Truyền động điện - Bài 6: Đặc tính động của của hệ truyền động điện

Nội dung text: Truyền động điện - Bài 6: Đặc tính động của của hệ truyền động điện

1. Giáo trình: Truyền động điện Bài 6: ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1. Đặc tính động của truyền động điện. Các bài trước đã chú trọng phân tích trạng thái làm việc xác lập của hệ truyền động điện. Đó là trạng thái làm việc của hệ khi momen động cơ cân bằng với momen cản: M = Mc. Khi đó cac thông số tốc độ, momen, dòng điện, của động cơ có giá trị không đổi. Các đặc tính cơ và cơ điện đã xét ở các bài trên đều tương ứng với trạng thái này. Tuy nhiên, các hệ truyền động điện đều có khả năng rơi vào trạng thái mất cân bằng cơ học, khi M ≠ Mc. Thậm chí có những máy sản xuất mà hệ truyền động điện của chúng chủ yếu làm việc ở trạng thái mất cân bằng như truyền động của máy bào giường, máy xúc Hoặc có những loại máy chỉ làm việc ở trạng thái mất cân bằng cơ học như truyền động của búa máy, máy nén pittong Người ta gọi trạng thái này là trạng thái quá độ. Đặc tính cơ trong trạng thái này gọi là đặc tính động của truyền động điện. ω ζmax ± 5% ω xl 0 t Tqđ Hình 6.1: Đặc tính động. * Độ quá điều chỉnh ζmax (ζmax ≤ 40% hoặc có thể nhỏ hơn). * Thời gian quá độ Tqđ (Tqđ càng nhỏ càng tốt). * Số lần dao động n (n = 2†3 là tốt). 2. Quá độ cơ học; quá độ điện – cơ trong hệ truyền động điện. 2.1. Quá độ cơ học: a. Khái niệm: Quá độ cơ học là quá trình quá độ xảy ra khi chỉ xét đến quán tính cơ học của hệ, còn quán tính điện từ được bỏ qua. Độ lớn của quán tính cơ học được đặc trưng bởi đại lượng „hằng số thời gian cơ học‟: Tc = J/β (s). Trong đó, J – momen quán tính của hệ (kgm2); β – độ cứng đặc tính cơ của động cơ hoặc của hệ (N.m.s). Quá trình quá độ cơ học thường được ứng dụng để khảo sát cho các trường hợp sau: + Khởi động, hãm, đảo chiều quay động cơ không đồng bộ lồng sóc bằng cách đóng trực tiếp vào lưới điện hoặc qua điện trở phụ stator. Trong các trường hợp đó, vì điện cảm mạch stator động cơ nhỏ nên quán tính điện từ của động cơ có thể bỏ qua. + Các quá trình quá độ trong các động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ roto dây quấn khi điều khiển bằng điện trở phụ trong các mạch chính như các quá trình khởi động, hãm, đảo chiều, điều chỉnh tốc độ Khi đó, do mạch chính (mạch phần ứng của động cơ một chiều, mạch roto của động cơ không đồng bộ) có điện cảm nhỏ, mặt khác việc dùng GV: Trương Xuân Linh Page 64
2. Giáo trình: Truyền động điện thêm điện trở phụ lại làm tăng điện trở tổng của mạch điện, kết quả là quán tính điện từ trở nên rất nhỏ, vì vậy có thể bỏ qua. Chú ý rằng quá trình quá độ cơ học tuy đơn giản nhưng rất đặc trưng cho truyền động điện. Còn hằng số thời gian cơ học Tc được coi là hằng số có giá trị lớn và luôn luôn được xét đến trong các loại quá trình quá độ. b. Đặc tính quá độ. Ta có phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ cơ học là: (6 - 1) Trong đó: M – momen của động cơ, M = f(ω) Mc – momen cản, Mc = f(ω). Giả sử đặc tính cơ của động cơ là đường thẳng, ta có: M = Mnm – βω (6 - 2) Ta xét trường hợp momen cản không đổi: Mc = const. Thay (6 - 2) vào (6 - 1) ta có: (6 - 3) Với Mnm là momen ngắn mạch của động cơ. – Độ cứng đặc tính cơ. Biến đổi (6 - 3) ta được phương trình vi phân viết cho tốc độ: (6 - 4) Hoặc: (6 - 5) Trong đó đặt: Hằng số thời gian cơ học (6 - 6) Tốc độ xác lập, tức tốc độ làm việc khi kết thúc quá trình quá độ và hệ đạt trạng thái cân bằng mới với M = Mc là: (6 - 7) Nếu biểu thị phương trình đặc tính cơ theo quan hệ ngược với (6 - 2), dạng ω = f(M) rồi lấy đạo hàm dω/đặc tính, thay vào phương trình (6 -1) sau đó biến đổi phương trình ta được phương trình vi phân viết cho momen động cơ với dạng hoàn toàn giống với (6 - 5): (6 -8) GV: Trương Xuân Linh Page 65
3. Giáo trình: Truyền động điện Giải các phương trình (6 - 5) và (6 - 8) với điều kiện ban đầu khi t = 0 → ω = ωbđ và M = Mbđ, ta được nghiệm của chúng là các phương trình đặc tính quá độ: (6 - 9) (6 - 10) Trong đó ta lấy Mxl = Mc (vì coi Mc const) Các phương trình trên cho thấy trong quá trình quá độ cơ học, momen và tốc độ động cơ biến thiên theo thời gian với quy luật hàm mũ từ giá trị ban đầu (Mbđ, ωbđ) cho đến giá trị xác lập (Mxl, ωxl). 5% Mxl Mxl = Mc2 M=f(t) ω =f(t) ωxl 5%ωxl 2.3. Quá độ điện – cơ: 0 tqđ t Hình 6.2: Các đặc tính quá độ M = f(t) và ω = f(t) của quá trình quá độ cơ học a. Khái niệm: Quá độ điện – cơ là quá trình quá độ khi phải xét đến cả quán tính cơ học và quán tính điện từ của mạch điện. Độ lớn của quán tính điện từ được đặc trưng bởi „hằng số thời gian điện từ‟ Tđt và được xác định theo tính chất của mạch điện: Đối với mạch điện cảm: (s) Trong đó: L là điện cảm của mạch (H) R là điện trở của mạch (Ω) Đối với mạch điện dung: Tđt = RC (s) Trong đó C là điện dung của mạch (F) Như vậy trong trường hợp này hệ có hai loại quán tính, tương ứng với hai „kho năng lượng‟. Trong quá trình quá độ, năng lượng sẽ được tích phóng qua lại giữa hai „kho‟ và thường tạo ra những quá trình dao động của các đại lượng dòng điện, momen và tốc độ. Quá trình quá độ điện – cơ được ứng dụng cho các trường hợp khi quá trình đó xảy ra trong các hệ hoặc các mạch có điện cảm lớn, ví dụ khi điều khiển động cơ một chiều bằng cách thay đổi từ thông, điều khiển động cơ xoay chiều bằng điện kháng phụ, các hệ chỉnh lưu – động cơ với các bộ chỉnh lưu có sử dụng bộ biến áp và cuộn kháng lọc Riêng quán tính nhiệt được bỏ qua khi xét các quá trình quá độ trong hệ truyền động. Lý do bỏ qua là vì quán tính này quá lớn so với quán tính điện từ và quán tính cơ học. GV: Trương Xuân Linh Page 66
4. Giáo trình: Truyền động điện b. Đặc tính cơ: Xét quá trình quá độ của trong hệ truyền động điện một chiều có điều khiển bằng điện áp phần ứng. Ta có hai phương trình sau: Đối với mạch điện: (6 - 11) Đối với phần cơ: (6 - 12) Hoặc: (6 - 13) Trong đó, iư = M/KΦ, Ic = Mc/KΦ. Để đơn giản ta giả thiết xét quá trình quá độ không tải. tức coi Ic = 0 và Mc = 0, thay (6 - 13) vào (6 - 11) ta được phương trình vi phân bậc hai mô tả cho quá trình quá độ điện – cơ (viết cho tốc độ): (6 - 14) Và phương trình tương tự viết cho dòng điện: (6 - 15) Trong đó hằng số thời gian điện từ: ; tốc độ xác lập và dòng điện xác lập Ixl ≈ Ic = 0 viết cho trường hợp khởi động không tải. Hình 6.3: Các đặc tính của quá trình quá độ điện cơ Các đặc tính quá độ ω = f(t) và iư = f(t) là nghiệm của các phương trình (5 - 14) và (5 - 15). Nếu Tđt có giá trị không đủ lớn: và nếu Tđt có giá trị đủ lớn: thì đặc tính quá độ có dạng như hình 6.3. GV: Trương Xuân Linh Page 67
5. Giáo trình: Truyền động điện 3. Khởi động hệ truyền động điện, thời gian mở máy. Khởi động hệ truyền động điện hay chính là khởi động động cơ truyền động cho hệ truyền động đó. Trong quá trình khởi động sẽ xảy ra hiện tượng quá độ cơ học. Khi khởi động (mở máy) động cơ, dòng điện mở máy tăng cao, thường từ 5 † 7 lần dòng điện định mức của động cơ. Với động cơ công suất lớn, dòng điện mở máy này làm giảm điện áp lưới điện, ảnh hưởng đến sự làm việc của bình thường của các thiết bị khác cùng trong hệ thống truyền động điện đó. Thời gian mở máy là khoảng thời gian từ khi bắt đầu khởi động hệ đến khi hệ làm việc ổn định. Thời gian mở máy càng nhỏ thì hệ càng nhanh chóng đi vào làm việc, động cơ cũng như các thiết bị khác không bị phát nóng quá mức (do dòng điện tăng cao trong thời gian mở máy). 4. Hãm hệ truyền động điện, thời gian hãm; dừng máy chính xác. 4.1. Hãm hệ truyền động, thời gian hãm. Động cơ đang chạy ở số vòng quay định mức, nếu ta cắt mạch động cơ ra khỏi lưới điện, thì động cơ sẽ dần dần ngừng cho đến lúc đứng yên. Động năng đã tích lũy trong khối chuyển động dần dần tiêu hao do ma sát. Nhưng tổn hao ma sát quá nhỏ, do đó quá trình mà số vòng quay giảm dần dến số không sẽ kéo dài. Rút ngắn thời gian này bằng cách hãm cơ và hãm điện. Truyền động điện có các trạng thái hãm: - Hãm cưỡng bức bằng cơ khí: sử dụng phanh - Hãm điện: hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng. - Hãm dừng tự do. 4.2. Dừng máy chính xác. a. Ý nghĩa của việc dừng chính xác: Ở một số máy có yêu cầu cao về độ chính xác dừng máy, ví dụ các máy khoan, doa, phay chuyên dùng các bộ phận làm việc như bàn dao, bàn máy phải dừng đúng vị trí yêu cầu (với lượng sai số cho phép) để đảm bảo chất lượng gia công và năng suất. Ở thang máy, máy nâng yêu cầu buồng máy phải dừng đúng sàn tầng hoặc các mặt bằng lấy tải, tháo tải. Độ chính xác dừng máy của những máy này không những ảnh hưởng tới năng suất chất lượng công việc mà còn ảnh hưởng tới an toàn của người và máy. b. Các biện pháp nâng cao độ chính xác dừng máy. Độ chính xác dừng máy sẽ tăng nếu ta sử dụng một số biện pháp sau đây: . Giảm thời gian tác động: Để giảm thời gian tác động của mạch khống chế người ta sử dụng các khí cụ tác động nhanh và thiết kế các sơ đồ khống chế tối giản có số lượng các khí cụ tác động nối tiếp tối thiểu. . Tăng lực hãm: Dùng các phương pháp hãm cưỡng bức: hãm cơ khí, hãm điện. . Giảm momen quán tính và khối lượng. . Giảm vận tốc ban đầu. . Giảm điện áp phần ứng động cơ một chiều. . Giảm từ thông động cơ một chiều. . Sử dụng điện trở phụ. . Thay đổi sơ đồ đấu dây động cơ không đồng bộ. GV: Trương Xuân Linh Page 68
6. Giáo trình: Truyền động điện CÂU HỎI ÔN TẬP. Câu 1: Phương trình cơ bản để tính toán quá trình quá độ cơ học là phương trình nào? Viết phương trình và giải thích các đại lượng trong phương trình. Các đại lượng nào được coi là cho trước và chúng được lấy từ đâu? Có thể đơn giản hóa phương trình này như thế nào? Câu 2: Dạng chung của các đặc tính quá độ cơ học như ω = f(t), M = f(t) như thế nào? Viết phương trình và vẽ đường cong các đặc tính đó, phân tích ý nghĩa hằng số thời gian cơ học của hệ. Câu 3: Định nghĩa quá trình quá độ điện – cơ. Lấy một vài ví dụ về quá trình quá độ điện – cơ trong các hệ truyền động điện. GV: Trương Xuân Linh Page 69
7. Giáo trình: Truyền động điện BÀI 7: CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1. Phương pháp chọn động cơ truyền động cho tải theo nguyên lý phát nhiệt. 1.1. Mục đích của việc tính toán công suất động cơ. Nguồn động lực trong một hệ thống truyền động điện là động cơ điện. Các yêu cầu kỹ thuật, độ tin cậy trong quá trình làm việc và tính kinh tế của hệ thống truyền động điện phụ thuộc chính vào sự lựa chọn đúng động cơ điện và phương pháp điều khiển động cơ. Chọn một động cơ điện cho một hệ thống truyền động điện bao gồm nhiều tiêu chuẩn phải đáp ứng: Động cơ phải có đủ công suất kéo. Tốc độ phù hợp và đáp ứng được phạm vi điều chỉnh tốc độ với một phương pháp điều chỉnh thích hợp. Thỏa mãn các yêu cầu mở máy và hãm điện. Phù hợp với nguồn điện năng sử dụng (loại dòng điện, cấp điện áp ). Thích hợp với điều kiện làm việc (điều kiện thông thoáng, nhiệt độ, độ ẩm, khí độc hại, bụi bặm, ngoài trời hay trong nhà ). Việc chọn đúng công suất động cơ có ý nghĩa rất lớn đối với hệ truyền động điện. Nếu nâng cao công suất động cơ chọn so với phụ tải thì động cơ sẽ kéo dễ dàng nhưng giá thành đầu tư tăng cao, hiệu suất kém và làm tụt hệ số công suất cosθ của lưới điện do động cơ chạy non tải. Ngược lại nếu chọn công suất động cơ nhỏ hơn công suất tải yêu cầu thì động cơ hoặc không kéo nổi tải hay kéo tải một cách nặng nề, dẫn tới các cuộn dây bị phát nóng quá mức, làm giảm tuổi thọ động cơ hoặc làm động cơ bị cháy hỏng nhanh chóng. Việc tính công suất động cơ cho một hệ truyền động điện phải dựa vào sự phát nóng các phần tử trong động cơ, đặc biệt là các cuộn dây. Muốn vậy, tính công suất động cơ phải dựa vào đặc tính phụ tải và các quy luật phân bố phụ tải theo thời gian. Động cơ được chọn đúng công suất thì khi làm việc bình thường cũng như khi quá tải ở mức cho phép, nhiệt độ động cơ không được tăng quá trị số giới hạn cho phép ηcp. 1.2. Sự phát nóng và nguội lạnh của động cơ điện. Khi máy điện làm việc, phát sinh các tổn thất ∆P và tổn thất năng lượng . Tổn thất này sẽ đốt nóng máy điện. Đối với vật thể đồng nhất, ta có quan hệ: ∆Pdt = Cdη + Aηdt (7 - 1) Trong đó: η là nhiệt sai giữa máy điện và môi trường (0C) C là nhiệt dung của máy điện, là nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của máy điện lên 10C (J/độ). A là hệ số tỏa nhiệt (W/độ) phụ thuộc vào tốc độ truyền nhiệt của không khí làm mát máy điện (ở máy điện có quạt làm mát, hệ số A phụ thuộc vào tốc độ quay). Giải phương trình ta nhận được: GV: Trương Xuân Linh Page 70
8. Giáo trình: Truyền động điện (7 - 2) Trong đó: η là nhiệt sai ban đầu của động cơ ứng với khi t = 0. ηođ là nhiệt sai ổn định của động cơ ứng với khi t = ∞. (7 - 3) Tn là hằng số thời gian phát nóng của động cơ. (7 - 4) Như vậy giả sử ban đầu động cơ làm việc ổn định với phụ tải nhỏ là Pc1, ứng với tổn thất công suất (nhỏ) ∆P1 và nhiệt sai làm việc ổn định là η1 = ∆P1/A. Nếu ta tăng phụ tải động cơ lên giá trị Pc2 (Pc2 > Pc1) thì tổn thất công suất trong động cơ tăng lên ∆P2, tương ứng với nhiệt sai làm việc ổn định là η2 = ∆P2/A. Thay các giá trị ηbđ = η1 và η0đ = ηođ2 vào (7 - 2) ta sẽ được biểu thức của nhiệt sai η = f(t) trong quá trình tăng nhiệt của động cơ, theo đó ta vẽ được „đường cong phát nóng‟ như trên hình 7.1a a) b) Hình 7.1: Đường cong phát nóng (a) và nguội lạnh của động cơ (b). Ngược lại, giả sử động cơ đang làm việc với tải Pc2, tương ứng với nhiệt sai là η2 = η0đ2, nếu ta giảm phụ tải xuống Pc1, thì nhiệt sai của nó sẽ giảm từ giá trị ban đầu ηbđ = η2 = η0đ2 xuống giá trị ổn định . Thay ηbđ = η2 = η0đ2 và η0đ = η0đ1 vào biểu thức (7 - 2) ta sẽ nhận được biểu thức tính nhiệt sai η = f(t) trong quá trình giảm nhiệt của động cơ, và theo đó ta được „đường cong nguội lạnh‟ như trên hình 7.1b Biểu thức (7 - 2) cho thấy thời gian thay đổi nhiệt độ của động cơ phụ thuộc vào hằng số thời gian phát nóng Tn. Về lý thuyết, động cơ đạt đến nhiệt sai ổn định η0đ khi thòi gian tiến đến vô cùng (t→∞). Nhưng thực tế khi nhiệt sai đạt đến 95 % η0đ người ta coi như đã ổn định, tương ứng ta có thời gian phát nóng của động cơ là: (7 -5) Động cơ càng lớn, Tn càng lớn và tpn càng lâu. Ngoài ra, Tn còn phụ thuộc vào điều kiện làm mát của động cơ và kiểu vỏ bảo vệ. Đối với loại động cơ tự quạt mát, Tn còn phụ GV: Trương Xuân Linh Page 71
9. Giáo trình: Truyền động điện thuộc vào tốc độ làm việc. Sau đây là giá trị của một số loại động cơ: . Động cơ nhỏ, kiểu hở: Tn ≈ 5 † 20 phút . Động cơ công suất trung bình, kiểu hở, quạt gió ngoài: Tn ≈ 20 † 40 phút. . Động cơ công suất lớn, kiểu hở, quạt gió ngoài: Tn ≈ 30 † 50 phút. . Động cơ kiểu kín, làm mát bề mặt: Tn ≈ 50 † 120 phút. 1.3. Các chế độ làm việc của động cơ. Căn cứ vào đặc tính phát nóng và nguội lạnh của máy điện, người ta chia chế độ làm việc của truyền động thành 3 loại: Dài hạn, ngắn hạn và ngắn hạn lặp lại. a) Chế độ dài hạn: Do phụ tải duy trì trong thời gian dài, cho nên nhiệt độ của động cơ đủ thời gian đạt tới trị số ổn định. b) Chế độ ngắn hạn: Do phụ tải duy trì trong thời gian ngắn, thời gian nghỉ dài, cho nên nhiệt độ động cơ chưa kịp đạt tới giá trị ổn định và nhiệt độ động cơ sẽ giảm về giá trị ban đầu. c) Chế độ ngắn hạn lặp lại: Phụ tải làm việc có tính chất chu kỳ, thời gian làm việc và thời gian nghỉ xen kẽ nhau. Nhiệt độ động cơ chưa kịp tăng đến trị số ổn định thì được giảm do mất tải, và khi nhiệt độ động cơ suy giảm chưa kịp về giá trị ban đầu thì lại tăng lên do có tải. Do vậy người ta đưa ra khái niệm thời gian dùng điện tương đối: (7 - 6) Trong đó: là thời gian làm việc có tải. là thời gian của một chu kỳ. P P P Pc Pc Pc Pc Pc η ηođ η ođ ođ η η η t t t tlv t a) lv t0 c) b) tck Hình 6.2: Đồ thị phụ tải và đường cong nhiệt sai ở các chế độ làm việc của động cơ. a): Dài hạn; b) Ngắn hạn; c) Ngắn hạn lặp lại. 2. Chọn công suất động cơ cho truyền động không điều chỉnh tốc độ. Để chọn công suất động cơ, chúng ta cần phải biết đồ thị phụ tải Mc(t) và Pc(t) đó quy đổi về trục động cơ và giá trị tốc độ yêu cầu. Từ biểu đồ phụ tải, ta tính chọn sơ bộ động cơ theo công suất; tra ở trong sổ tay tra cứu ta có đầy đủ tham số của động cơ. Từ đó tiến hành xây dựng đồ thị phụ tải chính xác GV: Trương Xuân Linh Page 72
10. Giáo trình: Truyền động điện Dựa vào đồ thị phụ tải chính xác, tiến hành kiểm nghiệm động cơ đã chọn. 2.1. Chọn công suất động cơ làm việc dài hạn. Đối với phụ tải dài hạn có loại không đổi và loại biến đổi. a. Phụ tải dài hạn không đổi: Động cơ cần chọn phải có công suất định mức Pđm ≥ Pc và ωđm phù hợp với tốc độ yêu cầu. Thông thường Pđm = (1÷1,3)Pc. Trong trường hợp này việc kiểm nghiệm động cơ đơn giản: Không cần kiểm nghiệm quá tải về momen, nhưng cần phải kiểm nghiệm điều kiện khởi động và phát nóng. b. Phụ tải dài hạn biến đổi: Để chọn được động cơ phải xuất phát từ đồ thị phụ tải tính ra giá trị trung bình của momen hoặc công suất. (7 - 7) (7 - 8) Động cơ chọn phải có: Mđm = (1÷1,3)Mtb hoặc Pđm = (1÷1,3)Ptb. Điều kiện kiểm nghiệm: kiểm nghiệm phát nóng, quá tải về momen và khởi động. 2.2. Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn Trong chế độ làm việc ngắn hạn có thể sử dụng động cơ dài hạn hoặc sử dụng động cơ chuyên dùng cho chế độ làm việc ngắn hạn. a. Chọn động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn: Trong trường hợp không có động cơ chuyên dụng cho chế độ ngắn hạn, ta có thể chọn các động cơ thông thường chạy dài hạn để làm việc trong chế độ ngắn hạn. Nếu chọn động cơ dài hạn theo phương pháp thông thường có Pđm = (1÷1,3)Pc thì khi làm việc ngắn hạn trong khoảng thời gian tlv nhiệt độ động cơ mới tăng tới nhiệt độ η1 đó nghỉ làm việc và sau đó hạ nhiệt độ đến nhiệt độ môi trường ηmt. Rõ ràng việc này gây lãng phí và không tận dụng hết khả năng chịu nhiệt (tới nhiệt độ ) của động cơ. Vì vậy khi dùng động cơ dài hạn để làm việc ở chế độ ngắn hạn, cần chọn công suất động cơ nhỏ hơn để động cơ phải làm việc quá tải trong thời gian dùng điện tlv. Động cơ sẽ tăng nhiệt độ nhanh hơn nhưng khi kết thúc thời gian làm việc, nhiệt độ của động cơ không được quá nhiệt độ ηôđ cho phép. Nếu phụ tải biến đổi như trên hình 7.3 thì giá trị của momen có thể tính bằng công thức đẳng trị: (7 - 9) GV: Trương Xuân Linh Page 73
11. Giáo trình: Truyền động điện Hình 7.3: Đồ thị phụ tải ngắn hạn biến đổi Như vậy, để chọn công suất động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn ta phải dựa vào công suất làm việc yêu cầu Plv và giả thiết hệ số quá tải công suất x để chọn sơ bộ công suất động cơ dài hạn (Plv = x.Pđm hay Mlv = x.Mđm). Từ đó có thể xác định được thời gian làm việc cho phép của động cơ vừa chọn. Việc tính chọn đó được lập lại nhiều lần làm sao cho tlv tính toán ≤ tlv yêu cầu. b. Chọn động cơ ngắn hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn: Động cơ ngắn hạn được chế tạo có thời gian làm việc tiêu chuẩn là 15, 30, 60, 90 phút. Như vậy ta phải chọn tlv = tchuẩn và công suất động cơ Pđm chọn ≥ Plv hay Mđm chọn ≥ Mlv. Nếu tlv ≠ tchuẩn thì sơ bộ chọn động cơ có tchuẩn và Pđm gần với giá trị tlv và Plv. Sau đó xác định tổn thất động cơ ∆Pđm với công suất và ∆Plv với Plv. Quy tắc chọn động cơ là: Đồng thời tiến hành kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện quá tải về momen và momen khởi động cũng như điều kiện phát nóng. 2.3. Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn lặp lại. Cũng tương tự như trong trường hợp phụ tải ngắn hạn, ta có thể chọn động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại, hoặc chọn động cơ chuyên dụng ngắn hạn lặp lại. Động cơ ngắn hạn lặp lại, được chế tạo chuyên dùng có độ bền cơ khí cao, quán tính nhỏ (để đảm bảo chế độ khởi động và hãm thường xuyên) và khả năng quá tải lớn (từ 2,5†3,5). Đồng thời được chế tạo chuẩn với thời gian dùng điện ε% = 15%, 25%, 40% và 60%. Động cơ được chọn cần đảm bảo 2 tham số: Pđm chọn ≥ Plv ε%đm chọn phù hợp với ε% làm việc. GV: Trương Xuân Linh Page 74
12. Giáo trình: Truyền động điện Trong trường hợp εlv% không phù hợp với ε%đm chọn thì cần hiệu chỉnh lại công suất định mức theo công thức: Sau đó phải kiểm tra về momen quá tải, momen khởi động và phát nóng. * Chọn động cơ dài hạn làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại: Trường hợp này, động cơ chạy dài hạn được chọn với công suất nhỏ hơn để tận dụng khả năng chịu nhiệt. Động cơ chạy dài hạn được coi là có thời gian đùng điện tương đối 100% nên công suất động cơ cần chọn sẽ là: 3. Tính chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ. Để tính chọn công suất động cơ trong trường hợp này cần phải biết những yêu cầu cơ bản sau: a) Đặc tính phụ tải Pyc(ω), Myc(ω) và đồ thị phụ tải: Pc(t), Mc(t), ω(t); b) Phạm vi điều chỉnh tốc độ: ωmax và ωmin. c) Loại động cơ (một chiều hoặc xoay chiều) dự định chọn. d) Phương pháp điều chỉnh và bộ biến đổi trong hệ thống truyền động cần phải định hướng xác định trước. Hai yêu cầu trên nhằm xác định những tham số Pycmax và Mycmax. Ví dụ đối với phụ tải truyền động yêu cầu trong phạm vi điều chỉnh, P = hằng số. Ta có công suất yêu cầu cực đại Pmax = Pđm = const, nhưng momen yêu cầu cực đại lại phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh Đối với phụ tải truyền động yêu cầu trong phạm vi điều chỉnh M = const. Ta có công suất yêu cầu cực đại Pmax =Mđm.ωmax. Hai yêu cầu về loại động cơ và loại truyền động có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Nó xác định kích thước công suất lắp đặt truyền động, bởi vì hai yêu cầu này cho biết hiệu suất truyền động và đặc tính điều chỉnh Pđc(ω), Mđc(ω) của truyền động. Thông thường các đặc tính này thường phù hợp với đặc tính phụ tải yêu cầu Pyc(ω), Myc(ω). Tuy vậy, có trường hợp người ta thiết kế hệ truyền động điện có đặc tính điều chỉnh không phù hợp chỉ vì mục đích đơn giản cấu trúc điều chỉnh. Ví dụ: Đối với tải P = const, khi sử dụng động cơ một chiều, phương pháp điều chỉnh thích hợp là điều chỉnh từ thông kích từ. Nhưng ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng thì khi tính chọn công suất động cơ cần phải xét yêu cầu Mmax. Như vậy công GV: Trương Xuân Linh Page 75
13. Giáo trình: Truyền động điện suất động cơ lúc đó không phải là Pđm = Pyc mà là: Như vậy công suất đặt sẽ lớn hơn D lần so với Pyc. Mặt khác việc tính chọn công suất động cơ cũng phụ thuộc vào phương pháp điều chỉnh tốc độ, ví dụ cùng một loại động cơ như động cơ không đồng bộ, mỗi phương pháp điều chỉnh khác nhau có đặc tính hiệu suất truyền động khác nhau, phương pháp điều chỉnh điện áp dùng Thyristor có hiệu suất thấp so với phương pháp điều chỉnh tần số dùng bộ biến đổi Thyristor. Vì vậy khi tính chọn công suất động cơ bắt buộc phải xét tới tổn thất công suất ∆P và tiêu thụ công suất phản kháng Q trong suốt dải điều chỉnh. Do vậy, việc tính chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ cần gắn với một hệ truyền động điện cho trước để có đầy đủ các yêu cầu cơ bản cho việc tính chọn. 4. Kiểm nghiệm công suất động cơ. Việc tính chọn công suất động cơ ở các phần trên được coi là giai đoạn chọn sơ bộ ban đầu. Để khẳng định chắc chắn việc tính chọn đó là chấp nhận được ta cần kiểm nghiệm lại việc tính chọn đó. Yêu cầu về kiểm nghiệm việc tính chọn công suất động cơ gồm có: - Kiểm nghiệm phát nóng: ηmax ≤ ηcf - Kiểm nghiệm quá tải về momen: Mđm.đcơ > Mcma - Kiểm nghiệm momen khởi động: Mkđ.đcơ ≥ Mc mở máy Ta thấy rằng việc kiểm nghiệm theo yêu cầu quá tải về momen và momen khởi động có thể thực hiện dễ dàng. Riêng về yêu cầu kiểm nghiệm phát nóng là khó khăn, không thể tính toán phát nóng động cơ một cách chính xác được (vì tính toán phát nóng của động cơ là bài toán phức tạp). Bài tập: 1. Hãy xác định công suất động cơ kéo một máy sản xuất có đồ thị phụ tải sau: Hệ thống yêu cầu tốc độ bằng 1450 vòng/ phút. t (s) 20 10 30 30 6 Mc (Nm) 40 90 40 70 120 Giải: - Momen đẳng trị được tính theo công thức (6 - 9) - Công suất phụ tải yêu cầu: - Vậy ta chọn động cơ có công suất: Pđm = 10 KW, nđm = 1420 vòng/ phút, λ = 2,2. GV: Trương Xuân Linh Page 76
14. Giáo trình: Truyền động điện → - Vậy điều kiện phát nóng được thỏa mãn: Mđm > Mđt. - Kiểm tra khả năng quá tải: - Từ đồ thị phụ tải ta có: Mmax = 120 Nm Mđt (77 > 74) → Vậy điều kiện phát nóng được thỏa mãn. - Kiểm tra điều kiện quá tải: - Từ đồ thị phụ tải ta có: Mmax = 140 Nm < 169,4 Nm. → Vậy khả năng quá tải của động cơ được chọn là thõa mãn. - Kết luận: Động cơ được chọn thỏa mãn yêu cầu của phụ tải đề ra. GV: Trương Xuân Linh Page 77
15. Giáo trình: Truyền động điện CÂU HỎI ÔN TẬP: Câu 1. Đối với động cơ điện có máy chế độ làm việc? Đặc điểm làm việc của động cơ ở từng chế độ đó? Đồ thị phụ tải của từng loại chế độ. Câu 2. Các bước tính chọn công suất động cơ ở chế độ dài hạn, chế độ ngắn hạn, chế độ ngắn hạn lặp lại. Câu 3. Cho đồ thị phụ tải tĩnh của một máy sản xuất có các tham số sau: t (s) 15 6 20 10 15 8 5 40 Mc (Nm) 240 140 0 190 0 260 100 0 - Dùng cho động cơ dài hạn có Pđm = 10 KW, nđm = 750 vòng/ phút, Uđm = 220/380 V kéo phụ tải ở chế độ định mức. - Hãy kiểm tra công suất động cơ trên. Câu 4. Hãy xác định công suất động cơ nâng hàng trong cầu trục có đồ thị phụ tải như sau: Tốc độ yêu cầu bằng 720 vòng / phút, bỏ quả tổn hao trong khâu truyền lực. t (s) 12 4 20 10 25 15 8 5 40 Mc (Nm) 250 150 0 200 70 0 270 100 0 - GV: Trương Xuân Linh Page 78
16. Giáo trình: Truyền động điện Bài 8: BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM 1. Khái quát chung về bộ khởi động mềm Với các động cơ có công suất tương đối lớn thì việc khởi động bằng các phương pháp làm giảm dòng khởi động có ý nghĩa rất lớn đến chất lượng nguồn cung cấp nói chung và động cơ nói riêng. Một trong những biện pháp đó là sử dụng bộ khởi động mềm: - Khởi động mềm nhằm giảm dòng khởi động cho động cơ và tránh hư hỏng các bộ phận cơ khí đáng tiếc, ngoài ra khi sử dụng khởi động mềm tránh sụt áp cho nhà máy khi khởi động tải. - Ngoài ra hiện nay hầu như tất cả các khởi động mềm điều có tích hợp sẵn các chức năng bảo vệ động cơ - Thông thường thì động cơ lớn hơn 15kw là phải sử dụng một phương pháp khởi động, nhưng hiện nay đa phần chọn khởi động mềm là cách tối ưu, cũng có thể sử dụng khởi động mềm cho tải nhỏ hơn 15kw khi yêu cầu bảo vệ phần cơ khí tránh hư hỏng. - Ưu điểm của khởi động mềm là hơn hẳn các phương pháp khởi động cổ điển, chỉnh tốc độ động cơ khi khởi động rất mịn và êm và giá thành thì cũng phù hợp cho các nhà máy sản xuất. Phương pháp tối ưu hiện nay là dùng bộ khởi động mềm để hạn chế dòng điện khởi động, đồng thời điều chỉnh tăng mô men mở máy một cách hợp lý, vì vậy các chi tiết của động cơ chịu độ dồn nén về cơ khí ít hơn, tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động cơ và còn làm cho điện áp nguồn ổn định hơn không gây ảnh hưởng. Ứng dụng thường thấy của bộ khởi động mềm đó là: - Ứng dụng khởi động mềm trong khai thác và tuyển than - Ứng dụng khởi động mềm trong trung áp nhà máy xi măng - Ứng dụng khởi động mềm trong bơm - Ứng dụng khởi động mềm trong quạt và máy có quán tính cao (máy nén, băng tải, máy dệt, thang máy) - Ứng dụng khởi động mềm cho xe chở nguyên liệu. 2. Khởi động và dừng mềm Mạch lực của bộ khởi động mềm gồm 3 cặp thyristor đấu song song ngược cho 3 pha. Vì mômen động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp, dòng điện tỷ lệ với điện áp nên mômen gia tốc và dòng điện khởi động được hạn chế thông qua điều chỉnh trị số GV: Trương Xuân Linh Page 79
17. Giáo trình: Truyền động điện hiệu dụng của điện áp. Như vậy, hoạt động của bộ khởi động mềm hoàn toàn dựa trên việc điều khiển điện áp khi khởi động và dừng, tức là chỉ có trị số hiệu dụng của điện áp là thay đổi Dạng khởi động mềm đơn giản nhất hình 7-1 là hàm thoai thoải (ramp) điện áp, bộ khởi động mềm điều khiển việc tăng áp tuyến tính từ giá trị ban đầu xác định ( có thể điều chỉnh được từ 20 đến 100% điện áp nguồn) tới điện áp lưới sau khoảng thời gian đặt. Khi dừng, không nên cắt trực tiếp các động cơ có mômen quán tính nhỏ như băng truyền, thang máy, máy nâng để đảm bảo không nguy hiểm cho người và thiết bị được chuyên chở, hay máy cuốn chỉ khi dừng đột ngột có thể làm đứt chỉ, kẹt sản phẩm. Nhờ chức năng dừng mềm mà điện áp động cơ được giảm từ từ trong khoảng từ 1 đến 20s tùy thuộc yêu cầu. Điệp áp ban đầu cho dừng mềm Ustop = 0,9UN và điện áp cuối quá trình vào khoảng 0,85 điện áp ban đầu. Thời gian ramp điện áp tới 1000s cùng điện áp ban đầu và cuối quá trình dừng mềm đặt theo chương trình. Như vậy, thực chất dừng mềm là cố ý kéo dài quá trình dừng bằng cách giảm từ từ điện áp nguồn cung cấp vào động cơ. Nếu trong quá trình dừng mà có lệnh khởi động, thì quá trình dừng này lập tức bị hủy bỏ và động cơ được khởi động trở lại. 3. Một số bộ khởi động mềm thực tế 3.1. Bộ khởi động mềm AST Bộ khởi động mềm AST sử dụng bộ điều khiển kỹ thuật số, được Công ty Cổ phần cơ điện tử ASO chế tạo trên cơ sở những linh kiện điện tử nhập khẩu từ các nước G7. Bộ khởi động AST thích hợp cho hệ thống Bypass (Chạy động cơ qua khởi động từ, không sử dụng AST) và đặt chế độ tự động Bypass. Do vậy sau thời gian khởi động mềm, thiết bị AST sẽ tự động chuyển sang hệ thống Bypass. Thiết bị vẫn có đầy đủ các chức năng bảo vệ cho động cơ. Chức năng điều khiển: - Điều khiển quá trình khởi động mềm và dừng mềm theo các tham số cài đạt. - Cài đặt các tham số bằng phím mềm và hiển thị bằng màn hình LED. - Điều chỉnh điện áp khởi động bằng bộ biến đổi xoay chiều – xoay chiều, dùng Thysistor. GV: Trương Xuân Linh Page 80
18. Giáo trình: Truyền động điện Chức năng bảo vệ: AST có đầy đủ chức năng bảo vệ cần thiết, như: Quá dòng cắt nhanh, quá dòng có thời gian, quá dòng pha, mất pha, ngược pha. AST còn có thể duy trì các chức năng bảo vệ này ngay cả ở chế độ Bypass. Đây là một trong những đặc trưng rất quan trọng của AST. Khởi động mềm ATS 22 - Hãng Sản Xuất : Schneider - Bộ khởi động và dừng mềm, từ 7.5A đến 315 KW - Tích hợp nhiều chức năng và giao thức truyền thông. - Điện áp cung cấp: 220VAC đến 415VAC. - Bảo vệ máy: Không tải, quá tải với ngưỡng và thời gian có thể điều chỉnh được, kẹt roto, kiểm soát chiều quay . - Ứng dụng: Bơm, quạt, máy nén khí Khởi động mềm ATS 01 - Hãng Sản Xuất : Schneider - Bộ khởi động và dừng mềm, từ 3A đến 85A - Điện áp cung cấp: 230VAC đến 415VAC - Ứng dụng: Quạt, máy nén nhỏ, băng tải, Hình 8-6. Bộ khởi động mềm AST 01 và sơ đồ nguyên lý đấu dây GV: Trương Xuân Linh Page 81
19. Giáo trình: Truyền động điện 3.2. Bộ khởi động mềm NJR2 - Hãng Sản Xuất : CHINT - Bộ khởi động và dừng mềm, từ 15A đến 579A - Tích hợp nhiều chức năng và giao thức truyền thông cơ bản. - Điện áp cung cấp: 380VAC - Bảo vệ máy: Không tải, quá tải với ngưỡng và thời gian có thể điều chỉnh được, kẹt roto, kiểm soát chiều quay - Ứng dụng: Băng tải, máy nghiền, GV: Trương Xuân Linh Page 82
20. Giáo trình: Truyền động điện Bài 9: BỘ BIẾN TẦN 1. Giới thiệu chung về biến tần 1.1. Biến tần là gì? Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được. 1.2 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ. Hình 9-1. Sơ đồ nguyên lý biến tần Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp - tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp. Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống. Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA 1.3. Mục đích ứng dụng biến tần a) Bảo vệ động cơ khỏi mài mòn cơ khí: Khi khởi động động cơ trực tiếp từ lưới điện, vấn đề shock và hao mòn cơ khí là không thể kiểm soát. Biến tần giúp khởi động êm động cơ, dù cho quá trình khởi động-ngắt động cơ diễn ra liên tục, hạn chế tối đa hao mòn cơ khí. GV: Trương Xuân Linh Page 83
21. Giáo trình: Truyền động điện b) Tiết kiệm điện, bảo vệ các thiết bị điện trong cùng hệ thống: Khi khởi động trực tiếp, dòng khởi động lớn gấp nhiều lần so với dòng định mức, làm cho lượng điện tiêu thụ tăng vọt. Biến tần không chỉ giúp khởi động êm, mà còn làm cho dòng khởi động thấp hơn dòng định mức, tiết kiệm lượng điệnở thời điểm này. Đồng thời, không gây sụt áp (thậm chí gây hư hỏng) cho các thiết bị điện khác trong cùng hệ thống. Ngoài ra đối với tải bơm, quạt, máy nén khí hoặc những ứng dụng khác cần điều khiển lưu lượng/áp suất, biến tần sẽ giúp ngừng động cơ ở chế độ không tải, từ đó tiết kiệm tối đa lượng điện năng tiêu thụ. c) Đáp ứng yêu cầu công nghệ: Đối với các ứng dụng cần đồng bộ tốc độ, như ngành giấy, dệt, bao bì nhựa, in, thép, hoặc ứng dụng cần điều khiển lưu lượng hoặc áp suất, như ngành nước, khí nén hoặc ứng dụng như cẩu trục, thang máy Việc sử dụngbiến tần là điều tất yếu, đáp ứng được yêu cầu về công nghệ, cải thiện năng suất. d) Tăng năng suất sản xuất. Đối với nhiều ứng dụng, như ngành dệt, nhuộm, nhựa việc sử dụng biến tần sẽ làm năng suất tăng lên so với khi sửdụng nguồn trực tiếp, giúp loại bỏ được một số phụ kiện cồng kềnh, kém hiệu quả như puli, motor rùa (motor phụ) 2. Biến tần Omron 3G3 MV 2.1. Các phím chức năng Hiển thị Tên Mổ tả chức năng Hiển thị các dữ liệu liên quan, như tần số chuẩn, Hiển thị dữ liệu tần số ra, và các giá trị đặt cho các thông số Núm chỉnh tần số Đặt tần số chuẩn trong khoảng từ 0Hz đến tần số tối đa Đèn báo tần số Tần số chuẩn có thể được theo dõi hay đặt trong khi đèn này sáng FREF Đèn báo tần số ra Tần số ra của biến tần có thể được theo dõi khi đèn này đang sáng FOUT Đèn báo dòng ra Dòng điện ra của biến tần có thể được theo dõi khi đèn này đang sáng IOUT GV: Trương Xuân Linh Page 84
22. Giáo trình: Truyền động điện Đèn báo MNTR Các giá trị đặt trong các thông số U01 đến U10 có thể được theo dõi khi đèn này đang sáng Đèn báo chế độ Có thể lựa chọn hoạt động của biến tần theo bộ tại chỗ/từ xa giao diện hay bằng các thông số thiết lập khi đèn LO/RE này đang sáng Chú ý: Trạng thái của đèn này chỉ có thể được theo dõi trong khi biến tần đang hoạt động. Bất kỳ đầu vào lệnh RUN nào đều sẽ bị bỏ qua trong khi đèn này đang sáng Đèn báo chiều Có thể lựa chọn chiều quay khi quay thuận nghịch đèn này đang sáng khi thao tác với biến tần bằng F/R nút RUN Đèn báo chế độ Các thông số từ n01 đến n79 có thể được theo dõi PRGM khi đèn này đang sáng Chú ý: Các thông số chỉ có thể được theo dõi và chỉ một số là có thể thay đổi được trong khi biến tần đang hoạt động. Bất kỳ đầu vào lệnh RUN nào đều sẽ bị bỏ Nút chế độ MODE Chuyển giữa các đèn chỉ thị mục lựa chọn theo thứ tự. Thông số đang được đặt sẽ bị bãi bỏ nếu phím này được nhấn trước khi nhập thông số Nút tăng Tăng số theo dõi thông số, số của thông số và các giá trị đặt Nút giảm Giảm số theo dõi thông số, số của thông số và các giá trị đặt Nút Enter Chấp nhận số theo dõi thông số, số của thông số và các giá trị bên trong sau khi chúng đã được đặt hay thay đổi Nút chạy RUN Chạy biến tần khi biến tần đang hoạt động với bộ giao diện Nút Stop/Reset Dừng biến tần trừ khi thông số n06 được đặt để cấm nút Stop. Cũng làm chức năng như một phím reset khi có lỗi với biến tần. Chú ý: Vì lý do an toàn, việc reset sẽ không hoạt động trong khi lệnh RUN (quay thuận hay nghịch) đang có hiệu lực. Hãy chờ đến khi lệnh RUN là OFF trước khi reset biến tần. 2.2. Các cổng vào/ra và cách kết nối Ký hiệu Tên Chức năng Mức tín hiệu S1 Quay Quay thuận ở Photocoupler 8 mA ở 24 V DC Input thuận/Dừng ON, dừng ở OFF Chú ý: NPN là thiết lập mặc định. GV: Trương Xuân Linh Page 85
23. Giáo trình: Truyền động điện (đầu S2 Đầu vào đa chức nối chúng bằng cách tạo một đất vào) năng 1 (S2) chung. Không cần nguồn ngoài. Để S3 Đầu vào đa chức cung cấp nguồn ngoài và nối các năng 1 (S3) đầu nối qua dây dương chung, hãy đặt SW7 về PNP và nguồn cấp ở S5 Đầu vào đa chức năng 4 (S5) 24 V DC ±10%. S6 Đầu vào đa chức năng 1 (S6) S7 Đầu vào đa chức năng 1 (S7) SC Đầu vào chung Chung cho S1 logic trình tự đến S9 FS Nguồn cấp cho Nguồn cấp DC 20 mA ở 12 V DC tần số chuẩn cho tần số chuẩn FR Đầu vào tần số Đầu vào tần số 0 to 10 V DC chuẩn chuẩn (trở kháng vào: 20 kΩ) Đầu nối chung Đầu nối chung FC cho đầu vào tần cho đầu vào tần số chuẩn số chuẩn Tần số đáp ứng: 0-36KHz (30%-70% ED) Đầu vào xung RP H: 3,5-13.2V L: 0,8V Max (trở kháng đầu vào 2,24 (kΩ) 1 Đầu vào áp analog đa chức Điện áp vào (giữa đầu 1 và 2 Đầu vào dòng 3): 0-10VDC CN2 analog đa chức Dòng điện vào (giữa đầu 2 và 3 Đầu vào analog 3): 4-20mA đa chức năng MA Đầu ra tiếp điểm Đầu ra rơle đa chức năng 1 A max. ở 30 V DC MB Đầu ra tiếp điểm 1 A max. ở 250 V AC đa chức năng MC Đầu ra chung Chung cho MA tiếp điểm đa và MB chức năng P1 Đầu ra Output photocoupler 1 (lõi) (đầu Đầu ra Đầu ra hở collector 50mA max ở ra) P2 photocoupler 2 48VDC (lõi) PC Đầu ra photocoupler R+ Phía nhận R- RS422/485 S+ Phía gửi GV: Trương Xuân Linh Page 86
24. Giáo trình: Truyền động điện S- AM Đầu ra theo dõi Đầu ra analog: 2 mA max. Ở 0 - 10 analog V DC AC Đầu ra chung Chung cho AM Đầu ra xung (điện áp theo dõi analog ra max: 12VDC) Ví dụ về mạch điều khiển trình tự 3 dây: 2.3. Khảo sát hoạt động của biến tần Omron 3G3MV a) Thiết lập ban đầu: Lựa chọn cấm ghi thông số/đặt giá trị khởi đầu thông số (n01): đặt n01 = 4 sao cho các thông số n01 đến n179 có thể được đặt hay hiển thị. Lựa chọn chế độ điều khiển (n002): chọn chế độ V/f hay vector GV: Trương Xuân Linh Page 87
25. Giáo trình: Truyền động điện Đặt n01 = 4 sao cho các thông số n01 đến n179 có thể được đặt hay hiển thị. N01 Lựa chọn cấm ghi thông số/khởi đầu giá trị Thay đổi khi đang 0 thông số chạy Khoảng 0 đến 11 Đơn vị đặt 1 Giá trị mặc định 1 giá trị đặt Chú ý: Thông số này làm cho có thể cấm ghi các thông số, thay đổi các thông số đặt hay khoảng được hiển thị, hoặc đặt giá trị khởi đầu cho tất cả các thông số về các giá trị mặc định. Giá trị Mô Tả 0 Chỉ n01 có thể được hiển thị và đặt n02 đến n79 chỉ hiển thị 1 N01 đến n49 có thể đặt và hiển thị (các thiết lập nhóm 1) 2 N01 đến n79 có thể đặt và hiển thị (các thiết lập nhóm 1 và 2) 3 N01 đến n119 có thể đặt và hiển thị (các thiết lập nhóm 1 đến 3) 4 N01 đến n179 có thể đặt và hiển thị (các thiết lập nhóm 1 đến 4) 6 Xoá bản ghi lỗi 8 Khởi đầu tất cả các thông số theo logic 2 dây để các thông số sẽ quay về giá trị mặc định 9 Khởi đầu tất cả các thông số theo logic 3 dây 10 Dùng cho logic 2 dây ở Mỹ 11 Dùng cho logic 3 dây ở Mỹ b) Đặt chế độ điều khiển (n02): 3G3MV có thể hoạt động ở chế độ điều khiển V/f hay vector tuỳ theo ứng dụng. Các chế độ này có các đặc tính sau:  Chế độ điều khiển vector: Biến tần khi ở chế độ điều khiển vector sẽ tính toán vector của tình trạng hoạt động của motor. Nhờ đó, có thể tạo ra momen tới 150% định mức ở tần số nhỏ cỡ 1Hz. Điều khiển vector cho phép điều khiển motor mạnh hơn là dùng điều khiển kiểu V/f và cho phép triệt tiêu dao động về tốc độ bất kể tình trạng tải. Thông thường nên đặt ở chế độ này. Để hoạt động biến tần ở chế độ vector, hãy chú ý đặt các thông số sau: n036 (dòng định mức motor), n106 (hệ số trượt định mức của motor ), n107 (điện trở giữa các dây motor ) và n110 (dòng không tải của motor)  Chế độ điều khiển V/f: Chế độ này thuận tiện khi thay thế 1 biến tần thông thường bằng 3G3MV bởi vì biến tần có thể hoạt động mà không cần biết các thông số của motor. Hơn nữa, phải đặt biến tần ở chế độ này nếu biến tần tần phải nối với nhiều hơn 1 motor hay các motor dặc biệt như motor tốc độ cao. GV: Trương Xuân Linh Page 88
26. Giáo trình: Truyền động điện N02 Đặt chế độ điều khiển Thay đổi khi đang 0 chạy Khoảng 0,1 Đơn vị đặt 1 Giá trị mặc định 1 giá trị đặt Giá trị Mô tả 0 Chế độ V/f 1 Chế độ vector Chú ý: 1. Thông số này không được đặt giá trị khởi đầu bằng cách đặt n001 ở giá trị 8, 9, 10 hay 11. Hãy thay đổi thông số n002 trước khi thay đổi chế độ điều khiển 2. Một trong các thông số sau sẽ được đặt giá trị khởi đầu theo chế độ điều khiển được đặt ở thông số này. Giá trị mặc định thay đổi theo chế độ điều khiển. Do vậy, hãy đảm bảo đặt các thông số sau sau khi đặt chế độ điều khiển ở n02. Giá trị đặt Thông số Tên V/f Vector control (Giá trị đặt: 0) (Giá trị đặt: 1) N014 FB 1.5HZ 3HZ N015 VC 12.0 V (24.0 V) 11.0 V (22.0 V) (Xem chú ý 2.) N016 FMIN 1.5HZ 1.0HZ N017 VMIN 12.0 V (24.0 V) 4.3 V (8.6 V) (Xem chú ý 2.) N104 Hằng số thời gian trễ 0.3s 0.2s cấp1 bù mômen N111 Hệ số bù trượt 0.0 1.0 N112 Hằng số thời gian trễ 2.0s 0.2s cấp 1 bù trượt Chú ý: 1. Các giá trị trong ngoặc là cho loại 400V 2. Với các loại biến tần 5,5 và 7,5KW, giá trị này được đặt ở 10V cho loại 200V và 20V cho loại 400V  Dòng định mức motor (n36): Đặt dòng định mức motor (n36) để tránh làm cho motor cháy do quá tải. Thông số này được dùng cho chức năng bảo vệ nhiệt bằng điện tử để phát hiện quá tải của motor (OL1). Bằng cách đặt đúng thông số, motor bị quá tải sẽ được bảo vệ không bị cháy. N36 Dòng định mức motor Thay đổi khi 0 đang chạy GV: Trương Xuân Linh Page 89
27. Giáo trình: Truyền động điện 0.0% - 150% (A) của dòng ra Khoảng Đơn vị đặt 0.1A Giá trị mặc định 1 đặt định mức biến Chú ý: 3. Dòng định mức tiêu chuẩn của motor lớn nhất cho phép được dùng làm dòng định mức mặc định. 4. Chức năng phát hiện quá tải motor (OL1) được cấm bằng cách đặt thông số về 0.0 c) Đặt đường cong V/f (n11 đến n17): Đặt đường cong V/f sao cho momen đầu ra motor được điều chỉnh đến mức momen tải yêu cầu. 3G3MV có sẵn chức năng tăng momen tự động. Do đó một mức tối đa là 150% momen bình thường có thể được đưa ra đầu ra ở tần số 3Hz mà không cần thay đổi thông số mặc định. Hãy kiểm tra trong hoạt động thẻ và giữ nguyên các thông số mặc định nếu không cần phải thay đổi đặc tính momen. Thay đổi khi N11 Tần số max (FMAX) 0 đang chạy 50.0 - 400 (Hz) 0.1 Hz Khoảng Đơn vị đặt Giá trị mặc định 60.0 đặt (Chú ý 1.) Thay đổi khi N12 Điện áp max (VMAX) 0 đang chạy Khoảng 1 - 255 (V) 200 Đơn vị đặt 1V Giá trị mặc định đặt (Chú ý 2.) (400) Thay đổi khi N13 Tần số điện áp max (FA) 0 đang chạy Khoảng 0.2 - 400 (Hz) 60.0 Đơn vị đặt 0.1Hz Giá trị mặc định đặt N14 Tần số ra giữa (FB) Thay đổi khi 0 đang chạy 0.1 – 399,9 (Hz) 0.1 Hz Khoảng Đơn vị đặt Giá trị mặc định 1.5 đặt (Chú ý 1.) N15 Điện áp tần số ra giữa (VC) Thay đổi khi 0 đang chạy Khoảng 1 – 255 (V) [0.1 - 12 Đơn vị đặt 1V Giá trị mặc định đặt 510.0] (Chú ý 2.) N16 Tần số ra min (FMIN) Thay đổi khi 0 đang chạy GV: Trương Xuân Linh Page 90
28. Giáo trình: Truyền động điện Khoảng 0.1 - 10.0 (Hz) 1.5 Đơn vị đặt 0.1Hz Giá trị mặc định đặt N17 Điện áp tần số ra min (VMIN) Thay đổi khi 0 đang chạy Khoảng 1 - 50 (V) [0.1 - 12 Đơn vị đặt 1V Giá trị mặc định đặt 100.0](Chú ý 2.) Chú ý: 1. Các giá trị sẽ được đặt theo đơn vị tăng là 0,1Hz nếu tần số nhỏ hơn100Hz và 1Hz nếu tần số lớn hơn 100Hz. 2. Với loại biến tần 400Hz, các giá trị cho giới hạn trên của dải đặt và giá trị mặc định sẽ bằng 2 lần giá trị cho trong bảng trên hoặc là các con số trong ngoặc. 3. Với các loại 5.5 và 7.5kW, giá trị này được đặt ở 10.0 V cho loại 200V và ở 20.0 V cho loại 400V - Đặt các thông số sao cho thoả mãn điều kiện sau: n016 ≤ n14 < n13 ≤ n11 - Giá trị đặt ở n15 sẽ bị bỏ qua nếu các thông số n14 và n16 là như nhau. - Tải trục đứng hay tải với ma sát trượt lớn có thể yêu cầu momen cao ở tốc độ thấp. Nếu không đủ momen ở tốc độ thấp, hãy tăng điện áp ở dải tốc độ thấp khoảng 1V, với điều kiện là không có qua tải (OL1 hay OL2) được phát hiện. Nếu phát hiện thấy có quá tải, hãy giảm giá trị đặt hay xem xét đến 1 loại biến tần có công suất cao hơn. Mômen yêu cầu của điều khiển quạt hay máy bơm tăng theo tỷ lệ bình phương của vận tốc. Bằng cách đặt 1 đường cong V/f bậc 2 để tăng điện áp ở dải tốc độ thấp, công suất tiêu thụ của hệ thống sẽ tăng lên. c) Đặt chế độ tại chỗ/từ xa: 3G3MV hoạt động ở chế độ tại chỗ hoặc từ xa. Mô tả sau đây cung cấp thông tin về các chế độ này và cách lựa chọn chúng  Khái niệm cơ bản: Chế độ làm việc Hoạt động Mô tả Tại chổ Biến tần hoạt động Lệnh hoạt động: Lựa chọn từ 4 loại và đặt ở theo tín hiệu điều n03 khiển từ bộ điều Tần số chuẩn: Lựa chọn từ 10 loại và đặt ở n04 khiển chủ Từ xa Biến tần hoạt động Lệnh hoạt động: độc lập và có thể khởi động với nút RUN và dừng với nút GV: Trương Xuân Linh Page 91
29. Giáo trình: Truyền động điện được kiểm tra độc Stop/Reset lập Tần số chuẩn: Đặt với bộ giao diện hay núm FREQ. Đặt với lựa chọn tần số chuẩn ở chế độ tại chỗ ở n07   Phương pháp lựa chọn chế độ tại chỗ/từ xa: Trong khi một lệnh điều khiển hoạt động đang được đưa vào biến tần, biến tần không thể được đặt về chế độ tại chỗ từ chế độ từ xa và ngược lại. Chọn chế độ với phím LO/RE ở bộ giao diện Hoặc đặt 1 trong số các đầu vào đa chức năng 1 đến 7 (n50 đến n56) về 17 để chuyển biến tần về chế độ tại chỗ với đầu vào điều khiển bật lên ON. Chú ý: Nếu thiết lập ở trên được thực hiện, lựa chọn chế độ sẽ chỉ có thể thực hiện được với đầu vào đa chức năng, không phải với bộ giao diện hiển thị. Biến tần luôn luôn chuyển sang chế độ từ xa khi nguồn được bật lên ON. Do đó, để điều khiển hoạt động biến tần ngay sau khi bật điện, hãy tạo một lệnh RUN d) Lựa chọn lệnh hoạt động: Mô tả sau đây cung ấp thông tin hướng dẫn cách nhập các lệnh hoạt động để khởi động và dừng biến tần hay đổi chiều quay của biến tần. Có 2 phương pháp để đưa vào lệnh. Hãy lựa chọn 1 phương pháp phù hợp với ứng dụng.  Lựa chọn chế độ hoạt động (n003): Lựa chọn phương pháp cho đầu vào chế độ hoạt động để khởi động và dừng biến tần. Phương pháp sau được cho phép chỉ ở chế độ từ xa. Lệnh có thể được đưa vào qua các nút ở bộ giao diện. Thay đổi khi N03 Lựa chọn chế độ hoạt động 0 đang chạy Khoảng 12 0-3 Đơn vị đặt 1 Giá trị mặc định đặt Giá trị Mô tả 0 Khởi động với nút RUN và dừng với nút Stop/Reset 1 Đầu vào đa chức năng ở logic 2 và 3 dây qua các đầu mạch điều khiển được cho phép 2 Dùng RS422/485 3 Đầu vào từ card tuỳ chọn (Compobus/D) e) Đặt tần số chuẩn: Mô tả sau đây cung ấp thông tin hướng dẫn cách đặt tần số chuẩn của biến tần. Hãy lựa chọn phương pháp tuỳ theo chế độ hoạt động của biến tần. Chế độ từ xa: Lựa chọn và đặt 1 trong 10 tần số chuẩn ở n04 Chế độ tại chỗ: Lựa chọn và đặt 1 trong 2 tần số chuẩn ở n08 GV: Trương Xuân Linh Page 92
30. Giáo trình: Truyền động điện  Lựa chọn tần số chuẩn (n04) ở chế độ từ xa: Lựa chọn phương thức của đầu vào tần số chuẩn ở chế độ từ xa. Có 5 tần số chuẩn ở chế độ từ xa. Chọn 1 trong số các tần số này tuỳ theo ứng dụng: N04 Lựa chọn tần số chuẩn Thay đổi khi đang chạy không Khoảng 0 0-9 Đơn vị đặt giá trị đặt Giá trị Mô tả 0 Cho phép núm chỉnh FREQ (Chú ý 1) 1 Cho phép tần số chuẩn 1 (n24) 2 Cho phép đầu vào điều khiển tần số chuẩn (0 -10 V) (Chú ý 2) 3 Cho phép đầu vào điều khiển tần số chuẩn (4-20mA) (Chú ý 3) 4 Cho phép đầu vào điều khiển tần số chuẩn (0-20mA) (Chú ý 3) 5 Cho phép đầu vào xung 6 Tần số chuẩn (002Hex) bằng truyền tin RS485 7 Cho phép đầu vào áp analog (0-10V). Thiết lập này không nhất thiết phải đặt trừ khi cần có 2 đầu vào analog ở điều khiển PID 8 Cho phép đầu vào dòng analog (4-20mA). Thiết lập này không nhất thiết phải đặt trừ khi cần có 2 đầu vào analog ở điều khiển PID 9 Cho phép đầu vào tần số chuẩn từ card Compobus/D Chú ý: 1. Tần số lớn nhất (FMAX) được đặt khi núm chỉnh FREQ được đặt ở MAX 2. Tần số lớn nhất (FMAX) được đặt với đầu vào 10V 3. Tần số lớn nhất (FMAX) được đặt với đầu vào 20mA, với điều kiện là SW8 ở mạch điều khiển được đặt từ V sang I. 4. Đặt n149 cho thang của đầu vào xung tương đương với tần số max (FMAX). Tần số chuẩn đặt ở n04 làm việc như tần số chuẩn 1 khi biến tần đang ở hoạt động tốc độ nhiều cấp. Các già trị đặt ở n25 đến n31 và từ n120 đến n127 cho tần số chuẩn 2 đến 16 đều được cho phép.  Điều chỉnh đầu vào FR cho tần số chuẩn: Đặt đặc tính đầu vào analog tần số chuẩn ở n60 (cho độ lớn tần số chuẩn) và n61 (cho độ lệch tần số chuẩn) Đặt tần số của đầu vào analog lớn nhất (10V hay 20mA) ở n60 theo phần trăm với tần số lớn nhất là 100%. Đặt tần số của đầu vào analog nhỏ nhất (0V, 0mA hay 4mA) ở n61 theo phân trăm với tần số lớn nhất là 100%. Thay đổi khi N60 Độ lớn tần số chuẩn có đang chạy GV: Trương Xuân Linh Page 93
31. Giáo trình: Truyền động điện Khoảng 12 0 - 255% Đơn vị đặt 1% Giá trị mặc định đặt N61 Độ lệch tần số chuẩn Thay đổi khi có đang chạy Khoảng 12 -99 - 99% Đơn vị đặt 1% Giá trị mặc định đặt 8.2.4. Ứng dụng của biến tần Omron 3G3MV trong công nghiệp Khảo sát mô hình ổn định áp lực bơm nước trong đường ống. Yêu cầu của hệ thống là luôn giữ cho áp suất nước trong đường ống không đổi (bằng với áp suất đặt) cho dù nhu cầu sử dụng ( tải) có thay đổi. Khi tải tăng tức là áp suất sẽ giảm, cảm biến sẽ biết được sự thay đổi lưu lượng nước trong bể chứa tăng và truyền tín hiệu cảm biến về card USB (tín hiệu này là tín hiệu analog 0V-10V). Card USB được lập trình để nhận biết tín hiệu cảm biến truyền về và xử lý sau đó truyền xuống cho biến tần và điều khiển biến tần cho động cơ bơm chạy nhanh hơn cho tới khi đạt được áp suất đặt. Ngược lại, khi tải giảm tức áp suất sẽ giảm thì cảm biến sẽ nhận biết được sự thay đổi lưu lượng nước trong đường ống giảm, card USB sẽ điều khiển biến tần giảm tần số của động cơ bơm xuống cho tới khi đạt được áp suất đặt.  Xây dựng sơ đồ cấu trúc và kết nối biến tần với thiết bị ngoại vi PI - Khâu điều khiển PI BT - Bộ biến đổi tần số ( biến tần) Đ - Động cơ KĐB 3 pha GV: Trương Xuân Linh Page 94
32. Giáo trình: Truyền động điện ĐB - Đầu bơm CB - Cảm biến siêu âm Pđ - Áp lực nước đặt (giá trị mong muốn) PCB - Áp lực nước phản hồi E - Tín hiệu sai lệch giữa áp lực nước đặt Pđ và áp lực nước phản hồi Uđk - Điện áp điều khiển biến tần fđk - Tần số điều khiển động cơ  - Tốc độ động cơ l - Khoảng cách mực nước đến cảm biến ứng với tốc độ  UCB - Điện áp cảm biến phản hồi K1, K2 - Các hệ số khuếch đại Muốn có hệ thống điều khiển chất lượng cao thì bắt buộc phải có phản hồi thông tin, tức phải có đo lường tín hiệu từ đối tượng. Trong mô hình sử dụng nguyên tắc điều khiển theo sai lệch, tín hiệu sai lệch E là hiệu số giữa áp lực nước đặt Pđ và áp lực nước phản hồi được khâu điều khiển PI xử lý rồi cho ra tín hiệu điện áp điều khiển Uđk điều khiển tần số xuất ra của biến tần: E = Pđ – PCB intergal = intergal + E * dt Uđk = KP * E + Ki * intergal trong đó: KP - độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh Ki - độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh t - thời gian hay thời gian tức thời Tốc độ của động cơ và áp suất bể nước phụ thuộc vào tần số phát ra của biến tần. Cảm biến nhận biết độ cao của cột nước ( cũng là áp suất nước: 10m cột nước tương ứng áp suất là 1 bar) xuất ra tín hiệu điện áp phản hồi UCB có giá trì từ 0 đến 10V, thông số này được đưa ra card USB 4711A để xử lý bằng phần mềm C# thông qua luật điều khiển PI như trên. GV: Trương Xuân Linh Page 95
33. Giáo trình: Truyền động điện Bài 10: BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO 1. Động cơ Servo 1.1. Giới thiệu chung Khác với động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở - ta cấp điện để động cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với động cơ bước là động cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được. Việc thiết lập một hệ thống điều khiển để xác định những gì ngăn cản chuyển động quay của động cơ hoặc làm động cơ không quay cũng không dễ dàng. Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiếu máy khác nhau. Hình 10-1. Cấu tạo động cơ servo 1. Động cơ DC 6. Biến trở 2. Board điều khiển 7. Trục ra 3. Dây nguồn dương 8. Bánh đà động cơ servo 4. Dây tín hiệu 9. Vỏ động cơ servo 5. Dây trung tín hoặc nối đất 10. Chíp điều khiển Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo R/C (radiocontrolled). Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều khiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi. Động cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này. Như vậy có nghĩa là ta không cần phải điều khiển robot bằng tín hiệu vô tuyến bằng cách sử dụng một động cơ servo, trừ khi ta muốn thế. Ta có thể điều khiển động cơ servo bằng máy tính, một bộ vi xử lý hay thậm chí một mạch điện tử đơn giản dùng IC 555. Động cơ và vôn kế nối với mạch điều khiển tạo thành mạch hồi tiếp vòng kín. Cả mạch điều khiển và động cơ đều được cấp nguồn DC (thường từ 4.8 – 7.2 V). GV: Trương Xuân Linh Page 96
34. Giáo trình: Truyền động điện Để quay động cơ, tín hiệu số được gới tới mạch điều khiển. Tín hiệu này khởi động động cơ, thông qua chuỗi bánh răng, nối với vôn kế. Vị trí của trục vôn kế cho biết vị trí trục ra của servo. Khi vôn kế đạt được vị trí mong muốn, mạch điều khiển sẽ tắt động cơ. Như ta dự đoán, động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn chứ không phải quay liên tục như động cơ DC hay động cơ bước. Mặc dù ta có thể chỉnh động cơ servo R/C quay liên tục nhưng công dụng chính của động cơ servo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng từ 90o – 180o. Việc điều khiển này có thể ứng dụng để lái robot, di chuyển các tay máy lên xuống, quay một cảm biến để quét khắp phòng 1.2. Điều biến độ rộng xung Trục của động cơ servo R/C được định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là đi62u biến độ rộng xung (PWM). Trong hệ thống này, servo là đáp ứng của một dãy các xung số ổn định. Cụ thể hơn, mạch điều khiển là đáp ứng của một tín hiệu số có các xung biến đổi từ 1 – 2 ms. Các xung này được gởi đi 50 lần/giây. Chú ý rằng không phải số xung trong một giây điều khiển servo mà là chiều dài của các xung. Servo đòi hỏi khoảng 30 – 60 xung/giây. Nếu số này qua thấp, độ chính xác và công suất để duy trì servo sẽ giảm. Với độ dài xung 1 ms, servo được điều khiển quay theo một chiều (giả sử là chiều kim đồng hồ như hình 9-2). Hình 10-2. Điều khiển vị trí của trục ra của động cơ bằng cách điều chế độ rộng xung Với độ dài xung xung 2 ms, servo quay theo chiều ngược lại. Kỹ thuật này còn được gọi là tỉ lệ số - chuyển động của servo tỉ lệ với tín hiệu số điều khiển. Công suất cung cấp cho động cơ bên trong servo cũng tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí hiện tại của trục ra với vị trí nó cần đến. Nếu servo ở gần vị trí đích, động cơ được truyền động với tốc độ thấp. Điều này đảm bảo rằng động cơ không vượt quá điểm định đến. Nhưng nếu servo ở xa vị trí đích nó sẽ được truyền động với vận tốc tối đa để đến đích càng nhanh càng tốt. Khi trục ra đến vị trí mong muốn, động cơ giảm tốc. Quá trình tưởng chừng như phức tạp này diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn - một servo trung bình có thể quay 60o trong vòng ¼ - ½ giây. Vì độ dài xung có thể thay đổi tùy theo hãng chế tạo nên ta phải chọn servo và máy thu vô tuyến thuộc cùng một hãng để đảm bảo sự tương thích. Đối với robot, ta phải làm một vài thí nghiệm để xác định độ dài xung tối ưu. GV: Trương Xuân Linh Page 97
35. Giáo trình: Truyền động điện 1.3. Vai trò của Vôn kế Vôn kế trong servo giữ vai trò chính trong việc cho phép định vị trí của trục ra. Vôn kế được gắn vào trục ra (trong một vài servo, Vôn kế chính là trục ra). Bằng cách này, vị trí của Vôn kế phản ánh chính xác vị trí trục ra của servo. Ta đã biết Vôn kế hoạt động nhờ cung cấp một điện áp biến thiên cho mạch điều khiển, như hình 9-3. Khi cần chạy bên trong Vôn kế chuyển động, điện thế sẽ thay đổi. Mạch điều khiển trong servo so sánh điện thế này với độ dài các xung số đưa vào và phát “tín hiệu sai số” nếu điện thế không đúng. Tín hiệu sai số này tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí của Vôn kế và độ dài của tín hiệu vào. Mạch điều khiển sẽ kết hợp tín hiệu sai số này để quay động cơ. Khi điện thế của Vôn kế và độ dài các xung số bằng nhau, tín hiệu sai số được loại bỏ và động cơ ngừng. 1.4. Các giới hạn quay Các servo khác nhau ở góc quay được với cùng tín hiệu 1 – 2 ms (hoặc bất kỳ) được cung cấp. Các servo chuẩn được thiết kế để quay tới và lui từ 90o – 180o khi được cung cấp toàn bộ chiều dài xung. Phần lớn servo có thể quay được 180o hay gần 180o. Nếu ta cố điều khiển servo vượt quá những giới hạn cơ học của nó , trục ra của động cơ sẽ đụng vật cản bên trong, dẫn đến các bánh răng bị mài mòn hay bị rơ. Hiện tượng này kéo dài hơn vài giây sẽ làm bánh răng của động cơ bị phá hủy. Hình 10-3. Vôn kế thường được dùng như một cầu chia áp. Khi Vôn kế quay, cần chạy di chuyển dọc theo chiếu dài thanh điện trở. Tín hiệu ra của Vôn kế là một điện thế biến thiên từ 0 -? V 1.5. Hệ thống truyền động bánh răng và truyền công suất Động cơ bên trong servo R/C quay khoảng vài ngàn vòng / phút. Tốc độ này quá nhanh để có thể dùng trực tiếp lên mô hình máy bay, xe hơi hay robot. Tất cả các servo đều có một hệ thống bánh răng để giảm vận tốc ra của động cơ còn khoảng 50 – 100 v/ph. Các bánh răng của servo có thể làm plastic, nylon hay kim loại (thường là đồng thau hay nhôm) Bánh răng kim loại có tuổi thọ cao nhưng giá thành cũng cao. Các bánh răng thay thế luôn có sẵn. Khi một hay vài bánh răng bị hư, servo không khớp và ta phải thay bánh răng. Trong một vài trường hợp ta có thể “ nâng cấp” bánh răng plastic thành bánh răng kim loại. Bên cạnh các bánh răng dẫn động, trục ra của động cơ cũng thường bị mòn và xước. Trong các servo rẻ nhất, trục này được đỡ bằng miếng đệm plastic, miếng đệm này rất dễ mất tác dụng nếu động cơ chạy nhiều. Thực sự thì đây cũng không phải là miếng đệm mà chỉ là một ống lót giúp giảm ma sát giữ trục và vỏ của servo. Các ống lót bằng kim loại, cụ thể là ống lót bằng đồng thau có thấm chất bôi trơn, bền hơn nhưng cũng đắt hơn. Servo sử dụng vòng bi có tuổi thọ cao nhất và đắt nhất. Ta cũng có thể “nâng cấp” servo bằng vòng bi có sẵn. GV: Trương Xuân Linh Page 98
36. Giáo trình: Truyền động điện 2. Bộ điều khiển động cơ servo Không giống động cơ DC ta chỉ cần lắp pin vào là chạy, động cơ servo đòi hỏi một mạch điện tử chính xác để quay trục ra của nó. Có thể một mạch điện tử sẽ làm việc sử dụng servo phức tạp hơn ở một mức độ nào đó nhưng thực ra mạch điện tử này rất đơn giản. Nếu ta muốn điều khiển servo bằng máy tính hay bằng bộ vi xử lý thì chỉ cần một vài dòng lệnh là đủ. Một động cơ DC điển hình cần các transistor công suất, MOSFET hay relay nếu muốn kết nối với máy tính. Còn servo có thể gắn trực tiếp với máy tính hay bộ vi xử lý mà không cần một linh kiện điện tử nào cả. Tất cà yếu tố cần thiết để điều khiển công suất đều được quản lý bởi mạch điều khiển để tránh rắc rối. Đây là lợi ích chủ yếu khi sử dụng servo cho các robot điều khiển bằng máy tính. 2.1. Điều khiển servo bằng IC định thì 555 Ta có thể không cần đến cả máy tính để điều khiển servo. Một IC 555 có thể cung cấp các xung cần thiết cho servo. Khi hoạt động, IC 555 sinh ra một tín hiệu xung có chu kỳ nhiệm vụ khác nhau để điều khiển hoạt động của servo. Chỉnh Vôn kế để định vị servo. Vì IC 555 có thể dễ dàng tạo xung rất dài và rất ngắn nên servo có thể hoạt động ngoài vị trí biên thông thường. Hình 10-4. Một phương pháp phổ biến dùng IC 555 để điều khiển servo. Khi servo gặp vật cản và kêu lạch cạch ta phải ngắt nguồn lập tức, nếu không các bánh răng bên trong sẽ bị trờn. 2.2. Dùng bộ xử lý chuyên nghiệp Các máy thu R/C được thiết kế với tối đa 8 servo. Máy thu nhận xung số từ máy phát, bắt đầu bằng một xung dài đồng bộ, sau đó là các xung của 8 servo, mỗi xung dành cho một servo. 8 xung cộng với xung đồng bộ mất khoảng 20 ms. Điều này có nghĩa là dãy xung có thể lặp lại 50 lần/giây, ta gọi đó là tỉ lệ lặp lại (refresh rate). GV: Trương Xuân Linh Page 99
37. Giáo trình: Truyền động điện Khi tỉ lệ này giảm, các servo không cập nhật đủ nhanh và sẽ bị mất vị trí. Trừ khi mạch điện tử ta dùng có thể cung cấp xung đồng thời cho nhiều servo (đa nhiệm vụ - multi-tasking), mạch điều khiển sẽ không thể cung cấp các xung lặp lại đủ nhanh. Vì vậy ta có thể dùng bộ xử lý servo chuyên nghiệp. Bộ này có thể điều khiển 5, 8 động cơ hay nhiều hơn một cách độc lập, sẽ làm giảm bớt chương trình tổng cộng của máy tính hay bộ vi xử lý mà ta đang dùng. Ưu điểm chính của bộ xử lý servo chuyên nghiệp là ta có thể điều khiển đồng thời nhiều servongay cả khi máy tính, bộ vi xử lý không “ đa nhiệm vụ”. Ví dụ: giả sử robot cần 24 servo, có thể là một robot hình nhện 8 chân, mỗi chân có 3 servo, mỗi servo điều khiển một bậc tự do của chân. Phương pháp ta sử dụng là phân chia công việc cho 3 bộ xử lý servo, mỗi bộ có thể điều khiển 8 servo. Mỗi bộ xử lý chịu trách nhiệm cho một loại bậc tự do: một cho sự quay của cả 8 chân, một cho “độ linh hoạt” của các chân và một cho sự quay của đốt cuối của chân. Các bộ xử lý servo chuyên nghiệp phải được dùng với máy tính hay bộ vi xử lý vì chúng cần được cung cấp dữ liệu thời gian thực để điều khiển servo. Dữ liệu này thường được gửi trong một công thức dữ liệu chuỗi. Một dãy các byte gửi từ máy tính hay bộ vi xử lý được bộ xử lý servo giải mã, mà mỗi byte sẽ tương ứng một servo. Những bộ xử lý servo điển hình có ghi chú các ứng dụng và các chương trình mẫu của các máy tính và bộ vi xử lý thông dụng nhưng để đảm bảo ta cần có kiến thức về lập trình và truyền chuỗi. GV: Trương Xuân Linh Page 100
38. Giáo trình: Truyền động điện Bài 11: BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1. Giới thiệu các bộ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều Người ta thường dùng phương pháp điều chế độ rộng xung để thay đổi điện áp động cơ. Trong đồ thị dưới: idk là dòng điều khiển; U là điện áp điều khiển; t1 là độ rộng xung: t2=T- t1 là độ rỗng xung. Ta có : Ud = U.t1/T Hình 11-1. Nguyên lý điều chế độ rộng xung Để thay đổi Ud ta thay đổi độ rộng xung điều khiển ta thay đổi thời gian đóng mở khoá K => thay đổi thời gian có dòng t1 trong mỗi chu kỳ T => độ rộng xung thay đổi. Set bit K =1 (đóng) => có i. Set bit K = 0 (mở) => không có i. Như vậy ta đã có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ. 1.1. Mạch điều khiển dùng bộ đếm tiến lùi và DAC Sơ đồ khối: Hình 11-2. Sơ đồ khối bộ đếm lùi và VAC Trong sơ đồ trên tín hiệu sau bộ đếm tiến lùi là số, trong khi tín hiệu điều khiển ĐC phải là analog. Do đó ta phải dùng bộ biến đổi DAC (Digital to Analog Converter) để chuyển tín hiệu từ số sang xung. Điện áp sau DAC được qua khâu khuếch đại để có điện áp thích hợp điều khiển động cơ. GV: Trương Xuân Linh Page 101
39. Giáo trình: Truyền động điện DAC: ta chọn vi mạch DAC là DAC 0808 - vi mạch chuyển đổi số - tương tự 8-bit. Thời gian chuyển đổi tối đa là 150 ns. Tiêu thụ công suất 33 mW với nguồn nuôi ±5V. Đầu ra là dòng điện có giá trị phụ thuộc vào mã nhị phân đưa vào. DAC0808 tương thích và giao tiếp được với các mức logic TTL, DTL hay CMOS. Nguồn nuôi của vi mạch cho phép trong khỏang từ -18V đến +18V. Dòng vào so sánh là 2-5 mA. Nhiệt độ làm việc bình thường là 0-75°C. Trong các ứng dụng thông thường, chân 14 được nối lên điện áp so sánh Vref thông qua điện trở 5k. Sơ đồ chân và cách ghép nối của DAC0808 trong mạch được trình bày ở hình sau: Hình 11-3. Sơ đồ chân vi mạch DAC 0808 Bộ đếm: 8 đầu vào số (A1 đến A8) được nối với đầu ra của bộ đếm tiến lùi. Bộ đếm ở đây là 8 bit được thành lập bằng cách nối ghép 2 IC đếm 74193 (mỗi IC là 4 bit – modun 16) ta được bộ đếm modun 16x16 = 256. Để khởi động cho bộ đếm ta dùng 1 D-Flip flop 74LS74 như hình vẽ. Các chân ra của bộ đếm là 3, 2, 6, 7 được nối trực tiếp với các đầu vào của DAC. Ta được các giá trị tổ hợp A1 - A8 từ 0 - 255 và giá trị điện áp sau DAC được tính theo công thức: Hình 11-4. Sơ đồ đấu nối dây D-Flip flop 74LS Trong mạch : Vref = +5V, Rref = 5K. Để có Uđk động cơ ta dùng 1 bộ khuếch đại đảo LM741 sau DAC: GV: Trương Xuân Linh Page 102
40. Giáo trình: Truyền động điện Hình 11-5. Bộ khuyếch đại đảo đảo LM741 Chọn R1 = 1K, R2 có thể thay đổi (để điều chình Udk ở đầu output thích hợp). Mạch tạo xung : mạch tạo xung để tạo xung đồng bộ cho bộ đếm, đầu ra của mạch tạo xung nối với chân clk của Flip-Flop. Để tạo xung có 2 cách, ta có thể dùng thạch anh, nhưng do cần tần số xung có thể thay đổi được ta phải thiết kế mạch tạo dao động (ossillator) dùng 555 để tạo xung cho bộ đếm. Mạch tạo xung 555 theo sơ đồ sau: Hình 11-6. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung 555 Xung ra (chân 3 của 555) là xung vuông độ rộng T1, độ rỗng T2, chu kỳ GV: Trương Xuân Linh Page 103
41. Giáo trình: Truyền động điện T =T1 + T2, tính theo công thức: T1 = 0,693.( Ra + Rb).C; T2 = 0,693. Rb.C => T = 0,693. (Ra + 2.Rb).C; Tần số f = 1/T. Ở đây ta chọn Ra có thể thay đổi (VR) để khi điều chỉnh Ra => thay đổi T => thay đổi được số xung phát ra trong 1s. Chẳng hạn trong mạch chọn: Ra = 5K, Rb = 2,2 K; C = 1uF thì ta được xung dao động có : T1 = 0,693.( Ra + Rb).C = 0,693.( 5 + 2,2). 103 . 10-6 = 0,005 s T2 = 0,693. Rb.C = 0,693. 2,2 . 103 . 10-6 = 0,0015 s T =T1 + T2 = 0,0065 (s) tức f = 1/T = 1/0,0065 = 153,8 xung/s Ta có thể lắp 2 led sau chân 3 để kiểm tra xung ra: nếu led dưới sáng thì Ura = 1, ngược lại Ura = 0. 1.2. Mạch điều khiển dùng 555 IC 555 còn có thể dùng tạo xung theo cách khác nếu lắp thêm điot ngược từ chân 6 lên chân 7 để ngăn dòng đi qua Rb khi tụ hoá C xả. Khi đó T1 giảm 1 lượng 0,693.Rb.C, còn T2 không đổi so với trường hợp trên: Hình 11-7. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung 555 theo cách khác Nếu theo cách này khi ta điều chỉnh được T1, T2 (bằng biến trở) đồng thời mà vẫn giữ nguyên T, tức tăng Ra và giảm Rb đồng thời một lượng như nhau thì độ rộng xung thay đổi mà tần số không đổi như thế ta đã điều chế được độ rộng xung cho mạch điều khiển động cơ. Điều này có thể làm được bằng cách sử dụng thêm 1 biến trở lắp giữa Ra, Rb dùng cả 3 chân theo sơ đồ sau: Hình 11-7. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ DC dùng 555 Chức năng các linh kiện: LM555: dao động tạo xung PWM GV: Trương Xuân Linh Page 104
42. Giáo trình: Truyền động điện R2: điều chỉnh tốc độ động cơ. MOSFET IRF510: tầng công suất cho mạch điều khiển Diode D2: triệt xung gai, bảo vệ MOSFET Diode D1: tạo đường xả độc lập cho tụ C2 Ta vẫn có: T1 = 0,693.Ra .C; T2 = 0,693. Rb.C; T = 0,693.( Ra + Rb).C Nhưng: Ra = R1 + R21; Rb = R3 + R22; R1, R3, R21+R22 = R2 không đổi suy ra (Ra + Rb) không đổi => T không đổi. 1.3. Mạch so sánh xung tam giác để điều chế độ rộng xung Sơ đồ mạch: Hình 11-7. Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh xung tam giác để điều chế độ rộng xung Trong mạch trên ta có : IC U1c: có chức năng tạo điện áp chuẩn 6V cho 2 IC: U1a và U1d. IC U1a: tạo xung vuông. IC U1b: bộ tích phân biến đổi xung vuông thành xung tam giác. IC U1b: là bộ so sánh giữa xung tam giác ở đầu vào 5 với điện áp 1 chiều ở đầu vào 6 có thể thay đổi nhờ chỉnh biến trở VR1: U6 = 12. 7 2 7 6 RVR VR R R GV: Trương Xuân Linh Page 105
43. Giáo trình: Truyền động điện Khi thay đổi U6 (bằng cách thay đổi VR) qua mạch so sánh ta được độ rộng xung thay đổi => tốc độ động cơ thay đổi. Mosfet: tầng khuếch đại cho mạch điều khiển. D1: bảo vệ mosfet, led để kiểm tra xung điều khiển cho động cơ. Các tụ C2, C3, C4, C5: lọc nguồn. U2 ( IC 7812): ổn định điện áp 12V cho các nguồn trong mạch. 2. Bộ điều khiển tốc độ sử dụng IC 555 và Mosfet MF748 2.1. Khối nguồn mạch điều khiển Chức năng: Biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều 15V cấp cho mạch điều khiển. Nguyên lý hoạt động: - Biến áp TR2 biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp xoay chiều 15V cấp cho cầu DIODE. - Cầu DIODE chỉnh lưu điện áp 15V xoay chiều thành 15V một chiều cho qua 2 tụ lọc C1dk và C2dk để san phẳng điện áp cấp cho IC 7815. - IC 7815 có nhiệm vụ ổn áp dòng điện ổn định ở mức 15V và mắc chung với 2 tụ C3dk và C4dk để lọc bỏ thành phần sóng hài của điện áp xoay chiều. - LED mắc song song với IC 7815 dùng để báo nguồn có điện. 2.2. Khối mạch điều khiển Chức năng: Dùng mạch điện tạo ra dạng xung điều biến độ rộng (PWM), xung này kích dẫn một MOSFET với mức áp cao, MOSFET cấp dòng cho dộng cơ DC hoạt động. - Mức áp cao của xung càng rộng, thời gian cấp dòng cho động cơ DC càng lớn nên lực quay mạnh và nhanh. - Mức áp cao của xung càng hẹp, thời gian cấp dòng cho động cơ DC ít hơn nên lực quay sẽ giảm và chậm. Nguyên lý hoạt động: - Mạch được cấp điện từ khối nguồn mạch điều khiển. - IC 555 cho ra xung vuông ở chân 3 nhờ có sự so sánh điện áp ở chân 2 và chân 6. - Mosfet MF748 sẽ được kích dẫn khi xung vuông ở mức áp cao, qua đó kích dẫn dòng cho động cơ DC. - Biến trở VR 200k dùng để thay đổi độ rộng của xung, từ đó điều chỉnh được tốc độ của động cơ. - MF748 giống như một công tắc điện từ đóng mở liên tục, nhanh hay chậm nhờ điều chỉnh của VR nên sẽ điều khiển được động cơ DC. - Diode D3 có nhiệm vụ dập nghịch áp, phản hồi cừ các cuộn cảm trong động cơ DC. 2.3. Khối nguồn mạch công suất Chức năng: Biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều 45V cấp cho động cơ (Vcc). Nguyên lý hoạt động: GV: Trương Xuân Linh Page 106
44. Giáo trình: Truyền động điện - Biến áp TR1 biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp xoay chiều 45V cấp cho cầu DIODE. - Cầu DIODE chỉnh lưu điện áp 45V xoay chiều thành 45V một chiều. - Cuộn cảm LR mắc nối tiếp với cầu DIODE chỉnh lưu có tác dụng chống nhiễu tần số cao do bộ nguồn sinh ra đối với lưới điện. - Các tụ C1R, C2R, C3R, có nhiệm vụ lọc và san phẳng điện áp tạo điện áp ổn định cấp cho động cơ. GV: Trương Xuân Linh Page 107
45. Giáo trình: Truyền động điện TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH [1]- Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Cơ sở truyền động điện – Nxb Khoa học Kỹ thuật 2007. [2]- Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện – Nxb Khoa học Kỹ thuật 2006. [3]- Nguyễn Tiến Ban, Thân Ngọc Hoàn, Điều khiển tự động các hệ thống truyền động điện – Nxb Khoa học Kỹ thuật 2007. [4]- Võ Quang Lạp,Trần Thọ, Cơ sở truyền động điện – Nxb Khoa học Kỹ thuật 2004. [5]- Bùi Đình Tiếu, Giáo trình truyền động điện – NXB giáo dục 2005. GV: Trương Xuân Linh Page 108