giao trinh vat ly dai cuong

Bài Mở Đầu KHÁI NIỆM CHUNG VỀ PHẦN TỬ TỰ ĐỘNG §1 Mở Đầu Phần tử tự động thiết bị dùng để xây dựng nên thiết bị tự động Các thiết bị thực chức mà khơng cần tham gia trực tiếp người Phần tử tự động có nhiều chức khác nguyên lý làm việc khác Ví dụ : phần tử điện cơ, điện từ, điện nhiệt, thuỷ lực, khí nén Xét ví dụ : cần trì nhiệt độ lò sấy với θcp = const Khi khơng sử dụng phần tử tự động : sơ đồ gồm nhiệt kế điện trở gia nhiệt Hình Muốn tri nhiệt độ ta phải : - Quan sát tình trạng làm việc lò thơng qua nhiệt kế - So sánh nhiệt dộ θ lò với nhiệt độ cần trì θcp = const - Nếu thấy có sai khác hai nhiệt độ cần tiến hành hiệu chỉnh + θ < θcp : cần khoá K cho điện trở hoạt động để gia nhiệt làm cho lò tăng nhiệt độ cho phép + θ < θcp : cần ngắt khố K để vơ hiệu hố điện trở gia nhiệt làm nhiệt độ lò giảm tới nhiệt độ cho phép Khi sử dụng phần tử tự động : sơ đồ gồm nhiệt kế thuỷ ngân có gắn tiếp điểm cơng tắc tơ Hình K – kí hiệu cuộn dây nam châm điện công tắc tơ Sơ đồ trì nhiệt độ lò khoảng nhiệt độ lân cận nhiệt độ cần trì Khi nhiệt độ lò θ nhỏ khoảng nhiệt độ cho phép tiếp điểm mở, K khơng có điện Lúc điện trở gia nhiệt R hoạt động gia nhiệt cho lò làm nhiệt độ lò tăng Nhiệt độ lò tăng tới lúc vượt mức nhiệt độ cho phép, mức thủy ngân nhiệt kế dâng cao làm tiếp điểm nhiệt kế đóng Cuộn dây K có điện, điện trở gia nhiệt khơng có điện nên lò khơng gia nhiệt Do nhiệt độ lò giảm xuống tới mức cho phép Khi nhiệt độ lò giảm xuống mức cho phép trình lại lăp lại Tóm lại q trình Qua ví dụ trên, ta thấy hệ thống tự bao gồm khâu sau : Đối tượng điều khiển Chấp hành Tổng hợp xử lý Đo lường kiểm tra - Khâu đo lường kĩ thuật: xác định thông số đối tượng điều khiển kiểm tra tình trạng làm việc Các đối tượng đo đại lượng điện không điện chủ yếu khơng điện Do người ta phải biến đổi đại lượng khơng điện đại lượng điện Vì khâu có sử dụng phần tử cảm biến (sensor) - Tổng hợp xử lý : tính tốn, so sánh, đánh giá đại lượng từ phận đo lường đưa tới theo qui luật đưa tín hiệu cần thiết cho việc điều khiển Vì phận phải có khả logic cao, thường người ta sử dụng phần tử logic Tùy theo mức độ phức tạp trình điều khiển mà phận tổng hợp xử lý phức tạp dơn giản - Chấp hành : nhận tín hiệu từ khâu tổng hợp xử lý đưa tới, theo nội dung tín hiệu đó, thực thao tác cần thiết để điều chỉnh thông số trạng thái đối tượng điều khiển theo giá trị đặt Thường dùng phần tử điện, điện từ, khí nén thủy lực - Đối tượng điều khiển : đối tượng có thơng số cần phải điều chỉnh để làm việc thỏa mãn yêu cầu định Đối tượng điều khiển đơn vị nguyên cơng hệ thống sản suất §2 Phân Loại Phần Tử Tự Động Phần tử tự động phân loại theo nhiều tiêu chí khác Dưới vài cách phân loại Theo quan điểm lượng : Coi phần tử tự động phần tử biến đổi lượng chia loại : - Loại : Năng lượng đầu y ; x đượng lượng vào y chuyển đổi từ x PTTD x y Hình Với phần tử tự động, công suất lượng nhỏ cơng suất lượng đầu vào phần tử phần tử tử thụ động - Loại : z nguồn phụ hay nguồn nuôi z x PTTD y Hình Năng lượng z có tác dụng điều chế trình biến đổi lượng từ x→y Phần tử phần tử hoạt tính (tích cực) Năng lượng đầu lớn lượng đầu vào Theo tính chất đối tượng đầu ra, vào : gồm – điện, điện – từ Theo chức làm việc - Phần tử cảm biến (sensor) dùng để biến đổi đại lượng từ dạng sang dạng khác Thường từ đại lượng không điện sang đại lượng điện, thường nằm hệ thống đo lường kiểm tra - Các phần tử khuếch đại : tăng cường tín hiệu, với biến thiên nhỏ tín hiệu đầu vào dẫn đến biến thiên tín hiệu Quan hệ hai đại lượng thể qua đặc tính vào – - Các phần tử rơle : phần tử có mối quan hệ đại lượng vào – theo dạng đặc tính rơle Các phần tử rơle tác động không tác động y (ra) ymax ymin xnh xtđ X (vào) Hình - Phần tử ổn định : phần tử tự động điều chỉnh thông số trị số khơng đổi lưu đương lượng đầu vào thay đổi phạm vi định - Phần tử biến đổi : dùng để biến đổi tín hiệu từ dạng sang dạng khác nhằm tạo điều kiện thuận lợi tăng độ xác cho làm việc khác, cho phần tử khác hệ thống - Phần tử chấp hành : phần tử dùng để tác động trực tiếp lên đối tượng điều khiển để điều chỉnh thông số trạng thái đối tượng theo yêu cầu định Theo nguyên lý : chia làm nhóm - Các phần tử điện - Các phần tử nhiệt - Các phẩn tử sắt từ - Các phần tử bán dẫn vi mạch §3 Các Đặc Tính Cơ Bản Và Các Thơng Số Của Phần Tử Tự Động Hệ số biến đổi : - Hệ số biến đổi tỉ số đương lượng đầu đương lượng đầu vào tỉ số biến thiên đương lượng đầu ∆y biến thiên đương lượng đầu vào ∆x y K = ∆y dy K'= x ∆x ≈ dx Chú ý : + giá trị K,K’ phụ thuộc đặc tính vào phần tử y = f(x) + Với phần tử tuyến tính K, K’ const Còn với phần tử phi tuyến K, K’ hàm số + K, K’ đại lượng vật lý có đơn vị đo Còn giá trị tương đối khơng có đơn vị + Với phần tử khác hệ số biến đổi có tên gọi khác phù hợp với chức phần tử Sai số : Sai số thay đổi đương lượng đương lượng vào khơng thay đổi Sai số có nhiều ngun nhân : - Chủ quan : tự phần tử gây nên - Khách quan : đối tượng bên ngồi tác động Có loại sai số : - Sai số tuyệt đối : ∆y = y’ – y ∆y - Sai số tương đối : a% = 100% y - Sai số qui đổi : b% = ∆y ymax 100% Ngưỡng độ nhạy : Ngưỡng nhạy thay đổi giá trị tối thiểu đương lượng đầu vào mà không gây thay đổi đương lượng đầu y x1 x2 x hình1 x1, x2 : ngưỡng độ nhạy Phản hồi : - Tác dụng : dùng để tăng cường tín hiệu (hệ số khuếch đại) tăng tính ổn định x y HSBD xph Hệ số phản hồi  Hình - Có loại phản hồi : + phản hồi dương phản hồi tín hiệu tác dụng chiều x + phản hồi âm phản hồi tín hiệu tác dụng ngược chiều x Hệ số phản hồi β : β = y = k.x β ≠ kx → k y = ± ph β k =1 ± β Phần CÁC BỘ CẢM BIẾN Chương – KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN Trong hệ thống điều khiển đo lường, trình dều đặc trưng biến trạng thái, thường đại lượng không điện Để đo đạc theo dõi biến thiên ta phải dùng cảm biến §1 Địmh Nghĩa Và Phân Loại Định nghĩa : Cảm biến thiết bị cảm nhận đáp ứng với tín hiệu kích thích - Trong mơ hình mạch : cảm biến mơ hình mạng hai cửa Bộ CB y x Hình x – biến trạng thái cần đo y – đáp ứng y = f(x) Phân Loại : a Theo nguyên lý chuyển đổi : nhiệt điện, quang điện, điện… b Theo dạng kích thích : âm thanh, tần số… c Theo chức : độ nhạy, độ xác, độ trễ… d Theo phạm vi sử dụng : công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu e Theo thông số mô hình mạch thay ( loại) - Cảm biến tích cực (bộ cảm biến có nguồn) coi nguồn dòng nguồn áp - Cảm biến thụ động (không nguồn ) đặc trưng thông số L, R, C, M số tuyến tính khơng tuyến tính §2 Các Đặc Trưng Cơ Bản Của Bộ Cảm Biến Quan hệ kích thích đáp ứng cảm biến đặc trưng nhiều đại lượng Hàm truyền : quan hệ đáp ứng kích thích cho dạng bảng biểu thức tốn học Tuyến tính : y = a + bx với b – độ nhạy ; a – x = - Dạng ln(a) : y = + b.lnx - Dạng mũ : y = với k = const kx a.e k - Dạng lũy thừa : y = a0 + a1.x Độ lớn tín hiệu vào : Độ lớn tín hiệu vào giá trị lớn tín hiệu vào mà sai số cảm biến không vượt ngưỡng cho phép Thường độ lớn tín hiệu vào tính theo dB theo log Sai số : Sai số sai khác tín hiệu đo lường với giá trị thực Sai số có loại : − Sai số tuyệt đối − Sai số tương đối − Sai số qui đổi − Sai số hệ thống sai số không phụ thuộc vào thời gian không đổi hay thay đổi theo thời gian Nguyên nhân : + sai số thiết kế + xử lý kết đo + dặc tính phần tử − Sai số ngẫu nhiên sai số xuất có độ lớn chiều không xác định : nhiễu điều kiện mơi trường §3 Các Bộ Cảm Biến Tích Cực Và Thụ Động − Bộ cảm biến tích cực (có nguồn) hoạt động nguồn áp nguồn dòng biểu diễn mạng hai cửa có nguồn − Bộ cảm biến thụ động (không nguồn) cảm biến biểu diễn mạng hai khơng nguồn có trở kháng phụ thuộc kích thích *) Các hiệu ứng vật lý dùng cảm biến tích cực: Hiệu ứng cảm ứng điện từ : - Khi dẫn chuyển động từ trường xuất sức điện động tỉ lệ với biến thiên từ thông Nghĩa tỉ lệ tốc độ chuyển động dẫn - Ứng dụng : xác định vận tốc chuyển động vật Cảm ứng sở lý luận cho thiết bị điện từ động điện, máy phát điện… đủ Đồng thời ghi nhớ lu trữ số liệu , tình trạng làm việc liệu thuận tiện cho ngời sử dụng +_có thể kết nối với máy tính để sử dụng chơng trình phần mềm làm cho chức đa dạng Đây loại rơle đại - Nhợc điểm : + đòi hỏi ngời sử dụng phải có trình độ cao +Công tác dự phòng khó + giá thành đầu t lớn +chất lợng làm việc bị ảnh hởng nhiều môi trờng -Sơ đồ khỉi r¬le sè: Đầu vào TươngBộ biến Đổi TH tương tự Tín hiệu số Đầu vào A/D RAM Đầu r Interger PC a -khối đầu vào : rơle so có hai đầu vào :số tơng tự đầu vào tơng tự tín hiệu vào từ phân tử đo lờng đa tới Các tín hiệu đợc biến đổi để phù hợp với đầu vào phận chuyển đổi tín hiệu A/D - Đầu vào tín hiệu số : tín hiệu đa thẳng vào vi xử lí mà không qua xử lý - Khối vi xử lý : chức ghi nhớ nội dung thông số chơng trình làm việc rơle Nó thực hiƯn c¸i thao t¸c tÝnh to¸n so s¸nh c¸c tÝn hiệu vào với nội dung đợc nhớ ,tuỳ theo tín hiệu mà nó phát tín hiệu đầu rơle hiển thị giao diện số lợng phần tử logic nhiều lực làm việc rơle lớn phạm vi sử dụng rộng khối đầu : nơi chuyển tín hiệu phát rơle đến thiết bị chấp hành phía sau khối thờng dùng phần tử đóng cắt bán dẫn rơle điện từ công suất nhỏ Khối giao diện : sử dụng bàn phím nút ấn để ngời sử dụng rơle thao tác việc điều chỉnh thông số nội dung chơng trình làm rơle Đây nơi nối để ngời phơng tiện trao đổi thông tin - Khối nguồn : có nhiệm vụ cung cấp nguồn làm việc phận rơle làm việc bình thờng ổn định nguồn cấp Rơle dòng cực đại (digital overloadrelay) -Đợc cấu tạo thống số sử dụng vi xử lý nam châm vĩnh cửu Tác dụng : +dùng bảo vệ qúa dòng +bảo vệ không đối xứng pha (lƯch pha ) +b¶o vƯ mÊt pha +b¶o vƯ ngợc thứ tự pha + bảo vệ kẹt roto -đầu vào có ba máy biến dòng ứng với ba pha -chỉ thị rơle : +trị số dòng tải pha +thời gian cắt thời gian trễ rơle +nguyên nhân rơle tác động -thông số kĩ thật : +điện áp nguồn cấp : 24V,85V,220V,250V,,f=60ữ50 Hz ,AC ,DC Iđmkhoảng 1ữ600 A Tiếp điểm rơle gồm :công tắc , điện trở khoảng ôm , dòng điện định mức khoảng ba ampe Chơng 4: ổn định điện áp xoay chiều Đ1: khái niệm chung -các phận ổn định điện áp xoay chiều thiết bị điện tự động trì điện áp xoay chiều đầu không biến đổi điện áp đầu vào biến đổi phạm vi định Ur không đổi theo thời gian điện áp định mức -dùng ổn định điện áp với nhiều nguyên lý khác chỉnh lu ổn định đợc đánh giá hệ số ổn định k = Ur.Uv od Uv.Ur Khi Uv Ur Uđm kod Ur = U v Khi hệ số ổn định nhỏ chỉnh lu ổn định cao -ngoài ta chất lợng ổn định ổn định đánh giá qua độ mở dạng sóng điện áp điện áp đàu vào hình sin Do thành phần sóng bậc cao làm cho điện áp méo - Phân loại : theo nguyên lý ổn định gồm hai loại: + ổn định kiểu thông số (1) +ổn định kiểu bù(2) Kiểu (1): gåm mét tỉng trë tun tÝnh nèi víi tỉng phi tuyến tính theo sơ đồ phù hợp để cho điện áp biến đổi phụ thuộc vào phần tử phi tuyến Đây ổn định kiểu hở không sử dụng mạch phản hồi Kiểu (2) : ổn áp mà điện áp đợc so sánh điện áp chuẩn cho tín hiệu so sánh hiệu hai điện áp tín hiệu điều khiển phận chấp hành ổn định để điều chỉnh điện áp đạt giá trị số cần thiết tín hiệu so sánh không ổn áp có sử dụng mạch phản hồi Đây ổn định kiểu kín Đ2: ổn áp sắt từ 1) ổn áp sắt từ cấu tạo gồm cuộn kháng tuyến tính đợc nối với cuộn kháng bão hoà , cuộn kháng phi tuyến điện áp đợc lấy cuộn kháng phi tuyến u1 L1 B uv B u2 L bh + B< Bbh – tuyến tính + B=Bbh – bão hòa u v w1 w1 w2 ur H Ta có : Uv= U1+ U2 Đồ thị V-A: u uv2 uv uv1 u2 u1 IA ∆U IB ∆I I Nhận xét : điện áp vào biến đổi nhiều ứng với Uv lớn điện áp tăng ứng với Ur nhỏ Do điện áp Ur tơng đối ổn định Do cuộn kháng làm việc chế độ bão hoà nên dòng không tải lớn phạm vi điều chỉnh dòng điện nhỏ Uv phải lớn điện áp bão hoà cuộn kháng Ur lấy phần tử bão hoà nên dạng sóng không sin điện áp nhỏ điện áp vào Nên để nâng cao chất lợng ổn định điện áp giảm đến mức nhỏ ngời ta lõi cuộn tuyến tính cuộn dây phù hợp đấu ngợc cực tính với cuộn bão hoà u v w1 w2 ** * U =U -U = U − r b u wb W1 Wb r U Chän Wb /∆Ur lµ nhá nhÊt u v w1 w1 w2 ur để điều chỉnh điện áp Ur tuỳ ý ta mắc cuộn kháng bão hoà theo sơ đồ biến áp tự ngẫu uv w1 w2 ** * ur wb 2) ỉn ¸p dïng tơ phi tun: Uv C1 C2 Ur c2 – tô phi tuyÕn c tuyến tính dùng sơ đồ sau : 3) ổn áp điện trở phi tuyến Uv R1 R2 Ur R1 - điện trở nhiệt (f(t)) 4) ổn áp dùng đèn có khí u I Đ 3: ổn áp kiểu bù 1) ổn áp sắt từ cộng hởng có tụ - ể nâng cao chất lợng ổn định mở rộng phạm vi điều chỉnh tải ổn áp sắt từ ngời ta mắc thêm tụ điện song song với cuộn kháng bão hoà để tạo thành mạch cộng h−ëng dßng u L1 uv u u L2 uv c L2 u2 L1 IA IB I(A) -điện áp nhỏ điện áp cộng hởng nên mạch mang tính dung - điện áp lớn điện áp cộng hởng mang tính cảm *Do có tụ điện nên quan hệ dòng điện điện áp tơng đối phức tạp Khi điện áp nhỏ điện áp cộng hởng mạch mang tính dung Khi điện áp đầu lớn điện áp cộng hởng mạch mang tính cảm Khi điện áp điện áp cộng hởng mạch cộng hởng dòng Do có tụ điện chất lợng ổn định tốt Dòng địên không tải nhỏ phạm vi điều chỉnh tải lớn Để giảm độ biến thiên điện áp đến mức nhỏ ngời ta thêm cuộn bù lõi cuộn tuyến tính ngợc cực tính với cuộn bão hoà Để giảm trị số tụ điện ngời ta mắc tụ điện vào điện áp lớn điện áp nhờ cuộn tăng áp kiểu từ ngẫu Để lọc thành phần sóng bậc cao điện áp Ta mắc thêm cuộn lọc * w1 * C L1 u2 * wloc uv 2) ổn áp khuyếch đại từ ổn áp mà nguyên lý hoạt động làm việc dựa vào nguyên lý khuyếch đại từ u2 AT uv * * w 2* * w cd* * w1 * w' 1* R cd R cd R cd Ur = (Uv – Uk®t)KAT Ukđt : điện áp rơi khuyết đại từ KAT : hƯ sè biÕn ¸p cđa biÕn ¸p tù ngấu aptomat - Nguyên lý : cách biến đổi dòng điện chiều làm cho đờng kháng Khuyếch đại từ tơng ứng biến đổi nên điện áp rơi biến đổi tơng ứng làm cho điện áp không thay đổi Hai cuộn điều khiển W1, W1 đấu ngợc cực tính cuộn dây W1 nối điện trở phi tuyến điện áp tự động ổn định nhờ mạch phản hồi phi tuyến nh hình vẽ : ®iỊu chØnh ®iƯn trë R1, R1’ cho điện áp điện áp định mức ( I1,W1 ) - Khi điện áp lớn địên áp định mức ( I1,W1 ) > nên điện kháng khuyếch đại tăng lên gần không - Khi điện áp khuyếch đại từ tăng lên làm cho điện áp giảm điện áp định mức - Khi điện áp mà nhỏ điện áp định mức ( I1,W1 ) < nên làm - cho điện kháng khuyếch đại từ giảm dần điện áp khuyếch đại từ giảm nên điện áp tăng lên đến điện áp định mức Nhợc điểm : cấu tạo phức tạp có nhiều cuộn dây làm cho trọng lợng lớn u điểm : điện áp hình sin dòng điện tải nhỏ 3) ổn áp serrômtor Thực chất biến áp aptomat nh việc tự động trì điện áp đầu kh«ng ... dụng mạch giao diện Mạch giao diện có tác dụng chuẩn hóa tín hiệu đo lường KT Bộ cảm biến Mạch giao diện Tải tín hiệu đo - Tổng trở vào mạch giao diện : Z= U (nhìn từ cửa vào mạch giao diện)... I B Ut Hình §4 Mạch Giao Diện Của Các Bộ Cảm Biến Các đặc tính đầu vào mạch giao diện : - Đáp ứng cảm biến thường biến phù hợp với tải điện áp, cơng suất… Vì cần có mạch giao diện cảm biến với... Tải tín hiệu đo - Tổng trở vào mạch giao diện : Z= U (nhìn từ cửa vào mạch giao diện) I - Mạch giao diện xây dựng sở sử dụng khuếch đại thuật tốn Đó khuếch đại chiều có hệ số khuếch đại lớn tổng