TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
KHÁI NIỆM CHUNG
1.1.1 Khái niệm Động cơ điện một chiều là loại máy điện biến điện năng dòng một chiều thành cơ năng Ở động cơ một chiều từ trường là từ trường không đổi Để tạo ra từ trường không đổi người ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện được cung cấp dòng điện một chiều Động cơ điện một chiều đƣợc phân loại theo kích từ thành những loại sau: Kích từ độc lập
Máy điện một chiều có công suất lớn nhất khoảng 5-10 MW, nhưng hiện tượng tia lửa ở cổ góp đã hạn chế khả năng tăng công suất Điện áp của máy một chiều thường dao động từ 120V đến 1000V, với các mức phổ biến là 240V, 400V và 500V Tuy nhiên, điện áp không thể tăng lên quá mức 1000V do giới hạn của các phiến góp là 35V.
1.1.2 Ƣu điểm của động cơ điện một chiều
Hệ thống điện xoay chiều mang lại nhiều ưu điểm như khả năng sản xuất và truyền tải hiệu quả, với cấu tạo đơn giản và công suất lớn, khiến máy phát và động cơ điện xoay chiều ngày càng phổ biến Tuy nhiên, động cơ điện một chiều vẫn giữ vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp giao thông vận tải và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục Mặc dù chi phí sản xuất động cơ điện một chiều cao hơn do sử dụng nhiều kim loại quý và cấu tạo phức tạp, nhưng những ưu điểm của nó, như khả năng điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải, giúp nó không thể thiếu trong sản xuất hiện đại Động cơ điện một chiều có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau, với cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản, mang lại chất lượng cao và độ chính xác trong điều chỉnh tốc độ.
Hiện nay, hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ dao động từ 75% đến 85%, trong khi động cơ công suất trung bình và lớn có hiệu suất từ 85% đến 94% Công suất tối đa của động cơ điện một chiều có thể đạt khoảng 100.000 kW với điện áp từ vài trăm đến 1000V Hướng phát triển hiện tại tập trung vào việc cải tiến vật liệu, nâng cao hiệu quả kinh tế và chế tạo các máy công suất lớn hơn Tuy nhiên, do kiến thức còn hạn chế, bài viết chỉ tập trung vào thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ có đảo chiều cho động cơ một chiều kích từ độc lập, với phương pháp được chọn là bộ băm xung, mặc dù đây chưa phải là phương pháp kinh tế nhất nhưng vẫn được áp dụng.
CẤU TẠO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Máy điện một chiều, giống như các loại máy điện quay khác, bao gồm hai phần chính: phần đứng im (stato) và phần quay (rô to) Chức năng của máy điện một chiều được chia thành hai phần: phần cảm (kích từ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng) Điểm khác biệt so với máy điện đồng bộ là phần cảm luôn nằm ở phần tĩnh, trong khi phần ứng nằm ở rôto Hình 1.2 minh họa cấu tạo của động cơ điện một chiều với các bộ phận chính.
Stato máy điện một chiều là phần cảm, nơi tạo ra từ thông chính của máy Stato gồm các chi tiết sau:
Máy điện một chiều bao gồm các thành phần quan trọng như thép, cực chính với cuộn kích từ, cực phụ với cuộn dây, hộp ổ bi, lõi thép, cuộn phần ứng, thiết bị chổi, cổ góp, trục và nắp hộp đấu dây Những bộ phận này đóng vai trò thiết yếu trong việc hoạt động hiệu quả của máy.
Hình 1.2.1 Cấu tạo các cực của máy điện một chiều a)Cực chính, b)Cực phụ a) b)
Hình 1.2.1a mô tả một cực chính với lõi cực 2 được làm từ các lá thép điện kỹ thuật ghép lại, trong khi mặt cực 4 giúp từ thông dễ dàng đi qua khe khí Cuộn dây kích từ 3 được đặt trên lõi cực, cách điện với thân cực nhờ khuôn cuộn dây cách điện Cuộn dây này được làm từ dây đồng có tiết diện tròn và được tẩm sơn cách điện để chống thấm nước cũng như tăng cường độ dẫn nhiệt Để cải thiện khả năng tản nhiệt, cuộn dây được chia thành nhiều lớp, giữa các lớp có rãnh làm mát.
Cực phụ nằm giữa các cực chính và thường có số lượng bằng với số cực chính Lõi thép của cực phụ thường được làm từ bột thép ghép lại, và trong các máy có tải thay đổi, lõi thép cực phụ cũng được ghép bằng các lá thép Cuộn dây 3 được đặt trên lõi thép 2, trong khi khe khí ở cực phụ lớn hơn khe khí ở cực chính.
Thân máy được chế tạo từ gang hoặc thép, với cực chính và cực phụ được gắn chặt vào thân Tùy thuộc vào công suất, thân máy có thể có hoặc không có hộp ổ bi; đối với máy công suất lớn, hộp ổ bi thường được thiết kế rời khỏi thân máy Thân máy cũng được kết nối với chân máy, trong khi vỏ máy được trang bị bảng định mức hiển thị các thông số kỹ thuật quan trọng.
Công suất định mức P đm
Tốc độ định mức n đm Điện áp định mức U đm
Dòng điện định mức I đm
Dòng kích từ định mức I ktđm
Rôto của máy điện một chiều là phần ứng, thường được sử dụng là loại rôto hình trống với răng ghép từ các lá thép điện kỹ thuật Đối với những máy có công suất lớn, thiết kế còn bao gồm các rãnh làm mát theo bán kính, với các lá thép được ghép thành từng tệp và cách nhau bằng các rãnh làm mát.
Cuộn dây rôto là một cuộn dây khép kín, với mỗi cạnh được kết nối với phiến góp Các phiến góp này được cách điện với nhau và với trục, tạo thành một cổ góp Chất liệu của phiến góp là đồng, mang lại độ dẫn điện tốt, độ bền cơ học cao và khả năng chống mài mòn.
F Thiết bị chổi Để đƣa dòng điện ra ngoài phải dùng thiết bị chổi gồm: chổi than đƣợc làm bằng than granit vừa đảm bảo độ dẫn điện tốt vừa có khả năng chống mài
Hình 1.2.2.Kích thước ngang của cổ góp
1-Phiến góp,2-Ép vỏ ,3-cách điện, 4- phiến cách điện,5-ống cổ góp,6-chổi
2 mòn, bộ giữ chổi đƣợc làm bằng kim loại gắn vào stato, có lò so tạo áp lực chổi và các thiết bị phụ khác.
PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ
Khi máy điện một chiều đã kích từ được kết nối vào lưới điện, dòng điện sẽ chạy trong cuộn phần ứng và tương tác với từ trường, tạo ra lực và mômen điện từ khiến rôto quay với tốc độ n Trong cuộn dây, sẽ xuất hiện sđđ cảm ứng E ư = Ce n, và trong chế độ quá độ, khi n và dòng Iư thay đổi, ta có phương trình liên quan.
Hình 1.2.3 mô tả thiết bị chổi bao gồm các thành phần quan trọng như thanh giữ chổi, thiết bị giữ chổi, ốc vít, dây dẫn, cách điện, giữ chổi, chổi, lò xo, đòn gánh, dây dẫn điện ra và ốc giữ chổi Các bộ phận này đảm bảo chức năng hoạt động hiệu quả của thiết bị chổi.
U - - - Ở chế độ ổn định (n = const, I ƣ = const) ta có:
ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.4.1 Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập và song song Đặc tính cơ là mối quan hệ hàm giữa tốc độ và mômen điện từ n = f(M) khi Ikt = const
Dòng kích từ đƣợc xác định bằng:
I U kt kt kt và = K 1 i kt e t e C
I C n U - Rút I ƣ thay vào ta đƣợc:
Hình 1.4.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song: a)Sơ đồ, b)Đặc tính cơ
Do I kt = const nên = const ta được phương trình: n = n0 – BM
C e n 0 U gọi là tốc độ không tải, còn 2 m e t
Về mặt toán học, đây là một đường thẳng, nhưng trong máy điện, tính chất của máy còn bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng vật lý Khi tải tăng, phản ứng phần ứng làm giảm từ thông chính của máy, dẫn đến việc đặc tính cơ bị biến dạng Nếu động cơ có điện trở điều chỉnh ở mạch phần ứng, giá trị của hằng số sẽ thay đổi.
1.4.2 Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp Đó là mối quan hệ n = f(M) với U = U đm , R đc = const Sơ đồ động cơ kích từ nói tiếp biểu diễn trên hình 1.4.2
Hình 1.4.2 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: a)Sơ đồ, b)Đặc tính cơ
Trong máy kích từ nối tiếp I kt = Iƣ
Ta xét 2 trường hợp: a Khi 0 < Iư < Iđm – máy chưa bão hoà, trong trường hợp này ta có = KIư Vậy M = C m KIƣIƣ = CmIƣ 2 do đó:
Thay vào biểu thức (14.6) ta có: n = C KC M
Trong phạm vi dòng tải nhỏ hơn hoặc bằng dòng định mức, đặc tính của máy có dạng hyperbol Khi dòng tải Iư lớn hơn dòng định mức Iđm, máy sẽ bị bão hòa và đặc tính cơ không còn trùng với đường hyperbol Sự thay đổi tốc độ bình thường của động cơ nối tiếp được xác định theo biểu thức: n đm = dm dm n n n' 100%.
Trong đó n’-tốc độ quay của động cơ khi tải thay đổi từ định mức tới 25%
Động cơ kích từ nối tiếp không có tốc độ không tải, dẫn đến việc tốc độ tăng đột ngột khi tải giảm quá mức Do đó, không nên để động cơ nối tiếp hoạt động ở chế độ không tải, và trong thực tế, việc cho động cơ nối tiếp chạy bằng dây cu-roa là không được phép.
1.4.3 Đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp Động cơ gồm 2 cuộn kích từ: cuộn nối tiếp và cuộn song song Đặc tính cơ của động cơ này giống nhƣ đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp hoặc song song phục thuộc vào cuộn kích từ nào giữ vai trò quyết định Ở động cơ nối thuận, stđ của 2 cuộn dây cùng chiều nhƣng giữ vai trò chủ yếu là cuộn song song So sánh đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp với nối tiếp ta thấy ở động cơ kích từ hỗn hợp có tốc độ không tải (kho không tải từ thông nối tiếp bằng không nhƣng từ thông kích từ song song khác khác không nên có tốc độ không tải) khi dòng tải tăng lên, từ thông cuộn nối tiếp tác động, đặc tính cơ mang tính chất động cơ nối tiếp Trên hình 14.4b biểu diễn đặc tính n=f(I) của động cơ kích từ song song (đường 1), của động cơ kích từ nối tiếp (đường 2), của động cơ kích từ hỗn hợp nối thuận (đường 3) và đặc tính của động cơ kích từ nối tiếp nối ngược (đường 4) để chúng ta dễ so sánh Còn hình 14.4c là đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp
Hình 1.4.3 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: a)Sơ đồ, b,c) Đặc tính cơ n0 b )
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU & MỘT SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU TIÊU BIỂU
KHÁI NIỆM CHUNG
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều rất quan trọng, vì chúng giúp lựa chọn phương pháp phù hợp cho từng hệ thống cụ thể.
Động cơ điện một chiều nổi bật với khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt, vượt trội hơn hẳn so với các loại động cơ khác Cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển của nó đơn giản, giúp đạt được chất lượng điều chỉnh cao trong một dải tốc độ rộng.
Có hai phương pháp chính để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều: một là điều chỉnh điện áp cung cấp cho phần ứng của động cơ, hai là điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ.
Cấu trúc phần lực trong hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều luôn cần bộ biến đổi, cung cấp cho mạch phần ứng hoặc mạch kích từ của động cơ Hiện nay, trong ngành công nghiệp, có bốn loại bộ biến đổi chính được sử dụng.
Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo một máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại (KĐM)
Bộ biến đổi điện từ: Khuyếch đại từ (KĐT)
Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu tiristo (CLT)
Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA)
Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động nhƣ:
Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ)
Hệ truyền động máy điện khuyếch đại - động cơ (MĐkĐ-Đ)
Hệ truyền động khuyếch đại từ - động cơ (KĐT-Đ)
Hệ truyền động chỉnh lưu tiristo - động cơ (T-Đ)
Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA-Đ)
Theo cấu trúc mạch điều khiển, hệ truyền động một chiều có hai loại: điều khiển mạch kín (hệ truyền động tự động) và điều khiển mạch hở (hệ truyền động hở) Hệ điều chỉnh tự động có cấu trúc phức tạp nhưng mang lại chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động hở.
Các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều được phân loại thành hai loại: có đảo chiều quay và không đảo chiều quay Tùy thuộc vào phương pháp hãm và đảo chiều, truyền động có thể hoạt động ở một góc phần tư, hai góc phần tư, hoặc bốn góc phần tư.
CÁC PHƯƠNG PHÁP CỤ THỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Ta rút ra được các phương pháp điều chỉnh tốc độ :
Thay đổi điện áp nguồn nạp
Thay đổi điện trở mạch rôto
2.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển… Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lƣợng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong R b và điện cảm L b khác không Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:
Hình 2.2.1.1 Sơ đồ và sơ đồ thay thế ở chế độ xỏc lập
Với từ thông của động cơ được giữ không đổi, độ cứng đặc tính cơ cũng không thay đổi, trong khi tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào điện áp điều khiển U đk của hệ thống Phương pháp điều chỉnh này được coi là triệt để Tốc độ lớn nhất của hệ thống bị giới hạn bởi đặc tính cơ bản, tương ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng ở giá trị định mức Ngược lại, tốc độ nhỏ nhất trong dải điều chỉnh bị hạn chế bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động Khi mômen tải ở mức định mức, các giá trị tốc độ lớn nhất và nhỏ nhất được xác định là: đm max o max.
Hình 2.2.1.2 Xác định phạm vi điều chỉnh Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là:
Hệ số quá tải về mômen (KM) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đặc tính cơ của vật liệu Đặc điểm cơ của chúng được thể hiện qua các đường thẳng song song, cho phép chúng ta áp dụng định nghĩa về độ cứng trong phân tích đặc tính cơ.
1 1 m in m in M dm dm nm M K
Với một cơ cấu máy cụ thể, các giá trị 0max, Mđm, và KM là cố định, do đó phạm vi điều chỉnh D tỷ lệ thuận với độ cứng Khi điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ thông qua thiết bị nguồn điều chỉnh, điện trở tổng mạch phần ứng thường gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng của động cơ, từ đó cho phép tính toán sơ bộ các thông số cần thiết.
Tải có đặc tính mômen không đổi giới hạn phạm vi điều chỉnh tốc độ cứng không vượt quá 10 Đối với các máy yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác trong việc duy trì tốc độ làm việc, việc sử dụng hệ thống “hở” như trên là không đáp ứng được.
Trong phạm vi phụ tải cho phép, đặc tính cơ tĩnh của hệ truyền động một chiều kích từ độc lập được coi là tuyến tính Khi điều chỉnh điện áp phần ứng, độ cứng cơ trong toàn dải là như nhau, dẫn đến độ sụt tốc tương đối đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất Nếu sai số tốc độ tại đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá giá trị cho phép, hệ truyền động sẽ duy trì sai số nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất được xác định bởi công thức m in m in m in m in o o s o cp o dm s s M.
Để tính giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ mà không vượt quá sai số cho phép, cần xác định các giá trị M đm, 0min và s cp Trong hầu hết các trường hợp, việc này yêu cầu xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòng kín.
Trong quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng, từ thông kích từ được giữ nguyên, dẫn đến mômen tải cho phép của hệ thống không thay đổi.
Phạm vi điều chỉnh tốc độ và momen nằm trong hình chữ nhật được xác định bởi các đường thẳng đm, M= Mđm và các trục tọa độ Tổn hao năng lượng chủ yếu xảy ra trong mạch phần ứng, nếu không tính đến các tổn hao không đổi trong hệ thống.
Nếu đặt R ƣ + Rƣđ = R thì hiệu suất biến đổi năng lƣợng của hệ sẽ là:
Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mômen do động cơ sinh ra đúng bằng mômen tải trờn trục:
M * = M c * và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là M c = ( * ) x thì:
Hình 2.2.1.3 thể hiện mối quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ làm việc trong các trường hợp tải khác nhau Việc điều chỉnh tốc độ thông qua thay đổi điện áp phần ứng là phương pháp phù hợp khi mômen tải giữ cố định trong toàn bộ dải điều chỉnh Ngoài ra, cần lưu ý rằng việc nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ thống.
2.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Khi M và U giữ cố định, và dòng kích từ thay đổi, thì n sẽ tăng lên Thực tế, khi giảm từ thông, dòng điện ở rôto sẽ tăng, nhưng sự thay đổi tử số trong biểu thức (14.9) không đáng kể, vì độ giảm điện áp ở Rt chỉ chiếm một phần nhỏ so với điện áp U.
Khi từ thông giảm, tốc độ động cơ sẽ tăng, nhưng nếu tiếp tục giảm dòng kích từ, đến một lúc nào đó tốc độ sẽ không còn tăng nữa do mômen điện từ của động cơ cũng giảm Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông chỉ hiệu quả trong phạm vi mà tốc độ còn tăng khi từ thông giảm Ưu điểm của phương pháp này là cho phép điều chỉnh tốc độ theo chiều tăng từ tốc độ định mức, có phạm vi điều chỉnh rộng, tổn hao điều chỉnh nhỏ, dễ thực hiện và kinh tế.
Nhược điểm: Không điều chỉnh được tốc độ ở dưới tốc độ định mức
Phương pháp điều chỉnh tốc độ thông qua việc thay đổi từ mang lại nhiều ưu điểm và có thể kết hợp hiệu quả với các phương pháp khác để mở rộng phạm vi điều chỉnh.
Lưu ý rằng không được giảm dòng kích từ xuống giá trị không, vì điều này có thể làm cho máy chỉ còn từ dư, dẫn đến tốc độ tăng quá lớn và gây nguy hiểm cho các cấu trúc cơ khí của động cơ Thông thường, bộ điện trở điều chỉnh được thiết kế để đảm bảo rằng mạch từ không bao giờ bị hở.
Hình 2.2.2 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi từ thông
2.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ R f trên mạch phần ứng
Khi ký hiệu n = M(R t + Rđc), với M là hằng số, việc thay đổi Rđc sẽ ảnh hưởng đến n (độ giảm tốc độ), tức là thay đổi tốc độ động cơ Hình 2.2.3 minh họa đặc tính cơ của phương pháp điều chỉnh tốc độ thông qua việc thay đổi điện trở rôto.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở mạch phần ứng có những ƣu khuyết điểm sau:
Dễ thực hiện, vốn đầu tư ít, điều chỉnh tương đối láng
MỘT SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU TIÊU BIỂU
2.3.1 Hệ truyền động Máy phát – Động cơ (F - Đ). Để tăng phạm vi điều chỉnh tốc độ, người ta dùng hệ thống máy phát động cơ điện một chiều ( hình 3.1 )
Trong hệ thống này, cả máy phát và động cơ đều là máy điện một chiều với kích từ độc lập Để điều chỉnh tốc độ, có thể áp dụng các phương pháp như thay đổi điện áp nguồn nạp, điều chỉnh điện trở mạch rôto của động cơ, và thay đổi từ thông kích từ của động cơ Hệ thống này cung cấp phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, cho phép điều chỉnh cả hai chiều tăng và giảm với độ chính xác cao.
Hình 2.3.1 Hệ trống truyền động điện máy phát-động cơ a) Sơ đồ, b)Đặc tính cơ khi thay đổi tốc độ
Việc sử dụng máy điện một chiều đòi hỏi đầu tư lớn cho hệ thống truyền động, do đó chỉ áp dụng ở những khu vực cần thiết theo tiêu chuẩn chất lượng Hiện nay, máy phát điện một chiều đã được thay thế bằng bộ chỉnh lưu, dẫn đến sự xuất hiện của hệ thống van-động cơ Hệ thống này được cấp điện từ nguồn xoay chiều, mang lại tính chất tương tự như máy phát động cơ nhưng với chi phí thấp hơn và độ tin cậy cao hơn.
2.3.2 Hệ truyền động Van tiristor – Động cơ(T – Đ)
Hình 2.3.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ T – Đ
Bộ biến đổi van Tiristor là nguồn điện áp một chiều, chuyển đổi trực tiếp dòng xoay chiều thành dòng điện một chiều Việc điều chỉnh điện áp đầu ra được thực hiện thông qua việc điều chỉnh góc mở α của van, giúp kiểm soát điện áp chỉnh lưu hiệu quả.
Điện áp không tải ở đầu ra (Ud0) có dạng đập mạch với tần số đập mạch n trong một chu kỳ 2π của điện áp sơ cấp máy biến áp lực Một bộ biến đổi van thường bao gồm các thành phần như máy biến áp lực, tổ van, kháng lọc, thiết bị bảo vệ và thiết bị điều khiển.
Sơ đồ thay thế có dạng sau:
Hình 3.2.2: Sơ đồ thay thế chỉnh lưu Tiristor – Động cơ một chiều
Khi van dẫn ta có phương trình:
Hệ (T-Đ) có nhiều ưu điểm nổi bật như tác động nhanh, tổn thất năng lượng thấp, kích thước và trọng lượng nhỏ gọn, không gây ồn, và dễ dàng tự động hóa Việc sử dụng các van bán dẫn với hệ số khuếch đại lớn giúp thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng, từ đó nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và động của hệ thống.
Các van bán dẫn có tính phi tuyến dẫn đến điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, nhưng khả năng linh hoạt và chuyển trạng thái làm việc kém Chúng cũng gặp khó khăn trong việc chịu tải về dòng và áp, dẫn đến chất lượng điện áp ra không cao, tổn thất phụ lớn, và làm xấu hiện tượng chuyển mạch trên cổ góp.
Khắc phục: Thiết kế truyền động van cố gắng làm ngắn vùng gián đoạn bằng cách nối kháng lọc, tăng số lần đập mạch, nối van đệm
2.3.3 Hệ truyền động Xung áp – Động cơ (XA - Đ)
2.3.3.1 Nguyên lý bộ băm xung một chiều
Bộ băm điện áp một chiều chuyển đổi nguồn điện một chiều U s thành điện áp tải U ra, cũng là điện áp một chiều nhưng có khả năng điều chỉnh.
Ura là một dãy xung vuông lý tưởng với độ rộng t1 và độ nghỉ t2, trong đó điện áp ra được tính bằng giá trị trung bình của điện áp xung: Ura = γ Us (γ=t1/T) Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là điều chỉnh hệ số γ thông qua việc đóng mở các van bán dẫn công suất theo chu kỳ, nhằm thay đổi giá trị điện áp trung bình trên tải.
2.3.3.2 Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra
Có 3 phương pháp điều chỉnh điện áp ra: a) Phương pháp thay đổi độ rộng xung:
Hình 2.3.3 sơ đồ khối và đồ thị điện áp ra
BBĐ điện áp một chiều
Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
T t 1 là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ
Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của U ra là rộng (0 < 1) b) Phương pháp xung - tần:
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1=const Khi đó:
Vậy Ura=US khi t 1 f 1 và Ura=0 khi f=0 c) Phương pháp xung - thời gian:
Phương pháp biến đổi độ rộng xung là một kỹ thuật phổ biến trong thực tế, nhờ vào sự đơn giản và không yêu cầu thiết bị biến tần đi kèm Đồng thời, việc thay đổi độ rộng xung và tần số được thực hiện theo nguyên tắc giữ I min.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI
LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ
Hệ logic mờ được áp dụng khi kiến thức về đối tượng còn hạn chế hoặc không có Việc xây dựng hệ logic mờ dựa trên kinh nghiệm điều khiển hệ thống mang lại nhiều lợi ích Một trong những ưu điểm nổi bật của bộ điều khiển mờ là tính đơn giản trong thiết kế và cài đặt.
3.1.1 Khái quát về logic mờ - Fuzzy Logic Điều khiển mờ là ngành kỹ thuật do nhà toán học người Mỹ Zahde định hướng phát triển vào thập niên 60 của thế kỷ trước Khi đó Zahde chỉ đưa ra lý thuyết tập mờ nhằm thay thế, đơn giản hóa các khái niệm đầy tính lý thuyết của xác suất, của quá trình ngẫu nhiên
Ngày nay, lý thuyết điều khiển đang phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Các phương pháp điều khiển truyền thống yêu cầu hiểu biết sâu sắc về bản chất của đối tượng cần điều khiển thông qua mô hình toán học, thường là các phương trình phức tạp và phi tuyến Tuy nhiên, trong môi trường có nhiều yếu tố gây nhiễu, việc xác định đặc tính của đối tượng điều khiển trở nên khó khăn Những đối tượng phức tạp này thường vượt quá khả năng của các phương pháp điều khiển truyền thống, dẫn đến việc phải dựa vào khả năng xử lý tình huống của con người và thiết kế thiết bị điều khiển bằng tay Khả năng của con người trong việc điều khiển các quá trình này cho thấy rằng chúng đã được mô phỏng đúng đắn trong tâm trí của kỹ sư thiết kế hệ thống Do đó, mối quan hệ trong các quá trình điều khiển không chỉ được biểu thị bằng mô hình toán học mà còn bằng mô hình ngôn ngữ, với thông tin không chính xác và không chắc chắn, hay còn gọi là thông tin "mờ" Đây chính là nền tảng cho sự ra đời của lý thuyết mờ hiện đại.
Trong nhiều bài toán điều khiển, khi đối tượng không thể được mô tả bằng mô hình toán học hoặc mô hình quá phức tạp và cồng kềnh, điều khiển mờ trở nên ưu việt Ngay cả trong các bài toán thành công theo nguyên tắc kinh điển, việc áp dụng điều khiển mờ vẫn giúp cải thiện tính đơn giản và gọn nhẹ của hệ thống.
Một số ưu điểm của phương pháp điều khiển mờ:
Dựa trên thông tin quan sát được từ các đối tượng điều khiển, việc mô hình hóa toán học không cần phải hiểu bản chất như trong lý thuyết điều khiển truyền thống.
Miền ứng dụng rộng lớn, đa dạng
Việc giảm khối lượng công việc thiết kế nhờ không sử dụng mô hình đối tượng giúp giảm thiểu tính toán, tiết kiệm thời gian thiết kế và hạ giá thành sản phẩm Ứng dụng này có tính linh hoạt cao và được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, cho phép dễ dàng thay đổi phần lập trình.
Trong hầu hết các trường hợp, bộ điều khiển mờ làm việc ổn định, bền vững và có chất lƣợng điều khiển tốt
3.1.2 Một số khái niệm về tập mờ - Bộ điều khiển mờ
3.1.2.1 Tập mờ - Các khái niệm xoay quanh tập mờ
Tập mờ A xác định trên tập kinh điển X (tập nền) là một tập hợp mà mỗi phần tử của nó là các cặp giá trị (x,
A x là hàm liên thuộc (hoặc hàm phụ thuộc) của tập mờ A
Tập kinh điển X đƣợc gọi là tập nền (hay vũ trụ) của tập mờ A
Độ cao của tập mờ Độ cao của một tập mờ A (định nghĩa trên tập nền X) là giá trị h= Sup
(x) chỉ giá trị nhỏ nhất trong tất cả các giá trị chặn trên của x X
Nếu h=1, tức là một tập mờ với ít nhất một phần tử có độ phụ thuộc bằng
1 đƣợc gọi là tập mờ chính tắc
Ngƣợc lại, nếu h