Tài liệu Hệ thống đo và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện doc

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Trong thực tế sản xuất, gia công chế tạo cũng như để tạo ra sản phẩm cho mọi ngành, mọi nghề.. Ngoài ra hệ thống đo lường

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU CHỈNH

TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Trong thực tế sản xuất, gia công chế tạo cũng như để tạo ra sản phẩm cho mọi ngành, mọi nghề Như ta đã biết để tạo ra mỗi sản phẩm, mỗi chi tiết đều phải qua rất nhiều nguyên công mà trong mỗi một nguyên công lại có những tốc

độ phù hợp để tạo ra năng suất, chất lượng của sản phẩm Chính vì vậy mà việc

đo và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện là một việc rất cần thiết nhất trong phương thức sản xuất theo dây chuyền

Việc đo và xử lý tốc độ cùng với việc điều khiển động cơ điện nó là hệ điều chỉnh truyền động điện

Cấu trúc chung của một hệ thống đo lường và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện

M là động cơ truyền động quay máy sản xuất

Msx là máy sản xuất

BĐ là thiết bị biến đổi năng lượng cấp cho động cơ

ĐK là hệ thống điều khiển

ĐTĐ là tín hiệu đặt

ĐL là hệ thống đo lường về tốc độ của động cơ và máy sản xuất

Hệ thống đo tốc độ và điều khiển động cơ điện tách làm hai phần

Ta lần lượt nghiên cứu và xét từng phần

PHẦN THỨ NHẤT: ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VIỆC ĐO TỐC ĐỘ

Tốc độ của động cơ có thứ nguyên là số vòng/1 phút nó là một đại lượng vật lý không mang đặc trưng của đại lượng điện vậy để do được tốc độ quay của mọi động cơ nói chung cũng như động cơ điện nói riêng người ta phải biến đổi

nó ra một đại lượng khác để phù hợp và tiện lợi đồng thời đáp ứng được cáp chính xác theo yêu cầu của công việc

Trong quá khứ việc ứng dụng của cơ học và quang học đã giúp ích 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 điện tử thì điện tử đã góp rất nhiều trong sự phát triển cho thiết bị đo lường Các đại lượng điện và không điện được 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, mạch thu thập dữ liệu đo lường

Những ưu điểm của mạch điện tử

- Độ nhạy thích hợp

- Tiêu thụ năng lượng thấp

- Tốc độ đáp ứng nhanh

- Dễ tương thích truyền đi xa

- Độ tin cậy cao

- Độ linh hoạt cao dễ thích nghi với các vấn đề đo lường

Trước khi xét về hệ thống đo lường điện tử ta đề cập đến một tốc độ kế đơn giản

1 Mô tả dụng cụ đo tốc độ

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 một đầu tỳ kiểu con tu

2 Nguyên lý làm việc của thiết bị

Khi nam châm vĩnh cửu (1) quay làm cho từ trường mà nó tạo ra cũng quay theo và quét lên đĩa nhôm (2) như vậy đĩa nhôm 2 khi đó có một từ trường biển đổi Tốc độ quay của từ trường chính là tốc độ mà nam châm (1) quay hay chính là tốc độ quay của đại lượng cần kiểm tra Trên đĩa nhôm (2 ) xuât hiện dòng cảm ứng dòng điện này tác dụng với từ 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 theo 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) cũng quay theo nên

nó đã tạo ra một mômen cản: Độ lớn của mômen cản này tỷ lệ với góc xoay của

Hình 2.3: Cấu tạo của tốc độ kế cầm tay

3

4

5

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 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

- Mặt khác người ta có thể chế tạo một cách hợp lý về kết cấu để làm tốc

độ kế để kiểm tra tốc độ quay của những thiết bị đơn lẻ

3 Hệ thống đo lường

3.1 Hệ thống đo lường dạng tương tự

Sử dụng kết quả

Giao tiếp

Khuyếch đại

Mạch lọc

Tín hiệu đặt

Mạch so sánh

Hiển thị

Thiết bị đọc Hình 1: Hệ thống đo lường điều khiển

Thiết bị điều khiển

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 dụ: 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

3.2 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 chúng ta thấy được xu thế máy tính hoá thiết bị đo lường

Cảm

biến

Chế biến tín hiệu

Hiển thị số

DAC

Máy ghi (in)

Chương trình

μF

Bộ điều khiển logic

Thiết bị điều khiển

Đại lượng đo quan sát

Tín hiệu vật lý

Hình 2.1: Hệ thống đo lường điện tử dạng số kết hợp với μP

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 bộ vi xử lý

MP 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 tính để xử lý tín hiệu đo lường và điều khiển hệ thống tự động hoá cho cả dây chuyền sản xuất

III PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG CỦA TỪNG KHỐI TRONG HỆ THỐNG

3 Cảm biến đo tốc độ

Việc đo tốc độ quay nói chung và tốc độ quay của động cơ điện nói riêng ngoài việc xác định của giá trị của tốc độ tại những thời điểm cần khảo sát nó còn mang một ý nghĩa là đại lượng điều chỉnh chính trong hệ thống điều chỉnh

tự động trong 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 dựa trên định luật Faraday e = -dφ/dt tạo ra những cảm biến theo nguyên lý của máy phát và được gọi là máy phát đo tốc độ và cũng có hai loại là một chiều và xoay chiều Ngoài

ra còn có các bộ cảm biến đo tốc độ xung và số

3.3.1 Cảm biến đo tốc độ quay loại điện từ

Yêu cầu đối với máy phát tốc độ một chiều là điện áp một chiều có chứa ít 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 về nhiều 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 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 bắng việc sử dụng vật liệu từ có từ trễ hẹp và sử dụng các lá thép kỹ thuật điện mỏng để hạn chế dòng điện xoay chiều

Về cấu tạo được chia làm hai phần chính

Phần cảm (phần đứng yên) 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 hoặ nam châm vĩnh cửu

Phần quay (phần ứng) hay còn gọi là roto 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 roto 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 gọi là

cổ góp và trên đó có bố trí một cắp chổi than với lực từ thích hợp để lấy điện ra Sức điện động thu được có dạng Z = (ω/2π)/.n.φo

Một cách tổng quát

o

n a

b Cảm biến 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 ít ảnh hưởng nhiều Nhưng ngược lại loại này phức tạp hơn, sự xác định

độ lớn tín hiệu thường phải chỉnh lưu tín hiệu thu được đồng thời nó không có khả năng xác định được chiều quay nên khi sử dụng vào hệ thống điều khiển phải cấp thêm mạch xác định chiều quay

Đối với máy phát một pha dùng hai cuộn dây đặt lệch nhau một góc 900còn đối với máy ba pha dùng mạch xác định thứ tự pha để xác định chiều quay

Cảm biến điện từ loại AC thực chất là máy phát điện loại nhỏ phần quay được nối với trục của động cơ mà ta cần kiểm tra tốc độ Phần quaylà một nam châm vĩnh cửu có một hoặc 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 = EsinΩt

Với E = K1ω; Ω = K2ω

K1, K2 phụ thuộc vào cấu tạo của máy

3.3.2 Cảm biến đo tốc độ loại xung số

Chi tiết thử nghiệm thường là đĩa 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 đanh dấu mang một đặc tính như lỗ, răng,…

Một cảm biến phân tích được đặt đối diện vời chi tiết thử nghiệm, phân tích (đếm) số phần tử đi đánh dấu đi ngang qua đồng thời tạo ra một tín hiệu xung tương ứng Tần số f của tín hiệu xung tạo ra bởi cảm biến có giá trị:

f = p.N (Hz)

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 gắn 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 loại xung là cấu tạo đơn giản, chắc chắn nên bảo quản

dễ dàng mặt khác nó không tạo nên tiếng ồn không có nhiều ký sinh đồng thời

việc biến đổi sang tín hiệu số đơn giản Dựa theo nguyên tắc trên người ta tạo ra các cảm biến sau:

a Cảm biến từ trở thay đổi

Cấu tạo hình vẽ

Nguyên tắc hoạt động:

Cuộn dây phân tích có lõi sắt

từ cho phép một từ thông đi qua

nó 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) sự dịch chuyển của đĩa sẽ tạo ra

sự gián đoạn của mạch từ (do cấu tạo của đĩa) khi đó 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 với nhau 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 (hình vẽ)

Gồm một nguồn sáng

và một bộ phân phân sinh

quang có thể là diot quang

hoặc Tranzitor 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

Nam châm Cuộn dây Khe hở không khí

Hình 2.1: Nguyên tắc của tốc

độ kế loại từ trở thay đổi

Nguồn sáng

chiếu qua trên chu vi của đĩa người ta tạo ra những (lỗ, khe) có khoảng cách đều nhau theo chu vi

Bộ phận phân tích nhận được lượng ánh sáng được điều khiển bởi đĩa quay, sẽ tạo ra một tín hiệu điện có tần số tỷ lệ với tốc độ quay còn biên độ độc lập với vận tốc Khoảng đo vận tốc phụ thuộc

Một mặt số lần gián đoạn trên đĩa (số phần tử đánh dấu)

Một mặt do băng thông của bộ phân tích và mạch điện đi kèm

PHẦN II ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

A TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Động cơ điện được sử dụng rất rộng rãi do có nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác Hiệu suất cao, tác động nhanh, dễ dàng điều khiển và tự động hoá, 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 số hệ thống truyền động điện bao gồm

1 Động cơ điện: Chức năng biến đổi điện năng thành cơ năng quay các máy sản xuất

2 Máy sản xuất: Là thiết bị cơ khí thực hiện chức năng theo công nghệ sản xuất

3 Bộ biến đổi: Dùng để biến đổi nguồn điện lưới thành nguồn điện phù hợp với động cơ

4 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

Trong hệ truyền động điện cho trong hình trên ta đi xem xét và tìm hiểu các phương pháp điều khiển tốc độ cho động cơ điện

Lưới điện Bộ biến đổi Động cơ điện Máy sản xuất

Hệ thống điều khiển và bảo vệ Hình 1: Sơ đồ khối một hệ thống truyền đồng điện

Nguyên lý làm việc của tất cả các máy điện quay đều dựa vào hai định luật điện tử cơ bản đó là

Định luật cảm ứng điện từ: Định luật Faraday e r = B r ^ l . u r

Định luật về lực điện từ: Định luật Laplace f r i r l B r

4 Động cơ xoay chiều có vành góp

B PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

I 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 này cũng được tính đến khi thiết kế hoặc chỉ định các hệ thống truyền động điện

1.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ đối với động cơ điện một chiều

1.1.1 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

u

C

R I

U C

E n

φ

.

e M

M

R C

U n

Phương trình biểu diễn 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 φ, U, Rư

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi φ 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 η = coxtg vì sự điều 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 dộ điều chỉnh chỉ có thể lớn hơn tốc độ định mức vì không được phép tăng φ > φđm mắt 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 trực hoặc trên các máy vận tải

Phương pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi điện áp đựt vào phần ứng chúng chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dươiú tốc độ định mức của động cơ điện nhưng phương pháp này không gây hao tổn trong động cơ điện nhưng đòi hỏi nó phải có nguồn riêng nên nguồn đó có thể thay đổi được điện

áp