Thiết kế điều khiển, hệ truyền động điện cho trạm có nhiều bơm

Đồ án môn học Trang bị điện LỜI MỞ ĐẦU Trong các đô thị và các vùng đô thị hóa hệ thống thoát nước và hệ thống cấp nước là một trong những hệ thống cơ sở hạ tầng rất quan trọng, không thể thiếu được. trong hệ thống cấp nước và hệ thống thoát nước thì công trình thu nước trạm bơm cấp I và trạm bơm cấp thoát nước là những công trình chủ yếu và rất quan trọng. ở đồ án trạm bơm cấp I sẽ nghiên cứu về các quy trình thu nước từ nguồn nước ngầm và nguồn nước mặt đưa lên trạm xử lý hoặc bể chứa. Việc thực hiện đồ án này rất là bổ ích cho các sinh viên, nó sẽ giúp các sinh viên tự tìm tòi học hỏi, và hiểu ra nhiều quy trình cấp thoát nước và cách vận hành của nó, từ đó sẽ làm nền tảng và nguồn kiến thức dồi dào cho các sinh viên khi hoạt động trong các công tác chuyên ngành của mình và các hoạt động trong đời sống về lĩnh vực thiết kế, thi công, quản lý hệ thống cấp nước. Các hệ thống bơm chất lỏng bình hở được ứng dụng rất rộng rãi . Bài viết tuy không dài nhưng hi vọng có thể đáp ứng lại một phần nào đó nhu cầu tìm hiểu về hệ thống bơm nước lên bình hở. Và từ đó chúng ta có một cái nhìn đầy đủ hơn về hệ thống bơm và các chương trình điều khiển. Bài viết này còn rất nhiều thiếu sót, em mong nhận được những đánh giá, những lời góp ý của thầy cô và các bạn. Sinh viên thực hiện Nguyễn Đức Thắng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thắng Lớp: ĐTĐ 47 - ĐH2 1 Đồ án môn học Trang bị điện MỤC LỤC Trang Chương 1. Tổng quan hệ thống bơm chất lỏng, cấu tạo bơm…………… 3 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống máy bơm……………… …………… 3 1.2. Hệ thống bơm chất lỏng lên bình hở .………………………………… 16 Chương 2. Thiết kế điều khiển, hệ truyền động điện cho trạm có nhiều bơm 2.1. Xây dựng mạch điều khiển …………………………………………. 17 2.2. Xây dựng mạch động lực …………………………………………… 23 Chương 3. Viết chương trình điều khiển ……………………………… . .27 3.1. Viết chương trình điều khiển cho PLC …………………………… . 24 3.2. Mô phỏng …………………………………………………………… 30 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thắng Lớp: ĐTĐ 47 - ĐH2 2 Đồ án môn học Trang bị điện CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG BƠM CHẤT LỎNG CẤU TẠO BƠM 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống máy bơm: 1.1.1. Khái niệm chung: - Bơm là máy thuỷ lực dùng để hút và đẩy chất lỏng từ nơi này đến nơi khác. Chất lỏng dịch chuyển trong đường ống nên bơm phải tăng áp suất chất lỏng ở đầu đường ống để thắng trở lực trên đường ống và thắng hiệu áp suất ở 2 đầu đường ống. Năng lượng bơm cấp cho chất lỏng lấy từ động cơ điện hoặc từ các nguồn động lực khác (máy nổ, máy hơi nước…). - Điều kiện làm viêc của bơm rất khác nhau (trong nhà, ngoài trời, độ ẩm, nhiệt độ v.v…) và bơm phải chịu được tính chất lý hoá của chất lỏng cần vận chuyển. 1.1.2. Phân loại: Phân loại bơm có nhiều cách: a. Theo nguyên lí làm việc hay cách cấp năng lượng, có hai loại bơm: Bơm thể tích: Loại bơm này khi làm việc thì không gian thể tích làm việc thay đổi nhờ chuyển động tịnh tiến của pittong (bơm pittong) hay nhờ chuyển động quay của roto (bơm roto). Kết quả thế năng và áp suất chất lỏng tăng lên nghĩa là bơm cung cấp áp năng cho chất lỏng. Bơm động học: trong bơm này chất lỏng được cung cấp động năng từ bơm và áp suất tăng lên. Chất lỏng qua bơm, thu được động lượng nhờ va đập của các cánh quạt (bơm li tâm, bơm hướng trục) hoặc nhờ ma sát của tác nhân làm việc (bơm xoáy lốc, bơm tia, bơm chấn động, bơm xoắn, bơm sục khí), hoặc nhờ tác động của trường điện từ (bơm điện từ) hay các trường lực khác. b. Theo cấu tạo: - Bơm cánh quạt: trong loại này bơm li tâm chiếm đa số và hay gặp nhất (bơm nước) - Bơm pittong ( bơm nước, bơm dầu) - Bơm roto (bơm dầu, hóa chất, bùn .) Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thắng Lớp: ĐTĐ 47 - ĐH2 3 Đồ án môn học Trang bị điện Thuộc loại này có bơm bánh răng, bơm cách trượt (lá gạt) Ngoài ra còn có các loại đặc biệt như bơm màng cánh (Bơm xăng trong ôtô), bơm phun tia (tạo chân không trong các bơm lớn nhà máy nhiệt điện) 1.1.3. Sơ đồ các phần tử của một hệ thống bơm Các phần tử cơ bản trong một hệ thống bơm được giới thiệu trên hình 1.1: Hình 1.1 : Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống bơm Bơm hút chất lỏng từ bể hút 4 qua bộ lọc 3, qua ống hút 5, qua van 6, van 7 và đẩy chất lỏng qua ống đẩy 8 vào bể chứa 9. Động cơ lai 1 dùng để quay bơm 2, 11 là đồng hồ chỉ thị ở cửa hút còn 12 là đồng hồ chỉ thị ở cửa đẩy. 1.1.4. Các thông số cơ bản của bơm a. Cột áp H (hay áp suất bơm). Đó là lượng tăng năng lượng riêng cho một đơn vị trọng lượng của chất lỏng chảy qua bơm (từ miệng hút đến miệng đẩy của bơm). Cột áp H thường được tính bằng mét cột chất lỏng ( hay mét cột nước) hoặc tính đổi ra áp suất của bơm gHHP ργ == . Trong đó: - γ : trọng lượng riêng của chất lỏng được bơm (N/m 3 ) - ρ : Khối lượng riêng chất lỏng (kg/m 3 ) Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thắng Lớp: ĐTĐ 47 - ĐH2 4 Đồ án môn học Trang bị điện - g : Gia tốc trọng trường Cột áp H của bơm dùng để khắc phục: - Độ chênh mức chất lỏng giữa bể chứa và bể hút H h + H d [m] - Độ chênh áp suất tại hai mặt thoáng ở bể hút (p 1 ) và bể chứa (p 2 ) g pppp ργ 1212 − = − - Trở tùy lực (tổn thất năng lượng đơn vị ) trong ống hút ∑ h h và ống đẩy d h ∑ - Độ chênh lệch áp suất động học(động năng) giữa hai mặt thoáng g vv 2 2 1 2 2 − g vv hh g pp HHH dhdh 2 )( 2 1 2 212 − +++ − ++= ∑∑ ρ )( 2 2 ∑∑ += d h hhh h d l g v h ξ λ )( 2 2 ∑∑ += h d ddd h d l g v h ξ λ Trong đó: - v h , v d : vận tốc chất lỏng trong ống hút và ống đẩy (m/s) - λ h , λ d : hệ số trở lực ma sát trong ống hút và ống đẩy - l h , l d , d h , d d : các chiều dài và đường kính ống hút ống đẩy (m) - ∑ h ξ , ∑ d ξ : tổng hệ số trỏe lực cục bộ trong ống hút và ống đẩy b. Lưu lượng (năng suất) bơm: đó là thể tích chất lỏng do bơm cung cấp vào ống đẩy trong một đơn vị thời gian. c. Công suất bơm ( P hay N ) Trong một số tổ máy bơm cần phải phân biệt 3 loại công suất: - Công suất làm việc i N (công suất hữu ích) là công để đưa một lượng Q chất lỏng lên độ cao H trong một đơn vị thời gian (s) Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thắng Lớp: ĐTĐ 47 - ĐH2 5 Đồ án môn học Trang bị điện 3 10*** − = HQN i γ [kW] ( 1.2) Trong đó : γ [N/ 3 m ], Q[ 3 m /s], H[m] - Công suất tại trục bơm N (thường ghi trên nhãn bơm) . Công suất này thường lớn hơn Ni vì có tổn hao ma sát. - Công suất động cơ kéo bơm (Nđc). Công suất này thường lớn hơn N để bù hiệu suất truyền động giữa động cơ và bơm, ngoài ra còn dự phòng qúa tải bất thường. 3 10* * *** * − == tđbtđ đc HQk N kN ηη γ η [kW] ( 1.3 ) Trong đó : k - hệ số dự phòng Còn với k thì công suất bơm dưới: 2kW, lấy k = 1,50 2 - 5 kW lấy k = 1,50 ÷ 1,25 5 - 50kW lấy k = 1,25 ÷ 1,15 50 - 100kW lấy k = 1,15 ÷ 1,08 Công suất bơm trên 100kw lấy k = 1.05 Cũng có thể lấy hệ số dự phòng khi: Q < 100 hm / 3 thì k = 1,2 ÷ 1,3 Q > 100 hm / 3 thì k = 1,1 ÷ 1,15 tđ η - hiệu suất bộ truyền. Với bộ truyền đai (cu roa) thì tđ η < 1. Còn khi động cơ nối trực tiếp với bơm thì 1 ≈ tđ η d. Hiệu suất bơm ( b η ) là tỉ số giữa công suất hữu ích i N và công suất tai trục bơm N. N N i b = η ( 1.4 ) Hiệu suất bơm gồm 3 phần: mHQb ηηηη ** = ( 1.5 ) Trong đó: + Hiệu suất lưu lượng (hay hiệu suất thể tích) do tổn thất lưu lượng vì rò rỉ. + Hiệu suất thuỷ lực (hay hiệu suất cột áp) do tổn thất cột áp vì ma sát trong nội bộ bơm Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thắng Lớp: ĐTĐ 47 - ĐH2 6 Đồ án môn học Trang bị điện + Hiệu suất cơ khí do tổn thất vì ma sát giữa các bộ phận cơ khí (ổ bi, gối trục…) và bề mặt ngoài của guồng động (bánh xe công tác) với chất lỏng (bơm ly tâm). 1.1.4. Một số loại bơm: a. Bơm ly tâm Bơm ly tâm là loại bơm cánh dẫn, làm việc theo nguyên lý của máy thuỷ lực cánh dẫn. Cơ cấu truyền năng lượng chính là hệ thống bánh cánh công tác Trước khi bơm làm việc cần phải làm cho cánh công tác tiếp xúc với chất lỏng. Khi bánh cánh công tác quay với một vận tốc nào đó thì chất lỏng tiếp xúc với bánh cánh cũng quay theo, như vậy bánh cánh đã truyền năng lượng cho chất lỏng. Do chuyển động quay của bánh cánh mà các hạt chất lỏng chuyển động có xu hướng văng ra xa khỏi tâm. Để bù vào chỗ trống mà hạt chất lỏng vừa văng ra thì hàng loạt các hạt chất lỏng khác chuyển động tới và quá trình trao đổi năng lượng lại diễn ra như các hạt trước nó. Quá trình trao đổi năng lượng diễn ra liên tục tạo thành đường dòng liên tục chuyển động qua bơm. Tốc độ chuyển động của hạt chất lỏng khi ra khỏi bánh cánh công tác lớn sẽ làm tăng tổn thất của đường dòng, bởi vậy cần phải giảm tốc độ này bằng cách biến một phần động năng của hạt chất lỏng chuyển động thành áp năng. Để giải quyết điều này, chất lỏng sau khi ra khỏi bánh cánh công tác sẽ được dẫn vào buồng có tiết diện lớn dần dạng xoắn ốc nên gọi là bầu góp xoắn ốc .Do sự quay đều của bánh cánh công tác nên trong đường ống chất lỏng chuyển động liên tục. * Phân loại bơm + Theo lưu lượng của bơm: - Bơm có lưu lượng thấp : Q < 20m 3 /h - Bơm có lưu lượng trung bình : Q < 60m 3 /h - Bơm có lưu lượng cao: Q > 60m 3 /h + Phân loại theo cột áp của bơm: -Bơm cột áp thấp H < 20 mH 2 O Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thắng Lớp: ĐTĐ 47 - ĐH2 7 Đồ án môn học Trang bị điện -Bơm cột áp trung bình H = 20 ÷ 60 mH 2 O. -Bơm cột áp cao H > 60 mH 2 O. + Theo trị số bánh cánh và cách lắp ghép của các chi tiết: -Bơm có một bánh cánh và một cấp áp lực. -Bơm có nhiều cấp là các cánh của bánh công tác được lắp ghép nối tiếp. -Bơm có nhiều bánh cánh, bánh cánh được nối ghép song song. + Theo cách dẫn chất lỏng vào bánh công tác: -Bơm có bánh công tác hút chất lỏng từ một phía được gọi là bơm một miệng hút. -Bơm có hai miệng hút. + Theo kết cấu của vỏ: -Bơm một vỏ là bơm có một mặt phẳng chia vỏ ra làm hai phần qua tâm trục. -Bơm vỏ rời là bơm mà vỏ cấu tạo thành từ các phần riêng, mỗi phần ứng với một bánh công tác tạo thành một cấp của bơm. + Theo cách đặt bánh công tác: -Bơm đặt thẳng đứng. -Bơm đặt nằm ngang. + Theo loại chất lỏng được chuyển bằng bơm : -Bơm để bơm nước. -Bơm để bơm sản phẩm dầu hoả. + Theo cách hút của bơm: - Các bơm tự hút là các bơm có thiết bị để tạo ra chân không trong đường ống hút trong thời kỳ khởi động. - Các bơm không tự hút là các bơm không có thiết bị để tạo ra độ chân không trong đường ống hút trong thời kỳ khởi động. * Các thông số cơ bản của bơm ly tâm - Cột áp: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thắng Lớp: ĐTĐ 47 - ĐH2 8 Đồ án môn học Trang bị điện Bơm li tâm khi làm việc với hệ thống đường ống sẽ có cột áp xác định, cột áp này bằng cột áp cản của đường ống. Ta gọi cột áp đó là cột áp làm việc của bơm li tâm và được xác định theo công thức sau: H B = γ 12 PP − + g vv 2 2 1 2 2 − + (z 2 – z 1 ) ( 1.6 ) Trong đó: P 1 ,P 2 – Là áp suất đo được tại cửa hút và cửa đẩy của bơm; v 1 , v 2 – Là giá trị tốc độ dòng tại cửa hút và cửa đẩy của bơm; z 1 , z 2 - Độ chênh hình học của hai vị trí đo áp suất P 1 và P 2 ; Đối với bơm li tâm, ứng với mỗi vòng quay nhất định thì chỉ có một giá trị cột áp mà tại đó bơm làm việc với hiệu suất cao nhất, ta gọi là cột áp định mức. Giá trị cột áp này được chỉ dẫn trên tài liệu kỹ thuật của bơm. - Lưu lượng: Lưu lượng là lượng chất lỏng mà bơm vận chuyển được trong một đơn vị thời gian. Giá trị sản lượng này thường được xác định bằng các cách đo trực tiếp dòng chất lỏng mà bơm cung cấp được. Lưu lượng thường được ký hiệu là Q, thứ nguyên là m 3 /giờ, m 3 /giây, lít/phút. - Công suất: + Công suất làm việc Công suất làm việc là công suất tiêu tốn trên trục động cơ lai bơm. Ví dụ bơm được lai bằng động cơ điện thì: N LV = N đ/cơ điện lai .η đ/cơ điện lai + Công suất thuỷ lực: Công suất thuỷ lực là công suất mà chất lỏng thực sự nhận được từ động cơ lai để tạo ra cột áp H, và sản lượng Q, γ là khối lượng riêng của chất lỏng N = γ QH ( 1.7 ) * Cấu tạo của bơm ly tâm Ngày nay bơm li tâm có nhiều loại và kết cấu rất đa dạng song chúng bao gồm các bộ phận chính như: Vỏ bơm, bánh cánh, ống góp hình xoắn ốc và thiết Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thắng Lớp: ĐTĐ 47 - ĐH2 9 Đồ án môn học Trang bị điện bị làm kín. Kết cấu của một bơm điển hình được thể hiện trên (Hình 1.2). Đây là bơm li tâm một cấp đặt đứng cửa hút quay xuống dưới và có khoan lỗ cân bằng trên cánh để khử lực dọc trục. Hình 1.2: Cấu tạo bơm li tâm Trong đó: 1. Bánh cánh 2. Nắp vỏ bơm 3. Bộ làm kín đầu trục 4. Bệ đỡ động cơ 5. Ống bao trục 6. Vành làm kín đầu mút cánh - Vỏ bơm: Vỏ bơm có thể có kết cấu theo kiểu ghép ngang hay ghép dọc. Có thể được chế tạo thành nhiều phần và sau đó ghép liên kết với nhau. Chúng thường chế tạo bằng gang đúc, đồng đúc hoặc hợp kim. Chất liệu chế tạo và kiểu cách tuỳ vào điều kiện công tác của bơm. Thân vỏ bơm có thể được chia thành nhiều khoang riêng biệt với nhau với nhiều mục đích. Nó cũng còn có ý nghĩa trong việc tạo khung để bố trí các ổ đỡ trục, bộ làm kín, định hướng bánh cánh và các chi tiết khác… Khi tháo lắp, sửa chữa hoặc bảo dưỡng nên chú ý các chốt định vị, độ dày các gioăng và thứ tự lắp ghép để đảm bảo trạng kỹ thuật của bơm. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thắng Lớp: ĐTĐ 47 - ĐH2 10