3.4.1 Tổng quan về biến tần
Biến tần là một thiết bị điện tử tổ hợp linh kiện điện tử thực hiện chức năng biến đổi tần số và điện áp xoay chiều có tần số nhất định thành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển đƣợc nhờ các khóa điện tử.
Trong biến tần sử dụng các linh kiện điện tử có tính năng thông minh, linh hoạt nhƣ tự động nhận dạng động cơ, tính năng điều khiển tự động, khống chế dòng khởi động giúp quá trình khởi động êm ái, giảm tiếng ồn, giảm thiểu chi phí lắp đặt, gọn nhẹ, tiết kiệm không gian lắp đặt, hệ số khuếch đại công suất lớn, có quán tính nhỏ, các chế độ tiết kiệm năng lƣợng. Sử dụng các biện pháp bảo vệ quá tải, quá nhiệt, quá áp, áp thấp, lệch pha,…của biến tần làm cho động cơ làm việc tin cậy hơn. Tuy nhiên việc sử dụng các linh kiện bán dẫn nên rất nhạy cảm với điều kiện môi trƣờng, nơi làm việc phải thông gió, khô ráo, không bụi bẩn, khí ga,…Biến tần hiện nay có nhiều hãng nhƣ Siemens, Omron, Mitsubishi, LS,…
Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan tới tốc độ động cơ. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố quan trọng của chất lƣợng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống,…Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giày, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nhiên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc,…
3.4.2 Giới thiệu Biến tần LS SV008iC5-1
Biến tần này có nhiều chức năng nổi bật nhƣ: Giao tiếp Modbus, điều khiển PID, điều khiển theo vector không cảm biến, tự động dò thông số động cơ,…Trong điều khiển theo
48
vector không cảm biến đƣợc cải tiến không chỉ điều chỉnh đƣợc các đặc tuyến momen mà còn điều chỉnh tốc độ trong điều kiện không ổn định do phụ tải thay đổi.
Thuật toán tự động dò thông số đặt các hệ số động cơ tự động làm cho những cản trở chủ yếu ở tốc độ thấp do sự thay đổi của tải và momen thấp sản sinh để duy trì ổn định. Biến tần có thể chuyển đổi tín hiệu PNP và NPN cho các bộ điều khiển bên ngoài, nó làm việc ở điện áp 24VDC mà không phụ thuộc vào tín hiệu PLC hay thiết bị khác.
Hình 3.15Biến tần LS SV008iC5-1 - Đặc điểm kỹ thuật:
Công suất: 0.75 [kW].
Đầu ra danh định: 3 pha 200 đến 230V với tần số từ 0 đến 400Hz.
Đầu vào danh định: 1 pha 200 đến 230V ( ±10% ) với tần số 50 đến 60Hz ( ±5% ). - Sử dụng phƣơng thức điều khiển V/F, điều khiển theo vector cảm biến, tần số tham chiếu digital là 0.01Hz và analog là 0.06Hz. Tỷ lệ V/F là thẳng, vuông, sử dụng V/F.
- Khả năng chịu quá tải khoảng 1 phút ở 150% và 30s ở 200% với đặc trƣng đảo ngƣợc, tăng momen dùng cả chế tạo bằng tay lẫn tự động.
Phƣơng pháp điều khiển V/F (không gian vecto PWM)
Tỉ lệ V/F Tuyến tính hay do ngƣời sử dụng
Khả năng quá tải 150% trong 1phút, 200% trong 30 giây
49
Tín hiệu đầu vào FX (chạy thuận), RX (chạy nghịch)
RST(reset lỗi), JOG
Đa chức năng đầu vào Tổng cộng 5 đầu vào(lập trình)
Ngõ ra analog 0~10VDC, 4 ~ 20mA
Tín hiệu vào Điều khiển hoạt động Fx, Rx, RST
Tín hiệu ngõ ra
Cài đặt tần số Phím điều khiển, Led hiển thị 3 chữ số, Trạm
nối, Truyền thông ModBus
Tín hiệu khởi động
Analog:0~10VDC ,4~20mA,
Digital:phím điều khiển
Truyền thông: ModBus hoặc LS Bus
Nhiều cấp tốc độ Thuận, Nghịch
Đa cấp thời gian tăng tốc/giảm tốc
Cài đặt đƣợc đến 8cấp tốc độ (sử dụng đầu vào đa chức năng)
Chức năng hoạt
động 0.1~6000s
Dừng khẩn cấp
Điều khiển PID
Tăng tốc/giảm tốc
Giới hạn tần số
Nhảy tần số
Chức năng cài tham số cho motor thứ 2
Tự động Reset lỗi
Chức năng JOG Ngắt tín hiệu ra từ biến tần
Reset lỗi Động cơ chạy đƣợc với tốc độ rất chậm
Trạng thái hoạt
động Có tín hiệu reset lỗi khi chức năng bảo vệ tác động Bảo vệ Thông số hiển thị
Quá áp, quá dòng, mất pha, quá tải, quá nhiệt
Lỗi truyền thông, lỗi CPU
Ngắt Quá tải
50
Hình 3.16Cấu tạo chung của Biến tần
Đầu vào đƣợc nối với hai chân L1. L2 và đầu ra nối tới động cơ ở các chân U, V, W. Biến tần đƣợc nối đất tại chân G, trong quá trình điều khiển có thể sử dụng các đầu vào đa chức năng là P1, P2, P3, P4, P5 hay kết nối với một điện trở ngoài tại các chân VR, VI, I, CM. Để lựa chọn chế độ, cài đặt, điều chỉnh thông số của biến tần có thể dùng bàn phím hay nút KNOB có trên biến tần.
Tƣơng ứng với nhiệm vụ điều khiển động cơ thì trong biến tần sẽ có các nhóm thông số cài đặt và điều khiển nhƣ nhóm biến tần có các thông số cơ bản nhƣ lệnh tần số, thời gian giảm hay tăng tốc,…Nhóm chức năng 1 thì các lệnh tần số tối đa, tăng momen,…Nhóm chức năng số 2 thì có lệnh thay đổi tần số nhảy, giới hạn tần số max/min,…Nhóm Input/Ouput dựng thành chuỗi cài đặt khối đa chức năng, hoạt động tự động,…
3.5 Thiết kế và thi công tủ điện điều khiển 3.5.1 Thiết kế sơ đồ điện của tủ điện điều khiển 3.5.1 Thiết kế sơ đồ điện của tủ điện điều khiển
Sau khi tìm hiểu về cách hoạt động, cấu tạo của các thiết bị điều khiển, đầu vào, đầu ra thì tiến hành việc thiết kế sơ đồ dây cho tủ điện điề khiển với nội dung điều khiển tổng quát nhƣ sơ đồ hình 3.17.
51
Hình 3.17Sơ đồ điều khiển tổng quát - Điều khiển chia làm hai phần chính là:
PLC nhận các tín hiệu vào từ những thiết bị ngoại vi nhƣ công tắc gạt, công tắc giới hạn, cảm biến. Sau đó xử lý theo chƣơng trình đƣợc đổ vào nó rồi sau đó xuất tín hiệu ra tới các đèn để báo hiệu pha, các van điện từ để kích hoạt xylanh hoạt động hay các contactor để điều khiển động cơ quay thuận hay nghịch.
Biến tần nhận tín hiệu hoạt động từ công tắc gạt và đƣợc điều chỉnh tần số bởi một biến trở ngoài, đầu ra điều khiển động cơ 3 pha quay với băng tải.
- Xác định xong nhiệm vụ điều khiển với sơ đồ tổng quát thì tiến hành thiết kế sơ đồ dây cho tủ điện điều khiển cụ thể.
3.5.2 Thi công tủ điện điều khiển
Từ sơ đồ dây có đƣợc, tiếp theo tiến hành thi công tủ điện điều khiển. Đầu tiên là việc lựa chọn vỏ tủ điện phù hợp với kích thƣớc và cách bố trí của các thiết bị trong sơ đồ dây đã thiết kế. Từ đó chọn đƣợc tủ điện với vật liệu là Thép CT3 với kích thƣớc tiêu chuẩn là H600 x W400 x D180.
52
Hình 3.18Vỏ tủ điện H800 x W400 x D180
Sau khi chọn đƣợc vỏ tủ điện phù hợp thì tiến hành khoan để lắp các thiết bị và đấu dây điện với các thiết bị này với nhau. Hoàn thành công việc này thì đƣợc kết quả tủ điện điều khiển nhƣ hình 3.19 và 3.20
53
Hình 3.20Bên trong của tủ điện điều khiển
3.6 Điều khiển hệ thống
3.6.1 Giải thuật điều khiển cho cơ cấu
54
- Điều khiển ở chế độ bằng tay:
+ Khi chọn chế độ hoạt động bằng tay bởi công tắc gạt đồng thời chọn chế độ đi xuống thì mâm chứa bìa sẽ lập tức đi xuống. Mâm sẽ tiếp tục đi xuống cho đến khi nó tiếp xúc với công tắc giới hạn hành trình phía dƣới thì sẽ dừng lại ngay lập tức. Công tắc này đảm bảo đƣợc vị trí để cung cấp bìa lên mâm chứa.
+ Sau khi đặt số lƣợng bìa theo yêu cầu lên mâm thì chuyển công tắc gạt qua chế độ đi lên, thì mâm sẽ đi lên. Mâm tiếp tục đi lên cho đến khi gặp tín hiệu dừng, tín hiệu này bao gồm cảm biến cảm biến kim loại hay công tắc hành trình trên.
+ Khi mâm lên đủ độ cao yêu cầu định trƣớc thì sẽ đẩy hai thanh kim loại đặt trên khung cơ cấu phía trên mâm chứa bìa đi lên theo mâm chứa, khi thanh này lên đến mức cảm biến kim loại phát hiện thì mâm chứa bài sẽ dừng lại ngay lập tức. Hoặc khi gặp công tắc giới hạn hành trình trên thì mâm này vẫn dừng, công tắc này có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho cơ cấu, bắt buộc mâm chứa bìa dừng khi mà cảm biến kim loại xảy ra sự cố không cho tín hiệu về PLC, nhờ công tắc này mà khi có sự có thì cơ cấu sẽ không bị phá hỏng.
+ Khi mâm đã lên đúng độ cao định trƣớc và PLC cũng đã nhận đƣợc tín hiệu từ xylanh dập bìa với giấy chƣa keo đi lên thì sẽ xuất tín hiệu tới van điện từ làm xylanh phía trên mâm chứa bìa đi ra đẩy theo một bìa giấy ra theo tới băng tải phía trƣớc đƣợc điều khiển bởi biến tần. Lúc xylanh đi ra thì đồng thời cũng tác động lên cảm biến gắn ở đầu ra của xylanh, khi tín hiệu nhận đƣợc trả về PLC thì ngay lập tức xylanh này sẽ đi về. Bìa giấy đƣợc đi qua băng tải đến với băng tải có giấy chứa keo và nằm trên hai thanh đỡ hai bên của xylanh.
+ Và lúc PLC nhận đƣợc tín hiệu từ cảm biến nhận biết có giấy chứa keo đến thì xylanh nằm ngang sẽ đẩy tới. Mục đích của xylanh này là để chắn bìa khi đi qua băng tải, giúp bìa nằm đúng vị trí yêu cầu. Khi xylanh đẩy này đẩy tới thì sẽ tác động cảm biến gắn phía đầu của nó, tín hiệu này đƣợc truyền đến PLC.
+Tín hiệu cảm biến trên xylanh đẩy đến PLC thì nó sẽ gửi tín hiệu đầu tới đầu ra cho van điện từ làm tác động đến xylanh đỡ làm nó thả bìa xuống băng tải có giấy chứa keo và xylanh dập làm nó đi xuống để bìa và giấy chứa keo đƣợc dán với nhau.
+ Sau khi xylanh dập đi xuống thì sẽ kích cảm biến gắn trên đầu của nó nên PLC nhận đƣợc tín hiệu của cảm biến này làm cho xylanh đỡ, xylanh dập và xylanh đẩy quay về trạng thái ban đầu. Và kết thúc một chu trình làm việc ở chế độ điều khiển bằng tay.
55
- Điều khiển bởi PLC bằng chế độ tự động thì cơ cấu hoạt động cũng tƣơng tự nhƣ chế độ điều khiển bằng tay, chỉ khác nhau một vài chỗ nhƣ sau:
+ Khi công tắc gạt chọn chế độ tự động thì mâm chứa bìa sẽ từ động đi lên cho đến khi cảm biến kim loại bị tác động chứ không còn phải gạt công tắc chọn chế độ đi lên nhƣ chế độ điều khiển bằng tay.
+ Do đó, khi mâm chứa bìa muốn đi xuống để cung cấp bìa thì phải chuyển sang chế độ điều khiển bằng tay và gạt công tắc chọn đi xuống.
+ Và ở chế độ này thì khi chu trình đến bƣớc xylanh đỡ, xylanh dập và xylanh đẩy quay về trạng thái ban đầu thì chu trình sẽ quay lại bƣớc chờ nhận tín hiệu từ xylanh dập đi lên. Và cứ thế chu trình cứ lập đi lập lại liên tục đến khi mâm chứa bìa hết giấy hoặc khi dừng cơ cấu.
3.6.2 Phƣơng pháp điều khiển của Biến tần
Sơ đồ 3.2Giải thuật tổng quát cho Biến tần
Để biến tần hoạt động đƣợc thì công tắc gạt “ Start” trên tủ điện điều khiển phải gạt qua trạng thái ON. Sau đó ta thiết lập những thông số cần thiết và để thay đổi tốc độ động cơ thông quamột biến trở ngoài 1kΩ. Khi cài xong tất cả thông số cần thiết thì biến tần sẽ làm cho động cơ nối với ngõ ra hoạt động nhƣ yêu cầu đặt ra.
Start Điều chỉnh biến trở ngoài Động cơ quay Cài đặt thông số Biến tần
56
3.6.3Viết chƣơng trình điều khiển cơ cấu của PLC
Sau khi xác định đƣợc giải thuật điều khiển cho từng bƣớc hoạt động cho chu trình của cơ cầu thì tiến hành viết chƣơng trình điều khiển cho PLC. Để viết chƣơng trình cho loại PLC LS XBC-DR30E thì cần sử dụng phần mềm từ hãng đó là phần mềm XG5000. Và chƣơng trình điều khiển cho cơ cấu ở phần Phụ lục.
Hình 3.21Giao diện của phần mềm XG5000
3.6.4 Cài đặt thông số cho biến tần - Bƣớc 1: Vào nhóm Drive của biến tần - Bƣớc 1: Vào nhóm Drive của biến tần
Vào hàm drv : Chọn “1” _Chạy thuận/nghịch bằng công tắc ngoài trên biến tần. Vào hàm Frq : Chọn “3”_Thay đổi lệnh bàn phím tới lệnh điện áp Analog. Vào hàm ACC : Cài giá trị “0~6000”(Sec)_ Thời gian tăng tốc chọn 5s. Vào hàm dEC : Cài giá trị “0~6000”(Sec)_ Thời gian giảm tốc chọn 5s.
57
- Bƣớc 2: Vào nhóm Function 1 của biến tần
Vào hàm F21 : Cài “40~400”(Hz)_Cài tần số Max cho biến tần LS hoạt động (thƣờng cài bằng tần số lƣới điện), chọn 50Hz.
Vào hàm F22 : Cài “30~400”_Cài đặt tần số cơ bản cho biến tần LS (thƣờng cài bằng tần số F21), chọn 50Hz.
- Bƣớc 3: Vào nhóm I/O của biến tần
Vào hàm I6 : “0~9999” _Cài thời gian lọc tín hiệu điện áp của biến trở, chọn “10”.
Vào hàm I7 : “0~10”(V)_Cài mức thấp của điện áp ngõ vào biến trở, chọn “0”. Vào hàm I8 : “0~400”(Hz)_ Tần số tƣơng ứng với hàm I7, chọn “0.0”.
Vào hàm I9 : “0~10”(V)_Điệp áp vào V1 max, chọn 10.
Vào hàm I10 : “0~400”(Hz)_ Tần số tƣơng ứng với hàm I9, chọn “50”.
Sơ đồ 3.3Biểu diễn mối quan hệ V/F của biến tần
Sơ đồ 3.4Nối dây biến trở với biến tần
VR V1 CM 1kΩ
58
CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Chạy thực nghiệm cơ cấu
4.1.1 Kết quả thực nghiệm
Sau khi chế tạo cơ khí và rắp láp các bộ phận cơ cấu lại với nhau kết hợp với phần điều khiển thì cơ cấu hoạt động với chức năng các nút điều khiển nhƣ phần phụ lục 1 vàthu đƣợc cơ cấu thực tế nhƣ sau:
Hình 4.1Hình ảnh thực nghiệm phía trƣớc và sau của cơ cấu. -Quy trình vận hành:
59
Hình 4.2 Bộ phận chứa bìa giấy
+ Khi bộ phận cấp bìa đi lên đồng thời làm cảm biến quang phát hiện đƣợc thanh kim loại đƣợc đẩy lên cùng bộ phận cấp bìa thì bộ phận này sẽ dừng lại.
60
Hình 4.4Cảm biến quang phát hiện thanh kim loại lên đủ độ cao để dừng mâm chứa bìa + Sau khi bộ phận chứa bìa dừng lại thì xy lanh phía trên nó sẽ đẩy một bìa đến băng tải chuyển bìa phía trƣớc của cơ cấu.
61
Hình 4.6Xylanh đẩy bìa về phía băng tải chuyển bìa
+ Sau khi đƣợc xylanh đẩy tới thì bìa đƣợc băng tải chuyển bìa đƣa đến băng tải có giấy chứa keo trắng.
Hình 4.7Bìa đƣợc băng tải chuyển bìa đến băng tải có giấy chứa keo trắng
+ Sau khi bìa đƣợc đƣa đến băng tải có giấy chứa keo thì sẽ đợ đỡ bằng một xylanh đẩy và hai thanh đỡ hai bên để chờ cho giấy chứa keo đến phía dƣới nó.
62
Hình 4.8Bìa đang chờ giấy chứa keo đến phía dƣới
+ Khi giấy chứa keo đã tới thì hai thanh đỡ sẽ thả bìa xuống và xy lanh dập đi xuống để dán bìa với giấy chứa keo với nhau.
63
Hình 4.9Bìa đƣợc dán với giấy chứa keo
+ Nhƣ vậy khi bìa đã đƣợc dán xong thì sẽ đƣợc băng tải đƣa đi đến khâu khác và đồng thời cũng có một bìa đến để chỉ bị dán.
Hình 4.10Bìa mới đến để chuẩn bị dán với giấy chứa keo
Khi cơ cấu tiến hành chạy thực nghiệm thì thu đƣợc kết quả nhƣ đã dự kiến đó là:
- Cơ cầu làm việc ổn định một cách liên tục, không xảy ra lỗi từ phần cơ khí cũng