Giáo trình tổng hợp hệ điện cơ dùng cho các trường đào tạo hệ ĐHKT trần xuân minh, nguyễn như hiển pdf

Các khâu đo lường ĐI, có nhiệm vụ biến đổi dạng tín hiệu đầu ra về dạng tín hiệu điện áp hoặc dòng điện phù hợp với tín hiệu đặt và có giá trị tỷ lệ với đại lượng điều Trong thực tế, c

TS TRẦN XUÂN MINH (Chủ biên) PGS.TS NGUYÊN NHƯ HIẾN

GIAO TRINH TÍN HỊP HỆ JIƑN ( DÙNG CHO CÁC TRƯỜNG ĐÀO TẠO HỆ ĐẠI HỌC KỸ THUẬT

TS Trần Xuân Minh (Chủ biên)

PGS.TS Nguyên Như Hiền

Giáo trình

TỎNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ

(Dùng cho các trường dao tạo hệ Đại hoc kỹ thuật)

NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM

LOI NOI DAU

Tổng hợp hệ điện cơ là môn học chuyên ngành của ngành Tự động hóa, đây có thể xem

là kiến thức tổng hợp của nhiều học phần cơ sở ngành và chuyên ngành Trong nhiều năm qua, đã có khá nhiều tài liệu trong và ngoài nước đề cập đến các kiến thức thuộc lĩnh vực

này, tuy nhiên một giáo trình chuẩn và đầy đủ phù hợp với chương trình đào tạo kỹ sư điện

chuyên ngành Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp còn thiêu Nhằm đáp ứng yêu cầu đổi mới

chương trình dao tạo, đặc biệt là đào tạo theo hệ thống tín chỉ, một số cán bộ của bộ môn

Tự động hóa - khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tiến hành

biên soạn giáo trình môn học Tổng hợp hệ điện cơ

Giáo trình này còn là tài liệu tham khảo quan trọng cho sinh viên một số chuyên ngành

khác và các học viên cao học tự động hóa

Giáo trình gồm 10 chương theo chương trình môn học của ngành:

Chương 1 Những khái niệm và chỉ tiêu cơ bản của hệ điện cơ;

Chương 2 Tổng hợp hệ điều chỉnh tự động điều khiển tốc độ động cơ một chiều;

Chương 3 Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều nhiều mạch vòng;

Chương 4 Hệ thống truyền động T - Ð có đảo chiều;

Chương 5 Hệ thống truyền động động cơ một chiều sử dụng bộ biến đổi một chiều - một chiều (xung điện áp);

Chương 6 Hệ thông tùy động vị trí;

Chương 7 Các loại hình cơ bản của hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ - Hệ thống điều tốc điều chỉnh điện áp;

Chuơng 8 Hệ thông điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ bằng phương pháp thay đồi tan sé;

Chương 9 Hệ thống điều tốc nối cắp động cơ xoay chiều không đồng bộ rotor dây

hoàn thiện được nội dung giáo trình này Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về bộ môn Tự động

hóa, khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên hoặc gửi về công ty Cổ phần sách Đại học và Dạy nghề - Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam, 25 Hàn Thuyên, Hà Nội

Xin chân thành cảm ơn

*

Các tác giả

Chuong 1

NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ CHÍ TIỂU CƠ BẢN CỦA HỆ ĐIỆN CƠ

4.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ ĐIỆN CƠ

1.1.1 Khái niệm chung

Hệ điện cơ là các hệ thống dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng và khống

Trong hinh 1.1, D là động cơ điện dùng để truyền động cho máy sản xuất (MSX),

BĐ là thiết bị biến đổi điện năng, toàn bộ các thiết bị trên được gọi là phần lực Các thiết bị đo lường DL và bộ điều chỉnh R được gọi là phần điều khiển Tín hiệu đầu vào hệ thống THĐ dé điều khiển hệ thống được gọi là tín hiệu đặt (chủ đạo), NL là các tín hiệu nhiễu (nhiễu loạn) tác động lên hệ

Động cơ điện là khâu làm nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng để cung cấp cho máy sản xuất, động cơ điện có thể là động cơ một chiều, động cơ xoay chiều khong déng bộ và đồng bộ, các loại động cơ bước,

Bộ biến đôi BÐ trong hệ thống thường có hai chức năng: Chức năng thứ nhất là biến đổi năng lượng điện từ dạng này sang dạng khác, thích ứng với động cơ truyền động; chức năng thứ hai là mang thông tin điều khiến để điều khiến các tham số đầu

ra của bộ biến đôi (như công suất P, điện áp U, dòng điện I, tan sé f, )

Bộ điều chỉnh R nhận tín hiệu thông báo các sai lệch về trạng thái làm việc của hệ thống tự động thông qua việc so sánh giữa tín hiệu đặt THĐ và tín hiệu đo lường các

5

đại lượng dầu ra của hệ thống Tín hiệu sai lệch này khi qua bộ điều chỉnh R sẽ được

khuếch đại và tạo hàm chức năng điều khiển (tích phân, vi phân) sao cho đảm bảo chất lượng động và tĩnh của hệ thống tự động Tín hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh được

dùng để điều khiển bộ bién déi BD

Các khâu đo lường ĐI, có nhiệm vụ biến đổi dạng tín hiệu đầu ra về dạng tín hiệu

điện áp hoặc dòng điện phù hợp với tín hiệu đặt và có giá trị tỷ lệ với đại lượng điều

Trong thực tế, các đại lượng điều chỉnh của hệ thống truyền động tự động có thê

là mômen quay, tốc độ, vị trí Để đảm bảo chất lượng của hệ, thường có nhiêu mạch vòng điều chỉnh như: mạch vòng điều chỉnh điện áp, dòng điện, tốc độ, từ thông, vị

trÍ, V.V

1.1.2 Phân loại hệ điện cơ

Việc phân loại hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện thường có nhiều cách, tuỳ vào mục đích

Phân loại theo động cơ truyền động:

- Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ một chiều

— Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ

~ Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ xoay chiều đồng bộ

— Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ bước

Phân loại theo bộ điều chỉnh và tín hiệu vào bộ điễu chỉnh:

- Hệ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh tuong tu (analog)

- Hệ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh số (digital)

— Hệ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh lai tương tự — số (analog — digital)

Phân loại theo câu trúc hoặc thuật toán điều khiến:

- Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển thích nghỉ

~ Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển mờ

Phân loại theo nhiệm vụ chung:

~ Hệ ĐCTĐTĐĐ duy trì đại lượng điều chỉnh (đại lượng ra) theo lượng đặt trước không đối Ví dụ: hệ duy trì tốc độ,

~ Hệ ĐCTĐTĐĐ tùy động (hệ bám) là hệ điều khiển vị trí yêu cầu điều khiển tự

động lượng ra theo lượng đặt biên thiên tùy ý Các hệ này thường gặp ở các hệ truyền động quay anten, ra đa, cơ câu ăn dao máy cắt gọt kim loại, ,

— Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển chương trình, thực chất cũng là hệ điều khiển vị trí

nhưng đại lượng điêu chỉnh được điều khiển tự động tuân theo lượng đặt biến thiên

theo một chương trình định trước Đại lượng điều chỉnh trong hệ thống này thường là các quỹ đạo chuyên động phức tạp trong không gian, cho nên cấu trúc của nó thường nhiều trục Chương trình điều khiên ở đây được mã hóa ghi vào bìa, băng từ, đĩa từ, Chúng ta thường gặp'các hệ điêu khiên chương trình ở các trung tâm gia công cắt gọt kim loại, các đây chuyền sản xuất có robot, Hệ điều khiển chương trình có cấu trúc phức tạp nhất và thường được thiết kế ở dạng điều khiển số (NC - Numeric Control) hoặc điêu khiên sô có sử dụng máy tính (CNC - Computer Numeric Control)

6

1.2 CAC BAI TOAN TONG HOP HE THONG

Khi thiết kế hệ ĐCTĐTĐĐ ta cần phải đảm bảo hệ thực hiện dược tat cả các yêu cầu đặt ra, đó là đáp ứng các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chất lượng và các yêu cầu về kinh tế Chất lượng của hệ ĐCTĐTĐĐ thường gồm chất lượng tĩnh và động Trong trạng thái tĩnh, yêu cầu quan trọng bậc nhất là độ chính xác diều chỉnh Đối với trạng thái động thì có yêu cầu về độ ôn định và các chỉ tiêu về độ quá điều chỉnh, thời gian quá trình quá độ, tốc độ điều chỉnh, số lần dao động, trong đó yêu cầu về độ én định là quan trong nhất Câu trúc mạch điều khiến, luật điều khiên và các tham số của

bộ điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ Vì vậy, khi thiết kế hệ ta phải thực hiện các bài toán về phân tích và tong hợp hệ để tìm ra lời giải hợp lý, sao cho đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế đặt ra

Đối với bài toán tổng hợp hệ, người ta thường đưa ra ba loại bài toán: tổng hợp chức năng, tổng hợp tham số và tổng hợp cấu trúc - tham SỐ

1 Bài toán tong hợp chức năng: thực hiện trong trường hợp đã biết cầu trúc và tham số của mạch điều khiển, ta cần phải xác định luật điều khiển đầu vào để hệ dam bảo chất lượng

2 Bài toán tổng hợp tham số: thực hiện khi đã biết cấu trúc và lượng tác động đầu

ˆ vào của hệ, ta cần xác định các tham số của các bộ điều khiển

3 Bài toán tổng hợp cấu trúc — tham số: thực hiện khi đã biết quy luật biến thiên của lượng đầu vào và ra của hệ, ta cần xác định cấu trúc của hệ và đặc tính, tham số các bộ điêu khiến

Để thực hiện các bài toán tổng hợp hệ, ta có thể dùng các phương pháp khác nhau, cụ thể, đối với hệ có cấu trúc đơn giản ta dùng phương pháp đặc tính tần số, phương pháp phân bố nghiệm, phương pháp hệ điển hình các loại và hàm chuẩn môđun tối ưu, môđun đối xứng Đối với hệ có cấu trúc phức tạp, đặc biệt là hệ nhiều chiều thường áp dụng phương pháp không gian trạng thái hoặc tổng hợp hệ dùng máy tính số với các ngôn ngữ chuyên dụng Với các hệ điều khiển số, tuy có đặc thủ riêng

về mô tả toán học, nhưng phương pháp tổng hợp về cơ bản cũng dựa trên các phương pháp tổng hợp liên tục Riêng đối với hệ phi tuyến cần có phương pháp tổng hợp

1.3.1 Đặc tính phụ tải và đặc tính hệ truyền động điện

Đặc tính phụ tải là quan hệ giữa mômen can M, và tốc độ của máy sản xuất Tùy thuộc vào từng loại máy mà đặc tính tải có các dạng khác nhau: loại mômen tải bằng hằng số, loại mômen tải tỷ lệ thuận với tốc độ, loại mômen tải ty lệ với bình phương tốc độ, loại mômen tải tỷ lệ nghịch với tốc độ, Về tính chất, mômen tải có hai loại: mômen tải mang tính chất phản kháng và mômen tải mang tính chất thế năng Hệ truyền động điện phải thiết kế sao cho đặc tính mômen cho phép của động cơ trong hệ phải phù hợp với đặc tính phụ tải để đảm bảo tối thiểu hóa công suất đặt.

1.3.2 Pham vi diéu chinh téc dé

Là tỷ số giữa tốc độ làm việc cao nhất Nmax (nmạy là tốc độ trên đặc tính cơ cao

nhất ứng với mômen tải (hoặc dòng điện) băng định mức) và tốc độ làm việc thâp nhật nmịn (nmin là tôc độ trên đặc tính cơ thấp nhất ứng với mômen tải (hoặc dòng điện) băng định mức), phạm vi điêu chỉnh thường được ký hiệu là D:

D= Tay

n min

1.3.3 Độ trơn (độ bằng phẳng) điều chỉnh

Là tỷ số hai cấp tốc độ liền nhau: =—-

với nj va n¡;¡ là cấp tốc độ thứ ¡ và ¡ + 1 Hệ điều chỉnh trơn hay vô cấp là hệ có

ol

1.3.4 Sai lệch tĩnh

Sai lệch tĩnh là sai lệch tốc độ ở trạng thái ồn định được biểu diễn ở dạng tương

đôi hoặc tương đôi phân trăm, với đặc tính thứ ¡ có tốc độ không tải lý tưởng nọ; và tộc độ tại tải băng định mirc ni, sai lệch tĩnh được ký hiệu sự hoặc s,%:

S,=— ——; s,⁄%=-9— i L]00%

Điều kiện đảm bảo về sai lệch tĩnh: s, < [sJ, với [sj] là sai lệch tương đối cho

phép Trong một sô trường hợp sai lệch tương đối còn được gọi là hệ số trượt

1.3.2 Độ chính xác của hệ thống ĐCTĐTĐĐ trong chế độ xác lập và tựa

xác lập

Các hệ điều chỉnh tự động nói chung cũng như hệ ĐCTĐTĐĐ nói riêng luôn đặt

ra yêu câu là đại lượng điêu chỉnh phải bám theo tín hiệu đặt với một độ chính xác nao d6 trong chê độ xác lập và tựa xác lập Độ chính xác là một trong hai chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng nhất của các hệ thống tự động nói chung và hệ ĐCTDTĐĐ nói riêng

Độ chính xác được đánh giá dựa trên cơ sở phân tích các sai lệch điều chỉnh của hệ, các sai lệch này phụ thuộc rất nhiều yếu tố Trên cơ sở phân tích các sai lệch điều chỉnh ta có thê chọn được các bộ điều chỉnh, các mạch bd thích hợp để nâng cao độ chính xác của hệ thông

1.3.2.1 Các hệ số sai lệch

Xét hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có sơ đỗ cấu trúc tối giản như hình

1.2 Voi Fo(s) là hàm truyền hệ hở, hệ có phản hồi âm với hệ số phản hồi bằng I

(phản hồi —1)

— Tín hiệu vào: R(s), R(); Tín hiệu ra: C(s), C(t)

~ Sai léch : E(s), e(t), voi e(t) = R(t) — C(t)

—N¡ @ = I n) là các tín hiệu nhiễu tác động lên hệ

— Ty là thiết bị công nghệ (máy sản xuất)

C(s) = F(s).R(s)+ °F (s).N, (s) (1.1)

— F(s) 1a ham truyén kin cia hé theo THD va được xác định theo biểu thức sau:

aN, t đN, t

+Cyn-N, (t)+C,y,- =| dese, N, “| ),

+p(t)

Ci, Cinj vớiil=l+øœ;J= l+n là các hang SỐ, p (t) la thang du

Khi gia thiết bỏ qua tác động của các tín hiệu nhiễu và thặng dư, sai lệch của hệ

d'R(t)

e(t)=R(t)-C(t)= cr (jee BY

Các hằng số Cọ, C¡, , C¡, được gọi là các hệ số sai lệch

Trong kỹ thuật tự động người ta thường quan tâm đến 3 hệ số sai lệch đầu tiên là

Cạ, C¡, C¿ và các hệ sé này được đặt tên:

1.3.2.2 Các biểu thức xác định các hệ số sai lệch

a) Xác định các hệ số C¡ theo hàm truyền sai lệch

Với giả thiết bỏ qua tác động của nhiễu, lúc này sai lệch của hệ thống chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào

Khi bỏ qua nhiều thì: C(s) = F(s).R(s)

(1.7)

(1.8)

(1.9)

(1.10) (1.11)

Kết hợp các biểu thức (1.9), (1.10) với (1.11) ta rút ra:

C, =1-b,

C, =a,-C,a,—b,

C, =a, -(C,a, +C,a,)-b,

i-!

| Coa

z=0

Chú ý: ai =0 V¡> n, còn bị =0 Vi>m

Khi một hệ với hàm truyền kín dạng q 11) c6 m =n va bo = 1, by = aj, bo = a,

và bm = am thi hệ sẽ có tất cả các hệ số sai lệch đều bằng không, tức hệ chính xác tuyệt đối

1.3.3 Các tiêu chuẩn sai lệch

1 Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE)

Theo tiêu chuẩn này, chất lượng của hệ được đánh giá bởi tích phân sau:

T

= Ƒ#'()át~ ƒ# (Qát (1.13)

giá trị T được chọn sao cho mọi t > T thi e(t) du nho co thể bỏ qua

Tống hợp hệ theo tiêu chuẩn nảy là lựa chọn cấu trúc và tham số của hệ để đảm bảo cho tích phân (1.13) là cực tiêu, tức là: :

I= fe’(t) at fe( t)dt — min (1.14)

0

Phương pháp tổng hợp hệ theo tiêu chuẩn ISE có thể áp dụng cho hệ có tín hiệu vào đã xác định (ví dụ loại tín hiệu vào dạng bước nhảy đơn vị), hoặc loại tín hiệu vào xác định theo phương pháp thống kê, bởi vì có thể dùng cả phương pháp giải tích lẫn phương pháp thực nghiệm dé tính tích phân trên Tiêu chuẩn này đánh giá rất nặng các sai lệch lớn thường xuất hiện ở giai đoạn đầu của quá trình điều chỉnh, xem nhẹ các sai lệch nhỏ ở giai đoạn sau Hệ được thiết kế theo tiêu chuẩn ISE thường làm giảm nhanh các sai lệch lớn ở giai đoạn đầu quá trình điều chỉnh, tức là hệ có tốc độ đáp ứng nhanh và kết quả là hệ kém én định Tiêu chuẩn này thường dùng để tổng hợp các hệ có yêu cầu cực tiêu hóa tiêu thụ năng lượng

2 Tiêu chuẩn tích phân tích thời gian với giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE) Theo tiêu chuẩn này, chất lượng của hệ được đánh giá bởi tích phân sau:

Téng hop hé theo tiéu chuan này là lựa chọn cấu trúc và tham số của hệ để đảm bảo cho tích phân (1.15) là cực tiểu, tức là:

1= fied t)|dt = file(o )|dt — min (1.16)

Tiêu chuẩn ITAE đánh giá nhẹ các sai lệch lớn ban đầu, các sai lệch nhỏ xuất hiện ở giai đoạn sau quá trình quá độ (khi t lớn) lại bị đánh giá nặng Hệ thiết kế theo tiêu chuẩn ITAE sẽ cho đáp ứng quá độ với lượng quá điều chỉnh nhỏ và có khả năng suy giảm nhanh các dao động trong quá trình điều chỉnh Việc tính toán tích phân (1.16) là rất khó khăn, tuy nhiên có thé đo lường bằng thực nghiệm một cách dễ dàng Đặc biệt có thể sử dụng máy tính để tông hợp gần đúng

3 Tiêu chuẩn tích phân tích thời gian với bình phương sai lệch (ITSE)

Theo tiêu chuẩn này, chất lượng của hệ được đánh giá bởi tích phân sau:

0 0

giá trị T được chọn sao cho mọi t > T thì e(U) đủ nhỏ có thể bỏ qua

Tổng hợp hệ theo tiêu chuẩn này là lựa chọn cầu trúc và tham số của hệ để đảm bảo cho tích phân (1.17) là cực tiểu, tức là:

FS) = i s’+as" + 44, Sta, va Sun

vOi a, = 2 hay m, = Ya,

Mau sô của hàm truyền tôi ưu được cho trong bảng sau:

truyền tối ưu theo bảng và sẽ xác định được hàm truyền của khâu hiệu chỉnh dé hệ tối

ưu theo tiêu chuân đã chọn

4.3.4 Bù sai lệch cho hệ hữu sai, hệ vô sai cấp 1 và hệ vô sai cấp 2 |

1.3.4.1 Hệ hữu sai, hệ vô sai cấp I và hệ vô sai cap 2

a) Hệ hữu sai (hệ có hệ số sai lệch Cạ # 0)

Xét hệ có cấu trúc tối giản như hình 1.4

Áp dụng công thức (1.12), rút ra: C, =1-b, o-l- Sie #0

Néu R(t) = K = const, ta c6: c()=C,R()+C S0) — TK: 20 = Sai lệch phụ

thuộc vào giá trị của tín hiệu vào và hệ số khuếch đại hệ thống hở K

Voi R(t)=K,+K,t > e(t)= = +¢, (K,+K,t), sai lệch sẽ tiến đến vô cùng +

khi t — œ, tức là hệ không làm việc được với loại tín hiệu có thành phần tỷ lệ bậc nhất với thời gian t

13

Néu R(t) = Ki = const, ta có: e(t)=0.K, ite at =0 như vậy, với tín hiệu

vào là hằng số thì sai lệch ở chế độ xác lập sẽ bằng không (vô sai)

1 d(K,+K,t) 1

Nếu R() = Kị + Kạt, ta có: e(t)=0.K, te —N = = Kia es oonst #0,

với tín hiệu phụ thuộc t nhưng bậc cao nhất của t là bậc 1 thì hệ làm việc được với sai lệch hữu hạn và có thể giảm nhỏ bằng cách tăng hệ số khuếch đại hệ thống hở

Nếu R(t) = Ki + Kot + K3t „ ta CÓ R(t)= Ky + 2K3t ; R (t)= 2K3; R ‘(t) = 0

=> e(t) = Co.R(t) + Cy R(t) + CoR (tt) =0+ a (Ke + 2K3t) + C2.2K3

tức là sai lệch sẽ tiễn đến vô cùng khi † —> eo, tức là hệ không làm việc được với loại tín hiệu có thành phần tỷ lệ bậc hai với thời gian (1)

C, =a, -C,.a,-C,a,-b, -=+ DTT, -0.°T, -0|x+>rr)-E1r, =<

Nếu R(t) = K; = const, ta cd: e(t)=C,R(t)+C,R (t)+C,R (t) =0

Néu R(t) = K; + Kot, ta cd cũng có : e(t)=0

Nếu R(t) = K; + Kat + Kst’, tad: R(t) = Ky + 2Kat ; R(t) = 2K3

=> e(t) = 2K, hệ sẽ có sai lệch hữu hạn

Néu R(t) có thành phần Kat = e(t) —> œ khi t => œ, hệ không làm việc được với

tín hiệu có thành phân tỷ lệ với bậc 3 trở lên của thời gian

1.3.4.2 Bù sai lệch cho hệ hữu sai, hệ vô sai cấp] và hệ vô sai cấp2

a) Bù hệ số sai lệch Cọ ở hệ hữu sai: Xét hệ hình 1.5

— Hệ là hệ hữu sai (Co # 0) Hình 1.5

Yêu cầu đặt ra là thêm vào hệ một khâu bù để Cọ = 0 = Các phân tích tính toán

cho thây răng, với yêu cầu này chỉ cân thêm vào hệ 1 khâu điêu chỉnh dưới dạng khâu

phản hôi với việc lựa chọn hệ sô phản hôi thích hợp Sơ đỗ khôi của hệ khi có khâu

bù như hình 1.6, với hàm truyền phản hồi F;(s) có dạng là một khâu tỷ lệ K¿

15

Tim K, dé Cy = 0 Theo so dé khéi hinh 1.6 thì ham truyền hệ kín khi có khâu bù là:

— Phan héi 4m voi hé sé phan hồi bằng 1 (như hệ ban dau)

~ Phản hồi dương với hệ số phân hồi = nhờ thành phần phản hồi đương này mà sai lệch của hệ được bù

Chú ý: Với hệ thống được bù theo phương pháp trên thì khi có một tín hiệu đầu vào không đổi, ví dụ: R(t) = Kj, tín hiệu vào của hệ hở ở chế độ xác lập sẽ là:

K c0 = Ki - KiK, = cột #0

(giả thiết là hệ đang được bù đủ), e *(Đ phụ thuộc vào độ lớn của tín hiệu đầu vào của

hệ thống Vì vậy, khi tín hiệu vào vượt quá một mức nào đó thì có thể làm cho một hoặc một số khâu của hệ hở Fo(s) bị bão hoà, dẫn đến việc bù sai lệch có thể không thực hiện được (vì trong Fo(s) thường có các bộ khuếch đại, chúng chỉ làm việc tuyến tính trong một giới hạn nhất định của tín hiệu vào) Như vậy hệ bù để có Co = 0 chi tương đương với hệ vô sai cap 1 trong một giới hạn nhất định của tín hiệu đầu vào b) Bù hệ số sai lệch Cụ, C; ở hệ vô sai cấp 1

Giả thiết có hệ vô sai cấp 1 (Cọ = 0) như đã giới thiệu ở phần a mục 1.3.4.1 của chương này, nhiệm vụ đặt ra là hãy tìm biện pháp đưa vào hệ một số ít nhất các khâu hiệu chỉnh và lựa chọn tham số của chúng để hệ có C¡ = 0 hoặc cả C¡ và C; đều bằng 16

không Qua phân tích, tính toán người ta thây rằng có thê bù được C¡ và C¿ với việc đưa vào hệ hai khâu là Fa(s) nỗi tiếp với Fo(s) và khâu phản hồi F„(s), với đặc tính các khâu hiệu chỉnh có dạng:

LK KK?

C,=0> ST, tT+ TT, =0

Từ biểu thức này ta sẽ cho một giá trị của Tạ = tim T,

Chú ý: Bằng cách thực hiện đưa thêm vào các khâu Fa(s), F;(s) như trên đã đưa các hệ

số sai lệch C¡, C¿ về băng 0 Tuy nhiên, hệ thông có thê không dat được điều kiện trên khi tín hiệu đầu vào quá lớn vì có thể làm cho một số khâu trong hệ thống hở bị bão hoà

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1

1.1 Các thành phần cơ bản của hệ điện cơ?

1.2 Các dạng bài toán cơ bản khi thực hiện tổng hợp các hệ điện cơ?

1.5 Các tiêu chuẩn sai lệch nào được áp dụng khi tông hợp hệ điều chỉnh tự động?

1.6 Tại sao trong thực tế kỹ thuật, hệ hữu sai đã bù hệ số sai lệch Cạ không hoàn toàn tương đương với hệ vô sai cấp 1?

F(s) =

18

Chương 2

TONG HOP HE DIEU CHINH TY BONG DIEU KHIEN TOC BQ

DONG CO MOT CHIEU

2.1 KHAI NIEM CHUNG

Phuong phap điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều được trình bày trong các tài liệu về truyền động điện Trong tài liệu này chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống kín điều khiển tốc độ Chương này chú trọng nghiên cứu hệ thông điều khiển mạch vòng kín cơ bản cùng phương pháp phân tích, thiết kế nó Trong hệ thong điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có hai phương pháp được sử dụng chủ yếu là điều chỉnh điện áp mạch phần ứng (mạch rotor) động cơ và điều chỉnh từ thông động cơ Phương pháp điều chỉnh từ thông động cơ một chiều chỉ áp dụng cho loại tải có đặc tính mômen cản.tỷ lệ nghịch với tốc độ và phạm vi điều chỉnh D < 4 : 1, nó chiếm một tỷ lệ không đáng kể so với phương pháp điều chỉnh điện áp mạch phần ứng động cơ Để điều chỉnh điện áp mạch phần ứng động cơ cần phải có các bộ nguôn một chiều điều chỉnh được Với lưới điện cung cấp là hệ thông điện áp xoay chiều hình sin ba pha, để tạo ra điện áp một chiều điều chỉnh được, từ trước tới nay thường dùng ba loại thiết bị biến đổi là bộ biến đổi (BBĐ) máy điện gồm động co xoay chiéu kéo máy phát một chiều, BBĐ van (chỉnh lưu có điều khiển tiristor) và tổ hợp BBĐ gồm chỉnh lưu điôt + xung điện áp một chiều Tương ứng với mỗi loại BBĐ ta có một loại hệ thống truyền động điện động cơ một chiều Các hệ ĐCTĐTĐP điều chỉnh tốc độ động cơ ngoài yêu câu

về điều chỉnh tốc độ còn phải thỏa mãn các yêu cầu về ổn định tốc độ, tự động hạn chế phụ tải trong chế độ tĩnh cũng như chế độ động, để đáp ứng các yêu cầu này hệ thống cần có các phản hồi phù hợp Một nhiệm vụ trọng tâm của chương này là thiết

kế, tông hợp các bộ điều chỉnh để hệ đáp ứng được các yêu cầu chất lượng của hệ ĐCTĐTĐĐ điều chính tốc độ động cơ một chiêu

2.2 CÁC NGUÒN ĐIỆN VÀ CAC HE TRUYEN BONG DIEU CHỈNH TÓC ĐỘ DONG CO’ MOT CHIEU

2.2.1 Bộ biến đổi máy điện và hệ thống máy phát - động cơ (hệ F - Ð)

Hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý BBĐ máy điện và hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều tương ứng.(hệ F - Ð) Động cơ điện xoay chiều ĐK (động cơ không đồng bộ hoặc động cơ đồng bộ) được cung cấp từ hệ thống điện áp xoay chiều ba pha của mạng điện công nghiệp, ĐK kéo máy phát điện một chiều F quay thực hiện quá trình biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều, điện áp một chiều trên đầu ra máy phát được dùng để cấp cho động cơ điện một chiều phải điều chinh tốc độ

Ð Điều chỉnh dòng kích từ ier của may phát F là có thể thay đổi điện áp đầu ra U, từ

đó điều chỉnh tốc độ quay n của động cơ Ð Hệ thống điều chỉnh tốc độ như vậy gọi tat la hé théng F — D, trên thé giới thường gọi là hệ théng Ward — Leonard Dé cung cấp kích từ cho máy điện một chiều và động cơ điện, thường phải bố trí riêng một máy kích từ FK, có thé lắp đồng trục với tổ máy ĐK - F hoặc có thể dùng riêng một động cơ điện xoay chiều khác đê dẫn động

19

điện kích từ Khi có yêu câu cao về chất — nạ

lượng điều tốc dạng mạch vòng kín thì oo nạ

thường phải sử dụng bộ khuếch đại để tiến —— | ng

hành điêu khiên Bộ khuêch đại dùng trong ———— _| ne M

trường ngang) và bộ khuếch đại từ; khi cần —

nâng cao hệ số khuếch đại, có thể bế trí | T———

thêm bộ khuếch đại điện tử làm bộ tiền —————

khuếch đại Nếu thay đổi chiều của ixy thì CÓ qua ngược | Trang thal Rath

cực tính U của máy phát và chiêu quay n quay ngược

của động cơ đều thay đổi theo, vì vậy việc Hình 2.2 Đặc tính cơ hệ F - Ð đảo chiều quay của động cơ trong hệ thống

F — Ð rất dễ thực hiện Hình 2.2 biểu điễn họ các đường đặc tính cơ của hệ F - Ð ở

chế độ làm việc có đảo chiều quay của động cơ Từ hình vẽ cho thấy, hệ thống F - D

là hệ thông cho phép động cơ làm việc trong cả 4 góc toa do

._ Hệ thống điều khiển tốc độ một chiều sử dụng BBĐ máy điện (hệ F - Ð) đã từng

rất phô biên ở thập kỷ 50 của thê kỷ XX, dén nay ở những nơi chưa đổi mới trang thiết bị vẫn còn dùng loại này Do hệ thông này sử dụng BBĐ gôm các thiết bị quay,

ít nhât phải bao gôm hai máy điện quay tương đương dung lượng với động cơ cần điệu khiên tộc độ, ngoài ra còn phải dùng một máy phát kích từ, vì vậy thiết bị nhiều, kích thước lớn, chỉ phí cao, hiệu suất thấp, phải có nên móng vững chắc, vận hành nhiều tiêng ỗn, duy tu bảo dưỡng khá phức tạp Để khắc phục những nhược điểm trên,

ở thập kỷ 50 của thê kỷ XX, với bộ chỉnh lưu thuỷ ngân (khi công suất lớn) và bóng tiristor (khi công suat nhỏ) đã cho ra doi BBD tinh thay thé cho hệ thống BBD kiểu quay và hình thành hệ thông truyện động ion Đên thập kỷ 60, nó lại nhường chỗ cho

bộ chỉnh lưu tiristor vừa rẻ tiên vừa có độ tin cậy cao

2.2.2 Chỉnh lưu điều khiển tiristor (BBĐ van) và hệ thống truyền động

tiristor - động cơ một chiêu (hệ T — Ð)

Như đã trình bày ở trên, hệ thống truyền động ion là hệ thống điều chỉnh tốc độ 20

động cơ một chiều dùng thiết bị chỉnh lưu tĩnh để cấp điện cho động cơ được sử dụng sớm nhất Mặc dù hệ này đã khắc phục được nhiều nhược điểm của hệ thống F - Ð, tăng độ tác động nhanh, nhưng giá thành chế tạo bộ chỉnh lưu thuỷ ngân cao, duy tu bảo dưỡng phức tạp, đặc biệt là nếu thuỷ ngân bị rò ri ra ngoài thì sẽ làm ô nhiễm môi trường và gây hại cho sức khoẻ con người

Năm 1957, van bán dẫn tiristor (thường gọi là linh kiện chỉnh lưu silic điều khiến) ra

đời, đến thập kỷ 60 của thế kỷ XX, đã chế tạo được hàng loạt thiết bị chỉnh lưu tiristor

dẫn tới sự biến đổi căn bản về kỹ thuật nắn dòng, mở đầu thời đại bán dẫn tiristor Đến nay hệ thống điều chỉnh tốc độ tiristor — động cơ (gọi tắt là hệ thống T-D, hay còn gọi

là hệ thống Ward — Leonard tinh) đã trở thành hình thức chủ yếu của hệ điều tốc một chiều

độ động cơ, có thể thực hiện điều chỉnh vô cấp vì công suất ở bộ phận điểu chỉnh thường rất nhỏ So sánh với BBĐ máy điện quay và chỉnh lưu ion, thì thiết bị chỉnh lưu điều khiển tiristor không những có tính kinh tế và độ tin cậy cao, mà còn thể hiện

rõ tính ưu việt về mặt kỹ thuật

Bộ chỉnh lưu điều khiển tiristor cũng có một số nhược điểm Trước tiên là do tính

dẫn điện một chiều của bán dẫn tiristor, nó không cho phép dòng điện chạy ngược chiểu nên việc đảo chiều dòng điện gặp khó khăn Các hệ thống truyền động T ~ xây dựng từ sơ đồ chỉnh lưu bán điêu khiển chỉ cho phép vận hành trong một góc phần tư của hệ toạ độ (góc phần tư thứ I, hình 2.4a) Các hệ thong truyén dong T-D xây dựng từ sơ đồ chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu, cho phép động cơ làm việc ở trạng thái hãm khi đảo chiều quay (với tải thế năng), vì thế có thê cho phép làm việc ở hai góc phần tư của hệ toạ độ (góc phần tư thứ I và thứ IV, hình 2.4b) Khi cần phải làm việc được ở cả bốn góc phần tư của hệ toạ độ (hình 2.4c), bắt buộc phải sử dụng BBĐ có đảo dòng dùng hai sơ đồ chỉnh lưu cùng loại điều khiển hoàn toàn mắc song song ngược hoặc đầu chéo, hệ thống điều tốc đảo chiều T — Ð sẽ được nghiên cứu kỹ trong chương 4

21

a) Làm việc ở một góc toạ độ; b) Làm việc ở hai góc toạ độ;

c) Làm việc ở bôn góc toạ độ

Một nhược điểm khác của hệ T - Ð là các tiristor rat nhạy cảm với trị số quá định mức của các đại lượng như điện áp, dòng điện, tốc độ biến thiên của điện áp du/dt và dòng điện di/dt, ma bat ky tri số nào trong số đó nêu vượt quá giá trị cho phép trong khoảng thời gian ngăn đều có thê làm hỏng linh kiện, thiết bi Vi vậy bắt buộc phải có

đủ thiết bị bảo vệ tin cậy và có điều kiện tân nhiệt phù hợp yêu cầu; thêm nữa, khi tính chọn linh kiện cần phải có độ dự trữ đủ lớn Nhưng nêu chất lượng linh kiện đảm bảo, trang thiết bị thiết kế phù hợp, trang bị bảo vệ đầy đủ thì việc vận hành thiết bị dùng tiristor sẽ rat tin cậy; ngược lại, nêu có một khâu nào đó không đảm bảo hệ sẽ không tin cậy, đễ xảy ra sự cô

Mặt khác, khi hệ thống ở vào trạng thái điều khiển sâu, tức là khi làm việc ở tốc

độ tương đối thấp, góc mở của tiristor rất lớn thì hệ số công suất của hệ thống rất thấp, đồng thời sóng hài bậc cao trong dòng điện lưới sẽ tăng gây méo dạng đường cong dòng và áp nguồn và gây nhiễu các thiết bị điện, điện tử xung quanh Nếu hệ thống điều khiển tốc độ T - Ð có dung lượng khá lớn thì sinh ra tốn hao công suất đáng kế trong mạng điện Trong trường hợp đó buộc phải lắp thêm thiết bị bù công suất phản kháng và bộ lọc sóng hài

2.2.3 BBĐ một chiều - một chiều (xung điện áp) và hệ thống truyền động xung áp - động cơ một chiều (hệ XA - Đ)

Hình 2.5 Hệ thông điều tốc một chiều dùng xung áp - động cơ một chiều (hệ XA Ð)

Trong thiết bị truyền động đầu máy tàu hỏa chạy điện, đầu máy xe điện ham mỏ, đầu máy xe điện ngầm thường dùng động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp hoặc

22

; 2 R

kich thich hĩn hop, nguồn điện cung cấp ở đđy thường lă nguồn điện âp một chiều có giâ trị không đổi Trước kia, người ta dùng câch đóng cắt điện trở để khởi động vă hêm xe điện, điện năng tiíu tốn rất lớn ở điện trở Bân dẫn tiristor cũng có thể được dùng để khống chế điện âp một chiều, đó chính lă bộ biến đổi một chiều ~ một chiều, hay còn gọi lă bộ điều âp một chiều hoặc xung điện âp

Sơ đồ nguyín lý cơ bản của hệ XA — Ð được biểu diễn trín hình 2.5 Sự khâc biệt của nó so với mạch chỉnh lưu lă: ở đđy tiristor T lăm việc ở trạng thâi đóng mở; lúc T

mở, điện âp nguồn Ug đặt văo động cơ vă cuộn khang CK; lúc T khóa (cắt), nguồn điện một chiều được cắt khỏi động cơ, khi đó dòng điện động cơ được duy tri qua didt Dọẹ nhờ năng lượng tích lũy trín điện cảm cuộn khâng CK, điện âp dau ra BBD gan bang không Việc khóa tiristor trong BBĐ năy được thực hiện bằng một mạch khóa cưỡng bức Cả tiristor T vă thiết bị khóa được điều khiển bởi câc xung lấy từ dầu ra khđu phât xung FX Quâ trình được lặp đi lặp lại mang tính chất chu kỳ, dạng điện âp đầu ra bộ biến đổi (điện âp đặt văo động cơ vă CK) u¡ = f{t) được biểu diễn như trín hình 2.6 Như vậy điện ẩ trung bình trín mạch rotor động cơ sẽ lă (thănh phần một -chiều của uy):

Hình 2.6 Dạng điện âp trín động cơ của hệ thống điều tốc

một chiều dùng xung âp - động cơ một chiều (hệ XA — Ð)

Câc bộ biến đổi một chiều - một chiều dùng tiristor thường được thiết kế lăm việc với tần số đóng cắt cỡ từ 100 đến 300Hz Việc điều chỉnh giâ trị trung bình điện

âp dau ra Urp được thực hiện bằng việc điều khiển thời gian mở của tiristor T vă thường sử dụng một số phương phâp điều khiển sau:

1 Giữ chu kỳ xung Te không đổi, chỉ điều chỉnh thời gian mở tạ của tiristor T trong mỗi chu kỳ, tức lă điều chỉnh độ rộng xung Phương phâp năy được gọi lă phương phâp điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation), gọi tắt lă PWM

2 Giữ thời gian mở tạ của tiristor T trong mỗi chu kỳ không đổi, chỉ điều chỉnh chu ky xung Tox, tức lă diĩu chinh tan sĩ xung Phuong phap năy được gọi lă phương phâp diĩu chĩ tan sĩ xung (Pulse Frequency Modulation), goi tat la PFM

3 Điều khiển kiểu hai điểm: Khi dòng điện phụ tải nhỏ hơn một trị số tối thiểu năo đó, khống chế mở T; lúc dòng điện đạt tới một trị số cực đại năo đó, thực hiện

23

khóa T Thời gian mở và khóa dều không xác định

Do tần số đóng — cắt (mở — khóa) cho phép của tiristor không cao, nên xung dòng điện đầu ra có mức độ đập mạch lớn ảnh hưởng đến chất lượng điều chỉnh và phạm vi điều chỉnh tốc độ Ngoài ra, mạch điện khóa cưỡng bức tiristor cũng làm tăng kích thước và độ phức tạp của thiết bị Để đáp ứng yêu cầu của mạch điện đóng mở công suất lớn, từ thập kỷ 70 lại đây, người ta đã nghiên cứu chế tạo ra nhiều loại linh kiện và thiết bị điện tử công suất lớn điêu khiển hoàn toàn, vừa khong chế được quá trình mở vừa không chế được quá trình khóa, chẳng hạn như tiristor điều khiển hoàn toàn (GTO

~ Gate Turn Off), transistor higu tng trường có công suất lớn (P - MOSFET), IGBT, v.v Tần số đóng cắt cho phép của các linh kiện điều khiển hoản toàn cao, nên có thể tạo ra chuỗi xung đầu ra tần số 2.5 + 5 kHz, thậm chí có thể tới 20 kHz Với các hệ thống công suất nhỏ và trung bình hiện nay chủ yếu sử dụng các BBĐ xung áp điều chế

độ rộng xung sử dụng các dụng cụ điều khiến hoàn toàn và thường dùng IGBT (hệ PWM - Ð) Các hệ thống công suất lớn và cực lớn vẫn phải dùng tiristor

So sánh với hệ thống T —Ð thì hệ thống PWM ~ Ð có những ưu điểm sau đây:

1 Do tần số đóng cắt của BBĐ dùng PWM khá cao, nên chỉ cần điện cảm cuộn dây rotor cũng đủ để dòng điện động cơ tương đối bằng phẳng, cho phép tăng chất lượng và phạm vi điều tốc khá rộng, có thé dat tới xấp xi 10000 : 1 Do chất lượng đòng điện hệ PWM - Ð tốt hơn hệ thống T — D, cung mot gia trị dòng điện trung bình tức là cùng một giá trị mômen điện từ đầu ra như nhau, thì tốn hao và phát nhiệt của động cơ trong

hé PWM - Ð nhỏ hơn

2 Nhờ tần số đóng cắt cao, nên có thể đạt được độ tác động nhanh cao

3 Do các linh kiện điện tử công suất làm việc ở trạng thái đóng mở, tôn hao của mạch điện chính khá nhỏ, hiệu suất của thiết bị tương đối cao

Để tạo ra nguồn một chiều cung cấp cho BBĐ xung điện áp khi lưới điện là hệ thống điện áp xoay chiều hình sin có thể sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu, thường là chỉnh lưu không điều khiển bằng điôt và mắc theo sơ đồ cầu ba pha Cấu trúc tổng thể của

hệ trong trường hợp này được mô tả trên hình 2.7

Hình 2.7 Hệ thống điều tốc một chiều dùng chỉnh lưu

điôt + xung áp - động cơ một chiều (hệ XA — B)

24

2.3 NHU’NG VAN DE DAC BIET CUA HE THONG CHINH LUU TIRISTOR - ĐỘNG CƠ (HỆ T - Ð)

Hệ thống T - Ð chính là mạch điện chỉnh lưu có điều khiển dùng tiristor với phụ

tải điện trở (Ra), điện cảm (La), sức điện động (Ea hay Ep); nguyên lý mạch điện, đồ thị điện áp, dòng điện, đường đặc tính của nó đã được trình bày trong các tài liệu về Điện tử công suất và Truyền động điện Có thể rút ra một số vấn đề đặc biệt của hệ thống T — Ð như sau:

1 Mạch tương đương hệ T - D;

2 Sự đập mạch của dòng điện chỉnh lưu và biện pháp hạn chế nó;

3 Tính liên tục và gián đoạn của đề thị đòng điện;

4 Đặc tính cơ của hệ thống T - Ð

2.3.1 Mạch tương đương hệ T - Ð và việc điều chỉnh điện áp dau ra BBD Với hệ thống T - Ð, nếu ký hiệu uạ là điện áp đầu ra BBĐ (cũng là sức điện động

chỉnh lưu tire thoi) va Ug la gia trị trung bình, tức là thành phần một chiều của uạ, thi so

đồ thay thế hệ T — Ð được biểu diễn bởi hình 2.8, phương trình cân bằng điện áp tức thời được viết dưới dạng:

ty =Rịjy +, S8 + Eạ (2.2)

trong đó:

Lạ — tông điện cảm của mạch điện chính, gồm điện cảm cuộn kháng CK, điện cảm các cuộn dây trong mạch phần ứng động cơ;

Rạ - tổng điện trở tương đương của mạch điện chính, bao gồm điện trở trong của

bộ chỉnh lưu (được xác định bằng biểu thức: (R; + obs) với sơ đồ chỉnh lưu hình

ig - gia tri tức thời của dòng điện chỉnh lưu;

œ — tần số góc của điện áp nguồn xoay chiều;

R¿, L¿ - điện trở, điện cảm một pha nguồn xoay chiéu quy đổi về thứ cấp máy

biến áp cung cấp cho bộ chỉnh lưu is Re Lạ

Lây tích phân đôi với uạ sẽ nhận được giá trị >——T——~~-

trung bình Ủa của bộ chỉnh lưu khi không tải lý

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu phụ QO Eo t)

thuộc vào góc điều khiển œ là đặc điểm chủ yếu

của bộ chỉnh lưu tiristor Quan hệ giữa Uạ và điều

khiển œ thay đổi theo loại sơ đồ chỉnh lưu Đối với

các sơ đồ chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn, khi đồ Hình 2.8 Mạch điện tương thị dòng điện là liên tục, thì quan hệ giữa Ua theo œ đương của hệ T - Ð

25

được biểu thị dưới dang:

U,= 1U, sin cosa = U,, cosa

7 “q trong đó: a — góc điều khiển của bộ chỉnh lưu, là góc tính từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm xuất hiện xung trên cực điều khiển của tiristor;

Um — biên độ điện áp nguồn cung cấp, là biên độ điện áp pha với sơ đồ hình tia va

là biên độ điện áp dây đối với sơ đồ chỉnh lưu hình cầu, đây cũng chính là giá trị cực

đại của điện áp chỉnh lưu uạ khi œ =0;

(2.3)

Udo = 2,Ussn| | là s.đ.đ chỉnh lưu trung bình khi œ = 0; T q

q ~ SỐ lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ nguồn xoay chiêu, tức là sô xung điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ điện nguồn xoay chiều

Đôi với các sơ đỗ chỉnh lưu khác nhau, giá trị các đại lượng trên cho trong bảng 2.1 Bảng 2.1

Sơ đồ chỉnh lưu Cầu một pha, Tia ba pha Cầu ba pha Tia sáu pha

nỗi kiểu A, còn bộ kia nối kiểu Y, làm cho góc pha điện áp đầu ra lệch nhau 30”, tổng

cộng tạo thành mạch điện chỉnh lưu có

mạch của dòng điện đầu ra

q = 12 (hình 2.9), nhờ vậy làm giảm sự đập

Do đặc thù của cầu tạo mạch điện chỉnh lưu này, nên hệ thức (2.3) không còn phù hợp nữa Đôi với mạch điện hai câu mặc song song kèm bộ điện kháng cần băng (hình 2.9a), công thức Ủạ = f(a) sẽ là:

Ua = 2,34U¿cosœ (2.4)

Đối với mạch điện hai cầu nối tiếp (hình 1 — 9b), công thức Ủa = f(a) sẽ là:

2.3.2 Sự đập mạch của dòng điện chỉnh lưu và các biện pháp hạn chế

Số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ nguồn q=2,3,6, , phụ thuộc vào loại sơ đồ chỉnh lưu, con số này bị hạn chế và nhỏ hơn rất nhiều so với số lượng phiến góp dưới mỗi cực của máy điện một chiều Trừ khi điện cảm của mạch điện chính La —> œ, còn không thi dòng điện của hệ thống T - Ð bao giờ cũng có sự đập mạch, dạng dòng điện động cơ của hệ thống này xấu hơn rất nhiều so với hệ thông

F — D Su dap mach cua dòng điện gây nên các tác động:

1 Mômen đập mach gay bat lợi cho máy công tác

2 Xuất hiện các sóng hài bậc cao trong đòng điện lưới ảnh hưởng đến dạng điện

áp lưới và gây nhiễu cho các thiết bị khác, đồng thời cũng làm cho động cơ phát nhiệt nhiều hơn Khi sử dụng hệ thống T - Ð, trước tiên cần xem xét vẫn đề khống chế xung dòng điện, giảm mức độ đập mạch của dòng điện, các biện pháp chủ yêu:

— Tăng số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu bằng cách tăng số pha, sử dụng sơ

đồ cầu và sơ đồ liên hợp

— Tăng điện cảm trong mạch tải của bộ chỉnh lưu bằng cách lắp bộ điện kháng san bằng trong mạch phan ứng động cơ

— Sử dụng sơ đồ chỉnh lưu có điôt

Giá trị điện cảm của bộ điện kháng san bằng nói chung được chọn theo điều kiện bảo đảm dòng điện liên tục khi tải nhỏ và tốc độ thấp, thông thường cho trước dòng điện cực tiêu lạmin (A), sử dụng nó để tính toán giá trị điện cảm tổng yêu cầu Lạ (mH) Đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn:

Gia tri lamin n61 chung lay bang 5% +10% dong dién dinh mức của động cơ

2.3.3 Tinh liên tục và gián đoạn của dòng điện

Do đặc tính dạng xung của điện áp đầu ra sơ đồ chỉnh lưu, kết hợp đặc tính tải có s.đ.đ nên tùy thuộc vào điều kiện làm việc mà dạng dòng điện qua động cơ có thể liên tục (dòng 1a > 0, hình 2.10a) hoặc gián đoạn (dòng ia là một chuỗi các xung có các khoảng băng không xen giữa các khoảng ia> 0, hình 2.10b), day là điểm khác biệt của hệ thống T - Ð so với hệ thống F ~ Ð Lúc cuộn khang CK nối tiếp của mạch

27

điện chính của hệ thống T - Ð (mạch phần ứng động cơ) có giá trị điện cảm đủ lớn,

mà dòng điện phụ tải của động cơ cũng đủ lớn, thi dé thi dòng điện chỉnh lưu có thê liên tục (hình 2.10a) Trường hợp giá trị điện cảm CK nhỏ mà phụ tải khá bé, năng lượng tích lũy trong trong điện cảm của CK nhỏ, khi điện áp của pha nôi với van đang

mở chuyển sang âm (điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu chuyển sang âm), năng lượng tích Itty trong CK được giải phóng để duy trì dòng tải, nhưng do năng lượng CK tích lũy được nhỏ nên nó sẽ giảm nhanh về không, tức là dòng qua nó cũng giảm về bằng

không trước khi mở van ở pha kế tiếp, do vậy xuất hiện các khoảng dòng điện tải bộ

chỉnh lưu bằng không, khi đó dòng tải sẽ gián đoạn (hình 2.10b) Sự gián đoạn của dòng điện làm cho phương trình mô tả hệ thống bằng giá trị trung bình sẽ gặp khó khăn về nhân tố phi tuyến, tạo nên đặc trưng phi tuyến cơ học và một số vấn đề khác

trong vận hành hệ thống Nói chung, hiện tượng dòng điện gián đoạn là điều không

mong muốn trong hệ thống truyền động T — Ð

ig

Hình 2.10 Dạng dòng diện động cơ ở chế độ dòng liên tục (a) và dòng gián đoạn (b)

2.3.4 Đặc tính cơ của hệ thống tiristor - động cơ điện một chiều

Trong chế độ dòng điện liên tục, phương trình đặc tính cơ điện của hệ thống T — D là:

- ] U.-LR.)= 1 q 7

trong đó:

Ce = Ke bam — hé sé site dién động của động cơ với từ thông định mức

Đại lượng Ug trong về phải của biểu thức (2.9) đã trình bày ở mục 2.3.1

Thay đôi góc điêu khiến œ, sẽ nhận được một họ đường thẳng Song song, như trên hình 2.11, rất giông với đặc tính của hệ thông F — Ð Trên đường đặc tính cơ điện, đoạn dòng điện trung bình nhỏ được vẽ thành nét n

đứt, bởi vì lúc đó dòng điện có thể bị gián †

đoạn, quan hệ (2.9) sẽ không còn phù hợp nữa — | An

Kệt luận trên chứng tỏ răng chỉ cần dòng điện a

liên tục thì bộ chỉnh lưu điều khiển tiristorcó Ƒ*>= _

thể coi là một nguồn điện áp tuyến tính điều pe

khiên được Trong trường hợp dòng điện gián q

đoạn, phương trình đặc tính cơ điện của hệ T — 0 E——— M, la Me,

Ð phức tạp hơn rất nhiều Chọn trường hợp sơ >

đô chỉnh lưu hình tia 3 pha làm ví dụ, đường Hình 2.11 Đặc tính cơ hệ T - Ð ở

đặc tính cơ điện khi dòng điện gián đoạn phải chế độ dòng tải liên tục (œ < œạ< oạ) dùng hệ phương trình sau đây để biểu diễn:

28

⁄2U, cosglsi| vatn—o)-sinl 7 cá sp}

Rg

% — góc dẫn của van (góc điện tương ứng với thời gian tồn tại một xung dòng điện tải bộ chỉnh lưu)

Khi cho biết trị số góc trở kháng ọ, đối n Vùng dòng gián

với các góc điều khiển œ khác nhau, có thể đoạn

tìm được một họ đường đặc tính ứng với chế [~———

độ dòng điện gián đoạn Chế độ này ứng với

a< 2z khi gó = 2m ì đè +A 2 Vung dond ign we `

3” 1 ĐÓC À, 3 thi dong điện trở 0 M

hoàn chỉnh của hệ thống T - Ð, trong đó a

gồm cả trạng thái chỉnh lưu và trạng thái Hình 2.12 Đặc tính cơ hệ T - Ð khi làm nghịch lưu, vùng liên tục và vùng gián việc trong hai góc phản tư (tải thế năng)

đoạn Từ hình vẽ có thể thấy, khi dòng điện

liên tục thì đường đặc tính tương đối cứng, còn khi gián đoạn thì lại rất mềm và thể hiện rõ nét phi tuyến, tốc độ quay không tải lý tưởng tăng lên khá cao và đặc tính cơ

là đường cong

Nói chung, khi phân tích hệ thông điều

tốc có điện cảm mạch điện chính đủ lớn, chỉ

cần khảo sát đoạn liên tục và có thể dùng

đường kéo dài của nó (trong hình vẽ biểu thị

bằng đường nét đứt) để khảo sát gần đúng

đoạn đặc tính của hệ thống ở vùng dòng

gián đoạn Đối với trường hợp đặc tính gián — | FEEDS

đoạn khá rõ nét, thì sẽ xuất hiện sai lệch khá

lớn, và lúc đó có thể dùng một đoạn thang

tương đối dốc để tiếp cận gần đúng với

đường đặc tính ở phần gián đoạn này (hình

2.13) Việc này tương đương với thay đổi

tổng trở Rạ thành một điện trở tương đương

R'4, mà trị số của nó có thé tính ra được từ đường đặc tính thực nghiệm Trường hợp

đặc biệt thì trị số R'q có thể lớn gấp may chuc lần điện trở thực tế Rạ

2.4 CHÉ ĐỘ TĨNH CỦA HỆ ĐIỀU CHỈNH TÓC BO DONG CO MOT CHIEU 2.4.1 Chất lượng của hệ thống hở và những vấn đề tồn tại

Với hệ thống T - Ð cho trên hình 2.3, nếu ta điều chỉnh trực tiếp điện áp điều khiển của bộ phát xung FX bằng việc dịch con trượt trên chiết áp để điều chỉnh tốc độ quay động cơ thì hệ thống là hệ thống điều tốc điều khiển vòng hở (hệ thống hở) Nếu không có yêu cầu cao đối với sai lệch tĩnh, thì hệ hở cũng có thê thực hiện điều tốc vô cập trong một phạm vi nhất định Nhưng vì trong thực tế, phan lớn máy sản xuất ngoài yêu cầu điều chỉnh tốc độ vô cấp, còn có yêu cầu nhất định đối với sai lệch tĩnh Chăng hạn như máy bào giường, do bề mặt của chỉ tiết gia công không bằng phăng, lúc gia công phụ tải đao động, nhưng để đảm bảo độ chính xác gia công và độ bóng bề mặt, tốc độ không cho phép biến động quá lớn, thông thường yêu cầu phạm

vi tốc độ D = (20 + 40) : 1, sai lệch tĩnh s,% < 5% Cũng như thế, ở máy cán thép nóng, các trục cán được dẫn động độc lập, phôi cán bị nén ép đồng thời trên nhiều giá cán, yêu cầu tốc độ thép ra sau các giá cán phải giữ được một tý lệ nhất định và rất nghiêm ngặt, nhằm bảo đảm lưu lượng từng giây của kim loại đang cán qua các giá đều như nhau, tránh hiện tượng chùng gập hoặc kéo đứt vật cán Căn cứ vào yêu câu công nghệ, khi phạm vi điều tốc là D = 10 : 1, thì sai lệch tĩnh phải giữ ở mức 3% < 2% + 5%

Trong những trường hợp như thế, hệ thống điều tốc vòng hở không thể thỏa mãn yêu câu Có thê lấy ví dụ minh hoạ: Một máy bào giường dùng động cơ một chiều có thông số định mức 60 kW, 220V, 305 A, 1000 vg/phut và có yêu câu D =20 : l1; St

< 5% ; néu sit dung hé théng T — D, cho truéc tong tro mach chinh Rg = 0,18 Q, hé sé s.d.d déng co C, = 0,2V phut/vg, khi dòng điện liên tục, độ sụt tốc độ ở phụ tải định mức là:

= 2,63(vg/ phut)

30

2.4.2 Hệ điều tốc có phan hồi âm tốc độ và đặc tính tĩnh của hệ

Hình 2.14 Hệ điều tốc vòng kín có phản hồi âm tốc độ

Sơ dé nguyên lý hệ thống biểu diễn trên hình 2.14, trong đó:

— Ð là động cơ một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ là CKĐ |

~ BÐ là bộ biến đổi, tùy theo từng hệ thống cụ thể, BĐÐ có thể là bộ biến đổi máy

điện (các hệ thống trước đây), có thể là bộ chỉnh lưu điều khiển dùng tiristor,

— KD la khâu khuếch đại, thường được gọi là bộ khuếch đại trung gian, trong hệ

thông thực tế thì đây là bộ điều chinh có hệ số khuếch đại tĩnh là Kẹp

- FT là máy phát tốc dùng dé lấy tín hiệu phản hồi âm tốc độ

— uea là tín hiệu đặt, thường được gọi là tín hiệu (điện áp) chủ đạo; +n là tín hiệu

phán hồi tốc độ, vì phản hồi này là âm (tác động ngược chiều tín hiệu chủ đạo) nên

trong sơ đồ có dấu “—”; ug là tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại trung gian (bộ điều

chỉnh) được dùng đê điều khién BD

Từ sơ đồ hình 2.15 ta có:

+ Tín hiệu điều khiển BĐ: uay = Kp.(uca — yh)

+ Sức điện động ra của BĐ: Eị = Kbg.uak = Kb Kkp.(tea — yn) khi giả thiét la hé sé

khuếch đại tĩnh của BĐ là hằng số (tuyến tính) và bang Ky

+ Phương trình đặc tinh cơ an hệ thống là:

1a Keo KoKo tes Ko (Ry + Ryu _ Kiley Kp (Ry + Rv) (2.12)

với: K = Kep.Kẹ.Kp được gọi là hệ số khuếch đại hệ thống hở;

31

Kp = = t là hệ số khuếch đại của động cơ

Với hệ điều tốc vòng kín có phản hồi âm tốc độ (y # 0) thì độ sụt tốc độ (An) sẽ

giảm khi tăng y.K, tức tăng hệ số phản hồi hoặc tăng hệ số khuếch đại hệ thống hở

Nếu đạt điều kiện y.K —> œ thì An -> 0 (không còn sai lệch, đặc tính tuyệt đối cứng)

Hình 2.16 Hệ điều tốc vòng kín có phản hồi âm điện áp

Sơ đồ nguyên lý hệ thống trên hình 2.16, trong sơ đề để lấy tín hiệu phản hồi âm điện áp ta sử dụng bộ phân áp bằng chiết áp R, œ là hệ số phản hồi điện áp Các phần

tử khác tương tự như mục 2.4.2 Sơ đồ khối (cấu trúc) của hệ thống ở chế độ xác lập (ôn định) được biểu diễn trên hình 2.17

Hình 2.17 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định (a) và đặc tính cơ điện (b) của hệ điều

_ tốc vòng kín có phản hồi âm điện áp 1) Đặc tính tự nhiên; 2) Đặc tính hệ kín; 3) Đặc tính hệ thống hở

Phương trình đặc tính cơ điện của hệ thống kín là:

Từ (2.15) có thể rút ra: Khi tăng a Kp-Kp, tire tăng hoặc hệ số phản hồi âm diện

áp (có giới hạn), hoặc tăng hệ sô khuếch đại của bộ kuêch đại trung gian, hoặc tăng

hệ số khuếch đại của BBĐ thì déu lam giảm sai lệch tốc độ (An) Khi œ.Kkp.Kbp —> œ

thì:

An =R, Ky Tym

Tức là sai lệch tốc độ bằng sai lệch tốc độ của đặc tính tự nhiên

2.4.4 Hệ điều tốc có phản hồi dương dòng điện và đặc tính tĩnh của hệ

Sơ đồ nguyên lý hệ thống trên hình 2.18, trong so dé, để lấy tín hiệu phản hồi

dương dòng điện ta sử dụng điện trở sun R; (nhiêu trường hợp là điện trở cuộn bù và

cuộn cực từ phụ), B là hệ số phản hôi dương dòng điện Các phân tử khác tương tự

Từ sơ đỗ nguyên lý hình 2.17, ta có thể thiết lập được các biểu thức:

E, =u, Kyp-Ky =U Kens Uy = Ua + Bly

Từ (2.16), có thể rút ra: Khi tăng hệ số phản hồi dòng (B), hoặc tăng hệ số khuếch

đại của bộ khuếch đại trung gian (K«p), hoặc tăng hệ số khuéch dai BBD (Kp) thi sai

33

Bis

lệch tốc độ (An) sẽ giảm Khi dat diéu kién R, + Rp + Ry = B.Kkp.Kb thì An = 0 (đặc

tính tuyệt đối cứng) Nhưng nêu B.Kep.Kp> R; + Rụ + Ry thì An < 0, hệ có đặc tính không ôn định (hình 2.18a)

Hình 2.19 Hệ điều tốc vòng kín có phản hồi âm điện áp và dương dòng điện

Sơ đồ nguyên lý hệ thống biểu diễn trên hình 2.19, sơ đồ khối của hệ thông ở chế

độ ôn định (xác lập) được mô tả trên hình 2.20

Hình 2.20 Sơ đồ cấu trúc trạng thái Gn định của hệ điều tốc vòng kín có phản

hoi am điện áp và dương dòng điện

Từ so đồ khối hình 2.20 ta có các biểu thức (trong trường hợp này ta giả thiết bỏ qua R; vì thường có giá trị rất nhỏ, mặt khác nếu sử dụng một số phương pháp lấy tín

34

hiéu dong kiéu khac thi R, = 0):

Wak = Kxp.(Ueg + Bly -—aUyg) và Eu= Kop Uax

U, = Ep — Rola = Ep + Rula = ¬.`

Ky

Ta có phương trình đặc tính cơ điện của hệ thống kín là:

n= KgøK,Kpgu¿ _Rj+R,d+edE¿,K,)T BK¿pK 1+aK, )K, l+ak pK,

Sai lệch (độ sụt) tốc độ khi dòng động cơ bằng định mức:

An= R, +R, +aK,5K,)-BK pK, Kolon (2.18)

1+aKy 5K,

Từ biểu thức (2.18), có thể thấy rằng khi tăng hệ số phản hồi áp, hoặc tăng hệ số

phản hồi dòng ở giới hạn nhất định thì sai lệch tốc độ giảm Trong một số trường hợp,

khi lựa chọn phù hợp hệ số phản hồi áp (œ) và hệ số phản hồi dòng (B) thì sự phối hợp

ˆ hai phản hồi này tương đương phản hồi âm tốc độ, biện pháp này cho phép đơn giản hóa

thiết bị lấy tín hiệu phản hồi mà lại đảm bảo hệ có phản hồi tương đương với phản hồi

âm tốc độ (thường gọi là phản hồi âm tốc độ đẳng trị), là loại tín hiệu phản hồi cho chất

lượng tốt nhất đối với hệ ĐCTĐTĐĐ duy trì tốc độ theo lượng đặt trước không đổi

2.4.6 Hệ điều tốc vòng kín với phản hồi âm tốc độ và âm dòng điện có ngắt

2.4.6.1 Khái niệm

Khi sử dụng các phản hồi âm tốc độ, hoặc âm điện áp, hoặc dương dòng điện, hoặc

âm áp dương dòng hỗn hợp trong hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ một chiều kích từ độc

lập thì sẽ nâng cao độ cứng đặc tính cơ điện và đặc tính cơ, tức là giảm sai lệch tốc độ,

dẫn đến tăng độ chính xác duy trì tốc độ, tăng phạm vi điều chỉnh Tuy vậy, với việc sử

dụng các phản hồi tăng độ cứng đặc tính cơ dẫn đến mômen ngắn mạch tăng, gây nên

quá dòng quá mức khi khởi động, hãm, đảo chiều và khi quá tải Để khắc phục các

nhược điểm đã nêu của các phản hồi nâng cao độ cứng, người ta sử dụng phối hợp thêm

vào hệ một tín hiệu phản hồi khác là phản hồi âm dòng điện có ngắt

Hình 2.21 Hệ ĐCTĐTĐĐ có phản hồi âm tốc độ và âm dòng điện có ngắt

Trong sơ đồ hình 2.21, ngoài các phần tử có chức năng như đã giới thiệu ở các sơ

đồ trước, trong sơ đồ này còn có một bộ phận được biểu diễn băng một khôi ký hiệu

35

a

là KN (khâu ngat), khau nay cé d&c tinh la khi trén dau vao co tin hiéu Bly vdi tri

tuyệt đối nhỏ hơn một lượng nhất định được gọi là tín hiéu ngdt (Ung = Blng) thi tin

hiệu đầu ra bằng không, khi giá trị tuyệt đối tín hiệu vào vượt quá giá trị tuyệt đối tín

hiệu ngắt thì đầu ra có tín hiệu 1a —B(Ig — Ing)

Khối khuếch đại KÐ trong thực tế có thể có một hoặc một số tầng khuếch đại

Các tín hiệu vào của khối này gồm uca, —yn, Ba — Ïng) có thể đưa chung vào một khôi đầu vào, cũng có trường hợp các tín hiệu này đưa vào các khối khác nhau: tín

hiệu u¿q và —yn được tổng hợp ở khối đầu vào, tín hiệu ra của khối đầu vào được tổng

hợp với tín hiệu phản hồi âm dòng có ngắt (—B(Œa — Inạ)) ở khối tiếp theo, tương ứng

với từng trường hợp nguyên lý hoạt động của hệ có các điểm khác nhau va so dé khối của hệ cũng khác nhau

2.4.6.3 Trường hợp khi các tín hiệu được tổng hợp chung ở khối đầu vào

Khi bỏ qua R, co gia tri rất nhỏ so với các điện tro Ry va Ry, ta co:

Uy = Ep - Rp.Ig = Ep + Ry.lạ = ponte

điện của hệ thống kín là:

+ Đoạn 1, khi AI < 0, tức là lạ <I„; (biểu thức 2.19)

n= KroKy Kyu ~Ky(RytR,)Iy_ Ku Ky(R,+R,),

36

+ Đoạn 2, khi AI > 0, tức là lạ > Ing (biểu thức 2.20)

= Kyo ky Kpu.y +BK, )K,KyI,, _ (BKK, + Ry + R„)K

Sai léch (d6 sut) téc d6 khily< Ing hoan nạ

toàn tương tự trường hợp hệ có phản hồi âm

tốc độ, vì lúc này khâu phản hồi âm dòng có

ngắt chưa tác động Khi lạ > I„; thì có sự

tham gia của phản hồi âm dòng có ngắt nên

sai lệch tốc độ tămg lên, tốc độ động cơ sẽ

giảm nhanh khi dòng động cơ tăng (đặc tính

tĩnh hình 2.23) Khi lựa chọn hệ số phản hồi

âm dòng B phù hợp (thường kết hợp với việc 0

tính chọn hệ số khuếch đại của bộ khuếch êm Tag tags lage lụt là

đại trung gian) sẽ cho ta dòng ngắn mạch Hình 2.23 Đặc tính cơ điện của

theo yêu cầu, đảm bảo sự hạn chê phụ tải hệ ĐCTĐTĐĐ có phản hoi am toc độ và âm dòng có ngắt khi sử

trong chế độ tĩnh cũng như chế độ động dụng khâu tổng hợp un u tông hợp chung ch

Phân tích phương trình và đặc tính của

hệ cho thấy, khi cần tăng độ dốc đoạn đặc tính có phản hồi dòng ta phải tăng hoặc Kxp, do giai đoạn này tín hiệu phản hồi tốc độ vẫn tác động mà ảnh hưởng của nó lại ngược với phản hồi dòng nên nhiều trường hợp phải tăng hệ số Kp quá lớn, dễ gây

Hinh 2.24 So đồ khối của hệ ĐCTĐTĐĐ có phản hồi âm tốc độ và âm dòng điện có

ngắt với các tín hiệu được tổng hợp riêng rẽ các tín hiệu vào của hệ

Trong trường hợp này, bộ khuếch đại trung gian được chia làm hai khâu nối tiếp

nhau Khâu thứ nhất thực hiện tổng hợp điện áp chủ đạo với tín hiệu phản hồi âm tốc

độ, có hệ số khuếch đại là K„ Khâu thứ 2 tổng hợp tín hiệu ra của khâu thứ nhất (uayi) với tín hiệu phản hồi âm dòng điện có ngắt và có hệ số khuếch đại là Ky Hệ số khuếch

đại tổng của bộ khuếch đại là Kẹp = K„.Ki Hiện nay, các bộ khuếch đại trung gian thường được thực hiện từ các khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại lớn nhưng lại

37

có đặc tính bão hòa khi tín hiệu vào lớn Do vậy khi tín hiệu phản hồi âm đòng có ngắt

tác động mạnh (dòng lớn) thì tốc độ động cơ giảm nhiều, dẫn đến khâu Kạ sẽ bị bão hòa, lúc đó tín hiệu điều khiển BĐÐ không phụ thuộc phản hồi âm tốc độ nữa Thông

thường với các hệ này, khi dòng điện động cơ thay đổi từ 0 đến dòng điện dừng lay thì

hệ thống có 3 vùng (3 đoạn đặc tính) làm việc khác nhau: Vùng thứ nhât chỉ có tác động của phản hồi âm tốc độ; vùng thứ 2 có sự tác động của cả 2 phản hồi (khí Ia > Ing nhưng khâu Kạ chưa bão hòa); vùng thứ 3 là vùng làm việc mà khi đó khâu Kạ đã bão

hòa, hệ chỉ còn chịu tác động của tín hiệu phản hồi âm dòng điện có ngắt

Tín hiệu điều khiển bộ biến đổi:

1 uạy = Ka.Ki.(ucá — yn) = Kkp.(Ucad — yn) khi lạ < lng

2 tay = Ki.[ Ka (0es — yñ) — B-(la — Ing)] khi lạ > Iag, nhưng khâu thứ nhất của bộ

khuếch đại chưa bị bão hòa

3 uạy = Ki.[Upp — B.(la — Ing)] khi khâu thứ nhất của bộ khuếch đại bị bão hòa, và

là giá trị điện áp ra bão hòa của nó là Ủụn

Độ sụt tốc độ khi lạ < In; hoàn toàn tương tự trường hợp hệ có phản hồi âm tốc

độ, vì lúc này khâu phản hôi âm dong có ngắt chưa tác động Khi lạ > Ing thi co su tham gia của phản hồi âm dòng có ngắt nên sai lệch tốc độ tăng lên, tốc độ động cơ sẽ giảm nhanh khi dòng động cơ tăng, đặc biệt là khi khâu khuếch đại thứ nhất bị bão

hòa (đặc tính tĩnh hình 2.25) Việc lựa chọn hệ số phản hồi âm dòng B va hệ số

khuêch đại của các khâu của bộ khuếch đại trung gian để có dòng dừng (dòng ngắn mach) theo yêu câu đề dàng hơn trường hợp trước rất nhiều

38

Ucz1 Ucar > Ucđa > Lcđ3

tcđ2

Uca3

lan Íng Ibn lag

Hình 2.25 Đặc tính cơ điện của hệ ĐCTĐTĐĐ có phản hồi âm tốc độ và âm

dòng có ngắt khi sử dụng khâu tông hợp riêng ré

2.4.7.1 Bộ khuếch đại thuật toán

Từ việc nghiên cứu chế độ tĩnh của hệ truyền động động cơ một chiều với các khâu phản hồi khác nhau, có thé thấy rằng, chất lượng tĩnh của hệ thống phụ thuộc vào hệ số khuếch đại hệ thống hở và hệ số phản hồi Như vậy, với hệ có phản hồi với

hệ số phản hồi đã xác định và tham số các khâu trong hệ như BBĐ, động cơ cố định thì chất lượng của hệ phụ thuộc vào hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại trung gian Trong các hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện thường dùng bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) bằng vi mạch để xây dựng bộ khuếch đại hoặc bộ điều chỉnh của hệ thống, công dụng và chức năng của nó so với bộ khuếch đại bằng các linh kiện TỜI rạc CÓ những ưu điểm chủ yếu sau đây:

1 Hệ số khuếch đại mạch hở rất lớn cỡ 10! + 108, khi sử dụng phản hồi âm mạnh,

có thể đạt được hệ số khuếch đại điện áp với độ ô ôn định cao

2 Các loại tín hiệu đưa tới đầu vào bộ khuếch đại thuật toán là tín hiệu điện nối tiếp, xếp chồng lên nhau, tiện điều chỉnh, dễ thực hiện các thuật toán cộng, trừ, vi phân, tích phân , có thể dễ dàng hợp thành các kiểu bộ điều chỉnh

3 Điện trở đầu vào của bộ khuếch đại lớn, cỡ từ vài MO trở lên, nên mạch điện đầu vào có thể lắp nỗi tiếp điện trở vài MQ, mà không ảnh hưởng tới sự làm việc của

bộ khuếch đại Dòng điện tín hiệu vào rất nhỏ nên điện trở trong của nguồn điện và chiết áp đều có thể bỏ qua

4 Do có một đầu tín hiệu vào được nối mát nên có khả năng chống nhiễu cao

5 Điện trở đầu ra nhỏ có thê bỏ qua nên tín hiệu ra coi như không phụ thuộc tải

39

"`

2.4.7.2 Bộ khuếch đại trung gian sử dụng KĐTT

Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch đại sử dung KDTT

(hay còn gọi là bộ điều chỉnh tỷ lệ, bộ điều chỉnh P) —~—T1 ——T+—¬

được thể hiện trên hình 2.26 Đây là sơ đồ khuếch u fw

đại đảo, tức là tín hiệu đầu ra ngược pha (ngược dấu) ot] à

với tín hiệu đầu vào Trong hình 2.26, uy và uy là iv A OA |< điện áp đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại, R, là ive

điện trở mạch đầu vào, R; là điện trở phản hồi của bộ 7

khuếch đại, R¿ọ là điện trở cân bằng của đầu vào Ryo

khéng dao, dung dé giảm bớt ảnh hưởng của dòng

điện rò tới đầu vào bộ khuếch đại Trị số của Ryo

thường lấy bang trị số mắc song song của điện trở

các mạch đầu vào và điện trở phản hồi Rp, chang han

R,R vàp

R,+R,_

Lúc tính toán hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán và hàm số truyền của

bộ điều chỉnh thường sử dụng giả thiết là điện áp giữa hai đầu vào bằng không, điều này hoàn toàn có thê chấp nhận được khi hệ sô khuếch đại mạch vòng hở của bộ khuếch đại rất lớn Lúc đó, có thể cho rằng điện ap tai A trong hinh 2.26 la xp xi bằng 0 và điểm A được xem tương đương như là nỗi mát và được gọi là " nỗi mát ảo"

Do do:

Hình 2.26 Sơ đồ bộ khuếch đại đảo dùng KĐTT

Cần phải chú ý rằng, bộ khuếch đại thuật toán

thường sử dụng cách mắc theo sơ đồ khuếch đại đảo

như trên hình 2.26 nên điện áp ra ngược dấu điện áp

vào (khi khuếch đại tín hiệu một chiều), vì vậy hệ y, R

số khuếch đại có giá trị âm Điều này sẽ làm cho ©—TTTT

tính toán, thiết kế hệ thống thêm phức tạp Để tránh

sự phiền phức này, trong tính toán K; và các hệ số

tỷ lệ khác của bộ điều chỉnh đều ding gia tri duong,

quan hệ ngược pha chỉ trong van để cực tính của

mạch điện cụ thê mới xét tới; hay nói cách khác, Uy,

u; trên thực tế đều lấy giá trị tuyệt đối Từ đây về

sau nếu không có ghi chú riêng thì sử dụng quy

định này

Với sơ đồ hình 2.26, nếu muốn điều chỉnh hệ số

khuếch đại của bộ khuếch đại thì phải thay đổi giá

tri Rp Để thuận tiện cho việc điều chỉnh trơn hệ số khuếch đại, có thể dùng sơ dé hình 2 27, ở đầu ra của bộ khuếch đại sử dụng phân áp bằng chiết áp Rị, tín hiệu phản hồi âm của bộ khuếch đại lấy từ con trượt của Rị được xác định:

— Ry + R,

Điều chỉnh p là có thê thay đổi hệ số khuếch đại K;, khi tỷ số phân áp p cảng nhỏ,

hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại càng lớn, bởi vì lượng phản hồi âm sẽ bị giảm đi

Để tránh hiện tượng bộ khuếch đại báo sai, không nên điều chỉnh p đến 0, có thể ở đầu nối mát của chiết áp mắc nối tiếp một điện trở nhỏ R; (một số trường hợp là điện

2 on 2 ok 2 A A + TA 2 x A = 1 tA 2 7

tro diéu chinh duoc — biên trở), nêu trị sô của điện trở này lây băng ọ điện trở của

chiết áp, thì tối đa có thể tăng hệ số khuếch đại lên 10 lần (so với sơ đồ hình 2.26)

Hình 2.28 Sơ đồ bộ khuếch dùng KĐTT có hai tín hiệu vào:

a) Sơ đồ nguyên lý: b) Sơ đồ cấu tric khi Ry; # Rye; c) Sơ đồ cấu trúc khi R„¡ = Rye

Trong hệ thống điều khiến tự động, thường phải tổng hợp một số tín hiệu, chăng hạn như tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi, có thể dùng phương pháp mắc song song như trên hình 2.28a Trên hình 2.28a, đầu vào đảo của khâu khuếch đại có hai tín hiệu

là tín hiệu đặt hay thường gọi là điện áp chủ đạo uca và tín hiệu phản hồi âm tốc độ

—yn Khi xem điện áp giữa đầu vào đảo so với mát xấp xi bằng không, có thé rút ra: