Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển ổn định liên tục áp suất thủy tĩnh

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.07 MB, 90 trang )

MỤC LỤC
MỤC LỤC.....................................................i
MỤC LỤC HÌNH ẢNH...........................................iv
MỤC LỤC BẢNG BIỂU.........................................vii
LỜI NÓI ĐẦU..............................................viii
........................................................viii
KHÁI QUÁT CHUNG............................................ix
1. Lý do chọn đề tài: ................................... ix
2.Phương pháp nghiên cứu................................. ix
3.Đối tượng nghiên cứu................................... ix
4.Mục tiêu............................................... ix
5.Mục đích nghiên cứu.................................... ix
6.Phạm vi nghiên cứu...................................... x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI..............................11
........................................................ 11
1.1.Áp suất ............................................. 12
1.1.1.Định nghĩa áp suất...............................12
1.1.2.Phương

pháp đo áp suất..........................13

1.1.3.Thiết bị đo áp suất..............................13
1.2.Biến tần MM 440...................................... 15
1.2.1.Nguyên tắc hoạt động.............................16
1.2.2.Các tính chất.................................... 16
1.2.3. Các thông số kỹ thuật của biến tần MM440........17
1.2.4.Một số ứng dụng của biến tần MM 440..............18
1.3.Động cơ không đồng bộ ba pha.........................19
1.3.1.Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha.............19
1.3.2.Nguyên lý làm việc...............................21
1.4.Bơm thủy lực......................................... 22

1.4.1. Bơm bánh răng .................................. 22
1.4.2.Bơm piston....................................... 23
1.4.3.Bơm cánh gạt..................................... 24
1.5.Van thủy lực......................................... 24
1.5.1.Van điều khiển bằng tay..........................24
1.5.2.Van an toàn...................................... 24
1.6.Một số thiết bị linh kiện sử dụng để thiết kế bộ điều
khiển.................................................... 25

i

1.6.1. IC Lm 324....................................... 25
1.6.2.PLC S7 – 300..................................... 26
1.6.3.Vi điều khiển AVR................................33
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU KHIỂN....................36
2.1.Bộ điều khiển........................................ 36
2.1.1. Điều khiển vòng hở..............................36
2.1.2. Điều khiển vòng kín.............................36
2.1.3.Ưu điểm của điều khiển vòng kín so với điều khiển
vòng hở................................................ 38
2.2.Xác định tham số bộ điều khiển PID...................38
2.2.1.Phương pháp Ziegler – Nichols....................39
2.2.2.Phương pháp Chien – Hrones –Reswick..............40
2.3.Kết quả đo thực nghiệm trên mô hình..................41
2.3.1.Đối với hệ hở.................................... 41
CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN,THIẾT KẾ MẠCH...........................45
3.1.Mạch PID tương tự.................................... 45
3.1.1.Sơ đồ nguyên lý mạch.............................45
3.1.2.Mạch nguồn....................................... 46

3.1.3.Khối công tắc chuyển mạch........................47
3.1.4.Mạch tạo setpoint................................47
3.1.5.Mạch phản hồi ................................... 48
3.1.6.Mạch so sánh..................................... 48
3.1.7.Mạch tỉ lệ P..................................... 49
3.1.8.Mạch tích phân I................................. 50
- Sơ đồ mạch:.......................................... 50
3.1.9.Mạch vi phân D................................... 51
3.1.10.Mạch cộng tổng.................................. 51
3.2.Mạch PID số.......................................... 53
3.2.1.Sơ đồ nguyên lý.................................. 53
3.2.2.Mạch nguồn....................................... 54
3.2.3.Mạch tạo điện áp set point.......................54
3.2.4.Mạch phản hồi.................................... 54
3.2.5.Mạch vi điều khiển...............................55
3.2.6.Mạch hiển thị LCD................................56
3.2.7.Mạch chuyển đổi và khuếch đại....................56
...........................................................57
3.2.8.Lưu đồ thuật toán................................58

ii

3.3. PID trong PLC....................................... 61
3.3.1.Khai báo phần cứng...............................61
3.3.2.Sơ đồ kết nối phần cứng..........................63
3.3.3.Lập bảng Symbol.................................. 65
3.3.4.Thuật toán điều khiển PID........................66
3.4.Hình ảnh về sản phẩm................................. 67
3.5.Tính toán lựa chọn thiết bị.......................... 68

3.5.1.Lựa chọn và cài đặt biến tần.....................68
3.5.2.Lựa chọn bơm thủy lực............................71
3.5.3. Lựa chọn động cơ ba pha.........................71
3.5.4.Lựa chọn cảm biến áp suất........................71
3.5.5. Lựa chọn van.................................... 73
3.5.6.Lựa chọn thùng dầu...............................74
CHƯƠNG 4:KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................75
4.1.Những khó khăn khi thực hiện đề tài..................75
4.2.Cách khắc phục....................................... 75
4.3.Kết quả đạt được và hạn chế.......................... 75
4.3.1.Kết quả đạt được................................. 75
4.3.2.Những hạn chế ................................... 75
4.4.Kết luận và kiến nghị................................ 75
4.5.Hướng phát triển của đề tài.......................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................77
PHỤ LỤC....................................................78
Phụ lục 1: Chương trình vi điều khiển mạch PID số........78
Phụ lục 2: Chương trình PID trong PLC....................88

iii

MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1.Mô hình tổng quát của hệ thống....................11
Hình 1.2.Sơ đồ khối cảm biến áp suất.......................14
Hình 1.3.Đồng hồ đo áp suất................................15
Hình 1.4.Biến tần MM 440...................................16
Hình 1.5: Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha.............20
Hình 1.6: Rôto kiểu dây quấn (a) và sơ đồ mạch điện tương ứng
...........................................................21

Hình 1.7: Rôto kiểu lồng sóc...............................21
Hình 1.8.Bơm bánh răng.....................................23
Hình 1.9.Bơm Piston........................................23
Hình 1.10. Bơm cánh gạt....................................24
Hình 1.11.Van điều chỉnh bằng tay..........................24
Hình 1.12.Van an toàn......................................25
Hình 1.13.Hình ảnh và sơ đồ chân LM 324....................25
Hình 1.14.Cấu trúc một thanh Rack của PLC S7-300...........27
Hình 1.15. Hình ảnh module CPU 312C........................27
Hình 1.16.Hình ảnh thực tế các module mở rộng của PLC S7-300
...........................................................28
Hình 1.17.Vòng quét chương trình...........................30
Hình 1.18.Quá trình chuyển đổi ADC (analog to digital
conveter)..................................................31
Hình 1.19.Modul Analog của CPU 313C........................32
Hình 1.20.Sơ đồ khối của Module vào ra số của CPU 313C.....32
Hình 1.21.Sơ đồ chân của Atmega 16.........................34
Hình 2.1.Sơ đồ khối bộ điều khiển PID......................37
Hình 2.2.Đặc tính yêu cầu sau điều chỉnh của bộ PID........39
Hình 2.3.Các dạng đặc đặc tính của y(t) theo phương pháp
Ziegler-Nichols 1..........................................39
Hình 2.4.Các dạng đặc tính của H(t) theo phương pháp ZieglerNichols 2..................................................40
Hình 2.5.Khảo sát với hệ thống hở..........................42
Hình 2.6.Khảo sát đối với hệ thống kín.....................43
Hình 3.1.Sơ đồ nguyên lý tổng thể
mạch PID tương tự..........................................46
Hình 3.2.Sơ đồ mạch board..................................46
Hình 3.3.Mạch nguồn .......................................46

iv

Hình 3.4.Công tắc chuyển mạch..............................47
Hình 3.5.Mạch tạo Setpoint.................................48
Hình 3.6.Mạch phản hồi.....................................48
Hình 3.7.Mạch so sánh......................................49
Hình 3.8.Mạch tỷ lệ P......................................49
...........................................................50
Hình 3.9.Mạch tích phân I..................................50
Hình 3.10.Mạch vi phân D...................................51
Hình 3.11.Mạch cộng tổng...................................52
Hình

3.12.Sơ đồ nguyên lý mạch PID số.....................53

...........................................................53
Hình 3.13.Mạch nguồn PID số................................54
Sử dụng IC ổn áp 7805 tạo nguồn 5V cung cấp cho vi điều khiển
Atmega 16..................................................54
Hình 3.14.Mạch tạo setpoint mạch PID số....................54
Hình 3.15.Mạch phản hồi(FB) mạch PID số....................54
Hình 3.16. Mạch vi điều khiển..............................55
Hình 3.17.Mạch hiển thị....................................56
Hình 3.18.Mạch chuyển đổi và khuếch đại....................56
Hình 3.19.Lưu đồ thuật toán chương trình chính.............58
Hình 3.20. Lưu đồ thuật toán nhập thông số PID.............60
Hình 3.21.Khai báo phần cứng...............................61
Hình 3.22.Khai báo thời gian ngắt trong OB 35..............62
Hình 3.23.Khai báo dạng tín hiệu đưa vào Analog............62
Hình 3.24. Khai báo dạng tín hiệu đưa ra từ modul Analog...63

Hình 3.25.Sơ đồ kết nối phần cứng..........................65
Hình3.26.Bảng Symbol.......................................65
Hình 3.27.Lưu đồ thuật toán bộ PID trong PLC...............66
Hình 3.28.Hình ảnh mô hình.................................67
...........................................................68
Hình 3.29.Mặt bảng điều khiển..............................68
Hình 3.30.Bơm bánh răng ăn khớp ngoài......................71
Hình 3.31.Cảm biến áp suất Sensys M5156

- 10286X - 10BG..72

Hình 3.32.Đồ thị thể hiện đường đặc tính dòng điện phụ thuộc
vào áp suất................................................73
Hình 3.33.Van điều chỉnh bằng tay..........................73
Hình 3.34.Van an toàn......................................74

v

vi

MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số đơn vị đo áp suất.........................12
Bảng 1.2. Các thông số kỹ thuật của biến tần MM 440........17
Bảng 2.1.Yêu cầu chất lượng cho các tham số điều khiển theo
phương pháp Ziegler-Nichols 1..............................39
Bảng 2.2.Bảng yêu cầu chất lượng cho các tham số điều khiển
theo phương pháp Ziegler - Nichols 2.......................40
Bảng 2.3.Lựa chọn bộ điều khiển theo phương pháp Chien Hrones - Reswick ..........................................40

Bảng 2.4.Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có độ quá
điều chỉnh.................................................41
Bảng 2.5.Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều
chỉnh không quá 20%........................................41
Bảng 2.6.Kết quả đo thực nghiệm với hệ thống hở khi đóng van.
...........................................................42
Bảng 2.7.Kết quả đo thực nghiệm với hệ thống hở khi mở van.42
Bảng 2.8.Kết quả đo thực nghiệm với hệ thống kín...........44
Bảng 3.1. Bảng thông số cài đặt biến tần MM 440............68
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của cảm biến Sensys M5156 –
10286X – 10BG..............................................72

vii

LỜI NÓI ĐẦU
Trong sự nghiệp giáo dục của nước ta hiện nay mục tiêu là giáo dục và đào
tạo ra những con người có đủ đức đủ tài,có văn hóa, có kỹ năng kỹ xảo nghề
nghiệp và có thái độ ứng xử tốt phục vụ tốt cho sự nghiệp công nghiệp hóa hiện
đại hóa xây dựng nước nhà. Để đạt được mục đích đó thì thế hệ trẻ đặc biệt là
sinh viên phải luôn chủ động tìm hiếu nghiên cứu và ứng dụng những thành tựu
khoa học mới, cùng những nhu cầu ứng dụng thực tế cấp thiết của nền công
nghiệp nước nhà.
Là những sinh viên năm cuối được làm đồ án tốt nghiệp là cơ hội cho chúng
em tìm hiếu thêm về kiến thức thực tế củng cố những kiến thức đã học,từ
những yêu cầu của thực tế nhóm chúng em đã được nghiên cứu về đề tài:
“Điều khiển ổn định liên tục áp suất thủy tĩnh”.
Đề tài đề cập đến một lĩnh vực đang ứng dụng rất phổ biến trong công
nghiệp nhưng lại là kiến thức mới đối với sinh viên. Đề tài chúng em được chia
ra thành 4 chương :

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Cơ sở tính toán và thực nghiệm hệ thống

Chương 3: Tính toán thiết kế mạch.

Chương 4: Kết luận

Phụ lục.
Nhờ có sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Phúc Đáo và các thầy cô

trong khoa đã tạo điều kiện giúp đỡ để nhóm em hoàn thành được đề tài này. Tuy
nhiên, do kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm còn thiếu nên không tránh khỏi
những sai sót, rất mong sự chỉ bảo và góp ý của thầy cô và các bạn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hưng Yên, tháng 06 năm 2014.

viii

KHÁI QUÁT CHUNG
1. Lý do chọn đề tài:
Hiện nay trong thực tế các hệ thống điều khiển áp suất được áp dụng rất
rộng rãi như các hệ thống điều khiển áp suất trong cung cấp nước sạch,duy trì
áp suất trong lò hơi, trong bảo quản, chế biến thực phẩm,trong khai thác dầu,
trong nhà máy bia, trong y tế…
Chính vì vậy chúng em đã lựa chọn đề tài: “Điều khiển ổn định liên tục
áp suất thủy tĩnh” là đề tài nghiên cứu tốt nghiệp.
2.Phương pháp nghiên cứu.
  Nghiên cứu tài liệu, tìm hiểu trên internet
  Nghiên cứu bằng thực nghiệm
3.Đối tượng nghiên cứu.
  Nghiên cưu tim hiêu tông quan cac hê thông điêu khiên ap suât trong th
́ ̀
̉
̉
́ ̣
́
̀
̉ ́
́
ực tê.́
  Tìm hiểu và nghiên cứu cac ph
́ ương phap điêu khiên,
́
̀
̉ ứng dung cac bô điêu
̣
́ ̣ ̀

khiên PID.
̉
Tim hiêu, nghiên c
̀
̉
ứu về biến tần siemen MM 440.
Tìm hiểu về lập trình PID trong PLC, lập trình vi điều khiển.
4.Muc tiêu.
̣
Đê tai cua chung em nghiên c
̀ ̀ ̉
́
ứu cân đat đ
̀ ̣ ược môt sô muc tiêu sau:
̣ ́ ̣
Thiêt kê chê tao mô hinh đo va ôn đinh ap suât.
́ ́ ́ ̣
̀
̀ ̉
̣
́
́
Xây dựng được thuât toan đê điêu khiên ap suât theo l
̣
́ ̉ ̀
̉ ́
́
ượng đăt mong muôn.
̣
́

Ap dung bô điêu khiên PID đê điêu khiên hê thông, s
́ ̣
̣ ̀
̉
̉ ̀
̉
̣
́
ử dung lân l
̣
̀ ượt cac bô điêu
́ ̣ ̀
khiên PID sô, PID t
̉
́
ương tự va bô thông sô PID trong modul Analog cua PLC đê
̀ ̣
́
̉
̉
điêu khiên hê thông.
̀
̉
̣
́
So sanh cac bô điêu khiên trên vê đăc điêm ky thuât, kinh tê va đô tin cây.
́
́ ̣ ̀
̉
̀ ̣

̉
̃
̣
́ ̀ ̣
̣
5.Mục đích nghiên cứu.
Thực hiện đề tài: “Điều khiển ổn định liên tục áp suất thủy tĩnh” giúp cho
chúng em áp dụng được những kiến thức đã học và khả năng thực tế vào việc
tính toán lựa chọn thiết bị, linh kiện cho phù hợp, ngoài ra còn giúp cho chúng em
ix

tiếp cận được những tri thức mới, những tri thức đó chính là hành trang cho
chúng em sau khi ra trường.
6.Phạm vi nghiên cứu.
Với giới hạn của đề tài, chúng em đi sâu vào nghiên cứu những vấn đề chính sau
đây:
Tìm hiểu về đối tượng điều khiển
Tìm hiểu về các bộ điều khiển PID số, PID tương tự, PID trong PLC.
Tìm hiểu về biến tần MM 440.
Tìm hiểu về PLC S7 300, modul Analog trong PLC.

Tìm hiểu về AVR.

x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Từ yêu câu cua đê tai la: Xây d
̀ ̉

̀ ̀ ̀
ựng thuât toan điêu khiên PID cho hê thông
̣
́
̀
̉
̣
́
điêu khiên va ôn đinh ap suât. Qua viêc nghiên c
̀
̉
̀ ̉
̣
́
́
̣
ứu, tim hiêu cac hê thông thuy l
̀
̉
́ ̣
́
̉ ực
trong thực tê chung em xây d
́ ́
ựng sơ đô tông quat cua hê thông nh
̀ ̉
́ ̉
̣
́
ư hinh 1.1.

̀

BÔ ĐIÊ
̣
̀U
KHIÊN
̉

Tín hiêu phan
̣
̉
hồi từ cam
̉
biến

Van xa bă
̉ ̀ng tay
P

Đồng hồ
cơ
BIẾN
TẦN

ĐÔNG
̣
CƠ BA
PHA

BƠM

THUY L
̉
ỰC

Van an toàn

THÙNG
CHỨA
DẦU
Hinh 1.1.Mô hinh tông quat cua hê thông
̀
̀
̉
́ ̉
̣
́
Trong mô hinh trên gôm co:
̀
̀
́
Bô điêu khiên
̣ ̀
̉
Biên tân
́ ̀
Đông c
̣
ơ không đông bô ba pha
̀
̣

Bơm thuy l
̉ ực
Cam biên ap suât
̉
́ ́
́
Van thủy lực.

Để hiểu rõ hơn về mô hình chúng ta sẽ đi tìm hiểu các thành phần chính có
trong mô hình như bộ điều khiển, biến tần, động cơ, bơm…nhưng trước tiên

11

chúng ta cần hiểu rõ hơn về đối tượng chúng ta cần điều khiển, ổn định đó là áp
suất.
1.1.Ap suât
́
́
1.1.1.Định nghĩa áp suất.
Áp suất là đại lượng có giá trị bằng tỉ số giữa lực tác dụng vuông góc lên
một mặt với diện tích của nó.

P=

dF
dS

Thương số này không phụ thuộc vào định hướng của bề mặt dS mà chỉ
phụ thuộc vào vị trí của nó trong chất lưu.

Đối với các chất lỏng, khí hoặc hơi (gọi chung là chất lưu), áp suất là một
thông số quan trọng xác định trạng thái nhiệt động học của chúng. Trong công
nghiệp, việc đo áp suất chất lưu có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo an toàn
cho thiết bị cũng như giúp cho việc kiểm tra và điều khiển hoạt động của máy
móc thiết bị có sử dụng chất lưu.
 Đơn vị đo áp suất.
Đơn vị chuần Pascal(Pa), ngoài ra còn có nhiều đơn vị đo áp suất khác bar,
kg/cm2, atmosphe, cm cột nước, mmHg, mbar.
l(Pa) = Newton/m2
Thường việc phân chia thang đo của máy đo áp suất được dùng với bội của đơn
vị Pascal.
1 mbar = 102 Pa.
1 bar = 105 Pa.

Bảng 1.1. Một số đơn vị đo áp suất

1 Pa

Pa

bar

1

10−5

1 bar 100000
1 at

1

98 066,5 0.980665

1 atm 101.325

1.01325

at

atm

Torr

psi

1.0197×10−5 9.8692×10−6 7.5006×10−3 145.04×10−6
1.0197

0.98692

750.06

14.504

1

0,96784

735.56

14.223

760

14.696

1.0332

1
12

1 torr 133.322

1.3332×10−3 1.3595×10−3 1.3158×10−3

1

19.337×10−3

1 psi 6 894.76 68.948×10−3 70.307×10−3 68.046×10−3 51.715

1

1.1.2.Phương pháp đo áp suất.
Phương pháp đo áp suất phụ thuộc vào dạng áp suất.
 Đo áp suất tĩnh.
Đo trực tiếp chất lưu thông qua môt điêm trên thành bình.
̣
̉

Đo gián tiếp thông qua biến dạng của thành bình do tác động của áp suất gây

lên.
Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng một cảm biến đặt sát thành bình.
Trong trường hợp này, áp suất cần đo được cân bằng với áp suất thuỷ tĩnh do cột
chất lỏng mẫu tạo nên hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy
cảm với lực do áp suất gây ra. Khi sử dụng vật trung gian để đo áp suất, cảm
biến thường trang bị thêm bộ phận chuyển đổi điện. Để sai số đo nhỏ, thể tích
chết của kênh dẫn và cảm biến phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng
của chất lưu cần đo áp suất.
Trong cách đo thứ hai, người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng
suất để đo biến dạng của thành bình, biến dạng này là hàm của áp suất.
 Đo áp suất động.
Dựa theo nguyên tăc chung là đo hi
́
ệu suất tổng và áp suất tĩnh .
Có thể đo bằng cách đặt áp suất tổng lên màng trước, đặt áp suất tĩnh lên
màng sau của màng đo, tín hiệu đưa ra là đô chênh l
̣
ệch giữa áp suất tổng và áp
suất tĩnh.
1.1.3.Thiết bị đo áp suất.
 Cảm biến áp suất.

Cảm biến áp suất là thiết bị điện tử chuyển đổi tín hiệu áp suất sang tín
hiệu điện, thường được dùng để đo áp suất hoặc dùng trong các ứng dụng có
liên quan đến áp suất. Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất cũng gần giống
như các loại cảm biến khác là cần nguồn tác động (nguồn áp suất, nguồn nhiệt,
… nguồn cần đo của cảm biến loại đó) tác động lên cảm biến, cảm biến đưa giá
trị về xử lý rồi đưa tín hiệu ra.

Áp suất

Cảm
biến

Xử lý

13

Ngõ ra

Hinh 1.
̀
2.Sơ đồ khối cảm biến áp suất
Trong đo:́
Áp suất: Nguồn áp suất cần kiểm tra có thể là áp suất khí, hơi, chất lỏng …

Cảm biến: Là bộ phận nhận tín hiệu từ áp suất và truyền tín hiệu về khối
xử lý. Tùy thuộc vào loại cảm biến mà nó chuyển từ tín hiệu cơ của áp
suất sang dạng tín hiệu điện trở, điện dung, điện cảm, dòng điện … về
khối xử lý.

Khối xử lý: Có chức năng nhận các tính hiệu từ khối cảm biến thực hiện
các xử lý để chuyển đổi các tín hiệu đó sang dạng tín hiệu tiêu
chuẩn trong đo áp suất như tín hiệu ngõ ra dong điên 4 ~ 20 mA, điên ap
̀

̣
̣ ́
0~5 VDC, 0~10 VDC,1 ~ 5 VDC …

Ngo ra: Co thê la dong điên(4 ~ 20 mA) hoăc điên ap(0 ~ 5 VDC, 0 ~ 10
̃
́ ̉ ̀ ̀
̣
̣
̣ ́

VDC, 1 ~ 5 VDC).

 Đồng hồ đo áp suất(áp kế).
Nhiều hệ thống thủy lực và đường ống hoạt động ở một áp suất thiết lập
nào đó để hiệu suất làm việc là tối ưu nhất. Áp kế thủy lực sử dụng để đo áp
suất trong hệ thống chất lỏng, để đảm bảo rằng hệ thống này không rò rỉ hoặc
thay đổi áp suất, những dấu hiệu đó có thể làm ảnh hưởng đến hệ thống. Đồng
hồ đo áp suất thủy lực dùng đo trong các hệ thống dầu, nhiên liệu, máy bơm,máy
nén nước, phanh xe ô tô hoạt động ở áp suất cao.
Một dạng phổ biến của áp kế thủy lực là áp kế dạng ống Bourdon. Dạng này
thường được lắp đặt khá nhiều ở các hệ thống thủy lực của các thiết bị xe, hay
cơ cấu cánh tay trong nhà máy.
Áp kế có nhiều loại với các dải đo khác nhau. Tùy thuộc vào mục đích đo và áp
suất max của hệ thống mà ta lựa chọn loại áp kế cho phù hợp.

14

Hình 1.3.Đồng hồ đo áp suất
Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ đo áp suất dạng này cực kỳ đơn giản:
+ Khi có lưu chất chảy qua (nước, dầu, khí nén…). Lưu chất len vào ống
Bourdon làm ống này giãn ra.
+ Thông qua cơ cấu truyền động làm xoay trục kim đồng hồ giúp hiển thị giá trị
áp suất.
+ Áp lực càng lớn dẫn đến ống bourdon càng giãn ra, kim đồng hồ xoay càng
nhiều.
1.2.Biến tân MM 440.
̀
Trong công nghiêp co nhiêu loai biên tân khac nhau cua cac hang Siemen,
̣
́
̀
̣
́ ̀
́
̉
́ ̃

Danfoss, LS, Delta…trong đê tai chung em l
̀ ̀
́
ựa chon biên tân MicroMaster 440
̣
́ ̀

(MM440) cua hang Siemen.Vi đây la loai biên tân thông dung, phô biên trên thi
̉
̃
̀
̀ ̣
́ ̀
̣
̉
́
̣
trương Viêt Nam v
̀
̣
ơi m
́ ưc gia phu h
́
́ ̀ ợp va đap
̀ ́ ứng được yêu câu công nghê cua đê
̀
̣ ̉
̀
tai.
̀
MM440 chính là họ biến tần mạnh mẽ nhất trong dòng các biến tần tiêu
chuẩn..MM40 là bộ biến đổi tần số dùng điều khiển tốc độ động cơ 3 pha xoay
chiều. Có nhiều loại khác nhau từ 120W nguồn vào 1 pha đến 200kW nguồn vào
3 pha.
Biến tần MM440 với các thông số đặt mặc định của nhà sản xuất, có thể
15

phù hợp với một số ứng dụng điều khiển động cơ đơn giản. Biến tần MM440
cũng được dùng cho nhiều các ứng dụng điều khiển động cơ cấp cao nhờ danh
sách các thông số hỗn hợp của nó.

Hinh 1.
̀
4.Biên tân MM 440.
́ ̀
1.2.1.Nguyên tắc hoạt động
MM440 thay đổi điện áp hay tốc độ cho động cơ xoay chiều bằng cách
chuyển đổi dòng điện xoay chiều cung cấp thành dòng điện một chiều trung gian
sử dụng cầu chỉnh lưu. Sau đó điện áp một chiều lại được nghịch lưu thành điện
áp xoay chiều cung cấp cho động cơ với giá trị tần số thay đổi. Nguồn cung cấp
cho biến tần có thể sử dụng nguồn xoay chiều một pha (cho công suất thấp), hay
sử dụng nguồn xoay chiều ba pha. Phần điện áp một chiều trung gian chính là
điện áp trên các tụ điện, các tụ điện đóng vai trò san phẳng điện áp một chiều
sau chỉnh lưu và cung cấp cho phần nghịch lưu. Điện áp trên tụ không điều khiển
được và phụ thuộc vào điện áp đỉnh của nguồn xoay chiều cung cấp.
Điện áp một chiều được chuyển thành điện áp xoay chiều sử dụng
phương pháp điều chế độ rộng xung(PWM). Dạng sóng mong muốn được tạo
lên bởi sự đóng cắt ở đầu ra của các transistors. MM440 sử dụng các IGBTs
(Insulated Gate Bipolar Transistor) ở mạch nghịch lưu, điện áp xoay chiều mong
muốn đựơc tạo ra bằng cách thay đổi tần số đóng cắt của các IGBTs. Điện áp
xoay chiều ở đầu ra là sự tổng hợp của hàng loạt các xung vuông với các giá trị
khác nhau ở đầu ra của các IGBTs.
1.2.2.Các tính chất.
 Các đặc điểm chính.
Dễ dàng lắp đặt, đặt thông số và vận hành.
Thời gian tác động lặp đến các tín hiệu điều khiển nhanh.

Các thông số hỗn hợp cho phép thực hiện được nhiều ứng dụng.

16

Đấu nối cáp đơn giản.
Có các đầu ra rơ le.
Có các đầu ra tương tự (0 _ 20mA)
6 cổng vào số cách ly NPN/PNP
2 cổng vào tương tự
AIN1: 010V, 020mA và (10V) – (+10V)
AIN2: 010V, 020 mA.
2 đầu vào tương tự có thể dùng như cổng vào số 7 và 8.
Thiết kế các module với cấu hình cực kỳ linh hoạt.
Tần số chuyển mạch cao làm giảm độ ồn của động cơ khi làm việc. Những

chọn lựa ngoài cho truyền thông với PC, panel vận hành cơ bản (BOP), panel
điều khiển cấp cao (AOP) và module kết nối mạng Profibus.
 Các đặc tính làm việc
Điều khiển dòng từ thông để cải thiện tác động và điều khiển động cơ

động.
Giới hạn dòng điện nhanh để làm việc với phần cơ khí dừng tự do.
Kết hợp hãm dùng dòng điện DC.
Hãm kết hợp để cải thiện việc hãm động cơ.
Với chương trình điều khiển thời gian khởi động / dừng động cơ mềm.
Sử dụng chức năng điều khiển vòng kín PI.

 Các đặc tính bảo vệ
Bảo vệ cho cả biến tần và động cơ.

Bảo vệ quá áp và thấp áp.
Bảo vệ quá nhiệt biến tần.
Bảo vệ lỗi nối đất.
Bảo vệ ngắn mạch.
Bảo vệ nhiệt động cơ

1.2.3. Các thông số kỹ thuật của biến tần MM440.
Bảng 1.2. Các thông số kỹ thuật của biến tần MM 440.
Điện áp vào và công suất

200V đến 240V 1 AC ± 10% 0.12 3kW
200V đến 240V 3 AC ± 10% 0.12 45kW
380V đến 480V 3 AC ± 10% 0.37 75kW
200V đến 240V 1 AC ± 10% 0.75 + 75kW
17

Tần số điện vào
Tần số điện ra
Hệ số công suất
Hệ suất chuyển đổi
Khả năng quá tải

47 đến 63Hz
0 đến 650Hz
0.7
96 đến 97%
Quá dòng 1,5X với dòng định mức trong
60 giây ở mỗi 300 giây hay 2X dòng định

Dòng điện vào khởi động
Tần số điều chế xung(PWM)
Tần số cố định
Dải tần số nhảy
Độ phân giải điểm đặt

mức trong 3 giây ở mỗi 300 giây
Thấp hơn dòng điện vào định mức
2kHz đến 16kHz
15, tùy đặt
4, tùy đặt
10 bit analog, 0.01 Hz giao tiếp nối tiếp,

Các đầu vào số

0.01Hz digital
6 đầu vào số lập trình được, cách ly. Có

Các đầu vào tương tự

thể chuyển đổi PNP/NPN
2, 0 tới 10V, 0 tới 20mA và 10 tới +10V,

Các đầu vào rơ le

0 tới 10V, 0 tới 20mA
3, tùy chon chức năng 30VDC/5A,

Các đầu ra tương tự
Cổng giao tiếp nối tiếp

Hãm
Dải nhiệt độ làm việc

250VAC/2A
2, tùy chọn chức năng; 0.25 20mA
RS485, vận hành với USS protocol
Hãm DC, Hãm tổ hợp
CT 10°c đến +50°c

Nhiệt độ bảo quản
Chức năng bảo vệ

VT 10°c đến +40°c
40°c đến +70°c
Thấp áp, quá áp, chạm đất, ngắn mạch,
chốn kẹt, bảo vệ quá nhiệt động cơ, quá
nhiệt biến tần, khóa tham số PIN

1.2.4.Môt sô
̣ ́ứng dung cua biên tân MM 440.
̣
̉
́ ̀
Chiết áp xung (MOP).
Tần số cố định (FF), tạo các tần số cố định đế động cơ làm việc.
Chạy nhấp, tạo ra tần số cố định để chạy nhấp thử động cơ.
Bộ phát hàm tạo độ dốc (RFG), xác định tần số nhảy để tránh các ảnh hưởng

của hiện tượng cộng hưởng cơ học và khử các tần số trong khoảng ± P1101
(dải nhảy tần số).

Các thông số về tần số quy chiếu / giới hạn.

Các thông số về bảo vệ bộ biến tần, như bảo vệ quá tải cho biến tần, cảnh
18

báo nhiệt độ cho biến tần.
Bảo vệ nhiệt cho động cơ. Ngoài việc bảo vệ quá nhiệt cho động cơ, nhiệt độ

động cơ cũng được tính toán trong quá trình hiệu chỉnh dữ liệu sơ đồ mạch
tương đương của động cơ.
Cần nối một nguồn điện áp ngoài 24V
Encoder, sử dụng môdun encoder để phản hồi tốc độ động cơ trong các hệ

thống vòng kín ổn định tốc độ.
Điều khiển v/f, chế độ điều khiển “đặc tính v/f ’ tỷ số giữa điện áp ra của
biến tần với tần số ra của biến tần.
Điều khiển định hướng từ trường (FCC).
Điều khiển vectơ không sensor (SLVC).
Điều khiển vectơ có encoder (VC).
Khởi động bám (Flying start FS).
Khởi động từ.
Phanh hãm cơ khí của động cơ.
Hãm một chiều (DC).
Hãm hỗn hợp.

Hãm động năng
Bộ điều khiển Vdc.
Các khối chức năng tự do (FFB).
Tập dữ liệu lệnh và truyền động.

Thông số chuẩn đoán.

1.3.Động cơ không đồng bộ ba pha.
1.3.1.Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha
Động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế. Ưu
điểm nổi bật của loại này là: cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ rôto lồng
sóc; so với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có giá thành hạ; vận hành
tin cậy, chắc chắn. Ngoài ra động cơ không đồng bộ dùng trực tiếp lưới điện
xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo.
Tuy nhiên, nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và
khống chế các quá trình quá độ khó khăn; riêng đối với động cơ rôto lồng sóc có
các chỉ tiêu khởi động xấu hơn.
Xét về mặt cấu tạo, người ta chia động cơ không đồng bộ làm hai loại:
19

Động cơ rôto dây quấn và động cơ rôto lồng sóc.
Cấu tạo động cơ không đồng bộ được trình bày trên (hình 1.5) gồm hai bộ
phận chủ yếu là stato và rôto, ngoài ra  còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy.
1: Lõi thép stato
2: Dây quấn stato
3: Nắp máy
4: Ổ bi
5: Trục máy
6: Hộp đầu cực
7: Lõi thép rôto
8: Thân máy
9: Quạt gió làm mát
10: Hộp quạt
Hình 1.5: Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha

 Stato (phần tĩnh):
Stato gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn stato, ngoài ra còn có vỏ
máy và nắp máy.
Lõi thép: Lõi thép stato có dạng hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện,
được dập rãnh bên trong rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng
trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.
Dây quấn stato: Dây quấn stato thường được làm bằng dây đồng có bọc cách
điện và đặt trong các rãnh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy
trong dây quấn ba pha stato sẽ tạo nên từ trường quay.
Vỏ máy: Vỏ máy gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang.
 Rôto (phần động):
Rôto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy:
Trục: Làm bằng thép, dùng để đỡ lõi sắt rôto.
Lõi thép: Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như lõi thép stato, lõi thép được
ép trực tiếp lên trục, bên ngoài lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn.
Dây quấn rôto: Gồm hai loại là loại rôto dây quấn và loại rôto lồng sóc.
Loại rôto kiểu dây quấn (Hình 1.6): Dây quấn rôto giống dây quấn stato và
có số đôi cực bằng số cực stato. Dây quấn ba pha của rôto thường được đấu hình
sao (Y). Ba đầu kia nối vào ba vòng trượt bằng đồng đặt cố định ở đầu trục.
20

Thông qua chổi than và vòng trượt, đưa điện trở phụ vào mạch rôto nhằm cải
thiện tính năng mở máy và điều chỉnh tốc độ.

a) b)
Hình 1.6: Rôto kiểu dây quấn (a) và sơ đồ mạch điện tương ứng
Loại rôto kiểu lồng sóc(hình 1.7): Loại dây quấn này khác dây quấn stato.
Mỗi rãnh của lõi sắt được đặt một thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm và được nối
tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch bằng đồng hoặc bằng nhôm, làm

thành một cái lồng, người ta gọi đó là lồng sóc.

Hình 1.7: Rôto kiểu lồng sóc
1.3.2.Nguyên lý làm việc
Nối dây quấn stato của động cơ không đồng bộ ba pha vào lưới điện xoay
chiều ba pha, dòng xoay chiều ba pha sẽ sinh ra một từ trường quay, quay với tốc
độ:
                                                 n1

60. f 1
p

Trong đó: f1 là tần số của điện áp nguồn đặt vào stato
    P là số đôi cực từ của động cơ
Từ trường này quét qua dây dẫn rôto và cảm ứng trong dây dẫn rôto một
sức điện động E2 và sinh ra dòng điện I2 chạy trong dây quấn rôto. Chiều của
dòng điện I2 và sức điện động E2 được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
E2 = 4,44.f1.w2.kdq2.Φmax
21

Trong đó:      w2, kdq2 là số vòng dây và hệ số dây quấn của rôto.
        Φmax là giá trị lớn nhất của từ thông trong mạch từ.
Dây dẫn rôto có dòng I2 nằm trong từ trường quay stato sẽ sinh ra lực điện
từ được xác đinh theo quy tắc bàn tay trái. Tạo mômen quay kéo rôto quay cùng
chiều với n1 với tốc độ n < n1 gọi  là động cơ không đồng bộ.
Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt s được tính
theo biểu thức sau:

s

n1 n
n1

(0 < s < 1, thường thì s = 0,02 ÷ 0,06)
Trong đó: n là tốc độ quay của rôto
              n1 là tốc độ quay của từ trường (tốc độ đồng bộ của động cơ)
1.4.Bơm thủy lực
Bơm thủy lực là bơm chuyển tích cực được sử dụng để tạo áp lực chất
lỏng để các chất lỏng có thể làm việc bằng cách hoạt động piston trong hệ
thống bơm thủy lực. Bơm thủy lực có rất nhiều loại khác nhau như bơm bánh
răng, bơm cánh gạt, bơm piston.
1.4.1. Bơm bánh răng
 Đặc trưng cơ bản :

Cấu tạo đơn giản nhưng tạo ra áp suất lớn.
Kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ.
  Ít bị hỏng hóc, dễ dàng khi sửa chữa và bảo trì.
Giá thành thấp.
Bơm bánh răng ăn khớp ngoài thường được sử dụng trong cần trục. Khi
bánh răng quay, tạo ra một áp suất chân không tại nơi mà hai bánh răng tách rời
nhau, và chất lỏng bị hút theo đường đó đưa vào bên trong vỏ bơm. Chất lỏng
này điền đầy vào khoảng trống của bánh răng đi theo vòng tròn bên trong vỏ bơm
và được đẩy ra bên ngoài theo miệng đẩy. Áp suất tại đầu ra có thể đạt đến 210
kg/cm².

22

Hình 1.8.Bơm bánh răng

1.4.2.Bơm piston
Đặc trưng cơ bản:
Có hiệu suất cao vì tổn thất lưu lượng nhỏ.
Có thể thay đổi thể tích làm việc, với cùng một tốc độ quay có thể thay đổi
lưu lượng khác nhau.
Phù hợp khi cần có áp suất cao.
Giá thành cao.
Giảm được sự dao động trong mạch thủy lực khi làm việc ở áp suất cao.

Hình 1.9.Bơm Piston
Bơm hướng trục với đĩa cam cố định thường được sử dụng trong cần trục.
Trong một bơm hướng trục, dầu được hút và đẩy bằng piston. Trong bơm piston
hướng trục, piston có hành trình làm việc lớn trong xylanh. Đó chính là lý do làm
cho hiệu suất làm việc của bơm lớn, do đó loại bơm này rất thích hợp khi cần
bơm với áp suất lớn. Khi khoảng cách giữa trục quay và đĩa cam lớn, thì tại đây
23

chất lỏng sẽ được hút vào bên trong xylanh, khi trục quay thì chất lỏng bên trong
xylanh bị nén lại ( vì khi này khoảng cách giữa trục quay và đĩa cam ngắn lại).
1.4.3.Bơm cánh gạt
Đặc trưng cơ bản:
Hoạt động nhanh.
Dùng trong hệ thống có áp suất thấp và trung bình.
Giá thành thấp.

Hình 1.10. Bơm cánh gạt
Khi rotor quay, làm cho cánh gạt chuyển động tịnh tiến trong rotor, và làm
cho thể tích không gian giữa các cánh gạt thay đổi, tạo ra một hoạt động bơm.
Bơm cánh gạt làm việc không gây ồn nhờ sử dụng bộ đều áp ở đầu ra. Bơm

cánh gạt có 2 loại : lưu lượng điều chỉnh lưu lượng được và lưu lượng cố định.
1.5.Van thủy lực
1.5.1.Van điều khiển bằng tay.
Là loại van ta có thể thay đổi được lưu lượng áp suất đi qua nó.

Hình 1.11.Van điều chỉnh bằng tay.
1.5.2.Van an toàn.
24

Có tác dụng bảo vệ bơm, đường ống, cảm biến nếu áp suất vượt quá
ngưỡng cho phép. Có thể thay đổi được điểm bảo vệ phù hợp với thông số kỹ
thuật của các thiết bị cần bảo vệ.

Hình 1.12.Van an toàn.
1.6.Một số thiết bị linh kiện sử dụng để thiết kế bộ điều khiển
1.6.1. IC Lm 324

Lm 324 là một IC khuếch đại thuật toán, công suất thấp bao gồm 4
bộ khuếch đại thuật toán (OpAmp)

trong

nó.

Hình
1.13.

Hình

ảnh

và sơ
đồ chân LM 324

 Thông số kỹ thuật IC LM 324:

Điện áp cung cấp: Nguồn cung cấp cho LM324 tầm từ 5V~32V.
Áp tối đa ngõ vào: từ 0~32V đối với nguồn đơn và cộng trừ 15V đối với nguồn
đôi.
Công suất của Lm324 loại chân cắm (Dip): khoảng 1W
Điện áp ngõ ra: từ 0 ~ (Vcc 1,5V).
+Dòng ngõ ra khi mắc theo kiểu đẩy dòng (dòng Sink): dòng đẩy tối đa đạt
25

Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển ổn định liên tục áp suất thủy tĩnh

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về