Nghiên cứu hệ thống cân băng định lượng trong nhà máy sản xuất xi măng lò đứng

Lêi më ®Çu
Trong công cuộc phát triển xây dựng cơ sở hạ tầng và xây dựng dân dụng
tăng lên nhanh chóng trên thế giới nói chung. Đặc biệt là sự bùng nổ về đầu tư
phát triển công nghiệp xi măng ở các nước đang phát triển, trong đó phải kể đến
là Việt Nam. Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng về chất
lượng giá cả sự cạnh tranh trên thị trường, cho nên việc đầu tư cải tiến công
nghệ ở các công ty xí nghiệp đang là một giải pháp tốt cho việc cạnh tranh về
giá cả và chất lượng. Ở nước ta nền kinh tế và khoa học kỹ thuật đang trên đà
phát triển, phù hợp với sự phát triển chung ở khu vực, với chính sách mở cửa
của Đảng và Nhà nước ta. Ở nước ta đang thu hút vốn đầu tư của nước ngoài
ngày càng nhiều, trong đó phải kể đến việc đầu tư vào công nghệ sản xuất xi
măng trong những năm gần đây.
Với bất kỳ một nhà máy xi măng nào, nhất là đối với những nhà máy có
mức độ tự động hoá cao thì việc cân băng định lượng dùng giám sát, điều khiển
các thành phần phối liệu là vô cùng quan trọng, nó là một trong những yếu tố
quyết định đến năng suất của cả dây truyền và tỷ lệ các thành phần phối liệu nó
ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng xi măng sản xuất ra.
Do đặc điểm công nghệ sản xuất xi măng có nhiều công đoạn và hầu hết
là cần đến hệ thống cân băng định lượng từ khâu nghiền liệu đến khâu nghiền
xi măng.
Với nhiệm vụ đặt ra cho cân băng định lượng là thoả mãn những nhu cầu
từ thực tế sản xuất, phải đảm bảo đủ lượng liệu cần thiết cho công đoạn tiếp theo
về khối lượng tỷ lệ các thành phần phối liệu và tốc độ cấp liệu cho từng
thời điểm.
Tuỳ theo vị trí, tính chất, chức năng của các khâu trong dây truyền sản
xuất mà cân băng định lượng ở khâu đó có những đặc điểm riêng, như chế độ
làm việc, sai số cho phép, dải điều chỉnh tốc độ, độ ổn định… Tuy nhiên các cân
băng định lượng trong dây truyền đều có đặc điểm chung.

1

Các đối tượng cân là cân băng tải cấp liệu kích thước vật liệu cần cân thay
đổi trong phạm vi rộng từ các nguyên liệu thô cho đến các nguyên liệu mịn dạng
bột.
Với đề tài “Nghiên cứu hệ thống cân băng định lượng trong nhà máy
sản xuất xi măng lò đứng”.
Bản đồ án này được trình bày bao gồm 4 chương :
CHƯƠNG 1

: HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG.

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ ĐỘNG LỰC CHO CÂN BĂNG ĐỊNH
LƯỢNG CÓ CÔNG SUẤT 40-60 T/h.
CHƯƠNG 3 : XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ ĐIỀU CHỈNH.
CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG MATLAB & SIMULINK.
Phạm vi đề cập của bản đồ án này là thiết kế hệ thống cân băng định
lượng trong nhà máy sản xuất xi măng. Bản đồ án này được thực hiện với sự
giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy giáo : BÙI QUỐC KHÁNH cùng các kỹ sư tại
Trung tâm công nghệ cao tự động hoá trường ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ
NỘI. Nội dung của bản đồ án này chắc chắn còn nhiều thiếu sót, em rất mong
được tiếp thu những ý kiến đóng góp bổ xung của các thầy cô giáo để bản đồ án
của em được hoàn chỉnh hơn.

2


Chương 1
HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG

3

1.1. Khái niệm:
Cân băng 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 truyền 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.

4


1.2. Cấu tạo của cân băng định lượng :

1
3

6

7

8

9

4
10

2

5

Hình 1.1: Cấu tạo cân băng định lượng

1: Phễu cấp liệu
2: Cảm biến trọng lượng (Load Cell).
3: Băng truyền.
4: Tang bị động.
5: Bulông cơ khí.
6: Tang chủ động.
7: Hộp số.
8: SenSor đo tốc độ.
9: Động cơ không đống bộ (được nối với biến tần)
10: Cảm biến vị trí

5


1.3. Tế bào cân đo trọng lượng:
Là thiết bị đo trọng lượng trong hệ thống cân định lượng bao gồm 2 loại tế
bào là loại SFT (Smat Foree Tran Sduer) và tế bào cân Tenzomet.
1.3.1. Nguyên lý tế bào cân số SFT:

Tải trọng cần đo

Cảm biến
nhiệt độ

Ngưỡng hạn
chế
Bộ chuyển đổi

Dây rung

N

N

S

S

Bộ vi sử lý

Giao thức truyền tin nối tiếp
Hình 1.2: Sơ đồ tế bào cân số SFT
Đầu đo trọng lượng là nơi đặt tải cần đo, nó truyền lực tác động trực tiếp của
tải lên một đây dẫn đặt trong từ trường không đổi. Nó làm thay đổi sức căng của
dây dẫn nên dây dẫn bị dao động (bị rung). Sự dao động của dây dẫn trong từ
trường sinh ra sức điện động cảm ứng. Sức điện động này có tác động chặt chẽ
lên tải trọng đặt trên đầu đo.
Đầu cảm biến nhiệt độ xác định nhiệt độ của môi trường để thực hiện việc
chỉnh định vì các phần tử SFT phụ thuộc vào rất nhiều vòng nhiệt độ.

Bộ chuyển đổi : Chuyển đổi các tín hiệu đo lường từ đầu đo thành dạng tín
hiệu số.

6


Bộ xử lý : Xử lý tất cả các tín hiệu thu được và các tín hiệu ra bên ngoài theo
phương thức truyền tin nối tiếp.

Bảng thống kê một số loại tế bào
Tải định mức

20kg

30kg

100kg

120kg

200kg

300kg

Tải cực đại

30kg

45kg

150kg

180kg

300kg

450kg

Phạm vi nhiệt độ -10÷ 60oc -10÷60oc -10÷40oc -10÷60oc -10÷40oc -10÷60oc
cho phép
Giao thức truyền RS 422
RS 422 RS 422 RS 422 RS 422 RS 422
tin nối tiếp với RS 485
RS 485 RS 485 RS 485 RS 485
RS485
bên ngoài
Năng lượng tiêu
1w
1w
1w
1w
1w
1w
thụ
Khoảng ghép nối
500m
500m
500m
500m
500m

500m
Độ phân giải

3,4g

5g

0,0001% 0,0001% 0,0001% 0,0001%

1.3.2. Nguyên lý tế bào cân Tenzomet:

R-ΔR

R +ΔR

UN
R+ΔR

R-ΔR

Ur

Hình 1.3: Sơ đồ cầu cân Tezomet

7


Nguyên lý tế bào cân Tenzomet dựa theo nguyên lý cầu điện trở, 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 Ur=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.
ΔR
Ur=UN *
R
Trong đó: UN - điện áp nguồn cấp cho đầu đo
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 ra 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 U N=10v thì cứ 100kg vật liệu
trên băng LoadCell sẽ chuyển thành 2mv/v tương ứng. Lúc này, điện áp ra của
cầu cân sẽ là Ura=20mv
Bảng thống kê một số tế bào cân Tenzomet
Tải định mức
Tải cực đại
Sai số
Phạm vi điều chỉnh
Nguồn cung cấp

20

30

50 70 100 150 250 300
150% tải định mức
< 0.015%
-10÷400c

-10÷150c

1.3.3. Chuẩn bì:
Sau khi đã chỉnh định cảm biến trọng lượng thì tiến hành chuẩn bì cho cân
bằng cách thực hiện chức năng (chuẩn bì tự động ). Xác định sự trượt của băng
trong lúc trừ bì băng tải rỗng, bộ điều khiển ghi vào bộ nhớ số phân đoạn thực
của băng tải giữa 2 lần quay lại của thiết bị định vị (Belt in dex) và so sánh với
phân đoạn đã ghi trong bộ nhớ. Nếu có sự sai khác tức là đã có sự trượt của băng
trên puly truyền động và bộ điều khiển sẽ báo động.
1.4. Nguyên lý tính lưu lượng của cân băng định lượng:
8


1.4.1. Nguyên lý tính lưu lượng:
Cân băng định lượng (cân băng tải) là thiết bị cung cấp liệu kiểu trọng
lượng.Vật liệu được chuyên trở trên băng tải, mà tốc độ của băng tải được điều
chỉnh để nhận được lưu lượng đặt trước khi có nhiều tác động liên hệ như: liệu
không xuống đều.
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 bôn cảm
biến trọng lượng (LoadCell) chuyển đổi thành tín hiệu điện đưa về bộ xử lý để
tính toán 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 đố tốc độ của băng tải được đo bằng cảm biến tốc độ có liên hệ dộng
học với động cơ.
Tốc dộ băng tải V (m/s) là tốc độ của vật liệu được truyền tải. Tải của
băng truyền là trọng lượng vật liệu được truyền tải trên một đơn vị chiều dài ∂
(kg/m).
Cân băng tải có bộ phận đo trọng lượng để đo ∂ và bộ điều khiển để điều chỉnh

tốc độ băng tải sao cho điểm đổ liệu, lưu lượng dòng chảy liệu bằng giá trị đặt
do người vận hành đặt trước.
Bộ điều khiển đo tải trọng trên băng truyền và điều chỉnh tốc độ băng đảm bảo
lưu lượng không đổi ở điểm đổ liệu.
Q=ƍ*V
Trọng lượng tổng trên băng là lực F c(N) được đo bởi hệ thống cân trọng lượng
và ∂ tính theo biểu thức:
ƍ

=

FC
L
g
2

trong đó : L- chiều dài của cầu cân
g - gia tốc trọng trường (g=9,8 m/s2)
Lực hiệu dụng Fm(N) do trọng lượng của vật liệu trên băng tải gây nên:
9


Fm =Fc – F0
Trong đó : F0 – là lực đo trọng lượng của băng tải cả con lăn và giá đỡ cầu cân
Tải trên băng truyền có thể tính là:
ƍ=S*γ

Trong đó : γ - khối lượng riêng của vật lỉệu (kg/m3)
S - tiết diện cắt ngang của vật liệu trên băng (m2)
Do đó lưu lượng có thể tính là:

Fc * V 2 Fc * V
=
Q= Lg
L* g
2

1.4.2. Đo trọng lượng liệu trên băng tải:
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 ).
Bộ điều khiển xác định trọng lượng của liệu nhờ trừ bì tự đông 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.
1.5. Khái quát về điều chỉnh cấp liệu cho cân băng:
10


Việc điều chỉnh cấp liệu cho băng cân định lượng chính là điều chỉnh lưu
lượng liệu cấp cho băng cân.
*Thực hiện bằng 3 phương pháp:

- Phương pháp 1: Điều chỉnh cấp liệu kiểu trôi
Phương pháp này điều chỉnh cấp liệu bằng tín hiệu của sensơr cấp liệu kiểu trôi
để điều khiển 5 thiết bị cấp liệu.
Vị trí của sensơr cấp liệu theo kiểu trôi được đặt ở phía cuối của ống liệu.
- Phương pháp 2: Điều chỉnh cấp liệu liên tục.
Phương pháp này điều chỉnh cấp liệu liên tục cho băng cân định lượng sử
dụng bộ điều chỉnh PID để điều chỉnh cấp liệu (có thể là van cấp liệu hoặc van
quay) để đảm bảo cho lượng tải trên một đơn vị chiều dài băng tải là không đổi.
Bộ PID có tác dụng điều chỉnh nếu lưu lượng thể tích của liệu trên băng thay đổi
theo phạm vi ±15% và bộ PID chỉ hoạt động sau khi băng đã hoạt động.
* Nhận xét 2 phương pháp trên:
Hai phương pháp trên điều chỉnh cấp liệu khác hẳn nhau về bản chất. Xét
về độ chính xác điều chỉnh thì phương pháp 2 hơn hẳn phương pháp 1, thời gian
điều chỉnh nhỏ, thiết bị cấp liệu làm việc ổn định không bị ngắt quãng, nhưng
phạm vi điều chỉnh không rộng. Phương pháp 1 đơn giản hơn, phạm vi điều
khiển rộng hơn và có thể dược đặt bởi người sử dụng, nhưng trong phạm vi điều
chỉnh thiết bị phải làm việc gián đoạn thì ảnh hưởng không tốt đến tuổi thọ của
thiết bị.
- Phương pháp 3: Điều chỉnh mức vật liệu trong ngăn xếp:
Phương pháp điều chỉnh mức liệu trong ngăn xếp có thể coi là sự kết hợp của
2 phương pháp trên : phương pháp điều chỉnh gián đoạn và điều chỉnh liên tục.
Phương pháp này tận dụng những ưu điểm và khắc phục nhưng nhược điểm của
2 phương pháp trên và được thiết kế đặc biệt cho các băng cân định lượng.

11


Chương 2
THIẾT KẾ ĐỘNG LỰC CHO
CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG

CÓ CÔNG SUẤT 40 ÷60 T/h

12


2.1. Hoạt động của cân băng:

LoadCell

Hộp giảm tốc Máy phát tốc Đcơ KĐB

Nt

MÁY
FÁT
XUNG

FT

M

AC

BỘ
KHUYẾCH
ĐẠI

P
BỘ ĐIỀU
KHIỂN

BIẾN
TẦN

V

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lượng
Động cơ sử dụng là động cơ không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc, tốc độ của
động cơ đo được nhờ sensơr đo tốc độ (máy fát xung).
Số xung phát ra từ máy phát xung tỷ lệ với tốc độ động cơ và được đưa về bộ
điều khiển.
Bộ điều khiển (dùng vi xử lý) điều chỉnh tốc độ của băng tải và lưu lượng liệu
ở điểm đổ liệu sao cho tương ứng với giá trị đặt.
Bộ cảm biến trọng lượng (LoadCell) biến đổi trọng lượng nhận được trên băng
thành tín hiệu điện đưa về bộ khuyếch đại.

13


2.1.1. Cấu trúc điều khiển cân :
Bộ khuyếch đại sẽ khuyếch đại các tín hiệu nhận được từ tế bào cân và đưa về
bộ điều khiển. Tín hiệu thu được là tải trọng tức thời mà tế bào cân đo được kết
hợp với tín hiệu nhận được từ máy phát xung để xác định khoảng thời gian
(khoảng thời gian trễ) mà đoạn băng đó đi từ tế bào cân đến điểm xả.
Sau khoảng thời gian trễ lưu lượng tại điểm xả của cân định lượng là kết quả
của tích số giữa lượng tải trên một đơn vị chiều dài của băng (đo được lúc đi qua
tế bào cân) với tốc độ hiện thời của đoạn băng đó.
Việc tính toán và điều chỉnh sai lệch giũa lưu lượng đặt và lưu lượng thực do
bộ điều chỉnh P trong bộ điều khiển thực hiện, bộ này sẽ khuyếch đại và triệt
tiêu sai lệch ở chế độ tĩnh. Tín hiệu đầu ra của bộ tỷ lệ P được đưa đến điều

khiển biến tần động cơ làm cho tốc độ của động cơ truyền động băng tải thay
đổi sao cho lưu lượng tại điểm xả liệu tương đương với lưu lượng đặt.
2.1.2. Thông số kỹ thuật của cân:
Dài

3910mm

Rộng

1250mm

Mặt băng:
Cao

650mm
1150mm

Lưu lượng

40-60T/h

Tốc độ của băng:

0,5-1ms

14


2.2. Tính chọn công suất động cơ cho băng cân:
2.2.1. Sơ đồ cầu trúc hệ truyền động:

Bánh răng 2
Hộp giảm tốc
i1 n2
Bánh răng 1

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động
Cho biết các thông số:
Tốc độ động cơ

:

Hiệu suất hộp số :

nd : 970 v/p
η2 : 0,8

Tỷ số truyền giữa băng răng 1 và 2
i=

40
= 1,5
26

Tốc độ của băng truyền :V=1m/s
Tìm tốc độ góc của động cơ:
ωd=

970
nd

2 * 3,14 = 102,5 Rad/s
2π =
60
60

Tốc độ của bánh răng 2(tốc độ của puly chủ động) ω 2
ω2=

V
π *D

1

= 3,14 * 0,32 = 0,99Rad/s

Trong đó D là đường kính bánh răng 2 D=0,32m
Tốc độ của bánh răng 1 : ω 1
ω 1 = i* ω 2 = 1,5*0,99 =1,49 Rad/s

Tỷ số truyền của hộp số: i1
ω

102,5

d
i1 = ω = 1,49 = 68,8
1

15

Động cơ
nđ


Tỷ số truyền giữa puly và động cơ:
ω

102,5

d
i2 = ω = 0,99 = 103,5
2

2.2.2. Tính trọn công suất động cơ:
F1 * V

P1 = η * η
1
2
Trong đó η1 là hiệu suất băng tải η1=0,8
F1 là lực của trọng lượng tổng trên băng
F1= L*g* ƍ
L chiều dài của băng L=2,8m
ƍ =

Q
60
=
= 16,6kg / m
V 3600 * 1

g- gia tốc trọng trường g=9,8m/S
F1= 2,8*9,8*16,6=455,6 N
455,6 * 1

P1 = 0,8 * 0,8 = 711,8 w
Vậy ta chọn công suất cho động cơ là 0,75k w
2.3. Tính chọn LoadCell:
Khi có tải chạy trên băng thì mô men lực của tải trọng sẽ được cân bằng
với mômen lực của đối trọng và LoadCell.

16


F0

F2
l2

F1
L0

l1

LoadCell

Hình 2.3: cấu trúc cầu cân bằng mô men lực
Dựa vào công thức tính tổng hợp momen lực:
F0L0 = F1L1 + F2L2
Trong đ ó : F0 là lực của tải trọng tác động lên cầu cân

F1 là lực của LoadCell
F2 là lực của đối trọng
L0 là khoảng cách (cánh tay đòn ) t ừ tải đến puly L0 =0,16m
l1 là khoảng cách (cánh tay đòn) từ puly đến LoadfCell l1=0,12m
l2 là khoảng cách (cánh tay đòn ) từ đối trọng đến puly, l2=0,20m
Suy ra ta có :
F0 =

F1 L1 + F2 L2 m1 .a1 .l1 + m2 .a 2 .l 2
=
L0
L0

Ở đây LoadCell và đỗ trọng được nối cứng với nhau nên coi a1=a2=1
F0 =

F ..L − m2 .l 2
m1 .l1 + m2 l 2
↔ m1 = 0 0
L0
l1

(*)

Trong đó: m1: Là khối lương của LoadCell
m2: Là khối lượng của đối trọng chọn loại 8kg
Năng suất của băng là: 60T/h
tốc độ truyền là:

V=1m/p

khi đó vật liệu được truyền tải trên 1 đơn vị chiều dài là

17


ƍ=

Q
60000
=
= 16,7 kg / m
V 3600 * 1

Trọng lượng tổng trên băng là lực F 0(N) được đo bởi hệ thống cân trọng
lượng và σ được tính theo biểu thức:
ƍ

=

F0
L1
*g
2

trong đó L1 - chiều dài của cân
g - là gia tốc trọng trường
suy ra :
F0= ƍ *
M1=

σ*

L1
* g thay vào phương trình (* )
2

L1
0.8
* g * Lo − m2 * l 2 16,7
* 9,8 * 0,16 − 8 * 0,20
2
2
=
= 74kg
l1
0,12

2.2.3. Tính chọn biến tần:
Từ công suất động cơ ta có được công suất động cơ như sau:
theo công thức:
Pbt = 1,5* Pdc = 1.5*0,75 = 1,12kw
Do đó ta chọn biến tần SF9 1,5kw do Toshiba sản xuất.
Có các thông số sau:
+ Điện áp : 400v
+ Tần số

: 50 Hz

+ Dòng điện : 2,4A

18


Chương 3
XÂY DỰNG CẤU TRÚC
HỆ ĐIỀU CHỈNH

19


3.1. Cấu trúc hệ điều chỉnh:
LoadCell

Hộp giảm tốc
nt

động cơ

FT

M

nd
MÁY
FÁT
XUNG

BỘ KHUYẾCH
ĐẠI

nguồn 3 pha

BIẾN
TẦN

BỘ
ĐIỀU
KHIỂN

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển:
Tín hiệu nhận được từ LoadCell được bộ khuyếch đại khuyếch đại và đưa về bộ
vi xử lý để sử lý.
Tốc độ của động cơ được máy fát xung chuyển thành xung đưa về bộ biến đổi
xung rồi đưa qua bộ điều khiển.
bộ điều khiển sẽ so sánh tốc độ và trọng lượng với lượng đặt và điều chỉnh biến
tần để quay động cơ.
3.2. Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần:
3.2.1. Khái quát về động cơ không đồng bộ:
Động cơ không đồng bộ (KĐB) có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo vận hành đơn
giản an toàn, sử dụng trực tiếp từ lưới điện xoay chiều 3 pha nên động cơ KĐB
được 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. Trước đây do các hệ thống truyền
động động cơ KĐB có điều chỉnh tốc độ lại chiếm tỷ lệ nhỏ do việc điều chỉnh
20


tốc độ động cơ KĐB khó khăn hơn nhiều so vởi động cơ 1 chiều. Ngày nay do
việc phát triển của công nghệ chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật tin học. Nên
động cơ KĐB phát triển và dần có xu hướng thay thế động cơ 1 chiều trong các

hệ truyền động.
Khác với động cơ 1 chiều, động cơ KĐB được cấu tạo bởi phần cảm và
phần ứng không tách biệt. Từ thông động cơ cũng như mômen động cơ sinh ra
phụ thuộc vào nhiều tham số. Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện
động cơ KĐB là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh.
Phương trình đặc tímh:
M=

3U 1 * R2
ω*s*

Trong đó :ω1- là tốc độ góc của từ trường quay ω1 =
với

2n * f 1
p

f1 - là tần số điện áp của Stator
p - là số đôi cực
U1- trị số hiệu dụng điện áp pha của stator
R1- điện trở cuộn dây của stator
R2- điện trở rotor đã quy đổi về stator
Xnm - điện kháng ngắn mạch
ω1 − ω

S - hệ số trượt của động cơ

S= ω
1

với ω - hệ số góc của động cơ
phương trình trên cho ta thấy M = f (s) phụ thuộc vào các đại lượng U 1,ω1,R2.
Tương ứng với các đại lượng ta có 4 phương pháp để điều chỉnh điện áp
như sau:
- Phương pháp điều chỉnh mạch rotor.
- Điều chỉnh điện áp Stator cấp cho động cơ.
- Điều chỉnh công suất trượt
- Điều chỉnh công suất nguồn cấp cho động cơ.
Phương pháp điều chỉnh điện áp stator và điều chỉnh Rotor áp dụng chủ yếu
cho việc điều khiển động cơ KĐB 3 pha rotor lồng sóc trước đây rất khó thực
21


hiện. Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ 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 pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ trong
phạm vi rộng với độ chính xác cao.
Tốc độ động cơ được tính theo công thức:
n1=

60 * f 1
p

Từ công thức trên cho ta thấy việc điều chỉnh động cơ KĐB phụ thuộc vào sự
biến đổi tần số lưới điện. khi điều chỉnh tần số thì tốc độ động cơ cũng thay
đổi theo.
Khi thay đổi tần số lưới điện cùng với việc bỏ qua điện trở dây quấn stator, tức
là coi R1=0 thì mômen tới hạn đạt cực đại :
M th =

3U 12
3U 12
=
2n1
2ω1 * X n
* Xn
9.55

Trong đó:
Xn = ω1* Ln
 M th =
Đặt

a=

3U 12 * P 2
2(2π ) 2 * f 12 * Ln

3P 2
= const
2(2π ) 2 * Ln

 M th = a

3U 12
f 12

Biểu thức trên cho thấy khi tăng tần số nguồn (f 1> f1dm) mà giữ nguyên U1
1

thì momen tới hạn cực đại M th ~ f 2 sẽ giảm rất nhiều. Do đó, khi thay đổi tần
1
số f1 thì nên thay đổi đồng thời cả điện áp U 1 theo một quy luật nhất định để đảm
bảo sự làm việc tương ứng giữa momen động cơ và momen phụ tải (hay tránh
tình trạng động cơ bị quá dòng). Tức là tỷ số giữa momen cực đại của động cơ
và momen phụ tải tĩnh đối với các đặc tính cơ là hằng số:

22


=

M th
=const
M

Trng hp tn s gim (f1< f1dm) nu gi nguyờn in ỏp U1 thỡ momen
v dũng in ng c s tng rt ln. Nờn khi gim tn s thỡ phi gim in ỏp
theo mt quy lut nht nh sao cho ng c sinh ra c momen nh trong ch
nh mc.
Đặc tính cơ khi f1< f1dm với điều kiện từ thông = const (hoặc gần đúng
giữa

U1
= const thì Mth đợc giữ không đổi ở vùng f1< f1dm
f1


11
12

1

f1 > f1m

f11

f12

m

13

f1m

14

F13

0

F14

f1 < f1m
M

Hình 3.2. Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ không đồng bộ
3.2.2. Điều chỉnh tần số động cơ bằng biến tần:
Muốn điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi tần số ta phải có
một bộ nguồn xoay chiều có thể điều chỉnh tần số điện áp một cách đồng thời
thông qua một biến tần.

Để tạo ra các bộ biến tần có U và f thay đổi đợc ngời ta đã thiết kế ra
nhiều loại biến tần nhng trong đồ án này ta chỉ xét đến bộ biến tần nguồn áp làm
việc theo nguyên lý điều biến độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation).
Bộ biến tần này đáp ứng đợc yêu cầu điều chỉnh, đồng thời nó còn tạo ra đợc
điện áp và dòng điện gần giống hình sin.

23


K
D1

D3

D5

T1
A

C
D4

D6

D7

D2

D9

B

T4

L,R

T3

D10

ia

T5

D11

C

T6

D12

T2

ib

D8

ic

Hình 3.3. Sơ đồ mạch lực bộ biến tần nguồn áp dùng Tranzitor
Dùng phơng pháp PWM ta có giản đồ điện thế và điện áp pha A nh sau:

3/2
/
2

0



0

3/2
0

/
2

2



Hình 3.4 Phơng pháp PWM

24

2

0

- Sơ đồ biến tần ba pha dùng Tranzitor gồm:
Bộ nghịch lu biến đổi điện áp một chiều từ nguồn cấp thành điện áp xoay
chiều có tần số biến đổi đợc. Điện áp xoay chiều qua bộ lọc và đa vào sơ đồ cầu
Tranzitor.
Sơ đồ biến tần Tranzitor ba pha dùng 6 Tranzitor công suất T 1 ữT6 và 6
điốt T7 ữT12 đấu song song ngợc với các Tranzitor tơng ứng.
Tín hiệu điều khiển Vb đợc đa vào bazơ của Tranzitor có dạng chữ nhật,
chu kỳ là 2, độ rộng là /2.
Khi

Vb = 0 --> Tranzitor bị khóa
Vb = 1 --> Tranzitor mở bão hòa

Các Tranzitor đợc điều khiển theo trình tự 1,2,3,4,5,6,1...
Các tín hiệu điều khiển lệch nhau một khoảng bằng /3.

25