1 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ -********** - BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG BIẾN TẦN MITSUBISHI VÀ PLC SIEMEN LỜI NÓI ĐẦU Đây báo cáo đồ án tốt nghiệp em Tên đề tài là: “ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG BIẾN TẦN MITSHUBISHI VÀ PLC SIEMEN” Bản báo cáo gồm phần chính: - Phần 1: Giới thiệu động không đồng pha - Phần 2: Giới thiệu biến tần Mitshibishi FR A700 - Phần 3: Giới thiệu PLC S7-1200 - Phần 4: Bài toán ứng dụng “ điều khiển tốc độ quạt lò sưởi” Mitsubishi Electric Automation, nhà cung cấp sản phẩm tự động hóa tầm cỡ giới cho nhiều ngành công nghiệp cho mắt biến tần tính cao A700 để điều khiển động từ ½ đến 600 mã lực A700 thay dòng biến tần A500 A500L công ty cho mắt từ năm 1997 FR-A700 dòng biến tần Mitsubishi có tích hợp điều khiển khả trình (PLC) mang nhiều đặc điểm công nghệ đặc biệt mà Mitsubishi phát triển cho sản phẩm truyền động servo Đặc điểm đáng ý tự động điều chỉnh Tính giúp tự động bù vào thay đổi quán tính tải trọng Kết mang lại hoạt động trơn tru, thời gian ngưng hoạt động giảm chi phí hoạt động thấp Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ yêu cầu điều khiển tự động Sự kết hợp thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt tập lệnh mạnh mẽ khiến cho S7- 1200 trở thành giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác Kết hợp vi xử lý, nguồn tích hợp, mạch ngõ vào mạch ngõ kết cấu thu gọn, CPU S7-1200 tạo PLC mạnh mẽ Sau người dùng tải xuống chương trình, CPU chứa mạch logic yêu cầu để giám sát điều khiển thiết bị nằm ứng dụng CPU giám sát ngõ vào làm thay đổi ngõ theo logic chương trình người dùng, bao gồm hoạt động logic Boolean, việc đếm, định thì, phép toán phức hợp việc truyền thông với thiết bị thông minh khác Việc kết hợp công nghệ tiên tiến biến tần PLC làm đơn giản hóa nhiều toán ứng dụng sản xuất công nghiệp đời sống hàng ngày Đặc biệt hệ thống động công nghiệp Không giúp việc điều khiển trở nên dễ dàng, tối ưu mà giúp tiết kiệm lượng chi phí Chính mà ngày nay, phương pháp sử dụng biến tần PLC sử dụng rộng rãi MỤC LỤC PHẦN 1: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐÔNG BỘ PHA Cấu tạo 1.1 Cấu tạo phần tĩnh (Stator)8 1.2 Cấu tạo phần quay (Rotor)8 1.3 Khe hở9 Nguyên lý làm việc động không đồng pha9 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng pha9 3.1 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi số đôi cực10 3.2 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi tần số10 3.3 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp cung cấp cho stato11 3.4 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở mạch roto động roto dây quấn12 PHẦN 2: GIỚI THIỆU BIẾN TẦN MITSHUBISHI FR A700 Khái niệm biến tần13 Phân loại13 Giới thiệu biến tần Mitshubishi FR A70014 3.1 Cấu trúc biến tần15 3.2 Kiểm tra sản phẩm nhận dạng phận16 3.3 Lắp đặt nối dây17 3.4 Sơ đồ chân18 3.4.1 Đặc điểm kỹ thuật đầu cuối mạch 3.4.2 Đấu mạch điều khiển 3.4.3 Tín hiệu đầu 3.4.4 Cổng truyền thông PHẦN 3: TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG CỦA PLC S7-1200 Khái quát chung PLC S7-120032 Phân loại33 Hình dáng bên PLC S7-120035 Cấu trúc bên trong37 Đấu dây38 Modul mở rộng40 Phương pháp lập trình điều khiển41 Các phương pháp lập trình42 8.1 Ngôn ngữ lập trình LAD (ladder Logic)42 8.2 Ngôn ngữ lập trình FDB (Funtion Block Diagram)43 Phần mềm lập trình SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic44 9.1 Trình tự bước thiết kế chương trình điều khiển44 9.2 Giao diện phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic45 PHẦN 4:BÀI TOÁN ỨNG DỤNG: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUẠT TRONG LÒ SẤY THEO NHIỆT ĐỘ Chương trình mô phỏng50 1.1 Chương trình điều khiển Step750 1.1.1 Chương trình điều khiển tự động 1.1.2 Chương trình điều khiển tay 1.1.3 Chương trình kết nối analog 1.1.4 Chương trình kết nối Simulator Chương trình mô nguyên lý hoạt động ứng dụng56 2.1 Mô chế độ điều khiển tự động - Auto56 2.2 Chương trình mô chế độ điều khiển tay - Hand59 Chương trình giám sát TIA Portal62 3.1 Chương trình Step7 62 3.2 Lưu đồ thuật toán65 3.3 Mô hình toán ứng dụng 67 3.3.1 Cách đấu nối dây mô hình 3.3.2 Hoạt động mô hình toán ứng dụng Danh mục hình ảnh báo cáo Hình 1: Cấu trúc biến tần FR A700 Hình 2:Chi tiết biến tần FR A700 Hình 3:Sơ đồ lắp đặt đấu nối Hình 4: Sơ đồ chân Hình 5: Hình ảnh PLC S7-1200 modul mở rộng Hình 6: Hình dạng bên S7 – 1200 (CPU 1212C) Hình 7: Cấu trúc bên Hình 8: Sơ đồ đấu dây S7-1200 Hình 9: PLC S7-1200 modul mở rộng Hình 10: Phương pháp lập trình điều khiển Hình 11: Ví dụ LAD Hình 12: ví dụ ngôn ngữ FDB Hình 13: Sơ đồ thiết kể chương trình điều khiển Hình 14: Giao diện phần mềm Hình 15: Giao diện lập trình Hình 16: Cách nối dây tín hiệu PLC với biến tần Hình 17: Thay đổi nhiệt độ cách đốt cảm biến nhiệt PHẦN CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Cấu tạo 1.1 Cấu tạo phần tĩnh ( stator) Gồm vỏ máy, lõi thép dây quấn a) Vỏ máy: Thường làm gang Đối với máy có công suất lớn (1000kW), thường dùng thép hàn lại thành vỏ Vỏ máy có tác dụng cố định không dùng để dẫn từ b) Lõi săt: Được làm thép kỹ thuật điện dày 0.35mm đến 0.5mm ghép lại Lõi sắt phần dẫn từ Vì từ trường qua lõi sắt từ trường xoay chiều, nhắm giảm tổn hao dòng điện xoáy gây nên, thép kỹ thuật điện có phủ sơn cách điện Mặt lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn c) Dây quấn: Dây quấn đặt vào rãnh lõi sắt cách điện tốt với lõi sắt Dây quấn stator gồm có cuộn dây đặt lệch 120o điện 1.2 Cấu tạo phần quay ( Roto) a) Trục: Làm thép, dùng để đỡ roto b) Lõi sắt : Gồm thép kỹ thuật điện giống phần stato Lõi thép ép trực tiếp lên trục Bên lõi sắt có xẻ rãnh để đặt dây quấn c) Dây quấn roto: Gồm hai loại: Loại roto dây quấn loại roto kiểu lồng sóc • Loại roto dây quấn: Dây quấn roto giống dây quấn stato có số cực số cực stato Các động công suất trung trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp để giảm đầu nối dây kết cấu dây quấn roto chặt chẽ Các động công suất nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm lớp Dây quấn pha roto thường đấu hinh (Y) Ba đầu nối vòng trượt đồng đặt cố định đầu trục Thông qua chổi than còng trượt, đưa điện trở phụ vào mạch roto nhằm cải thiện tính mở máy điều chỉnh tốc độ • Loại roto lồng sóc: Loại dây quấn khác với dây quấn stato Mỗi rãnh lõi sắt đặt động nhôm nối tắt lại hai đầu hai vòng ngắn mạch, làm thành lồng người ta gọi lông sóc Dây quấn roto kiểu lồng sóc không cách điện với lõi sắt 1.3 Khe hở Khe hở động không đồng nhỏ( 0.2mm - 1mm) Do roto khối tròn nên roto Nguyên lý làm việc động không đồng pha Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, động sinh từ trường quay n1 Từ trường quét qua dẫn roto, làm cảm ứng dây quấn roto sức điện động E2 sinh dòng điện I2 chạy dây quấn Chiều sực điện động chiều dòng điện xác định theo quy tắc bàn tay phải Dòng điện I2 tác động tương hỗ với từ trường stato tạo lực điện từ dây dẫn dẫn roto moomen quay làm cho roto quay với tốc độ n theo chiều quay từ trường Tóc đọ quay roto n nhỏ tốc độ từ trường stato n1 Có chuyển động tương đối roto từ trường quay stato trì dòng điện I2 moomen M Vì tốc độ roto khác với tốc độ từ trường quay stato nên gọi động không đồng 10 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng pha Trên stato: thay đổi điện áp đưa vào dây quấn stato, thay đổi số đôi cực dây quấn stato hay thay đổi tần số nguồn Trên rôto: thay đổi điện trở roto nối nối tiếp mạch điện roto hay nhiều máy điện phụ gọi nối cấp 3.1 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi số đôi cực Dây quấn stato nối thành số đôi cực khác tốc độ có nhiêu cấp, thay đổi tốc độ thay đổi cấp không phẳng Có nhiều cách để thay đổi số đôi cực dây quấn stato: Đổi cách nối dây để có số đôi cực khác Dùng động điện hai tốc độ theo tỷ lệ 2:1 Trên rãnh stato đặt dây quấn độc lập có số đôi cực khác nhau, thường để đạt tốc độ theo tỷ lệ 4:3 6:5 Trên rãnh stato có đặt dây quấn độc lập có số đôi cực khác nhau, dây quấn lại đổi cách nối để có số đôi cực khác Dây quấn rôto động không đồng rôto dây quấn có số đôi cực số đôi cực dây quấn stato, đấu lại dây quấn stato để có số đôi cực khác dây quấn rôto phải đấu lại không tiện lợi Ngược lại, dây quấn roto lồng sóc thích ứng với só đôi cực dây quấn stato, thích hợp cho động điện thay đổi số đôi cực để điều chỉnh tốc độ Mặc dù điều chỉnh tốc độ nhảy cấp, có ưu điểm giữ nguyên độ cứng đặc tính 63 Đây chương trình điều khiển mô hình thật Động hoạt động theo chương trình giám sát TIA Portal - Khối Network 1: phần khởi động gồm nú nhấn Start/ Stop Khi nhấn Start cấp điện cho Run(biến điều khiển toàn chương trình) - Khối Network 2: Khi có Run thực chuyển đổi tín hiệu analog nhận từ cảm biến nhiệt sang giá trị nhiệt độ thực - Khối Network 3: Khi có Run, thực gán dải giá trị nhiệt độ vào biến M (các bít) - Khối Network 4: Khi có run, thực hiển chuyển đổi bit sang tín hiệu đầu Sự chuyển đổi từ bít sang biến đầu sau: Sử dụng RH, RM, RL biến tần tương ứng với tín hiệu đầu Q0.1, Q0.2, Q0.3 PLC S7-1200 Q0.3 0 Q0.2 1 Q0.1 0 Tần số (các cấp tốc độ) 25Hz 35Hz 45Hz 50Hz 64 3.2 Lưu đồ thuật toán Start: I0.0 Stop: I0.1 Run: Q0.0 Giá trị cảm biến nhiệt độ: PT Đèn báo nhiệt độ thấp - PLT: Q0.4 Đèn báo nhiệt độ cao - PTH: Q0.5 Cấp tốc độ thứ : M1 (25Hz) Cấp tốc độ thứ hai : M2 (35Hz) Cấp tốc độ thứ ba : M3 (45Hz) Cấp tốc độ thứ tư : M4 (50Hz) 65 Begin 3.3 Mô hình toán ứng dụng Start = 0ºC