thiết kế hệ thống truyền động điện trục tháo trục quấn dùng động cơ xoay chiều

đồ án thiết kế hệ thống truyền động trục tháo trục quấn sử dụng động cơ xoay chiều đã được thông qua và chấm 8 điểm. các bạn nên down về dùng dựa trên các cơ sở có sẵn có thể cải tiến lên hoặc làm sườn để làm các đồ án cho riêng mình

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NHIỆM VỤ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG TRỤC THÁO TRỤC QUẤN

1.1 Các yêu cầu chung về hệ thống điều khiển truyền động điện trục tháo

YÊU CẦU VỀ TỐC ĐỘ TRỤC THÁO TRỤC QUẤN THAY ĐỔI THEOBÁN KÍNH BĂNG VẬT LIỆU : Ta thấy khi làm việc các trục tháo và trục quấnvật liệu sẽ thay đổi bán kính (đối với trục quấn sẽ tăng dần, còn trục tháo sẽgiảm dần) Vì vậy đảm bảo tốc độ thay đổi theo bán kính vật liệu là yêu cầu khókhăn nhất trong quá trình thiết kế hệ thống

YÊU CẦU VỀ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BÁM THEO GIÁ TRỊ ĐẶT:

Ổn định tốc độ động cơ là một yêu cầu quan trong trong quá trình thiết kế lên hệthống điều khiển trục tháo trục quấn Tùy theo từng giá trị đặt đầu vào mà đầu racủa động cơ phải ổn định về giá trị đặt đó

YÊU CẦU VỀ ĐIỀU KHIỂN : Có thể điều khiển tại chỗ bằng các nút ấnhoặc điều khiển từ xa bằng PLC kết nối vs biến tần

YÊU CẦU VỀ ĐO LƯỜNG : đảm bảo các cảm biến luôn hoạt động tốt theothời gian sử dụng, tín hiệu phản hồi chính xác, giảm tối thiểu tối đa các sai sốtrong quá trình đo

NGOÀI RA CẦN CHÚ Ý ĐẾN CÁC YÊU CẦU KHÁC:

Hệ thống phải luôn duy trì ổn định và hoạt động liên tục trong quá trình làmviệc

Tối ưu hóa công tác lắp đặt, bảo trì và nâng cấp

Đảm bảo an toàn cho người vận hành

1.2 Đề xuất phương án thiết kế hệ thống truyền động điện trục tháo trục

Hình 1 1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống trục tháo trục quấn

Hình 1.1 là một sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ thống trục tháo trục quấn với

hệ truyền động sử dụng nhiều động cơ, thường được sử dụng trong các dâychuyền sản xuất liên tục, trong đó vật liệu đồng thời chạy qua nhiều phần truyềnđộng của thiết bị công nghệ Cấu tạo thông thường của một hệ trục tháo trụcquấn gồm có các thành phần như : trục tháo ra, truc quấn lại, các cảm biến đolường, động cơ truyền động, bộ truyền cơ khí và bộ điều khiển Hai trục củatrục quấn và trục tháo được gắn với hai động cơ cùng với bộ truyền động điện

để điều khiển hai trục tháo và trục quấn một cách dễ dàng Mỗi một truyền độngcần phải làm việc với tốc độ thích hợp gắn với yêu cầu chung của hệ

Để điều khiển hệ thống trục tháo, trục quấn, điều quan trọng nhất là phải tiến

tháo mang nhiều cuộn vật liệu nên bán kính là lớn nhất còn trục quấn chưa cócuộn vật liệu nên bán kính là nhỏ nhất Như vậy bán kính của trục tháo sẽ ứngvới động cơ truyền động điện sẽ có vận tốc ban đầu là lớn nhất rồi giảm dầntheo bán kính vật liệu cuộn trên trục tháo Tương tự bán kính trục quấn sẽ ứngvới động cơ truyền động điện có vận tốc ban đầu là nhỏ nhất rồi tăng dần vậntốc theo bán kính vật liệu cuộn trên trục quấn Ta có sơ đồ biểu diễn sự biếnthiên tốc độ giữa trục tháo và trục quấn theo thời gian.

Hình 1 2 Sơ đồ biểu diễn sự biến thiên tốc độ giữ trục tháo và trục quấn theo

thời gian

Ta thấy được rằng, để điều chỉnh tốc độ của trục tháo, trục quấn Ta cầnđiều chỉnh tốc độ trục tháo, trục quấn theo bán kính của trục tháo và trục quấn.Mối quan hệ này có thể biểu diễn bằng biểu thức:

Để điều chỉnh tốc độ trục tháo, trục quấn theo tốc độ mong muốn, ta tiếnhành điều chỉnh tốc độ đặt ban đầu theo R để điều khiển hệ thống

1.2.2.

1.2.3 Đề xuất phương án điều khiển cho hệ thống truyền động điện trục

tháo trục quấn

Để việc điều khiển tốc độ được chuẩn xác ta cần phải xây dựng mạchvòng kín cho hệ thống điều khiển trục tháo trục quấn

Ta có cấu trúc cơ bản cho mạch vòng của hệ thống trên hình 1.3 như sau :

Hình 1 3 Cấu trúc điều khiển vòng kín

Hình 1.3 trình bày cấu trúc điều khiển vòng kín cho hệ thống truyền độngđiện trục tháo trục quấn sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển sao cho tínhiệu output phải bằng với tín hiệu đặt input Tốc độ đặt được đưa vào ở đầuvào được so sánh với tốc độ phản hồi sau đó đưa vào khối điều chỉnh tốc độđộng cơ, khối này thực hiện việc điều chỉnh tốc độ cho động cơ

Bộ biến đổi: đóng vai trò biến đổi các thông số đầu vào như dòng điện,điện áp, tần số…sao cho các thông số đầu ra đúng như giá trị mong muốn cấpvào cho động cơ hoạt động Bộ biến đổi có thể là biến tần , điều áp xoay chiều 3pha … Nhưng phổ biến nhất hiện nay là dùng biến tần

Feedback : Sử dụng các cảm biến đo tốc độ phản hồi về bộ điều khiển để

so sánh tín hiệu đặt với tín hiệu đầu ra Cảm biến thường được sử dụng làencoder hoặc máy phát tốc, bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa, xác định

cảm biến tốc độ Nhưng trong thực tế người ta hay dùng bộ đếm xung encoder

để đo tốc độ với độ đáng tin cậy cao

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRỤC THÁO, TRỤC QUẤN 2.1 Thiết kế sơ đồ mạch nguồn cho hệ thống điều khiển trục tháo, trục quấn 2.1.1 Hệ thống điều khiển cấp nguồn cho hệ thống trục tháo trục quấn

2.1.2 Hệ thống điều khiển cấp nguồn cho hệ thống trục tháo trục quấn

Toàn bộ nguồn điện hệ thống trục tháo trục quấn được cung cấp từ lưới điện380V, 50 Hz sau trạm biến áp hạ thế Sơ đồ điều khiển nguồn cấp cho hệ thốngtrục tháo trục quấn được biểu diễn trên hình 2.1

NGUỒN ĐIỆN CẤP CHO CÁC ĐỘNG CƠ ĐIỆN GỒM 2 LOẠI:

Nguồn S1 (3 pha, 380V, 50 Hz) là nguồn điện cung cấp cho biến tần, điềukhiển động cơ truyền động cho trục tháo

Nguồn S2 (3 pha, 380V, 50 Hz) là nguồn điện cung cấp cho biến tần, điềukhiển động cơ truyền động cho trục quấn

NGUỒN ĐIỆN CẤP CHO CÁC MẠCH ĐIỀU KHIỂN, ĐO LƯỜNG :

Nguồn 1 pha, 220V, 50 Hz là nguồn điện cung cấp cho các role, công tắc tơtrong mạch điều khiển, đầu ra các PLC

Nguồn điện 1 chiều 24V cấp cho các đầu vào của PLC

2.1.3 Chức năng các phần tử cho mạch nguồn trên hình 2.1

- GIC : Rơ le bảo vệ mất pha

- F1 : Cầu chì bảo vệ ngắn mạch cho role bảo vệ mất pha

- F2 : Cầu chì bảo vệ ngắn mạch phía sơ cấp của Máy Biến áp 1pha BA1

- F3 : Cầu chì bảo vệ ngắn mạch phía sơ cấp của Máy Biến áp 1pha BA2

- F4 : Cầu chì bảo vệ ngắn mạch phía sơ cấp của Máy Biến áp 1pha BA3

- BA3 : Máy biến áp 1 pha cấp nguồn 220V cho mạch điều khiển

- BA1 x2 : 2 Máy biến áp 1 pha đấu thành máy biến áp 3 pha cấpnguồn 110V cho mạch đo lường trục tháo

- BA2 x2 : 2 Máy biến áp 1 pha đấu thành máy biến áp 3 pha cấpnguồn 110V cho mạch đo lường trục quấn

- CT1 x2 : 2 máy biến dòng 1 pha mắc 2 trong 3 pha cấp tín hiệu dolường cho trục tháo

- CT2 x2 : 2 máy biến dòng 1 pha mắc 2 trong 3 pha cấp tín hiệu dolường cho trục quấn

- CL : Chỉnh lưu biến đổi 220 V sang nguồn 1 chiều 24V

MẠCH ĐO LƯỜNG

- V: Vôn kế đo điện áp toàn bộ hệ thống mạch động lực có điện áp 380V,

được cấp điện từ phía thứ cấp của máy biến áp xí nghiệp

- A: Ampe kế đo dòng điệnt toàn bộ hệ thống mạch động lực, được cấp đện

từ biến dòng CT1, CT2

- PL1, PL2, PL3: Đèn báo hiệu nguồn của toàn bộ hệ thống

2.1.4 Nguyên lý hoạt động mạch nguồn

Thao tác đóng cắt nguồn điện:

THAO TÁC ĐÓNG NGUỒN ĐIỆN:

Đóng cầu dao tự động MCCB1, lúc này nguồn 3 pha 380V lấy từ lướiđiện sau trạm biến áp của xí nghiệp được cấp tới các điểm đóng cắt MCB1,MCB2 chờ cấp điện cho các mạch động lực trục tháo trục quấn, đồng thời cũngcấp nguồn vào role bảo vệ mất pha làm đóng tiếp điểm NC Ta đóng aptomatMCB1 nguồn được đưa tới phía sơ cấp của 2 máy biến áp 1 pha đấu chungthành biến áp 3 pha, ở phía thứ cấp nguồn điện được đưa tới Vôn kế hiển thị đolường và làm sáng đèn hiệu báo nguồn PL 2 biến dòng CT1 đo dòng 2 trong 3pha đưa tín hiệu đo được về Ampe kế hiện thị đo lường dòng điện trong mạch.Đóng MCB2 mạch nguồn hoạt động tương tự như phía MCB1 Đóng tiếp CB1cấp nguồn phía sơ cấp máy biến áp 1 pha MB3 hạ áp 380V xuống 220 V, ở phíathứ cấp MB3 nguồn điện đưa tới CB2 nhằm mục đích bảo vệ mạch thứ cấp chomáy biến áp ở đầu còn lại của CB2 được chia làm 2 lộ, 1 lộ đi tới mạch điềukhiển cấp nguồn cho PLC và các đầu ra role Lộ còn lại đi qua chỉnh lưu thànhnguồn 1 chiều 24 V cấp nguồn cho các thiết bị đầu vào của PLC

THAO TÁC NGẮT NGUỒN ĐIỆN:

Để ngắt nguồn điện phía S1 (3 pha, 380V, 50 Hz) cấp nguồn cho động lựctrục tháo, gạt atomat MCB1 ngắt nguồn khỏi lưới điện chính, đầu vào phía sơcấp của các máy biến áp 1 pha MB1 mất điện, đèn báo nguồn PL1 tắt.

Tương tự để ngắt nguồn phía S2 (3 pha, 380V, 50 Hz) cấp nguồn chođộng lực trục tháo, gạt atomat MCB2 ngắt nguồn khỏi lưới điện chính, đầu vàophía sơ cấp của các máy biến áp 1 pha MB2 mất điện, đèn báo nguồn PL2 tắt

Để ngắt nguồn 220VAC và 24VDC tới mạch điều khiển, mở aptomatCB1

Hình 2 2 Tủ điện nguồn

2.1.5.

2.1.6 Các bảo vệ

Bảo vệ mất pha : Được thực hiện bằng role bảo vệ mất pha GIC Role nàykhi có đủ 3 pha đấu đúng thứ tự pha thì tiếp điểm NC đóng lại cấp nguồn điềukhiển cho động cơ sẵn sàng hoạt động Khi có sự cố mất 1 trong 3 pha hoặc bịgiảm áp, cao áp thứ tự pha không đúng thì tiếp điểm NO mở ra ngắt nguồn điềukhiển không cho động cơ hoạt động

Bảo vệ ngắn mạch : Được thực hiện bằng các cầu chì F2, F3, F4 mắc ở phíacuộn sơ cấp của máy biến áp Khi xảy ra sự cố ngắn mạch, các cầu chì F2, F3,F4 đứt => ngắt máy biến áp ra khỏi lưới điện Tương tự khi có sự cố cầu chì F1đứt ngắt Rơ le bảo vệ mất pha ra khỏi hệ thống

Bảo vệ quá tải : Được thực hiện bằng các aptomat MCB1, MCB2 Khi xảy ra

sự cố quá tải trên đường dây, dòng bắt đầu tăng lên cao Các aptomat MCB1 vàMCB2 mở ra ngắt toàn bộ mạch động lực ra khỏi lưới điện Khi đã khắc phụcxong sự cố, ta gạt aptomat hoạt động lại như bình thường

2.2 Thiết kế sơ đồ mạch động lực cho hệ thống điều khiển trục tháo, trục

quấn

2.2.1 Sơ đồ mạch động lực trục tháo

Hình 2 3 Sơ đồ mạch động lực trục tháo

2.2.1.1 Chức năng các phần tử trong mạch động lực trục tháo trên hình

- M440 : Modul kết nối biến tần với encoder

- Rt1 : Biến trở đặt setpoint cho biến tần

2.2.1.2 Nguyên lý hoạt động mạch động lực trục tháo

Biến tần M440 cấp nguồn bởi công tắc tơ K1 để điều khiển tốc độ động

cơ M1 Giá trị đặt của trục tháo được đặt nhờ biến trở nối với con lăn trên cuộntrục tháo Trong quá trình làm việc, trục tháo giảm dần bán kính băng vật liệucon lăn tì xuống điều chỉnh điện áp trên biến trở vào biến tần encoder 1 đượcđặt để đo tốc độ trên trục động cơ rồi đưa giá trị tốc độ đó biến đổi thành điện ápphản hồi về biến tần Biến tần so sánh giá trị đặt và giá trị phản hồi rồi điềuchỉnh tốc độ động cơ thay đổi theo đường kính băng vật liệu Biến tần được càiđặt các tham số cơ bản như thời gian tăng tốc, thời gian giảm tốc Nếu 2 tham sốnày ngắn quá sẽ gây ra hiện tượng giật cục, rung lắc làm băng vật liệu hư hại.Ngoài ra còn cái đặt các tham số PID cho bộ điều khiển bên trong biến tần,chọn đầu vào tương ứng cho tín hiệu đặt là tín hiệu điện áp, sử dụng modulM440 để kết nối với encoder tiếp nhận tín hiệu

2.2.1.3 Chức bảo vệ

Bảo vệ không: Được thực hiện bằng các công tắc tơ K1,K3 Khi bị sự cố

mất điện nguồn thì tiếp điểm chính K1C và K3C của các công tắc tơ mở ra Khi

có điện nguồn trở lại tiếp điểm chính này ngăn không cho động cơ tự ý hoạtđộng mà khi chưa có sự điều khiển của con người

2.2.2 Sơ đồ mạch động lực trục quấn

Hình 2 4 Sơ đồ mạch động lực trục quấn

2.2.2.1 Chức năng các phần tử trong mạch động lực trục quấn trên hình

- M440 : Modul kết nối biến tần với encoder

- Rt1 : Biến trở đặt setpoint cho biến tần

2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động mạch động lực trục quấn

Nguyên lý hoạt động: Biến tần M440 cấp nguồn bởi công tắc tơ K2 đểđiều khiển tốc độ động cơ M2 Giá trị đặt của trục quấn được đặt nhờ biến trởnối với con lăn trên cuộn trục quấn Trong quá trình làm việc, trục quấn tăng dầnbán kính băng vật liệu con lăn tì xuống điều chỉnh điện áp trên biến trở vào biếntần encoder 2 được đặt để đo tốc độ trên trục động cơ rồi đưa giá trị tốc độ đóbiến đổi thành điện áp phản hồi về biến tần Biến tần so sánh giá trị đặt và giá trịphản hồi rồi điều chỉnh tốc độ động cơ thay đổi theo đường kính băng vật liệu.Biến tần được cài đặt các tham số cơ bản như thời gian tăng tốc, thời gian giảmtốc Nếu 2 tham số này ngắn quá sẽ gây ra hiện tượng giật cục, rung lắc làmbăng vật liệu hư hại Ngoài ra còn cái đặt các tham số PID cho bộ điều khiểnbên trong biến tần, chọn đầu vào tương ứng cho tín hiệu đặt là tín hiệu điện áp,

sử dụng modul M440 để kết nối với encoder tiếp nhận tín hiệu

2.2.2.3 Các bảo vệ

Bảo vệ không: Được thực hiện bằng các công tắc tơ K2,K4 Khi bị sự cố

mất điện nguồn thì tiếp điểm chính K2C và K4C của các công tắc tơ mở ra Khi

có điện nguồn trở lại tiếp điểm chính này ngăn không cho động cơ tự ý hoạtđộng mà khi chưa có sự điều khiển của con người

2.3 Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển cho trục tháo trục quấn

2.3.1 Sơ đồ mạch điều khiển

Hình 2 5 Sơ đồ đầu vào PLC

Hình 2 7 Sơ đồ đầu ra PLC

2.3.2 Chức năng các phần tử trong mạch điều khiển

- Nút ấn Start : Khởi động cho hệ thống hoạt động

- Nút ấn Stop : Dừng hệ thống

- Nút ấn reset : reset lại toàn bộ hệ thống như ban đầu

- R1 - R6 : Các rơ le trung gian

- K1 – K4 : Cuộn hút của các công tắc tơ

- WL1- WL2 : Đèn báo hoạt động của trục tháo trục quấn

2.3.3 Chương trình điều khiển cho PLC

Hình 2 8 Chương trình khởi động hệ thống trục tháo trục quấn

Hình 2 9 Chương trình đèn báo tín hiệu hệ thống trục tháo trục quấn

Hình 2 10 Chương trình khi xảy ra sự cố mất pha hệ thống trục tháo trục quấn

Hình 2 11 Chương trình dừng và reset hệ thống trục tháo trục quấn

2.3.4 Nguyên lý hoạt động

QUÁ TRÌNH KHỞI ĐỘNG :

Ấn nút start, các chân ra Y3, Y4, Y5, Y8 của PLC xuất tín hiệu điều khiểntới các cuộn hút của role trung gian R3, R4, R5, R6 Nguồn được sử dụng chocác role trung gian là nguồn 24VDC nhằm mục đích đảm bảo an toàn cho người

sử dụng Các cuộn hút R3, R4, R5, R6 có điện, đóng các tiếp điểm cấp nguồncho các cuộn hút của công tắc tơ K1, K2, K3, K4 đóng các tiếp điểm chính K1C,K2C, K3C, K4C đưa biến tần và động cơ nối với lưới điện sẵn sàng cho quátrình hoạt động Cùng lúc đó các tiếp điểm phụ của các công tắc tơ cấp 1 xungđầu vào cho PLC, các chân ra Y6, Y7 xuất tín hiệu cấp nguồn cho đèn báo hiệu

cho người vẫn hành biết động cơ đã được khởi động Đồng thời chân Y1,Y2cũng có tín hiệu xuất ra cấp nguồn cho role trung gian R1, R2 đóng tiếp điểmR1P (04-2D) và R2P (04-2D) trên biến tần để động cơ chạy thuận

QUÁ TRÌNH DỪNG :

Ấn nút Stop/Reset, đầu vào chân X2 của PLC có 1 xung tín hiệu reset toàn

bộ chương trình PLC, các chân đầu ra từ Y1-Y8 bị ngắt tín hiệu cấp nguồn chocác role trung gian R1-R8 Nguồn động lực bị ngắt ra khỏi động cơ và biến tần,quá trình hoạt động hoàn tất

QUÁ TRÌNH XẢY RA SỰ CỐ MẤT PHA:

Trong quá trình hoạt động xảy ra sự cố mất pha, tiếp điểm a(04-4C) mở ra,a(04-4B) đóng lại, tín hiệu xung đầu vào PLC X3 bị ngắt Reset toàn bộ chươngtrình giống như quá trình dừng Nguồn động lực bị ngắt ra khỏi động cơ và biếntần, bảo vệ cho các thiết bị điện cho đến khi nào khắc phục được sự cố mất pha

2.4 Lựa chọn sensor và thiết kế các mạch đo lường phục vụ điều khiển 2.4.1 Lựa chọn sensor cho hệ thống trục tháo trục quấn

2.4.1.1 Lựa chọn cảm biến quang tốc độ (Encoder).

Trong thực tế có 2 loại encoder là encoder tuyệt đối và encoder tương đối.Trong đồ án này e xin chọn loại encoder tương đối Cấu tạo encoder tương đốinhư hình 2.12

Hình 2 12 Sơ đồ cảm biến quang tốc độ và sơ đồ nguyên lý transistor.

Để làm tăng độ mịn: xác định được chính xác số vòng quay người ta thựchiện tăng số lỗ hoặc rãnh trên đĩa mã hóa

Hình 2 13 Đĩa mã hóa của encoder tương đối.

Hình 2 14 Xung ra trên cảm biến quang tốc độ.

a) Xung A và B lệch nhau 900

b) Xác định chiều quay bằng lệch pha

Theo hình 2.14 nếu xung A vượt trước xung B thì chiều quay như hìnhbên cạnh và ngược lại

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục.Trên đĩa có các lỗ (rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khiđĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ(rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người tađặt một con mắt thu Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua,người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không Khi trục quay, giả sửtrên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đènled, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng