Tự động hoá thiết bị điện Chương 2: các phần tử thường dùng trong hệ thống tự động hóa

Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 1 Các phần tử có tiếp điểm – Bộ khống chế chỉ huy – Rơle tốc độ – phanh điện từ – li hợp điện từ Các phần tử không tiếp điểm – Khuyếch đại thuật toán (KĐTT) – Cảm biến – Các bộ biến đổi ADC – Các bộ biến đổi DAC Ch−ơng 2: các phần tử th−ờng dùng trong hệ thống TĐH bộ khống chế chỉ huy Cấu tạo Kí hiệu 1) Tang trống; 2) Trục quay; 3) Vô lăng; 4, 5) Tiếp điểm động; 6) Thanh nối điện 7, 8, 9, 10) Tiếp điểm tĩnh; 11) Giá đỡ tiếp điểm; 12) Mặt vạch dấu Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 2 rơle tốc độ Cấu tạo rơle li tâm Cấu tạo rơle cảm ứng 1) Trục quay; 2) Quả văng 3) Lò xo kéo; 4) Giá tiếp điểm 5) Tiếp điểm NO 6) Tiếp điểm NC 1) Trục quay; 2) Nam châm vĩnh cửu 3) Lồng sóc; 4) Lõi thép stato; 5) Cần tác động 6) Hệ thống tiếp điểm phanh điện từ Cấu tạo vμ nguyên lí hoạt động 1) Cuộn hút điện từ 2) Lò xo nhả 3) Đối trọng 4) Má phanh guốc 5) Má phanh ép 6) Trục quay Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 3 li hợp điện từ Li hợp kiểu ma sát 1) Trục động cơ; 2) Bạc lót 3) Phần gông (điện cực âm) 4) Cuộn dây; 5) Tấm lót cách điện 6) Vành tr−ợt cấp điện 7) Chổi than (điện cực d−ơng) 8, 9) Các đĩa ma sát 10) Phần ứng (giá ép) 11) Khung đỡ đĩa ma sát 12) Trục máy công tác Li hợp kiểu bám 1) Phần ứng; 2) Trục động cơ; 3) Phần cảm; 4) Cuộn dây; 5) Chổi than; 6) Trục máy công tác; 7) Vành tr−ợt Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 4 khuếch đại thuật toán Giới thiệu về KĐTT Khuếch đại thuật toán là phần tử cơ bản để xây dựng mạch điều khiển t−ơng tự. Khuếch đại thuật toán có nghĩa là nhờ mạch khuếch đại này mà ta có thể tạo đ−ợc các hàm điều khiển và thuật toán điều khiển khác nhau 4 11 5 6 7B U8B Các thông số cơ bản của KĐTT – Điện áp nguồn cấp 5 ữ 18 V – Dòng điện ra IR ≈ 3 mA – Công suất tiêu thụ ΔP ≈ 60 mW – Vùng nhiệt độ làm việc -55OC ữ 125OC – Tần số làm việc cực đại khoảng hàng kHz – Hệ số khuếch đại K = 105 - 107 – Điện trở đầu vào ZV ≈ 1MΩ – Điện trở đầu ra ZR ≈ 100 Ω Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 5 Khuếch đại đảo dấu 4 11 5 6 7B U8B R1 R2 Vào Ra VR KUU R RK = −= 1 2 Khuếch đại không đảo 4 11 5 6 7B U8B R1 R2 Vào Ra VR KUU R RK = += 1 21 Mạch trừ Mạch lặp VR KUU R RK = += 1 21 4 11 5 6 7B U8B Uvao Ura )( ; 12 1 0 0 1203 EE R RE RRRR −= == Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 6 Mạch cộng đảo nhiều tín hiệu ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ++−= Z R Y R X R RUra 432 1 111 4 11 5 6 7B U8BZ Ura R1 R4 R3 R2 X Y ứng dụng trong điều khiển tự động Ví dụ xây dựng cho bộ so sánh phản hồi E = SP - PV ESP PV - + )( 120 3210 EEE RRRR −= === Do vậy nếu xem E0 = E; E2 = SP; E1 = PV Thì ta đ−ợc ph−ơng trình sau: E = SP - PV Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 7 Ví dụ xây dựng cho bộ cộng với nhiều đầu vμo S = X + 2Y + 4Z 2 4 Y Z X + + + C áp dụng bộ cộng đảo sau ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ++−= Z R Y R X R RUra 432 1 111 4 11 5 6 7B U8BZ Ura R1 R4 R3 R2 X Y Để có đ−ợc biểu thức nh− mong muốn ta cần giải các ph−ơng trình sau: 4;2;1 4 1 3 1 2 1 === R R R R R R Sau khi giải ph−ơng trình ta đ−ợc sơ đồ sau: 2 3 1 4 11 A TL084ACN 10kR1 2.2kR4 4.7kR3 10kR2 X Y Z Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 8 Tuy nhiên kết quả lại cho ta số âm, do vậy để đạt đ−ợc kết quả nh− mong muốn ta cần dùng thêm một bộ đảo nữa. 2 3 1 4 11 A TL084ACN 10kR1 2.2kR4 4.7kR3 10kR2 X Y Z 2 3 1 4 11 A TL084ACN 10kR1 10kR4 C Xét ví dụ sơ đồ điều khiển tự động sau SP + _ PV 10 E 2 3 1 4 11 A TL084ACN 10kR1 10kR4 10kR3 10k R2 SP 2 3 1 4 11 A TL084ACN 91kR6 10kR5 PV E Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 9 Ví dụ tuyến tính hoá đoạn đ−ờng cong phi tuyến sau tuyến tính hoá đ−ờng cong phi tuyến Y X Tạo hμm ở góc phần t− thứ nhất UR UV Ung UR UV -UN Ung R1 R2 VR1 VR2 Tạo hμm ở góc phần t− thứ hai Ung R0 - + UR DR0 UV -UN R1 R2 VR1 VR2 UR UV Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 10 Tạo hμm ở góc phần t− thứ ba D UV -UN Ung R1 R2 VR1 VR2 - + R UR R R R - + UR UV Tạo hμm ở góc phần t− thứ t− - + D R UV -UN Ung UR R1 R2 VR1 VR2 R UR UV Ung Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 11 Tạo vùng không tác động UR- + D1 R0 -UN VR1 VR2 R1 +UN UV D2 UR UV Tạo đặc tính bão hoμ UR VR1 VR2R0 -UN +UN- + R1UV - + R1UV R0 DO UR UR UV D0 D1 Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 12 Cảm biến lμ gì ? Các bộ biến đổi DAC Bộ biến đổi số sang t−ơng tự, có nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu số nhị phân sang dạng tín hiệu t−ơng tự điện áp hoặc dòng điện. Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 13 bộ biến đổi DAC dựa trên cơ sở đầu vμo trọng số nhị phân Bộ biến đổi nμy dựa trên cơ sở lμ bộ cộng đảo nhiều tín hiệu dùng khuyếch đại thuật toán. Khi thay thế các giá trị điện trở lần l−ợt R, 2R, 4R ta sẽ đ−ợc kết quả sau. Các giá trị điện trở nμy tạo ra t−ơng ứng các trọng số khác nhau của dãy số nhị phân. Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 14 Giả sử điện áp ở mức cao của đầu ra số lμ 5V, mức thấp lμ 0V. Thì với sơ đồ mạch trên ta đ−ợc kết quả sau. bộ biến đổi DAC dùng điện trở mắc hình thang Trong đó D0 lμ LSB; D3 lμ MSB Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 15 Giả sử điện áp ở mức cao của đầu ra số lμ 5V, mức thấp lμ 0V, Rf = 2R. Thì với sơ đồ mạch trên ta đ−ợc kết quả sau. 9.3751111 8.750111 8.1251011 7.50011 6.8751101 6.250101 5.6251001 50001 4.3751110 3.750110 3.1251010 2.50010 1.8751100 1.250100 0.6251000 00000 OUTD0D1D2D3 Các bộ biến đổi ADC Bộ biến đổi t−ơng tự sang số, có nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu t−ơng tự d−ới dạng điện áp hoặc dòng điện sang dạng tín hiệu số nhị phân. Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 16 Bộ biến đổi ADC song song Mạch ADC song song 3 bít. – So sánh liên tiếp với các điện áp chuẩn. – Đầu ra bộ so sánh đ−ợc đ−a qua mạch tạo mã −u tiên Ma trận điốt có nhiệm vụ tạo mã nhị phân. Phần tử Ex-OR lμm nhiệm vụ lựa chọn cặp tín hiệu Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 17 Lấy Vref = 5V, ta đ−ợc VR = 0.625 Điện áp vμo Vin = 0 – 5V Ta đ−ợc bảng tín hiệu sau 4.375111 3.75011 3.125101 2.5001 1.875110 1.25010 0.625100 0000 VinD0D1D2 Mối quan hệ giữa tín hiệu t−ơng tự vμ tín hiệu số Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 18 Bộ biến đổi ADC bậc thang Đầu ra bộ đếm nhị phân đ−ợc đ−a vμo bộ DAC. Đầu ra bộ DAC đ−ợc so sánh với Vin – Dừng đếm, xoá đếm – Kích hoạt bộ chốt SRG Mối quan hệ giữa tín hiệu t−ơng tự vμ tín hiệu số Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 19 Bộ biến đổi ADC xấp xỉ liên tiếp Theo nguyên tắc: – Luôn gán 1 cho bít có trọng số cao nhất. – So sánh kết quả DAC với Vin. Nếu VDAC > Vin thì xoá 1 gán 0 cho bít có trọng số cao. Nếu VDAC < Vin thì giữ nguyên. – Nếu VDAC ≈ Vin trong phạm vi cho phép thì giá trị số này đ−ợc chuyển sang SRG 100 010 100 010 100 110 101 1 0 2 3 4 5 6 7 8 100 000 010 011 011 010 000 100 100 110 101 100 110 111 001 101 110 111 Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 20 Bộ biến đổi ADC so sánh liên tục Theo nguyên tắc: – Tín hiệu VDAC luôn bám theo tín hiệu Vin. – Việc đổi h−ớng bám đ−ợc thực hiện nhờ bộ CTR. Mỗi khi Vin – VDAC đổi dấu, thì h−ớng bám đ−ợc thay đổi. – Giá trị nhị phân đầu ra bộ CTR luôn đ−ợc cập nhật. 011 101 001 011 111 101 1 0 2 3 4 5 6 7 8 011 010 000 100 001 101 110 111 Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 21 Bộ biến đổi ADC dùng điện áp răng c−a Về nguyên lí khá giống với ADC bậc thang. ở đây thay bậc thang bằng răng c−a vμ trong mạch không có bộ DAC Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 22 Bộ biến đổi ADC (ΔΣ) delta SiGma Đây lμ công nghệ biến đổi ADC tiên tiến