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.

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

TÝn hiÖu

XLTH B§ M

§K §L

M

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:

a) 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.

b) Sơ đồ khối tổng quát của phép đo trực tiếp:

Hình 3-1: Sơ đồ khối tổng quát của dụng cụ đo trực tiếp.

c) Đo tốc độ quay của một trục quay bằng tốc độ kế cầm tay:

a. Cấu tạo bên ngoài của tốc độ kế:

§L§ C§ ChØ ThÞ

Hình 3-2: Hình dáng bên ngoài của tốc độ kế cầm tay.

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

H×nh 2.3: CÊu t¹o cña tèc ®é kÕ kiÓu trùc tiÕp

1 2

3

4

5

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

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

§¹i l-îng ®o

C¶m biÕn Xö lý tÝn hiÖu

ChØ thÞ

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 = - d/ 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

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

max ) vì vậy phải hạn chế tổn thất mạch từ bằng việc sử dụng vật liệu từ có

Chæi than

Cæ gãp

Stato

Roto N S

H×nh 1.1: CÊu t¹o tèc ®é kÕ ®iÖn tõ lo¹i DC

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/ 2).n.o = N.n. o

E = .n.0 = N.n.0

Một cách tổng quát

E = .n0

Trong đó: P: là số đổi cực ở phần cảm

: 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 t với E =K1. ; = K2.

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.

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)

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

- 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:

-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.

Nguån s¸ng

ThÊu kÝnh Bé ph©n tÝch

quang

H×nh 2.2: Nguyªn t¾c cÊu t¹o chuyÓn ®æi quang häc

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 0,1A cho 1

thanh, loại điốt phát quang là 10mA.

5. Hệ thống đo lường có điều khiển

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.

Sö dông kÕt qu¶

§¹i l îng ®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 l êng ®iÒu khiÓn d¹ng t ¬ng tù

ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn

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 P 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

C¶m biÕn

ChÕ biÕn tÝn hiÖu

S/H ADC

HiÓn thÞ sè

DAC

M¸y ghi (in)

Ch ¬ng tr×nh

F

Bé ®iÒu khiÓn logic

ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn

§¹i l îng ®o quan s¸t

TÝn hiÖu vËt lý

H×nh 5.2: HÖ thèng ®o l êng ®iÖn tö d¹ng sè cã ®iÒu khiÓn kÕt hîp víi P

tính để xử lý tín hiệu đo lường và điều khiển hệ thống tự động hoá cho cả

dây chuyền sản xuất.

CHƯƠNG IIIĐIỀU 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.

L íi ®iÖn

Bé biÕn ®æi §éng c¬

®iÖnM¸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

1> Động cơ không đồng bộ

2> Động cơ đồng bộ

3> Động cơ một chiều

4> 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:

1) Sai số tốc độ.

2) Độ trơn của điều chỉnh tốc độ.

3) Dải điều chỉnh tốc độ.

4) Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải.

5) Chỉ tiêu kinh tế.

6) Các chỉ tiêu khác.

7) 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 . Iư

Iư =

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:

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 , U, Rư

- Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi 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 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 > đm, 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 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

2 < 1

1<®m®m

I

Ib

R®c n02n01

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 = đm

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 = đm

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

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

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

n

non01n02n03

U®m

U®c3U®c2

U®c1

MM®m

Bé biÕn®æi ®iÖn

¸pIkt = etc

IIt

KT

n2

12136

45

1 MH×nh 3-8: §Æc tÝnh cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch thÝch nèi tiÕp ë c¸c tr êng hîp ®iÒu chØnh

tèc ®é kh¸c nhau

I

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.

= K.I

Trong đó K là hằng số tỷ lệ trong phạm vi I < 0,8 Iđm còn khi

I ( 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 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

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 K được thay bằng

K.K như vậy với phương pháp trên chỉ điều chỉnh được < đm 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 = I t và từ thông 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 R t rất nhỏ

U U U U

H×nh a

H×nh b H×nh c H×nh d

KtWtWt’

Kt

I I I I

I IKT IKTR®c

RS

R®c

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 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

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 )

KTnt U

KTss

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.

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

n

(2)

(3)

(1)

M

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.

1: tần số góc của từ trường quay 1 =

: tần số góc của dòng điện Stato = 2f

P: là số đổi cực của Stato.

Kết quả ta được: M =

Nếu thay S = ta sẽ có quan hệ n = f(M)

Đó là đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ.M

Mmë

| | | | 0,2 0,4 0,6 0,8 1

n

n1

M

Mmë m¸y

0

Mmax

Sth Sth

S

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.

a) 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.

b) 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.

c) 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.

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.

Y (P2 = 2P1)

YY (P1)M

n2

n1

n

Như đã biết max tỷ lệ thuận với tỉ số U1 / f1 nên khi thay đổi tần số

người ta muốn giữ cho max 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.

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).

D3 ~

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.

Hình 3-13: Điều chỉnh tốc độ dùng bộ biến tần qua nghịch lưu dòng

U1f =

const

~ 3

§3 ~

Bé chèt l u

Liªn l¹c mét chiÒu Bé nghÞch l u

§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 U12 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)

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.

M

| | | | |

Mmax

12

3 SSth 1

* 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

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 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:

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.

d©y quÊn Stato

Roto

Bé biÕn trë ®iÒu chØnh

n

n1nn1

n2

Rf

Rf1

Rf2 > Rf1

Mc¶n Mmax MH×nh 3-17: D¹ng ® êng ®Æc tÝnh c¬

H×nh 3-16: S¬ ®å nguyªn lý ®iÒu khiÓn

Vµnh tr ît

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

L1a. 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

øng tèc Re

Mc.§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