Giáo trình Các nguyên tắc điều khiển tự động truyền động điện

PhÇn II: CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN  1.1 Khái niệm chung  1.2 Khống chế tự động theo nguyên tắc thời gian  1.3 Khống chế tự động theo nguyên tắc tốc độ  1.4 Khống chế tự động theo nguyên tắc dòng điện  1.1 Khái niệm chung Theo yêu cầu công nghệ của máy hay cơ cấu sản xuất, các hệ thốngtruyền động điện tự động đều được thiết kế tính toán để làm việc ở những trạng thái ( hay chế độ ) xác định . Những trạng thái làm việc của hệ thống truyền động điện tự động có thể được đặc trưng bằng các thông số như : tốc độ động cơ truyền động hay của cơ quan chấp hành máy sản xuất , dòng phần ứng của động cơ hay dòng kích thích của động cơ một chiều , mô men phụ tải trên trục động cơ truyền động . Tuỳ theo quá trình công nghệ mà các thông số trên có thể lấy giá trị khác nhau . Việc chuyển từ giá trị này đến giá trị khác được thực hiện tự động nhờ hệ thống điều khiển . Như vậy về thực chất điều khiển tự động là đưa vào hoặc đưa ra khỏi hệ thống những phần tử , thiết bị nào đó ( chẳng hạn : điện trở , điện kháng , điện dung , khâu hiệu chỉnh ) để thay đổi một hoặc nhiều thông số đặc trưng hoặc để giữ một thông số nào đó không thay đổi khi có sự thay đổi ngẫu nhiên của thông số khác . Để tự động điều khiển hoạt động của truyền động điện , hệ thống điều khiển phải có những cơ cấu , thiết bị thụ cảm được giá trị các thông số đặc trưng cho chế độ công tác của truyền động điện. Trong hệ thống điều khiển gián đoạn các phần tử thụ cảm này phải làm việc theo các ngưỡng chỉnh định được . Nghĩa là khi thông số được thụ cảm đến trị số ngưỡng đã đặt , phần tử thụ cảm theo thông số này sẽ bắt đầu làm việc phát ra một tín hiệu đưa đến phần tử chấp hành . Kết quả là sẽ đưa vào hoặc đưa ra khỏi mạch động lực những phần tử cần thiết . Nếu hệ thống điều khiển có tín hiệu phát ra từ phần tử thụ cảm được thời gian của quá trình ( từ một mốc thời gian nào đó ) ta nói rằng hệ điều khiển theo nguyên tắc thời gian . Nếu hệ thống điều khiển có tín hiệu phát ra từ phần tử thụ cảm được tốc độ ta nói rằng hệ điều khiển theo nguyên tắc tốc độ . Nếu hệ thống điều khiển có tín hiệu phát ra từ phần tử thụ cảm được dòng điện ta nói rằng hệ điều khiển theo nguyên tắc dòng điện . Ngoài ra có thể điều khiển theo nhiệt độ , theo mô men , theo chiều công suất Quá trình điều khiển hệ thống truyền động điện có thể chia ra những quá trình sau : Tự động điều khiển quá trình mở máy ( khởi động) . Tự động điều khiển quá trình làm việc ( duy trì một thông số nào đó theo một quy luật cho trước ) Tự động điều khiển quá trình hãm dừng máy . Một nhiệm vụ điều khiển đơn giản nhưng thường gặp là điều khiển quá trình mở máy và quá trình dừng máy các thống truyền động điện không thay đổi khi có sự thay đổi ngẫu nhiên của thông số khác . Khi mở máy các động cơ công suất trung bình và lớn người ta phải tiến hành hạn chế dòng khởi động nhờ các thiết bị như : điện trở , diện kháng , biến áp tự ngẫu . Quá trình khởi động xong ta phải loại trừ các thiết bị hạn chế đó ra. VD ; Sơ đồ lắp điện trở phụ vào mạch phần ứng động cơ một chiều kích thích độc lập và vào mạch rô to động cơ không đồng bộ rô to dây quấn .  Từ việc nghiên cứu các đặc tính tĩnh và động ta thấy rằng có thể đóng cắt các điện trở phụ tại các thời điểm t1, t2 hoặc tại các giá trị tốc độ n1, n2 hoặc tại các giá trị dòng điện ( mô men) I1, I2 ( M1, M2) từ đó hình thành nên 3 nguyên tắc khống chế cơ bản như sau : + Nếu sử dụng các thiết bị đo được thời gian ( rơ le thời gian ) và tại các thời điểm thích hợp phát lệnh điều khiển vào mạch ta được nguyên tắc khống chế tự động theo thời gian. + Nếu sử dụng các thiết bị đo được tốc độ và tại các giá trị tốc độ thích hợp phát lệnh điều khiển vào mạch ta được nguyên tắc khống chế tự động theo tốc độ . + Nếu sử dụng các thiết bị đo được dòng điện ( ro le dòng điện ) và tại các giá trị dòng điện thích hợp phát lệnh điều khiển vào mạch ta được nguyên tắc khống chế tự động theo dòng điện .  1.2 Khống chế tự động theo nguyên tắc thời gian 1: Nội dung nguyên tắc : Khống chế tự động theo nguyên tắc thời gian dựa trên cơ sở là thông số mạch động lực biến đổi theo thời gian để từ đó phát tín hiệu điều khiển vào mạch ở những thời điểm thích hợp , các thời điểm đó được xác định dựa trên việc tính toán quá trình quá độ trong động cơ . Giả thiết rằng ta có các quan hệ n= f(Mđ) và n = f(MC) là các quan hệ tuyến tính . Thì thời gian cần thiết để mở máy động cơ từ tốc độ n1 đến tốc độ n2 được xác định: Trong trường hợp mô men động là một đường bất kỳ , ta phải chia nó ra thành các đoạn thằng khác nhau và dựa vào từng đoạn đó để tính thời gian chỉnh định của các cấp cần thiết theo (1) và (2) Thời gian tính theo (1) và (2) là thời gian kể từ lúc bắt đầu cắt điện trở khởi động ra khỏi mạch do đó nó bao gồm cả thời gian tác động riêng của khí cụ khống chế nên thời gian chỉnh định thực tế sẽ là : TKC = t – tr Trong đó tr : là thời gian tác động riêng của khí cụ khống chế . 2: Một số sơ đồ đặc trưng a. Sơ đồ mở máy động cơ một chiều kích từ độc lập qua hai cấp điện trở phụ và hãm động năng kích từ độc lập . . Giới thiệu sơ đồ : Sơ đồ dùng hai rơ le thời gian Rth1, Rth2 để mở máy tự động qua hai cấp điện trở phụ trong mạch phần ứng . Rơ le thời gian RH: để khống chế tự động khi hãm động năng . Hoạt động của sơ đồ : Mở máy : ấn nút mở máy M, công tắc tơ K có điện , đóng tiếp điểm thường mở K tự duy trì và tiếp điểm thường mở K trên mạch động lực động cơ được nối với lưới và mở máy với toàn bộ điện trở phụ . Đồng thời RH có điện chuẩn bị cho quá trình hãm động năng. K có điện , tiếp điểm thường kín K mở, do đó Rth1 mất điện, sau khoảng thời gian chỉnh định t1 tiếp điểm thường kín đóng chậm Rth1 đóng cấp điện cho công tắc tơ 1K , tiếp điểm thường mở 1K đóng ngắn mạch cấp điện trở phụ thứ nhất làm cho rơ le thời gian Rth2 mất điện. Sau thời gian chỉnh định (t2 –t1) tiếp điểm thường kín đóng chậm Rth2 đóng cấp điện cho 2K, tiếp điểm thường mở 2K đóng ngắn mạch nốt cấp điện trở phụ thứ hai , đưa động cơ làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên . + Dừng máy : ấn nút dừng D , công tắc tơ K mất điện , rơ le thời gian RH mất điện nhưng tiếp điểm RH chưa mở vì vậy công tắc tơ H có điện , điện trở hãm được đưa vào song song với phần ứng động cơ và xảy ra quá trình hãm động năng . Khi hết thời gian mở chậm tiếp điểm RH­ mở ra , H mất điện , điện trở hãm được loại ra khỏi mạch , động cơ được hãm tự do . b: Sơ đồ mở máy động cơ không đồng bộ rô to dây quấn qua hai cấp điện trở phụ : Giới thiệu sơ đồ : Để hạn chế dòng điện mở máy người ta đưa vào rô to động cơ điện trở phụ gồm hai cấp . Việc ngắn mạch hai cấp điện trở phụ trong quá trình mở máy theo nguyên tắc thời gian nhờ hai rơ le thời gian Rth1 và Rth2 Hoạt động của sơ đồ : Đóng cầu dao CD , ấn nút mở máy M , công tắc tơ K có điện , động cơ được nối vào lưới và tiến hành mở máy với toàn bộ điện trở phụ trong mạch rô to , đồng thời K có điện thì rơ le thời gian Rth1 cũng có điện , sau khoảng thời gian t1 tiếp điểm thường mở đóng chậm Rth1 đóng cấp điện cho công tắc tơ 1K đóng cấc tiếp điểm thường mở 1K ở mạch động lực ngắn mạch cấp điện trở phụ thứ nhất , đồng thời tiếp điểm thường mở 1K ở mạch khống chế cũng đóng cấp điện cho rơ le thời gian Rth2 , sau thời gian chỉnh định t2 – t1 tiếp điểm thường mở đóng chậm Rth2 đóng cấp điện cho 2K ngắn mạch nốt cấp điện trở phụ thứ hai , động cơ chuyển sang làm việc trên đặc tính tự nhiên . Các nhân tố ảnh hướng đến phương pháp khống chế tự động theo nguyên tắc thời gian : - Ảnh hưởng của mô men cản trên trục động cơ : Việc chỉnh định thời gian của các rơ le thời gian được tiến hành trên cơ sở các đồ thị đặc tính khởi động được xây dựng theo các số liệu tính toán . Trong thực tế làm việc của hệ thống nếu các thông số đó dao động sai khác với tính toán thì các thời gian đã đặt của các rơ le là không phù hợp nữa . Khi mô men MC chằng hạn tăng lớn hơn trị số tính toán là MC1 thì mô men động Mđg1 = M1 – MC1 và Mđg2 =M2 – MC1 sẽ giảm nhỏ đi , do đó gia tốc của hệ sẽ bé đi . Vì vậy đến hết thời gian duy trì của rơ le thời gian tốc độ động cơ không đạt được giá trị tốc độ mong muốn mà sẽ đạt giá trị thấp hơn , do dó điểm chuyển đổi sẽ thấp hơn . Điều đó dẫn đến dòng điện và mô men chuyển đổi có thể lớn hơn giá trị cần hạn chế . *ảnh hưởng của mô men quá tính J : - Ta có - TC là hằng số thời gian điện cơ của động cơ - Do đó giả sử khi J tăng lên thì TC tăng và khi đó tốc độ tại điểm chuyển đổi sẽ giảm đi , nghĩa là điểm chuyển đổi hạ thấp dẫn đến sự vượt quá trị số cho phép của dòng điện và mô men trong động cơ . * ảnh hưởng của điện áp lưới : - Đối với động cơ một chiều kích từ song song giả sử điện áp lưới giảm 10% mà tốc độ động cơ vẫn không thay đổi thì tốc độ không tải lý tưởng 0 sẽ giảm xuống 10% . Các đặc tính cơ khởi động tương ứng sẽ tịnh tiến theo trục  xuống dưới một đoạn như nhau . Khi MC không đổi thì mô men động ở cấp đầu tiên sẽ giảm nhỏ , điểm chuyển đổi thấp xuống , do đó quá trình khởi động sẽ kéo dài * ảnh hưởng của điện trở cuộn dây rơ le thời gian : Khi nhiệt độ tăng thì điện trở cuộn dây rơ le thời gian tăng lên dẫn đến giảm dòng điện chạy qua cuộn dây và do đó giảm sức từ động của rơ le , làm thay đổi thời gian duy trì của nó . Sự thay đổi này tuỳ thuộc vào từng loại rơ le . * ảnh hưởng của điện trở khởi động : Trong quá trình khởi động các điện trở khởi động bị đốt nóng do đó mô men động giảm đi làm cho quá trình khởi động bị kéo dài ra . * Kết luận : Ưu điểm : Nguyên tắc này có thể chỉnh được thời gian theo tính toán và độc lập với thông số của hệ thống động lực. Trong thực tế ảnh hưởng của điện áp lưới , của mô men cản và của điện trở cuộn dây hầu như không đáng kể đến sự làm việc của hệ thống và đến quá trình gia tốc của truyền động điện . Thiết bị của sơ đồ đơn giản , làm việc tin cậy ngay cả khi phụ tải thay đổi . Rơ le thời gian dùng đồng loại cho bất kỳ công suất và động cơ nào, có tính kinh tế cao .  1.2 Khống chế tự động theo nguyên tắc tốc độ 1: Nội dung nguyên tắc: Tốc độ quay trên trục động cơ của cơ cấu chấp hành là một thông số đặc trưng quan trọng xác định trạng thái của hệ thống truyền động điện . Do vậy người ta dựa vào thông số này để điều khiển sự làm việc của hệ thống . Lúc này mạch điều khiển phải có phần tử thụ cảm được chính xác tốc độ làm việc của động cơ - rơ le tốc độ . Khi tốc độ đạt được những trị số ngưỡng đã đặt thì rơ le tốc độ sẽ phát tín hiệu đến phần tử chấp hành để chuyển trạng thái làm việc của hệ thống truyền động điện đến trạng thái mới yêu cầu . Rơ le tốc độ có thể cấu tạo theo nguyên tắc ly tâm , nguyên tắc cảm ứng hoặc cũng có thể dùng máy phát tốc độ . Đối với động cơ một chiều có thể gián tiếp kiểm tra tốc độ thông qua sức điện động động cơ . Đối với động cơ xoay chiều có thể thông quá sức điện động và tần số mạch rô to để xác định tốc độ. 1 Một số sơ đồ đặc trưng : a: Sơ đồ mở máy động cơ một chiều kích từ độc lập theo nguyên tắc tốc độ qua cấp điện trở phụ trong mạch phần ứng : Việc ngắn mạch các cấp điện trở khởi động trong mạch phần ứng động cơ có thể thực hiện được ở các tốc độ 1, 2, 3 . Để làm các phần tử kiểm tra tốc độ ở đây ta dùng các công tắc tơ gia tốc 1K , 2K, 3K có cuộn dây mắc trực tiếp vào hai đầu phần ứng động cơ , nó tiếp thụ được điện áp tỷ lệ với tốc độ động cơ với sai lệch nhỏ . Theo hình vẽ các điểm chuyển đổi trạng thái cần xảy ra tại các điểm ( 1,I1) , (2,I2) và (3,I3) , ở các điểm này điện áp trên hai đầu phần ứng sẽ là : U1 = K1 + I2Rư U2 = K2 + I2Rư U3 = K3 + I2Rư Giả sử ta cắt điện trở theo thứ tự r1, r2, r3 thì phải chọn các công tắc tơ có điện áp hút lần lượt là U1K = U1; U2K = U2; U3K = U3 * Hoạt động của sơ đồ : Sau khi ấn nút mở máy , công tắc tơ K có điện đóng mạch phần ứng động cơ vào nguồn qua ba cấp điện trở phụ và động cơ bắt đầu được gia tốc trên đường đặc tính cơ 1 . Khi tốc độ động cơ đạt trị số 1 điện áp trên hai đầu công tắc tơ 1K đạt trị số hút U1 do đó 1K hút loại điện phụ r1 , động cơ sẽ chuyển lên làm việc trên đường đặc tính cơ 2 . Khi tốc độ động cơ đạt trị số 2 ( 2 > 1 ) thì điện áp trên hai đầu công tắc tơ 2K đạt trị số hút U2 , điện trở r2 được ngắn mạch và động cơ sẽ chuyển lên gia tốc trên đường đặc tính cơ (3) . Khi tốc độ động cơ đạt trị số 3 ( 3 > 2) , điện áp hút trên hai đầu công tắc tơ 3K đạt trị số hút U3 , r3 được ngắn mạch và động cơ sẽ chuyển lên gia tốc trên đường đặc tính cơ tự nhiên cho đến điểm làm việc ổn định . *Nhận xét Mạch này có ưu điểm là đơn giản rẻ tiền vì không có rơ le . Nhược điểm : - Trong thực tế động cơ khởi động trong những đièu kiện rất khác nhau làm thay đổi trị số chuyển đổi . - Khi điện áp nguồn thay đổi thì tốc độ chuyển đổi cũng thay đổi theo có thể dẫn đến tăng dòng điện quá trị số cho phép - Điện áp hút của các công tắc tơ khác nhau đòi hỏi phải chỉnh định các công tắc tơ khác nhau hoặc dùng các cuộn dây có điện áp danh dịnh khác nhau . Nhược điểm này có thể khắc phục được bằng cách nối các công tắc tơ theo sơ đồ sau : Trong sơ đồ này điện áp đặt lên các công tắc tơ có thể tính theo công thức U1K = U – I2r1 Sau khi 1K đã làm việc thì điện áp đặt trên 2K cũng có dạng tương tự U2K = U – I2r2 Nghĩa là điện áp hút của các công tắc tơ khác với điện áp nguồn một lượng phụ thuộc vào trị số điện trở mà nó cần có trong mạch để hạn chế dòng điện phần ứng . Do đó việc chọn và chỉnh định trị số điện áp hút của các công tắc tơ được dễ dàng hơn nhiều và có thể chọn chúng cùng loại . b. Sơ đồ khởi động động cơ một chiều kích từ độc lập qua hai cấp điện trở phụ và hãm động năng để dừng máy theo nguyên tắc tốc độ * Hoạt động của sơ đồ : Mở máy : ấn nút mở máy M , công tắc tơ K có điện , mạch phần ứng động cơ được nối vào lưới qua hai cấp điện trở phụ , khi tốc độ động cơ đạt trị số 1 thì điện áp trên cuộn dây công tắc tơ 1K đạt trị số hút U1K = K1 + I2(r2 +rư) công tắc tơ 1K tác động ngắn mạch cấp điện trở phụ thứ nhất . Khi tốc độ động cơ đạt trị số 2 ( 2> 1) thì điện áp trên cuộn dây công tắc tơ 2K đạt trị số hút U2K = K2 + I2rư công tắc tơ 2K tác động ngắn mạch cấp điện trở phụ thứ hai . Động cơ tiếp tục khởi động lên đặc tính cơ tự nhiên đến điểm công tác . Dừng máy nhanh động cơ bằng hãm động năng : ấn nút dừng máy D , công tắc tơ K mất điện , phần ứng động cơ bị cắt rakhỏi lưới , tiếp điểm thường kín K đóng cấp điện cho rơ le điện áp RH vì lúc này tốc độ động cơ vẫn còn lớn lên rơ le điện áp hãm RH sẽ tác động đóng tiếp điểm RH cấp điện cho công tắc tơ H đưa điện trở hãm vào song song với mạch phần ứng động cơ và xảy ra quá trình hãm động năng . Tốc độ động cơ giảm nhanh về 0 , khi giảm về một tốc độ đủ nhỏ nào đó rơ le RH nhả , H mất điện , điện trở hãm được loại ra khỏi mạch , động cơ được hãm tự do cho đến dừng hẳn . c. Sơ đồ mở máy động cơ không đồng bộ rô to dây quấn theo nguyên tắc tốc độ Hoạt động của sơ đồ : Ấn mút mở máy M , công tắc tơ K có điện , động cơ được nối với lưới , tại thời điểm này tốc độ động cơ bằng 0 (hệ số trượt S = 1) nên sức điện động rô to E2 của động cơ là lớn nhất nên rơ le điện áp cực đại RG tác động mở tiếp điểm thường kín RG , 1K không có điện , động cơ được mở máy với điện trở phụ . trong quá trình khởi động tốc độ động cơ tăng dần do đó hệ số trượt S giảm dần , E2 giảm dần khi đạt trị số nhả của rơ le RG thì tiếp điểm RG đóng lại cấp điện cho 1K , tiếp điểm 1K đóng ngắn mạch điện trở phụ ra khỏi mạch rô to động cơ . Nhận xét về nguyên tắc điều khiển theo tốc độ : - Ưu điểm : đơn giản , rẻ tiền , thiết bị có thể là công tắc tơ mắc trực tiếp vào phần ứng động cơ không cần thông qua rơ le . -Nhược điểm : Thời gian mở máy , hãm phụ thuộc nhiều vào mô men cản , mô men quán tính J , điện áp lưới U và điện trở cuộn dây công tắc tơ . Các công tác tơ gia tốc có thể không làm việc vì điện áp lưới giảm thấp, vì quá tải , vì cuộn dây quá phát nóng sẽ dẫn đến quá phát nóng điện trở khởi động , có thể làm cháy các điện trở đó . Khi điện áp lưới tăng cao có khả năng tác động đồng thời các công tắc tơ gia tốc làm tăng dòng điện quá trị số cho phép Trong thực tế ít dùng nguyên tắc này để khởi động các động cơ mà chỉ thường dùng nguyên tắc này để điều khiển quá trình hãm động cơ . 1.2 Khống chế tự động theo nguyên tắc dòng điện 1.Nội dung nguyên tắc Dòng điện trong mạch phần ứng động cơ cũng là một thông số rất quan trọng xác định trạng thái của hệ thống truyền động điện . Nó phản ánh trạng thái non tải , trạng thái quá tải cũng như phản ánh trạng thái đang khởi động hay đang hãm của động cơ truyền động . Trong quá trình khởi động , hãm dòng điện cần đảm bảo nhỏ hơn một trị số giới hạn cho phép . Trong quá trình làm việc cũng vậy dòng điện có thể phải giữ không đổi ở một trị số nào đó theo yêu cầu của quá trình công nghệ . Ta có thể dùng các công tắc tơ có cuộn dây dòng điện hoặc rơ le dòng điện kiểu điện từ hoặc các khoá điện tử hoạt động theo tín hiệu vào là trị số dòng điện để điều khiển hệ thống theo các yêu cầu trên . Dòng điện mạch phần ứng động cơ dùng làm tín hiệu vào trực tiếp hoặc gián tiếp cho các phần tử thụ cảm dòng điện nói trên . Khi trị số tín hiệu vào đạt đến giá trị ngưỡng xác định có thể điều chỉnh được của nó thì nó sẽ phát tín hiệu để điều khiển hệ thống chuyển đến những trạng thái làm việc yêu cầu . 2 Một số sơ đồ đặc trưng a: Sơ đồ mở máy động cơ một chiều kích từ nối tiếp qua một cấp điện trở phụ theo nguyên tắc dòng điện Hoạt động của sơ đồ : ấn nút mở máy M , công tắc tơ K có điện , đóng tiếp điểm K trên mạch phần ứng và duy trì trên mạch điều khiển , rơ le RLĐ có điện dóng tiếp điểm RLĐ , vì lúc này dòng khởi động cho động cơ là lớn nhất ( I1) nên RI tác động mở tiếp điểm thường kín RI , 1K không có điện và động cơ được mở máy với điện trở phụ . đến khi dòng điện giảm tới giá trị I2 thì RI nhả , tiếp điểm RI đóng lại cấp điện cho 1K , tiếp điểm 1K đóng ngắn mạch điện trở phụ ra khỏi mạch đưa động cơ lên làm việc trên đặc tính tự nhiên . Trong sơ đồ có sử dụng rơ le linh động RLĐ để đảm bảo cho 1K tác động chậm sau K . Song do RLĐ và RI cùng khởi động tại một thời điểm nên yêu cầu bắt buộc là thời gian khởi động của RI nhỏ hơn thời gian khởi động của RLĐ để đảm bảo tiếp điểm RI mở trước khi tiếp điểm RLĐ đóng . Tiếp điểm 1K mắc song song với tiếp điểm RI để đảm bảo cho 1K luôn ở trạng thái có điện khi dòng điện lần thứ hai tăng lên đến giá trị I1 b. Sơ đồ mở máy động cơ không đồng bộ rô to dây quấn qua hai cấp điện trở phụ theo nguyên tắc dòng điện Hoạt động của sơ đồ : ấn nút mở máy , ccông tắc tơ K và rơ le linh động RLĐ có điện . Nhờ có sự chậm chễ về thời gian ( do bản thân của rơ le RLĐ ) mà các rơ le dòng điện RI1, RI2 kịp tác động ( do thời gian của rơ le dòng điện thường là nhỏ ). Cả hai rơ le dòng cùng tác động mở tiếp điểm thường kín của chúng bảo đảm cho động cơ được khởi động với hai cấp điện trở phụ trong mạch rô to . Khi tốc độ đã tăng lên đến trị số tương ứng với dòng điện đã giảm gần bằng I2 rơ le dòng điện RI1 nhả đóng tiếp điểm RI1 cấp điện cho công tắc tơ 1K loại cấp điện trở phụ thứ nhất ra khỏi mạch . Còn lúc này rơ le RI2 chưa được nhả vì vậy phải chính định cho dòng nhả của RI1 lớn hơn dòng nhả của RI2 , cụ thể là dòng nhả của RI1 lớn hơn I2 một ít còn dòng nhả của RI2 nhỏ hơn I2 một ít . Khi loại điện trở r1 ra khỏi mạch , dòng điện rôto tăng lên trên trị số tác động của RI1 và RI2 bảo đảm cho cấp điện trở phụ r2 vẫn ở trong mạch . Tốc độ động cơ tiếp tục tăng đến tốc độ tương ứng với việc giảm dòng điện rô to đạt trị số nhả của rơ le RI2­ , tiếp điểm RI2 đóng lại công tắc tơ 2K được cấp điện loại bỏ nốt cấp điện trở phụ thứ hai , động cơ tiếp tục được khởi động trên đường đặc tính cơ tự nhiên đến tốc độ làm việc . a: Khâu mạch điều khiển hãm ngược động cơ xoay chiều 3 pha rô to dây quấn khi đảo chiều Sơ đồ này có tác dụng đưa thêm điện trở phụ có giá trị lớn vào mạch rô to trong quá trình đảo chiều . Yêu cầu đối với rơ le hãm RH là : Khi dòng điện rô to lớn hơn trị số khởi động thì nó phải tác động , khi dòng điện rô to đã giảm nhỏ về gần trị số khởi động ( I1) thì nó phải nhả để chuẩn bị cho quá trình khởi động tiếp theo . Quá trình loại bỏ các điện trở khởi động được thực hiện theo nguyên tắc thời gian . Giả sử động cơ đang làm việc theo chiều quay thuận nghĩa là bộ khống chế chỉ huy đang ở vị trí 2 phía phải , muốn đảo chiều quay động cơ ta quay bộ khống chế chỉ huy về phía trái , khi lướt qua vị trí 0 các công tắc tơ H , 1K , 2K mất điện nên cả 3 tiếp điểm của chúng nhả dưa cả 3 điện trở vào mạch rô to . Khi lướt đến vị trí 2 phía trái dòng rô to lúc này xuất hiện lúc này lớn hơn trị số chỉnh định hút của rơ le RH nên RH tác động mở tiếp điểm RH bảo đảm cho cả 3 điện trở tham gia vào việc hạn chế dòng điện quá trình hãm ngược động cơ được tiến hành . Khi tốc độ động cơ giảm dần đến 0 thì dòng điện rô to cũng giảm đến trị số nhả của rơ le RH , rơle RH nhả đóng tiếp điểm RH , công tắc tơ H có điện , điện trở hãm rh được loại ra ngoài , động cơ bắt đầu quá trình khởi động theo chiều ngược với hai cấp điện trở hạn chế . 4: Nhận xét về nguyên tắc điều khiển theo dòng điện Ưu điểm : Thiết bị dơn giản , sự làm việc của sơ đồ không chịu ảnh hưởng của nhiệt độ cuộn dây , công tắc tơ rơ le . Nhược điểm : Độ tin cậy thấp , có khả năng đình chỉ gia tốc ở cấp trung gian nếu động cơ khởi động bị quá tải , dòng điện không giảm xuống đến trị số nhả của rơ le dòng điện . Chương II : BẢO VỆ VÀ TÍN HIỆU HOÁ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN  2.1 Ý nghĩa của bảo vệ và tín hiệu hoá trong hệ thống điều khiển truyền động điện Trong quá trình vận hành hệ thống ĐKTĐ - TĐ có thể có các tác động ngẫu nhiên hoặc chủ quan của nhân viên vận hành dẫn đến những sự cố hoặc chế độ làm việc xấu cho hệ thống . Nếu các chế độ làm việc xấu và sự cố đó không được loại trừ kịp thời sẽ dẫn đến hư hỏng máy móc thiết bị , rối loạn quá trình sản xuất thậm chí có thể gây tai nạn nguy hiểm cho người vận hành . Vì vậy bảo về và tín hiệu hoá là không thể thiếu trong các hệ thống ĐKTĐ - TĐ . - Tác động của bảo vệ và tín hiệu tuỳ theo mức độ , tính chất sự cố và đặc điểm công nghệ của đối tượng có thể : - Ngắt điện động cơ và hệ thống khi có sự cố nguy hiểm trực tiếp đến động cơ và thiết bị . VD khi ngắn mạch , điện áp giảm thấp quá mức hoặc mất bôi trơn , làm mát . - Khi quá tải hoặc xảy ra chế độ làm việc xấu chưa có nguy hiểm trực tiếp đến máy móc thiết bị thì bảo vệ tín hiệu cho nhân viên vận hành biết để xử lý . Các thiết bị bảo vệ phổ biến nhất là cầu chì cắt mạch điện khi dây chì nóng chảy , rơ le dòng điện tác động ở dòng điện đã đặt , rơ le công suất phản ứng với sự thay đổi trị số và chiều công suất , rơ le nhiệt tác động ở nhiệt độ phát nóng nhất định … Lựa chọn thiết bị và biện pháp bảo vệ hệ thống ĐKTĐ - TĐ phải được tiến hành trên cơ sở các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật vì đối với cùng một mục đích bảo vệ có thể dùng nhiều biện pháp bảo vệ khác nhau .  2.2 Các dạng bảo vệ cơ bản Trong hệ thống ĐKTĐ - TĐ có thể có những dạng bảo vệ cơ bản cho những trường hợp sau : Ngắn mạch có thể gây nên hỏng cách điện của động cơ và hỏng các thiết bị khác của truyền động điện. Quá tải dài hạn có thể dẫn đến quá phát nóng cho phép hoặc cháy cách điện của động cơ và thiết bị điện . Quá tải ngắn hạn quá lớn không cho phép đối với động cơ điện do điều kiện đổi chiều hoặc lực điện động quá lớn . Bảo vệ điểm không hoặc cực tiểu tránh làm việc khi điện áp quá thấp hoặc tránh tự khởi động khi điện áp tự phục hồi sau khi mất nguồn đột xuất . Các điều kiện ràng buộc liên động khác có chức năng bảo vệ . 1 Bảo vệ ngắn mạch: Trong hệ thống ĐKTĐ - TĐ bất kỳ là ngắn mạch một pha hay ngắn mạch 3 pha đều nguy hiểm và bảo vệ phải tác động cắt nhanh hệ thống ra khỏi nguồn điện . Bảo vệ ngắn mạch có thể thực hiện bằng : - Cầu chì - Rơle dòng cực đại tác động nhanh . - áp tô mát a: Bảo vệ ngắn mạch bằng cầu chì : Trong mạch điện xoay chiều cầu chì đặt trên cả 3 pha , trong mạch một chiều được đặt trên cả hai phía của nguồn . Quy phạm cấm đặt cầu chì trên dây trung tính , trên mạch nối đất vì khi dây chì chảy vỏ máy và các phần dễ tiếp xúc sẽ xuất hiện điện thế gây nguy hiểm Ưu điểm cơ bản của cầu chì là đơn giản rẻ tiền nhưng có những nhược điểm lớn như : Tác động không chính xác mà thay đổi theo thời gian do han rỉ , không có khả năng bảo vệ chế độ làm việc hai pha . Ngoài ra khi cầu chì chảy cần có một thời gian nhất định để thay thế . Vì vậy cầu chì chỉ được dùng để bảo vệ ngắn mạch cho các thiết bị không quan trọng Khi lựa chọn cầu chì bảo vệ cần bảo đảm các điều kiện : Quan hệ giữa điện áp trên cầu chì và điện áp lưới Udđcc  UL Trong đó Udđcc là điện áp danh định của cầu chì UL: là điện áp lưới . Quan hệ giữa dòng điện chỉnh định dây chảy cầu chì và dòng điện làm việc: Idđcc = K1 .It tmax Trong đó : Idđcc là dòng danh định của dây chảy cầu chì It tmax :là dòng điẹn tải lớn nhất K1là hệ số an toàn , trị số của nó phụ thuộc vào đặc tính tải Dòng điện danh định của dây chảy cầu chì phụ thuộc vào kiểu thiết bị được bảo vệ . Đối với động cơ lồng sóc : + Trường hợp điều kiện khởi động nhẹ + Trường hợp điều kiện khởi động nặng Trong đó : K2 là bội số dòng điện khởi động Idđ là dòng điện danh định của động cơ được bảo vệ Thời gian chảy ngắn nhất của dây chảy cầu chì đạt được nếu thoả mãn điều kiện : Inm / Idđdc  10 Inm : dòng ngắn mạch của đường dây được bảo vệ Idđ động cơ : dòng danh định của dây chảy cầu chì b: Bảo vệ ngắn mạch bằng áp tô mát Thay cho cầu chì thông thường người ta dùng áp tô mát , nó có đặc tính bảo vệ hoàn thiện hơn . Việc đóng lại các áp tô mát đã tác động cắt cũng rất nhanh chóng . áp tố mát có khả ngăn cắt dòng điện lớn hàng trăm lần so với trị số danh định . Khi quá tải hoặc ngắn mạch áp tô mát sẽ cắt cả 3 pha tránh được chế độ công tác hai pha . Áp tô mát được chia ra 3 loại : - Áp tô mát vạn năng : Được dùng cắt mạch động lực khi quá tải và ngắn mạch và giảm thấp điện áp . Điều khiển đóng cắt áp tố mát có thể bằng tay hoặc bằng nam châm điện hoặc động cơ điện . Loại áp tô mát này thực hiện bảo vệ rất chắc chắn , tuy nhiên thực tế ít sử dụng chúng vì giá thành cao và kích thước lớn . - Áp tô mát chuyên dùng : đó là những áp tô mát có công dụng đặc biệt . VD : áp tô mát kiểu AB – 45 – 1/6000 ( Liên xô ) dùng để đóng cắt từ xa không thường xuyên và tự động cắt khi quá tải dùng cho lưới điện 1 chiều điện áp đến 750V và dòng điện đến 6000 A - Áp tô mát chỉnh định : Loại này được dùng để bảo vệ các mạch điện tránh quá tải và ngắn mạch . Nó tương đối rẻ và kích thước bé so với loại vạn năng vì nó được sản xuất với công dụng hẹp .Việc dùng áp tô mát này để đóng cắt thay cho cầu dao chỉ được phép khi số lần đóng cắt ít bởi hệ thống cơ khí của nó phức tạp hơn và tuổi thọ của nó được tính bằng tổng số lần đóng cắt . Để thực hiện cắt tự động áp tô mát chỉnh định có thể có cơ cấu cắt điện từ ( cắt nhanh ) , nhiệt và hỗn hợp ( cả điện từ và nhiệt ). Cơ cấu điện từ ( hay cơ cấu cắt nhanh ) có phần tử nam châm điện nhạy với dòng ngắn mạch, tác động coi như không có thời gian trễ . Cơ cấu nhả nhiệt có một phần tử nhiệt tác động có thời gian trễ phụ thuộc quán tính nhiệt của phan tử cảm thụ nhiệt Tuổi thọ của áp tô mát chỉnh định cao . VD loại A – 3100 có khoảng 5000 đến 20000 lần đóng cắt ở dòng điện xoay chiều và từ 5000 đến 10000 ở dòng điện một chiều . Dòng chỉnh định của cơ cấu nhả điện từ của áp tô mát nên chọn trị số nhỏ nhất nhưng không được tác động cắt hệ thống động lực ở những trường hợp quá tại tạm thời do khởi động hặoc do phụ tải đỉnh nhọn cho phép của quá trình công nghệ . Thông thường đối với động cơ vành trượt dòng chỉnh định nên chọn : Icđ = 1,2 Ikđ (1) Đối với động cơ lồng sóc Icđ = 1,3 Ikđ (2) Ikđ là dòng khởi động của động cơ c: Bảo vệ ngắn mạch bằng rơ le dòng cực đại tác động nhanh : Để bảo vệ ngắn mạch có thể dùng rơ le dòng điện tác động nhanh cắt tức thời khi có dòng ngắn mạch . Tác động cắt xảy ra thông qua mạch điều khiển . Loại bảo vệ này cần đặt rơ le trên hai pha cho động cơ xoay chiều và trên một cực cho động cơ một chiều . Dòng điện chỉnh định của rơ le theo biểu thức (1) và (2) . 2: Bảo vệ quá tải lâu dài ( bảo vệ nhiệt ) Quá tải lâu dài vượt trị số cho phép sẽ gây nên phát nóng làm nhiệt độ của dây quấn máy điện vượt quá trị số cho phép đối với cách điện của nó sẽ dẫn đến cháy máy điện . Để bảo vệ máy điện có thể dùng loại áp tô mát chỉnh định có cơ cấu nhả hỗn hợp hoặc dùng rơ le nhiệt . Rơ le nhiệt không nhạy đối với các quá tải ngắn hạn và khởi động vì phần tử thụ cảm của rơ le có quán tính nhiệt . Thời gian chậm của nó tỷ lệ nghịch với dòng điện quá tải . Cũng do có quán tính nhiệt nên nó không bảo vệ ngắn mạch được . Phần tử đốt nóng của rơ le nhiệt thường mắc trên hai pha của hệ thống ba pha và trên một hoặc hai cực của động cơ điện một chiều phía sau công tắc tơ đường dây K . Tiếp điểm của nó sẽ cắt mạch công tắc tơ đường dây khi nó tác động . Tiếp điểm của rơ le nhiệt là loại không tự phục hồi nên sau khi đã tác động cần phải ấn phục hồi bằng tay . Đối với động cơ công suất lớn hoặc cao áp phần tử đốt của rơ le nhiệt được mắc trong mạch cần bảo vệ thông qua biến dòng . Khi dùng rơ le nhiệt cần chú ý đảm bảo đặc tính nhiệt của rơ le gần với đặc tính nhiệt của động cơ được bảo vệ . Do đó trong nhiều trường hợp cần thiết do điều kiện môi trường phải đặt rơ le nhiệt trong vỏ động cơ . ở chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại đặc tính nhiệt của động cơ không phối hợp được với đặc tính phát nóng của rơ le nhiệt . Trong trường hợp này không dùng rơ le nhiệt mà phải dùng rơ le dòng cực đại để bảo vệ . 3 Bảo vệ quá tải ngắn hạn xung kích ( bảo vệ dòng điện cực đại ) Những quá tải tạm thời nhưng dòng xung kích lớn có thể gây nên lực điện động lớn làm hư hỏng các bộ phận của máy điện như cháy cổ góp hoặc bối dây , làm hỏng cơ cấu cơ khí có liên quan khác . Vì vậy cần phải cắt động cơ ra khỏi lưới . Để bảo vệ cắt trong trường hợp này người ta dùng rơ le dòng cực đại hay áp tô mát có cơ cấu cắt nhanh . Nếu cung cấp cho động cơ từ biến thế có trung tính nối đất thì phải đặt rơ le trên cả 3 pha . Nếu trung tính biến áp cách điện hoặc phía thứ cấp biến áp nối hình tam giác thì rơ le bảo vệ đặt trên hai pha là đủ . Trong mạch phần ứng của động cơ điện một chiều thường chỉ cần đặt một rơ le bảo vệ . Khi dùng rơ le dòng điện cực đại để vừa bảo vệ ngắn mạch vừa để bảo vệ quá tải ngắn hạn xung kích . VD : động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại ta có thể thực hiện theo sơ đồ 3 rơ le cực đại tác động nhanh với việc chỉnh định khác nhau . Trên sơ đồ cuộn dây rơ le dòng điện được mắc trước tiếp điểm của công tắc tơ đường dây để bảo vệ sự phóng điện giữa các tiếp điểm của công tắc tơ đường dây . Thông thường trong trường hợp này nguồn điều khiển hay dùng nguồn một chiều . Rơ le dòng cực đại 1RM , 2RM để bảo vệ quá tải ngắn hạn xung kích và chế độ làm việc hai pha cho nên chỉnh định dòng điện hút của nó bé hơn dòng điện làm việc hai pha ( dòng này bé hơn dòng khởi động ) . Do chỉnh định như vậy nên khi khởi động 1RM và 2RM đều tác động . Vì vậy để bảo đảm khởi động ta phải phân mạch chúng bằng rơ le thời gian Rth . Thời gian chỉnh định của Rth phải lớn hơn hoặc bằng thời gian khởi động . Tiếp điểm của 1RM , 2RM phải là loại tự phục hồi . Rơ le 3RM để bảo vệ ngắn mạch . Chỉnh định dòng điện tác động của rơ le này theo biểu thức (1) và (2) . Bảo vệ cực tiểu , bảo vệ điểm không Khi điện áp lưới bị mất hoặc giảm thấp dưới trị số cho phép thì phải cắt mối liên hệ giữa nguồn điện và động cơ . Để tránh động cơ tự khởi động khi điện áp lưới phục hồi người ta dùng bảo vệ điểm cực tiểu và bảo vệ điểm không . Bảo vệ này được thực hiện bằng rơ le điện áp thấp kiểu điện từ . Cuộn dây của rơ le được mắc vào điện áp lưới còn tiếp điểm của nó đòng nguồn cho mạch điều khiển . Có thể thực hiện khâu bảo vệ cực tiểu và bảo vệ điểm không phối hợp với các bảo vệ khác như sơ đồ sau : Trên hình vẽ KC1 là một tiếp điểm của bộ khống chế chỉ huy KC , nó chỉ đóng ở vị trí 0 ( vị trí ban đầu ) , 1RN và 2RN là các rơ le nhiệt bảo vệ quá tải dài hạn mạch động lực , 1RM và 2RM là rơ le dòng cực đại bảo vệ ngắn mạch và quá tải xung kích . RA là rơ le điện áp thấp thực hiện bảo vệ cực tiểu và bảo vệ điểm không đồng thời là phần tử chấp hành của các bảo vệ phối hợp . Trong vị trí ban đầu ( KC ở vị trí 0 là vị trí sơ đồ ở trạng thái chuẩn bị ) sau khi đóng nguồn cung cấp cho toàn mạch , nếu điện áp lưới đủ thì rơ le RA tác động đóng tiếp điểm RA phân mạch KC1 cho phép quay bộ khống chế chỉ huy KC đến các vị trí làm việc . ở các vị trí này nguồn cung cấp cho mạch điều khiển được lấy qua tiếp điểm RA . Khi đang làm việc nếu điện áp lưới giảm thấp quá quy định hoặc mất điện thì rơ le điện áp RA nhả cắt điện mạch điều khiển . Khi điện áp lưới phục hồi mạch điều khiển cũng không có điện lại được , muốn tiếp tục làm việc phải quay KC về vị trí 0 . Do vậy mà bảo vệ này còn được gọi là bảo vệ điểm không . Khi mạch động lực và mạch điều khiển được cung cấp từ hai nguồn độc lập thì mạch cuộn dây RA phải mắc trên điện áp toàn phần của mạch động lực còn tiếp điểm của nó để đóng nguồn cung cấp cho mạch điều khiển . 5 Bảo vệ mất từ trường Khi động cơ điện một chiều kích thích độc lập đang làm việc nếu dòng kích thích giảm nhỏ quá trị số cho phép tốc độ có thể tăng lên quá mức làm hư hỏng động cơ và các thiết bị điện khác . Mặt khác do từ thông giảm dòng điện phần ứng tăng lên làm xấu điều kiện đổi chiều trên cổ góp cũng như làm tăng phát nóng của động cơ . Nếu mất hẳn dòng kích thích sẽ dẫn đến cháy động cơ do dòng điện ngắn mạch . để tránh các sự cố khi giảm hoặc mất từ trường cần phải có bảo vệ cắt mạch phần ứng khỏi nguồn cung cấp . bảo vệ này được thực hiện bằng một rơ le dòng điện mắc nối tiếp trong mạch kích từ như sau : Chỉ khi dòng kích thích đạt trị số danh định thì rơ le dòng bảo vệ thiếu từ trường RTT mới hút đóng nguồn cho mạch điều khiển cho phép động cơ làm việc . Khi dòng kích thích giảm nhỏ dưới trị số cho phép , rơ le RTT nhả cắt nguồn điều khiển , động cơ cũng được cắt ra khỏi lưới . Ngoài ra với động cơ điện một chiều kích thích độc lập cần phải chấp hành những quy định dưới đây : + Phải đóng mạch kích thích trước khi đóng mạch phần ứng , khi cắt mạch điện phải theo thứ tự ngược lại . + Khi dùng cầu chì để bảo vệ mạch kích thích thì mạch điều khiển nhất thiết phải được cấp điện qua cầu chì đó để khi cầu chì đứt mạch điều khiển cũng mất và động cơ bị cắt điện . + Phải có điện trở phóng điện cho cuộn dây kích thích để đề phòng quá điện áp cảm ứng khi cắt mạch kích thích gây nên nguy hiểm cho cuộn dây và người vận hành .