Nghiên cứu ứng dụng PLC điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ trong công nghệ căn bằng định lượng

Tuy nhiên với sự phát triển của công nghệ vật liệu, củakhoa học kỹ thuật việc mở rộng dải điều chỉnh tốc độ của hệ truyền động này đãđược khắc phục bằng phương pháp điều chỉnh tần số Hệ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN QUANG HUY

“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ TRONG CÔNG NGHỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG”

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Thái Nguyên – 2014

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN QUANG HUY

“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN HỆ

TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ TRONG

CÔNG NGHỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG”

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

PHÒNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS ĐỖ TRUNG HẢI

Thái Nguyên – 2014

i

-LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Quang Huy

Sinh ngày: 27 tháng 10 năm 1978

Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ Thuật Côngnghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Công ty TNHH MTV Cơ điện & Vật liệu nổ 31 - PhổYên – Thái Nguyên

Tôi xin cam đoan công trình và kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàntrung thực, và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một công trình nào Các thông tin, tàiliệu phục vụ cho luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014

Tác giả luận văn

Nguyễn Quang Huy

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến Tiến sĩ Đỗ Trung Hải đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian thực hiện luận văn.

Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô giáo khoa Điện Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành mô hình thực nghiệm trong điều kiện tốt nhất.

Mặc dù tác giả đã rất cố gắng, nhưng do thời gian nghiên cứu có hạn nên luận văn không tránh khỏi sự sai sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các đồng nghiệp để bản luận văn của tác giả được hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng thiết thực trong thực tế.

Xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014

Tác giả

Nguyễn Quang Huy

4

4

-MỤC LUC

MỞ ĐẦU x

1 Tính cấp thiết của đề tài x

2 Mục tiêu nghiên cứu x

3 Dự kiến các kết quả đạt được .x

4 Phương pháp và phương pháp luận xi

5 Cấu trúc của luận văn xi

6 Kết luận và kiến nghị xi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 1

1.1 Lý thuyết chung về hệ thống cân băng định lượng .1

1.1.1 Đặt vấn đề 1

1.1.2 Khái niệm 2

1.1.3 Cấu tạo của cân băng định lượng .2

1.1.4 Nguyên lý tính lưu lượng của cân băng định lượng 3

1.1.4.1 Nguyên lý tính lưu lượng 3

1.1.4.2 Đo trọng lượng liệu trên băng tải 4

1.1.5 Khái quát về điều chỉnh cấp liệu cho cân băng 4

1.2 Cấu trúc hệ thống cân băng .6

1.3 Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần 7

1.3.1 Động cơ không đồng bộ 7

1.3.1.1 Khái quát về động cơ không đồng bộ 7

1.3.1.2 Công thức tính chọn động cơ không đồng bộ 9

1.3.2 Khái quát về biến tần 10

1.3.2.1 Định nghĩa 10

1.3.2.2 Nguyên lý hoạt động của biến tần 11

1.3.2.3 Ưu điểm khi sử dụng biến tần 12

1.3.3 Điều chỉnh tần số động cơ bằng biến tần 12

1.4 Cảm biến trọng lực Loadcell 14

1.4.1 Khái niệm Loadcell 14

1.4.2 Tế bào cân đo trọng lượng .14

1.4.2.1 Nguyên lý tế bào cân số SFT 14

5

5 1.4.2.2 Nguyên lý tế bào cân Tenzomet 151.4.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 161.4.3.1 Cấu tạo 16

6

6

-1.4.3.2 Nguyên lý hoạt động 17

1.4.3.3 Thông số kĩ thuật cơ bản 17

1.4.3.4 Công thức tính khối lượng của LoadCell 18

1.5 Băng tải cao su 19

1.6 Sensor đo tốc độ .21

1.6.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: 21

1.6.2 Đo vận tốc băng tải 22

1.7 Đo khối lượng liệu trên băng .23

1.8 Kết luận chương 1 24

CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 25

2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lượng .25

2.2 Nhận dạng mô hình toán học đối tượng .27

2.2.1 Thu thập dữ liệu vào/ra của đối tượng 27

2.3 Xác định bộ điều khiển 31

2.3.1 Bài toán 1 (Xác định luật điều khiển) 31

2.3.2 Bài toán 2 (Lựa chọn thiết bị thực hiện luật điều khiển) 33

2.4 PLC S7-200 34

2.4.1 Giới thiệu chung họ PLC S7- 200 34

2.4.3 Modul mở rộng tương tự EM235 36

2.5 Kết luận chương 2 38

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 39

3.1 Các thiết bị thực nghiệm 39

3.1.1 Động cơ 39

3.1.2 Biến tần 39

3.1.3 Loadcell 40

3.1.4 Thiết bị đo vận tốc băng tải 42

3.1.5 PLC S7 200 (thiết bị thực hiện luật điều khiển) 42

3.1.6 Băng tải 43

3.1.7 Bảng điều khiển 43

3.1.7 Mô hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng .44

3.2 Thực nghiệm 44

7

7

-3.2.1 Cấu trúc thực nghiệm 443.2.2 Kết quả thực nghiệm 443.2.2.1 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào là hàm bước nhảy 443.2.2.2 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào dạng bậc thang

47

8

8

-3.2.2.3 Đáp ứng hệ khi nguyên liệu trên băng không đồng nhất (nhiễu tác

động) 4

8 3.2.2.4 Đánh giá kết quả thực nghiệm 50

3.3 Kết luận chương 3 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

Kết luận 51

Kiến nghị 51

Tiếng Việt 52

Tiếng Anh 52

9

9

-DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng 2

Hình 1 2 Định lượng gián đoạn 5

Hình 1 3 Định lượng liên tục 5

Hình 1 4 Cấu trúc hệ thống cân băng định lượng 6

Hình 1 5 Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ không đồng bộ 9

Hình 1 6 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động 9

Hình 1 7 Biến tần 10

Hình 1 8 Nguyên lý hoạt động của biến tần 11

Hình 1 9 Sơ đồ mạch lực bộ biến tần nguồn áp dùng Tranzitor 13

Hình 1 10 Giản đồ điện thế và điện áp pha A dùng phương pháp PWM 13

Hình 1 11 Sơ đồ tế bào cân số SFT 14

Hình 1 12 Sơ đồ cầu tế bào cân Tezomet 15

Hình 1 13 Cấu tạo của một Loadcell 17

Hình 1 14 Nguyên lý hoạt động của một Loadcell 17

Hình 1 15 Cấu trúc cầu cân bằng mô men lực 18

Hình 1 16 Băng tải cao su 20

Hình 1 17 Encoder quang tương đối 21

Hình 1 18 Mạch đo tín hiệu tốc độ 23

Hình 1 19 Mạch đo khối lượng 23

Hình 2 1 Cấu trúc hệ thống cân băng định lượng 25

Hình 2 2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lượng 25

Hình 2 3 Sơ đồ cấu trúc hệ 26

Hình 2 4 Sơ đồ thu thập dữ liệu nhận dạng 27

Hình 2 5 Dữ liệu tín hiệu điều khiển (volt) 27

Hình 2 6 Dữ liệu tín hiệu vận tốc dài băng tải (m/h) 28

Hình 2 7 Giao diện công cụ nhận dạng mô hình 28

Hình 2 8 Nhập dữ liệu nhận dạng mô hình 29

Hình 2 9 Nhận dạng mô hình 29

10

10

-Hình 2 10 Giao diện kết quả nhận dạng 30 Hình 2 11 Đánh giá kết quả nhận dạng mô hình 30 Hình 2 12 Đặc tính quá độ đối tượng 31

- 8 - 8

-Hình 2 13 Cấu trúc điều khiển hệ thống 32

Hình 2 14 Cấu trúc điều khiển hệ thống (m là hằng số) 32

Hình 2 15 PLC S7 200 34

Hình 2 16 Các thành phần trên CPU S7-200 35

Hình 2 17 Giao tiếp Modbus giữa các PLC S7-200 36

Hình 2 18 Modul mở rộng tương tự EM235 37

Hình 3 1 Động cơ truyền động kéo băng tải 39

Hình 3 2 Biến tần Commander SE 40

Hình 3 3 Loadcell PT1000 gắn trên băng tải 41

Hình 3 4 Modul mở rộng EM235 41

Hình 3 5 Encoder gắn trên tang bị động 42

Hình 3 6 Thiết bị thực hiện luận điều khiển - CPU226 42

Hình 3 7 Băng tải liệu 43

Hình 3 8 Bảng điều khiển 43

Hình 3 9 Mô hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng 44

Hình 3 10 Đáp ứng lưu lượng hệ với tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy 45

Hình 3 11 Đáp ứng vận tốc dài băng tải với tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy 46

Hình 3 12 Tín hiệu khối lượng trên băng tải khi tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy 46

Hình 3 13 Đáp ứng lưu lượng hệ với tín hiệu đặt thay đổi 47

Hình 3 14 Đáp ứng vận tốc dài băng tải với tín hiệu đặt thay đổi 47

Hình 3 15 Tín hiệu khối lượng trên băng tải khi tín hiệu đặt thay đổi 48

Hình 3 16 Đáp ứng lưu lượng hệ khi nguyên liệu băng không đồng nhất 48

Hình 3 17 Đáp ứng vận tốc dài băng tải khi nguyên liệu băng không đồng nhất 49 Hình 3 18 Tín hiệu khối lượng trên băng tải khi nguyên liệu băng không đồng nhất 49

- 9 - 9

-DANH MỤC BẢNG Bảng 1 1 Bảng thống kê một số loại tế bào 15

Bảng 1 2 Bảng thống kê một số loại tế bào cân Tenzomet 16

Bảng 2 1 Đặc tính CPU PLC S7 200 35

Bảng 2 2 Danh sách modul mở rộng PLC S7 200 36

Bảng 2 3 Các thành phần modul mở rộng EM235 37

Bảng 2 4 Bảng cầu hình đầu vào modul EM23M 38

- 10 - 10

-MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Do khắc phục được một số nhược điểm của động cơ một chiều trong cấu tạo

và khi làm việc như: không cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mòn và yêucầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên; không sinh ra tia lửa điện trong quá trình làmviệc Vì vậy, hệ truyền động - động cơ không đồng bộ đã và đang được ứng dụngnhiều trong thực tế sản xuất

Một nhược điểm cơ bản của hệ truyền động này là việc điều chỉnh tốc độ ởdải rộng gặp nhiều khó khăn Tuy nhiên với sự phát triển của công nghệ vật liệu, củakhoa học kỹ thuật việc mở rộng dải điều chỉnh tốc độ của hệ truyền động này đãđược khắc phục bằng phương pháp điều chỉnh tần số (Hệ truyền động biến tần - độngcơ)

Với các hệ truyền động yêu cầu chất lượng điều khiển không cao thì điều khiểntheo cấu trúc hệ hở là đáp ứng được yêu cầu Tuy nhiên, với các hệ truyền động yêucầu chất lượng điều khiển cao thì trong hệ phải có mạch tổng hợp và tạo tín hiệu điềukhiển

Công nghệ cân băng được dùng nhiều trong các dây truyền công nghiệp ví dụ nhưsản xuất xi măng Nó là một trong những công nghệ yêu cầu chất lượng điềukhiển cao, vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng PLC để điều khiển hệ truyền động biến tầnđộng cơ theo yêu cầu công nghệ cân băng định lượng là việc làm cần thiết và làhướng nghiên cứu chính của bản luận văn

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Mục tiêu chung: Tìm hiểu về hệ thống cân băng định lượng.

- Mục tiêu cụ thể:

+ Xây dựng thuật toán điều khiển điều khiển hệ truyền động biến tần - động

cơ đáp ứng yêu cầu công nghệ cân băng định lượng

+ Thực hiện thuật toán điều khiển bằng PLC

3 Dự kiến các kết quả đạt được

Xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển hệ truyền động biến tần động cơtrong công nghệ cân băng định lượng

- 11 - 11 Xây dựng mô hình thực nghiệm ứng dụng PLC để điều khiển hệ truyền động biếntần - động cơ theo công nghệ cân băng định lượng.

Phương pháp nghiên cứu:

Phân tích và tổng hợp hệ bằng mô hình toán Xây dựng mô hình thực nghiệm

để kiểm tra, đánh giá các kết quả nghiên cứu lý thuyết

5 Cấu trúc của luận văn

Luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG

Chương 2: TỔNG HỢP HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG

Chương 3: THỰC NGHIỆM HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG

6 Kết luận và kiến nghị

Hệ thống cân băng định lượng là một trong các hệ thống có vai trò rất quantrọng trong các dây truyền sản xuất trong công nghiệp, thương mại Các quá trình côngnghệ nói chung đều đi từ xử lý các nguyên liệu thô ban đầu để tạo ra các thànhphẩm Vậy làm thế nào để định lượng được khối lượng nguyên liệu đầu vào một cáchchính xác và để cho ra đời các sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng với chi phí sản xuấtthấp nhất?

Trong các nhà máy, xí nghiệp mọi công đoạn xử lý nguyên liệu đều cần đượcđịnh lượng, từ các lĩnh vực đơn giản như đưa ra một khối lượng nguyên liệu đầuvào để sản xuất, đến các công việc phức tạp như sử dụng trong thương mại để buônbán, trao đổi Vai trò của việc cân định lượng là không thể thiếu trong các hệ thống tựđộng hoá như: trong các nhà máy xi măng, nhà máy nhiệt điện Hệ thống cân băngđịnh lượng tham gia vào quá trình sản xuất xi măng bao gồm: cân đo các nguyên liệucho máy nghiền nguyên liệu theo các tỷ lệ, thành phần và năng suất đặt trước, cungcấp nhiên liệu để đốt đảm bảo lưu lượng sao cho phù hợp với điều kiện trước, trong

và sau lò nung Ngoài ra hệ thống cân băng định lượng còn cân đo các nguyên liệunhư than, thạch cao… cho các máy nghiền clanhke, nghiền than, máy đóng bao, máysản xuất gạch men…

Trong các nhà máy sản xuất công nghiệp, hệ thống cân băng định lượngcòn đáp ứng sự ổn định về lưu lượng liệu và điều khiển lượng liệu cho phù hợpvới yêu cầu, chính vì nó đóng một vai trò rất quan trọng trong việc điều phối và hoạchđịnh sản xuất, do đó nó quyết định vào chất lượng sản phẩm, góp phần vào sự thànhcông của công ty.

Cân băng định lượng trong luận văn đề xuất nghiên cứu là cân băng tải, nó làthiết bị cung cấp kiểu trọng lượng vật liệu được chuyên trở trên băng tải mà tốc độcủa nó được điều chỉnh để nhận được lưu lượng vật liệu ứng với giá trị do người vậnhành đặt trước

1.1.3 Cấu tạo của cân băng định lượng

1

3

4 6 7 8 9

10 25

Hình 1 1 Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng

Cấu tạo của cân băng định lượng gồm các phân sau:

1: Phễu cấp liệu 2: Cảm biến trọng lượng (Load Cell)

3: Băng truyền 4: Tang bị động

5: Bulông cơ khí 6: Tang chủ động

7: Hộp số 8: SenSor đo tốc độ

9: Động cơ không đống bộ (được nối với biến tần) 10: Cảm biến vị trí

3

3

-1.1.4 Nguyên lý tính lưu lượng của cân băng định lượng

1.1.4.1 Nguyên lý tính lưu lượng

Cân băng định lượng (cân băng tải) là thiết bị cung cấp liệu kiểu trọng lượng.Vật liệu được chuyên trở trên băng tải, mà tốc độ của băng tải được điều chỉnh đểnhận được lưu lượng đặt trước khi có nhiễu tác động lên hệ (ví dụ liệu không xuốngđều)

Cầu cân về cơ bản bao gồm: Một cảm biến trọng lượng (LoadCell) gắn trên giámang nhiều con lăn Trọng lượng của vật liệu trên băng được các cảm biến trọnglượng (LoadCell) chuyển đổi thành tín hiệu điện đưa về bộ xử lý để tính toán lưulượng

Để xác định lưu lượng vật liệu chuyển tới nơi đổ liệu thì phải xác định đồngthời vận tốc của băng tải và trọng lượng của vật liệu trên 1 đơn vị chiều dài ∂ (kg/m).Trong đó tốc độ của băng tải được đo bằng cảm biến tốc độ có liên hệ động học vớiđộng cơ

Tốc độ băng tải V (m/s) là tốc độ của vật liệu được truyền tải Tải của băngtruyền (ƍ) là trọng lượng vật liệu được truyền tải trên một đơn vị chiều dài ∂ (kg/m)

Cân băng tải có bộ phận đo trọng lượng để đo ∂ và bộ điều khiển để điều chỉnhtốc độ băng tải sao cho điểm đổ liệu, lưu lượng dòng chảy liệu bằng giá trị đặt

do người vận hành đặt trước

Bộ điều khiển đo tải trọng trên băng truyền và điều chỉnh tốc độ băng đảm bảolưu lượng không đổi ở điểm đổ liệu

Q = ƍ * V (1.1)Trọng lượng tổng trên băng là lực Fc(N) được đo bởi hệ thống cân trọng lượng

và ∂, được tính theo biểu thức:

4

4

-Fm =Fc – F0 (1.3) Trong đó: F0 là lực đo trọng lượng của băng tải cả con lăn và giá đỡ cầu cân

5

5

-Tải trọng trên băng truyền có thể tính là:

ƍ = S * (1.4) Trongđó: : Khối lượng riêng của vật liệu (kg/m3)

S: Tiết diện cắt ngang của vật liệu trên băng (m2)

Do đó lưu lượng có thể tính là:

1.1.4.2 Đo trọng lượng liệu trên băng tải

Trọng lượng đo nhờ tín hiệu của LoadCell bao gồm trọng lượng của băng tải vàtrọng lượng vật liệu trên băng Vì vậy để đo được trọng lượng của liệu thì ta phải tiếnhành trừ bì (tức là trừ đi trọng lượng của băng tải )

Bộ điều khiển xác định trọng lượng của liệu nhờ trừ bì tự động các phân đoạnbăng tải

* Nguyên lý của quá trình trừ bì như sau:

Băng tải phải được chia thành các phân đoạn xác định Trong lúc trừ bì băng tảirỗng (không có liệu trên băng) trọng lượng của mỗi đoạn băng được ghi vào bộ nhớ.Khi vận hành bình thường cân băng tải trọng lượng của mỗi vật liệu trên mỗiphân đoạn được xác định bằng cách lấy trọng lượng đo được trên đoạn đó trừ đitrọng lượng băng tải tương ứng đã ghi trong bộ nhớ Điều này đảm bảo cân chính xáctrọng lượng liệu ngay cả khi dùng băng tải có độ dày không đều trên chiều dài của nó.Việc điều chỉnh trọng lượng cần phải thực hiện đồng bộ với vị trí của băng (belt indexđược gắn trên băng) mới bắt đầu thực hiện trừ bì Khi ngừng cân vị trí của băng tảiđược giữ lại trong bộ nhớ do đó ở lần khởi động tiếp theo việc trừ bì được thực hiệnngay

1.1.5 Khái quát về điều chỉnh cấp liệu cho cân băng

Việc điều chỉnh cấp liệu cho băng cân định lượng chính là điều chỉnh lưu lượngliệu cấp cho băng cân và được thực hiện bằng 3 phương pháp

- Phương pháp 1 (Điều chỉnh cấp liệu gián đoạn)

Phương pháp này điều chỉnh cấp liệu bằng tín hiệu của sensor cấp liệu kiểu trôi

để điều khiển một số thiết bị cấp liệu

Hình 1 2 Định lượng gián đoạn

Vị trí của sensor cấp liệu theo kiểu trôi được đặt ở phía cuối của ống liệu

- Phương pháp 2 (Điều chỉnh cấp liệu liên tục)

Hình 1 3 Định lượng liên tục

Phương pháp này điều chỉnh cấp liệu liên tục cho băng cân định lượng sử dụng

bộ điều chỉnh PID để điều chỉnh cấp liệu (có thể là van cấp liệu hoặc van quay) đểđảm bảo cho lượng tải trên một đơn vị chiều dài băng tải là không đổi Bộ PID có tácdụng điều chỉnh nếu lưu lượng thể tích của liệu trên băng thay đổi theo phạm vi ±15%

và bộ PID chỉ hoạt động sau khi băng đã hoạt động

Nhận xét 2 phương pháp trên:

Hai phương pháp trên điều chỉnh cấp liệu khác hẳn nhau về bản chất Xét về độchính xác điều chỉnh thì phương pháp 2 hơn hẳn phương pháp 1, thời gian điều chỉnhnhỏ, thiết bị cấp liệu làm việc ổn định không bị ngắt quãng, nhưng phạm vi điềuchỉnh

không rộng Phương pháp 1 đơn giản hơn, phạm vi điều khiển rộng hơn và có thểđược đặt bởi người sử dụng, nhưng trong phạm vi điều chỉnh thiết bị phải làmviệc gián đoạn thì ảnh hưởng không tốt đến tuổi thọ của thiết bị.

- Phương pháp 3 (Điều chỉnh mức vật liệu trong ngăn xếp)

Phương pháp điều chỉnh mức liệu trong ngăn xếp có thể coi là sự kết hợp của 2phương pháp trên: phương pháp điều chỉnh gián đoạn và điều chỉnh liên tục Phươngpháp này tận dụng những ưu điểm và khắc phục những nhược điểm của 2phương pháp trên và được thiết kế đặc biệt cho các băng cân định lượng

1.2 Cấu trúc hệ thống cân băng

Loadcell Hộp giảm

Nt M

BỘ KHUẾCH ĐẠI AC

Qđ

BIẾN TẦN

Trong đó:

Hình 1 4 Cấu trúc hệ thống cân băng định lượng

- Động cơ sử dụng là động cơ không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc, tốc độ củađộng cơ đo được nhờ sensơ đo tốc độ (bộ mã hóa xung)

- Số xung phát ra từ máy phát xung tỷ lệ với tốc độ động cơ và được đưa về

bộ điều khiển

- Bộ điều khiển (dùng PLC) điều chỉnh tốc độ của băng tải và lưu lượng liệu ởđiểm đổ liệu sao cho tương ứng với giá trị đặt.

- Bộ cảm biến trọng lượng (LoadCell) biến đổi trọng lượng nhận được trênbăng thành tín hiệu điện đưa về bộ khuyếch đại

- Điều chỉnh tốc độ của động cơ bằng cách điều chỉnh tần số cấp nguồn cho

1.3 Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần

1.3.1 Động cơ không đồng bộ

1.3.1.1 Khái quát về động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ (KĐB) có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo vận hành đơngiản an toàn, sử dụng trực tiếp từ lưới điện xoay chiều 3 pha nên động cơ KĐBđược sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, từ công suất nhỏ đến công suất trungbình nó chiếm tỷ lệ lớn so với động cơ khác Trước đây do các hệ thống truyền độngđộng cơ KĐB có điều chỉnh tốc độ lại chiếm tỷ lệ nhỏ do việc điều chỉnh tốc độ động

cơ KĐB khó khăn hơn nhiều so với động cơ 1 chiều Ngày nay do việc phát triển củacông nghệ chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật tin học Nên động cơ KĐB phát triển

và dần có xu hướng thay thế động cơ 1 chiều trong các hệ truyền động

Khác với động cơ 1 chiều, động cơ KĐB được cấu tạo bởi phần cảm và phầnứng không tách biệt Từ thông động cơ cũng như mômen động cơ sinh ra phụthuộc vào nhiều tham số Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện động cơKĐB là hệ điều chỉnh nhiều tham số

Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ:

Uf: Trị số hiệu dụng điện áp pha của stator

R2 : Điện trở Roto quy đổi về stator

xnm: Điện kháng ngắn mạchω: Vận tốc góc của động cơ

Từ công thức (2.2) cho ta thấy tốc độ động cơ KĐB phụ thuộc vào sự biến đổitần số lưới điện khi điều chỉnh tần số thì tốc độ động cơ cũng thay đổi theo

Đặc tính M(s) đạt điểm cực đại khi

tới hạn được tính theo công thức:

tính cơ là hằng số:   M th

 const M

Trường hợp tần số giảm (f1< f1đm) nếu giữ nguyên điện áp Uf thì momen vàdòng điện động cơ sẽ tăng rất lớn Nên khi giảm tần số thì phải giảm điện áp theomột quy luật nhất định sao cho động cơ sinh ra được momen như trong chế độ địnhmức

Đặc tính cơ khi f1< f1đm với điều kiện từ thông Φ = const (hoặc gần đúng giữa

Uf /f1 = const) thì Mth được giữ không đổi ở vùng f1< f1đm



Hình 1 5 Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ không đồng bộ

1.3.1.2 Công thức tính chọn động cơ không đồng bộ

* Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động

Hình 1 6 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động

Vận tốc độ góc của động cơ:

  2  n

60 (rad/s) (1.11)Trong đó: n là tốc độ động cơ (v/ph)

Tốc độ của bánh răng 2 (tốc độ của puly chủ động):

 2  V

  D (rad/s) (1.12)

Trong đó: D: Đường kính bánh răng 2

V: Tốc độ của băng truyền (m/s) Tốc độ của bánh răng 1:

1  i  2 (rad/s) (1.13)

Tỷ số truyền giữa puly và động cơ: i  

2

 2

* Tính chọn công suất động cơ

Công suất động cơ:

F V

P1 = 1

1 2Trong đó: η2: Hiệu suất hộp số

η1: Hiệu suất băng tải

(1.14)

F1: Lực của trọng lượng tổng trên băng

F1= L · g · ƍL: Chiều dài của băngg: Gia tốc trọng trường g=9,8m/s2

1.3.2 Khái quát về biến tần

1.3.2.2 Nguyên lý hoạt động của biến tần

Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản Đầu tiên, nguồnđiện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằngphẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện Nhờvậy, hệ số công suất cosφ của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và

có giá trị ít nhất 0.96 Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện ápxoay chiều 3 pha đối xứng Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệIGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung(PWM) Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần sốchuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động

cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ

Hình 1 8 Nguyên lý hoạt động của biến tần

Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ

và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có mộtquy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển Đối với tải có mô men không đổi, tỉ sốđiện áp => tần số là không đổi Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàmbậc 4 Điện áp là hàm bậc 4 của tần số Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậchai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại làhàm bậc hai của điện áp

Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linhkiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại Nhờ vậy, nănglượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống

Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhauphù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau Hiện nay biến tần có tích hợp cả bộPID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điềukhiển và giám sát trong hệ thống SCADA

1.3.2.3 Ưu điểm khi sử dụng biến tần

- Bảo vệ động cơ khỏi mài mòn cơ khí

Khi khởi động động cơ trực tiếp từ lưới điện, vấn đề shock và hao mòn cơ khí

là không thể kiểm soát Biến tần giúp khởi động êm động cơ, dù cho quá trình khởiđộng - ngắt động cơ diễn ra liên tục, hạn chế tối đa hao mòn cơ khí

- Tiết kiệm điện, bảo vệ các thiết bị điện trong cùng hệ thống

Khi khởi động trực tiếp, dòng khởi động lớn gấp nhiều lần so với dòng địnhmức, làm cho lượng điện tiêu thụ tăng vọt Biến tần không chỉ giúp khởi động êm, màcòn làm cho dòng khởi động thấp hơn dòng định mức, tiết kiệm lượng điện ởthời điểm này Đồng thời, không gây sụt áp (thậm chí gây hư hỏng) cho các thiết bịđiện khác trong cùng hệ thống Ngoài ra đối với tải bơm, quạt, máy nén khí…hoặcnhững ứng dụng khác cần điều khiển lưu lượng/áp suất, biến tần sẽ giúp ngừng động

cơ ở chế độ không tải, từ đó tiết kiệm tối đa lượng điện năng tiêu thụ

- Đáp ứng yêu cầu công nghệ

Đối với các ứng dụng cần đồng bộ tốc độ, như ngành giấy, dệt, bao bì nhựa, in,thép,…hoặc ứng dụng cần điều khiển lưu lượng hoặc áp suất, như ngành nước, khínén…hoặc ứng dụng như cẩu trục, thang máy…Việc sử dụng biến tần là điều tất yếu,đáp ứng được yêu cầu về công nghệ, cải thiện năng suất

- Tăng năng suất sản xuất

Đối với nhiều ứng dụng, như ngành dệt, nhuộm, nhựa…việc sử dụng biếntần sẽ làm năng suất tăng lên so với khi sử dụng nguồn trực tiếp, giúp loại bỏ đượcmột số phụ kiện cồng kềnh, kém hiệu quả như puli, motor rùa (motor phụ)…

1.3.3 Điều chỉnh tần số động cơ bằng biến tần

Muốn điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi tần số ta phải có một

bộ nguồn xoay chiều có thể điều chỉnh tần số điện áp một cách đồng thời thôngqua một biến tần

Để tạo ra các bộ biến tần có U và f thay đổi được người ta đã thiết kế ra nhiềuloại biến tần nhưng trong luận văn này ta chỉ xét đến bộ biến tần nguồn áp làmviệc theo nguyên lý điều biến độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) Bộ biếntần này đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh, đồng thời nó còn tạo ra được điện áp vàdòng điện gần giống hình sin

Hình 1 9 Sơ đồ mạch lực bộ biến tần nguồn áp dùng Tranzitor

Dùng phương pháp PWM ta có giản đồ điện thế và điện áp pha A như sau:

Hình 1 10 Giản đồ điện thế và điện áp pha A dùng phương pháp PWM

- Sơ đồ biến tần ba pha dùng Tranzitor gồm:

Bộ nghịch lưu biến đổi điện áp một chiều từ nguồn cấp thành điện ápxoay chiều có tần số biến đổi được Điện áp xoay chiều qua bộ lọc và đưa vào sơ đồcầu Tranzitor

Sơ đồ biến tần Tranzitor ba pha dùng 6 Tranzitor công suất T1 từ T6 và 6 điốt T7

từ T12 đấu song song ngược với các Tranzitor tương ứng

Tín hiệu điều khiển Vb được đưa vào bazơ của Tranzitor có dạng chữ nhật, chu

kỳ là 2, độ rộng là /2

Khi Vb = “0” > Tranzitor bị khóa

Vb = “1” > Tranzitor mở bão hòa

Các Tranzitor được điều khiển theo trình tự 1,2,3,4,5,6,1

Các tín hiệu điều khiển lệch nhau một khoảng bằng /3

1.4 Cảm biến trọng lực Loadcell

1.4.1 Khái niệm Loadcell

Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tínhiệu điện

Khái niệm“strain gage”: cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi khi chịu tác động củalực tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với sự biến dạng này

Loadcell thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hay các lực biếnthiên chậm Một số trường hợp loadcell được thiết kế để đo lực tác động mạnh phụthuộc vào thiết kế của Loadcell

1.4.2 Tế bào cân đo trọng lượng

Là thiết bị đo trọng lượng trong hệ thống cân định lượng bao gồm 2 loại tếbào là loại SFT (Smat Foree Tran Sduer) và tế bào cân Tenzomet

1.4.2.1 Nguyên lý tế bào cân số SFT

Tải trọng cần đo

Ngưỡnghạn chế

Cảm biến nhiệt độ

Dây rung

Bộ chuyển đổi

N N Bộ vi xử lý

S S

Giao thức truyền tin nối tiếp

Hình 1 11 Sơ đồ tế bào cân số SFT