31 Vì biên độ xung ra là E, một đại lượng cố định, nên bằng cách điều chỉnh A r ta điều chỉnh được điện áp ra trên tải. a. Điều biến độ rộng xung đơn cực: Trên hình 2.5 trình bày giản đồ điều biến độ rộng xung đơn cực, một pha, tải R + L. Sơ đồ hoạt động như sau: Hình 2.5 Giản đồ điều biến độ rộng xung đơn cực Transitor T 1 được kích bởi xung điều khiển trong nửa chu kỳ dương của sóng điều biến u p , còn transitor T 4 trong nửa chu kỳ âm của u r . Dòng tải i chậm pha so với điện áp tải u. Trong khoảng u và i cùng dấu, dòng tải chạy từ nguồn E ra tải qua 2 transitor. Trong khoảng u và i khác dấu, dòng tải chạy về nguồn E qua 2 điot. 32 Trong khoảng u = 0, dòng tải chạy qua một transitor của nhánh này và một điot của nhánh khác, tải bị ngắn mạch, dòng điện nguồn i s = 0. Sóng hài trong điện áp tải Nếu chuyển gốc toạ độ sang O’ , điện áp tải u là một hàm chu kỳ, lẻ. Khai triển Fourier của nó chỉ chứa các thành phần sóng sin. Biên độ của sóng hài được tính theo công thức: U nm = () π 0 2 E α sinθdθ π ∫ (2.11) Khi n = 1, ta có: U 1m = 53 24 1 13 5 4 2 π-απ-α αα π-α αα α π-απ-α 2E sinθdθ +sinθdθ +sinθdθ +sinθdθ +sinθdθ π ⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥ ⎣⎦ ∫∫ ∫ ∫ ∫ = [] 12 34 5 4E cosα -cosα +cosα -cosα +cosα π U 2m ≈ 0 Khi n = 3, ta có: U 3m = () () () ()() 53 1 24 13 5 4 2 3 π-α 3 π-α 3 π-α 3α 3α 3α 3α 3α 3 π -α 3 π-α 2E sinΩdΩ +sinΩdΩ +sinΩdΩ +sinΩdΩ +sinΩdΩ π ⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥ ⎣⎦ ∫∫ ∫ ∫ ∫ = [] 12 34 5 4E cos3α -cos3α +cos3α -cos3α +cos3α π Biên độ của các sóng hài có dạng tổng quát như sau: U nm = () i-1 1 1 k 4E -1 cosnα nπ ∑ trong đó n = 1, 3, 5, … α 1 là góc chuyển trạng thái, i biến thiên từ 1 đến k. α k là góc trạng thái cuối cùng trước π/2. Như vậy, đối với điều biến độ rộng xung đơn cực, để da tải không chứa các sóng hài bậc 3,5 và 7 cần phải có: 33 U 3m = () i-1 k i i=1 4E -1 cos3α =0 3π ∑ , U 5m = () i-1 k i i=1 4E -1 cosα =0 5π ∑ , U 7m = () i-1 k i i=1 4E -1 cosα =0 7π ∑ b. Điều biến độ rộng xung lưỡng cực Trên hình 2.6 trình bày giản đồ điều biến độ rộng xung lưỡng cực với tải L + R. Hình 2.6 Giản đồ điều biến độ rộng xung lưỡng cực Tỉ số điểu biến M > 1. Các transitor được điều khiển từng cặp T 1 , T 3 và T 2 , T 4 . Nguồn E luôn luôn được nối với tải thông qua hoặc T 1 , T 3 , hoặc T 2 , T 4 , do đó điện áp tải gồm một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, không có những khoảng u = 0. Sóng hài trong điện áp tải 34 Nếu chuyển gốc toạ độ sang O’, dễ thấy rằng điện áp tải có dạng hàm chu kỳ, lẻ, chỉ chứa các thành phần sin. Biên độ sóng hài được tính theo công thức (2.11): U 1m = 22 2 1 12 2 1 αα π-απ-α π 0 ααπ-απ-α 2E sinθdθ -sinθdθ +sinθdθ -sinθdθ +sinθdθ π ⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥ ⎣⎦ ∫∫ ∫ ∫ ∫ [] 12 4E =1-2cosα +2cosα π U 2m = 0 [] 3m 1 2 4E U 1 2cos3 2cos3 3 =−α+α π Biểu thức tổng quát của biên độ sóng hài của điều biến độ rộng xung lưỡng cực: () k i1 nm i i1 4E U121cos n − = ⎡⎤ =−− α ⎢⎥ π ⎣⎦ ∑ khi u bắt đầu bằng một xung dương () k i-1 nm i i=1 4E U = -1+ 2 -1 cosα nπ ⎡⎤ ⎢⎥ ⎣⎦ ∑ khi u bắt đầu bằng một xung âm. Đối với trường hợp đang xét, muốn loại trừ sóng hài bậc 3 và 5 cần phải có: 1-2cos 3α 1 + 2cos 3α 2 = 0 1-2cos 5α 1 + 2cos 5α 2 = 0 Bằng phương pháp tính gần đúng tìm được α 1 = 23 o 616, α 2 = 33 o 3. Như vậy, điện áp ra chỉ chứa sóng cơ bản và các sóng hài bậc cao 7, 9, 11… Có thể xem: 4E u= sinωt π Nghịch lưu điện áp khi làm việc với tải có tính chất dung kháng, điện áp tăng vọt ở đầu ra của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp (lúc thay đổi cực 35 tính điện áp trên tải) làm xuất hiện dòng điện xung rất lớn (về lý thuyết là vô cùng). Khi làm việc với tải có tính chất cảm kháng hay động cơ điện xoay chiều, đặc tính của nghịch lưu độc lập điện áp gần đạt đến đặc tính lý tưởng. Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp dùng khoá điện tử có khả năng làm việc v ới phụ tải dung kháng (dòng điện vượt pha trước điện áp), chẳng hạn ở động cơ điện một chiều không vành góp. Trong trường hợp này, khi có sự tăng vọt của dòng điện thì việc chuyển mạch dòng điện giữa các van giới hạn bởi các thông số của phụ tải và tuỳ theo tốc độ tăng trưởng của dòng điện trong khoá điện t ử. Sự làm việc tin cậy này của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp chỉ có thể đạt được trong trường hợp dùng chuyển mạch cưỡng bức. Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp được đặc trưng đơn trị với sự phụ thuộc của điện áp đầu ra vào điện áp đầu vào và thực sự không phụ thuộc vào sự thay đổi của phụ tải và hệ số công suất của nó. Đó là ưu điểm nổi bật của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp khi làm việc với động cơ điện xoay chiều và làm cho việc sử dụng bộ biến tần khoá điện tử dùng nghịch lưu độc lập nguồn điện áp tốt hơn trong các hệ th ống hở điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều và khi cung cấp cho nhóm động cơ. Khi chuyển động cơ được cấp từ bộ biến tần khoá điện tử dùng nghịch lưu độc lập nguồn điện áp sang chế độ máy phát, chiều dòng điện ở đầu vào của nghịch lưu độc lập nguồn điệ n áp thay đổi (nếu đầu ra của bộ chỉnh lưu ngược được nối với đầu vào của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp), nhưng không làm thay đổi cực tính của điện áp của khâu dòng điện một chiều. Tuy nhiên dòng điện qua chỉnh lưu cấp cho nghịch lưu không biến đổi chiều. Do vậy không thể thực hiện việc truyền năng l ượng đã có vào mạng, và năng lượng được tạo ra bởi máy điện xoay chiều sẽ được tích luỹ vào khâu dòng điện một chiều, trong bộ lọc dùng tụ điện. Trên cơ sở về lý thuyết biến tần thì ta có sơ đồ cấu trúc của hệ biến tần động cơ được biểu diễn trên Hình 2.4. 36 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc tổng quan về hệ biến tần động cơ Nguyên lý hoạt động của biến tần áp một pha: nguồn điện được cấp từ phía sơ cấp của máy biến áp có tần số f 1 sau đó qua máy biến áp có điện áp thứ cấp u 2 . Dòng điện xoay chiều qua bộ chỉnh lưu cầu để tạo ra dòng điện một chiều. Tụ C có tác dụng lọc nhằm giảm độ đập mạch của điện áp sau khi chỉnh lưu. Sau đó dòng điện một chiều được đưa qua bộ nghịch lưu, tại đây dòng điện một chiều được biến thành dòng điện xoay chiều có tần số f 2 . Tần số f 2 thay đổi phụ thuộc vào quá trình đóng, mở của các transitor của mạch nghịch lưu. Việc đóng, mở của các transitor được thực hiện bởi mạch điều khiển. Mạch điều khiển này nhận tín hiệu từ bộ vi xử lý đã được lập trình theo một thuật toán nhất định. 2.2 Xây dựng luật điều khiển Việc điều khiển tần số của động cơ được thực hiện nhờ mạch nghịch lưu. Tần số của dòng điện đưa vào động cơ chính là tần số đóng mở của hai cặp Transitor trong mạch nghịch lưu. Quá trình đóng mở hai cặp transitor này được thực hiện nhờ mạch điều khiển. Mạch điều khiển này và mạ ch lực của bộ biến tần tạo thành bộ điều chỉnh của hệ ổn định tốc độ động cơ. Việc tổng hợp hệ thống điều chỉnh sẽ được trình bày ở trong chương 3. 37 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY BẰNG BIẾN TẦN ÁP MỘT PHA Khi nói đến hệ thống điều chỉnh tự động, người ta thường quan tâm đến ba vấn đề: Đối tượng điều khiển, phương pháp điều khiển và thiết bị điều khiển. Đối tượng điều khiển là động cơ không đồng bộ một pha, phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổ i tần số nguồn cung cấp là phương pháp điều khiển. Còn các bộ biến tần và các thiết bị phụ khác là thiết bị điều khiển. 3.1 Hệ thống điều khiển mạch vòng kín Hệ thống điều khiển mạch vòng kín được sử dụng rất rộng rãi trong dân dụng cũng như trong công nghiệp. Trong dân dụng chúng ta gặp các hệ thống ổn định nhiệt độ bàn là, tủ lạnh… Trong kỹ thuật chúng là những hệ thống ổn địnhnhiệt độ trong các lò nung, lưu lượng trong các đường ống dẫn, điện áp ra của máy phát điện…Sơ đồ nguyên lý của hệ thố ng điều khiển mạch vòng kín ổn định tốc độ được biểu diễn trên Hình 3.1 Hình 3.1 Mạch vòng ổn định tốc độ ĐTĐK là đối tượng điều khiển TBĐK là thiết bị điều khiển u là tín hiệu đặt đầu vào y là tín hiệu đầu ra e là sai lệch u đk là tín hiệu điều khiển 38 Tốc độ làm việc do công nghệ yêu cầu và được gọi là tốc độ đặt, hay tốc độ mong muốn. Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực so với tốc độ đặt. Khi có tín hiệu đầu vào u đặt ở đầu vào thì ở đầu ra sẽ có tín hiệu đầu ra là y, nhờ có cảm biến đo tốc độ mà tín hiệu đầu ra được phản hồi trở lại và nhờ có khâu so sánh ta biết được đầu ra có thoả mãn được yêu cầu của đầu vào không. Khi có sự sai lệch thì khâu so sánh sẽ đưa ra tín hiệu sai lệch và thiết bị điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển u đk để điều khiển đối tượng điều khiển nhằm đảm bảo tín hiệu đầu ra luôn thoả mãn yêu cầu của đầu vào. 3.2 Cảm biến tốc độ Một công việc rất quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động là đo được các thông số của hệ thống. Việc đo này được tiến hành bởi các cảm biến. Để đo tốc độ động cơ ta dùng cảm biến tốc độ. Việc đo tốc độ động cơ từ trước cho tới nay có rất nhiều phương pháp khác nhau và mỗi một phươ ng pháp có các ưu điểm và nhược khác nhau. Phương pháp đo tốc độ theo nguyên lý điện từ Các cảm biến theo nguyên lý này dựa trên định luật Faraday: d e=- dt φ (3.1) Với e là suất điện động xuất hiện khi từ thông thay đổi một lượng dΦ trong khoảng thời gian dt. Từ thông đi qua một mạch là một hàm số có dạng: Φ(x) =Φ o (x).F(x) (3.2) Trong đó x là biến số của vị trí thay đổi theo đường thẳng hoặc vị trí theo góc quay. Mọi sự thay đổi giữa nguồn từ thông ( phần cảm) và mạch có từ thông đi qua (phần ứng) sẽ làm suất hiện trong mạch một suất điện động có biên độ 39 tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển. Suất điện động này chứa đựng tín hiệu trong nó tín hiệu ra của cảm biến. o dF(x) dx e=- dx dt φ (3.3) Các loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý này đặc trưng là tốc độ kế một chiều (máy phát tốc), tốc độ kế xoay chiều (máy phát đồng bộ). Hình 3.1 Tốc độ kế một chiều Hình 3.2 Máy phát đồng bộ Phương pháp đo tốc độ theo nguyên lý đếm xung Các cảm biến theo nguyên lý này có vật trung gian thường dùng là đĩa được chia thành p phần bằng nhau (chia theo góc ở tâm), mỗi phần mang một dấu hiệu đặc trưng như lỗ, đường vát, răng, điểm sáng (mặt phản xạ)… 40 Một cảm biến thích hợp đặt đối diện với vật trung gian để ghi nhận một cách ngắt quãng mỗi khi có một dấu hiệu đi qua và mỗi lần như vậy nó cấp một tín hiệu xung. Biểu thức của tấn số f của các tín hiệu xung này được viết dưới dạng: f = p.N (3.4) Trong đó f là tần số đo bằng Hz, p là số lượng dấu trên đĩ a và N là số vòng quay của đĩa trong một giây. Việc lựa chọn loại cảm biến thích hợp để ghi nhận tín hiệu liên quan đến bản chất của vật quay, cấu tạo của vật quay và các dấu hiệu trên nó. - Cảm biến từ trở biến thiên sử dụng khi vật quay là sắt từ. - Cảm biến Hall hoặc cảm biến từ điện trở dùng trong trường hợp vật quay là mộ t hay nhiều nam châm, hoặc vật quay tạo thành màn chắn từ một cách tuần hoàn giữa một nam châm bất động và một cảm biến. - Cảm biến quang cùng một nguồn sáng được dùng khi trên vật trung gian quay có các lỗ, đường vát hoặc mặt phản xạ. Trong đề tài này việc chọn lựa cảm biến được dựa vào đặc điểm cấu tạo của động cơ (quạt) và tín hiệu cần lấy ra. Hơ n thế nữa việc xử lý tín hiệu ra của cảm biến được thực hiện bằng vi điều khiển. Vì vậy mà chúng tôi đã lựa chọn loại cảm biến để đo tốc độ là cảm biến quang. Cảm biến quang Cấu tạo và sơ đồ nguyên lý của cảm biến quang được biểu diễn trên hình 3.4. - Khối tạo nguồn tạo nguồn nuôi cho toàn mạch gồm có cầu chỉnh lưu D1 các tụ lọc và IC LM7805 để ổn nguồn 5V - Ba cặp thu phát hồng ngoại tương ứng với ba vị trí các quạt bố trí trên hệ thống. Nhiệm vụ của của cặp thu phát này là cảm nhận được vị trí thay đổi của điểm sáng. . điều khiển. Đối tượng điều khiển là động cơ không đồng bộ một pha, phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổ i tần số nguồn cung cấp là phương pháp điều khiển. . sử dụng bộ biến tần khoá điện tử dùng nghịch lưu độc lập nguồn điện áp tốt hơn trong các hệ th ống hở điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều và khi cung cấp cho nhóm động cơ. Khi chuyển động. hoạt động dựa trên nguyên lý này đặc trưng là tốc độ kế một chiều (máy phát tốc) , tốc độ kế xoay chiều (máy phát đồng bộ) . Hình 3.1 Tốc độ kế một chiều Hình 3.2 Máy phát đồng bộ