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.