KHIỂN VÀ MÁY ĐIỆN
Chương 2: Các phần tử tự động trong hệ điều chỉnh tự động
2.4 Thiết bị đo lường
- Nhiệm vụ của thiết bị đo lường là phản ánh chính xác trạng thái làm việc của hệ để từ đo điều khiển hệ. Do vậy cần tránh các sai số tới mức tối thiểu. Các sai số cơ bản gồm:
+ Khi 0 giữ được yêu cầu vầ tỷ lệ gọi là sai số tĩnh
+ Đầu ra thiết bị đo lường có bộ lọc, hàm truyền của nó có thêm khâu quán tính bậc 1 gây ra sai số động
+ Đầu ra thiết bị đo lường có nhiễu xoay chiều.
2.4.1 đo lường dòng điện, điện áp 1 chiều có cách ly
- Các bộ đo dòng điện và điện áp 1 chiều ngoài việc đảm bảo độ chính xác còn phải đảm bảo cách ly giữa các mạch lực và mạch điều khiển.
- Mạch đo bao gồm khâu biến điệu(để truyền tín hiệu từ sơ cấp sang thứ cấp có cách ly bằng phần tử quang điện hoặc biến áp), khâu chỉnh lưu nhạy pha, tín hiệu đo được sóng biến điệu, chuyển qua biến thế sau đó chỉnh lưu thành tín hiệu xoay chiều.
2.4.2 đo dòng xoay chiều 3 pha
- Đo dòng xoay chiều 3 pha dùng biến dòng:
- Điện áp đầu ra chỉnh lưu:
U2d= R1.Id Với
Hàm truyền của cơ cấu đo dòng điện:
Trong đó KI = PI.RI là hệ số tỷ lệ
fI = RC là hằng số thời gian của bộ lọc.
Ia Ib Ic
R0 R0 R0 I2
R1 D0 R
U2I
U2I0
2
2
3 I
Id
I I I
I
I p f
K p
I
p p U
F ( ) 1
) ) (
( 2
2.4.3 Đo lường tốc độ
Thiết bị đo tốc độ có vai trò quan trọng quyết định tới chất lượng động và tĩnh của hệ truyền động. Sau đây là vài cách đo:
1. Máy phát tốc 1 chiều:
Máy phát tốc 1 chiều phải có từ thông không đổi trong toàn dải điều chỉnh tốc độ của động cơ. Khi tính toán cần chú ý ảnh hưởng của phụ tải, nhiệt độ cuộn dây và chổi than tới độ chính xác của máy phát tốc.
Điện áp đầu ra:
Nếu chọn điện trở đủ lớn
Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền của máy phát tốc là:
Kw: hệ số tỷ lệ
Rư: điện trở phần ứng máy phát
fw: hằng số thời gian bộ lọc
w
R
C Rt
Uw
ct p
u
w R I U
K
U . '
. K U
p K
p p p U
F
fw
tF ( ) 1
) ) (
(
2.4.3 Đo lường tốc độ
2. Máy phát tốc xoay chiều
Phần roto là nam châm vĩnh cửu, stato là cuộn dây, điện áp ra máy phát tốc là: U0 = K.w. cosppwt. Máy phát tốc 0 xác định được chiều quay nên phải mắc thêm mạch xác định chiều quay đối với máy
phát 1 pha dùng 2 cuộn dây đặt lệch nhau 900 còn với máy phát 3 pha phải dùng mạch xác định thứ tự pha để xác định chiều quay.
Để lấy tín hiệu ra người ta dùng mạch chỉnh lưu do vậy điện áp đầu ra còn chứa thành phần xoay chiều. Đối với máy phát 1 pha và 3 pha thì tỷ lệ đó là:
và
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 là
667 .
1 0 Uw
U 1 0.057
Uw
U
2 f z
2.4.3 Đo lường tốc độ
- Đo tốc độ xung thường dùng 2 loại: loại dùng điện từ và loại bằng bán dẫn quang, để đánh giá chiều quay ta phải đặt 2 đầu đo lệch nhau 900.
- Mạch gồm có bộ nhân xung để tăng độ chính xác, mạch biến đổi f/U để tạo tín hiệu Uw trên đầu ra của máy phát tốc xung, mạch chuyển tín hiệu phát tốc xung ra tín hiệu số
- Nguyên lý mạch đo theo nguyên tắc tần số.
- Nguyên lý mạch đo theo nguyên tắc chu kỳ.
2.4.3 Đo lường vị trí
1. Đo lường vị trí bằng đại lượng tương tự.
- Mạch đo vị trí đơn giản là dùng biến trở điện áp ra U0=Un. để đảm bảo độ chính xác thì biến trở cần cuốn đều sao cho quan hệ vị trí và điện áp tỷ lệ tuyến tính. Hiện ít dùng vì kém tin cậy.
- Ngày nay người ta thường dùng bộ đo vị trí Resolver có roto 1 pha và stato có 2 cuộn dây đặt lệch nhau 900, điện áp cấp cho 2 cuộn
stato cũng lệch nhau 900
GF Chia sin
cos
=1
H- Đ M
ĐK U1s=Umcos t
U1s=Umsin t
UR A
B
FM FD
UD FM
2m-
1
R1
B A B D A
U
2.4.3 Đo lường vị trí
Tín hiệu U1s và U2s được được đưa vào mạch phát hiện FD điện áp đầu ra Up là qua bộ lọc RC ta được điện áp ra U0 như vậy U0 tuyến tính với (0, ).
Mạch tạo ra điện áp sin và cos gồm bộ phát xung nhịp tần số cỡ vài MHz sau đó qua bộ chia xung D và dịch pha đc 2 tín hiệu lệch nhau 900
2.4.3 Đo lường vị trí
2. Đo lường vị trí số.
Cách đầu tiên người ta hay thực hiện là lấy tín hiệu từ Ressovel rồi biến đổi thành số như hình vẽ tín hiệu UD cùng với xung nhịp fn qua mạch cổng H rồi đưa vào bộ đếm D và lưu trữ tại bộ nhớ M
mạch điều khiển ĐK điều khiển bộ đếm và bộ nhớ.
Thời gian riêng đo lường số là
chu kỳ đo là:
max m .
T
Tmo
2.5 Bộ biến đổi số - tương tự D/A
1. Dùng mạng điện trở nhị phân.
Tín hiệu số đưa vào sẽ được đưa đến điều khiển các khóa điện, khóa chuyển mạch có 2 vị trí nối với điện áp dương và âm của nguồn, do vậy ta tính được điện áp đầu ra của mạch.
Hình sau là mạch nguyên lý biến đổi D/A chỉ dùng điện trở nhị phân
2 ) 2 ...
( 01 01
1 2 0
n R n
A A
R U R
U
Dùng mạng điện trở nhị phân.
2m-1 R1 20 R1
S0 Sm-1
A0 LSB Am-1
MSB UR
U0
2.5 Bộ biến đổi số - tương tự D/A
2. Mạch biến đổi D/A dùng mạng điện trở R và 2R
Về nguyên tắc tương tự như bộ biến đổi mạng điện trở nhị phân. Điện áp đầu ra được tính là:
Ngoài ra mạch còn bố trí 1 bít dấu như vậy điện áp ra của mạch biến đổi có dạng tổng quát như sau:
m R
m A U
U A )
... 2
( 21 1 0
0
2.5 Bộ biến đổi số - tương tự D/A
2. Mạch biến đổi D/A dùng mạng điện trở R và 2R
2R R
A0 Am-1
MSB LSB
UR
U0 2R
2R
R 2R
-UR Bit dấu 3R 3R
m R m
m
R A A U
A U
U )
... 2 ( 2
. 1 1 0
0
2.6 Bộ biến đổi tương tự - số A/D
1. Mạch biến đổi A/D theo nguyên tắc bù .
Mạch biến đổi gồm có 2 mạch đếm nhị phân, mạch so sánh và mạch biến đổi A/D
Thời điểm t = 0 thì U0 = 0, mạch so sánh thiết lập giá trị 1 tín hiệu nhịp H qua cổng AND được đưa vào mạch
đếm để cho ra tín hiệu số từ Q0...Qm-1 đồng thời qua bộ biến đổi D/A sẽ có điện áp U0 khi U0≥Uv thì bộ so sánh lật giá trị đầu ra thành 0 cổng AND khóa bộ đếm dừng, Q0...Qm-1 được ghi vào bộ nhớ.
2.6 Bộ biến đổi tương tự - số A/D
1. Mạch biến đổi A/D theo nguyên tắc bù .
Nếu bộ bếm nhị phân có m mức thì điện áp vào cực đại có số mức là 2m-1. Điện áp vào Uv- được lượng tử hóa theo gia số
điện áp trong đó N là tổng số bước của bộ đếm. Thời gian biến đổi Tv = N/Fn với Fn là tần số xung nhịp.
Đếm
D/A
Đầu vào
tương tự LBS
MBS Qm-1 Q0 U0
CL H Ux
1 2
max m
v v
U U U N
U m
v
v .
1 2
max
2.6 Bộ biến đổi tương tự - số A/D.
2. Bộ biến đổi A/D theo nguyên tắc Servo.
Bộ biến đổi gồm 3 phần cơ bản là mạch so sánh, mạch đếm 2 chiều, và bộ biến đổi D/A, tín hiệu điện áp vào Uv được so sánh với điện áp ra D/A nếu Uv lớn hơn thì bộ đếm đếm tiếp theo chiều tiến và ngược lại cho tới khi Uv = U0.
tốc độ biến đổi điện áp vào phải nhỏ hơn tốc độ của bộ đếm và bộ biến đổi D/A nên thời gian biến đổi phụ thuộc vào tần số xung nhịp Fn
và phản ứng của bộ so sánh gần đúng thì
n
v f
T 1
Đếm
D/A LBS
MBS Qm-1 Q0 U0
H fh
1
2.