Bài giảng Trang bị điện-điện tử trong máy công nghiệp - Chương I: Mạch điện một chiều - Ngô Hà Quang Thịnh

Nội dung text: Bài giảng Trang bị điện-điện tử trong máy công nghiệp - Chương I: Mạch điện một chiều - Ngô Hà Quang Thịnh

1. Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Đại Học Bách Khoa Khoa Cơ Khí Bộ Môn Cơ Điện Tử Môn Học: Trang Bị Điện-Điện Tử Chương I Mạch Điện Một Chiều TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
2. Giới Thiệu Về Môn Học
3. Hướng Nghiên Cứu Chính ● Design of Global Sliding-Mode AC Servo Controller Based on Expotinental Acceleration/Deceleration Algorithm TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
4. Hướng Nghiên Cứu Chính ● Design of Global Sliding-Mode AC Servo Controller Based on Expotinental Acceleration/Deceleration Algorithm TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
5. Hướng Nghiên Cứu Chính ● Implementation of The Intelligent Algorithm into FPGA-based Motion Control System TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
6. Hướng Nghiên Cứu Chính ● Fuzzy PID Control for AC Servo System Based on Stribeck Friction Model TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
7. Mục Đích & Nội Dung Môn Học ● Trang bị cho sinh viên khoa Cơ Khí các kiến thức về: oKhái niệm oNguyên lý cơ bản để phân tích, lực chọn và sử dụng các loại thiết bị, khí cụ điện và điện tử trong các loại máy móc công nghiệp ● Tóm tắt nội dung môn học oCấu tạo oNguyên lý hoạt động oThông số kỹ thuật của khí cụ điện-điện tử-điện tử số, các loại động cơ điện. Phân tích các mạch điều khiển và động lực trong các máy công nghiệp TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
8. Hướng Dẫn & Cách Đánh Giá MH ● Tài liệu được đưa lên BKEL hằng tuần. Sinh viên tải về, in ra và mang theo khi đến lớp học ● Điểm tổng kết môn học được đánh giá xuyên suốt quá trình học ● Bài tập về nhà (cá nhân, nhóm) ● Thực hành thí nghiệm ● Quá trình (bài tập lớn, chuyên cần) ● Thi cuối kỳ TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
9. Khái Niệm Về Mạch Điện
10. Cấu Trúc Của Mạch Điện Nhánh: là một đường trên đó chứa một hay nhiều phần tử liên kết với nhau theo phương pháp đấu nối trực tiếp Vòng: là tập hợp nhiều nhánh tạo thành hệ thống kín và chỉ đi qua mỗi nút duy nhất một lần Nút: là giao điểm tối thiểu ba nhánh trong một mạch điện Mắt Lưới: được xem là vòng cơ bản, hay nói cách khác là một vòng mà bên trong không tìm thấy được vòng nào khác TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
11. Các Đại Lượng Vật Lý Điện thế tạo ra tại một điểm là công cần thiết để di chuyển một điện tích +1 C đi từ điểm ở xa vô cực đến điểm khảo sát. Qui ước điện thế của điểm ở xa vô cực là 0V VAB: hiệu điện thế giữa A, B (2) VA: điện thế tại điểm A VB: điện thế tại điểm B Hiệu điện thế giữa hai đầu phần tử là công cần thiết để di chuyển điện tích 1C đi từ đầu này sang đầu còn lại. Khi giữa hai đầu phần tử tồn tại điện áp V(t) để hình thành dòng điện i(t) qua phần tử, ta nói phần tử đã được cấp điện năng (vì đã hình thành công di chuyển điện tích qua phần tử) Điện năng cung cấp cho phần tử trong một đơn vị thời gian gọi là công suất Đơn vị đo [V(t)] là [V] (3) Đơn vị đo [I(t)] là [A] Đơn vị đo [P(t)] là [W] Vấn đề cần quan tâm là công suất tiêu thụ (nhận vào) trên phần tử và công suất cung cấp (phát ra) từ phần tử TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
12. Các Đại Lượng Vật Lý ►Khi một phần tử có công suất là p(t) trong khoảng thời gian dt, điện năng tiêu thụ (hay phát ra) trên phần tử: (4) ►Trường hợp tổng quát, khi khoảng thời gian khảo sát tính từ thời điểm t0 đến thời điểm t, điện năng được xác định như sau: (5) Trong các công thức trên, đơn vị đo lường được xác định như sau: [W] : [J] [V] : [V] [I] : [A] [t] : [s] TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
13. Phần Tử Nguồn Nguồn áp độc lập là loại nguồn áp có khả năng duy trì điện áp V giữa hai đầu nguồn độc lập đối với các phần tử còn lại của mạch và dòng điện qua nguồn →Hàm Vs(t) là hàm nguồn của nguồn áp độc lập →Cặp dấu (+,-) ghi bên trong nguồn cho biết đầu dương giả thiết của nguồn áp TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
14. Phần Tử Tải & Định Luật Ohm ►Các phần tử tải của mạch bao gồm phần tử thuần trở R, phần tử thuần cảm có độ tự cảm L, phần tử thuần dung có điện dung C ►Định luật Ohm cho đoạn mạch đồng chất: Cường độ dòng điện chạy qua một đoạn mạch đồng chất tỷ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch đó (6) Từ thực nghiệm, với một dây kim loại đồng chất, tiết diện đều S, chiều dài L thì điện trở của dây dẫn được xác định: (7) Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất tăng theo quy luật TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
15. Định Luật Ohm Dạng Vi Phân ►Theo mối liên hệ giữa cường độ điện trường và điện thế, ta có: (10) Do đó (11) Gọi (12) thì hay (13) Tại mỗi điểm trong môi trường có dòng điện chạy qua, vector mật độ dòng điện tỷ lệ thuận với vector cường độ điện trường tại điểm đó TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
16. Định Luật Ohm Cho Mạch Kín ►Gọi là cường độ trường lực lạ Công của lực lạ: (15) Do đó (16) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
17. Định Luật Ohm Tổng Quát ►Biểu thức của định luật Ohm tổng quát, áp dụng cho 1 đoạn mạch bất kỳ là: (20) Quy ước UAB thì chiều đi từ A đến B. +Nếu gặp cực dương của nguồn thì suất điện động của nguồn đó lấy dấu dương, trái lại lấy dấu âm +Nếu đi cùng chiều dòng điện của nhánh nào thì cường độ dòng điện của nhánh đó lấy dấu dương, trái lại lấy dấu âm TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
18. Phần Tử Tải ►Gọi q là điện lượng chạy trong mạch ngoài và giá trị này bằng với điện tích tích trên mỗi bản cực dq i dV dt iC dt q CV (24) -Công suất tức thời nhận trên phần tử tụ điện xác định như sau dV P()()()() t V t I t V t C (25) dt -Năng lượng tích trữ trong điện trường của tụ điện 1 W(t ) CV2 ( t ) (26) 2 TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
19. Các Định Luật Cơ Bản
20. Các Định Luật Cơ Bản Định luật Kirchhoff 2: Phương pháp đại số Tổng giá trị điện áp dọc theo một vòng = 0 -Bước 1: Chọn chiều dòng điện chạy trong vòng khảo sát (chọn tùy ý) -Bước 2: Xác định điện áp xuất hiện giữa hai đầu các phần tử -Bước 3: Bắt đầu từ phần tử được chọn làm chuẩn trong mạch, đi theo chiều dòng điện để viết phương trình điện áp. Nếu điện áp trên các phần tử cùng hướng với phần tử chuẩn thì các giá trị này dương Nếu điện áp trên các phần tử ngược hướng với phần tử chuẩn thì các giá trị này âm Phương pháp số học Tổng điện áp cung cấp từ nguồn = Tổng điện áp đặt ngang qua 2 đầu từng phần tử tiêu thụ -Khi áp dụng phương pháp này, chú ý phương pháp ghép nối tiếp các nguồn (trong vòng đang khảo sát) là nối cùng cực tính hay ngược cực tính TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
21. Các Định Luật Cơ Bản Thí dụ: Tính công suất tiêu thụ trên điện trở R trong mạch điện sau đây -Đầu tiên xác định điện áp giữa hai nút C và N, dựa trên các giả thiết cho trên nhánh chứa nguồn 8V, ta suy ra: VCN = 8V + (8Ω).(2A) = 8V + 16V = 24V -Dựa vào điện áp VCN tìm được, suy ra dòng điện i1 qua nhánh chứa nguồn áp 6V i1 = (VCN – 6V) / 6Ω = 3A -Áp dụng định luật Kirchhoff 1, suy ra giá trị i2 qua nhánh chứa điện trở 4Ω: i2 = ii + 2A = 5A -Áp dụng định luật Kirchhoff 2, suy ra điện áp VBN ở hai đầu B và N: VBN= VBC+VCN= 4i2 + VCN= 4 x 5 + 24= 44V Suy ra dòng điện iBN qua nhánh chứa điện trở 11Ω: iBN = VBN / 11Ω = 4A -Áp dụng định luật Kirchhoff 1 xác định dòng điện iAB từ nút A đến B (qua nguồn áp 2V): iAB = iBN + i2 = 4A + 5A = 9A -Áp dụng định luật Kirchhoff 2, suy ra điện áp VAN: VAN=VAB+VBN= -2V+44V = 42V -Áp dụng định luật Kirchhoff 1, suy ra dòng điện từ A đến N: iAN=11A-iAB=11A-9A=2A -Công suất tiêu thụ trên điện trở R: P = VANIAN = 42 x 2 = 84W TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
22. Phương Pháp Giải Mạch Cơ Bản Điện trở đấu nối tiếp và cầu phân áp Cho mạch điện như hình vẽ. Gọi V1, V2 và V3 lần lượt là điện áp trên hai đầu của mỗi điện trở . Áp dụng định luật Kirchhoff 2, ta có quan hệ như sau: V= V1+V2+V3 (29) Từ định luật Ohm, ta có: V=(R1+R2+R3)I (30) Khi thay thế các điện trở R1, R2 và R3 bằng một điện trở tương đương Rtd, ta có: V=IRtd Suy ra biểu thức xác định điện trở tương đương: Rtd = R1+ R2 + R3 Từ đó xác định điện áp trên các điện trở theo điện áp nguồn V như sau: RRR VVVVVV12;;3 1 2 3 (31) RRRRRRRRR1 2 3 1 2 3 1 2 3 Trường hợp tổng quát: R n (32) Mạch điện như trên gọi là mạch chia VVn n áp hay cầu phân áp Ri i 1 TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
23. Phương Pháp Giải Mạch Cơ Bản Điện trở đấu song song và cầu phân dòng Cho mạch điện như hình vẽ. Gọi I1, I2 và I3 lần lượt là dòng điện đi qua các nhánh chứa từng điện trở. Áp dụng định luật Kirchhoff 1, ta có quan hệ như sau: I= I1+I2+I3 (33) Từ định luật Ohm, ta có: I=(V/R1+V/R2+V/R3) Khi thay thế các điện trở R1, R2 và R3 bằng một điện trở tương đương Rtd, ta có: I=V/Rtd Suy ra biểu thức xác định điện trở tương đương: 1/Rtd = 1/R1+ 1/R2 + 1/R3 Từ đó, ta có: 111 RRR IIIIII12;;3 11 1 1 2 1 1 1 3 1 1 1 (34) RRRRRRRRR1 2 3 1 2 3 1 2 3 Trường hợp tổng quát: 1 R IIn Mạch điện như trên gọi là mạch chia n n 1 (35) dòng hay cầu phân dòng i 1 Rn TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
24. Biến Đổi Từ Dạng Y Sang Dạng Δ RRAB RRRAB A B (36) RC Trường hợp đặc biệt: Nếu tải đấu Y cân bằng (R = R = R = R) RRBC A B C RRRBC B C (37) thì tải quy đổi đấu Δ cũng cân bằng. Kết R A quả như sau: RR CA (38) RRRCA C A RAB = RBC = RCA = RΔ = 3R (39) RB TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
25. Biến Đổi Từ Dạng Δ Sang Dạng Y RR R AB CA (40) A Trường hợp đặc biệt: RRRAB BC CA Nếu tải đấu Δ cân bằng (RAB = RBC = RCA = R) RR R AB BC (41) thì tải quy đổi đấu Y cũng cân bằng. Kết quả B như sau: RRRAB BC CA RRCA BC RA = RB = RC = R / 3 (43) RC (42) RRRAB BC CA TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
26. PT Điện Thế Nút & PT Nút Trường hợp mạch 2 nút chứa điện trở và nguồn áp: Từ nút A nhìn về các nguồn áp trên nhánh 1 và 2, ta nhận xét: nguồn V1 có cực (+) nằm gần nút A, nguồn áp V2 có dấu (-) nằm gần nút A. Chọn B làm nút chuẩn, chiều dòng điện tại nút A đổ ra khỏi nút trên các nhánh. Dòng điện qua mỗi nhánh xác định như sau: VVVVVVAAAA12 IIII1;;; 2 3 4 (47) RRRR1 2 3 4 Phương trình Kirchhoff 1 tại nút A, ta có IIII1 2 3 4 0 (48) Hay VVVVVVAAAA12 0 (49) RRRR1 2 3 4 TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
27. PT Điện Thế Nút & PT Nút Trường hợp mạch có nhiều hơn 2 nút: Bước 1: Xác định tổng số nút chứa trong mạch điện, chọn 1 trong các nút hiện có làm chuẩn (điện thế tại nút chuẩn là 0V) Bước 2: Tại mỗi nút không phải là nút chuẩn cần xây dựng phương trình điện thế nút. Khi viết phương trình nút, giả thiết tại nút khảo sát dòng điện đổ ra từ nút trên các nhánh. Với mạch điện có n nút, cần xây dựng (n-1) phương trình. Bước 3: Giải hệ phương trình nhiều ẩn số để có được các nghiệm số TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
28. PT Điện Thế Nút & PT Nút Phương trình điện thế nút tại B: Giả sử dòng I4, I5 và I6 có chiều như hình (b), riêng nguồn dòng đang từ B đổ ra. Áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại B: I4 + I5 + I6 + 1 = 0 Phương trình cân bằng áp cho từng nhánh hội tụ về nút B như sau: VB-VC=VB-0=VB=4I5 + 8 VB=4I4 (b) VB-VA=2I6 Dòng điện trên các nhánh: I5=(VB-8)/4 I4=VB/4 I6=(VB-VA)/2 Phương trình điện thế nút: (VB-8)/4 + VB/4 + (VB-VA)/2 + 1 = 0 Thu gọn, ta có: VB – VA/2 = 1 ( ) Bước 3: Từ (*) và ( ), ta có hệ phương trình 1 VVAB7 2 VVA 10 1 VV6 VV1 B 2 AB Dòng điện qua điện trở 2Ω trên nhánh từ nút A đến nút B: I = (VA-VB)/2 = 2A TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
29. PT Dòng Mắt Lưới VR1 = R1I1 VR2 = R2I2 VR3 = R3I3 = R2(I1 – I2) Phương trình cân bằng áp (theo định luật Kirchhoff 2) cho mắt lưới 1: V1 = VR1 + VR3 (50) hay R1I1 + R3(I1 – I2) = V1 Phương trình cân bằng áp (theo định luật Kirchhoff 2) cho mắt lưới 2: VR3 = VR2 + V2 (51) hay R3(I1 – I2) = R2I2 + V2 Từ (50) và (51), ta có hệ phương trình ()RRIRIVRIRIV1 31 32 1 111 122s 1 (52) RIRRIVRIRIV31() 2 32 2 211 222s 2 R11: tổng các điện trở trong mắt lưới 1 R22: tổng các điện trở trong mắt lưới 2 R12=R21=R3: tổng tất cả các điện trở chung (phần tử biên) của mắt lưới 1 và mắt lưới 2 Vs1=V1: tổng điện áp trong mắt lưới 1 theo hướng I1 Vs2=-V2: tổng điện áp trong mắt lưới 2 theo hướng I2 TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
30. The End 59