TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU CHỈNH
TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Trong thực tế sản xuất, gia công chế tạo cũng như để tạo ra sản phẩm cho
mọi ngành, mọi nghề. Như ta đã biết để tạo ra mỗi sản phẩm, mỗi chi tiết đều
phải qua rất nhiều nguyên công mà trong mỗi một nguyên công lại có những tốc
độ phù hợp để tạo ra năng suất, chất lượng của sản phẩm. Chính vì vậy mà việc
đo và đi
ều chỉnh tốc độ của động cơ điện là một việc rất cần thiết nhất trong
phương thức sản xuất theo dây chuyền.
Việc đo và xử lý tốc độ cùng với việc điều khiển động cơ điện nó là hệ
điều chỉnh truyền động điện. Cấu trúc chung của một hệ
thống đo lường và điều chỉnh tốc độ của động cơ
điện.
M là động cơ truyền động quay máy sản xuất.
M
sx
là máy sản xuất.
BĐ là thiết bị biến đổi năng lượng cấp cho động cơ.
ĐK là hệ thống điều khiển.
ĐTĐ là tín hiệu đặt.
ĐL là hệ thống đo lường về tốc độ của động cơ và máy sản xuất.
Hệ thống đo tốc độ và điều khiển động cơ điện tách làm hai phần.

- Tốc độ đáp ứng nhanh.
- Dễ tương thích truyền đi xa.
- Độ tin cậy cao.
- Độ linh hoạt cao dễ thích nghi với các vấn đề đo lường.
Trước khi xét về hệ thống đo lường điện tử ta đề cập đến một tốc độ kế
đơn giản.
1. Mô tả dụng cụ đo tốc độ
Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một thiết bị đo tốc độ vòng quay loại đơn giản.
1 là nam châm vĩnh cửu có thể quay trơn tự do và được nối với trục của
động cơ cần kiểm tra qua một trục dẫn mềm hoặc một đầu tỳ kiểu con tu.
2 là
đĩa nhôm.
3 là kim chỉ thị.
4 là lò xo cản.
5 là trục được gá trên bệ ổ đỡ có thể quay trơn trượt các phần tử 2, 3, 4, 5
được gắn chặt với nhau.
2. Nguyên lý làm việc của thiết bị
Khi nam châm vĩnh cửu (1) quay làm cho từ trường mà nó tạo ra cũng quay
theo và quét lên đĩa nhôm (2) như vậy đĩa nhôm 2 khi đó có một từ trường biển
đổi. Tốc độ quay của từ trường chính là tốc độ mà nam châm (1) quay hay chính là
tốc độ quay c

+ Không lấy ra được tín hiệu để khống chế và điều khiển.
Phạm vị ứng dụng:
- Vì thiết bị không tiêu hao năng lượng lên nó rất tiện l
ợi dùng để kiểm tra
những tốc độ của những thiết bị như: ôtô, xe máy để báo tốc độ xe chạy hoặc
báo tốc độ quay của máy.
- Mặt khác người ta có thể chế tạo một cách hợp lý về kết cấu để làm tốc
độ kế để kiểm tra tốc độ quay của những thiết bị đơn lẻ.
3. Hệ thống đo lường
3.1. Hệ thống đo lường dạng tương tự Sử dụng
kết quả
Đại
lượng đo
và điều
khiển

3.2. Hệ thống đo lường dạng số
Hệ thống đo lường điện tử dãy số kết hợp với thiết bị vi xử lý tham gia
vào hệ thống đo lường nhằm mục đích xử lý nhanh tín hiệu đo. khả năng chống
nhiễu tốt hơn so với tín hiệu đo ở dạng tương tự khi truyền đi xa. Cách ly tốt hơn
và dễ thực hiện (phối ghép bằng tín hiệu quang
Opso – Coupler). Đây cũng là
hình thức thường sử dụng hiện nay.
Với sự phát triển của máy tính cá nhân (PC), hệ thống đo lường dùng kỹ
thuật số, dùng PC thực hiện tự động hoá hệ thống đo lường ở mức cao hơn và
thuận lợi hơn khi sử dụng. Điều đó cho chúng ta thấy được xu thế máy tính hoá
thiết bị đo lường.
Cảm
biến
Chế biến
tín hiệu
S/H ADC
Hiển
thị số
DAC
Máy
ghi (in)

ra còn có các bộ cảm biến đo t
ốc độ xung và số.
3.3.1. Cảm biến đo tốc độ quay loại điện từ
a. Tốc độ kế điện từ loại DC

Chổi than
Cổ góp
Stato
Roto
N S
Hình 1.1: Cấu tạo tốc độ kế điện từ loại DC
Yêu cầu đối với máy phát tốc độ một chiều là điện áp một chiều có chứa ít
thành phần điện áp xoay chiều tần số cao và phải đảm bảo tỷ lệ với tốc độ quay
của động cơ, không được trễ về nhiều giá trị cũng như về dấu so với biến đổi
của đại lượng đo. Ngoài ra phải đáp ứng yêu cầ
u là điện áp phát ra không phụ
thuộc vào tải và biến đổi nhiệt độ. Để đáp ứng yêu cầu trên thì về mặt cấu tạo
phải làm sao để máy phát một chiều phải có từ thông không đổi trong toàn vùng
điều chỉnh tốc độ (từ giới hạn min – max). Vì vậy, phải hạn chế tổn thất mạch từ
bắng việc sử dụng vật liệu từ có từ trễ
hẹp và sử dụng các lá thép kỹ thuật điện
mỏng để hạn chế dòng điện xoay chiều.
Về cấu tạo được chia làm hai phần chính
Phần cảm (phần đứng yên) gọi là stato được cấu tạo bởi vật liệu sắt từ như

Loại này không có cổ góp, không có chổi than. Điều này tạo ra có độ bền
cao hơn, không bị giảm điện áp do chổi than gây ra, không phát sinh tia lửa ở cổ
góp nên ít ảnh hưởng nhiều. Nhưng ngược lại loại này phức tạp hơn, sự xác định
độ lớn tín hiệu thường phải chỉnh lưu tín hiệu thu được đồng thời nó không có
khả năng xác định được chiều quay nên khi sử dụng vào hệ thống điều khiển
phải cấp thêm mạch xác định chiều quay.
Đối với máy phát một pha dùng hai cuộn dây đặt lệch nhau một góc 90
0

còn đối với máy ba pha dùng mạch xác định thứ tự pha để xác định chiều quay.
Cảm biến điện từ loại AC thực chất là máy phát điện loại nhỏ phần quay
được nối với trục của động cơ mà ta cần kiểm tra tốc độ. Phần quaylà một nam
châm vĩnh cửu có một hoặc nhiều cặp cực. Phần cảm được quấn dây có thể là
một pha, ba pha ho
ặc nhiều hơn. Sức điện động thu được ở phần cảm có dạng
e = Esin
Ωt
Với E = K
1
ω; Ω = K
2
ω
K
1
, K
2
phụ thuộc vào cấu tạo của máy.
3.3.2. Cảm biến đo tốc độ loại xung số
Chi tiết thử nghiệm thường là đĩa gắn lên trục quay mà cần xác định tốc
độ. Đĩa thường được cấu tạo có dạng tuần hoàn, trên đĩa thường được chia làm P

Độ lớn của sức điện động cũng phụ thuộc vào tốc độ và khoảng cách khe
hở mà mạch từ tạo nên. Nó giảm với nhau khi khoả
ng cách tăng lên ngoài ra nó
còn phụ thuộc với tốc độ quay đối với tốc độ bé sức điện động rất nhỏ và trong
phạm vi này người ta gọi là vùng chết không thể đo được.
b. Cảm biến tốc độ
loại quang học
Cấu tạo (hình vẽ)
Gồm một nguồn sáng
và một bộ phân phân sinh
quang có thể là diot quang
hoặc Tranzitor quang.
Đĩa quay được đặt
giữa hai phần tử trên. Cấu
tạo của đĩa có thể làm bằng vật liệu trong suốt và có những mảng chắn ánh sáng
gắn đều nhau hoặc ngược lại đĩa có thể làm bằng vật liệu không cho ánh sáng
Nam châm
Cuộn dây
Khe hở không khí
Hình 2.1: Nguyên tắc của tốc
độ kế loại từ trở thay đổi
Nguồn
sáng
Thấu
kính
Bộ phân tích
quang
Hình 2.2: Nguyên tắc cấu tạo
chuyển đổi quang học
chiếu qua trên chu vi của đĩa người ta tạo ra những (lỗ, khe) có khoảng cách đều
Trong hệ truyền động điện cho trong hình trên ta đi xem xét và tìm hiểu
các phươ
ng pháp điều khiển tốc độ cho động cơ điện.
Lưới điện Bộ biến đổi Động cơ điện Máy sản xuất
Hệ thống điều
khiển và bảo vệ
Hình 1: Sơ đồ khối một hệ thống truyền đồng điện
Nguyên lý làm việc của tất cả các máy điện quay đều dựa vào hai định
luật điện tử cơ bản đó là
Định luật cảm ứng điện từ: Định luật Faraday
ul
B
e
r
r
r
.^=

Định luật về lực điện từ: Định luật Laplace
Blif
r
r
r
^.=


=
.
=
−−
ee
u
C
RIU
C
E
n

và M = C
M
.φ.I
ư
⇒
2
φφ

.
.
=
−
eMe
CC
MR
C
U
n

Phương pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi điện áp đựt vào
phần ứng chúng chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dươiú tốc độ định mức của
động cơ điện nhưng phương pháp này không gây hao tổn trong động cơ điện
nhưng đòi hỏi nó phải có nguồn riêng nên nguồn đó có thể thay đổi được điện
áp.
Trên đây là các phương pháp để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ quay
của động cơ điện. Trên thực tế mọi động cơ điện một chiều có chung một
nguyên lý cấu tạo nhưng dùng theo cách đấu nối khác nhau mà ta có những loại
động cơ có kích từ khác nhau và mỗi loại lại mang những néta riêng khác nhau.
Ta sẽ xét từng trường hợp cụ thể.
2.1. Động cơ điện một chiều kích thích song song hoặc kích thích độc lập
Với điều kiện U= constg I
t
= constg
Khi M và I
ư
thay đổi từ thông φ của động cơ cũng hầu như không thay
đổi (bỏ qua phản ứng phần ứng) khi đó phương trình đặc tính cơ của động cơ có
dạng

.
=
−
K
MR
o
η
η
(1)
Nhìn vào phương trình đặc tính cơ ta thấy đường đặc tính cơ của động cơ

U
n

độ dốc càng lớn hơn độ dốc kho
φ = φ
đm

n
n
0-2
n
0-1
n
0
φ
2
< φ
1
φ
1
< φ
đm
φ
đm
M

U = e
tc
I
ư

R
C
U
n
o
eMe
−−
=.

=
2
φφ

Ta thấy: để thay tốc độ của động cơ ta có thể thực hiện bằng các phương
pháp sau.
a. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch
phần ứng để tăng R
ư
. Phương pháp này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ quay trong
vùng dưới tốc độ định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở
phụ làm giảm hiệu suất của động cơ điện. Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng
ở động cơ điện có công suất nhỏ thực tế thường dùng ở động cơ điện trong các
máy trục. Khi đ
ó ta có họ đặc tính nằm phía dươid đường (1) đó là (1-2), (1-3).
Nếu ghép thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. Khi đó ta có phương
trình đặc tính cơ như sau:
(
)
M
U

Q
MRR
nn
f
o
.+
=
−
(2)
Biểu thức (2) biểu thị đặc tính cơ của động cơ khi
U = C
tc

I
b
= C
tcTừ đó ta thấy:
Khi R
f
= 0 là đường đặc tính cơ
tự nhiên.
Khi R
f
càng lớn dẫn đến độ dốc
lớn nhưng n
o
không thay đổi.

f
= 0
R
f1

R
f2
R
f3

M
đm
M

n
n
o
n
01
n
02
n
03
U
đm
U
đc3
U
đc2
U
Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp dùng kích từ chính là dòng
phần ứng I
t
= I
ư
= I.
Trong trường hợp không xét đến ảnh hưởng do bão hoà của mạch từ cũng
như bỏ qua điện trở phần ứng R
ư
ta thấy n ≡
m
u
→
2
2
n
u
M =
. Như vậy khi
đó đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng
đường Hypecbol.
Tốc độ của động cơ tăng rất nhanh khi M giảm và đạt tới giá trị rất lớn khi
M
c
= 0.

độ định mức vì không cho phép tăng điện áp quá định mức nhưng lại giữ được
hiệu suất cao do không có điện trở phụ tham gia điều chỉnh phương pháp này có
thể thực hiện bằng cách phối hợp nối song song hoặc nối tiếp hai động cơ có
cùng các thông số kỹ thuật hoặc dùng
đến bộ băm điện áp một chiều để tạo ra
giá trị điện áp trong bình dặt vào động cơ thay đổi.
1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ đối với động cơ kích thích hỗn hợp
Động cơ điện một chiều kích từ ngoài
việc sử dụng nối tiếp, song song hay độc lập
người ta còn chế tạo loại gồm hai thành phần
kích từ vừa song song hoặc độc lập vừa nối tiếp
(hình vẽ).
Trong trường hợp này cuộn kích từ nối tiếp hầu hết được sử dụng đóng
vai trò bù mục đích là để tăng độ cứ
ng của đặc tính cơ còn trong quá trình làm
việc trong chế độ từ không tải hoặc tải nhỏ hầu như không tham gia. Vậy
phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ kích từ loại này cũng giống như đối
với động cơ kích từ song song hoặc kích từ độc lập nhưng đặc tính cơ cứng hơn
đồng thời nó không phải là đường thẳng như độ
c lập hoặc song song.

KT
nt
U

KT
ss

Nhìn vào biểu thức trên ta thấy:
Với động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc có thể điều chỉnh tốc độ
động cơ bằng cách thực hiện sự thay đổi.
-
Tần số dòng điện stato.
-
Thay đổi số đôi cực p của từng stato.
-
Thay đổi điện áp cấp vào stato để thay đổi hệ số trượt.
Nói chung tất cả các phương pháp trên đều thực hiện trên stato.
Đối với roto dây quấn thường điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện
trở roto để thay đổi hệ số trượt S việc thực hiện ở phía roto.
1. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số
Việc thay đổi tần số f của dòng điện stato được thực hiện bằng độ biến đổi
tần số.
Như ta đã biết từ thông
φ
max
tỷ lệ thuận với tỷ số U
1
/f nên khi thay đổi tần
số người ta muốn giữ cho
φ
max
không thay đổi để mạch từ máy ở tình trạng định
mức. Muốn vậy phải điều chỉnh đồng thời tần số và điện áp.
Việc giữ cho tỷ số U
1
/f = C
tc

2.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực
Số đôi cực của từ trường quay phụ thuộc vào cấu tạo của dây quấn stato
việc thực hiện phương pháp này người ta có thể.
-
Đổi nối cách đấu bộ dây trong stato từ Y – YY sao/saokép hoặc từ
Δ/YY biến số cặp cực P thì P = 1 → P = 2 hoặc từ P = 2 → P = 4.
-
Quấn nhiều bộ dây có số cặp cực khác nhau trong stato và mỗi bộ
dây có thể làm việc độc lập với nhau theo phương pháp này số cấp tốc độ không
theo quan hệ 1:2 mà là 1
→ 2 → 3.
P có thể bằng 1 hoặc P = 2 hoặc P = 3 …
Nói chung phương pháp này việc điều chỉnh nhảy cấp nhưng có ưu điểm
là độ cứng của đường đặc tính được giữ nguyên.
n
M
p = 2
p = 1
n
M
f > f

= 1 nên có M
KĐ
= M
max
.
III. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
- Động cơ đồng bộ ba pha trước đây thường dùng cho hai loại truyền
động không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn tới hàng trăm kW, thậm trí đến
hàng MW như các hệ truyền động máy nén khí, bơm nước, quạt gió, máy
nghiền,…
Tốc độ quay của động cơ được tính bằng biểu thức
ρ
π
ω
s
b
f
=
2

Trong đó:
n
M
M
đm
f
s
là tần số nguốn cung cấp.
p là số đôi cực của động cơ.
Nhìn vào biểu thức trên ta thấy việc điều chỉnh tốc độ quay cho động cơ

điện áp, công suất và tần số có thể điều chỉnh được phù hợp với phương pháp
điều chỉnh tốc độ của động cơ.
Tuỳ theo đặc điểm, tính chất biến đổi mà ta có các loại sau.
1. Các bộ biến đổi không liên tục
Đối tượng được điều khiển không mang tính lên tục mà thành lập việc
chuyển đổi phân cấp để ghép nối các điện trở, điện kháng tham gia vào mạch
điều chỉnh tạo ra các cấp tốc độ khác nhau hoặc bằng cách thay đổi sự đấu nối
như mắc song song sang nối tiếp hoặc từ
Δ - YY,…
Để thực hiện phương pháp này chủ yếu là những mạch điện sử dụng khí
cụ đóng cắt có công suất vừa và lớn, các điện trở công suất lớn cũng như các
điện kháng,…
2. Các bộ biến đổi liên tục
Trong các hệ truyền động hiện nay những động cơ yêu cầu điều chỉnh tốc
độ trong phạm vi rộng, trơn trượt và vô cấp đòi hỏi độ chính xác cao, khả năng
ổn định tốc độ tốt hầu hết sử dụng phương pháp này.
Hệ truyền động (máy phát – động cơ) một chiều, máy phát xoay chiều,
máy điện khuyếch đại từ trường quay.
Bộ biế
n đổi dựa theo nguyên tắc điện từ như hệ khuyếch đại từ, cuộn
kháng bão hoà.
Bộ biến đổi điện tử: Chỉnh lưu bán dẫn, chỉnh lưu có điều khiển, biến tần
tranzitor, biến tần tiristor.
MỤC LỤC

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ

PHẦN THỨ NHẤT: ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN Trang
I. Khái niệm chung về việc đo tốc độ động cơ 2

3.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ đối với động cơ kích từ hỗn hợp 18
1. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số 19
1.1. Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực 20
1.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stato 21
1.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch roto của động
cơ roto dây quấn 21
III. Điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 21
C. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BIẾN ĐỔI 22
I. Hệ thông điều khiển 22
II. Bộ biến đổi 22
1. Các bộ biến đổi không liên tục 23
2. Các bộ biến đổi liên tục 23