Điều khiển động cơ băng tải bằng thiết bị biến tần

I. Tính chọn cảm biến bảo vệ sự cố băng tải
1.Cảm biến
Cảm biến là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa
hai đại lượng vật lí với một độ chính xác nhất định. Là thiết bị
chịu tác động của đại lượng cần đo m không có tính chất điện và
cho ta một đặc trưng mang bản chất điện ( như: điện tích, điện
áp, dòng điện hoặc trở kháng ) ký hiệu là S. Đặc trưng điện s là
hàm của đại lượng cần đo m
S = F(m) (4-8)
Trong đó S là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến
và m là đại lượng đầu vào hay kích thích ( có nguồn gốc là đại
lượng cần đo ). Việc đo đạc S cho phép nhận biết giá trị của m
Biểu thức S= F(m) là dạng lý thuyết của định luật vật lý
biểu diễn hoạt động của cảm biến, đồng thời là dạng số biểu
diễn sự phụ thuộc của nó vào cấu tạo, vào vật liệu làm cảm biến,
đôi khi cả vào môi trường và chế độ sử dụng
1.1. Cảm biến vận tốc
Trong công nghiệp, việc đo vận tốc, trong phần lớn các
trường hợp thường là đo tốc độ quay của máy. Trong trường
hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng thường được
chuyển sang đo tốc độ quay. Các cảm biến công nghiệp dùng để
đo vận tốc dựa trên định luật Faraday:
e=

− dφ
dt

(4-9)

Với e là suất điện động xuất hiện khi từ thông thay đổi một
lượng dф trong khoảng thời gian dt. Khi đó từ thông đi qua một

mạch là một hàm số dạng : ф(x)=ф0.F(x), với x là biến số của vị
trí thay đổi theo đường thẳng hoặc vị trí theo góc quay
Mọi sự chuyển động tương đối giữa nguồn từ thông và
mạch có từ thông đi qua sẽ làm trong mạch xuất hiện một suất
điện động có biên độ tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển. Suất điện
động này chứa đựng trong nó tín hiệu ra của cảm biến
e=-ф0.

dF ( x) dx
. dt
dx

(4-10)

Trong hệ thống, chúng ta sử dụng Encode để đo tốc độ động
cơ của các băng tải cấp liệu
 Encode đo tốc độ quay của động cơ, vật trung gian
thường dùng là đĩa gắn liền với trục quay cần đo tốc độ. Đĩa có
cấu tạo tuần hoàn: bề mặt của đĩa được chia thành p phần bằng
nhau (chia theo góc ở tâm), mỗi phần mang một dấu hiệu đặc
trưng như lổ đường vát, bánh răng.
Một cảm biến thích hợp được đặt với vật trung gian để ghi
nhận một cách ngắt quãng mỗi khi có một dấu hiệu đi qua và
một lần như vậy nó cung cấp một tín hiệu xung. Biểu thức của
tần số f của tín hiệu xung được viết dưới dạng:
F = p.N

(4-11)

Trong đó f là tần số đo bằng Hz, p là số lượng dấu hiệu
trên đĩa và N là số vòng quay của đĩa trong mỗi giây.
Đầu thu quang

Thấu kính


Hình 4.22: Cấu tạo bộ phận đo tốc độ quay
Encode
Vật quay phải có các vùng phản xạ được bố trí tuần hoàn
trên hình tròn được chiếu bằng tia sáng, hoặc là vật được gắn
với một đĩa có các phần trong suốt xen kẽ các phần chắn sáng
đặt giữa nguồn sáng và đầu thụ quang (hình 4.22).
Đầu thu quang nhận được một thông lượng biến điệu và nó
phát tín hiệu có tần số tỷ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ của
tín hiệu này không phụ thuộc vào ω
Phạm vi của tốc độ đo phụ thuộc vào hai yếu tố chính:
- Số lượng lỗ trên đĩa quay.
- Dải thông của đầu thu quang và của mạch điện tử.
Để đo tốc độ nhỏ, thí dụ ~ 0,1 vòng/phút, phải dùng đĩa có
số lượng lỗ rất lớn (500÷1000). Trong trường hợp cần đo tốc độ
lớn (105÷106 vòng/phút) phải sử dụng loại đĩa quay chỉ có 1 lỗ,
khi đó chính tần số ngắt của mạch điện là đại lượng xác định tốc
độ cực đại có thể đo được
Ưu điểm : Ở đây thông tin thu nhận là tần số nên có khả
năng chống nhiễu, chống suy giảm và dễ biến đổi sang dạng số.
1.2.Cảm biến lực:
1.2.1.Lý thuyết về cảm biến lực :

Cảm biến lực dùng trong việc đo khối lượng được sử dụng
phổ biến là loadcell. Đây là một kiểu cảm biến lực biến dạng.
Lực chưa biết tác động vào một bộ phận đàn hồi, lượng di động
của bộ phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện tỷ lệ với lực
chưa biết. Sau đây là giới thiệu về loại cảm biến này:
Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng
loại dán. Tấm điện trở là một phương tiện để biến đổi một biến
dạng nhỏ thành sự thay đổi tương ứng trong điện trở. Một mạch
đo dùng các miếng biến dạng sẽ cho phép thu được một tín hiệu
điện tỷ lệ với mức độ thay đổi của điện trở .Mạch thông dụng
nhất sử dụng trong loadcell là cầu Wheatstone .
Nguyên lý :
Cầu Wheatstone là mạch đo được chọn dùng nhiều nhất
cho việc đo những biến thiên điện trở nhỏ (tối đa là 10%), chẳng
hạn như việc dùng các miếng đo biến dạng . Phần lớn các thiết
bị đo đạc có sẵn trên thị trường đều không ít thì nhiều dùng
phiên bản của cầu Wheatstone
đã được
sàng lọc. Như vậy ,việc
R1
R2
tìm hiểu nguyên lý cơ bản của loại mạch này là một điều cần
Zm

thiết .

Em

R4

R3

V
+

-

Hình 4.23:Mạch cầu
Wheatstone


Cho một mạch gồm bốn điện trở giống nhau R1, R2, R3, R4
tạo thành cầu Wheatstone như trên hình trên. Đối với cầu
Wheatstone này, bỏ qua những số hạng bậc cao, hiệu thế đầu ra
Em thông qua thiết bị đo với trở kháng Zm sẽ là:
V

Em =
Với :

∆Ri
Ri

4(1 +

R
)
Zm

[

∆R1 ∆R 2 ∆R3 ∆R 4
−
+
−
]
R1
R2
R3
R 4 (4-12)

là biến đổi đơn vị của mỗi điện trở Ri

R là điện trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở
R1,R2,R3,R4 (thường là 350 ohms, nhưng có thể là 750 ohms
dành cho các bộ cảm biến ).
V là hiệu thế nguồn .
Điện thế nguồn có thể thuộc loại liên tục với điều kiện là
dùng một nguồn năng lượng cung cấp thật ổn định .Các thiết bị
trên thị trường đôi khi lại dùng nguồn cung cấp xoay chiều
.Trong trường hợp đó phải tính đến việc sửa đổi mạch cơ bản để
có thể giải điều chế thành phần xoay chiều của tín hiệu .
Trong phần lớn các trường hợp, Zm rất lớn so với R (Ví dụ
như Volt kế số, bộ khuếch đại với phần nối trực tiếp ) nên biểu
thức trên có thể viết lại là :
Em =

V ∆R1 ∆R 2 ∆R3 ∆R 4
[

−
+
−
]
4 R1
R2
R3
R4

(4-13)


Phương trình trên cho thấy là sự biến đổi đơn vị điện trở
của hai điện trở đối mặt nhau, ví dụ là R1 và R3, sẽ là cộng lại
với nhau trong khi tác động của hai điện trở kề bên nhau, ví dụ
là R1 và R2, lại là trừ khử nhau .Đặc tính này của cầu
Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính ổn định nhiệt
của các mạch miếng đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc
biệt .
1.2.2.Chuyển đổi điện trở lực căng
1.2.2.1. Nguyên lý tác dụng, cấu tạo và các quan hệ cơ bản:
Khi dây dẫn chịu biến dạng cơ khí thì điện trở của nó thay
đổi, hiện tượng đó gọi là hiện tượng tenzo gọi là chuyển đổi
điện trở Tenzo hay chuyển đổi điện trở lực căng. Chuyển đổi
điện trở lực căng được chia làm ba loại: chuyển đổi điện trở lực
căng dây mảnh, lá mỏng vả màng mỏng. Phổ biến nhất là
chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh, có cấu tạo như hình
4.24. Trên tấm lá mỏnh 1, dán một sợi dây điện trở 2 hình răng
lược có đường kính tư 0.02÷ 0.03 mm. Dây được chế tạo bằng
các vật liệu caftan, nicrôm, hợp kim Palatin-iridi. Hai đầu dây

được hàn với lá đồng 3 dùng để nối với mạch đo. Phía trên được
gián tấm giấy mỏng để cố định dây. Chiều dài đo là chiều dài
tác dụng của chuyển đổi.
Thông thường l0= 8 ÷ 15 mm. Khi cần có kích thước nhỏ
l0= 2.5mm. Chiều rộng a thay đổi tư 3÷ 10 mm. Điên trở thay
đổi từ 10 Ω ÷ 150 Ω . Khi chiều dài tác dụng không bị hạn chế 10
có thể dài tới 100mm. Điện trở tương ứng 800 Ω ÷ 1000 Ω . Khi


độ biến dạng

ε l= ∆ l/l

chuyển đổi lên được gán lên đối tượng đo,

lúc đối tượng đo bị biến dạng, chuyển biến dạng theo và điện trở
của chuyển đổi TenZo thay đổi một lượng.
Ta có

∆R
R

∆R
 ∆l 
= f 
R
 l 

.

(4-14)

Hay εR = f(εl)
Điện trở dây dẫn được xác định theo công thức:
1

ρl
R=
s

Trong đó ρ là điện trở suất

2
1

3
1

B

l là chiều dài đường dây
s là tiết diện dây dẫn
Do đó

∆R ∆ρ ∆l ∆s
=
+
−
R
ρ

l
s

l0

Hình 4.24: Điện trở lực căng dây mảnh

Hay εR = εp + εl - εs
Trong đó:
εR =

∆R
R

: sự biến thiên tương đối của điện trở chuyển

đổi khi bị biến dạng
εl =

∆l
l

ερ =

: sự biến thiên tương đối theo chiều dài dây dẫn.

∆ρ
ρ

: sự biến thiên tương đối của điện trở suất đặc

trưng cho sự thay đổi tính chất vật lý của vật liệu chuyển đổi.
εs =

∆s
s

sự biến thiên tương đối theo tiết diện dây dẫn,

đặc trưng cho sự thay đổi kích thước hình học của chuyển đổi.


Trong cơ học đã biết er = -2kpe1 (k1-hệ số poisen) và nếu er
= m e; m là hệ số tỉ lệ.
Ta có

es = e1(1+2kp+m) = k e1

(4-15)

Đây là phương trình biến đổi tổng quát của chuyển đổi
điện trở lực căng.
Độ nhạy của chuyển đổi lầ: k = er ÷ e1= 1+2kp+m
Do ứng suất có trong chi tiết cần nghiên cứu liên quan với
môđun đàn hồi, do đó: δ

 ∆l 
= E 
 l 

và phương trình biến đổi của

chuển đổi lực căng có thể biểu diễn dưới dạng :

∆R kδ
=
R
E

ứng

suất cơ học trong các chi tiết được giới hạn từ 20 ÷ 30 giới hạn
đần hồi
1.2.2.2. Tính chất của chuyển đổi điện trở lực căng:
Để các chuyển đổi điện trở lực căng làm việc tốt, trong
thực tế yêu cầu vật liệu chế tạo chuyển đổi có độ nhạy lớn để độ
nhạy đạt được cao
Hệ số nhiệt độ của dây điện trở càng nhỏ càng tốt, cần phải
bù nhiệt độ trong mạch đo
Vật liệu chế tạo dây điện trở cần có điện trở suất để kích
thước của chuyển đổi nhỏ.
Độ nhạy của các chuyển đổi loại dây mảnh không giống
độ nhạy cảm của vật liệu chế tạo nó. Vì quá trình chế tạo hình
răng lược, phần bị uốn không chịu biến dạng theo hướng cần đo
làm dộ nhạy giảm (25 ÷ 30)%. Muốn vậy phải tăng dộ dày tác


dụng l0, mặt khác các phần uốn lại chịu lực tác dụng vuông góc
với trục của chuyển đổi gây sai số trong quá trình đo.
1.2.2.3. Mạch đo:

Thông thường chuyển đổi điện trở lực căng được dùng với
mạch cầu một chiều hoặc xoay chiều. Khi mạch cầu chỉ có một
nhánh hoạt động (tức là chỉ một chuyền đổi hoạt động) vấn đề
bù nhiệt độ phải được thực hiện do vậy người ta dùng một
chuyển đổi cùng loại dán lên chi tiết, không làm việc cùng vật
liệu với đối tượng đo và đặt trong cùng một nhiệt độ
P

RT

U
T

R4= RTO

Ura

Hình 4.25: cấu tạo bên trong của loadcell
Khi cầu không làm việc ở trạng thái cân bằng

R1 R3
=
=K
R2 R4

Khi đối tượng đó làm việc RT thay đổi thành eR.R.
Cầu mất cân bằng và điện áp ra
U ra = U

(1 + ε R ) RT R3 − R2 R4

[ (1 + ε R ) RT + R4 ]( R2 + R3 )

(4-16)


Nếu R2=R3; R4=RTO (RTO- điện trở chuyển đổi TenZo dán lên chi
tiết không biến dạng)
Ta có

Ura ~ 0.25 U εR

1.2.2.4. Sai số và phạm vi ứng dụng:
Sai số của thiết bị đo dùng TenZo chủ yếu đo độ chính xác
khắc độ các chuyển đổi. Không thể khắc độ trực tiếp đơn chiếc,
chúng được chế tạo hàng loạt và được chuẩn sơ bộ .
Khi sử dụng cần phải có công nghệ dán chuẩn và chọn vị
trí chính xác. Sai số có thể đạt tới 1%÷5%.
Khi chuẩn trực tiếp chuyển đổi với mạch sai số có thể
giảm đến (0,2÷0,5)% khi đo biến dạng tĩnh và (1÷1,5)% khi đo
biến dạng động. Ngoài ra còn có sai số biến dạng dư của keo
dán khi sấy khô, do sự giản nở khác nhau giữa chuyển đổi và chi
tiết dán
Các chuyển đổi lực căng dùng để đo lực áp suất, mômen
quay, gia tốc và các đại lượng khác nếu có thể biến đổi thành
biến dạng đàn hồi với ứng suất không bé hơn (1÷2)107N/m2.
Chuyển đổi điện trở lực căng có thể đo các đại lượng biến thiên
tới vài chục KHz.
1.2.2.5. Một số Load Cell thực tế :
Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như
KUBOTA

(của

Nhật),

Global

Weighing

(Hàn

Quốc),

Transducer Techniques. Inc, TedeaExc+
– Huntleigh ... Mỗi loại
loadcell được chế tạo cho một yêu cầu
Sig+riêng biệt theo tải trọng
ExcSig-


chịu đựng, chịu lực kéo hay nén. Tùy hãng sản xuất mà các đầu
dây ra của loadcell có màu sắc khác nhau. Có thể kể ra như sau:

Tên tín
hiệu
Exc+
ExcSig+

Màu

Hoặc Hoặc

Hoặc

Đỏ
Đen
Xanh

Vàng
Nâu
Xanh

Đỏ
Trắng
Xanh lá cây

Sig-

Trắn

Trắn

Xanh
Đen
Trắn
g
Đỏ

Xanh dương

Các màu sắc này đều được cho trong bảng thông số kỹ
thuật khi mua từng loại loadcell .
Trong thực tế còn có loại load cell sử dụng kỹ thuật 6 dây
cho ra 6 đầu dây .Sơ đồ nối dây của loại load cell này có thể có
hai dạng như sau :


Hình 4.26: Cầu đo thực tế
Như vậy ,thực chất load cell cho ra 6 dây nhưng bản chất
vẫn là 4 dây vì ở cả hai cách nối ta tìm hiểu ở trên thì các dây
+veInput (Exc+) và +veSense (Sense+) là nối tắt, các dây
-veInput (Exc-) và -veSense (Sense-) là nối tắt .
Có nhiều kiểu hình dạng loadcell cho những ứng dụng
khác nhau. Do đó cách kết nối loadcell vào hệ thống cũng khác
nhau trong từng trường hợp.
Thông số kỹ thuật của từng loại loadcell được cho trong
catalogue của mỗi loadcell và thường có các thông số như : tải
trọng danh định, điện áp ra danh định (giá trị này có thể là từ
2mV/V đến 3 mV/V hoặc hơn tùy loại loadcell), tầm nhiệt độ
hoạt động, điện áp cung cấp, điện trở ngõ ra, mức độ chịu được
quá tải…
Tùy ứng dụng cụ thể mà cách chọn loại loadcell có thông
số và hình dạng khác nhau . Hình dạng loadcell có thể đặt cho
nhà sản xuất theo yêu cầu ứng dụng riêng. Sau đây là hình dạng
của một số loại loadcell có trong thực tế.

2.Biến tần
2.1 Sơ đồ nối biến tần với động cơ
Biên tần

Contactor
Cầu chì

Sơ đồ như hình vẽ:

L3 U

PE

L2 V
L1 W

Động cơ


Hình 4.13 : Cách đấu dây từ biến tần đến động cơ.
Từ biến tần nối đến động cơ phải qua các thiết bị trung
gian sau:
+ Cầu chì: có chức năng bảo vệ quá dòng so với dòng định
mức.
+ Contactor dùng để đóng cắt nguồn cung cấp cho động
cơ.
+ PE: vị trí nối đất an toàn cho thiết bị: động cơ, contactor,
biến tần.

2.2 Tính chọn biến tần
Tính toán chọn máy biến tần cho động cơ băng tải:
Thông số động cơ:
Pđm (kW)
1,5

Tèc ®é
(v/ph)
1430

Uđm (V) Iđm (A)
380

3

η

Cos

ϕ
%
85 0,87


- Lựa chọn thiết bị biến tần:
công suất của động cơ theo công thức

:

Nđc = k x

Ntrục (KW)
k: hệ số dự trữ công suất, lấy k = 1,1
Ntrục: công suất trên trục đông cơ (KW), Ntrục= 1.5 (KW)
Nđc: công suất trên trục động cơ (KW).

Nđc = 1,1x 1.5 = 1.65 (KW)
 Chọn biến tần loại: ATV312HU22N4
cơ với các thông số đã cho .

là vừa đủ cho động


Những ưu điểm khi điều khiển động cơ băng tải bằng thiết
bị biến tần
- Hạn chế được dòng điện khởi động cao
- Tiết kiệm năng lượng
- Điều khiển linh hoạt các máy bơm


- Sử dụng công nghệ điều khiển vecto
Ngoài ra còn các ưu điểm khác của thiết bị biến tần như:
- Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400 Kw
- Tự động ngừng khi đạt tới điểm cài đặt
- Tăng tốc nhanh giứp biến tần bắt kịp tốc độ hiện thời của động
cơ,
- Tự động tăng tốc giảm tốc tránh quá tải hoặc qúa điện áp khi
khởi động,
- Bảo vệ được động cơ khi : ngắn , mạch, mất pha lệch pha, quá
tải, quá dòng, quá nhiệt,
- Kết nối với máy tính chạy trên hệ điều hành Windows,
- Kích thước nhỏ gọn không chiếm diện tích trong nhà trạm,
- Mô men khởi động cao với chế độ tiết kiệm năng lượng,
- Dễ dàng lắp đặt vận hành,
- Hiển thị các thông số của động cơ và biến tần.
II. Xác định và phân công I/O

III. Thiết kế mạch điện
IV. Viết chương trình điều khiển bằng PLC S7-200



VI. Xây dựng chương trình giám sát bằng Protool