Hình 3.7. Máy phát tốc encorder
Để đo tốc độ động cơ thông dụng nhất hiện nay dùng cảm biến quang hay còn gọi là Encorder. Tín hiệu từ encorder tạo ra các dạng xung vuông có tần số thay đổi vào tốc độ động cơ. Do đó các xung vuông này được đưa vào bộ vi xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể tính được giá trị vận tốc của động cơ.
Nguyên lý hoạt động của Encoder thực chất là một đĩa tròn xoay quay quanh trục của một động cơ. Trên các đĩa này có các lỗ rãnh một bên của đĩa là một đèn Led chiếu vào đĩa, như vậy tại lỗ trên đĩa sẽ cho ánh đèn đi qua và tương ứng là một xung. Mặt bên kia của đĩa sẽ được đặt một mắt thu. Với các tín hiệu có hoặc không có ánh sang chiếu qua các lỗ thiết bị sẽ ghi nhận được đĩa đã quay bao nhiêu vòng và đang quay theo chiều nào.
Cấu tạo của Encoder được chế tạo gồm 5 dây chính sau: +Dây cấp nguồn + cho Encoder.
+Dây cấp nguồn GR.
+Dây pha Z – Số xung trên một vòng. +Dây pha A – 1 xung/ vòng.
+Dây pha B – 1 xung/ vòng.
Tuỳ theo trạng thái nhanh hay chậm của hai pha A và B mà ta có thể xác định được vận tốc và chiều quay của động cơ. Để tính toán vận tốc ta có thể xác định số xung của Encoder trong một khoản thời gian. Ví dụ trong một giây đếm được 1000 xung mà Encoder có độ phân giải là 400 pps thì tốc độ quay của động cơ sẽ là1000/400 =2,5 vòng/s. Nếu pha A nhanh hơn pha B thì động cơ sẽ quay theo chiều thuận và ngược lại.
Hình 3.9 Sơ đồ cấu tạo bên trong của encorder để tạo xung vuông
Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch đo 3.1.3 Cảm biến chống lệch băng.
Trong khi vận hành có thể xảy ra sự cố lệch băng làm cho thành băng ma sát vào khung băng, giá đỡ con lăn làm hư hại băng và có thể phát sinh nhiệt gây nguy hiểm, cháy nổ. Cho nên cần phải sử dụng các cảm biến chống lệch băng để bảo vệ.
Có nhiều loại cảm biến chống lệch băng khác nhau, nhưng hoạt động đơn giản và ổn định nhất là loại công tắc chống lệch băng. Có nhiều hãng sản xuất công tắc chống lệch băng, với những sản phẩm khác nhau, công tắc chống lệch băng BA100 của hãng Electro-sensor có khả năng đáp áp được yêu cầu phòng nổ và hoạt động tin cậy, phù hợp với yêu cầu của hệ thống.
Hình 3.11.Cảm biến chống lệch băng BA100.
+ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
Công tắc chống lệch băng BA100: Gồm có 1 con lăn được lắp trên một thanh gạt, thanh gạt đó có thể quay một góc +450 hoặc -45o so với phương thẳng đứng. Thanh gạt được nối với một trục bên trong có gắn các trục cam, trên trục cũng có gắn các lò xo tự trở về.
Hình 3.12: Cấu tạo của cảm biến chống lệch băng.
Khi xảy ra sự cố lệch băng làm cho thanh gạt quay, khi góc quay đạt tới mức nguy hiểm thì công tắc bên trong tác động đóng, ngắt cho các tiếp điểm, các tiếp điểm này được nối với khởi động từ và bộ khống chế.
Công tắc chống lệch băng được lắp đặt ở hai bên thành của băng để bảo vệ lệch băng trong trường hợp băng lệch về bất cứ phía nào của băng.
Hình 3.13. Vị trí lắp đặt của cảm biến chống lệch băng.
+ Các thông số của công tắc chống lệch băng: Góc tác động: từ 100 đến 900 .
Điện áp chịu được của tiếp điểm: 240VAC
3.1.4.Cảm biến chống ùn tắc than.
Than được vận tải trên những băng tải nối tiếp nhau trên một tuyến. Trong quá trình vận tải có thể do băng hoạt động không ổn định, kích thước than vận tải không đúng tiêu chuẩn gây nên hiện tượng ùn than tại các đầu băng tải gây ra sự cố nếu lượng than ùn quá lớn.
Tuyến băng vận tải trong lò mức +125 có thể sử dụng công tắc MTS 300 và bộ điều khiển SCU-200 để bảo vệ phòng chống ùn than. Có thể sử dụng nhiều loại cảm biến khác để bảo vệ chống ùn than nhưng loại cảm biến dùng công tắc MTS 300 và bộ điều khiển SCU 200 có nguyên lý hoạt động đơn giản, có khả năng phòng nổ và điều chỉnh thời gian tác động từ 1s 99s sau khi sự cố xảy ra.
Hình 3.14. Cảm biến chống ùn than.
Nguồn điện cung cấp: 115 VAC ± 10%. Tín hiệu cảm biến: +12 VDC.
+ Cấu tạo của cảm biến chống ùn than, cảm biến chống ùn than bao gồm 2 phần:
- Công tắc MTS 300: là một công tắc điện cực thuỷ ngân gồm có một bình hình trụ kín được làm bằng thép bên trong có chứa dung dịch thuỷ ngân. Thể tích thuỷ ngân chỉ chiếm một phần không gian bên trong bình, phần còn lại là không khí. Trong bình còn mắc các điện cực, chúng được nối với dây dẫn đưa ra bên ngoài. Bình thường các điện cực này cách ly về điện với nhau. Khi xảy ra hiện tượng ùn than, than tác động vào làm nghiêng bình. Nếu góc nghiêng này >15o (góc nghiêng tác động của công tắc MTS 300) thì các điện cực sẽ cùng tiếp xúc dung dịch thuỷ ngân. Thuỷ ngân là kim loại nên có khả năng dẫn điện sẽ nối các điện cực với nhau giống như đóng mạch cho công tắc.
Hình 3.15. Công tắc MTS 300.
- Bộ điều khiển SCU-200: là bộ điều khiển đi chung với các công tắc MTS 300 để bảo vệ ùn than. SCU 200 có vỏ phòng nổ bên trong là các mạch điện tử, rơle để xử lý tín hiệu nhận được, đưa tín hiệu đầu ra thích hợp.
- Bộ SCU-200 và MTS-300 kết nối với nhau, kết nối với nguồn và hiệu chỉnh nhờ panel bên trong SCU-200.
Hình 3.16. Sơ đồ đấu nối của cảm biến chống ùn.
+ TB1: Bộ phận kết nối với nguồn xoay chiều 115V và nối đất. + TB2 : Bộ phận đấu nối với tín vào ra.
+ 2, tín hiệu từ công tắc thuỷ ngân MTS-300 đến. + 3, GND.
+ 4, 5, 6, tiếp điểm công tắc 1. + 7, 8, 9, tiếp điểm công tắc 2.
+ S1: Công tắc điều khiển nhận tín hiệu từ công tắc thuỷ ngân MTS-300 + S2, S3: Điều chỉnh thời gian tác động của bộ cảm biến.
+ R11: Nguồn +24 VDC, dùng cho những nơi không sử dụng nguồn xoay chiều chỉ có nguồn một chiều. ở những nơi này đầu vào cấp nguồn AC Power sẽ bỏ không dùng đến.
+ Sơ đồ mạch bên trong của cảm biến chống ùn:
Hình 3.17. Sơ đồ mạch bên trong cảm biến chống ùn.
Nếu công tắc cho phép nhận tín hiệu thì khi xảy ra sự cố ùn than công tắc thuỷ ngân đóng lại cấp nguồn cho cuộn dây rơle K. Tiếp điểm K tác động đóng nguồn cho cuộn dây rơle thời gian RT1. Sau thời gian chỉnh định (tính bằng giây), rơle RT1 tác động đóng nguồn cho cuộn dây rơle thời gian RT2. Sau thời gian chỉnh định (đơn vị nhỏ nhất là 10 giây), rơle RT2 tác động đóng nguồn cho rơle thời gian RA. Tiếp điểm RA đóng lại. Nếu đấu nối các tiếp điểm RA với thiết bị điều khiển sẽ biết được thiết bị vận tải có ùn than hay không.
+ Lắp đặt:
Hình 3.18. Lắp đặt công tắc thuỷ ngân MTS - 300. 3.1.5. Cảm biến bảo vệ trượt băng.
Cảm biến trượt băng bảo vệ trượt băng dựa trên cơ sở so sánh giữa tốc độ tang dẫn động và tốc độ băng. Thiết bị đo tốc độ rất đa dạng về chủng loại nhưng được chế tạo theo một số nguyên lý chủ yếu. Thông thường gồm có 2 phần như bộ cảm biến bảo vệ trượt băng M100 dưới đây
+ Đĩa từ là phần được gắn với trục của tang khung đầu là một đĩa dẹt hình vòng xuyến trên đó có gắn các nam châm vĩnh cửu nhỏ.
Hình 3.19. Đĩa từ của cảm biến chống trượt băng.
+ Đầu thu là phần nhận tín hiệu từ trường của đĩa từ sau đó xử lý và đưa tín hiệu đầu ra dưới dạng số.
Hình 3.20. Đầu thu của cảm biến chống trượt băng.
Phần thu nhận tín hiệu từ này có một cuộn dây quấn trên lõi thép và 1 nam châm vĩnh cửu đặt cố định. Lõi thép được đặt cố định giữa một nam châm vĩnh cửu đó và đĩa từ. Khi đĩa từ quay làm cho từ thông giữa nam châm vĩnh cửu cố định và nam châm vĩnh cửu của đĩa thay đổi. Cuộn dây được đặt trong từ trường biến thiên sẽ cảm ứng nên một suất điện động.
Hình 3.21. Cấu tạo đầu thu của cảm biến chống lệch băng.
Suất điện động sinh ra có tần số tỷ lệ với tốc độ quay của đĩa. 60 8 60 . D D cu n m n f = = , Hz trong đó:
+ nD tốc độ quay của đĩa vg/ph. + m số nam châm vĩnh cửu trên đĩa.
Tần số fcu sẽ được đưa tới bộ phận xử lý là một mạch điện tử. Sơ đồ mạch bên trong của cảm biến chống trượt băng như hình 3.20.
Hình 3.22. Sơ đồ mạch bên trong của cảm biến chống trượt băng.
Tốc độ đặt của bộ cảm biến là tốc độ làm việc định mức của thiết bị cần đo. Tốc độ này được thiết lập nhờ một bộ thiết lập điện áp đơn VR. Dòng điện qua VR sẽ được bộ biến đổi tương tự-số ADC chuyển thành tín hiệu dạng số đưa vào vi điều khiển.
Tín hiệu đầu vào dưới dạng xung từ cuộn dây được vi điều khiển nhận xử lý, so sánh với tín hiệu đặt. Nếu vận tốc đo được lớn hơn hoặc nhỏ hơn 10% so với vận tốc đặt uC sẽ phát tín hiệu điều khiển Trasistor T cấp điện cho rơle điện một chiều 24V RD. Cuộn dây rơle RD có điện thì tiếp điểm thường mở của nó trên mạch đóng lại cấp điện cho rơle xoay chiều RA, các tiếp điểm của rơle RA tác động.
Nguồn DC cấp cho mạch điện tử được chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều sau khi hạ áp nguồn 115VAC cấp cho bộ cảm biến M100. Panel kết nối của bộ cảm biến như hình 3.21.
Hình 3.23. Sơ đồ đấu nối của bộ cảm biến chống trượt băng.
+ TB1: Bộ phận kết nối với nguồn xoay chiều 115V và nối đất. + TB2 : Bộ phận đấu nối với tín vào.
+ Công tắc S2 đặt tại vị trí A để sử dụng dải đo tốc độ từ 0-200 vg/ph.
+ Công tắc S2 đặt tại vị trí B để sử dụng dải đo tốc độ từ 0-2000 vg/ph.
+ Công tắc S2 đặt tại vị trí C để sử dụng dải đo tốc độ từ 0-20000 vg/ph.
+ SP1, SP2, SP3, SP4 là các đầu ra của cảm biến.
Khi mở nắp sau của bộ công tắc thì lộ ra Panel hiệu chỉnh bên trong. Các thông số được thiết lập và đấu nối trên Panel này.
Do một rơle K bên trong chỉ có thể bảo vệ một sự cố tốc độ xuống quá thấp hoặc tốc độ lên quá cao bằng cách thiết lập trên công tắc S1 nên để bảo vệ cùng một lúc 2 sự cố thì các tiếp điểm của rơle được mắc với 2 công tắc
- Công tắc SP1 ở vị trí O để bảo vệ quá tốc độ. - Công tắc SP2 ở vị trí U để bảo vệ tốc độ thấp.
Tốc độ đặt được hiệu chỉnh nhờ một vít nhỏ S3, để tăng tốc độ đặt thì chỉnh vít xoay sang bên phải, ngược lại để giảm tốc độ đặt thì xoay vít sang bên trái. Trên phần hiệu chỉnh có các thang đo để dựa vào đó thiết lập.
3.2. Động cơ KĐB.
Hình 3.24 Động cơ kết nối với hộp giảm tốc co gắn biến tần
*Thông số của động cơ;
Tốc độ động cơ 1450 v/p
Điện áp định mức 380V
Dòng điện định mức 3 A
Tần số 50 Hz
Công suất 1,5 Kw
* Động cơ không đồng bộ(KĐB) có kết cấu đơn giản , dễ chế tạo và vận hành an toàn , sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha nên động cơ KĐB dược sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình , nó chiếm tỷ lệ lớn so với động cơ khác
Khác với động cơ điện một chiều, đông cơ KĐB có cấu tạo phần cảm và phần ứng không khác biệt , từ thông động cơ cũng như mômen động cơ phụ thuộc vào nhiều tham số . Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động động cơ KĐB là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính chất phi tuyến mạnh
Phương trình đặc tính M = * * * 3 1 2 s R U ω (3.1)
Trong đó ω : là tốc độ của từ trường quay ω = p f n* 1 2 (3.2) Trong đó f1 tần số điện áp stator
P là số cặp cực từ
R1 Điện trở cuộn dây stator
R2 Điện trở của rotor quy đổi về stator Hệ số trượt của động cơ la
S = 1 1 ω ω ω − (3.3)
Phương trình trên cho ta thấy M=f(s) phụ thuộc vào các đại lượng U1, ω1, R2 .Tương ứng với các đại lượng trên ta có 4 phương pháp điều chỉnh điện áp như sau
- Phương pháp điều chỉnh mạch rotor
- Điều chỉnh điệp áp stator cấp cho động cơ - Điều chỉnh công suất trượt
- Điều chỉnh công suất nguồn cấp cho động cơ
Ngày nay do sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi sử lý đã mở ra có hiệu quả phương pháp điều khiển động cơ KĐB lồng sóc bằng điều khiển biến tần , phương phấp này cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ trong phạm vi rộng với độ chính xác cao
Tốc độ của động cơ được tính theo công thức n1= p f1 * 60 (3.4)
Từ công thức trên ta thấy khi điều chỉnh tốc độ động cơ ta chỉ việc thay đổi tần số
Khi thay đổi tần số lưới điện bỏ qua điện trơ dây quấn stator , tức coi R1 = 0 thì mômen đạt cực đại n n th X U X n U M * 2 3 * 55 . 9 2 3 1 2 1 1 2 1 ω = = (3.5)
n th L f P U M * * ) 2 ( 2 * 3 2 1 2 2 2 1 π = (3.7) Đặt = = n L P a * ) 2 ( 2 3 2 2 π conts 2 1 2 1 3 f U a Mth = (3.8)
Biểu thức trên cho thấy khi tăng tần số nguồn (f1≥f1dm) mà giữ nguyên U1 thì momen tới hạn cực đại 2
1
1 ~
f
Mth sẽ giẩm đi rất nhiều . Do đó , khi thay đổi tần
số f1 thì nên thay đổi cả điện áp U1 theo một quy luật nhất định để đảm bảo sự làm việc tương ứng giữa mômen động cơ và mômen phu tải . Tỷ số giưa mômen động cơ với mômen phụ tảI tĩnh đối với các đặc tính cơ là hằng số
M Mth
=
λ =const (3.9)
Trường hợp giảm tần số (f1<f1dm) nếu giữ nguyên điện áp U1 thì mômen dòng điện động cơ sẽ tăng rất lớn . Nên khi giảm tần số thì giảm điện áp theo một quy luật nhất định sao cho mômen động cơ sinh ra dược như định mức . Đặc tính cơ khi f1 < fdm với điều kiện từ thông ệ = conts thi Mth được giữ không đổi ở vùng f1<f1d 0 ω14 ω13 ω1đ m ω12 ω11 ω f11 f12 f1 > f1 mđ f1đm F13 F14 f1 < f1 mđ M
Hình 3.25 Đặc tính cơ thay đổi khi thay đổi tần số động cơ
3.3. Lựa chọn biến tần
Biến tần được kết nối với động cơ và PLC có nhiệm vụ làm thay đôi tốc độ của động cơ bằng cách làm thay đổi tần số dòng điện để làm thay đổi giá trị lượng liệu cấp xuống băng tải chính. Biến tần hoạt động qua sự điều khiển của PLC.
Biến tần được sử dụng trọng hệ thống cân định lượng này là loại biến tần MM 420 của hãng SIEMENS có các thông số kỹ thuật như sau.