Đồ án hệ thống tốc độ và điều khiển động cơ

TUYỂN TẬP TÀI LIỆU HAY, BÀI TẬP, GIÁO TRÌNH, BÀI GIẢNG, ĐỀ THI
PHỔ THÔNG, ĐẠI HỌC, SAU ĐẠI HỌC
LUẬN VĂN-KHOÁ LUẬN-TIỂU LUẬN NHIỀU LĨNH VỰC KHOA HỌC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
HỆ THỐNG TỐC ĐỘ VÀ ĐIỀU
KHIỂN ĐỘNG CƠ

1


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

2


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.
TÝn hiÖu
chuÈn

XLTH

B§

M

§K

§L

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

3


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

4


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:
§L§

C§

ChØ ThÞ

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:

3

1

2

4

Hình 3-2: Hình dáng bên ngoài của tốc độ kế cầm tay.
b. Nguyên lý cấu tạo của tốc độ kế:
5
5

H×nh 2.3: CÊu t¹o cña tèc ®é kÕ kiÓu trùc tiÕp


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 (2) là đĩa nhôm.
3 (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
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.

6


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
7


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
§¹i lîng
®o

C¶m biÕn

Xö lý tÝn hiÖu

ChØ thÞ

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
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.

8


Trong kỹ nghệ các cảm biến dùng để đo tốc độ quay dùa trên định
luật Faraday e = - dφ/ 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
Stato
Chæi than
Cæ gãp

Roto

N

S

H×nh 1.1: CÊu t¹o tèc ®é kÕ ®iÖn tõ lo¹i 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 4
max ) vì vậy phải hạn chế tổn thất mạch từ bằng 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
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.

9


+ 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/ 2π).n.φo = N.n. φo
ω 
 .n.φ0 = N.n.φ0
 2π 

E= 

Một cách tổng quát
E=

ω P
. .nφ0
2π a

Trong đó: P: là số đổi cực ở phần cảm
ω: 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 90 o
còn đối với máy 3pha dùng mạch xác định thứ tự pha để xác định chiều
quay.

10


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 ς t với E =K1.ω ; ς = K2.ω
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
Nam ch©m
quản dễ dàng mặt khác nó không tạo nên tiếng ồn không
có nhiễu ký sinh
Cuén
d©ynguyên tắc trên
đồng thời việc biến đổi sang tín hiệu số đơn giản. Dùa
theo

người ta tạo ra các cảm biến sau:
a) Cảm biến từ trở thay đổi:

Khe hë kh«ng khÝ

H×nh 2.1: Nguyªn t¾c cña tèc ®é 11
kÕ lo¹i tõ trë thay ®æi


- Cấu tạo: (Hình vẽ)

12


- Nguyên lý hoạt động: Cuộn dây phân tính có lõi sắt từ cho phép
một từ thông đi qua nã. 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 ) sù dịch chuyển của đĩa sẽ tạo ra sự gián đoạn của mạch
từ, ( do cấu tạo của đĩa ) 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 rất nhanh khi khoảng 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:
Nguån
s¸ng

ThÊu
kÝnh

Bé ph©n tÝch
quang

H×nh 2.2: Nguyªn t¾c cÊu t¹o
chuyÓn ®æi quang häc
Gồm một nguồn sáng và một bộ phận tích quang có thể là điôt quang
hoặc Tranristo 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 chiếu qua
trên chu vi của đĩa người ta tạo ra những (lỗ, khe) có khoảng cách đều nhau
theo chu vi.

13


Bộ phận phân tích nhận được một lượng ánh sáng được điều khiển
bởi đĩa quay sẽ tạo ra một tín hiệu điện có tần số tỷ lệ với vận tốc quay còn,

biên độ độc lập với vận tốc. Khoảng đo vận tốc phụ thuộc:
+ Mét mặt số lần gián đoạn trên đĩa ( sè phần tử đánh dấu).
+ Mét mặt do băng thông của bộ phận tính và mạch điện đi kèm.
4-2. Khối xử lý tín hiệu:
Thông thường tín hiệu cảm biến thường đã được chuẩn hoá theo một
chuẩn nhưng thực tế nó vẫn chưa thể tương thích với cơ cấu hiển thị. Có
thể tín hiệu ra quá lớn hoặc quá nhỏ về mặt biên độ hoặc về đặc tính nên
nhất thiết phải qua khâu xử lý và chế biên tín hiệu với mục đích là hạn chế,
khuyếch đại hoặc chỉnh sửa sao cho tín hiệu phản ánh trung thực và tuyến
tính với đại lượng cần đo. Bộ phận này bao gồm mạch phân tầm đo, mạch
điều chỉnh tổng trở, mạch khuyếch đại, mạng lọc, mạch chỉnh lưu, mạch
sửa dạng tín hiệu, mạch biến đổi tín hiệu A/D hoặc D/A.. v.. v
4-3. Khối chỉ thị kết quả:
Bộ chỉ thị kết quả là giao diện giữa con người và dụng cụ đo, là thiết
bị đưa ra kết quả mà hệ thống đo được, có thể là con số có thể là kim chỉ
lên khắc độ.
Bộ chỉ thị được phân làm hai loại:
4-3-1. Bộ chỉ thị kim:
Bộ chỉ thị kim:
Chính là bộ biến đổi điện cơ, cơ cấu biến đổi điện cơ bao gồm phần
tĩnh và phần quay. Tuỳ theo phương pháp biến đỏi năng lương điện từ
người ta chia thành những cơ cấu sau:
- Cơ cấu từ điện.
- Cơ cấu đo điện từ.
- Cơ cấu đo điện động.
- Cơ cấu đo sắt điện động.

14

- Cơ cấu đo cảm ứng.
- Cơ cấu đo tĩnh điện.
4-3-2.Bé chỉ thị số:
Ngày nay việc đo lường số đang được ứng dụng rộng rãi trong kỹ
thuật đo lường vì nó có những ưu điểm rất lớn, độ chính xác cao, đọc kết
quả chính xác liên kết với hệ thống tính toán, điều khiển số rất thuận lợi.
Trong đo lường số bộ phận chỉ thị thường có hai loại:
a) Chỉ thị số bằng đèn phóng điện nhiều cực:
Dùa trên nguyên lý đèn Nêông 1 Anốt và 10 Katốt có hình các số từ
0 đến 9. Khi Katốt nào được kích thì Katốt đó sẽ sáng và con số đó được
xuất hiện.
Ưu điểm của loại chỉ thị này là có độ sáng rõ nhưng tiêu thụ công
suất lớn và cần có điện áp cao.
b) Chỉ thị bằng Điốt phát quang hoặc tinh thể lỏng ghép 7thanh:
Điốt phát quang là chất bán dẫn phát sáng khi đặt vào điện ápp một
chiều còn tinh thể lỏng dưới tác dụng của điện áp sẽ chuyển pha từ trạng
thái trong suốt sang trạng thái mờ và ta có thể nhìn thấy màu sắc ở nền
đằng sau thanh.
Cả 2 loại này đều tiêu thụ công suất nhỏ. Loại tinh thể 0,1µA cho 1
thanh, loại điốt phát quang là 10mA.

15


5. H thng o lng cú iu khin
5.1. H thng o lng dng tng tự
Đại lợng
đo và điều
khiển

Cảm biến

Giao
tiếp

Khuyếch
đại

Thiết bị điều
khiển

Sử dụng
kết quả

Mạch
lọc

Mạch so
sánh

Tín hiệu
đặt

Hiển thị

Thiết bị
đọc

Tớn hiu o c to ra t b cm bin o lng do i lng o tỏc
ng vo. SauHình

khi 5.1:
quaHệmch
binđiều
tớnkhiển
hiudạng
thỡ ttớn
thốngch
đo lờng
ơnghiu
tự ny i vo b
hin th kt qu, ti õy kt qu cú th c thụng bỏo trờn mn nh, c
lu tr trong thit b ghi hoc qua thit b c c ri a n khõu x lý
v s dng kt qu. Ngoi ra h thng o lng cũn liờn kt vi h thng
iu khin t ng bng cỏch ly tớn hiu t u ra ca b ch bin qua
mch so sỏnh vi tớn hiu t (tớn hiu chun) iu khin i tng ang
c o.
Vớ dụ: trong h o v iu khin tc ng c õy c gi l khõu hi
tip theo tc quy trỡ tc ca ng c so vi tc t.

16


5.2. H thng o lng dng s
Đại lợng đo quan sát

Cảm
biến

Hiển
thị số

Chế biến tín
hiệu

Tín hiệu vật lý

S/H

ADC

DAC

Bộ điều khiển logic

Thiết bị điều
khiển

àF

Máy ghi
(in)

Chơng
trình

H thng o lng in t dóy s kt hp vi thit b vi x lý tham
Hình 5.2: Hệ thống đo lờng điện tử dạng số có điều khiển kết hợp với àP

gia vo h thng o lng nhm mc ớch x lý nhanh tớn hiu o. kh
nng chng nhiu tt hn so vi tớn hiu o dng tng t khi truyn i

xa. Cỏch ly tt hn v d thc hin (phi ghộp bng tớn hiu quang Opso Coupler). õy cng l hỡnh thc thng s dng hin nay.
Vi s phỏt trin ca mỏy tớnh cỏ nhõn (PC), h thng o lng dựng
k thut s, dựng PC thc hin t ng hoỏ h thng o lng mc cao
hn v thun li hn khi s dng. iu ú cho chúng ta thy c xu th
mỏy tớnh hoỏ thit b o lng.
Trong h thng o lng dựng k thut s, tớn hiu dng tng t
c chuyn i sang tớn hiu s bng cỏc mch chuyn i ADC cho
bộ vi x lý àP hot ng, sau ú cú tớn hiu dng tng t thỡ ta li khụi
phc li qua mch DAC.
Ngoi ra h thng o lng dng s cũn cú u im l s hot ng
thụng minh nh vo chng trỡnh (phn mm software) ci t vo mỏy
tớnh x lý tớn hiu o lng v iu khin h thng t ng hoỏ cho c
dõy chuyn sn xut.
CHNG III

17


ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
1.TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Động cơ điện được sử dụng rất rộng rãi do có nhiều ưu điểm so với
nhiều loại động cơ khác. Hiệu suất cao, tác động nhanh, dễ dàng điều khiển
và tự động hốa, 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 hệ thống truyền động điện bao gồm:
(a) Động cơ điện: chức năng biến đổi điện năng thành cơ năng quay
các máy sản xuất.
(b) Máy sản xuất: là thiết bị cơ khí thực hiện chức năng theo công

nghệ sản xuất.
(c) Bộ biến đổi: Dùng để biến đổi nguồn điện lưới thành nguồn điện
phù hợp với phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ.
(d) Hệ thống điều khiển và bảo vệ nhằm thực hiện các chức năng:
4 - Mở máy và hãm máy thực hiện chức năng hạn chế dòng điện và
mômen của động cơ trong giới hạn cho phép với thời gian ngắn 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.
Líi
®iÖn

Bé biÕn
®æi

§éng c¬ ®iÖn

M¸y s¶n xuÊt

HÖ thèng ®iÒu
khiÓn vµ b¶o vÖ

Hình 3-1: Sơ đồ khối một hệ thống truyền động điện.
Trong hệ truyền động cho trong hình trên ta đi xem xét và tìm hiểu
các phương pháp điều khiển tốc độ cho động cơ điện.

18


Nguyên lý làm việc của tất cả các máy điện quang đều dùa vào hai
định luật điện từ cơ bản là:







+ Định luật cảm ứng điện từ. Định luật Faraday e = B ∧ e.v






+ Định luật về cực điện từ. Định Laplace f = i .l ∧ B
Đó là định luật cơ bản của động cơ biến đổi cơ năng thành điện
năng.
Tuỳ theo cách tạo ra từ trường, kết cấu của mạch từ và dây cuốn mà ta có 4
loại động cơ sau
1> Động cơ không đồng bộ
2> Động cơ đồng bộ
3> Động cơ một chiều
4> Động cơ xoay chiều có vành góp.
2.PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

2-1.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 chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cơ bản các chỉ tiêu naỳ cũng được

tính đến khi thiết kế hoặc chỉnh 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) Dải 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.
19


2-2.Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
2-2-1.Phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều.
Phương trình đặc tính cơ biểu thị quan hệ giữa tốc độ quay của động cơ
với mômen điện từ của động cơ
n=f(M)
Trong đó:

n: là tốc độ quay của động cơ.
M: là mômen điện từ của động cơ.

Từ phương trình:
E

n= Cφ =
e

U − I .R
Ceφ

Mặt khác: M mômen điện từ của động cơ được tính theo công thức:
M = CM . φ I ư

M=C
M

⇒ Iư = C .φ
M
U

R

M

U

R

⇒ n = C φ − C .φ . C .φ = C .φ − C .C .φ 2 .M
e
e
M
e
e
M
Phương trình:
U

R

.M
n = C .φ −
C e .C M .φ 2
e

Là phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều.
Trong đó Ce, CM đều là những hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động
cơ và dây quấn của động cơ.
Vậy việc điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều có thể thực
hiện được bằng cách thay đổi các thông số sau:
- Điện áp đặt vào động cơ: U
- Điện trở mạch phần ứng của động cơ: Rư
- Từ thông kích thích của động cơ: φ

20


Tuỳ theo tính chất và yêu cầu công nghệ mà người ta có thể thực
hiện điều chỉnh tốc độ cho động cơ điện một chiều theo mét trong ba
phương pháp nói trên hay cũng có thể kết hợp cả hai hoặc cả ba để mở rộng
phạm vi điều chỉnh tốc độ với mục đích là tăng năng xuất lao động.
Sau đây ta sẽ lần lượt xét phương pháp điều chỉnh tốc độ cho từng loại
động cơ một chiều cụ thể.
Phương pháp biểu thị 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 thay
đổi các đại lượng φ, U, Rư

- Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi φ được áp dụng
tương đối phổ biến, vì nó có thể thay đổi liên tục và kinh tế trong quá trình
điều chỉnh hiệu suất η ≈ contg vì sự chiều chỉnh thực hiện tác động lên
mạch kích từ có công suất rất nhỏ so với công suất của động cơ. Song về
dải điều chỉnh của nó tương đối hẹp bởi vì tốc độ điều chỉnh chỉ có thể lớn
hơn tốc độ định mức vì không được phép tăng φ > φđm, mặt khác bị hạn
chế bởi điều kiện cơ khí và khả năng đảo chiều.
- Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách ghép thêm điện trở phụ
vào mạch phần ứng để làm tăng Rư. Phương pháp này chỉ có thể điều chỉnh
được tốc độ ( tốc độ định mức và kèm theo tổn hao năng lượng trên điện
trở phụ dẫn đến làm giảm hiệu suất của động cơ điện ). Vì vậy phương
pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ vì trên thực tế
thường dùng cho các động cơ trên máy trục hoặc trên các máy vận tải.
- Phương pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi điện áp đặt
vào phần ứng chúng chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dưới tốc độ định

21


mức của động cơ điện nhưng phương pháp này không gây tổn hao trong
động cơ điện nhưng đòi hỏi nó phải có nguồn riêng mà nguồn đó có thể
thay đổi được điện áp.
Trên đây là các phương pháp để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ
quay của động cơ điện. Trên thực tế mọi động cơ điện một chiều đều có
chung một nguyên lý cấu tạo nhưng tuỳ theo cách đấu nối khác nhau mà ta
có những loại động cơ có kích từ khác nhau và mỗi loại lại mang những nét
riêng khác nhau. Ta sẽ xét từng trường hợp cụ thể.
2-2-2.Động cơ điện một chiều kích thích song song hoặc kích thích
độc lập:
Với điều kiện U = const

It = const

Khi M hoặc Iư thay đổi từ thông φ của động cơ hầu như không đổi
( bá qua phản ứng phần ứng ) khi đó phương trình đặc tính của động cơ có
dạng:
n = n0 -

R .M
K

Nhìn vào phương trình đặc tính cơ ta thấy đường đặc tính cơ của
động cơ một chiều kích thích song song hoặc độc lập là một đường thẳng
với độ dốc phụ thuộc vào giá trị của Rư.
a) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông φ
I

R®c
Ib

U = const

§C

n
n02
n01
n0®m

Φ2 < Φ1

Φ1<Φ®m
Φ®m

M

22


Hình 3-2-1: Sơ đồ nguyên lý
Nếu tăng điện trở Rđc trên mạch kích từ với những giá trị khác nhau
của Rđc ta có Ib thay đổi.
Kết quả ta có họ đặc tính như trên hình vẽ.
Các đường đó có n0 > n0đm
U

Vậy N0 = K .φ
e
Độ dốc cũng lớn hơn độ dốc khi φ = φđm
Có độ nghiêng khác nhau và sẽ giao nhau trên trục hoành tại điểm
ứng với dòng điện phần ứng rất lớn
U

Iư = R

theo điều kiện
n = n0 -

R .M
=0
K

Đường thấp nhất trên hình vẽ 2-1-b là ứng với từ thông φ = φđm
Do điều kiện đảo chiều các động cơ thông dụng hiện nay có thể điều
chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này trong giới hạn 1:2 hoặc có thể mở
rộng đến 1:5 hoặc 1:8 nhưng cũng phải dùng phương pháp khống chế đặc
biệt do đó công nghệ chế tạo phức tạp giá thành cao.
b) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng
n

no
Rf = 0

n®m

Rf1 < Rf2
Rf2 < Rf3
M®m

Rf4 < Rf3

M (I)
23


Hình 3-4: Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng

24


c) iu chnh tc bng cỏch thay i in ỏp

n

Bộ biến
đổi điện áp

no
n01
n02
n03

Ikt = etc

Uđm
Uđc1
Uđc2
Uđc3

Hỡnh 3-5: S nguyờn lýHỡnh 3-6: Dng ng c tớnh c khi
M thay Mi
đm

in ỏp phn ng

Hình 3-6: Dạng đờng đặc tính cơ khi

thay

đổi điện áp phần

ứng

Phng phỏp ny ch ỏp dng c i vi ng c in kớch thớch
c lp hoc ng c in kớch thớch song song lm vic ch kớch
thớch c lp. Vic cung cp in ỏp cú th iu chnh c cho ng c t
mt ngun c lp c thc hin trong k thut bng cỏch s dng cỏc b
bin i to ra ngun c lp cú th l mỏy phỏt - ng c hoc khuych
i t - ng c hoc cỏc b bin i in t,..v..v ..
iu khin bng phng phỏp ny khụng lm thay i cng ca
tng c tớnh c nhng nú cng khụng cho phộp iu chnh tc > tc
nh mc vỡ: Uch Um m thụi.
Um > Uch1 > Uch2 > Uch3
2-2-3. ng c in mt chiu kớch thớch ni tip
n

I
I

It

2

KT

Hỡnh 3-7: S ni dõy ca ng c
mt chiu kớch t ni tip

2
1
3

1

6

4
5
1 điện một M
Hình 3-8: Đặc tính của động cơ
25
chiều kích thích nối tiếp ở các trờng hợp
điều chỉnh tốc độ khác nhau