Chuong 1 Tài liệu trang bị điện

Các nguyên tắc điều khiển hệ thống truyền động điện kiểu hở 1.2.1 Nguyên tắc điều khiển theo thời gian  Nội dung nguyên tắc Điều khiển theo nguyên tắc thời gian dựa trên cơ sở là thô

Chương 1: CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 Khái niệm chung

Khi mở máy các động cơ có công suất trung bình và lớn người ta phải dùng các biện pháp hạn chế dòng khởi động như: Mở máy qua điện trở, điện kháng, máy biến áp

tự ngẫu, mở máy bằng đổi nối Sao-Tam giác Trong quá trình khởi động muốn tốc độ động cơ tăng dần đến giá trị định mức, thì ta phải tìm cách loại dần các phần tử mở máy đó ra Một cách tổng quát ta có sơ đồ mạch động lực, đặc tính tĩnh, đặc tính động của quá trình mở máy của động cơ điện 1 chiều, xoay chiều như hình vẽ

- Nếu như ta sử dụng các thiết bị đo tốc độ như rơle ly tâm, máy phát tốc để đo tốc độ

n1, n2 và tương tự như trên ta có tự động khống chế theo nguyên tắc tốc độ

- Nếu sử dụng rơ le dòng điện để đo dòng điện I1, I2 và tương tự ta có phương pháp tự động khống chế theo nguyên tắc dòng điện

- Trong thực tế có nhiều bộ phận của máy làm việc bị giới hạn bởi góc quay hay quãng đường nhất định khi đó người ta sử dụng phương pháp khống chế theo nguyên tắc hành trình

1.2 Các nguyên tắc điều khiển hệ thống truyền động điện kiểu hở

1.2.1 Nguyên tắc điều khiển theo thời gian

 Nội dung nguyên tắc

Điều khiển theo nguyên tắc thời gian dựa trên cơ sở là thông số làm việc của mạch biến đổi theo thời gian Những tín hiệu điều khiển phát ra theo quy luật thời gian cần thiết để làm thay đổi trạng thái của hệ thống Những phần tử thụ cảm được thời gian

để phát tín hiệu cần được chỉnh định dựa theo ngưỡng chuyển đổi của đối tượng Ví dụ như tốc độ, dòng điện, mô men của mỗi động cơ được tính toán chọn ngưỡng cho thích hợp cho từng hệ thống truyền động điện cụ thể

Những phần tử thụ cảm được thời gian có thể gọi là rơ le thời gian Nó tạo nên được một khoảng thời gian trễ (duy trì) kể từ lúc có tín hiệu đưa vào (mốc không) đầu vào của nó đến khi nó phát được tín hiệu ra đưa vào phần tử chấp hành

Các cơ cấu duy trì thời gian có thể là: cơ cấu con lắc, cơ cấu điện từ, khí nén, cơ cấu điện tử, tương ứng là rơ le loại đó,…

Bằng giải tích hoặc bằng đồ thị mà người ta xác định số cấp điện trở phụ mở máy, giá trị điện trở của từng cấp, đặc tính động để chỉnh định thời gian tác động của

rơ le, các khoảng thời gian được tính tương đối như sau:

t =

M

M M

dg dg

1 2

1

2 1

M

K1 D

K3

K3

Rt2

Rt2 K3 7

9

11 13

Hình 1.2 Mạch điều khiển theo nguyên tắc thời gian

Trong sơ đồ không giới thiệu cách cấp nguồn nhưng cần phải lưu ý rằng ở mọi chỗ có nguồn đều phải được cấp đầy đủ trước khi vận hành, nhất là cần chú ý đến nguồn kích từ

Để điều khiển cho động cơ làm việc, trước tiên ta cấp nguồn cho cuộn kích từ, đóng các thiết bị cấp nguồn cho mạch động lực và mạch điều khiển chuẩn bị làm việc Điều khiển cho động cơ mở máy bằng cách bấm nút mở máy M -> Cuộn dây công tắc

tơ K1 có điện, đóng tiếp điểm K1(3-5) để duy trì, các tiếp điểm K1 ở mạch động lực đóng lại, phần ứng của động cơ được nối vào nguồn và mở máy qua 2 cấp điện trở phụ r1 và r2 Đồng thời rơ le thời gian Rt1 ở mạch điều khiển có điện và bắt đầu đếm, sau một khoảng thời gian tiếp điểm thường mở đóng chậm Rt1(5-9) đóng lại -> K2 có điện, đóng K2(5-9) để duy trì, tiếp điểm K2 ở mạch động lực đóng lại, loại cấp điện trở phụ r1 khỏi mạch phần ứng, đồng thời tiếp điểm K2(5-7) mở ra để cắt điện của Rt1, khi đó cuộn dây của rơ le thời gian Rt2 cũng có điện, sau một khoảng thời gian sẽ đóng tiếp điểm Rt2(9-13) để cấp nguồn cho K3 loại nốt điện trở phụ r2 và tiếp điểm K3(9-11) cũng mở ra đế cắt điện của Rt2; Động cơ tăng tốc và làm việc ổn định ở tốc độ định mức, quá trình mở máy kết thúc

Muốn dừng máy ta ấn nút D, các công tắc tơ K1, K2 và K3 mất điện, phần ứng của động cơ được cắt khỏi nguồn và dừng lại

Thời gian chỉnh định ở mỗi cấp điện trở được tính theo công thức: ti= Tci ln

Mc M

Mc M





2 1

Trong đó Tci : hằng số thời gian điên cơ của động cở đặc tính có điện trở phụ ở cấp thứ i

Những yếu tố ảnh hưởng đến nguyên tắc

Khi tính toán các đường đặc tính mở máy động cơ thường ta xét ở chế độ định mức Nhưng thực tế do điện lưới, mô men cản, mô men quán tính và nhiệt độ thay đổi

so với tính toán, các yếu tố đó ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính khởi động

1.2.2 Nguyên tắc điều khiển theo tốc độ

 Nội dung nguyên tắc

Để khống chế theo nguyên tắc này ta phải đo được tốc độ động cơ, có thể đo trực tiếp bằng rơle kiểm tra tốc độ, nhưng khi hệ thống khống chế có nhiều cấp điện trở thì việc điều khiển gặp rất nhiều khó khăn do đó thực tế ít sử dụng Ngoài ra ta còn có thể

đo tốc độ bằng máy phát tốc nhưng trong các hệ thống đơn giản thì chỉ tiêu kinh tế thấp (máy phát tốc có giá thành cao) nên ít dùng loại này Thông thường người ta sử dụng phương pháp đo gián tiếp

+ Đối với động cơ điện 1 chiều, đo tốc độ thông qua sđđ phần ứng của động cơ

EĐ= Ke..n (dùng rơ le điện áp mắc song song với phần ứng động cơ)

+ Đối với động cơ KĐB, đo tốc độ gián tiếp qua sđđ rotor, tần số dòng điện rotor và hệ

Hình 1.3 Điều khiển theo nguyên tắc tốc độ

Theo định luật Kirchhoff 2 ta có:

Vòng 1 UG1= Eư + Iư Rư = Ke..n1+ Iư Rư

Vòng 2 UG2= + Iư( Rư+R2) =Ke..n2+ Iư (Rư+R2)

Xét trường hợp 1: Khi tốc độ động cơ tăng đến tốc độ n1 nào đó thì

UG1= Eư + Iư Rư = Ke..n1+ Iư Rư = UG1tđ Dẫn đến rơle điện áp G1 tác động đóng tiếp điểm G1 lại loại bỏ cấp điện trở phụ R1 ra khỏi mạch phần ứng động cơ

Xét trường hợp 2: Khi tốc độ động cơ tăng đến tốc độ n2 nào đó thì

UG2 = Eư + Iư( Rư+R2) = Ke..n2+ Iư( Rư+R2) = UG2tđDẫn đến rơle điện áp G2 tác động đóng tiếp điểm G2 lại loại bỏ cấp điện trở phụ R2 ra khỏi mạch phần ứng động cơ

Nhận xột:

+ Ưu điểm: Đơn giản, rẻ tiền

+ Nhược điểm: Khi mụ men cản, điện ỏp lưới và nhiệt độ thay đổi cũng làm thay đổi thời gian mở mỏy của động cơ

Việc chỉnh định điện ỏp hỳt của cỏc rơ le cũng gặp nhiều khú khăn

Vớ dụ: Mạch điều khiển mở mỏy động cơ 1 chiều KTĐL qua 2 cấp điện trở phụ và

hóm động năng Hỡnh 1.5

Đ

r1

r2k

k

k

H

cc cc

1.2.3 Nguyờn tắc điều khiển theo dũng điện

Khống chế theo nguyờn tắc dũng điện nghĩa là khống chế quỏ trỡnh theo cỏc giỏ trị đo được hoặc tớnh toỏn được Trị số của dũng điện mở mỏy của động cơ dao động giới hạn được xỏc định từ I2 tới I1, giỏ trị của dũng điện I1= 2,22,5 dũng Iđm được xỏc định căn cứ vào điều kiện vận hành của động cơ và giỏ trị cho phộp của dũng điện phần ứng động cơ Giỏ trị dũng điện I2 = (1,82)Iđm được xỏc định căn cứ vào việc đảm bảo gia tốc tối thiểu khi mở mỏy động cơ ở phụ tải đó cho đến I1, I2 luụn lớn hơn Iđm này Muốn khống chế theo nguyờn tắc dũng điện ta sử dụng một số rơ le dũng điện mắc nối tiếp với phần ứng của động cơ điện 1 chiều hoặc mắc nụi tiếp với 1 pha của động cơ

n no nđm n

Hãm

động năng I

Hoạt động của sơ đồ: ấn nút S2 công tắc tơ K1

có điện, tiếp điểm K1 đóng duy trì, tiếp điểm K1 mạch

động lực đóng cấp điện cho mạch phần ứng, động cơ

hoạt động qua r1 Lúc này rơle dòng RI, rơle khoá RK

cùng có điện, cùng tác động nhưng phải đảm bảo yêu

cầu như sau: RI có thời gian tác động nhanh hơn RK

Lúc đó tiếp điểm thường đóng RI mở ra trước sau đó

tiếp điểm thường mở RK đóng Động cơ hoạt động,

dòng điện giảm dần (từ I1 đến I2) thì RI đạt trị số và

nhả, dẫn đến công tắc tơ K2 tác động, tiếp điểm K2

đóng lại duy trì và ngắn mạch r1 Động cơ hoạt động

ở đường đặc tính tự nhiên

Tiếp điểm thường mở K2 song song với tiếp điểm RI có vai trò không cho K2 mất điện với bất cứ lý do nào sau này (như do quá tải ) nghĩa là không đưa r1 vào mạch phần ứng

Nhận xét:

- Có thể duy trì MĐ trong quá trình khởi động ở mức xác định

- Quá trình khởi động không phụ thuộc vào nhiệt độ của dây quấn rơ le

- Không đảm bảo giữ nguyên thời gian khởi động

1.2.4 Nguyên tắc điềukhiển theo hành trình

 Nội dung nguyên tắc

Khống chế theo nguyên tắc hành trình nghĩa là 1 khâu hay một bộ phận nào đó của máy khi chuyển động phụ thuộc vào vị trí không gian của các bộ phận khác

Ví dụ: Bàn dao của máy cắt gọt, bàn máy, buồng thang của thang máy

I

I2

I1

t

Ví dụ minh hoạ:

Hình 1.7

1.3 Nguyên tắc điều khiển hệ thống truyền động điện kiểu hệ kín

1.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống tự động điều chỉnh

CK§

BD

AT

BBĐ là bộ biến đổi, có thể là máy phát, khuếch đại từ, bán dẫn

ĐK là khối điều khiển

Kn, KI là hệ số phản hồi tốc độ và dòng điện

Rn, RI bộ điều chỉnh tốc độ, dòng điện

Các bộ điều chỉnh tốc độ, dòng điện (Rn, RI) là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống vì nó quyết định chất lượng tĩnh và chất lượng động của hệ thống Nó có 2 chức năng như sau:

- Khuếch đại các sai lệch điều khiển nhỏ của hệ thống

- Đảm bảo chất lượng và độ chính xác của hệ

1.3.2 Các nguyên tắc điều chỉnh

1.3.2.1 Khái niệm chung

Đối với hệ thống truyền động điện làm việc ở các trạng thái hở, trong quá trình hãm, khởi động, đảo chiều, ăn tải, nhả tải thường gây ra các sai lệch lớn so với giá trị cho phép Trong khi đó nhiều máy lại yêu cầu phải đảm bảo duy trì tốc độ không đổi hay các đại lượng khác theo yêu cầu của chất lượng tĩnh cũng như chất lượng động đặt ra.Trong trường hợp như vậy ta phải dùng hệ thống điều khiển tự động kiểu hệ kín

Đối với hệ thống sử dụng động cơ điện 1 chiều làm việc trong hệ thống truyền động điên kiểu hệ kín thường người ta phải sử dụng các bộ biến đổi để cung cấp nguồn điện áp một chiều cho phần ứng động cơ hay cung cấp cho cuộn kích từ của động cơ điều khiển tự động hệ kín người ta thường sử dụng bộ biến tần, hoặc điều khiển xung trở mạch rotor

Trong hệ thống điều khiển tự động truyền động điện kiểu hệ kín người ta thường tiến hành lấy một số phản hồi cơ bản sau:

- Phản hồi âm: Tác động ngược chiều điện áp đặt

- Phản hồi dương: Tác động cùng chiều với điện áp đặt

- Phản hồi có ngắt: Tín hiệu phản hồi được so sánh với một lượng bên ngoài, nếu nó vượt qua giá trị đó thì khâu phản hồi mới tham gia tác động vào hệ thống

- Phản hồi thẳng: Tín hiệu ra quay trở lại trực tiếp đầu vào

1.3.2.2 Khâu phản hồi âm điện áp

 Sơ đồ nguyên lý

§ BB§

BBĐ cung cấp điện áp 1 chiều cho phần ứng động cơ điện1 chều kích từ độc lập

Để ổn định và nâng cao chất lượng tĩnh của khâu đk ta dùng biến trở R1, R2 làm khâu phản hồi lấy điện áp quay trở lại khống chế điện áp cung cấp cho đông cơ

D

D

e D

D d

ïh d

R I E U

R I E U

n K

E

U K

E

U U

U U

U

.

)]

1 ( [

) 1 (

K R

R I K K

U K n

e

Đ e

đ

a

aa

Từ hệ phương trình đặc tính cơ ta vẽ được đặc tính cơ như hình vẽ

Để cho tốc độ không tải của hệ thống hở

và kín bằng nhau thì điện áp đặt của hệ thống kín

lớn hơn hệ thống hở là (1+K) lần

Độ sụt tốc độ (sai lệch tĩnh) trong hệ thống

kín sẽ nhỏ hơn trong hệ thống hở là (1+K) lần

Như vậy phản hồi âm điện áp tạo nên đặc

tính của hệ kín cao hơn so với hệ hở Nhưng luôn

thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên, điều đó chứng tỏ

khả năng duy trì tốc độ của khâu phản hồi âm điện áp là kém

1.3.2.3 Phản hồi dương dòng điện

Từ sơ đồ nguyên lý ta viết được phương trình cân bằng sau:

U =Uđ +.I.R với = Rđo/R = Rđo/R+ RĐ

- Đối với phản hồi dương dòng điện thì điện áp đặt vào hệ hở và hệ kín là như nhau Mặc dù có

hể tạo nên đường đặc tính cơ có độ cứng rất cao ( độ sụt tốc độ n% =0 thậm chí n%<0)

- Hệ thống không có đường đặc tính giới hạn do đó khi sử dụng phả hồi dương dòng điện trong các bộ biến đổi mang tính phi tuyến mạnh thì độ chính xác của hệ thống bị suy giảm cho nên phản hồi dương dòng điện thường được kết hợp với các phản hồi

R I

E

U

R I

K

E

n U

U

).(

TN giới hạn

Kết hợp giải hệ ta được:

n =

)1(

R I K

Từ phương trình đặc tính cơ ta vẽ được đường đặc tính cơ như hình vẽ

Trong quá trình làm việc động cơ phải trải qua các giai đoạn như, quá trình quá

độ và phải làm việc ổn điịnh nếu như dòng điện phần ứng vượt quá giá trị cho phép thì

ta phải tìm biện pháp hạn chế công suất đầu vào Phản hồi âm dòng có ngắt sẽ hạn chế phụ tải tĩnh khi cho động cơ bị quá tải và tạo nên đường đặc tính có dạng điển hình gọi

Ta thấy ở H.a Đặc tính gồm 2 đoạn:

- Đoạn 1 là đoạn N0B chỉ có cá khâu duỳ trì tốc độ tham gia nó đảm bảo độ cứng cao để máy làm việc có năng suất chất lượng sản phẩm

- Đoạn 2 là đoạn BC lúc này trong hệ thống chỉ còn duy nhất 1 khâu phản hồi âm dòng điện có ngắt tham gia vào hệ thống Nó tạo ra đường đặc tính có độ dốc lớn, nếu động cơ bị quá tải nặng nó sẽ dừng lại tại điểm C Trong thực tế có thể chúng ta gặp trường hợp đặc tính tĩnh có 3 đoạn như hình H.b

- Đoạn AB là đoạn duy trì tốc độ có khâu phản hồi âm tốc độ tác động

- Đoạn BC Là đọan có thêm khâu phản hồi âm dòng có ngắt tham gia vào hệ thống

- Đoạn CD là đoạn chỉ có khâu phản hồi âm dòng có ngắt tham gia vào HT

b Hệ thống điều khiển tự động với khâu phản hồi âm áp và âm dòng có ngắt

I KhiI I

.

K

K R

R I K

e

D d

a

a



a

)(1 )

1(

)1

(

I d

I ng

I dm H.a

c, Hệ thống điềukhiển tự động dùng phản hồi âm tốc độ + âm dòng có ngắt

R

- n

Tương tự như các phần trên dể thành lập phương trình

đặc tính cơ, ta viết hệ phương trình câ bằng điện áp của

hệ, sau đó giải hệ ta được phương trình đặc tính cơ

K

I K IRK

1.4 Phương pháp thiết kế sơ đồ điều khiển

1.4.1 Phân tích, xác định yêu cầu điều khiển

1.4.1.1 Khái niệm chung

Để thiết kế được các sơ đồ mạch điện điều khiển cho những hệ thống truyền động cụ thể cần phải thu thập đầy đủ các dữ kiện để xác định được yêu cầu điều khiển Yêu cầu điều khiển trong từng trường hợp có thể đơn giản hay phức tạp tùy theo đặc điểm công nghệ, quá trình gia công trên các máy hoặc hệ thống truyền động cần điều khiển, nhưng về cơ bản phải xác định được đầy đủ các thông tin sau:

- Số lượng, chủng loại các truyền động cần điều khiển;

- Đặc điểm, chế độ làm việc của các truyền động;

- Mối quan hệ, liên hệ giữa các truyền động trên máy trong quá trình làm việc;

- Nguyên tắc điều khiển cần thực hiện và khả năng đáp ứng về thiết bị/ dụng cụ cho thiết kế và lắp ráp sơ đồ điều khiển

- Thông số nguồn cung cấp tại khu vực/ vị trí lắp đặt hệ thống điều khiển

Trên cơ sở xác định được yêu cầu điều khiển, ta tiến hành thiết kế, lựa chọn phương án, lựa chọn nguyên lý điều khiển và các thiết bị, phần tử điều khiển cho hệ thống trang bị điện của máy Việc thiết kế hệ thống trang bị điện đối với các hệ thống điều khiển cơ bản chủ yếu tập trung vào khống chế quá trình điều khiển mở máy và quá trình hãm của các động cơ truyền động

trên máy Tùy thuộc đặc điểm công nghệ và chủng loại động cơ truyền động trên các hệ thống cần phải phân tích và lựa chọn phương pháp, chế độ điều khiển mở máy và hãm cho phù hợp

1.4.1.2 Chế độ điều khiển mở máy

A Các sơ đồ điều khiển mở máy trực tiếp

Ưu điểm của phương pháp này là sơ đồ mạch điện đơn giản, không cần sử dụng các thiết bị, phần tử phụ trợ; Nhưng nhược điểm của nó là dòng điện mở máy lớn, có thể gây ảnh hưởng đến lưới điện và các phụ tải lân cận do hiện tượng sụt áp lưới điện;

Vì vậy phương pháp này chỉ cho phép sử dụng đối với những động cơ có công suất nhỏ

* Mạch khởi động trực tiếp, không đảo chiều

5 7

K1

PE

L1 L2 L3 N PE

2 4 6

8 10 12 AP2

Hình 1.14 Sơ đồ mạch điện điều khiển động cơ quay một chiều

+ Nguyên lý:

- Đóng các Aptomat cấp nguồn cho mạch động lực và mạch điều khiển

- Ấn nút mở máy S2(7,9), cuộn dây của khởi động từ K1(9,0) có điện nên các tiếp điểm K1 ở mạch động lực đóng lại, ĐKB được nối nguồn và bắt đầu hoạt động Khi đó tiếp điểm K1(7,9) cũng đóng lại để duy trì nguồn cung cấp cho cuộn dây K1