1
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đất nước ta đang bước vào thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa nền công
nghiệp còn khá lạc hậu so với thế giới việc áp dụng các dây chuyền tự động hóa,
các máy móc hiện đại như biến tần, PLC, vi điều khiển… vào sản xuất là rất cần
thiết nó góp phần quyết định sự phát triển của nền kinh tế quốc dân. Bởi vậy
những nghiên cứu và ứng dụng của nó là vấn đề mang tính chất cấp thiết.
Cùng với sự phát triển của công nghiệp như hiện nay thì động cơ không
đồng bộ ba pha roto lồng sóc đã có vị trí rất quan trọng trong các dây chuyền sản
xuất. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên
động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc là loại máy được dùng rộng rãi nhất
trong các loại động cơ điện công suất nhỏ và trung bình.
Nhưng có một vấn đề đặt ra là làm thế nào để điều khiển được tốc độ của
động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc. Để giải quyết vấn đề này có rất
nhiều phương án điều khiển, nhưng nhìn chung các phương pháp đều có những
ưu điểm và hạn chế của nó, chưa giải quyết được toàn bộ vấn đề như phạm vi
điều chỉnh, năng lượng tiêu thụ, độ bằng phẳng khi điều chỉnh, thiết bị sử
dụng…
Trong các hệ thống sản xuất tự động hóa thì một trong những phương
pháp đang được sử dụng khá phổ biến và được ứng dụng trong dây chuyền sản
xuất đá ốp lát cao cấp tại công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp Vinaconex là điều
khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số. Các thiết bị chính được sử dụng chủ yếu
để điều khiển là biến tần và không sử dụng PLC (Programmable Logic
Controller). Đây là phương pháp điều chỉnh bằng phẳng, động cơ điện có thể
quay với bất kì tốc độ nào phù hợp với từng loại tải, gọn nhẹ và dễ điều chỉnh.
Tuy nhiên hiện trạng trong công ty Vinaconex là điều khiển tốc độ động cơ băng
chuyền sản xuất bằng biến tần thông qua người vận hành điều chỉnh bằng tay để
3. Nội dung đề tài
Đề tài gồm có 4 chương
Chương I: Tổng quan về công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp Vinaconex.
Chương II: Các phương án điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba
pha roto lồng sóc.
3
3
Chương III: Lựa chọn bộ điều khiển PLC S7-200 và biến tần điều khiển
trực tiếp tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc trong dây chuyền
sản xuất đá ốp lát tại công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp Vinaconex.
Chương IV: Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tốc độ động
cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc và biến tần trong dây chuyền sản xuất đá
ốp lát tại công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp Vinaconex.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng
Dây chuyền công nghệ sản xuất đá tại công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp
Vinaconex.
Động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc.
Biến tần ABB tiêu chuẩn ACS 550.
Encoder HYRE - A - 100ABZ.
Thiết bị điều khiển logic lập trình được PLC S7-200, hãng SIEMENS
(CHLB Đức).
4.2. Phạm vi nghiên cứu
Dây chuyền sản xuất đá ốp lát của công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp
Vinaconnex và mô hình trong phòng thí nghiệm Tự Động Hóa khoa cơ điện.
5
5
Ngày 14/03/2007: Đại hội đồng cổ đông thường niên năm 2007 của Công
ty đã thông qua phương án tăng vốn điều lệ từ 30 tỷ đồng lên 100 tỷ đồng, trong
đó Tổng công ty VINACONEX chiếm 51%.
Tháng 10/2007: Liên doanh cùng WK Marble & Granite PTY thành lập
công ty liên doanh STYLE STONE.
Ngày 05/12/2007: Cổ phiếu VICOSTONE được chấp thuận niêm yết tại
trung tâm giao dịch chứng khoán Hà Nội (HASTC) theo quyết định số 670/QĐ TTGDHN của giám đốc trung tâm.
Ngày 17/12/2007, VICOSTONE chính thức khai trương phiên giao dịch
đầu tiên đánh dấu một giai đoạn phát triển mới.
Ngày 22/02/2008: Ủy ban chứng khoán nhà nước đã cấp giấy chứng nhận
đăng kí chào bán số 296/UBCK - GCN đồng ý cho VICOSTONE phát hành
thêm cổ phần tăng vốn điều lệ từ 100 tỷ đồng lên 150 tỷ đồng.
Tháng 04/2008: Thành lập công ty cố phần Đầu tư & Khoáng sản VICO VICOSTONE mine do VICOSTONE giữ cổ phần chi phối.
Ngày 22/05/2008: Việc tăng vốn điều lệ theo Giấy chứng nhận số
296/UBCK - GCN hoàn thành với số lượng cổ phiếu chào bán thành công là:
2.950.000 CP.
Ngày 31/07/2008: Hoàn tất thủ tục lưu ký, niêm yết bổ sung đối với
2.950.000 CP phát hành thêm, đưa tổng số cổ phần của VICOSTONE hiện đang
lưu hành tại HASTC lên 12.950.000 CP.
Sản phẩn đá ốp lát nhân tạo VICOSTONE được sản xuất trên dây chuyền
công nghệ hiện đại, tự động hóa, được nhập khẩu độc quyền từ hãng Breton
(Italia), sử dụng công nghệ vật liệu mới cung cấp cho người sử dụng loại sản
phẩm độc đáo, có nhiều tính năng vượt trội so với đá tự nhiên. Có ba loại sản
phẩm độc đáo mang nhãn hiệu VICOSTONE:
7
1.2. Bộ máy tổ chức
ĐẠI HỘI ĐỒNG
CỔ ĐÔNG VICOSTONE
HỘI ĐỒNG QUẢN TRỊ VICOSTONE
TỔNG GIÁM ĐỐC VICOSTONE
CÁC PHÓ TỔNG GIÁM ĐỐC VICOSTONE
KẾ TOÁN TRƯỞNG VICOSTONE
BAN KIỂM SOÁT VICOSTONE
Các công ty con
Các phòng
Các đơn vị hạch toán phụ thuộc
CTCP Đầu tư & khoáng sản VICO – VICOSTONE MINE
CTCP chế tác đá Việt Nam - STONE Việt Nam
CTCP
STYLE STONE
Phòng TC - HC
Phòng TC - KH
Phòng KD - XNK
Phòng Vật tư
Phòng Đầu tư
Phòng Kỹ thuật
Phòng QLCL
Ban quan hệ cổ đông
TT Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới R&D
Ban sản xuất
PX BretonStone
nên được đưa đến hầm làm mát và được bảo quản trong khoảng 24 giờ (đá bán
thành phẩm). Dây chuyền tạo ra viên đá bán thành phẩm gọi dây chuyền tạo
hình.
Để có được tấm đá chất lượng, đạt tiêu chuẩn, có tính thẩm mỹ thì các
viên đá bán thành phẩm được đưa vào dây chuyền xử lý tấm (dây chuyền hoàn
thiện). Tại đây các tấm đá được cắt bavia dọc và bavia ngang sau đó được mài
định cỡ mặt sau và mặt trước. Hệ thống các đầu mài thô, mài tinh, mài bóng sẽ
cho chúng ta một tấm đá thành phẩm đạt tiêu chuẩn.
Ta có thể khái quát nguyên lý sản xuất tấm đá Breton bằng sơ đồ khối như
sau:
Cân định lượng tỷ lệ cốt liệu
Trộn & Xử lý hỗn hợp
(đá cốt liệu, nhựa nền, bột màu)
Chia liệu, tạo hình cho tấm đá
Rung ép chân không
Dưỡng hộ, làm mát
Đá cốt liệu, Resin, Silan, Coban, Catalyst, bột màu, bột gió…
Đá
bán thành phẩm
DÂY CHUYỀN TẠO HÌNH
Cắt Bavia ngang & dọc
Xử lý mặt trước của tấm đá
(Mài thô, mài tinh, mài bóng)
Đá
bán thành phẩm
Đá
thành phẩm
Xử lý mặt sau của tấm đá
hợp với tải mà phải thay đổi bằng tay. Như vậy quá trình thay đổi tần số trực tiếp
không qua PLC và encoder dễ xảy ra tình trạng quá tải hay non tải cho động cơ,
ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, sự an toàn cho người công nhân vận hành.
1.4.2. Giải pháp
Sử dụng thêm encoder gắn trên trục động cơ, ghép nối biến tần với PLC
và encoder để điều chỉnh tốc độ động cơ một cách tự động theo sự tăng giảm
thay đổi của của tải. Từ đó có thể điều chỉnh sự tương thích tốc độ động cơ phù
hợp với tải.
1.5. Kết luận
Qua một thời gian thực tập tại công ty, tìm hiểu bộ máy tổ chức của công
ty đặc biệt là tìm hiểu quy trình sản xuất, thực trạng phương pháp điều chỉnh tốc
độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc, em nhận thấy cần nâng cấp thiết
bị cho phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ của công ty nhằm nâng cao năng
suất lao động và an toàn cho người vận hành.
Chương 2
CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC
12
12
2.1. Khái quát về động cơ không đồng bộ roto lồng sóc
Vào năm 1820, Hans christian và Oersted đã tiến hành các thí nghiệm
nghiên cứu ảnh hưởng của từ trường dòng điện. Một năm sau đó, Michael
Faraday đã khám phá ra trường điện từ quay và động cơ điện đầu tiên ra đời.
Năm 1831 Faraday tiếp tục phát hiện ra cảm ứng điện từ. Đến năm 1833 thì
Tesla phát minh ra động cơ không đồng bộ xoay chiều.
+ Phần tĩnh (stator).
+ Phần quay (rotor).
Các bộ phận kết cấu khác bao gồm: Vỏ máy, nắp máy, trục, ổ bi và quạt
gió làm mát …
Hình 2.1: Cấu tạo chung của động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc
(1) Phần tĩnh (stator)
* Vỏ stato: Có nhiệm vụ truyền nhiệt, làm mát và lắp đặt các chi tiết phụ vỏ
phải đảm bảo về độ cứng và độ bền sau khi lắp lõi thép và gia công vỏ.
Vỏ có hai loại, loại gang đúc và loại thép tấm hàn lại.
Loại gang đúc được chia làm hai loại:
+ Loại có gân trong.
+ Loại không có gân trong.
Loại vỏ bằng thép tấm hàn gồm ít nhất là hai vòng thép tấm trở lên và
những gân ngang làm khung.
* Lõi sắt stato: Cấu tạo của lõi sắt phụ thuộc vào đường kính ngoài của nó:
14
14
Nếu đuờng kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn một mét thì dùng tấm nguyên để
làm lõi sắt. Khi đó lõi sắt sau khi ép vào vỏ sẽ có một chốt cố định với vỏ để
khỏi bị quay dưới tác dụng của mômen điện từ.
Nếu đường kính ngoài lớn hơn một mét thì dùng các tấm hình rẻ quạt
ghép lại, khi ấy để ghép chặt lõi sắt thường dùng hai tấm thép dày ép hai đầu, để
tránh lực hướng tâm và lực hút các tấm thường làm những cánh đuôi nhạn hình
rẻ quạt trên các tấm để ghép các tấm vào các gân trên vỏ máy.
(2) Phần quay (rotor)
Quạt được gắn trên trục động cơ, tốc độ của quạt là tốc độ của động cơ,
kích thước của quạt bị giới hạn bởi kết cấu của động cơ, trong máy điện thường
có ba loại quạt thường dùng: Quạt ly tâm, quạt hướng trụ và quạt hỗn hợp ly tâm
và hướng trục, nhưng thông dụng nhất vẫn là quạt ly tâm.
Ở quạt ly tâm khi cánh quạt quay không khí ở giữa khe các cánh quạt bị
đẩy ra ngoài dưới tác dụng của lực ly tâm, do đó ở vùng vòng trong của cánh
quạt nơi lỗ gió vào tạo thành vùng không khí loãng còn vùng ngoài của vòng
ngoài cánh quạt nơi thoáng gió ra có áp suất cao, quạt ly tâm được dùng nhiều
trong máy điện vì tạo được áp suất khí cao phù hợp với đặc tính của hệ thống
thông gió trong máy điện nhưng nhược điểm của nó là hiệu suát thấp.
(4) Dây quấn
Dây quấn của động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc gồm nhiều
phần tử nối với nhau theo một qui luật nào đó. Phần tử ở đây chính là bối dây và
được đặt vào trong các rãnh phần ứng.
Bối dây có thể chỉ là một vòng dây (dây quấn kiểu thanh dẫn - bối dây
thường chế tạo dạng phần hai, phần tư và tiết diện thường lớn), hoặc gồm nhiều
vòng dây (tiết diện dây nhỏ và gọi là dây quấn kiểu vòng dây). Số vòng dây của
mỗi bối dây, số bối dây của mỗi pha và cách nối phụ thuộc vào công suất, điện
áp, tốc độ, điều kiện làm việc của máy và quá trình tính toán điện từ. Dây quấn
có các yêu cầu sau:
+ Điện áp ba pha phải bằng nhau, trong dây quấn ba pha điện áp ba pha
lệch nhau 1200 góc độ điện.
+ Điện trở và điện kháng của các mạch song song của ba pha bằng nhau.
16
16
+ Có thể đấu thành các mạch song song khi cần thiết.
17
Động cơ làm việc dựa vào định luật về luật điện từ F tác dụng lên thanh
dẫn có chiều dài l khi nó có dòng điện I và nằm trong từ trường có từ cảm B.
Chiều và độ lớn của lực F được xác định theo tích véc tơ F=i.l.B. Đó chính là
định luật cơ bản của động cơ biến đổi điện năng thành cơ năng.
Khi động cơ được cấp điện, dòng điện trong dây quấn stato sinh ra trong
lõi sắt stato một từ trường quay với tốc độ đồng bộ
n1 =
60 f1
p
(2-1)
(f1 là tần số dòng điện lưới đưa vào, p là số đôi cực của máy)
Khi từ trường này quét qua thanh dẫn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi
sắt roto và cảm ứng trong thanh dẫn đó sức điện động và dòng điện. Từ thông do
dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tổng ở khe
hở. Dòng điện trong thanh dẫn roto tác dụng với từ thông khe hở này sinh ra
mômen. Tác dụng đó làm cho roto quay với vận tốc không đồng bộ n (n < n 1).
Để chỉ phạm vi tốc độ của động cơ người ta dùng hệ số trượt s, theo định nghĩa
hệ số trượt bằng:
s=
n1 - n
n1
kháng roto đã quy đổi về stato (Ω) .
Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch
roto đã quy đổi về stato (Ω).
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối
quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng:
M=
3U12 R '2
2
R '2
sωo R 1 +
+
X
nm
s ÷
,[Nm]
Trong đó:
Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X’2
(2-3)
M th =
3U12
2
2ωo (R 1 ± R12 + X nm
)
(2-6)
20
20
Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 (chế độ động cơ) nên giá trị
sth và Mth của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).
Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ là một đường
cong phức tạp có hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần
thẳng và cứng. Trên đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại.
Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc
dương. Trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định.
Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và
momen mở máy.
M mm
3U12 R '2
=
ωo (R1 + R '2 ) 2 + X 2nm
(2-9)
Như vậy Mth sẽ giữ không đổi ở vùng f1 < f1dm. Ở vùng f1 > f1dm thì không
thể tăng điện áp nguồn mà giữ U 1 = U1dm nên ở vùng này Mth sẽ giảm tỉ lệ nghịch
với bình phương tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật
U / f = const để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất.
Hình2.4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn
Hình 2.5: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi tần số nguồn kết
hợp với thay đổi điện áp
22
22
2.3. Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ
Những động cơ trước đây thường được chế tạo để làm việc với tải không
đổi trong suốt quá trình làm việc. Điều này làm cho hiệu suất làm việc của hệ
thống thấp, một phần đáng kể công suất đầu vào không được sử dụng hiệu quả.
Hầu hết thời gian momen động cơ sinh ra đều lớn hơn momen yêu cầu của tải.
Khi khởi động trực tiếp từ lưới nguồn, dòng khởi động rất lớn. Điều này
làm tổn thất công suất lớn trên đường truyền và trong roto, làm nóng động cơ,
thậm chí có thể làm hỏng lớp cách điện. Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện
áp nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.
Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ hóa,
tải hầu như chỉ có tính cảm. Kết quả là hệ số công suất (PF: Power Factor) rất
thấp, khoảng 0,1. Khi tải tăng lên dòng điện làm việc bắt đầu tăng. Dòng điện từ
Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển thông
minh. Sự phát triển của các van công suất, công nghệ sản xuất IC tích hợp cao
cho ra đời những bộ vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự phát triển
của kỹ thuật tính toán đã dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể
đạt được chất lượng cao.
2.4. Các phương án điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:
Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto R f .
Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato.
Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ.
Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa.
Điều chỉnh bằng phương pháp nối tầng.
(2-11)
Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f1 hoặc thay đổi số đôi cực từ có
thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ đã được
chế tạo thì số đôi cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần số
nguồn f1. Bằng cách thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độ của
động cơ. Nhưng khi tần số giảm, trở kháng của động cơ giảm theo (X=2πfL).
Kết quả là làm cho dòng điện và từ thông của động cơ tăng lên. Nếu điện áp
nguồn cấp không giảm sẽ làm cho mạch từ bị bão hòa và động cơ không làm
việc ở chế độ tối ưu, không phát huy đuợc hết công suất. Vì vậy người ta đặt ra
vấn đề là khi thay đổi tần số cần có một luật điều khiển nào đó sao cho từ thông
của động cơ không đổi. Từ thông này có thể là từ thông stato Φ1, từ thông của
roto Φ2, hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φµ. Vì momen động cơ tỉ lệ với từ
thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từ thông không đổi cũng làm giữ
cho momen không đổi. Có thể kể ra các luật điều khiển như sau:
Luật U/f không đổi: U/f = const
Luật hệ số quá tải không đổi: λ = Mth/Mc = const
Luật dòng điện không tải không đổi: Io = const
phương pháp U/f = const thì tỷ số U 1/f1 được giữ không đổi và bằng tỷ số này ở
định mức. Cần lưu ý khi momen tải tăng, dòng động cơ tăng làm tăng sụt áp trên
điện trở stato dẫn đến E 1 giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm. Do dó động cơ
không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi.
Ta có công thức tính momen cơ của động cơ như sau:
M=
3U12 R '2 / s
R'
ω0 [(R 1 + 2 ) 2 + (X1 + X '2 )2 ]
s
(2-14)
Và momen tới hạn:
M th =
3U12
2ω0 (R1 + R12 + (X1 + X '2 ))
(2-15)
Khi hoạt động ở định mức:
M dm =
2
3U1dm
R '2 / s
R'
'
Copyright: Tài liệu đại học ©