Tài liệu ôn tập Điều khiển máy điện - Phần: Điều khiển logic thiết bị điện

Nội dung text: Tài liệu ôn tập Điều khiển máy điện - Phần: Điều khiển logic thiết bị điện

1. Điều khiển logic thiết bị điện 1. Khái niệm về điều khiển logic Điều khiển logic các thiết bị điện là một nhiệm vụ quan trọng của việc điều khiển các hệ thống thiết bị, các dây truyền công nghệ của các hoạt động sản xuất và dịch vụ. Điều khiển logic ở đây có nghĩa là “điều khiển ON-OFF” hay còn gọi là điều khiển cho máy chạy hay cho dừng chạy. Các hệ thống điều khiển logic được xem là “các hộp đen” có nghĩa là chưa có thông tin gì về chúng. Hộp đen giao tiếp với thiết bị ngoại vi qua các đầu vào: Xxxn 1, 2 , x i , x n Và đưa ra tập biến ra tại các đầu ra: Yyym 1, 2 , y im , y  Trong đó xi và yi là các biến logic. Quan hệ giữa tập vào X n và Ym được gọi là quan hệ hệ vào/ra. Những hệ thống điều khiển logic đầu tiên là các hệ thống điều khiển rơle-công tắc tơ. Đây là các hệ thống điều khiển logic có tiếp điểm do chúng được xây dựng dựa trên các phần tử logic điện từ (logic tiếp điểm). Các hệ thống điều khiển logic tiếp điểm có nhược điểm sau: Thời gian tác động chậm do quán tính lớn của nắp từ động nên tần số làm việc bị giới hạn sẽ không đáp ứng kịp với một số hệ thống yêu cầu đáp ứng nhanh. Tuổi thọ không cao do các tiếp điểm khi đóng mở bị tác động của hồ quang điện, các cơ cấu lò sẽ dễ bị hư hỏng. Kích thước và trọng lượng lớn. Có tiếng kêu và ồn khi làm việc. Nối dây phức tạp, khó theo dõi và kiểm tra. Sự ra đời của transistor làm xuất hiện của các khóa điện tử và sau đó là sự ra đời của các cổng logic cơ bản bao gồm VÀ (AND), cổng HOẶC (OR), cổng ĐẢO (NOT), cổng VÀ ĐẢO (NAND) và HOẶC ĐẢO (NOR). Từ đó, tổ hợp của các cổng logic điện tử trên sẽ cho ra đời các hệ thống điều khiển logic “không tiếp điểm”. Đối với hệ thống điều khiển không tiếp điểm không có đóng mở của các tiếp điểm điện mà thay và đó là sự thay đổi của các mức tín hiệu trên các cửa ra của cổng. Mức tín hiệu cao ở các cổng đầu ra đều được quy ước là mức 1 logic, mức tín hiệu thấp ở trên các cửa ra được quy ước là mức 0 logic. Sự ra đời của các bộ vi xử lý (Microprocessor- µP) đã làm xuất hiện các hệ điều khiển “logic mềm”. Các hệ thống điều khiển này còn có tên gọi là “các bộ điều khiển logic khả trình” (Programmble Logic Controller (PLC)). Để ra các quyết định nối hay cắt các liên kết theo yêu cầu công nghệ phải viết chương trình điều khiển theo một ngôn ngữ lập trình của PLC. Chương trình điều khiển có thể được viết trên PC sau đó nạp vào PLC. Tính chuyên dụng của PLC thể hiện ở chỗ ngôn ngữ lập trình phải đơn giản, gợi nhớ, dễ hiểu và không cần phải mất nhiều thời gian để học cách sử dụng. Để lập trình cho PLC, người sử dụng có thể sử dụng một trong các ngôn ngữ sau: Ngôn ngữ hình thang (LADDER). Ngôi ngữ các khối logic (Logic Blocks) 1
2. Ngôn ngữ liệt kê lệnh (Instruction List) 2. Điều khiển quá trình mở máy, đảo chiều và hãm của các động cơ điện Nhiệm vụ của điều khiển logic động cơ điện chủ yếu là: Điều khiển quá trình mở máy. Điều khiển đảo chiều quay. Điều khiển hãm dừng nhanh động cơ bằng điện. 2.1. Mở máy động cơ một chiều theo nguyên tắc thời gian A. Nguyên lý Điều kiện tiên quyết để mở máy động cơ một chiều là động cơ phải có từ thông kích từ trước nên nhiệm vụ đầu tiên phải đóng mạch kích từ vào nguồn cấp và phải chắc chắn động cơ đã có kích từ định mức. Việc đảm bảo kích từ định mức đạt được bằng thiết bị. Dòng điện mở máy trực tiếp là dòng điện chảy qua phần ứng khi cấp điện cho phần ứng. Lúc này mạch phần ứng chưa có sức điện động ngược nên mạch phần ứng chỉ có điện trở của dây quấn phần ứng. Trạng thái này được gọi là trạng thái ngắn mạch. Dòng điện mở máy được tính như sau: U dm Imm ru Đối với động cơ công suất lớn, điện trở phần ứng là rất nhỏ do đó dòng điện mở máy sẽ rất lớn (gấp 15 đến 20 dòng định mức của động cơ Idm ). Dòng điện mở máy có thể sẽ làm cháy cổ góp nên động cơ không được phép mở máy trực tiếp mà phải dùng thêm điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng. Biểu thức dòng điện mở máy với điện trở phụ là: ' U dm Imm Ru R f ' Theo tiêu chuẩn Imm 2,5 I dm . Mô men mở máy được xác định như sau: ' Mmm K M I mmdm Khi mô men này lớn hơn mômen cản trên trục rô to, quan hệ của chúng có thể xây dựng bằng phương trình cân bằng mômen như sau: d M M J d c dt Trong đó M d là mô men điện từ bằng M mm tại thời điểm mở máy, Mc là mô men cản trên trục động cơ, 2
3. J là mô men quán tính của rô to,  là tốc độ của rô to. Sức điện động ngược của phần ứng như sau: Eu K e n Khi đó dòng điện trong phần ứng sẽ là dòng làm việc được tính như sau: Udm E u Iu Ru R f Khi tốc độ n tăng dần thì sức điện động Eu cũng tăng dần và làm cho dòng điện giảm từ dòng khởi động ' Imm . Mô men điện từ khi đó Md K Mudm I  cũng giảm dần làm cho quá trình gia tốc giảm dần kéo dài thời gian mở máy. Do đó cần phải giảm dẫn điện trở phụ đế bù cho quá trình động cơ tăng tốc chậm. Quá trình mở máy là nhanh nhất nếu duy trì được dòng điện bằng 2,5Idm . Hình 1 là hệ thống mở máy động cơ điện một chiều với 2 cấp điện trở phụ. Để đảm bảo luôn có từ thông định mức khi đóng vào nguồn (để đảm bảo cuộn kích từ không bị đứt hay điện áp nguồn chưa đủ định mức, ta sử dụng một rơ le dòng điện RTT . Khi mạch kích từ có dòng điện kích từ định mức sẽ cho phép đóng tiếp điểm cho phép mở máy Dg . Để khởi động, ta dùng nút ấn M , để dừng ta dùng nút ấn D . Điều kiện Dg có điện để khởi động động cơ là: Ấn nút M và không ấn nút ấn D và đã có kích từ định mức RTT và Dg được tự duy trì để cho phép thả tay nút ấn M . Công tắc tơ 1G sẽ tác động trễ sau một khoảng thời gian t1 kể từ khi ấn nút M nhờ có rơ le thời gian 1RTh . Rơ le thời gian là loại trễ đóng có tiếp điểm thường hở. Công tắc tơ 2G tác động trễ sau một khoảng thời gian t2 kể từ khi 1G tác động nhờ có rơ le thời gian 2RTh . 3
4. Hình 1. Hệ thống khởi động động cơ một chiều với 2 cấp điện trở phụ theo nguyên tắc thời gian. B. Các phương trình logic Phân tích đầu và đầu ra: Hệ có 3 đầu vào: D (nút ấn để dừng động cơ), M 5 (nút ấn mở máy) và tín hiệu của rơ le thiếu từ trường ( RTT ). Hệ có 3 đầu ra: Dg (cuộn hút của công tắc tơ đóng điện cho động cơ), 1G (cuộn hút công tắc tơ điều khiển ngắn mạch cấp điện trở phụ thứ nhất) và 2G (cuộn hút công tắc tơ điều khiển ngắn mạch cấp điện trở phụ thứ hai). Thiết lập các phương trình logic: Tín hiệu ra Dg : Dg M5 DDR g TT Ký hiệu “+” có nghĩa là HOẶC logic còn ký hiệu “.” có nghĩa là VÀ logic. Tín hiệu ra 1G chuyển từ mức 0 logic lên mức 1 logic nếu: Dg chuyển từ 0 logic lên mức 1 logic và sau một khoảng thời gian trễ t1 . 1RTh Dg 1G 1 RTh Tín hiệu ra 2G chuyển từ mức 0 logic lên mức 1 logic nếu: 1G chuyển từ 0 logic lên mức 1 logic và sau một khoảng thời gian trễ t2 . 4
5. Do hệ chỉ có 3 đầu vào và 3 đầu ra nên chúng ta có thể sử dụng vi điều khiển Arduino Uno có ký hiệu chân vào và ra như hình 2. Hình 2. Các chân vào và ra của PLC sử dụng vi điều khiển Arduino Uno và Arduino Mega 2560. 2.2. Mở máy động cơ một chiều theo nguyên tắc thời gian với hai cấp điện trở phụ với đảo chiều quay A. Nguyên lý Các phương trình logic của hệ có dạng như sau: T DM TNR T TT N DM NTR N TT 1RTh T N 1G ( T N ).1 RTh 2RTh T N .1 G 2G T N .2 RTh C. Chương trình điều khiển logic bằng phần mềm Chương trình viết bằng ngôn ngữ C cho vi điều khiển Arduino Uno để diều khiển quá trình khởi động theo hai cấp điện trở phụ và đảo chiều quay như sau: #include const int D = X0; // Gán tín hiệu dừng D cho chân X0 const int M5 = X1; // Gán tín hiệu khởi động M cho chân X1 const int RTT = X2; // Gán tín hiệu rơ le thiếu từ trường Rtt 5
6. const int Dg = Y0; // Gán chân đầu ra điều khiển đóng động cơ vào nguồn Dg cho Y0; const int G1 = Y1; // Gán chân đầu ra điều khiển ngắn mạch điện trở phụ 1 cho G1 const int G2 = Y2; // Gán chân đầu ra điều khiển ngắn mạch điện trở phụ 2 cho G2 unsigned long Timer0 = 0; // Biến để giữ thời gian còn lại của Timer 0 unsigned long Timer1 = 0; // Biến để giữ thời gian còn lại của Timer 1 void setup() { setupPLC(); // Đặt đầu vào và các đầu ra } void loop() { in(M5); orBit(Dg); andNotBit(D); andNotBit(RTT); out(Dg); in(Dg); // Đầu vào cho phép Timer 0 là (Dg) timerOn(Timer0,2000); // Tín hiệu trễ sau 2s của Timer0 out(G1); // Đầu ra của Timer0 là G1 in(G1); // Đầu vào cho phép Timer 1 (G1) timerOn(Timer1,2000); // Tín hiệu trễ sau 2s của Timer1 out(G2); // Đầu ra của Timer1 là G2 } 2.3. Mở máy động cơ một chiều theo nguyên tắc thời gian với hai cấp điện trở phụ có đảo chiều quay và hãm động năng A. Nguyên lý Hình 3 là sơ đồ hệ thống khởi động động cơ điện một chiều hai cấp điện trở phụ có đảo chiều và hãm động năng. 6
7. Hình 3. Khởi động động cơ một chiều với 2 cấp điện trở phụ mắc với mạch phần ứng có đảo chiều và dừng khẩn cấp bằng hãm động năng. Các đầu vào: MT , M N , D và RTT Các đầu ra: T , N , 1G , 2G và H Các phương trình logic của hệ có dạng như sau: T DM TNR T TT N DM NTR N TT 1RTh T N 1G ( T N ).1 RTh 2RTh T N .1 G 2G T N .2 RTh 3RTh D H H 3 RTh 7
8. D. Chương trình điều khiển logic bằng phần mềm Chương trình viết bằng ngôn ngữ C cho vi điều khiển Arduino Mega 2560 để khởi động động cơ một chiều theo nguyên tắc thời gian với hai cấp điện trở phụ có đảo chiều quay và hãm động năng như sau: SIM2 SIMULINO MEGA www.arduino.cc blogembarcado.blogspot.com +5V +5V +5V +5V AREF 13 13 12 RESET 12 11 ~11 10 5V ~10 9 R3 ~9 POWER 8 8 ATMEGA2560 1k GND ATMEL DIGITAL (PWM~) 7 7 A0 ANALOGIN 6 A0 ~6 A1 5 A1 ~5 A2 ARDUINO 4 A2 4 A3 3 A3 ~3 A4 2 A4 2 A5 1 A5 SIMULINO MEGA TX0 > 1 A6 0 A6 RX0 const int D = X0; // Gán tín hiệu dừng D cho chân X0 const int MT = X1; // Gán tín hiệu khởi động MT quay theo chiều thuận const int MN = X2; // Gán tín hiệu khởi động MN quay theo chiều ngược const int RTT = X3; // Gán tín hiệu của rơ le thiếu từ trường const int T = Y0; // Gán chân đầu ra điều khiển động quay theo chiều thuận; const int N = Y1; // Gán chân đầu ra điều khiển động quay theo chiều ngược; const int G1 = Y2; // Gán chân đầu ra điều khiển ngắn mạch điện trở phụ 1 const int G2 = Y3; // Gán chân đầu ra điều khiển ngắn mạch điện trở phụ 2 const int H = Y4; // Gán chân đầu ra điều khiển đóng điện trở hãm 8
9. unsigned long Timer0 = 0; // Biến để giữ thời gian còn lại của Timer 0 unsigned long Timer1 = 0; // Biến để giữ thời gian còn lại của Timer 1 unsigned long Timer2 = 0; // Biến để giữ thời gian còn lại của Timer 1 void setup() { setupPLC(); // Đặt đầu vào và các đầu ra } void loop() { in(MT); orBit(T); andNotBit(D); andNotBit(N); andBit(RTT); out(T); in(MN); orBit(N); andNotBit(D); andNotBit(T); andBit(RTT); out(N); in(T); orBit(N); timerOn(Timer0,1000); out(G1); in(G1); timerOn(Timer1,1000); 9
10. out(G2); in(D); timerOff(Timer2,1000); out(H); } 2.2 Mở máy thuận nghịch động cơ không đồng bộ 3 pha rô to dây quấn 2 cấp điện trở phụ theo nguyên tắc thời gian A. Nguyên lý Phân tích đầu vào và đầu ra: Hệ có 4 đầu vào: Dừng ( D ), quay thuận ( MT ), quay ngược ( M N ) và tín hiệu rơ nhiệt ( RN ). Hệ có 4 đầu ra: T (đóng điện theo chiều thuận), N (đóng điện theo chiều ngược), 1G (ngắn mạch cấp điện trở phụ 1) và 2G (ngắn mạch cấp điện trở phụ 2). Hình. 3. Hệ thống mở máy động cơ rô to dây quấn 2 cấp điện phụ theo nguyên tắc thời gian. Thiết lập các phương trình logic: T MT TDNR N N MN NDTR N Khi một trong hai đầu ra T hoặc M chuyển từ mức logic 0 lên mức logic 1 (trạng thái tác động), nhờ có rơ le thời gian 1RTh sau một khoảng thời gian t1 thì 1G tác động. Sau khi 1G tác động, nhờ có rơ le thời gian 2RTh thì 2G tác động. B. Chương trình điều khiển logic bằng phần mềm 10
11. #include const int D = X0; // Gán tín hiệu dừng D cho chân X0 const int MT = X1; // Gán tín hiệu khởi động MT quay theo chiều thuận const int MN = X2; // Gán tín hiệu khởi động MN quay theo chiều ngược const int RTT = X3; // Gán tín hiệu của rơ le thiếu từ trường const int T = Y0; // Gán chân đầu ra điều khiển động quay theo chiều thuận; const int N = Y1; // Gán chân đầu ra điều khiển động quay theo chiều ngược; const int G1 = Y2; // Gán chân đầu ra điều khiển ngắn mạch điện trở phụ 1 const int G2 = Y3; // Gán chân đầu ra điều khiển ngắn mạch điện trở phụ 2 const int H = Y4; // Gán chân đầu ra điều khiển đóng điện trở hãm unsigned long Timer0 = 0; // Biến để giữ thời gian còn lại của Timer 0 unsigned long Timer1 = 0; // Biến để giữ thời gian còn lại của Timer 1 unsigned long Timer2 = 0; // Biến để giữ thời gian còn lại của Timer 1 void setup() { setupPLC(); // Đặt đầu vào và các đầu ra } void loop() { in(MT); orBit(T); andNotBit(D); andNotBit(N); andBit(RTT); out(T); in(MN); orBit(N); 11
12. andNotBit(D); andNotBit(T); andBit(RTT); out(N); in(T); orBit(N); timerOn(Timer0,1000); out(G1); in(G1); timerOn(Timer1,1000); out(G2); in(D); timerOff(Timer2,1000); out(H); } 12