ôn tập phần tử tự động

Trả lời : Trong bất kỳ một hệ thống tự động điều khiển nào cũng bao gồm nhiều phần tử riêngbiệt kết hợp lại với nhau, chúng tác động qua lại với nhau theo một qui luật nhất địnhnhằm phục

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP MÔN PHẦN TỬ TỰ ĐỘNG

Câu 1:Trình bày về định nghĩa, chức năng phần tử tự động

Trả lời :

Trong bất kỳ một hệ thống tự động điều khiển nào cũng bao gồm nhiều phần tử riêngbiệt kết hợp lại với nhau, chúng tác động qua lại với nhau theo một qui luật nhất địnhnhằm phục vụ cho một công việc nào đó phục vụ người thiết kế

Đại lượng mà tác động vào phần tử ta khảo sát, gọi là đại lượng đầu vào và kí hiệu là

X còn đại lượng từ phần tử ta khảo sát tác dộng vào phần tử tiếp theo thì ta gọi đại lượng đó là đại lượng ra kí hiệu là Y

Chức năng của phần tử:Trước hết, mỗi phần tử là một phần trong hệ thống tự động điều khiển đồng thời nó phải thực hiện một chức năng riêng biệt nào đó trong quá trình điều khiển Chức năng tổng quất nhất của phần tử tự động là nó biến đổi đại lượng tác động phía trước nó làm thay đổi hoặc chất hoặc lượng hay là thay đổi cả về chất và cả về lượng của tín hiệu đó và cho ta dạng tín hiệu khác phù hợp với phần tử tiếp theo

Câu 2: Viết các phương trình tổng quát của phần tử ở chế độ tĩnh và chế độ động

Trả lời :

Trong mọi quá trình biển đổi xảy ra trong một phần tử riềng biệt hay là trong toàn bộ

hệ thống thì chúng đều được mô tả dưới dạng phương trình vi phân sau:

Khi các nhiễu bên ngoài tác động không đáng kể ta có thể coi như là không có nhiễu lúc này phương trình tổng quát có thể viết đơn giản là

Từ phương trình động (2.1) và (2.2) ta có thể xây dựng được hàm truyền như sau: đó là tỷ

số của ảnh laplace của tín hiệu ra so với ảnh laplace của tín hiệu vào

( ) ( )

( )

P

Y X









Ở trạng thái xác lập thì tín hiệu vào và tín hiệu ra là không thay đổi vì vậy ta có dạng

phương trình tĩnh của phần tử tự động như sau :

( ,0, ,0)( ,0, , 0) 0

F x y  (2.3)

Câu3: Trình bày các dạng đặc tính cơ bản của phần tử tự động

Trả lời : Dạng đặc tính của phần tử tự động còn gọi là đặc tính tĩnh nó biểu diễn mối quan

hệ đầu ra với đầu vào

( )

Để xác định được dạng đặc tính này người ta thay đổi giá trị của đầu vào X và đo tín hiệu ở đầu ra thay đổi thế nào, từ đó người ta xây dựng đường dạng đồ thị của các phần tử đó và cho ta được đặc tính của phần tử đó

Thực tế người ta thay đổi giá trị của tín hiệu x tới khi nào tín hiệu của đầu ra đạt xác lập thì

ta sẽ thu được dạng đặc tính của phần từ đó Các dạng đặc tính của các phần tử gần như làphi tuyến rất ít có dạng tuyến tính

- Dạng đặc tính a biểu diễn mối quan hệ tuyến tính liên tục của tín hiệu ra so với tính hiệu vào dạng đặc tính này thường gặp ở các phần tử điện cơ

- Đặc tính b là dạng đặc tính điều khiển lý tưởng có vùng bão hòa khi mà | |x x1 thì tín hiệu

ra tỉ lệ tuyến tính so với tín hiệu vào còn khi mà | |x x1 thì phần tử này nằm trong vùng bãohòa phần từ này có thể gặp ở các linh kiên điện tử như tranzitor

- Dạng đặc tính c là dạng đặc tính điều khiển lý tưởng có vùng không nhạy khi | |x x1 thì tín hiệu ra không có còn khi | |x x1 thì tín hiệu ra tỉ lệ tuyến tính so với tín hiệu vào , các phần

tử này có thể gặp ở điốt, động cơ …

- Dạng đặc tính ở hình d là dạng đặc tính có vùng không nhạy và vùng bão hòa khi mà1

| |x x thì tín hiệu ra bằng 0 (nhỏ nhất) khi | |x x1 thì tín hiệu ra là lớn nhất và không đổi trong đó có khoảng x là vùng tuyến tính tín hiệu y tăng dần

- Dạng đặc tính (e) là dạng đặc tính rơ le tín hiệu ra bị thay đổi đột biến khi tới một giới hạn nào đó

- Dạng đặc tính (f) là dạng đặc tính lật trạng thái lý tưởng dùng đẻ mô tả phần tử một cáchgần chính xác

Các dạng đặc tính còn lại là các dạng đặc tính mà tín hiệu ra không những phụ thuộc vào tín hiệu vào mà còn phụ thuộc vào hướng tác động của tín hiệu vào

Câu 4: Trình bày các tham số cơ bản của phần tử tự động

Trả lời: Các tham số cơ bản của phần tự tự động dựa trên dạng đặc tính cơ bản của các phần tử đó

Hệ số truyền: là một tham số thể hiện mối quan hệ tỉ lệ giữa tín hiệu ra so với tín

hiệu vào dưới dạng một hàm số thì ta có biểu thức như sau : Y K X b

Trong đó K b là hệ số biến thiên và được gọi là hệ số truyền đạt của phần tử tự động, chúng ta có thể dùng hệ số dạng vi phân dưới dạng giới hạn của số gia giữa tín hiệu ra

và số gia của tín hiệu vào khi số gia của tín hiệu vào tiến tới 0

Các giới hạn của đại lượng đầu vào và đầu ra : khi đại lượng đầu vào biến thiên

từ giá trị XMin  XMax và YMin  YMax cho ta được giới hạn đầu ra và đầu vào từ đó suy ra tín hiệu ra có công suất thay đổi từ giá trị nhỏ nhất đến lớn nhất

Hệ số truyền công suất được tính bằng giới hạn của số gia công suất đầu ra chia cho số gia của công suất đầu vào

Trở kháng đầu vào và đầu ra : Ký hiệu là Z Z v, R thông số này cho ta biết được điểm làm việc của các phần tử khi mắc vào mạch cụ thể đối với phần tử khuếch đại trở kháng vào càng lớn càng tốt còn trở kháng ra càng nhỏ càng tốt

Độ rộng vùng không nhạy: là khoảng giá trị mà tại đó tín hiệu ra không bị thay đổi

khi tín hiệu vào thay đổi

Độ rộng vùng đa trị: là khoảng giá trị mà tại đó phần tử ta nhận mọi giá trị ví dụ

trong rơ le đặc tính hút nhả của nó trong một dải rộng ngoài ra trong thực tế thì tín hiệu ra không chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào mà còn phụ thuộc vào các yếu tố khác

VD: nhiệt độ áp suất độ ẩm, nhiễu …

Ta có hàm tín hiệu ra được biểu điễn một cách tổng quát như sau:

 t .

Y f K x K t K   K

Sai số của tham số phần tử tự động

+ Sai số tuyệt đối ,

Y là tín hiệu ra yêu cầu

Sai số này cho phép ta chỉnh định lại các phần tử

+ Sai số tương đối

, 1

.100%

s s

Y Y

Y

  

  

 

Sai số này cho phép ta đánh giá và so sánh độ sai số giữa các phần tử với nhau

Câu 5: Trình bày các yêu cầu cơ bản của các phần từ tự động dùng trên tàu thủy

Trả lời: Trên tàu thủy là một nơi làm việc khắc nhiệt trong môi trường đó các phần tử đều phải làm việc với nhiệt độ cao, thấp từ -20oC tới 60oC đồng thời độ ẩm cao đạt 90 % nồng

độ muối cao, môi trường axit sóng, bão, độ rung lắc mạnh …v v vì vậy trên tàu thủy các phần tử tự động phải đảm bảo

+ Nhỏ gọn thiết kế chắc chắn theo tiêu chuẩn của đăng kiểm, chịu được sự ăn mòn

tốt đối với các hóa chất các khối được chế tạo chuẩn khi hỏng chỉ cần thay thế cả modul

đó Các thiết bị phải được đóng vỏ bảo vệ chống va đập cháy nổ, co dãn do nhiệt độ

+ Do môi trường làm việc là rất khó khăn và khắc nhiệt nên đối với các phần tử đó cần phải được thiết kế sao cho ổn định được điểm làm việc, công tác của chúng hoặc làm việc trên một dải nhiệt độ nào đó đủ lớn

Câu 6 : Phân loại các phần tử tự động

* Theo chức năng thì PTTĐ được phân thành các loại như sau: phần tử nhạy cảm (càm

biến) là phần tử biến đổi đại lượng cần kiểm tra thành tín hiệu đơn trị đối với đại lượng vào Phần tử biến đổi từ năng lượng này sang dạng năng lượng khác, biến đổi đại lượng có điện sang không có điện hoặc từ không điện sang có điện, biến đổi theo trị số năng lượng, các phần tử khuếch đại, biến đổi tín hiệu theo dạng liên tục, rời rạc loại tín hiệu một chiều sang xoay chiều biến đổi theo hàm của tín hiệu vào như các bộ giải tích, các phần tử tạo ra tín hiệu điều khiển từ việc so sánh tín hiệu

Các phần tử logic

Các phần tử duy tri trạng thái

Các phần tử tạo ra tín hiệu chương trình

Phần tử tạo ra tác động tín hiệu điều chỉnh

Phân loại theo dạng tín hiệu

Tín hiệu rời rạc là dạng tín hiệu được lượng tử hóa theo thời gian hoặc theo mức

Biến đổi dạng tín hiệu liên tục

Phân loại theo quá trinh biến đổi năng lượng

Phần tử thụ động: là phần tử chỉ đảm bảo về trị só tín hiệu ra theo trị số của tín hiệu vào do đó công suất nhỏ hơn công suất của tín hiệu vào

Phần tử chủ động: là phần tử có nguồn nuôi độc lập, tín hiệu vào chỉ có tác dụng điều khiển tín hiệu ra của phần tử

Dựa theo công suất

Công suất loại nhỏ là < 10W

Công suất loại trung binh từ 10W  100W

Công suất lớn > 100W

Phân loại các phần tử tham số và máy phát

Phần tử tham số là phần tử có khả năng làm thay đổi các thông số của mạch như điện

trở, điện cảm, điện dung

Các phần tử máy phát điễn ra quá trình biến đổi trực tiếp từ năng lượng này thành

năng lượng khác

Phân loại theo hướng tác động

Phần tử hở: là phần tử mà tín hiệu vào không chịu tác động của tín hiệu ra chỉ truyền

theo một hướng từ cửa vào tới cửa ra

Phần tử kín: là phần tử có phản hồi tín hiệu đầu vào chịu tác động của tín hiệu ở cửa ra Câu 7: Trình bày sơ đồ khối của một hệ thống tự động điều khiển, định nghĩa phần tử

đo lường, phần tử cảm biến

Trả lời: Trong một hệ thống tự động điều khiển bất kì nào đó bao giờ cũng được mô tả theo một mô hình tổng quát như sau :

Sơ đồ trên là một hệ thống tự động điều khiển dưới dạng tổng quát trong đó

Khối 1, 2 là các khối cảm biến

Khối 3 là phần tử cho trước

Khối 4 khối này dùng để so sánh tạo tín hiệu điều khiển

Khối 5 là phần tử biến đổi của cảm biến

Khối 6 là khối nối tiếp của bộ điều khiển

Khối 7 là phần tử khuếch đại

Câu 8: Trình bày về cảm biến chiết áp một kì

Ta có dạng cấu tạo của cảm biến chiết áp một kì như sau:

Hình 8.1Khi chế tạo ra cảm biến kiểu chiết áp thường gặp nhiều sai số như sai số về bước nhảy, bậc khi con chạy tiếp xúc lần lượt với các vòng dây quấn đồng thời có thể do sự tiếp xúc không tốt và khoảng cách giữa các vòng dây là không đều Vì vậy khi nghiên cứu ta bỏ qua các sai số đó và ta có dạng công thức như sau:

U X U

L là chiều dài biến trở

X là khoảng dịch chuyển của con chạy

Câu 9: Trình bày về cảm biến chiết áp hai kì

Còn thiếu

Câu 10:Trình bày về cảm biến nhiệt điện trở kim loại

Cấu tạo của cảm biến điện trở kim loại bao gồm:

1 là ống bao

2 là khung quấn dây

3 là dây điện trở

4 là vít bắt dây

Dây điện trở tùy thuộc vào loại cảm biến thì sẽ được chế tạo khác nhau

Ví dụ: cảm biến nhiệt độ nước làm mát trong dải nhiệt độ từ 50oC tới 200oC thường được chế tạo bằng hợp kim của măng gan (Mn)

Trong cảm biến nhiệt độ khí xả 0 600-oC thường dây được chế tạo bằng hợp kim Pt (platin)

Điện trở của cảm biến phụ thuộc vào nhiệt độ theo phương trình sau:

Ta có dạng đặc tính của cảm biến điện trở kim loại như sau:

Ta thấy là điện trở tăng khi nhiệt độ tăng và có dạng đường cong chứ không phải là đường thẳng

Điện trở suất của cảm biến điện trở là : 1

e là điện tích của điện tử

 là tính linh hoạt của điện trở

Câu11: Trình bày về cảm biến điện dung

Khái niệm: Phần tử có khả năng làm thay đổi được gía trị điện dung của tụ điện được gọi là cảm biến điện dung

Ta có .S0

C  





Trong đó 0 là hằng số điện môi của không khí

 là hằng số của chất điện môi của chất cách điện

S là diện tích đối diện của hai bản tụ

 khoảng cách giữa hai bản tụ

Khi ta thay đổi các thông số trên thì điện dung sẽ thay đổi

Ta có các loại cảm biến điện dung như sau :

Cảm biến điện dung theo sự dịch chuyển thẳng có dạng:

ta thay đổi chiều dài của bản tụ để giảm diện tích đối điện của bản tụ cách này thường gặp ở cảm biến góc quay

Loại tiếp theo là thay đổi chiều dài khoảng cách giữa hai mặt của bản tụ thì với loại cảmbiến này thì ta có dạng công thức như sau:

Thay đổi diện tích

lúc này ta có dạng đặc tính của điện dung phụ thuộc vào góc quay như sau

trong thực tế người ta còn sử dụng cảm biến điện dung để đo mức sử dụng vào hệ sô  để tính toán ví dụ để đo lượng dầu trong một hệ thống nào đó

Câu 12: Trình bày về cảm biến điện cảm

Phần tử có khả năng làm thay đổi giá trị điện cảm của cuộn dây thì ta gọi phần tử đó là cảm biến điện cảm

Trong đó:

1 là cuộn dây còn

2 là khung từ phần tĩnh

3 khung từ phần động

Khi xảy ra sự thay đổi ở phần động sẽ làm cho từ thông thay đổi do ảnh hưởng của khe khí chính vì thế điện áp đầu ra sẽ thay đổi

Ngoài ra ta còn có kiểu khác như sau:

với mạch từ này thì điện áp được cấp điều chinh sao cho điện áp đầu ra không đổi hoặc bằng 0 khi có hiện tượng làm thay đổi độ rộng khe khí thì sẽ cho tín hiệu ở điện áp đầu ra ởkhoảng giá trị nào đó

 điều này nói lên là hệ số tự cảm phụ thuộc vào

số vòng dây và tổng từ trở của toàn mạch

ta thiết kế một bộ như trên khi không có sự thay đổi góc quay thì từ thông qua là cuộn dây

là triệt tiêu vì vậy không có dòng điệu chạy qua cuộn dây ở giữa vì vậy nên điện áp ra bằng

0 khi xảy ra hiện tượng góc quay bị xoay đi thì từ thông bị chệnh lệch xuất hiện điện áp ra ngoài khác 0

Câu 13: Trình bày về xen xin và các chế độ hoạt động của xen xin

Trả lời: Xen xin là máy điện đặc biệt công suất nhỏ làm việc trong hệ thống đồng bộ trên tàu (trên tàu thủy là chủ yếu)

Cấu tạo:

Phần tĩnh là stato

Bao gồm lõi thép được ghép từ lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau tạo thành hìnhtrụ rỗng bề mặt bên trong có xẻ rãnh để đặt các cuộn dây

Cuộn dây stato có 3 cuộn dây đặt lệch nhau một góc 120o trong không gian

Phần động rôto gồm 2 phần: lõi thép là hình trụ ghép từ các lá thép kĩ thuật điện cuộn dây được quấn trên đó và được nối với vành trượt và chổi than

Xen xin hoạt động trong chế độ chỉ báo và hoạt động trong chế độ biến áp

Trong chế độ chỉ báo ta có sơ đồ sau

2 cuộn dây pha của 2 xen xin được mắc song song với nhau và được mắc vào nguồn xoay chiều, các cuộn dây pha được mắc hình sao, các cuộn dây của 3 pha tương ứng được mắc với nhau bằng các dây dẫn

đó thì tại dây phần ứng của xen xin phát sẽ có các sức điện động

AF BF CF

o F

4,44 os( ) 4,44 os( +120 )

4, 44 os( -120 )

T

o T

o T

Vậy khi có rô to của xen xin phát quay đi một góc thì trên xen xin thu sẽ xảy ra hiện tượng chênh áp hiện tượng này sẽ làm sinh ra các dòng điện cân bằng làm quay rô to của xen xin

FA Ta d

E I

FB TB d

E I

FC TC d

E I





Trong chế độ biến áp thì ta có sơ đồ sau:

Trong chế độ này thì cuộn dây kích từ của xen xin phát và xen xen thu đặt lệch nhau 1 góc

90o trong không gian

Nguyên lý hoạt động: khi ta cấp điện cho cuộn dây pha của xen xin phát thì trên rô to của xen xin phát sẽ xuất hiện các sức điện động tương ứng E A E m.sin ( t + ) 

.sin

ra

Câu 14: Trình bày về máy phát tốc một chiều

Máy phát tốc một chiều có cấu tạo giống với máy điện một chiều chỉ khác là phần kích từ lànam châm vĩnh cửu

Hoạt động: Khi ta quay máy phát tốc 1 chiều thì U Ra C0 .n trong đó thì C0 là hằng số phụ thuộc máy phát  là từ thông của nam châm vĩnh cửu

Như vậy theo biểu thức trên thì điện áp ra tỉ lệ với số vòng quay

Ưu điểm là đơn giản rẻ tiền tỉ lệ tuyến tính với tốc độ

Nhược điểm là có vùng không nhạy lớn ảnh hưởng của từ trường bên ngoài cao

Câu 15: Trình bày về máy phát tốc đồng bộ

Cấu tạo giống máy phát đồng bộ công suất nhỏ

Hoạt động khi ta quay rô to thì trên cuộn dậy của máy phát đông bộ sẽ xuất hiện các sức điện động cảm ứng E4, 44 .w.K q n công thức này cho ta thấy là sức điện đông sinh ra trên các cuộn dây sẽ tỉ lệ với số vòng quay của của máy

Ưu điểm ít ảnh hưởng của từ trường ngoài, tỉ lệ tuyến tính với tốc độ

Nhược điểm sụt áp lớn trong các cuộn dây máy phát tốc khi tải bên ngoài máy phát tốc tăng lên, trong trường hợp nào đó xảy ra hiện tưởng cộng hưởng làm điện áp ra của máy phát tốc thay đổi theo

Câu 16: Trình bày về bộ khuếch đại từ đơn giản

Trả lời:

Cấu tạo của khuếch đại từ đơn giản gồm 1 cuộn dây công tác và một cuộn dây điều khiển được cấp nguồn một chiều

Giả sử điện áp cấp cho nguồn không đổi thì ta có dòng điện qua tải là R

T

U I Z

 trong đó

 CT T2  CT T2

Z  R R  X X mặt khác R CT,R X T, T là các đại lượng không đổi chỉ có X CT là thay

đổi và phụ thuộc vào biểu thức sau: 2 4 w CT

Trong đó wCT là số vòng dây cuộn công tác

S là tiết diện ngang của vòng dây

l chiều dài trung bình của từ thông đi qua cuôn công tác