nghiên cứu khái quát về truyền động điện cho các trục tháo-trục quấn.thiết kế giám sát giữ tốc độ, sức căng không đổi cho các động cơ truyền động sử dụng động cơ một chiều

Vì vậy việc lựa chọn một hệthống truyền động điện và tự động hóa thích hợp cho máy là một bài toánkhó.Nội dung đồ án môn học của em là” nghiên cứu khái quát về truyền độngđiện cho các tr

Lời giới thiệu

Ngày nay tự động hóa công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việcphát triển nền kinh tế quốc dân Đặc biệt trong dây chuyền sản xuất tự động hiệnđại truyền động điện đóng góp vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất

và chất lượng sản phẩm Việc tăng năng suất của máy và giảm giá thành củathiết bị là hai yêu cầu chủ yếu đối với hệ thống truyền động điện và tự động hóanhưng chúng lại mâu thuẫn nhau Một bên đòi hỏi sử dụng các hệ thống phứctạp, một bên lại yêu cầu hạn chế số lượng thiết bị Vì vậy việc lựa chọn một hệthống truyền động điện và tự động hóa thích hợp cho máy là một bài toánkhó.Nội dung đồ án môn học của em là” nghiên cứu khái quát về truyền độngđiện cho các trục tháo-trục quấn.Thiết kế giám sát giữ tốc độ, sức căng khôngđổi cho các động cơ truyền động sử dụng động cơ một chiều” Đây là đề tài cótính ứng dụng cao trong tự động hóa công nghiệp

Yêu cầu cơ bản của hệ truyền động điện cho trục tháo trục quấn là phải ổnđịnh tốc độ và giữ sức căng không đổi cho tất cả các động cơ truyền động hayphải đảm bảo tốc độ dài của băng vật liệu không đổi.Đây là vấn đề rất khó khăn

và phức tạp vì tốc độ truyền động cần phải thay đổi phụ thuộc vào đường kínhcác cuộn vật liệu

Trong sản xuất công nghiệp ta hay gặp hệ truyền động trục tháo – trụcquấn ở các máy cán liên tục, các băng tải vận chuyển liên tục, máy dệt, sản xuấtcáp , máy xeo giấy

1.1.1 Giới thiệu về dây truyền cán liên tục

Hình 1.1: Sơ đồ mô tả công nghệ cán

Sơ đồ công nghệ máy cán liên tục ở đây gồm có các hộp cán ,một trụctháo và một trục quấn Để đảm bảo lực căng băng vật liệu (thép) không đổi thì

hệ truyền động nhiều động cơ cho máy cán liên tục yêu cầu phải ổn định tốc độvới tỉ lệ giữa tất cả các trục cán Trục tháo và trục quấn ở máy CNgLT thực hiệnviệc quấn hay tháo riêng.Ở máy cán QTN thì thực hiện lúc quấn ,lúc tháo

1.1.2 Giới thiệu chung về dây chuyền băng tải

Băng tải là thiết bị vận tải liên tục dùng để chuyên chở hàng dạng hạt,cục, khối theo phương nằm ngang, hoặc theo mặt phẳng nghiêng (góc nghiêng

không lớn hơn 300) Kết cấu của một băng tải cố định được biểu diễn trên (hình1-1).

* Nguyên lý làm việc chung:

Băng tải 7 chở hàng di chuyển trên các con lăn đỡ 12 và con lăn đỡ dưới

11 Các con lăn được lắp trên một khung làm giá đỡ 10 Truyền động kéo băngtải nhờ hai tang: tang chủ động 8 và tang thụ động 5 Tang chủ động 8 gá chặttrên hai giá đỡ và nối với trục động cơ truyền động qua hộp giảm tốc Tạo ra sứccăng ban đầu của băng tải nhờ cơ cấu kéo căng gồm đối tượng 1, cơ cấu định vị

và dẫn hướng 2, 3 và 4 Băng tải vận chuyển vật liệu từ nơi phát 6 đến nơi nhận9

1

2

3 45

6

7

8 9

Hình 1.2: Kết cấu băng tải cố định

* Ưu nhược điểm của việc sử dụng dây truyền băng tải:

-Ưu điểm:

Vận chuyển được liên tục, khối lượng vận chuyển lớn, là hệ thống đápứng được tốt với các công nghệ tự động hoá cao Tiết kiệm được sức lao động,năng suất làm việc cao

-Nhược điểm:

Vốn đầu tư xây dựng dây truyền băng tải lớn, tuyến băng phải thẳng, khóthay đổi vị trí công tác, thiết kế chỉ để phục vụ công việc có khối lượng đã chọn

sẵn, khi muốn thay đổi dây truyền vận tải khác ví dụ vận tải loại sản phẩm cókích thước và hình dạng lớn thì phải thay đổi phần lớn hệ thống gây nhiều khókhăn và tốn kém về kinh tế.

1.1.3 Giới thiệu dây chuyền sản xuất cáp điện

Cấu trúc của dây chuyền sản xuất cáp điện được thể hiện như hình sau:

Hình 1.3: Dây chuyền sản xuất cáp

* Bộ phận tạo sợi cáp gồm:

- NL: là khu vực cho nguyên liệu vào để tạo sợi cáp

- Pay-off 1, 2: bộ phận này dùng để xoắn cáp lại với nhau

* Nguyên lý hoạt động của dây chuyền sản xuất cáp điện:

Đầu tiên nguyên liệu được đưa vào nấu nóng chảy sau đó đưa khuôn địnhhình và được kéo thành sợi Trong quá trình này có kết hợp làm lạnh bằng cácCylinder cooling blower Tuỳ theo cách lắp đầu hình mà ta có thể cho ra 1 hoặc

2 sợi dây cáp Qua phần PAY-OFF 1 và PAY- OFF 2 các dây cáp được xoắn vớinhau( nếu là cáp xoắn ) hoăc đi riêng rẽ( nếu là cáp 1 sợi) Rồi sau đó cáp đi quaphần động cơ đùn nhựa( Extruder ) để phun lớp nhựa bọc dây cáp Tiếp tục cápđược kéo bởi động cơ giàn kéo( Caterpilar ) qua phần Traveser đến phần trụ

quấn cáp( Take-up ) Sau khi cáp được quấn đầy trên 1 trụ thì sẽ tự động thaytrụ mới vào và tiếp tục quấn trụ cáp mới.

Trong suốt quá trình từ việc tạo ra sợi cáp đến quấn cáp tốc độ giữa cácđộng cơ truyền động phải được thay đổi cho phù hợp với sự thay đổi củamômen( hay chính là sức căng của dây cáp ), và giữa các động cơ luôn phải cómột tỉ lệ nhất định giữa tốc độ và mômen để đảm bảo được chất lượng cáp Đặcbiệt khi cáp được quấn vào trụ việc đồng bộ hoá tốc độ và mômen là rất quantrọng

1.1.4 Giới thiệu về máy xeo giấy

Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ máy xeo giấy

Giấy được tạo thành băng từ dạng bột lỏng qua phần ép thành băng quacông đoạn sấy khô đưa sang công đoạn cán ép đưa tới cuộn cuốn Công nghệcuộn giấy yêu cầu hệ truyền động nhiều động cơ Phần thứ nhất là các trụctruyền động nối các băng lọc và các băng dạ được tiến hành theo một vòng kín.Phần thứ hai từ công đoạn sấy, cán ép và cuộn cuốn chỉ có liên hệ với nhau bởibăng giấy Để đảm bảo chất lượng giấy, máy xeo giấy có yêu cầu truyền độngrất phức tạp nó bao gồm cỡ hàng chục truyền động, đảm bảo truyền động bănggiấy chạy liên tục từ dạng bột lỏng thành dạng cuộn giấy, không được đứt quãng

và bề dày phải đồng đều Yêu cầu hệ truyền động nhiều động cơ không nhữngphải đảm bảo ổn định tốc độ mà còn phải đảm bảo sức căng băng giấy phảikhông đổi, tốc độ cuộn cuốn phải thay đổi sao cho tốc độ dài không đổi và sứccăng theo yêu cầu

1.2 Đặc điểm của hệ truyền động điện trục tháo- trục quấn sử đụng động

cơ xoay chiều.

Hệ truyền động điện cho trục tháo trục quấn cần thỏa mãn những yêu cầusau:

- Chế độ làm việc là dài hạn (thời gian nghỉ cỡ 10% thời gian làm việc)

- Duy trì sức căng của băng vật liệu trong mọi chế độ làm việc với sai số

độ dài và sức căng cũng thay đổi)

- Động cơ trục tháo chỉ làm việc ở chế độ động cơ khi thay rulô và điều chỉnh đểđưa đầu băng vật liệu vào máy

- Sức căng duy trì ở trục tháo thường là 0,4 – 3,5T

- Khác với động cơ trục tháo động cơ trục quấn luôn làm việc ở chế độ động cơ

và thường có công suất lớn hơn để đảm bảo sức căng lớn hơn đến 12T và có tốc

độ 0-25ms

- Một vấn đề cần lưu ý nữa với truyền động trục tháo trục quấn là khi máy tăngtốc độ (lúc mở máy) và giảm tốc (lúc dừng máy) hay khi thay đổi tốc độ côngnghệ thì trong mạch phần ứng sẽ xuất hiện các thành phần động của dòng điện.Dòng điện động này phụ thuộc mức độ gia tốc, giảm tốc và đường kính của rulôkhi tốc độ thay đổi

- Nếu các dòng này không được bù trừ thì sức căng băng vật liệu sẽ bị thay đổirất rõ rệt Ví dụ đối với trục quấn thì băng vật liệu sẽ bị võng khi máy tăng tốc

do sức căng giảm mạnh hoặc bị kéo căng quá mức khi máy giảm tốc

1.3 Tổng quan về động cơ điện xoay chiều.

Trong các hệ truyền động điện trục tháo trục quấn thường dùng động cơmột chiều Tuy nhiên trong đồ án này lại giám sát về hệ truyền động điện xoaychiều Động cơ không đồng bộ là loại động cơ điện xoay chiều được sử dụngrộng rãi có khả năng điều chỉnh tốc độ tương đối tốt nhờ biến tần Động cơ

không đồng bộ là động cơ mà tốc độ của roto khác tốc độ của từ trường quaytrong máy.Sau đây ta sẽ xem xét cụ thể loại động cơ này.

* Lõi sắt

Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảmtổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại Khi đường kínhngoài

lõi sắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại Khi đường kính ngoài lớnhơn thì dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại

* Dây quấn: Được quấn thành từng các mô bin, mà các cạnh của các mô bin đóđược đặt vào các rãnh của lõi thép stator

b Phần quay (roto)

Rôto gồm lõi thép, trục máy và dây quấn.

* Lõi thép: Được dập từ các lá thép kỹ thuật điện có dạng hình tròn và mặt ngoàiđược dập thành rãnh để đặt cuộn dây, ở giữ được dập lỗ tròn để lồng trục máy

* Trục máy: Làm bằng thép tốt, được lồng cứng với lõi thép.Trục được đỡ bởihai ổ bi trên hai nắp máy

* Dây quấn: Có hai loại

+ Loại lồng sóc: dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng đồng thau hoặc bằngnhôm đặt trong các rãnh của rotor, hai đầu được nối với hai vòng ngắn mạchcũng bằng đồng thau hoặc bằng nhôm

+ Loại dây quấn: dây quấn giống như dây quấn stator và thường được đấu hìnhsao.Ba đầu được đưa ra 3 vành trượt bằng đồng trên trục máy, vành trượt nàycách điện với nhau và cách điện với trục máy.

- Động cơ điện xoay chiều chủ yếu là loại rotor lồng sóc có nhiều ưu điểm hơn

so với động cơ DC Do kết cấu đơn giản, dễ bảo trì tháo lắp, làm việc chắc chắn,tin cậy, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ không đồng bộ là loại máy đượcdùng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, đời sống hằng ngày.Dùng trựctiếp với điện lưới xoay chiều 3 pha nên không cần trang thiết bị kèm theo

1.3.3 Nguyên lí làm việc của động cơ không đồng bộ

Khi nối dây quấn stator vào lưới điện xoay chiều 3 pha, trong động cơ sẽsinh ra một từ trường quay Từ trường này quét qua các thanh dẫn rotor làm cảmứng trên dây quấn rotor một sức điện động e2, từ đó sinh ra dòng điện i2 chạytrong dây quấn rotor Dòng điện i2 tác động tương hỗ với từ trường stator tạo ralực điện từ trên dây dẫn rotor và mômen quay làm cho rotor quay với tốc độ ntheo chiều quay của từ trường Tốc độ quay của rotor n luôn nhỏ hơn tốc độ của

từ trường quay Stator n1 Vì tốc độ của rotor khác với tốc độ của từ trường quaystator nên gọi là động cơ không đồng bộ

Các đại lượng đặc trưng và phương trình cơ bản

f1 là tần số dòng điện lưới.

p là số đôi cực

Khi tần số của mạng điện f1 thay đổi thì n1 thay đổi làm cho n thay đổi

Khi mở máy thì n =0 và s =1 gọi là độ trượt mở máy

* Sức điện động

Khi rôto đứng yên : E20 4.44* f20*K W2* 2*m

Khi rôto chuyển động : E2s 4.44* f2s*K W2* 2*m

Pdt =M 1 =

Công suất điện đưa vào

P1 = UIcos

Ngoài thành phần công suất điện từ còn có các thành phần tổn hao trên điện trở

dây quấn stato Pd1, tổn hao sắt Pst, tổn hao trên dây quấn roto Pd2, tổn hao do

ma sát Pms

Công suất cơ ở trục động cơ

P’2 = M =

Do có tổn hao ma sát nên công suất cơ đưa ra là

2 1

nm

nm nm

Chương 2: Thiết kế mạch giám sát

Hệ truyền động điện trục tháo-trục quấn có đường kính thay đổi.Do vậyngoài việc đo tốc độ,sức căng T,dòng điện,ta cần đo đường kính của trục tháo vàtrục quấn

2.1 Cấu trúc mạch giám sát

Cấu trúc gồm 3 phần chính:

- Khối cảm biến và đo lường :Khối này làm nhiệm vụ phát hiện ,thu thập tínhiệu của các thông số trong hệ truyền động điện.Trong đồ án này ta sử dụng cảmbiến đo tốc độ,cảm biến đo đường kính,cảm biến đo sức căng

- Khối vi điều khiển:Khối này có nhiệm vụ xử lý tín hiệu thích hợp để truyền dữliệu lên máy tính.Trong đồ án này ta sử dụng vi điều khiển 8051

- Máy tính :Giám sát các thông số như tốc độ,đường kính,sức căng để biết trạngthái hoạt động của hệ truyền động điện Để làm được việc này ta sẽ giám sát trên

phần mềm Visual Basic

2.1.1 Vi điều khiển 8051

* Vi điều khiển 8051 do hãng Intel sản xuất.IC này có đặc điểm

-4 kbyte Rom,128 byte Ram

-4 Port I/O 8 bit với

-2 bộ đếm/định thời 16 bit

-64 kbyte không gian bộ nhơ chương trình mở rộng

Hình 2.1:Vi điều khiển 8051

Vi điều khiển là IC đóng vỏ dạng DIP có 40 chân,mỗi chân có một kí hiệutên và các chức năng

-Port 0:Từ chân 32 đến chân 39.Trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ

mở rộng nó có chức năng như các đường I/O.Đối với các thiết kế lớn nó được kết hợp với bus địa chỉ và bus dữ liệu

-Port 1:Từ chân 1 đến chân 8.Port 1 là port I/O dùng cho các thiết bị ngoài nếu cần

-Port 2:Từ chân 21 đến chân 28.Port 2 có tác dụng kép dùng như các đường xuấtnhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng.-Port 3:Từ chân 10 đến chân 17.Port 3 khi không hoạt động xuất/nhập có nhiều chức năng cụ thể

+RXD :Ngõ vào dữ liệu nối tiếp

+TXD:Ngõ ra dữ liệu nối tiếp

+INT0:Ngắt ngoài 0

+INT1:Ngắt ngoài 1

+T0,T1:Đầu vào time 0 ,time 1

+WR:Điều khiển ghi dữ liệu

+RD:Điều khiển đọc dữ liệu

-PSEN:Là tín hiệu ngõ ra có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trình mở rộng

-ALE:Truy xuất bộ nhớ bên ngoài

-EA:Thường được mắc lên mức 1 hoặc mức 0.Nếu ở mức 1,8051 thi hành

chương trình từ ROM nội.Nếu ở mức 0,8051 thi hành từ chương trình bộ nhớ

mở rộng

-RST:Khi ngõ vào tín hiệu này đưa lên mức cao ít nhất 2 chu kì máy,các thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống.Khi cấp điện mạch phải tự động reset

-Vcc,Vss:Chân cấp nguồn,chân nối đất

-Bộ tạo dao động X1,X2 được tích hợp bên trong 8051

-Bộ nhớ bên trong của 8051 bao gồm Rom và Ram.Ram bao gồm nhiều thành phần:Phần lưu trữ đa dụng,phần định địa chỉ bit,các bank thanh ghi và các thanh ghi có chức năng đặc biệt

+Các bank thanh ghi có địa chỉ từ 00H đến 1Fh

+Ram định địa chỉ bit có địa chỉ từ 20H đến 2FH

+Ram đa dụng có địa chỉ từ 30H đến 7FH

+Các thanh ghi có chức năng đặc biệt có địa chỉ từ 80H đến FFH

2.1.2 Cổng RS232

* Trong đồ án này ta truyền dữ liệu lên máy tính thông qua cổng RS232(COM)

+ Trong chuẩn RS232 có mức giới hạn trên và dưới (logic 0 và 1) là + -12V Hiện nay đang được cố định trở kháng tải trong phạm vi từ 3000 ôm - 7000 ôm+ Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V, mức logic 0 từ +-3V đến 12V

+ Tốc độ truyền nhận dữ liệu cực đại là 100kbps ( ngày nay có thể lớn hơn)+ Các lối vào phải có điện dung nhỏ hơn 2500pF

+ Trở kháng tải phải lớn hơn 3000 ôm nhưng phải nhỏ hơn 7000 

+ Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 không vượt qua 15m nếu chúng ta không sử model

+ Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn :

50,75,110,750,300,600,1200,2400,4800,9600,19200,28800,38400 56600,1152

00 bps

Hầu hết các máy tính cá nhân hiện nay đều được trang bị ít nhất là 1 cổng Com hay cổng nối tiếp RS232 Số lượng cổng Com có thể lên tới 4 tùy từng loại mainmáy tính.Khi đó các cổng Com đó được đánh dấu là Com 1, Com 2, Com

3 Trên đó có 2 loại đầu nối được sử dụng cho cổng nối tiếp RS232 loại 9 chân (DB9) hoặc 25 chân (DB25) Tuy hai loại đầu nối này có cùng song song nhưng hai loại đầu nối này được phân biệt bởi cổng đực (DB9) và cổng cái (DB25)

Ta xét sơ đồ chân cổng Com 9 chân:

Chức năng của các chân như sau:

+ chân 1 : Data Carrier Detect (DCD) : Phát tín hiệu mang dữ liệu

+ chân 2: Receive Data (RxD) : Nhận dữ liệu

+ chân 3 : Transmit Data (TxD) : Truyền dữ liệu

+ chân 4 : Data Termial Ready (DTR) : Đầu cuối dữ liệu sẵn sàng được kích hoạt bởi bộ phận khi muốn truyền dữ liệu

+ chân 5 : Singal Ground ( SG) : Mass của tín hiệu

+ chân 6 : Data Set Ready (DSR) : Dữ liệu sẵn sàng, được kích hoạt bởi bộ truyền khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu

+ chân 7 : Request to Send : yêu cầu gửi,bô truyền đặt đường này lên mức hoạt động khi sẵn sàng truyền dữ liệu

+ chân 8 : Clear To Send (CTS) : Xóa để gửi ,bô nhận đặt đường này lên mức kích hoạt động để thông báo cho bộ truyền là nó sẵn sàng nhận tín hiệu

+ chân 9 : Ring Indicate (RI) : Báo chuông cho biết là bộ nhận đang nhận tín hiệu rung chuông

Còn DB28 bây giờ hầu hết các main mới ra đều không có cổng này nữa Nên tôikhông đề cập đến ở đây

2.2 Thiết kế mạch giám sát tốc độ

Có rất nhiều loại cảm biến để đo tôc độ động cơ như:

-Sử dụng máy phát tốc

-Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa

-Sử dụng máy đo góc tuyệt đối