Lời nói đầu Trong những năm gần đây việc sản xuất hàng hoá phục vụ nhu cầu trong đời sống sinh hoạt cũng như công trong nghiệp đã có những bước tiến rất lớn. Đó là những dấu Ên về sự phát triển của mọi ngành trong khoa học kỹ thuật nói chung trong đó ngành điện, điện tử đã có những phát triển một cách rất đáng kể. Việc ra đời của những mạch tổ hợp có lớn, cực lớn với khả năng lập trình kỹ thuật điện tử. Những dây chuyển sản xuất tự động làm việc nhịp nhàng và chính xác trong đó phải kể đến sự linh động, hợp lý và chính xác của sự chuyển động mà chủ yếu là kỹ thuật đo lường và điều khiển đã đem lại kết quả đầy tính ưu việt. Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian thu thập và xử lý với tốc độ cao đã xử lý các kết quả đo để tìm ra phương án có điều khiển tối ưu. Chuyên đề đo tốc độ và điều khiển động cơ điện là một khâu bắt đầu của mọi công nghệ sản xuất nó là một khâu đo lường có điều khiển trực tiếp đến đại lượng cần đo nhằm duy trì hay tác động đến đôí
62
Embed
chng i - Tài Liệu Học Tậpdulieu.tailieuhoctap.vn/books/khoa-hoc-ky-thuat/dien... · Web viewPhương pháp đổi nối Y hoặc nối nối tiếp với điện kháng thường
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Lời nói đầu
Trong những năm gần đây việc sản xuất hàng hoá phục vụ nhu cầu
trong đời sống sinh hoạt cũng như công trong nghiệp đã có những bước
tiến rất lớn. Đó là những dấu Ên về sự phát triển của mọi ngành trong khoa
học kỹ thuật nói chung trong đó ngành điện, điện tử đã có những phát triển
một cách rất đáng kể.
Việc ra đời của những mạch tổ hợp có lớn, cực lớn với khả năng lập
trình kỹ thuật điện tử.
Những dây chuyển sản xuất tự động làm việc nhịp nhàng và chính
xác trong đó phải kể đến sự linh động, hợp lý và chính xác của sự chuyển
động mà chủ yếu là kỹ thuật đo lường và điều khiển đã đem lại kết quả đầy
tính ưu việt. Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với
máy tính có độ chính xác cao, thời gian thu thập và xử lý với tốc độ cao đã
xử lý các kết quả đo để tìm ra phương án có điều khiển tối ưu.
Chuyên đề đo tốc độ và điều khiển động cơ điện là một khâu bắt đầu
của mọi công nghệ sản xuất nó là một khâu đo lường có điều khiển trực
tiếp đến đại lượng cần đo nhằm duy trì hay tác động đến đôí tượng đo để
đáp ứng yêu cầu trong công nghệ đã đặt trước.
Để có được hiểu biết về hệ thống đo lường và điều khiển hệ thống
nói chung đo lường và điều khiển động cơ điện nói riêng em xin được chân
thành cám ơn đến thầy giáo Nguyễn Vũ Sơn, người trực tiếp hướng dẫn và
tập thể các thầy cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông và những người
đồng nghiệp trong các công ty mà em đã đến tìm hiểu.
Hà Nội, ngày 25 tháng 6 năm 2002
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ VÀ ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ
Trong hệ truyền động điện tự động điều chỉnh nói chung và hệ
truyền động điện cơ kết hợp đo tốc độ và điều chỉnh động cơ điện nói riêng
bao giê cũng có một cấu trúc chung được trình bày như trên hình 1-1.
Hình 1-1. Cấu trúc chung của hệ điều chỉnh tự động đo lường và điều
khiển động cơ điện.1. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ GỒM:
- M là động cơ điện.
- BĐ : Bé biến đổi năng lượng hay còn gọi là phần lực.
- ĐK : là hệ thống điều khiển.
- Bé tín hiệu chuẩn là bộ cấp tín hiệu chuẩn.
- XLTH là hệ xử lý tín hiệu.2. HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ
- ĐL : Hệ thống đo lường tốc độ
TÝn hiÖu
XLTH B§ M
§K §L
M
CHƯƠNG II
HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
1. KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG
Tốc độ quay của động cơ điện là một đại lượng vật lý không mang đặc
trưng của đại lượng điện vậy để đo được tốc độ của động cơ người ta phải
đặt ra phương pháp và cách thức đo. Để từ đó thiết kế và chế tạo ra những
thiết bị đo cho phù hợp.
Trong quá khứ việc ứng dụng của cơ học và quang học đã giúp Ých 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 vi điện tử thì điện tử đã từng bước thay thế và chiếm một vị trí chủ
chốt cho các thiết bị trong hệ thống đo lường và điều khiển. Các đại lượng
không điện được các 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.
Những ưu điểm của mạch điện tử:
- Độ nhạy thích hơp.
- Tiêu thụ năng lượng Ýt.
- Tốc độ xử lý nhanh.
- Dễ tương thích truyền đi xa.
- Độ tin cậy cao.
- Dễ thích nghi với các đại lượng đo.2. CHỨC NĂNG CỦA ĐO LƯỜNG TỐC ĐỘ
- Tốc độ làm việc của máy sản xuất chính là tốc độ quay của động cơ
điện truyền cho nó vì vậy tốc độ truyền động là đại lượng điều chỉnh chính.
Thiết bị đo tốc độ có vai trò quan trọng quyết định đến chất lượng động và
tĩnh của hệ truyền động. Hiện nay, đo tốc độ động cơ điện người ta thường
dùng các loại cảm biến để biến đổi tốc độ quay của động cơ thành tín hiệu
điện dùa theo định luật cảm ứng điện từ và các cảm biến loại xung và số để
đo tốc độ.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TỐC ĐỘ
Theo cách thức đo, quá trình đo ta có thể phân ra 2 phương pháp đó
3-1. Phương pháp đo trực tiếp:
a) Định nghĩa về phép đo trực tiếp:
Đây là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy
nhất. Cách đo này cho ta kết quả ngay giá trị của đại lượng cần đo.
Dụng cụ đo của phép đo này mang tính chuyên dùng, nó được thiết kế
phù hợp với đại lượng cần đo.
b) Sơ đồ khối tổng quát của phép đo trực tiếp:
Hình 3-1: Sơ đồ khối tổng quát của dụng cụ đo trực tiếp.
c) Đo tốc độ quay của một trục quay bằng tốc độ kế cầm tay:
a. Cấu tạo bên ngoài của tốc độ kế:
§L§ C§ ChØ ThÞ
Hình 3-2: Hình dáng bên ngoài của tốc độ kế cầm tay.
b. Nguyên lý cấu tạo của tốc độ kế:
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 mốt 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 hệ ổ đỡ có thể quay trơn. Các phần tử (2),(3),(4),
(5) được gắn chặt với nhau.
c. Nguyên lý làm việc của thiết bị:
Khi nam châm vĩnh cửu (1) quay làm cho từ trường mà nó tạo ra
còng quay theo và quét lên đĩa nhôm (2),như vậy đĩa nhôm (2) khi đó có
một từ trường biến đổi. Tốc độ quay của từ trường chính là tốc độ do nam
châm (1) quay hay chính là tốc độ quay của đại lượng cần kiểm tra. Trên
đĩa nhôm (2) xuất hiện dòng cảm ứng, dòng điện này tác dụng với từ
H×nh 2.3: CÊu t¹o cña tèc ®é kÕ kiÓu trùc tiÕp
1 2
3
4
5
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 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) còng quay theo nên
nó đã tạo ra một mômen cản. Độ lớn của mômen cản này tỷ lệ với góc xoay
của 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 lại tại vị trí mà Mđtừ = Mcản.
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 vi ứng dụng.
- Vì thiết bị không tiêu hao năng lượng nên nó rất tiện lợi dùng để
kiểm tra 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 kết cấu để làm tốc độ kế
kiểm tra tốc độ quay của những thiết bị đơn lẻ.
3-2.Phương pháp đo gián tiếp
Để khắc phục những hạn chế của phương pháp đo trực tiếp như đã
giới thiệu phần trên. Trong kỹ thuật và nhất là trong lĩnh vực đo lường và
điều khiển tốc độ cho động cơ điện trong hệ thống điều chỉnh truyền động
điện độ chính xác của thiết bị đo lường có ảnh hưởng rất lớn đến chất
lượng điều chỉnh, bởi vì nhiệm vụ của nó là phải phản ánh chính xác trạng
thái làm việc của hệ để từ đó đi đến điêù khiển hệ. Do vậy yêu cầu đối với
các thiết bị đo lường là phải đảm bảo độ chính xác cao trong chế độ động
và chế độ tĩnh, ngoài ra phải đảm bảo không bị nhiễu loạn do bên ngoài tác
động.
a) Định nghĩa phương pháp đo tốc độ gián tiếp
Đại lượng cần đo được qua bộ cảm biến chuyển đổi đại lượng cần đo sang
một đại lượng điện và được bộ chế biến xử lý tín hiệu chỉnh sửa để tạo ra
được quan hệ: Giá trị cần đo =K tín hiệu điện. Tín hiệu điện sau đó
được chuyển đến cơ cấu chỉ thị dưới dạng kết quả là giá trị của đại lượng
cần đo.
Đây cũng chính là cấu trúc của hệ thống đo lường.
b)Sơ đồ khối tổng quát
Hình 2-4: Sơ đồ khối chung nhất cho hệ thống đo lường điện tử.
Ba bộ phận cơ bản của hệ thống đo lường nói trên được thiết lập
riêng về từng bộ phận, mỗi bộ phận có chức năng và có yêu cầu kỹ thuật
riêng, song nó được liên kết với nhau để tạo nên hệ thống đo bởi các
phương pháp nối ghép có thể là cáp điện, có thể là sợi quang tuỳ theo đặc
thù của tín hiệu. 4-PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG CỦA TỪNG KHỐI TRONG HỆ THỐNG
4-1.Cảm biến đo tốc độ
§¹i l-îng ®o
C¶m biÕn Xö lý tÝn hiÖu
ChØ thÞ
Việc đo tốc độ quay của động cơ điện ngoài việc xác định giá trị của
tốc độ tại những thời điểm cần khảo sát nó còn mang mét ý nghĩa là đại
lượng điều chỉnh chính trong hệ thống điều chỉnh tự động truyền động
điện. Vì vậy 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 dùa trên định
luật Faraday e = - d/ dt để tạo ra những cảm biến theo nguyên lý của máy
phát và được gọi là máy phát đo tốc độ và cũng có 2 loại là một chiều và
xoay chiều, ngoài ra còn có các bộ cảm biến đo tốc độ xung và số.
4-1-1.Cảm biến đo tốc độ quay loại điện từ
a) Tốc độ kế điện từ loại DC
Yêu cầu đối với máy phát tốc một chiều là: điện áp một chiều có chứa
Ýt 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 nhiều về giá trị cũng như về dấu so
với biến đổi của đại lượng đo. Ngoài ra phải đáp ứng yêu cầu là điện áp
phát ra không phụ thuộc vào tải và biến đổi của 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 bằng việc sử dụng vật liệu từ có
Chæi than
Cæ gãp
Stato
Roto N S
H×nh 1.1: CÊu t¹o tèc ®é kÕ ®iÖn tõ lo¹i DC
từ trễ hẹp và sử dụng các lá thép kỹ thuật điện mỏng để hạn chế dòng điện
xoáy về cấu tạo được chia làm 2 phần chính.
+ Phần cảm ( phần đứng yêu) 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
hoặc nam châm vĩnh cửu.
+ Phần quay ( phần ứng ) hay còn gọi là Rôto cũng được cấu 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 Rôto.
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 được gọi là
cổ góp và trên đó có bố trí một cặp chổi than với lực tỳ thích hợp để lấy
điện ra. Sức điện động thu được có dạng
E = ( W/ 2).n.o = N.n. o
E = .n.0 = N.n.0
Một cách tổng quát
E = .n0
Trong đó: P: là số đổi cực ở phần cảm
: là vận tốc góc.
a: là số mạch nhánh song song.
n: là số thanh dẫn.
b) Cảm ứng 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 Ýt ảnh hưởng nhiễu. Nhưng ngược lại loại này đo phức
tạp hơn, sự xác định độ lớn tín hiệu thường phải chỉnh lưu tín hiệu thu
đượcđồng thời nó không có khả năng xác định được chiều quay nên khi sử
dụng vào hệ thống điều khiển phải cần thêm mạch xác định chiều quay.
Đối với máy phát 1pha dùng 2cuộn dây đặt lệch nhau một góc 90o
còn đối với máy 3pha dùng mạch xác định thứ tự pha để xác định chiều
quay.
Cảm biến điện từ loại Ae thực chất là một máy phát điện xoay chiều
loại nhỏ phần quay được nối với trục của động cơ mà ta cần kiểm tra tốc
độ. Phần quay là một nam châm vĩnh cửu có một hoặc là nhiều cặp cực.
Phần cảm được quấn dây có thể là một pha, ba pha hoặc nhiều hơn sức điện
động thu được ở phần cảm có dạng E = E0sin t với E =K1. ; = K2.
K1,K2 phụ thuộc vào cấu tạo của máy.
4-1-2.Cảm biến đo tốc độ loại xung sè
Chi tiết thử nghiệm thường là một đĩa được 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 đánh dấu mang một đặc
tính như lỗ, răng,..v..v.
Một cảm biến phân tích được đặt đối diện với chi tiết thử nghiệm,
phân tích (đếm) số phần tử đã đánh dấu đi ngay qua, đồng thời tạo ra một
mặt tín hiệu xung tương ứng. Tần số f của tín hiệu xung tạo ra bởi cảm biến
có giá trị :
f = p.N
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 gấn liền với loại vật liệu làm đĩa quay
cũng 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 kế loại xung là cấu tạo đơn giản, chắc chắn, bảo
quản dễ dàng mặt khác nó không tạo nên tiếng ồn không có nhiễu ký sinh
đồng thời việc biến đổi sang tín hiệu số đơn giản. Dùa theo nguyên tắc trên