Giáo trình Điều khiển điện khí nén (Nghề Điện công nghiệp Trung cấp)

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CĐN XÂY DỰNG GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN: ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN KHÍ NÉN NGHÀNH/ NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Quảng Ninh, 2021 TUN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Cùng với phát triển thiết bị điện thiết bị điều khiển khí nén ứng dụng rộng rãi thư vận chuyển ống khí nén, Phanh khí nén, búa tán đinh khí nén búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh hay xy lanh dây truyền đóng gói sản phẩm Giáo trình điều khiển điện khí nén trang bị đầy đủ kiến thức để nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển khí nén tiêu biểu sử dụng nhiều dây truyền sản xuất cơng nghiệp tài liệu quan trọng, có ý nghĩa thiết thực cho việc giảng dạy giáo viên học tập sinh viên Giáo trình biên soạn sở chương trình mơđun nghề điện Giáo trình có cấu trúc gồm bốn là: Chương 1: Tổng quan khí nén Chương 2: Điều khiển điện – khí nén Trong q trình biên soạn giáo trình, khơng tránh khỏi khiếm khuyết, tác giả mong cộng tác góp ý phê bình bạn đọc, để ngày hoàn thiện Tác giả biên soạn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ NÉN Cơ sở lý thuyết khí nén 1.1 Sự phát triển kỹ thuật khí nén Ứng dụng khí nén có từ thời kỳ trước cơng ngun, nhiên phát triển khoa học kỹ thuật thời khơng đồng bộ, kết hợp kiến thức học, vật lý, vật liệu thiếu Cho nên phạm vi ứng dụng khí nén cịn hạn chế Mãi đến kỷ 17, nhà kỹ sư chế tạo người Đức Guerike, nhà toán học nhà triết học người Pháp Pascal, nhà vật lý người Pháp Papin xây dựng nên tảng ứng dụng khí nén Trong kỷ 19, máy móc thiết bị sử dụng lượng khí nén phát minh: thư vận chuyển ống khí nén (1835), Phanh khí nén(1880), búa tán đinh khí nén (1861) Trong lĩnh vực xây dựng đường hầm xuyên dãy núi Alpes Thụy sĩ (1857) lần người ta sử dụng khí nén với công suất lớn Vào năm 70 kỷ thứ 19 xuất Pari trung tâm sử dụng lượng khí nén với cơng suất lớn 7350KW Khí nén vận chuyển tới nơi tiêu thụ đường ống với đường kính 500mm chiều dài km Tại nơi khí nén nung nóng lên tới nhiệt độ từ 50 oC đến 150oC để tăng công suất truyền động động cơ, thiết bị búa hơi… Với phát triển mạnh mẽ lượng điện, vai trị sử dụng lượng khí nén bị giảm dần Tuy nhiên việc sử dụng lượng khí nén đóng vai trị cốt yếu lĩnh vực mà sử dụng lương điện nguy hiểm, sử dụng lượng khí nén dụng cụ nhỏ, truyền động với vận tốc lớn, sử dụng lượng khí nén thiết bị búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh… Và nhiều dụng cụ khác đò gá kẹp chi tiết Sau chiến tranh giới thứ 2, việc ứng dụng lượng khí nén kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh mẽ Với dụng cụ, thiết bị, phần tử khí nén sáng chế ứng dụng lĩnh vực khác nhau, kết hợp nguồn lượng khí nén với điện – điện tử nhân tố định cho phát triển kỹ thuật điều khiển tương lai Hãng FESTO (Đức) có chương trình phát triển hệ thống điều khiển khí nén đa dạng, khơng phục vụ cho cơng nghiệp mà cịn phục vụ cho phát triển phương tiện dạy học 1.2 Khả ứng dụng khí nén - Trong lĩnh vực điều khiển, hệ thống điều khiển khí nén sử dụng lĩnh vực mà cần độ an toàn cao thiết bị phun sơn, loại đồ gá kẹp chi tiết nhựa, chất dẻo lĩnh vực sản xuất thiết bị điện tử, điều kiện vệ sinh mơi trường điều khiển dùng khí nén tốt độ an tồn cao Ngồi ra, hệ thống điều khiển khí nén sử dụng dây chuyền rửa tự động, thiết bị vận chuyển kiểm tra thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao bì cơng nghiệp hóa chất - Trong hệ thống truyền động : + Các dụng cụ, thiết bị máy va đập: Các thiết bị, máy móc lĩnh vực khai thác như: khai thác đá, khai thác than, cơng trình xây dựng như: xây dựng hầm mỏ, đường hầm + Truyền động quay: Truyền động động quay với công suất lớn lƣợng khí nén giá thành cao Nếu so sánh giá thành tiêu thụ điện động quay lượng khí nén động điện có cơng suất, giá thành tiêu thụ điện động quay lượng khí nén cao 10 đến 15 lần so với động điện Nhưng ngược lại thể tích trọng lượng nhỏ 30% so với động điện có cơng suất Những dụng cụ vặn vít, máy khoan, công suất khoảng 3,5 kW, máy mài, công suất khoảng 2,5 kW máy mài với công suất nhỏ, với số vòng quay cao khoảng 100.000 v/ph khả sử dụng động truyền động khí nén phù hợp + Truyền động thẳng: Vận dụng truyền động áp suất khí nén cho truyền động thẳng dụng cụ, đồ gá kẹp chi tiết, thiết bị đóng gói, loại máy gia công gỗ, thiết bị làm lạnh hệ thống phanh hãm ôtô 1.3 Đơn vị đo hệ thống điều khiển khí nén 1.3.1 Áp suất Đơn vị áp suất hệ đo lường SI Pascal (Pa) Pascal áp suất phân bố lên bề mặt có diện tích 1m2 với lực tác động vng góc lên bề mặt Newton (N) Pascal (Pa) = N/m2 Trong thực tế người ta dùng đơn vị bội số Pascal Megapascal (MPa) Mpa = 106 Pa Ngồi cịn dùng đơn vị bar bar = 105 Pa - 1.3.2 Lực - Đơn vị lực hệ đo lường SI Newton (N) Newton (N) lực tác động lên đối trọng có khối lượng kg với gia tốc 1m/s2 N = kg.m/s2 1.3.3.Công - Đơn vị công hệ đo lường SI Joule (J) Joule (J) công sinh tác động lực N để vật thể dịch chuyển quảng đường m J = Nm 1.3.4.Công suất - Đơn vị công suất hệ đo lường SI Watt (W) 1Watt (W) công suất, thời gian giây sinh lượng Joule W = J/s = Nm/s 1.3.5.Độ nhớt động - Độ nhớt động khơng có vai trị quan trọng hệ thống điều khiển khí nén Đơn vị độ nhớt động m2/s 1m2/s độ nhớt động chất lỏng có độ nhớt động lực Pa.s khối lượng riêng kg/m3 𝒏 𝒗= 𝝆 Trong đó: n: độ nhớt động lực [Pa.s] 𝝆 : khối lượng riêng [kg/m3] v: độ nhớt động [m2/s] Ngồi ra, người ta cịn sử dụng đơn vị đo độ nhớt động stokes (St) centistokes (cSt) Hình MĐ17-01-1 Mối độ nhớt động khơng khí quan hệ áp suất, nhiệt độ 1.4 Đặc điểm hệ truyền động khí nén - Do khả chịu nén (đàn hồi) lớn không khí, trích chứa dễ dàng Như vậy, có khả ứng dụng để thành lập trạm trích chứa khí nén - Có khả truyền lượng xa, độ nhớt động học khí nén nhỏ tổn thất áp suất đường ống nhỏ - Đường dẫn khí nén thải khơng cần thiết - Chi phí thấp để thiết lập hệ thống truyền động khí nén, phần lớn xí nghiệp hệ thống đường dẫn khí nén có sẵn - Hệ thống phịng ngừa áp suất giới hạn bảo đảm Nhược điểm: - Lực truyền tải thấp - Khi tải trọng hệ thống thay đổi vận tốc thay đổi Bởi khả đàn hồi khí nén lớn, thực chuyển động thẳng quay - Dịng khí nén đường dẫn gây tiếng ồn Hiện nay, lĩnh vực điều khiển, người ta thường kết hợp hệ thống điều khiển khí nén với điện điện tử Cho nên khó xác định cách xác, rõ ràng ưu nhược điểm hệ thống điều khiển Tuy nhiên, so sánh số khía cạnh, đặc tính truyền động khí nén truyền động cơ, điện Máy nén khí thiết bị xử lý khí nén 2.1 Máy nén khí Áp suất tạo từ máy nén, lượng học động điện động đốt chuyển đổi thành lượng khí nén nhiệt 2.1.1 Nguyên tắc hoạt động phân loại máy nén khí a Nguyên tắc hoạt động - Theo nguyên lý thay đổi thể tích Khơng khí dẫn vào buồng chứa, thể tích buồng chứa nhỏ lại, áp suất bình chứa tăng lên Các loại máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích gồm: kiểu Piston, bánh cánh gạt - Theo nguyên lý động Khơng khí dẫn vào buồng chứa, áp suất khí nén tạo động bánh dẫn, nguyên tắc tạo lưu lượng cơng suất khí lớn Máy nén khí theo nguyên lý như: máy nén khí kiểu ly tâm b Phân loại máy nén khí - Theo áp suất Máy nén khí áp suất thấp P ≤ 15 bar Máy nén khí áp suất cao P > 15 bar Máy nén khí áp suất cao P ≥ 300 bar - Theo nguyên lý hoạt động Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích Máy nén khí theo nguyên lý động 2.1.2 Máy nén khí kiểu piston Hình 1.1 Máy nén khí kiểu piston cấp - Cấu tạo bản: 1- Trục quay 2- Pit tong 3- Van xả 4- Van hút - Nguyên lý hoạt động: Khi trục quay hoạt động làm Piston lên xuống, Piston xuống van xả đóng lại van hút mở hút khơng khí vào buồng xy lanh (chu kỳ hút), Piston lên van hút đóng lại van xả mở đẩy khơng khí vào bình chứa (chu kỳ nén đẩy) kết thúc chu trình, chu trình hoạt động lặp lại * Loại máy nén khí kiểu Piston cấp hút lưu lượng khí đến 10m3/phút với áp suất nén tới 6bar Có thể số trường hợp áp suất lên tới 10bar Hình 1.2 Máy nén khí kiểu piston 2.1.3 Máy nén khí kiểu Root Hình 2.3 Hình ảnh máy nén khí kiểu Piston cấp Hình 1.3 Máy nén khí kiểu Root 2.2.2 Điều khiển tùy động theo thời gian Điều khiển tùy động theo thời gian sau khoảng thời gian van đảo chiều chuyển trạng thái tác động Hình 2.14 Điều khiển tùy động theo thời gian Ngoài cịn thiết kế điều khiển tùy động theo thời gian có chu kỳ tự động sau: Hình 2.15 Điều khiển tùy động theo thời gian có chu kỳ tự động 2.2.3 Điều khiển tùy động theo hành trình Cơ sở điều khiển tùy động theo hành trình sử dụng cơng tắc hành trình, giới hạn hành trình cấu chấp hành Hình 2.16 Điều khiển tùy động theo hành trình với xy lanh Ngồi cịn thiết kế điều khiển tùy động theo hành trình có chu kỳ tự động sau: Hình 2.17 Điều khiển tùy động theo hành trình có chu kỳ tự động 2.3 Các ký hiệu thường dùng 2.3.1 Van đảo chiều điều khiển nam châm điện a Kí hiệu - Van đảo chiều điều khiển nam châm điện kết hợp với khí nén điều khiển trực tiếp hai đầu nịng van gián tiếp qua van phụ trợ Hình MĐ17-06-23 biểu diễn số ký hiệu loại điều khiển Hình 2.18 Ký hiệu loại điều khiển 2.3.2 Các phần tử điện a Công tắc - Trong kỹ thuật điều khiển, công tắc, nút ấn thuộc phần tử đưa tín hiệu Hình MĐ17-06-29 giới thiệu hai loại cơng tắc thơng dụng: cơng tắc đóng mở cơng tắc chuyển mạch quay Hình 2.19 Ký hiệu cơng tắc chuyển mạch b Nút ấn - Nút bấm đóng mở hình 2.20, chưa có tác động chưa có dịng điện chạy qua, tác động có dòng điện qua Nút bấm chuyển mạch, sơ đồ cấutạo ký hiệu trình bày hình vẽ Hình 2.21.Cấu tạo ký hiệu nút bấm c Rơ le - Trong kỹ thuật điều khiển, rơ le sử dụng phần tử xử lý tín hiệu Có nhiều loại rơle khác nhau, tuỳ theo cơng dụng Nguyên tắc hoạt động rơle từ trường cuộn dây Trong q trình đóng mở có tượng tự cảm * Rơ le đóng mạch (Contactor) - Kí hiệu rơle đóng mạch biểu diễn hình MĐ17-06-32 Khi có dịng điện vào cuộn dây cảm ứng, xuất lực từ trường hút lõi sắt, có lắp tiếp điểm Các tiếp điểm tiếp điểm để đóng mở mạch tiếp điểm phụ để đóng mở mạch điều khiển Rơle đóng mạch ứng dụng cho mạch có cơng suất lớn từ kW - 500kW Hình 2.22 Ký hiệu rơle đóng mạch * Rơle điều khiển: - Nguyên lý hoạt động rơle điều khiển tương tự rơle đóng mạch,nó khác rơle đóng mạch chỗ rơle điều khiển đóng mở cho mạch có cơng suất nhỏ thời gian đóng, mở tiếp điểm nhỏ (từ 1ms đến 10ms) Hình 2.23 Rơ le điều khiển * Rơle thời gian tác động muộn (TON): - Nguyên lý hoạt động rơle tác động muộn tương tự rơle thời gian tác động muộn phần tử khí nén, điốt tương đương van chiều, tụ điện bình trích chứa, biến trở R1 van tiết lưu Đồng thời tụ điện có nhiệm vụ giảm điện áp tải trình ngắt Hình 2.24 Rơle thời gian tác động muộn - Nguyên lý hoạt động rơle thời gian nhả muộn tương tự rơle thời gian nhả muộn phần tử khí nén, điốt tương đương van chiều, tụ điện bìnhtrích chứa, biến trở R1 van tiết lưu Đồng thời tụ điện có nhiệm vụ làm giảm điện áp tải trình ngắt Hình 2.25 Rơle thời gian nhả muộn d Cơng tắc hành trình điện - - Cấu tạo kí hiệu cơng tắc hành trình điện - biểu diễn hình 2.26 Cơng tắc hành trình loại có cặp tiếp điểm, cặp thường đóng và1 cặp thường mở Hình 2.27 Cơng tắc hành trình điện - e Cảm biến tiệm cận *Cảm biến cảm ứng từ - Nguyên lý hoạt động cảm biến cảm ứng từ: Bộ tạo dao động phát tầnsố cao Khi có vật cản kim loại nằm vùng từ trường, kim loại hình thành dịng điện xốy Như vậy, lượng dao động giảm Dịng điện xốy tăng, vật cản gần cuộn cảm ứng Qua biên độ dao động dao động giảm Qua so, tín hiệu khuếch đại Trong trường hợp tín hiệu tín hiệu nhị phân, mạch Schmitt trigơ đảm nhận nhiệm vụ Hình 2.28 Cảm biến cảm ứng từ 1: Bộ dao động 2: Bộ chỉnh tín hiệu 3: Bộ so Schmitt trigơ 4: Bộ hiển thị trạng thái 5: Bộ khuếch đại 6: Điện áp 7: Ổn nguồn bên 8: Cuộn cảm ứng 9: Tín hiệu * Cảm biến điện dung - Nguyên lý hoạt động cảm biến điện dung:Bộ tạo dao động phát tần số cao Khi có vật cản kim loại phi kim loại nằm vùng đường sức 111điện trường, điện dung tụ điện thay đổi Như vậy, tần số riêng dao động thay đổi Qua so chỉnh tín hiệu, tín hiệu khuếch đại 1: Bộ dao động 2: Bộ chỉnh tín hiệu 3: Bộ so Schmitt trigơ 4: Bộ hiển thị trạng thái 5: Bộ khuếch đại 6: Điện áp 7: Ổn nguồn bên Hình 2.29 Cảm biến điện dung 8: Điện cực tụ điện 9: Tín hiệu * Cảm biến quang - Nguyên tắc hoạt động cảm biến quang gồm hai phần: + Bộ phận phát + Bộ phận nhận Bộ phận phát phát tia hồng ngoại điốt phát quang, gặp vật chắn, tia hồng ngoại phản hồi lại vào phận nhận Như vậy, phận nhận, tia hồng ngoại phản hồi xử lý mạch cho tín hiệu sau khuếch đại 1: Bộ dao động 2: Bộ phận phát 3: Bộ phận thu 4: Khuếch đại sơ 5: Xử lý logic 6: Chuyển đổi xung 7: Hiển thi trạng thái 8: Bảo vệ ngỏ 9: Điện áp 10: Ổn nguồn bên 11: Khoảng cách phát 12: Tín hiệu 2.4 Nguyên tắc thiết kế biểu đồ trạng thái 2.4.1 Nguyên tắc thiết kế Khi thiết kế mạch điều khiển điện-khí nén phải thiết kế hai sơ đồ gồm - Sơ đồ mạch khí nén - Sơ đồ mạch điện điều khiển Các phần tử điện phần từ khí nén mạch ký hiệu sau: Hình 2.30 a Ký hiệu tiếp điểm nút ấn Hình 2.30 b Ký hiệu rơ le cơng tắc hành trình 2.5 Thiết kế mạch điều khiển theo - Sau qui trình M thực hiện, k = qui trình thứ thực hiện, k = 0, qui trình thứ hai thực Sau đó, qui trình N thực Hình 2.31 Mạch điều khiển theo nhịp với chu 2.6 Thiết kế mạch điều khiển theo tầng Nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển theo tầng chia bước thực có chức thành tầng riêng Phần tử điều khiển theo tầng phần tử nhớ - Rơle - Mạch điều khiển cho tầng: - Mạch điều khiển cho tầng: Hinh 2.32 Hinh 2.33 Thí dụ 1: Mạch điều khiển tầng: Hinh 2.34 Thí dụ 2: Mạch điều khiển tầng: Hình 2.35 2.7 Thiết kế mạch điều khiển theo nhịp Phương pháp điều khiển theo nhịp ứng dụng rộng rãi kỹ thuật điều khiển khí nén Trong thực tế u cầu cơng nghệ khác nhau, mà mạch thiết kế khác Điển hình mạch sau: - Mạch điều khiển theo nhịp với chu đồng thời - Mạch điều khiển theo nhịp với chu - Mạch điều khiển theo nhịp với chu nhảy cóc - Mạch điều khiển theo nhịp với chu lặp lại a, Mạch điều khiển với chu đồng thời Hình 2.36: Mạch điều khiển với chu đồng thời Nguyên lý hoạt động Sau qui trình M thực xong, qui trình 1, qui trình 2, qui trình thực đồng thời Sau qui trình thực đồng thời hồn thành, tín hiệu cổng Yn + kết hợp lại phần tử AND, để qui trình N thực Như vậy, trước chuẩn bị thực đồng thời qui trình, tín hiệu phân nhánh Sau qui trình đồng thời thực xong, tín hiệu kết hợp lại Nguyên lý hoạt động điều khiển theo nhịp với chu đồng thời, biểu diễn hình 6.94 b, Mạch điều khiển với chu Sau qui trình M thực hiện, k = qui trình thứ thực hiện, k = 0, qui trình thứ hai thực Sau đó, qui trình N thực Hình 2.37 Mạch điều khiển với chu c, Mạch điều khiển theo nhịp với chu nhảy cóc Hình 2.38 Biểu đồ thực chu kỳ nhảy cóc Biểu đồ thực nhịp biểu diễn hình 6.96 Khi k = 1, tức vị trí van đảo chiều có định vị vị trí bên trái, bước thực từ bước thứ đến bước thứ bảy Khi k = 0, tức vị trí van đảo chiều có định vị vị trí bên phải, bước thực từ bước thứ nhất, bước thứ hai nhảy qua đến bước thứ bảy Mạch điều khiển theo nhịp với chu nhảy cóc: Hình 2.39 Mạch điều khiển theo nhịp với chu nhảy cóc Như vậy, mạch tổng hợp gồm có chương trình Khi k = 1, ta có biểu đồ trạng thái chương trình thứ Hình 2.40 Biểu đồ trạng thái chương trình thứ nhất: (khi k = 1) Khi k = 0, ta có biểu đồ trạng thái chương trình thứ hai Hình 2.41 Biểu đồ trạng thái chương trình thứ hai ( k = 0) d, Mạch điều khiển theo nhịp với chu lặp lại Biểu đồ thực nhịp biểu diễn hình 6.100 Khi k = 1, tức vị trí van đảo chiều có định vị vị trí bên trái, bước thực từ bước thứ đến bước thứ bảy Khi k = 0, tức vị trí van đảo chiều có định vị vị trí bên phải, bước thực từ bước thứ đến bước thứ bảy Sau lặp lại từ bước thứ ba đến bước thứ sáu Hình 2.42: Biểu đồ thực chu kỳ lặp lại Qui trình cơng nghệ biểu diễn biểu đồ trạng thái Hình 2.43: Mạch điều khiển theo nhịp với chu lặp lại ... dạy giáo viên học tập sinh viên Giáo trình biên soạn sở chương trình mơđun nghề điện Giáo trình có cấu trúc gồm bốn là: Chương 1: Tổng quan khí nén Chương 2: Điều khiển điện – khí nén Trong q trình. .. thống điều khiển Tuy nhiên, so sánh số khía cạnh, đặc tính truyền động khí nén truyền động cơ, điện Máy nén khí thiết bị xử lý khí nén 2.1 Máy nén khí Áp suất tạo từ máy nén, lượng học động điện. .. suất khí lớn Máy nén khí theo ngun lý như: máy nén khí kiểu ly tâm b Phân loại máy nén khí - Theo áp suất Máy nén khí áp suất thấp P ≤ 15 bar Máy nén khí áp suất cao P > 15 bar Máy nén khí áp