Bài giảng Điện công nghiệp - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Chia sẻ: Mucnang222 Mucnang222 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:154

Thêm vào BST

Báo xấu

65
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tập bài giảng Điện công nghiệp biên soạn theo chương trình môn học Điện công nghiệp với nội dung chia làm bốn chương, được trình bày cụ thể như sau: Các nguyên tắc tự động khống chế hệ thống truyền động điện; Mạch điều khiển có tiếp điểm; Mạch điều khiển không tiếp điểm; Trang bị điện - Điện tử trên máy.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Điện công nghiệp - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Bé lao ®éng th¬ng binh vµ x· héi Trêng ®¹i häc s ph¹m kü thuËt nam ®Þnh TẬP BÀI GIẢNG ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Mã số : TB2012-03-02 Ban biên soạn: TS. Nguyễn Đức Hỗ Th.S. Nguyễn Tiến Hưng Nam ®Þnh 2012
LỜI NÓI ĐẦU Điện công nghiệp là lĩnh vực tương đối rộng, tuy nhiên theo chương trình đào tạo kỹ sư chuyên ngành công nghệ kỹ thuật điện, công nghệ kỹ thuật điện, điện tử và công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa thì học phần Điện công nghiệp bao hàm các nội dung cơ bản nhằm phục vụ cho các học phần chuyên môn điều khiển truyền động điện và trang bị điện. Chính vì thế nội dung chương trình học phần Điện công nghiệp tập hợp từ nội dung cơ bản của nhiều học phần riêng biệt ghép lại có tính hệ thống đi từ nguyên tắc đến ứng dụng. Đây cũng là lý do trên thực tế chưa có tài liệu nào được biên soạn phù hợp với nội dung của chương trình học phần Điện công nghiệp. Tập bài giảng Điện tử công nghiệp được biên soạn với mục tiêu tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình giảng dạy, nghiên cứu và học tập của sinh viên và giảng viên tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định và là tài liệu tham khảo cho các đơn vị sản xuất liên quan Tập bài giảng Điện công nghiệp biên soạn theo chương trình môn học Điện công nghiệp với nội dung chia làm bốn chương. Chương 1 : Các nguyên tắc tự động khống chế hệ thống truyền động điện Chương 2 : Mạch điều khiển có tiếp điểm Chương 3 : Mạch điều khiển không tiếp điểm Chương 4 : Trang bị điện -Điện tử trên máy Trong quá trình biên soạn tập bài giảng này nhóm tác giả đã tham khảo các tài liệu liên quan, cập nhật những thông tin mới nhất trong lĩnh vực điều khiển bằng các thiết bị tự động. Mặc dù nhóm biên soạn đã cố gắng nhưng chắc chắn không thể tránh được những thiếu sót, chúng tối rất mong nhận được ý kiến đóng góp của bạn đọc để tập bài giảng được hoàn thiện hơn. Nhóm biên soạn Nguyễn Đức Hỗ - Nguyễn Tiến Hưng 1
Mục lục LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................. 1 Chương 1: CÁC NGUYÊN TẮC TỰ ĐỘNG KHỐNG CHẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ................................................................................................................... 5 1.1. Khái quát .............................................................................................................. 5 1.1.1. Thông số đặc trưng hệ thống truyền động và tự động khống chế hệ thống truyền động điện ........................................................................................5 1.1.2. Nguyên tắc tự động khống chế hệ thống truyền động điện .......................7 1.2. Nguyên tắc tự động khống chế theo dòng điện.................................................... 7 1.2.1. Nội dung nguyên tắc ..........................................................................7 1.2.2. Mạch điện các khâu khống chế điển hình ..............................................8 1.2.3. Ưu nhược điểm vận dụng nguyên tắc tự động khống chế theo dòng điện .13 1.3. Nguyên tắc tự động khống chế theo hành trình ................................................. 13 1.3.1. Nội dung nguyên tắc ........................................................................13 1.3.2. Mạch điện các khâu khống chế điển hình ............................................14 1.3.3. Ưu, nhược điểm phạm vi ứng dụng nguyên tắc tự động khống chế theo hành trình .............................................................................................................. 19 1.4. Nguyên tắc tự động khống chế theo thời gian ................................................... 19 1.4.1. Nội dung nguyên tắc ........................................................................19 1.4.2. Mạch điện các khâu khống chế điển hình ............................................20 1.4.3. Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng nguyên tắc tự động khống chế theo thời gian ..................................................................................................33 1.5. Nguyên tắc tự động khống chế khác .................................................................. 34 1.5.1. Nguyên tắc điều khiển theo tốc độ .....................................................35 1.5.2. Nguyên tắc tự động khống chế theo nhiệt độ ......................................40 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG ............................................................. 45 Chương 2: MẠCH ĐIỀU KHIỂN CÓ TIẾP ĐIỂM .................................................... 47 2.1. Mạch điện điều khiển động cơ điện ................................................................... 48 2.1.1. Khái quát ........................................................................................48 2.1.2. Mạch điện điều khiển điển hình .........................................................48 2
2.2. Mạch điều khiển trình tự ....................................................................................60 2.2.1. Khái quát ....................................................................................... 60 2.2.2. Một số mạch điều khiển trình tự điển hình .......................................... 60 2.3. Mạch điều khiển quá trình..................................................................................64 2.3.1. Khái niệm ...................................................................................... 64 2.3.2. Một số mạch điều khiển quá trình điển hình........................................ 66 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2 ..........................................................................72 Chương 3: MẠCH ĐIỀU KHIỂN KHÔNG TIẾP ĐIỂM ............................................73 3.1. Phân tử không tiếp điểm ....................................................................................73 3.1.1. Khái quát ....................................................................................... 73 3.1.2. Phần tử không tiếp điểm bán dẫn, vi mạch và phần tử lập trình ............. 73 3.1.3. Sử dụng cổng logic thay thế phần tử có tiếp điểm ................................ 81 3.2. Mạch điều khiển một động cơ dùng phần tử không tiếp điểm...........................87 3.2.1. Mạch điều khiển động cơ sử dụng phần tử logic .................................. 87 3.2.2. Mạch điều khiển động cơ sử dụng phần tử lập trình Logo ..................... 89 3.3. Mạch điều khiển trình tự ....................................................................................93 3.3.1. Mạch điện điều khiển trình tự 3 động cơ dùng phần tử không tiếp điểm cổng logic ............................................................................................... 93 3.3.2. Mạch điện điều khiển trình tự 4 động cơ dùng phần tử lập trình Logo .... 94 3.3.3. Mạch điều khiển trình tự đèn giao thông sử dụng phần tử khả trình PLC 95 3.4. Điều khiển quá trình ...........................................................................................97 3.4.1. Mạch điều khiển quá trình cắt phôi tự động dùng cổng logic ................ 97 3.4.3. Sơ đồ tự động khống chế thang máy dùng các phần tử logic ................. 99 3.4.4. Mạch tự động điều khiển cổng dùng thiết bị lập trình Logo................. 100 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3 ................................................................................104 Chương 4: TRANG BỊ ĐIỆN, ĐIỆN TỬ TRÊN MÁY ..............................................105 4.1. Trang bị điện máy nâng hạ ...............................................................................105 4.1.1. Khái quát. .................................................................................... 105 4.1.2. Các yêu cầu cơ bản ....................................................................... 107 4.1.3. Trang bị điện và cơ cấu truyền động ................................................ 108 3
4.1.4. Trang bị điện một số máy nâng hạ. ...................................................110 4.2. Trang bị điện lò nấu thép ................................................................................. 115 4.2.1. Khái quát ......................................................................................115 4.2.2. Yêu cầu truyền động và trang bị lò nấu thép .....................................116 4.2.3. Một số mạch điện trang bị lò nấu thép điển hình ................................121 4.3. Trang bị điện máy sấy ...................................................................................... 135 4.3.1. Khái quát về hệ thống sấy ...............................................................135 4.3.2. Một số loại máy sấy điển hình trong công nghiệp ...............................136 4.4. Trang bị điện máy công trình ........................................................................... 145 4.4.1. Khái quát ......................................................................................145 4.4.2. Đặc điểm của hệ truyền động điện máy công trình .............................146 4.4.3. Trang bị điện máy xúc ....................................................................146 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 4 ................................................................................ 152 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 153 4
Chương 1: CÁC NGUYÊN TẮC TỰ ĐỘNG KHỐNG CHẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1. Khái quát 1.1.1. Thông số đặc trưng hệ thống truyền động và tự động khống chế hệ thống truyền động điện Các thiết bị, máy móc trong sản xuất hay dây chuyền sản xuất, để sản xuất ra các sản phẩm hay bán sản phẩm trên nó cần phải có các chuyển động. Bản thân các chuyển động này là do các thiết bị điện, thiết bị khí nén hoặc thiết bị thủy lực truyền chuyển động sang. Để điều khiển các chuyển động theo yêu cầu công nghệ của máy, cơ cấu sản xuất, hệ thống truyền động (điện, khí nén, thủy lực hoặc phối hợp các hệ thống) tự động được thiết kế tính toán làm việc ở những trạng thái (chế độ) xác định. Tuy nhiên, do đặc điểm cấu tạo, nguyên lý hoạt động và tính chất các phần tử trong hệ thống truyền động, cùng với những yếu tố tác động khách quan của thực tế quá trình sản xuất, những trạng thái sự cố hay hư hỏng thông thường của hệ thống truyền động được dự đoán khi thiết kế tính toán để áp dụng những thiết bị và biện pháp bảo vệ cần thiết. Theo yêu cầu công nghệ của máy hay cơ cấu sản xuất, những trạng thái làm việc của hệ thống truyền động (điện, khí nén, thủy lực hoặc phối hợp các hệ thống) tự động có thể được đặc trưng bằng các thông số: - Tốc độ làm việc của các thiết bị truyền động (động cơ điện, động cơ thủy lực, xi lanh thủy lực, động cơ khí nén, xi lanh khí nén) hay cơ cấu chấp hành của máy sản xuất (n); - Dòng điện của thiết bị điện (I); - Mô men phụ tải trên trục cơ cấu truyền động (M). Mối quan hệ giữa các đại lượng này được biểu diễn bằng phương trình đặc tính tốc độ và đặc tính cơ. Tuỳ theo quá trình công nghệ mà các thông số trên có thể lấy giá trị khác nhau. Khi thiết bị truyền động làm việc ổn định, ứng với một giá trị phụ tải trên trục cơ, ta có các cặp thông số (n, M) hoặc (n, I) đối với thiết bị điện xác định. Khi thiết bị chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác, các thông số này sẽ nhận giá trị mới sau một thời gian làm việc. Thời gian này gọi là thời gian quá độ của hệ thống truyền động. Như vậy các thông số I, M, n sẽ biến đổi theo một quy luật xác định, bằng các bài toán truyền động ở chế độ xác lập hay quá độ, ta biết được quy luật biến đổi của các thông số sao cho sự chuyển đổi chế độ là có lợi nhất. Dựa vào các quy luật biết trước ta có thể tác động vào hệ thống bằng cách thay đổi thông số của đối tượng điều khiển 5
sẽ thay đổi chế độ làm việc với quy luật mong muốn. Như vậy, tự động khống chế hệ thống truyền động thực chất là việc thay đổi các thông số của đối tượng điều khiển theo quy luật nào đó để làm thay đổi chế độ làm việc của thiết bị truyền động theo yêu cầu. Tuỳ theo quá trình công nghệ yêu cầu mà các thông số trên được xác định tại các giá trị khác nhau. Việc chuyển từ giá trị này sang giá trị khác được thực hiện tự động nhờ các hệ thống điều khiển. Kết quả hoạt động của phần điều khiển sẽ đưa hệ thống truyền động đến một trạng thái làm việc mới, trong đó ít nhất một thông số đặc trưng của hệ truyền động có được giá trị mới. Như vậy về thực chất điều khiển hệ thống truyền động là đưa vào hoặc loại ra khỏi hệ thống các phần tử, thiết bị nào đó (ví dụ: điện trở, điện kháng, điện dung hoặc khâu hiệu chỉnh nào đó) để thay đổi một hay nhiều thông số đặc trưng hoặc để giữ một thông số nào đó (tốc độ, dòng điện, mô men. . .) không thay đổi khi có sự thay đổi ngẫu nhiên của các thông số khác. Để tự động điều khiển hoạt động của hệ thống truyền động nói chung và hệ thống truyền động điện nói riêng, 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 (có thể là modul, cũng có thể về cả dấu và thông số). 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 thụ cảm đến trị số ngưỡng đã đặt, phần tử thụ cảm theo thông số này sẽ bắt đầu làm việc (tác động) phát ra một tín hiệu đưa đến phần tử chấp hành. Kết quả là sẽ đưa vào hoặc loại ra khỏi hệ thống những phần tử cần thiết. Trong phạm vi của chương trình môn học điện công nghiệp, chúng ta tập trung nghiên cứu các nguyên tắc tự động khống chế hệ thống truyền động điện. Tự động khống chế hệ thống truyền động điện có thể chia ra những quá trình sau: - Tự động khống chế quá trình mở máy: Quá trình đưa tốc độ động cơ từ bằng không đến tốc độ làm việc theo yêu cầu sao cho dòng mở máy nhỏ và mô men lớn. Nói cách khác là khống chế được quá trình mở máy theo một quy luật tính sẵn. - Tự động khống chế quá trình làm việc: Trong khi làm việc động cơ truyền động phải có được chế độ làm việc theo yêu cầu của cơ cấu máy sản xuất, việc điều khiển có thể là duy trì một thông số không đổi, hoặc biến đổi theo quy luật, trình tự tính trước. - Tự động khống chế quá trình hãm dừng máy: Quá trình hãm thường nhằm thúc đẩy quá trình dừng máy để tiết kiệm thời gian máy hoạt động không tải, góp phần nâng cao năng suất của máy. Quá trình hãm thường tiêu tốn nhiều năng lượng, do vậy phải điều khiển quá trình này sao cho hiệu quả nhất và tốn ít năng lượng nhất. 6
1.1.2. Nguyên tắc tự động khống chế hệ thống truyền động điện Trên cơ sở giám sát sự thay đổi (biến thiên) các thông số đặc trưng của các thiết bị (đối tượng điều khiển ) trong hệ thống truyền động điện, phần tử thụ cảm (giám sát) với các giá trị đặt trước sẽ cung cấp những tín hiệu điều khiển làm thay đổi hoặc duy trì chế độ hoạt động của thiết bị điện, khi đó ta có một số nguyên tắc tự động khống chế sau: - Hệ thống truyền động điện, khi hoạt động các thông số đặc trưng của thiết bị biến đổi theo thời gian, sử dụng phần tử thụ cảm liên quan tới thời gian (rơ le thời gian cơ, điện từ, điện tử hay chương trình lập trình...) với khoảng thời gian đặt trước (phù hợp với khoảng thời gian biến thiên các thông số của thiết bị ) cung cấp tín hiệu để điều khiển thiết bị duy trì chế độ hoạt động của thiết bị theo yêu cầu, ta có hệ thống truyền động khống chế theo nguyên tắc thời gian. - Hệ thống truyền động điện, khi hoạt động thông số đặc trưng của thiết bị là dòng điện có sự thay đổi, sử dụng phần tử thụ cảm liên quan tới dòng điện của thiết bị (rơ le dòng, máy biến dòng...) với giá trị dòng điện đặt trước (phù hợp với dòng điện biến thiên của thiết bị ) cung cấp tín hiệu để điều khiển thiết bị duy trì chế độ hoạt động của thiết bị theo yêu cầu, ta có hệ thống truyền động khống chế theo nguyên tắc dòng điện. - Hệ thống truyền động điện, khi hoạt động thông số đặc trưng của thiết bị là tốc độ có sự thay đổi, sử dụng phần tử thụ cảm liên quan tới tốc độ của thiết bị (rơ le tốc độ, máy phát tốc...) với giá trị tốc độ đặt trước (phù hợp với thay đổi tốc độ của thiết bị ) cung cấp tín hiệu để điều khiển thiết bị duy trì chế độ hoạt động của thiết bị theo yêu cầu, ta có hệ thống truyền động khống chế theo nguyên tắc tốc độ. Ngoài ra hệ thống truyền động điện, khi hoạt động một số thông số đặc trưng khác của thiết bị như nhiệt độ, hành trình, mô men, công suất, ….cũng biến đổi, sử dụng phần tử thụ cảm liên quan tới các thông số này của thiết bị (cảm biến nhiệt độ, công tắc hành trình, rơ le mô men,...) với giá trị đặt trước (phù hợp với thay đổi các thông số cần giám sát của thiết bị ) cung cấp tín hiệu để điều khiển thiết bị duy trì chế độ hoạt động của thiết bị theo yêu cầu, ta có hệ thống truyền động khống chế theo nguyên tắc nhiệt độ, nguyên tắc hành trình ….. 1.2. Nguyên tắc tự động khống chế theo dòng điện 1.2.1. Nội dung nguyên tắc Dòng điện của động cơ là một thông số rất quan trọng, nó xác định trạng thái của hệ thống truyền động điện, phản ánh trạng thái mang tải bình thường của hệ thống hoặc trạng thái non tải hay quá tải, nó còn phản ánh trạng thái khởi động hay dừng của động cơ. Quá trình khởi động động cơ điện, dòng điện khởi động của động cơ thay đổi 7
và cần phải đảm bảo nhỏ hơn trị số định mức cho phép, còn quá trình làm việc của động cơ, dòng điện của động cơ cần phải giữ một trị số định mức không đổi phù hợp với quá trình công nghệ của máy hoặc quá trình sản xuất và để tăng năng suất thì quá trình dừng động cơ cũng cần được khống chế vì khi đó thông số dòng điện của động cơ cũng thay đổi. Những phần tử thụ cảm sự thay đổi của dòng điện dùng để khống chế quá trình mở máy, quá trình làm việc và quá trình dừng của động cơ là rơ le dòng điện kiểu điện từ, các công tắc tơ có cuộn dây dòng điện hoặc các khóa điện tử hoạt động theo tín hiệu vào là trị số dòng điện. Điều khiển theo nguyên tắc dòng điện dựa trên cơ sở thông số dòng điện biến đổi của đối tượng điều khiển (động cơ điện, thiết bị điện thuộc mạch động lực), phần tử thụ cảm dòng điện sẽ tạo ra những tín hiệu điều khiển cần thiết làm thay đổi trạng thái của hệ thống. Trị số dòng điện tác động của phần tử thụ cảm dòng điện được chỉnh định dựa theo ngưỡng chuyển đổi dòng điện của đối tượng. Để làm rõ cơ sở điều khiển theo nguyên tắc dòng điện ta khảo sát sự biến thiên các thông số làm việc của mạch động lực khi khởi động động cơ điện. 1.2.2. Mạch điện các khâu khống chế điển hình 1) Mạch điện mở máy động cơ một chiều a) Sơ đồ mạch điện D M ĐG ĐG ĐG K RKT RI G K G Hình 1-1. Sơ đồ mạch điện khởi động động cơ 1 chiều kích từ song song theo nguyên tắc dòng điện qua 1 cấp điện trở phụ b) Giới thiệu thiết bị Động cơ một chiều kích từ song song, công tắc tơ K điều khiển cấp điện cho phần ứng động cơ, điện trở phụ rf tham gia mạch phần ứng khi động cơ khởi động và được loại ra khỏi mạch phần ứng nhờ công tắc tơ G khi động cơ chuyển sang chế độ làm việc. Rơ le dòng RI, phần tử thụ cảm dòng điện khống chế quá trình khởi động của động cơ được chọn như sau: Dòng tác động (dòng hút) Itđ < I1; Dòng nhả Inhả < I2 ; I1, I2 8
được xác định từ điều kiện khởi động. RKT là rơ le dòng bảo vệ mất kích từ động cơ và khi thiết kế mạch điều khiển phải đảm bảo an toàn cho động cơ một chiều (loại kích từ độc lập và kích từ song song) khi khởi động và khi dừng. Việc kết hợp giữa rơ le dòng Ri và công tắc tơ G luôn đảm bảo điện trở phụ được tham gia vào quá trình khởi động và không tham gia quá trình làm việc khi có sự thay đổi đột biến của dòng phần ứng động cơ. c) Nguyên lý làm việc Ấn M, cấp điện cho cuộn dây công tắc tơ ĐG, đóng các tiếp điểm thường mở ĐG ở mạch điều khiển và mạch động lực để duy trì cấp điện cho cấp điện cho cuộn dây, cho mạch điều khiển và cấp điện cho cuộn dây kích từ của động cơ. Khi cuộn dây rơ le dòng RKT có điện, đóng tiếp điểm KT ở mạch điều khiển, cấp nguồn cho cuộn dây công tắc tơ K, đóng tiếp điểm thường mở K, phần ứng động cơ được cấp điện, động cơ khới động qua một cấp điện trở phụ rf. Quá trình khởi động, tốc độ động cơ tăng dần và dòng phần ứng giảm xuống, khi dòng giảm đến giá trị nhả của rơ le dòng Ri thì rơ le thôi tác động, tiếp điểm thường đóng Ri đóng lại, cuộn dây của công tắc tơ G có điện, tiếp điểm G đóng lại duy trì cấp điện cho cuộn dây G và loại điện trở phụ ra khỏi mạch phần ứng, động cơ kết thúc quá trình khởi động chuyển sang chế độ làm việc định mức. 2) Mạch điện khởi động động cơ ba pha rô to dây quấn a) Sơ đồ mạch điện Hình 1-2. Sơ đồ mạch điện khởi động động cơ 3 pha rô to dây quấn qua 2 cấp điện trở phụ theo nguyên tắc dòng điện 9
b) Giới thiệu thiết bị Động cơ không đồng bộ 3 pha ro to dây quấn M được khởi động qua 2 cấp điện trở phụ trong mạch rô to. Công tắc tơ K điều khiển cấp điện cho cuộn dây stator động cơ ; Công tắc tơ 1K, 2K điều khiển loại dần các điện trở phụ trong mạch rô to ; Rơ le dòng 1Ri, 2Ri được mắc trong mạch rô to của động cơ, dòng điện nhả (dòng thôi không tác động) được chỉnh định khác nhau. c) Nguyên lý làm việc Dựa trên lý lịch động cơ (nhãn động cơ) xác định dòng điện định mức Iđm và dòng khởi động Ikđ của động cơ, tiến hành điều chỉnh dòng tác động Itđ của rơ le dòng 1Ri và 2Ri đảm bảo dòng thôi tác động (dòng nhả) của 1Ri lớn hơn dòng nhả của 2Ri. Khi khởi động đông cơ, dòng khởi động Ikđ lớn cho nên cả 2 rơ le dòng 1Ri, 2Ri đều tác động. Ấn nút mở máy M, công tắc tơ K có điện, do sự khác biệt thời gian tác động của rơ le dòng điện và rơ le điện áp, cả 2 rơ le dòng 1Ri và 2Ri đều tác động mở các tiếp điểm thường kín 1Ri và 2Ri trong mạch điều khiển, nên các cuộn dây của công tắc tơ 1K và 2K không được cấp điện, các tiếp điểm thường mở 1K, 2K mở, hai cấp điện trở phụ được nối trong mạch rô to đảm bảo động cơ khi khởi động, dòng khởi động được hạn chế. Quá trình khởi động, tốc độ động cơ tăng dần đến trị số 1, dòng điện trong mạch ro to giảm xuống tương ứng với giá trị dòng điện nhả của rơ le 1Ri, rơ le dòng 1Ri thôi không tác động nữa, tiếp điểm thường đóng 1Ri trở về trạng thái ban đầu, cấp điện cho công tắc tơ 1K, đóng tiếp điểm thường mở 1K loại Rf1 ra khỏi mạch roto, động cơ tiếp tục khởi động với một cấp điện trở phụ cho đến khi tốc độ đã tăng lên đến trị số 2 = đm và dòng điện trong mạch rô to giảm đạt trị số nhả của rơ le dòng 2Ri, rơ le dòng 2Ri thôi không tác động nữa, khi đó tiếp điểm thường đóng 2Ri trở về trạng thái ban đầu, công tắc tơ 2K được cấp điện, đóng tiếp điểm thường mở 2K loại tiếp Rf2 ra khỏi mạch ro to, động cơ kết thúc quá trình khởi động và làm việc ở chế độ định mức. 10
3) Mạch điện hãm ngược động cơ xoay chiều ba pha rô to dây quấn a) Sơ đồ mạch điện Hình 1-3. Sơ đồ mạch điện hãm ngược động cơ xoay chiều 3 pha rô to dây quấn theo nguyên tắc dòng điện b) Giới thiệu thiết bị Động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha rô to dây quấn, có đảo chiều quay nhờ 2 công tắc tơ T và N. Công tắc tơ 1K, 2K và H thực hiện đưa vào hoặc loại ra các điện trở phụ trong mạch rô to khi thực hiện khởi động hoặc hãm ngược động cơ. Điện trở phụ rf1, rf2 thực hiện hạn chế dòng khi động cơ khởi động, kết hợp với điện trở phụ rh thực hiện hạn chế dòng điện khi thực hiện hãm ngược động cơ. Quá trình khởi động, động cơ khởi động qua 2 cấp điện trở phụ rf1, rf2 quá trình này được thực hiện theo nguyên tắc thời gian. Khi đảo chiều dòng điện hãm ngược rất lớn, do đó phải đưa thêm điện trở phụ vào mạch rô to với trị số lớn hơn khi khởi động. Yêu cầu đối với rơ le hãm RH là: Khi dòng điện rô to lớn hơn trị số dòng khởi động thì RH phải tác động. Khi dòng điện rô to đã giảm nhỏ về gần trị số dòng khởi động (I1) thì RH phải nhả để chuẩn bị cho quá trình khởi động tiếp theo. Bộ khống chế có 5 vị trí điều khiển: 11
- Tay gạt ở vị trí giữa (0) toàn bộ mạch hở ; - Tay gạt ở vị trí (1,2) phía bên trái điều khiển động cơ quay theo chiều ngược; - Tay gạt ở vị trí (1,2) phía bên phải điều khiển động cơ quay theo chiều thuận. c) Nguyên lý làm việc Khi hãm ngược, dòng điện trong mạch rôto xuất hiện lớn hơn trị số chỉnh định hút của rơ le dòng điện RH nên RH tác động, mở tiếp điểm RH, cắt điện mạch cấp nguồn cho các cuộn dây của các công tắc tơ H, 1K và 2K bảo đảm cho cả 3 điện trở Rf1, Rf2, RH tham gia vào việc hạn chế dòng điện mạch roto. Quá trình hãm ngược động cơ được thực hiện, tốc độ động cơ theo chiều cũ giảm dần đến bằng 0 thì dòng điện rôto cũng giảm đến trị số nhả của rơ le RH, rơle RH thội không tác động, tiếp điểm RH đóng lại, công tắc tơ H được cấp điện, đóng tiếp điểm thường mở H điện trở hãm Rh được loại ra khỏi mạch rô to kết thúc quá trình hãm ngược. Quá trình khởi động động cơ qua ba cấp điện trở phụ Rf1, Rf2 được thực hiện theo nguyên tắc thời gian. Chuyển tay gạt bộ khống chế qua vị trí 1 bên phải, cuộn dây của công tắc tơ T có điện, đóng tiếp điểm thường mở T bên mạch động lực cấp điện cho cuộn dây stator động cơ, ban đầu dòng điện khởi động lớn, rơ le dòng RH tác động mở tiếp điểm thường đóng RH bên mạch điều khiển, các cuộn dây công tắc tơ H, 1K, 2K chưa tác động, động cơ sẽ khởi động qua 3 cấp điện trở phụ trong mạch ro to. Quá trình khởi động dòng trong mạch ro to giảm dần đến bằng dòng thôi tác động của rơ le dòng RH, thì rơ le RH thôi tác động tiếp điểm thường đóng RH đóng lại, cuộn dây công tắc tơ H và rơ le thời gian Rth1 có điện đóng tiếp điểm thường mở H loại điện trỏ RH động cơ tiếp tục khởi động qua 2 cấp R phụ, sau thời gian chỉnh đinh của rơ le thời gian Rth1, tiếp điểm thường mở đóng chậm của rơ le đóng lại cuộn dây rơ le thời gian Rth2 và cuộn dây của công tắc tơ 1K có điện, tiếp điểm thường mở của công tắc tơ đóng lại lọai cấp điện trở R2, tiếp tục chuyển tay gạt bộ khống chế về vị trí số 2 bên phải, sau thời gian chỉnh định tiếp điểm thường mở đóng chậm của rơ le Rth2 đóng lại cuộn dây công tức tơ 2K có điện, đóng tiếp điểm thường mở 2K bên mạch động lực loại cấp được trở thứ ba, động cơ kết thúc quá trình khởi động chuyển sang chế độ làm việc định mức. Đảo chiều quay động cơ, giả sử động cơ đang chạy thuận, tức tay gạt của bộ khống chế đang ở vị trí số 2 bên phải, muốn đảo chiều quay động cơ, quay tay gạt bộ khống chế sang trái, khi lướt qua vị trí 0 các cuộn cuộn dây của công tắc tơ H, 1K, 2K đều mất điện, điện trở phụ Rf1, Rf2 và điện trở hãm RH được nối vào mạch, quá trình hãm ngược diễn ra như trên. Khi tốc độ theo chiều thuận giảm về 0, bộ khống chế ở vị trí 2 bên trái, RH đóng cấp nguồn cho cuộn H điện trở hãm được loại ra khỏi mạch. Đồng thời lúc này Rơle thời gian Rth1 được cấp nguồn, sau 1 khoảng thời gian đóng tiếp điểm thường mở đóng chậm Rth1 cấp nguồn cho cuộn 1K và Rth2. Cuộn 1K có điện 12
đóng tiếp điểm 1K mạch động lực loại cấp điện trở phụ ra khỏi mạch roto; Rth2 có điện sau 1 khoảng thời gian đóng tiếp điểm Rth2, cuộn 2K có điện tiếp tục loại cấp điện trở phụ thứ 2 ra khỏi mạch, động cơ chuyển sang chế độ làm việc bình thường theo chiều ngược. 1.2.3. Ưu nhược điểm vận dụng nguyên tắc tự động khống chế theo dòng điện Sử dụng nguyên tắc tự động khống chế theo dòng điện trong điều khiển hệ thống truyền động điện có ưu, nhược điểm: Ưu điểm: Thiết bị đơn 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 điều chỉnh 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. Ứng dụng: Nguyên tắc tự động khống chế theo dòng điện thường ứng dụng trong tự động khống chế quá trình khởi động động cơ một chiều kích thích nối tiếp và động cơ xoay chiều rô to dây quấn. 1.3. Nguyên tắc tự động khống chế theo hành trình 1.3.1. Nội dung nguyên tắc Nguyên tắc tự động khống chế theo hành trình được sử dụng khi bộ phận hoặc một khâu nào đó của thiết bị hay công đoạn của dây chuyền sản xuất trong quá trình làm việc phụ thuộc vào không gian của các bộ phận khác nhau hoặc các cơ cấu làm việc khác nhau như: bàn xe dao, bàn máy...Khi cần điều khiển một cơ cấu chấp hành chuyển động mà tại một số vị trí trên hành trình làm việc của nó cần có tín hiệu điều khiển để đổi hướng chuyển động hoặc dừng chính xác thì người ta áp dụng nguyên tắc điều khiển theo hành trình. Nguyên tắc tự động khống chế theo hành trình không đề cập đến việc hạn chế hay thay đổi các thông số của đối tượng điều khiển mà chỉ đề cập đến chức năng đưa tín hiệu để mở máy hoặc dừng máy và nó ấn định phạm vi dịch chuyển. Sử dụng nguyên tắc khống chế theo hành trình nhằm đảm bảo cho quá trình chuyển động của cơ cấu truyền động theo một hành trình nhất định, đúng trình tự yêu cầu. Một hệ thống xác định được hành trình chuyển động của cơ cấu truyền động thì ta có hệ điều khiển theo nguyên tắc hành trình. Để xác định được hành trình của một cơ cấu truyền động có nhiều cách khác nhau: đo khoảng cách dịch chuyển của cơ cấu chuyển động, xác định vị trí của cơ cấu tại đầu mỗi hành trình, hoặc phát hiện vị trí của cơ cấu khi chuyển động trong một hành trình nhất định. Các phần tử, thiết bị có thể đáp ứng được việc khống chế hành trình là công tắc 13
hành trình cơ khí - điện, cơ khí - khí nén, khí nén - điện, các loại cảm biến vị trí và đo dịch chuyển. 1.3.2. Mạch điện các khâu khống chế điển hình 1) Mạch điện tự động khống chế đảo chiều di chuyển của đầu bào a) Sơ đồ mạch điện 3 Pha S1 RN D M K1 S2 T 1 ATM CC S1 S3 S3 TĐ S1 S2 S2 RN S2 MN K2 S1 ÐC A B K Hình 1-4 . Mạch điện tự động khống chế đảo chiều di chuyển của đầu bào b) Giới thiệu thiết bị Động cơ không đồng bộ 3 pha rô to lồng sóc thực hiện truyền động đầu bào có hạn chế hành trình chuyển động. Công tắc tơ S1, S2 thực hiện tráo 2 trong 3 pha nguồn cấp cho cuộn dây stator để đảo chiều quay động cơ; Công tắc hành trình K1, K2 khống chế hành trình chuyển động của đầu bào; c) Nguyên lý làm việc * Điều khiển bằng tay: Đóng áp tô mát chuẩn bị cấp nguồn cho mạch điện động lực và mạch điện điều khiển, bật công tắc TĐ về vị trí 0. Giả sử tiếp điểm công tắc hành trình K1 đang kín còn tiếp điểm K2 đang hở. Điều khiển động cơ M quay thuận: Ấn nút MT, cuộn dây công tắc tơ S1 có điện, 14
công tắc tơ S1 làm việc, tiếp điểm thường mở S1 mạch điều khiển đóng lại để duy trì và cấp điện cho cuộn dây, tiếp điểm thường đóng S1 mở ra tránh việc hai cuộn dây S1 và S2 có điện đồng thời, đóng tiếp điểm thường mở S1 ở mạch động lực cấp điện để động cơ quay thuận, bộ phận chuyển động trên máy di chuyển từ B đến A trên hành trình định trước, khi chạm vào công tắc hành trình tiếp điểm K1 mở ra và K2 đóng lại, cuộn dây S1 mất điện, công tắc tơ S1 dừng hoạt động, mở các tiếp điểm thường mở S1 mạch động lực động cơ mất điện, bộ phận chuyển động dừng lại. Điều khiển động M quay ngược: Ấn nút MN, cuộn dây công tắc tơ S2 có điện, công tắc tơ S2 làm việc, tiếp điểm thường mở S2 mạch điều khiển đóng lại để duy trì và cấp điện cho cuộn dây S2, tiếp điểm thường đóng S2 mở ra tránh việc hai cuộn dây S1 và S2 có điện đồng thời, đóng tiếp điểm thường mở S2 ở mạch động lực cấp điện để động cơ quay ngược, bộ phận chuyển động trên máy di chuyển ngược lại từ A đến B trên hành trình định trước khi chạm vào công tắc hành trình tiếp điểm K2 mở ra và K1 đóng lại cuộn dây S2 mất điện mở tiếp điểm thường mở S2 trong mạch động lực, động cơ mất điện dừng lại, bộ phận chuyển động dừng lại. Trong quá trình điều khiển đầu bào di chuyển từ A đến B hoặc ngược lại muốn dừng đầu bào tại bất cứ điểm nào trên hành trình ta chỉ việc tác động nút ấn dừng D, khi đó cắt điện các cuộn dây của công tắc tơ S1 và S2 cả hai công tắc tơ ngừng làm việc sẽ cắt điện động cơ và động cơ sẽ dừng lại. * Điều khiển tự động: Giả sử tiếp điểm công tắc hành trình S1 đang kín còn S2 đang hở. Bật công tắc TĐ về vị trí đóng kín. Ấn nút MT cuộn dây công tắc tơ S1 có điện, đồng thời cuộn S3 có điện, hai công tắc tơ S1, S2 làm việc, tiếp điểm thường mở S1 đóng lại để duy trì chế độ tự động đảo chiều động cơ. Động cơ M quay thuận bộ phận chuyển động di chuyển từ B đến A, trên hành trình định trước khi chạm vào công tắc hành trình tiếp điểm K1 mở ra và K2 đóng lại, cuộn dây S1 mất điện, động cơ bị cắt điện theo chiều thuận, đồng thời cuộn dây S2 được cấp điện, tiếp điểm thường mở S2 mạch động lực đóng lại thực hiện tráo 2 trong ba pha cấp điện cho động cơ, động cơ quay theo chiều ngược lại, bộ phận chuyển động được đảo chiều tự động. Hành trình đảo chiều chuyển động của bộ phận chuyển động được thực hiện tự động nhờ sự tự động đảo chiều quay của động cơ do sự tác động của công tắc hành trình. Muốn dừng chuyển động của bộ phận di chuyển trên máy ta chỉ việc ấn nút dừng động cơ. 2) Mạch điện đảo chiều hành trình bàn của máy bào giường Để đảo chiều hành trình bàn của máy bào giường ta thực hiện đảo chiều quay của động cơ điện một chiều kéo bàn máy bằng một trong 2 phương pháp: có thể đảo chiều dòng kích từ của động cơ (đối với động cơ có công suất lớn) hoặc thực hiện đảo chiều 15
dòng phần ứng của động cơ (đối với động cơ có công suất nhỏ và trung bình), cả hai trường hợp thực hiện bằng cách đảo chiều cực tính nguồn cấp. a) Sơ đồ mạch điện +) Đảo chiều cực tính nguồn cấp kích từ động cơ A B KH +) Đảo chiều cực tính nguồn cấp phần ứng động cơ Hình 1-5. Sơ đồ mạch điện đảo chiều hành trình bàn của máy bào giường b) Giới thiệu thiết bị Trên sơ đồ dùng công tắc hành trình có 2 tiếp điểm ngược nhau KH1 và KH2 kiểu 2 vị trí không tự phục hồi, được lắp đặt trên bệ máy liên quan tới gờ trượt và quãng đường di chuyển của bàn máy. Bàn máy được tịnh tiến qua lại theo gờ trượt chữ V hoặc chữ U của bệ máy. Trên bàn máy gắn 2 vấu động A và B để tác động thay đổi vị trí của công tắc hành trình. Khi bàn máy di chuyển, cần thao tác bố trí trên bàn máy sẽ tác động vào công tắc hành trình để thay đổi mạch điện cấp cho công tắc tơ thuận T hoặc ngược N. Các rơle thời gian Rth1, Rth2 nhằm tạo ra khoảng thời gian cần thiết cho bàn máy giảm tốc độ sơ bộ trước khi hãm ngược và đảo chiều quay. c) Nguyên lý làm việc Giả sử bàn máy đang dừng khi đã đi hết hành trình ngược do vấu B đã gạt vào 16
công tắc hành trình làm cho KH1 đóng và KH2 mở. Khi ta ấn nút M, rơ le trung gian Rtg có điện, đóng các tiếp điểm Rtg thường mở trong mạch điều khiển, lúc này công tắc tơ T có điện (vì KH1 kín) cấp nguồn một chiều cho cuộn dây kích từ hoặc phần ứng động cơ theo chiều làm cho động cơ quay kéo bàn chạy theo hành trình thuận (T). Lúc này tiếp điểm thường mở T kín nên rơ le Rth1 có điện mở tiếp điểm thường đóng đóng chậm Rth1 với mục đích tạo khoảng thời gian cần thiết để đảo chiều động cơ tránh hiện tượng tạo xung lực khi đảo chiều gây hư hỏng về cơ khí (vỡ hoặc nứt bánh răng truyền lực..) . Khi bàn máy đi hết hành trình thuận, vấu A sẽ gạt công tắc hành trình làm cho công tắc hành trình chuyển vị trí mở KH1 và đóng KH2, cuộn dây công tắc T mất điện kéo theo cuộn dây của rơ le Rth1 mất điện, động cơ được dừng tự do, tốc độ giảm chờ cho đến hết thời gian đóng chậm của tiếp điểm rơ le Rth1, cuộn dây công tắc tơ N mới có điện, kích từ của động cơ hoặc phần ứng của động cơ được đảo chiều cực tính nguồn cấp, động cơ đảo chiều quay làm cho bàn đi theo chiều hành trình ngược, khi đi hết hành trình ngược, vấu B lại gạt công tắc hành trình để đảo chiều lặp lại theo chu trình như trên. 3) Điều khiển hành trình đầu dập của máy dập gián tiếp qua vị trí tương ứng của đầu dập a) Sơ đồ truyền động 5 8 5 5 3 LH 1 2 5 6 BĐ 7 4 ĐD HT1 HT2 Hình 1-6. Sơ đồ truyền động máy dập 1; 2. Cơ cấu cam; Các cam tương ứng HT1, HT2 (1,2); 3. Nam châm ly hợp; 4. Đầu đập; 5. Các gối đỡ trục quay; 6. Bánh đà; 7. Động cơ; 8. Trục khuỷu 17
NS K K K N1 N2 R HT1 R HT2 R Hình 1-7. Sơ đồ mạch điện điều khiển hành trình đầu dập của máy dập b) Giới thiệu thiết bị Mạch điều khiển gồm: Nam châm NS kết nối li hợp LH truyền chuyển động từ động cơ sang hệ truyền động cơ khí; Công tắc tơ K điều khiển cấp điện cho cuộn dây stator của động cơ; Rơle R duy trì cấp điện cho công tắc tơ K, bộ nút bấm kép N1 và N2 điều khiển đầu dập, các tiếp điểm công tắc hành trình HT1, HT2 hạn chế hành trình di chuyển của đầu dập. c) Nguyên lý làm việc Bánh đà (BĐ) do động cơ Đ truyền chuyển động. Trong quá trình làm việc động cơ quay liên tục, còn đầu dập (ĐD) luôn ở vị trí trên cùng khi li hợp chưa đóng. Đầu dập ĐD sẽ chỉ đi xuống thực hiện thao tác dập rồi đi lên khi nam châm li hợp được cấp điện, lúc đó li hợp đóng làm trục khuỷu quay. Chế độ dập có thể là dập một nhát, dập liên tục bằng tay hoặc tự động. Điều khiển chế độ làm việc của máy theo vị trí nhờ hai cam gắn với trục khuỷu để đóng, mở công tắc hành trình HT1, HT2 tùy theo đầu dập ở điểm chết dưới hay trên, từ đó mà tiến hành đóng cắt nam châm li hợp. Khi cấp điện cho mạch điều khiển, rơle R có điện ngay và tự duy trì. Khi cần dập, 2 tay phải ấn đồng thời hai nút N1và N2, công tắc tơ K có điện, đóng các tiếp điểm thường mở K cấp điện cho nam châm NS đóng li hợp làm cho đầu dập đi xuống. Trong quá trình đầu dập đi xuống, cam 1 không tì vào công tăc HT1 nên luôn phải ấn 2 nút, nếu bỏ ra công tắc K sẽ mất điện do không có mạch tự duy trì. Khi đầu dập dò đến điểm chết dưới, công tắc HT1 bị tì vào, công tắc tơ K được 18
duy trì điện. Lúc này mới có thể rời tay ra khỏi nút ấn vì đầu dập ĐD bắt đầu đi lên không sợ dập vào tay. Đầu dập ĐD đi lên đến tiếp điểm chết trên thì cam 2 tì vào công tắc HT2, do đó mạch duy trì R bị cắt, làm cho K mất điện và cắt li hợp. Đầu dập ĐD dừng lại phía vị trí trên cùng chuẩn bị cho lần dập tiếp theo. Chu trình làm việc cứ tiếp tục như thế. 1.3.3. Ưu, nhược điểm phạm vi ứng dụng nguyên tắc tự động khống chế theo hành trình Trong hệ thống truyền động điện sử dụng nguyên tắc tự động khống chế theo hành trình cho phép lựa chọn phần tử thụ cảm hành trình chuyển động rất đa dạng (công tắc hành trình, các loại cảm biến điên, ánh sáng, khí nén, thủy lực….) với các cấp độ chính xác cao, việc lắp đặt, kiểm tra và bảo dưỡng các phần tử thụ cảm cũng thuận lợi, ngoài ra có thể điều chỉnh vị trí lắp đặt phù hợp với yêu cầu hoạt động và công nghệ của máy. Các phần tử thụ cảm hành trình chuyển động khi làm việc chịu ảnh hưởng của yếu tố môi trường và điều kiện hoạt động của máy móc thiết bị, để đảm bảo an toàn cho sự hoạt động của thiết bị, máy móc các phần tử thụ cảm hành trình cần được thường xuyên kiểm tra và bảo dưỡng. Nguyên tắc tự động khống chế theo hành trình thường được dùng trong điều khiển tổ hợp hệ thống tự động hóa phức tạp, một dây chuyền máy của một quá trình công nghệ, thực hiện các liên động và chuyển đổi theo một chương trình cho trước. Tính tin cậy và minh bạch của sơ đồ phụ thuộc vào độ chắc chắn về cấu trúc của công tắc hành trình. 1.4. Nguyên tắc tự động khống chế theo thời gian 1.4.1. Nội dung nguyên tắc Trong hệ thống điều khiển truyền động điện những thiết bị điện (đối tượng điều khiển) đấu trong mạch động lực chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố (chế độ khởi động, làm việc, dừng, nguồn điện, phụ tải, sự tuân thủ yêu cầu vận hành của người công nhân…) cho nên các thông số đặc trưng của nó bị biến đổi theo thời gian. Sử dụng phần tử thụ cảm phát ra những tín hiệu theo một qui luật thời gian cần thiết để điều khiển làm thay đổi trạng thái của thiết bị, của hệ thống là vận dụng nguyên tắc điều khiển theo thời gian. Thời gian để phát tín hiệu của phần tử thụ cảm được cần được chỉnh định dựa theo ngưỡng thay đổi các thông số đặc trưng của thiết bị. Ví dụ: Các thông số đặc trưng như tốc độ, dòng điện, mô men quay… của mỗi động cơ được tính toán chọn ngưỡng cho thích hợp với từng hệ thống truyền động điện cụ thể. Những phần tử thụ cảm được thời gian có thể gọi chung là rơ le thời gian. Nó tạo 19