Tiến Sĩ Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ cho thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong sản xuất công nghiệp hiện đại, để nâng cao năng suất, hiệu suất sử dụng của
máy, nâng cao chất lượng sản phẩm và các phương pháp tự động hóa dây chuyền sản
xuất thì hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ là không thể thiếu. Trong đó
động cơ điện không đồng bộ (KĐB) chiếm tỉ lệ lớn trong công nghiệp, do nó có nhiều
ưu điểm nổi bật như: giá thành thấp, dễ sử dụng, bảo quản đơn giản, chi phí vận hành
thấp
Mặt khác, những năm gần đây do tốc độ đô thị hóa diễn ra nhanh chóng, đặc biệt
là tại các thành phố lớn với sự xuất hiện ngày càng nhiều các tòa nhà cao tầng để phục
vụ chỗ ở và chỗ làm việc của con người khiến nhu cầu sử dụng thang máy ngày càng trở
nên bức thiết, vì nó mang lại sự tiện lợi và vẻ sang trọng cho các tòa nhà cao tầng. Điều
đó cũng đặt ra cho các kỹ sư và nhà sản xuất thang máy ngày nay càng phải nâng cao,
cải tiến chất lượng hệ thống truyền động thang máy.
Với sự phát triển của lý thuyết điều khiển tự động cho phép xây dựng các bộ điều
khiển tốc độ động cơ với chất lượng cao. Các bộ điều khiển này có thể được thiết kế và
lập trình trên các bộ điều khiển như PLC kết nối biến tần điều khiển tốc độ động cơ.
Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ
cho thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần".
2. Mục đích nghiên cứu
Đề tài có mục đích nghiên cứu là: Thiết kế bộ điều khiển véc tơ để điều khiển tốc
độ động cơ KĐB 3 pha ứng dụng vào hệ thống thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần.
3. Đối tượng nghiên cứu
- Động cơ KĐB 3 pha.
- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha.
- Nghiên cứu điều khiển véc tơ không cảm biến tốc độ động cơ KĐB 3 pha.
- Thực hiện mô phỏng bộ điều khiển véc tơ không cảm biến tốc độ động cơ KĐB 3
pha trên phần mềm Matlab/Simulink.
- Thực nghiệm trên mô hình thang máy tại phòng thí nghiệm trường Đại học Kỹ 2

4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Đề tài nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển véc tơ không cảm biến
tốc độ động cơ KĐB 3 pha. Mô phỏng trên Matlab/Simulink và kiểm chứng trên mô
hình thực.
Ý nghĩa thực tiễn: Ứng dụng vào hệ thống thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần
để nâng cao chất lượng nâng hạ trong hoạt động của thang máy.





iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .i
LỜI CẢM ƠN . ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC HÌNH VẼ . v
MỞ ĐẦU 1
1. Lý do chọn đề tài . 1
2. Mục đích nghiên cứu . 1
3. Đối tượng nghiên cứu 1
4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VÀ CÁC
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ . 3
1.1. Tổng quan về động cơ KĐB 3 pha 3
1.1.1. Khái niệm chung về động cơ KĐB 3
1.1.2. Cấu tạo động cơ KĐB 5
1.1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB 3 pha . 7
1.2. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB . 9
1.2.1 Thay đổi tần số nguồn điện cung cấp f 1 . 10
1.2.2 Thay đổi số đôi cực 12
1.2.3 Thay đổi điện áp nguồn cung cấp 14
1.2.4 Thay đỗi điện trở mạch rôto . 14
1.2.5 Thay đổi điện áp mạch rôto 15
1.3. Điều khiển véc tơ động cơ KĐB . 17
1.4. Lựa chọn phương pháp điều khiển động cơ KĐB cho hệ truyền động thang máy . 19
1.5. Kết luận chương 1 . 19
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN VÉCTƠ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA 21
2.1. Mô tả toán học động cơ KĐB ba pha 21
2.2. Phép biến đổi tuyến tính không gian véc tơ 23
2.3. Hệ phương trình cơ bản của động cơ trong không gian véc tơ . 25
2.3.1. Phương trình trạng thái tĩnh trên hệ toạ độ cố định 26
2.3.2. Phương trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq : . 30
2.4. Cấu trúc hệ thống điều khiển véc tơ động cơ KĐB . 34
2.5. Các phương pháp điều khiển véc tơ 36
2.5.1. Điều khiển véc tơ gián tiếp 36
2.5.2. Điều khiển véc tơ trực tiếp theo từ thông rôto . 37
2.6. Tổng hợp các bộ điều chỉnh 43
2.6.1. Tổng hợp hệ theo hàm chuẩn . 43
2.6.2. Tuyến tính hoá mô hình động cơ . 45 iv

2.6.3. Tổng hợp
sq
Ri và R 46
2.6.4. Tổng hợp Ri sd . 49
2.7. Bộ quan sát từ thông 50
2.8. Kết luận chương 2 . 57
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTƠ ĐỘNG
CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ - MÔ PHỎNG TRÊN
MATLAB/SIMULINK 58
3.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển véc tơ không dùng cảm biến tốc độ 58
3.2. Đánh giá ổn định của khâu tính toán tốc độ 61
3.3. Mô phỏng bộ điều khiển véc tơ trên Matlab/Simulink 63
3.3.1. Tính toán các thông số động cơ . 63
3.3.2. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng Ri sd . 65
3.3.3. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng
sq
Ri . 66
3.3.4. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh tốc độ 67
3.3.5. Mô phỏng mô hình hệ thống trên toạ độ dq 69
3.3.6. Mô hình toàn bộ hệ thống không dùng cảm biến tốc độ 71
3.4. Kết luận chương 3 . 80
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TRÊN MÔ HÌNH
THANG MÁY SỬ DỤNG PLC KẾT NỐI BIẾN TẦN 81
4.1. Cấu tạo mô hình thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần điều khiển động cơ KĐB . 81
4.2. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển . 82
4.3. Kết quả thực nghiệm . 83
4.4. Kết luận chương 4 . 84
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI . 85
1. Kết luận 85
2. Hướng phát triển 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 86
PHỤ LỤC . 87