Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí. Biến tần sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự dòng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay động cơ.
Có nhiều loại biến tần như: Biến tần AC, biến tần DC; biến tần 1 pha 220V, biến tần 3 pha 220V, biến tần 3 pha 380V, biến tần 3 pha 660V, biến tần trung thế...
35
Bên cạnh các dòng biến tần đa năng, các hãng cũng sản xuất các dòng biến tần chuyên dụng: biến tần chuyên dùng cho bơm, quạt; biến tần chuyên dùng cho nâng hạ, cẩu trục; biến tần chuyên dùng cho thang máy; biến tần chuyên dùng cho hệ thống HVAC
Biến tần được lựa chọn cho hệ thống là Biến tần Siemens V20
Hình 2-17 Biến tần Siemens v20
2.2.2Cấu tạo
Dòng máy biến tần SINAMICS V20 có thể đáp ứng được nhu cầu về một giải pháp truyền động đơn giản, tiết kiệm năng lượng và giá thành rẻ.
Biến tần SINAMICS V20 có kích thước nhỏ gọn, công suất đáp ứng từ 0.12Kw đến 15Kw hỗ trợ cho điện lưới 1 pha 220V và 3 pha 380V.
Qua màn hình tích hợp trên biến tần, giúp cho người dùng sử dụng thuận tiện và dễ dàng hơn. Ngoài ra, nó còn tích hợp modun truyền thông theo tiêu chuẩn USS và Modbus RTU nên có thể tích hợp dễ dàng với hệ thống điều khiển.
Dòng biến tần Siemens V20 thích hợp với việc sử dụng động cơ 3 pha của hệ thống.
36
Hình 2-18 Sơ đồ kết nối biến tần với thiết bị
Sơ đồ tổng quát kết nối của biến tần Siemens V2011
Hình 2-19 Sơ đồ tổng quát kết nối của biến tần Siemens V20
37 Sơ đồ đấu dây chi tiết:
Hình 2-20 Sơ đồ đấu dây chi tiết
Các thông số biến tần sử dụng
- Nguồn 10V:
Chân điều khiển 10V: giúp cung cấp điện áp ra 10V (± 5%) 11mA - Chân Analog ngõ vào:
Chân điều khiển AI1: Kênh analog ngõ vào 1, hỗ trợ analog giá trị -10V đến +10V, 0mA đến 20mA
Chân điều khiển AI2: Kênh analog ngõ vào 2, hỗ trợ analog giá trị 0V đến +10V, 0mA đến 20mA
- Chân Analog ngõ ra:
Chân điều khiển AO1: Kênh analog ngõ ra, hỗ trợ analog giá trị 0mA đến 20mA.
- Chân điều khiển 0V:
Chân 0V dùng cho kênh analog và truyền trhoong RS485 - Truyền thông RS485:
38
Chân điều khiển N- : Chân RS485 – - Ngõ vào số:
Chân điều khiển DI1, DI2: Chân digital ngõ vào, hỗ trợ kết nối dạng Source và Sink
Chân điều khiển DI3: Hoạt động ở điện trong dãy điện áo 0V – 30V
Chân điều khiển DI4: Điện áp > 11V là mức 1, điện áp < 5V là mức 0
Chân điều khiển DIC: Chịu được dòng điện 15mA. - Nguồn 24V: Cung cấp điện áp ra 24V (± 15%) 50mA - Nguồn 0V: Chân 0V của nguồn 24V
- Ngõ ra transistor:
Chân điều khiển DO1+ : Chân ngõ ra DO1 transistor
Chân điều khiển DO1- : Điện áp hoạt động là 35VDC, 100mA - Ngõ ra Relay: Điện áp hoạt động 220V AC/30VDC, 0.5A
Chân điều khiển DO2 NC: Chân ngõ ra DO2 relay thường đóng
Chân điều khiển DO2 NO: Chân ngõ ra DO2 relay thường mở
Chân điều khiển DO2 C: Chân ngõ ra DO2 relay chung
2.3 Phương pháp điều khiển vận tốc đáp ứng tốc độ phân loại
Điều chỉnh vận tốc chuyển động của cơ cấu chấp hành được thực hiện bằng cách điều chỉnh lưu lượng dầu vào động cơ thuỷ lực. Tuỳ theo phương pháp điều chỉnh lưu lượng dầu vào động cơ thuỷ lực chia ra 2 phương pháp:
- Phương pháp điều chỉnh vận tốc bằng cách điều chỉnh tiết lưu: điều chỉnh lưu lượng dầu vào động cơ thuỷ lực bằng cách điều chỉnh tiết lưu trên đường dẫn dầu.
- Phương pháp điều chỉnh vận tốc bằng cách điều chỉnh thể tích: điều chỉnh lưu lượng dầu vào động cơ thuỷ lực bằng cách điều chỉnh lưu lượng mạch bơm cung cấp cho hệ thống thuỷ lực.
Lựa chọn phương pháp điều chỉnh nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố: công suất và đặc tính của tải trọng, hiệu suất, hiệu quả tự động điều chỉnh và tốc độ đáp ứng, độ tin cậy và hiệu quả kinh tế…
39
Để giảm nhiệt độ của dầu, đồng thời tăng hiệu suất của hệ thống dầu ép, phương pháp điều chỉnh vận tốc bằng thể tích thường được sử dụng. Loại điều chỉnh này được thực hiện bằng cách chỉ đưa vào hệ thống dầu ép lưu lượng dầu cần thiết để đảm bảo một vận tốc nhất định. Do đó, nếu như không tính đến tổn thất thể tích và cơ khí thì toàn bộ năng lượng do bơm dầu tạo nên đều biến thành công có ích.
2.3.1Phương pháp điều chỉnh tiết lưu
Phương pháp này có kết cấu đơn giản nên được dùng nhiều nhất trong các hệ thống thuỷ lực của máy công cụ để điều chỉnh vận tốc chuyển động của cơ cấu chấp hành.
Bơm cung cấp dầu cho cho hệ thống có lưu lượng không đổi, khi tiết diện tiết lưu thay đổi thì lưu lượng dầu qua nó vào (ra) từ cơ cấu chấp hành thay đổi theo, từ đó có điều chỉnh được vận tốc của cơ cấu chấp hành
Tuỳ thuộc vào vị trí lắp van tiết lưu trong hệ thống, có hai loại điều chỉnh dùng van tiết lưu:
Hình 2-21 Sơ đồ mạch thuỷ lực điều chỉnh bằng tiết lưu
(a) - lực điều chỉnh dùng van tiết lưu ở đầu vào; (b) - điều chỉnh dùng van tiết lưu ở đầu ra
40
- Cả 2 sơ đồ điều chỉnh bằng tiết lưu trên đều có ưu điểm là kết cấu đơn giản, nhưng có nhược điểm là không đảm bảo vận tốc ổn định khi tải trọng thay đổi. Do đó, phương pháp này thường được dùng cho những hệ thống thủy lực làm việc với tải trọng thay đổi nhỏ, hoặc trong hệ thống không yêu cầu cao về ổn định vận tốc. Để khắc phục nhược điểm này, có thể dùng các bộ ổn tốc thay thế cho các van tiết lưu.
- Một phần dầu thừa qua van tràn biến thành nhiệt làm giảm độ nhớt của dầu, tăng dầu dò và làm giảm hiệu suất.
- Thường dùng trong những hệ thống có công suất nhỏ, thường không quá 3 ÷ 3.5 kw, hiệu suất khoảng 0.65 ÷0.67.
2.3.2Phương pháp điều chỉnh thể tích
Để giảm nhiệt độ dầu, đồng thời tăng hiệu suất của hệ thống thủy lực, người ta dùng phương pháp điều chỉnh vận tốc bằng thể tích. Loại điều chỉnh này được thực hiện bằng cách chỉ đưa vào hệ thống lưu lượng dầu cần thiết để đảm bảo một vận tốc nhất định.
Lưu lượng dầu cung cấp bởi mạch bơm có thể thay đổi được bằng cách:
- Thay đổi phân cấp lưu lượng nhờ sử dụng bơm có thể tích làm việc không đổi với các lưu lượng khác nhau (bơm đôi hoặc liên hợp nhiều bơm); - Thay đổi vô cấp lưu lượng nhờ sử dụng các bơm điều khiển được hoặc
động cơ điều khiển được hoặc cả bơm và động cơ điều khiển được, có thể thay đổi vô cấp lưu lượng hoặc tần số quay mà không làm xuất hiện hao tổn hệ thống như khi dùng van tiết lưu.
Sơ đồ mô tả các phương pháp điều chỉnh thể tích: Sử dụng bơm đồi hoặc nhiều bơm:
Nhờ sử dụng hai bơm kết đôi hoặc nối nhiều bơm trong một mạch thủy lực tương ứng có thể làm thích ứng rất tốt thiết bị với yêu cầu áp suất và lưu lượng của phụ tải. Phương pháp này được sử dụng trong những ứng dụng mà áp suất và lưu lượng cần được thay đổi theo các phương thức cho trước.
Trên hình giới thiệu một sơ đồ mạch thủy lực 3 bơm. Theo áp suất phụ tải hoặc là cả 3 bơm, hoặc là bơm áp suất cao và áp suất trung bình hoặc là chỉ có một bơm áp suất cao cung cấp dầu cho xylanh. Nếu cần lưu lượng hoàn toàn với áp suất
41
thấp thì cả 3 bơm cùng làm việc. Đến khi van tràn của bơm ND (áp suất thấp) mở (áp suất lớn hơn Pmin = 50 bar), áp suất cao sẽ đóng van một chiều từ bơm ND, do đó chỉ còn lưu lượng từ bơm MD (áp suất trung bình) và bơm HD (áp suất cao) cung cấp cho phụ tải với áp suất Pm = 100 bar. Quá trình được lặp lại khi áp suất giới hạn trên van tràn của bơm MD bị vượt qua, do đó cuối cùng chỉ còn bơm HD cung cấp lưu lượng nhỏ với áp suất cực đại Pmax = 200 bar.
Hình 2-22 Thay đổi lưu lượng và áp suất nhờ kết nối nhiều bơm
Sử dụng các bơm điều khiển được:
- Sơ đồ thuỷ lực điều chỉnh bằng thể tích dùng bơm có lưu lượng thay đổi được: ví dụ sử dụng bươm cánh gạt được mô tả như trên hình 6.3, trong đó việc thay đổi lượng lượng dầu từ bơm được thực hiện bằng cách thay đổi độ lệch tâm e.
- Sơ đồ thuỷ lực điều chỉnh bằng thể tích dùng bơm cánh gạt:
42
- Sơ đồ thủy lực sử dụng bơm được điều khiển bằng động cơ điều khiển được:
-
Hình 2-24 Sơ đồ thủy lực sử dụng bơm được điều khiển bằng động cơ điều khiển được
Nhận xét:
- Ưu điểm: hiệu suất truyền động cao, tránh làm tăng nhiệt độ dầu.
- Nhược điểm:bơm điều chỉnh lưu lượng có cấu tạo phức tạp, đắt hơn bơm có lượng không đổi.
Thường dùng cho những hệ thống thuỷ lực có công suất lớn, không dùng được cho hệ thống bám thuỷ lực đòi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh.
2.3.3 Điều khiển đáp ứng vận tốc thông qua biến tần
- Sử dụng biến tần có thể thiết lập được 16 cấp tốc độ; khống chế dòng khởi động động cơ giúp quá trình khởi động êm ái, nâng cao độ bền kết cấu cơ khí; giảm thiểu chi phí lắp đặt, bảo trì; tiết kiệm không gian lắp đặt; các chế độ tiết kiệm năng lượng.
- Kiểm soát được tốc độ băng tải và động cơ thông qua các chế độ bảo vệ quá tải, quá nhiệt, quá dòng, quá áp, thấp áp, lỗi mất pha, lệch pha,… của biến tần.
- Hệ điều hành thời gian thực nhúng trong các bộ biến tần ngày nay chạy trên các bộ vi xử lý với bộ nhớ flash hỗ trợ tải và lưu chương trình người sử dụng.
43
- Biến tần AC được lập trình thông minh có thể tự động điều chỉnh tốc độ khi điện áp sụt và khôi phục khi điện áp trở lại bình thường. Với khả năng khởi động đồng bộ, biến tần tự động xác định tốc độ quay của động cơ trong thời gian sụt điện áp và điện áp trở lại bình thường.
- Khi sử dụng phương pháp “PLC trong biến tần” có thể dễ dàng thiết lập các cấp tốc độ khác nhau thông qua các tần số được đưa vào biến tần giúp thuận tiện hơn cho quá trình hoạt động và điều khiển tốc độ của động cơ và băng tải.
44
Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí cho hệ thống phân loại 3.1.1Mô hình hóa hệ thống cơ – băng tải 3.1.1Mô hình hóa hệ thống cơ – băng tải
Mô hình hóa hệ động cơ băng tải, với dẫn động là động cơ Servo AC có hộp giảm tốc để giảm tốc độ và tăng mô men, khớp nối nối trục ra của hộp giảm tốc qua bộ truyền đai tới quả lô băng tải, dẫn động cho băng tải chạy.
Hình 3-1 Sơ đồ hệ thống
Để đơn giản quan hệ giữa: động cơ AC và băng tải ta mô hình dẫn động từ động cơ và quả lô băng tải thông qua bánh răng trụ răng thẳng như hình vẽ.
Do việc chế tạo và thiết kế hộp giảm tốc đối với giá trị tính toán gặp khó khăn trong thực tế, do vậy nhóm đã chủ động chọn động cơ servo AC với hộp giảm tốc có sẵn. Vì vậy, giá trị đầu ra của động cơ có thể nói chính là vận tốc vòng của trục ra thứ cấp của hộp giảm tốc và mômen thứ cấp ở trục ra hộp giảm tốc. Nên việc tính toán và thiết kế dưới đây chính là tính toán vận tốc góc và mômen trên trục thứ cấp của hộp giảm tốc thay vì giá trị ra của trục động cơ.
Dưới đây chỉ là mô hình băng tải với 2 quả lô để đơn giản hóa việc phân tích các lực cũng như mômen trên băng tải.
H ình 3-3 Mô hình đơn giản hệ thống cơ và tải
45
Hình vẽ thể hiện các thông số như mômen quay M (Tb1), tốc độ góc W1, đường kính quả lô R, các khối lượng vật M1, M2 tương ứng với các chai trên dây chuyền, vận tốc dài băng tải v, hệ số ma sát k, lực quán tính Fqt.
Áp dụng định luật kirchoff ta được: Vs(t) = R.I(t) + L.di(t)
dt + Em(t) (3.1)
↔ Vs(t) = R.I (t) + L.di(t)
dt + K.0̇ĐC Phần cơ
Mô hình hóa phần cơ, ở đây, động cơ servo (AC) được gắn liền và coi như là động cơ đã có hộp giảm tốc. Nghĩa là, như đã trình bày trong phần trước, động cơ và hộp giảm tốc được coi như một thể thống nhất, coi tốc độ quay và mômen thứ cấp ở hộp giảm tốc chính là tốc độ quay và mômen ra ở trục động cơ. Nhưng trong phần mô hình hóa ở đây, nhằm đi sâu vào phần mô hình hóa nên nhóm đã tách Động cơ và Hộp giảm tốc rời rạc vì trong thực tế, ta có thể thay thế được các hộp giảm tốc với hệ số khác nhau nhưng không thể chủ động gia công một cặp bánh răng.
Hình 3-5 Mô hình hóa phần cơ
Áp dụng định luật 2 Newton cho hệ trên ta được : + Đối với động cơ có hộp :
T-Bm.0̇ĐC-BML(0̇ĐC-0̇L)-KS(0ĐC-0L)=JĐC.0̈ĐC
46
↔ K. I-Bm0̇ĐC-BML(0̇ĐC-0̇L)-KS(0ĐC-0L)=JĐC.0̈ĐC (3.2) + Đối với băng tải: -BML(0̇L-0̇ĐC)-KS(0L-0ĐC)=JL.0̈L (3.3) Ta có hệ phương trình:
Vs(t) = R.I(t) + L.di(t)
dt + K.0̇ĐC
K. I-Bm0̇ĐC-BML(0̇ĐC-0̇L)-KS(0ĐC-0L)=JĐC.0̈ĐC -BML(0̇L-0̇ĐC)-KS(0L-0ĐC)=JL.0̈L
+Biến đổi Laplace hệ phương trình vi phân trên ta được:
Vs(s) = R.I(s) + L.s.I(s) + K.ωĐC(s) (3.4) K.I(s)-Bm.ωĐC(s)-BML(ωĐC(s)-ωL(s))-Ks s(ωĐC(s)-ωL(s))=JĐC.s.ωĐC(s) (3.5) -BML(ωL(s) -ωĐC(s))-Ks s(ωL(s) -ωĐC(s))= JL.s.ωL(s) (3.6) Lấy (3.5) + (3.6) ta được: K. I(s)-Bm.ωĐC(s)= JĐC.s.ωĐC(s)+ JL.s.ωL(s) ↔I(s)= {JĐC.s.ωĐC(s)+ JL.s.ωL(s)+Bm.ωĐC(s)}.1 K (3.7)
Thay (3.7) vào (3.4) ta được:
Vs(s) = K.ωĐC(s)+(R+Ls).{JĐC.s.ωĐC(s)+ JL.s.ωL(s)+Bm.ωĐC(s)}.1
K
↔Vs(s).K=K2.ωĐC(s)+(R+Ls).{JĐC.s.ωĐC(s)+JL.s.ωL(s)+Bm.ωĐC(s)} (3.8)
Hộp giảm tốc:
Bộ giảm tốc giúp giảm tốc độ góc và tăng momen xoắn cho bộ Jđc=JL
n2=>JL=Jđc.n2 (3.9)
Với n: Tỉ số truyền(n>1) Hệ băng tải
47
Hình 3-6 Mô hình hóa hệ thống băng tải
Khi động cơ quay với vận tốc W thì băng tải sẽ chuyển động với vận tốc v, với: n : Tỉ số truyền của hộp giảm tốc
r : Bán kính của con lăn (m)
u : Độ trượt giữa băng tải và con lăn ( <1 ) => Vận tốc băng tải: v = w.n.u.r
=> w = v n.u.r => ωĐC(s)=ωL(s) n.u.r Thế vào (3.8) ta được: Vs(s).K = K2.ωL(s) n.u.r +(R+Ls).{JĐC.s.ωL(s) n.u.r+ JL.s.ωL(s)+Bm.ωL(s) n.u.r} Hàm truyền: G(s) = ωL(s) V(s) = n.u.r.K ((R+L.s)(Jđc.s+JL.s.n.u.r+BM)+K2
48
3.1.2Mô phỏng hệ thống cơ khí
Hình 3-7 Mô phỏng hệ thống cơ khí trên solidworks
3.1.3Mô hình hoá và mô phỏng hệ thống điều khiển
Sơ đồ khối hệ thống
49 Đ
Hình 3-9 Lưu đồ thuật toán hệ thống
Lưu đồ thuật toán
Đ Đ Đ Start S Cb1 Chọn chế độ tốc độ XL1 tác động, Sp1 ++ Cb2 XL2 tác động, Sp2 ++ Cb3 S Bắt đầu Khởi tạo S Kết thúc XL3 tác động, Sp3 ++ S Cb4 Sp4 ++ Stop Đ Đ S Đ Đ S Đ S Đ Đ S S Đ Cb5 S Đ
50
3.1.4Mô phỏng hệ thống điều khiển
Với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng hệ thống phân loại sản phẩm theo