Bài giảng Các nguyên tắc điều khiển tự động truyền động điện

Những trạng thái làm việc của hệ thống truyền động điện tự động có thể được đặc trưng bằng các thông số như : tốc độ động cơ truyền động hay của cơ quan chấp hành máy sản xuất , dòng ph

CÁC NGUYÊN T Ắ Ắ C C ĐK TĐ TĐĐ

Th¸i Nguyªn,

ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

 ξ 1.1 Khái niệm chung

 ξ 1.2 Khống chế tự động theo nguyên tắc thời gian

 ξ 1.3 Khống chế tự động theo nguyên tắc tốc độ

 ξ 1.4 Khống chế tự động theo nguyên tắc dòng điện

 Chương 2 : BẢO VỆ VÀ TÍN HIỆU HOÁ TRONG HỆ

THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

TỰ ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

ξ 1.1 Khái niệm chung

Theo yêu cầu công nghệ của máy hay cơ cấu sản xuất, các hệ

thốngtruyền động điện tự động đều được thiết kế tính toán để làm

việc ở những trạng thái ( hay chế độ ) xác định Những trạng thái làm việc của hệ thống truyền động điện tự động có thể được đặc trưng

bằng các thông số như : tốc độ động cơ truyền động hay của cơ quan chấp hành máy sản xuất , dòng phần ứng của động cơ hay dòng kích thích của động cơ một chiều , mô men phụ tải trên trục động cơ

truyền động Tuỳ theo quá trình công nghệ mà các thông số trên có thể lấy giá trị khác nhau Việc chuyển từ giá trị này đến giá trị khác được thực hiện tự động nhờ hệ thống điều khiển

khỏi hệ thống những phần tử , thiết bị nào đó ( chẳng hạn : điện trở , điện kháng , điện dung , khâu hiệu chỉnh ) để thay đổi một hoặc nhiều thông số đặc trưng hoặc để giữ một thông số nào đó không thay đổi khi có sự thay đổi ngẫu nhiên của thông số khác

Th¸i Nguyªn,

điều khiển phải có những cơ cấu , thiết bị thụ cảm được giá trị các thông số đặc trưng cho chế độ công tác của truyền động điện

Trong hệ thống điều khiển gián đoạn các phần tử thụ cảm này phải làm việc theo các ngưỡng chỉnh ddịnh được Nghĩa là khi thông số được thụ cảm đến trị số ngưỡng đã đặt , phần tử thụ

cảm theo thông số này sẽ bắt đầu làm việc phát ra một tín hiệu đưa đến phần tử chấp hành Kết quả là sẽ đưa vào hoặc đưa ra khỏi mạch động lực những phần tử cần thiết

 Nếu hệ thống điều khiển có tín hiệu phát ra từ phần tử thụ cảm

được thời gian của quá trình ( từ một mốc thời gian nào đó ) ta nói rằng hệ điều khiển theo nguyên tắc thời gian

 Nếu hệ thống điều khiển có tín hiệu phát ra từ phần tử thụ cảm

được tốc độ ta nói rằng hệ điều khiển theo nguyên tắc tốc độ

 Nếu hệ thống điều khiển có tín hiệu phát ra từ phần tử thụ cảm

được dòng điện ta nói rằng hệ điều khiển theo nguyên tắc dòng điện

 Ngoài ra có thể điều khiển theo nhiệt độ , theo mô men , theo chiều công suất

 Quá trình điều khiển hệ thống truyền động điện có thể chia ra

những quá trình sau :

 Tự động điều khiển quá trình mở máy ( khởi động)

 Tự động điều khiển quá trình làm việc ( duy trì một thông số nào đó theo một quy luật cho trước )

 Tự động điều khiển quá trình hãm dừng máy

 Một nhiệm vụ điều khiển đơn giản nhưng thường gặp là điều khiển quá trình mở máy và quá trình dừng máy các thống truyền động điện không thay đổi khi có sự thay đổi ngẫu nhiên của thông số khác

.

Th¸i Nguyªn,

phải tiến hành hạn chế dòng khởi động nhờ các thiết bị như : điện trở , diện kháng , biến áp tự ngẫu Quá trình khởi động xong ta phải loại trừ các thiết bị hạn chế đó ra.

chiều kích thích độc lập và vào mạch rô to động cơ không đồng

bộ rô to dây quấn

Th¸i Nguyªn,

Từ việc nghiên cứu các đặc tính tĩnh và động ta thấy rằng có thể đóng cắt các điện trở phụ tại các thời điểm t 1 , t 2 hoặc tại các giá trị tốc

độ n 1 , n 2 hoặc tại các giá trị dòng điện ( mô men) I 1 , I 2 ( M 1 , M 2 ) từ

đó hình thành nên 3 nguyên tắc khống chế cơ bản như sau :

+ Nếu sử dụng các thiết bị đo được thời gian ( rơ le thời gian ) và tại các thời điểm thích hợp phát lệnh điều khiển vào mạch ta được nguyên tắc khống chế tự động theo thời gian.

+ Nếu sử dụng các thiết bị đo được tốc độ và tại các giá trị tốc độ

thích hợp phát lệnh điều khiển vào mạch ta được nguyên tắc

Th¸i Nguyªn,

thời gian

 Khống chế tự động theo nguyên tắc thời gian dựa trên cơ sở là

thông số mạch động lực biến đổi theo thời gian để từ đó phát tín hiệu điều khiển vào mạch ở những thời điểm thích hợp , các thời điểm đó được xác định dựa trên việc tính toán quá trình quá độ trong động cơ

 Giả thiết rằng ta có các quan hệ n= f(M đ ) và n = f(M C ) là các quan

hệ tuyến tính Thì thời gian cần thiết để mở máy động cơ từ tốc

độ n 1 đến tốc độ n 2 được xác định

 Trong trường hợp mô men động là một đường bất kỳ ,

ta phải chia nó ra thành các đoạn thằng khác nhau và dựa vào từng đoạn đó để tính thời gian chỉnh định của các cấp cần thiết theo (1) và (2)

Th¸i Nguyªn,

 Thời gian tính theo (1) và (2) là thời gian kể từ lúc bắt đầu cắt điện

trở khởi động ra khỏi mạch do đó nó bao gồm cả thời gian tác động riêng của khí cụ khống chế nên thời gian chỉnh định thực tế sẽ là :



Th¸i Nguyªn,

 Giới thiệu sơ đồ :

Sơ đồ dùng hai rơ le thời gian R th1 , R th2 để mở máy tự động qua hai cấp điện trở phụ trong mạch phần ứng

Rơ le thời gian RH để khống chế tự động khi hãm động năng

Mở máy : ấn nút mở máy M , công tắc tơ K có điện , đóng tiếp điểm thường mở K tự duy trì và tiếp điểm thường mở K trên mạch động lực động cơ được nối với lưới và mở máy với toàn bộ điện trở phụ Đồng thời RH có điện chuẩn bị cho quá trình hãm động năng

 K có điện , tiếp điểm thường kín K mở do đó R th1 mất điện , sau

khoảng thời gian chỉnh định t 1 tiếp điểm thường kín đóng chậm R th1 đóng cấp điện cho công tắc tơ 1K , tiếp điểm thường mở 1K đóng ngắn mạch cấp điện trở phụ thứ nhất làm cho rơ le thời gian R th2

mất điện , sau thời gian chỉnh định (t 2 –t 1 ) tiếp điểm thường kín đóng chậm R th2 đóng cấp điện cho 2K , tiếp điểm thường mở 2K đóng

ngắn mạch nốt cấp điện trở phụ thứ hai , đưa động cơ làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên

 + Dừng máy : ấn nút dừng D , công tắc tơ K mất điện , rơ le thời

gian RH mất điện nhưng tiếp điểm RH chưa mở vì vậy công tắc tơ

H có điện , điện trở hãm được đưa vào song song với phần ứng động

cơ và xảy ra quá trình hãm động năng Khi hết thời gian mở chậm tiếp điểm RH­ mở ra , H mất điện , điện trở hãm được loại ra khỏi mạch , động cơ được hãm tự do

Th¸i Nguyªn,

b: Sơ đồ mở máy động cơ không đồng bộ rô to dây quấn qua hai cấp

điện trở phụ

* Giới thiệu sơ đồ : Để hạn chế dòng điện mở máy người ta đưa vào rô to động cơ điện trở phụ gồm hai cấp Việc ngắn mạch hai cấp điện trở phụ trong quá trình mở máy theo nguyên tắc thời gian nhờ hai rơ le thời gian R th1 và R th2

Th¸i Nguyªn,

công tắc tơ K có điện , động cơ được nối vào lưới và tiến hành

mở máy với toàn bộ diện trở phụ trong mạch rô to , đồng thời K

có điện thì rơ le thời gian R th1 cũng có điện , sau khoảng thời

gian t 1 tiếp điểm thường mở đóng chậm R th1 đóng cấp điện cho công tắc tơ 1K đóng cấc tiếp điểm thường mở 1K ở mạch động lực ngắn mạch cấp điện trở phụ thứ nhất , đồng thời tiếp điểm thường mở 1K ở mạch khống chế cũng đóng cấp điện cho rơ le thời gian R th2 , sau thời gian chỉnh định t 2 – t 1 tiếp điểm thường

điện trở phụ thứ hai , động cơ chuyển sang làm việc trên đặc tính tự nhiên

theo nguyên tắc thời gian :

­ Ả Ả nh nh hưởng của mô men cản trên trục động cơ :

 Việc chỉnh định thời gian của các rơ le thời gian được tiến hành

trên cơ sở các đồ thị đặc tính khởi động được xây dựng theo các

số liệu tính toán

động sai khác với tính toán thì các thời gian đã đặt của các rơ le

là không phù hợp nữa

mô men động M đg1 = M 1 – M C1 và M đ đ g2 g2 =M 2 – M C1 sẽ giảm nhỏ đi ,

do đó gia tốc của hệ sẽ bé đi Vì vậy đến hết thời gian duy trì của

rơ le thời gian tốc độ động cơ không đạt được giá trị tốc độ mong muốn mà sẽ đạt giá trị thấp hơn , do dó điểm chuyển đổi sẽ thấp hơn Điều đó dẫn đến dòng điện và mô men chuyển đổi có thể lớn hơn giá trị cần hạn chế

Th¸i Nguyªn,

­ Ta có

­ T C là hằng số thời gian điện cơ của động cơ

­ Do đó giả sử khi J tăng lên thì T C tăng và khi đó tốc độ tại điểm chuyển đổi sẽ giảm đi , nghĩa là điểm chuyển đổi hạ thấp dẫn đến

sự vượt quá trị số cho phép của dòng điện và mô men trong động

cơ

­ Đối với động cơ một chiều kích từ song song giả sử điện áp lưới giảm 10% mà tốc độ động cơ vẫn không thay đổi thì tốc độ không tải lý tưởng ω0 sẽ giảm xuống 10% Các đặc tính cơ khởi động

nhỏ , điểm chuyển đổi thấp xuống , do đó quá trình khởi động sẽ kéo dài

 * ảnh hưởng của điện trở cuộn dây rơ le thời gian : Khi nhiệt độ tăng thì điện trở cuộn dây rơ le thời gian tăng lên dẫn đến giảm dòng điện chạy qua cuộn dây và do đó giảm sức từ động của rơ le , làm thay đổi thời gian duy trì của nó Sự thay đổi này tuỳ thuộc vào từng loại rơ le

các điện trở khởi động bị đốt nóng do đó mô men động giảm đi làm cho quá trình khởi động bị kéo dài ra

gian theo tính toán và độc lập với thông số của hệ thống động lực Trong thực tế ảnh hưởng của điện áp lưới , của mô men cản và của điện trở cuộn dây hầu như không đáng kể đến sự làm việc của

hệ thống và đến quá trình gia tốc của truyền động điện Thiết bị của sơ đồ đơn giản , làm việc tin cậy ngay cả khi phụ tải thay đổi

Rơ le thời gian dùng đồng loại cho bất kỳ công suất và động cơ nào, có tính kinh tế cao

Th¸i Nguyªn,

tốc độ

1: Nội dung nguyên tắc

số đặc trưng quan trọng xác định trạng thái của hệ thống truyền động điện Do vậy người ta dựa vào thông số này để điều khiển

sự làm việc của hệ thống Lúc này mạch điều khiển phải có phần

tử thụ cảm được chính xác tốc độ làm việc của động cơ ­ rơ le tốc

độ Khi tốc độ đạt được những trị số ngưỡng đã đặt thì rơ le tốc

độ sẽ phát tín hiệu đến phần tử chấp hành để chuyển trạng thái làm việc của hệ thống truyền động điện đến trạng thái mới yêu cầu

 Rơ le tốc độ có thể cấu tạo theo nguyên tắc ly tâm , nguyên tắc ảm

ứng hoặc cũng có thể dùng máy phát tốc độ Đối với động cơ một chiều có thể gián tiếp kiểm tra tốc độ thông qua sức điện động động cơ Đối với động cơ xoay chiều có thể thông quá sức điện động và tần số mạch rô to để xác định tốc độ.

1: Một số sơ đồ đặc trưng

a: Sơ đồ mở máy động cơ một chiều kích từ độc lập theo nguyên tắc

tốc độ qua cấp điện trở phụ trong mạch phần ứng

Th¸i Nguyªn,

 Việc ngắn mạch các cấp điện trở khởi động trong mạch phần ứng động cơ có thể thực hiện được ở các tốc độ ω1, ω2 , ω3 Để làm các phần tử kiểm tra tốc độ ở đây ta dùng các công tắc tơ gia tốc 1K , 2K, 3K có cuộn dây mắc trực tiếp vào hai đầu phần ứng động cơ ,

nó tiếp thụ được điện áp tỷ lệ với tốc độ động cơ với sai lệch nhỏ

điểm ( ω1 ,I 1 ) , (ω2 ,I 2 ) và (ω3 ,I 3 ) , ở các điểm này điện áp trên hai đầu phần ứng sẽ là :

Th¸i Nguyªn,

Sau khi ấn nút mở máy , công tắc tơ K có điện đóng mạch phần ứng động cơ vào nguồn qua ba cấp điện trở phụ và động

cơ bắt đầu được gia tốc trên đường đặc tính cơ 1 Khi tốc độ động cơ đạt trị số ω1 điện áp trên hai đầu công tắc tơ 1K đạt trị số hút U 1 do đó 1K hút loại điện phụ r 1 , động cơ sẽ chuyển lên làm việc trên đường đặc tính cơ 2 Khi tốc độ động cơ đạt trị số ω2 ( ω2 > ω1 ) thì điện áp trên hai đầu công tắc tơ 2K đạt trị số hút U 2 , điện trở r 2 được ngắn mạch và động cơ sẽ

chuyển lên gia tốc trên đường đặc tính cơ (3) Khi tốc độ động

cơ đạt trị số ω3 ( ω3 > ω2 ) , điện áp hút trên hai đầu công tắc

tơ 3K đạt trị số hút U 3 , r 3 được ngắn mạch và động cơ sẽ chuyển lên gia tốc trên đường đặc tính cơ tự nhiên cho đến điểm làm việc ổn định

 Mạch này có ưu điểm là đơn giản rẻ tiền vì không có rơ le

­ Điện áp hút của các công tắc tơ khác nhau đòi hỏi phải chỉnh

định các công tắc tơ khác nhau hoặc dùng các cuộn dây có điện áp danh dịnh khác nhau Nhược điểm này có thể khắc phục được bằng cách nối các công tắc tơ theo sơ đồ sau :

lượng phụ thuộc vào trị số điện trở mà nó cần có trong mạch để hạn chế dòng điện phần ứng Do đó việc chọn và chỉnh định trị số điện

áp hút của các công tắc tơ được dễ dàng hơn nhiều và có thể chọn chúng cùng loại

 b Sơ đồ khởi động động cơ một chiều kích từ độc lập qua hai

cấp điện trở phụ và hãm động năng để dừng máy theo nguyên tắc tốc độ

ứng động cơ được nối vào lưới qua hai cấp điện trở phụ , khi tốc

độ động cơ đạt trị số ω1 thì điện áp trên cuộn dây công tắc tơ 1K

tự nhiên đến điểm công tác

máy D , công tắc tơ K mất điện , phần ứng động cơ bị cắt rakhỏi lưới , tiếp điểm thường kín K đóng cấp điện cho rơ le điện áp RH

vì lúc này tốc độ động cơ vẫn còn lớn lên rơ le điện áp hãm RH sẽ tác động đóng tiếp điểm RH cấp điện cho công tắc tơ H đưa điện trở hãm vào song song với mạch phần ứng động cơ và xảy ra quá trình hãm động năng Tốc độ động cơ giảm nhanh về 0 , khi

giảm về một tốc độ đủ nhỏ nào đó rơ le RH nhả , H mất điện , điện trở hãm được loại ra khỏi mạch , động cơ được hãm tự do cho đến dừng hẳn

c Sơ đồ mở máy động cơ không đồng bộ rô to dây quấn theo nguyên tắc tốc độ

Th¸i Nguyªn,

động cơ được nối với lưới , tại thời điểm này tốc độ động cơ bằng 0 (hệ số trượt S = 1) nên sức điện động rô to E 2 của động cơ là lớn

nhất nên rơ le điện áp cực đại RG tác động mở tiếp điểm thường kín

RG , 1K không có điện , động cơ được mở máy với điện trở phụ trong quá trình khởi động tốc độ động cơ tăng dần do đó hệ số trượt

S giảm dần , E 2 giảm dần khi đạt trị số nhả của rơ le RG thì tiếp điểm RG đóng lại cấp điện cho 1K , tiếp điểm 1K đóng ngắn mạch điện trở phụ ra khỏi mạch rô to động cơ

 Nhận xét về nguyên tắc điều khiển theo tốc độ :

­ Ưu điểm : đơn giản , rẻ tiền , thiết bị có thể là công tắc tơ mắc trực tiếp vào phần ứng động cơ không cần thông qua rơ le

­Nhược điểm : Thời gian mở máy , hãm phụ thuộc nhiều vào mô men cản , mô men quán tính J , điện áp lưới U và điện trở cuộn dây công tắc tơ Các công tác tơ gia tốc có thể không làm việc vì điện áp lưới giảm thấp, vì quá tải , vì cuộn dây quá phát nóng sẽ dẫn đến quá phát nóng điện trở khởi động , có thể làm cháy các điện trở đó Khi điện áp lưới tăng cao có khả năng tác động đồng thời các công tắc tơ gia tốc làm tăng dòng điện quá trị số cho phép

mà chỉ thường dùng nguyên tắc này để điều khiển quá trình hãm động cơ

Th¸i Nguyªn,

dòng điện

1.Nội dung nguyên tắc

Dòng điện trong mạch phần ứng động cơ cũng là một thông số rất quan trọng xác định trạng thái của hệ thống truyền động điện Nó phản ánh trạng thái non tải , trạng thái quá tải cũng như phản ánh trạng thái đang khởi động hay đang hãm của động cơ truyền động Trong quá trình khởi động , hãm dòng điện cần đảm bảo nhỏ hơn một trị số giới hạn cho phép Trong quá trình làm việc cũng vậy dòng điện có thể phải giữ không đổi ở một trị số nào đó theo yêu cầu của quá trình công nghệ

Ta có thể dùng các công tắc tơ có cuộn dây dòng điện hoặc rơ le dòng điện kiểu điện từ hoặc các khoá điện tử hoạt động theo tín

hiệu vào là trị số dòng điện để điều khiển hệ thống theo các yêu cầu trên

 Dòng điện mạch phần ứng động cơ dùng làm tín hiệu vào trực tiếp

hoặc gián tiếp cho các phần tử thụ cảm dòng điện nói trên Khi trị

số tín hiệu vào đạt đến giá trị ngưỡng xác định có thể điều chỉnh được của nó thì nó sẽ phát tín hiệu để điều khiển hệ thống chuyển đến những trạng thái làm việc yêu cầu

a: Sơ đồ mở máy động cơ một chiều kích từ nối tiếp qua một cấp điện trở phụ theo nguyên tắc dòng điện

Th¸i Nguyªn,

điện , đóng tiếp điểm K trên mạch phần ứng và duy trì trên mạch điều khiển , rơ le RLĐ có điện dóng tiếp điểm RLĐ , vì lúc này dòng khởi động cho động cơ là lớn nhất ( I 1 ) nên RI tác động mở tiếp điểm thường kín RI , 1K

không có điện và động cơ được mở máy với điện trở phụ đến khi dòng điện giảm tới giá trị I 2 thì RI nhả , tiếp điểm

RI đóng lại cấp điện cho 1K , tiếp điểm 1K đóng ngắn

mạch điện trở phụ ra khỏi mạch đưa động cơ lên làm việc trên đặc tính tự nhiên