oMột hệ thống dây chuyền sản phẩm trong một nhà máy thường có nhiều dây chuyền chạy nối tiếp nhau nhưng có dây chuyền chạy nhanh có dây chuyền chạy chậm để đảm bảo tính kinh tế, tiết kiệm và năng suất thì ta phải dùng biến tần điều khiển tốc độ các động cơ.
Động cơ
Mục đính : Chạy băng tải master.
Yêu cầu : Ổn định, làm việc ở chế độ dài hạn.
Giải pháp : Nhóm chọn động cơ hãng SIEMENS loại LA132ZMP4E. o Tốc độ : 1455 rpm o Điện áp - tần số - dòng điện : 400V- 50Hz – 14.5A o Công suất : 10Hp o Số cực : 4
1.2 Hộp số động cơ master :
Mục đích : Giảm tốc, tăng moment ra cuối trục hộp số.
Yêu cầu : Hộp số có tỉ số truyền 1:20 phù hợp với động cơ master.
Nhóm đã chọn hộp số SIEMENS mã Z.88-LA132ZMP4E theo khuyến cáo của động cơ, với tỉ số truyền 1:20.81, tốc độ qua hộp số 70rpm và moment cuối trục động cơ đạt 1024 N.m.
Mục đích : Chạy băng tải slave.
Yêu cầu : Ổn định, làm việc ở chế độ dài hạn.
Giải pháp : Nhóm chọn động cơ hãng SIEMENS mã LA112ZMP4E. o Tốc độ : 1440 rpm o Điện áp - tần số - dòng điện : 400V- 50Hz – 8.2A o Công suất : 5Hp o Số cực : 4
1.4 Hộp số động cơ slave :
Mục đích : Giảm tốc, tăng moment ra cuối trục hộp số.
Yêu cầu : Tỉ số truyền 1:20, phù hợp với động cơ slave
Theo khuyến cáo của động cơ, nhóm đã chọn hộp số SIEMENS mã Z.88-LA132SP4E với tỉ số truyền 1:20.81, tốc độ qua hộp giảm tốc là 69 rpm và moment cuối trục giảm tốc đạt 552 N.m.
Chọn biến tần
Mục đích : Điều khiển động cơ băng tải master.
+ Tích hợp bộ điều khiển PID.
+ Thích hợp tải làm việc dài hạn
+ Có khả năng đọc xung encoder.
+ Sử dụng cho động cơ có công suất 7.5 kW.
Nhóm đã chọn biến tần Fuji loại Multi với mã FRN11E1E-4A, được thiết kế tối ưu cho hoạt động của băng tải ngang và dọc Biến tần này còn tích hợp sẵn card, giúp nâng cao hiệu suất và tính linh hoạt trong ứng dụng.
PG giao tiếp giữa encoder với biến tần và bộ lọc nhiễu EMC.
Mức chịu đựng quá tải : 150% ( 1 min ) - 200% ( 0.5s )
Dòng vào định mức : 21.1 A ( có DC Reactor)
Catalogue biến tần fuji trang 8/39
Mục đích : Điều khiển động cơ băng tải slave.
+ Tích hợp bộ điều khiển PID.
+ Thích hợp tải làm việc dài hạn
+ Có khả năng đọc xung encoder.
+ Sử dụng cho động cơ có công suất 5.5 kW.
Nhóm đã chọn biến tần Fuji loại Multi mã FRN7.5E1E-4A theo yêu cầu của đề bài Biến tần này được thiết kế tối ưu cho hoạt động của băng tải ngang và dọc, đồng thời tích hợp sẵn card.
PG giao tiếp giữa encoder với biến tần và bộ lọc nhiễu EMC.
Mức chịu đựng quá tải : 150% trong 1 phút – 200% trong 0.5s.
Dòng vào định mức : 14.4 A ( có DC Reactor )
Catalogue biến tần fuji trang 8/39
2.3 Phụ kiện theo biến tần.
Mục đích : Được sử dụng để nâng cao khả năng phanh trong trường hợp thường xuyên bắt đầu và dừng hoặc khi tải lớn từ thời điểm quán tính.
Yêu cầu : Phù hợp với biến tần.
Nhóm chọn điên trở hãm theo khuyến cáo biến tần có mã
DB7.5-4 cho biến tần slave và DB11-4 cho biến tần master.
Catalogue biến tần fuji trang 31/39
Mục đích : Giúp DC bus hoạt động ổn định và giảm nhiễu quay về do biến tần gây ra.
Yêu cầu : Phù hợp với biến tần.
Nhóm chọn DC reactor theo khuyến cáo của biến tần có mã DCR4-7.5 cho biến tấn slave và DCR4-
Catalogue biến tần fuji trang 32/39.
Encoder và card PG
Mục đích : Giao tiếp giữa encoder và biến tần
Yêu cầu : Tương thích với biến tần.
Biến tần hãng Fuji đã tích hợp sẵn card PG có mã OPC-E1-
Sơ đồ đấu dây với biến tần
Hình 3.1.1 Vị trí card encoder trên biến tần
Hình 3.1.2 Sơ đồ đấu nối encoder với card PG
- Hình bên trái là sơ đồ đấu dây với nguồn bên trong của biến tần (inverter internal power supply).
- Hình bên phải là sơ đồ đấu dây với nguồn bên ngoài biến tần (external power supply).
- Nhóm sẽ sử dụng nguồn của biến tần cho card PG.
Mục đích : Dùng để đo tốc độ động cơ master (slave), lấy tín hiệu tốc độ phản hồi lại biến tần master (slave) theo vòng kín.
Yêu cầu thiết kế card là hình ảnh phải có độ phân giải lớn để đảm bảo có thể đọc được thông tin ngay cả ở tốc độ thấp một cách chính xác Đồng thời, kích thước của hình ảnh cũng cần phải nhỏ gọn để phù hợp với biến tần.
Nhóm chọn encoder của Omron có mã E6B2-CWZ6C.
Điện áp đầu vào : 5VDC
Kết nối đầu ra : NPN open collector output phù hợp với card PG.
3.3 Hiển thị tốc độ động cơ lên LCD thông qua Arduino bằng Encoder
Mục đích : Đo tốc độ động cơ khi thay đổi tần số và hiển thị tốc độ lên LCD sử dụng Encoder và giao tiếp i2c cho LCD
Khi động cơ và encoder quay đồng thời, encoder sẽ ghi nhận tín hiệu xung và gửi về chân 2 Digital của Arduino Arduino sẽ xử lý tín hiệu này để tính toán vận tốc và hiển thị kết quả lên màn hình LCD.
Cách đấu nối của Encoder và Arduino
Thiết bị đóng cắt
Mục đích : Bảo vệ quá tải và ngắn mạch cho mạch động lực
Theo khuyến cáo của biến tần và yêu cầu đề tài, nhóm đã lựa chọn MCCB của hãng Schneider với mã EZC100F3030 cho biến tần master và EZC100F3020 cho biến tần slave.
30A 20A Điện áp định mức 400VAC
Dòng ngắn mạch 10kA/415VAC
Mục đích : Đóng ngắt nguồn cho mạch động lực.
Yêu cầu : Idm contactor > Idm MCCB
Idm MCCB là 30A do đó nhóm chọn contactor có Idm là có mã LC1 D32 hãng Schneider.
Mục đích :Bảo vệ quá tải và ngắn mạch cho mạch điều khiển
Do mạch điều khiển các thiết bị tiêu thụ dòng không nhiều, nhóm đã tính toán và xác định được dòng cho mạch điều khiển khoảng 1.5A
Chọn MCB hãng Schneider mã A9F74202.
THÔNG SỐ Điện áp định mức 220 VAC
Loại CB C: Ứng dụng trong lĩnh vực thương mại hay công nghiệp nhẹ
Mục đích : Truyền tải điện và kết nối các thiết bị với nhau.
Chọn theo khuyến cáo của biến tần (trang 35/39)
Cable cho mạch động lực
Theo khuyến cáo của NSX biến tần, không được sử dụng cáp đa lõi, nên nhóm chọn cáp 1 lõi.
Cáp vào biến tần Master và Slave: 1 lõi, tiết diện 2.5mm 2
Cable cho mạch điều khiển
Ta có thể áp dụng công thức sau để tính tóan một cách gần đúng để tính cáp : S I
- S: là tiết diện dây dẫn, tính bằng mm 2
- I: là dòng điện chạy qua dây dẫn, tính bằng Ampere (A)
- J: là mật độ dòng điện kinh tế cho phép (A/mm 2 )
Mật độ dòng điện cho phép của cáp đồng J~ 3,1A/mm 2
Mật độ dòng điện cho phép của cáp nhôm J~ 1.4A/mm 2
Ta có Imạch điều khiển = 2 (A) chọn dây dẫn lõi bằng đồng ho nên J = 3,1A/mm 2
Ta phải chọn loại dây dẫn có tiết diện > 0.6 mm 2
Cáp vào mạch điều khiển: 1 lõi tiết diện 1.5mm 2
4.5 Nút nhấn và đèn báo:
Nút nhấn đề điều khiển hoạt động, dừng hệ thống.
Đèn báo hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống, báo lỗi khi có sự cố.
Yêu cầu: phù hợp điện áp của mạch điều khiển.
Ta chọn nút nhấn ,đèn báo như sau: ( nút nhấn trang 4/20 ,đèn báo trang 3/20 hãng IDEC )
Catalouge Nút nhấn – đèn báo trang 3-5/24
Phần II : THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ ĐIỀU KHIỂN
Thiết kế mạch động lực
Biến tần Điều khiển, bảo vệ động cơ Động cơ Kéo Băng tải Master và slave
Encoder Đo tốc độ động cơ và phản hồi về card PG.
Lọc sóng điện từ cao tần, chống nhiễu Contactor Đóng ngắt mạch động lực thông qua mạch điều khiển.
Bảo vệ ngắn mạch, quá tải mạch động lực.
DC reactor Cải thiện hệ số công suất đầu vào và giảm sóng hài,giảm dòng ngắn mạch,bảo vệ quá tải động cơ khi khởi động
Thiết kế mạch điều khiển
MCB cung cấp nguồn và bảo vệ ngắn mạch cho mạch điều khiển nút nhấn, điều khiển đèn nguồn và đèn báo nguồn cho biến tần cùng mạch điều khiển Đèn Start chỉ thị động cơ đang chạy, trong khi đèn Stop báo hiệu động cơ đã dừng Đèn lỗi biến tần cảnh báo sự cố, đèn chạy thuận cho biết động cơ đang hoạt động theo chiều thuận, và đèn chạy nghịch cho biết động cơ đang hoạt động theo chiều nghịch.
Thuyết minh mạch kèm theo hình vẽ ( autocad )
Thuyết minh mạch nguyên lý
- Đóng MCB, mạch điều khiển được cấp nguồn.
Khi nhấn nút start, contactor K1 sẽ được cấp điện và tiếp điểm K1 sẽ đóng lại Điều này dẫn đến việc hai cuộn dây KM1 và KM2 cũng có điện, khiến cho tiếp điểm KM1 và KM2 trên mạch động lực đóng lại Nhờ đó, hai biến tần được cấp nguồn và đèn báo nguồn sẽ sáng lên.
- Nhấn nút chạy thuận F, cuộn F có điện, tiếp điểm F ở chân FWD đóng lại, động cơ chạy thuận Đèn báo chạy thuận sáng.
Để đảo chiều động cơ, trước tiên nhấn nút stop cho đèn báo stop sáng Tiếp theo, nhấn nút chạy nghịch R, cuộn R sẽ được cấp điện, làm cho tiếp điểm R ở chân REV đóng lại và động cơ sẽ chạy theo chiều ngược Đèn báo chạy nghịch sẽ sáng lên.
- Khi một trong hai cuộn F hoặc R có điện, khóa liên động sẽ hở ra tránh trường hợp cùng chạy thuận nghịch.
- Nhấn nút stop để dừng động cơ, tiếp điểm K1 hở kéo theo KM1 và KM2 hở. Đèn stop sáng.
Khi một trong hai biến tần gặp lỗi, tiếp điểm 30B và 30C sẽ mở, dẫn đến cuộn KM3 và KM4 mất điện, khiến động cơ không có dòng điện hoạt động Điều này làm cho động cơ bị cách điện và đèn báo lỗi biến tần sẽ sáng lên.
- Khi ngắn mạch xảy ra MCCB tác động cách ly biến tần và động cơ ra khỏi lưới điện.
- Chế độ bảo vệ của mạch điều khiển: Khi xảy ra hiện tượng quá tải ,quá dòng, ngắn mạch điều khiển thì MCB sẽ tác động để bảo vệ.
Phần III : CÀI ĐẶT THÔNG SỐ
Biến tần master
F codes : Chức năng cơ bản
Mô tả Giá trị Ghi chú / Đơn vị
F01 Chế độ điều khiển 0 Điều chỉnh trên keypad
F02 Lệnh điều khiển 1 Chạy thuận nghịch bằng
F03 Tần số lớn nhất 50 Hz
F04 Tần số cơ sở 50 Hz
F10 Bảo vệ quá tải cho động cơ 1 Dùng cho động cơ có gắn quạt ở trục động cơ F11 Mức phát hiện quá tải 100% 0-135% dòng định mức
F15 Giới hạn tần số trên 50 Hz
F16 Giới hạn tần số dưới 0 Hz
F29 Analog output (FMA) 2 Output in voltage (0 to
F30 Hiệu chỉnh điện áp 100% 100% tín hiệu ra là
10V F31 Chức năng output Voltage Giá trị điện áp F42 Chế độ điều khiển vòng kín 3 Điều khiển
P codes : Thông số động cơ
Mô tả Giá trị Ghi chú / Đơn vị
P99 Loại công suất động cơ 4 Động cơ khác(kW)
P02 Công suất động cơ 7.5 kW
P03 Dòng định mức động cơ 14.5 A
H codes : Thông số hiệu năng cao
Mô tả Giá trị Ghi chú/ Đơn vị
H06 Chế độ làm mát bằng quạt 1 On/off điều khiển H09 Chế độ chạy ( Khởi động lại sau khi mất điện )
H11 Chế độ dừng 1 Coast-to- stop
J codes : Chức năng ứng dụng
Mô tả Giá trị Ghi chú/ Đơn vị
J01 Chế độ điều khiển PID 1 Cho phép
J02 Giá trị đặt 0 Tín hiệu đặt trên keypad
E codes : Các chức năng chân mở rộng
E27 Báo lối biến tần 99 Dùng cho tất cả lỗi
E98 Terminal [FWD] Function 98 Chạy thuận
E99 Terminal [REV] Function 99 Chạy nghịch
O codes : Chức năng vận hành
O01 Nguồn xung đầu vào 0 Chọn xung pha B
O09 Độ rộng xung 1024 1024 xung/ vòng O06 Thời gian đọc xung tốc độ thấp 0.005s Mặc định
O11 Hệ số xung 1 1 Tỉ lệ 1:1
O13 Giới hạn đầu ra 100% Tương ứng với50Hz hay10V
Biến tần slave
F codes : Chức năng cơ bản
Mô tả Giá trị Ghi chú / Đơn vị
F01 Chế độ điều khiển 5 Điều khiển bằng tín hiệu áp 0-10V
F02 Lệnh điều khiển 1 Chạy thuận nghịch bằng
F03 Tần số lớn nhất 25 Hz
F04 Tần số cơ sở 50 Hz
F10 Bảo vệ quá tải cho động cơ 1 Dùng cho động cơ có gắn quạt ở trục động cơ
F11 Mức phát hiện quá tải 100% 0-135% dòng định mức
F15 Giới hạn tần số trên 25 Hz
F16 Giới hạn tần số dưới 0 Hz
F42 Chế độ điều khiển vòng kín 3 Điều khiển
P codes : Thông số động cơ
Mô tả Giá trị Ghi chú / Đơn vị
P02 Công suất động cơ 4 kW
P03 Dòng định mức động cơ 8.2 A
P99 Loại công suất động cơ 4 Động cơ khác (kW)
H codes : Thông số hiệu năng cao
Mô tả Giá trị Ghi chú/ Đơn vị H06 Chế độ làm mát bằng quạt 1 On/off điều khiển H10 Chế độ chạy ( khởi động lại sau khi mất điện )
H11 Chế độ dừng 1 Coast-to- stop
J codes : Chức năng ứng dụng
Mô tả Giá trị Ghi chú/ Đơn vị
J01 Chế độ điều khiển PID 1 Cho phép
J02 Giá trị đặt 0 Tín hiệu đặt trên keypad
E codes : Các chức năng chân mở rộng
E27 Báo lỗi biến tần 99 Dùng cho tất cả lỗi E98 Terminal [FWD] Function 98 Chạy thuận E99 Terminal [REV] Function 99 Chạy nghịch
O codes : Chức năng vận hành
O01 Nguồn xung đầu vào 0 Chọn xung pha B
O09 Độ rộng xung 1024 1024 xung/ vòng O06 Thời gian đọc xung tốc độ thấp 0.005s Mặc định
O11 Hệ số xung 1 1 Tỉ lệ 1:1
O13 Giới hạn đầu ra 100% Tương ứng với 25Hz hay 10V
Báo cáo nhóm đồ án master – slave năm 2014.
Tra cứu tài liệu trên google
Các diễn đàn tự động hóa công nghiệp,
Các anh chị khóa trên,…
Ôn lại được những kiến thức nền tảng của bộ môn máy điện 1&2, cơ sở truyền động điện và khí cụ điện.
Học được cách vận hành của biến tần, cách lựa chọn các thiết bị công nghiệp, đấu nối.
Phát huy được kỹ năng vẽ cad, cách làm việc dưới áp lực, cách làm việc nhóm,… và nhất là mối liên hệ tới công việc sau này.
Kiến thức chỉ dừng lại ở lí thuyết, do đó không đủ kiến thức cũng như kinh nghiệm để bài báo cáo hoàn thiện một cách hoàn hảo.
Cũng vì thế, các thiết bị chỉ dừng lại ở mức tham khảo, chưa tối ưu về mặt kinh tế cũng như vận hành.
Phụ lục ( Code arduino kết nối với encoder và LCD)
#define encoderPinA 2 // Tương ứng chân DT trên Encoder quay
#define encoderPinB 3 // Tương ứng chân CLK trên Encoder quay
To set up the encoder, connect the 5V pin and the GND pin to the negative terminal Initialize the encoder position with `volatile unsigned int encoderPos = 0;`, starting at zero, while the last reported position is set to `unsigned int lastReportedPos = 1;` Additionally, use `static boolean rotatingse;` to manage debounce, which helps prevent noise interference during operation.
// các biến cho trình phục vụ ngắt interrupt service routine vars boolean A_set = false; boolean B_set = false;
In this code snippet, the speed is measured using two unsigned integers, `newposition` and `oldposition`, initialized to track the position over time The `newtime` and `oldtime` variables, both of type unsigned long, are used to capture the timing of the position changes The variable `vantoc` is defined as a float to store the calculated speed In the `setup` function, the LCD is initialized and its backlight is activated Additionally, the encoder pins, `encoderPinA` and `encoderPinB`, are configured as input with pull-up resistors, ensuring they automatically detect HIGH or LOW states.
// Chân encoder trên ngắt 0 (chân 2) attachInterrupt(0, doEncoderA, CHANGE);
// Chân encoder trên ngắt 1 (chân 3) attachInterrupt(1, doEncoderB, CHANGE);
Serial.begin(9600); // chuyển dữ liệu lên cổng Serial Port
The main loop of the program is executed by the interrupt handler, where the debounce mechanism is initiated It records the current time using the millis() function and updates the encoder position If there is no time difference, it detaches the interrupts, and the velocity is calculated by determining the change in position over a period of 1000 milliseconds, multiplied by 60 to convert it to a per-minute rate.
Serial.println(vantoc,DEC); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("vantoc="); lcd.print(vantoc); oldposition=newposition; oldtime=newtime; attachInterrupt(0, doEncoderA, CHANGE); attachInterrupt(1, doEncoderB, CHANGE);
// Ngắt khi chuyển trạng thái của A void doEncoderA(){
// debounce if ( rotating ) delay (1); // Chờ 1 chút
// Kiểm tra việc chuyển đổi trạng thái, xem có thật sự thay đổi trạng thái chưa if( digitalRead(encoderPinA) != A_set ) { // debounce một lần nữa
// Cộng 1 nếu có tín hiệu A rồi có tín hiệu B if ( A_set && !B_set ) encoderPos += 1; rotating = false; // Không cần debounce nữa cho đến khi được nhấn lần nữa }
// Ngắt khi thay đổi trạng thái ở B, tương tự như ở A void doEncoderB(){ if ( rotating ) delay (1); if( digitalRead(encoderPinB) != B_set ) {
