Nguyên tắc truyền động điện

truyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điệntruyền động điện

CH¦¥NG C¸C NGUY£N T¾C §IÒU KHIÓN Tù §éNG TRUYÒN §éNG §IÖN (3 tiết) 6.1 Khái niệm chung Theo yêu cầu công nghệ máy, cấu sản xuất, hệ thống truyền động điện tự động thiết kế tính toán để làm việc trạng thái (hay chế độ) xác định Những trạng thái cố hay hư hỏng khác thông thường dự đoán thiết kế tính toán chúng để áp dụng thiết bị biện pháp bảo vệ cần thiết Những trạng thái làm việc hệ thống truyền động điện tự động đặc trưng thông số như: tốc độ làm việc động truyền động hay cấu chấp hành máy sản xuất, dòng điện phần ứng động hay dòng kích thích động điện chiều, mômen phụ tải trục động truyền động Tuỳ theo trình công nghệ yêu cầu mà thông số lấy giá trị khác Việc chuyển từ giá trị đến giá trị khác thực tự động nhờ hệ thống điều khiển Kết hoạt động phần điều khiển đưa hệ thống động lực truyền động điện đến trạng thái làm việc mới, có thông số đặc trưng cho mạch động lực lấy giá trị Như thực chất điều khiển hệ thống đưa vào đưa khỏi hệ thống phần tử, thiết bị (chẳng hạn điện trở, điện kháng, điện dung, khâu hiệu chỉnh ) để thay đổi nhiều thông số đặc trưng để giữ thông số (chẳng hạn tốc độ quay) không thay đổi có thay đổi ngẫu nhiên thông số khác Để tự động điều khiển hoạt động truyền động điện, hệ thống điều khiển phải có cấu, thiết bị thụ cảm giá trị thông số đặc trưng cho chế độ công tác truyền động điện (có thể môđun, dấu thông số) Trong hệ thống điều khiển gián đoạn phần tử thụ cảm phải làm việc theo ngưỡng chỉnh định Nghĩa thông số thụ cảm đến trị số ngưỡng đặt, phần tử thụ cảm theo thông số bắt đầu làm việc phát tín hiệu đưa đến phần tử chấp hành Kết đưa vào đưa khỏi mạch động lực phần tử cần thiết Nếu hệ thống điều khiển có tín hiệu phát từ phần tử thụ cảm dòng điện, ta nói hệ điều khiển theo nguyên tắc dòng điện Nếu phần tử thục cảm tốc độ, ta nói hệ điều khiển theo nguyên tắc tốc độ, có phần tử thụ cảm thời gian trình (từ mốc thời gian đó) ta nói hệ điều khiển theo nguyên tắc thời gian Tương tự có hệ điều khiển theo nguyên tắc nhiệt độ, theo mômen, theo chiều công suất 6.2 Điều khiển tự động theo nguyên tắc thời gian a) Nội dung nguyên tắc điều khiển theo thời gian: Điều khiển theo nguyên tắc thời gian dựa sở thông số làm việc mạch động lực biến đổi theo thời gian Những tín hiệu điều khiển phát theo quy luật thời gian cần thiết để làm thay đổi trạng thái hệ thống GV: Lê Tiến Dũng _ Bộ môn TĐ-ĐL _ Khoa Điện @- 2005 76 Những phần tử thụ cảm thời gian để phát tín hiệu cần chỉnh định dựa theo ngưỡng chuyển đổi đối tượng Ví dụ tốc độ, dòng điện, mômen động tính toán chọn ngưỡng cho thích hợp với hệ thống truyền động điện cụ thể Những phần tử thụ cảm thời gian gọi chung rơle thời gian Nó tạo nên thời gian trễ (duy trì) kể từ lúc có tín hiệu đưa vào (mốc 0) đầu vào đến phát tín hiệu đưa vào phần tử chấp hành Cơ cấu trì thời gian là: cấu lắc, cấu điện từ, khí nén, cấu điện tử, tương ứng rơle thời gian kiểu lắc, rơle thời gian điện từ, rơle thời gian khí nén rơle thời gian điện tử b) Mạch điều khiển truyền động điện điển hình theo nguyên tắc thời gian: Xét mạch điều khiển khởi động động điện chiều kích từ độc lập có hai cấp điện trở phụ mạch phần ứng để hạn chế dòng điện khởi động theo nguyên tắc thời gian Sơ đồ mạch điều khiển hình 6.1 + D _ M §g §g _ + 1G 2G r1 r2 §g 1RTh §g 2§g ¦ 1G 11 CK + 1RTh 2RTh _ 2RTh 2G 13 Hình 6.1 - Điều khiển khởi động động ĐMđl theo nguyên tắc thời gian Trạng thái ban đầu sau cấp nguồn động lực điều khiển rơle thời gian 1RTh cấp điện mở tiếp điểm thường kín đóng chậm RTh(9-11) Để khởi động ta phải ấn nút mở máy M(3-5), côngtắctơ Đg hút đóng tiếp điểm mạch động lực, phần ứng động điện đấu vào lưới điện qua điện trở phụ khởi động r1, r2 Dòng điện qua điện trở có trị số lớn gây sụt áp điện trở r1 Điện áp vượt ngưỡng điện áp hút rơle thời gian 2RTh làm cho hoạt động mở tiếp điểm thường kín đóng chậm 2RTh(1113), mạch 2G với hoạt động rơle 1RTh chúng đảm bảo không cho côngtắctơ 1G 2G có điện giai đoạn đầu trình khởi động Tiếp điểm phụ Đg(3-5) đóng để tự trì dòng điện cho cuộn dây côngtắctơ Đg ta không ấn nút M Tiếp điểm Đg(1-7) mở cắt điện rơle thời gian 1RTh đưa rơle thời gian vào hoạt động để chuẩn bị phát tín hiệu chuyển trạng thái truyền động điện Mốc không thời gian t xem thời điểm Đg(1-7) mở cắt điện 1RTh GV: Lê Tiến Dũng _ Bộ môn TĐ-ĐL _ Khoa Điện @- 2005 77 ω ω ω I A I ω ω ω I ω M M M M t t t Hình 6.2 - Đặc tính khởi động động ĐMđl theo nguyên tắc thời gian Thời gian chỉnh định cấp điện trở tính theo công thức: M −M C ti = Tci.ln M − MC Tci - số thời gian điện động đặc tính có điện trở phụ cấp thứ i J∆ω i Tci = M1 − M Với ∆ωi khoảng biến thiên tốc độ đường đặc tính có cấp điện trở thứ i mômen chuyển đổi M1, M2 tương ứng J mômen quán tính hệ thống truyền động động cơ, tính quy đổi trục động Sau rơle thời gian 1RTh nhả, cấu trì thời gian tính thời gian từ gốc không đạt trị số chỉnh định đóng tiếp điểm thường kín đóng chậm RTh(9-11) Lúc cuộn dây côngtắctơ gia tốc 1G cấp điện hoạt động đóng tiếp điểm mạch động lực cấp điện trở phụ thứ r1 bị nối ngắn mạch Động chuyển sang khởi động đường đặc tính thứ Việc ngắn mạch điện trở r1 làm cho rơle thời gian 2RTh điện cấu trì thời gian tính thời gian tương tự rơle 1RTh, đạt đến trị số chỉnh định đóng tiếp điểm thường đóng đóng chậm 2RTh(11-13) Côngtắctơ gia tốc 2G có điện hút tiếp điểm 2G, ngắn mạch cấp điện trở thứ hai r2, động chuyển sang tiếp tục khởi động đường đặc tính tự nhiên điểm làm việc ổn định A c) Nhận xét điều khiển truyền động điện theo nguyên tắc thời gian: Ưu điểm nguyên tắc điều khiển theo thời gian chỉnh thời gian theo tính toán độc lập với thông số hệ thống động lực Trong thực tế ảnh hưởng mômen cản MC điện áp lưới điện trở cuộn dây không đáng kể đến sưk làm việc hệ thống đến trình gia tốc truyền động điện, trị số thực tế sai khác với trị số thiết kế không nhiều Thiết bị sơ đồ đơn giản, làm việc tin cậy cao phụ tải thay đổi, rơle thời gian dùng đồng loạt cho công suất động nào, có tính kinh tế cao GV: Lê Tiến Dũng _ Bộ môn TĐ-ĐL _ Khoa Điện @- 2005 78 Nguyên tắc thời gian dùng rộng rãi truyền động điện chiều xoay chiều 6.3 Điều khiển tự động theo nguyên tắc tốc độ a) Nội dung nguyên tắc: Tốc độ quay trục động hay cấu chấp hành thông số đặc trưng quan trọng xác định trạng thái hệ thống truyền động điện Do vậy, người ta dựa vào thông số để điều khiển làm việc hệ thống Lúc mạch điều khiển phải có phần tử thụ cảm xác tốc độ làm việc động - gọi rơle tốc độ Khi tốc độ đạt đến trị số ngưỡng đặt rơle tốc độ phát tín hiệu đến phần tử chấp hành để chuyển trạng thái làm việc hệ thống truyền động điện đến trạng thái yêu cầu Rơle tốc độ cấu tạo theo nguyên tắc ly tâm, nguyên tắc cảm ứng, dùng máy phát tốc độ Đối với động điện chiều gián tiếp kiểm tra tốc độ thông qua sức điện động động Đối với động điện xoay chiều thông qua sức điện động tần số mạch rôto để xác định tốc độ Hình 6.3 trình bày sơ lược cấu tạo rơle tốc độ kiểu cảm ứng Rôto (1) nam châm vĩnh cửu nối trục với động hay cấu chấp hành Còn stato (2) cấu tạo lồng sóc quay đỡ Trên cần (3) gắn vào stato bố trí má động (11) tiếp điểm có má tĩnh (7) (15) 11 15 Hình 6.3 - Cấu tạo rơle tốc độ kiểu cảm ứng ω Khi rôto không quay tiếp điểm (7),(11) (15),(11) mở, lò xo giữ cần (3) Khi rôto quay tạo nên từ trường quay quét stato, lồng sóc có dòng cảm ứng chạy qua Tác dụng tương hỗ dòng từ trường quay tạo nên mômen quay làm cho stato quay góc Lúc lò xo cân (4) bị nén hay kéo tạo mômen chống lại, cân với mômen quay điện từ Tuỳ theo chiều quay rôto mà má động (11) đến tiếp xúc với má tĩnh (7) hay (15) Trị số ngưỡng tốc độ điều chỉnh phận (5) thay đổi trị số kéo nén lò xo cân GV: Lê Tiến Dũng _ Bộ môn TĐ-ĐL _ Khoa Điện @- 2005 79 Khi tốc độ quay rôto bé trị số ngưỡng đặt, mômen điện từ bé không thắng mômen cản lò xo cân nên tiếp điểm không đóng Từ lúc tốc độ quay rôto đạt giá trị lớn ngưỡng đặt mômen điện từ thắng mômen cản lò xo làm cho phần tĩnh quay, đóng tiếp điểm tương ứng theo chiều quay rôto b) Mạch điều khiển truyền động điện điển hình theo nguyên tắc tốc độ : Ta lấy trường hợp điều khiển mở máy động để xét ví dụ cụ thể Như thấy ví dụ trước, việc ngắn mạch điện trở khởi động mạch phần ứng động thực tốc độ ω1, ω2 ω3 Để làm phần tử kiểm tra tốc độ, ta dùng côngtăctơ gia tốc 1G, 2G 3G có cuộn dây mắc trực tiếp vào đầu phần ứng động cơ, tiếp thụ điện áp tỷ lệ với tốc độ động với sai lệch nhỏ CK + _ + _ 3G 2G 1G §g ¦ 3G §g M D + _ 2G §g 1G ω ω U U3G U2G ω ω U1G ω Uu e M M (I ) M (I ) t t t t Hình 6.4 - Điều khiển khởi động động ĐMđl theo nguyên tắc tốc độ Trên hình 6.4 tiếp điểm chuyển đổi trạng thái cần xảy tốc độ (ω1,I2), (ω2,I2) (ω3,I2) Ở điểm này, điện áp đầu phần ứng là: U1 = Kφω1 + I2.r− U2 = Kφω2 + I2.r− U3 = Kφω3 + I2.r− Giả sử ta cắt điện trở theo thứ tự r1, r2, r3 phải chọn côngtăctơ có điện áp hút là: Uhút1G = U1 Uhút2G = U2 Uhút3G = U3 GV: Lê Tiến Dũng _ Bộ môn TĐ-ĐL _ Khoa Điện @- 2005 80 Hoạt động sơ đồ: Sau ấn nút mở máy M, côngtăctơ Đg có điện đóng mạch phần ứng động vào nguồn qua điện trở phụ r1, r2 r3 Động gia tốc đường đặc tính (1) Khi tốc độ động đạt đến trị số ω1 điện áp đầu côngtăctơ 1G đạt trị số hút U1, 1G hút, loại trừ điện trở r1, động chuyển sang gia tốc đường đặc tính (2) Khi tốc độ động đạt đến trị số ω2(ω2 > ω1) điện áp đầu côngtăctơ 2G đạt trị số hút U2, 2G hút, loại trừ tiếp điện trở r2, động chuyển sang gia tốc đường đặc tính (3) Khi tốc độ động đạt đến trị số ω3(ω3 > ω2) điện áp đầu côngtăctơ 3G đạt trị số hút U3, 3G hút, điện trở r3 bị ngắn mạch, động chuyển sang gia tốc đường đặc tính tự nhiên, điểm làm việc ổn định c) Nhận xét điều khiển truyền động điện theo nguyên tắc tốc độ: Ưu điểm đơn giản rẻ tiền, thiết bị côngtăctơ mắc trực tiếp vào phần ứng động không cần thông qua rơle Nhược điểm thời gian mở máy hãm máy phụ thuộc nhiều vào mômen cản MC, quán tính J, điện áp lưới U điện trở cuộn dây côngtăctơ Các côngtăctơ gia tốc không làm việc điện áp lưới giảm thấp, tải cuộn dây phát nóng, dẫn đến phát nóng điện trở khởi động, làm cháy điện trở Khi điện áp lưới tăng cao có khả tác động đồng thời côngtăctơ gia tốc làm tăng dòng điện trị số cho phép Trong thực tế dùng nguyên tắc để khởi động động cơ, thường dùng nguyên tắc để điều khiển trình hãm động 6.4 Điều khiển tự động theo nguyên tắc dòng điện a) Nội dung nguyên tắc: Dòng điện mạch phần ứng động thông số làm việc quan trọng xác định trạng thái hệ truyền động điện Nó phản ánh trạng thái mang tải bình thường hệ thống, trạng thái mang tải, trạng thái tải phản ánh trạng thái khởi động hay hãm động truyền động Trong trình khởi động, hãm, dòng điện cần phải đảm bảo nhỏ trị số giới hạn cho phép Trong trình làm việc vậy, dòng điện phải giữ không đổi trị số theo yêu cầu trình công nghệ Ta dùng côngtăctơ có cuộn dây dòng điện rơle dòng điện kiểu điện từ khóa điện tử hoạt động theo tín hiệu vào trị số dòng điện để điều khiển hệ thống theo yêu cầu Dòng điện mạch phần ứng động dùng làm tín hiệu vào trực tiếp gián tiếp cho phần tử thụ cảm dòng điện nói Khi trị số tín hiệu vào đạt đến giá trị ngưỡng xác định điều chỉnh phát tín hiệu điều khiển hệ thống chuyển đến trạng thái làm việc yêu cầu b) Mạch điều khiển truyền động điện điển hình theo nguyên tắc dòng điện: Xét mạch điều khiển hãm ngược động xoay chiều pha rôto dây quấn đảo chiều GV: Lê Tiến Dũng _ Bộ môn TĐ-ĐL _ Khoa Điện @- 2005 81 Vì lí tương tự phân tích chương 2, đảo chiều quay động xoay chiều pha rôto dây quấn cần phải đưa thêm vào mạch rôto điện trở phụ lớn trị số điện trở phụ cần thiết đưa vào khởi động Ta dùng mạch điều khiển theo nguyên tắc dòng điện sau để điều khiển việc đưa vào loại phần điện trở phụ lần đảo chiều quay động ~ RH H N ~ T H 11 1G 13 1G 2G ω rp2 rp1 rh 2G 1G H Ι1 Ι2 Ι RH Hình 6.5 - Điều khiển hãm ngược động xoay chiều pha rôto dây quấn đảo chiều theo nguyên tắc dòng điện Yêu cầu rơle hãm RH thụ cảm dòng điện rôto: dòng điện rôto lớn trị số khởi động phải tác động, dòng điện rôto giảm nhỏ gần trị số khởi động (I1) phải nhả để chuẩn bị cho trình khởi động Vậy phải chỉnh định trị số Inhả RH lớn I1 ít, tất nhiên trị số Ihút lớn I1 xác định theo hệ số trở Trong mạch hình 6.5 không vẽ phần điều khiển côngtăctơ thuận (T) ngược (N) Giả sử động làm việc theo chiều quay thuận, nghĩa khống chế huy vị trí phía phải Muốn đảo chiều quay động cơ, ta quay khống chế KC phía ngược Khi khống chế lướt qua vị trí 0, côngtăctơ H, 1G, 2G điện nên tiếp điểm chúng nhả đưa điện trở vào mạch rôto Khi lướt đến vị trí phía trái, dòng điện rôto xuất lúc lớn trị số chỉnh định hút rơle RH, nên RH tác động mở tiếp điểm RH(1-3), bảo đảm cho điện trở tham gia vào việc hạn chế dòng điện, trình hãm ngược động tiến hành Khi tốc độ động giảm gần đến dòng điện rôto giảm đến trị số nhả rơle RH, rơle RH nhả đóng tiếp điểm RH(1-3), công tăctơ H có điện, điện trở hãm ngược rh loại ngoài, động bắt đầu trình khởi động theo chiều ngược với hai cấp điện trở hạn chế rp1 rp2 c) Nhận xét điều khiển truyền động điện theo nguyên tắc dòng điện: - Ưu điểm: Thiết bị đơn giản, làm việc sơ đồ không chịu ảnh hưởng nhiệt độ cuộn dây côngtăctơ, rơle GV: Lê Tiến Dũng _ Bộ môn TĐ-ĐL _ Khoa Điện @- 2005 82 - Nhược điểm: Độ tin cậy thấp, có khả đình gia tốc cấp trung gian động khởi động bị tải, dòng điện không giảm xuống đến trị số nhả rơle dòng điện Nguyên tắc dòng điện ứng dụng chủ yếu để tự động điều khiển trình khởi động động chiều kích thích nối tiếp động xoay chiều rôto dây quấn 6.5 Các nguyên tắc điều khiển khác Ngoài nguyên tắc điều khiển áp dụng rộng rãi mà ta xét trên, tiến hành điều khiển trình hay máy móc sản xuất theo thông số đo lường khác như: Điều khiển theo công suất chiều công suất mômen, sức căng, nhiệt độ, ánh sáng Một nguyên tắc hay dùng nguyên tắc điều khiển theo đường (hay nguyên tắc hành trình) Khi trình thay đổi trạng thái làm việc hệ có quan hệ chặt chẽ với vị trí phận động máy (đầu máy, bàn máy, mâm cặp ) ta dùng thiết bị đặc biệt - gọi công tắc hành trình, đặt vị trí thích hợp đường phận Khi phận động di chuyển đến vị trí tác động lên công tắc hành trình, công tắc hành trình phát tín hiệu điều khiển hệ thống đến trạng thái làm việc Ví dụ đặt công tắc cuối để hạn chế hành trình bàn máy bào, máy doa, cầu trục đặt công tắc hành trình để đảo chiều, giảm tốc độ cho máy bào giường N T Hình 6.6 - Điều khiển theo nguyên tắc hành trình B A KH GV: Lê Tiến Dũng _ Bộ môn TĐ-ĐL _ Khoa Điện @- 2005 83