Bài giảng Trang bị điện điện tử

Đối với hệ thống sử dụng động cơ điện 1 chiều làm việc trong hệ thống truyền động điên kiểu hệ kín thƣờng ngƣời ta phải sử dụng các bộ biến đổi để cung cấp nguồn điện áp một chiều cho [r]

BÀI GIẢNG

TRANG BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ

BIÊN SOẠN: TS ĐỖ TUẤN KHANH

HƢNG YÊN - 12/2016

Ngày nay, trong các lĩnh vực sản xuất của nền kinh tế quốc dân, điện khí hoá, cơ khí hoá và tự động hoá liên quan chặt chẽ với nhau Đòi hỏi những kỹ sư điện, điện tử,

kỹ sư cơ khí cần được trang bị những kiến thức rất cơ bản về các phần tử điều khiển, các phần tử bảo vệ và các khâu bảo vệ, các nguyên tắc điều khiển tự động truyền động điện và hệ thống trang bị điện điện tử các máy công nghiệp

Bài giảng Trang bị điện - điện tử được biên soạn với các nội dung cô đọng, đầy

đủ theo đề cương chi tiết học phần Trang bị điện - điện tử cho sinh viên Đại học chính quy, ngành Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử làm tài liệu học tập và nghiên cứu được dễ dàng, hiệu quả hơn Ngoài ra có thể được dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành cơ khí hàn, cơ khí chế tạo và các bạn đọc Tài liệu được lưu hành nội bộ tại trường Đại học SPKT Hưng Yên

Nội dung tài liệu được chia thành 6 chương:

Chương 1 Nguyên tắc điều khiển tự động truyền động điện

Chương 2 Trang bị điện-điện tử nhóm máy cắt kim loại

Chương 3 Trang bị điện-điện tử các máy nâng vận chuyển

Chương 4 Trang bị điện-điện tử thiết bị gia nhiệt

Chương 5 Trang bị điện-điện tử máy hàn điện

Chương 6 Thực tập trang bị điện

Tài liệu này đã qua chỉnh sửa và tái bản nhưng vẫn không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, nhóm biên soạn chúng tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của bạn đọc, các em sinh viên và đồng nghiệp để tài liệu được hoàn thiện hơn

Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về: Khoa Điện-Điện Tử, Trường Đại học Sư phạm

Hưng Yên, ngày 01 tháng 12 năm 2016

Nhóm biên soạn

Chương 1 Nguyên tắc điều khiển tự động truyền động điện 1

1.2 Các nguyên tắc điều khiển hệ thống truyền động điện kiểu hở 2 1.3 Nguyên tắc điều khiển hệ thống truyền động điện kiểu hệ kín 7 1.4 Phương pháp thiết kế sơ đồ điều khiển 13

Chương 2 Trang bị điện-điện tử nhóm máy cắt kim loại 27 2.1 Yêu cầu chung về trang bị điện và phân loại máy cắt kim loại 27

Chương 3 Trang bị điện-điện tử các máy nâng vận chuyển 39

3.2 Trang bị điện - điện tử thang máy 42 3.3 Trang bị điện - điện tử băng tải 50

4.2 Trang bị điện - điện tử, lò điện trở 58 4.3 Trang bị điện - điện tử lò cảm ứng 65 4.4 Trang bị điện - điên tử lò hồ quang 70

5.1 Yêu cầu và đặc điểm trang bị điện-điện tử máy hàn điện 80 5.2 Trang bị điện-điện tử máy hàn hồ quang 118 5.3 Trang bị điện-điện tử máy hàn tiếp xúc 126

Chương 1: CÁC NGUYấN TẮC ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 Khỏi niệm chung

Khi mở mỏy cỏc động cơ cú cụng suất trung bỡnh và lớn người ta phải dựng cỏc biện phỏp hạn chế dũng khởi động như: Mở mỏy qua điện trở, điện khỏng, mỏy biến ỏp

tự ngẫu, mở mỏy bằng đổi nối Sao-Tam giỏc Trong quỏ trỡnh khởi động muốn tốc độ động cơ tăng dần đến giỏ trị định mức, thỡ ta phải tỡm cỏch loại dần cỏc phần tử mở mỏy đú ra Một cỏch tổng quỏt ta cú sơ đồ mạch động lực, đặc tớnh tĩnh, đặc tớnh động của quỏ trỡnh mở mỏy của động cơ điện 1 chiều, xoay chiều như hỡnh vẽ

K

I đm

n

K2

R 2

R 1

R1

R2

n đm

n 0

I1

K1

é

K

CKĐ

Ap

F

Đ

K2

r1

2

r

n

r 2

r 1

K

nđm

n 0

Iđm I2 I1 I K1

I n(v/p)

I1

I2

n1

n2

n=f(t)

I=f(t)

Đặc tính động

Nhìn vào đặc tính tĩnh và đặc tính động ta có nhận xét:

- Quá trình khởi động đi theo chiều mũi tên, tốc độ động cơ tăng dần ứng với việc loại dần các cấp điện trở phụ

- Nếu ta sử dụng các thiết bị để đo khoảng thời gian từ 0- t1, t1-t2 bằng các rơle thời gian và tại đó ta phát các lệnh điều khiển làm thay đổi tham số của mạch điện ( RP,

XP ) và điều khiển quá trình theo mong muốn gọi là tự động khống chế theo nguyên tắc thời gian

- 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 = J

M

M M

dg dg

1 2

1

2 1

ln







J là mô men quán tính

Mđg1, Mđg2 là mô men động

Ví dụ minh hoạ

Mạch mở máy động cơ điện một chiều qua hai cấp điện trở phụ trong mạch phần ứng:

K3 K 2

K1

-§

CKT

r 1

r 2

K1

K1

M

K1 D

1

3

5

Rt1

K2

K2

K2 Rt1

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

số trượt

 Sơ đồ đặc trưng

cc

cc

G 2

K

G 2

R 2 R1

G1

§

CK§

G1

1

2

K

Hình1.3 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) = UG2tđ Dẫn 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

r2 k

H

k Rtr

R h

M D

k

k

H

cc cc

R tr

G1

G2

G 1

G2

CKĐ

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 xoay chiều

n no nđm n

n1

2

r1

r2

I

I 1

I2

Iđm

A B

Hãm

động năng

In(v/p)

I1

I2

n1

n2

n=f(t)

I=f(t)

Đặc tính

động

Hãm

động năng

Hãm

động năng I

Ví dụ minh hoạ

RK

-§

r 1

CKT RI

K2

RI K1

S 1

S 2

-+

K2 RK

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

Rn

KI

RI

Kn

§ FT

CK§

BD

A T

+

-U®

Hình 1.8

BD là biến dòng

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§

U ®

U fh = - a U §

+

-R 2

R 1

n

Hình 1.9

BBĐ có thể sử dụng các bộ biến đổi máy điện, bộ biến đổi van

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

 Thành lập phương trình đặc tính cơ











































D D

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









a

a= R1/R1+R2 (hệ số phản hồi)

Giải hệ phương trình ta được:

) 1 (

.

)]

1 ( [

) 1 (

.

.



























K K

K R

R I K K

U K n

e

Đ e

đ

a

a a

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

 Sơ đồ nguyên lý

BB§

R®o

Ufh

Ufh =ß.I.R ®o

Hình 1.10

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

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

n o

I ®m

I

n

TN

HÖ kÝn

HÖ hë

nk

nh