Báo cáo đồ án băng tải sản xuất (master slave ) môn điều khiển động cơ

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG

BÁO CÁO ĐỒ ÁN
MÔN HỌC: KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
ĐỀ TÀI: MASTER-SLAVE

`


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, nhóm xin cảm ơn thầy Phùng Đức Bảo Châu là giáo
viên bộ môn Kỹ thuật điều khiển động cơ điện. Trong q trình giảng dạy
cơ đã truyền đạt cũng như giải thích chặt chẽ kiến thức từ lý thuyết cho tới
thực hành. Giúp chúng em hoàn thiện hơn rất nhiều trong học kỳ này. Hơn
nữa, Thầy đã giúp chúng em từ những con người thụ động trở lên năng
động hơn. Cải thiện các kỹ năng cần thiết cho cơng việc sau này.
Kết lời, nhóm xin chúc thầy có thật nhiều sức khỏe, ln nhiệt
huyết với công việc hiện tại và luôn thành công trong cuộc sống. Xin cảm
ơn thầy!


PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ TRONG ĐỒ ÁN


Chapter 1 MỤC LỤC

Chapter 2
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................................2

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ TRONG ĐỒ ÁN........................................................................................3
Chapter 1 MỤC LỤC...............................................................................................................................4
Chapter 2.....................................................................................................................................................4


PHẦN MỞ ĐẦU................................................................................................................................6


Đề tài :............................................................................................................................................6



Tìm hiểu đề tài:.............................................................................................................................6



Mơ tả đối tượng :...........................................................................................................................6



Giải pháp :.....................................................................................................................................7



Đặc tính cơ :...................................................................................................................................8



Góc phần tư động cơ.....................................................................................................................9



Phần I : CHỌN THIẾT BỊ.............................................................................................................10
1.

2.

3.

4.

Động cơ :......................................................................................................................................10
1.1.

Động cơ master :.................................................................................................................10

1.2.

Hộp số động cơ master :.....................................................................................................10

1.3.

Động cơ slave :....................................................................................................................11

1.4.

Hộp số động cơ slave :........................................................................................................12

Chọn biến tần..............................................................................................................................12
2.1.

Biến tần master :.................................................................................................................12

2.2.

Biến tần slave.......................................................................................................................13

2.3.

Phụ kiện theo biến tần........................................................................................................14

Encoder và card PG....................................................................................................................15
3.1.

Card PG...............................................................................................................................15

3.2.

Encoder................................................................................................................................17

3.3

Hiển thị tốc độ động cơ lên LCD thơng qua Arduino bằng Encoder...........................18

Thiết bị đóng cắt.........................................................................................................................18
4.1.

MCCB..................................................................................................................................18

4.2.

Contactor.............................................................................................................................19

4.3.

MCB.....................................................................................................................................20

4.4.

Cable.....................................................................................................................................21

4.5.

Nút nhấn và đèn báo:.........................................................................................................23

Chapter 3 Phần II : THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ ĐIỀU KHIỂN........................................25
1.

Thiết kế mạch động lực:.............................................................................................................25

2.

Thiết kế mạch điều khiển...........................................................................................................26

3.

Thuyết minh mạch kèm theo hình vẽ ( autocad )....................................................................27




Phần III : CÀI ĐẶT THÔNG SỐ.................................................................................................29
1.

Biến tần master...........................................................................................................................29

2.

Biến tần slave...............................................................................................................................32



PHẦN KẾT......................................................................................................................................35


Nguồn tham khảo :.....................................................................................................................35



Bài học rút ra...............................................................................................................................35



Những hạn chế.............................................................................................................................36

 PHẦN MỞ ĐẦU
 Đề tài :
o Hai dây chuyền chạy nối tiếp cần ổn định tốc độ, trong đó dây chuyền 1 có tốc
độ gấp 2 lần dây chuyền 2. Động cơ 1 có cơng suất 10 HP, hộp giảm tốc 1/20,
Động cơ 2 có cơng suất 5 HP, hộp giảm tốc 1/20.

o Điều khiển chạy tới, chạy lui, thay đổi tốc độ, bảo đảm tỷ lệ tốc độ 2/1 của hai
dây chuyền.
o Nếu động cơ 1 khởi đơng/dừng thì động cơ 2 cũng khơi động/ dừng theo.


o Nếu 1 trong hai băng chuyền bị kẹt, hoặc biến tần có lỗi thì cả hai băng chuyền
đều dừng.
o Biến tần Master và Slave dùng encoder điều khiển vòng kín tốc độ động cơ
o Thiết bị đóng cắt Schneider Electric
 Tìm hiểu đề tài:
o Một 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.
 Mô tả đối tượng :

Hình minh họa hai băng chuyền master - slave


Sơ đồ giải pháp đề tài master - slave

 Giải pháp :
 Để điều khiển động cơ theo vịng kín, nhóm chọn giải pháp gắn 2
encoder vào 2 trục động cơ master-slave. Tín hiệu phản hồi của
encoder thơng qua card encoder hồi tiếp về biến tần hoặc arduino và
hiển thị lên màn hình LCD, giúp kiểm sốt tốc độ điều khiển mong
muốn.
 Đồng bộ tốc độ theo tỉ lệ 2:1, nhóm lấy tốc độ của động cơ master làm
tham chiếu để điều khiển tốc độ động cơ slave thông qua biến tần
bằng cách lấy tín hiệu analog output của biến tần master kết nối với

ngõ analog input của biến tần slave.
 Đặc tính cơ của tải:


Đặc tính cơ của tải băng chuyền

 Tải băng chuyền là tải có mơ men khơng đổi
 Đường đặc tính cơ xác định theo công thức:
Mc = Mco + (Mđm – Mco)
(Với =0 thì Mc = Mđm và khơng đổi)
Giản đồ q trình:

Góc phần tư động cơ


Hình minh họa góc phần tư hoạt động của động cơ

 Phần I : CHỌN THIẾT BỊ
1. Động cơ :
1.1. Động cơ master :
 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

Catalogue động cơ trang 926/1013.


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.
 Giải pháp : Theo khuyến cáo của động cơ, nhóm chọn hộp
số của SIEMENS mã Z.88-LA132ZMP4E.
o Tỉ số truyền 1:20.81.
o Tốc độ qua hộp số 70rpm.
o Moment cuối trục động cơ 1024 N.m.

Catalogue động cơ trang 120/1013.

1.3.

Động cơ slave :
 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


Catalogue động cơ trang 926/1013.

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.
 Giải pháp : Theo khuyến cáo của động cơ, nhóm chọn hộp
số hãng SIEMENS mã Z.88-LA132SP4E.
o Tỉ số truyền 1:20.81.
o Tốc độ qua hộp giảm tốc 69 rpm.
o Moment cuối trục giảm tốc 552 N.m.

Catalogue động cơ trang 111/1013.

2. Chọn biến tần
2.1. Biến tần master :
 Mục đích : Điều khiển động cơ băng tải master.
 Yêu cầu :
+ Điều khiển v/f.
+ 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 cơng suất 7.5 kW.
 Theo u cầu của đề bài nhóm chọn biến tần của hãng Fuji
loại Multi có mã FRN11E1E-4A. Biến tần này tối ưu hoạt
động cụ thể cho băng tải ngang và dọc. Có tích hợp sẵn card
PG giao tiếp giữa encoder với biến tần và bộ lọc nhiễu EMC.
 Công suất : 11kW
 Điện áp : 380 – 480 V
 Tần số :50 – 60 Hz
 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

2.2.

Biến tần slave.
 Mục đích : Điều khiển động cơ băng tải slave.
 Yêu cầu :
+ Điều khiển v/f.
+ 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 cơng suất 5.5 kW.
 Theo yêu cầu của đề bài nhóm chọn biến tần của hãng Fuji
loại Multi có mã FRN7.5E1E-4A. Biến tần này tối ưu hoạt

động cụ thể cho băng tải ngang và dọc. Có tích hợp sẵn card
PG giao tiếp giữa encoder với biến tần và bộ lọc nhiễu EMC.
 Các thông số:
 Công suất 7.5KW
 Điện áp: 380v – 480v
 Tần Số: 50-60Hz
 Mức chịu đựng quá tải : 150% trong 1 phút – 200%
trong 0.5s.


 Dịng vào định mức : 14.4 A ( có DC Reactor )


Catalogue biến tần fuji trang 8/39.

2.3.

Phụ kiện theo biến tần.
2.3.1. Điện trở hãm
 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.


2.3.2. DC reactor.

 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 DCR411.

Catalogue biến tần fuji trang 32/39.

3. Encoder và card PG
3.1. 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-E1PG.

 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 ngồi biến tần (external

-

power supply).
Nhóm sẽ sử dụng nguồn của biến tần cho card PG.
3.2.

Encoder
 Mục đích : Dùng để đo tốc độ động cơ master (slave), lấy tín
hiệu tốc độ phản hồi lại biến tần master (slave) theo vịng kín.
 u cầu : Phù hợp với card. Độ phân giải phải đủ lớn để đọc
được tốc độ thấp một cách chính xác nhưng cũng phải đủ nhỏ
để phù hợp với biến tần.
 Nhóm chọn encoder của Omron có mã E6B2-CWZ6C.









Điện áp đầu vào : 5VDC
Dòng tối đa
: 80mA
Pha đầu ra
:ABZ
Tốc độ tối đa : 6000 v/p
Số xung
: 1024 xung/vòng.

Kết nối đầu ra : NPN open collector output phù hợp
với card PG.

Catalogue encoder trang 2,3/5.


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

Nguyên Lý: Khi động cơ quay đồng thời trục của động cơ và
encoder đều quay, khi đó Encoder sẽ đo được tín hiệu xung và chuyển tín hiệu
về chân 2 Digital của Arduino, Arduino xử lý tín hiệu về vận tốc và chuyển về
vận tốc đồng thời hiển thị lên LCD.

Cách đấu nối của Encoder và Arduino

 Ảnh Thực tế


 Code Arduino : Phụ lục


4. Thiết bị đóng cắt
4.1. MCCB
 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
chọn MCCB của hãng Schneider có mã EZC100F3030 cho
biến tần master và EZC100F3020 cho biến tần slave.

Thơng số

EZC100F3030

QZC100F3020

Dịng điện định

30A

20A

mức
Điện áp định mức

400VAC

Dịng ngắn mạch

10kA/415VAC
Catalogue MCCB trang 79/96.

4.2.

Contactor
 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.


Catalogue contactor trang 14/45

Thơng số
Master
Slave
Số cực
3
3
Điện áp
380-400 V
380-400 V
Dịng định mức
25A
18A
4.3. MCB
 Mục đích :Bảo vệ quá tải và ngắn mạch cho mạch điều
khiển
 Do mạch điều khiển các thiết bị tiêu thụ dịng khơng nhiều,
nhóm đã tính tốn và xác định được dòng cho mạch điều
khiển khoảng 1.5A
 Chọn MCB hãng Schneider mã A9F74202.
THƠNG SỐ
Điện áp định mức
Dịng điện định mức
Dòng điện cắt

Hãng
Loại CB
Catalogue MCB (MCB) trang 6/92 .

220 VAC
2A
50 kA
Schneider
C: Ứng dụng trong lĩnh vực thương mại
hay công nghiệp nhẹ


4.4.

Cable
 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.
 Hãng sản xuất: LIOA
 Cáp vào biến tần Master và Slave: 1 lõi, tiết diện 2.5mm2
 Cable cho mạch điều khiển

Ta có thể áp dụng cơng thức sau để tính tóan một cách gần đúng để tính cáp :
I
S= J

Trong đó:
- S: là tiết diện dây dẫn, tính bằng mm2
- I: là dịng điện chạy qua dây dẫn, tính bằng Ampere (A)


- J: là mật độ dòng điện kinh tế cho phép (A/mm2)
Mật độ dòng điện cho phép của cáp đồng J~ 3,1A/mm2
Mật độ dịng điện cho phép của cáp nhơm J~ 1.4A/mm2
Ta có Imạch điều khiển = 2 (A) chọn dây dẫn lõi bằng đồng ho nên J = 3,1A/mm2
S = = = 0.6 (mm2 )
 Ta phải chọn loại dây dẫn có tiết diện > 0.6 mm2
Cáp vào mạch điều khiển: 1 lõi tiết diện 1.5mm2
Hãng sản xuất: LIOA

Catalouge Cable trang 8/28 .

4.5.

Nút nhấn và đèn báo:
 Mục đích :
 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

Chapter 3 Phần II : THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ ĐIỀU KHIỂN
1. Thiết kế mạch động lực:
THIẾT BỊ
Biến tần
Động cơ

CHỨC NĂNG
Điều khiển, bảo vệ động cơ
Kéo Băng tải Master và slave


Đo tốc độ động cơ và phản hồi về
Encoder

card PG.
Lọc sóng điện từ cao tần, chống

EMC Filter

nhiễu
Đóng ngắt mạch động lực thông qua

Contactor

mạch điều khiển.
Bảo vệ ngắn mạch, quá tải mạch

MCCB
DC reactor

động lực.
Cải thiện hệ số công suất đầu vào và
giảm sóng hài,giảm dịng ngắn
mạch,bảo vệ q tải động cơ khi
khởi động

2.