Ứng dụng vi điều khiển và cảm biến ZHKY901 xây dựng mô hình giám sát trực tiếp mômen động cơ điện sử dụng trong các trung tâm sửa chữa, bảo dưỡng nhỏ

Các động cơ điện sau một thời gian vận hành thường gặp phải những hư hỏng cần phải sửa chữa và khắc phục. Các công việc này thường do bộ phận kỹ thuật làm nhiệm vụ bảo trì, bảo dưỡng hoặc phân xưởng sửa chữa của nhà máy. Sau quá trình sửa chữa động cơ thường được đo kiểm để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật trước khi đưa vào vận hành. Trong các thông số kiểm tra thì mômen là đại lượng tương đối khó xác định, lý do là để đo mômen cần phải phối hợp giữa hệ thống đo lường với động cơ, tải, cảm biến trên một hệ thống phức tạp.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢM BIẾN ZHKY901 XÂY DỰNG MƠ HÌNH GIÁM SÁT TRỰC TIẾP MÔMEN ĐỘNG CƠ ĐIỆN SỬ DỤNG TRONG CÁC TRUNG TÂM SỬA CHỮA, BẢO DƯỠNG NHỎ APPLYING MICROCONTROLLER AND ZHKY901 SENSOR IN A MODEL OF SUPERVISING MOMENT ELECTRICAL MOTORS USING IN SMALL REPAIR AND MAINTENANCE CENTERS Lê Anh Tuấn1,*, Phạm Văn Minh1, Bùi Văn Huy1, Nguyễn Văn Đồi1, Phạm Văn Nam1, Vũ Thị Kim Nhị1 TĨM TẮT Các động điện sau thời gian vận hành thường gặp phải haư hỏng cần phải sửa chữa khắc phục Các công việc thường phận kỹ thuật làm nhiệm vụ bảo trì, bảo dưỡng phân xưởng sửa chữa nhà máy Sau trình sửa chữa động thường đo kiểm để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật trước đưa vào vận hành Trong thơng số kiểm tra mơmen đại lượng tương đối khó xác định, lý để đo mômen cần phải phối hợp hệ thống đo lường với động cơ, tải, cảm biến hệ thống phức tạp Hiện hệ thống đo, kiểm tra thông số động thường cồng kềnh, giá thành cao, khó thực ghép nối động đo kiểm Các hệ thống thường trang bị cho trung tâm đo kiểm nhà máy sản xuất động sử dụng trung tâm đăng kiểm hay sử dụng phịng thí nghiệm trường đại học Chúng không phù hợp sử dụng phân xưởng sửa chữa đơn vị bảo dưỡng, sửa chữa nhỏ Vì thực tế đặt cần có mơ hình đo kiểm tra thơng số động có giá thành rẻ, thuận lợi cho việc kiểm thử thông số có thơng số mơmen Trên sở đó, báo đề xuất thiết kế mơ hình ứng dụng vi điều khiển cảm biến ZHKY901 để đo, kiểm tra thơng số mơmen động điện Mơ hình đề xuất thử nghiệm với động Y3-80M1-4 B3 hai trường hợp qua bảo dưỡng sửa chữa Kết thực nghiệm chứng minh độ tin cậy hiệu mơ hình đề xuất Từ khố: Động điện; động khơng đồng bộ; mômen; cảm biến mômen; vi điều khiển ABSTRACT After long time operation, electrical motors always need checked and repaired by technical staffs of plants or the workers of maintaining workshop Technical parameters of the motors have been tested before returning to operate in plant Among many of testing motor parameters, the torque value is quite difficultly measured, because it needs a complicated measurement system Today, testing motor systems are more complicated, too cumbersome and expensive These systems are usually applied in testing centers of motor manufacturers, national quality testing centers and universities’ motor testing room But, they are not suitable for using in a small maintaining factory workshop Therefore, a small motor testing system with low cost and torque measurement, convenient using is necessary For this reason, this paper proposes and designs a motor testing system which applying microcontroller and ZHKY901 torque sensor for checking motor torque Two Y3-80M1-4 B3 induction motors, one is new, the other is old are tested by this system The results will show the reliability of the system Keywords: Electrical motors; asynchrnous motors; moment; moment sensor; microcontroller Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Email: tuanla1@haui.edu.vn Ngày nhận bài: 02/4/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 10/5/2021 Ngày chấp nhận đăng: 27/12/2021 * KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Iđm A Pđm W Website: https://jst-haui.vn Ý nghĩa Dòng điện định mức Cơng suất định mức n M Vịng/phút N.m Tốc độ quay định mức Mômen CHỮ VIẾT TẮT KĐB Động không đồng VĐK Vi điều khiển Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 47 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIỚI THIỆU Thơng thường, động điện sau trình sửa chữa, bảo dưỡng việc kiểm tra đánh giá thông số động điện thông thường dừng lại kiểm tra cách điện, điện trở pha, dòng điện định mức, Hiện nay, gần các hãng sản suất, sửa chữa bảo dưỡng động lớn các trung tâm kiểm định có hệ thống đo lường tích hợp kiểm sốt mơmen nhằm đánh giá thơng số động trước xuất xưởng sau sửa chữa, bảo dưỡng Tuy nhiên giá thành hệ thống đo lường tích hợp cao thường phải nhập từ nước Ở sở sửa chữa, bảo dưỡng nhỏ thường bỏ qua kiểm tra thông số động Có thể tổng hợp số phương pháp để đo mơmen sau: đo trực tiếp cảm biến mômen gắn lên trục động tải, kết nối với điều khiển để trao đổi tín hiệu thơng qua cáp nối Các cảm biến đo mômen dạng ứng dụng công nghệ strain gauge để chuyển đổi tín hiệu mơmen sang tín hiệu điện chiều chuẩn hóa đo lường [3, 4, 10] Ngoài ra, để đơn giản người ta có thể đo phương pháp gián tiếp Trong phép đo gián tiếp mơmen tính tốn thơng qua công suất tải (thông thường máy phát điện chiều xoay chiều), hạn chế phương pháp sai số lớn phải nội suy giá trị Phương pháp đo gián tiếp thường ứng dụng phịng thí nghiệm số trường đại học Ở Việt Nam nay, hệ thống đo lường mômen động chủ yếu thực đơn vị như: Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng, nhà máy sản xuất động điện (Việt Hung, Điện Hà Nội, …) Việc đo mômen cần thiết, giúp người sửa chữa vận hành đánh giá hiệu việc sửa chữa, bảo dưỡng để có hiệu chỉnh thích hợp nhằm tối ưu cơng suất động cơ, nâng cao hiệu sản xuất [2] Bên cạnh đó, số toán điều khiển, đo kiểm tra mơmen giúp nâng cao chất lượng điều khiển Vì vậy, báo này, nhóm tác giả đề xuất xây dựng mơ hình ứng dụng vi điều khiển (VĐK) cảm biến mômen để giám sát mômen động điện phù hợp với điều kiện Việt Nam Mơ hình ứng dụng cảm biến ZHKY901 đại, ứng dụng sở sửa chữa bảo dưỡng nhỏ Ngồi ra, mơ hình cịn tích hợp số tốn điều khiển giúp ích cho việc nâng cao chất lượng cải tiến phương pháp điều khiển NỘI DUNG 2.1 Đặt vấn đề Động điện, động khơng đồng ba pha lồng sóc sử dụng rộng rãi công nghiệp kết cấu đơn giản, làm việc chắn, sử dụng bảo quản thuận tiện, giá thành rẻ [1, 5] Đối với động điện, việc bảo dưỡng động cần thiết động vận hành thời gian dài, lúc phận bên động bị hao mòn đáng kể, hiệu suất đạt khơng cịn lúc đầu, tuổi thọ độ bền động P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 giảm dần, động điện thiết bị khác cần có nghỉ ngơi để bảo dưỡng làm lại máy móc, thiết bị Bên cạnh đó, cơng tác bảo dưỡng thường xuyên giúp tăng tuổi thọ động công suất đạt hiệu tối đa, ngăn ngừa trục trặc hư hỏng động Sau trình sửa chữa, bảo dưỡng động điện cần đo kiểm tra thơng số dịng điện, cơng suất tiêu thụ, điện trở pha, cách điện, trước vào sử dụng trở lại Trong thông số đo kiểm tra động đại lượng mơmen khó kiểm sốt, lý để đo mơmen ta phải phới hợp hệ thống đo lường với động cơ, tải, cảm biến hệ thống gắn cố định, thực đo kiểm tra mơmen chế độ vận hành có tải thay đổi Vì vậy, vấn đề cần thiết đặt cần có mơ hình đo kiểm tra mơmen đơn giản, dễ sử dụng khả thi áp dụng đơn vị bảo dưỡng sửa chữa nhỏ Hình Động không đồng HEM [6] Hiện nay, giới giám sát mômen hãng lớn tích hợp hệ thống đo lường, kiểm tra động điện, nhiên giá thành hệ thống sản phẩm cao, khó ứng dụng quy mơ sửa chữa bảo dưỡng nhỏ Hình số hệ thống thử nghiệm động có đo kiểm tra đại lượng mômen số hãng giới 48 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) a) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 thời gian vận hành [2] phụ thuộc hệ số tải đặt vào máy phát [5] Vì vậy, vấn đề cần thiết đặt cần có mơ hình đo kiểm tra mơmen đơn giản, dễ sử dụng, giá thành rẻ đảm bảo độ xác khi áp dụng đơn vị bảo dưỡng sửa chữa nhỏ 2.2 Mơ hình giám sát đại lượng mơmen động điện 2.2.1 u cầu mơ hình Từ nghiên cứu đánh giá sở lý thuyết đo lường mômen kết hợp đánh giá phương pháp đo mômen thực tế Việt Nam giới, nhóm tác giả đề xuất mơ hình giám sát mơmen động điện với số yêu cầu sau: b) Hình Hệ thống thử nghiệm động nước [7, 8] a) Hệ thống thử nghiệm động đến 37kW Model: RDS-37-ISRAEL b) Hệ thống thử nghiệm động IMC-GERMANY - Kết đo xác so với phương pháp đo đơn giản thường áp dụng phịng thí nghiệm - Có thể thay đổi tải linh hoạt dải rộng Bên cạnh đó, số phịng thí nghiệm đo kiểm tra mơmen thường tính tốn gián tiếp thơng qua cơng suất máy phát điện tốc độ quay động Mơ hình thí nghiệm động hình - Có khả tự động hóa cao thiết bị đo, cảm biến đo sẵn có đại - Nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt vận hành - Đơn giản sửa chữa thay thiết bị 2.2.2 Mơ hình đo kiểm tra mơmen động điện đề xuất Từ yêu cầu đặt trên, nhóm tác giả đề xuất mơ hình đo kiểm tra mơmen động điện với nguyên lý hình Hình Hệ thống thử nghiệm động số phòng thí nghiệm Ở mơ hình thí nghiệm này, mơmen xác định qua công thức: P M  (Nm ) ω Hình Mơ hình đo kiểm tra mômen đề xuất Nút nhấn Cảm biến (Điện áp, dịng điện, mơmen, tốc độ) Hiển thị (LCD) Khối nguồn Vi điều khiển Truyền thơng (Rs232) (1) Trong đó, +  (rad/s) tốc độ quay động đo trực tiếp thông qua cảm biến tốc độ + P2 (W) công suất đầu trục động cơ, P2 tính tốn gián tiếp thơng qua cơng suất phát máy phát (PMF) hiệu suất biến đổi máy phát điện (MF) P2  PMF (W ) ηMF (2) Như vậy, mômen động điện thử nghiệm tính tốn gián tiếp thơng qua cơng suất máy phát điện, hiệu suất máy phát tốc độ quay Độ xác phương pháp phụ thuộc nhiều vào hiệu suất máy phát, nhiên thông số hiệu suất máy phát thay đổi ảnh hưởng Website: https://jst-haui.vn Hình Sơ đồ khối mạch thu thập xử lý tín hiệu Với mơ hình đề xuất động nối với tải phanh điện từ thơng qua cảm biến mơmen Phanh điện từ đóng vai trị tải đặt mơmen cản lên đầu trục động Giá trị mômen cản điều chỉnh thông qua mạch điều khiển điện áp đặt vào phanh điện từ Mômen đầu trục động điện sinh đo lường trực tiếp thông qua cảm biến mômen nối trục động máy phát Tốc độ động xác định thông qua cảm biến tốc độ gắn đồng trục với trục động Bên cạnh đó, để thu thập, xử lý, hiển thị, lưu giữ truyền liệu mơmen từ mơ hình, Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 49 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 nhóm tác giả thực ứng dụng vi điều khiển Sơ đồ khối mạch thu thập xử lý tín hiệu ứng dụng vi điều khiển hình 2.2.3 Lựa chọn thiết bị mơ hình giám sát mơmen a) Cảm biến mơmen ZHKY901 Nhóm tác giả lựa chọn cảm biến mơmen ZHKY901 cảm biến sẵn có thị trường, có độ xác cao (sai số 0,5%) Bên cạnh đó, tín hiệu mơmen từ cảm biến chuẩn hóa tín hiệu điện áp chiều, dễ tích hợp hệ thống thu thập xử lý tín hiệu Các thơng số cảm biến bảng Hình Cảm biến mơmen ZHKY901 [9] Bảng Thông số cảm biến mômen ZHKY901 Thông số Điện áp cấp Phạm vi đo Tốc độ quay tối đa Đầu Tích hợp encoder Độ xác Giá trị 24  25 8.000 0÷5 Tích hợp 0,5 Hình Sơ đồ ngun lý mạch đo kiểm sốt mơmen ứng dụng VĐK Atmega64 Đơn vị VDC N.m vịng/phút VDC % b) Vi điều khiển mạch giám sát mơmen động điện Nhóm tác giả lựa chọn VĐK Atmega64 thiết kế mạch đo kiểm sốt mơmen động điện Atmega64 sẵn có thị trường, có tốc độ xử lý cao lên đến 16MHz, nhớ Ram 4kByte, nhớ chương trình 64k Byte, kênh ADC 10 bit,… Vì vậy, Atmega64 phù hợp với chức đo mômen phối hợp với cảm biến ZHKY901 Sơ đồ mạch nguyên lý mạch đo ứng dụng Atmega64 hình Hình Mạch đo kiểm sốt mơmen ứng dụng vi điều khiển Atmega64 c) Phần mềm cho vi điều khiển Với việc lựa chọn sử dụng vi điều khiển Atmega64 cho bo mạch đo lường xử lý tín hiệu, nhóm tác giả lựa chọn phần mềm CodeVisionAVR version 3.12 để lập trình cho VĐK Phần mềm CodeVisionAVR phần mềm lập trình phổ biến cho AVR, nhiều ứng dụng sử dụng phần mềm CodeVisionAVR sử dụng ngơn ngữ lập trình C, có nhiều cơng cụ hỗ trợ người sử dụng trình lập trình CodeWizardAVR, Debugger,… giao diện dễ sử dụng 2.3 Thực nghiệm đánh giá kết Dựa sơ đồ nguyên lý đề xuất, thiết bị lựa chọn nhóm tác giả thiết kế, chế tạo phối ghép hồn thiện mơ hình giám sát mơmen động điện Mơ hình giám sát mơmen động điện hồn chỉnh hình 50 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Tốc độ định mức 1390 Hệ số công suất 0,75 Tần số làm việc 50 vịng/phút Hz Nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm hai động với mô hình, kết thử nghiệm bảng Trong thử nghiệm, lựa chọn động đấu Y, điện áp cấp đặt vào điều chỉnh giá trị định mức 380VAC Tuy nhiên, tần số làm việc nguồn cấp khơng thể điều chỉnh phụ thuộc vào lưới điện thử nghiệm có sai khác với tần số làm việc định mức động Sự sai khác giới hạn cho phép không ảnh hưởng đến kết thử nghiệm Bảng Kết thử nghiệm hai động Y3-80M1-4 B3 Thông số Động cũ sau Giá trị Động sửa chữa định mức ghi Sai số so Sai số so Giá trị đo với giá trị Giá trị đo với giá trị nhãn ghi ghi động nhãn nhãn Điện áp cấp Y (V) 380 380 380 Dòng điện định mức (A) 1,57 1,63 3,6% 1,69 7,6 % Tốc độ định mức (Vòng/phút) 1390 1415 1,8% 1410 1,4 % Hệ số công suất cos 0,75 0,72 4% 0,70 6,7 % Tần số làm việc (Hz) 50 50,1 Mômen định mức (N.m) 3,78 3,68 49,95 2,6% 3,53 6,6 % 2.3.2 Đánh giá kết Hình Mơ hình kiểm sốt mômen ứng dụng vi điều khiển Atmega64 ZHKY901 2.3.1 Kiểm nghiệm thực tế Để đánh giá mơ hình, nhóm tác giả tiến hành thử nghiệm với hai động KĐB pha công suất nhỏ, mã hiệu Y3-80M1-4 B3 hãng PARMA Một động chưa sử dụng, động qua sửa chữa (quấn lại dây bị cháy trình vận hành) Thông số động hãng kiểm thử trước vào vận hành ghi nhãn đượng cơ, thông số bảng Bảng Thông số động KĐB Y3-80M1-4 B3 Thông số Giá trị định mức Đơn vị 550 W Điện áp cấp Y/ 380/220 VAC Dịng điện định mức 2,71/1,57 A Cơng suất Website: https://jst-haui.vn Đối với động mới, từ kết thử nghiệm cho thấy thơng số dịng điện, tốc độ, hệ số công suất giá trị mômen định mức đo so với thông số ghi nhãn động không sai lệch nhiều Sai số lớn ứng với giá trị hệ số công suất ứng (4%) Sai số nguyên nhân sai số cảm biến dòng, cảm biến áp, sai số linh kiện điện tử, sai lệch ghép nối chi tiết khí ảnh hưởng đến kết đo Đánh giá chung, mơ hình nhóm tác giả đề xuất, thiết kế chế tạo hoạt động ổn định với sai số chấp nhận Đối với động qua bảo dưỡng sửa chữa, thông số đo có sai lệch nhiều so với giá trị xuất xưởng ghi nhãn Sai lệch lớn ứng với dòng điện đo định mức, lúc sai lệch tăng lên khoảng 7,6% Độ sai lệch nguyên nhân q trình sửa chữa khơng đảm bảo, chất lượng dây quấn cách quấn dây không tốt làm tổn hao dây quấn tăng, việc bảo dưỡng chưa quan tâm đến thay vịng bi sau q trình vận hành lâu dài làm tổn hao ma sát tăng Các tổn hao dẫn đến tổng tổn hao không tải tăng làm cho dịng khơng tải tăng dịng làm việc động tăng theo Bên cạnh đó, tổng tổn hao thay đổi ảnh hưởng đến mômen đầu trục, trường hợp Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 51 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ mơmen bị suy giảm Như mơ hình giám sát mơmen nhóm tác giả đề xuất với thông số đo phản ánh sát với thực tế sửa chữa động điện KẾT LUẬN Bài báo trình bày đề xuất ứng ứng dụng VĐK cảm biến ZHKY901 mơ hình giám sát mômen động điện, độ tin cậy mô hình kiểm chứng đo thử nghiệm với hai động không đồng Qua kết đạt kết luận người sử dụng, mơ hình giám sát mơmen động điện dễ dàng lắp đặt, sửa chữa bảo dưỡng Bên cạnh đó, mơ hình có giá thành rẻ sử dụng thiết bị linh kiện sẵn có thị trường Với ưu điểm mơ hình khả thi ứng dụng sở sửa chữa bảo dưỡng nhỏ Ngồi ra, với mơ hình cịn cho phép người sử dụng đo mơmen trực tiếp hệ thống vận hành Cụ thể là, người sử dụng điều chỉnh cơng suất tải thơng qua giá trị mơmen đo kiểm sốt hệ số tải đặt vào động để đánh giá thông số động vận hành Xa điều chỉnh kiểm sốt mơmen tải quan trọng toán liên quan đến điều khiển tốc độ, mơmen có tải biến đổi vấn đề nhóm tác giả đề cập tới báo sau P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 [8] https://www.imc-tm.com/products/test-stands/test-stands-for-electricmotors/ [9] http://www.lanmec.com/enPhoto_list.asp?ClassId=34&Topid=0 [10] G Heins, M Thiele, T Brown, 2011 Accurate Torque Ripple Measurement for PMSM IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement ,Vol 60, Issue 12, pp 3868 – 3874 AUTHORS INFORMATION Le Anh Tuan, Pham Van Minh, Bui Van Huy, Nguyen Van Doai, Pham Van Nam, Vu Thi Kim Nhi Faculty of Electrical Engineering, Hanoi University of Industry TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bui Duc Hung, Trieu Viet Linh, 2011 May dien 1, Vietnam Education Publishing House [2] Nguyen Duc Sy, 2015 Cong nghe che tao thiet bi dien Vietnam Education Publishing House [3] Hoang Van Sy, Le Van Giang, 2015 Methods to measure the torque on diesel propulsion shaft Transport Journal [4] D.R Myers, A.P Pisano, 2009 Torque measurements of an automotive halfshaft utilizing a MEMS resonant strain gauge Transducers 2009 - 2009 International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, pp 1726-1729 [5] Vu Gia Hanh, Tran Khanh Hà, Phan Tu Thu, Nguyen Van Sau, 2011 May dien 1, Science and Technics Publishing House [6] http://hem.vn/ [7] https://thietbithunghiem.vn/thu-nghiem-dien-dien-tu/thu-nghiemdong-cp/thong-thu-nghiem-hieu-suat-dong-co-den-37kw/ 52 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) Website: https://jst-haui.vn ... tốn điều khiển, đo kiểm tra mơmen giúp nâng cao chất lượng điều khiển Vì vậy, báo này, nhóm tác giả đề xuất xây dựng mơ hình ứng dụng vi điều khiển (VĐK) cảm biến mômen để giám sát mômen động điện. .. cảm biến ZHKY901 Sơ đồ mạch nguyên lý mạch đo ứng dụng Atmega64 hình Hình Mạch đo kiểm sốt mômen ứng dụng vi điều khiển Atmega64 c) Phần mềm cho vi điều khiển Với vi? ??c lựa chọn sử dụng vi điều khiển. .. Giá trị mômen cản điều chỉnh thông qua mạch điều khiển điện áp đặt vào phanh điện từ Mômen đầu trục động điện sinh đo lường trực tiếp thông qua cảm biến mômen nối trục động máy phát Tốc độ động