Chương 3: Các phương pháp hồi tiếp tốc độ và dòng điện doc

Trong thực tế để phản hồi tốc độ người ta thường sử dụng máy phát tốc và các bộ đo tốc độ xung số, để phản hồi dòng điện người ta sử dụng các mạch đo dòng.. 3.2 Máy phát tốc Máy phát tố

Chương 3 Các phương pháp hồi tiếp tốc độ và dòng

điện 3.1 Khái niệm chung

Hồi tiếp tốc độ và dòng điện là một phần không thể thiếu được trong hệ thống điều khiển tốc độ động cơ Để điều khiển được tốc độ động cơ người ta phải biết được giá trị đầu ra của

hệ thống (ở đây là tốc độ động cơ) để có những điều chỉnh thích hợp ở đầu vào (điện áp, dòng điện, tần số ) để đạt được tốc độ mong muốn Để hồi tiếp được dòng điện và tốc độ

ta phải đo được dòng điện và tốc độ Thiết bị thực hiện công việc này người ta gọi chung là thiết bị đo lường Độ chính xác của các thiết bị đo lường có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều chỉnh bởi vì nhiệm vụ của nó là phản ánh chính xác trạng thái làm việc của hệ để

từ đó đi điều khiển nó Do vậy yêu cầu đối với những thiết bị đo lường là phải đảm bảo độ chính xác cao trong cả chế độ động và chế độ tĩnh, ngoài ra phải đảm bảo không bị ảnh hưởng của nhiễu loạn bên ngoài

Trong thực tế để phản hồi tốc độ người ta thường sử dụng máy phát tốc và các bộ đo tốc

độ xung số, để phản hồi dòng điện người ta sử dụng các mạch đo dòng

3.2 Máy phát tốc

Máy phát tốc là máy điện nhỏ, làm việc ở chế độ máy phát và thực hiện chức năng biến

đổi chuyển động quay của trục thành tín hiệu điện áp ra

Phương trình đặc tính của máy phát tốc như sau:

dt

d K n K

=

K, K1: là những hệ số khuếch đại

N: vận tốc quay của rôtor (vòng/phút)

α: góc quay

Các yêu cầu chủ yếu của máy phát tốc là:

Độ tuyến tính của đặc tính cao, đây là yêu cầu qua trọng nhất của máy phát tốc Trong trường hợp lý tưởng các hệ số K và K1 trong (3.1) luôn luôn không đổi

Điện áp ra đổi xứng: UF(+n) =UF(ưn)

Giá trị điện áp khi n = 0 (điện áp không) nhỏ trong các máy phát tốc xoay chiều và vùng không nhạy nhỏ trong các máy phát tốc một chiều

Theo cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát tốc có thể chia thành

3.2.1 Máy phát tốc không đồng bộ

Cấu tạo: Máy phát tốc không đồng bộ có cấu trúc gần giống như động cơ chấp hành không đồng bộ, với rôtor rỗng không dẫn từ Trên Stator đặt 2 cuộn dây lệch pha nhau trong không gian góc 90 0 điện Cuộn kích thích (B) được nối với điện áp nguồn Cuộn còn lại đưa

điện áp ra của máy phát tốc Để giảm ảnh hưởng của khe hở không khí không đều và sự không đối xứng của rôtor lên đặc tính ra, máy phát tốc không đồng bộ không bao giờ chế tạo với hai cực từ, chúng thường có hai đôi cực

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý máy phát tốc không đồng bộ

Nguyên lý làm việc:

Khi rôtor đứng yên (n = 0) dòng điện của cuộn kích thích tạo ra từ thông theo phương dọc trục d Từ thông này cảm ứng và sinh ra sức điện động cảm ứng trong rôtor Sức điện động này gọi là sức điện động biến áp vì giống như sức điện động cảm ứng trong máy biến áp Các mạch vòng của dòng điện rôtor do sức điện động biến áp tạo nên nằm trên những mặt phẳng vuông góc với trục d Chúng sinh ra từ thông của rôtor có chiều ngược với từ thông kích thích Như vậy khi rôtor đứng yên, trong máy phát tốc chỉ có từ trường theo phương dọc trục nên trong cuộn phát không có sức điện động cảm ứng (vì cuộn phát lệch pha 90 0

điện với cuộn kích thích) Điện áp cuộn phát UF = 0 khi n = 0

Khi rôtor quay (n 0) trong rôtor ngoài sức điện động biến áp còn có sức điện động quay do các thanh dẫn của rôtor cắt đường sức của từ thông kích thích Dưới tác dụng của sức điện động quay trong rôtor hình thành các dòng điện, do điện trở rôtor lớn nên hầu như trùng pha với sức điện động quay, tạo ra luồng từ thông luôn trùng pha với trục cuộn phát trên stator Đường sức của từ thông này cắt các vòng dây cuộn phát sinh ra sức điện động cảm ứng trong cuộn phát Tần số của sức điện động này bằng tần số của điện áp xoay chiều nuôi cuộn kích thích

≠

3.2.2 Máy phát tốc đồng bộ

Máy phát tốc đồng bộ với rôtor là nam châm vĩnh cửu, stator là cuộn dây Nhờ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu nên trong máy phát tốc đồng bộ không có tiếp xúc vành trượt chổi than làm tăng độ tin cậy của máy

Khi rôtor của máy phát tốc quay, trong dây cuốn stator xuất hiện sức điện động cảm ứng

có trị số tỷ lệ thuận với tần số quay n

KT F KT

F

60

n

p 44 , 4

fW 44 , 4

trong đó:

60

n p

F

W : số vòng dây của cuộn dây stator

KT

Φ : từ thông kích thích dưới một cực từ của nam châm vĩnh cửu rôtor

Việc sử dụng máy phát tốc đồng bộ trong một số hệ thống bị hạn chế vì khi vận tốc rôtor

n bị thay đổi, không những kéo theo sự thay đổi về trị số mà cả tần số điện áp ra Sự biến đổi tần số điện áp làm cho các giá trị điện kháng của máy phát tốc và của tải thay đổi dẫn tới sự biến dạng của đặc tính ra Trong điều kiện nhất định sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng nên không đảm bảo yêu cẩu của hệ thống Bởi vậy máy phát tốc đồng bộ được sử dụng chủ yếu

để đo tốc độ quay, cuộn phát (cuộn dây stator) được nối với Vôn met Ngoài ra máy phát tốc

đồng bộ còn có nhược điểm là không xác định được chiều quay nên phải lắp thêm mạch xác

định chiều quay Đối với máy phát một pha dùng hai cuộn dây đặt lệch nhau một góc 90 0 Còn đối với máy phát ba pha phải dùng mạch xác định thứ tự pha để xác định chiều quay

Ưu điểm của máy phát tốc đồng bộ là có kích thước và trọng lượng tương đối nhỏ

3.2.3 Máy phát tốc một chiều

Máy phát tốc một chiều có cấu trúc và nguyên lý hoạt động như máy điện một chiều công suất nhỏ, kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hoặc kích thích độc lập

Yêu cầu đối với máy phát tốc một chiều là điện áp một chiều có chứa ít thành phần xoay chiều tần số cao và tỉ lệ với tốc độ động cơ, không bị trễ nhiều về giá trị và dấu so với biến

đổi đại lượng đo Điện áp một chiều phát ra không phụ thuộc vào tải và nhiệt độ

Để đảm bảo yêu cầu trên máy phát tốc một chiều phải có từ thông không đổi trong toàn vùng điều chỉnh tốc độ Vì vậy phải hạn chế tổn thất mạch từ bằng việc sử dụng vật liệu từ

có từ trễ hẹp và sử dụng lá thép kĩ thuật điện mỏng (hạn chế tổn thất dòng điện xoay)

Nhược điểm của máy phát tốc một chiều là độ chính xác phụ thuộc vào phụ tải Mặt khác nhiệt độ cuộn dây thay đổi ảnh hưởng tới điện trở phần ứng máy phát làm điện áp ra của máy phát thay đổi (do điện áp rơi ở mạch phần ứng thay đổi) Điện áp đầu ra của máy phát còn bị thay đổi do điện trở của chổi than ảnh hưởng của phản ứng phần ứng tới hệ số tỷ lệ (nhất là khi ở vùng tốc độ cao)

3.3 Đo tốc độ bằng xung và số

Máy phát tốc độ xung phát ra Z xung trong 1 vòng quay, tần số xung ra:

Π

= 2

.ω

Z f

Đo tốc độ xung thường dùng hai loại:

Dùng điện từ Dùng bán dẫn quang

Hình 4.2: Đo tốc độ xung bằng đầu đo điện từ

Hình 4.3: Đo tốc độ xung bằng đầu đo quang điện

Để đánh giá chiều quay, ta phải dùng hai đầu đo đặt lệch nhau 90 0 Như vậy trên đầu ra của nó ta nhận được hai tín hiệu lệch nhau 90 0 điện

Để nâng cao độ chính xác người ta cần tăng số lượng xung trong một vòng quay Tuy nhiên việc tăng số vạch chia để tăng số lượng xung trong một vòng quay sẽ bị

giới hạn bởi độ tác động nhanh của phần tử quang điện hoặc phải tăng kích thước của đĩa

đo Nếu hai giới hạn này bị giới hạn người ta thiết lập mạch nhân xung để tăng số xung trên

đầu ra

Nếu như trong hệ điều khiển số truyền động điện cần lấy số liệu bằng số tín hiệu tốc độ, thường người ta dùng máy phát tốc xung sau đó biến đổi ra số và đưa vào máy tính

3.4 Phương pháp hồi tiếp dòng điện

Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là xác định mômen kéo của động cơ Ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc

3.4.1 Đo dòng điện một chiều có cách ly

Yêu cầu đặt ra cho các bộ đo dòng điện một chiều là ngoài việc đảm bảo về độ chính xác còn phải đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển Người ta thường dùng phương pháp biến điệu để truyền tín hiệu một chiều từ sơ cấp sang thứ cấp có cách ly bằng biến áp hoặc phần tử quang điện

Mạch đo bao gồm khâu biến điện, khâu chỉnh lưu nhạy pha, tín hiệu đo được sóng biến điện chuyển qua biến thế Thông thường sóng biến điện có tần số cao do vậy biến thế ở đây dùng lõi ferit nên giảm kích thước thiết bị Để nhiễu xoay chiều không

ảnh hưởng lớn tới bộ điều chỉnh ta phải chọn tần số dao động lớn hơn mười lần tần số cơ bản bộ chỉnh lưu

Sơ đồ đo cách ly các đại lượng một chiều dùng bán dẫn quang điện Gồm mạch dao động xung tam giác đối xứng, mạch so sánh, mạch truyền xung và mạch tích phân

Hình 4.4: Mạch nguyên lý đo cách ly đại l−ợng một chiều

Đồ thị biểu diễn quá trình đo đại l−ợng một chiều bằng bộ biến điện bề rộng xung dùng khuếch đại thuật toán

Hình 4.4.Biểu đồ thời gian quá trình đo đại l−ợng một chiều

3.4.2 Đo dòng xoay chiều

Sơ đồ đo dòng xoay chiều ba pha đơn giản là dùng biến dòng Gồm 3 biến dòng lắp ở 3 pha với điện trở tải R0

Hình 4.5: Mạch đo dòng xoay chiều 3 pha

Điện áp sơ cấp biến dòng qua mạch chỉnh lưu cầu điôt ba pha, mạch lọc RC lọc thành phần xoay chiều sau chỉnh lưu

Điện áp đầu ra chỉnh lưu

d 1

d R I

Π

= Trong mạch bố trí R1 nối tiếp với D0 phục vụ việc đo tín hiệu dòng điện không U2I0 Khi

điôt dẫn U2I0 = 0,5V

Hàm truyền cơ cấu đo dòng điện

I

I 1

I 2 I

pTf 1

K )

p ( I

) p ( U ) p ( F

+

=

=

trong đó: K I =PIRi hệ số tỷ lệ

Có thể dùng 2 biến dòng để đo dòng điện xoay chiều 3 pha Tuy nhiên khi dùng đo xoay chiều sẽ có sai số

Sai số tỷ số truyền:

1

1 2 I 1

I

I I

= δ

Sai số về pha do I2 lệch pha so với I1 Nếu dùng điện trở tải R1 càng nhỏ thì sai số càng nhỏ

Tuy vậy cần chú ý không dùng mạch đo dòng xoay chiều bằng biến dòng ở tần số thấp Mạch đo biến dòng thường truyền sóng điều hoà bậc cao tốt hơn biến áp Nếu dùng biến dòng trên đầu ra của biến tần sẽ có chế độ dòng gián đoạn gây quá áp nên nhất thiết phải nối điện trở bảo vệ R0 ( R0 << R1)