Nghiền cứu thiết kế hệ thống điều khiển cân bằng định lượng cấp liệu cho máy nghiền

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển
cânbăng định lượng cấp liệu cho máy nghiền do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của
thầy giáo TS.Nguyễn Mạnh Tiến. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài
liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có
sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 6 tháng 6 năm 2013
Sinh viên thực hiện


PHÍ MẠNH THẮNG












Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cân băng định lượng cấp liệu cho máy nghiền

MỤC LỤC
Lời nói đầu…………………………………………………………………………… 1
Chương 1. Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống cân băng định lượng………….2
1.1.Tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng……………………………………… 2
1.1.1 Khái niệm về xi măng……………………………………………………… 2
1.1.2. Phân loại…………………………………………………………………… 2
1.1.3.Các công đoạn chính của quá trình sản xuất xi măng……………………… 3
1.2.Hệ thống cân băng định lượng………………………………………………… 6
1.2.1. Khái niệm về cân băng định lượng………………………………………… 7
1.2.2. Nguyên lý cân băng định lượng 8
1.2.3 Vị trí đặt cân băng định lượng……………………………………………… 8
1.2.4. Nguyên lý tính lưu lượng của cân băng định lượng … 8
1.2.4.1. Công thức tính lưu lượng ………………………………………………… 8
1.2.4.2. Nguyên lý của quá trình trừ bì…………………………………………… 8
1.2.5.Tế bào cân đo trọng lượng Tenzomet…………………………………………9
1.2.6. Các sai số trong hệ thống cân băng và cách hiệu chỉnh………………… …10
Chương 2. Hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ…………………… 11
2.1. Hệ thống truyền động động cơ không đồng bộ………………………………… 11
2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba
pha…………………………………………………………………………………… …11
2.1.2. Đặc tính động cơ không đồng bộ……………………………………………12
2.1.3. Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ………………………………….13
2.2. Hệ thống điều khiển tần số…………………………………………………… 13
2.2.1 Nguyên lý điều khiển tần số … ………………………………………….…13


Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cân băng định lượng cấp liệu cho máy nghiền

2.2.2. Qui luật điều khiển tần số cơ bản ………………………………………… 13
2.3. Bộ biến đổi tần số……………………………………………………… ……15
2.4. Bộ biến tần dang điều chế độ rông xung PWM……………………………….16
Chương 3. Xây dựng cấu hình hệ thống điều khiển lưu lượng.
3.1. Cấu hình hệ thống điều khiển của cân băng định lượng ……………………… 21
3.2. Các thông số của cân băng định lượng………………………………………… 21
3.2.1. Các thông số của băng tải……………………………………………………22
3.2.2.Các thông số cơ cấu chấp hành………………………………………………22
3.3. Chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển cân băng…………………………………23
3.3.1. Chọn động cơ……………………………………………………………… 23
3.3.2 . Chọn máy phát tốc………………………………………………………….23
3.3.3. Chọn Loadcel……………………………………………………………… 24
3.3.4. Chọn biến tần……………………………………………………………… 25
3.4. Xây dựng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ………………………………26
3.4.1. Tính toán và vẽ dạng đặc tính cơ động cơ không đồng bộ……………… 26
3.4.2 . Tính toán bù điện áp cho động cơ không đồng bộ…………………… … 28
3.4.3. Tính bù độ trượt…………………………………………………………… 31
3.5. Cài đặt biến tần……………………………………………………………… …32
3.5.1. Các đầu dây điều khiển và sơ đồ nguyên lý của biến tần MM440………….32
3.5.1. Các đầu dây điều khiển và sơ đồ nguyên lý của biến tần MM440………….32
3.5.2 . Vận hành biến tần………………………………………………………… 34
3.6. Cài đặt thông số cho bộ biến tần của hệ thống điều khiển……………………….36
3.6.1. Chế độ cài đặt nhanh……………………………………………………… 36
3.6.2. Điều khiển v/f……………………………………………………………… 38
3.6.3. Cài đặt bù độ trượt ……………………………………………………… 39


Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cân băng định lượng cấp liệu cho máy nghiền

3.7. Thiết kế hệ thống điều khiển bộ điều chỉnh lưu lượng ……………………….39
3.7.1. Chọn biến tần……………………………………………………………… 39
3.7.2. Ghép nối hệ thống………………………………………………………… 41
Chương 4. Tổng hợp hệ thống điều khiển…………………………………………….42
4.1. Sơ đồ chức năng hệ thống……………………………………………………… 42
4.2. Xây dựng hàm truyền các khâu trong hệ thống………………………………… 42
4.2.1. Mô hình động cơ…………………………………………………………….42
4.2.2. Bộ biến tần………………………………………………………………… 43
4.2.3. Luật điều khiển U/f = const…………………………………………………44
4.2.4. Tốc độ Băng tải…………………………………………………………… 44
4.2.5. Hàm truyền của khâu chỉnh lưu lượng………………………………………44
4.3. Tổng hợp bộ điều khiển………………………………………………………… 44
4.4. Mô phỏng hệ thống bằng Simulink………………………………………………47
4.4.1. Mô hình hệ thống điều khiển lưu lượng băng tải……………………………47
Kết luận………………………………………………………………………………….51
Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………… 52








Danh mục hình vẽ
i
Danh mục hình vẽ

Hình 1.1. Cấu trúc điều khiển một trạm cân băng tải…… …………………………… 6
Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ điều khiển cân băng định lượng…………………………………7
Hình 1.3: Sơ đồ cầu tế bào cân Tenzomet…………………………………… …………9
Hình 2.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha rotor dây quấn………… ………… 11
Hình 2.2. Đặc tính động cơ……………………………………………… …………….12
Hình 2.3. Đặc tính động cơ với luật điều khiển U/f = const, khi R

1
≠ 0…………………14
Hình 2.4. đặc tính U(f) lý tưởng và thực tế ………………………… …………………15
Hình 2.5. sơ đồ khối bộ biến tần gián tiếp …………………………………………… 16
Hình 2.6. Nguyên lý điều chế độ rộng xung. ……………………………………… ….17
Hình 2.7. Sơ đồ nghịch lưu ba pha ………………………………………… …………18
Hình 2.8. Dạng điện áp ra của sơ đồ nghịch lưu áp ba pha……………………… ……20
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lưu lượng cân băng định lượng……….…… 21
Hình 3.2. Đặc tính cơ động cơ…………………………………………… ………… 27
Hình 3.3. Đường đặc tính quan hệ U(f) hiệu chỉnh…………………… …………… 39
Hình 3.4. Quan hệ U(f) sau khi hiệu chỉnh…………………………………… ……….30
Hình 3.5. Sơ đồ khối của biến tần MM440………………………………… ………….33
Hình 3.6. Màn hình LCD và các nút bấm………………………………… ………… 34
Hình 3.7. Dạng đặc tính cài đặt v/f……………………………… ……………………38
Hình 3.8. Biến tần loại CPU 224-XP của siemens…………………………… ……….40
Hình 3.9. Ghép nối hệ thống………………………………… ……………………… 41
Hình 4.1. Sơ đồ chức năng hệ thống………………………………… ……………… 42
Hình 4.2. Sơ đồ bộ điều khiển……………………………… ………………45
Hình 4.3. Mạch vòng điều chỉnh lưu lượng…………………………………………… 45
Hình 4.4. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển lưu lượng trên Simulink……………….47
Hình 4.5. Đáp ứng lưu lượng thực của hệ thống………………………………… ……48

Danh mục hình vẽ

ii
Hình 4.6. Đáp ứng tốc độ quay của roto…………………………………………………48
Hình 4.7. Đáp ứng momen của động cơ…………………………………………………49
Hình 4.8. Đáp ứng dòng điện stato của động cơ…………………………………………49




Danh mục bảng số liệu
ii
Danh mục bảng số liệu

Bảng 1.1.Thống kê một số tế bào cân Tenzomet……………………………………… …10
Bảng 3.1. Thông số băng tải…………………………………………………………… 22
Bảng 3.2. Thông số cơ cấu chấp hành………………………………………………… ….23
Bảng 3.3. Thông số động cơ…………………………………………………… ……23
Bảng 3.4. Thống số máy phát xung.……………………………………………… …… 24
Bảng 3.5. Thống số Loadcell …………………………………………………… …….25
Bảng .3.6. Thông số biến tần…………………………………………………… ……… 25
Bảng.3.7 các thông số với f khác nhau…………………………………………… …… 27
Bảng 3.8. Các đầu dây điều khiển của MM440…………………………………… …… 32
Bảng 3.9. Chức năng và ý nghĩa các nút………………………………………… ………34
Bảng 3.10. Chức năng và ý nghĩa các nút thay đổi thông số………………………… … 36
Bảng 3.10. Cài đặt thông số nhanh………………………………… …………………… 36
Bảng 3.11.Cài đặt đầu vào đầu ra số DIN và DOUT……………………………… …… 37
Bảng 3.12. Cài đặt đầu vào và đầu ra tương tự ADC và DAC……………………… … 37
Bảng 3.13. Cài đặt đặc tính v/f…………………………………… ………………………38
Bảng 3.14. Cài đặt bù độ trượt………………………………………… …………………41

Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống cân băng định lượng

1
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ngày nay góp phần to lớn vào sự phát
triển kinh tế, xã hội. Nhu cầu của con người ngày càng tăng cao do vậy việc tiêu thụ các
nguồn năng lượng phục vụ cho công nghiệp, sinh hoạt cũng tăng theo. Vì vậy việc tiết
kiệm năng lượng và tìm ra các giải pháp nhằm tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng là vô
cùng quan trọng và cấp thiết.3
Đề tài tốt nghiệp của em có tên là: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cân
băng định lượng cấp liệu cho máy nghiền” .
Nội dung đồ án gồm các phần như sau:
- Công nghệ sản xuất xi măng và cân băng định lượng
- Nghiên cứu hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
- Xây dưng cấu hình hệ thống điều khiển
- Xây dưng tổng hợp hệ thống điều khiển
- Mô phỏng hệ thống
Sau khoảng thời gian 11 tuần được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS.
Nguyễn Mạnh Tiến và các thầy cô trong bộ môn Tự động hoá, và tìm hiểu cùng các bạn
trong nhóm của em, đồ án của em đã hoàn thiện. Do thời gian làm đồ án ngắn và khả
năng còn hạn chế, chắc chắn đồ án của em còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được
nhiều ý kiến đóng góp, bổ sung từ phía các thầy cô giáo, các bạn và những người quan
tâm đến đề tài này.
Hà nội, ngày 06 tháng 6 năm 2013

Sinh viên thực hiện


Phí Mạnh Thắng

Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống cân băng định lượng
2
Chương 1
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ HỆ THỐNG
CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG

1.1. Tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng
1.1.1 Khái niệm về xi măng
Xi măng là chất kết dính thủy lực cứng trong nước và không khí, được tạo bởi việc
nghiền chung clinker với thạch cao và một số phụ gia khác. Clinker là thành phần quan
trọng nhất của xi măng, quyết định tính chất của xi măng.
Clinker là sản phẩm nung kết phối hợp nguyên liệu đá vôi, đá sét và một số nguyên
liệu khác như cát thạch anh, sỉ sắt. Hỗn hợp trên được nghiền thật mịn, đồng nhất và
được nung ở nhiệt độ cao. Sau quá trình hóa học xảy ra ở nhiệt độ cao, đến 1300
o
C xuất
hiện một phần chất nóng chảy và bắt đầu kết khối. Ở nhiệt độ 1400÷1450
O
C clinker được
hình thành, tức hoàn thành tạo các khoáng chính của clinker.
1.1.2. Phân loại
Phân loại xi măng theo tiêu chuẩn TCVN 5439-2004: Trong thực tế có nhiều cách
khác nhau để phân loại xi măng như dựa vào loại clinker và thành phần clinker, dựa vào
đồ bền của xi măng( hay còn gọi là mác xi măng), dựa vào tốc độ đóng rắn, dựa vào thời
gian đông kết của xi măng.
a. Phân loại theo loại và thành phần Clinker
- Xi măng trên cơ sở Clinker xi măng Pooclăng bao gồm xi măng Pooclăng không
có phụ gia khoáng và loại xi măng Pooclăng có phụ gia khoáng.

- Xi măng trên cơ sở Clinker xi măng alumin bao gồm loại xi măng alumin có hàm
lượng Al
2
O
3
lớn hơn 30% và nhỏ hơn 46%, loại xi măng cao alumin có hàm lượng Al
2
O
3

từ 46% đến 70%, loại xi măng đặc biệt cao alumin có hàm lượng Al
2
O
3
lớn hơn 70%.
- Xi măng trên cơ sở Clinker xi măng Canxi Sunfo Aluminat gồm loại xi măng nở
(EC), loại xi măng dự án lực (PSC).



Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống cân băng định lượng
3
- Các loại xi măng khác bao gồm loại xi măng chịu axit (ARC) và loại xi măng cản xạ
(RSC).
b. Phân loại theo mác xi măng có ba loại bao gồm
- Mác thấp: độ bền tiêu chuẩn nhỏ hớn 25 Mpa/ cm
2
.
- Mác thường: độ bền tiêu chuẩn trong khoảng 25 – 45 Mpa/ cm
2

.
- Mác cao: độ bền tiêu chuẩn lớn hơn 45 Mpa/ cm
2
.
- Mác xi măng là cường độ chịu nén của xi măng. Khi đem vữa xi măng, cát, nước
trộn theo tỷ lệ tiêu chuẩn. Đúc mẫu 40x40x160 cm, dưỡng ẩm trong vòng 28 ngày đem
thử cường độ, cường độ của mẫu đo được chính là mác xi mang. Ví dụ PCB 30 là xi
măng pooclăng hỗn hợp có mác là 30 daN/cm2 bằng với 300KG/cm2.
- Xi măng PCB là xi măng Pooclăng hỗn hợp được sản xuất từ việc nghiền hỗn hợp
clinker, thạch cao và phụ gia (lượng phụ gia kể cả thạch cao không quá 40% trong đó phụ
gia đầy không quá 20%). Chất lượng xi măng Pooclăng hỗn hợp được xác định theo tiêu
chuẩn TCVN 6260 : 1997.
c. Phân loại theo tốc độ đóng rắn bao gồm
- Loại đóng rắn bình thường: cường độ nén của mẫu chuẩn xi măng ở tuổi 3 ngày từ
40% đến 70% cường độ nén sau 28 ngày.
- Loại đóng rắn nhanh: cường độ nén sau 3 ngày đêm đạt được trên 70% cường độ
nén sau 28 ngày đêm.
- Loại đóng rắn rất nhanh: cường độ nén sau 6 giờ đạt được trên 70% cường độ nén
sau 28 ngày đêm.
- Loại đóng rắn chậm: cường độ nén của mẫu chuẩn xi măng ở tuổi 3 ngày nhỏ hơn
40% cường độ nén sau 28 ngày.
d. Phân loại theo thời gian đông kết bao gồm
- Đông kết chậm: thời gian bắt đầu đông kết quy định trên 2 giờ.
- Đông kết bình thường: thời gian bắt đầu đông kết quy định từ 45 phút đến 2
giờ.
- Đông kết nhanh: khi thời gian bắt đầu đông kết quy định dưới 45 phút.

Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống cân băng định lượng
4
1.1.3 Các công đoạn chính của quá trình sản xuất xi măng

Công nghệ sản xuất xi măng nói chung gồm các bước sau:
- Chuẩn bị nguyên vật liệu.
- Nghiền liệu.
- Nung luyện Clinker.
- Nghiền xi măng.
- Đóng bao và xuất hàng.
a. Chuẩn bị nguyên liệu
Các nguyên vật liệu chính để sản xuất ra xi măng như đá vôi, đá sét, quặng sắt,
than,… được khai thác từ mỏ hoặc được nhập từ nhiều nơi đưa về nhà máy bằng nhiều
phương tiện khác nhau. Khi đưa về nhà máy, các nguyên vật liệu này phần lớn có kích
thước hạt lớn nhỏ khác nhau, không thuận tiện cho việc nghiền, sấy, vận chuyển và lưu
trữ.
Do vậy, trước tiên các nguyên vật liệu này sẽ được đưa qua máy nghiền sơ bộ để
đập nhỏ (với đá vôi) hoặc qua máy cán (với đất sét). Vật liệu sau khi được đập nhỏ và các
hạt có độ đồng đều do vậy giảm được hiện tượng phân ly của độ hạt khác nhau trong quá
trình vận chuyển và tồn trữ, có lợi trong quá trình phối liệu tạo thành phần liệu sống được
chính xác.
b. Nghiền nguyên liệu
Các nguyên liệu được dùng để sản xuất Clinker sẽ được hệ thống điều khiển phối
hợp theo tỷ lệ định trước bằng hệ thống cân băng định lượng rồi được đưa tới máy
nghiền. Tại máy nghiền, các nguyên liệu này sẽ được nghiền nhỏ thành bột liệu mịn và
được sấy để giảm bớt độ ẩm. Sau đó, bột liệu theo dòng khí sẽ được lắng đọng ở các
cyclon và được chứa vào Silo đồng nhất liệu trước khi đưa tới hệ thống nung luyện
Clinker.
c. Nung luyện Clinker
Để tăng năng suất cũng như giảm tiêu hao năng lượng trong quá trình nung luyện
Clinker, bột liệu sống được đưa qua một hệ thống tiền sấy để nâng dần nhiệt độ trước khi
đưa vào lò nung. Hệ thống tiền sấy này bao gồm nhiều cyclon ở nhiều tầng khác nhau lợi
dụng khí thải đầu ra của lò nung để sấy và đồng nhất bột liệu sống thêm một lần nữa.

Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống cân băng định lượng
5
Trong lò, bột liệu được nung lên tới nhiệt độ khoảng 1500
o
C, các phản ứng hóa học xảy
ra và bột liệu bị chuyển thành Clinker ở pha lỏng. Sau khi nung thành Clinker phải tiến
hành làm nguội thu hồi nhiệt dư của Clinker phục vụ mục đích khác, nâng cao hiệu suất
nhiệt của hệ thống lò nung, giảm nhiệt độ Clinker thuận tiện cho việc tồn trữ, vận hành và
nghiền Clinker. Những hạt Clinker to quá sẽ được đập nhỏ tiếp sau. Cuối công đoạn này,
Clinker được đưa vào Silo chứa.
d. Nghiền xi măng
Thông qua hệ thống cân băng định lượng ,các thành phần tạo thành xi măng sẽ
được
phối hợp theo một tỷ lệ nhất định rồi sau đó được đưa tới máy nghiền để tạo ra xi măng
theo mác yêu cầu của khách hàng.
Thông thường, hệ thống nghiền xi măng gồm 2 cấp là nghiền thô và nghiền tinh.
Quá trình nghiền thô được thực hiện bằng máy nghiền đứng. Quá trình nghiền tinh dùng
máy nghiền bi. Tại công đoạn này, tất cả các nguyên vật liệu được nghiền nhỏ thành bột
mịn, được phân ly và nghiền lại nếu chưa đạt yêu cầu.
e. Đóng bao và xuất hàng
Sau khi được nghiền xong, xi măng được chứa vào silo chứa và được được tháo dần
xuống dây chuyền đóng bao và xuất hàng. Có hai kiểu xuất xi măng là xuất xi măng bao
và xuất xi măng rời.
Tại đây, qua hệ thống các máy đóng bao, xi măng được đóng thành từng bao với
khối lượng định trước theo tiêu chuẩn. Sau khi đóng bao xong, xi măng sẽ theo các băng
tải xuất hàng tới các phương tiện vận chuyển khác nhau như ô tô, tàu hỏa, tàu thủy để
mang đi tiêu thụ.

Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống cân băng định lượng
6

1.2. Hệ thống cân băng định lượng

Hình 1.1. Cấu trúc điều khiển một trạm cân băng tải
- Thiết bị sử dụng cho hệ thống:
+ Cảm biến trọng lượng, cảm biến đo tốc độ.
+ Đầu cân tích hợp tính lưu lượng băng cân
+ Độ điều khiển băng cân theo công suất đặt trước.
+ Bộ biến tần điều khiển động cơ băng tải.
+ Hệ thống cơ khí băng cân.
+ Máy tính, máy in giám sát, điều khiển, in ấn báo cáo theo ngày, theo tháng.
- Số lượng thành phần cân: Theo nhu cầu sử dụng của khách hàng, số lượng thành
phần có thể là 2,3,4 …12 thành phần.
Cấu trúc điều khiển được thực hiên trên cơ sở máy tính giám sát làm nghiệm vụ
quản lý dữ liệu tập trung. Các thông số của quá trình sản xuất được truyền từ các bộ các
bộ điều khiển tới máy tính thông qua mạng truyền thông công nghiệp theo chuẩn RS485.
Chuẩn truyền thông này đảm bảo về khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao, và tính bền vững
của dữ liệu.

Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống cân băng định lượng
7
Các bộ điều khiển làm nghiệm vụ điều khiển đảm bảo giữ cho lưu lượng không đổi
thông qua việc điều khiển tốc độ động cơ.
Các bộ biến tần nhận lệnh từ các bộ điều khiển để điều chỉnh và duy trì tốc độ ổn
định của băng tải.
1.2.1. Khái niệm về cân băng định lượng
Cân bằng định lượng là bao gồm các thiết bị ghép nối với nhau mà thành, cân băng
định lượng của nhà máy sản xuất xi măng là cân định lượng băng tải, được dùng cho hệ
thống cân liên tục (liên tục theo chế độ dài hạn lặp lại). Thực hiện việc phối liệu một cách
liên tục theo tỷ lệ yêu cầu công nghệ đặt ra.
Trong các nhà máy sản xuất công nghiệp, các dây chuyền sản xuất xi măng, hệ

thống cân băng định lượng còn đáp ứng sự ổn định về lưu lượng liệu và điều khiển lượng
liệu cho phù hợp với yêu cấu, chính vì nó đóng một vai trò rất quan trọng trong việc điều
phối và hoạch định sản xuất, do đó nó quyết định vào chất lượng sản phẩm, góp phần vào
sự thành công của công ty.
Cân băng định lượng trong nhà máy sản xuất xi măng là cân băng tải, nó là thiết bị
cung cấp kiểu trọng lượng vật liệu được chuyên trở trên băng tải mà tốc độ của nó được
điều chỉnh để nhận được lưu lượng vật liệu ứng với giá trị do người vận hành đặt trước.
1.2.2. Nguyên lý cân băng định lượng

Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ điều khiển cân băng định lượng.

Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống cân băng định lượng
8
Cầu cân về cơ bản bao gồm : Một cảm biến trọng lượng (LoadCell) gắn trên giá
mang nhiều con lăn. Trọng lượng của vật liệu trên băng được bốn cảm biến trọng lượng
(LoadCell) chuyển đổi thành tín hiệu điện đưa về bộ xử lý để tính toán lưu lượng.
Động cơ truyền động băng tải của cân băng là động cơ không đồng bộ ba pha rô to
lồng sóc, tốc độ của động cơ đo được nhờ sensor đo tốc độ (Encoder). Số xung phát ra từ
Encoder tỷ lệ với tốc độ động cơ và được đưa về bộ điều khiển.
Hộp số hay còn gọi là hộp giảm tốc là cơ cấu truyền động bằng ăn khớp trực tiếp
có tỷ số truyền không đổi và được dùng để giảm vận tốc, tăng momen xoắn đồng thời
truyền công suất từ động cơ đến máy công tác.
Bộ cảm biến trọng lượng (LoadCell) biến đổi trọng lượng nhận được trên băng
thành tín hiệu điện đưa về bộ khuyếch đại.
1.2.3 Vị trí đặt cân băng định lượng
Trong các quá trình trên ta thấy quá trình nghiền liệu và quá trình nghiền xi măng,
những thành phần đưa vào nghiền phải đảm bảo đúng tỷ lệ, vì những thành phần này
quyết
định đến chất lượng của xi măng. Do đó, việc điều chỉnh lưu lượng của từng thành phần
nguyên liệu trong quá trình này sao cho đúng bằng lưu lượng đặt là rất quan trọng.

Trong đồ án này chúng em thiết kế hệ thống cân băng định lượng cấp liệu cho công
đoạn nghiền liệu đá vôi.
1.2.4. Nguyên lý tính lưu lượng của cân băng định lượng
1.2.4.1. Công thức tính lưu lượng
Để xác định lưu lượng vật liệu chuyển tới nơi đổ liệu thì phải xác định đồng thời
vận tốc của băng tải và trọng lượng của vật liệu trên 1 đơn vị chiều dài. Trong đó tốc độ
của băng tải được đo bằng cảm biến tốc độ có liên hệ động học với động cơ.
Lưu lương được xác định theo biểu thức: Q =
m.V
L

1.2.4.2. Nguyên lý của quá trình trừ bì
Trọng lượng đo nhờ tín hiệu của LoadCell bao gồm trọng lượng của băng tải và
trọng lượng vật liệu trên băng. Vì vậy để đo được trọng lượng của liệu thì ta phải tiến
hành trừ bì (tức là trừ đi trọng lượng của băng tải ).

Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống cân băng định lượng
9
Bộ điều khiển xác định trọng lượng của liệu nhờ trừ bì tự động các phân đoạn băng
tải.
Nguyên lý của quá trình trừ bì như sau :
Băng tải phải được chia thành các phân đoạn xác định. Trong lúc trừ bì băng tải
rỗng (không có liệu trên băng) trọng lượng của mỗi đoạn băng được ghi vào bộ nhớ. Khi
vận hành bình thường cân băng tải trọng lượng của mỗi vật liệu trên mỗi phân đoạn được
xác định bằng cách lấy trọng lượng đo được trên đoạn đó trừ đi trọng lượng băng tải
tương ứng đã ghi trong bộ nhớ. Điều này đảm bảo cân chính xác trọng lượng liệu ngay cả
khi dùng băng tải có độ dày không đều trên chiều dài của nó. Việc điều chỉnh trọng lượng
cần phải thực hiện đồng bộ với vị trí của băng (belt index được gắn trên băng) mới bắt
đầu thực hiện trừ bì. Khi ngừng cân vị trí của băng tải được giữ lại trong bộ nhớ do đó ở
lần khởi động tiếp theo việc trừ bì được thực hiện ngay.

1.2.5.Tế bào cân đo trọng lượng Tenzomet

Hình 1.3: Sơ đồ cầu tế bào cân Tenzomet.
Nguyên lý tế bào cân Tenzomet dựa theo nguyên lý cầu điện trở như hình 1.3, trong đó
giá trị điện trở của các nhánh cầu thay đổi bởi ngoại lực tác động lên cầu. Do đó nếu có
một nguồn cung cấp không đổi (UN=const) thì hai đường chéo kia của cầu ta thu được
tín hiệu thay đổi theo tải trọng đặt lên cầu. Khi cầu cân bằng thì điện áp ra U

r
=0. Khi cầu
điện trở thay đổi với giá trị ΔR thì điện áp ra sẽ thay đổi, lúc này điện áp ra được tính
theo công thức.

r N
R
U U
R
D
=

(2.5)
Trong đó: U
N
- điện áp nguồn cấp cho đầu đo

Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống cân băng định lượng
10
Ur - điện áp ra của đầu đo
ΔR - lượng điện trở thay đổi bởi lực kéo trên đầu đo
R - giá trị điện trở ban đầu của mỗi nhánh cầu. với R tỷ lệ với khối

lượng vật liệu trên băng cân thì thấy tín hiệu U

r
là khuyếch đại nên sau đó gửi tín hiệu
này qua biến đổi A/D vào bộ điều khiển để xử lý.
Giả sử cấp cho đầu vào cầu cân một điện áp là UN=10v, với điện áp ngõ ra là
2mV/V thì với tải max ta sẽ đo được điện áp ở ngõ ra là 20mV.
Bảng 1.1.Thống kê một số tế bào cân Tenzomet.
Tải định mức (kg) 20 30 50 70 100 150 250 300
Tải cực đại 150% tải định mức
Sai số < 0.015%
Phạm vi điều chỉnh -10 ÷ 40
Nguồn cung cấp -10 ÷ 15
1.2.6. Các sai số trong hệ thống cân băng và cách hiệu chỉnh
Do đặc điểm đo lường và điều khiển cân băng diễn ra trong khi nguyên vật liệu vẫn
được vận chuyển liên tục và cũng do nhiều nguyên nhân có thể gây ra sai số như:
Do trọng lượng của riêng phần băng tải khi chuyển động ảnh hưởng đến kết quả đo
của loadcell.
Do sức căng băng không đủ, gây sai số cho kết quả đo.
Do độ trượt băng cao su với Puli đầu trục, gây ảnh hưởng tới kết quả đo tốc độ băng
tải.
Do vận tốc vận chuyển có giới hạn nên gây ra độ trễ của kết quả đo so với giá trị
thực tế.
Trước khi vận hành cân băng có các thủ tục quan trọng sau cần thực hiện để đảm
bảo cho cân băng hoạt động chính xác.




Hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ

11
Chương 2
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ

2.1. Hệ thống truyền động động cơ không đồng bộ
2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ xoay chiều 3
pha


Hình 2.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha rotor dây quấn.
- Động cơ điện không đồng bộ (KĐB) được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế sản
xuất.
+ Ưu điểm nổi bật của nó là cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc;
so với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc
chắn, có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn khi cùng công suất định mức với động cơ
một chiều. Ngoài ra nó có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần
phải trang bị các bộ biến đổi tốn kém kèm theo.
+ Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế quá
trình quá độ khó khăn; đối với động cơ rotor lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn
so với động cơ một chiều như dòng khởi động lớn, momen khởi động nhỏ.

H thng iu khin tn s ng c khụng ng b
12
Dõy qun stato 3 pha c cp t dũng in xoay chiu 3 pha s to ra trong ng
c t trng quay cú tc :
w

1
=

2pf
P
hoc n

1
=
60f
p
tc l w

1
=
2p
60
n =
n
9,55

Rụto ng c khụng ng b gm 2 loi:
v Rụto dõy qun, dõy qun nh stato, ni ra ngoi thụng qua cỏc vnh trt.
v Rụto lng súc : Cu to nh cỏi lng : gm cỏc thanh nhụm.
Di tỏc dng ca t trng quay ,trong roto cm ng cú mt sut in ng , do
roto ni ngn mch, cú dũng in, tỏc dng ca t trng quay lờn roto cú dũng in to
thnh momen lm quay roto, tc roto c xỏc nh theo:
w = w

1
(1-s) vi s =
w

1
- w
w

1
trt.
2.1.2. c tớnh ng c khụng ng b
Phng trỡnh c tớnh cú dng:
M =
3.U

1
2

.R

2
s.w

1
.
ở
ờ
ờ
ộ
ỷ
ỳ
ỳ
ự
ố

ỗ
ổ
ứ
ữ
ử
R

1
+
R

2
s
2
+
( )
X

1s
+ X

2
2

(2.1)
c tớnh ng c cú mt im cc tr: M

th
v s

th

Mụmen ti hn:M

th
=
3.U

1
2

2w

1
.
( )R

1
+ R

1
2

+ X

n
2

. (2.2)
trt ti hn: S

th
=
R

2
+ R

f
R

1
2

+ X

n
2

(2.3)
c tớnh ng c nh hỡnh 2.3.

Hỡnh 2.2. c tớnh ng c.

Hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
13
2.1.3. Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ được sử dụng trong thực tế:
v Điều chỉnh điệp áp stato
v Điều chỉnh điện trở phụ roto.

v Điều chỉnh tần số (sử dụng phổ biến nhất)
2.2 Hệ thống điều khiển tần số
2.2.1 Nguyên lý điều khiển tần số
Tốc độ đồng bộ động cơ:
w

1
=
2pf
P
hoặc n

1
=
60f
p

Như vậy khi thay đổi tần số ,tốc độ đồng bộ động cơ sẽ thay đổi, tốc độ động cơ :

w = w

1
(1- s) sẽ thay đổi. Khi điều chỉnh tần số, điện áp phải thay đổi theo để đảm bảo chỉ
tiêu năng lượng cao và động cơ không bị bão hòa từ.
Quan hệ U

1
(f) gọi là qui luật điều khiển tần số. Trong thực tế hai qui luật điều
khiển tần số được sử dụng rộng rãi là : Qui luật điều khiển tần số cơ bản và luật điều kiển
từ thông khe hở không đổi.

2.2.2. Qui luật điều khiển tần số cơ bản
Nội dung: Điều khiển điện áp và tần số đảm bảo khả năng quá tải không đổi với mọi
tần số khác nhau : l =
M

th
M

C

Biểu thức của qui luật tần số cơ bản có dạng tổng quát khi coi điện trở stato bằng
không (R

1
=0)
U

1
f
=
U

1đm
f

đm

M

C

M

Cđm

Quan hệ U

1
(f) phụ thuộc vào đặc tính mômen cản.Trong thực tế có 3 dạng mômen
cản :
M

c
= hằng số ; M

c
=
1
w
; M

c
= w
2


v Mc = hằng số :
U

1
f

=
U

1đm
f
= const

Hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
14
v M

c
=
1
w
;
U

1
f
= const
v M

c
= w
2

;
U

1
f
2

= const

Hình 2.3. Đặc tính động cơ với luật điều khiển U/f = const, khi R

1
≠ 0.
Tuy nhiên trong thực tế R

1
khác 0 nên khả năng quá tải sẽ giảm khi tần số giảm thể
hiện thông qua sự giảm của mô men tới hạn khi tần số giảm.
M

th
=
3p
4p
è
ç
ç
æ
ø
÷
÷
ö
R

1
f
+
è
ç
æ
ø
÷
ö
R

1
f
2
+ 4p
2

L

n
2

è
ç
æ
ø
÷
ö
U

1
f
2
(2.4)
Ở vùng tần số cao (xung quanh tần số định mức ), momen tới hạn có trị số gần như
không phụ thuộc tần số nếu tỉ số
R

1
f

s
nhỏ.
Do điện trở stato không thể bỏ qua nên sụt áp trên điện trở sato ứng với dòng điện
định mức sẽ không đổi khi giảm tấn số, trong khi sụt áp trên điện khánh giảm theo tần số.
Do đó sụt áp trên điện trở sẽ chiếm tỉ lệ lớn ở tần số nhỏ, sẽ ảnh hưởng lớn đến từ thông
khe hở. Khi tần số giảm, từ thông khe hở giảm do sụt áp trên điện trở stato ứng với dòng
định mức không đổi mọi tần số. Kết quả mô men tới hạn động cơ sẽ giảm, đặc biệt sẽ
giảm nhanh ở vùng tần số thấp, ví dụ nhỏ hơn 10Hz.

Hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
15
Vì vậy trong ứng dụng thực tế, tỉ lệ điện áp - tần số thường được tăng lên ở vùng
tần số thấp để bù lại sụt áp trên điện trở stato. Trên hình 2.5 là các dạng đặc tính điện áp –
tần số có hiệu chỉnh điện áp.

Hình 2.4. đặc tính U(f) lý tưởng và thực tế.
Trị số U

0
và k được chọn để điện áp sato có trị số cần thiết ở tần số bằng không và
trị số định mức ở tần số định mức. Với phụ tải động cơ yêu cầu momen khởi động lớn,
điện áp Uo được điều chỉnh để dòng điện động cơ lớn ở tần số zero (thời điểm đầu tiền
của quá trình khởi động). Nhưng trị số Uo lớn có thể làm động cơ quá nhiệt nếu động cơ
thường xuyên làm việc ở tốc độ thấp do mức độ làm mát của động cơ tự làm mát giảm
đáng kể. Với phụ tải quạt gió, momen động cơ có tốc độ thấp rất nhỏ, tỉ số điện áp - tần
số có thể giảm nhỏ đến mức độ phát nóng của động cơ bé nhất.Trong các hệ thống truyền
động điện khác, mức độ
tăng điện áp ở tấn số thấp có thể chỉnh định phù hợp với đặc tính phụ tải .
2.3. Bộ biến đổi tần số
Để cung cấp cấp cho động cơ nguồn điện có điện áp và tần số thay đổi cần có một
bộ biến đổi tấn số, gọi tắt là bộ biến tần (BBT), sơ đồ khối mạch lực của hệ truyền động
BBT – ĐK như hình 2.9 . BBT có khâu trung gian một chiều gồm 3 khâu là Chỉnh
lưu (CL), Lọc và Nghịch Lưu (NL).Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp (50Hz ) được
chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu (CL) không điều khiển hoặc bộ chỉnh
lưu điều khiển , sau đó được lọc và bộ nghịch lưu (NL) sẽ biến đổi thành nguồn điện áo
xoay chiều ba pha có tần số biến đổi cung cấp cho động cơ.

Hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
16





U

1
f

1

ÐK
+
+
-
-

Hình 2.5. sơ đồ khối bộ biến tần gián tiếp.
Bộ biến tần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
v Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở
không đổi Trong vùng điều chỉnh momen không đổi.
v Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số.
v Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn.
Bộ biến tần bán dẫn hiện này được sử dụng trong thực tế gồm hai loại
1. Bộ biến tần với nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung với bộ chỉnh
lưu dùng điot .
2. Bộ biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu điều
khiển .
Ở đề tài này sẽ nghiên cứu bộ biến tần với nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung
với bộ chỉnh lưu dùng điot.
2.4. Bộ biến tần dang điều chế độ rông xung PWM
Phương pháp PWM thông thường được gọi là điều chế dựa trên cơ sở sóng mang.
Các sóng mang này thường là sóng sin tam giác (có tần số f
x
), được so sánh với điện áp
điều khiển (có tần số bằng tần số điện áp mong muốn) để sinh ra các xung âm và dương
có tần số và bề rộng có thể thay đổi được. Tần số của sóng mang bằng tần số chuyển
mạch của nghịch lưu, thường chúng được giữ cố định. Khi tăng số xung trong một nửa

chu kỳ có thể làm giảm tần số của sóng sin đầu ra, tăng bề rộng xung có thể làm tăng
biên độ của sóng sin.
Dựa vào dạng sóng mang có thể có phân thành điều chế:
v Điều chế một cực tính.
v Điều chế hai cực tính.
Xung hai cực tính (hình 2.6a) được tạo ra bằng cách so sánh điện áp răng cưa u(t)
với điện áp chủ đạo e(t) có dạng hình sin. Xung răng cưa là xung có 2 cực tính trong cả
chu kỳ điều biến, do đó điện áp ra của nghịch lưu u(t) sẽ là xung hai cực tính có độ rộng
thay đổi theo quy luật hình sin:
Δt = KsinΩt


Hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
17
Với : Dt là độ rộng xung.
K là hệ số.
Ω là tần số của nghịch lưu.

Để điều chế xung một cực tính, so sánh điện áp răng cưa một cực tính trong mỗi nửa chu
kỳ (hình 2.6b)


Hình 2.6. Nguyên lý điều chế độ rộng xung.
a. Hai cực tính b. Một cực tính
Các tham số quan trọng khi thiết kế nghịch lưu điều chế PWM:

Hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
18
v Hệ số điều biến biên độ:
m

a
= u
dkm/
u
xm

Với: u
dkm
là biên độ của tín hiệu điều khiển
u
xm
: Biên độ của tín hiệu xung tam giác
v Hệ số điều biến tần số:
m
f
= f
x
/f
dk

Với f
x
: Tần số tín hiệu sóng mang
f
dk
: Tần số tín hiệu điều khiển, cũng là tần số điện áp mong muốn
Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 3 pha được trình bày trên hình 2.9. Phương pháp
điều biến độ rộng xung cho phép định hình và điều khiển cả biên độ và tần số điện áp tải
khi nghịch lưu được cấp từ một điện áp một chiều U

d
không đổi. Để nhận được điệp áp
đối xứng ba pha , các điện áp điều khiển hình sin đối xứng ba pha lệch nhau 120
0

được so
sánh với cùng một điện áp răng cưa tần số cao (thông thường lớn hơn 1- 2 KHz).
Nguyên lý điều khiển nghịch lưu ba pha được biểu diễn trên hình 2.7 (với m

f
=
15). Các phần tử chuyển mạch được điều khiển theo phương pháp điều biến điện áp đơn
cực.

Hình 2.7. Sơ đồ nghịch lưu ba pha.
Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu ba pha :
Các tín hiệu xung điều khiển T
+A
và T
-A
được tạo ra bằng so sánh hai tín hiệu điện áp
răng cưa u
rc
và u
đk
tạo ra các xung điều khiển phần tử chuyển mạch của vế A (T
+A
,T
-A
):

Khi u
đk
> u
rc
: T
+A
: đóng. u
AN
= U
d

Khi u
đk
< u
rc
: T
-A
đóng. u
AN
= 0