LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ BA PHA VỚI PLC S71200

: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THÔNG SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA VỚI PLC S71200 đồ án tốt nghiệp trường đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên : LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THÔNG SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA VỚI PLC S71200

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THÔNG SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

VỚI PLC S7-1200

Giảng viên hướng dẫn : TS Đỗ Thành Hiếu

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Khánh

MSSV : 11219150

Lớp : 112196.1

HƯNG YÊN – 2023

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hưng yên, ngày….tháng….năm 2023

Giáo viên hướng dẫn

LỜI CẢM ƠN

Qua một thời gian thực hiện, đến nay đề tài: “Lập trình điều khiển và giám sát

thông số hệ truyền động điện biến tần - động cơ không đồng bộ ba pha với PLC

S7-1200” đã được hoàn thành Trong thời gian thực hiện, em đã nhận được rất nhiều sự

giúp đỡ quý báu của thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn tới thầy TS Đỗ Thành Hiếu đã hướng dẫn, giúp đỡ

em tận tình trong quá trình thực hiện đồ án Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn Kỹ thuật điện, đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án

Hưng Yên, ngày tháng năm 2023

MỤC LỤC

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

ĐỒNG BỘ BA PHA VÀ BIẾN TẦN 10

1.1 Khái niệm chung về động cơ không đồng bộ 3 pha 10

1.1.1 Cấu tạo 10

1.1.2 Nguyên lý hoạt động 13

1.1.3 Ứng dụng 15

1.1.4 Một số phương pháp điều khiển tốc độ 15

1.2 Khái niệm biến tần 19

1.2.1 Phân loại 19

1.2.2 Cấu tạo biến tần 20

1.2.3 Nguyên lý hoạt động 20

1.2.3 Lợi ích của biến tần 21

1.3 Kết luận chương 1 22

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PLC S7-1200 VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH 23

2.1.Tổng quan về PLC 23

2.2 Cấu tạo và nguyên lý 23

2.3 Phân loại 24

2.4 Ưu điểm 25

2.5 Giới thiệu về PLC S7-1200 25

2.5.1 Phân vùng bộ nhớ 25

2.5.2 Cấu trúc cơ bản 26

2.5.3 Các đèn báo trạng thái 26

2.5.4 Tập lệnh cơ bản của PLC S7-1200 27

2.6 Phần mềm TIA-Portal 29

2.6.1 Giới thiệu chung về phần mềm TIA-Portal 29

2.6.2 Ưu - nhược điểm khi sử dụng TIA Portal 29

2.6.3 Các bước thực hiện một Project mới 29

2.7 Kết luận chương 2 31

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG 32

3.1 Màn hình HMI 32

3.2 PLC S7-1200 CPU 1211C AC/DC/RLY 35

3.3 Biến tần Mitsubishi FR-D720 37

3.4 Card truyền thông CB 1241 42

3.4.1 Truyền thông trong công nghiệp 42

3.4.2 Mạng truyền thông công nghiệp Modbus 42

3.4.3 Ưu điểm của truyền thông Modbus 43

3.4.4 Các loại truyền thông Modbus dùng trong công nghiệp 43

3.4.5 Giới thiệu Card truyền thông CB 1241 RS485 44

3.4.6 Cấu hình giao tiếp 44

3.5 Kết luận chương 3 45

CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THÔNG SỐ HỆ THỐNG 46

4.1 Sơ đồ điều khiển 46

4.1.1 Sơ đồ khối 46

46

4.1.2 Sơ đồ kết nối 46

4.2 Cài đặt thông số trên biến tần 49

4.3 Lập trình giao diện HMI 50

4.4 Chương trình điều khiển 51

4.5 Sản phẩm hoàn thiện 55

4.6 Kết luận chương 4 55

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Stato động cơ không đồng bộ 3 pha 10

Hình 1.2 Vỏ máy động cơ không đồng bộ 11

Hình 1.3 Roto động cơ không đồng bộ 11

Hình 1.4 Cấu tạo máy điện không đồng bộ roto dây quấn 12

Hình 1.5 Loại roto kiểu dây quấn 12

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ 13

Hình 1.7 Đặc tính cơ khi thay đổi tần số 16

Hình 1.8 Đặc tính cơ khi giảm điện áp stato 17

Hình 1.9 Đặc tính cơ khi thay điện trở mạch roto 18

Hình 1.10 Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực 18

Hình 1.11 Biến tần trong công nghiệp 19

Hình 1.12 Cấu tạo chung của biến tần 20

Hình 1.13 Nguyên lý hoạt động của biến tần 21

Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của PLC 23

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của PLC 24

Hình 2.3 Hình ảnh thực tế 26

Hình 2.4 Phần mêm TIA-PORTAL 29

Hình 2.5 Tạo 1 dự án mới 30

Hình 2.6 Thiết lập giao diện 30

Hình 2.7 Thao tác lập trình 30

Hình 2.8 Download và Up load chương trình 31

Hình 3.1 Ứng dụng của HMI trong công nghiệp 32

Hình 3.2 HMI KINCO MT4414TE 34

Hình 3.3 Kết nối với HMI với PLC qua Ethernet 34

Hình 3.4 Chọn địa chỉ cho tín hiệu 35

Hình 3.5 Tải chương trình lên HMI 35

Hình 3.6 Hình ảnh PLC S7-1200 CPU 1211C AC/DC/RLY 35

Hình 3.7 Biến tần Mitsubishi FR-D720 37

Hình 3.8 Màn hình biến tần Mitsubishi FR-D720 38

Hình 3.9 Sơ đồ chân biến tần Mitsubishi FR-D720 39

Hình 3.10 Truyền thông công nghiệp Modbus 42

Hình 3.11 CB 1241 RS485 -6ES7241-1CH30-1XB0 44

Hình 3.12 Hình ảnh tập lệnh giao tiếp MODBUS RTU 45

Hình 4.1 Sơ đồ khối 46

Hình 4.2 Sơ đồ cấp nguồn 46

Hình 4.3 Sơ đồ đấu nối IN/OUT của PLC 47

Hình 4.4 Sơ đồ đấu nối biến tần 47

Hình 4.5 Sơ đồ kết nối truyền thông giữa PLC và biến tần 48

Hình 4.6 Bố trí thiết bị trong tủ 48

Hình 4.7 Giao diện thiết kế của đề tài 50

Hình 4.8 Địa chỉ ngõ vào ra của PLC 54

Hình 4.9 Đọc dữ liệu của 54

Hình 4.10 Điều khiển giá trị động cơ thông qua biến tần 54

Hình 4.12 Hình ảnh sản phẩm 55

.DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng so sánh giữa 2 hệ thống điều khiển 25

Bảng 2.2 Lệnh xử lý bit cơ bản 27

Bảng 2.3 Tập lệnh di chuyển 27

Bảng 2.4 Lệnh toán học cơ bản 28

Bảng 2.5 Lệnh Timer và counter cơ bản 28

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật màn hình KINCO MT4414TE 33

Bảng 3.2 Cài đặt thông số cơ bản cho biến tần 41

Bảng 4.1 Cài đặt thông số của biến tần giao tiếp truyền thông 49

LỜI NÓI ĐẦU

Một trong những thành tựu quan trọng nhất của tiến bộ khoa học kỹ thuật là tự động hóa sản xuất Nó cho phép nâng cao độ chính xác gia công, đồng thời cũng rút ngắn được thời gian sản xuất, giảm sức lao động, tăng cao năng suất và an toàn lao động, mang lại hiệu quả kinh tế Chính vì vậy ở nước ta hiện nay và nhiều nước trên thế giới

đã và đang ứng dụng rộng rãi các dây chuyền tự động vào hầu hết các lĩnh vực sản xuất Thực tế cho thấy các dây chuyền sản xuất tự động đều được giám sát và điều khiển thông qua bộ PLC và biến tần vì tính linh hoạt của nó, đễ lắp đặt, bảo trì, bền và dễ lập

trình, cài đặt Nhóm em xin chọn đề tài: “Lập trình điều khiển và giám sát thông số hệ

truyền động điện biến tần - động cơ không đồng bộ ba pha với PLC S7-1200”

 Phương pháp nghiên cứu :

Sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp và thực nghiệm để thực hiện đề tài

 Nội dung nghiên cứu:

Nghiên cứu các cơ cấu chấp hành bằng PLC, cụ thể trong ứng dụng kết nối, điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha

Nghiên cứu, ứng dụng kết nối, điều khiển biến tần FR-D720

Nghiên cứu về HMI Kinco kết nối với PLC

Kết nối và vận hành một hệ thống bao gồm HMI-PLC-Biến Tần để điều khiển cho động cơ điện xoay chiều 3 pha

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA VÀ BIẾN TẦN 1.1 Khái niệm chung về động cơ không đồng bộ 3 pha

Động cơ điện không đồng bộ, còn gọi là motor không đồng bộ, là 1 loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ có tốc độ quay của roto n khác với tốc độ quay từ trường n1 Động cơ không đồng bộ có thể làm việc ở 2 chế độ là động cơ

và máy phát điện Động cơ không đồng bộ thường được sử dụng nhiều trong sản xuất

và đời sống vì được chế tạo rất đơn giản, giá thành rẻ và độ tin cậy cao, phương pháp vận hành đơn giản, đem lại hiệu suất cao và gần như không cần phải bảo trì

1.1.1 Cấu tạo

Động cơ không đồng bộ về cấu tạo được chia làm hai loại: động cơ không đồng

bộ ngắn mạch hay còn gọi là roto lồng sóc và động cơ dây quấn

Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 3 pha gồm hai bộ phận chính là: stato và roto, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy

Yêu cầu lõi sắt là phải dẫn từ tốt, tổn hao sắt nhỏ và chắc chắn

Mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm tổn hao

do dòng điện xoáy gây nên (hạn chế dòng điện phuco)

- Dây quấn

Dây quấn stato được đặt vào rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt Dây quấn đóng vai trò quan trọng của máy điện vì nó trực tiếp tham gia các quá trình biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng hay ngược lại, đồng thời về mặt kinh tế thì giá thành của dây quấn cũng chiếm một phần khá cao trong toàn bộ giá thành máy

- Vỏ máy

Hình 1.2 Vỏ máy động cơ không đồng bộ

Vỏ máy là nơi cố định lõi sắt, dây quấn và đồng thời là nơi ghép nối nắp hay gối

đỡ trục Vỏ máy có thể làm bằng gang nhôm hay lõi thép Để chế tạo vỏ máy người ta

có thể đúc, hàn, rèn Vỏ máy có hai kiểu: Vỏ kiểu kín và vỏ kiểu bảo vệ Vỏ máy kiểu kín yêu cầu phải có diện tích tản nhiệt lớn nên cần làm nhiều gân tản nhiệt trên bề mặt

vỏ máy Vỏ kiểu bảo vệ thường có bề mặt ngoài nhẵn, gió làm mát thổi trực tiếp trên bề mặt ngoài lõi thép và trong vỏ máy

Phân làm hai loại chính: Loại roto kiểu dây quấn và loại roto kiểu lồng sóc Loại roto kiểu dây quấn:

Động cơ roto có dây quấn thường là máy điện có công suất trung bình trở lên dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp, vì bớt những dây đầu nối, kết cấu dây quấn trên roto chặt chẽ Máy điện cỡ nhỏ dùng dây quấn đồng tâm một lớp Dây quấn ba pha của roto thường đấu hình sao

Hình 1.4 Cấu tạo máy điện không đồng bộ roto dây quấn Dây quấn làm bằng dây điện từ đặt trong các rãnh lõi thép của roto Dây quấn roto gồm 3 bộ dây, đặt lệch nhau 120 độ điện, ba đầu ra được nối với ba vành trượt bằng thanh đồng, ba vành trượt này được cách điện với nhau và với trục Tỳ nên ba vành trượt

là ba chổi than để nối mạch điện với các điện trở ngoài

Đặc điểm của loại động cơ kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch roto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hay cải thiện hệ số công suất của máy

Kết cấu của loại dây quấn rất khác với dây quấn stato Trong mỗi rãnh của lõi sắt roto, đặt các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch bằng đồng hay nhôm Nếu là roto đúc nhôm thì trên vành ngắn mạch còn có các cánh khoáy gió

Hình 1.5 Loại roto kiểu dây quấn

Roto thanh đồng được chế tạo từ đồng hợp kim có điện trở suất cao nhằm mục đích nâng cao momen mở máy

Để cải thiện tính năng mở máy, đối với máy có công suất lớn, người sản xuất làm rãnh roto sâu hoặc dùng lồng sóc kép Đối với máy điện cỡ nhỏ, rãnh roto được làm chéo góc so với tâm trục

p: Số đôi cực từ (cặp cực) của dây quấn

Vì dây quấn roto nối ngắn mạch nên suất điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn roto Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện cảm ứng kéo roto quay cùng chiều từ trường quay với tốc độ n

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ

Từ trường quay của stato cảm ứng trong dây roto sức điện động E, vì dây quấn stato kín mạch nên trong đó có dòng điện chạy Sự tác dụng tương hỗ giữa các thanh dẫn mang dòng điện với từ trường của máy tạo ra các lực điện từ F tác dụng lên thanh dẫn có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái

Tập hợp các lực tác dụng lên thanh dẫn theo phương tiếp tuyến với bề mặt roto tạo

ra momen quay roto Như vậy, ta thấy điện năng lấy từ lưới điện đã được biến thành cơ năng trên trục động cơ Nói cách khác, động cơ không đồng bộ là một thiết bị điện từ,

có khả năng biến điện năng lấy từ lưới điện thành cơ năng đưa ra trên trục của nó Chiều quay của roto là chiều quay của từ trường, vì vậy phụ thuộc vào thứ tự pha của điện áp lưới đặt trên dây quấn stato

Tốc độ của roto n là tốc độ làm việc và luôn luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường n1 và chỉ trong trường hợp đó mới xảy ra cảm ứng sức điện động trong dây quấn roto Hiệu

số tốc độ quay của từ trường và roto được đặc trưng bằng một đại lượng gọi là hệ số trượt s:

1 1

n n s

n



Khi s0 nghĩa là n1 = n tốc độ roto bằng tốc độ từ trường, chế độ này gọi là chế

độ không tải lý tưởng (không có bất cứ sức cản nào lên trục) Ở chế độ không tải thực,

𝑠 ≈ 0 vì có một ít sức cản gió, ma sát do ổ bi … Khi hệ số trượt bằng s = 1 lúc đó roto đứng yên (n = 0) momen trên trục bằng momen mở máy

Hệ số trượt ứng với tải định mức gọi là hệ số trựơt định mức Tương ứng với hệ

số trượt này gọi tốc độ động cơ gọi là tốc độ định mức

Tần số dòng điện trong roto rất nhỏ, nó phụ thuộc vào tốc độ trượt của roto so với

Động cơ không đồng bộ có thể cấu tạo thành động cơ một pha Động cơ một pha

không thể tự mở máy được, vì vậy để khởi động động cơ một pha cần có các phần tử khởi động như tụ điện, điện trở …

Trong công nghiệp: nó được dùng làm băng chuyền, băng tải,…

Trong các máy móc phụ vụ sinh hoạt: có thể kể đến là máy bơm nước, quạt điện,…

1.1.3 Ứng dụng

Động cơ không đồng bộ là máy điện chủ yếu dùng làm động cơ điện Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu quả cao, giá thành rẻ, dễ bảo quản… Nên động cơ không đồng bộ là loại máy điện được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất vài chục W đến hàng chục kW

Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ… Trong hầm mỏ dùng làm máy tưới hay quạt gió Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm hay máy gia công nông phẩm

Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng bộ cũng đã chiếm một vị trí quan trọng như quạt gió, quay đĩa động cơ trong tủ lạnh, máy giặt, máy bơm … nhất là loại roto lồng sóc Tóm lại sự phát triển của nền sản suất điện khí hóa, tự động hóa và sinh hoạt hằng ngày, phạm vi của máy điện không bộ ngày càng được rộng rãi

1.1.4 Một số phương pháp điều khiển tốc độ

Phương trình đặc tính cơ của động cơ 3 pha:

M

s s

2 2 1

2 1

mm

R s

U M

R : Điện trở roto đã quy đổi về stato

a, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số

Từ biểu thức:

1 1

f th

nm

U M

1 2 1

U const

f Như vậy Mth sẽ giữ không đổi trong vùng f1 ≤ fdm Ở vùng f1 > fdm thì không được tăng điện áp nguồn cấp mà giữ U1 = const Momem tới hạn tỷ lệ nghịch với bình phương tần số

Khi tăng tần số nguồn mà vẫn giữ nguyên Uf thì momen tới hạn cực đại Mth giảm rất nhiều Do đó khi thay đổi tần số f1 thì đồng thời phải thay đổi U1 theo các quy định nhằm đảm bảo sự làm việc tương ứng giữa momen động cơ và momen phụ tải Nghĩa

là tỉ số giữa momen cực đại của động cơ và momen phụ tải tĩnh đối với các đặc tính cơ

là hằng số

Hình 1.7 Đặc tính cơ khi thay đổi tần số

Ưu điểm: Cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều, hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tần có kết cấu đơn giản, làm việc được trong nhiều môi trường khác nhau, khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng Có khả năng đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau

như các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc (dệt, băng tải ) Các thiết bị đơn lẻ yêu cầu tốc độ làm việc cao (máy li tâm, máy mài )

Nhược điểm: Giá thành của một bộ biến tần khá cao và đòi hỏi người vận hành phải có trình độ

Ứng dụng: Các bộ bến tần này thường được sử dụng cho việc điều chỉnh tốc độ trong truyền động chính của các máy mài cao tốc, điều chỉnh tốc độ động cơ trong các hệ thống băng tải

b, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stato

Momen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp stato còn hệ số

trượt tới hạn không đổi, do đó có thể điều chỉnh được momen và tốc độ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số

Hình 1.8 Đặc tính cơ khi giảm điện áp stato Phương pháp này chỉ được thực hiện trong việc giảm điện áp Nếu Mt không đổi thì tốc độ giảm.Do momen giảm nhiều nên giảm rõ rệt khả năng mang tải của động cơ, nếu điện áp thấp đến mức momen lớn nhất thấp hơn momen phụ tải → động cơ không quay

Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp nguồn được sử dụng rộng rãi vì thực hiện dễ dàng và tự động hóa, đặc biệt

là bộ điều chỉnh điện áp dùng thyristor

Nhược điểm: Xét về chỉ tiêu năng lượng, tuy tổn thất trong bộ biến đổi không đáng

kể nhưng điện áp stato bị biến dạng so với hình sin nên tổn thất phụ trong động cơ lớn

do đó hiệu suất không cao Do độ trượt tới hạn nhỏ nên phương pháp này không áp dụng cho động cơ roto lồng sóc, khi điều chỉnh điện áp cho động cơ roto dây quấn cần nối thêm điện trở phụ vào mạch roto để mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và momen

Ứng dụng: Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà momen tải là hàm tăng theo tốc độ như quạt gió, bơm ly tâm,

c, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở

Khi thay đổi điện trở phụ trong mạch roto động cơ không đồng bộ sẽ làm cho sth thay đổi tỷ lệ bậc nhất với điện trở, còn Mth = const không thay đổi vì thế sẽ thay đổi

tốc độ động cơ Như vậy điện trở phụ càng lớn thì sth càng lớn tốc độ càng nhỏ

Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện trở phụ có ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền, dễ điều chỉnh tốc độ động cơ

Nhược điểm: Điều chỉnh không triệt để, phạm vi điều chỉnh hẹp, điều chỉnh trong mạch roto, dòng roto lớn nên phải thay đổi từng cấp điện trở phụ, công suất điều chỉnh lớn, tổn hao năng lượng trong quá trình điều chỉnh lớn

Hình 1.9 Đặc tính cơ khi thay điện trở mạch roto Ứng dụng: Phương pháp này thường được áp dụng cho điều chỉnh tốc độ các động

cơ truyền động cho các máy nâng - vận chuyển có yêu cầu điều chỉnh tốc độ không cao

d, Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng thay đổi số đôi cực

Dây quấn stato có thể được nối thành bao nhiêu cặp số đôi cực khác nhau thì tốc

độ động cơ cũng có bấy nhiêu cấp Vì vậy, việc thay đổi tốc độ động cơ chỉ có thể thay đổi từng cấp 1 cách không bằng phẳng Có nhiều cách để tiến hành thay đổi số đôi cực của phần dây quấn stato, chẳng hạn:

Đổi cách nối dây để có được các cặp số đôi cực khác nhau, thường dùng trong động cơ điện 2 tốc độ, căn cứ theo tỷ lệ 2:1

Trên rãnh stato, đặt 2 dây quấn độc lập có các cặp số đôi cực khác nhau, thường thì để đạt 2 tốc độ theo tỷ lệ là 4:3 hoặc 6:5

Trên rãnh stato của động cơ có đặt 2 dây quấn độc lập luôn có cặp số đôi cực khác nhau, mỗi dây quấn của nó lại có thể thay đổi cách nối để có được các số đôi cực không giống nhau

Hình 1.10 Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực Dây quấn roto trong động cơ 3 pha không đồng bộ chính là roto dây quấn có số đôi cực bằng với số đôi cực của toàn bộ dây quấn stato Do đó, khi đấu lại dây quấn

stato cho động cơ để có được các cặp số đôi cực khác nhau thì dây quấn roto cũng phải được đấu lại, điều này sẽ không tiện lợi

1.2 Khái niệm biến tần

Biến tần (AC Drives) là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều hoặc xoay chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số và điện áp có thể điều chỉnh

Hình 1.11 Biến tần trong công nghiệp Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động

cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí Biến tần sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự dòng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay động cơ Các biến tần có thể điều chỉnh tốc độ động cơ từ chậm đến nhanh tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, giúp cho động cơ hoạt động hiệu quả hơn

Do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi điện tử và điện tử công suất, các bộ biến tần ra đời đã mở ra một triển vọng lớn trong lĩnh vực điều khiển động cơ xoay chiều bằng phương pháp tần số Sử dụng biến tần để điều khiển động cơ theo các quy luật khác nhau (quy luật V/f, điều khiển véc tơ ) đã tạo ra những hệ điều khiển tốc độ động

cơ có tính năng vượt trội

1.2.1 Phân loại

 Phân loại theo nguyên lý làm việc:

1 Biến tần trực tiếp: Là bộ biến tần biến đổi thẳng dòng điện xoay chiều tần số f1 thành tần số f2 không qua khâu chỉnh lưu

- Ưu điểm:

+ Phụ tải có thể trao đổi năng lượng với lưới một cách liên tục

+ Hiệu suất bộ biến tần cao

- Nhược điểm:

+ Thay đổi tần số ra khó khăn

+ Tần số ra f2 phụ thuộc vào tần số vào f1 (f2 ≤ f1)

2 Biến tần gián tiếp: Là bộ biến tần mà dòng điện xoay chiều đầu vào tần số f1 được chỉnh lưu thành dòng điện 1 chiều, lọc rồi lại được nghịch lưu thành dòng điện xoay chiều tần số f2

- Vì f2 không phụ thuộc vào f1 nên bộ biến tần gián tiếp được sử dụng rộng rãi hơn

 Phân loại theo cấp điện áp

- Biến tần AC, biến tần DC; biến tần 1 pha 220V, biến tần 3 pha 220V, biến tần 3 pha 380V,

1.2.2 Cấu tạo biến tần

Hình 1.12 Cấu tạo chung của biến tần Mỗi loại biến tần có cấu tạo khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điều khiển

Các thành phần chính của biến tần được thiết kế để hoạt động ổn định và bền bỉ trong môi trường công nghiệp

- Mạch nguồn: Cung cấp điện năng cho toàn bộ biến tần

- Mạch điều khiển: Là trung tâm điều khiển của biến tần, nơi thực hiện chức năng điều khiển, lập trình và bảo vệ

- Mạch chuyển đổi tần số: Là mạch chính của biến tần, thực hiện chức năng biến đổi tần số dòng điện đầu vào 50Hz thành tần số dòng điện đầu ra điều chỉnh được từ 0 đến 400Hz Mạch chính bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ lọc, bộ nghịch lưu IGBT

- Mạch bảo vệ: Bao gồm các thiết bị bảo vệ quá tải, bảo vệ quá dòng, bảo vệ các sự cố điện có thể gây ảnh hưởng đến hoạt động ổn định của hệ thống

- Màn hình - bàn phím: Được sử dụng để thực hiện các thao tác giám sát, cài đặt

và điều khiển từ người vận hành

- Ngoài ra biến tần còn có thể được tích hợp: Module truyền thông, bộ điện kháng xoay chiều, bộ điện kháng 1 chiều, điện trở hãm (điện trở xả),

1.2.3 Nguyên lý hoạt động

Máy biến tần hoạt động dựa trên nguyên tắc điều chỉnh tần số (f) của điện áp đầu

vào theo công thức (1.1)

Ta có thể thay đổi hệ số trượt (s) và số cực (p) để thay đổi tốc độ động cơ xoay chiều (n) nhưng 2 phương pháp kể trên đều kém hiệu quả và gặp nhiều khó khăn khi thực hiện Vậy nên, điều chỉnh tần số (f) là phương pháp tốt nhất hiện nay

- Đầu tiên, biến tần nhận nguồn đầu vào từ nguồn cung cấp điện Tùy từng loại biến tần, nguồn điện đầu vào có thể là nguồn 1 pha hoặc 3 pha, nhưng nó sẽ ở mức điện

áp và tần số cố định (ví dụ nguồn đầu vào 3 pha 380V tần số 50Hz) Nguồn điện này được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện Tụ điện có chức năng lưu trữ điện năng của biến tần

Hình 1.13 Nguyên lý hoạt động của biến tần

- Tiếp theo, điện áp 1 chiều trong tụ điện sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành điện

áp xoay chiều 3 pha đối xứng Công đoạn này được thực hiện thông qua quá trình tự kích hoạt thích hợp, bộ biến đổi IGBT (viết tắt của tranzito lưỡng cực có cổng cách điện hoạt động giống như một công tắc bật và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của biến tần) sẽ tạo ra một điện áp xoay chiều 3 pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

- Tần số của tín hiệu đầu ra sẽ tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển và các tham số được lập trình sẵn trong biến tần Người vận hành có thể cài đặt trước chế độ hoạt động hoặc điều khiển trực tiếp biến tần

1.2.3 Lợi ích của biến tần

- Dễ dàng thay đổi tốc độ động cơ, đảo chiều quay động cơ

- Quá trình khởi động thông qua biến tần từ tốc độ thấp giúp cho động cơ mang tải lớn không phải khởi động đột ngột, tránh hư hỏng phần cơ khí, ổ trục, tăng tuổi thọ động

cơ

- Tiết kiệm năng lượng đáng kể so với phương pháp chạy động cơ trực tiếp

- Biến tần thường có hệ thống điện tử bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá áp và thấp áp, tạo ra một hệ thống an toàn khi vận hành

- Nhờ nguyên lý làm việc chuyển đổi nghịch lưu qua diode và tụ điện nên công suất phản kháng từ động cơ rất thấp, do đó giảm được dòng đáng kể trong quá trình hoạt động, giảm chi phí trong lắp đặt tụ bù, giảm thiểu hao hụt điện năng trên đường dây

- Biến tần được tích hợp các module truyền thông giúp cho việc điều khiển và giám sát từ trung tâm rất dễ dàng

- Biến tần giúp tăng tuổi thọ động cơ, giảm chi phí bảo trì động cơ do động cơ không bị quá tải và không hoạt động ở công suất tối đa trong suốt thời gian dài

- Giảm độ ồn và độ rung của động cơ, cải thiện môi trường làm việc

1.3 Kết luận chương 1

Trong chương 1 bọn em đã tìm hiểu được những nội dung sau

- Tìm hiểu kiến thức động cơ không đồng bộ 3 pha sử dụng trong đề tài (đặc điểm, cấu tạo, động cơ, nguyên lý hoạt động, ứng dụng )

- Tìm hiểu được các phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ KĐB 3 pha và chọn được phương pháp phù hợp với yêu cầu đề ra

- Tìm hiểu được những kiến thức cơ bản của biến tần (cấu tạo, lợi ích, )

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PLC S7-1200 VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH 2.1.Tổng quan về PLC

PLC là viết tắt của “Programmable Logic Controller”, là một thiết bị điều khiển logic được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp để điều khiển

và giám sát các quá trình sản xuất và hoạt động khác

Đây là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo

Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như PLC Mitsubishi, Siemens, Panasonic,…

Ngôn ngữ lập trình phổ biến là LAD (Ladder logic – thang logic), FBD (Function Block Diagram – Khối chức năng), STL (Statement List – Liệt kê lệnh) và Ladder logic

là ngôn ngữ lập trình PLC đang được phổ biến nhất

2.2 Cấu tạo và nguyên lý

a, Cấu tạo

Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của PLC

- CPU (Central Processing Unit): Là trung tâm của hệ thống PLC, thực hiện các tác vụ lập trình, điều khiển và xử lý dữ liệu CPU có thể được chia thành các phần khác nhau, bao gồm bộ vi xử lý, bộ nhớ và các giao diện đầu vào/đầu ra

- Các đầu vào (Inputs): Các tín hiệu từ các cảm biến và các thiết bị đầu vào khác được gửi đến PLC thông qua các đầu vào Các tín hiệu này được xử lý bởi CPU để điều khiển các thiết bị đầu ra

- Các đầu ra (Outputs): Các tín hiệu điều khiển được gửi đến các thiết bị đầu ra, bao gồm các động cơ van và các thiết bị khác thông qua các đầu ra Các đầu ra này được điều khiển bởi CPU dựa trên các tín hiệu đầu vào

- Nguồn cung cấp điện: Là nguồn cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống PLC

- Giao diện lập trình: Là phần mềm lập trình được sử dụng để lập trình PLC

Bộ nhớ

Bộ xử lý

Nguồn cấp

Tín hiệu ra Tín hiệu vào

- Bộ nhớ: Là nơi lưu trữ các chương trình điều khiển, các tham số cấu hình và các giá trị lưu trữ khác

b, Nguyên lý hoạt động

PLC nhận thông tin từ các tín hiệu: Cảm biến, nút ấn được kết nối hoặc thiết bị đầu vào, xử lý dữ liệu và kích hoạt đầu ra dựa trên các tham số được lập trình sẵn Tiếp theo, sau khi đã nhận được tín hiệu truyền vào, CPU sẽ bắt đầu làm việc của chúng là xử lý và truyền tín hiệu điều khiển vào qua các Module ra Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của PLC Tất cả một chu trình này gồm các đọc tín hiệu vào, tiếp tục thực hiện chương trình, truyền thông tin bên trong, tự đánh giá lỗi và gửi đi các cập nhật tín hiệu đầu ra, chúng được gọi chung là chu kỳ quét hay Scan Cycle 1 vòng quét

Theo thông thường thời gian thực hiện 1 vòng quét như trên sẽ diễn ra trong vòng thời gian khá ngắn chỉ từ 1 ms-100ms Điều này phụ thuộc khá lớn vào tốc độ xử lý lệnh của PLC, tiếp đến là độ dài và ngắn của chương trình hay tốc độ giao tiếp giữa các PLC đồng thời là của thiết bị ngoại vi

2.3 Phân loại

 Loại cấp điện 220VAC:

- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC – 30VDC)

 Loại cấp điện áp 24VDC:

- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC ( từ 15VDC – 30VDC)

- Ngõ ra: Transistor

- Ưu điểm của loại này là dùng ngõ ra transistor Do đó có thể sử dụng ngõ ra này

để biến điệu độ rộng xung, Output tốc độ cao…

- Tuy nhiên, nhược điểm của loại này là do ngõ ra transistor nên chỉ có thể sử dụng một cấp điện áp duy nhất là 24VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng có cấp điện áp khác nhau Trong trường hợp này, phải thông qua một Relay 24VDC đệm

2.4 Ưu điểm

Bảng 2.1 Bảng so sánh giữa 2 hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển thông thường Hệ thống điều khiển bằng PLC

Chiếm nhiều diện tích do có quá

nhiều dây dẫn và relay trên bảng

Tốc độ hoạt động chậm Công suất

tiêu thụ lớn Tốc độ hoạt động của hệ thống nhanh hơn

Mỗi lần muốn thay đổi chương

trình thì phải lắp đặt lại toàn bộ, tốn

nhiều thời gian

Dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính, thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của nó Sự thay đổi các ngõ vào, ra và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờ phần mềm điều khiển bằng máy tính

Khó bảo quản và sửa chữa Có thiết bị chống nhiễu bảo trì và sửa chữa dễ dàng

Như vậy hệ thống điều khiển bằng PLC thể hiện các ưu điểm nổi trội rõ rệt so với các thiết bị điều khiển thông thường khác Ngoài ra PLC còn có thể thêm vào hoặc thay đổi các lệnh tùy theo yêu cầu của công nghệ

2.5 Giới thiệu về PLC S7-1200

2.5.1 Phân vùng bộ nhớ

PLC có 3 loại bộ nhớ sử dụng là Load memory, Work memory và Retentive Memory:

- Load memory chứa bộ nhớ của chương trình khi down xuống

- Work memory là bộ nhớ lúc làm việc

- System memory thì có thể setup vùng này trong Hardware config

Hình 2.3 Hình ảnh thực tế

2.5.2 Cấu trúc cơ bản

– Bộ xử lý trung tâm (CPU) có chứa bộ vi xử lý Chức năng thứ nhất là biên dịch các tín hiệu được nhập vào Chức năng thứ 2 là thực hiện các hành động điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC

– Bộ nguồn: Có nhiệm vụ chuyển điện áp AC thành DC (24V) Cần thiết cho các

bộ vi xử lý cũng như các mạch điện có trong module giao tiếp nhập và xuất hoạt động – Bộ nhớ: Lưu trữ các chương trình để sử dụng cho các hoạt động dưới sự quản lý của bộ vi xử lý

– Các thành phần giao tiếp nhập/ xuất Đó là nơi nhận thông tin từ các thiết bị ngoại

vi rồi gửi cho các thiết bị điều khiển Tín hiệu vào có thể là công tắc, cảm biến,… , tín hiệu ra có thể là động cơ, biến tần, …

– Chương trình điều khiển được nạp vào với sự giúp đỡ của bộ lập trình hay bằng máy vi tính

- LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối với tính thành công

- Rx / Tx: Đèn vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền

- Ix.x (Đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Ix.x đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị của công tắc

- Qx.x (Đèn xanh): Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qx.x Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng

2.5.4 Tập lệnh cơ bản của PLC S7-1200

a, Xử lý bit

Bảng 2.2 Lệnh xử lý bit cơ bản Tiếp điểm thường hở sẽ đóng khi giá trị của bit có địa chỉ là n bằng 1

Toán hạng n: I, Q, M, L, D Tiếp điểm thường đóng sẽ đóng khi giá trị của bit có địa chỉ n

là 0

Toán hạng n: I, Q, M, L Giá trị của bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 và ngược lại Toán hạng n: Q, M, L, D

Chỉ sử dụng một lệnh out cho 1 địa chỉ Giá trị của bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 0 và ngược lại

Toán hạng n: Q, M, L, D Chỉ sử dụng một lệnh out not cho 1 địa chỉ Giá trị của các bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 Khi đầu vào của lệnh bằng 0 thì bit này vẫn giữ nguyên trạng thái Toán hạng n: Q, M, L, D

Giá trị của các bit có địa chỉ là n sẽ bằng 0 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 Khi đầu vào của lệnh bằng 0 thì bit này vẫn giữ nguyên trạng thái Toán hạng n: Q, M, L, D

b, Lệnh di chuyển cơ bản

Bảng 2.3 Tập lệnh di chuyển Câu lệnh Thông tin câu lệnh

Lệnh Move di chuyển nội dung ngõ vào IN đến ngõ ra OUT

mà không làm thay đổi giá trị ngõ IN

Tham số:EN: Cho phép ngõ vào

IN: Nguồn giá trị đến

c, Lệnh toán học

Bảng 2.4 Lệnh toán học cơ bản

Lệnh cộng ADD: OUT = IN1 + IN2

Lệnh trừ SUB: OUT = IN1 - IN2

Lệnh nhân MUL: OUT = IN1 x IN2 Lệnh chia DIV: OUT = IN1 : IN2 Tham số IN1, IN2 phải cùng kiểu dữ liệu: Sint, Int, Dint, USInt, Uint, UDInt, Real, Lreal, Constant

Tham số OUT có kiểu dữ liệu: Sint, Int, Dint, USInt, Uint, UDInt, Real, Lreal

Tham số ENO = 1 nếu không có lỗi xảy ra trong quá trình thực thi Ngược lại ENO = 0 khi có lỗi, một số lỗi xảy ra khi thực thi lệnh này:

Kết quả toán học nằm ngoài phạm vi của kiểu dữ liệu Real/Lreal: Nếu một trong những giá trị đầu vào là NaN sau đó được trả về NaN

ADD Real/Lreal: Nếu cả hai giá trị IN là INF có dấu khác nhau, đây là một khai báo không hợp lệ và được trả về NaN

c, Timer và counter

Bảng 2.5 Lệnh Timer và counter cơ bản Timer trễ không nhớ – TON Khi ngõ vào IN ngừng tác động thì reset và dừng hoạt động Timer Thay đổi PT khi Timer vận hành không có ảnh hưởng gì

Timer TP tạo một chuỗi xung với độ rộng xung đặt trước Thay đổi PT, IN không ảnh hưởng khi Timer đang chạy

Khi đầu vào IN được tác động vào timer sẽ tạo ra một xung

có độ rộng bằng thời gian đặt PT