TS Trần Xuđn Minh (Chủ biín) PGS.TS Nguyín Như Hiền
Giâo trình
TỎNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ
(Dùng cho câc trường dao tạo hệ Đại hoc kỹ thuật)
Trang 3LOI NOI DAU
Tổng hợp hệ điện cơ lă môn học chuyín ngănh của ngănh Tự động hóa, đđy có thể xem lă kiến thức tổng hợp của nhiều học phần cơ sở ngănh vă chuyín ngănh Trong nhiều năm qua, đê có khâ nhiều tăi liệu trong vă ngoăi nước đề cập đến câc kiến thức thuộc lĩnh vực
năy, tuy nhiín một giâo trình chuẩn vă đầy đủ phù hợp với chương trình đăo tạo kỹ sư điện
chuyín ngănh Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp còn thiíu Nhằm đâp ứng yíu cầu đổi mới
chương trình dao tạo, đặc biệt lă đăo tạo theo hệ thống tín chỉ, một số cân bộ của bộ môn
Tự động hóa - khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thâi Nguyín tiến hănh
biín soạn giâo trình môn học Tổng hợp hệ điện cơ
Giâo trình năy còn lă tăi liệu tham khảo quan trọng cho sinh viín một số chuyín ngănh
khâc vă câc học viín cao học tự động hóa
Giâo trình gồm 10 chương theo chương trình môn học của ngănh: Chương 1 Những khâi niệm vă chỉ tiíu 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 âp);
Chương 6 Hệ thông tùy động vị trí;
Chương 7 Câc loại hình cơ bản của hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ - Hệ thống điều tốc điều chỉnh điện âp;
Chuơng 8 Hệ thông điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ bằng phương phâp thay đồi tan sĩ;
Chương 9 Hệ thống điều tốc nối cắp động cơ xoay chiều không đồng bộ rotor dđy
quan: :
Chương 10 Hệ thông điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều đồng bộ bằng phương phâp điều chỉnh tần số
Do điều kiện tăi liệu tham khảo bị hạn chế nín giâo trình năy chắc chắn còn nhiều thiếu sót, mong bạn đọc vă câc đồng nghiệp thông cảm vă cho ý kiến đóng góp để giúp chúng tôi
hoăn thiện được nội dung giâo trình năy Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về bộ môn Tự động
hóa, khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thâi Nguyín hoặc gửi về công ty Cổ phần sâch Đại học vă Dạy nghề - Nhă xuất bản Giâo dục Việt Nam, 25 Hăn Thuyín, Hă Nội
Xin chđn thănh cảm ơn
*
Trang 4Chuong 1
NHỮNG KHÂI NIỆM VĂ CHÍ TIỂU CƠ BẢN CỦA HỆ ĐIỆN CƠ
4.1 KHÂI NIỆM CHUNG VỀ HỆ ĐIỆN CƠ 1.1.1 Khâi niệm chung
Hệ điện cơ lă câc hệ thống dùng để biến đổi điện năng thănh cơ năng vă khống
chế tự động cơ năng đó
Phần cơ bản của hệ điện cơ lă hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện (ĐCTĐTĐĐ)
Mục tiíu cơ bản của hệ ĐCTĐTĐĐ lă phải đảm bảo giâ trị yíu cầu của câc đại lượng điều chỉnh mă không phụ thuộc tâc động của câc đại lượng nhiễu lín hệ điều chỉnh Hệ thống ĐCTĐTĐĐ có cấu trúc chung được trình bảy trín hình 1.1 NL (Nhiễu loạn) : YA SSSR ee << —<—— Hình 1.1 Cấu trúc chung của hệ ĐCTĐTĐĐ BL
Trong hinh 1.1, D lă động cơ điện dùng để truyền động cho mây sản xuất (MSX), BĐ lă thiết bị biến đổi điện năng, toăn bộ câc thiết bị trín được gọi lă phần lực Câc thiết bị đo lường DL vă bộ điều chỉnh R được gọi lă phần điều khiển Tín hiệu đầu văo hệ thống THĐ dĩ điều khiển hệ thống được gọi lă tín hiệu đặt (chủ đạo), NL lă câc tín hiệu nhiễu (nhiễu loạn) tâc động lín hệ
Động cơ điện lă khđu lăm nhiệm vụ biến đổi điện năng thănh cơ năng để cung cấp cho mây sản xuất, động cơ điện có thể lă động cơ một chiều, động cơ xoay chiều
khong dĩng bộ vă đồng bộ, câc loại động cơ bước,
Bộ biến đôi BÐ trong hệ thống thường có hai chức năng: Chức năng thứ nhất lă biến đổi năng lượng điện từ dạng năy sang dạng khâc, thích ứng với động cơ truyền động; chức năng thứ hai lă mang thông tin điều khiến để điều khiến câc tham số đầu ra của bộ biến đôi (như công suất P, điện âp U, dòng điện I, tan sĩ f, )
Trang 5đại lượng dầu ra của hệ thống Tín hiệu sai lệch năy khi qua bộ điều chỉnh R sẽ được
khuếch đại vă tạo hăm chức năng điều khiển (tích phđn, vi phđn) sao cho đảm bảo chất lượng động vă tĩnh của hệ thống tự động Tín hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh được
dùng để điều khiển bộ biĩn dĩi BD
Câc khđu đo lường ĐI, có nhiệm vụ biến đổi dạng tín hiệu đầu ra về dạng tín hiệu
điện âp hoặc dòng điện phù hợp với tín hiệu đặt vă có giâ trị tỷ lệ với đại lượng điều
chỉnh đầu ra -
Trong thực tế, câc đại lượng điều chỉnh của hệ thống truyền động tự động có thí lă mômen quay, tốc độ, vị trí Để đảm bảo chất lượng của hệ, thường có nhiíu mạch vòng điều chỉnh như: mạch vòng điều chỉnh điện âp, dòng điện, tốc độ, từ thơng, vị
trÍ, V.V
1.1.2 Phđn loại hệ điện cơ
Việc phđn loại hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện thường có nhiều câch, tuỳ văo mục đích
Phđn 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
Phđn loại theo bộ điều chỉnh vă tín hiệu văo 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) Phđn loại theo cđu trúc hoặc thuật toân điều khiến:
- Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển thích nghỉ
~ Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển mờ
Phđn 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 bâm) lă hệ điều khiển vị trí yíu cầu điều khiển tự
động lượng ra theo lượng đặt biín thiín tùy ý Câc hệ năy thường gặp ở câc hệ truyền động quay anten, ra đa, cơ cđu ăn dao mây cắt gọt kim loại, ,
— Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển chương trình, thực chất cũng lă hệ điều khiển vị trí
nhưng đại lượng điíu chỉnh được điều khiển tự động tuđn theo lượng đặt biến thiín
theo một chương trình định trước Đại lượng điều chỉnh trong hệ thống năy thường lă câc quỹ đạo chuyín động phức tạp trong không gian, cho nín cấu trúc của nó thường nhiều trục Chương trình điều khiín ở đđy được mê hóa ghi văo bìa, băng từ, đĩa từ, Chúng ta thường gặp'câc hệ điíu khiín chương trình ở câc trung tđm gia công cắt gọt kim loại, câc đđy chuyền sản xuất có robot, Hệ điều khiển chương trình có cấu trúc phức tạp nhất vă thường được thiết kế ở dạng điều khiển số (NC - Numeric Control) hoặc điíu khiín sô có sử dụng mây tính (CNC - Computer Numeric Control)
Trang 61.2 CAC BAI TOAN TONG HOP HE THONG
Khi thiết kế hệ ĐCTĐTĐĐ ta cần phải đảm bảo hệ thực hiện dược tat cả câc yíu cầu đặt ra, đó lă đâp ứng câc yíu cầu về công nghệ, câc chỉ tiíu chất lượng vă câc yíu cầu về kinh tế Chất lượng của hệ ĐCTĐTĐĐ thường gồm chất lượng tĩnh vă động Trong trạng thâi tĩnh, yíu cầu quan trọng bậc nhất lă độ chính xâc diều chỉnh Đối với trạng thâi động thì có yíu cầu về độ ôn định vă câc chỉ tiíu về độ quâ điều chỉnh, thời gian quâ trình quâ độ, tốc độ điều chỉnh, số lần dao động, trong đó yíu cầu về độ ĩn định lă quan trong nhất Cđu trúc mạch điều khiến, luật điều khiín vă câc 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 câc băi toân về phđn tích vă tong hợp hệ để tìm ra lời giải hợp lý, sao cho đâp ứng được câc yíu cầu về kỹ thuật vă kinh tế đặt ra
Đối với băi toân tổng hợp hệ, người ta thường đưa ra ba loại băi toân: tổng hợp chức năng, tổng hợp tham số vă tổng hợp cấu trúc - tham SỐ
1 Băi toân tong hợp chức năng: thực hiện trong trường hợp đê biết cầu trúc vă tham số của mạch điều khiển, ta cần phải xâc định luật điều khiển đầu văo để hệ dam bảo chất lượng
2 Băi toân tổng hợp tham số: thực hiện khi đê biết cấu trúc vă lượng tâc động đầu ˆ văo của hệ, ta cần xâc định câc tham số của câc bộ điều khiển
3 Băi toân tổng hợp cấu trúc — tham số: thực hiện khi đê biết quy luật biến thiín của lượng đầu văo vă ra của hệ, ta cần xâc định cấu trúc của hệ vă đặc tính, tham số câc bộ điíu khiến
Để thực hiện câc băi toân tổng hợp hệ, ta có thể dùng câc phương phâp khâc nhau, cụ thể, đối với hệ có cấu trúc đơn giản ta dùng phương phâp đặc tính tần số, phương phâp phđn bố nghiệm, phương phâp hệ điển hình câc loại vă hăm chuẩn môđun tối ưu, môđun đối xứng Đối với hệ có cấu trúc phức tạp, đặc biệt lă hệ nhiều chiều thường âp dụng phương phâp không gian trạng thâi hoặc tổng hợp hệ dùng mây tính số với câc ngôn ngữ chuyín dụng Với câc hệ điều khiển số, tuy có đặc thủ riíng về mơ tả tôn học, nhưng phương phâp tổng hợp về cơ bản cũng dựa trín câc phương phâp tổng hợp liín tục Riíng đối với hệ phi tuyến cần có phương phâp tổng hợp
riíng -
4.3 CÂC CHỈ TIÍU CƠ BẢN
- 4.3.1 Câc chỉ tiíu chung
Để đânh giâ câc hệ điều chỉnh tự động truyền động điện, người ta thường dựa văo một số đặc điểm vă chỉ tiíu chung như sau:
1.3.1 Đặc tính phụ tải vă đặc tính hệ truyền động điện
Trang 71.3.2 Pham vi diĩu chinh tĩc dĩ
Lă tỷ số giữa tốc độ lăm việc cao nhất Nmax (nmạy lă tốc độ trín đặc tính cơ cao
nhất ứng với mômen tải (hoặc dòng điện) băng định mức) vă tốc độ lăm việc thđp nhật nmịn (nmin lă tôc độ trín đặc tính cơ thấp nhất ứng với mômen tải (hoặc dòng điện) băng định mức), phạm vi điíu chỉnh thường được ký hiệu lă D:
D= Tay n min
1.3.3 Độ trơn (độ bằng phẳng) điều chỉnh
Lă tỷ số hai cấp tốc độ liền nhau: =—-
với nj va n¡;¡ lă cấp tốc độ thứ ¡ vă ¡ + 1 Hệ điều chỉnh trơn hay vô cấp lă hệ có
ol
1.3.4 Sai lệch tĩnh
Sai lệch tĩnh lă sai lệch tốc độ ở trạng thâi ồn định được biểu diễn ở dạng tương
đôi hoặc tương đôi phđn trăm, với đặc tính thứ ¡ có tốc độ không tải lý tưởng nọ; vă tộc độ tại tải băng định mirc ni, sai lệch tĩnh được ký hiệu sự hoặc s,%:
nạ —n nạ—n
S,=— ——; s,⁄%=-9— i L]00%
Dạ, Hại
Điều kiện đảm bảo về sai lệch tĩnh: s, < [sJ, với [sj] lă sai lệch tương đối cho
phĩp Trong một sô trường hợp sai lệch tương đối còn được gọi lă hệ số trượt
1.3.2 Độ chính xâc của hệ thống ĐCTĐTĐĐ trong chế độ xâc lập vă tựa
xâc lập
Câc hệ điều chỉnh tự động nói chung cũng như hệ ĐCTĐTĐĐ nói riíng luôn đặt ra yíu cđu lă đại lượng điíu chỉnh phải bâm theo tín hiệu đặt với một độ chính xâc nao d6 trong chí độ xâc lập vă tựa xâc lập Độ chính xâc lă một trong hai chỉ tiíu kỹ thuật quan trọng nhất của câc hệ thống tự động nói chung vă hệ ĐCTDTĐĐ nói riíng Độ chính xâc được đânh giâ dựa trín cơ sở phđn tích câc sai lệch điều chỉnh của hệ, câc sai lệch năy phụ thuộc rất nhiều yếu tố Trín cơ sở phđn tích câc sai lệch điều chỉnh ta có thí chọn được câc bộ điều chỉnh, câc mạch bd thích hợp để nđng cao độ chính xâc của hệ thông
1.3.2.1 Câc hệ số sai lệch
Xĩt hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có sơ đỗ cấu trúc tối giản như hình
1.2 Voi Fo(s) lă hăm truyền hệ hở, hệ có phản hồi đm với hệ số phản hồi bằng I
(phản hồi —1)
— Tín hiệu văo: R(s), R(); Tín hiệu ra: C(s), C(t) ~ Sai lĩch : E(s), e(t), voi e(t) = R(t) — C(t)
—N¡ @ = I n) lă câc tín hiệu nhiễu tâc động lín hệ
— Ty lă thiết bị công nghệ (mây sản xuất)
Trang 8— F(s) 1a ham truyĩn kin cia hĩ theo THD va được xâc định theo biểu thức sau: F6) ne (12) ~ F;(s) lă hăm truyền của hệ đối với tín hiệu nhiễu thứ i Rit), e(t), C() Na Ne Na câ Tm —>-
Hình 1.2 Sơ đỗ khối (a) vă đặc tính quâ độ (b)
Nhận xĩt: Câc thănh phần quâ độ của C(t) phụ thuộc văo đặc tính của mạch vòng diều chỉnh vă tín hiệu điều khiển (tín hiệu văo), nó lă nghiệm của phương trình vi phđn không thuần nhất, thănh phần nghiệm riíng của C(t) theo R(t) sĩ chĩp lai R(t) với một độ chính xâc năo đó Câc thănh phần của C(t) theo câc N¡(t) phải căng nhỏ cảng tốt Khi giả thiết câc tín hiệu R(t) cũng như N¡(t) thỏa mên điều kiện Mc Laurin thì sai lệch điều chỉnh e(t) có thể biểu diễn ở dạng chuỗi hăm như sau: dR dR a(t) =R(t)-C()=C,R() +6, RO, 4c, SRO, dN, (t d'N, (t + Ni N, (t)+C, N, MO, sc, Ni sit ), + (12) aN, t đN, t +Cyn-N, (t)+C,y,- =| dese, N, “| ), +p(t)
Ci, Cinj vớiil=l+øœ;J= l+n lă câc hang SỐ, p (t) la thang du
Khi gia thiết bỏ qua tâc động của câc tín hiệu nhiễu vă thặng dư, sai lệch của hệ
được biểu diễn gọn lại: -
d'R(t)
e(t)=R(t)-C(t)= cr (jee BY
Câc hằng số Cọ, C¡, , C¡, được gọi lă câc hệ số sai lệch
Trang 91.3.2.2 Câc biểu thức xâc định câc hệ số sai lệch
a) Xâc định câc hệ số C¡ theo hăm truyền sai lệch
Với giả thiết bỏ qua tâc động của nhiễu, lúc năy sai lệch của hệ thống chỉ phụ thuộc văo tín hiệu văo
Trang 10Kết hợp câc 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,
C; =a; -(Cạa; + Ca; + C;a,)— by (1.12)
i-!
| Coa z=0
Chú ý: ai =0 V¡> n, còn bị =0 Vi>m
Khi một hệ với hăm truyền kín dạng q 11) c6 m =n va bo = 1, by = aj, bo = a, vă bm = am thi hệ sẽ có tất cả câc hệ số sai lệch đều bằng không, tức hệ chính xâc tuyệt đối
1.3.3 Câc tiíu chuẩn sai lệch
1 Tiíu chuẩn tích phđn bình phương sai lệch (ISE)
Theo tiíu chuẩn năy, chất lượng của hệ được đânh giâ bởi tích phđn sau:
T
= Ƒ#'()ât~ ƒ# (Qât (1.13)
giâ trị T được chọn sao cho mọi t > T thi e(t) du nho co thể bỏ qua
Tống hợp hệ theo tiíu chuẩn nảy lă lựa chọn cấu trúc vă tham số của hệ để đảm bảo cho tích phđn (1.13) lă cực tiíu, tức lă: :
I= fe’(t) at fe( t)dt — min (1.14)
0
Phương phâp tổng hợp hệ theo tiíu chuẩn ISE có thể âp dụng cho hệ có tín hiệu văo đê xâc định (ví dụ loại tín hiệu văo dạng bước nhảy đơn vị), hoặc loại tín hiệu văo xâc định theo phương phâp thống kí, bởi vì có thể dùng cả phương phâp giải tích lẫn phương phâp thực nghiệm dĩ tính tích phđn trín Tiíu chuẩn năy đânh giâ rất nặng câc sai lệch lớn thường xuất hiện ở giai đoạn đầu của quâ trình điều chỉnh, xem nhẹ câc sai lệch nhỏ ở giai đoạn sau Hệ được thiết kế theo tiíu chuẩn ISE thường lăm giảm nhanh câc sai lệch lớn ở giai đoạn đầu quâ trình điều chỉnh, tức lă hệ có tốc độ đâp ứng nhanh vă kết quả lă hệ kĩm ĩn định Tiíu chuẩn năy thường dùng để tổng hợp câc hệ có yíu cầu cực tiíu hóa tiíu thụ năng lượng
Trang 11Tĩng hop hĩ theo tiĩu chuan năy lă lựa chọn cấu trúc vă tham số của hệ để đảm bảo cho tích phđn (1.15) lă cực tiểu, tức lă:
1= fied t)|dt = file(o )|dt — min (1.16)
Tiíu chuẩn ITAE đânh giâ nhẹ câc sai lệch lớn ban đầu, câc sai lệch nhỏ xuất hiện ở giai đoạn sau quâ trình quâ độ (khi t lớn) lại bị đânh giâ nặng Hệ thiết kế theo tiíu chuẩn ITAE sẽ cho đâp ứng quâ độ với lượng quâ điều chỉnh nhỏ vă có khả năng suy giảm nhanh câc dao động trong quâ trình điều chỉnh Việc tính toân tích phđn (1.16) lă rất khó khăn, tuy nhiín có thĩ đo lường bằng thực nghiệm một câch dễ dăng Đặc biệt có thể sử dụng mây tính để tông hợp gần đúng
3 Tiíu chuẩn tích phđn tích thời gian với bình phương sai lệch (ITSE) Theo tiíu chuẩn năy, chất lượng của hệ được đânh giâ bởi tích phđn sau:
oo T
I= fte? (t)dt~ fie” (t)dt (1.17)
0 0
giâ trị T được chọn sao cho mọi t > T thì e(U) đủ nhỏ có thể bỏ qua
Tổng hợp hệ theo tiíu chuẩn năy lă lựa chọn cầu trúc vă tham số của hệ để đảm bảo cho tích phđn (1.17) lă cực tiểu, tức lă:
I= je (0â fe (Jas min (1.18)
Hệ được tổng hợp theo tiíu chuẩn năy cũng có câc chất lượng tương tự như hệ tổng hợp theo tiíu chuẩn ITAE
Để thuận lợi cho tính toân vă thiết kế hệ theo câc tiíu chuẩn sai lệch, câc nhă điều khiển học đê tính toân vă đưa ra câc bảng hăm truyền tôi ưu theo câc tiíu chuẩn năy Ví dụ với hệ tối ưu theo tiíu chuẩn ITAE, tín hiệu văo lă hăm bước nhảy đơn vị thì hăm truyền hệ bậc n có dạng:
a
FS) = i s’+as" + 44, Sta, va Sun
vOi a, = 2 hay m, = Ya,
Mau sô của hăm truyền tôi ưu được cho trong bảng sau: St Wn s’+1,40,8+@; s”+1,750œ,s” +2,15@2s + 0Ÿ 4 3 s' +2,la,s° +3, 407s" +2,7o3s +0! 5 4 2,3 h s”+2,8@,s”+501s” +5, 50015” + 3, 44s + œ` s°+3,250,s” +6,6@2s” +8, 6œ 2s) +7, 450,s” +3,950s + œ°
Dựa văo hăm truyền của hệ khi chưa có khđu hiệu chỉnh, ta chọn phương phâp hiệu chỉnh nối tiếp hay song song, sơ bộ chọn bậc của hăm truyền sẽ tìm được hăm
12
Trang 12truyền tối ưu theo bảng vă sẽ xâc định được hăm truyền của khđu hiệu chỉnh dĩ hệ tối
ưu theo tiíu chuđn đê chọn
4.3.4 Bù sai lệch cho hệ hữu sai, hệ vô sai cấp 1 vă hệ vô sai cấp 2 |
: R |
1.3.4.1 Hệ hữu sai, hệ vô sai cấp I vă hệ vô sai cap 2
a) Hệ hữu sai (hệ có hệ số sai lệch Cạ # 0)
Xĩt hệ có cấu trúc tối giản như hình 1.4 R(s) E(s) C(s) > > KT](Ts+)) [J(s+Ð Với F,(s) = Với [Œs+)=1+(Sn)s.| Em ]í+- + i=l tej K_ F(s)= K+I “tt Ts+ _ bot bis + "` +27 l+a,8+a,S° + K+1 ( ^ , , K 1
Âp dụng công thức (1.12), rút ra: C, =1-b, o-l- Sie #0
Nĩu R(t) = K = const, ta c6: c()=C,R()+C S0) — TK: 20 = Sai lệch phụ
thuộc văo giâ trị của tín hiệu văo vă 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 lă hệ không lăm việc được với loại tín hiệu có thănh phần tỷ lệ bậc nhất với thời gian t
Trang 13b) Hệ vô sai cdp.1 (hĩ cd Co = 0, C; #0) Cũng xĩt hệ có sơ đề khối như hình 1.4 KT [Gis+) Nĩu R;@)=—EL——— thì hệ lă hệ vô sai cấp l s] | (T;s +1) i=] Ham truyĩn hĩ kin 1a: F(s)= ae )p+(2,T7T, j te] K|I+(T7)s+( „1T + J# +s[1+{ a] s+( ( T1T,}* + | pe 'T; )s? a 1+K(DT) | (LT) F(s)= s”+ 1+ K K ; 1+KS`T bạ =l; b= oT: a, -tKXT K I+KST " C, =1-b, =1-1=0; ah 1 dK,
Nĩu R(t) = Ki = const, ta có: e(t)=0.K, ite at =0 như vậy, với tín hiệu
văo lă hằng số thì sai lệch ở chế độ xâc lập sẽ bằng không (vô sai)
1 d(K,+K,t) 1
£ , K
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 lă bậc 1 thì hệ lăm việc được với sai lệch hữu hạn vă có thể giảm nhỏ bằng câch 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
Trang 14KỊ]J(ts+1} °ÏJŒs+1)+K[]Œs+1) F&)= K[I+(JT)s+( TT) + | sII+(T)s+(TT,)š'+ |+K[I+()T)s+(T0)8 +] II+(E +(11) + | I+K(Ö 1) > “ Hăm truyền hệ kín : F(s)= F(s)= bạ=l; b,=ŠŸT; b,=ŸIT, j TT, " a=Ð.T; "x4 C, =1-b, =1-1=0 C, =a,-C,a,-b, = 7, -0.)° 7, - T, =0
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
Nĩu 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
Nĩu R(t) có thănh phần Kat = e(t) —> œ khi t => œ, hệ không lăm việc được với
tín hiệu có thănh phđn tỷ lệ với bậc 3 trở lín của thời gian
1.3.4.2 Bù sai lệch cho hệ hữu sai, hệ vô sai cấp] vă hệ vô sai cấp2
a) Bù hệ số sai lệch Cọ ở hệ hữu sai: Xĩt hệ hình 1.5 -_ KỊ](Ts+!) với R(s)=——— [JŒs+Ð i=l
— Hệ lă hệ hữu sai (Co # 0) Hình 1.5
Yíu cầu đặt ra lă thím văo hệ một khđu bù để Cọ = 0 = Câc phđn tích tính toân cho thđy răng, với yíu cầu năy chỉ cđn thím văo hệ 1 khđu điíu chỉnh dưới dạng khđu phản hôi với việc lựa chọn hệ sô phản hôi thích hợp Sơ đỗ khôi của hệ khi có khđu bù như hình 1.6, với hăm truyền phản hồi F;(s) có dạng lă một khđu tỷ lệ K¿
15
Trang 15Tim K, dĩ Cy = 0 Theo so dĩ khĩi hinh 1.6 thì ham truyền hệ kín khi có khđu bù lă: F, (s) R(s) E*(s Cis) _ Fo(s) > (s)= 1+F, (s).F, (s) 3 > (-) KỊ](Ts+ !) Fz(s) (Ts+1)+K,K[](Ts+1) Hình 1.6 _ KI+(XT)s+(TT)# | 1+(S)T)s+(9)T1T)š me [I+(7}s+(STT)8 + Kk, Kk T, |js+| —— - “>1 s”+., _i+K,K I+K,.K CK S+ 1+K,K K K 1+K,.K-K b, = ° 1+KK` ; C, =1-b, =1- ” ° 1+KK_ =——— 1+KK K-1 1 h C¿=0->l+K KĨ-K=0>K =——=l-— C 0 0 > z z K K
Tir biĩu thire x4c dinh hĩ sĩ phan hdi K,, co thĩ thay K, gĩm hai thanh phan tương đương như hệ có hai khđu phản hồi:
— Phan hĩi 4m voi hĩ sĩ phan hồi bằng 1 (như hệ ban dau)
~ Phản hồi dương với hệ số phđn hồi = nhờ thănh phần phản hồi đương năy mă sai lệch của hệ được bù
Chú ý: Với hệ thống được bù theo phương phâp trín thì khi có một tín hiệu đầu văo không đổi, ví dụ: R(t) = Kj, tín hiệu văo của hệ hở ở chế độ xâc lập sẽ lă:
K c0 = Ki - KiK, = cột #0
(giả thiết lă hệ đang được bù đủ), e *(Đ phụ thuộc văo độ lớn của tín hiệu đầu văo của hệ thống Vì vậy, khi tín hiệu văo vượt quâ một mức năo đó thì có thể lăm cho một hoặc một số khđu của hệ hở Fo(s) bị bêo hoă, dẫn đến việc bù sai lệch có thể không thực hiện được (vì trong Fo(s) thường có câc bộ khuếch đại, chúng chỉ lăm việc tuyến tính trong một giới hạn nhất định của tín hiệu văo) 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 văo 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 đê giới thiệu ở phần a mục 1.3.4.1 của chương năy, nhiệm vụ đặt ra lă hêy tìm biện phâp đưa văo hệ một số ít nhất câc khđu hiệu chỉnh vă lựa chọn tham số của chúng để hệ có C¡ = 0 hoặc cả C¡ vă C; đều bằng
Trang 17LK KK?
ì T '
Thay T=59€ Xem I | 42-8
C,=0> ST, tT+ TT, =0
Từ biểu thức năy ta sẽ cho một giâ trị của Tạ = tim T,
Chú ý: Bằng câch thực hiện đưa thím văo câc khđu Fa(s), F;(s) như trín đê đưa câc hệ số sai lệch C¡, C¿ về băng 0 Tuy nhiín, hệ thông có thí không dat được điều kiện trín khi tín hiệu đầu văo quâ lớn vì có thể lăm cho một số khđu trong hệ thống hở bị bêo hoă
CĐU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1
1.1 Câc thănh phần cơ bản của hệ điện cơ?
1.2 Câc dạng băi toân cơ bản khi thực hiện tổng hợp câc hệ điện cơ? 1.3 Câc hệ số sai lệch vă phương phâp xâc định chúng? 1.4 Xâc định câc hệ số sai lệch Cọ, CỊ, C; của hệ điều chỉnh tự động SISO có hăm truyền kín như sau: s°+2s”+3s+6 s°“+4s°+4s°+2s+3
1.5 Câc tiíu chuẩn sai lệch năo được âp dụng khi tông hợp hệ điều chỉnh tự động?
1.6 Tại sao trong thực tế kỹ thuật, hệ hữu sai đê bù hệ số sai lệch Cạ không hoăn toăn tương đương với hệ vô sai cấp 1?
F(s) =
Trang 18Chương 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 băy trong câc tăi liệu về truyền động điện Trong tăi liệu năy chỉ tập trung nghiín cứu hệ thống kín điều khiển tốc độ Chương năy chú trọng nghiín cứu hệ thông điều khiển mạch vòng kín cơ bản cùng phương phâp phđn tích, thiết kế nó Trong hệ thong điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có hai phương phâp được sử dụng chủ yếu lă điều chỉnh điện âp mạch phần ứng (mạch rotor) động cơ vă điều chỉnh từ thông động cơ Phương phâp điều chỉnh từ thông động cơ một chiều chỉ âp dụng cho loại tải có đặc tính mômen cản.tỷ lệ nghịch với tốc độ vă phạm vi điều chỉnh D < 4 : 1, nó chiếm một tỷ lệ không đâng kể so với phương phâp điều chỉnh điện âp mạch phần ứng động cơ Để điều chỉnh điện âp mạch phần ứng động cơ cần phải có câc bộ nguôn một chiều điều chỉnh được Với lưới điện cung cấp lă hệ thông điện âp xoay chiều hình sin ba pha, để tạo ra điện âp một chiều điều chỉnh được, từ trước tới nay thường dùng ba loại thiết bị biến đổi lă bộ biến đổi (BBĐ) mây điện gồm động co xoay chiĩu kĩo mây phât một chiều, BBĐ van (chỉnh lưu có điều khiển tiristor) vă tổ hợp BBĐ gồm chỉnh lưu điôt + xung điện âp một chiều Tương ứng với mỗi loại BBĐ ta có một loại hệ thống truyền động điện động cơ một chiều Câc hệ ĐCTĐTĐP điều chỉnh tốc độ động cơ ngoăi yíu cđu về điều chỉnh tốc độ còn phải thỏa mên câc yíu cầu về ổn định tốc độ, tự động hạn chế phụ tải trong chế độ tĩnh cũng như chế độ động, để đâp ứng câc yíu cầu năy hệ thống cần có câc phản hồi phù hợp Một nhiệm vụ trọng tđm của chương năy lă thiết kế, tông hợp câc bộ điều chỉnh để hệ đâp ứng được câc yíu cầu chất lượng của hệ ĐCTĐTĐĐ điều chính tốc độ động cơ một chiíu
2.2 CÂC NGUÒN ĐIỆN VĂ CAC HE TRUYEN BONG DIEU CHỈNH TÓC ĐỘ DONG CO’ MOT CHIEU
2.2.1 Bộ biến đổi mây điện vă hệ thống mây phât - động cơ (hệ F - Ð)
Hình 2.1 lă sơ đồ nguyín lý BBĐ mây điện vă 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 âp xoay chiều ba pha của mạng điện công nghiệp, ĐK kĩo mây phât điện một chiều F quay thực hiện quâ trình biến đổi năng lượng điện xoay chiều thănh một chiều, điện âp một chiều trín đầu ra mây phât được dùng để cấp cho động cơ điện một chiều phải điều chinh tốc độ Ð Điều chỉnh dòng kích từ ier của may phât F lă có thể thay đổi điện âp 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 hĩ thĩng F — D, trín thĩ giới thường gọi lă hệ thĩng Ward — Leonard Dĩ cung cấp kích từ cho mây điện một chiều vă động cơ điện, thường phải bố trí riíng một mây kích từ FK, có thĩ lắp đồng trục với tổ mây ĐK - F hoặc có thể dùng riíng một động cơ điện xoay chiều khâc đí dẫn động
Trang 19BO khuĩch dai Hình 2.1 Hệ thống điều tốc một chiều dùng hệ mây phat - động cơ (F - Ð)
ˆ Khi yíu cầu không cao về chđt lượng Trạng thâi hêm Trang trại động điíu khiín tôc độ của hệ thông, thì ier có quay thuận cơ quay thuận thí được cđp điện trực tiếp băng nguôn m
điện kích từ Khi có yíu cđu cao về chất — nạ
lượng điều tốc dạng mạch vòng kín thì oo nạ
thường phải sử dụng bộ khuếch đại để tiến —— | ng
hănh điíu khiín Bộ khuích đại dùng trong ———— _| ne M
hệ thống F — Ð thường lă bộ khuếch đại -
điện cơ (như mây điện khuếch, đại từ Ne
trường ngang) vă bộ khuếch đại từ; khi cần —
nđng cao hệ số khuếch đại, có thể bế trí | T———
thím bộ khuếch đại điện tử lăm bộ tiền —————
khuếch đại Nếu thay đổi chiều của ixy thì CÓ qua ngược | Trang thal Rath
cực tính U của mây phât vă chiíu 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 câc đường đặc tính cơ của hệ F - Ð ở
chế độ lăm việc có đảo chiều quay của động cơ Từ hình vẽ cho thấy, hệ thống F - D lă hệ thông cho phĩp động cơ lăm việc trong cả 4 góc toa do
._ Hệ thống điều khiển tốc độ một chiều sử dụng BBĐ mây điện (hệ F - Ð) đê từng
rất phô biín ở thập kỷ 50 của thí kỷ XX, dĩn nay ở những nơi chưa đổi mới trang thiết bị vẫn còn dùng loại năy Do hệ thông năy sử dụng BBĐ gôm câc thiết bị quay, ít nhđt phải bao gôm hai mây điện quay tương đương dung lượng với động cơ cần điệu khiín tộc độ, ngoăi ra còn phải dùng một mây phât kích từ, vì vậy thiết bị nhiều, kích thước lớn, chỉ phí cao, hiệu suất thấp, phải có nín móng vững chắc, vận hănh nhiều tiíng ỗn, duy tu bảo dưỡng khâ phức tạp Để khắc phục những nhược điểm trín, ở thập kỷ 50 của thí kỷ XX, với bộ chỉnh lưu thuỷ ngđn (khi công suất lớn) vă bóng tiristor (khi công suat nhỏ) đê cho ra doi BBD tinh thay thĩ cho hệ thống BBD kiểu quay vă hình thănh hệ thông truyện động ion Đín thập kỷ 60, nó lại nhường chỗ cho bộ chỉnh lưu tiristor vừa rẻ tiín vừa có độ tin cậy cao
2.2.2 Chỉnh lưu điều khiển tiristor (BBĐ van) vă hệ thống truyền động
tiristor - động cơ một chiíu (hệ T — Ð)
Trang 20động cơ một chiều dùng thiết bị chỉnh lưu tĩnh để cấp điện cho động cơ được sử dụng sớm nhất Mặc dù hệ năy đê khắc phục được nhiều nhược điểm của hệ thống F - Ð, tăng độ tâc động nhanh, nhưng giâ thănh chế tạo bộ chỉnh lưu thuỷ ngđn cao, duy tu bảo dưỡng phức tạp, đặc biệt lă nếu thuỷ ngđn bị rò ri ra ngoăi thì sẽ lăm ô nhiễm môi trường vă gđy hại cho sức khoẻ con người
Năm 1957, van bân dẫn tiristor (thường gọi lă linh kiện chỉnh lưu silic điều khiến) ra
đời, đến thập kỷ 60 của thế kỷ XX, đê chế tạo được hăng loạt thiết bị chỉnh lưu tiristor
dẫn tới sự biến đổi căn bản về kỹ thuật nắn dòng, mở đầu thời đại bân dẫn tiristor Đến nay hệ thống điều chỉnh tốc độ tiristor — động cơ (gọi tắt lă hệ thống T-D, hay còn gọi lă hệ thống Ward — Leonard tinh) đê trở thănh hình thức chủ yếu của hệ điều tốc một chiều ~ ¬ feel Aa [|| 9 Oe Hình 2.3 Hệ thống điều tốc một chiíu dùng hệ chỉnh
lưu tiristor - động cơ (T - Ð)
Hình 2.3 lă sơ đề nguyín lý đơn giản của hệ thông T - Ð, trong đó CL lă bộ chỉnh lưu có điều khiển tiristor, nó có thí lă dạng một pha, hai pha, hoặc nhiều pha hơn, dạng hình tia hoặc dạng hình cầu, dạng bân điều khiển hoặc điều khiển hoăn toăn Thực hiện điều chỉnh điện âp điều khiển của mạch phât xung FX sẽ điều chỉnh được thời điểm xuất hiện của xung trín cực điều khiển câc tiristor dẫn đến điều chỉnh được thănh phần một chiều của điện âp đầu ra bộ chỉnh lưu Ủa, từ đó điều chỉnh được tốc độ động cơ, có thể thực hiện điều chỉnh vô cấp vì công suất ở bộ phận điểu chỉnh thường rất nhỏ So sânh với BBĐ mây điện quay vă chỉnh lưu ion, thì thiết bị chỉnh lưu điều khiển tiristor không những có tính kinh tế vă độ tin cậy cao, mă còn thể hiện rõ tính ưu việt về mặt kỹ thuật
Bộ chỉnh lưu điều khiển tiristor cũng có một số nhược điểm Trước tiín lă do tính
dẫn điện một chiều của bân dẫn tiristor, nó không cho phĩp dòng điện chạy ngược chiểu nín việc đảo chiều dòng điện gặp khó khăn Câc hệ thống truyền động T ~ xđy dựng từ sơ đồ chỉnh lưu bân điíu khiển chỉ cho phĩp vận hănh trong một góc phần tư của hệ toạ độ (góc phần tư thứ I, hình 2.4a) Câc hệ thong truyĩn dong T-D xđy dựng từ sơ đồ chỉnh lưu điều khiển hoăn toăn có thể lăm việc ở chế độ nghịch lưu, cho phĩp động cơ lăm việc ở trạng thâi hêm khi đảo chiều quay (với tải thế năng), vì thế có thí cho phĩp lăm việc ở hai góc phần tư của hệ toạ độ (góc phần tư thứ I vă thứ IV, hình 2.4b) Khi cần phải lăm 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 hoăn toăn mắc song song ngược hoặc đầu chĩo, hệ thống điều tốc đảo chiều T — Ð sẽ được nghiín cứu kỹ trong chương 4
Trang 212 UZ a) b) c) Hình 2.4 Phạm vi lăm việc của hệ thống T - Ð
a) Lăm việc ở một góc toạ độ; b) Lăm việc ở hai góc toạ độ; c) Lăm việc ở bôn góc toạ độ
Một nhược điểm khâc của hệ T - Ð lă câc tiristor rat nhạy cảm với trị số quâ định mức của câc đại lượng như điện âp, dòng điện, tốc độ biến thiín của điện âp du/dt vă dòng điện di/dt, ma bat ky tri số năo trong số đó níu vượt quâ giâ trị cho phĩp trong khoảng thời gian ngăn đều có thí lăm hỏng linh kiện, thiết bi Vi vậy bắt buộc phải có đủ thiết bị bảo vệ tin cậy vă có điều kiện tđn nhiệt phù hợp yíu cầu; thím nữa, khi tính chọn linh kiện cần phải có độ dự trữ đủ lớn Nhưng níu chất lượng linh kiện đảm bảo, trang thiết bị thiết kế phù hợp, trang bị bảo vệ đầy đủ thì việc vận hănh thiết bị dùng tiristor sẽ rat tin cậy; ngược lại, níu có một khđu năo đó không đảm bảo hệ sẽ không tin cậy, đễ xảy ra sự cô
Mặt khâc, khi hệ thống ở văo trạng thâi điều khiển sđu, tức lă khi lăm 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 hăi bậc cao trong dòng điện lưới sẽ tăng gđy mĩo dạng đường cong dòng vă âp nguồn vă gđy nhiễu câc thiết bị điện, điện tử xung quanh Nếu hệ thống điều khiển tốc độ T - Ð có dung lượng khâ lớn thì sinh ra tốn hao công suất đâng kế trong mạng điện Trong trường hợp đó buộc phải lắp thím thiết bị bù công suất phản khâng vă bộ lọc sóng hăi
2.2.3 BBĐ một chiều - một chiều (xung điện âp) vă hệ thống truyền động xung âp - động cơ một chiều (hệ XA - Đ) en — T CK j7 Ze XPK +ợ tr Ua | Do ur La (2) teo | Mạch khóa | _Ø
Hình 2.5 Hệ thông điều tốc một chiều dùng xung âp - động cơ một chiều (hệ XA Ð)
Trong thiết bị truyền động đầu mây tău hỏa chạy điện, đầu mây xe điện ham mỏ, đầu mây xe điện ngầm thường dùng động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp hoặc 22
Trang 22kich 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): t ~#U, =yU, =t/fU, (2.1) ck trong đó Tạ, — chu kỳ đóng cắt của tiristor; tạ — thời gian mở của T (thời gian Ũ TB , hk 4a ý t nA dĩng) trong mĩt chu ky dong cat ; f— tan s6 dong cat; y = —*- - độ rộng xung ck ur Tek Ug ta Ure t 0 tị te ts 4 ts te tr
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
Trang 23khóa T Thời gian mở vă khóa dều không xâc định
Do tần số đóng — cắt (mở — khóa) cho phĩp của tiristor không cao, nín xung dòng điện đầu ra có mức độ đập mạch lớn ảnh hưởng đến chất lượng điều chỉnh vă phạm vi điều chỉnh tốc độ Ngoăi ra, mạch điện khóa cưỡng bức tiristor cũng lăm tăng kích thước vă độ phức tạp của thiết bị Để đâp ứng yíu cầu của mạch điện đóng mở công suất lớn, từ thập kỷ 70 lại đđy, người ta đê nghiín cứu chế tạo ra nhiều loại linh kiện vă thiết bị điện tử công suất lớn điíu khiển hoăn toăn, vừa khong chế được quâ trình mở vừa không chế được quâ trình khóa, chẳng hạn như tiristor điều khiển hoăn toăn (GTO ~ Gate Turn Off), transistor higu tng trường có công suất lớn (P - MOSFET), IGBT, v.v Tần số đóng cắt cho phĩp của câc linh kiện điều khiển hoản toăn cao, nín có thể tạo ra chuỗi xung đầu ra tần số 2.5 + 5 kHz, thậm chí có thể tới 20 kHz Với câc hệ thống công suất nhỏ vă trung bình hiện nay chủ yếu sử dụng câc BBĐ xung âp điều chế độ rộng xung sử dụng câc dụng cụ điều khiến hoăn toăn vă thường dùng IGBT (hệ PWM - Ð) Câc hệ thống công suất lớn vă cực lớn vẫn phải dùng tiristor
So sânh với hệ thống T —Ð thì hệ thống PWM ~ Ð có những ưu điểm sau đđy: 1 Do tần số đóng cắt của BBĐ dùng PWM khâ cao, nín chỉ cần điện cảm cuộn dđy rotor cũng đủ để dòng điện động cơ tương đối bằng phẳng, cho phĩp tăng chất lượng vă phạm vi điều tốc khâ rộng, có thĩ 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 lă cùng một giâ trị mômen điện từ đầu ra như nhau, thì tốn hao vă phât nhiệt của động cơ trong hĩ PWM - Ð nhỏ hơn
2 Nhờ tần số đóng cắt cao, nín có thể đạt được độ tâc động nhanh cao
3 Do câc linh kiện điện tử công suất lăm việc ở trạng thâi đóng mở, tôn hao của mạch điện chính khâ nhỏ, hiệu suất của thiết bị tương đối cao
Để tạo ra nguồn một chiều cung cấp cho BBĐ xung điện âp khi lưới điện lă hệ thống điện âp xoay chiều hình sin có thể sử dụng câc sơ đồ chỉnh lưu, thường lă chỉnh lưu không điều khiển bằng điôt vă mắc theo sơ đồ cầu ba pha Cấu trúc tổng thể của hệ trong trường hợp năy được mô tả trín hình 2.7 ~ LL] CL — a ị + Xung âp oa Loc Us (2) foo + of — XĐK TL
Hình 2.7 Hệ thống điều tốc một chiều dùng chỉnh lưu
Trang 242.3 NHU’NG VAN DE DAC BIET CUA HE THONG CHINH LUU TIRISTOR - ĐỘNG CƠ (HỆ T - Ð)
Hệ thống T - Ð chính lă mạch điện chỉnh lưu có điều khiển dùng tiristor với phụ
tải điện trở (Ra), điện cảm (La), sức điện động (Ea hay Ep); nguyín lý mạch điện, đồ thị điện âp, dòng điện, đường đặc tính của nó đê được trình băy trong câc tăi liệu về Điện tử công suất vă 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 vă biện phâp hạn chế nó; 3 Tính liín tục vă giân đoạn của đề thị đòng điện;
4 Đặc tính cơ của hệ thống T - Ð
2.3.1 Mạch tương đương hệ T - Ð vă việc điều chỉnh điện âp dau ra BBD Với hệ thống T - Ð, nếu ký hiệu uạ lă điện âp đầu ra BBĐ (cũng lă sức điện động
chỉnh lưu tire thoi) va Ug la gia trị trung bình, tức lă thănh phần một chiều của uạ, thi so đồ thay thế hệ T — Ð được biểu diễn bởi hình 2.8, phương trình cđn bằng điện âp 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 khâng CK, điện cảm câc cuộn dđy 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 xâc định bằng biểu thức: (R; + obs) với sơ đồ chỉnh lưu hình TL tỉa hoặc (2R + œL¿-+- 21m đồ chỉnh lưu cầu một pha), điện trở mạch rotor động cơ, vă điện trở của bộ điện khâng san bằng; Ep - s.đ.đ của động cơ điện, còn gọi lă s.đ.đ ngược hay sức phản điện động động cơ;
ig - gia tri tức thời của dòng điện chỉnh lưu; œ — tần số góc của điện âp nguồn xoay chiều;
R¿, L¿ - điện trở, điện cảm một pha nguồn xoay chiĩu quy đổi về thứ cấp mây
biến âp cung cấp cho bộ chỉnh lưu is Re Lạ Lđy tích phđn đôi với uạ sẽ nhận được giâ trị >——T——~~- trung bình Ủa của bộ chỉnh lưu khi không tải lý
tưởng +
Giâ trị trung bình của điện âp chỉnh lưu phụ QO Eo t)
thuộc văo góc điều khiển œ lă đặc điểm chủ yếu
của bộ chỉnh lưu tiristor Quan hệ giữa Uạ vă điều
khiển œ thay đổi theo loại sơ đồ chỉnh lưu Đối với
câc sơ đồ chỉnh lưu điều khiển hoăn toăn, khi đồ Hình 2.8 Mạch điện tương thị dòng điện lă liín tục, thì quan hệ giữa Ua theo œ đương của hệ T - Ð
Trang 25được biểu thị dưới dang:
U,= 1U, sin cosa = U,, cosa 7 “q
trong đó: a — góc điều khiển của bộ chỉnh lưu, lă góc tính từ thời điểm mở tự nhiín đến thời điểm xuất hiện xung trín cực điều khiển của tiristor;
Um — biín độ điện âp nguồn cung cấp, lă biín độ điện âp pha với sơ đồ hình tia va lă biín độ điện âp dđy đối với sơ đồ chỉnh lưu hình cầu, đđy cũng chính lă giâ trị cực
đại của điện âp chỉnh lưu uạ khi œ =0;
(2.3)
Udo = 2,Ussn| | lă s.đ.đ chỉnh lưu trung bình khi œ = 0; T q
q ~ SỐ lần đập mạch của điện âp chỉnh lưu trong một chu kỳ nguồn xoay chiíu, tức lă sô xung điện âp chỉnh lưu trong một chu kỳ điện nguồn xoay chiều
Đôi với câc sơ đỗ chỉnh lưu khâc nhau, giâ trị câc đại lượng trín cho trong bảng 2.1 Bảng 2.1
Sơ đồ chỉnh lưu Cầu một pha, Tia ba pha Cầu ba pha Tia sâu pha
Câc đại lượng tia hai pha
Um V2 u, V2 up V6 Uz V2 u,
q 2 3 6 6
Ug 0,9U2cosa 1,17Uscosa 2,34U;cosœ 1,35U2cosa
với U¿ lă giâ trị hiệu dụng của điện âp pha định mức thứ cấp biến âp chỉnh lưu Trong hệ thống điều tốc công suất lớn trín 1000 kW thường sử dụng mạch điện chính lưu liín hợp tạo bởi hai sơ đỗ chỉnh lưu cđu 3 pha, nguồn điện xoay chiều của hai nhóm cđu do hai bộ cuộn dđy thứ cấp của mây biến âp chỉnh lưu cung cấp, một bộ
nỗi kiểu A, còn bộ kia nối kiểu Y, lăm cho góc pha điện âp đầu ra lệch nhau 30”, tổng
Trang 26Do đặc thù của cầu tạo mạch điện chỉnh lưu năy, nín hệ thức (2.3) không còn phù hợp nữa Đôi với mạch điện hai cđu mặc song song kỉm bộ điện khâng cần băng (hình 2.9a), công thức Ủạ = f(a) sẽ lă:
Ua = 2,34U¿cosœ (2.4)
Đối với mạch điện hai cầu nối tiếp (hình 1 — 9b), công thức Ủa = f(a) sẽ lă:
Ug = 4,68U2cosa (2.5)
2.3.2 Sự đập mạch của dòng điện chỉnh lưu vă câc biện phâp hạn chế Số lần đập mạch của điện âp chỉnh lưu trong một chu kỳ nguồn q=2,3,6, , phụ thuộc văo loại sơ đồ chỉnh lưu, con số năy bị hạn chế vă nhỏ hơn rất nhiều so với số lượng phiến góp dưới mỗi cực của mây 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 năy xấu hơn rất nhiều so với hệ thông F — D Su dap mach cua dòng điện gđy nín câc tâc động:
1 Mômen đập mach gay bat lợi cho mây công tâc
2 Xuất hiện câc sóng hăi bậc cao trong đòng điện lưới ảnh hưởng đến dạng điện âp lưới vă gđy nhiễu cho câc thiết bị khâc, đồng thời cũng lăm cho động cơ phât nhiệt nhiều hơn Khi sử dụng hệ thống T - Ð, trước tiín cần xem xĩt vẫn đề khống chế xung dòng điện, giảm mức độ đập mạch của dòng điện, câc biện phâp chủ yíu:
— Tăng số lần đập mạch của điện âp chỉnh lưu bằng câch tăng số pha, sử dụng sơ đồ cầu vă sơ đồ liín hợp
— Tăng điện cảm trong mạch tải của bộ chỉnh lưu bằng câch lắp bộ điện khâng san bằng trong mạch phan ứng động cơ
— Sử dụng sơ đồ chỉnh lưu có điôt
Giâ trị điện cảm của bộ điện khâng san bằng nói chung được chọn theo điều kiện bảo đảm dòng điện liín tục khi tải nhỏ vă tốc độ thấp, thông thường cho trước dòng điện cực tiíu lạmin (A), sử dụng nó để tính toân giâ trị điện cảm tổng yíu cầu Lạ (mH)
Đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoăn toăn: Lạ=2,87 U› (2.6) Đối với sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha: " L, =1,46 U; (2.7) Đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha : " Lạ =0,693 U, (2.8) dmin
Gia tri lamin n61 chung lay bang 5% +10% dong diĩn dinh mức của động cơ 2.3.3 Tinh liín tục vă giân đoạn của dòng điện
Trang 27điện chính của hệ thống T - Ð (mạch phần ứng động cơ) có giâ trị điện cảm đủ lớn, mă dòng điện phụ tải của động cơ cũng đủ lớn, thi dĩ thi dòng điện chỉnh lưu có thí liín tục (hình 2.10a) Trường hợp giâ trị điện cảm CK nhỏ mă phụ tải khâ bĩ, năng lượng tích lũy trong trong điện cảm của CK nhỏ, khi điện âp của pha nôi với van đang mở chuyển sang đm (điện âp đầu ra bộ chỉnh lưu chuyển sang đm), năng lượng tích Itty trong CK được giải phóng để duy trì dòng tải, nhưng do năng lượng CK tích lũy được nhỏ nín nó sẽ giảm nhanh về không, tức lă dòng qua nó cũng giảm về bằng
không trước khi mở van ở pha kế tiếp, do vậy xuất hiện câc khoảng dòng điện tải bộ
chỉnh lưu bằng không, khi đó dòng tải sẽ giân đoạn (hình 2.10b) Sự giân đoạn của dòng điện lăm cho phương trình mô tả hệ thống bằng giâ trị trung bình sẽ gặp khó khăn về nhđn tố phi tuyến, tạo nín đặc trưng phi tuyến cơ học vă một số vấn đề khâc
trong vận hănh hệ thống Nói chung, hiện tượng dòng điện giân đoạn lă điều không
mong muốn trong hệ thống truyền động T — Ð
VAT L
ig
Hình 2.10 Dạng dòng diện động cơ ở chế độ dòng liín tục (a) vă dòng giân đoạn (b)
2.3.4 Đặc tính cơ của hệ thống tiristor - động cơ điện một chiều
Trong chế độ dòng điện liín tục, phương trình đặc tính cơ điện của hệ thống T — D lă:
- ] U.-LR.)= 1 q 7
n a! aly = GC Un sin =cosa.-1,R,) (2.9)
trong đó:
Ce = Ke bam — hĩ sĩ site diĩn động của động cơ với từ thông định mức Đại lượng Ug trong về phải của biểu thức (2.9) đê trình băy ở mục 2.3.1
Thay đôi góc điíu khiến œ, sẽ nhận được một họ đường thẳng Song song, như trín hình 2.11, rất giông với đặc tính của hệ thông F — Ð Trín đường đặc tính cơ điện, đoạn dòng điện trung bình nhỏ được vẽ thănh nĩt n
đứt, bởi vì lúc đó dòng điện có thể bị giân †
đoạn, quan hệ (2.9) sẽ không còn phù hợp nữa — | An Kệt luận trín chứng tỏ răng chỉ cần dòng điện a
liín tục thì bộ chỉnh lưu điều khiển tiristorcó Ƒ*>= _
thể coi lă một nguồn điện âp tuyến tính điều pe khiín được Trong trường hợp dòng điện giân 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 lăm ví dụ, đường Hình 2.11 Đặc tính cơ hệ T - Ð ở
đặc tính cơ điện khi dòng điện giân đoạn phải chế độ dòng tải liín tục (œ < œạ< oạ) dùng hệ phương trình sau đđy để biểu diễn:
28
Trang 28
⁄2U, cosglsi| vatn—o)-sinl 7 câ sp} n= cm] (2.10) 34⁄2U lạ = 2 + co Za] Z earn) G2 | (2.11) 2nR, V2E, trong do: oL 2 TL g=arctg—* - góc trở khâng, 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 khâng ọ, đối n Vùng dòng giân với câc góc điều khiển œ khâc nhau, có thể đoạn
tìm được một họ đường đặc tính ứng với chế [~——— độ dòng điện giân đoạn Chế độ năy ứng với
a< 2z khi gó = 2m ì đỉ +A 2 Vung dond ign we `
3” 1 ĐÓC Ă, 3 thi dong điện trở 0 M y thănh liín tục Đường cong ứng với góc r= * (theo câc biểu thức 2.10 vă 2.11) lă đường ranh giới giữa vùng dòng điện giân : lđn câch đoạn vă liín tục oe F————_ Hình 2.12 đê vẽ ra đường đặc tính cơ m——_ _|
hoăn chỉnh của hệ thống T - Ð, trong đó a
gồm cả trạng thâi chỉnh lưu vă trạng thâi Hình 2.12 Đặc tính cơ hệ T - Ð khi lăm nghịch lưu, vùng liín tục vă vùng giân việc trong hai góc phản tư (tải thế năng)
đoạn Từ hình vẽ có thể thấy, khi dòng điện
liín tục thì đường đặc tính tương đối cứng, còn khi giân đoạn thì lại rất mềm vă thể hiện rõ nĩt phi tuyến, tốc độ quay không tải lý tưởng tăng lín khâ cao vă đặc tính cơ lă đường cong
Nói chung, khi phđn tích hệ thông điều tốc có điện cảm mạch điện chính đủ lớn, chỉ cần khảo sât đoạn liín tục vă có thể dùng đường kĩo dăi của nó (trong hình vẽ biểu thị bằng đường nĩt đứt) để khảo sât gần đúng đoạn đặc tính của hệ thống ở vùng dòng
giân đoạn Đối với trường hợp đặc tính giân — | FEEDS đoạn khâ rõ nĩt, thì sẽ xuất hiện sai lệch khâ
Trang 29R'4, mă trị số của nó có thĩ 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 CHĨ ĐỘ TĨNH CỦA HỆ ĐIỀU CHỈNH TÓC BO DONG CO MOT CHIEU 2.4.1 Chất lượng của hệ thống hở vă những vấn đề tồn tại
Với hệ thống T - Ð cho trín hình 2.3, nếu ta điều chỉnh trực tiếp điện âp điều khiển của bộ phât xung FX bằng việc dịch con trượt trín chiết âp để điều chỉnh tốc độ quay động cơ thì hệ thống lă hệ thống điều tốc điều khiển vòng hở (hệ thống hở) Nếu không có yíu cầu cao đối với sai lệch tĩnh, thì hệ hở cũng có thí thực hiện điều tốc vô cập trong một phạm vi nhất định Nhưng vì trong thực tế, phan lớn mây sản xuất ngoăi yíu cầu điều chỉnh tốc độ vô cấp, còn có yíu cầu nhất định đối với sai lệch tĩnh Chăng hạn như mây băo 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 xâc gia công vă độ bóng bề mặt, tốc độ không cho phĩp biến động quâ lớn, thông thường yíu cầu phạm vi tốc độ D = (20 + 40) : 1, sai lệch tĩnh s,% < 5% Cũng như thế, ở mây cân thĩp nóng, câc trục cân được dẫn động độc lập, phôi cân bị nĩn ĩp đồng thời trín nhiều giâ cân, yíu cầu tốc độ thĩp ra sau câc giâ cân phải giữ được một tý lệ nhất định vă rất nghiím ngặt, nhằm bảo đảm lưu lượng từng giđy của kim loại đang cân qua câc giâ đều như nhau, trânh hiện tượng chùng gập hoặc kĩo đứt vật cân Căn cứ văo yíu cđu công nghệ, khi phạm vi điều tốc lă 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 mên yíu cđu Có thí lấy ví dụ minh hoạ: Một mây băo giường dùng động cơ một chiều có thông số định mức 60 kW, 220V, 305 A, 1000 vg/phut vă có yíu cđu D =20 : l1; St < 5% ; nĩu sit dung hĩ thĩng T — D, cho truĩc tong tro mach chinh Rg = 0,18 Q, hĩ sĩ s.d.d dĩng co C, = 0,2V phut/vg, khi dòng điện liín tục, độ sụt tốc độ ở phụ tải định mức lă: IR, _ 305x0,18 Cc € 0,2 vă sai lệch tĩnh trín đặc tính cao nhất sẽ lă: An 275 s.% “1c xAN 1000275 “100% = 21,69 th ng, +Ân 1000-4275 ,=2l,6%
như thế, nó đê vượt quâ xa giâ trị yíu cầu lă 5%, còn khi lăm việc ở tốc độ thấp nhất thi sai lệch còn lớn hơn nhiễu
Nếu yíu cầu phải thỏa mên D = 20: 1; [s:] < 5% ([s,] = 0,05), thì An phải lă bao nhiíu? Từ biểu thức xâc định sai lệch tĩnh có thể xâc định được:
—_"ạm|s[ _ 1000x0,05
Dq- [s 4} 20(1 — 0,05)
Lam thĩ nao để giảm độ sụt tốc độ tại tải định mức của hệ thống điều tốc từ 275vg/phut xuống còn 2,63 vg/phut? Bản thđn hệ thông điều tốc vòng hở không thĩ thực hiện được Vấn để đặt ra lă cần tìm biện phâp giảm độ sụt tốc độ, điều năy sẽ được giải quyết bằng câch sử dụng hệ thống điều khiển vòng kín có phản hỏi
An= =275 (vg/phut)
= 2,63(vg/ phut)
Trang 302.4.2 Hệ điều tốc có phan hồi đm tốc độ vă đặc tính tĩnh ca h Uca 4 + đeơi KB Ua BB 0 4(°)-) PR —yn
Hình 2.14 Hệ điều tốc vòng kín có phản hồi đm tốc độ
Sơ dĩ nguyín lý hệ thống biểu diễn trín hình 2.14, trong đó:
— Ð lă động cơ một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ lă CKĐ | ~ BÐ lă bộ biến đổi, tùy theo từng hệ thống cụ thể, BĐÐ có thể lă bộ biến đổi mây
điện (câc hệ thống trước đđy), có thể lă bộ chỉnh lưu điều khiển dùng tiristor,
— KD la khđu khuếch đại, thường được gọi lă bộ khuếch đại trung gian, trong hệ thông thực tế thì đđy lă bộ điều chinh có hệ số khuếch đại tĩnh lă Kẹp
- FT lă mây phât tốc dùng dĩ lấy tín hiệu phản hồi đm tốc độ
— uea lă tín hiệu đặt, thường được gọi lă tín hiệu (điện âp) chủ đạo; +n lă tín hiệu phân hồi tốc độ, vì phản hồi năy lă đm (tâc động ngược chiều tín hiệu chủ đạo) nín trong sơ đồ có dấu “—”; ug lă tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại trung gian (bộ điều chỉnh) được dùng đí điều khiĩn BD n An @ Rala ~ ˆ Uca Ua Eb Ep 4 n Kxp >| Kp C —> 0 iham la L_-_——-'—_——— a) b) Hình 2.15 Sơ đồ cấu trúc trạng thâi ổn định (a) vă đặc tính cơ điện (b) của hệ điều tốc vòng kín có phản hồi đm tốc độ 1) Đặc tính hệ thống hở; 2) Đặc tính hệ kín; 3) Đặc tính giới hạn (khi y.K > œ) 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 thiĩt la hĩ sĩ khuếch đại tĩnh của BĐ lă hằng số (tuyến tính) vă bang Ky
+ Phương trình đặc tinh cơ an hệ thống lă:
1a Keo KoKo tes Ko (Ry + Ryu _ Kiley Kp (Ry + Rv) (2.12)
I+y.K¿pKyK 1+y.K
với: K = Kep.Kẹ.Kp được gọi lă hệ số khuếch đại hệ thống hở;
Trang 31
Kp = = t lă hệ số khuếch đại của động cơ K.0, C, Có thể xâc định được độ sụt tốc độ (sai lệch) khi dòng phđn ứng động cơ băng định mức (lạm) lă: KAR, + Rylan (2.13) I+y.K
Với hệ điều tốc vòng kín có phản hồi đm 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) An= 2.4.3 Hệ điều tốc có phản hồi đm điện âp vă đặc tính tĩnh của hệ ———— Ua LT + KD BD 7 Uy —> +
Hình 2.16 Hệ điều tốc vòng kín có phản hồi đm điện âp
Sơ đồ nguyín lý hệ thống trín hình 2.16, trong sơ đề để lấy tín hiệu phản hồi đm điện âp ta sử dụng bộ phđn âp bằng chiết âp R, œ lă hệ số phản hồi điện âp Câc phần tử khâc tương tự như mục 2.4.2 Sơ đồ khối (cấu trúc) của hệ thống ở chế độ xâc lập (ôn định) được biểu diễn trín hình 2.17 tca — Uy Ua E U Ep —>& Kkp Ky ° \ Kp e (-) (-) (-) Rp Ry a) b)
Trang 32Phương trình đặc tính cơ điện của hệ thống kín lă: Kp Kp-K R =>." bo +R, |Kydy=ny-An(ly) — (14) I+aKy 5K, Il+a.K,,-K, Độ sụt tốc độ khi dòng động cơ bằng định mức : R An= P——+R | Kyla, (2.15) I+a.K,5-K,
Từ (2.15) có thể rút ra: Khi tăng a Kp-Kp, tire tăng hoặc hệ số phản hồi đm diện
âp (có giới hạn), hoặc tăng hệ sô khuếch đại của bộ kuích đại trung gian, hoặc tăng hệ số khuếch đại của BBĐ thì dĩu lam giảm sai lệch tốc độ (An) Khi œ.Kkp.Kbp —> œ thì:
An =R, Ky Tym
Tức lă sai lệch tốc độ bằng sai lệch tốc độ của đặc tính tự nhiín
2.4.4 Hệ điều tốc có phản hồi dương dòng điện vă đặc tính tĩnh của hệ Sơ đồ nguyín lý hệ thống trín hình 2.18, trong so dĩ, để lấy tín hiệu phản hồi
dương dòng điện ta sử dụng điện trở sun R; (nhiíu trường hợp lă điện trở cuộn bù vă cuộn cực từ phụ), B lă hệ số phản hôi dương dòng điện Câc phđn tử khâc tương tự như mục 2.4.2 Uca | ° "kp | ”* BB CKD + Bla - Hình 2.18 Hệ điều tốc vòng kín có phản hồi dương dòng điện U Ỳ +]
Từ sơ đỗ nguyín lý hình 2.17, ta có thể thiết lập được câc biểu thức: E, =u, Kyp-Ky =U Kens Uy = Ua + Bly Ug, = (Uy + BL) Kp 1 U, = Hy —(R, +R)l x." +1,R, Dp © (u„+BI,)KypK, -(R,+R,)1, = nt, Đ S n=uyKyp-K, —(R, +R, t+ Ry -BKuo-Ky) Kola © n=nạ-An(I,) Độ sụt tốc độ khi dòng động cơ băng định mức: An =(R, +R, +R, -BKyp-K,)-Ko Lin (2.16)
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 khuĩch dai BBD (Kp) thi sai 33
Trang 33lệch tốc độ (An) sẽ giảm Khi dat diĩu kiĩn R, + Rp + Ry = B.Kkp.Kb thì An = 0 (đặc
tính tuyệt đối cứng) Nhưng níu B.Kep.Kp> R; + Rụ + Ry thì An < 0, hệ có đặc tính không ôn định (hình 2.18a) n pete} chm = Rs +Rp + Ru Ky Kxp Br Hinh 2.18a Dac tinh co diĩn Cho Ba phĩp B=0 lạ Bi > B2>O 2.4.5 Hệ điều tốc có phản hồi đm điện âp - dương dòng điện vă đặc tính tĩnh của hệ
Hình 2.19 Hệ điều tốc vòng kín có phản hồi đm điện âp vă dương dòng điện
Sơ đồ nguyín lý hệ thống biểu diễn trín hình 2.19, sơ đồ khối của hệ thông ở chế
độ ôn định (xâc lập) được mô tả trín hình 2.20 Uca Uy Uax E, Ue Eo Ko Kp Kp (-) — - ae Đụ, C) ©) Ro Ru B ls
Hình 2.20 Sơ đồ cấu trúc trạng thâi Gn định của hệ điều tốc vòng kín có phản
hoi am điện âp vă dương dòng điện
Từ so đồ khối hình 2.20 ta có câc biểu thức (trong trường hợp năy ta giả thiết bỏ qua R; vì thường có giâ trị rất nhỏ, mặt khâc nếu sử dụng một số phương phâp lấy tín
Trang 34hiĩu dong kiĩu khac thi R, = 0):
Wak = Kxp.(Ueg + Bly -—aUyg) vă Eu= Kop Uax U, = Ep — Rola = Ep + Rula = ¬.` Ky Ta có phương trình đặc tính cơ điện của hệ thống kín lă: 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 âp, 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 âp (œ) vă hệ số phản hồi dòng (B) thì sự phối hợp
ˆ hai phản hồi năy tương đương phản hồi đm tốc độ, biện phâp năy cho phĩp đơn giản hóa
thiết bị lấy tín hiệu phản hồi mă lại đảm bảo hệ có phản hồi tương đương với phản hồi đm tốc độ (thường gọi lă phản hồi đm tốc độ đẳng trị), lă loại tín hiệu phản hồi cho chất
lượng tốt nhất đối với hệ ĐCTĐTĐĐ duy trì tốc độ theo lượng đặt trước không đổi
*K oly (2.17)
2.4.6 Hệ điều tốc vòng kín với phản hồi đm tốc độ vă đm dòng điện có ngắt
2.4.6.1 Khâi niệm
Khi sử dụng câc phản hồi đm tốc độ, hoặc đm điện âp, hoặc dương dòng điện, hoặc đm âp dương dòng hỗn hợp trong hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ một chiều kích từ độc lập thì sẽ nđng cao độ cứng đặc tính cơ điện vă đặc tính cơ, tức lă giảm sai lệch tốc độ, dẫn đến tăng độ chính xâc duy trì tốc độ, tăng phạm vi điều chỉnh Tuy vậy, với việc sử dụng câc phản hồi tăng độ cứng đặc tính cơ dẫn đến mômen ngắn mạch tăng, gđy nín
quâ dòng quâ mức khi khởi động, hêm, đảo chiều vă khi quâ tải Để khắc phục câc
nhược điểm đê níu của câc phản hồi nđng cao độ cứng, người ta sử dụng phối hợp thím
văo hệ một tín hiệu phản hồi khâc lă phản hồi đm dòng điện có ngắt 2.4.6.2 Sơ đồ nguyín lý hệ thống Uca † -Bda — Ing) + -k- 7 >
Hình 2.21 Hệ ĐCTĐTĐĐ có phản hồi đm tốc độ vă đm dòng điện có ngắt
Trong sơ đồ hình 2.21, ngoăi câc phần tử có chức năng như đê giới thiệu ở câc sơ đồ trước, trong sơ đồ năy còn có một bộ phận được biểu diễn băng một khôi ký hiệu 35
Trang 35lă KN (khđu ngat), khau nay cĩ d&c tinh la khi trĩn dau vao co tin hiĩu Bly vdi tri
tuyệt đối nhỏ hơn một lượng nhất định được gọi lă tín hiĩu ngdt (Ung = Blng) thi tin
hiệu đầu ra bằng không, khi giâ trị tuyệt đối tín hiệu văo vượt quâ giâ 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
Câc tín hiệu văo của khối năy gồm uca, —yn, Ba — Ïng) có thể đưa chung văo một khôi đầu văo, cũng có trường hợp câc tín hiệu năy đưa văo câc khối khâc nhau: tín
hiệu u¿q vă —yn được tổng hợp ở khối đầu văo, tín hiệu ra của khối đầu văo được tổng
hợp với tín hiệu phản hồi đm dòng có ngắt (—B(Œa — Inạ)) ở khối tiếp theo, tương ứng
với từng trường hợp nguyín lý hoạt động của hệ có câc điểm khâc nhau va so dĩ khối của hệ cũng khâc nhau 2.4.6.3 Trường hợp khi câc tín hiệu được tổng hợp chung ở khối đầu văo Từ sơ đồ hình 2.22 ta có câc phương trình: uâk = Kgp.[uca — yn — B.AI.1(AD] ;trong đó AI = lạ Ing , con 1(AT) 1a ham: 1 khi AI>0 IAI) = O khi AI <0 Ep = Ky Wak 1 Uy = Eụ — (Rụ + Rạ).lạ = Ep + Rug = wo +R, D
Khi bỏ qua R, co gia tri rất nhỏ so với câc điện tro Ry va Ry, ta co:
Uy = Ep - Rp.Ig = Ep + Ry.lạ = ponte Đ K KĐ Ua pl Kp Ep Uv Ep Kp n ©) (-) Rp + Rs Ru
Hinh 2.22 So đồ khối của hệ ĐCTĐTĐĐ có phản hồi đm tốc độ vă đm dòng điện có ngắt với câc tín hiệu được tông hợp chung trong khối đầu văo của bộ khuếch đại trung gian
Xĩt riíng với từng trường hợp AI < 0 vă AI > 0 ta có phương trình đặc tính cơ
điện của hệ thống kín lă:
+ Đoạn 1, khi AI < 0, tức lă lạ <I„; (biểu thức 2.19)
n= KroKy Kyu ~Ky(RytR,)Iy_ Ku Ky(R,+R,),
1+y.Ky,.K,.K, l+y.K I+y.K (2.19)
Trang 36+ Đoạn 2, khi AI > 0, tức lă lạ > Ing (biểu thức 2.20)
= Kyo ky Kpu.y +BK, )K,KyI,, _ (BKK, + Ry + R„)K n bd ] 1+yKypK,Kp 1+7Kxpk Kp (2.20) = Ku, +BKI,, _ (BKK, + R, + R,)Kp I 1+yK 1+yK :
Sai lĩch (d6 sut) tĩc d6 khily< Ing hoan nạ
toăn tương tự trường hợp hệ có phản hồi đm
tốc độ, vì lúc năy khđu phản hồi đm dòng có
ngắt chưa tâc động Khi lạ > I„; thì có sự
tham gia của phản hồi đm dòng có ngắt nín
sai lệch tốc độ tămg lín, 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
đm dòng B phù hợp (thường kết hợp với việc 0 [ Chỉ có phản hồi tốc độ _ | + | ce cả 2 phản hỏi ` “ >
tính chọn hệ số khuếch đại của bộ khuếch ím Tag tags lage lụt lă
đại trung gian) sẽ cho ta dòng ngắn mạch Hình 2.23 Đặc tính cơ điện của
theo yíu cầu, đảm bảo sự hạn chí phụ tải hệ ĐCTĐTĐĐ có phản hoi am toc độ vă đm dòng có ngắt khi sử
trong chế độ tĩnh cũng như chế độ động dụng khđu tổng hợp un u tông hợp chung ch
Phđn tích phương trình vă 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 năy tín hiệu phản hồi tốc độ vẫn tâc động mă ảnh hưởng của nó lại ngược với phản hồi dòng nín nhiều trường hợp phải tăng hệ số Kp quâ lớn, dễ gđy mắt ĩn định động vă khó thực hiện với một số hệ thống cũ 2.4.6.4 Trường hợp khi câc tín hiệu được tổng hợp riíng rễ Uy1 Uae Uv2 Uc Eo Uy Ep n Ucd Kn Ki Kp Kp ©) -) C)- = yn Bal Ro+ Rs Ru ⁄ B ] | Y
Hinh 2.24 So đồ khối của hệ ĐCTĐTĐĐ có phản hồi đm tốc độ vă đm dòng điện có
ngắt với câc tín hiệu được tổng hợp riíng rẽ câc tín hiệu văo của hệ
Trong trường hợp năy, bộ khuếch đại trung gian được chia lăm hai khđu nối tiếp
nhau Khđu thứ nhất thực hiện tổng hợp điện âp chủ đạo với tín hiệu phản hồi đm tốc độ, có hệ số khuếch đại lă K„ Khđu thứ 2 tổng hợp tín hiệu ra của khđu thứ nhất (uayi) với tín hiệu phản hồi đm dòng điện có ngắt vă có hệ số khuếch đại lă Ky Hệ số khuếch
Trang 37có đặc tính bêo hòa khi tín hiệu văo lớn Do vậy khi tín hiệu phản hồi đm đòng có ngắt
tâc động mạnh (dòng lớn) thì tốc độ động cơ giảm nhiều, dẫn đến khđu Kạ sẽ bị bêo hòa, lúc đó tín hiệu điều khiển BĐÐ không phụ thuộc phản hồi đm tốc độ nữa Thông
thường với câc hệ năy, khi dòng điện động cơ thay đổi từ 0 đến dòng điện dừng lay thì hệ thống có 3 vùng (3 đoạn đặc tính) lăm việc khâc nhau: Vùng thứ nhđt chỉ có tâc động của phản hồi đm tốc độ; vùng thứ 2 có sự tâc động của cả 2 phản hồi (khí Ia > Ing nhưng khđu Kạ chưa bêo hòa); vùng thứ 3 lă vùng lăm việc mă khi đó khđu Kạ đê bêo
hòa, hệ chỉ còn chịu tâc động của tín hiệu phản hồi đm dòng điện có ngắt Tín hiệu điều khiển bộ biến đổi:
1 uạy = Ka.Ki.(ucâ — yn) = Kkp.(Ucad — yn) khi lạ < lng
2 tay = Ki.[ Ka (0es — ỵ) — B-(la — Ing)] khi lạ > Iag, nhưng khđu thứ nhất của bộ
khuếch đại chưa bị bêo hòa
3 uạy = Ki.[Upp — B.(la — Ing)] khi khđu thứ nhất của bộ khuếch đại bị bêo hòa, vă lă giâ trị điện âp ra bêo hòa của nó lă Ủụn Ep = Kỳ Udk 1 Uy = Ep — (Rp + Rs)-La = Ep + Ru-Ig = Kot Reh D Bo qua R, cĩ gia tri rất nhỏ so với câc điện trở Rụ vă Ry, ta co: 1 Uy = Ey — Rola = Ep + Rule = =~ +R,.1, Ky Phương trình đặc tính cơ điện của hệ thống kín: + Vung 1 (doan 1): _Kyo-KyKytly —Ky(RytRy 1 Kuy Ky (Ry +Ry)y n = 2.21 1+y.Ky pK, Kp 1+y.K l+y.K ( + Ving 2 (doan 2): ne K,K,K, Kyu +BK,K,Kol,, _ (BK,K,+R,+R,)Kp I 1+yK,K,K,Kp 1+yK,K.K,Ky * (222) _ Kuu+BKiKKjl, (BK.K, +R, +R Ko | 1+yK l+yK ° + Ving 3 (doan 3):
n= K,K,K,U,, +BK,K,KyI,, -(BK,K, + R, +R, )Koly (2.23)
Độ sụt tốc độ khi lạ < In; hoăn toăn tương tự trường hợp hệ có phản hồi đm tốc
độ, vì lúc năy khđu phản hôi đm dong có ngắt chưa tâc động Khi lạ > Ing thi co su tham gia của phản hồi đm dòng có ngắt nín sai lệch tốc độ tăng lín, tốc độ động cơ sẽ giảm nhanh khi dòng động cơ tăng, đặc biệt lă khi khđu khuếch đại thứ nhất bị bêo
hòa (đặc tính tĩnh hình 2.25) Việc lựa chọn hệ số phản hồi đm dòng B va hệ số
khuích đại của câc khđu của bộ khuếch đại trung gian để có dòng dừng (dòng ngắn mach) theo yíu cđu đề dăng hơn trường hợp trước rất nhiều
Trang 38Ucz1 Ucar > Ucđa > Lcđ3
tcđ2
Uca3
0 la
lan Íng Ibn lag
Hình 2.25 Đặc tính cơ điện của hệ ĐCTĐTĐĐ có phản hồi đm tốc độ vă đm
dòng có ngắt khi sử dụng khđu tông hợp riíng rĩ
2.4.7 Câc bộ phận chủ yếu của hệ thống điều tốc có phản hồi vă tính toân thiết kế câc tham số ở trạng thâi ôn định
Tính toân tham số trạng thâi ĩn định lă bước đầu tiín của thiết kế hệ thống điều khiển tự động, nó được quyết định bởi cầu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển, sau đó phải thông qua thiết kế tham số trạng thâi động để hoăn thiện hệ thống Trước khi nghiín cứu về phương phâp thiết kế tham số trạng thâi ổn định cụ thẻ, ta hêy nghiín cứu về một số bộ phận chủ yếu của hệ điều tốc có phản hồi
2.4.7.1 Bộ khuếch đại thuật toân
Từ việc nghiín cứu chế độ tĩnh của hệ truyền động động cơ một chiều với câc khđu phản hồi khâc nhau, có thĩ thấy rằng, chất lượng tĩnh của hệ thống phụ thuộc văo hệ số khuếch đại hệ thống hở vă hệ số phản hồi Như vậy, với hệ có phản hồi với hệ số phản hồi đê xâc định vă tham số câc khđu trong hệ như BBĐ, động cơ cố định thì chất lượng của hệ phụ thuộc văo hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại trung gian
Trong câc hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện thường dùng bộ khuếch đại thuật toân (KĐTT) bằng vi mạch để xđy dựng bộ khuếch đại hoặc bộ điều chỉnh của hệ thống, công dụng vă chức năng của nó so với bộ khuếch đại bằng câc linh kiện TỜI rạc CÓ những ưu điểm chủ yếu sau đđy:
1 Hệ số khuếch đại mạch hở rất lớn cỡ 10! + 108, khi sử dụng phản hồi đm mạnh, có thể đạt được hệ số khuếch đại điện âp với độ ô ôn định cao
2 Câc loại tín hiệu đưa tới đầu văo bộ khuếch đại thuật toân lă tín hiệu điện nối tiếp, xếp chồng lín nhau, tiện điều chỉnh, dễ thực hiện câc thuật toân cộng, trừ, vi phđn, tích phđn , có thể dễ dăng hợp thănh câc kiểu bộ điều chỉnh
3 Điện trở đầu văo của bộ khuếch đại lớn, cỡ từ văi MO trở lín, nín mạch điện đầu văo có thể lắp nỗi tiếp điện trở văi MQ, mă không ảnh hưởng tới sự lăm việc của bộ khuếch đại Dòng điện tín hiệu văo rất nhỏ nín điện trở trong của nguồn điện vă chiết âp đều có thể bỏ qua
4 Do có một đầu tín hiệu văo được nối mât nín có khả năng chống nhiễu cao
5 Điện trở đầu ra nhỏ có thí bỏ qua nín tín hiệu ra coi như không phụ thuộc tải
Trang 39"`
2.4.7.2 Bộ khuếch đại trung gian sử dụng KĐTT
Sơ đồ nguyín lý bộ khuếch đại sử dung KDTT
(hay còn gọi lă bộ điều chỉnh tỷ lệ, bộ điều chỉnh P) —~—T1 ——T+—¬
được thể hiện trín hình 2.26 Đđy lă sơ đồ khuếch u fw
đại đảo, tức lă tín hiệu đầu ra ngược pha (ngược dấu) ot] ă
với tín hiệu đầu văo Trong hình 2.26, uy vă uy lă iv A OA |< điện âp đầu văo vă đầu ra của bộ khuếch đại, R, lă ive
điện trở mạch đầu văo, R; lă điện trở phản hồi của bộ 7
khuếch đại, R¿ọ lă điện trở cđn bằng của đầu văo Ryo
khĩng dao, dung dĩ giảm bớt ảnh hưởng của dòng điện rò tới đầu văo bộ khuếch đại Trị số của Ryo thường lấy bang trị số mắc song song của điện trở câc mạch đầu văo vă điện trở phản hồi Rp, chang han
R,R văp
R,+R,_
Lúc tính toân hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toân vă hăm số truyền của bộ điều chỉnh thường sử dụng giả thiết lă điện âp giữa hai đầu văo bằng không, điều năy hoăn toăn có thí 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 vă điểm A được xem tương đương như lă nỗi mât vă được gọi lă " nỗi mât ảo" Do do: Hình 2.26 Sơ đồ bộ khuếch đại đảo dùng KĐTT như trong hình vẽ thì R¿¿ được chọn xấp xỉ ¬ uw _ 4u, i, = R.’ i,= R, (2.24)
Thĩm nữa, điện trở đầu văo của bộ khuếch đại rất lớn, đòng điện chạy văo bộ khuếch đại qua điểm A cũng xấp xỉ băng 0, nín iy = — ip
Vì thế hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại tỷ lệ sẽ lă:
u,_ R,
Re TR (2.25)
Cần phải chú ý rằng, bộ khuếch đại thuật toân
thường sử dụng câch mắc theo sơ đồ khuếch đại đảo như trín hình 2.26 nín điện âp ra ngược dấu điện âp
văo (khi khuếch đại tín hiệu một chiều), vì vậy hệ y, R
số khuếch đại có giâ trị đm Điều năy sẽ lăm cho ©—TTTT
tính tôn, thiết kế hệ thống thím phức tạp Để trânh sự phiền phức năy, trong tính toân K; vă câc hệ số tỷ lệ khâc của bộ điều chỉnh đều ding gia tri duong, quan hệ ngược pha chỉ trong van để cực tính của mạch điện cụ thí mới xĩt tới; hay nói câch khâc, Uy, u; trín thực tế đều lấy giâ trị tuyệt đối Từ đđy về sau nếu không có ghi chú riíng thì sử dụng quy định năy
Trang 40tri Rp Để thuận tiện cho việc điều chỉnh trơn hệ số khuếch đại, có thể dùng sơ dĩ hình 2 27, ở đầu ra của bộ khuếch đại sử dụng phđn âp bằng chiết âp Rị, tín hiệu phản hồi đm của bộ khuếch đại lấy từ con trượt của Rị được xâc định: — Ry + R, u, = =pu 2.26 " R,+R, Me = Pll (2-26) trong đó p= 61; lă hệ số phđn âp Vì thế: p R,+R, u R R K =i _RitR, 5; (2.27) > fuy| pR, Ry+R, R,
Điều chỉnh p lă có thí thay đổi hệ số khuếch đại K;, khi tỷ số phđn âp p cảng nhỏ, hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại căng lớn, bởi vì lượng phản hồi đm sẽ bị giảm đi Để trânh hiện tượng bộ khuếch đại bâo sai, không nín điều chỉnh p đến 0, có thể ở đầu nối mât của chiết âp mắc nối tiếp một điện trở nhỏ R; (một số trường hợp lă điện
2 on 2 ok 2 A A + TA 2 x A = 1 tA 2 7
tro diĩu chinh duoc — biín trở), níu trị sô của điện trở năy lđy băng ọ điện trở của
chiết âp, thì tối đa có thể tăng hệ số khuếch đại lín 10 lần (so với sơ đồ hình 2.26) Uca Ru Rp se—{[ — ky} 1+ ~tưr u ~U —+n Ra Uca K ed K r p —>%) p e—T— I - u : _ OA |0 yn + Rv ‹ yn Rv Rvo 2 a) b) c)
Hình 2.28 Sơ đồ bộ khuếch dùng KĐTT có hai tín hiệu văo:
a) Sơ đồ nguyín lý: b) Sơ đồ cấu tric khi Ry; # Rye; c) Sơ đồ cấu trúc khi R„¡ = Rye