Tài liệu Chương 3: Các phương pháp hồi tiếp tốc độ và dòng điện docx

Hà Ngọc Thắng

Chơng 3
Các phơng pháp hồi tiếp tốc độ và dòng
điện
3.1 Khái niệm chung
Hồi tiếp tốc độ và dòng điện là một phần không thể thiếu đợc trong hệ thống điều khiển
tốc độ động cơ. Để điều khiển đợc tốc độ động cơ ngời ta phải biết đợc giá trị đầu ra của
hệ thống (ở đây là tốc độ động cơ) để có những điều chỉnh thích hợp ở đầu vào (điện áp,
dòng điện, tần số ) để đạt đợc tốc độ mong muốn. Để hồi tiếp đợc dòng điện và tốc độ
ta phải đo đợc dòng điện và tốc độ. Thiết bị thực hiện công việc này ngời ta gọi chung là
thiết bị đo lờng. Độ chính xác của các thiết bị đo lờng có ảnh hởng rất lớn đến chất
lợng điều chỉnh bởi vì nhiệm vụ của nó là phản ánh chính xác trạng thái làm việc của hệ để
từ đó đi điều khiển nó. Do vậy yêu cầu đối với những thiết bị đo lờng là phải đảm bảo độ
chính xác cao trong cả chế độ động và chế độ tĩnh, ngoài ra phải đảm bảo không bị ảnh
hởng của nhiễu loạn bên ngoài.
Trong thực tế để phản hồi tốc độ ngời ta thờng sử dụng máy phát tốc và các bộ đo tốc
độ xung số, để phản hồi dòng điện ngời ta sử dụng các mạch đo dòng.

3.2 Máy phát tốc
Máy phát tốc là máy điện nhỏ, làm việc ở chế độ máy phát và thực hiện chức năng biến
đổi chuyển động quay của trục thành tín hiệu điện áp ra.
Phơng trình đặc tính của máy phát tốc nh sau:
dt
d
.Kn.KU
1F

==
(3.1)
trong đó:
: điện áp ra của máy phát tốc.
F
U
K, K1: là những hệ số khuếch đại.
N: vận tốc quay của rôtor (vòng/phút)



Hà Ngọc Thắng
: góc quay.
Các yêu cầu chủ yếu của máy phát tốc là:
Độ tuyến tính của đặc tính cao, đây là yêu cầu qua trọng nhất của máy phát tốc. Trong
trờng hợp lý tởng các hệ số K và K1 trong (3.1) luôn luôn không đổi.
Hệ số khuếch đại lớn:
n
U
K
F
=

Điện áp ra đổi xứng:
)n(U)n(U
FF

=
+

Giá trị điện áp khi n = 0 (điện áp không) nhỏ trong các máy phát tốc xoay chiều và
vùng không nhạy nhỏ trong các máy phát tốc một chiều.
Theo cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát tốc có thể chia thành
Máy phát tốc không đồng bộ.
Máy phát tốc đồng bộ.
Máy phát tốc một chiều.
3.2.1 Máy phát tốc không đồng bộ
Cấu tạo: Máy phát tốc không đồng bộ có cấu trúc gần giống nh động cơ chấp hành
không đồng bộ, với rôtor rỗng không dẫn từ. Trên Stator đặt 2 cuộn dây lệch pha nhau trong
không gian góc 90
0
điện. Cuộn kích thích (B) đợc nối với điện áp nguồn. Cuộn còn lại đa
điện áp ra của máy phát tốc. Để giảm ảnh hởng của khe hở không khí không đều và sự
không đối xứng của rôtor lên đặc tính ra, máy phát tốc không đồng bộ không bao giờ chế
tạo với hai cực từ, chúng thờng có hai đôi cực.
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý máy phát tốc không đồng bộ

Nguyên lý làm việc:



Hà Ngọc Thắng
Khi rôtor đứng yên (n = 0) dòng điện của cuộn kích thích tạo ra từ thông theo phơng dọc
trục d. Từ thông này cảm ứng và sinh ra sức điện động cảm ứng trong rôtor. Sức điện động
này gọi là sức điện động biến áp vì giống nh sức điện động cảm ứng trong máy biến áp.
Các mạch vòng của dòng điện rôtor do sức điện động biến áp tạo nên nằm trên những mặt
phẳng vuông góc với trục d. Chúng sinh ra từ thông của rôtor có chiều ngợc với từ thông
kích thích. Nh vậy khi rôtor đứng yên, trong máy phát tốc chỉ có từ trờng theo phơng
dọc trục nên trong cuộn phát không có sức điện động cảm ứng (vì cuộn phát lệch pha 90
0

điện với cuộn kích thích). Điện áp cuộn phát U
F
= 0 khi n = 0.
Khi rôtor quay (n
0) trong rôtor ngoài sức điện động biến áp còn có sức điện động
quay do các thanh dẫn của rôtor cắt đờng sức của từ thông kích thích. Dới tác dụng của
sức điện động quay trong rôtor hình thành các dòng điện, do điện trở rôtor lớn nên hầu nh
trùng pha với sức điện động quay, tạo ra luồng từ thông luôn trùng pha với trục cuộn phát
trên stator. Đờng sức của từ thông này cắt các vòng dây cuộn phát sinh ra sức điện động
cảm ứng trong cuộn phát. Tần số của sức điện động này bằng tần số của điện áp xoay chiều
nuôi cuộn kích thích.


3.2.2 Máy phát tốc đồng bộ
Máy phát tốc đồng bộ với rôtor là nam châm vĩnh cửu, stator là cuộn dây. Nhờ kích thích
bằng nam châm vĩnh cửu nên trong máy phát tốc đồng bộ không có tiếp xúc vành trợt chổi
than làm tăng độ tin cậy của máy.
Khi rôtor của máy phát tốc quay, trong dây cuốn stator xuất hiện sức điện động cảm ứng
có trị số tỷ lệ thuận với tần số quay n.
KTFKTFF
.W
60
n p
44,4.fW44,4E ==

trong đó:
60
n.p
f =
: tần số của máy phát

F
W
: số vòng dây của cuộn dây stator.
KT

: từ thông kích thích dới một cực từ của nam châm vĩnh cửu rôtor.



Hà Ngọc Thắng
Việc sử dụng máy phát tốc đồng bộ trong một số hệ thống bị hạn chế vì khi vận tốc rôtor
n bị thay đổi, không những kéo theo sự thay đổi về trị số mà cả tần số điện áp ra. Sự biến đổi
tần số điện áp làm cho các giá trị điện kháng của máy phát tốc và của tải thay đổi dẫn tới sự
biến dạng của đặc tính ra. Trong điều kiện nhất định sẽ xảy ra hiện tợng cộng hởng nên
không đảm bảo yêu cẩu của hệ thống. Bởi vậy máy phát tốc đồng bộ đợc sử dụng chủ yếu
để đo tốc độ quay, cuộn phát (cuộn dây stator) đợc nối với Vôn met. Ngoài ra máy phát tốc
đồng bộ còn có nhợc điểm là không xác định đợc chiều quay nên phải lắp 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 phát ba pha phải dùng mạch xác định thứ tự pha để xác định chiều quay.
Ưu điểm của máy phát tốc đồng bộ là có kích thớc và trọng lợng tơng đối nhỏ.

3.2.3 Máy phát tốc một chiều
Máy phát tốc một chiều có cấu trúc và nguyên lý hoạt động nh máy điện một chiều
công suất nhỏ, kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hoặc kích thích độc lập.
Yêu cầu đối với máy phát tốc một chiều là điện áp một chiều có chứa ít thành phần xoay
chiều tần số cao và tỉ lệ với tốc độ động cơ, không bị trễ nhiều về giá trị và dấu so với biến
đổi đại lợng đo. Điện áp một chiều phát ra không phụ thuộc vào tải và nhiệt độ.
Để đảm bảo yêu cầu trên máy phát tốc một chiều phải có từ thông không đổi trong toàn

vùng điều chỉnh tốc độ. Vì vậy phải hạn chế tổn thất mạch từ bằng việc sử dụng vật liệu từ
có từ trễ hẹp và sử dụng lá thép kĩ thuật điện mỏng (hạn chế tổn thất dòng điện xoay).
Nhợc điểm của máy phát tốc một chiều là độ chính xác phụ thuộc vào phụ tải. Mặt khác
nhiệt độ cuộn dây thay đổi ảnh hởng tới điện trở phần ứng máy phát làm điện áp ra của
máy phát thay đổi (do điện áp rơi ở mạch phần ứng thay đổi). Điện áp đầu ra của máy phát
còn bị thay đổi do điện trở của chổi than.
ảnh hởng của phản ứng phần ứng tới hệ số tỷ lệ
(nhất là khi ở vùng tốc độ cao).

3.3 Đo tốc độ bằng xung và số
Máy phát tốc độ xung phát ra Z xung trong 1 vòng quay, tần số xung ra:

=
2
.

Z
f




Hà Ngọc Thắng
Đo tốc độ xung thờng dùng hai loại:
Dùng điện từ
Dùng bán dẫn quang


Hình 4.2: Đo tốc độ xung bằng đầu đo điện từ.

Hình 4.3: Đo tốc độ xung bằng đầu đo quang điện

Để đánh giá chiều quay, ta phải dùng hai đầu đo đặt lệch nhau 90
0
. Nh vậy trên đầu ra
của nó ta nhận đợc hai tín hiệu lệch nhau 90
0
điện.
Để nâng cao độ chính xác ngời ta cần tăng số lợng xung trong một vòng quay. Tuy
nhiên việc tăng số vạch chia để tăng số lợng xung trong một vòng quay sẽ bị
giới hạn bởi độ tác động nhanh của phần tử quang điện hoặc phải tăng kích thớc của đĩa
đo. Nếu hai giới hạn này bị giới hạn ngời ta thiết lập mạch nhân xung để tăng số xung trên
đầu ra.



Hà Ngọc Thắng
Nếu nh trong hệ điều khiển số truyền động điện cần lấy số liệu bằng số tín hiệu tốc độ,
thờng ngời ta dùng máy phát tốc xung sau đó biến đổi ra số và đa vào máy tính.


3.4 Phơng pháp hồi tiếp dòng điện
Trong các hệ thống truyền động tự động cũng nh các hệ chấp hành thì mạch vòng điều
chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong
các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là xác định mômen kéo của động cơ.
Ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc.

3.4.1 Đo dòng điện một chiều có cách ly
Yêu cầu đặt ra cho các bộ đo dòng điện một chiều là ngoài việc đảm bảo về độ chính xác
còn phải đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển. Ngời ta thờng dùng phơng

pháp biến điệu để truyền tín hiệu một chiều từ sơ cấp sang thứ cấp có cách ly bằng biến áp
hoặc phần tử quang điện.
Mạch đo bao gồm khâu biến điện, khâu chỉnh lu nhạy pha, tín hiệu đo đợc sóng
biến điện chuyển qua biến thế. Thông thờng sóng biến điện có tần số cao do vậy
biến thế ở đây dùng lõi ferit nên giảm kích thớc thiết bị. Để nhiễu xoay chiều không
ảnh hởng lớn tới bộ điều chỉnh ta phải chọn tần số dao động lớn hơn mời lần tần số
cơ bản bộ chỉnh lu.
Sơ đồ đo cách ly các đại lợng một chiều dùng bán dẫn quang điện. Gồm mạch
dao động xung tam giác đối xứng, mạch so sánh, mạch truyền xung và mạch tích
phân.



Hà Ngọc Thắng
Hình 4.4: Mạch nguyên lý đo cách ly đại lợng một chiều
Đồ thị biểu diễn quá trình đo đại lợng một chiều bằng bộ biến điện bề rộng xung dùng
khuếch đại thuật toán.
Hình 4.4.Biểu đồ thời gian quá trình đo đại lợng một chiều
3.4.2 Đo dòng xoay chiều



Hà Ngọc Thắng
Sơ đồ đo dòng xoay chiều ba pha đơn giản là dùng biến dòng. Gồm 3 biến dòng lắp ở 3
pha với điện trở tải R
0
.
Hình 4.5: Mạch đo dòng xoay chiều 3 pha
Điện áp sơ cấp biến dòng qua mạch chỉnh lu cầu điôt ba pha, mạch lọc RC lọc thành
phần xoay chiều sau chỉnh lu.

Điện áp đầu ra chỉnh lu.
d1d2
IRU =

trong đó:
2d
I
23
I

=

Trong mạch bố trí R
1
nối tiếp với D
0
phục vụ việc đo tín hiệu dòng điện không U
2I0
. Khi
điôt dẫn U
2I0
= 0,5V.
Hàm truyền cơ cấu đo dòng điện.

I
I
1
I2
I
pTf1

K
)p(I
)p(U
)p(F
+
==

trong đó:
= hệ số tỷ lệ
I
K
iI
RP

: tỉ số biến dòng.
I
P

= RC : hằng số thời gian bộ lọc
I
Tf
Có thể dùng 2 biến dòng để đo dòng điện xoay chiều 3 pha. Tuy nhiên khi dùng đo xoay
chiều sẽ có sai số.



Hà Ngọc Thắng
Sai số tỷ số truyền:
1
12I

1
I
IIP
=

Sai số về pha do I
2
lệch pha so với I
1
. Nếu dùng điện trở tải R
1
càng nhỏ thì sai số càng
nhỏ.
Tuy vậy cần chú ý không dùng mạch đo dòng xoay chiều bằng biến dòng ở tần số thấp.
Mạch đo biến dòng thờng truyền sóng điều hoà bậc cao tốt hơn biến áp. Nếu dùng biến
dòng trên đầu ra của biến tần sẽ có chế độ dòng gián đoạn gây quá áp nên nhất thiết phải
nối điện trở bảo vệ R
0
( R
0
<< R
1
).