Tài liệu TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN pdf

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
Ωt
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.

PHẦN II
ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
A. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Động cơ điện được sử dụng rất rộng rãi do có nhiều ưu điểm so với các
loại động cơ khác. Hiệu suất cao, tác động nhanh, dễ dàng điều khiển và tự động
hoá, làm việc tin cậy, hệ thống cung cấp năng lượng tiện lợi và kinh tế. Chính vì
vậy mà hầu hết các máy sả
n xuất đều được truyền động bằng động cơ điện.
Các phần tử cơ bản của một số hệ thống truyền động điện bao gồm.
1. Động cơ điện: Chức năng biến đổi điện năng thành cơ năng quay các máy sản
xuất.
2. Máy sản xuất: Là thiết bị cơ khí thực hiện chức năng theo công nghệ sản
xuất.
3. Bộ biến đổi: Dùng để biến đổi nguồn điện lưới thành nguồn điện phù hợp với
động cơ.
4. Hệ thống điều khiển và bảo vệ nhằm thực hiện các chức năng:
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.

Trong hệ truyền động điện cho trong hình trên ta đi xem xét và tìm hiểu
các phươ
ng pháp điều khiển tốc độ cho động cơ điện.
Lưới điện Bộ biến đổi Động cơ điện Máy sản xuất
Hệ thống điều
khiển và bảo vệ
Hình 1: Sơ đồ khối một hệ thống truyền đồng điện
Nguyên lý làm việc của tất cả các máy điện quay đều dựa vào hai định
luật điện tử cơ bản đó là
Định luật cảm ứng điện từ: Định luật Faraday
ul
B
e
r
r
r
.^=

Định luật về lực điện từ: Định luật Laplace
Blif
r
r
r
^.=

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 dùng dây quấn mà
ta có bốn 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.
B. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀ
U KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
I. 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 này cũng được tính đến
khi thiết kế hoặc chỉ 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. Đai điều chỉnh tốc độ
4. Sự phù hợp giữa đặc tính điề
u chỉnh và đặc tính tải.
5. Chỉ tiêu kinh tế.
6. Các chỉ tiêu khác.
7. Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh.
1.1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ đối với động cơ điện một chiều
1.1.1. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
φφ
.

=
.
=
−−
ee
u
C
RIU
C
E
n

và M = C
M
.φ.I
ư
⇒
2
φφ

.
.
=
−
eMe
CC
MR
C
U
n

Phương trình biểu diễn 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 l
ượng φ, U, R
ư
.
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 = coxtg vì sự điều 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 dộ điều chỉnh chỉ có thể lớn hơn tốc độ định mức vì không
được phép tăng
φ > φ
đm
mắt 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 R
ư
. 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 trực hoặc trên các máy vận t
ải.

Phương pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi điện áp đựt vào
phần ứng chúng chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dươiú tốc độ định mức của
động cơ điện nhưng phương pháp này không gây hao tổn trong động cơ điện
nhưng đòi hỏi nó phải có nguồn riêng nên 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 có chung một
nguyên lý cấu tạo nhưng dùng theo cách đấu nối khác nhau mà ta có những loại
động cơ có kích từ khác nhau và mỗi loại lại mang những néta riêng khác nhau.
Ta sẽ xét từng trường hợp cụ thể.
2.1. Động cơ điện một chiều kích thích song song hoặc kích thích độc lập
Với điều kiện U= constg I
t
= constg
Khi M và I
ư
thay đổi từ thông φ của động cơ cũng hầu như không thay
đổi (bỏ qua phản ứng phần ứng) khi đó phương trình đặc tính cơ của động cơ có
dạng

.
=
−
K
MR
o
η
η
(1)
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 R
ư
a. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông φ






Nếu tăng điện trở R
đc
trên mạch kích từ với những giá trị khác nhau của
R
đc
ta có I
b
thay đổi.
Kết quả ta có họ đặc tính như trên hình vẽ
Các đường đó có n
o
> n
o đm
vì
φ
.
=
e
o
K

U
n

độ dốc càng lớn hơn độ dốc kho
φ = φ
đm

n
n
0-2
n
0-1
n
0
φ
2
< φ
1
φ
1
< φ
đm
φ
đm
M

U = e
tc
I
ư

I
b
R
đch
Khi đó trên đồ thị ta có đường đặc tính cơ tự nhiên đường số 1 trong đó n
o

là tốc độ không tải
φ
.
=
e
o
C
U
n







Từ phương trình đặc tính cơ
M
K
R
nM
CC

R
C
U
n
o
eMe
−−
=.

=
2
φφ

Ta thấy: để thay tốc độ của động cơ ta có thể thực hiện bằng các phương
pháp sau.
a. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch
phần ứng để tăng R
ư
. Phương pháp này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ quay trong
vùng dưới tốc độ định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở
phụ làm giảm hiệu suất của động cơ điện. Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng
ở động cơ điện có công suất nhỏ thực tế thường dùng ở động cơ điện trong các
máy trục. Khi đ
ó ta có họ đặc tính nằm phía dươid đường (1) đó là (1-2), (1-3).
Nếu ghép thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. Khi đó ta có phương
trình đặc tính cơ như sau:
(
)
M
U

RR
nn
f
o
.
+
=
−

b. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng
Nếu ta nói thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng thì biểu thức (1) trở
thành
n
n
o
n
đm
(1)

(1 - 2)

(1 - 3)

M
đm
M (I
ư
)
(
)

Q
MRR
nn
f
o
.+
=
−
(2)
Biểu thức (2) biểu thị đặc tính cơ của động cơ khi
U = C
tc

I
b
= C
tc


Từ đó ta thấy:
Khi R
f
= 0 là đường đặc tính cơ
tự nhiên.
Khi R
f
càng lớn dẫn đến độ dốc
lớn nhưng n
o
không thay đổi.

Trên hình vẽ biểu diễn các đường đặc tính khi không điều chỉnh R
f
= 0.
Khi R
f1
< R
f2
< R
f3

c. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp








Phương pháp này chỉ áp dụng được đối với động cơ điện kích thích độc
lập hoặc động cơ điện kích thích song song làm việc ở chế độ kích thích độc lập.
Việc cung cấp điện áp có thể điều chỉnh được cho động cơ từ một nguồn độc lập
được thực hiện trong kỹ thuật bằng cách sử d
ụng các bộ biến đổi để tạo ra nguồn
độc lập có thể là máy phát – động cơ hoặc khuyếch đại từ – động cơ hoặc các bộ
biến đổi điện tử …
n
n
o
R

f
= 0
R
f1

R
f2
R
f3

M
đm
M

n
n
o
n
01
n
02
n
03
U
đm
U
đc3
U
đc2
U

đc1
M

M
đm
Bộ biến
đổi điện áp
I
kt
= e
tc

Điều khiển bằng phương pháp này không làm thay đổi độ cứng của
đường đặc tính cơ nhưng nó cũng không cho phép điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc
độ định mức. Vì U
đm
≥ U
đc
mà thôi.
U
đm
> U
đc1
> U
đc2
> U
đc3


2.1.2. Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp

Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp dùng kích từ chính là dòng
phần ứng I
t
= I
ư
= I.
Trong trường hợp không xét đến ảnh hưởng do bão hoà của mạch từ cũng
như bỏ qua điện trở phần ứng R
ư
ta thấy n ≡
m
u
→
2
2
n
u
M =
. Như vậy khi
đó đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng
đường Hypecbol.
Tốc độ của động cơ tăng rất nhanh khi M giảm và đạt tới giá trị rất lớn khi
M
c
= 0.

a. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông φ
Để điều chỉnh dòng kích từ đối với động cơ có kích từ nối tiếp.







I
ư
I
t
KT

U U U
U
(a) (b) (c) (d)
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi từ thông
φ đối với động cơ kích từ nối tiếp.
a. Mắc sau dây quấn kích thích.
b.Thay đổi dây quấn kích thích .
c.Mắc sau phần ứng động cơ.
d. Thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng.
b. Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng
(Hình vẽ d) phương pháp này chỉ điều chỉnh được tốc độ nhỏ hơn tốc độ
định mức và kèm theo là tổn hao lớn trên điện trở phụ nên làm giảm hiệu suất
của động cơ nên phương pháp này ít được dùng.
c. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp
Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong phạm vi dưới tốc

độ định mức vì không cho phép tăng điện áp quá định mức nhưng lại giữ được
hiệu suất cao do không có điện trở phụ tham gia điều chỉnh phương pháp này có
thể thực hiện bằng cách phối hợp nối song song hoặc nối tiếp hai động cơ có
cùng các thông số kỹ thuật hoặc dùng
đến bộ băm điện áp một chiều để tạo ra
giá trị điện áp trong bình dặt vào động cơ thay đổi.
1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ đối với động cơ kích thích hỗn hợp
Động cơ điện một chiều kích từ ngoài
việc sử dụng nối tiếp, song song hay độc lập
người ta còn chế tạo loại gồm hai thành phần
kích từ vừa song song hoặc độc lập vừa nối tiếp
(hình vẽ).
Trong trường hợp này cuộn kích từ nối tiếp hầu hết được sử dụng đóng
vai trò bù mục đích là để tăng độ cứ
ng của đặc tính cơ còn trong quá trình làm
việc trong chế độ từ không tải hoặc tải nhỏ hầu như không tham gia. Vậy
phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ kích từ loại này cũng giống như đối
với động cơ kích từ song song hoặc kích từ độc lập nhưng đặc tính cơ cứng hơn
đồng thời nó không phải là đường thẳng như độ
c lập hoặc song song.

KT
nt
U

KT
ss

2.2.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
Tốc độ của động cơ điện không đồng bộ là:
()
vßng/phót )(=)(= S
p
f
Snn 1
60
1
1

Trong đó:
p
f
n
60
1
=
là tốc độ từ trường quay.
P là số cặp cực của dây quấn stato.
S là hệ số trượt
1
1
n
nn
S =

Nhìn vào biểu thức trên ta thấy:
Với động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc có thể điều chỉnh tốc độ
động cơ bằng cách thực hiện sự thay đổi.
-
Tần số dòng điện stato.
-
Thay đổi số đôi cực p của từng stato.
-
Thay đổi điện áp cấp vào stato để thay đổi hệ số trượt.
Nói chung tất cả các phương pháp trên đều thực hiện trên stato.
Đối với roto dây quấn thường điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện
trở roto để thay đổi hệ số trượt S việc thực hiện ở phía roto.
1. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số
Việc thay đổi tần số f của dòng điện stato được thực hiện bằng độ biến đổi
tần số.
Như ta đã biết từ thông
φ
max
tỷ lệ thuận với tỷ số U
1
/f nên khi thay đổi tần
số người ta muốn giữ cho
φ
max
không thay đổi để mạch từ máy ở tình trạng định
mức. Muốn vậy phải điều chỉnh đồng thời tần số và điện áp.
Việc giữ cho tỷ số U
1
/f = C
tc

sẽ thực hiện khi f < f
đm
.
n
(2)
(3)
(1)
M
Đường (1) ứng với kích thích hỗn hợp
b
ù
Đường (2) ứng với hỗn hợp ngược
Đường (3) ứng với kích thích song
Khi f > f
đm
ta giữ cho U = U
đm
để đảm bảo cho dây quấn. Khi đó φ
max

giảm và M
max
giảm nhiều.

2.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực
Số đôi cực của từ trường quay phụ thuộc vào cấu tạo của dây quấn stato
việc thực hiện phương pháp này người ta có thể.
-
Đổi nối cách đấu bộ dây trong stato từ Y – YY sao/saokép hoặc từ
Δ/YY biến số cặp cực P thì P = 1 → P = 2 hoặc từ P = 2 → P = 4.
-
Quấn nhiều bộ dây có số cặp cực khác nhau trong stato và mỗi bộ
dây có thể làm việc độc lập với nhau theo phương pháp này số cấp tốc độ không
theo quan hệ 1:2 mà là 1
→ 2 → 3.
P có thể bằng 1 hoặc P = 2 hoặc P = 3 …
Nói chung phương pháp này việc điều chỉnh nhảy cấp nhưng có ưu điểm
là độ cứng của đường đặc tính được giữ nguyên.









n
M
p = 2
p = 1
n
M
f > f

đm
f
đm
f < f
đm
2.2.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stato
Phương pháp này chỉ thực hiện việc giảm điện áp. Khi giảm điện áp
đường đặc tính M = f(s) sẽ thay đổi do đó hệ số trượt thay đổi dẫn đến tốc độ
thay đổi.
2.2.4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch roto của động
cơ roto dây quấn
Thay đổi điện trở dây
quấn roto được thực hiện bằng
cách mắc biến trở ba pha vào
mạch roto.
Biến trở điều chỉnh tốc
độ trong trường hợp này phải
làm việc lâu dài nên phải có
công suất và kích thước tường
đối lớn họ của đường đặc tính
cơ của động cơ không đồng bộ roto dây quấn như trên hình vẽ.
Ta thấy khi R
đch
tăng dần đến n giảm. Phương pháp này thường được áp
dụng cho các truyền động trong hệ thống máy nâng tải vì khi khởi động nó có
M
khởi động
có thể điều chỉnh được, thường thì người ta vận dụng ở tốc độ thấp
nhất S
tới hạn

= 1 nên có M
KĐ
= M
max
.
III. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
- Động cơ đồng bộ ba pha trước đây thường dùng cho hai loại truyền
động không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn tới hàng trăm kW, thậm trí đến
hàng MW như các hệ truyền động máy nén khí, bơm nước, quạt gió, máy
nghiền,…
Tốc độ quay của động cơ được tính bằng biểu thức
ρ
π
ω
s
b
f
=
2

Trong đó:
n
M
M
đm
f
s
là tần số nguốn cung cấp.
p là số đôi cực của động cơ.
Nhìn vào biểu thức trên ta thấy việc điều chỉnh tốc độ quay cho động cơ

điện đồng bộ chỉ có thể thực hiện được khi thay đổi tần số nguồn cung cấp mà
thôi.
Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử và nhất là
điện tử công su
ất lớn. Động cơ đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong
công nghiệp ở mọi loại dải công suất từ vài trăm W đến hàng MW.
Vậy phương pháp điều chỉnh tốc độ đối với động cơ đồng bộ là sự biến
đổi nguồn cung cấp cho nó có tần số thay đổi được.
C. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BIẾN ĐỔI
I. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hệ thống điều khiển bao gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh các
tham số và công nghệ. Ngoài ra còn có các thiết bị đóng cắt đáp ứng cho công
nghệ và người vận hành. Đồng thời có một số hệ truyền động có cả mạch ghép
nối với các thiết bị tự động khác trong cả một dây chuyền sản xuất.
Tuỳ theo tính chất đ
iều khiển mà hệ điều khiển được phân ra.
- Điều khiển bằng tay (trực tiếp) từ người vận hành.
Phương pháp này việc điều khiển hoàn toàn do người vận hành tự đặt các
thông số như tốc độ, thời gian và phương pháp mà hệ truyền động có thể đáp
ứng. Thông qua các khí cụ đóng cắt và các cơ cấu điều khiển như các rơle, công
t
ắc tơ, nút ấn,…
- Phương pháp điều khiển bán tự động.
Đó là các hệ truyền động kín có sự trợ giúp của hệ thống điều khiển.
- Điều khiển tự động.
Hệ thống tự động thực hiện việc điều chỉnh các tốc độ theo yêu cầu công
nghệ với một chương trình đã được định sẵn.
II. BỘ BIẾN ĐỔI
Bộ biến đổi có nhiệm vụ nhận năng lượng điện từ lưới điện công nghiệp
sau đó biến đổi thành năng lượng điện mà có những thông số như dòng điện,

điện áp, công suất và tần số có thể điều chỉnh được phù hợp với phương pháp
điều chỉnh tốc độ của động cơ.
Tuỳ theo đặc điểm, tính chất biến đổi mà ta có các loại sau.
1. Các bộ biến đổi không liên tục
Đối tượng được điều khiển không mang tính lên tục mà thành lập việc
chuyển đổi phân cấp để ghép nối các điện trở, điện kháng tham gia vào mạch
điều chỉnh tạo ra các cấp tốc độ khác nhau hoặc bằng cách thay đổi sự đấu nối
như mắc song song sang nối tiếp hoặc từ
Δ - YY,…
Để thực hiện phương pháp này chủ yếu là những mạch điện sử dụng khí
cụ đóng cắt có công suất vừa và lớn, các điện trở công suất lớn cũng như các
điện kháng,…
2. Các bộ biến đổi liên tục
Trong các hệ truyền động hiện nay những động cơ yêu cầu điều chỉnh tốc
độ trong phạm vi rộng, trơn trượt và vô cấp đòi hỏi độ chính xác cao, khả năng
ổn định tốc độ tốt hầu hết sử dụng phương pháp này.
Hệ truyền động (máy phát – động cơ) một chiều, máy phát xoay chiều,
máy điện khuyếch đại từ trường quay.
Bộ biế
n đổi dựa theo nguyên tắc điện từ như hệ khuyếch đại từ, cuộn
kháng bão hoà.
Bộ biến đổi điện tử: Chỉnh lưu bán dẫn, chỉnh lưu có điều khiển, biến tần
tranzitor, biến tần tiristor.
MỤC LỤC

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ

PHẦN THỨ NHẤT: ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN Trang
I. Khái niệm chung về việc đo tốc độ động cơ 2

1. Mô tả dụng cụ do tốc độ 3
2. Nguyên lý làm việc của thiết bị 3
3. Hệ thống đo lường 4
3.1. Hệ thống đo lường dạng tương tự 4
3.2. Hệ thống đo lường dạng số 5
II. Phân tích chức năng của từng khối trong hệ thống 6
2.1. Cảm biến đo tốc độ 6
2.1.1. Cảm biến đo tốc độ quay các loại điện từ 6
a. Tốc độ kế điện từ loại điều chỉnh 6
b. Cảm biến điện từ loại AC 7
2.1.2. Cảm biến đo tốc độ loại xung số 8
a. Cảm biến từ
trở thay đổi 9
b. Cảm biến tốc độ loại quang học 9
PHẦN THỨ HAI: ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
A. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 11
B. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 12
I. Những chỉ tiêu của hệ điều chỉnh tốc độ với động cơ điện 12
1.1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ đối với động cơ điện một chiều 13
1.1.1. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 13
2.1. Động cơ điện một chiều kích thích song song hoặc kích thích độc lập 14
a. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
φ 14
b. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng 15
c. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp 16
2.2. Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp 17
a. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông
φ 17
b. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng 18
c. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng thay đổi điện áp 18

3.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ đối với động cơ kích từ hỗn hợp 18
1. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số 19
1.1. Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực 20
1.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stato 21
1.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch roto của động
cơ roto dây quấn 21
III. Điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 21
C. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BIẾN ĐỔI 22
I. Hệ thông điều khiển 22
II. Bộ biến đổi 22
1. Các bộ biến đổi không liên tục 23
2. Các bộ biến đổi liên tục 23