nghiên cứu tổng quan về cơ cấu di chuyển xe con cầu trục giàn bốc xếp container thiết kế hệ truyền động điện dùng biến tần pwm cho c

Trong quá trình học tập môn trang bị điện em đã được giao đề tài thiết kế mônhọc: “Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu di chuyển xe con cầu trục giàn bốc xếpcontainer thiết kế hệ truyền động

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc xây dựng chủ nghĩa xã hội, từng bước công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, nước ta đã thu được những thành tựu to lớn về kinh tế, xãhội Gắn liền với sự phát triển kinh tế là sự phát triển liên tục của giao thông vậntải nói chung và vận tải thuỷ nói riêng Trong sự phát triển đó, các hải cảng đóngvai trò rất quan trọng

-Trong các hình thức vận tải thì hình thức vận chuyển hàng hoá bằng container

là một hình thức vận chuyển tiên tiến, được áp dụng rộng rãi trên thế giới

Với tầm quan trọng như vậy, việc tìm hiệu nắm vững nguyên tắc hoạt độngcũng như quy trình vận hành cầu giàn container là một nhiệm vụ rất quan trọngđối với những cán bộ quản lí, phụ trách kĩ thuật, từ đó có thể đưa ra các phương

án khai thác, bảo dưỡng hợp lí các thiết bị trong hệ thống

Trong quá trình học tập môn trang bị điện em đã được giao đề tài thiết kế mônhọc: “Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu di chuyển xe con cầu trục giàn bốc xếpcontainer thiết kế hệ truyền động điện dùng biến tần PWM cho cơ cấu di chuyển

xe con”

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Hoàng Xuân Bình và các thầy cô giáotrong khoa cùng sự giúp đỡ của các bạn, em đã hoàn thành bản thiết kế này.Trong quá trình làm đồ án, mặc dù đã rất cố gắng nhưng do khả năng có hạn nênbản thiết kế không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sựchỉ bảo đóng góp của các thầy, cô giáo và các bạn để bản thiết kế được hoànthiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Môc lôc

Trang

1.1 Giới thiệu chung về cầu trục 3

1.3 Khái quát chung về hệ thống điều khiển truyền động điện cho

Chương 2: Tổng quan về trang bị điện điện tử cho cơ cấu di

2.1 Các hệ truyền động điện cho cầu trục 62.2 Nguyên lý và cấu trúc của bộ biến tần PWM 11

Chương 3: Thiết kế điều khiển cho cơ cấu di chuyển xe con cầu

3.1 Sơ đồ điều khiển xe con cầu trục giàn 29

3.5 Bảng quy định tín hiệu vào ra của PLC 32

3.7 Chương trình PLC điều khiển xe con cầu trục giàn 34

Chương 1: Tổng quan về cầu trục

1.1 Giới thiệu chung về cầu trục

Cầu trục và cần trục làm nhiệm vụ chuyển dịch hàng hoá,vật tư, thiết bị từchỗ này sang chỗ khác Thí dụ trong xây dựng công trình công nghiệp cầu trụcnâng các thiết bị công nghệ từ mặt đất lên cao để lắp đặt dây chuyền sản xuất.Trong nhà máy luyện kim cầu trục vận chuyển cuộn thép, phôi thép hoặc cácthùng nóng chảy để vào khuôn đúc Trong các nhà máy cơ khí cầu trục vậnchuyển các phôi gia công để gá lắp lên máy hay vận chuyển các chi tiết được giacông xong đưa sang công đoạn khác Trong cảng biển cầu trục bốc dỡ hàng từ

vận chuyển các container, các máy móc xuất nhập khẩu qua đường biển.Nhưvậy cầu trục và cần trục giúp cho con người cơ khí hoá, tự động hoá bốc xếp làmgiảm sức lao động, tăng năng suất và chấtlượng.

Điều này cho thấy trong bất kì lĩnh vực sản xuất nào cũng có sự tham gia cầutrục và cần trục.Vì tính đa dạng của nó nên cấu tạo của cần trục và cầu trục cũngrất khác nhau.Tuy nhiên chúng có đặc điểm và các cơ cấu chung thí dụ : cầu trục

có ba cơ cấu chính:cơ cấu nâng hạ, cơ cấu dịch chuyển dọc, cơ cấu dịch chuyểnngang và một số cơ cấu phụ để lấy và giữ hàng

1.2 Phân loại cầu trục

1.2.1 Phân loại theo cấu trúc điều khiển

a Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, động cơ 1 chiều

b Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, động cơ không đồng

bộ rôto lồng sóc

c Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, động cơ không đồng

bộ rôto dây quấn

d Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – BBĐT - động cơ không đồng bộ

e Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – PWM - động cơ không đồng bộ

f Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – BBĐ - động cơ điện – phụ tảiđộng

1.2.2 Phân loại theo trọng tải nâng chuyển hàng hoá

a Cầu trục có tải trọng nhỏ: Trọng tải nâng chuyển từ 1-5 tấn

b Cầu trục có tải trọng trung bình:Trọng tải nâng chuyển từ 10-30 tấn

c Cầu trục có tải trọng lớn:Trọng tải nâng chuyển từ 30-60 tấn

d Cầu trục có tải trọng rất lớn: Trọng tải nâng chuyển từ 80-1200 tấn 1.2.3 Phân loại theo đặc điểm công tác

a) Cầu trục trang bị cho kho bãi và nhà xưởng

Cầu trục chạy trên ray trang bị cho kho hàng, các phân xưởng cơ khí.Cầu trụcnày có các cơ cấu điều khiển chuyển động chính: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu dichuyển xe con,cơ cấu di chuyển giàn các cầu trục này thường được thiết kế điềukhiển tại chỗ và từ xa

b) Cầu trục khung dầm hộp chạy trên đường ray

Cầu trục khung dầm thép dạng hộp chạy trên đường ray được trang bị chocảng biển, các nhà máy đóng tàu biển Loại này thường được thiết kế có trọngtải nâng lớn, làm việc trong phạm vi quy định Gồm 3 cơ cấu điều khiển chuyểnđộng: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển giàn c) Cầu trục bốc xếp container

Cầu trục giàn bánh lốp xếp container có các cơ cấu điều khiển chuyển độngchính là: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển giàn.Việc cấp nguồn điện cho cầu trục hoạt động bằng diezen lai máy phát điện đồng

bộ Đặc điểm làm việc của cầu trục giàn bánh lốp là tính cơ động, năng suất cao.d) Cầu trục chạy trên đường ray bốc xếp container có các cơ cấu điều khiểnchuyển động chính là: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu dichuyển giàn và cơ cấu nâng hạ giàn (nâng hạ côngson).Đặc điểm công tác nổibật của loại này là có tầm với và trọng tải nâng lớn,năng suất bốc xếp rất cao.Được trang bị cho các cầu cảng chuyên dụng bốc xếp container

1.3 Khái quát chung về hệ thống điều khiển truyền động điện cho cầu trục

Khái quát về các yêu cầu cho hệ thống điều khiển truyền động cho cầu trục Đối với các thiết bị nâng vận chuyển nói chung và cầu trục nói riêng cần phảithoả mãn các điều kiện sau:

-Cần đảm bảo tốc độ nâng chuyển với tải định mức

Tốc độ chuyển động tối ưu của hàng hoá được nâng chuyển là điều kiện trướctiên để nâng cao năng suất bốc xếp hàng hoá, đưa lại hiệu quả kinh tế kĩ thuật tốtnhất cho sự hoạt động của cầu trục Nếu tốc độ nâng hạ thiết kế quá lớn sẽ đòihỏi kích thước, trọng lượng của các bộ truyền cơ khí lớn, điều này dẫn tơí giáthành cao Mặt khác tốc độ nâng hạ tối ưu đảm bảo cho hệ thống điều khiểnchuyển động của các cơ cấu thoả mãn các yêu cầu về thời gian đảo chiều, thờigian hãm, thời gian làm việc liên tục trong chế độ quá độ , gia tốc và độ giậtthoả măn yêu cầu.Ngược lại nếu tốc độ quá thấp sẽ ảnh hưởng tới năng suất bốcxếp hàng hoá

Phạm vi điều chỉnh tốc độ của các cơ cấu điều khiển chuyển động là điềukiện cần thiết để nâng cao năng suất bốc xếp đồng thời thoả mãn các yêu cầucông nghệ bốc xếp với nhiều chủng loại hàng hoá.

Số cấp tốc độ cho cầu trục ít nhất phải là 3 cấp tốc độ Cấp tốc độ thấp nhằmthoả mãn công nghệ khi nâng hạ hàng chạm đất, cấp tốc độ cao là tốc độ tối ưucho từng cơ cấu, giữa hai cấp tốc độ này thường được thiết kế thêm các tốc độtrung gian để thoả mãn công nghệ bốc xếp hàng hoá

-Có khả năng rút ngắn thời gian quá độ

Các cơ cấu điều khiển chuyển động trên cầu trục làm việc ở trong chế độngắn hạn lặp lại, vì vậy mà thời gian quá độ chiếm hầu hết thời gian công tác

Do đó việc rút ngắn thời gian quá độ là biện pháp cơ bản để nâng cao năng suất -Có trị số hiệu suất cao và cos

Công tác khai thác hợp lí cầu trục trong bốc xếp hàng hoá là một yếu tố đểnâng cao tính kinh tế của hệ thống điều khiển Như chúng ta đã biết hệ thốngtruyền động điện của các cầu trục thường không sử dụng hết khả năng công suất,

hệ số tải thường trong khoảng 0,3 – 0,4 do vậy khi chọn động cơ phải chọn loại

có cos cao và ổn định trong phạm vi rộng

-Đảm bảo an toàn hàng hoá

Bảo đảm an toàn cho hàng hoá, cho thiết bị và an toàn cho công nhân bốc xếp

là yêu cầu cao nhất trong công tác khai thác, vận hành cầu trục

-Điều khiển thuận lợi và đơn giản

Để đảm bảo thuận lợi cho người điều khiển việc thiết kế cabin điều khiểncùng với các thiết bị điều khiển phải được bố trí thuận tiện và thống nhất giữacác loại cầu trục Đồng thời người điều khiển cầu trục có thể sử dụng các lệnhkhẩn cấp một cách thuận tiện và dễ dàng

- Ổn định nhiệt cơ

Các cầu trục thông thường được lắp ráp để vận hành ngoài trời Các khu vựclàm việc thông thường có nhiệt độ biến đổi theo mùa rõ rệt Ngoài ra các cầutrục cảng biển chi ụ ảnh hưởng của hơi nước mặn, vì vậy các thiết bị điện, kếtcấu cơ khí phải được chế tạo thích hợp với các môi trường công tác

-Tính kinh tế và kĩ thuật cao

Thiết bị chắc chắn , kết cấu đơn giản, trọng lượng và kích thước nhỏ, giáthành hạ Chi phí bảo quản và chi phí năng lượng hợp lí

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TRANG BỊ ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHO CƠ

CẤU DI CHUYỂN XE CON CẦU TRỤC GIÀN 2.1 Các hệ truyền động điện cho cầu trục

Trên cầu trục bao gồm có 3 cơ cấu chính truyền động độc lập với nhau Khikết hợp điều khiển 3 cơ cấu này hoạt động hoặc điều khiển hoạt động riêng rẽtừng cơ cấu sẽ đạt được quỹ đạo bốc xếp hàng hóa theo mong muốn

Các cơ cấu của cầu trục bao gồm :

1 Truyền động cho cơ cấu nâng hạ hàng

2 Truyền động cho cơ cấu di chuyển xe con

3 Truyền động cho cơ cấu di chuyển giàn

Điều khiển chuyển động cho các cơ cấu này có thể được thực hiện là các hệtruyền động điện hoặc truyền động điên- thủy lực

Tuy nhiên các hệ truyền động điện thuần tuý khi sử dụng động cơ truyền độnglà: các động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ rôtor lồng soc hoặc dây quấn

sẽ cho đặc tĩnh điều chỉnh tốt nhất Các cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu dichuyển giàn cả cầu trục trong tính toán gần giống nhau Chúng ta sẽ phân tíchcác hệ trền động điện dùng cho cầu trục

Cấu trúc của hệ thống điện dùng cho cầu trục được đưa ra với hai dạng phổbiến trình bày trên hình 2.1 trên hình 2.1a, bao gồm các phần tử chình của hệthống động lực:

1 Động cơ điện ruyền động cho các cơ cấu

2 Phanh hãm điện từ

3 Bộ truyền cơ khí

4 Có thể là trống tời quấn cáp của cơ cấu nâng hạ hàng

5 Phanh hãm an toàn cho cơ cấu nâng hạ hàng

Với cấu trúc như trên hính 2.1a, động cơ thực hiện có thể là động cơ mộtchiều điều chỉnh tốc độ bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng và mạch kích từ.Cần chú ý rằng cuộn kích từ nối tiếp được sử dụng để hỗ trợ mômen của động

cơ trong điều khiển ở chiều nâng hạ là khác nhau.Việc đổi chiều quay của động

cơ điện một chiều được thay đổi chủ yếu bằng cách thay đổi chiều điện áp phầnứng Hệ thống cấp nguồn của động cơ một chiều có thể là máy phát điện mộtchiều có nhiều mạch phần ứng ( hệ F- Đ) hoặc bộ biến đổi tiristor - động cơ điệnmột chiều ( T-Đ).Với cấu trúc trên hình 2.1a , động cơ thực hiện là động cơkhông đồng bộ rôto lồng sóc loại có nhiều cuộn dây quấn trên stato, các tốc độkhác nhau đuợc tạo ra bằng cách đổi nối các cuộn dây hoặc thay dổi điện áp, tần

số nguồn cung cấp cho cuộn dây stato Việc đổi chiều quay cho các động cơxoay chiều không đồng bộ thường thực hiện bằng phương pháp đổi thứ tự phađiện áp nguồn cung cấp

Ưu điểm cơ bản của hệ truyền động điện trên hình 2.1a: Kết cấu hệ thống dơngiản thường xây dựng theo nguên tắc dùng tay điều khiển kết hợp với trạm từ.Đồng thời dạng này cũng cho phép phạm vi điều chỉnh tốc độ rất lớn, đầu tư banđầu thấp

Nhược điểm cuat hệ thống là độ trơn điều chỉnh không cao, có thể gây nênlực giật trong quá trình làm việc của cầu trục.Vì vậy bền vững không cao và chỉứng dụng cho các cầu trục khi yêu cầu đặc tính công nghệ nâng chuyển khôngcao

Để khắc phục các nhược điểm trên trong các hệ thống điều khiển chuyểnđộng cho các cơ cấu, ngày nay đã ứng dụng các hệ thống truyền động điện hiệnđại sử dụng bộ biến tần - động cơ không đồng bộ với thiết bị điều

khiển PLC Dạng hệ thống này cho kết quả tốt về điều chỉnh tốc độ, tính linhhoạt trong điều khiển và giám sát, cũng như hiệu quả kinh tế cao

Trên hình 2.1b biểu diễn dạng cấu trúc động lực của hệ thống truyền độngđiện đã được ứng dụng cho mhiều loại cần trục và cầu trục

Trong hệ thống bao gồm:

1 Động cơ truyền động

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện cho cầu trục

Đặc điểm cơ bản của hệ thống ở hình 2.1 là ở chỗ cấu phanh hãm điều chỉnhtốc độ 4 có thể điề chỉnh được mômen hãm theo yêu cầu và kết hợp với đặc tínhcủa động cơ điện để cho ra được đặc tính của hệ thống thoả mãn được côngnghệ nâng vận chuyển cho các loại cầu trục Đặc biệt thích hợp với cầu trụcdùng trong công nghệ lắp máy, xây dựng và các cầu trục để bốc xếp container ởcác biển Dạng hệ thống trên hình 2.1b thường được ứng dụng cho các hệ thống

có phạm vi công suất lớn sử dụng động cơ một chiều, động cơ không đồng bộrôto dây quấn

Ưu điểm của hệ thống trên hình 2.1b là có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt , độtrơn điều chỉnh sâu cả hai phía nâng hạ, trái phải

Nhược điểm của hệ là : Hệ thống điều khiển thường phức tạp và là hệ kín, giáthành tổng thể cao hiệu suất vùng điều chỉnh thấp

Sơ đồ cấu trúc điều khiển độc lập hệ thống truyền động điện điều khiểnchuyển động cho các cơ cấu của cầu trục được trình bày trên hình 2.2, chứcnăng cơ bản của các khâu như sau:

- Tay điều khiển: Tạo ra tín hiệu điều khiển hệ thống tương ứng với 3 trạngthái của tay điều khiển.Vị trí “0” hệ thống sẵn sàng hoạt động; Khi tay điềukhiển được dịc chuyển về phía”UP- DOWN” đối với các cơ cấu nâng hạ hàng;

về phía” L- P” đối với cơ cấu di chuyển giàn và xe con, cơ cấu di chuyển tayđiều khiển tạo ra tín hiệu chọn chiều cho hệ thống bằng cảm biến vị trí liên độngvới tay điều khiển Đồng thời tay điều khiển được nối liên động với trục củaencoder sử dụng các tín hiệu dạng số điều khiển giá trị tốc độ quay của động cơ.Thông thường các Encoder sử dụng hiện nay tạo ra tín hiệu điều khiển 8 bít.Như vậy tay điều khiển sẽ tạo ra 10 bit tín hiệu điều khiển (2 bit chiều và 8 bittốc độ)

- Bộ mã hoá: Bộ mã hóa tín hiệu vị trí tay điều khiển nhằm nâng cao côngsuất tín hiệu điều khiển, tăng khả năng chống nhiễu, truyền tín hiệu đi xa

- Bộ điều khiển PLC: Bao gồm CPU, các modul đầu vào DI, và các modulđầu ra DO kết nối cới các hệ thống điều khiển Để đảm bảo tính tác động nhanhcho hệ thống PLC biến đổi tín hiệu từ tay điều khiển dạng digital thành tín hiệuanalog điều khiển biến tần Đông thời thông qua PLC cung cấp thông tin giámsát sự hoạt động của toàn bộ hệ thống

- Thiết bị đón cắt: Các công tắc tơ MC dùng để đóng cắt nguồn cung cấp cho

bộ biến tần, động cơ không đồng bộ và các thiết bị thực hiện khác

- Bộ biến đổi: Bộ biến tần dùng để đièu khiển điện áp, tần số cấp cho động cơtheo luật điều khiển được thiết kế và lưu dữ trong CPU của biến tần, đồng thờithông qua biến tần có thể quan sát và đặt thông số bảo vệ động cơ

- Động cơ điện: Động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc dùng để truyền độngcho hệ thống

- Thiết bị quan sát: Máy phat tốc độ PG là thiết bị đo tốc độ động cơ cho tínhiệu dạng xung

U V W DO

DI

T S R

PB PGM PGP

THR

Pulse generator

DC REACTOR

PG

M T1

E

Link SD T2

T-2 bit chiÒu

8 bit Encorder

C¬ cÊu chÊp hµnh INVERTER

bé M· HO¸

AC 440V Main Source

Main motor

TAY §IÒU KHIÓN

PLC Processor Unit Computer

- Máy tính kết nối hệ thống: Chức năng chính của PC là để điều khiển vàgiám sát hệ thống

Các hệ thống điều khiển trên hình 2.2 có nhiều ưu điểm như tạo ra nhiều cấptốc độ Vì vậy hệ thống hoạt động êm, độ giật nhỏ, khả năng tự động hóa chotừng cầu trục cũng như toàn bộ hệ thống điều khiển khu vực cảng trong khu vựcbốc xếp hàng hoá Dạng hệ thống này ngày càng được ứng dụng rộng rãi cho hệthống điều khiển cầu trục

Hình 2.2 Cấu trúc điều khiển cho từng cơ cấu dùng PLC bộ biến tần - động

cơ không đồng bộ cho cầu trục.

*Nhận xét:

Sự phát triển kinh tế của mỗi nước phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giớihoá, tự động hoá Qua việc xem xét các hệ thống điều khiển trên thì chúng ta đãthấy rõ được các ưu điểm và nhược điểm của từng hệ thống điều khiển truyềnđộng

+Ưu điểm chung là: Tạo ra nhiều cấp tốc độ, hệ thống hoạt động êm, độ giậtnhỏ

+Nhược điểm chính là: chưa đề cập đến vẫn đề tự động hoá , tức là các hệ

2.2 GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ BIẾN TẦN GIÁN TIẾP PWM

2.2.1 Bộ biến tần gián tiếp PWM điều chế độ rộng xung

Trong công nghiệp ngày nay khi quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoángày càng phát triển mạnh mẽ thì trong xản suất công nghiệp lại càng đòi hỏi cónhững hệ thống truyền động điện có khả năng thay đổi tốc độ thường xuyên,liên tục, dễ dàng với độ chính xác cao Vấn đề điều chỉnh tốc độ là một trongnhững vấn đề chính của truyền động điện, nó có ý nghĩa quan trọng đối với quátrình công nghệ và sản xuất tiên tiến

Việc điều chỉnh tốc độ của hệ thống có thể tiến hành bằng nhiều phươngpháp như: phương pháp thủy lực, cơ khí và điều khiển tần số là một phươngpháp điều khiển hiện đại nó cho phép điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộmột cách trơn láng, phạm vi điều chỉnh rộng và đạt được hiệu quả cao

Ngày nay, việc sử dụng biến tần gián tiếp điều chế độ rộng xung để điềuchỉnh điện áp và tần số cấp cho động cơ có nhiều ưu điểm:

- Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị đặt mong muốn

- Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hởkhông đổi trong vòng điều chỉnh mômen

- Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số

- Độ tin cậy cao, với kỹ thuật tin học và điện tử công suất ngày càng pháttriển, các thiết bị bán dẫn và kỹ thuật biến đổi điện năng công suất lớn được đưavào sử dụng phổ biến thì ngày càng làm cho kỹ thuật điều chỉnh tốc độ đạt đượcchỉ tiêu về chất lượng và kinh tế

Việc sử dụng bộ biến tần gián tiếp điều chế độ rộng xung trong các thiết bịnâng hạ, hệ thống cần cẩu đảm bảo quá trình mở máy êm, dải điều chỉnh tốc độrộng, điều khiển trơn, hãm dừng chính xác

2.2.2 Nguyên lý hoạt động nói chung của bộ biến tần gián tiếp PWM

- Thiết bị biến tần

Bộ biến tần là bộ biến đổi năng lượng điện từ tần số công nghiệp (50 Hz)sang nguồn có tần số thay đổi cung cấp cho động cơ điện xoay chiều BBT chia

làm 2 loại: Bộ biến tần trực tiếp (cycloconverter) và bộ biến tần gián tiếp (cókhâu trung gian một chiều).

Bộ biến tần trực tiếp: biến đổi trực tiếp năng lượng điện xoay chiều có tần

số, điện áp này (U1, f1) thành nguồn năng lượng điện có tần số, điện áp khác(U2, f2) Bộ biến tần trực tiếp thường được sử dụng ở những hệ thống có côngsuất cao

Bộ biến tần gián tiếp: Điện áp xoay chiều có tần số công nghiệp (50Hz)được chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu không điều khiển hoặc

bộ chỉnh lưu điều khiển, sau đó được lọc và bộ nghịch lưu sẽ biến đổi thànhđiện áp 3 pha có tần số, điện áp biến đổi cung cấp cho động cơ

- Bộ biến tần có điều biến độ rộng xung

Là bộ biến tần gián tiếp, điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu được lọc nhờ tụđiện có trị số khá lớn, điện áp và tần số được điều chỉnh nhờ bộ nghịch lưu điềubiến độ rộng xung ( Pulse Width Modulation - PWM) Các mạch nghịch lưubằng các tranzito ( MOSFET, IGBT ) được điều khiển theo nguyên lý PWMđảm bảo cung cấp điện áp cho động cơ có dạng hình sin nhất

- Nguyên lý cơ bản của mạch nghịch lưu

Xét một mạch nghịch lưu một pha có sơ đồ khối như ở hình 2.14a, điện áp ra

U0 được lọc sao cho có dạng hình sin Tải của nghịch lưu là động cơ, mang tínhcảm kháng, nên dòng điện i0 sẽ chậm pha so với điện áp U0 như ở hình 2.14b.Trong khoảng 1, điện áp U0 và dòng điện i0 đều mang dấu dương, trong khi ởkhoảng 3 chúng đều mang dấu âm, nên công suất tức thời sẽ được truyền từmạch một chiều tới mạch xoay chiều, tương ứng với chế độ nghịch lưu của bộbiến đổi Ngược lại trong khoảng 2, 4 điện áp U0 ngược dấu với điện áp i0,dòng công suất sẽ truyền từ mạch xoay chiều về một chiều, tương ứng với chế

độ chỉnh lưu Như vậy, mạch nghịch lưu hình 2.14a sẽ phải có khả năng làmviệc ở góc phần tư trên mặt phẳng (i0OU0) trong một chu kỳ điện áp lưới nhưminh họa trên hình 2.14c

vµ bé läca)

c) b)

chØnh luu NghÞch luu

1 2

a Sơ đồ một pha

+ +

TA+, TA_ : được điều khiển mở bằng cách so sánh giữa điện áp răng cưa Urc

và điện áp điều khiển Uđk

TB+, TB_ : được điều khiển mở bằng cách so sánh giữa điện áp răng cưa Urc vàđiện áp điều khiển (- Uđk)

Ud, id: điện áp và dòng điện ra của bộ chỉnh lưu

- Điện áp răng cưa và điện áp điều khiển.

- Điện áp đầu ra nghịch lưu

Ưu điểm của sơ đồ nghịch lưu điều biến độ rộng xung điện áp đơn cực là tần

số điện ra gấp đôi tần số chuyển mạch và điện áp đầu ra khi chuyển mạch thayđổi với trị số Ud so với 2Ud ở sơ đồ chuyển mạch điện áp lưỡng cực Do tần sốđiện áp ra gấp đôi tần số chuyển mạch nên dải tần số thành phần sóng hài gấpđôi so với sơ đồ nghịch lưu điều biến với chuyển mạch điện áp lưỡng cực

b Mạch nghịch lưu 3 pha

Sơ đồ nghịch lưu 3 pha được biểu diễn trên hình 2.17, gồm 3 nhánh, mỗinhánh tương tự như một nhánh của sơ đồ nghịch lưu một pha hình 2.15

C B

+ +

U d / 2

U d / 2

Hình 2.6: Sơ đồ nghịch lưu ba pha

Phương pháp điều biến độ rộng xung cho phép định hình và điều khiển cảbiên độ và tần số điện áp tải khi nghịch lưu được cấp từ một điện áp một chiều

Ud không đổi Để nhận được điện áp đối xứng ba pha, các điện áp điều khiểnhình sin đối xứng ba pha lệch nhau 120o được so sánh với cùng một điện áprăng cưa Các phần tử chuyển mạch được điều khiển theo phương pháp điềubiến điện áp đơn cực Dạng điện áp của sơ đồ nghịch lưu 3 pha được biểu diễntrên hình 2.18

UAB = UAN - UBN

Hình 2.7: Dạng điện áp của sơ đồ nghịch lưu 3 pha

2.3 Tổng quan về PLC S7-300

2.3.1 Thiết bị điều khiển logic khả trình

Thiết bị điều khiển logic khả trình ( Programmable Logic Control ), viết tắt

thành PLC, là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển

số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc thực hiện thuật toán đó bằngmạch số Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành bộđiều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt là dễ trao đổi thông tin

với môi trường xung quanh(với các PLC khác hoặc với máy tính ) Toàn bộ

chương trình điều khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối

chương trình ( khối OB, FC hoặc FB ) và được thực hiện lặp theo chu kì của

vòng quét

Hình 2.8 Nguyên lí chung về cấu trúc của một bộ PLC.

1 Khối vi xử lí trung tâm và hệ điều hành

bộ thời gian và những khối hàm chuyên dụng.

2.3.2 Các module của PLC S7 - 300

* Modul CPU

Modul CPU là loại modul có chứa bộ vi xử lí, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộthời gian, bộ đếm, cổng truyền thông và có thể có một vài cổng vào ra số Cáccổng vào ra số có trên modul CPU được gọi là cổng vào ra onboard

Trong họ PLC S7 – 300 có nhiều loại modul CPU khác nhau Nói chungchúng được đặt tên theo bộ vi xử lí có trong nó như modul CPU 312, modulCPU 314

Những CPU cùng sử dụng một loại vi xử lí, nhưng khác nhau về cổng vào raonboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệđiều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng vào ra onboard này sẽ được phânbiệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM (Intergrated FunctionModul)

Ngoài ra còn có các loại CPU với 2 cổng truyền thông, trong đó cổng truyềnthông thứ 2 có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán Tất nhiên

hợp cũng đã được cài sẵn trong chương trình Các loại CPU này được phân biệtvới các CPU khác bằng thêm cụm từ DP.

* Modul mở rộng

Các module mở rộng được chia thành 5 lại chính

1 PS ( Power supply ) : Module nguồn nuôi, có 3 loại 2A, 5A, 10A.

2 SM ( Signal module ) : Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra bao gồm :

- DI ( Digital input ) : Module mở rộng các cổng vào số Số các cổng vào số

mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module

- DO ( Digital output ) : Module mở rộng các cổng ra số Số các cổng ra số

mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module

- DI/DO (Digital input/ Digital output) : Module mở rộng các cổng vào/ra số.

Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/ 8 ra hoặc 16 vào/ 16 ra tuỳ thuộcvào từng loại module

- AI ( Analog input ) : Module mở rộng các cổng vào tương tự Về bản chất

chúng chính là những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bits ( AD ), tức là mối tínhiệu tương tự được chuyển thành tín hiệu số có độ dài 12 bits Số các cổng vàotương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ thuộc vào từng loại module

- AO ( Analog output ) : Module mở rộng các cổng ra tương tự Về bản chất

chúng chính là những bộ chuyển đổi số tương tự 12 bits ( DA ) Số các cổng ratương tự có thể là 2 hoặc 4 tuỳ thuộc vào từng loại module

- AI/AO ( Analog input/ Analog output ) : Module mở rộng các cổng vào/ra

tương tự Số các cổng tương tự có thể là 4 vào/2ra hoặc 4vào/4 ra tuỳ thuộc vàotừng loại module

3 IM ( Interface module ) : Module ghép nối Đây là loại module chuyên

dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành mộtkhối và được quản lí chung bởi một CPU Thông thường các module mở rộngđược gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là thanh rack Trên mỗi một thanh

rack chỉ có thể gá tối đa 8 module mở rộng ( không kể module CPU, modulenguồn nuôi ) Một module CPU S7 – 300 có thể làm việc trực tiếp với nhiềunhất 4 rack và các rack này phải được nối với nhau bằng module IM.

4 FM ( Function module ) : Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ

như module điều khiển động cơ bước, module điều khiển động cơ servo, modulePID, module điều khiển vòng kín

5 CP ( Communication module ) : Moduel phục vụ truyền thông trong mạng

giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

2.3.3 Cấu trúc bộ nhớ của CPU.

1) Vùng chứa chương trình ứng dụng Vùng nhớ chương trình được chia làm

3 miền

- OB ( Organisation block ) : Miền ch chương trình tổ chức.

- FC ( Function ) : Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có

biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó

- FB ( Function block ) : Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành

hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất kì một một khối chương trình nào

khác Các dữ liệu này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là DB-Data block ).

2) Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, đượcphân chia thành 7 vùng khác nhau bao gồm :

- I ( Process image input ) : Miền bộ đệm các dữ liệu vào cổng số Trước khi

bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầuvào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I Thông thường chương trình ứng dụngkhông đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổngvào từ bộ đệm I

- Q ( Process image output ) : Miền bộ đệm các dữ liệu ra số Kết thúc giai

các cổng ra số Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tậncổng ra mà chỉ truyền chúng vào bộ đệm Q.

- M : Miền các biến cờ Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu

gữ các tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo bit ( M ), byte ( MB), từ( MW ) hay từ kép ( MD )

- T : Miền nhớ phục vụ bộ thời gian, bao gồm việc lưu trữ giá trị thời gian

đặt trước ( PV - Preset value ), giá trị đếm thời gian tức thời(CV - Current value ) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ thời gian.

C : Miền nhớ phục vụ bộ đếm, bao gồm lưu trữ giá trị đặt trước (PV Preset value ), giá trị đếm tức thời ( CV - Current value ) và giá trị logic đầu ra

-bộ đếm

- PI : Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự Các giá trị tương tự tạicổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự động theonhững địa chỉ Chương trình ứng dụng dụng có thể truy cập miền nhớ PI theotừng byte ( PIB ), từng từ ( PIW) hoặc theo từng từ kép ( PID )

- PQ : Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự Các giá trị tương tựtheo những địa chỉ này sẽ được các module tương tự chuyển tới các cổng ratương tự Chương trình ứng dụng dụng có thể truy cập miền nhớ PQ theo từngbyte ( PQB ), từng từ ( PQW) hoặc theo từng từ kép ( PQD )

3) Vùng chứa các khối dữ liệu, được chia làm 2 loại :

- DB ( Data block ) : Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối Kích

thước cũng như số lượng khối do người sử dụng qui định, phù hợp với từng bàitoàn điều khiển Chương trình có thể truy cập miền này theo từng bit ( DBX ),byte ( DBB ), từ ( DBW ), hoặc từ kép ( DBD )

- L ( Local data block ) : Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương

trình OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến tức thời và trao đổi dữ liệucủa biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó Nội dung của một số

dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong

OB, FC, FB Miền này có thể truy cập từ chương trình theo bit ( L ), byte ( LB ),

từ ( LW ) hoặc từ kép ( LD )

2.3.4 Nguyên tắc trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng

Trong trạm PLC luôn có sự trao dổi dữ liệu giữa CPU và các modul mở rộngthông qua bus nội bộ Ngay tại đầu vòng quét, các dữ liệu tại các cổng vào củamodul số (DI) đã được CPU chuyển tới bộ đệm vào số Cuối mỗi vòng quét nộidung của bộ đệm ra số lại được CPU chuyển tới cổng ra của các modul số (DO).Việc thay đổi nội dung 2 bộ đệm này được thực hiện bởi chương trình ứng dụng(user program) Điều này cho thấy nếu trong chương trình ứng dụng có nhiềulệnh đọc ghi giá trị cổng vào số thì cho dù giá trị logic thực có của cổng vào này

có thể đã bị thay đổi trong quá trình thực hiện vòng quét, chương trình vẫn sẽluôn đọc được một giá trị từ I và giá trị đó chính là giá trị của cổng vào tại đầuvòng quét Cũng như vậy nếu chương trình ứng dụng nhiều lần thay đổi giá trịcho một cổng ra số thì do nó chỉ thay đổi bit nhớ tương ứng trong Q nên chỉ cógiá trị ở lần thay đổi cuối cùng mới thực sự được đưa đến cổng ra vật lí củamodul DO

Khác hẳn với việc đọc ghi cổng số, việc truy cập các cổng vào/ra tương tự lạiđược CPU thực hiện trực tiếp với các modul mở rộng (AI/AO) Như vậy mỗilệnh đọc giá trị thuộc vùng PI sẽ thu được một giá trị đúng bằng giá trị thực cótại cổng tại thời điểm thực hiện lệnh Tương tự lệnh gửi một giá trị ( số nguyên

16 bit) tới địa chỉ vùng PQ, giá trị đó được gửi ngay tới cổng ra tương tự củamodul

Sở dĩ có sự khác nhau như vậy là do đặc thù về sự tổ chức bộ nhớ và phânchia địa chỉ của PLC Chỉ có các modul vào/ra số mới có bộ đệm còn các modulvào ra tương tự thì không, chúng chỉ được cung cấp địa chỉ để truy cập ( địa chỉ

PI và PQ)

Tuy nhiên miền địa chỉ PI và PQ lại được cung cấp nhiều hơn là số cổng vào

địa chỉ của PI và PQ lại là từ 0 đến 65535 Điều này tạo khả năng kết nối cáccổng vào/ra số với những địa chỉ dôi ra đó trong PI/PQ giúp chương trình ứngdụng có thể truy cập trực tiếp các modul DI/DO mở rộng để có được giá trị tứcthời tại cổng mà không cần thông qua bộ đệm I và Q

Hình 2.9 Nguyên tắc trao đổi dữ liệu giữa CPU và các modul mở rộng 2.3.5 Vòng quét chương trình:

Nguyên tắc hoạt động của CPU là sử dụng vòng quét chương trình Một vòngquét được chia làm 4 giai đoạn :

- Giai đoạn 1 chuyển dữ liệu từ các cổng vật lí tới vùng đệm để chờ xử lí

- Giai đoạn 2 thực hiện chương trình Trong từng vòng quét chương trìnhđược thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1

- Giai đoạn 3 chuyển các nội dung từ bộ đệm ảo Q tới cổng ra vật lí

- Giai đoạn 4 là truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi 1

4 2 Vòng quét

3