Giáo trình Tổng hợp điều khiển hệ điện cơ: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Phần 1 của giáo trình Tổng hợp điều khiển hệ điện cơ cung cấp cho học viên những nội dung về: khái niệm và chỉ tiêu cơ bản của hệ điện cơ; tổng hợp hệ điều chỉnh tự động điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều; hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều nhiều mạch vòng;... Mời các bạn cùng tham khảo!

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNGNINH TS Đỗ Chí Thành Ths Nguyễn Văn Chung Ths Bùi Thị Thêm GIÁO TRÌNH TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ DÙNG CHO TR NH Đ ĐẠI HỌC QUẢNG NINH - 2020 Lời mở đầu Giáo trình Tổng hợp điều khiển hệ điện biên soạn nhằm cung cấp tài liệu học tập cho sinh viên học trình độ đại học, tài liệu giảng dạy giảng viên ngành cơng nghệ điều khiển tự động hóa Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, phục vụ cho nghiệp đào tạo, cải cách giáo dục Bộ Giáo dục Đào tạo, đặc biệt đào tạo theo hệ thống tín cịn làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật, kỹ thuật viên công tác lĩnh vực Tự động hóa Để đáp ứng u cầu đó, giáo trình giới thiệu cách có hệ thống kiến thức bản, thể đầy đủ nội dung theo yêu cầu chương trình đào tạo, giáo trình gồm chương: Chương Những khái niệm tiêu hệ điện cơ; Chương Tổng hợp hệ điều chỉnh tự động điều khiển tốc độ động điên chiều; Chương Hệ điều chỉnh tốc độ động điện chiều nhiều mạch vòng; Chương Hệ thống truyền động tiristor - Động (T-Đ); Chương Hệ thống truyền động động chiều sử dụng biến đổi chiều - chiều (xung điện áp); Chương Các loại hình hệ điều chỉnh tốc độ động không đồng - Hệ thống điều tốc điều chỉnh điện áp; Chương Hệ thống điều chỉnh tốc độ động xoay chiều không đồng phương pháp thay đổi tần số Trong q trình biên soạn, nhóm tác giả cố gắng bám sát đề cương chương trình học phần phê duyệt Trường, kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy môn học nhiều năm, đồng thời có ý đến đặc thù đào tạo ngành Trường Tuy nhiên, trình biên soạn điều kiện tài liệu tham khảo bị hạn chế nên chắn sách nhiều thiếu sót Rất mong bạn đọc góp ý xây dựng Xin chân thành cảm ơn Các tác giả CHƯƠNG NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ CHỈ TIÊU CƠ BẢN CỦA HỆ ĐIỆN CƠ 1.1 Khái niệm chung hệ điện 1.1.1 Khái niệm chung Hệ điện hệ thống dùng để biến đổi điện thành khống chế tự động Phần hệ điện hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện (ĐCTĐTĐĐ) Mục tiêu hệ ĐCTĐTĐĐ phải đảm bảo giá trị yêu cầu đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc tác động đại lượng nhiễu lên hệ điều chỉnh Hệ thống ĐCTĐTĐĐ có cấu trúc chung trình bày hình 1.1 Hình 1.1 Cấu trúc chung hệ ĐCTĐTĐĐ hình 1.1: M - động điện dùng để truyền động cho máy sản xuất (MSX) Động (M) khâu làm nhiệm vụ biến đổi điện thành để cung cấp cho máy sản xuất, động điện động điện chiều, động điện xoay chiều không đồng đồng bộ, loại động bước,… BĐ - biến đổi hệ thống thường có hai chức năng: Chức thứ biến đổi lượng điện từ dạng sang dạng khác, thích ứng với động truyền động; chức thứ hai mang thông tin điều khiển để điều khiển tham số đầu biến đổi như: cơng suất P, điện áp U, dịng điện I, tần số f,…Bộ biến đổi là: Khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, máy phát điện chiều, biến đổi bán dẫn,… R - điều chỉnh nhận tín hiệu thơng báo sai lệch trạng thái làm việc hệ thống tự động thơng qua việc so sánh tín hiệu đặt THĐ tín hiệu đo lường đại lượng đầu hệ thống Tín hiệu sai lệch qua điều chỉnh R khuếch đại tạo hàm chức điều khiển (tích phân, vi phân) cho đảm bảo chất lượng động tĩnh hệ thống tự động Tín hiệu đầu điều chỉnh dùng để điều chỉnh biến đổi (BBĐ) ĐL - khâu đo lường có nhiệm vụ biến đổi dạng tín hiệu đầu dạng tín hiệu điện áp dịng điện phù hợp với tín hiệu đặt có giá trị tỉ lệ với đại lượng điều chỉnh đầu Trong thực tế, đại lượng điều chỉnh hệ thống truyền động tự động mơ men quay, tốc độ, vị trí Để đảm bảo chất lượng hệ, thường có nhiều mạch vòng điều chỉnh như: mạch vòng điều chỉnh điện áp, dịng điện, tốc độ, từ thơng, vị trí,… 1.1.2 Phân loại hệ điện Việc phân loại hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện thường có nhiều cách, tuỳ vào mục đích a) Phân loại theo động truyền động: - Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động chiều; - Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động xoay chiều không đồng bộ; - Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động xoay chiều đồng bộ; - Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động bước; … b) Phân loại theo điều chỉnh tín hiệu vào điều chỉnh: - Hệ ĐCTĐTĐĐ có điều chỉnh tương tự (analog); - Hệ ĐCTĐTĐĐ có điều chỉnh số (digital); - Hệ ĐCTĐTĐĐ có điều chỉnh lai tương tự - số (analog - digital); c) Phân loại theo cấu trúc thuật toán điều khiển: - Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển thích nghi; - Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển mờ d) Phân loại theo nhiệm vụ chung: - Hệ ĐCTĐTĐĐ trì đại lượng điều chỉnh (đại lượng ra) theo lượng đặt trước khơng đổi Ví dụ: Hệ trì tốc độ, … - Hệ ĐCTĐTĐĐ tùy động (hệ bám), hệ điều khiển vị trí yêu cầu điều khiển tự động lượng theo lượng đặt biến thiên tùy ý Các hệ thường gặp các hệ truyền động quay anten, đa, cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, … - Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển chương trình, thực chất hệ điều khiển vị trí đại lượng điều chỉnh điều khiển tự động tuân theo lượng đặt biến thiên theo chương trình định trước Đại lượng điều chỉnh hệ thống thường quỹ đạo chuyển động phức tạp không gian, cấu trúc thường nhiều trục Chương trình điều khiển mã hóa ghi vào bìa, băng từ, đĩa từ,… Chúng ta thường gặp hệ điều khiển chương trình trung tâm gia cơng cắt gọt kim loại, dây chuyền sản xuất có robot Hệ điều khiển chương trình có cấu trúc phức tạp thường thiết kế dạng điều khiển số (NC) điều khiển số có sử dụng máy tính (CNC - Computer Numeric Control) 1.2 Các toán tổng hợp hệ thống Khi thiết hệ ĐCTĐTĐĐ ta cần phải đảm bảo thực tất các yêu cầu đặt ra, đáp ứng yêu cầu công nghệ, tiêu chất lượng tiêu kinh tế Chất lượng hệ ĐCTĐTĐĐ thường gồm chất lượng tĩnh động Trạng thái tĩnh, yêu cầu quan trọng bậc độ xác điều chỉnh Đối với trạng thái động có u cầu độ ổn định tiêu độ điều chỉnh, thời gian trình độ, tốc độ điều chỉnh, tần số dao động,…trong yêu cầu độ ổn định quan trọng Cấu trúc mạch điều khiển, luật điều khiển tham số điều khiển có ảnh hưởng lớn đến chất lượng hệ Vì vậy, thiết kế hệ ta phải thực tốn phân tích tổng hợp hệ để tìm lời giải hợp lý, cho đáp ứng yêu cầu kĩ thuật kinh tế đặt Đối với toán tổng hợp hệ, người ta thường đưa ba loại toán: tổng hợp chức năng, tổng hợp tham số tổng hợp cấu trúc - tham số Bài toán tổng hợp chức năng: thực trường hợp biết cấu trúc tham số mạch điều khiển, ta cần phải xác định luật điều khiển đầu vào để hệ đảm bảo chất lượng Bài toán tổng hợp tham số: thực biết cấu trúc lượng tác động đầu vào hệ, ta cần xác định tham số điều khiển Bài toán tổng hợp cấu trúc - tham số: thực biết qui luật biến thiên lượng đầu vào hệ, ta cần xác định cấu trúc hệ đặc tính, tham số điều khiển Để thực tốn tổng hợp hệ, ta dùng phương pháp khác nhau, cụ thể, hệ có cấu trúc đơn giản ta dùng phương pháp đặc tính tần số, phương pháp phân bố nghiệm, phương pháp hệ điển hình loại hàm chuẩn mơ đun tối ưu, mơ đun đối xứng Đối với hệ có cấu trúc phức tạp, đặc biệt hệ nhiều chiều thường áp dụng phương pháp không gian trạng thái tổng hợp hệ dùng máy tính số với ngơn ngữ chun dụng Với hệ điều khiển số, có đặc thù riêng mơ tả tốn học, phương pháp tổng hợp hệ dựa phương pháp tổng hợp liên tục Riêng hệ phi tuyến cần có phương pháp tổng hợp riêng 1.3 Các tiêu 1.3.1 Các tiêu chung Để đánh giá hệ điều chỉnh tự động truyền động điện người ta thường dựa vào số đặc điểm tiêu chung sau: 1.3.1.1 Đặc tính phụ tải đặc tính hệ truyền động điện Đặc tính phụ tải mối quan hệ mơ men cản Mc tốc độ máy sản xuất Tùy thuộc vào loại máy mà đặc tính tải có dạng khác nhau: loại mô men tải số (không phụ thuộc vào tốc độ), loại mô men tải tỉ lệ thuận với tốc độ, loại mô men tải tỉ lệ với bình phương tốc độ, loại mơ men tải tỉ lệ nghịch với tốc độ,….Về tính chất, mơ men tải có hai loại: mơ men tải mang tính chất phản kháng mơ men tải mang tính chất Hệ truyền động điện phải thiết kế cho đặc tính mơ men cho phép động hệ phải phù hợp với đặc tính phụ tải để đảm bảo tối thiểu hóa cơng suất đặt 1.3.1.2 Phạm vi điều chỉnh tốc độ: Là tỉ số tốc độ làm việc cao nmax (nmax tốc độ đặc tính cao ứng với mơ men tải (hoặc dịng điện) định mức) tốc độ làm việc thấp nmin (nmin tốc độ đặc tính thấp ứng với mơ men tải (hoặc dòng điện) định mức), phạm vi điều chỉnh thường kí hiệu D: D n max n (1.1) 1.3.1.3 Độ trơn (độ phẳng) điều chỉnh: Là tỉ số hai cấp tốc độ liền kề nhau:  n i 1 ni (1.2) với ni ni+1 cấp tốc độ thứ i thứ i+1 Hệ điều chỉnh trơn hay vô cấp hệ có   1.3.1.4 Sai lệch tĩnh Sai lệch tĩnh sai lệch tốc độ trạng thái ổn định biểu diễn dạng tương đối tương đối phần trăm, với đặc tính thứ i có tốc độ không tải lý tưởng n0i tốc độ tải định mức ni, sai lệch tĩnh kí hiệu st st%: st  n oi  n i n 0i st %  n 0i  n i 100% n oi (1.3) Điều kiện đảm bảo sai lệch tĩnh: st  [s], với [s] sai lệch tương đối cho phép Trong số trường hợp sai lệch tương đối gọi hệ số trượt 1.3.2 Độ xác hệ thống ĐCTĐTĐĐ chế độ xác lập tựa xác lập Các hệ điều chỉnh tự động nói chung hệ ĐCTĐTĐĐ nói riêng đặt yêu cầu đại lượng điều chỉnh phải bám theo tín hiệu đặt với độ xác chế độ xác lập tựa xác lập Độ xác hai tiêu kĩ thuật quan trọng hệ thống tự động nói chung hệ ĐCTĐTĐĐ nói riêng Độ xác đánh giá dựa sở phân tích sai lệch điều chỉnh hệ, sai lệch phụ thuộc nhiều yếu tố Trên sở phân tích sai lệch điều chỉnh ta chọn điều chỉnh, mạch bù thích hợp để nâng cao độ xác hệ thống 1.3.2.1 Các hệ số sai lệch Hình 1.2 Sơ đồ khối (a) đặc tính độ (b) Xét hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có sơ đồ cấu trúc tối giản hình 1.2 Với F0(s) hàm truyền hệ hở, hệ có phản hồi âm (phản hồi -1) Trong đó: - R(s), R(t) tín hiệu vào; - C(s), C(t) tín hiệu ra; - E(s), e(t) tín hiệu sai lệch, với e(t) = R(t) - C(t); - Ni (i = 1,…n) tín hiệu nhiễu tác dụng lên hệ; - TM thiết bị công nghệ (máy sản xuất) C  s   F  s  R  s    Fi  s  N i  s  (1.4) - F(s) hàm truyền kín hệ theo THĐ xác định theo biểu thức sau: - Fi(s) hàm truyền hệ tín hiệu nhiễu thứ i F s   F0  s   F0  s  (1.5) Trong phương C(t) nghiệm phương trình vi phân không nhất, bao gồm hai thành phần thành phần nghiệm tự thành phần nghiệm riêng, thành phần nghiệm riêng C(t) theo R(t) chép lại R(t) với độ xác Các thành phần nghiệm riêng C(t) theo Ni(t) phải nhỏ tốt Khi giả thiết tín hiệu R(t) Ni(t) thỏa mãn điều kiện Mc.Laurin sai lệch điều chỉnh e(t) biểu diễn dạng chuỗi hàm sau: e  t   R  t   C  t   C0 R  t   C1 dR  t  dt +C0 N1 N1  t   C1 N1   Ci dN1  t  dt di R  t  dt   Ci N1  d i N1  t  dt  + +C0 Nn N n  t   C1 Nn dN n  t  +  t  dt   Ci Nn di N n  t  dt  (1.6) Ci, CiNj với i =  , j =  n số, (t) thặng dư Khi giả thiết bỏ qua tác động tín hiệu nhiễu thặng dư, sai lệch hệ biểu diễn gọn lại: e  t   R  t   C  t   C0 R  t   C1 dR  t  dt   Ci di R  t  dt  (1.7) Các số C0, C1, …, Ci,…được gọi hệ số sai lệch C0- Hệ số sai lệch vị trí; C1- Hệ số sai lệch tốc độ; C2- Hệ số sai lệch gia tốc Một hệ có tất hệ số sai lệch khơng gọi hệ xác tuyệt đối 1.3.2.2 Các biểu thức xác định hệ số sai lệch a) Xác định hệ số Ci theo hàm truyền sai lệch: Với giả thiết bỏ qua tác động nhiễu, lúc sai lệch hệ thống phụ thuộc vào tín hiệu vào Khi bỏ qua nhiễu thì: C(s) = F(s).R(s) R(s) E(s) C(s) F0(s) (-) Hình 1.3 Sơ đồ khối bỏ qua nhiễu Hàm truyền sai lệch theo tín hiệu vào: Fe  s   E s  (1.8) R s  E s   R s   C s   R s   R s  Suy ra: Fe  s    Từ (1.7), suy ra: F0  s   F0  s   1  F0  s  F0  s   F0  s  Fe  s   C0  C1s  C2s   Ci s i  (1.9) (1.10) (1.11) Kết hợp (1.8) với (1.11) rút ra: C0  lim Fe (s) s 0 1  C1  lim   Fe (s)  C0  s 0 s   1  C2  lim   Fe (s)  (C0  C1s)  s 0 s    Ci  lim  i s 0 s  (1.12) i 1    F (s)  C js j    e  j    b) Xác định hệ số Ci theo hàm truyền hệ thống kín Ta xác định hàm truyền sai lệch hệ theo hàm truyền hệ kín: Fe  s   R s   C s  R s    F s  (1.13) Dựa vào (1.12) (1.13) F(s) có dạng: F s   b0  b1.s1  b 2s   b ms m  a1.s1  a 2s   a n s n m  n (1.14) Kết hợp biểu thức (1.12), (1.13) với (1.14) ta rút ra: C0   b   C1  a1  C0 a1  b1   C2  a   C0 a  C1a1   b  C3  a   C0 a  C1a  C 2a1   b3    i 1    Ci  a i    Cz a i  z   bi   z 0   Chú ý: =  i > n, bi =  i > m 1.15) Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh dòng điện kiểu PI, khâu lọc cho trước khâu lọc tín hiệu phản hồi dịng biểu diễn hình 3.30 Trong hình 3.30, điện áp cho trước điều chỉnh dòng điện, (-Id) điện áp phản hồi âm dịng điện, đầu khuếch đại thuật tốn điện áp điều khiển u đk mạch phát xung Muốn xác định hàm số truyền điều chỉnh loại này, trước tiên phải xem xét mạch điện tương đương đầu vào hình 3.31 Trong hình 3.31, A điểm nối mát ảo điện điểm A với mát tụ coi Sử dụng phép biến đổi Laplace, dòng điện iv chạy vào điểm A là: (3.52) Vì vậy, phương trình cân dịng điện điểm A hình 3.30 là: 121 (3.53) Sơ đồ cấu trúc trạng thái động tương ứng với cơng thức (2.53) giống hồn tồn với sơ đồ cấu trúc hình 3.27a RI điều chỉnh PI 3.4.2 Thiết kế điều chỉnh tốc độ quay 3.4.2.1 Hàm số truyền mạch vịng kín tương đương mạch vòng dòng điện Theo nguyên tắc chung nêu, thiết kế điều chỉnh tốc độ quay coi mạch vịng dịng điện thiết kế xong khâu hệ thống điều chỉnh tốc độ quay, thế, cần phải tìm hàm số truyền tương đương Hình 3.29a vẽ sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện, hàm số truyền mạch vịng kín là: KI s(T is  1) Wki (s)   Ki T i s 1 s  1 s(T is  1) K I KI (3.54) Tần số cắt mạch vịng tốc độ quay nói chung thấp, Wki(s) hạ bậc cách gần xuống là: Wki (s)  1 s 1 KI 122 (3.55) (3.56) Đường tiệm cận đặc tính tần biên logarit đường đặc tính A hình 3.32 Khi hạ bậc gần thành khâu quán tính cấp đường đặc tính B Khi tần số ngắt cn mạch vịng tương đối thấp đường đặc tính tần số mà nói, hệ thống ban đầu hệ thống gần khác chút đoạn cao tần Cuối cùng, tín hiệu đầu vào hình 3.29a U *i /, hàm số truyền mạch vòng dòng điện vừa tìm là: Wki (s)  I(s) U (s) /  * i liên kết mạch vòng tốc độ quay, tín hiệu đầu vào phải U *i, khâu tương đương mạch vòng dòng điện tương ứng đổi thành: I d (s) Wki (s) 1/    * U i (s)  2T i s  123 (3.57) 3.4.2.2 Lựa chọn cấu trúc điều chỉnh tốc độ quay Sau dùng khâu tương đương mạch vòng dòng điện thay cho mạch vịng kín dịng điện hình 3.26, sơ đồ cấu trúc trạng thái động toàn hệ thống điều chỉnh tốc độ quay trở thành hình 3.33a Từ hình 3.33b thấy rõ, muốn hiệu chỉnh mạch vòng tốc độ quay thành hệ thống điển hình loại II, R cần phải dùng điều chỉnh PI, hàm số truyền là: WR  (s)  K pn n s  n s (3.58) Kpn - hệ số tỷ lệ điều chỉnh tốc độ quay, n - số thời gian điều chỉnh tốc độ quay Như vậy, hàm số truyền vòng hở hệ thống điều khiển tốc độ là: Wn (s)  K pn R d (n s  1) n  Ce Tm s (T n s  1)  K n ( n s  1) s (T n s  1) (3.59) đó, hệ số khuếch đại mạch vòng hở: Kn  K pn R d n  Ce Tm (3.60) Khi không xét nhiễu phụ tải, sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống điều tốc sau hiệu chỉnh biểu diễn hình 3.33c 124 3.4.2.3 Lựa chọn tham số điều chỉnh tốc độ quay Thông số điều chỉnh tốc độ quay gồm có Kn n Theo phương pháp chọn tham số hệ thống điển hình loại II, từ cơng thức: n = hTn (3.61) Riêng cách chọn độ rộng trung tần h, cần dựa vào yêu cầu hệ thống tính trạng thái động để định Nếu khơng có đặc biệt, từ số liệu cho bảng 3.6 3.7 thấy, nói chung nên lấy h = tốt 3.4.2.4.Thực điều chỉnh tốc độ quay Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ quay kiểu PI có cài đặt lọc sóng cho trước lọc sóng phản hồi thể hình 2.34, ucđ chủ đạo (điện áp đặt tốc độ quay cho trước), -n điện áp phản hồi âm tốc độ quay, đầu điều chỉnh tốc độ điện áp cho trước u*i điều chỉnh dòng điện Tương tự điều chỉnh dịng điện, thơng số điều chỉnh tốc độ quay quan hệ điện trở điện dung là: (3.62) 3.4.3 Tính tốn lượng điều khiển tốc độ quay điều chỉnh tốc độ quay thơi bão hồ 125 Nếu điều chỉnh tốc độ quay chưa bão hồ khơng bị hạn chế biên độ, làm việc tuyến tính phạm vi rộng, q trình độ tốc độ quay hệ thống điều tốc hai mạch vịng kín khởi động giống hình 3.35a, lượng điều chỉnh thường lớn Trên thực tế, sau tác động điện áp chủ đạo (đặt) nhảy cấp đến đầu vào thời gian ngắn điều chỉnh tốc độ vào trạng thái bão hoà, điện áp đầu có giá trị khơng đổi U *imax làm cho động khởi động điều kiện dịng khơng đổi, dòng điện khởi động Id  Idm = U*imax /, tốc độ quay n tăng theo quy luật tuyến tính (hình 3.35b) Mặc dù q trình q độ lúc so với điều chỉnh không bị hạn chế biên độ chậm nhiều, điều cần thiết để bảo đảm dịng điện khơng vượt q trị số cho phép Lượng q điều chỉnh thơi bão hồ nhỏ q điều chỉnh hệ thống tuyến tính, phải phân tích trình trạng thái động hệ thống phi tuyến có bão hồ xác định giá trị cụ thể Đối với đặc tính loại phi tuyến này, dùng phương pháp tuyến tính hố đoạn theo đoạn bão hồ thơi bão hồ để phân tích Muốn tính tốn lượng q điều chỉnh thơi bão hồ, phải giải tốn q trình q độ điều kiện ban đầu Nhưng, so sánh trình độ hệ thống tác dụng nhiễu phụ tải, dễ dàng thấy giống hai trường hợp đó, tìm thấy đường tắt để tính tốn lượng q điều khiển thơi bão hồ Để tính lượng q điều khiển thơi bão hịa người ta dựa 126 vào lượng giảm tốc trạng thái động với điều kiện ban đầu để tính tốn, với ý: Chỉ tiêu chất lượng chống nhiễu trạng thái động mà bảng 3.7 đưa dùng để tính tốn lượng giảm tốc trạng thái động tải đột ngột tăng, trị số lượng tăng tốc độ trạng thái động giảm tải đột ngột lượng giảm tốc độ quay trạng thái động đột ngột tăng lượng tải (Idmax - Ic), dấu ngược lại ý tính xác giá trị chuẩn Δn 3.5 Hệ thống điều khiển tốc độ ba mạch vòng Các mục đầu chương tập trung phân tích nguyên lý bản, quy luật điều khiển phương pháp thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vịng kín dịng điện tốc độ quay, phần lớn phân tích quy luật chung hệ thống điều khiển nhiều mạch vòng, mở rộng đến hệ thống nhiều mạch vòng khác Nhưng chủng loại hệ thống nhiều mạch vịng thực tế phong phú, xem xét loại Mục trước tiên phân tích hai loại hệ thống điều khiển mạch vịng, hệ thống điều tốc mạch vòng mà mạch vòng mạch vòng phản hồi âm vi phân dòng điện phản hồi điện áp, để từ làm ví dụ mẫu mở rộng vận dụng quy luật vào hệ thống điều khiển nhiều mạch vòng Từ nguyên lý hệ thống điều khiển tốc độ hai mạch vịng kín thấy, vịng ngồi (vịng tốc độ quay) vịng điều khiển định tính chất chủ yếu hệ thống, vòng (vòng dòng điện) có ảnh hưởng quan trọng đến đặc tính hệ thống Cụ thể, mạch vịng có tác dụng sau: (1) Hạn chế bảo vệ lượng bị điều khiển thân vòng (2) Kịp thời điều chỉnh bị nhiễu vòng (3) Cải tạo đối tượng điều khiển phạm vi mạch vòng, tạo thuận lợi cho điều khiển vịng ngồi Ba điểm tác dụng thích hợp cho vịng hầu hết loại điều khiển nhiều mạch vòng, khác mức độ cho loại cụ thể mà 3.5.1 Hệ thống điều khiển tốc độ nhiều mạch vịng kín có vịng sử dụng phản hồi âm vi phân dòng điện 127 Trong hệ thống điều khiển tốc độ hai mạch vịng kín, để nâng cao độ tác động nhanh hệ thống, mong muốn mạch vòng dịng điện có tính thích nghi nhanh, trừ việc trì điều khiển dịng điện khơng đổi giai đoạn II hình 3.7, giai đoạn I III mong muốn dòng điện tăng nhanh giảm nhanh, mong muốn tốc độ biến đổi dòng điện lớn, làm cho hệ thống tiếp cận với đồ thị trạng thái động lý tưởng (hình 3.1b) Với hệ F-Đ, quán tính điện từ mạch kích từ máy phát, điều khiển nào, tốc độ biến đổi dòng điện mạch phần ứng mức cho phép, độ tác động nhanh Khi thay máy phát chỉnh lưu bán dẫn tiristor, quán tính thiết bị chỉnh lưu giảm nhiều, cho khả thay đổi nhanh dòng điện mạch rotor Như độ tác động nhanh thoả mãn được, tốc độ biến đổi dòng điện lớn Để khắc phục ta sử dụng thêm mạch vòng phản hồi âm vi phân dòng điện, sơ đồ hình 3.42 Bộ điều chỉnh vi phân dịng điện đơn giản biểu diễn hình 3.43, thường dùng điều chỉnh tích phân, Cdi điện dung tích phân điều chỉnh, độ lớn số thời gian tích phân thay đổi theo tỷ số phân áp  Tín hiệu dịng điện diId thông qua tụ vi phân C0di điện trở Rodi tín hiệu phản hồi vi phân dịng điện đưa tới RDI, hệ số phản hồi di khác với hệ số phản hồi dòng điện  128 Đặt: d = RoCdi - số thời gian tích phân RDI,  - trị số phân áp điều khiển số thời gian RDI, di = RoCodi - số thời gian tích phân dịng điện, Todi = RodiCodi - số thời gian tích phân RDI Phương trình cân dịng điện điểm nối mát ảo A: (3.63) Sơ đồ cấu trúc trạng thái động mạch vịng vi phân dịng điện mơ tả hình 3.44 Tương tự hai mạch vịng kín, trường hợp tạm thời bỏ qua ảnh hưởng EĐ 129 Nói chung Todi nhỏ, tạm thời bỏ qua ảnh hưởng (hoặc phía sau bố trí khâu lọc với số thời gian Todi, mà đem gộp vào số thời gian thành phần), ta có: (3.64) Đây đối tượng điều chỉnh mạch vòng dòng điện có phản hồi vi phân dịng điện Khi Kdi đủ lớn, số thời gian khâu bậc hai giảm nhiều, nhờ nâng cao độ tác động nhanh trình điều khiển dòng điện 3.5.2 Hệ thống điều khiển tốc độ mạch vịng có phản hồi âm điện áp Trong hệ thống điều khiển tốc độ thực tế, đặc biệt hệ thống có cơng suất lớn có u cầu cao chất lượng động, xuất dạng cấu trúc điều khiển mạch vịng kín tốc độ quay, dòng điện điện áp, sơ đồ nguyên lý thể hình 3.45 130 Tương tự điều chỉnh vi phân dòng điện, điều chỉnh điện áp thường dùng điều chỉnh tích phân, hàm số truyền là: WR U (s)  (3.65) u s u - số thời gian tích phân RU;  - tỷ số phân áp Việc biến đổi sơ đồ cấu trúc trạng thái động mạch vịng điện áp (hình 3.46a) phức tạp, tín hiệu phản hồi điện áp lấy từ đầu chỉnh lưu bán dẫn, không tách riêng điện trở Rb chỉnh lưu điện trở R phần lại mạch rotor (bao gồm điện kháng san bằng) để xử lý Lúc phương trình cân điện áp mạch điện viết thành: (3.66) Tương tự phần trước, tạm thời bỏ qua ảnh hưởng thay đổi sức điện động ngược, hay nói khác đi, dùng phép biến phân lấy số gia đại lượng biểu thức (3.66), coi EĐ  0, phương trình (3.66) trở thành : E b  R b  Id   U d  R ­  Id   Ld d  Id  dt Thực biến đổi Laplace với điều kiện ban đầu 0, đồng thời đặt Te = Ld/Rd, Teu=Ld/Rb, Rd = Rb + R, ước lược bỏ ký hiệu "", ta được: 131 (3.67) Hình 3.46a vẽ sơ đồ cấu trúc trạng thái động phận mạch điện hệ thống mạch vịng điện áp, hàm số truyền phận mạch điện công thức (3.67),  hệ số phản hồi điện áp, Tou số thời gian lọc sóng cho trước lọc phản hồi điện áp Chuyển tương đương khâu lọc sóng vào phía mạch vịng, đồng thời tiến hành xử lý gần số thời gian thành phần, lấy Tu= +Tou, sơ đồ cấu trúc đơn giản hoá thành sơ đồ 3.46b Từ hình vẽ dễ dàng tìm hàm số truyền mạch vịng kín mạch vịng điện áp là: Wku (s)  Cho U d (s) Teu s   * u R d U u (s) s  Tu s  1 Tes  1   Teu s  1  K b R ­ thì: (3.68) 132 Đưa khâu ngồi mạch vịng điện áp vào vịng để xem xét, đối tượng điều khiển mạch vòng điều chỉnh dòng điện sau ghép vào mạch vòng điện áp biến thành: (3.69) Do Kb tỷ số điện áp chỉnh lưu điện áp điều khiển, mà  lại gần tỷ số điện áp điều khiển điện áp chỉnh lưu, nên 1/  Kb, Tu u có cấp thứ ngun, để khơng làm giảm độ nhanh nhậy hệ thống, đại lượng phải nhỏ nhiều Te Te Vì vậy, cơng thức lấy gần là: Id (s) Kb / R ­  * U u (s)  Tes  1 Tu s  1 Tu s  1 Đối tượng điều khiển mạch vòng dòng điện chưa đưa vào mạch vòng điện áp là: Kb / Rd  Tes  1 Tu s  1 Tu s  1 So sánh hai công thức ta thấy chúng khơng có sai khác chất Vì thế, mạch vịng điện áp mặt cải tạo đối tượng điều khiển khơng có khác biệt rõ nét Mạch vịng điện áp cịn có nhược điểm quan trọng là, tín hiệu phản hồi điện áp có nhiều sóng hài Đương nhiên, mặt chống nhiễu, mạch vịng điện áp có ưu điểm: dao động điện áp nguồn, mạch vòng điện áp điều khiển kịp thời so với mạch vòng dịng điện CÂU HỎI ƠN TẬP CHƯƠNG 3.1 Trình bày dạng đặc tính tốc độ - dịng điện lý tưởng dạng đặc tính tốc độ dịng điện hệ điều tốc động điện chiều có phản hồi âm tốc độ âm dịng điện có ngắt? 133 3.2 Tại phải sử dụng hệ điều tốc nhiều mạch vòng? 3.3 Cấu trúc trạng thái tĩnh hệ điều tốc động điện chiều hai mạch vịng (có phản hồi âm tốc độ âm dịng điện) điều chỉnh PI? Dạng đặc tính điện hệ thống? 3.4 Biểu thức xác định hệ số phản hồi hệ điều tốc hai mạch vòng? 3.5 Cấu trúc trạng thái động hệ điều tốc động điện chiều hai mạch vòng điều chỉnh PI? Nguyên lý trình khởi động hệ điều tốc hai mạch vịng? 3.6 Các đặc điểm trình khởi động hệ điều tốc động điện chiều hai mạch vịng? 3.7 Tính tác dụng điều chỉnh hệ điều tốc động điện chiều hai mạch vòng? 3.8 Các bước thiết kế kĩ thuật điều chỉnh hệ điều tốc động điện chiều hai mạch vịng? 3.9 Hệ điển hình loại I, quan hệ tham số tiêu chất lượng hệ? 3.10 Hệ điển hình loại II, quan hệ tham số tiêu chất lượng hệ? 3.11 Tại cần xử lý gần hàm số truyền đối tượng điều khiển tổng hợp điều chỉnh cho hệ điều tốc nhiều mạch vòng? Các phương pháp xử lý gần hàm số truyền thường áp dụng trường hợp nào? 3.12 Hàm số truyền hệ tối ưu mô đun tối ưu đối xứng? So sánh phương pháp tổng hợp theo hệ điển hình loại I, loại II tổng hợp hệ theo phương pháp tối ưu mô đun tối ưu đối xứng? 3.13 Cấu trúc trạng thái động hệ điều tốc động điện chiều hai mạch vòng điều chỉnh PI có thêm khâu lọc tín hiệu phản hồi tín hiệu đặt? Nguyên lý trình khởi động hệ điều tốc hai mạch vòng? 3.14 Thiết kế điều chỉnh dịng điện theo phương pháp hệ điển hình loại I? 3.15 Thiết kế điều chỉnh tốc độ theo phương pháp hệ điển hình loại II? 3.16 Tính chọn điều chỉnh dòng điện tốc độ theo phương pháp hệ điển hình cho hệ điều tốc có tham số sau: 134 Động có: Cơng suất định mức: Pđm = 1kW, điện áp định mức Uđm = 220V; dòng điện định mức Iđm = 5,7A; tổng điện trở mạch phần ứng (kể BBĐ cuộn kháng san phẳng) Rd = 5,2Ω; tổng điện cảm mạch phần ứng (kể BBĐ cuộn kháng san phẳng) Ld = 0,4H; GD2 = 0,105kgm2, mơ men qn tính máy sản xuất nối trục với động gấp lần mơ men qn tính động BBĐ dùng chỉnh lưu cầu pha có máy biến áp 3.17 Các loại hệ điều tốc động điện chiều ba mạch vòng? 135 ... BẢN CỦA HỆ ĐIỆN CƠ 1. 1 Khái niệm chung hệ điện 1. 1 .1 Khái niệm chung Hệ điện hệ thống dùng để biến đổi điện thành khống chế tự động Phần hệ điện hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện (ĐCTĐTĐĐ)...    F s  (1. 13) Dựa vào (1. 12) (1. 13) F(s) có dạng: F s   b0  b1.s1  b 2s   b ms m  a1.s1  a 2s   a n s n m  n (1. 14) Kết hợp biểu thức (1. 12), (1. 13) với (1. 14) ta rút ra:... Lư + Lkt + LL; 33 Lư - Điện cảm phần ứng; Lkt - Điện cảm kích từ; LL - Điện cảm lọc (nếu có); i? ?1 - Dịng điện phần ứng giai đoạn t1; iư2 - Dòng điện phần ứng giai đoạn t2; ? ?1, 2 tốc độ động tương