Tự động hoá thiết bị điện p1

Cấu trúc chung của hệ thống tự động hóa thiết bị điện.. Chức năng, yêu cầu của hệ thống điều khiển thiết bị điện HTĐKTBĐ 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG Chức năng của mạch điều khiển a.. Chức năng c

BÀI GIẢNG

TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT BỊ ĐIỆN

Phân bố thời gian

Giáo trình chính [1] Trần Văn Thịnh, Hà Xuân Hòa, Nguyễn Vũ Thanh, Tự động hóa và điều

khiển thiết bị điện, Nhà xuất bản Giáo dục

Đánh giá kết quả

- 30% Điểm kiểm tra điều kiện trên lớp

- 70 % Điểm thi cuối kì: Hình thức thi: Tự luận

NỘI DUNG MÔN HỌC

• Chương 1: Giới thiệu chung về tự động hóa thiết bị điện (3 tiết)

• 1.1 Các khái niệm chung

• 1.2 Cấu trúc chung của hệ thống tự động hóa thiết bị điện

• 1.3 Nguyên tắc thực hiện sơ đồ nguyên lý và sơ đồ lắp ráp

• Chương 2: Các thiết bị điện trong hệ thống tự động hóa (12 tiết)

• 2.1 Các thiết bị mạch lực

• 2.1 Các thiết bị mạch điều khiển

• Chương 3: Các hệ thống điều khiển (9 tiết)

• 3.1 Hệ thống điều khiển có tiếp điểm

• 3.2 Hệ thống điều khiển không tiếp điểm

CHƯƠNG 1 Giới thiệu chung về tự động hóa thiết bị điện

1.1 Các khái niệm chung

1.2 Cấu trúc chung của hệ thống tự động hóa thiết bị điện 1.3 Nguyên tắc thực hiện sơ đồ nguyên lý và sơ đồ lắp ráp

1 Chức năng, yêu cầu của hệ thống điều khiển thiết bị điện (HTĐKTBĐ)

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG

điều khiển

a Chức năng của hệ thống điều khiển thiết bị điện (HTĐKTBĐ)

Thông tin- giao tiếp

Xử lí tín hiệu Điều khiển năng lƣợng

Điều khiển các thông số thiết bị theo yêu cầu

Ổn định thông số

Thông tin- giao tiếp

Nạp chương trình, dữ liệu thông qua các thiết bị giao tiếp giữa người và máy

Giao tiếp bằng các bộ chuyển mạch

Hiển thị trạng thái làm việc của thiết bị bằng ánh sáng/âm thanh

Nhiệm vụ: Cung cấp thông tin, theo dõi trạng thái hoạt động của thiết bị, nhận các lệnh điều khiển của người vận hành

BAO GỒM

Xử lí tín hiệu

Nhiệm vụ: Thu thập/xử lí dữ liệu, phát tín hiệu điều khiển theo hiệu lệnh điều khiển của người vận hành

Điều khiển năng lượng

Bộ điều khiển biến đổi NL MT

Các bộ biến đổi tĩnh: Biến tần, chỉnh

lưu, băm áp một chiều, điều áp xoay chiều nhằm mục tiêu điều chỉnh năng lượng cho tải

Điều khiển động cơ xoay chiều: Là

điều khiển các bộ biến đổi cơ- điện

Điều khiển các thông số thiết bị theo yêu cầu

Tự động khởi động/hãm/đảo chiều/ điều khiển tốc độ động cơ (Khởi động nhiều cấp/hãm mềm/mạch hở/độ tin cây cao/đơn giản)

Tự động đặt/giữ tốc độ cho trước của động cơ (Hệ thống kín có phản hồi/ role, contator, biến đổi điện từ…) Kiểm soát các tín hiệu đưa vào hệ thống

Tự động điều khiển các chương trình được bật trước

Tự động điều khiển dây chuyền công nghệ

Ổn định thông số

Trong quá trình vận hành do sự thay đổi nhỏ/lớn của tải hoặc tác động bên ngoài làm cho có sự thay đổi nhỏ/lớn về thông số điều khiển, do đó để chất lƣợng điều khiển đƣợc đảm bảo thì yêu cầu cần có mạch ổn định thông số

b Yêu cầu của hệ thống điều khiển thiết bị điện (HTĐKTBĐ)

Yêu cầu kĩ thuật

Đáp ứng các chế độ làm việc của thiết bị Đảm bảo các sai số tĩnh và động trong phạm vi cho phép Đảm bảo các sai số tĩnh và động trong phạm vi cho phép Đảm bảo độ tác động nhanh/độ quá điều chỉnh phù hợp Đáp ứng chỉ tiêu về năng lượng (hiệu suất và cosµ)

Phù hợp với điều kiện về môi trường

Điều khiển đơn giản/tin cậy

Đơn giản: Đánh giá bằng số lượng tối thiểu các thiết bị động lực và

mạch điều khiển

Độ tin cậy: Đánh giá trên sơ đồ đơn giản, độ làm việc ổn định/chính

xác/tuổi thọ/đặc tính làm việc không thay đổi…

Độ tin cậy: Phụ thuộc vào sơ

đồ nguyên lí/lắp ráp/thiết

bị/….người vận hành

Linh hoạt/thuận lợi khi điều khiển

Linh hoạt: Sự thay đổi các chế độ làm việc nhanh/phát

hiện/khắc phục sự cố nhanh

Ví dụ: - Chế độ làm việc tự động/tay

- Từ dây chuyền này/sang dây chuyền khác

- Chế độ cấp thấp/cao

Thuận lợi: Đƣợc điều khiển từ nhiều vị trí khác nhau, dễ

kiểm soát, an toàn

Dễ dàng kiểm tra và sửa chữa hƣ hỏng

Những sơ đồ phức tạp đƣợc chia thành các cụm các khâu riêng

rẽ để kiểm soát dễ dàng và dễ khoanh vùng hƣ hỏng

Bằng cách lắp thành từng bo mạch riêng/cấp nguồn/bảo vệ bằng các cầu chì riêng lẻ

Tác động chính xác trong chế độ làm việc bình thường và sự cố Thuận tiện trong quá trình lắp đặt và vận hành

Kích thước và giá thành thiết bị điều khiển phù hợp

An toàn lao động và không bị các sự cố cháy nổ

2 Mục tiêu của hệ thống điều khiển thiết bị điện (HTĐKTBĐ)

Tự động hóa linh hoạt:

- Tác động lên nhiều khâu của dây chuyền

- Tác động lên nhiều phương án sản xuất

Tự động hóa phát triển:

Ứng dụng sự phát triển khoa học công nghệ về số lượng và đặc tính sản phẩm

1.2 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA

Phần cơ cấu chấp hành/phần tác động

Phần điều khiển

Sơ đồ cấu trúc tổng quát

Sơ đồ cấu trúc chi tiết

1.3 NGUYÊN TẮC THỰC HIỆN SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ VÀ SƠ ĐỒ LẮP RÁP

a NGUYÊN TẮC THỰC HIỆN SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ

Thể hiện nét vẽ trên sơ đồ động lực và điều khiển: Thực hiện theo nguyên tắc thống nhất/ sử dụng đúng kí hiệu thiết bị điện / sử dụng đúng nét vẽ (nét đậm/nét mảnh/… )

Tên thiết bị trên bản vẽ: Tên thiết bị có thể đƣợc rút gọn nhƣng mang tính gợi nhớ hoặc có thể thêm các thông tin cơ bản của thiết bị linh kiện:

VD: Rowle – R, Cầu dao – CD, Aptomat – AT, Contactor thuận (T), Contactor ngƣợc (N)

Bố trí linh kiện: Trên 1 bản vẽ có thể có rất

nhiều linh kiện, hoặc phải vẽ trên nhiều

trang, do đó cần có chỉ dẫn cụ thể: Do đó

trên mỗi trang cần phân thiết bị/linh kiện

theo khu vực bằng cách đánh số cột

Đánh số đầu dây: Đánh số đầu dây phục vụ cho việc đọc bản vẽ và theo dõi

bản vẽ đƣợc thuận lợi hơn Nguyên tắc đánh số đầu dây:

- Bằng chữ cái: A, B, C…

- Chữ cái kèm số: A1, B1, C1,…

- Theo số tự nhiên: 1,2,3,

b NGUYÊN TẮC THỰC HIỆN SƠ ĐỒ LẮP ĐẶT

Nguyên tắc khối lượng: Thiết bị nặng thấp/ nhẹ trên cao

Bố trí thiết bị: Được bố trí theo hàng/ cột đảm bảo thẩm mĩ và các nguyên tắc

Nguyên tắc phát nhiệt: Đối lưu tự nhiên, phát nhiệt ít bố

trí phía dưới, nhiều thì bố trí trên

Nguyên tắc cùng loại thiết bị: Các thiết bị cùng nhau được bố trí cùng khu vực

hoặc cùng hàng với nhau

Nguyên tắc cùng chức năng của thiết bị: Các nhóm thiết bị cùng chức năng

thường được bố trí cùng khu vực với nhau, để dễ dàng bảo trì, bảo dưỡng, vận hành

Nối dây động lực và điều khiển:

Dây động lực: Đảm bảo điều kiện kĩ thuật: Tiết diện/ cách điện/vật liệu dây dẫn/

phương pháp đấu nối/…

Cáp điều khiển: Thường là loại cáp nhiều lõi trong một sợi Khi sử dụng các lõi

trong sợi cáp cần có một lượng tối thiểu dự phòng cho cáp điều khiển

Bố trí dây trong tủ điện: Dây trong tủ điện phải được bố trí gọn gàng, đảm bảo an

toàn, thẩm mĩ, đảm bảo kĩ thuật, cần lưu ý:

Dây dẫn được bố trí thành từng bó theo chức năng nhiệm vụ của nhóm thiết bị

Dây dân được đặt trong máng cáp có xẻ rãnh

Hệ thống dây điều khiển được bó riêng, có dấu hiệu phân biệt (màu sắc, tên )

Đảm bảo khả năng chống nhiễu cho cáp điều khiển

Nối dây giữa bảng mạch và tủ điện: Sử dụng các giắc cắm

Các thiết bị điện tử: Các mạch điện tử được lắp đặt trên các giá đỡ, khung, phía

trước phải đảm báo khoảng trống để quan sát và lắp đặt

Vỏ tủ điều khiển: Đảm bảo diện tích để lắp đặt hệ thống điều khiển/ đảm bảo an

toàn trong quá trình vận hành và tránh va đập cho thiết bị, tránh tiếp xúc với môi trường…vv

c MỘT SỐ SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỂN HÌNH

Mạch bảo vệ 0: Mạch bảo vệ tránh tự hoạt động lại sau khi mất điện

Mạch bảo vệ dòng điện cực đại:

Thường sử dụng cầu chì tác động nhanh/aptomat,…

Mạch bảo vệ dòng điện cực tiểu: Sử dụng cho động cơ điện 1 chiều tránh

trường hợp giảm kích từ sẽ gây ra nguy hiểm do đó sử dụng role mắc trong mạch cuộn dây kích từ

Mạch bảo vệ quá tải:

Chương 2 Các thiết bị điện trong hệ thống tự động hóa

2.1 Các thiết bị mạch lực

2.1 Các thiết bị mạch điều khiển

Phương trình cơ sở

Phương trình vi phân khi điều khiển tần số

Phương trình vi phân khi điều khiển điện áp

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Động cơ điện một chiều trong các hệ thống điều khiển thường là động cơ điện 1

chiều kích từ độc lập: Điều khiển bằng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng và điều chỉnh từ thông

Phương trình cơ sở

Động cơ điện 1 chiều điều khiển từ thông

ĐỘNG CƠ BƯỚC

Cấu tạo

Động cơ bước (stepper motor), thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu

điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay

LỢI ÍCH CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC

Không chổi than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao năng

lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò ) có thể gây nguy hiểm

Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động cơ ở

tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả vị trí nhằm vào tác

dụng hãm lại của từ trường rotor

Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta có thể

điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như

các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo)

Độc lập với tải: Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải

(khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được) Khi momen tải quá lớn gây ra

hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay

Đặc điểm động cơ bước

Động cơ bước hoạt động dưới tác dụng của các xung rời rạc và kế tiếp nhau Khi có dòng điện hay điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ bước làm cho roto của động cơ quay một góc nhất định gọi là bước của động cơ

Góc bước là góc quay của trục động cơ tương ứng với một xung điều khiển Góc bước được xác định dựa vào cấu trúc của động cơ bước và phương pháp điều khiển động cơ bước

Tính năng mở máy của động cơ được đặc trưng bởi tần số xung cực đại có thể mở máy mà không làm cho roto mất đồng bộ

Chiều quay động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây

Ví dụ

Phân loại động cơ bước

Động cơ bước biến từ trở

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Động cơ bước hỗn hợp/lai

Động cơ bước biến từ trở

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có roto là nam châm vĩnh cửu, stato có nhiều răng trên mỗi răng có quấn các vòng dây Các cuộn dây pha có cực tính khác nhau

Gọi số răng trên stato là Zs, góc bước của động cơ

là Sđc, góc bước của động cơ này được tính theo

công thức

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Cấu tạo của stato cũng có các cuộn pha đối xứng nhau, nhưng các cuộn pha đối xứng có cùng cực tính

khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu Góc bước của stato là Ss

Roto của động cơ bước biến từ trở được cấu tạo từ

thép non có khả năng dẫn từ cao, do đó khi động cơ mất

điện roto vẫn tiếp tục quay tự do rồi mới dừng hẳn

Nguyên lý hoạt động động cơ bước biến từ trở

Khi cấp điện cho pha A Từng cặp cuộn dây A

bố trí đối xứng nhau có cùng cực tính là nam (S)

và bắc (N) Lúc này các cuộn dây hình thành các vòng từ đối xứng

Khi cấp điện cho pha B Lúc này từ trở trong động cơ lớn, momen từ tác động lên trục roto làm cho roto quay theo chiều giảm từ trở Roto quay cho tới khi từ trở nhỏ nhất và khi momen bằng không thì trục động cơ dừng, roto đạt đến

vị trí cân bằng mới

Gọi số pha của động cơ là Np, ổ răng trên roto

là Zr, góc bước của động cơ bước biến từ trở là

S ta tính được công thức

Động cơ bước hỗn hợp/lai = Namchâm vĩnh cữu + Từ trở

Stato và roto có cấu tạo tương tự động cơ bước biến từ trở nhưng số răng của stato và roto không bằng nhau

Góc bước của động cơ bước hỗn

hợp được tính theo công thức:

Trong đó: S là góc bước của động cơ, Sr là

góc giữa 2 răng kề nhau, Zs là số cặp cực

trên stato

Các phương pháp điều khiển động cơ bước

Điều khiển dạng sóng (Wave): là phương

pháp điều khiển cấp xung điều khiển lần

lượt theo thứ tự chon từng cuộn dây pha

Điều khiển bước đủ (Full step): là phương

pháp điều khiển cấp xung đồng thời cho 2

cuộn dây pha kế tiếp nhau

Điều khiển nửa bước (Half step): là phương pháp điều khiển kết hợp cả 2 phương pháp đều khiển dạng sóng và điều khiển bước đủ Khi điều khiển theo phương pháp này thì giá trị góc bước nhỏ hơn hai lần và số bước của động cơ bước tăng lên 2 lần

so với phương pháp điều khiển bước đủ tuy nhiên phương pháp này có bộ phát xung điều khiển phức tạp

Điều khiển vi bước (Microstep): là phương pháp mới được áp dụng trong việc điều khiển động cơ bước cho phép động cơ bước dừng và định vị tại vị trí nửa bước giữa

stepper-28byj-48-bang-mach-dieu-khien-dong-co-buoc- uln2003

http://arduino.vn/bai-viet/1188-huong-dan-dieu-khien-Momen đồng bộ của động cơ bước

Sau quá trình quá độ, dòng điện trong cuộn dây stato không đổi: I=U/R o

Từ thông sinh ra:

B: Cường độ từ trường do I sinh ra trên cuộn cảm L

S: Tiết diện cặp cựu

α: Góc tạo bởi trục của cực với trục của dây pha

Θ: Góc tạo bởi trục của cực và đường vuông góc với trục của cuộn dây pha

Do Θ không thay đổi, nên Momen đồng bộ tĩnh của động cơ

Momen Stato Momen Roto Momen kích

thích S/R CM hệ số phục thuộc vào cấu tạo động cơ

Hiện nay các Đ/c bước có cấu tạo roto ko có cuộn kích thích do

đó M R = M RS = 0

Các bộ điều chỉnh

Khếch đại tín hiệu sai lệch nhỏ

Nhiệm vụ của bộ điều chỉnh

Tạo hàm điều khiển để đảm bảo chất lƣợng tĩnh và động

Có 2 loại bộ điều chỉnh

Bộ điều chỉnh xung

Bộ điều chỉnh số

Một số hàm cơ bản

Nguyên tắc tạo hàm chức năng

Lưu ý: U 1 , U 2 trái dấu

Bộ điều chỉnh tỷ lệ

Viết phương trình tương tự như bộ tạo hàm chức năng ta có phương trình:

Bộ điều chỉnh tích phân

Hàm truyền khâu tích phân tỷ lệ

Hàm truyền khâu vi phân

Viết phương trình tương tự như bộ tạo hàm chức năng ta có phương trình hàm truyền khâu vi phân:

Dạng bài tập:

1 Cho các thông số trên sơ đồ mạch điều chỉnh Yêu cầu xác định hàm truyền

của khâu hiệu chỉnh

2 Có hàm truyền đạt, yêu cầu xác định các tham số để có đƣợc hàm truyền đạt

theo yêu cầu

Mạch PID (Propotional integral Differential – Tỷ lệ tích phân vi phân)