Điều khiển động cơ băng tải bằng thiết bị biến tần

Các cảm biến công nghiệp dùng để đo vận tốc dựa trên định luật Faraday: e=dt d 4-9 Với e là suất điện động xuất hiện khi từ thông thay đổi một lượng dф trong khoảng thời gian dt.. mạc

I Tính chọn cảm biến bảo vệ sự cố băng tải

1.Cảm biến

Cảm biến là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa hai đại lượng vật lí với một độ chính xác nhất định Là thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo m không có tính chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện ( như: điện tích, điện

áp, dòng điện hoặc trở kháng ) ký hiệu là S Đặc trưng điện s là hàm của đại lượng cần đo m

S = F(m) (4-8)

Trong đó S là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến

và m là đại lượng đầu vào hay kích thích ( có nguồn gốc là đại lượng cần đo ) Việc đo đạc S cho phép nhận biết giá trị của m Biểu thức S= F(m) là dạng lý thuyết của định luật vật lý biểu diễn hoạt động của cảm biến, đồng thời là dạng số biểu diễn sự phụ thuộc của nó vào cấu tạo, vào vật liệu làm cảm biến, đôi khi cả vào môi trường và chế độ sử dụng

1.1 Cảm biến vận tốc

Trong công nghiệp, việc đo vận tốc, trong phần lớn các trường hợp thường là đo tốc độ quay của máy Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển sang đo tốc độ quay Các cảm biến công nghiệp dùng để

đo vận tốc dựa trên định luật Faraday:

e=dt d (4-9)

Với e là suất điện động xuất hiện khi từ thông thay đổi một lượng dф trong khoảng thời gian dt Khi đó từ thông đi qua một

mạch là một hàm số dạng : ф(x)=ф0.F(x), với x là biến số của vị trí thay đổi theo đường thẳng hoặc vị trí theo góc quay

Mọi sự chuyển động tương đối giữa nguồn từ thông và mạch

có từ thông đi qua sẽ làm trong mạch xuất hiện một suất điện động có biên độ tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển Suất điện động này chứa đựng trong nó tín hiệu ra của cảm biến

e=-ф0.dF dx(x).dx dt (4-10)

Trong hệ thống, chúng ta sử dụng Encode để đo tốc độ động

cơ của các băng tải cấp liệu

 Encode đo tốc độ quay của động cơ, vật trung gian thường dùng là đĩa gắn liền với trục quay cần đo tốc độ Đĩa có cấu tạo tuần hoàn: bề mặt của đĩa được chia thành p phần bằng nhau (chia theo góc ở tâm), mỗi phần mang một dấu hiệu đặc trưng như lổ đường vát, bánh răng

Một cảm biến thích hợp được đặt với vật trung gian để ghi nhận một cách ngắt quãng mỗi khi có một dấu hiệu đi qua và một lần như vậy nó cung cấp một tín hiệu xung Biểu thức của tần số f của tín hiệu xung được viết dưới dạng:

F = p.N (4-11) Trong đó f là tần số đo bằng Hz, p là số lượng dấu hiệu trên đĩa và N là số vòng quay của đĩa trong mỗi giây

Thấu kính Đầu thu quang

Hình 4.22: Cấu tạo bộ phận đo tốc độ quay

Encode

Vật quay phải có các vùng phản xạ được bố trí tuần hoàn trên hình tròn được chiếu bằng tia sáng, hoặc là vật được gắn với một đĩa có các phần trong suốt xen kẽ các phần chắn sáng đặt giữa nguồn sáng và đầu thụ quang (hình 4.22)

Đầu thu quang nhận được một thông lượng biến điệu và nó phát tín hiệu có tần số tỷ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ của tín hiệu này không phụ thuộc vào ω

Phạm vi của tốc độ đo phụ thuộc vào hai yếu tố chính:

- Số lượng lỗ trên đĩa quay

- Dải thông của đầu thu quang và của mạch điện tử

Để đo tốc độ nhỏ, thí dụ ~ 0,1 vòng/phút, phải dùng đĩa có

số lượng lỗ rất lớn (500÷1000) Trong trường hợp cần đo tốc độ lớn (105÷106 vòng/phút) phải sử dụng loại đĩa quay chỉ có 1 lỗ, khi đó chính tần số ngắt của mạch điện là đại lượng xác định tốc

độ cực đại có thể đo được

Ưu điểm : Ở đây thông tin thu nhận là tần số nên có khả năng chống nhiễu, chống suy giảm và dễ biến đổi sang dạng số

1.2.Cảm biến lực:

1.2.1.Lý thuyết về cảm biến lực :

Cảm biến lực dùng trong việc đo khối lượng được sử dụng phổ biến là loadcell Đây là một kiểu cảm biến lực biến dạng Lực chưa biết tác động vào một bộ phận đàn hồi, lượng di động của bộ phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện tỷ lệ với lực chưa biết Sau đây là giới thiệu về loại cảm biến này:

Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán Tấm điện trở là một phương tiện để biến đổi một biến dạng nhỏ thành sự thay đổi tương ứng trong điện trở Một mạch

đo dùng các miếng biến dạng sẽ cho phép thu được một tín hiệu điện tỷ lệ với mức độ thay đổi của điện trở Mạch thông dụng nhất sử dụng trong loadcell là cầu Wheatstone

Nguyên lý :

Cầu Wheatstone là mạch đo được chọn dùng nhiều nhất cho việc đo những biến thiên điện trở nhỏ (tối đa là 10%), chẳng hạn như việc dùng các miếng đo biến dạng Phần lớn các thiết

bị đo đạc có sẵn trên thị trường đều không ít thì nhiều dùng phiên bản của cầu Wheatstone đã được sàng lọc Như vậy ,việc tìm hiểu nguyên lý cơ bản của loại mạch này là một điều cần

Em

V

-Hình 4.23:Mạch cầu

Wheatstone

Cho một mạch gồm bốn điện trở giống nhau R1, R2, R3, R4 tạo thành cầu Wheatstone như trên hình trên Đối với cầu Wheatstone này, bỏ qua những số hạng bậc cao, hiệu thế đầu ra

Em thông qua thiết bị đo với trở kháng Zm sẽ là:

4 3

3 2

2 1

1 [ ) 1

(

R R

R R

R R

R Zm R













Với : Ri Ri là biến đổi đơn vị của mỗi điện trở Ri

R là điện trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở R1,R2,R3,R4 (thường là 350 ohms, nhưng có thể là 750 ohms dành cho các bộ cảm biến )

V là hiệu thế nguồn

Điện thế nguồn có thể thuộc loại liên tục với điều kiện là dùng một nguồn năng lượng cung cấp thật ổn định Các thiết bị trên thị trường đôi khi lại dùng nguồn cung cấp xoay chiều Trong trường hợp đó phải tính đến việc sửa đổi mạch cơ bản để có thể giải điều chế thành phần xoay chiều của tín hiệu

Trong phần lớn các trường hợp, Zm rất lớn so với R (Ví dụ như Volt kế số, bộ khuếch đại với phần nối trực tiếp ) nên biểu thức trên có thể viết lại là :

4

4 3

3 2

2 1

1 [

R R

R R

R R

R













(4-13) Phương trình trên cho thấy là sự biến đổi đơn vị điện trở của hai điện trở đối mặt nhau, ví dụ là R1 và R3, sẽ là cộng lại

với nhau trong khi tác động của hai điện trở kề bên nhau, ví dụ

là R1 và R2, lại là trừ khử nhau .Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính ổn định nhiệt của các mạch miếng đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt

1.2.2.Chuyển đổi điện trở lực căng

1.2.2.1 Nguyên lý tác dụng, cấu tạo và các quan hệ cơ bản:

Khi dây dẫn chịu biến dạng cơ khí thì điện trở của nó thay đổi, hiện tượng đó gọi là hiện tượng tenzo gọi là chuyển đổi điện trở Tenzo hay chuyển đổi điện trở lực căng Chuyển đổi điện trở lực căng được chia làm ba loại: chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh, lá mỏng vả màng mỏng Phổ biến nhất là chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh, có cấu tạo như hình 4.24 Trên tấm lá mỏnh 1, dán một sợi dây điện trở 2 hình răng lược có đường kính tư 0.02÷ 0.03 mm Dây được chế tạo bằng các vật liệu caftan, nicrôm, hợp kim Palatin-iridi Hai đầu dây được hàn với lá đồng 3 dùng để nối với mạch đo Phía trên được gián tấm giấy mỏng để cố định dây Chiều dài đo là chiều dài tác dụng của chuyển đổi

Thông thường l0= 8 ÷ 15 mm Khi cần có kích thước nhỏ

l0= 2.5mm Chiều rộng a thay đổi tư 3÷ 10 mm Điên trở thay đổi từ 10÷ 150 Khi chiều dài tác dụng không bị hạn chế 10

có thể dài tới 100mm Điện trở tương ứng 800÷ 1000 Khi

độ biến dạng  l= l/l chuyển đổi lên được gán lên đối tượng

đo, lúc đối tượng đo bị biến dạng, chuyển biến dạng theo và điện trở của chuyển đổi TenZo thay đổi một lượng R R

Ta có 









 





l

l f R

R

(4-14) Hay εR = f(εl)

Điện trở dây dẫn được xác định theo công thức:

s

l

R 

Trong đó là điện trở suất

l là chiều dài đường dây

s là tiết diện dây dẫn

Do đó R R  l l  s s





Hay εR = εp + εl - εs

Trong đó:

R R R





 : sự biến thiên tương đối của điện trở chuyển đổi khi bị biến dạng

l l l





 : sự biến thiên tương đối theo chiều dài dây dẫn   : sự biến thiên tương đối của điện trở suất đặc trưng cho sự thay đổi tính chất vật lý của vật liệu chuyển đổi

s s s





 sự biến thiên tương đối theo tiết diện dây dẫn, đặc trưng cho sự thay đổi kích thước hình học của chuyển đổi

Trong cơ học đã biết er = -2kpe1 (k1-hệ số poisen) và nếu er

= m e; m là hệ số tỉ lệ

Ta có es = e1(1+2kp+m) = k e1 (4-15)

l0 B

Hình 4.24: Điện trở lực căng dây mảnh

Đây là phương trình biến đổi tổng quát của chuyển đổi điện trở lực căng

Độ nhạy của chuyển đổi lầ: k = er ÷ e1= 1+2kp+m

Do ứng suất có trong chi tiết cần nghiên cứu liên quan với

môđun đàn hồi, do đó: 









 



l

l E

 và phương trình biến đổi của

chuển đổi lực căng có thể biểu diễn dưới dạng : R R k E ứng suất cơ học trong các chi tiết được giới hạn từ 20 ÷ 30 giới hạn đần hồi

1.2.2.2 Tính chất của chuyển đổi điện trở lực căng:

Để các chuyển đổi điện trở lực căng làm việc tốt, trong thực tế yêu cầu vật liệu chế tạo chuyển đổi có độ nhạy lớn để độ nhạy đạt được cao

Hệ số nhiệt độ của dây điện trở càng nhỏ càng tốt, cần phải

bù nhiệt độ trong mạch đo

Vật liệu chế tạo dây điện trở cần có điện trở suất để kích thước của chuyển đổi nhỏ

Độ nhạy của các chuyển đổi loại dây mảnh không giống

độ nhạy cảm của vật liệu chế tạo nó Vì quá trình chế tạo hình răng lược, phần bị uốn không chịu biến dạng theo hướng cần đo làm dộ nhạy giảm (25 ÷ 30)% Muốn vậy phải tăng dộ dày tác dụng l0, mặt khác các phần uốn lại chịu lực tác dụng vuông góc với trục của chuyển đổi gây sai số trong quá trình đo

1.2.2.3 Mạch đo:

Thông thường chuyển đổi điện trở lực căng được dùng với mạch cầu một chiều hoặc xoay chiều Khi mạch cầu chỉ có một nhánh hoạt động (tức là chỉ một chuyền đổi hoạt động) vấn đề

bù nhiệt độ phải được thực hiện do vậy người ta dùng một chuyển đổi cùng loại dán lên chi tiết, không làm việc cùng vật liệu với đối tượng đo và đặt trong cùng một nhiệt độ

Hình 4.25: cấu tạo bên trong của loadcell

Khi cầu không làm việc ở trạng thái cân bằng K

R

R R

R





4

3 2 1

Khi đối tượng đó làm việc RT thay đổi thành eR.R

Cầu mất cân bằng và điện áp ra

4 2 3

1

1

R R R R

R R R R U

U

T R

T R ra

















(4-16) Nếu R2=R3; R4=RTO (RTO- điện trở chuyển đổi TenZo dán lên chi tiết không biến dạng)

Ta có Ura ~ 0.25 U εR

RT

U

T

Ura P

R4= RTO

1.2.2.4 Sai số và phạm vi ứng dụng:

Sai số của thiết bị đo dùng TenZo chủ yếu đo độ chính xác khắc độ các chuyển đổi Không thể khắc độ trực tiếp đơn chiếc, chúng được chế tạo hàng loạt và được chuẩn sơ bộ

Khi sử dụng cần phải có công nghệ dán chuẩn và chọn vị trí chính xác Sai số có thể đạt tới 1%÷5%

Khi chuẩn trực tiếp chuyển đổi với mạch sai số có thể giảm đến (0,2÷0,5)% khi đo biến dạng tĩnh và (1÷1,5)% khi đo biến dạng động Ngoài ra còn có sai số biến dạng dư của keo dán khi sấy khô, do sự giản nở khác nhau giữa chuyển đổi và chi tiết dán

Các chuyển đổi lực căng dùng để đo lực áp suất, mômen quay, gia tốc và các đại lượng khác nếu có thể biến đổi thành biến dạng đàn hồi với ứng suất không bé hơn (1÷2)107N/m2 Chuyển đổi điện trở lực căng có thể đo các đại lượng biến thiên tới vài chục KHz

1.2.2.5 Một số Load Cell thực tế :

Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (của Nhật), Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques Inc, Tedea – Huntleigh Mỗi loại loadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo tải trọng chịu đựng, chịu lực kéo hay nén Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây ra của loadcell có màu sắc khác nhau Có thể kể ra như sau:

Exc+

Exc-Sig+

Sig-Các màu sắc này đều được cho trong bảng thông số kỹ thuật khi mua từng loại loadcell

Trong thực tế còn có loại load cell sử dụng kỹ thuật 6 dây cho ra 6 đầu dây Sơ đồ nối dây của loại load cell này có thể có hai dạng như sau :

Hình 4.26: Cầu đo thực tế

Như vậy ,thực chất load cell cho ra 6 dây nhưng bản chất vẫn là 4 dây vì ở cả hai cách nối ta tìm hiểu ở trên thì các dây

Tên tín

hiệu Màu Hoặc Hoặc Hoặc

Exc+ Đỏ Vàng Xanh Đỏ

Sig+ Xanh Xanh Trắng Xanh lá cây

+veInput (Exc+) và +veSense (Sense+) là nối tắt, các dây -veInput (Exc-) và -veSense (Sense-) là nối tắt

Có nhiều kiểu hình dạng loadcell cho những ứng dụng khác nhau Do đó cách kết nối loadcell vào hệ thống cũng khác nhau trong từng trường hợp

Thông số kỹ thuật của từng loại loadcell được cho trong catalogue của mỗi loadcell và thường có các thông số như : tải trọng danh định, điện áp ra danh định (giá trị này có thể là từ 2mV/V đến 3 mV/V hoặc hơn tùy loại loadcell), tầm nhiệt độ hoạt động, điện áp cung cấp, điện trở ngõ ra, mức độ chịu được quá tải…

Tùy ứng dụng cụ thể mà cách chọn loại loadcell có thông

số và hình dạng khác nhau Hình dạng loadcell có thể đặt cho nhà sản xuất theo yêu cầu ứng dụng riêng Sau đây là hình dạng của một số loại loadcell có trong thực tế

2.Biến tần

2.1 Sơ đồ nối biến tần với động cơ

Sơ đồ như hình vẽ:

C ầu ch ì

PE

L3 U L2 V L1 W

Hỡnh 4.13 : Cỏch đấu dõy từ biến tần đến động cơ.

Từ biến tần nối đến động cơ phải qua cỏc thiết bị trung gian sau:

+ Cầu chỡ: cú chức năng bảo vệ quỏ dũng so với dũng định mức

+ Contactor dựng để đúng cắt nguồn cung cấp cho động cơ

+ PE: vị trớ nối đất an toàn cho thiết bị: động cơ, contactor, biến tần

2.2 Tớnh chọn biến tần

Tớnh toỏn chọn mỏy biến tần cho động cơ băng tải:

Thụng số động cơ:

Pđm (kW) Tốc độ

(v/ph) Uđm (V) Iđm (A) 



Cos



- Lựa chọn thiết bị biến tần:

cụng suất của động cơ theo cụng thức : Nđc = k x Ntrục (KW)

k: hệ số dự trữ công suất, lấy k = 1,1

Ntrục: công suất trên trục đông cơ (KW), Ntrục= 1.5 (KW) Nđc: công suất trên trục động cơ (KW)

Nđc = 1,1x 1.5 = 1.65 (KW)

 Chọn biến tần loại: ATV312HU22N4 là vừa đủ cho động

cơ với các thông số đã cho

Những ưu điểm khi điều khiển động cơ băng tải bằng thiết

bị biến tần

- Hạn chế được dòng điện khởi động cao

- Tiết kiệm năng lượng

- Điều khiển linh hoạt các máy bơm

- Sử dụng công nghệ điều khiển vecto

Ngoài ra còn các ưu điểm khác của thiết bị biến tần như:

- Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400 Kw

- Tự động ngừng khi đạt tới điểm cài đặt

- Tăng tốc nhanh giứp biến tần bắt kịp tốc độ hiện thời của động cơ,

- Tự động tăng tốc giảm tốc tránh quá tải hoặc qúa điện áp khi khởi động,

- Bảo vệ được động cơ khi : ngắn , mạch, mất pha lệch pha, quá tải, quá dòng, quá nhiệt,

- Kết nối với máy tính chạy trên hệ điều hành Windows,

- Kích thước nhỏ gọn không chiếm diện tích trong nhà trạm,

- Mô men khởi động cao với chế độ tiết kiệm năng lượng,

- Dễ dàng lắp đặt vận hành,

- Hiển thị các thông số của động cơ và biến tần

II Xác định và phân công I/O

III Thiết kế mạch điện

IV Viết chương trình điều khiển bằng PLC S7-200

VI Xây dựng chương trình giám sát bằng Protool