Tài liệu Kỹ thuật điều khiển tự động _ Chương 6 docx

Ch 6: Cơ cấu tác đ
ộ
n
g
ộ g
Bộ điề khiể hậ tí hiệ àtừ hữ ấ ả biế (khi hầ ử lý tí
•
Bộ

điề
u
khiể
n n
hậ
n
tí
n
hiệ
u v
à
o
từ
n
hữ
ng cơ c
ấ
u c
ả
m
biế
n

(
sau
khi
qua p
hầ
n x
ử

lý

tí
n
hiệu)
•B
ộ
điều khiển xuất tín hi
ệ
u ra
,
tác đ
ộ
n
g
lên nhữn
g

p
hần tử đón
g
/mở

,

p
hần tử tác đ
ộ
n
g

ộ ệ , ộ g gp g ,p ộ g
khí nén / thủy lực, van điều khiển quá trình, động cơ điện …Những phần tử này được
phân vào nhóm cơ cấu tác động.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-1
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-1
6.1. Cơ cấu đón
g
mở điện cơ
To
gg
le
g
Côn
g
tắc cơ
(
mechanical switch
)
gg
switch

g ()
Là một thiết bị có thể đóng / mở, theo đó mà cho dòng điện chạy qua hay không.
SPST switch
(
s
ingle
-
p
ole/
s
ingle
-
t
hrow)
SPDT switch
(
s
ingle
-
p
ole/
d
ouble
-
t
hrow)
(
s
ingle
-

p
ole/
s
ingle
-
t
hrow)
(
s
ingle
-
p
ole/
d
ouble
-
t
hrow)
DPDT it h
DPDT
sw
it
c
h
(double-pole/double-throw)
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-2
6.1. Cơ cấu đón
g
mở điện cơ

g
N
ll
it h (
NO
)
N
orma
ll
y open sw
it
c
h

(
NO
)
Normally closed switch (NC)
NC and NO switch
Push-button
switch
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-3
6.1. Cơ cấu đón
g
mở điện cơ
g
DIP switch
DIP

switch
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-4
Thumb-wheel
switch
6.1. Cơ cấu đón
g
mở điện cơ
g
Rotary switch
Rotary

switch
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-5
6.1. Cơ cấu đón
g
mở điện cơ
g
Membrane switch
Membrane

switch
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-6
6.1. Cơ cấu đón
g
mở điện cơ
g
Rơ le

(
rela
y)
(y)
Thiết bị sử dụng lực điện từ để đóng / mở các
tiếp điểm – công tắc tác động bằng điện.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-7
6.1. Cơ cấu đón
g
mở điện cơ
g
Tùy theo mục đích sử dụng, rơ le cũng có thể phân thành hai loại: rơ le bảovệ và rơ le
ề
ể
ấ
đi
ề
ukhi
ể
n. Rơ le bảovệ (rơ le nhiệt, rơ le điệnáp,rơ le dòng điện, rơ le áp su
ấ
t …) dùng
để bảovệ các mạch điệnkhỏibịảnh hưởng bởicáctácđộng không bình thường như
quá tải, sụtáp…
Temperature switch Liquid level switch Pressure switch Flow switch
Biểudiễn chung:
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-8
6.1. Cơ cấu đón

g
mở điện cơ
g
Rơ le thời
g
ian
(
time-dela
y
rela
y)
g(
yy)
Rơ le thời gian được thiết kế để trì hoãn thời gian
đóng/mở tiếp điểm khi được kích hoạt.
Time relay
Time delay when the coil is energized Time delay when the coil is
deenergized
NO NC NO NC
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-9
6.1. Cơ cấu đón
g
mở điện cơ
g
Côn
g
tắc tơ
(
contactor

)
và khởi độn
g
từ
(
motor starter
)
g () g ()
Rơ le cũng có thểđượccấutạo dùng để đóng/mở các mạch động lực, ví dụ nhưđóng
ngắt, hãm, đảochiều, khóa lẫncácthiếtbịđiện. Khi đốitượng là động cơđiệnthìrơ le
ở
ắ
đượcgọilàkh
ở
i động từ,những trường hợpkhácthìđượcgọi là công t
ắ
ctơ.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-10
6.2. Phần tử tác độn
g
bán dẫn
g
Các phầntử bán dẫnthường gặptronghệ thống điềukhiển làm nhiệmvụđóng/mở và
khuếch đại.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-11
6.2. Phần tử tác độn
g
bán dẫn

g
Transistor lưỡn
g
cực
(
BJT
–
Bi
p
olar
j
unction transistor
)
g (
pj )
Transistor là mộthệ thống gồm3lớp bán dẫn đặttiếp giáp nhau, trong đólớp ở giữalà
loại bán dẫncótínhdẫn điện khác với hai lớpbêncạnh. Transistor có 3 điểmcực: cực
gốc
(B)
cực
thu
(C)
và
cực
phát
(E)
gốc
(B)
,
cực

thu
(C)
,
và
cực
phát
(E)
.
Tùy theo trình tự sắpxếpcáclớp bán dẫn P và N, ta có 2 loạitransistorđiểnhình:
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-12
6.2. Phần tử tác độn
g
bán dẫn
g
Hoạt động cơ bảncủatransistordựatrênnhững phương trình sau:
Với:
β
:hệ số khuếch đại dòng
I
C
:dòngcựcthu
I
:
dòng
cực
gốc
I
B
:

dòng
cực
gốc
I
E
: dòng cực phát
P
D
: công suấttiêuhao
V
điệ
á
tiê
h
(iữ
C
à
E)
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-13
V
CE
:
điệ
n
á
p
tiê
u
h

ao
(
g
iữ
a
C
v
à
E)
6.2. Phần tử tác độn
g
bán dẫn
g
Điềukiện phân cực
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-14
6.2. Phần tử tác độn
g
bán dẫn
g
Thí dụ:xácđịnh dòng cựcthuchomạch bên dướibằng cách dùng transistor có đường
ố
ế
đặc tính như hình trên và có hệ s
ố
khu
ế
ch đại dòng
β
=70.

Giải
:
Giải
:
Dựavàođường đặc tính → I
B
≈ 1.7 (mA)
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-15
6.2. Phần tử tác độn
g
bán dẫn
g
Ứ
ế
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-16
Ứ
ng dụng: khu
ế
ch đại, đóng/mở,vàdaođộng…
6.2. Phần tử tác độn
g
bán dẫn
g
SCR
–
silicon-controlled rectifie
r
SCR đượccấutạobởi4lớp bán dẫn PNPN. Các tiếpxúctạora3cực: cựcA,cựcK,và

cựcG.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-17
6.2. Phần tử tác độn
g
bán dẫn
g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-18
6.2. Phần tử tác độn
g
bán dẫn
g
Mạch SCR đốivớitảiDC
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-19
6.2. Phần tử tác độn
g
bán dẫn
g
Mạch SCR đốivớitảiAC
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-20
6.2. Phần tử tác độn
g
bán dẫn
g
Mạch SCR đốivớitảiAC
Ứn
g

dụn
g
: đón
g
/
mở mạch độn
g
lực, chỉnh lưu, và biếntần…
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-21
g
g
g
g
6.3. Phần tử tác độn
g
thủ
y
lực, khí nén
g y
Nguyên lý làm việc
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-22
6.3. Phần tử tác độn
g
thủ
y
lực, khí nén
g y
Hệ thống thủylực

Hệ thống khí nén
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-23
6.3. Phần tử tác độn
g
thủ
y
lực, khí nén
g y
Độ
thủ
l
Độ
ng cơ
thủ
y
l
ực
Động cơ khí nén
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-24
6.3. Phần tử tác độn
g
thủ
y
lực, khí nén
g y
Xi lanh khí nén
Xi lanh thủylực
© C.B. Pham

Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-25
6.3. Phần tử tác độn
g
thủ
y
lực, khí nén
g y
Van điềukhiển: 3/2
Solenoid is deenergized
Solenoid is energized
Solenoid

is

deenergized
Solenoid

is

energized
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-26
6.3. Phần tử tác độn
g
thủ
y
lực, khí nén
g y
Van điềukhiển: 4/3
Solenoid ‘a’ is energized

Solenoids are deenergized
Solenoids

are

deenergized
Solenoid
‘
b
’
is energized
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-27
Solenoid

b

is

energized
6.3. Phần tử tác độn
g
thủ
y
lực, khí nén
g y
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-28
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-29

6.4. Độn
g
cơ điện
g
DC motor
Brushless DC motor
Brushless

DC

motor
Stepper motor
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-30
AC motor
Đ
ộn
g
cơ DC
g
Nguyên lý làm việc
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-31
Đ
ộn
g
cơ DC
g
Lựctácdụng lên cuộndây:
với: F:lựctácdụng lên cuộn dây (N)

I
: dòng chạyquacuộndây(A)
B:cường độ từ trường (G)
L:chiều dài cuộndây(m)
θ
:góctạobởivectơ B và I
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-32
Đ
ộn
g
cơ DC
g
Phần ứng động cơ DC
Moment tạora
với: T:momentđộng cơ
K
T
:hằng số dựavàocấutạo động cơ
I
A
: dòng điệnphần ứng
φ
:từ thông
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-33
Đ
ộn
g
cơ DC

g
Khi phần ứng quay trong môi trường từ trường, mộtsức điện động sẽ xuấthiệntrêncác
ầ
ề
ồ
ấ
ầ
cuộn dây củaph
ầ
n ứng (ngượcchi
ề
uvới điệnápngu
ồ
nc
ấ
p vào ph
ầ
n ứng).
với
:
EMF
:
điện
áp
tạo
ra
với
:
EMF
:

điện
áp
tạo
ra
K
E
:hằng số dựavàocấutạo động cơ
φ
:từ thông
S
:
tốc
độ
động
cơ
(rpm)
Điệnápthựctrênphần ứng
S
:
tốc
độ
động
cơ
(rpm)
với: V
A
: điệnápthựctrênphần ứng
V
Tn
: điệnápnguồncấpvàophần ứng

CEMF
:
điện
áp
tạo
ra
bởi
động
cơ
CEMF
:
điện
áp
tạo
ra
bởi
động
cơ
I
A
: dòng điệnphần ứng
R
A
:trở kháng phần ứng
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-34
Đ
ộn
g
cơ DC

g
Thí dụ:Một động cơ 12 Vdc có điệntrở phần ứng là 10 Ω và sức điện động tạoralà0.3
ầ
ế
ố
V/100 rpm.Xácđịnh dòng ph
ầ
n ứng thựct
ế
khi động cơ làm việc ở vậnt
ố
c0rpm và ở
vậntốc 1000 rpm.
Giải: ta có
• S =0rpm
• S = 1000 rpm
Lưuý:khiđộng cơ làm việc, dòng điệntrênphần ứng giảm đi
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-35
Đ
ộn
g
cơ DC
g
Đường đặc tính (moment - tốc độ)của động cơ nam châm vĩnh cữu(permanent magnet)
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-36
Đ
ộn
g

cơ DC
g
Thí dụ:Xácđịnh tốc độ động cơ và dòng điện
ầ
ph
ầ
n ứng trong những trường hợpsau:
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-37
Đ
ộn
g
cơ DC
g
Thí dụ:Một động cơ DC PM sử dụng trong máy quay băng. Khi trả băng, động cơ làm
ố
ể
ắ
ố
việc ở 10 V vớivậnt
ố
c 500 rpm.
Để
rút ng
ắ
nthờigiantrả băng, nguờitamu
ố
n động cơ
làm việcvớivậntốc 650 rpm. Khi đómomenttải ướctínhsẽ tăng thêm 50%. Hãy xác
định điệnápphần ứng để động cơđáp ứng đượcyêucầunày.

© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-38
Đ
ộn
g
cơ DC
g
Điềukhiển động cơ
•Bộ khuếch đại công suất: dùng các mạch khuếch đại tín hiệutương tự
•Bộđiềuchếđộrộng xung: tạo ra các xung DC ở mức điệnápcốđịnh
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-39
Đ
ộn
g
cơ DC
g
•Mạch khuếch đại tín hiệutương tự
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-40
Đ
ộn
g
cơ DC
g
Đảochiều động cơ
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-41
Đ
ộn

g
cơ DC
g
•Mạch điềuchếđộrộng xung
Ưu điểm:
•códạng tín hiệusố - đóng/mở mạch, do đócóthểđiềukhiểntrựctiếptừ máy tính
(dùng 1 bit) mà không cầnquabộ DAC.
•Hiệuquả về mặtnăng lượng (ít tiêu hao công suất ở những mạch đóng/mở).
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-42
Đ
ộn
g
cơ DC
g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-43
Đ
ộn
g
cơ DC khôn
g
chổi than
g
g
Nguyên lý làm việccủa động cơ DC không chổi than 3 pha
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-44
Đ
ộn

g
cơ DC khôn
g
chổi than
g
g
Sơđồnguyên lý mạch chuyển pha
Ưu
điểm
:
có
độ
ổn
định
cao
sử
dụng
hiệu
quả
và
dễ
điều
khiển
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-45
Ưu
điểm
:
có
độ

ổn
định
cao
,
sử
dụng
hiệu
quả
và
dễ
điều
khiển
.
Đ
ộn
g
cơ bước
g
Nguyên lý làm việc
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-46
Đ
ộn
g
cơ bước
g
Ảnh hưởng củatảilênđộng cơ
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-47
Đ

ộn
g
cơ bước
g
Chếđộkích
• Động cơ 2 pha
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-48
Đ
ộn
g
cơ bước
g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-49
Đ
ộn
g
cơ bước
g
• Động cơ 4 pha
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 6-50