ĐỒ ÁN MÔN TỰ ĐỘNG HÓA: Thiết kế mạch điều khiển, mạch lực cho công nghệ máy vận chuyển

MỤC LỤC Chương I: Tổng quan chung về công nghệ 1. Giới thiệu về công nghệ và chức năng của máy vận chuyển………………5 2. Lựa chọn công nghệ………………………………………………………..6 3. Động cơ 1 chiều KTĐL…………………………………………………….7 4.Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều ………………………….11 5.Khởi động động cơ một chiều kích từ độc lập …………………………….14 6. Các phương pháp điềchỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều…………………..16 7. Giới thiệu về PLC S7200 CPU224 ACDCRELAY……………………..20 Chương II: Thiết kế mạch điều khiển, mạch lực 1. Quy trình công nghệ………………………………………………………22 2. Thuật toán điều khiển logic………………………………………………..23 Chương 3:Tính chọn thiết bị 1. Lựa chọn cầu chì, cầu dao …………………………………………………26 2. Công tắc hành trình dạng xung …………………………………………….39 ket luan……………………………………………………………………….. 31

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ĐỒ ÁN

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA KHOA ĐIỆN

Đề tài: Thiết kế mạch điều khiển, mạch lực cho công nghệ máy vận chuyển Môn: Đồ án chuyên môn tự động hóa

Giáo viên hướng dẫn:NGUYỄN ĐĂNG KHANG

Sinh viên thực hiện: 1 TRẦN QUỐC DŨNG-0741040038

2 VŨ HOÀNG DŨNG-0741040059

Hà Nội

A,B,C công tắc hành trình0 dạng xung

Sử dụng động cơ 1 chiều KTDL có Pđm= 12 (KW); Uđm = 400 V; cos φ= 0.76; nđm = 972 v/phút; ᶯđm = 0.85;

PHẦN THUYẾT MINH

Chương 1: Tổng quan chung về công nghệ

Chương 2:Thiết kế mạch điều khiển, mạch lực ( có đầy đủ các thiết bị bảo vệ )Chương 3:Tính chọn thiết bị

Chương 4: Kết luận

MỤC LỤC

Chương I: Tổng quan chung về công nghệ

1 Giới thiệu về công nghệ và chức năng của máy vận chuyển………5

2 Lựa chọn công nghệ……… 6

3 Động cơ 1 chiều KTĐL……….7

4.Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều ……….11

5.Khởi động động cơ một chiều kích từ độc lập ……….14

6 Các phương pháp điềchỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều……… 16

7 Giới thiệu về PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY……… 20

Chương II: Thiết kế mạch điều khiển, mạch lực 1 Quy trình công nghệ………22

2 Thuật toán điều khiển logic……… 23

Chương 3:Tính chọn thiết bị 1 Lựa chọn cầu chì, cầu dao ………26

2 Công tắc hành trình dạng xung ……….39

ket luan……… 31

LỜI NÓI ĐẦU

Với vai trò là mũi nhọn của kỹ thuật hiện đại, lĩnh vực tự động hóa đang phát triển với tốc độ ngày càng cao Trong quá trình sản xuất, việc tự động hóa một dây chuyền sản xuất đóng vai trò rất quan trọng Nó là cầu nối giữa các hạng mục sản xuất, giữa các phân xưởng trong nhà máy, giữa các máy công tác trong một dây chuyền Việc điều khiển hoạt động của các dây chuyền hiện đại, tiên tiến cũng ngày càng đa dạng và phức tạp

Nhà máy công nghiệp hiện đại hệ thống máy vận chuyển rải liệu rất quân trong Máy vận chuyển là một thiết bị vận chuyển, nâng hạ và di chuyển sảm phẩm trong nhà máy, năng suất của máy ảnh hưởng rất lớn đến đến năng suất chung của nhà máy Vì vậy, các thiết bị điện và hệ thống điều khiển của cần trục phải đảm bảo việc tiện lợi, có năng suất cao, vận hành an toàn và thao tác đơn giản, cũng như đáp ứng đầy đủ các đặc điểm, yêu cầu công nghệ của hệ thống

Đồ án “ Thiết kế mạch điều khiển, mạch lực cho công nghệ máy vận

chuyển”, nhằm mục đích cho sinh viên tiếp xúc làm quen với các hệ thống vận

chuyển .Sử dụng những phương pháp tổng hợp hệ thống đã học vào thực nghiệm, làm quen với các thiết bị điều khiển truyền động, ghép nối mạch điều khiển Trang bị cho chúng ta những kiến thức cơ bản Trong quá trình thiết kế

chúng em đã được sự chỉ dẫn tận tình của thầyNguyễn Đăng khang chúng em

xin chân thành cảm ơn thầy

Chương I: Tổng quan chung về công nghệ

1 Giới thiệu về công nghệ và chức năng của máy vận chuyển.

Máy vận chuyển là thiết bị dùng để nâng bốc vận chuyển hàng hoá thiết bị dùng trên công trường xây dựng, trong nhà máy công nghiệp luyện kim, cơ khí lắp ráp, trong hải cảng Theo chức năng, máy vận chuyển được chia ra làm hai loại:

- Máy vận chuyển được dùng rộng rãi với yêu cầu chính xác không cao

- Máy vận chuyển lắp ráp dùng nhiều trong các nhà máy cơ khí để lắp ghép các chi tiết máy móc với yêu cầu chính xác cao

Máy vận chuyển trong bài có thể di chuyển phụ tải theo hai phương: phương nằm ngang và phương thẳng đứng nhờ vào hệ thống truyền động đặt trên cần trục

Chế độ làm việc của các cơ cấu vận chuyển được xác định từ các yêu cầu của quá trình công nghệ, chức năng của máy vận chuyển trong dây truyền sản xuất Nhìn chung, các thiết bị điện máy vận chuyển làm việc trong chế độ ngắn hạn lặp lại, dễ bị quá tải nhiều, tần số đóng cắt lớn, chế độ quá độ xảy ra nhanh khi

mở máy, hãm và đảo chiều

Từ những đặc điểm của hệ thống máy vận chuyển, có thể đưa ra các yêu cầu công nghệ cơ bản của hệ thống máy vận chuyển:

- Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động phải đơn giản Các phần tử cấu thành có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo và thay thế dễ dàng Cầu trục phải được bảo vệ chống quá tải và chống ngắn mạch bằng cầu chì trong mạch động lực

- Quá trình mở máy diễn ra theo một luật đã được định sẵn Sơ đồ điều khiển chung cho cả hai động cơ

- Để bảo vệ an toàn cho người và thiết bị khi vận hành, trong sơ đồ điều khiển nhất thiết phải dùng các công tắc hành trình để hạn chế sự chuyển động của cơ cấu khi chúng vượt quá giới hạn cho phép.

- Khi có sự cố, phải có khả năng điều chỉnh hệ thống về vị trí ban đầu để chuẩn

bị tiến hành một chu trình làm việc mới

- Các khí cụ, thiết bị điện trong hệ thống truyền động và điều khiển phải làm việc tin cậy trong các điều kiện của môi trường nhằm nâng cao năng suất, an toàn trong vận hành

- Bộ công tắc hành trình dạng xung: các công tắc hành trình tự phục hồi A,B,C

- Mạch điều khiển: các thiết bị đóng cắt có tiếp điểm

3 Động cơ 1 chiều KTĐL

3.1.Khái niệm

Động cơ điện một chiều là loại máy điện biến điện năng dòng một chiều thành

cơ năng

Ở động cơ một chiều từ trường là từ trường không đổi.Để tạo ra từ trường

không đổi người ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện được cung cấp dòng điện một chiều

Động cơ điện một chiều được phân loại theo kích từ thành những loại sau: +Kích từ độc lập

3.2.Cấu tạo

Giống như những máy điện quay khác nó cũng gồm phần đứng im (stato) và phần quay (rô to) Về chức năng máy điện một chiều cũng được chia thành phần cảm (kích từ ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng) Khác với máy điện đồng bộ ở máy điện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh còn phần ứng

là ở rôto.Trên hình 3.2 biểu diễn cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm các

bộ phận chính

Hình3.2.1Kích thước dọc, ngang máy điện một chiều.1-Thép, 2-cực chính với

cuộn kích từ, 3-cực phụ với cuộn dây,4-Hộp ổ bi,5-Lõi thép, 6-cuộn phần ứng, 7-Thiết bị chổi,8-Cổ góp, 9-Trục, 10-Nắp hộp đấu dây

Stato máy điện một chiều là phần cảm, nơi tạo ra từ thông chính của máy Stato gồm các chi tiết sau:

Hình 3.2.2 Cấu tạo các cực của máy điện 1 chiều

a)Cực chính b) Cực phụ

a)Cực chính

Trên hình 3.2.1a biểu diễn một cực chính gồm:

+ Lõi cực 2 được làm bằng các lá thép điện kỹ thuật ghép lại

+ Mặt cực 4 có nhiệm vụ làm cho từ thông dễ đi qua khe khí.

+ Cuộn dây kích từ 3 đặt trên lõi cực cách điện với thân cực bằng một khuôn cuộn dây cách điện

+ Cuộn dây kích từ làm bằng dây đồng có tiết diện tròn, cuộn dây được tẩm sơn cách điện nhằm chống thấm nước và tăng độ dẫn nhiệt

Để tản nhiệt tốt cuộn dây được tách ra thành những lớp, đặt cách nhau một rãnh làm mát

b) Cực phụ

Cực phụ nằm giữa các cực chính , thông thường số cực phụ bằng ½ số cực chính số cực chính Lõi thép cực phụ (2) thường là bột thép ghép lại, ở những máy có tải thay đổi thì lõi thép cực phụ cũng được ghép bằng các lá thép cuộn dây 3 đặt trên lõi thép 2 Khe khí ở cực phụ lớn hơn khe khí ở cực chính

c) Thân máy

Thân máy làm bằng gang hoặc thép, cực chính và cực phụ được gắn vào thân máy Tuỳ thuộc vào công suất của máy mà thân máy có chứa hộp ổ bi hoặc không Máy có công suất lớn thì hộp ổ bi làm rời khỏi thân máy Thân máy được gắn với chân máy Ở vỏ máy có gắn bảng định mức với các thông số sau đây:

d) Rôto

Rô to của máy điện một chiều là phần ứng Ngày nay người ta dùng chủ yếu là loại rôto hình trống có răng được ghép lại bằng các lá thép điện kỹ thuật Ở những máy công suất lớn người ta còn làm các rãnh làm mát theo bán kính (các

lá thép được ghép lại từng tệp, các tệp cách nhau một rãnh làm mát)

e) Cổ góp

Cuộn dây rôto là cuộn dây khép kín, mỗi cạnh của nó được nối với phiến góp Các phiến góp được ghép cách điện với nhau và với trục hình thành một cổ góp Phiến góp được làm bằng đồng, vừa có độ dẫn điện tốt vừa có độ bền cơ học, chống mài mòn (hình 1.2.2)

Hình 3.2.3.Kích thước ngang của cổ góp 1-Phiến góp,2-Ép vỏ ,3-cách điện, 4- phiến cách điện,5-ống cổ góp,6-chổi

Hình 3.2.4 Thiết bị chổi a) Thanh giữ chổi, b)thiết bị giữ chổi.1.Ốc vít,2-Dây dẫn,3-Cách điện,4-Giữ chổi, 5- Chổi, 6-Lò xo,7-Đòn gánh,8-Dây dẫn điện ra,9-

Ốc giữ chổi

4.Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Từ trường của động cơ được tạo ra nhờ các cuộn dây (5) có dòng điệnmột chiều chạy qua.Các cuộn dây này gọi là cuộn cảm (hay cuộn kích từ) và được cuốn quanh các cực từ (4).Trên hình vẽ động cơ điện một chiều,stator( 6) của động cơ

có đặt các cuộn cảm nên stator gọi còn gọi là phần cảm.từ trường do cuộn cảm tạo ra sẽ tác dụng một từ lực vào các dây dẫn rotor (7) đặt trong các rãnh của rotor (3) khi có dòng điện chạy qua.Cuộn dây này gọi là cuộn ứng.Dòng điện đưa vào cuộn ứng qua các chổi than (2) và cổ góp (1).Rotor mang cuộn ứng nên gọi là phần ứng của động cơ

- Trong hình vẽ các dây dẫn cuộn ứng ở nửa trên rotor có dòng điện hướng vào,còn các dây dẫn ở nửa dưới của rotor có dòng điện hướng ra khỏi hình vẽ.Từ lực F tác dụng vào các dây dẫn rotor có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái sẽ tạo ra mômen làm quay rotor ngược chiều kim đồng hồ.động cơ trên

có 2 cực từ hay một đôi cực (1 cặp cực, P=1)

Trong thời gian động cơ làm việc,cuộn cảm tạo ra từ trường Φd dọc trục cực từ

và phân bố đối xứng với cực từ.Mặt phẳng OO trên đó có đặt chổi than, vừa là mặt phẳng chung tính vật lý Đồng thời dòng điện trong cuộn ứng cũng tạo ra từ trường riêng Φn hướng ngang trục cực từ Từ trường tổng cộng trong động cơ mất tính chất đối xứng dọc trục (hình c) và mặt phẳng trung tính vật lý quay đi một góc Φ (ngược chiều quay của rotor)so với mặt phẳng trung tính hình học

- Khi mà dòng điện trung tính càng mạnh thì Φn càng mạnh và góc quay β càng lớn.Khi đó ta có thể nói phản ứng phần ứng càng mạnh

- Phản ứng phần ứng là một trong những nguyên nhân gây ra tia lửa điện giữa chổi than và cổ góp cũng như giữa các lá góp trong cổp góp.Chúng ta có thể hạn chế ảnh hưởng này nhờ xoay chổi than theo vị trí mặt phẳng trung tính vật lý (tức là theo góc β).Thông thường trong các động cơ điện một chiều hiện nay, người ta thường thê cực từ phụ

- Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và cuộn dây cực từ phụ sẽ tạo ra từ trường ngang trục so cới từ trường chính và ngược chiều với từ trường Φn của cuộn ứng để khử từ trường Φn Nhờ vậy phản ứng phần ứng bị hạn chế và quá trình chuyển mạch trong động cơ sẽ tốt hơn

- Bởi vì rằng từ trường Φn gây ra phản ứng phần ứng tỉ lệ với dòng điện phần ứng Iưnên cuộn dây cực từ phụ được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng.Do vậy khi dòng điện phần ứng tăng lên thì cuộn dây cực từ phụ cũng sinh ra từ truờng ngược mạnh hơn để khử từ trường Φn

- Ngoài ra,biện pháp tăng khe hở không khí giữa Stator và rotor cũng được áp dụng.Cách này dẫn đến sự tăng kích thước động cơ và phải tăng cường thêm cuộn kích từ chính vì khe hở không khí lớn sẽ làm yếu từ trường chính

- Còn đối với các loại động cơ điện một chiều có công suất trung bình và lớn thì biện pháp chính là thêm cuộn dây bù đặt trong rãnh ở các cực từ chính (Như

hình vẽ) nhằm tạo ra từ thông Φb ngược chiều với Φn làm từ thông ở khe hở không khí không bị méo nữavà cuộn bù cũng được mắc nối tiếp với cuộn ứng.

- Trên đây là nguyên lý làm việc chung của một động cơ điện nói chung và động

cơ điện một chiều nói riêng thì chúng đều hoạt động dựa theo nguyên lý này.Và cùng với các phương pháp để có thể hạn chế được những nhược điểm của động

cơ điện một chiều với các phương pháp đã nêu ở trên

5.Khởi động động cơ một chiều kích từ độc lập :

Như chúng ta đã biết lúc bắt đầu đóng điện cho động cơ, tốc độ động cơ còn bằng không nên dòng điện động cơ lúc này ngắn mạch.Và dòng ngắn mạch này được tính là rất lớn

Inm =

Tạo ra mômen ngắn mạch cũng rất lớn:

Mnm = KΦdm = = KΦdm Inm

Dòng điện mở máy của động cơ là rất lớn:

Imm = Inm = = (10 20 ) Idm

Đối với động cơ có công suất càng lớn thì Rư thường có giá trị càng nhỏ và khi ấy dòng điện Inm càng lớn Điều này làm xấu chế độ chuyển mạch trong động cơ, đốt nóng mạch động cơ và gây sụt áp lưới điện Tình trạng này càng xấu hơn nếu hệ truyền động điện thường xuyên phải mở máy, đảo chiều, hãm điện thường xuyên như ở máy trục, máy can đảo chiều, thang máy lên xuống v.v

Mmm = Mnm = KΦdm Inm

Sơ đồ mở máy động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập qua 1 cấp điện trở :

Vậy để đảm bảo an toàn cho động cơ và các cơ cấu truyền động cũng như ảnh hưởng xấu đến lưới điện, phải hạn chế dòng điện khi mở máy, không cho vượt qua giá trị:

Imm = (1,5 4 2,5) Iđm

Nghĩa là chúng ta cần phải thêm điện trở phụ như hình vẽ trên vào mạch phần ứng sao cho :

Imm = = (1,5 ÷ 2,5 ) Idm

Công suất động cơ lớn thì phải chọn Imm nhỏ

Trong quá trình mở máy, tốc độ động cơ w tăng dần lên, sức điện động của động cơ lúc này E = KΦϖ cũng tăng dần nhưng dòng điện của động cơ khi ấy sẽ

bị giảm do đó mômen cũng sẽ giảm

I =

Sơ đồ đặc tính cơ lúc mở máy của động cơ một chiều kích từ độc lập qua một cấp điện trở phụ :

6 Các phương pháp điềchỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều

Có 3 cách điều chỉnh dựa vào các thông số của phương trình như : U, Φ, Rưtông

Do vậy ta có các cách sau :

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

6.1.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Ta có từ thông được giữ không đổi Điện áp phần ứng được cấp từ bộ biến đổi Khi thay đổi điện áp U cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có họ đặc tính cơ ứng với các tốc độ không tải khác nhau Như ta biết điện áp chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U < Udm) nên phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ

Phương pháp này có những đặc điểm sau :

- Điện áp phần ứng càng giảm thì tốc độ động cơ càng nhỏ

- Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh

- Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một momen là như

nhau Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh Do vậy sai số tốc độ tương đối ( sai số tĩnh ) của đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh

- Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể : D ~ 10 : 1

- Chỉ thay đổi được tốc độ về phía giảm ( vì chỉ có thể thay đổi với Uư< Idm )

6.2.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng

Khi tăng điện trở mạch phần ứng , đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng

Đặc điểm của phương pháp này là:

- Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn ( càng mềm),

Với những đặc điểm như trên lại gây tổn hao nên phương pháp này it được sử dụng.

6.3.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Muốn thay đổi từ thông động cơ , ta tiến hành thay đổi dòng điện kích từ của động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ Phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nghĩa là chỉ có thể giảm dòng điện kích

từ ( Ikt< Iktđm ) do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông Khi giảm từ thông , đặc tính dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn

Phương pháp này cũng có những đặc điểm sau :

- Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn, mềm hơn

- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh : D ~ 3 : 1

- Chỉ thay đổi được tốc độ về phía tăng theo phương pháp này

- Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính cơ sẽ cắt nhau và do vậy , với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm , còn

ở vùng tải lớn (M2) thì tốc độ có thể tăng hoặc giảm tuỳ theo tải Thực tế ,