Chuyên đề Hệ thống đo tốc độ và điều khiển động cơ

Lời nói đầu Trong những năm gần đây việc sản xuất hàng hoá phục vụ nhu cầu trong đời sống sinh hoạt cũng như công trong nghiệp đã có những bước tiến rất lớn. Đó là những dấu Ên về sự phát triển của mọi ngành trong khoa học kỹ thuật nói chung trong đó ngành điện, điện tử đã có những phát triển một cách rất đáng kể. Việc ra đời của những mạch tổ hợp có lớn, cực lớn với khả năng lập trình kỹ thuật điện tử. Những dây chuyển sản xuất tự động làm việc nhịp nhàng và chính xác trong đó phải kể đến sự linh động, hợp lý và chính xác của sự chuyển động mà chủ yếu là kỹ thuật đo lường và điều khiển đã đem lại kết quả đầy tính ưu việt. Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian thu thập và xử lý với tốc độ cao đã xử lý các kết quả đo để tìm ra phương án có điều khiển tối ưu. Chuyên đề đo tốc độ và điều khiển động cơ điện là một khâu bắt đầu của mọi công nghệ sản xuất nó là một khâu đo lường có điều khiển trực tiếp đến đại lượng cần đo nhằm duy trì hay tác động đến đôí tượng đo để đáp ứng yêu cầu trong công nghệ đã đặt trước. Để có được hiểu biết về hệ thống đo lường và điều khiển hệ thống nói chung đo lường và điều khiển động cơ điện nói riêng em xin được chân thành cám ơn đến thầy giáo Nguyễn Vũ Sơn, người trực tiếp hướng dẫn và tập thể các thầy cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông và những người đồng nghiệp trong các công ty mà em đã đến tìm hiểu. Hà Nội, ngày 25 tháng 6 năm 2002 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Trong hệ truyền động điện tự động điều chỉnh nói chung và hệ truyền động điện cơ kết hợp đo tốc độ và điều chỉnh động cơ điện nói riêng bao giê cũng có một cấu trúc chung được trình bày như trên hình 1-1. M §L §K M B§ XLTH TÝn hiÖu chuÈn Hình 1-1. Cấu trúc chung của hệ điều chỉnh tự động đo lường và điều khiển động cơ điện. 1. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ GỒM: - M là động cơ điện. - BĐ : Bé biến đổi năng lượng hay còn gọi là phần lực. - ĐK : là hệ thống điều khiển. - Bé tín hiệu chuẩn là bộ cấp tín hiệu chuẩn. - XLTH là hệ xử lý tín hiệu. 2. HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ - ĐL : Hệ thống đo lường tốc độ CHƯƠNG II HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1. KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG Tốc độ quay của động cơ điện là một đại lượng vật lý không mang đặc trưng của đại lượng điện vậy để đo được tốc độ của động cơ người ta phải đặt ra phương pháp và cách thức đo. Để từ đó thiết kế và chế tạo ra những thiết bị đo cho phù hợp. Trong quá khứ việc ứng dụng của cơ học và quang học đã giúp Ých cho kỹ thuật đo lường. Hiện tại và tương lai với tốc độ phát triển ngày một hoàn thiện hơn của ngành điện, kể cả về lý thuyết và những công nghệ cao trong kỹ thuật vi điện tử thì điện tử đã từng bước thay thế và chiếm một vị trí chủ chốt cho các thiết bị trong hệ thống đo lường và điều khiển. Các đại lượng không điện được các cảm biến đo lường chuyển đổi sang tín hiệu điện. Các tín hiệu này được các mạch điện tử chế biến cho phù hợp với mạch đo. Những ưu điểm của mạch điện tử: - Độ nhạy thích hơp. - Tiêu thụ năng lượng Ýt. - Tốc độ xử lý nhanh. - Dễ tương thích truyền đi xa. - Độ tin cậy cao. - Dễ thích nghi với các đại lượng đo. 2. CHỨC NĂNG CỦA ĐO LƯỜNG TỐC ĐỘ - Tốc độ làm việc của máy sản xuất chính là tốc độ quay của động cơ điện truyền cho nó vì vậy tốc độ truyền động là đại lượng điều chỉnh chính. Thiết bị đo tốc độ có vai trò quan trọng quyết định đến chất lượng động và tĩnh của hệ truyền động. Hiện nay, đo tốc độ động cơ điện người ta thường dùng các loại cảm biến để biến đổi tốc độ quay của động cơ thành tín hiệu điện dùa theo định luật cảm ứng điện từ và các cảm biến loại xung và số để đo tốc độ. 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TỐC ĐỘ Theo cách thức đo, quá trình đo ta có thể phân ra 2 phương pháp đó 3-1. Phương pháp đo trực tiếp: Định nghĩa về phép đo trực tiếp: Đây là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy nhất. Cách đo này cho ta kết quả ngay giá trị của đại lượng cần đo. Dụng cụ đo của phép đo này mang tính chuyên dùng, nó được thiết kế phù hợp với đại lượng cần đo. Sơ đồ khối tổng quát của phép đo trực tiếp: §L§ C§ ChØ ThÞ Hình 3-1: Sơ đồ khối tổng quát của dụng cụ đo trực tiếp. Đo tốc độ quay của một trục quay bằng tốc độ kế cầm tay: Cấu tạo bên ngoài của tốc độ kế: Hình 3-2: Hình dáng bên ngoài của tốc độ kế cầm tay. H×nh 2.3: CÊu t¹o cña tèc ®é kÕ kiÓu trùc tiÕp 1 2 3 4 5 b. Nguyên lý cấu tạo của tốc độ kế: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một thiết bị đo tốc độ vòng quay loại đơn giản. (1) là nam châm vĩnh cửu có thể quay trơn tự do và được nối với trục của động cơ cần kiểm tra qua một trục dẫn mềm hoặc mốt đầu tỳ kiểu con tu. (2) là đĩa nhôm. (3) là kim chỉ thị. (4) là lò xo cản. (5) là trục được gá trên hệ ổ đỡ có thể quay trơn. Các phần tử (2),(3),(4),(5) được gắn chặt với nhau. c. Nguyên lý làm việc của thiết bị: Khi nam châm vĩnh cửu (1) quay làm cho từ trường mà nó tạo ra còng quay theo và quét lên đĩa nhôm (2),như vậy đĩa nhôm (2) khi đó có một từ trường biến đổi. Tốc độ quay của từ trường chính là tốc độ do nam châm (1) quay hay chính là tốc độ quay của đại lượng cần kiểm tra. Trên đĩa nhôm (2) xuất hiện dòng cảm ứng, dòng điện này tác dụng với từ trường của nam châm (1) và tạo ra một mômen điện từ. Mômen này làm cho đĩa nhôm (2) quay theo chiều quay của nam châm (1). Độ lớn mômen này hoàn toàn tỷ lệ với tốc độ quay của nam châm (1). Khi đĩa nhôm quay làm trục (5) quay theo. Khi trục (5) quay làm kim chỉ thị cũng quay theo, trên khắc độ của chỉ báo được chia sao cho phù hợp với giá trị tốc độ của động cơ. Khi trục (5) quay đồng thời nó cũng làm cho lò xo (4) còng quay theo nên nó đã tạo ra một mômen cản. Độ lớn của mômen cản này tỷ lệ với góc xoay của trục (5). Còn chiều thì mômen cản này có chiều ngược với chiều của mômen điện từ do đĩa nhôm (2) tạo ra. Vậy đĩa nhôm sẽ dừng lại tại vị trí mà Mđtừ = Mcản. Nhận xét: - Ưu điểm: + Cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ chủ yếu là cơ khí. + Không tiêu hao năng lượng. + Kết cấu chắc chắn, độ tin cậy cao. - Nhược điểm: + Cấp chính xác thấp. + Không lấy ra được tín hiệu để khống chế và điều khiển Phạm vi ứng dụng. - Vì thiết bị không tiêu hao năng lượng nên nó rất tiện lợi dùng để kiểm tra tốc độ của những thiết bị như ôtô, xe máy để báo tốc độ xe chạy hoặc báo tốc độ quay của máy. - Mặt khác người ta có thể chế tạo một cách hợp lý kết cấu để làm tốc độ kế kiểm tra tốc độ quay của những thiết bị đơn lẻ. 3-2.Phương pháp đo gián tiếp Để khắc phục những hạn chế của phương pháp đo trực tiếp như đã giới thiệu phần trên. Trong kỹ thuật và nhất là trong lĩnh vực đo lường và điều khiển tốc độ cho động cơ điện trong hệ thống điều chỉnh truyền động điện độ chính xác của thiết bị đo lường có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều chỉnh, bởi vì nhiệm vụ của nó là phải phản ánh chính xác trạng thái làm việc của hệ để từ đó đi đến điêù khiển hệ. Do vậy yêu cầu đối với các thiết bị đo lường là phải đảm bảo độ chính xác cao trong chế độ động và chế độ tĩnh, ngoài ra phải đảm bảo không bị nhiễu loạn do bên ngoài tác động. a) Định nghĩa phương pháp đo tốc độ gián tiếp Đại lượng cần đo được qua bộ cảm biến chuyển đổi đại lượng cần đo sang một đại lượng điện và được bộ chế biến xử lý tín hiệu chỉnh sửa để tạo ra được quan hệ: Giá trị cần đo =K ´ tín hiệu điện. Tín hiệu điện sau đó được chuyển đến cơ cấu chỉ thị dưới dạng kết quả là giá trị của đại lượng cần đo. Đây cũng chính là cấu trúc của hệ thống đo lường. b)Sơ đồ khối tổng quát ChØ thÞ Xö lý tÝn hiÖu C¶m biÕn §¹i l­îng ®o Hình 2-4: Sơ đồ khối chung nhất cho hệ thống đo lường điện tử. Ba bộ phận cơ bản của hệ thống đo lường nói trên được thiết lập riêng về từng bộ phận, mỗi bộ phận có chức năng và có yêu cầu kỹ thuật riêng, song nó được liên kết với nhau để tạo nên hệ thống đo bởi các phương pháp nối ghép có thể là cáp điện, có thể là sợi quang tuỳ theo đặc thù của tín hiệu. 4-PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG CỦA TỪNG KHỐI TRONG HỆ THỐNG 4-1.Cảm biến đo tốc độ Việc đo tốc độ quay của động cơ điện ngoài việc xác định giá trị của tốc độ tại những thời điểm cần khảo sát nó còn mang mét ý nghĩa là đại lượng điều chỉnh chính trong hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện. Vì vậy thiết bị đo tốc độ có vai trò quan trọng quyết định đến chất lượng động và tĩnh của truyền động. Trong kỹ nghệ các cảm biến dùng để đo tốc độ quay dùa trên định luật Faraday e = - df/ dt để tạo ra những cảm biến theo nguyên lý của máy phát và được gọi là máy phát đo tốc độ và cũng có 2 loại là một chiều và xoay chiều, ngoài ra còn có các bộ cảm biến đo tốc độ xung và số. 4-1-1.Cảm biến đo tốc độ quay loại điện từ a) Tốc độ kế điện từ loại DC Chæi than Cæ gãp Stato Roto N S H×nh 1.1: CÊu t¹o tèc ®é kÕ ®iÖn tõ lo¹i DC Yêu cầu đối với máy phát tốc một chiều là: điện áp một chiều có chứa Ýt thành phần điện áp xoay chiều tần số cao và phải đảm bảo tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ. Không được trễ nhiều về giá trị cũng như về dấu so với biến đổi của đại lượng đo. Ngoài ra phải đáp ứng yêu cầu là điện áp phát ra không phụ thuộc vào tải và biến đổi của nhiệt độ. Để đáp ứng yêu cầu trên thì về mặt cấu tạo phải làm sao để máy phát một chiều phải có từ thông không đổi trong toàn vùng điều chỉnh tốc độ ( từ giới hạn min 4 max ) vì vậy phải hạn chế tổn thất mạch từ bằng việc sử dụng vật liệu từ có từ trễ hẹp và sử dụng các lá thép kỹ thuật điện mỏng để hạn chế dòng điện xoáy về cấu tạo được chia làm 2 phần chính. + Phần cảm ( phần đứng yêu) gọi là Stato được cấu tạo bởi vật liệu sắt từ như đã nói trên và nó mang 2p cực được hình thành do sự quấn dây hoặc nam châm vĩnh cửu. + Phần quay ( phần ứng ) hay còn gọi là Rôto cũng được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại. Phần ứng được tạo các rãnh song song với nhau và song song với trục của Rôto. Trong rãnh có đặt các thanh dẫn số thanh dẫn n = 2K, các đầu dây ra được nối với các phiến góp tương ứng. Tập hợp các phiến góp được gọi là cổ góp và trên đó có bố trí một cặp chổi than với lực tỳ thích hợp để lấy điện ra. Sức điện động thu được có dạng E = ( W/ 2p).n.fo = N.n. fo E = .n.f0 = N.n.f0 Một cách tổng quát E = .nf0 Trong đó: P: là số đổi cực ở phần cảm w: là vận tốc góc. a: là số mạch nhánh song song. n: là số thanh dẫn. b) Cảm ứng điện từ loại AC Loại này không có cổ góp, không có chổi than. Điều này tạo ra có độ bền cao hơn, không bị giảm điện áp do chổi than gây ra, không phát sinh tia lửa ở cổ góp nên Ýt ảnh hưởng nhiễu. Nhưng ngược lại loại này đo phức tạp hơn, sự xác định độ lớn tín hiệu thường phải chỉnh lưu tín hiệu thu đượcđồng thời nó không có khả năng xác định được chiều quay nên khi sử dụng vào hệ thống điều khiển phải cần thêm mạch xác định chiều quay. Đối với máy phát 1pha dùng 2cuộn dây đặt lệch nhau một góc 90o còn đối với máy 3pha dùng mạch xác định thứ tự pha để xác định chiều quay. Cảm biến điện từ loại Ae thực chất là một máy phát điện xoay chiều loại nhỏ phần quay được nối với trục của động cơ mà ta cần kiểm tra tốc độ. Phần quay là một nam châm vĩnh cửu có một hoặc là nhiều cặp cực. Phần cảm được quấn dây có thể là một pha, ba pha hoặc nhiều hơn sức điện động thu được ở phần cảm có dạng E = E0sin V t với E =K1.w ; V = K2.w K1,K2 phụ thuộc vào cấu tạo của máy. 4-1-2.Cảm biến đo tốc độ loại xung sè Chi tiết thử nghiệm thường là một đĩa được gắn lên trục quay mà cần xác định tốc độ. Đĩa thường được cấu tạo có dạng tuần hoàn, trên đĩa thường được chia làm P phần bằng nhau, mỗi phần được đánh dấu mang một đặc tính như lỗ, răng,..v..v. Một cảm biến phân tích được đặt đối diện với chi tiết thử nghiệm, phân tích (đếm) số phần tử đã đánh dấu đi ngay qua, đồng thời tạo ra một mặt tín hiệu xung tương ứng. Tần số f của tín hiệu xung tạo ra bởi cảm biến có giá trị : f = p.N Trong đó: N là số vòng quay của chi tiết thử nghiệm trong đơn vị thời gian. p là số phần tử được đánh dấu trên đĩa. Việc chọn cảm biến được gấn liền với loại vật liệu làm đĩa quay cũng như phần tử đánh dấu trên đĩa. Người ta sử dụng tuỳ theo trường hợp, hoặc một trong những cảm biến do giới hạn hai đầu hoặc một cảm biến quang. Nam ch©m Cuén d©y Khe hë kh«ng khÝ H×nh 2.1: Nguyªn t¾c cña tèc ®é kÕ lo¹i tõ trë thay ®æi Ưu điểm của tốc độ kế loại xung là cấu tạo đơn giản, chắc chắn, bảo quản dễ dàng mặt khác nó không tạo nên tiếng ồn không có nhiễu ký sinh đồng thời việc biến đổi sang tín hiệu số đơn giản. Dùa theo nguyên tắc trên người ta tạo ra các cảm biến sau: a) Cảm biến từ trở thay đổi: - Cấu tạo: (Hình vẽ)  - Nguyên lý hoạt động: Cuộn dây phân tính có lõi sắt từ cho phép một từ thông đi qua nã. Nam châm tạo ra từ thông và khép mạch qua lõi sắt của cuộn dây. Cuộn dây được đặt đối diện với đĩa cũng cấu tạo bởi vật liệu sắt từ ( Hình vẽ ) sù dịch chuyển của đĩa sẽ tạo ra sự gián đoạn của mạch từ, ( do cấu tạo của đĩa ) từ trở của lõi cuộn dây thay đổi, khi đó cuộn dây sẽ có sức điện động cảm ứng mà tần số tỷ lệ với vận tốc quay của đĩa. Độ lớn của sức điện động cũng phụ thuộc vào tốc độ và khoảng cách khe hở mà mạch từ tạo nên. Nó giảm rất nhanh khi khoảng cách tăng lên ngoài ra nó còn phụ thuộc với tốc độ quay đối với tốc độ bé sức điện động rất nhỏ và trong phạm vi này người ta gọi là vùng chết không thể đo được. b)Cảm biến tốc độ loại quang học: Nguån s¸ng ThÊu kÝnh Bé ph©n tÝch quang H×nh 2.2: Nguyªn t¾c cÊu t¹o chuyÓn ®æi quang häc -Cấu tạo: Gồm một nguồn sáng và một bộ phận tích quang có thể là điôt quang hoặc Tranristo quang. Đĩa quay được đặt giữa hai phần tử trên. Cấu tạo của đĩa có thể làm bằng vật liệu trong suốt và có những mảng chắn ánh sáng gắn đều nhau hoặc ngược lại, đĩa có thể làm bằng vật liệu không cho ánh sáng chiếu qua trên chu vi của đĩa người ta tạo ra những (lỗ, khe) có khoảng cách đều nhau theo chu vi. Bộ phận phân tích nhận được một lượng ánh sáng được điều khiển bởi đĩa quay sẽ tạo ra một tín hiệu điện có tần số tỷ lệ với vận tốc quay còn, biên độ độc lập với vận tốc. Khoảng đo vận tốc phụ thuộc: + Mét mặt số lần gián đoạn trên đĩa ( sè phần tử đánh dấu). + Mét mặt do băng thông của bộ phận tính và mạch điện đi kèm. 4-2. Khối xử lý tín hiệu: Thông thường tín hiệu cảm biến thường đã được chuẩn hoá theo một chuẩn nhưng thực tế nó vẫn chưa thể tương thích với cơ cấu hiển thị. Có thể tín hiệu ra quá lớn hoặc quá nhỏ về mặt biên độ hoặc về đặc tính nên nhất thiết phải qua khâu xử lý và chế biên tín hiệu với mục đích là hạn chế, khuyếch đại hoặc chỉnh sửa sao cho tín hiệu phản ánh trung thực và tuyến tính với đại lượng cần đo. Bộ phận này bao gồm mạch phân tầm đo, mạch điều chỉnh tổng trở, mạch khuyếch đại, mạng lọc, mạch chỉnh lưu, mạch sửa dạng tín hiệu, mạch biến đổi tín hiệu A/D hoặc D/A.. v.. v 4-3. Khối chỉ thị kết quả: Bộ chỉ thị kết quả là giao diện giữa con người và dụng cụ đo, là thiết bị đưa ra kết quả mà hệ thống đo được, có thể là con số có thể là kim chỉ lên khắc độ. Bộ chỉ thị được phân làm hai loại: 4-3-1. Bộ chỉ thị kim: Bộ chỉ thị kim: Chính là bộ biến đổi điện cơ, cơ cấu biến đổi điện cơ bao gồm phần tĩnh và phần quay. Tuỳ theo phương pháp biến đỏi năng lương điện từ người ta chia thành những cơ cấu sau: - Cơ cấu từ điện. - Cơ cấu đo điện từ. - Cơ cấu đo điện động. - Cơ cấu đo sắt điện động. - Cơ cấu đo cảm ứng. - Cơ cấu đo tĩnh điện. 4-3-2.Bé chỉ thị số: Ngày nay việc đo lường số đang được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật đo lường vì nó có những ưu điểm rất lớn, độ chính xác cao, đọc kết quả chính xác liên kết với hệ thống tính toán, điều khiển số rất thuận lợi. Trong đo lường số bộ phận chỉ thị thường có hai loại: a) Chỉ thị số bằng đèn phóng điện nhiều cực: Dùa trên nguyên lý đèn Nêông 1 Anốt và 10 Katốt có hình các số từ 0 đến 9. Khi Katốt nào được kích thì Katốt đó sẽ sáng và con số đó được xuất hiện. Ưu điểm của loại chỉ thị này là có độ sáng rõ nhưng tiêu thụ công suất lớn và cần có điện áp cao. b) Chỉ thị bằng Điốt phát quang hoặc tinh thể lỏng ghép 7thanh: Điốt phát quang là chất bán dẫn phát sáng khi đặt vào điện ápp một chiều còn tinh thể lỏng dưới tác dụng của điện áp sẽ chuyển pha từ trạng thái trong suốt sang trạng thái mờ và ta có thể nhìn thấy màu sắc ở nền đằng sau thanh. Cả 2 loại này đều tiêu thụ công suất nhỏ. Loại tinh thể 0,1mA cho 1 thanh, loại điốt phát quang là 10mA. 5. Hệ thống đo lường có điều khiển Sö dông kÕt qu¶ §¹i l­îng ®o vµ ®iÒu khiÓn C¶m biÕn Giao tiÕp KhuyÕch ®¹i M¹ch läc TÝn hiÖu ®Æt M¹ch so s¸nh HiÓn thÞ ThiÕt bÞ ®äc H×nh 5.1: HÖ thèng ®o l­êng ®iÒu khiÓn d¹ng t­¬ng tù ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn 5.1. Hệ thống đo lường dạng tương tù Tín hiệu đo được tạo ra từ bộ cảm biến đo lường do đại lượng đo tác động vào. Sau khi qua mạch chế biến tín hiệu thì tín hiệu này đi vào bộ hiển thị kết quả, tại đây kết quả có thể được thông báo trên màn ảnh, được lưu trữ trong thiết bị ghi hoặc qua thiết bị được đọc rồi đưa đến khâu xử lý và sử dụng kết quả. Ngoài ra hệ thống đo lường còn liên kết với hệ thống điều khiển tự động bằng cách lấy tín hiệu từ đầu ra của bộ chế biến qua mạch so sánh với tín hiệu đặt (tín hiệu chuẩn) để điều khiển đối tượng đang được đo. Ví dô: trong hệ đo và điều khiển tốc độ động cơ đây được gọi là khâu hồi tiếp theo tốc độ để quy trì tốc độ của động cơ so với tốc độ đặt. C¶m biÕn ChÕ biÕn tÝn hiÖu S/H ADC HiÓn thÞ sè DAC M¸y ghi (in) Ch­¬ng tr×nh mF Bé ®iÒu khiÓn logic ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn §¹i l­îng ®o quan s¸t TÝn hiÖu vËt lý H×nh 5.2: HÖ thèng ®o l­êng ®iÖn tö d¹ng sè cã ®iÒu khiÓn kÕt hîp víi mP 5.2. Hệ thống đo lường dạng số Hệ thống đo lường điện tử dãy số kết hợp với thiết bị vi xử lý tham gia vào hệ thống đo lường nhằm mục đích xử lý nhanh tín hiệu đo. khả năng chống nhiễu tốt hơn so với tín hiệu đo ở dạng tương tự khi truyền đi xa. Cách ly tốt hơn và dễ thực hiện (phối ghép bằng tín hiệu quang Opso - Coupler). Đây cũng là hình thức thường sử dụng hiện nay. Với sự phát triển của máy tính cá nhân (PC), hệ thống đo lường dùng kỹ thuật số, dùng PC thực hiện tự động hoá hệ thống đo lường ở mức cao hơn và thuận lợi hơn khi sử dụng. Điều đó cho chóng ta thấy được xu thế máy tính hoá thiết bị đo lường. Trong hệ thống đo lường dùng kỹ thuật số, tín hiệu dạng tương tự được chuyển đổi sang tín hiệu số bằng các mạch chuyển đổi ADC để cho bé vi xử lý mP hoạt động, sau đó để có tín hiệu dạng tương tự thì ta lại khôi phục lại qua mạch DAC. Ngoài ra hệ thống đo lường dạng số còn có ưu điểm là sự hoạt động thông minh nhờ vào chương trình (phần mềm software) cài đặt vào máy tính để xử lý tín hiệu đo lường và điều khiển hệ thống tự động hoá cho cả dây chuyền sản xuất. CHƯƠNG III ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1.TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Động cơ điện được sử dụng rất rộng rãi do có nhiều ưu điểm so với nhiều loại động cơ khác. Hiệu suất cao, tác động nhanh, dễ dàng điều khiển và tự động hốa, làm việc tin cậy, hệ thống cung cấp năng lượng tiện lợi và kinh tế. Chính vì vậy mà hầu hết các máy sản xuất đều được truyền động bằng động cơ điện. Các phần tử cơ bản của một hệ thống truyền động điện bao gồm: (a) Động cơ điện: chức năng biến đổi điện năng thành cơ năng quay các máy sản xuất. (b) Máy sản xuất: là thiết bị cơ khí thực hiện chức năng theo công nghệ sản xuất. (c) Bộ biến đổi: Dùng để biến đổi nguồn điện lưới thành nguồn điện phù hợp với phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ. (d) Hệ thống điều khiển và bảo vệ nhằm thực hiện các chức năng: - Mở máy và hãm máy thực hiện chức năng hạn chế dòng điện và mômen của động cơ trong giới hạn cho phép với thời gian ngắn nhất. - Điều chỉnh tốc độ của động cơ theo yêu cầu của công nghệ đòi hỏi. - Bảo vệ động cơ khi quá tải và ngắn mạch. L­íi ®iÖn Bé biÕn ®æi §éng c¬ ®iÖn M¸y s¶n xuÊt HÖ thèng ®iÒu khiÓn vµ b¶o vÖ Hình 3-1: Sơ đồ khối một hệ thống truyền động điện. Trong hệ truyền động cho trong hình trên ta đi xem xét và tìm hiểu các phương pháp điều khiển tốc độ cho động cơ điện. Nguyên lý làm việc của tất cả các máy điện quang đều dùa vào hai định luật điện từ cơ bản là: + Định luật cảm ứng điện từ. Định luật Faraday + Định luật về cực điện từ. Định Laplace Đó là định luật cơ bản của động cơ biến đổi cơ năng thành điện năng. Tuỳ theo cách tạo ra từ trường, kết cấu của mạch từ và dây cuốn mà ta có 4 loại động cơ sau Động cơ không đồng bộ Động cơ đồng bộ Động cơ một chiều Động cơ xoay chiều có vành góp. 2.PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2-1.Những chỉ tiêu của hệ điều chỉnh tốc độ đối với động cơ điện Điều chỉnh tốc độ truyền động điện là dùng phương pháp thuần tuý điện tác động lên bản thân hệ truyền động điện ( Nguồn và động cơ điện ) để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện. Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cơ bản các chỉ tiêu naỳ cũng được tính đến khi thiết kế hoặc chỉnh định các hệ thống truyền động điện. Đó là các chỉ tiêu: Sai số tốc độ. Độ trơn của điều chỉnh tốc độ. Dải điều chỉnh tốc độ. Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải. Chỉ tiêu kinh tế. Các chỉ tiêu khác. Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh. 2-2.Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 2-2-1.Phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều. Phương trình đặc tính cơ biểu thị quan hệ giữa tốc độ quay của động cơ với mômen điện từ của động cơ n = f ( M ) Trong đó: n: là tốc độ quay của động cơ. M: là mômen điện từ của động cơ. Từ phương trình: n = Mặt khác: M mômen điện từ của động cơ được tính theo công thức: M = C M = CM . f Iư Þ Iư = Þ n = Phương trình: n = Là phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều. Trong đó Ce, CM đều là những hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ và dây quấn của động cơ. Vậy việc điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều có thể thực hiện được bằng cách thay đổi các thông số sau: - Điện áp đặt vào động cơ: U - Điện trở mạch phần ứng của động cơ: Rư - Từ thông kích thích của động cơ: f Tuỳ theo tính chất và yêu cầu công nghệ mà người ta có thể thực hiện điều chỉnh tốc độ cho động cơ điện một chiều theo mét trong ba phương pháp nói trên hay cũng có thể kết hợp cả hai hoặc cả ba để mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ với mục đích là tăng năng xuất lao động. Sau đây ta sẽ lần lượt xét phương pháp điều chỉnh tốc độ cho từng loại động cơ một chiều cụ thể. Phương pháp biểu thị sự quan hệ giữa tốc độ động cơ với mômen quay của động cơ gọi là phương trình đặc tính cơ của động cơ n = f ( M ) Từ phương trình trên ta thấy đối với động cơ điện một chiều việc thực hiện thay đổi tốc độ của động cơ có thể thực hiện được bằng cách thay đổi các đại lượng f, U, Rư - Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi f được áp dụng tương đối phổ biến, vì nó có thể thay đổi liên tục và kinh tế trong quá trình điều chỉnh hiệu suất h » contg vì sự chiều chỉnh thực hiện tác động lên mạch kích từ có công suất rất nhỏ so với công suất của động cơ. Song về dải điều chỉnh của nó tương đối hẹp bởi vì tốc độ điều chỉnh chỉ có thể lớn hơn tốc độ định mức vì không được phép tăng f > fđm, mặt khác bị hạn chế bởi điều kiện cơ khí và khả năng đảo chiều. - Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách ghép thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để làm tăng Rư. Phương pháp này chỉ có thể điều chỉnh được tốc độ ( tốc độ định mức và kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ dẫn đến làm giảm hiệu suất của động cơ điện ). Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ vì trên thực tế thường dùng cho các động cơ trên máy trục hoặc trên các máy vận tải. - Phương pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng chúng chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dưới tốc độ định mức của động cơ điện nhưng phương pháp này không gây tổn hao trong động cơ điện nhưng đòi hỏi nó phải có nguồn riêng mà nguồn đó có thể thay đổi được điện áp. Trên đây là các phương pháp để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điện. Trên thực tế mọi động cơ điện một chiều đều có chung một nguyên lý cấu tạo nhưng tuỳ theo cách đấu nối khác nhau mà ta có những loại động cơ có kích từ khác nhau và mỗi loại lại mang những nét riêng khác nhau. Ta sẽ xét từng trường hợp cụ thể. 2-2-2.Động cơ điện một chiều kích thích song song hoặc kích thích độc lập: Với điều kiện U = const It = const Khi M hoặc Iư thay đổi từ thông f của động cơ hầu như không đổi ( bá qua phản ứng phần ứng ) khi đó phương trình đặc tính của động cơ có dạng: n = n0- Nhìn vào phương trình đặc tính cơ ta thấy đường đặc tính cơ của động cơ một chiều kích thích song song hoặc độc lập là một đường thẳng với độ dốc phụ thuộc vào giá trị của Rư. a) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông f F2 < F1 F1<F®m F®m I­ Ib R®c n02 n01 n0®m n M U = const §C Hình 3-2-1: Sơ đồ nguyên lý Nếu tăng điện trở Rđc trên mạch kích từ với những giá trị khác nhau của Rđc ta có Ib thay đổi. Kết quả ta có họ đặc tính như trên hình vẽ. Các đường đó có n0 > n0đm Vậy N0 = Độ dốc cũng lớn hơn độ dốc khi f = fđm Có độ nghiêng khác nhau và sẽ giao nhau trên trục hoành tại điểm ứng với dòng điện phần ứng rất lớn Iư = theo điều kiện n = n0 - Đường thấp nhất trên hình vẽ 2-1-b là ứng với từ thông f = fđm Do điều kiện đảo chiều các động cơ thông dụng hiện nay có thể điều chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này trong giới hạn 1:2 hoặc có thể mở rộng đến 1:5 hoặc 1:8 nhưng cũng phải dùng phương pháp khống chế đặc biệt do đó công nghệ chế tạo phức tạp giá thành cao. b) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng n no n®m Rf = 0 Rf1 < Rf2 Rf2 < Rf3 M®m M (I­) Rf4 < Rf3 Hình 3-4: Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng c) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp n no n01 n02 n03 U®m U®c3 U®c2 U®c1 M M®m Bé biÕn ®æi ®iÖn ¸p Ikt = etc Hình 3-5: Sơ đồ nguyên lýHình 3-6: Dạng đường đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng H×nh 3-6: D¹ng ®­êng ®Æc tÝnh c¬ khi thay ®æi ®iÖn ¸p phÇn øng Phương pháp này chỉ áp dụng được đối với động cơ điện kích thích độc lập hoặc động cơ điện kích thích song song làm việc ở chế độ kích thích độc lập. Việc cung cấp điện áp có thể điều chỉnh được cho động cơ từ một nguồn độc lập được thực hiện trong kỹ thuật bằng cách sử dụng các bộ biến đổi để tạo ra nguồn độc lập có thể là máy phát - động cơ hoặc khuyếch đại từ - động cơ hoặc các bộ biến đổi điện tử,..v..v .. Điều khiển bằng phương pháp này không làm thay đổi độ cứng của từng đặc tính cơ nhưng nó cũng không cho phép điều chỉnh tốc độ > tốc độ định mức vì: Uđch £ Uđm mà thôi. Uđm > Uđch1 > Uđch2 > Uđch3 I It KT n 2 1 2 1 3 6 4 5 1 M H×nh 3-8: §Æc tÝnh cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch thÝch nèi tiÕp ë c¸c tr­êng hîp ®iÒu chØnh tèc ®é kh¸c nhau I­ 2-2-3. Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp Hình 3-7: Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ nối tiếp Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có sơ đồ nối dây hình 3-7 dòng điện kích thích chính là dòng điện phần ứng Iư = Ikt = I, vì vậy trong phạm vi khá rộng có thể biểu thị. f = Kf.I Trong đó Kf là hằng số tỷ lệ trong phạm vi I < 0,8 Iđm còn khi I ³ ( 0,8-0,9).Iđm hơi giảm xuống do ảnh hưởng bão hoà của mạch từ. Và như vậy khi mạch từ chưa bão hoà, đường đặc tính cơ của động cơ một chiều kích thích nối tiếp có dạng là đường Hypecbôn như trên hình 3-8 đường số 1. Ta thấy ở động cơ điện 1 chiều kích thích nối tiếp, tốc độ quay n giảm rất nhanh khi M tăng và đặc biệt là khi mất tải Mc = 0 Þ I » 0 tốc độ tăng quá lớn chính vì lý do đó mà không được cho loại động cơ này làm việc ở những điều kiện có thể xảy ra mất tải như, dùng đai truyền, tránh trường hợp khi đai bị đứt hoặc trượt dẫn tới tốc độ sẽ tăng quá lớn. Thông thường hệ thống chỉ cho phép động cơ làm việc với tải tối thiểu là P2 = (0,2 ¸ 0,25)Pđm Trên thực tế khi tải tăng ảnh hưởng của hiện tượng bão hoà mạch từ nên tốc độ của động cơ giảm Ýt hơn so với đường đặc tính 1 ( theo đường đứt nét ). Với đường đặc tính cơ rất mềm nên động cơ điện kích thích nối tiếp rất ưu việt trong những truyền động cần mở máy nặng nề và trong điều kiện cần vùng điều chỉnh tốc độ rộng. Thường được sử dụng trong các đầu máy kéo, máy gạt lớn, xe điện, cần trục, ..v...v.. a) Điều chỉnh tốc độ động cơ kích thích nối tiếp bằng phương pháp thay đổi từ thông kích từ: Từ thông của động cơ kích thích nối tiếp có thể thay đổi bằng những biện pháp sau đây: -Mắc sun dây quấn kích thích bằng một điện trở, thay đổi số vòng dây của cuộn kích thích hoặc mắc sun dây quấn phần ứng theo sơ đồ hình vẽ U U U U H×nh a H×nh b H×nh c H×nh d Kt Wt Wt’ Kt I­ I­ I­ I­ I IKT IKT R®c RS­ R®c Hình a Mắc sun dây quấn kích thích. Hình b Thay đổi số vòng dây của cuộn kích thích. Hình c Mắc sun dây quấn phần ứng. Hình d Thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. Hai biện pháp đầu dẫn đến cùng một kết quả. Nếu dòng kích thích lúc đầu là It = I thì dòng kích thích sau khi áp dụng biện pháp trên sẽ giảm xuống là It = K.I trong đó K là hệ số giảm K = Nếu mắc sun dây quấn kích thích, trong đó Rst điện trở của sun hoặc: K = Nếu thay đổi số vòng dây cuộn kích thích. Như vậy trong công thức của đặc tính cơ hệ số Kf được thay bằng K.Kf như vậy với phương pháp trên chỉ điều chỉnh được f < fđm và khi đó tốc độ sẽ thay đổi được ở mức trên định mức và đường đặc tính cơ sẽ nằm ở phía trên đường đặc tính cơ tự nhiên ( đờng số 2 hình 3-8 ). Nếu dùng biện pháp thứ 3 mắc sun vào mạch phần ứng thì điện trở tổng của toàn mạch sẽ giảm đi, dòng điện I = It và từ thông f tăng lên, khi đó tốc độ quay của động cơ sẽ giảm đi. Như vậy phương pháp này chỉ điều chỉnh tốc độ dưới vùng định mức và đường đặc tính cơ tương ứng nằm ở phía dưới đường đặc tính cơ tự nhiên ( đường số 3 hình 3-8 ) vì Rt rất nhỏ nên năng lượng tiêu hao trên Rst rất lớn dẫn đến hiệu suất rất thấp mặt khác do anhr hưởng của sự bão hoà nên phương pháp tăng từ thông f còn bị hạn chế nên phương pháp này Ýt được sử dụng trong thực tế. b) Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thêm điện trở vào mạch phần ứng Sơ đồ trên hình d chỉ điều chỉnh được tốc độ dưới tốc độ định mức vì kèm theo tổ hao trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ nên cũng Ýt được sử dụng. Đặc tính cơ ứng với trường hợp này được trình bày trên hình 3-8 đường số 4 và đường số 5. c) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp - Phương pháp này chỉ điều chỉnh được tốc độ dưới tốc độ định mức và không cho phép tăng điện áp quá điện áp định mức nhưng lại giữ được hiệu suất cao do không gây tổn hao khi điều chỉnh. Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong giao thông vận tải và được thực hiện bằng cách đổi noói từ song song điện áp đặt vào động cơ U = Uđm khi nối tiếp với điện áp U = 1/ 2Uđm đường đặc tính cơ trong trường hợp này có dạng như đường số 6 trong hình vẽ 3-8. 2-2-4.) Điều chỉnh tốc độ đối với động cơ kích thích hỗn hợp KTnt U KTss Hình 3-9: Sơ đồ nối dây động cơ kích thích hỗn hợp Động cơ điện một chiều kích từ ngoài việc sử dụng nối tiếp, song song hay độc lập người ta còn chế tạo loại gồm hai thành phần kích từ vừa song song hoặc độc lập vừa nối tiếp ( Hình 3-9 ) Trong trường hợp này cuộn kích từ nối tiếp hầu hết được sử dụng đóng vai trò với mục đích là để tăng độ cứng của đặc tính cơ còn trong quá trình làm việc trong chế độ từ không tải hoặc tải nhỏ haàu như không tham gia vậy phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ loại này cũng giống như đối vơí động cơ kích từ song song hoặc kích từ độc lập nhưng đặc tính cơ cứng hơn đồng thời nó không phaỉ là đường thẳng như độc lập hoặc song song. n (2) (3) (1) M Hình 3-10: Đường đặc tính cơ của động cơ một chiều kích thích hỗn hợp 2-3.Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ 3pha đã và đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến trung bình và lớn so với các loại động cơ khác. Sở dĩ như vậy là do động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng trực tiếp từ lưới điện 3 pha. Tuy nhiên trước đây viịec điều chỉnh tốc độ quay đối với động cơ không đồng bộ gặp rất nhiều khó khăn do vậy các hệ truyền động cần điều chỉnh tốc độ động cơ trơn trượt và miền điều chỉnh rộng vẫn phải dùng động cơ một chiều, mặc dù giá thành cao nhưng lại rất dễ dàng đáp ứng những truyền động đòi hỏi tính ổn định cao. Trong thời gian gần đây, do phát triển công nghệ chế tạo bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật điện tử tin học thì động cơ không đồng bộ mới được khai thác ưu điểm của mình. Nó đã trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động Tiristo - Động cơ một chiều. Khác với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ được cấu tạo giữa phần cảm và phần ứng không tách biệt. Từ thông động cơ cũng như mômen động cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham sè. Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ không đồng bộ là hệ điều chỉnh nhiều tham sè phi tuyến mạnh. 2-3-1.Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bé Mômen quay của động cơ không đồng bộ chính là mômen quay và được tính theo công thức: Trong đó: Pđt: là công suất điện từ P Pđt = 3I’22. w1: tần số góc của từ trường quay w1 = w: tần số góc của dòng điện Stato w = 2pf P: là số đổi cực của Stato. Kết quả ta được: M = Nếu thay S = ta sẽ có quan hệ n = f(M) M Mmë | | | | 0,2 0,4 0,6 0,8 1 n n1 M Mmë m¸y 0 Mmax Sth Sth S Đó là đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ. Hình 3-11: Đặc tính M = f ( S ) Hình 3-12: Đặc tính n = f ( M ) H×nh 3-12: §Æc tÝnh n = f ( M ) Sth = Mmax = n = n1(1 - 3) = [vòng/phút] 2-3-2.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ. Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta nhận thấy rằng việc điều chỉnh chủ yếu có thể thực hiện a)Trên Stato: thay đổi điện áp đưa vào dây quấn Stato thay đổi số đôi cực dây quấn Stato thay đổi tần số nguồn điện cấp cho Stato thay ®æi tÇn sè nguån ®iÖn cÊp cho Stato b)Trên Rôto: thay đổi điện trở rôto hoặc nối cấp bằng cách nối nối tiếp trên mạch rôto bằng máy điện phụ 2-3-2-1.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực Biểu thức tốc độ động cơ n1 = n = n1(1 - S) = [vòng/phút] [vßng/phót] n1 = gọi là tốc độ đồng bộ hay tốc độ từ trường quay từ đấy ta thấy khi tần sè f không đổi thì tốc độ tỷ lệ nghịch với P ( sè đôi cực của dây quấn Stato ) vậy thay đổi P sẽ làm cho n1 thay đổi. Dây quấn Stato có thể tạo thành bao nhiêu số đôi cựckhác nhau thì sẽ có bấy nhiêu cấp tốc độ khác nhau. Có nhiều cách để thay đổi số đôi cực của dây quấn Stato. Đổi nối bộ dây để có số đôi cực khác nhau phương pháp này dùng trong động cơ 2 tốc độ theo tỷ lệ 2 ¸ 1. Trên rãnh của Stato đặt 2 bộ dây quấn độc lập có số đôi cực khác nhau để tạo ra hai tốc độ theo tỷ lệ 4 ¸3 hay 6 ¸ 5. Trên rãnh của Stato đặt 2 bộ dây và kết hợp phương pháp đổi nối để tạo ra số đôi cực nhiều hơn có thể đạt tới cấp 4. Y (P2 = 2P1) YY (P1) M n2 n1 n Sơ đồ nguyên lý Đường đặc tính khi thay đổi số đôi cực §­êng ®Æc tÝnh khi thay ®æi sè ®«i cùc 2-3-2-2.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số Xuất phát từ phương trình: n = n1(1-S) = Khi P không đổi và hệ số trượt S thay đổi Ýt thì n tỷ lệ với f1. Phương pháp thay đổi tần số để điều chỉnh tốc độ là phương pháp điều chỉnh bằng phẳng. Động cơ điện có thể quay với tốc độ bất kỳ. Muốn vậy phải sử dụng một nguồn điện đặc biệt. Như đã biết fmax tỷ lệ thuận với tỉ số U1 / f1 nên khi thay đổi tần số người ta muốn giữ cho fmax không thay đổi để giữ cho mạch từ của động cơ ở chế độ định mức. Muốn vậy phải đồng thời cùng điều chỉnh điện áp U1 khi thay đổi f1 sao cho U1 / f1 = const. Để thay đổi tần số của nguồn xoay chiều đặt vào động cơ, ngày nay người ta dùng các bộ biến tần trực tiếp hoặc biến tần trung gian điện áp một chiều sau đó qua nghịch lưu dòng hoặc nghịch lưu áp. D 3 ~ Hình 3- 12 Điều chỉnh tốc độ bằng biến tần trực tiếp. Sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần trực tiếp được mô tả trên hình vẽ. (hình 3-12). Ưu điểm của bộ biến tần này là điện áp ra gần như hình sin nên có hiệu suất cao và có khả năng hãm tái sinh động cơ. Tuy nhiên nó lại có nhược điểm tần số ra hạn chế khoảng từ 0 ¸ f/ 3 nên nó chỉ thích hợp với hệ truyền động cần tốc độ thấp, công suất lớn và hiện Ýt được sử dụng vì phải dùng nhiều Tristo nên cấu trúc mạch điều khiển phức tạp dẫn tới giá thành cao. U1f = const ~ 3f § 3 ~ Bé chèt l­u Liªn l¹c mét chiÒu Bé nghÞch l­u Hình 3-13: Điều chỉnh tốc độ dùng bộ biến tần qua nghịch lưu dòng § 3 ~ Hình 3-14: Điều chỉnh tốc độ nghịch lưu áp động cơ không đồng bộ bằng biến tần Hình 3-13: Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng biến tần qua nghịch lưu áp. Bộ biến tần điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng nghịch lưu dòng cho phép điều chỉnh tần số từ 0 đến f dùng cho động cơ có công suất từ vài KW đến hàng ngàn KW. Bộ nghịch lưu áp hình 3-14 cho phép điều chỉnh tần số từ 0 đến f với công suất < 100 KW. 2-3-2-4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện áp cấp cho bộ dây Stato chỉ có thể thay đổi điện áp trong phạm vi U1 £ Uđm Giả thiết giảm U1 xuống còn x lần ( x < 1 ) điện áp định mức khi đó U1 = x . Uđm vì M º U12 Þ M = x2 .Mđm. Nếu M cản không đổi thì tốc độ giảm xuống hệ số trượt tăng lên từ Sa ® Sb ® Sc khi điện áp U1 = x . Uđm thì tốc độ của động cơ sẽ là: n = n1 ( 1 - S/ x2) | | | | | Mmax 1 2 3 S Sth 1 M Hình 3-15: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp Stato Đường đặc tính cơ của động cơ được mô tả trên hình 3-15. Phương pháp điều chỉnh này dẫn đến M quay của động cơ giảm rất nhiều nên khi Mtải = Mđm thì U1 thấp nhất chỉ có thể giảm xuống còn khoảng 0,7 Uđm mà thôi, nếu Mtải nhá hơn thì có thể giảm thêm được. * Phương pháp thực hiện: § § Điều chỉnh điện áp bằng bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Giảm điện áp bằng cuộn kháng mắc nối tiếp Điều chỉnh điện áp bằng bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Giảm điện áp bằng cuộn kháng mắc nối tiếp Để điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện áp vào bộ dây Stato người ta có thể sử dụng bộ biến đổi Tiristo để thay đổi điện áp như hình vẽ trên. Phương pháp này phù hợp với truyềng động có mômen tải giảm theo tốc độ ví dụ quạt gió, bơm nước hoặc Ðp hơi. Phương pháp đổi nối Y® D hoặc nối nối tiếp với điện kháng thường để áp dụng trong trường hợp hạn chế dòng khi mở máy. 2-4. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch roto Phương pháp này chỉ có thể áp dụng đối với động cơ Rôto dây quấn. Như đã biết trị số của mômen cực đại ứng với giá trị Sth làm cho Khi đó Sth = Hệ số trượt tới hạn tỷ lệ thuận với điện trở Rôto còn Mmax không phụ thuộc vào điện trở Rôto, như vậy khi thêm điện trở phụ vào mạch Rôto đường đặc tính M = f ( S ) sẽ thay đổi. Tính chất này được sử dụng để điều chỉnh tốc độ và mở máy động cơ Rôto dây quấn. Sơ đồ nguyên lý và đường đặc tính được mô tả như sau: d©y quÊn Stato Roto Bé biÕn trë ®iÒu chØnh n n1 n n1 n2 Rf Rf1 Rf2 > Rf1 Mc¶n Mmax M H×nh 3-17: D¹ng ®­êng ®Æc tÝnh c¬ H×nh 3-16: S¬ ®å nguyªn lý ®iÒu khiÓn Vµnh tr­ît Nếu mômen cản không đổi, dòng Rôto không đổi, khi tăng điện trở để giảm tốc độ, sẽ tăng tổn hao trong biến trở, do đó phương pháp này không kinh tế tuy nhiên nó rất đơn giả, vì khoảng điều chỉnh trơn và tương đối rộng được áp dụng phổ biến cho các loại động cơ công suất trung bình trong hệ thống truyền động nâng tải. Hiện nay nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử mà phương pháp này được ứng dụng để điều chỉnh tốc độ cho động cơ Rôto dây quấn rất thuận lợi và có hiệu quả. Hình vẽ dưới đây minh hoạ nguyên lý của điều chỉnh trơn điện trở mạch Rôto bằng phương pháp xung §3¥ R0 CL C T1 T2 L1 a. Nguyªn lý R0 3/4R0 1/2R0 1/4R0 t® tn tn t® tn t® T T T t t t b. Ph­¬ng ph¸p ®iÒu chØnh w w øng tèc Re M c.§Æc øng ®iÒu chØnh d.§Æc øng ®iÒu chØnh T Nguyên lý hoạt động Điện áp Urôto được chỉnh lưu bằng cầu điôt CL, qua điện kháng lọc Ul được cấp vào mạch điều khiển gồm điện trở R0 mắc song song với khoá bán dẫn T1, khoá bán dẫn T1 sẽ được điều khiển đóng cắt có chu kỳ để điều chỉnh giá trị trung bình của toàn mạch. Khi đó điện trở tương đương Re sẽ có giá trị Re = R0. Hình c ứng với giá trị Re = Hình d ứng với giá trị Re = 2-5. Điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ Động cơ đồng bộ 3pha trước đây thường dùng cho hai loại truyền động không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn tới hàng trăm KW thậm chí đến hàng MW như các hệ truyền động nén khí, bơm nước, quạt gió, máy nghiền,..v..v. Tốc độ quay của động cơ được tính bằng biểu thức: Trong đó: fs: Tần số nguồn cung cấp. P: là số đôi cực của động cơ. Nhìn vào biểu thức ta thấy việc điều chỉnh tốc độ quay cho động cơ điện đồng bộ chỉ có thể thực hiện được khi thay đổi tần số nguồn cung cấp mà thôi. Ngày nay, do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử và nhất là điện tử công suất lớn. Động cơ đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp ở mỗi loại dải công suất từ vài trăm W đến hàng MW. Vậy phương pháp điều chỉnh tốc độđối với động cơ đồng bộ là sự biến đổi nguồn cung cấp cho nó có tần số thay đổi được. 3.HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN: Hệ thống điều khiển bao gồm các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ ngoài ra còn có các thiết bị đóng cắt đáp ứng cho công nghệ và người vận hành. Đồng thời có một số hệ truyền động có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác trong cả một dây chuyền sản xuất. Tuỳ theo tính chất điều khiển mà hệ điều khiển được phân ra: -Điều khiển bằng tay ( trực tiếp từ người vận hành ) phương pháp này việc điều khiển hoàn toàn do người vận hành tự đặt các thông số như tốc độ, thời gian và phương ơhápp mà hệ truyền động có thể đáp ứng. Thông qua các khí cụ đóng cắt và các cơ cấu điều khiển như các rơle, công tắc tơ, nót Ên,..v..v.. -Phương pháp điều khiển bán tự động: Đó là các hệ truyền động kín có sự trợ giúp của hệ thống điều khiển. -Điều khiển tự động: Hệ thống tự động thực hiện việc điều chỉnh các tốc độ theo yêu cầu công nghệ với một chương trình đã được định sẵn. 4. BỘ BIẾN ĐỔI Bộ biến đổi có nhiệm vụ nhận năng lượng điện từ lưới điện công nghiệp sau đo biến đổi thành năng lượng điện mà có những thông số như dòng điện, điện áp, công suất và tần sô có thể điều chỉnh tốc độ của động cơ. Tuỳ theo đặc điểm, tính chất biến đổi mà ta có các loại sau: 4-1.Các bộ biến đổi không liên tục: Đối tượng được điều khiển không mang tính liên tục mà thành cấp việc chuyển đổi phân cấp để ghép nối các điện trở, điện kháng tham gia vào mạch để tạo ra các cấp tốc độ khác nhau hoặc bằng cách thay đổi sự đấu noói như mắc song song sang nối tiếp hoặc từ. Để thực hiện phương pháp này chủ yếu là những mạch điện sử dụng khí cụ đóng cắt có công suất vừa và lớn, các điện trở công suất lớn cũng như các điện kháng..v..v.. 4-2.Các bộ biến đổi liên tục Trong các hệ truyền động hiện nay động cơ yêu cầu điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng, trơn trượt và vô cấp đòi hỏi độ chính xác cao, khả năng ổn định tốc độ tốt hầu hết sử dụng phương pháp này. - Hệ truyền động ( máy phát động cơ ) mét chiều, máy phát xoay chiều, máy điện khuyếch đại từ trường ngang. - Bé biến đổi dùa theo nguyên tắc điện từ như hệ khuyếch đại từ, cuộn kháng bão hoà. - Bé biến đổi điện tử: Chỉnh lưu bán dẫn, chỉnh lưu có điều khiển, biến tần Transisto, biến tần Tiristo. MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 2 1. Hệ thống điều khiển động cơ 2 2. Hệ thống đo lường tốc độ của động cơ 2 CHƯƠNG II: HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 3 3 1. Khái niệm về hệ thống đo lường 3 2. Chức năng của đo lường tốc độ 3 3. Các phương pháp đo tốc độ 4 3.1. Phương pháp đo trực tiếp 4 3.2. Phương pháp đo gián tiếp 6 4. Phân tích chức năng của từng khối trong hệ thống 7 4.1. Cảm biến đo tốc độ 7 4.1.1. Cảm biến đo tốc độ quay loại điện từ 8 4.1.2. Cảm biến đô tốc độ loại xung sè 10 4.2. Khối xử lý tín hiệu 12 4.3. Khối chỉ thị kết quả 12 4.3.1. Bộ chỉ thị kim 12 4.3.2. Bộ chỉ thị số 13 5. Hệ thống đo lường có điều khiển 14 5.1. Hệ thống đo lường dạng tương tự 14 5.2. Hệ thống đo lường dạng số 15 CHƯƠNG III: ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 16 1. Tổng quan về điều khiển động cơ 16 2. Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 17 2.1. Những chỉ tiêu của hệ điều chỉnh tốc độ với động cơ điện 17 2.2. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 18 2.2.1. Phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều 18 2.2.2. Động cơ điện một chiều kích thích song song hoặc kích thích độc lập 20 2.2.3. Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp 22 2.2.4. Điều chỉnh tốc độ đối với động cơ kích thích hỗn hợp 25 2.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 26 2.3.1. Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 27 2.3.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc động cơ 28 2.4. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch Rôto 33 2.5. Điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 36 3. Hệ thống điều khiển 37 4. Bộ biến đổi 37 4.1. Các bộ biến đổi không liên tục 37 4.2. Các bộ biến đổi liên tục 38