn giữ không đổi. Việc thay đổi giá trị tổng trở của roto được thực hiện theo phương pháp :

Sử dụng biến trở điều chỉnh đơn giản bằng tay trong mạch roto :

Cách này có ưu điểm việc điều chỉnh giá trị điện trở là hết sức đơn giản nhưng nó lại có những nhựơc điểm rất lớn : độ chính xác điều chỉnh thấp và gây ra tổn hao rất lớn. Cách này không được ứng dụng trong các hệ truyền động đ̣i hỏi độ chính xác cũng như yêu cầu kinh tế cao.

Sử dụng mạch chỉnh lưu - mạch xung điện trở :

Trong các này thay v́ sử dụng biến trở điều chỉnh bằng tay như trên, người ta sử dụng một mạch chỉnh lưu với các xung điện áp có độ rộng tay đổi theo tḥi gian trong từng chu kỳ (mạch băm xung) để thực hiện việc đóng mở điện trở trong mạch roto. Khi xung điện áp đóng (trong khoảng thời gian t), điện trở R[SUB]p[/SUB] sẽ được nối vào mạch roto và tổng trở mạch roto sẽ là :

Sau khoảng thời gian t Sau khoảng thời gian t xung điện áp mở (trong khoảng thời gian t ), điện trở được gắt ra khỏi mạch roto. Điện trở tổng lúc đó chính bằng điện trở của mạch roto .
Như vậy ta có một chu kỳ T=t+t giá trị tổng trở trung b́nh của roto sẽ là :

Từ biểu thức trên ta thấy khi thay đổi độ rộng xung (thay đổi t),điện trở của mạch roto sẽ thay đổi và tốc độ động cơ cũng biến đổi theo.

Phương pháp điều chỉnh trên được gọi là “ phương pháp điều chỉnh xung điện trở ”.Nú cú ưu điểm là điều chỉnh một cách chính xác, dễ dàng, tổn hao công suất Ưt khả năng tự động hoá cao.Tuy vậy nó có mặt hạn chế là sơ đồ mạch chỉnh lưu dễ bị ảnh hưởng của hiễu bên ngoài.

1.3.Phương pháp điều chỉnh công suất trượt bằng hệ nối tầng điện dưới đồng bé :

Khi điều chỉnh tốc độ bằng hệ nối tầng th́ vừa điều chỉnh bằng được công suất trượt vừa điều chỉnh đựơc tốc độ động cơ.Nội dung chính của phương pháp điều chỉnh này dựa trờn nguyên lư điều chỉnh công suất trượt của động cơ. Nguyên lư này thường áp dụng cho các truyền động công suất lớn v́ khi đó việc tiết kiện năng có ư nghĩa rất lớn Phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ không lớn và mô men động cơ giảm khi tốc độ thấp Do có sử dụng nghịch lưu phụ thuộc nên trong tớnh toỏn,thiết kế cần để ư tới giới hạn hai đầu của góc điều khiển nghịch lưu và .

Ngoài ra, đối với các hệ thống công suất lớn vấn đề khởi động của động cơ rất quan trọng.Trong thực tế thường sử dụng điện trở phụ bằng chất lỏng để khởi động động cơ đến vùng tốc độ làm việc sau đó chuyển sang chế độ điều chỉnh công suất trượt.Vỡ vậy nên áp dụng hệ thống này cho các truyền động có số lần khởi động, dừng may và đảo chiều Ưt.

1.4. Phương pháp điều chỉnh tần số động cơ :

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều cú yờu cầu cao về giải điều chỉnh và tính chất động học chỉ có thẻ thực hiện được với các bộ biến tần. Các hệ này sử dụng động cơ không đồng bé chủ yếu là roto lồng súc.Nhược điểm là hệ thống điều khiển phức tạp.

Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật kinh tế mà ta có thể xác định được cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển biến tần - động cơ, theo đó có thể chia ra thành các bộ biến đổi sau

*Biến tần trực tiếp :

Là biến tần có tần số đầu ra luôn nhỏ hơn tần số lưới f Là biến tần có tần số đầu ra luôn nhỏ hơn tần số lưới f : f=(05) f. Loại này thường dùng cho truyền động có công suất lớn.

Biến tần gián tiếp nguồn áp :

Thường dùng cho truyền động nhiều động cơ.Đối với biến tần nguồn áp yêu cầu chất lượng điện áp cao thường dùng trong các biến tần có điều chế độ rộng xung.

Biến tần có nghịch lưu độc lập nguồn ḍng : Biến tần có nghịch lưu độc lập nguồn ḍng :

Thích hợp cho truyền động đảo chiều,cụng suất động cơ truyền động lớn.

Đối với động cơ roto lồng sóc, để thực hiện điều chỉnh tốc độ thường dùng phương pháp biến đổi tần số kết hợp với việc biến đổi điện áp ( sử dụng các bộ biến tần ). Chính v́ vậy việc lùa chọn phương án thiết kế hệ điều chỉnh cho động cơ cần phải nghiên cứu, phân tích tính toán ở đây chính là phương pháp điều chỉnh hệ biến tần - động cơ roto lồng sóc.

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đă thúc đẩy toàn bộ nền công nghiệp phát triển à biến đổi sâu sắc.Những mặt hạn chế trước đây đă được giải quyết và hoàn thiện một cách toàn diện.Ngày nay khi nói tới xây dựng một hệ thống kỹ thuật, bên cạnh các vấn đề về kinh tế, kỹ thuật th́ vấn đề tối ưu hoá quá tŕnh công nghệ đóng một vai tṛ hờt sức quan trọng. Trong nhiều năm phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung và nghành truyền động nói riêng, những thành tựu đạt được là rất lớn.Sự kết hợp ngày một hoàn hảo, sâu sắc giữa điện và điện tử đă tạo nên những đột phá mới vè công nghệ truyền động hiện đại.Bờn cạnh sự phát triển mạnh mẽ các hệ truyền động một chiều, sự xuất hiện các bộ biến tần đă khiến cho các hệ truyền động xoay chiều phát triển ngày một mạnh và chiếm ưu thế hầu hết các hệ truyền động hiện đại.

Hiện nay trong các hệ truyền động xoay chiều, việc ứng dụng các thiết bị biến tần kết hợp với động cơ roto lồng súc đó tạo nên bước đột phá cho cả hai yếu tố kỹ thuật và kinh tế.Hầu hết các hệ thống truyền động xoay chiều hiện nay đều sử dụng động cơ roto lồng sóc đi liền với các bộ biến tần bởi các ưu thế vượt trội của nó so với các hệ khác. Hiện nay trong các hệ truyền động xoay chiều, việc ứng dụng các thiết bị biến tần kết hợp với động cơ roto lồng sóc đă tạo nên bước đột phá cho cả hai yếu tố kỹ thuật và kinh tế.Hầu hết các hệ thống truyền động xoay chiều hiện nay đều sử dụng động cơ roto lồng sóc đi liền với các bộ biến tần bởi các ưu thế vượt trội của nó so với các hệ khác.

Đối với yêu cầu xây dựng bộ biến tần cho các hệ điều khiển truyền động điện, trên thực tế có rất nhiều gải phỏp khỏc nhau.Nhưng nh́n chung ta có thể xếp các bộ biên tần vào hai nhúm chớnh :nhúm cỏc bộ biến tần điều khỉờn bằng tín hiệu tương tự (Analog Control) và nhúm cỏc bộ biến tần điều khiển bằng tín hiệu số (Digital Control).

Đối với nhóm thứ nhất bộ biến tần được xây dựng dựa trờn nền tảng kỹ thuật vững chắc sẵn có của công nghệ điện, điện tử - điện tử công suất và các phương pháp điều khiển tương tự. Nhóm này được phát triển và ứng dụng hầu hết các hệ truyền động trước đây và một số Ưt hiện nay.Cũn nhúm thứ hai đây là hướng phát triển mới nhằm khai thác các thế mạnh của công nghệ vi điện tử, và đặt nền tảng cho hướng phát triển mới.

Ngày nay việc xây dựng và phát triển công nghệ thông tin vào quá tŕnh sản xuất là một xu thế tất yếu. Nú chớnh là nền tảng công nghệ tương lai của toàn bộ nền công nghiệp nói chung cũng như các nghành công nghệ cao núi riờng.Sự xuất hiện ngày một nhiều các thiết bị điều khiển công nghiệp tích hợp máy tính đă chứng minh điều đó. Hiện nay, hầu hết các nhà sản xuất hệ thống điều khiển công nghiệp trên thế giới đều tập chung đi sâu vào xu hướng phát triển và xây dựng hệ thống, dựa trờn nền tảng máy tính. Và theo đó là sự phát triển của các công nghệ vi xử lư mà hạt nhân của nó ch́nh là các P.

Từ những phân tích trên, căn cứ vào thực tế của sự phát triển công nghệ nói chung cũng như nghành truyền động nói riêng, trong đồ án này chúng em lùa chọn phương án xây dựng bộ biến tần cho hệ truyền động điện xoay chiều ba pha.Việc điều khiển tốc độ và mô men động cơ đ̣i hỏi phải được thiếtkế chính xác dỏp ứng được công nghệ cao và đi liền với nó là chi phí sẽ tăng.

Việc sử dụng động cơ xoay chiều trong các lĩnh vực như :

Truyền động xe kéo, điều khiển công suất, các hệ thống thông gió - điều nhiệt ngày một phổ biến. Sự gia tăng không ngừng những ứng dụng của động cơ xduay chiều trong thực tế phần lờn bắt nguồn từ chính những đặc điểm nổi bật của nă :thiết kế tin cậy, khả năng sinh mô men lớn, dải tốc độ hoạt động rất rộng.Mặc dù việc thiết kế hệ điều khiển cho các động cơ xoay chiều là hết sức phức tạp và chi phí cao hơn so với động cơ một chiều, nhưng nhờ sự phát triển mạnh của công nghệ điều khiển số và kỹ thuật mạch điện tử tích hợp, đă làm giảm đáng kể mức độ phức tạp cũng như chi phí của quá tŕnh thết kế, xây dựng phần cứng các hệ điều khiển. Chính v́ vậy mà động cơ điện xoay chiều ngày càng đựoc ứng dụng nhiều hơn trong các hệ thống điều khiển tốc độ.

Tuy vậy bên cạnh những cải tiến trờn, tớnh phức tạp của hệ thống vẫn c̣n là một cản trở lớn cho các hệ điều khiển tốc độ sử dụng động cơ xoay chiều.Do trong hệ thống này có quá nhiều chức năng phải thực hiện :

Hệ thống phải biến đổi tín hiệu một chiều từ nguồn thành tín hiệu xoay chiều, phải thực hiện điều khiển đồng thời cả hai tham sè : điện áp – tần số của các tín hiệu xoay chiều đó. Mặc dù công nghệ điều khiển đă chuyển phần lớn các chức năng dó cho phần mềm thực hiện nhưng cỏc thiờt bị phần cứng điện tử vẫn giữ vai tṛ chủ đạo và chúng giải quyết được tất cả những giới hạn mà phần mềm không giải quyết được. Trong thực tế đối với động cơ điện xoay chiều có hai phương pháp điều khiển tốc độ cơ bản : phương pháp điều khiển vectơ và phương pháp điều khiển vectơ không gian. Phương pháp điều khiển véc tơ không gian được sử dụng xây dựng các thuật toán trong các bộ biến tần.






























CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA


*1. Sơ đồ ghép phối vào ra:

Sơ đồ nguyên lư :










[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]




Vi xö lư

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[TD][/TD]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]§Öm dư liÖu

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[TD][/TD]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]Bé ®Ơm xung & m· ho¸

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]