Tổng quan về hệ thống đo và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện

Nội dung text: Tổng quan về hệ thống đo và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện

1. 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. Tín hiệu chuẩn XLTH BĐ M ĐK ĐL 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. - Đo tốc độ. - Điều khiển động cơ.
2. 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.
3. 1. Mô tả dụng cụ đo tốc độ 3 2 1 4 5 Hình 2.3: Cấu tạo của tốc độ kế cầm tay 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 là đĩa nhôm. 3 là kim chỉ thị. 4 là lò xo cản. 5 là trục được gá trên bệ ổ đỡ có thể quay trơn trượt các phần tử 2, 3, 4, 5 được gắn chặt với nhau. 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
4. 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. - Nhược điểm: + Cấp chính xác thấp. + Không lấy ra được tín hiệu để khống chế và điều khiển. Phạm vị ứng dụng: - Vì thiết bị không tiêu hao năng lượng lên nó rất tiện lợi dùng để kiểm tra những tốc độ của những thiết bị như: ôtô, xe máy để báo tốc độ xe chạy hoặc báo tốc độ quay của máy. - 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 Đạ i lượng đo Cảm Giao Khuyếch Mạch và đi ều biến tiếp đại lọc khiể n Thiết bị điều Mạch so Tín hiệu khiển sánh đặt Hiển thị Sử dụng kết quả Thiết bị đọc Hình 1: Hệ thống đo lường điều khiển
5. 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 Đại lượng đo quan sát Hiển thị số Cảm Chế biến S/H ADC DAC biến tín hiệu Tín hiệu vật lý Bộ điều khiển Máy logic ghi (in) Thiết bị μF Chương điều khiển trình Hệ thHìnhống 2.1:đo lHườệng th ốđngiện đ otử l ườdãyng s đối ệknế tt ửh ợdpạ ngvớ siố thi kếếtt hbợị pvi v ớxiử μ lýP 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.
6. 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 a. Tốc độ kế điện từ loại DC Stato Chổi than Roto Cổ góp N S Hình 1.1: Cấu tạo tốc độ kế điện từ loại DC
7. 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 ω p E = .n.φ 2π a o Trong đó p là số đôi cực ở phần cảm ω là vân tốc góc. a là số mạch nhánh song song. n là số thanh dẫn. 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
8. 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 900 còn 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
9. 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 Nam châm Cấu tạo hình vẽ Cuộn dây Nguyên tắc hoạt động: Cuộn dây phân tích có lõi sắt Khe hở không khí từ cho phép một từ thông đi qua nó. Nam châm tạo ra từ thông và Hình 2.1: Nguyên tắc của tốc khép mạch qua lõi sắt của cuộn độ kế loại từ trở thay đổi 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 Thấu loại quang học Nguồn kính Bộ phân tích sáng Cấu tạo (hình vẽ) quang Gồm một nguồn sáng và một bộ phân phân sinh quang có thể là diot quang hoặc Tranzitor quang. Đĩa quay được đặt Hình 2.2: Nguyên tắc cấu tạo giữa hai phần tử trên. Cấu chuyển đổi quang học 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
10. 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.
11. 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. 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 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.
12. Nguyên lý làm việc của tất cả các máy điện quay đều dựa vào hai định luật điện tử cơ bản đó là r Định luật cảm ứng điện từ: Định luật Faraday er = B^l.ur r r r Định luật về lực điện từ: Định luật Laplace f = i l^.B Đó là định luật cơ bản của động cơ biến đổi cơ năng thành điện năng. Tuỳ theo cách tạo ra từ trường, kết cấu của mạch từ và dùng dây quấn mà ta có bốn loại động cơ sau: 1. Động cơ không đồng bộ 2. Động cơ đồng bộ. 3. Động cơ một chiều. 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. Đó là các chỉ tiêu: 1.Sai số tốc độ. 2. Độ trơn của điều chỉnh tốc độ. 3. Đai điều chỉnh tốc độ 4. Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải. 5. Chỉ tiêu kinh tế. 6. Các chỉ tiêu khác. 7. Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh.
13. 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 E U I R n = u = − − Ce .φ Ce .φ U R .M và M = C . .I − M φ ư ⇒ n = 2 Ce .φ CM .Ce .φ 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.
14. Trên đây là các phương pháp để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điện. Trên thực tế mọi động cơ điện một chiều có chung một nguyên lý cấu tạo nhưng dùng theo cách đấu nối khác nhau mà ta có những loại động cơ có kích từ khác nhau và mỗi loại lại mang những néta riêng khác nhau. Ta sẽ xét từng trường hợp cụ thể. 2.1. Động cơ điện một chiều kích thích song song hoặc kích thích độc lập Với điều kiện U= constg It = constg Khi M và Iư thay đổi từ thông φ của động cơ cũng hầu như không thay đổi (bỏ qua phản ứng phần ứng) khi đó phương trình đặc tính cơ của động cơ có dạng R .M η =η − (1) o K Nhìn vào phương trình đặc tính cơ ta thấy đường đặc tính cơ của động cơ một chiều kích thích song song hoặc độc lập là một đường thẳng với độ dốc phụ thuộc vào giá trị của Rư a. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông φ n n0-2 Iư I n0-1 φ2 no đm vì no = Ke .φ độ dốc càng lớn hơn độ dốc kho φ = φđm
15. Khi đó trên đồ thị ta có đường đặc tính cơ tự nhiên đường số 1 trong đó no là tốc độ không tải U n no = Ce .φ no (1) nđm (1 - 2) (1 - 3) M M (I ) đm ư Từ phương trình đặc tính cơ U R R − − n = 2 .M = no M Ce .φ CM .Ce .φ K Ta thấy: để thay tốc độ của động cơ ta có thể thực hiện bằng các phương pháp sau. a. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng Rư. Phương pháp này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ điện. Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ thực tế thường dùng ở động cơ điện trong các máy trục. Khi đó ta có họ đặc tính nằm phía dươid đường (1) đó là (1-2), (1-3). Nếu ghép thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. Khi đó ta có phương trình đặc tính cơ như sau: (R− + R f ) n = n .M o U b. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng Nếu ta nói thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng thì biểu thức (1) trở thành
16. (R− + R f ).M n = n (2) o Q Biểu thức (2) biểu thị đặc tính cơ của động cơ khi tc U = C n tc Ib = C no Rf = 0 Từ đó ta thấy: Rf1 Khi Rf = 0 là đường đặc tính cơ Rf2 tự nhiên. Khi Rf càng lớn dẫn đến độ dốc M Mđm Rf3 lớn nhưng no không thay đổi. Trên hình vẽ biểu diễn các đường đặc tính khi không điều chỉnh Rf = 0. Khi Rf1 < Rf2< Rf3 c. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp n no n U 01 đm n02 Uđc1 Bộ biến I = etc n U đổ i điện áp kt 03 đc2 Uđc3 Mđm M Phương pháp này chỉ áp dụng được đối với động cơ điện kích thích độc lập hoặc động cơ điện kích thích song song làm việc ở chế độ kích thích độc lập. Việc cung cấp điện áp có thể điều chỉnh được cho động cơ từ một nguồn độc lập được thực hiện trong kỹ thuật bằng cách sử dụng các bộ biến đổi để tạo ra nguồn độc lập có thể là máy phát – động cơ hoặc khuyếch đại từ – động cơ hoặc các bộ biến đổi điện tử
17. Điều khiển bằng phương pháp này không làm thay đổi độ cứng của đường đặc tính cơ nhưng nó cũng không cho phép điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ định mức. Vì Uđm ≥ Uđc mà thôi. Uđm > Uđc1 > Uđc2 > Uđc3 2.1.2. Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp Iư It KT Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp dùng kích từ chính là dòng phần ứng It = Iư = I. Trong trường hợp không xét đến ảnh hưởng do bão hoà của mạch từ cũng u u2 như bỏ qua điện trở phần ứng Rư ta thấy n ≡ → M = . Như vậy khi m n2 đó đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng đường Hypecbol. Tốc độ của động cơ tăng rất nhanh khi M giảm và đạt tới giá trị rất lớn khi Mc = 0. a. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông φ Để điều chỉnh dòng kích từ đối với động cơ có kích từ nối tiếp. U U U U (a) (b) (c) (d)
18. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi từ thông φ đối với động cơ kích từ nối tiếp. a. Mắc sau dây quấn kích thích. b.Thay đổi dây quấn kích thích . c.Mắc sau phần ứng động cơ. d. Thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. b. Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng (Hình vẽ d) phương pháp này chỉ điều chỉnh được tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức và kèm theo là tổn hao lớn trên điện trở phụ nên làm giảm hiệu suất của động cơ nên phương pháp này ít được dùng. c. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong phạm vi dưới tốc độ định mức vì không cho phép tăng điện áp quá định mức nhưng lại giữ được hiệu suất cao do không có điện trở phụ tham gia điều chỉnh phương pháp này có thể thực hiện bằng cách phối hợp nối song song hoặc nối tiếp hai động cơ có cùng các thông số kỹ thuật hoặc dùng đến bộ băm điện áp một chiều để tạo ra giá trị điện áp trong bình dặt vào động cơ thay đổi. 1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ đối với động cơ kích thích hỗn hợp Động cơ điện một chiều kích từ ngoài việc sử dụng nối tiếp, song song hay độc lập KTnt U người ta còn chế tạo loại gồm hai thành phần kích từ vừa song song hoặc độc lập vừa nối tiếp KTss (hình vẽ). Trong trường hợp này cuộn kích từ nối tiếp hầu hết được sử dụng đóng vai trò bù mục đích là để tăng độ cứng của đặc tính cơ còn trong quá trình làm việc trong chế độ từ không tải hoặc tải nhỏ hầu như không tham gia. Vậy phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ kích từ loại này cũng giống như đối với động cơ kích từ song song hoặc kích từ độc lập nhưng đặc tính cơ cứng hơn đồng thời nó không phải là đường thẳng như độc lập hoặc song song.
19. n Đường (1) ứng với kích thích hỗn hợp (2) bù (3) Đường (2) ứng với hỗn hợp ngược (1) Đường (3) ứng với kích thích song M 2.2.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Tốc độ của động cơ điện không đồng bộ là: 60 f n = n (1 S) = (1 S) ()vßng/phót 1 p Trong đó: 60 f n = là tốc độ từ trường quay. 1 p P là số cặp cực của dây quấn stato. n n S là hệ số trượt S = 1 n1 Nhìn vào biểu thức trên ta thấy: Với động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc có thể điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thực hiện sự thay đổi. - Tần số dòng điện stato. - Thay đổi số đôi cực p của từng stato. - Thay đổi điện áp cấp vào stato để thay đổi hệ số trượt. Nói chung tất cả các phương pháp trên đều thực hiện trên stato. Đối với roto dây quấn thường điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở roto để thay đổi hệ số trượt S việc thực hiện ở phía roto. 1. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số Việc thay đổi tần số f của dòng điện stato được thực hiện bằng độ biến đổi tần số. Như ta đã biết từ thông φmax tỷ lệ thuận với tỷ số U1/f nên khi thay đổi tần số người ta muốn giữ cho φmax không thay đổi để mạch từ máy ở tình trạng định mức. Muốn vậy phải điều chỉnh đồng thời tần số và điện áp. tc Việc giữ cho tỷ số U1/f = C sẽ thực hiện khi f < fđm .
20. Khi f > fđm ta giữ cho U = Uđm để đảm bảo cho dây quấn. Khi đó φmax giảm và Mmax giảm nhiều. n f > fđm fđm f < fđm M 2.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực Số đôi cực của từ trường quay phụ thuộc vào cấu tạo của dây quấn stato việc thực hiện phương pháp này người ta có thể. - Đổi nối cách đấu bộ dây trong stato từ Y – YY sao/saokép hoặc từ Δ/YY biến số cặp cực P thì P = 1 → P = 2 hoặc từ P = 2 → P = 4. - Quấn nhiều bộ dây có số cặp cực khác nhau trong stato và mỗi bộ dây có thể làm việc độc lập với nhau theo phương pháp này số cấp tốc độ không theo quan hệ 1:2 mà là 1 → 2 → 3. P có thể bằng 1 hoặc P = 2 hoặc P = 3 Nói chung phương pháp này việc điều chỉnh nhảy cấp nhưng có ưu điểm là độ cứng của đường đặc tính được giữ nguyên. n p = 1 p = 2 M
21. 2.2.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stato Phương pháp này chỉ thực hiện việc giảm điện áp. Khi giảm điện áp đường đặc tính M = f(s) sẽ thay đổi do đó hệ số trượt thay đổi dẫn đến tốc độ thay đổi. 2.2.4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch roto của động cơ roto dây quấn Thay đổi điện trở dây n quấn roto được thực hiện bằng cách mắc biến trở ba pha vào mạch roto. Biến trở điều chỉnh tốc độ trong trường hợp này phải làm việc lâu dài nên phải có M M công suất và kích thước tường đm đối lớn họ của đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ roto dây quấn như trên hình vẽ. Ta thấy khi Rđch tăng dần đến n giảm. Phương pháp này thường được áp dụng cho các truyền động trong hệ thống máy nâng tải vì khi khởi động nó có Mkhởi động có thể điều chỉnh được, thường thì người ta vận dụng ở tốc độ thấp nhất Stới hạn = 1 nên có MKĐ = Mmax. III. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ - Động cơ đồng bộ ba pha trước đây thường dùng cho hai loại truyền động không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn tới hàng trăm kW, thậm trí đến hàng MW như các hệ truyền động máy nén khí, bơm nước, quạt gió, máy nghiền, Tốc độ quay của động cơ được tính bằng biểu thức 2.π. f ω = s b ρ Trong đó:
22. fs là tần số nguốn cung cấp. p là số đôi cực của động cơ. Nhìn vào biểu thức trên ta thấy việc điều chỉnh tốc độ quay cho động cơ điện đồng bộ chỉ có thể thực hiện được khi thay đổi tần số nguồn cung cấp mà thôi. Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử và nhất là điện tử công suất lớn. Động cơ đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp ở mọi loại dải công suất từ vài trăm W đến hàng MW. Vậy phương pháp điều chỉnh tốc độ đối với động cơ đồng bộ là sự biến đổi nguồn cung cấp cho nó có tần số thay đổi được. C. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BIẾN ĐỔI I. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Hệ thống điều khiển bao gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh các tham số và công nghệ. Ngoài ra còn có các thiết bị đóng cắt đáp ứng cho công nghệ và người vận hành. Đồng thời có một số hệ truyền động có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác trong cả một dây chuyền sản xuất. Tuỳ theo tính chất điều khiển mà hệ điều khiển được phân ra. - Điều khiển bằng tay (trực tiếp) từ người vận hành. Phương pháp này việc điều khiển hoàn toàn do người vận hành tự đặt các thông số như tốc độ, thời gian và phương pháp mà hệ truyền động có thể đáp ứng. Thông qua các khí cụ đóng cắt và các cơ cấu điều khiển như các rơle, công tắc tơ, nút ấn, - Phương pháp điều khiển bán tự động. Đó là các hệ truyền động kín có sự trợ giúp của hệ thống điều khiển. - Điều khiển tự động. Hệ thống tự động thực hiện việc điều chỉnh các tốc độ theo yêu cầu công nghệ với một chương trình đã được định sẵn. II. BỘ BIẾN ĐỔI Bộ biến đổi có nhiệm vụ nhận năng lượng điện từ lưới điện công nghiệp sau đó biến đổi thành năng lượng điện mà có những thông số như dòng điện,
23. điện áp, công suất và tần số có thể điều chỉnh được phù hợp với phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ. Tuỳ theo đặc điểm, tính chất biến đổi mà ta có các loại sau. 1. Các bộ biến đổi không liên tục Đối tượng được điều khiển không mang tính lên tục mà thành lập việc chuyển đổi phân cấp để ghép nối các điện trở, điện kháng tham gia vào mạch điều chỉnh tạo ra các cấp tốc độ khác nhau hoặc bằng cách thay đổi sự đấu nối như mắc song song sang nối tiếp hoặc từ Δ - YY, Để thực hiện phương pháp này chủ yếu là những mạch điện sử dụng khí cụ đóng cắt có công suất vừa và lớn, các điện trở công suất lớn cũng như các điện kháng, 2. Các bộ biến đổi liên tục Trong các hệ truyền động hiện nay những động cơ yêu cầu điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng, trơn trượt và vô cấp đòi hỏi độ chính xác cao, khả năng ổn định tốc độ tốt hầu hết sử dụng phương pháp này. Hệ truyền động (máy phát – động cơ) một chiều, máy phát xoay chiều, máy điện khuyếch đại từ trường quay. Bộ biến đổi dựa theo nguyên tắc điện từ như hệ khuyếch đại từ, cuộn kháng bão hoà. Bộ biến đổi điện tử: Chỉnh lưu bán dẫn, chỉnh lưu có điều khiển, biến tần tranzitor, biến tần tiristor.
24. MỤC LỤC TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ PHẦN THỨ NHẤT: ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN Trang I. Khái niệm chung về việc đo tốc độ động cơ 2 1. Mô tả dụng cụ do tốc độ 3 2. Nguyên lý làm việc của thiết bị 3 3. Hệ thống đo lường 4 3.1. Hệ thống đo lường dạng tương tự 4 3.2. Hệ thống đo lường dạng số 5 II. Phân tích chức năng của từng khối trong hệ thống 6 2.1. Cảm biến đo tốc độ 6 2.1.1. Cảm biến đo tốc độ quay các loại điện từ 6 a. Tốc độ kế điện từ loại điều chỉnh 6 b. Cảm biến điện từ loại AC 7 2.1.2. Cảm biến đo tốc độ loại xung số 8 a. Cảm biến từ trở thay đổi 9 b. Cảm biến tốc độ loại quang học 9 PHẦN THỨ HAI: ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ A. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 11 B. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 12 I. Những chỉ tiêu của hệ điều chỉnh tốc độ với động cơ điện 12 1.1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ đối với động cơ điện một chiều 13 1.1.1. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 13 2.1. Động cơ điện một chiều kích thích song song hoặc kích thích độc lập 14 a. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông φ 14 b. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng 15 c. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp 16 2.2. Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp 17 a. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông φ 17
25. b. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng 18 c. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng thay đổi điện áp 18 3.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ đối với động cơ kích từ hỗn hợp 18 1. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số 19 1.1. Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực 20 1.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stato 21 1.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch roto của động cơ roto dây quấn 21 III. Điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 21 C. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BIẾN ĐỔI 22 I. Hệ thông điều khiển 22 II. Bộ biến đổi 22 1. Các bộ biến đổi không liên tục 23 2. Các bộ biến đổi liên tục 23