Tài liệu Hệ thống đo và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện doc

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 đi ều 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. 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. M sx 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. - Đ o tốc độ. - Điều khiển động cơ. XLTH BĐ M ĐK ĐL Tín hiệu chuẩn 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 đượ c 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 thi ết 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 h ợp. - 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. 1. Mô tả dụng cụ đo tốc độ 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 c ủa 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 Hình 2.3: Cấu tạo của tốc độ kế cầm tay 1 2 3 4 5 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 M đtừ = M cản 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 l ợi 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 Sử dụng kết quả Đại lượng đo và điều khiển Cảm biến Giao tiếp Khuyếch đại Mạch lọc Tín hiệu đặt Mạch so sánh Hiển thị Thiết bị đọc Hình 1: Hệ thống đo lường điều khiển Thiết bị điều khiển 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 k ết 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 Hệ thống đo lường điện tử dãy số kết hợp với thiết bị vi xử lý 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. Cảm biến Chế biến tín hiệu S/H ADC Hiển thị số DAC Máy ghi (in) Chương trình μF Bộ điều khiển logic Thiết bị điều khiển Đại lượng đo quan sát Tín hiệu vật lý Hình 2.1: Hệ thống đo lường điện tử dạng số kết hợp với μP 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 v ậy 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 t ốc độ xung và số. 3.3.1. Cảm biến đo tốc độ quay loại điện từ a. Tốc độ kế điện từ loại DC Chổi than Cổ góp Stato Roto N S Hình 1.1: Cấu tạo tốc độ kế điện từ loại DC 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 cầ u 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 cấ u 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.φ o Một cách tổng quát o n a p E φ π ω = 2 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 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 90 0 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 ho ặc nhiều hơn. Sức điện động thu được ở phần cảm có dạng e = Esin Ω t Với E = K 1 ω ; Ω = K 2 ω K 1 , K 2 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 đ i 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 cũ ng 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 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 Cấu tạo hình vẽ Nguyên tắc hoạt động: Cuộn dây phân tích có lõi sắt từ cho phép một từ thông đi qua nó. Nam châm tạo ra từ thông và khép mạch qua lõi sắt của cuộn 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 t ừ (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 khoả ng 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 loại quang học Cấu tạo (hình vẽ) Gồm một nguồn sáng và một bộ phân phân sinh quang có thể là diot quang hoặc Tranzitor quang. Đĩa quay được đặt giữa hai phần tử trên. Cấu 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 Nam châm Cuộn dây Khe hở không khí Hình 2.1: Nguyên tắc của tốc độ kế loại từ trở thay đổi Nguồn sáng Thấu kính Bộ phân tích quang Hình 2.2: Nguyên tắc cấu tạo chuyển đổi quang học 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. [...]... 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... 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... 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 Nguyên lý làm việc của tất cả các máy điện. .. 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 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... 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. .. 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 ... 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... chiều 1.1.1 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều n= Eu U I − R− = Ce φ Ce φ và M = CM.φ.Iư ⇒ n= U Ce φ R− M CM Ce φ 2 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... 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 1.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ đối với động cơ điện một chiều... 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 . đo và xử lý tốc độ cùng với việc điều khiển động cơ điện nó là hệ điều chỉnh truyền động điện. Cấu trúc chung của một hệ thống đo lường và điều chỉnh tốc. có vành góp. B. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀ U 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