Bài giảng Kỹ thuật điều khiển tự động - Chương 6 Cơ cấu tác động

 C.B. Pham 6-1 Ch 6: Cơ cấu tác động • Bộ điều khiển nhận tín hiệu vào từ những cơ cấu cảm biến (sau khi qua phần xử lý tín hiệu) • Bộ điều khiển xuất tín hiệu ra, tác động lên những phần tử đóng/mở, phần tử tác động khí nén / thủy lực, van điều khiển quá trình, động cơ điện Những phần tử này được phân vào nhóm cơ cấu tác động.  C.B. Pham 6-2 6.1. Cơ cấu đóng mở điện cơ Công tắc cơ (mechanical switch) Là một thiết bị có thể đóng / mở, theo đó mà cho dòng điện chạy qua hay không. SPST switch (single-pole/single-throw) SPDT switch (single-pole/double-throw) DPDT switch (double-pole/double-throw) Toggle switch  C.B. Pham 6-3 6.1. Cơ cấu đóng mở điện cơ Normally open switch (NO) Normally closed switch (NC) NC and NO switch Push-button switch  C.B. Pham 6-4 6.1. Cơ cấu đóng mở điện cơ DIP switch Thumb-wheel switch  C.B. Pham 6-5 6.1. Cơ cấu đóng mở điện cơ Rotary switch  C.B. Pham 6-6 6.1. Cơ cấu đóng mở điện cơ Membrane switch  C.B. Pham 6-7 6.1. Cơ cấu đóng mở điện cơ Rơ le (relay) Thiết bị sử dụng lực điện từ để đóng / mở các tiếp điểm – công tắc tác động bằng điện.  C.B. Pham 6-8 6.1. Cơ cấu đóng mở điện cơ Tùy theo mục đích sử dụng, rơ le cũng có thể phân thành hai loại: rơ le bảo vệ và rơ le điều khiển. Rơ le bảo vệ (rơ le nhiệt, rơ le điện áp, rơ le dòng điện, rơ le áp suất ) dùng để bảo vệ các mạch điện khỏi bị ảnh hưởng bởi các tác động không bình thường như quá tải, sụt áp Temperature switch Liquid level switch Pressure switch Flow switch Biểu diễn chung:  C.B. Pham 6-9 6.1. Cơ cấu đóng mở điện cơ Rơ le thời gian (time-delay relay) Rơ le thời gian được thiết kế để trì hoãn thời gian đóng/mở tiếp điểm khi được kích hoạt. Time relay Time delay when the coil is energized Time delay when the coil is deenergized NO NC NO NC  C.B. Pham 6-10 6.1. Cơ cấu đóng mở điện cơ Công tắc tơ (contactor) và khởi động từ (motor starter) Rơ le cũng có thể được cấu tạo dùng để đóng/mở các mạch động lực, ví dụ như đóng ngắt, hãm, đảo chiều, khóa lẫn các thiết bị điện. Khi đối tượng là động cơ điện thì rơ le được gọi là khởi động từ, những trường hợp khác thì được gọi là công tắc tơ.  C.B. Pham 6-11 6.2. Phần tử tác động bán dẫn Các phần tử bán dẫn thường gặp trong hệ thống điều khiển làm nhiệm vụ đóng/mở và khuếch đại.  C.B. Pham 6-12 6.2. Phần tử tác động bán dẫn Transistor lưỡng cực (BJT – Bipolar junction transistor) Transistor là một hệ thống gồm 3 lớp bán dẫn đặt tiếp giáp nhau, trong đó lớp ở giữa là loại bán dẫn có tính dẫn điện khác với hai lớp bên cạnh. Transistor có 3 điểm cực: cực gốc (B), cực thu (C), và cực phát (E). Tùy theo trình tự sắp xếp các lớp bán dẫn P và N, ta có 2 loại transistor điển hình:  C.B. Pham 6-13 6.2. Phần tử tác động bán dẫn Hoạt động cơ bản của transistor dựa trên những phương trình sau: Với: : hệ số khuếch đại dòng IC: dòng cực thu IB: dòng cực gốc IE: dòng cực phát PD: công suất tiêu hao VCE: điện áp tiêu hao (giữa C và E)  C.B. Pham 6-14 6.2. Phần tử tác động bán dẫn Điều kiện phân cực  C.B. Pham 6-15 6.2. Phần tử tác động bán dẫn Thí dụ: xác định dòng cực thu cho mạch bên dưới bằng cách dùng transistor có đường đặc tính như hình trên và có hệ số khuếch đại dòng  = 70. Giải: Dựa vào đường đặc tính  IB  1.7 (mA)  C.B. Pham 6-16 6.2. Phần tử tác động bán dẫn Ứng dụng: khuếch đại, đóng/mở, và dao động  C.B. Pham 6-17 6.2. Phần tử tác động bán dẫn SCR – silicon-controlled rectifier SCR được cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn PNPN. Các tiếp xúc tạo ra 3 cực: cực A, cực K, và cực G.  C.B. Pham 6-18 6.2. Phần tử tác động bán dẫn  C.B. Pham 6-19 6.2. Phần tử tác động bán dẫn Mạch SCR đối với tải DC  C.B. Pham 6-20 6.2. Phần tử tác động bán dẫn Mạch SCR đối với tải AC  C.B. Pham 6-21 6.2. Phần tử tác động bán dẫn Mạch SCR đối với tải AC Ứng dụng: đóng/mở mạch động lực, chỉnh lưu, và biến tần  C.B. Pham 6-22 6.3. Phần tử tác động thủy lực, khí nén Nguyên lý làm việc  C.B. Pham 6-23 6.3. Phần tử tác động thủy lực, khí nén Hệ thống thủy lực Hệ thống khí nén  C.B. Pham 6-24 6.3. Phần tử tác động thủy lực, khí nén Động cơ thủy lực Động cơ khí nén  C.B. Pham 6-25 6.3. Phần tử tác động thủy lực, khí nén Xi lanh khí nén Xi lanh thủy lực  C.B. Pham 6-26 6.3. Phần tử tác động thủy lực, khí nén Van điều khiển: 3/2 Solenoid is deenergized Solenoid is energized  C.B. Pham 6-27 6.3. Phần tử tác động thủy lực, khí nén Van điều khiển: 4/3 Solenoid ‘a’ is energized Solenoids are deenergized Solenoid ‘b’ is energized  C.B. Pham 6-28 6.3. Phần tử tác động thủy lực, khí nén  C.B. Pham 6-29  C.B. Pham 6-30 6.4. Động cơ điện DC motor Brushless DC motor Stepper motor AC motor  C.B. Pham 6-31 Động cơ DC Nguyên lý làm việc  C.B. Pham 6-32 Động cơ DC Lực tác dụng lên cuộn dây: với: F: lực tác dụng lên cuộn dây (N) I: dòng chạy qua cuộn dây (A) B: cường độ từ trường (G) L: chiều dài cuộn dây (m) : góc tạo bởi vectơ B và I  C.B. Pham 6-33 Động cơ DC Phần ứng động cơ DC Moment tạo ra với: T: moment động cơ KT: hằng số dựa vào cấu tạo động cơ IA: dòng điện phần ứng : từ thông  C.B. Pham 6-34 Động cơ DC Khi phần ứng quay trong môi trường từ trường, một sức điện động sẽ xuất hiện trên các cuộn dây của phần ứng (ngược chiều với điện áp nguồn cấp vào phần ứng). Điện áp thực trên phần ứng với: VA: điện áp thực trên phần ứng VTn: điện áp nguồn cấp vào phần ứng CEMF: điện áp tạo ra bởi động cơ IA: dòng điện phần ứng RA: trở kháng phần ứng với: EMF: điện áp tạo ra KE: hằng số dựa vào cấu tạo động cơ : từ thông S: tốc độ động cơ (rpm)  C.B. Pham 6-35 Động cơ DC Thí dụ: Một động cơ 12 Vdc có điện trở phần ứng là 10  và sức điện động tạo ra là 0.3 V/100 rpm. Xác định dòng phần ứng thực tế khi động cơ làm việc ở vận tốc 0 rpm và ở vận tốc 1000 rpm. Giải: ta có • S = 0 rpm • S = 1000 rpm Lưu ý: khi động cơ làm việc, dòng điện trên phần ứng giảm đi  C.B. Pham 6-36 Động cơ DC Đường đặc tính (moment - tốc độ) của động cơ nam châm vĩnh cữu (permanent magnet)  C.B. Pham 6-37 Động cơ DC Thí dụ: Xác định tốc độ động cơ và dòng điện phần ứng trong những trường hợp sau:  C.B. Pham 6-38 Động cơ DC Thí dụ: Một động cơ DC PM sử dụng trong máy quay băng. Khi trả băng, động cơ làm việc ở 10 V với vận tốc 500 rpm. Để rút ngắn thời gian trả băng, nguời ta muốn động cơ làm việc với vận tốc 650 rpm. Khi đó moment tải ước tính sẽ tăng thêm 50%. Hãy xác định điện áp phần ứng để động cơ đáp ứng được yêu cầu này.  C.B. Pham 6-39 Động cơ DC Điều khiển động cơ • Bộ khuếch đại công suất: dùng các mạch khuếch đại tín hiệu tương tự • Bộ điều chế độ rộng xung: tạo ra các xung DC ở mức điện áp cố định  C.B. Pham 6-40 Động cơ DC • Mạch khuếch đại tín hiệu tương tự (c) LM12 - Power Opamp (13A)  C.B. Pham 6-41 Động cơ DC Đảo chiều động cơ  C.B. Pham 6-42 Động cơ DC • Mạch điều chế độ rộng xung Ưu điểm: • Có dạng tín hiệu số - đóng/mở mạch, do đó có thể điều khiển trực tiếp từ máy tính (dùng 1 bit) mà không cần qua bộ DAC. • Hiệu quả về mặt năng lượng (ít tiêu hao công suất ở những mạch đóng/mở).  C.B. Pham 6-43 Động cơ DC  C.B. Pham 6-44 Động cơ DC không chổi than Nguyên lý làm việc của động cơ DC không chổi than 3 pha  C.B. Pham 6-45 Động cơ DC không chổi than Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển pha Ưu điểm: có độ ổn định cao, sử dụng hiệu quả và dễ điều khiển.  C.B. Pham 6-46 Động cơ bước Nguyên lý làm việc  C.B. Pham 6-47 Động cơ bước Ảnh hưởng của tải lên động cơ  C.B. Pham 6-48 Động cơ bước Chế độ kích • Động cơ 2 pha  C.B. Pham 6-49 Động cơ bước  C.B. Pham 6-50 Động cơ bước • Động cơ 4 pha  C.B. Pham 6-51 Động cơ bước • Động cơ 2 / 4 pha - Nếu sử dụng như động cơ 2 pha: dây 2 và dây 5 không sử dụng - Nếu sử dụng như động cơ 4 pha: dây 2 và dây 5 được dùng như điểm chung.  C.B. Pham 6-52 Động cơ bước • Động cơ bước từ trở thay đổi (variable-reluctance stepper motor): khi rotor không phải là nam châm vĩnh cữu, mà được cấu tạo từ lõi sắt non.  C.B. Pham 6-53 Động cơ bước Ưu điểm: rotor dễ chế tạo để tăng số răng  tăng số bước.  C.B. Pham 6-54 Động cơ bước • Động cơ bước hỗn hợp: là sự kết hợp ưu điểm của động cơ bước nam châm vĩnh cửu (moment lớn) và động cơ bước từ trở thay đổi (số bước lớn).  C.B. Pham 6-55 Động cơ bước Điều khiển động cơ • Động cơ 2 pha  C.B. Pham 6-56 Động cơ bước  C.B. Pham 6-57 Động cơ bước • Động cơ 4 pha  C.B. Pham 6-58 Động cơ bước  C.B. Pham 6-59 Động cơ AC  C.B. Pham 6-60 Động cơ AC Nguyên lý làm việc  C.B. Pham 6-61 Động cơ AC Khi có từ trường quay xung quanh thanh dẫn, nó sẽ cảm ứng và tạo nên dòng điện chạy qua các thanh dẫn của rotor. Dòng điện làm cho thanh dẫn có từ trường. Từ trường này tương tác với từ trường quay trên stator tạo nên một moment xoắn trên trục động cơ. Tốc độ quay của rotor luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay để luôn tồn tại chuyển động tương đối giữa stator và rotor (từ trường quay). Điều này thể hiện qua hệ số trượt. với: Ss: tốc độ đồng bộ của stator (rpm) Sr: tốc độ quay của rotor (rpm) f: tần số của nguồn điện AC P: số cực của 1 pha  C.B. Pham 6-62 Động cơ AC Điều khiển động cơ - Variable-Frequency (Volt/Hz) Drives  C.B. Pham 6-63 Động cơ AC Dạng sóng ngõ ra của điện áp