thiẾt bỊ ĐiỀu khiỂn vÀ mÁy ĐiỆn - mientayvn.commientayvn.com/dien...

THIẾT BỊ ĐIỀU

KHIỂN VÀ MÁY ĐIỆN

Chương 1: Những nguyên tắc cơ

bản khi xây dựng hệ điều chỉnh

tự động truyền động điện.

Trao đổi trực tuyến tại:

http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html


Nội dung chính:

1. Những vấn đề chung khi thiết kế hệ điều

chỉnh tự động(HĐCTĐ).

2. Độ chính xác của hệ điều chỉnh tự động

truyền động điện.

3. Phương pháp hàm chuẩn modul tối ưu dùng

tổng hợp các mạch vòng điều chỉnh nối cấp

4. Tổng hợp các mạch vòng điều chỉnh số.

5. Hệ thống truyền động điều chỉnh phi tuyến.

1.1 Khái niệm và phân loại

Khái niêm:

Nguyên tắc cơ bản khi xây dựng hệ điều chỉnh tự

động truyền động điện là phải đảm bảo giá trị yêu

cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ

thuộc vào các nhiễu loạn tác động lên hệ.

R BĐ

ĐL

M MX

THĐ

NL

Khái niệm và phân loại tiếp… Phân loại:

1. Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì theo lượng đặt trước không đổi như tốc độ không đổi, công suất không đổi, vận tốc không đổi…

2. Hệ điều chỉnh tùy động(Hệ bám): là hệ điều chỉnh vị trí trong đó cần điều khiển truyền động theo lượng đặt trước biến thiên tùy ý. Ví dụ như hệ cắt gọt kim loại, rada…

3. Hệ điều khiển chương trình: Là hệ điều khiển vị trí nhưng đại lượng điều khiển tuân theo chương trình đặt trước trong bộ nhớ, thường dùng để điều chỉnh các đại lượng điều khiển có quỹ đạo chuyển động phức tạp. Hay gặp trong các dây truyền sản xuất có robot.

1.2 Những vấn đề chung khi thiết kế hệ

điều chỉnh tự động truyền động điện Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần

phải đảm bảo hệ thực hiện được tất cả các yêu cầu đặt

ra, đó là các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chất

lượng và các yêu cầu kinh tế.

Trong các hệ điều chỉnh tự động truyền động điện, cấu

trúc mạch điều khiển, luật điều khiển và tham số của

các bộ điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng

của hệ. Vì vậy khi thiết kế hệ ta phải thực hiện các

thuật toán về phân tích và tổng hợp hệ để tìm ra lời giải

thích hợp lý, sao cho đáp ứng được yêu cầu kinh tế và

kỹ thuật đề ra.

1.2 Tiếp...Bài toán tổng hợp hệ.1. Bài toán tổng hợp chức năng thực hiện trong trường hợp đã

biết cấu trúc và tham số của mạch điều khiển ta phải xác định luật điều khiển đầu vào sao cho hệ đảm bảo chất lượng.

2. Bài toán tổng hợp tham số thực hiện khi đã biết cấu trúc hệ và lượng tác động đầu vào của hệ ta cần xác định tham số các hệ điều khiển.

3. Bài toán tổng hợp cấu trúc – tham số thực hiện khi đã biết quy luật biến thiên của lượng đẩu vào và ra của từng phần tử trong hệ thống, ta cần xác định cấu trúc của hệ và đặc tính thma số của biộ điều chỉnh.

ta sẽ nghiên cứu các phương pháp tổng hợp hệ thường dùng là phương pháp hàm chuẩn môdul tối ưu, phương pháp không gian trạng thái cũng như nghiên cứu các hệ truyền động điều khiển số và hệ truyền động có phần tử phi tuyến.

1.3 Độ chính xác của hệ thống truyền động điện

tự động trong chế độ xác lập và tựa xác lập

F0(p) – hàm truyền mạch hở;

TM – thiết bị công nghệ;

R, r(t) – tín hiệu điều khiển;

C,c(t) – tín hiệu ra;

E = R-C – sai lệch điều chỉnh ;

Ni – các nhiễu loạn.

)(1

)()(

0

0

pF

pFpF

F0(p) TME

-

R

N1 …….. Nn

C

1.3.1 Các hệ số sai lệch

Khai triển Mc.Laurin hàm e(t) ta có :

C0 – Hệ số sai lệch vị trí

C1 – Hệ số sai lệch tốc độ

C2 – Hệ số sai lệch gia tốc.

i

i

idt

tRdC

dt

tRdC

dt

tdRCtRCte

)(...

)()()()(

2

2

210

....)(

...)(

)( 11

111110 i

i

iNNNdt

tNdC

dt

tdNCtNC

)()(

...)(

)( 10 tRdt

tNdC

dt

tdNCtNC

i

n

i

iNn

n

NnnNn

1.3.2 Các tiêu chuẩn sai lệch Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch(ISE) Theo đó chất

lượng của hệ thống được đành giá bởi tích phân :

Một hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn ISE làm cho các sai

lệch lớn ban đầu giảm rất nhanh, do đó có tốc độ đáp ứng phải

rất nhanh và kết quả là kém ổn định. Thường áp dụng để thiết kế

các hệ thống có yêu cầu cực tiểu hóa tiêu thụ năng lượng.

Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt

đối của sai lệch (ITAE): hệ thống tự điều chỉnh là tối ưu nếu nó

làm cực tiểu tích phân sau đây:

Hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn này sẽ cho đáp ứng có

quá độ điều chỉnh nhỏ và có khả năng làm suy giảm nhanh các

dao động trong quá trình điều chỉnh. Việc tính toán thiết kế còn

hay dùng tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình

phương hàm sai lệch ITSE:

0

2 )( dtte

0

)( dttet

0

2 )( dttte

1.4 Tổng hợp các mạch vòng điều khiển kiểu nối cấp

dùng phương pháp hàm chuẩn môdul tối ưu.

Trong sơ đồ có n thông số X,n bộ điều chỉnh R(p) của n đối tượng

(hệ thống) S(p), trên đó tác động n nhiễu loạn chính p1, …,pn. Từ

sơ đồ thấy rằng tín hiệu ra của bộ điều chỉnh Ri chính là tín hiều

điều khiển của mạch vòng điều chỉnh cấp i-1. Các đại lượng(thông

số) điều chỉnh x1,…xn tương ứng với giá trị đặt x1d,…xnd. Số

lượng điều chỉnh đúng bằng số các đại lượng điều chỉnh.

Rn(p) R2(p) R1(p) S01(p) S0n(p)S02(p)…. ….

P1P2 Pn

Xnđ X2đX1đ

- - -

F01

F1

F02

F2

X1 Xn

1.4 TiếpTrong trường hợp chung hàm truyền của hệ thống có dạng:

Td: Hằng số tg của khâu trễ.

Tk: Khâu có hằng số tg lớn.

Tk: Khâu có hằng số tg nhỏ.

Thường dùng phương pháp hàm chuẩn tối ưu để tổng hợp thông số

bộ điều khiển. Quá trình được thực hiện từ mạch vòng thứ 1 – n.

Việc tổng hợp sẽ được thực hiện sao cho bù được các khâu có hằng

số thời gian tương đối lớn. Các khâu có hằng số thời gian tương đối

nhỏ sẽ không được bù.

v

k

u

s

sk

j

m

j

pT

j

pTpTp

epTK

pS

d

1 1

'

1

0

)1()1(

)1(

)(

1.4.1 Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu.Đối với một hệ thống kín, khi tần số tiến đến vô hạn thì môdul của

đặc tính tần số - biên độ phải tiến đến không. Vì thế đối với dải

tần thấp nhất hàm truyền phải đạt được điều kiện: F(jw)~1

Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn môdul tối ưu là hàm có dạng :

(*)

Sau khi ứng dụng tiêu chuẩn môdul cần phải kiểm tra sự ổn định

của hệ.

a. Trường hợp hệ hữu sai có hàm truyền:

Trong đó T2 >T 1

Nếu chọn bộ điều chỉnh kiểu PI:

b. Trường hợp hệ có hàm truyền:

22221

1)(

pppFMC

)1)(1()(

21

0pTpT

KpS t

pTK

pTpR

t 1

2

2

1)(

u

s

s pT

KpS

1

'0

)1(

)(

1.4.1 Tiếp…Ts’ là các hằng số thời gian nhỏ. Theo tiêu chuẩn ta tìm được bộ

điều chỉnh có cấu trúc tích phân:

trong đó Ts =

c)Nếu hàm truyền của hệ thống dạng:

Tức là hàm truyền có dạng là tích của hàm truyền của hai trường

hợp trên thì ta có thể điều chỉnh PID:

d) Nếu

Thì có bộ điều chỉnh kiểu tỉ lệ:

pKTpR

s2

1)(

u

s

sT1

'

2

1 1

'0

)1()1(

)(

k

u

s

sk pTpT

KpS

pTK

pT

pRs

k

k

2

1)1(

)(

2

10

0

1

'0

)1(

)(

s

s pTp

KpS

sKTpR

2

1)(

1.4.1 Tiếp…Nếu hàm truyền:

thì có bộ điều chỉnh PD:

Như vậy là tùy vào hàm S0(p) của hệ hở (đối tượng) mà bằng

các bộ điều chỉnh R(p) ta được hệ có hàm truyền dạng(*).

Trong các trường hợp trên, giá trị hằng số Tσ là nhỏ, nên gần

đúng có thể coi hệ kết quả có hàm truyền dạng quán tính :

u

s

s pTTpp

KpS

1

'0

)1()1(

)(

sKT

TppR

2

1)(

1.4.2 Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng Tiêu chuẩn tối ưu đối xứng thường áp dụng để tổng hợp các bộ

điều chỉnh trong mạch có yêu cầu cấp vô sai cấp cao, nó cũng

được áp dụng có hiệu quả để tổng hợp các bộ điều chỉnh theo

quan điểm nhiễu loạn.

Hàm chuẩn tối ưu đối xứng có dạng :

Để dẫn ra ý nghĩa của tiêu chuẩn, xét thí dụ hệ thống S0(p) có

dạng vô sai cấp 1 nhưng lại dùng bộ điều chỉnh kiểu PI

trong đó Ts có thể là tổng của các hằng thời gian nhỏ

3322 8841

41)(

pTpTpT

ppFDX

)1(

1)()()(

1

00

s

t

pTpT

K

pKT

pTpSpRpF

1.4.2

Áp dụng điều kiện của tiêu chuẩn tối ưu môdul ta tìm được các

phương trình đặc tính :

a12 – 2a0a2 = 0

a22 – 2a1a3 = 0, suy ra

(K1T0)2 – 2K1KT0Ts = 0

(KT0T1)2 – 2K1T02KT1Ts = 0

Giải hệ phương trình trên ta tìm được

; T0 = 4Ts

Hàm truyền của hệ sẽ là :

1

)1()(

01

2

10

3

10

00

pTKpTKTpTTKT

pTKpF

s

1

12

T

TKK s

3322 8841

41)(

pTpTpT

TpF

sss

sDX

1.4.2 Trong trường hợp hàm truyền của đối tượng có chứa khâu quán

tính thứ hai với hằng số thời gian lớn Hàm truyền dạng tối ưu

đối xứng với τσ = Ts:

Trong trường hợp đối tượng là hệ hữu có khâu quán tính lớn T1

>>Ts chỉ có thể làm gần đúng để đưa về dạng

Xấp xỉ:

Thì ta có hàm truyền của mạch điều chỉnh sẽ là:

)1)(1()(

21

0pTpTpT

KpS

s

)1()1)(1()(

1

1

1

1

pTpT

K

pTpT

KpS

ss

pTpT 11

1

1

1

3322 8841

1

)(

)()(

pTpTpTpX

pXpF

sssd

1.4.3 Tổng hợp các bộ điều chỉnh theo nhiễu loạn

trong đó P(p) là nhiễu loạn.

khi T1>>Ts có thể coi hệ thống hở S0(p) gần đúng như là hệ vô

sai cấp 1 và bộ điều chỉnh sẽ là PI và theo tiêu chuẩn tối ưu đối

xứng có:

Hàm truyền của hệ theo nhiễu lọan là

- XXd

S0(p)

R(p)

P

pKT

pT

0

01

)1)(1( 1

1

pTT

K

s

pTK

pTTpR

s

s

2

1

1

8

)41()(

3322

11

2

1

1

0

0

0

0

88)1()8

1(41

8

)()(

1

)()(1)(

)()(

)()(1

)(

)(

)(

pTpTT

Tp

T

TT

pT

T

K

pFpRpSpRpR

pSpR

pSpR

pS

pP

pX

ssss

s

s

1.4.3 Nếu như tổng hợp mạch theo tiêu chuẩn modul tối ưu thì

quá trình quá độ của lượng ra khi có nhiễu tác động :

pTK

pTpR

s1

1

2

)1()(

32

1

2211

1

22)1()2

1(21

2

)(

)(

pTTpTT

Tp

T

TT

pTK

pP

pX

ss

ss

s

s

5 10 15 20

T1/Ts=2 2

4

8t/Ts

-X(t)/K1

1.5 Tổng hợp các mạch vòng điều chỉnh số của truyền

động điện

Các máy tính số, cũng như của hệ thống vi sử lý không

chỉ được ứng dụng trong việc điều khiển logic truyền

động điện mà còn được dùng để xây dựng các bộ điều

khiển số có một số ưu việt so với các mạch điện tử

tương tự về tính mềm dẻo khi cần thay đổi cấu trúc và

tham số của hệ thống tự động, có độ chính xác cao của

quá trình điều chỉnh và có tính chống nhiễu cao

1.5.1 Số hóa các tín hiệu

Việc số hóa các tín hiệu được thực hiện trước hết bởi động tác lấy mẫu, sau đó tín hiệu lấy mẫu này được mã hóa thành dữ liệu dạng số nhờ các chuyển đôit A/D. Tín hiệu được lấy mẫu theo chu kỳ có độ dài T bằng cách chuyển mạch các vị trí đo (xem hình. Trong sơ đồ này S(p) là phần liên tục của hệ thống và HD là phần tử lưu giữ tín hiệu. Quá trình được mô tả cụ thể bởi một chu trình lấy mẫu và lưu giữ, tạo tín hiệu bởi đồ thị trên hình vẽ.

a) Lượng tử hóa các tín hiệu

Việc lượng tử hóa các tín hiệu xảy ra khi nhập dữ liệu vào máy tính, khi xử lý các dữ liệu trong máy và khi đưa các dữ liệu từ máy ra. Lượng tử hóa dữ liệu đưa vào máy tính được thực hiện bởi chuyển đổi A/D. Dung lượng số Nym biểu diễn đại lượng liên tục y(t) được cho bởi độ dài từ n, tức là tổng số các bít của chuyển đổi A/D trừ bít đánh dấu.

Nym = 2n – 1 (1-19)

1.5.1 Trong đó Ym là giá trị của đại lượng liên tục y(t). Đơn vị của việ

số hóa đại lượng y(t) sẽ là :

Giá trị bằng số của tín hiệu Ny ở đau ra chuyển đổi A/D được xác

định từ biểu thức :y = Ny∆y + σy hoặc y = y0 + δy với y0=Ny∆y

là sai số của phép chuyển đổi.

Tránh phép nhân hoặc thay bằng phép cộng, dịch bít.

Các ảnh hưởng của phép số hóa tới hệ thống trong chế độ xác lập:

Ảnh hưởng tới sai lệch điều chỉnh kéo dài.

Tới sai lệch điều chỉnh biến đổi ngẫu nhiên.

Tới các dao động có tần số thấp có chu kỳ dao động = 1 số

chu kỳ lấy mẫu

ym

m

N

Yy

yy

1.5.1..1.5.2b) Phạm vi biểu diễn và hạn chế lượng ra

Hệ điều chỉnh số chậm hơn so với hệ điều chỉnh liên tục tương đương.

Tần số lấy mẫu phải được chọn thỏa mãn định lý lấy mẫu Shanon:

Với K >=2

Tr:hằng số tg thay thế của mạch vòng kín.

1.5.2 Biến đổi Z

a)Lấy mẫu và lưu giữ tín hiệu:

Bộ lấy mẫu biến tín hiệu liên tục thành chuỗi các xung tại các

thời điểm lấy mẫu 0,T, 2T

Phần tử lưu giữ sẽ chuyển đổi tín hiệu đã được lấy mẫu thành

tín hiệu gần liên tục có dạng bậc thang, 0 đổi giữa 2 chu kỳ lấy mẫu

gọi là phần tử lưu giữ bậc 0 có hàm truyền là:

K

TT r

p

eG

PTz

p

1

1.5.2 Biến đổi Z

b) Phép biến đổi Z

Ta có X*(p)=L{x*(z)} =

Nếu ta định nghĩa toán tử z sao cho z = ept thì ta có thể viết X*(p)

như là

X(z) = X*(p) = X*( LnZ) =

Khi đó hàm X(z) được gọi là biến đổi Z của hàm x(t) ký hiệu:

X(z) = Z{x*(t)}

c) Tính ổn định trong mặt phẳng z

Khi chuyển sang mặt phẳng Z nửa trái mặt phẳng P được vẽ lại vào

bên trong của nửa vòng tròn đơn vị có tâm là gốc tọa độ.

0

).(k

kTpZkx

T

1

0

).(k

kZkTx

1.5.3 Luật điều chỉnh của các mạch vòng điều chỉnh

kiểu gián đoạn1. Gián đoạn hóa các luật điều chỉnh liên tục

2. Xây dựng luật điều chỉnh bằng phương pháp đặc tính tần biến

vị.

3. Tính toán luật điều chỉnh bằng phương pháp modul tối ưu của

hàm truyền biến vị.

1.6 Phương pháp không gian trạng thái

1. Không gian trạng thái của hệ tự động điều chỉnh

Phương pháp tần số hiệu quả trong việc phân tích tổng hợp hệ

SISO nhưng không áp dụng được trong hệ MIMO.

Xét hệ có n biến trạng thái:

Với

Khi đó nghiện của phương trình là y = cx với c = [1 0 0 … 0]

uBxAx

nx

x

x

x

.

.

2

1

121

1....000

....

0....100

0....010

aaaa

A

nnn


.2. Một số khái niệm và tính chất cơ bản

1. Tính không duy nhất của một tập biến trạng thái

2. Các giá trị riêng của ma trận n x n là nghiệm của phương trình

đặc tính:

3. Sự bất biến của giá trị riêng:

4. Đưa ma trận n x n về ma trâng đường chéo

5. Biểu diễn không gian trạng thái của hệ nhiều chiều

0AI

APPIAI 1

uBxAx

uDxCy


.3. Giải phương trình trạng thái tuyến tính dừng.

Xét phương trình x’=Ax trong đó x là vecto n chiều A(n x n) giả sử

nghiệm là chuỗi lũy thừa x(t) = b0 + b1t + b2t2 + ….+ bkt

k

Lấy đạo hàm rồi thay vào phương trình x’ = Ax được:

b1+ 2 b2t + …+…+ k bktk-1 + …=A(b0 + b1t + b2t

2 + ….+ bktk)

Đồng nhất các hệ số 2 vế ta được:

b1= Ab0

b2= 1/2 A2b0

……..

bk= 1/k!Akb0

b0 = x(0)

=> )0(e ...)x(0) t!

A ... t

!2

A At (I x(t) k

k2

2

xk

At

1.6.3 tiếp… Trong pt trên eAt được gọi là hàm mũ ma trận. Nó có một số

tính chất:1. .

2. eA(t+s) = eAteAs

3. eAt.e-At = I

4. e(A+B)t = eAteBt nếu A.B = B.A

5. e(A+B)t ≠ eAteBt nếu A.B ≠ B.A

AeAeedt

d AtAtAt

1.6.3… Ma trận chuyển trạng thái( (t) )

Từ phương trình x’=Ax chuyển điều kiện đầu ta có x(t)= (t)x(0)

(t) chứa mọi thông tin về nghiệm tự do của pt x’=Ax. Nó có các tính chất sau:

1. (0) = eA0 = I

2. (t) = eAt = [e-At]-1 = [ (-t)]-1 hoặc -1(t) = (-t)

3. (t1 +t2) = eA(t1+t2) = eAt1 e

At2 = (t1) (t2) = (t2) (t1)

4. [ (t)]n = (nt)

5. (t2 – t1) (t1 – t0) = (t2 – t0) = (t1 – t0) (t2 – t1)

Các bước tìm ma trận chuyển trạng thái

Cho x’=Ax trong đó x là vecto n chiều A(n x n)

B1: tìm [pI – A]-1

B2: tính (t) = L-1{[pI - A]-1 }

1.6.3…Nghiệm của phương trình trạng thái có kích thích.

Xét phương trình x’= Ax + Bu(t)

Trong đó x là vecto trạng thái n chiều, U là vecto kich thích r chiều

A là ma trận (n x n) B là ma trận (n x r) còn u là vecto kích thích.

Tương tự như pt thuần nhất nghiệm của pt trên có 2 thành phần

Thành phần chứa phép chuyển trạng thái của điều kiện đầu và thành

phần tăng thêm do có yếu tố tác động từ véc tơ kích thích.

t

tA dBuex0

)(At )(.)0(e x(t)

1.6.3…

Tìm ma trận chuyển trạng thái của hệ thống sau:

Tính pI-A, det(pI-A), [pI-A]-1; L-1; -1(t)2

1

.

2

.

1

32

10

x

x

x

x

1.6.4 Ma trận truyền

Với hệ thống SISO tuyến tính:

Thì hàm truyền G(p)=Y(p)/U(p) = C(PI – A)-1.B +D (*)

Với hệ MIMO: ví dụ có r đầu vào và m đầu ra thì.

Phần tử Gijp) là quan hệ giữa đầu ra thứ i với đầu ra thứ j và được

tính tương tự như (*)

)(

...

)(

)(

.

)(...)()(

............

)(...)()(

)(...)()(

)(

.

.

)(

)(

2

1

21

22221

11211

2

1

pU

pU

pU

pGpGpG

pGpGpG

pGpGpG

pY

pY

pY

rmrmm

r

r

m

uBxAx

uDxCy

1.6.4… Với hệ vòng kín có cấu trúc như sau:

Vì hệ là tuyến tính: Y(p) = G0(p)[U(p) – B(p)]

= G0(p)[U(p) – Y(p).H(p)]

G(p) = [I + G0(p)H(p)]-1. G0P

G0(p)

H(p)

U(p) E(p)

-

Y(p)

B(p)

1.6.4…Phân ly trong hệ điều khiển nhiều chiều.

Nhằm phục vụ cho nhu cầu biến đổi cấu trúc và tham số sao cho một đầu ra của một của hệ chỉ chịu ảnh hưởng của 1 đầu vào.

Giả sử đối tượng có ma trận truyền Gp(p) n x x, cần thiết kế bộ điều chỉnh có ma trận truyền là n x n Gr(p) sao cho n đầu vào và đầu ra là phân ly, nghĩa là ma trận hàm truyền của hệ phải là ma trận chéo.

Bài toán phân ly là bài toán tìm ma trận hàm truyền Gr(p) mà trong trường hợp ma trận phản hồi H(p) là đồng nhất thì

G(p) = [I + G0(p)]-1 G0(p) trong đó G0(p) = Gp(p) Gr(p)

= G(p)[I - G(p)]-1

G0(p)[I – G(p)] = G(p)

)(...00

............

0...)(0

0...0)(

)(21

11

pG

pG

pG

pG

nn

1.6.4 phân ly…nhân 2 vế với ma trận nghịch đảo của ma trận trong ngoặc vuông ta

được:

G0(p) = G(p)[I – G(p)]-1

1.6.5 hệ thống tuyến tính không dừngMa trận chuyển trạng thái.

Xét phương trình ma trận vecto dạng x’= A(t).x là phương trình

thuần nhất không dừng. Nghiệm của pt là phép chuyển trạng thái

của điều kiện đầu bởi ma trận chuyển trạng thái.

Tính ma trận chuyển trạng thái bằng cách dùng khai triển chuỗi:

Trong trường hợp khi A(t) là ma trận chéo thì:

Ví dụ: Cho hệ thống 0 dừng có mô tả như sau:

Tính ma trận chuyển trạng thái (t,0)

Lần lượt tính các tích phân:

1

0 00

...})(){()(),( 12210

t

t

t

t

t

t

ddAAdAItt

t

t

dAtt

0

})(exp{),( 0

xt

x0

10'

1.6.5 hệ thống…t t

tt

tdA

0

2

0 20

0

0

10)(

80

60

20

0

0

104

3

12

1

1

0 1t

t

d

t

....82

10

....6

1)0,(

42

3

tt

tt

t

1.6.5 hệ thống tuyến tính không dừngPhương trình trạng thái tuyến tính không dừng có dạng:

Trong đó: x - vecto trạng thái n chiều.

u – vecto kích thích r chiều.

A(t) ma trận n x n; B(t) là ma trận n x r.

Các phần tử A(t) và B(t) được coi là hàm liên tục từng đoạn trong

khoảng (t0 t1).

Dạng nghiệm của pt trong đó (t0 t1) là ma

trận chuyển trạng thái.

Nghiệm của pt là:

utBxtAx )()(

)().,()( 0 ttttx

dUBttxtttx

t

t0

)().().,()().,()( 00

1.6.6 Biểu diễn không gian trạng thái của hệ thống gián

đoạn Ta có sơ đồ khối của hệ thống gián đoạn

Trong đó x(k): vecto trạng thái

U(k) vecto kích thích y(k) vecto đầu ra.

Biểu diễn không gian trạng thái của hệ gián đoạn thường có dạng

x(k+1) = G(k).x(k) + H(k).U(k)

y(k) = C(k).x(k) + D(k).U(k)

Trường hợp hệ gián đoạn tuyến tính dừng thì phương trình đơn giản

hơn: x(k+1) = G.x(k) + H.U(k)

y(k) = C.x(k) + D.U(k)

D(k)

H(k) C(k)

G(k)

Trễu(k)

x(k+1)x(k)

y(k)

1.7 Hệ thống tự động điều chỉnh phi tuyến

1.7.1 Biểu diễn các quan hệ phi tuyến: các phần tử và ht phi tuyến

có thể chia là 2 lớp: tính chất phi tuyến nội tại và ngoại lai

Mô tả toán học của các phần tử phi tuyến

1

N: hàm biểu diễn quan hệ phi tuyến.

X: biên độ tín hiệu vào hình sin

Y1: biên độ sóng cơ bản của tín hiệu ra

1: dịch pha của sóng cơ bản của tín hiệu ra so với tín hiệu vào.

1.7.2 Phân tích các hàm biểu diễn phi tuyến

Một hệ thống tự động điều chỉnh phi

tuyến thường có 2 thành phần là phi tuyến và tuyến tính

NX Y

X

YN 1

Ne

-

n(e) G(p) c

1.7.2…Tính ổn định

Phương trình đặc tính của hệ: 1+N.G(jw)=0 => G(jw)= -1/N (1)

Nếu 1 được thỏa mãn thì trạng thái này quỹ đạo của G(jw) đi qua

điểm tới hạn (-1+ j0).

Trong phâ tích các hàm phi tuyến thì đặc tính tần được biểu diễn

sao cho toàn bộ quỹ đạo đường -1/N trở thành quỹ đạo các điểm

tới hạn. Vì vậy từ việc phân tích vị trí tương đối giữa quỹ đạo -1/N

và G(jw) có thể kết luận về tính ổn định của hệ thống:

- Nếu quỹ đạo -1/N không bị bao bởi quỹ đạo G(jw) thì hệ thống ổn

định và ngược lạiG(jw) Im

Re0

-1/N

1.7.3 Phân tích hệ thống phi tuyến bằng phương pháp

mặt phẳng phaA.Phương pháp mặt phẳng pha: Xét hệ thống cấp 2 mô tả bởi

phương trình vi phân x’’ + f(x,x’) = 0 trong đó f(x,x’) là hàm tuyến

tính hoặc phi tuyến của x,x’

Phương pháp do Poincare áp dụng đầu tiên là để tìm nghiệm của 2

ptrình vi phân bậc 1 đồng thời (1)

(2)

Từ định lý về tính duy nhất nghiệm của

hệ ptrình vi phân thì hệ 1,2 có nghiệm duy nhất khi f1 và f2 là giải

tích được(có khai triển taylor quanh 1 điểm)

Loại bỏ biến t ở 1,2 ta có (3) Phương trình

này cho biết độ nghiêng của tiếp tuyến của quỹ đạo mặt phẳng pha đi

qua điểm x1, x2 Nghiệm của (3) có thể viết dưới dạng x2= (x1) đây

là ptrình của 1 đường cong trong m phẳng pha nó chỉ ra chuyển

động của các điểm trạng thái của hệ thống

),( 2111 xxf

dt

dx

),( 2122 xxf

dt

dx

),(

),(

211

212

1

2

xxf

xxf

dx

dx


mặt phẳng phaB. Dựng quỹ đạo mặt phẳng pha

- Nếu f(x,x’) là hàm chẵn(f(x,x’) = f(x,-x)) thì mặt phẳng pha đối xứng

qua trục x. Nếu là lẻ( f(x,x’) = -f(-x,x’)) thì đối xứng qua trục x’ còn

nếu f(-x,x’) = -f(-x,x’) thì đối xứng qua cả 2 trục x và x’.

1. Bằng giải tích Nếu (3) là giải tích ta chỉ cần lấy tích phân nó là có

được phương trình của quỹ đạo pha.

2. Phương pháp đồ thị: trong (3) coi x1 là biến độc lập còn x2 là biến

phụ thuộc. Như vậy từ (3) ta có

f1 = .f2

Quỹ tích của các điểm mà tại đó các quỹ đạo pha có cùng độ nghiêng

đã cho được gọi là các đường đẳng nghiêng. Từ các đường đẳng

nghiêng này ta dựng được quỹ đạo mặt phẳng pha

vd87

constdx

dx

1

2


C. Tính nghiệm thời gian của hệ thống từ đồ thị mặt phẳng pha

1. Phương pháp sai phân: khi cần biết rõ đặc tính của hệ thống ở dạng

hàm của thời gian x(t) ta có thể tính gần đúng 1 số đại lương như tốc

độ biến thiên trung bình của hàm x(t) là =>gia số thời

gian tương ứng:

2. Phương pháp tích phân

dựa trên phương trình tích phân

Ta tính được khoảng thời gian từ t1 đến t2 là:

3. Phương pháp tiệm cận bằng các cung tròn

t

xx tb'

tbx

xt

'

dxx

t1

2

1

1x

x

dxx

t


D. Phân tích hệ phi tuyến bằng mặt phẳng pha

Trong các hệ thống cấp 2 có đặc tính phi tuyến phụ thuộc tín hiệu thì

có thể lấy tiệm cận hệ thống bằng các hệ tuyến tính từng đoạn. Mặt

phẳng pha được chia thành nhiều vùng, mỗi vùng ứng với 1 hệ tuyến

tính và có 1 điểm kỳ dị riêng.



Chương 2: Các phần tử tự động

trong hệ điều chỉnh tự động

truyền động điện.

Nội dung chính:

1. Khuếch đại thuật toán

2. Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán

3. Các bộ điều chỉnh

4. Thiết bị đo lường

5. Biến đổi số tương tự (D/A)

6. Biến đổi tương tự số (A/D)

2.1 Khuếch đại thuật toán <KĐTT> Là một phần tử cơ bản để xây dựng mạch điều khiển tương tự

Nhờ mạch khuếch đại thuật toán ta có thể tạo ra các thuật toán

điều khiển khác nhau.

Mạch KĐTT xây dựng từ các mạch tranzistor cơ bản có các đặc

tính sau

Hệ số Khuếch đại điện áp A =

Trở kháng vào Zv =

Trở kháng ra Zr = 0

Giải tần 0 -

Độ trôi điểm 0 bằng 0

Tuyến tính và đối xứng

Sơ đồ nguyên lý thay thế trong mạch:

2.1 KĐTT…Tính chất cơ bản của KĐTT thông dụng

1. Khuếch đại điện áp A = 5.104

2. Điện trở đầu vào Zv = 1 M

3. Điện trở đầu ra Zr = 100

4. Độ không đối xứng điện áp đầu vào(offset) 1 mV

5. Độ không đối xứng dòng điện đầu vào(offset) 10-8 A

6. Điện áp đầu vào tĩnh (Blascurrent) 10-7 A

7. Độ trôi điện áp và dong điện theo nhiệt độ 10-6V/Ko; 10-10A/Ko

8. Độ nhạy với sự thay đổi điện áp nguồn Power SupplyR-R

PSRR=10-5V/1V = 100 (dB)

9. Tốc độ tăng điện áp( SlewRate) SR= max(du0/dt)= 10V/us

10. Các tham số khác: Điện áp nguồn 15V; dòng điện 3mV; công

suất 300mW; vùng nhiệt độ -55oC +125 oC

11. Tần số làm việc cỡ vài KHZ

2.1.1 Hàm truyền của KĐTT

1. Khuếch đại đảo dấu

Phương trình đầu vào:

i1 + i2 – iv= 0

i1 = (u1-uv-u3)1/z1

i2 = (u2-uv-u3)1/z2

iv= uv / iv

Phương trình đầu ra

u0= -AUV ; i0= i2 + i1

;

Với giả thiết z0= 0; z0 < z2; ; z0 < zt và A ta có quan hệ:

Z1

Z2

Z3

Zt

U1

i3

i1io

ivUV

Zv

+

-

A Zr

u0

i2

it

U2

t

tz

ui 2

rz

uui 020

1

2

1

2

z

z

u

u

2.1.1 Hàm truyền của KĐTT

2. Khuếch đại không đảo

3. Khuếch đại vi sai

Z1

Z2

Z3

Z4

Zt

U1A

U1B

i3

i4

i1i0

iv

UV +

-

A Z0

u0

1

21

43

4

1

2

z

zz

zz

z

u

u

BA Uzz

z

z

zzU

z

zu 1

43

4

1

211

1

22 .

2.1.2 Các mạch phụ trợ cho KĐTT

Mạch bảo vệ đầu vào:

Mạch bảo vệ quá tải nối

điện trở đầu ra

Mạch bảo vệ nối sai

nguồn

Mạch bù bất đối xứng

điện áp:

2.1.2 Các mạch phụ trợ cho KĐTT

Mạch bù tần số

2.2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán

2.2.1 Bộ cộng tín hiệu:

2.2.2 Mạch lặp điện áp:

U2 = UAC volt

Thường dùng để lặp các tín hiệu

điều khiển trước đầu vào của

mạch so sánh trong mạch điều

khiển chỉnh lưu

n

n

b

b

a

a

R

U

R

U

R

URU

1

1

1

1

1

112 ....


2.2.3 Mạch tạo nguồn điện áp mẫu:

Điều chỉnh R1 và R2 ta được giá trị điện

áp mẫu. Độ ổn định của điện áp mẫu phụ

thuộc nhiều vào độ chính xác của điot và

2 điện trở R1 và R2.

2.2.4 Mạch lọc tích cực:

Thường dùng trong mạch truyền động

điện là mạch lọc dải thông thấp có hàm truyền

Av0: hệ số Khuếch đại của mạch lọc

Bn(p): đa thức butterworth cấp n

Hvẽ mạch lọc cấp 1 và 2

)1(1

22

R

RUU z

)()(

)()( 0

1

2

pB

A

pU

pUpA

n

vv

aw

wwBn 21)(

0


2.2.5 Mạch so sánh

Dùng để so sánh 2 tín hiệu điện áp chẳng

hạn trong mạch điều khiển chỉnh lưu

thyristo so sánh tín hiệu điều khiển U1

và tín hiệu đồng bộ Uđb để tính góc điều khiển

Ta có

Như vậy đầu ra có 2 giá trị + U0max và -U0max là điện áp bão hòa âm và

dương của KĐTT.

Trong thực tế còn sử

dụng mạch có đặc tính trễ.

2max

21max0

2max

21max0

21max00

0

)(

UA

UUkhiUU

UA

UUkhiUU

UUSignUU

U

o

o

1

21

02

21

21max0

1

21

02

21

21max0

0

RRR

UU

RR

RkhiUU

RRR

UU

RR

RkhiUU

U


2.2.6 Mạch chỉnh lưu dùng KĐTT

Mạch chỉnh lưu 1 cực:

Khi U1>0 D1 dẫn D2 khóa U2 = 0

Khi U1<0 D1 khóa D2 dẫn

U2=

Mạch chỉnh lưu 2 cực:

1

1

2 UR

R

12 UU


2.2.7 Mạch khóa có điều khiển:

Với Uđk= 0

Khi U1<0

khi U1>0 thì U2=0

Khi Uđk>0 đồng thời chọn R3

và Uđk sao cho

Thì U2=0

Mạch làm việc khi U1>0 và Uđk =0> Mạch không đảm bảo chắc chắn

khóa chỉ thông khi Uđk =0 vì với giá trị Uđk ≠0 nếu không đảm bảo

điều kiện thì khóa vẫn thông

Để khắc phục yêu cầu tín hiệu điều khiển phải là tín hiệu logic.

1

212

R

RUU

1

1

3 R

U

R

U đk

1

1

3 R

U

R

U đk


2.2.8 Mạch hạn chế:

Thường dùng hạn chế

lượng đặt dòng điện

hoặc momen và hạn

chế tín hiệu điều khiển

Khi U1>0 nếu U1>U+ thì D+ mở U2 ≈ U+

Khi U1>0 nếu thì D- mở U2 ≈ U-

- Giá trị hạn chế được điều chỉnh bởi

chiết áp P1, P2

- Một sơ đồ khác của khâu hạn chế:

Góc mở của P1, P2 là 1 và 2

Giá trị điện áp trên P1, P2 là

+

-

D-D+

u-u+

P2 P1

U2

-Un

U1

+Un

UU1

2.2.8 Mạch hạn chế:…

U-1= (1- 1)U2 - 1Un

U+ = (1- 2)U2 + 1Un

Nếu chọn R<<R2 ta có U2 bị hạn chế bởi giá trị

01

01

2

2

2max2

2

1

1max2

khiUUU

khiUUU

n

n

2.2.9 Khâu tạo gia tốc và giảm tốc

Umax : điện áp bão hòa đầu ra khâu so sánh

UHCMax :điện áp hạn chế

Uw : tín hiệu điện áp đầu vào

U*w : điện áp đầu ra

: hằng số tích phân

Tốc độ tăng lượng đặt

Uw

+

_

U1 U2 Un

UHCMax

dUUSignU

U

UUSignUU

UUSignUU

wwHC

w

wwHC

ww

)(.

)(.

)(.

*max*

*

max2

*

max1

max

*

HCw U

dt

du

VD Mạch nguyên lý khâu hạn chế gia tốc

- Thực tế trong hệ điều

chỉnh tự động truyền

động điện dùng bộ

Biến đổi điện tử công

suất, do độ tác động

nhanh của bộ biến đổi

nên cần hạn chế tốc

độ tăng lượng đặt

- Trong sơ đồ A1 là khâu so sánh, A2 là khâu tích phân,

A3,A4 tạo ra tạo điện áp hạn chế -UHCmax và +UHCmax

khâu hạn chế là 2 tranzitor T1, T2. hằng số thời gian tích

phân = RC

2.2.10 Khâu tạo phát xung chữ nhật

Thường dùng cho mạch tạo

xung chùm cấp cho khâu

Khuếch đại xung điều khiển

thyristor có biến áp xung.

Giá trị điện áp Urmax đc tạo nhờ

2 diot ổn áp. Nếu U trên tụ điện

Thì điện áp trên đầu ra sẽ thay đổi cực tính

Tại t = 0 Tại 0< t < T/2

Tại t = T/2 ta có

Thay lên trên ta được chu kỳ

1

21

max .)( RRR

UpU r

c

21

1max

RR

RUU rc

RCt

rc eRR

RUtU /

21

1max ).(1[)(

21

1max

RR

RUU rc

1

212ln.2

R

RRRCT

2.2.11 Mạch phát xung chữ nhật và xung tam giác

- Bằng việc nối mạch so sánh nối tiếp với mạch tích phân có phản

hồi sẽ tạo ra xung chữ nhật ở đầu ra mạch so sánh, xung tam giác ở

đầu ra A2 mạch có đặc tính trễ A1, lật giá trị khi

- Chu kỳ tín hiệu

3

max1

2

max2

R

U

R

U

2

3114

R

RCRT

2.2.12 Mạch biến đổi điện áp – tần số

- Trong mạch biến tần cần phải tạo mạch phát xung chữ nhật có tần số

tỷ lệ với điện áp điều khiển. Cụ thể trong điều khiển tần số động cơ

không đông bộ, tần số điện áp hoặc dòng điện ra f1 của biến tần

được tính: f1 = fw + f2 trong đó

Fw: tần số quay của trục động cơ

F2: tần số trượt ở mạch roto.

Mạch gồm 3 khâu là mạch khóa, mạch tích phân và mạch so sánh

Mạch khóa chuyển mạch tạo điện áp +U1 và –U1 cấp cho khâu tích

phân, điều khiển khóa chuyển mạch là khâu so sánh có đặc tính từ

Khóa

+ U1

- U1

So sánh

f1

Tích

phân

2.2.12 Mạch biến đổi điện áp – tần số

trễ

Có nhiều mạch thực hiện biến đổi điện áp – tần số. Tuy vậy cần xác

định chỉ tiêu độ tuyến tính, vùng điều chỉnh trong đó tần số xung ra

tỷ lệ tuyến tính với điện áp.

2.3 Các bộ điều chỉnh- KN bộ điều chỉnh: là thành phần quan trọng nhất trong hệ điều

chỉnh tự động truyền động điện vì nó đảm bảo chất lượng động và

tĩnh của hệ. Hai nhiệm vụ chính của nó là:

1.Khuếch đại tín hiệu sai lệch nhỏ của hệ

2.Tạo hàm điều khiển đảm bảo chất lượng động và tĩnh của hệ

2.3.1 Bộ điều chỉnh tỷ lệ (P) dùng KĐTT

Từ hàm truyền của KĐTT

Ta lấy Z1=R1; Z2=R2; ta được hàm truyền của bộ điều chỉnh tỷ lệ là:

+

-

U2

_

R1

R1

R2

U1w

U11

2

1

2

z

z

u

u

KR

R

U

UpFR

1

2

1

2)(

2.3.2 Nguyên tắc tạo hàm chức năng điều khiển của bộ điều chỉnh

Sơ đồ xây dựng hàm chức năng các bộ điều chỉnh:

Ta có:

I1w+ I1 + I2= 0

Trong đó

I1w= Yw(p).U1w

I1= Y(p).U1

I2= Y2(p).U2

Từ đó tính được:

Để so sánh tín hiệu đầu vào cần có điều kiện

U1wdm: giá trị điện áp đặt định mức

U1dm: giá trị điện áp đo lường định mức

Ta có trong đó dấu * thể hiện tín hiệu

ở đơn vị tương đối

+

-

U2

Y2(p)Yw(p)

_

I2U1w

U1 Y(p)U

I1

I1w

])(

)([

)(

)(11

2

2 UpY

pYU

pY

pYU

w

ww

)(

)(1

1

1

pYU

pYU

wdm

wdm

][.)(

)( *

1

*

1

1

1

2

*

2 UUU

U

pY

pYU w

dm

wdmw

2.3.3 Bộ điều chỉnh tích phân (I)

Nếu ta chọn

Thì ta có sơ đồ như hình sau:

Khi đó hàm truyền của bộ

điều chỉnh được tính:

1: là hằng số thời gian tích phân

Điện áp đầu ra bộ điều chỉnh:

22

2

1

1

1 ;1

;1

PCYR

YR

Y w

+

-

U2

R1

R1

C2

U1w

U1

121

112

;11

)( RCPRPC

pFr

t

tU

dtUU0

112

2.3.5 Bộ điều chỉnh tích phân tỷ lệ (PI)

Nếu ta chọn

Thì có bộ điều chỉnh tích

phân tỷ lệ như hình vẽ:

Hàm truyền của bộ

điều chỉnh PI:

Trong đó:

Hoặc:

Với

22

2

1

1

1

1 1

1)(;

1)(;

1

PCR

pYR

pYR

Y w

+

-

U2

_

R1

R1

R2 C2

U1w

U11

1)(

PKpF Rr

211

1

2 ; CRR

RKR

R

RRr

P

PKpF

1)(

22

1

2 ; CRR

RK RR

2.3.4 Bộ điều chỉnh tỷ lệ tích phân đạo hàm (PID)

Sơ đồ nguyên lý:

Ta có hàm truyền

đạt:

Trong đó:

+

-

U2

_

R1

R1

R2 C2 R3

U1w

U1

Ui C3

R3

U2 Ui C3 R2

C2

Z

P

ppKpF D

Rr

1

1

2

1 1)(

3

1

32

211

1

23232

;

;.

CR

CR

CR

R

CCRRRK

p

R

2.3.6 Bộ điều chỉnh thích nghi

- Trong hệ thống tự động điều chỉnh thích nghi các bộ điều chỉnh

phải thay đổi thích ứng với sự thay đổi của tham số của đối tượng

điều chỉnh như thay đổi hệ số Khuếch đại, hằng số thời gian và thay

đổi cấu trúc(cụ thể trong chương 4).

- Hình vẽ là sơ đồ bộ điều chỉnh thích nghi thay đổi hằng số thời gian

và hệ số Khuếch đại:

- Hàm truyền của

bộ điều chỉnh lúc

này được tính:+

-

_

R1

R1

R2 C2

U1w

U1

Uđk

PK

KUCPRUKR

RpF R

đkđk

R

11)( *

2111

2

2.3.7 Bộ điều chỉnh xung

- Trong hệ điều chỉnh xung thông thường người ta dùng bộ điều chỉnh xung là bộ so sánh tần số có cấu trúc như hình sau

- Cấu trúc bộ điều chỉnh

xung bao gồm bộ đếm

đồng bộ CS, bộ biến

đổi D/A. Xung đặt Fw đưa vào CS là tăng dung lượng đếm còn xung đo lường thực tế FT làm giảm dung lượng đếm, bộ lọc L để chỉnh dạng xung và loại trừ trạng thái không thực khi sai lệch tần số:

f = fw – fT nhỏ.

Điện áp ở đầu ra của bộ điều chỉnh xung:

Hàm truyền:

Trong đó UR0: giá trị thay đổi đ/áp ra khi thay đổi dung lượng bộ đếm 1 đơn vị. f : sai lệch tần số fw với fT

L CS D

A

fw

fT

W

T

NR UR

tfUtT

UU R

RR ..0

0

P

U

pf

pU RR 0

)(

)(

2.3.8 Bộ điều chỉnh số

- Có cấu trúc như hình sau:

Bộ điều chỉnh số ngày nay

thường được thực hiện bởi

vi xử lý hay máy vi tính

các hàm chức năng của bộ điều chỉnh được thực hiện bằng phương

pháp lập trình:

- Có 3 phương pháp là: lập trình trực tiếp, nối tiếp và lập trình song

song.

- Lập trình nối tiếp cần ít bộ nhớ, thiết bị vào ra nhưng quá trình điều

chỉnh lại chậm. Lập trình song song chiếm nhiều bộ nhớ và nhiều

thiết bị ngoại vi nhưng đáp ứng được các yêu cầu về thời gian.

- Tham khảo bảng 2.1 trình bày cấu trúc bộ điều chỉnh số với hàm

chức năng khác nhau

+

Ts

_

RD

Nw

Sw

N NR

2.4 Thiết bị đo lường- Nhiệm vụ của thiết bị đo lường là phản ánh chính xác trạng thái làm

việc của hệ để từ đo điều khiển hệ. Do vậy cần tránh các sai số tới

mức tối thiểu. Các sai số cơ bản gồm:

+ Khi 0 giữ được yêu cầu vầ tỷ lệ gọi là sai số tĩnh

+ Đầu ra thiết bị đo lường có bộ lọc, hàm truyền của nó có thêm khâu

quán tính bậc 1 gây ra sai số động

+ Đầu ra thiết bị đo lường có nhiễu xoay chiều.

2.4.1 đo lường dòng điện, điện áp 1 chiều có cách ly

- Các bộ đo dòng điện và điện áp 1 chiều ngoài việc đảm bảo độ

chính xác còn phải đảm bảo cách ly giữa các mạch lực và mạch

điều khiển.

- Mạch đo bao gồm khâu biến điệu(để truyền tín hiệu từ sơ cấp sang

thứ cấp có cách ly bằng phần tử quang điện hoặc biến áp), khâu

chỉnh lưu nhạy pha, tín hiệu đo được sóng biến điệu, chuyển qua

biến thế sau đó chỉnh lưu thành tín hiệu xoay chiều.

2.4.2 đo dòng xoay chiều 3 pha

- Đo dòng xoay chiều

3 pha dùng biến dòng:

- Điện áp đầu ra chỉnh

lưu:

U2d= R1.Id

Với

Hàm truyền của cơ cấu đo dòng điện:

Trong đó KI = PI.RI là hệ số tỷ lệ

fI = RC là hằng số thời gian của bộ lọc.

Ia Ib Ic

R0 R0 R0

I2 R1

D0

R

U2I

U2I0

2

23II d

I

I

I

II

fp

K

pI

pUpF

1)(

)()( 2

2.4.3 Đo lường tốc độThiết bị đo tốc độ có vai trò quan trọng quyết định tới chất lượng động

và tĩnh của hệ truyền động. Sau đây là vài cách đo:

1. Máy phát tốc 1 chiều:

Máy phát tốc 1 chiều phải có từ thông không đổi trong toàn dải điều

chỉnh tốc độ của động cơ. Khi tính toán cần chú ý ảnh hưởng của phụ

tải, nhiệt độ cuộn dây và chổi than tới độ chính xác của máy phát tốc.

Điện áp đầu ra:

Nếu chọn điện trở đủ lớn

Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền

của máy phát tốc là:

Kw: hệ số tỷ lệ

Rư: điện trở phần ứng máy phát

fw: hằng số thời gian bộ lọc

w

R

CRt

Uw

ctpuw UIRKU '.

.KU

p

K

p

pUpF

fw

tF1)(

)()(

2.4.3 Đo lường tốc độ2. Máy phát tốc xoay chiều

Phần roto là nam châm vĩnh cửu, stato là cuộn dây, điện áp ra máy

phát tốc là: U0 = K.w. cosppwt. Máy phát tốc 0 xác định được chiều

quay nên phải mắc thêm mạch xác định chiều quay đối với máy

phát 1 pha dùng 2 cuộn dây đặt lệch nhau 900 còn với máy phát 3

pha phải dùng mạch xác định thứ tự pha để xác định chiều quay.

Để lấy tín hiệu ra người ta dùng mạch chỉnh lưu do vậy điện áp đầu

ra còn chứa thành phần xoay chiều. Đối với máy phát 1 pha và 3

pha thì tỷ lệ đó là:

và

3. Đo tốc độ bằng xung và số

Máy phát tốc độ xung phát ra z xung trong 1 vòng quay. Tần số xung

ra là

667.01

wU

U 057.01

wU

U

2

zf

2.4.3 Đo lường tốc độ- Đo tốc độ xung thường dùng 2 loại: loại dùng điện từ và loại bằng

bán dẫn quang, để đánh giá chiều quay ta phải đặt 2 đầu đo lệch

nhau 900.

- Mạch gồm có bộ nhân xung để tăng độ chính xác, mạch biến đổi

f/U để tạo tín hiệu Uw trên đầu ra của máy phát tốc xung, mạch

chuyển tín hiệu phát tốc xung ra tín hiệu số

- Nguyên lý mạch đo theo nguyên tắc tần số.

- Nguyên lý mạch đo theo nguyên tắc chu kỳ.

2.4.3 Đo lường vị trí1. Đo lường vị trí bằng đại lượng tương tự.

- Mạch đo vị trí đơn giản là dùng biến trở điện áp ra U0=Un. để

đảm bảo độ chính xác thì biến trở cần cuốn đều sao cho quan hệ vị

trí và điện áp tỷ lệ tuyến tính. Hiện ít dùng vì kém tin cậy.

- Ngày nay người ta thường dùng bộ đo vị trí Resolver có roto 1 pha

và stato có 2 cuộn dây đặt lệch nhau 900, điện áp cấp cho 2 cuộn

stato cũng lệch nhau 900

GF Chiasin

cos=1

H- Đ M

ĐK

U1s=Umcos t

U1s=Umsin t

UR

A

B

FMFD

UD

FM

2m-

1

R1

BABAD

U

2.4.3 Đo lường vị trí

Tín hiệu U1s và U2s được được đưa vào mạch phát hiện

FD điện áp đầu ra Up là qua bộ lọc RC ta được điện áp

ra U0 như vậy U0 tuyến tính với (0, ).

Mạch tạo ra điện áp sin và cos gồm bộ phát xung nhịp tần

số cỡ vài MHz sau đó qua bộ chia xung D và dịch pha đc

2 tín hiệu lệch nhau 900

2.4.3 Đo lường vị trí

2. Đo lường vị trí số.

Cách đầu tiên người ta hay thực hiện là lấy tín hiệu

từ Ressovel rồi biến đổi thành số như hình vẽ tín

hiệu UD cùng với xung nhịp fn qua mạch cổng H

rồi đưa vào bộ đếm D và lưu trữ tại bộ nhớ M

mạch điều khiển ĐK điều khiển bộ đếm và bộ

nhớ.

Thời gian riêng đo lường số là

chu kỳ đo là:

max

.mT

moT

2.5 Bộ biến đổi số - tương tự D/A

1. Dùng mạng điện trở nhị phân.

Tín hiệu số đưa vào sẽ được đưa đến điều khiển các

khóa điện, khóa chuyển mạch có 2 vị trí nối với điện

áp dương và âm của nguồn, do vậy ta tính được điện áp

đầu ra của mạch.

Hình sau là mạch nguyên lý biến đổi D/A chỉ dùng

điện trở nhị phân

)2

...2

(0

1

1

0

1

20

n

nR

AA

R

RUU

Dùng mạng điện trở nhị phân.

2m-1 R1

20 R1

S0

Sm-1

A0

LSB

Am-1

MSB

UR

U0


2. Mạch biến đổi D/A dùng mạng điện trở R và 2R

Về nguyên tắc tương tự như bộ biến đổi mạng điện trở

nhị phân. Điện áp đầu ra được tính là:

Ngoài ra mạch còn bố trí 1 bít dấu như vậy điện áp ra

của mạch biến đổi có dạng tổng quát như sau:

Rm

m UAA

U )2

...2

( 0

1

10


2. Mạch biến đổi D/A dùng mạng điện trở R và 2R

2R

R

A0 Am-1

MSBLSB

UR

U0

2R2R

R 2R

3R-UR

3RBit dấu

Rm

mmR U

AAAUU )

2...

2(. 0

1

10

2.6 Bộ biến đổi tương tự - số A/D1. Mạch biến đổi A/D theo nguyên tắc bù .

Mạch biến đổi gồm có 2 mạch đếm nhị phân, mạch so

sánh và mạch biến đổi A/D

Thời điểm t = 0 thì U0 = 0, mạch so sánh thiết lập giá trị

1 tín hiệu nhịp H qua cổng AND được đưa vào mạch

đếm để cho ra tín hiệu số từ Q0...Qm-1 đồng thời qua

bộ biến đổi D/A sẽ có điện áp U0 khi U0≥Uv thì bộ so

sánh lật giá trị đầu ra thành 0 cổng AND khóa bộ đếm

dừng, Q0...Qm-1 được ghi vào bộ nhớ.

2.6 Bộ biến đổi tương tự - số A/D1. Mạch biến đổi A/D theo nguyên tắc bù .

Nếu bộ bếm nhị phân có m mức thì điện áp vào cực đại có số

mức là 2m-1. Điện áp vào Uv- được lượng tử hóa theo gia số

điện áp trong đó N là tổng số bước

của bộ đếm. Thời gian biến đổi Tv = N/Fn với Fn là tần số xung

nhịp.

Đếm

D/A

Đầu vào

tương tựLBS

MBS Qm-1

Q0

U0

CL

H

Ux

12

max

m

vv

UU N

UU

m

vv .

12

max

2.6 Bộ biến đổi tương tự - số A/D.

2. Bộ biến đổi A/D theo nguyên tắc Servo.

Bộ biến đổi gồm 3 phần cơ bản là mạch so sánh, mạch đếm 2

chiều, và bộ biến đổi D/A, tín hiệu điện áp vào Uv được so sánh

với điện áp ra D/A nếu Uv lớn hơn thì bộ đếm đếm tiếp theo chiều

tiến và ngược lại cho tới khi Uv = U0.

tốc độ biến đổi điện áp

vào phải nhỏ hơn tốc

độ của bộ đếm và bộ

biến đổi D/A nên thời

gian biến đổi phụ thuộc

vào tần số xung nhịp Fn

và phản ứng của bộ so sánh gần đúng thì

n

vf

T1

Đếm

D/ALBS

MBS Qm-1

Q0U0

Hfh

1

2.

3. Bộ biến đổi A/D song song với mạch so sánh.

Dựa trên việc so sánh điện áp vào Uv với từng

giá trị URi tương ứng với từng bit đầu ra. Nên

thời gian biến đổi chỉ bằng thời gian tác động

của mạch so sánh và nó cũng là bộ biến đổi

nhanh nhất

4. Bộ biến đổi A/D với 2 lần tích phân.

Loại này có thời gian biến đổi lớn thường dùng

cho mạch biến đổi chậm như đo nhiệt độ

2.

5. Bộ biến đổi A/D theo biến tần số.

Phần cơ bản của bộ biến đổi là mạch biến đổi U/f(VCO), mạch

đếm và mạch ghi. Tần số ra của mạch biến đổi U/f là

f = K.Uv xung đầu ra được đưa vào bộ đếm trong thời gian điều

khiển Tn dung lượng của nó là N = f.Tn = K.Tn.Uv

ưu điểm của bộ biến đổi loại này là đơn giản nhưng nhược điểm

là kém chính xác.

Điều

khiển

VCO Đếm Ghif

1/Tm

Uv N

Nội dung chính:

1. Khuếch đại thuật toán

2. Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán

3. Các bộ điều chỉnh

4. Thiết bị đo lường

5. Biến đổi số tương tự (D/A)

6. Biến đổi tương tự số (A/D)



Chương 3: Các bộ biến đổi

công suất trong truyền

động điện

Nội dung chính:

1. Mạch chỉnh lưu

2. Các bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều

3. Bộ điều chỉnh xung điện áp 1 chiều

4. Biến tần và nghịch lưu độc lập

5. Mô tả toán học chỉnh lưu có điều khiển

6. Bộ băm xung điện áp 1 chiều

7. Mô tả toán học bộ biến đổi tần số

3.1 Khái niệm chung

- Bộ biến đổi(BBĐ): Là thiết bị điện-điện tử dùng biến đổi và

điều khiển năng lượng điện sao cho phù hợp với yêu cầu

phụ tải.

- Truyền động điện ứng dụng rộng rãi các BBĐ loại này

nhiều nhất trong điều chỉnh tốc độ động cơ

- Phần tử cơ bản chủ yếu của mạch BBĐ là diot, tiristor,

transitor, triac, GTO, transitor MOSFET, IGBT

Nội dung chính:








3.2 Mạch chỉnh lưu

- Khái niệm: là quá trình biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng

điện 1 chiều, được chia làm 3 loại:

- Chỉnh lưu 0 điều khiển(Diot)

- Chỉnh lưu bán điều khiển(Diot + Tiristo)

- Chỉnh lưu điều khiển(Tiristo)

- Khi phân tích mạch chỉnh lưu cần quan tâm:

- Phía tải: giá trị trung bình của điện áp và dòng 1 chiều Id, Ud thì công

suất Pd = Id.Ud

- Tham số chọn van bán dẫn, dòng trung bình qua van và U ngược max

- Phía nguồn: công suất máy biến áp

- Ui, Ii, U2i, I2i: giá trị hiệu dụng dòng, áp trên cuộn sơ cấp, thứ cấp

- Ksd: hệ số chỉnh lưu của sơ đồ.

dsd

n

i

iiba PKIUIUpp

S )(2

1

2 1

221121

1. Chỉnh lưu không điều khiển:

- Loại này chỉ cho ra điện áp 1 chiều cố định về giá trị,

thường dùng cho phần kích từ động cơ, máy phát tốc

hoặc cho các khâu khống chế điều khiển

- Được chia làm 2 nhóm

- Nhóm Anot chung

- Nhóm Katot chung

- Lưu ý xem lại luật dẫn các van

- Mạch chỉnh lưu chỉ có 1 nhóm van A chung hoặc K

chung gọi là chỉnh lưu hình tia còn lại gọi là chỉnh lưu

cầu



2. Chỉnh lưu có điều khiển:

- Được dùng nhiều trong truyền động điện. Sơ đồ cầu đấu được

trực tiếp vào lưới điện.

- Chế độ dòng gián đoạn

- Chế độ dòng liên tục

- Vẽ sơ đồ dòng và áp ở đầu ra của mạch chỉnh lưu


3. Quá trình chuyển mạch với La <>0

- Trong thực tế sử dụng điện cảm của các cuộn dây trên biến áp

nguồn là đáng kể La ≠ 0

- Do tính chất cản trở sự biến thiên của dòng điện nên khi van V2

đã mở nhưng dòng Iv2 không đột biến từ 0 ->Id cũng như Iv1

không giảm ngay về 0 mà sẽ tồn tại thêm 1 khoảng tgian γ mà

ở đó diễn ra sự chuyển dòng từ van V1 sang van V2. khi đó gọi

là trùng dẫn, id= iv1+ iv2.

- Quy luật biến thiên điện áp:

- Khi 2 van đều dẫn ta có:Udn

La

LaU1

U2

i

V1

V2

I1 Id

I2


- Trong giai đoạn trùng dẫn, giả thiết Id = const thì

Nên ta có: Udn=(U1 + U2)/2. Tức Ud biến thiên theo quy luật bình

quân các van tham gia trùng dẫn.

- Quy luật biến thiên dòng điện:

n: số đập mạch của điện áp chỉnh lưu.

021

dt

di

dt

did

dn

iii

dt

di

dt

diLUUU

21

2121 )(

LXn

UU

X

Uii

X

UIiII

mM

M

Mdd

.);sin(2

))cos((cos2

))cos((cos2

2

2

1


- Sụt áp do trùng dẫn: nếu so sánh với trường hợp không

có trùng dẫn thì khi có La điện áp Ud bị giảm một lượng

- Sơ đồ cầu 1 pha có 4 van dẫn nên:

- Sơ đồ cầu 3 pha có 6 van dẫn nên:

aa

da

M

daM

LX

n

IX

U

IX

n

UU

.

2

2.

4

da IXU

2

da IXU

3

4. Chỉnh lưu bán điều khiển

- Mạch chỉnh lưu sẽ gồm một nửa là tiristor còn lại là diot.

- Thường tiristo được mắc chung katot để giảm bớt dây điều khiển trong toàn bộ dải điều chỉnh 0 < < 180 điện áp chỉnh lưu thay đổi theo quy luật

- Khi 0 < < 60 Ud luôn dương

- Khi 60 < < 180 Ud xuất hiện các khoảng =0 còn dòng điện thì với tải là thuần trở dòng điện =0 và chế độ dòng là gián đoạn

2

cos1.0dd UU

4. Chỉnh lưu bán điều khiển

- Với tải có tính cảm kháng thì dòng điện là liên tục. Khi giá trị

của L lớn sẽ làm giảm phạm vi điều chỉnh do không thể khóa

hết tiristo ngay mặc dù đã ngắt xung điều khiển.

- Được dùng rộng rãi ở hệ không đảo chiều, phần kích từ và các

thông số khác không đòi hỏi phạm vi điều chỉnh rộng.

5. Chế độ nghịch lưu phụ thuộc

- Kn: Nghịch lưu là quá trình chuyển năng lượng từ phía dòng 1 chiều sang phía dòng xoay chiều, khi đó động cơ trở thành máy phát điện, bộ chỉnh lưu chuyển sang hoạt động ở chế độ nghịch lưu, vì nó hoạt động đồng bộ theo nguồn dòng xoay chiều nên gọi là nghịch lưu phụ thuộc. Khi đó mạch có 2 nguồn sức điện động là et của lưới xoay chiều và Ed một chiều.

- Để có chế độ nghịch lưu cần có 2 điều kiện:

- Phía nguồn 1 chiều phải chuyển đổi chiều của Ed để có chiều dòng Ed

và Ed là trùng nhau

- Phía xoay chiều điều khiển mạch chỉnh lưu sao cho điện áp Ud < 0.

- Ta có do vậy với tải thuần trở, chỉnh lưu bán điều khiển không chạy được chế độ nghịch lưu vì Ud luôn dương. Chỉ có các bộ chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn làm việc với dòng điện liên tục có quy luật

Ud = Ud0 .cos mới cho phép điều chỉnh Ud < 0 khi > 90o

2

cos1.0dd UU

6. Các chế độ chỉnh lưu đảo chiều

- Các bộ chỉnh lưu đảo chiều thường dùng cho động cơ điện 1

chiều cần quay theo cả 2 chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc

điều chỉnh. Có thể đảo chiều động cơ bằng 1 số cách sau:

- Đảo dấu điện áp đặt vào phần ứng động cơ nhờ 2 mạch chỉnh lưu*

- Đảo chiều kích từ

- Đảo chiều phần ứng động cơ bằng công tắc thuận và ngược

- Để đấu 2 mạch chỉnh lưu cấp ra 1 tải điều khiển có 2 cách là đấu

chéo và đấu song song.

- Có 2 phương pháp điều khiển đảm bảo mạch hoạt động bình

thường là phương pháp điều khiển chung và điều khiển riêng.

1. Phương pháp điều khiển chung:

Cả 2 mạch đều đc phát xung điều khiển nhưng luôn khác nhau về

chế độ, 1 mạch ở chế độ chỉnh lưu còn 1 mạch ở chế độ nghịch

lưu và ngược lại


Giá trị điện áp: UdI = - UdII

Với dòng liên tục ta có UdI = Ud0cos I; UdII = Ud0cos II

Do vậy I + II = 1800


- Cho phép điều chỉnh nhanh.

- Chức năng cuộn Lcb

2. Phương pháp điều khiển riêng:

- Khi đó 2 mạch hoạt động riêng biệt mạch này được phát xung

điều khiển thì mạch kia nghỉ hoàn toàn(bị ngắt xung điều

khiển). Trong quá trình điều khiển cần trễ vài ms để mạch

phục hồi trạng thái khóa

- Khối logic đảo chiều.

7. Đặc tính ngoài của mạch chỉnh lưu

- Là quan hệ giữa Ud và Id (Ud0 là điện áp ra 0 tải)

- Với Ud là chỉ sự phụ thuộc của Ud vào góc điều khiển

- U là tổng các sụt áp gồm có sụt áp trên các van chỉnh lưu

Uv, do điện trở phía nguồn điện Ur, do trùng dẫn Uγ, do

điện cảm phía xoay chiều…

- Ngoài ra nó cũng phụ thuộc vào dòng tải:

UUU dd

da

vddd In

XRUUIU )

/2()(

Nội dung chính:








3.3 Các bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều

- Dùng để biến đổi điện áp xoay chiều sử dụng loại van triac

(tương đương 2 tiristo đấu song song ngược) cho phép dẫn

dòng cả 2 chiều

- Điện áp xoay chiều có 2 dạng ứng dụng chính

1. Dạng công tắc tơ: đóng cắt dòng điện vào ra tảidùng cho

động cơ có tần số đóng cắt lớn, vì có tác động nhanh và bền.

2. Điều chỉnh điện áp bằng góc làm thay đổi điện áp ra từ 0

tới bằng nguồn (ít ứng dụng hơn)

3.3.1 điều chỉnh điện áp xoay chiều 1 pha

- Xét mạch thông dụng nhất:

A: Phạm vi điều chỉnh:

1. > : các van có xung điều

khiển khi UAK<<0 nên 0 dẫn.

Điện áp ra = 0.

2. Khi ≤ thì ở θ = phát xung mở T1, ở θ = + phát xung

mở T. dạng dòng và áp ra

- Nếu giảm thì góc dẫn tăng lên. Khi = thì dòng điện sẽ liên

tục và điện áp bằng điện áp nguồn. Để thay đổi điện áp ra ta cho

thay đổi trong khoảng φ ≤ ≤ với

B: sóng hài tải điện áp (tham khảo thêm )

)(R

Larctg


- Xét 1 sơ đồ điện áp xoay chiều 3 pha như hình vẽ sau

1. Vùng làm việc

- Khi làm việc các van sẽ được

phát xung mở từ T1 tới T6 cách

nhau 600 để đảm bảo sau 1 chu

kỳ 3600 thì quá trình sẽ lặp lại

tại mỗi thời điểm t bất kỳ có 3

trường hợp

1. Mỗi pha có 1 van dẫn

=> U tải = U nguồn

1. Có 2 van dẫn ở 2 pha: 1 pha tải bị ngắt khỏi nguồn, 2 pha tải còn lại chia nhau điện áp dây

2. Không có van nào dẫn: tải bị ngắt khỏi lưới


Các pha trên phụ thuộc vào góc điều khiển và góc φ của

tải

a) < φ tải nhận đủ điện áp

b)φ < < gh trong 1 chu kỳ sẽ xen kẽ những giai đoạn 2

hoặc 3 van dẫn trong đó gh được xác định theo biểu thức:

với Q= L/R

Q

Q

ghgh

e

e

3

3

2

21)sin()

3

4sin(


2. Các biểu thức tính toán

- Coi mạch trên là 1 hệ 3 pha đối xứng với điện áp nguồn có trị

hiệu dụng là U. Biểu thức dòng và điện áp pha lệch nhau 1200

- Tuy nhiên trong mỗi khoảng khác nhau của góc điều khiển

thì giá trị của dòng và áp lại có giá trị và góc lệch pha khác

(xem thêm trong sách tham khảo – pg 176)

)()3

5(

)()3

4();()(

)()3

2();()

3(

CC

BAAA

CABA

ii

iiii

iiii

Nội dung chính:








3.4 Bộ điều chỉnh xung điện áp 1 chiều (ĐAMC)

- Do tiristo không thể khóa lại theo cách tự nhiên khi ở giai đoạn

âm của nguồn điện áp nên nếu ta vẫn dùng tiristo trong các bộ

điều chỉnh xung áp 1 chiều thì cần phải có thêm các mạch

chuyên dụng gọi là “mạch khóa cưỡng bức” các tiristo hoặc sử

dụng các van điều khiển cả đóng, ngắt như MOFET, IGBT…

3.4.1 Các phương pháp điều chỉnh.

Xét sơ đồ nguyên lý ĐAMC:

- Giá trị trung bình của điện áp tải ra

NNN

T

dd EET

dtET

dtUT

U 0

00

011

3.4.1 Các phương pháp điều chỉnh.

Theo biểu thức này có 3 phương pháp điều chỉnh điện áp ra Ud

1. T = cte ; 0 = var : có phương pháp độ rộng xung

2. T = var ; 0 = cte : có phương pháp xung tần

3. T = var ; 0 = var : có phương pháp xung – thời gian.

3.4.2 Các biểu thức cơ bản

1.Chế độ dòng điện liên tục

- Điện áp U1= EN nếu bỏ qua sụt áp trên van

- Dòng tải

Với = L/R là hằng số thời gian của mạch tải.

a1 = e-T/ ; a1 = e-t0/ = e(t0/T)(T/ ) = egT/

tNdN e

a

ba

R

E

R

EEti

1

111

1

1)(


- Dòng điện:

- Dòng cực đại: Imax = I1(t0) = i2(0) =

- Dòng cực tiểu: Imin = I1(0) = i2(T- 0) =

- Điện áp ra tải trung bình: Ut = γ.EN

- Dòng điện trung bình ra tải:

- Độ đập mạch: dòng điện:

tNd ea

b

R

E

R

Eti

1

12

1

11)(

1

1

1

11

a

b

R

E

R

E Nd

R

E

a

ba

R

E dN

1

11

1

)1(

R

EE

R

EUI dNdt

t

1

11

1

1minmax

1

)1)(1(

a

bab

R

EIII N


2. Chế độ dòng điện gián đoạn

- Dòng tải:

- Dòng cực đại:

- Dòng điện:

- Dòng trung bình ra tải:

- Điện áp trung bình:

)1()(1

tdN e

R

EEti

)1(0

max

tdN e

R

EEi

)1(.)( max2

td

t

eR

EeIti

R

E

T

t

R

E

RT

tEtE

tEEtTEtRTR

EUI

dNdN

ddNdt

t

110

10 ])([1

dNt ET

tTEU 1


3. Chế độ giới hạn giữa dòng điện liên tục giữa dòng điện liên tục

và dòng điện gián đoạn

- Là chế độ mà khi dòng t2 về tới 0 cũng chính là thời điểm bắt

đầu chu kỳ sau: i2(T-t0) = 0

- Các điều kiện tới hạn:

)1

1(

]1)1(ln[

1

1

1

1

/0

1

1

a

b

R

EI

eE

E

TT

t

a

bEE

Ntth

T

N

dthth

Ndth

3.4.3 Sơ đồ có chế độ hãm

- Mạch có chế độ hãm được bổ xung tranzito T2 như sơ đồ sau:

- Nếu bỏ T2 trong sơ đồ mạch

trên thì mạch chỉ cho phép

động cơ hoạt động theo

chiều cố định. Muốn có

chế độ hãm phải thêm T2

- Bằng cách thay đổi góc mở γ ta có các khả năng sau:

- γEN > Ed : động cơ nhận năng lượng

- γEN ≈ Ed : dòng có giái đoạn đảo chiều.

- γEN < Ed : dòng điện hoàn toàn đảo chiều chỉ có D1, T2

thay nhau dẫn

3.4.4 Điều chỉnh điện áp một chiều có đảo chiều

Khi cần đảo chiều động cơ người ta thường dùng sơ đồ cầu cho

mạch điện áp 1 chiều.có 3 phương pháp điều khiển khác nhau là:

1.Điều khiển đối xứng

- Các cặp van lẻ và van chẵn thay nhau đóng ngắt, phương pháp

này có nhược điểm là điện áp ra tải bị đảo dấu và độ đập mạch

cao.

3.4.4 Điều chỉnh điện áp một chiều có đảo chiều

Các biểu thức tính toán:

Dòng trung bình qua diot:

Dòng trung bình qua transito

Dòng trung bình qua tải

)12(Nt EU

R

E

a

ba

R

EI dN

1

1

11max

1

21

R

E

a

ba

R

EI dN

1

1

11min

1

21

)1()1(1

)1)(1(2

1

11

1

1

R

E

R

E

a

bab

RR

EI dNN

D

1

11

1

1

1

)1)(1(22

a

bab

RR

E

R

EEI NdN

T

)12(N

dNt

E

E

R

EI

2. Phương pháp điều khiển không đối xứng

Chỉ có 1 cặp van thẳng hàng( vd T1, T4) làm

việc đóng cắt ngược pha nhau 2 van còn lại 1

van sẽ khóa hoàn toàn còn 1 van luôn sẵn sàng

mở. điện áp ra tải chỉ có 1 chiều xác định các

biểu thức tính toán không thay đổi nhưng

phương pháp này giảm độ đập mạch dòng điện 2

lần

3. Phương pháp điều khiển riêng.

Chỉ có 1 cặp chẵn hoặc lẻ hoạt động cặp còn lại

nghỉ hoàn toàn khi động cơ hoạt động ở 1 chiều.

Nội dung chính:








3.5 Biến tần và nghịch lưu độc lập

- Biến tần là thiết bị biến đổi năng lượng điện xoay chiều từ

tần số này sang tần số khác

- Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến dòng 1 chiều thành

dòng xoay chiều có tần số cố định hoặc biến thiên

- Có 2 loại biến tần là biến tần trực tiếp và biến tần gián

tiếp.

Biến tần trực tiếp có cấu trúc đơn giản hiệu suất biến đổi

năng lượng cao tuy nhiên sơ đồ mạch van khá phức tạp f2

phụ thuộc và f1 nên chủ yếu dùng với phạm vi điều chỉnh

f2 ≤ f1Mạch

vanU~

f1

U~

f2

3.5 Biến tần và nghịch lưu độc lập

Biến tần gián tiếp có thêm khâu trung gian 1 chiều do

phải biến đổi năng lượng 2 lần nên hiệu suất giảm

nhưng lại có thể thay đổi f2 dễ dàng.

Chỉnh

lưuU~

f1

U~

f2

Lọc Nghịch lưu

độc lập

U= U=

3.5.1 Biến tần trực tiếp

3.5.1.1 Các tính chất chung.

- Các van chuyển mạch tự nhiên

- Có hiệu suất cao do chỉ có 1 lần biến đổi năng

lượng và cho phép hãm tái sinh

- Có hệ số công suất thấp, dùng nhiều van, dải điều

chỉnh bị giới hạn bởi tần số nguồn và điều kiện

chuyển mạch tự nhiên.

- Thường dùng trong truyền động công suất lớn.

3.5.1.2 Biến tần trực tiếp điều khiển riêng.

- Các tiristo được phát xung điều khiển với các góc sao cho điện

áp ra gần với hình sin nhất.

- Vì có sự chậm pha của dòng điện tải nên mỗi nhóm van vừa làm

việc ở cả 2 chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu.

- Việc luân phiên dẫn dòng giữa các nhóm van là tức thời nhưng

cần có thời gian trễ để nhóm van vừa dẫn khóa chắc chắn

TảiP

N

ia

iap

ian

3.5.1.2 Biến tần trực tiếp điều khiển riêng.

- Điện áp đầu ra giảm thì độ đập mạch tăng.

- Biên độ điện áp đầu ra là giá trị trung bình của điện áp

một chiều mà mỗi nhóm van có thể cung cấp

- Biên độ cực đại:

- P: là số đỉnh xung áp trong 1 nửa sóng(nhóm âm/

dương)

- Usmax: Biên độ cực đại điện áp nguồn.

- Khi góc mở thay đổi thì biên độ điện áp ra thay đổi

theo quy luật: Umt = U0max .Cos

maxmax0 .sin sUp

pU

3.5.1.3 Biến tần trực tiếp điều khiển chung.

- Cho phép 2 nhóm van dẫn đồng thời nên cuộn kháng Lcb nhằm hạn

chế dòng cân bằng chảy giữa 2 nhóm van

- 2 nhóm van thường xuyên dẫn dòng ở chế độ nghịch lưu hoặc chỉnh

lưu. Utải là kết hợp thành phần 1 chiều của điện áp 2 nhóm van.

- Dòng điện cân bằng chảy từ nhóm van P sang nhóm van N

- khi Itải lớn cuộn kháng cân bằng bị bão hòa thì phải chuyển sang

chế độ điều khiển riêng.

TảiP

N

ia

iap

ian

Lcb

3.5.1.4 Biến tần trực tiếp điều riêng.

Luật phát xung cho các tiristo cần tuân theo 1

quy luật nhất định sao cho giá trị trung bình cục

bộ của điện áp đầu ra theo sát giá trị tức thời của

điện áp mong muốn.

3.5.2 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng.

1. nguyên lý làm việc

- Nguồn cung cấp cho mạch nghịch lưu là nguồn dòng điện(

không phụ thuộc Rtải)

- Giá trị hiệu dụng của dòng điện tải:

- Giá trị hiệu dụng của

các thành phần sóng

cơ bản xác định theo

điều kiện cân bằng

công suất nguồn và tải

Ud .Id = 3.Us1 .Is1 cosφ1

3

2ds II

3.5.2 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng.

2.Các đại lượng điện từ trong quá trình chuyển mạch.

Ta có mô hình toán học của động cơ không đồng bộ


Trong đó Us, Is là điện áp và dòng điện 1 pha

Rs: điện trở dây quấn của 1 pha

L1 , L’2 : điện cảm tâm của dây quấn stato, và dây quấn

roto quy đổi về mạch stato

Lm: điện cảm chính của máy

m: từ thông mạch roto

e: tần số góc của nguồn điện

Lr: điện cảm mạch roto L = Lm + L’2

- Quá trình chuyển mạch trên sơ đồ có thể chia làm 2 giai

đoạn

r

mr

s

r

msss

L

Lj

dt

di

L

LLLRIU )( '

21


+) Giai đoạn 1: Từ khi đặt xung điều khiển lên T3 tới khi Uc đạt bằng Udây là Uab

- với Ce= 3 C13/2

Khoảng thời gian của giai đoạn 1: là

+) Giai đoạn 2 bắt đầu từ khi D3 dẫn

- Các phương trình dòng và áp dạng toán tử

Isa(p) + Isb(p) = Id(p)

- Vì quá trình chuyển mạch xảy ra khá nhanh so với quán tính cơ học của động cơ cũng như hằng số thời gian của mạch roto do vậy có thể coi sức điện động của động cơ giai đoạn này có giá trị không đổi

tC

IUU

e

dCC 0

d

eICI

I

EUt 0


isb= Id(1 – Isa )

giai đoạn 2 kết thúc khi isa = ic = 0

}2

{.cos.ee

dcsaCL

tIii

3.5.3 Nghịch lưu điện áp(NLĐA).

- Nghịch lưu điện áp có đặc điểm là điện áp trên

tải ra được định hình sẵn [ổn định] còn dòng tải

phụ thuộc tính chất tải.

- Nguồn cấp cho NLĐA là nguồn sức điện động

nội trở nhỏ.

- Phần lớn có dạng tương tự như chỉnh lưu và các

sơ đồ hình cầu là thông dụng hơn cả.

3.5.3.1 Nghịch lưu điện áp 1 pha.

- Nửa chu kỳ đầu điều khiển mở T1, T3 điện áp nguồn đặt

lên tải(dấu trong ngoặc) Ut = EN

- Chiều dòng điện đi từ cực + T1 Zt T3 cực –

- Nửa chu kỳ sau T2, T4 dẫn, năng lượng tích lũy trên điện

cảm sẽ duy trì dòng điện theo chiều cũ dòng đi qua điot

D2, D4 về nguồn: Ut = -EN


Các quy luật cơ bản

- Dòng điện Với = L/R

- Trị hiệu dụng của dòng điện:

- Dòng tbình qua van

Với Q= L/R;

I0 = EN/R;

= e-1/3Q ;

- Dòng tải cực đại

)21

21()(

t

t

Nt

e

e

R

Eti

1

121

3

3

0R

QII t

]1

11[

2)(

2

13

3

0

1

QI

diI tT

311

2lnQ

3

3

0max1

1II


Phương pháp thường dùng nhất là điều khiển góc dẫn

=1800 và =1200


1. Trường hợp =1800

- Các van sẽ mở lần lượt từ T1 tới T6 với góc lệch giữa 2

van liên tiếp là 600

- Khi tải đấu sao:

- Trị hiệu dụng của dòng điện

- Trong đó

- Dòng trung bình tiêu thụ từ nguồn: Id = 2I0A2/3

- Khi tải đấu tam giác

Npha EU3

2

AII pha 03

2

R

EI N

0 2

2

1

1

2

31

QA

Ndâypha EUU3

2

Nội dung chính:








3.6 Mô tả toán học chỉnh lưu điều khiển

+) Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu tiristo

U: điện áp đồng bộ

Ud: điện áp ra

Ug: xung điều khiển

ML: mạch lực

LS: các tín hiệu logic

S : đối tượng liên tục

X : tín hiệu ra của đối tượng

Udk: tín hiệu điều khiển

- Phần quan trọng nhất của chỉnh lưu là phần điều khiển tại đó các xung mở tiristo được phát theo một trật tự nhất định

- Thường có 2 phương pháp phát xung điều khiển tiristo là phương pháp đồng bộ với lưới và phương pháp không đồng bộ với lưới

ĐK ML S

U

LS

Uđk Ug Ud Xd

3.6 Mô tả toán học chỉnh lưu điều khiển

+) Sơ đồ khối của mạch điều khiển răng cưa

-Trong đó FT là

máy phát điện

áp tựa thường dùng

điện áp tựa hình răng cưa

SS: là mạch so sánh

Lg: là mạch logic

KĐ: là mạch Khuếch đại công suất xung và truyền xung

U: là điện áp đồng bộ

Phần mạch lực của chỉnh lưu thường được phân làm 2

nhóm chính là chỉnh lưu hình tia và hình cầu đối xứng

hoặc không đối xứng

SS LG KĐ

FT LS

Uđk UgUd

3.6.1 Mạch thay thế xung của chỉnh lưu

- Mạch thay thế của hệ điều chỉnh hở có bộ biến đổi tiristo

trong toàn bộ dải điều chỉnh. Nếu tín hiệu điều khiển biến

thiên 1 đại lượng là Uđk (t) > 0 thì gia số góc điều khiển

< 0 khi điện áp tựa có dạng răng cưa quét ngược. Điện

áp ra của bộ biến đổi sẽ là điện áp trước đó trừ đi một

mảnh xung áp có độ rộng

- Các xung được xác định như sau

)2

sin(;

)1()(0

)()(

mUU

m

ntTnkhi

TntnTkhiUtU

md

e

nn

n

nd

d

3.6.2 Mạch thay thế dạng liên tục của chỉnh lưu

- Trong truyền động điện đa số các trường hợp chỉnh lưu

được điều khiển bằng tín hiệu biến thiên chậm, ta có thể

coi gần đúng chỉnh lưu là điều chỉnh liên tục với sơ đồ

thay thế như sau

Trong đó

Với m: là số xung áp đầu ra

: góc chuyển mạch cực đại

Lf, Rf: Là điện cảm và điện trở của 1 pha xoay chiều

Trong trường hợp biến thiên nhỏ của tín hiệu và hiện tượng

chuyển mạch không ảnh hưởng gì tới giá trị trung bình của

điện áp thì Rb = Rf

Rb Lb

Id

Edfe

mfb L

mRR

2)

41(

3.6.2 Mạch thay thế dạng liên tục của chỉnh lưu

- Do tính chất xung và tính chất bán điều khiển của chỉnh

lưu nên thời điểm của tín hiệu điều khiển thay đổi không

trùng với thời điểm thay đổi góc . Thời gian trể này có

giá trị là

e

rm

T 0

Uđk

01

1

vPT

Nội dung chính:








3.7 Bộ băm xung áp một chiều

- Trong thực tế thường gặp bộ băm xung áp 1 chiều điều

chế độ rộng xung. Nếu bỏ qua quá trình chuyển mạch của

các van thì có thể dùng sơ đồ sau để mô tả bộ băm xung

áp 0 đảo chiều.

Mô hình có phần tử

role và có tín hiệu

đặt kiểu chu kỳ Udf

tần số bộ băm xung khoảng từ 300 – 400 MHz nên chu kỳ

xung rất nhỏ so với hằng sô thời gian điện từ và của mạch

của mạch lực. Vì vậy có thể thay thế bằng mô hình tuyến

tính hóa với thời gian trễ bằng ½ tgian chu kỳ xung điều

chế Tv0 = 1/2f

Uđk

Udf

_ Ud

3.7 Bộ băm xung áp một chiều

- Hàm trễ này có thể coi gần đúng là 1 khâu quán tính, việc

thay thế đủ chính xác khi thời gian băm xung đủ lớn

0

10

v

PT

PTe v

Nội dung chính:








3.8 Mô tả toán học bộ biến đổi tần số

- Bộ biến đổi tần số dùng trong truyền động điện thường là

bộ có mạch 1 chiều trung gian. Cấu trúc chung bao gồm

bộ chỉnh lưu CL, bộ lọc L, và bộ nghịch lưu NL

- Đại lượng ra của bộ biến đổi là biên độ điện áp hoặc dòng

điện và tần số, vì vậy nó có 2 kênh điều khiển là kênh điều

khiển biên độ và kênh điều khiển tần số

3.8.1 Nghịch lưu áp

- Khi lập mô hình toán học cho bộ biến đổi tần số ta giả

thiết là nghịch lưu không có điện trở trong và không tính

tới ảnh hưởng của quá tringf chuyển mạch


Ud = Uv(RL + PLL)IL

Trong đó Uv, Iv

Là điện áp và dòng

điện đầu vào nghịch lưu

Ud: điện áp đầu ra chỉnh lưu

IL: dòng điện chạy qua cuộn lọc

Rd, L, CL: là 3 thông số điện trở, cảm kháng và dung kháng

của mạch lọc

Ud

Id Rd Ld IV

ĐcUV

CL

VLV

PC

IIU


- Từ phương trình cân bằng công suất giữa đầu vào và đầu

ra của nghịch lưu

- Sau khi tuyến tính hóa ta có phương trình mô tả bộ biến

đổi tần số

VX

V

XXV

XXYYXXVV

UU

U

IUI

IUIUIUIU

21

11

111111

2

)(2

3

)(2

3)(

2

3


đk

p

CLd

L

yd

V

dddVd

VX

UeKU

PC

IIU

IPLRUU

UU

.

)(

21



Chương 4: Điều chỉnh tự

động hệ thống truyền động

điện một chiều

Nội dung chính:

1. Động cơ điện một chiều

2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh

3. Tổng hợp hệ thống truyền động điều chỉnh

tốc độ

4.1 Động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều có 2 loại chính là loại kích

từ độc lập và loại kích từ nối tiếp

Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện một chiều

như hình vẽ

Uk

Ik

Lk, Rk

Φ

UI

CKN

N

P’

a

Lư

Rư

CF

CB

EM

McCKĐ

4.1 Động cơ điện một chiều

Phần ứng được biểu diễn bằng vòng tròn có sức

điện động E. Phần Stato có thể có vài dây quấn

kích từ độc lập CKĐ hoặc nối tiếp CKN, dây

quấn cực từ phụ CF, dây quấn cuộn bù CB.

Các tín hiệu điều khiển (đại lượng đầu vào)

thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ Uk

Tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động cơ ,

mô men quay M, dòng điện phần ứng I, vị trí của

roto φ, momen tải Mc

Động cơ điện kích từ độc lập

4.1 Động cơ điện một chiều (Động cơ điện kích từ độc lập )

Đặc tính cơ của động cơ

Phương trình cân bằng điện áp của mạch phần

ứng: Uư = E + (Rư + Rưf )Iư

Ukt

Ikt

Rktf

Ikt

Uư

RưEIư

+_


- K là hệ số

kết cấu đc

E: là sức điện động phần ứng động cơ

Uư: là điện áp phần ứng động cơ

Trong đó Rư = rư + rctf + rctb + rtx

Với rư: điện trở cuộn dây phần ứng động cơ

rctf : điện trở cuộn dây cực từ phụ của động cơ

rctb : điện trở cuộn dây cực từ bù của động cơ

rtx : điện trở tiếp xúc giữa chổi than với ccổ góp động cơ

Rưf : điện trở mạch phụ phần ứng động cơ

55,9;.

60

2;

2

...2

KKnKEOr

n

a

pNK

Ka

pNE

ee


Phương trình đặc tính cơ – điện

Bỏ qua tổn thất ta có momen điện từ của động cơ

Phương trình đặc tính cơ

IK

RR

K

Uu

ufuu

udtco IKMM

MK

RR

K

U ufuu

2)(


- Động cơ điện kích từ song song một cách mắc

khác của kích từ độc lập khi nguồn một chiều có

công suất lớn điện áp không đổi.

U

Ikt

Rktf

Ikt

RưEIư

+_

4.1 Động cơ điện một chiều (Động cơ điện kích từ nối tiếp )

Động cơ điện kích từ nối tiếp

Ukt

Ikt Rưf

EIư

+

_

Ckt

4.1 Động cơ điện một chiều (Động cơ điện kích từ nối tiếp )

Đặc tính động cơ

Phương trình cân bằng điện áp của mạch

phần ứng:

U = E + R.Iư = K . + R.Iư

R = Rư + Rkt + Rưf

Phương trình đặc tính cơ điện

Phương trình đặc tính cơ

Ik

RR

k

U uf

Mk

RR

k

U uf

2)(

4.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều

Khi đặt lên dây quấn

điện áp Uk nào đó thì

trong dây quấn sẽ có

dòng điện ik- -đi qua

và sinh ra trong mạch từ

của động cơ từ thông . Tiếp đó đặt điện áp U lên

phần ứng động cơ thì trong dây quấn phần ứng có

dòng điện Iư chạy qua. Tương tác giữa dòng phần

ứng và từ thông kích từ tạo thành momen điện từ để

quay động cơ.

Ukt

Ikt

Rktf

IktUư

RưEIư

+_


- p’ là số đôi cực

của động cơ

- N là số thanh dẫn phần

ứng dưới 1 cực từ

- K là hệ số kết cấu máy

- a là số mạch nhánh song song của dây quấn phần

ứng

- Momen kéo phần ứng quay quanh trục. Các dây

quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các

dây quấn này cảm ứng sức điện động

a

NpK

IKIa

NpM

2

'

..2

'


Trong đó là tốc

độ roto

Từ phương trình cân

bằng điện áp phần ứng

Uư = E + (Rư + Rưf)Iư

với E được tính ở trên ta rút ra được công thức tính

tốc độ

60

2

2

...2

n

a

pNK

Ka

pNE

K

IRU uu

Ví dụ:Cho động cơ có công suất định mức 6Kw, điện áp định mức 220V, dòng điện định mức 30A, tốc độ định mức 2500V/p. điện trở mạch phần ứng gồm điện trở cuộn dây phần ứng và điện trở cực từ phụ: 0,3 . Điện trở phụ đưa vào phần ứng là 1,5 . Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên cho động cơ.

Giải:

Tốc độ góc định mức:

Momen định mức 60

2500..2

đmpM

Ví Dụ

Từ phương trình đặc tính cơ ta rút ra được

Tốc độ không tải lý tưởng

3,0.30220IRUK uu

K

Uđm0

4.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều

Nếu các thông số của động cơ không đổi thì ta có

thể viết được các phương trình mô tả cho giản đồ

động cơ trên

Uk(p) = RkIk(p) + Nkp (p)

Trong đó Nk- là số vòng dây cuộn kích từ

Rk điện trở cuộn dây kích từ

Mạch phần ứng

U(p) = RưI(p) + Lư(p).I(p) Nnp (p) + E(p)


Hoặc ở dạng dòng điện

Trong đo Lư điện cảm mạch phần ứng

Nn số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp

Tư là hằng số thời gian mạch phần ứng

Tư = Lư/Rư

)]()()([1

/1)( pEppNpU

pT

RpI N

u

u


Phương trình chuyển động của hệ thống: M(p) – Mc(p) = Jp

Với J là momen quán tính của các phần tử chuyển động quy đổi

về trục động cơ

Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều:

K

Uk_

_

U M

Mc

u

u

p

R

1

/1Jp

1

K

N

N

N

KpN

1

KN

p


Sơ đồ có cấu trúc phi tuyến mạnh. Đặc tính của động cơ

là phi tuyến. Trong tính toán ta thường dùng mô hình

tuyến tính hóa quanh điểm làm việc

KIo

KK

K o

Uk

_

U MK

B

K

B

IMc

IK

_

u

u

p

R

1

/1

Jp

1

K

K

pT

R

1

/1


Uo, Io là điện áp, dòng điện phần ứng ở trạng thái

làm việc xác lập. Với

- Trong đó Φo, Iko, MCB,

B là từ thông, dòng kích

từ, momen tải, tốc độ

quay ở trạng thái làm việc xác lập

Các phương trình gia số:

U(p) –[K. B. Φ(p) + K.Φo (p)] = Rư I(p)(1 + pTư)

Uk(p) = Rk Ik(p)(1+ pTk)

KIo Φ(p) + KΦo I(p) - Mc = J.p (p)

BCB

koo

K

K

MM

B

II

K

,

,


Khi từ thông kích từ không đổi ta có sơ đồ cấu trúc

động cơ đơn giản hơn:

Với Cu = KΦ

U(p) = RưI(p)(1+pTư) + Cu. (p)

Cu.(p) – Mc(p) = Jp (p)

Hệ số khuếch đại động cơ Kđ= 1/Cu

Cu

Cu

U - EI

Mc

u

u

p

R

1

/1

Jp

1

Ví dụ

Coi đặc tính của động cơ là tuyến tính và từ thông

kích từ là hằng số. Mô hình hóa động cơ có công

suất định mức 6Kw, điện áp định mức 220V, dòng

điện định mức 30A, tốc độ định mức 3000V/p. Độ

tự cảm cuộn dây phần ứng là 0,2H, điện trở mạch

phần ứng gồm điện trở cuộn dây phần ứng và điện

trở cực từ phụ 0,3 . Điện trở phụ đưa vào phần ứng

là 1,5 .

LG:3,0.30220IRU

K uu

Ví dụ

Rư = 0,3

Lư = 0,2

Tư = 2/3

3/21

3,0/1

p

KΦ

KΦ220

- KΦI

Mc

Jp

1

4.1.3 Khi điện áp phần ứng không đổi

Để thay đổi tốc độ ta điều chỉnh điện áp kích từ.

Nếu sử dụng sơ đồ tuyến tính hóa

KIo

KK

K o

Uk

_

U MK

B

K

B

IMc

IK

_

u

u

p

R

1

/1

K

K

pT

R

1

/1

Jp

1


Thì điện áp điều chỉnh phần ứng U(p) = 0

Hàm truyền của động cơ

Trong đó )1)(1(

)1(

)(

)(

3

2

21

21

pTpTTpT

KpTK

pU

p

k

u

k

)1(

)1(

)(;

)1(

)1(

;

)1(

3

221

22

1

c

uc

uC

c

Cu

cK

kB

coK

kuo

TJ

B

TJ

BT

T

K

JRT

TJ

B

TTTT

TJ

BR

KK

TJ

BKR

KRIK


Ưu điểm của phương pháp là chỉ điều chỉnh phần

công suất rất nhỏ so với công suất định mức của

truyền động nhược điểm là hằng số thời gian cuộn

dây kích từ Tk lớn, tính phi tuyến mạnh, phạm vi

điều chỉnh hẹp, bị ảnh hưởng bởi nhiễu.

4.1.4 Động cơ điện một chiều trong vùng gián đoạn của dòng

điện phần ứng.

- Khi nguồn cung cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập được lấy từ các bộ biến đổi bán dẫn thì khi tốc độ, momen và góc điều khiển ở một điều kiện nào đó sẽ gây hiện tượng dòng điện qua phần ứng bị gián đoạn. Khi đó đặc tính của động cơ sẽ thay đổi mặc dù các công thức của mô hình tuyến tính hóa động cơ vẫn đúng với các giá trị tức thời.

- Trong thời gian tồn tại xung dòng điện tốc độ động cơ tăng lên và khi dòng điện bằng 0(momen bằng 0) thì tốc độ giảm gây hiện tượng đập mạch tốc độ động cơ. Nếu momen quán tính đủ lớn thì độ đập mạch giảm. Điện cảm mạch phần ứng không có tác dụng hạn chế sự thay đổi giá trị trung bình của dòng điện phần ứng trong thời gian gián đoạn của dòng điện phần ứng.

4.1.4 …trong vùng gián đoạn của dòng điện phần ứng.

- Phương trình cho các giá trị trung bình trong một

chu kỳ xung dòng điện: U = Rư I + Cu.

- Giá trị trung bình của dòng phần ứng sẽ là hàm

phụ thuộc vào góc điều khiển và tốc độ của động

cơ : I = f( , )

- Thường trong các bộ chỉnh lưu góc phụ thuộc

tuyến tính vào điện áp điều khiển Uđk do đó ta có

sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều trong vùng

gián đoạn của dòng điện phần ứng:

dt

dJ Mc - Cu.I


- = a – bUdk’

- Trong đó a,b là các hằng số phụ thuộc chu kỳ điện áp lưới

và biên độ xung răng cưa của điện áp tựa. Mô hình của

động cơ từ thông không đổi, trong chế độ dòng điện dán

đoạn trình bày ở hình

- Có thể tuyến tính hóa khâu phi tuyến f( ,w) bằng cách

tuyến tính hóa quanh điểm làm việc

bf( , )

Cu

Uđk

a

-I

-

Mc

M

Jp

1

..II

I


- Quan hệ giữa dòng điện và góc điều khiển có thể được

thay thế bằng quan hệ giữa dòng điện và điện áp điều

khiển vì giữa góc điều khiển và điện áp điều khiển có

quan hệ đơn trị. Trong vùng dòng điện liên tục, các quan

hệ hàm số là tuyến tính còn trong vùng dòng điện gián

đoạn, các quan hệ này là phi tuyến.

- Đặt: ta có sơ đồ tuyến tính hóa1K

U

I

đk

2KI

K1 Cu

K2

Uđk

IMc

w

pJ

1


- Trong chế độ dòng điện gián đoạn động cơ có cấu trúc

thông số biến thiên tùy thuộc vào điểm làm việc. Nói chung

hệ số khuếch đại của động cơ bị giảm, còn hệ số khuếch đại

với tín hiệu nhiễu phụ tải Mc và hằng số thời gian điện cơ

tăng lên so với trong chế độ dòng điện liên tục.

- Các giá trị biên của các hệ số K1, K2 là:

- Hằng số thời gian điện cơ trong chế độ dòng dán đoạn:

- Với chính là các hệ số khuếch đại điện

áp của bộ biến đổi.

u

tb

R

KK1

u

ub

R

CK2

2KC

JT

u

c

đk

tU

UK

Nội dung chính:




tôc độ

4.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện

4.2.1 Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện

- Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong

các hệ thống truyền động điện 1 chiều và xoay

chiều là trực tiếp(hoặc gián tiếp) xác định momen

kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo

vệ, điều chỉnh gia tốc.

- Khái niệm điều chỉnh dòng điện được sử dụng

rộng rãi nhất trong truyền động điện tự động như

trên hình vẽ

4.2.1 Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện

- trong đó RI là bộ điều chỉnh dòng điện, R là bộ

điều chỉnh tốc độ. Mỗi mạch vòng có bộ điều

chỉnh riêng được tổng hợp từ đối tượng riêng và

theo các tiêu chuẩn riêng.

R S01 S02RI

Mc

__

Iđ

4.2.2. Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua các

sức điện động động cơ

- Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện

- Tf, Tđk, Tvo,Tư , Ti - các hằng số thời gian của mạch lọc,

mạch điều khiển chỉnh lưu, sự chuyển mạch chỉnh lưu,

phần ứng và xenxo dòng điện.

Uid

–

F

Ri

BĐ-E

I

Si Ui

fpT1

1

)1)(1(

1

vođk pTpTdU

u

u

PT

R

1

/1

i

i

PT

K

1

4.2.2. … bỏ qua các sức điện động động cơ

- Rư: điện trở mach phần ứng.

- hệ số khuếch đại của chỉnh lưu.

- Hàm truyền của mạch dòng điện (hàm truyền của đối

tượng điều chỉnh) khi bỏ qua sức điện động của động cơ

- Trong đó các hằng số thời gian Tf, Tđk, Tvo , Ti là rất nhỏ

so với hằng số thời gian điện từ Tư

- đặt Ts= Tf +Tđk + Tvo + Ti thì ta có thể viết lại hàm truyền

dU

)1)(1)(1)(1)(1(

/)(

iuvođkf

uicioi

PTPTPTPTPT

RKKpS

)1)(1(

/)(

pTpT

RKKpS

us

uicioi


- Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta tìm được hàm truyền

của bộ điều chỉnh dòng điện xcó dạng khâu PI

- Trong đó đã chọn T = Ts và hằng số có thể lấy = 2

- ; Tư = R3 C;

pTR

KK

pTpR

s

u

ici

ui .

1)(

CRTR

KKs

u

ici12 ii K

R

RK '

2

1

CUiđ

Ui

R1

R2

Ck

R3

_

+

Uđk


- Trong đó K’i là hệ số truyền

Của bản thân xenxo dòng điện.

- Từ đó có thể tính được

- Tụ Ck để tạo lọc và thường được chọn sao cho

R3Ck=Tf và R3(C + Ck)=Tư.

- Cuối cùng hàm truyền của mạch vòng sẽ là

- Quá trình quá độ điều chỉnh sẽ kết thúc sau thời

gian Tqđ=8,4.Ts và độ quá điều chỉnh là 4,3

CR

KKTR

u

ciis

.

'22

1)1(2

11

)(

)(

pTpTKpU

pI

ssiid

22221

11

pTpTK ssi

4.2.3. Tổng hợp mạch vòng dòng điện có tính đến sức

điện động động cơ

- Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh có tính tới sức

điện động

K

K

Ki

Uiđ

F

_

Ui

Rt Uđk

- E

-

Mc

pT f1

1

pTR

KK

pT

s

u

ici

u

2.

1

)1)(1( pTT

K

vođk

ci

pT

R

u

u

1

/1

Jp

1

4.2.3. … có tính đến sức điện động động cơ

thực hiện vài phép biến đổi đơn giản ta được

Uiđ

_

Ui

Uđk

Ki

Mc

Iđ

Ic

pT f1

1

pTR

KK

pT

s

u

ici

u

2.

1

)1)(1( pTT

K

vođk

ci

)1(

/2pTTpT

RpT

cuc

uc

)1(

/12pTTpT

K

cuc


- Khi không tải: Mc = 0 ta có hàm truyền của mạch vòng

điều chỉnh như sau:

- hệ số sai lệch tĩnh:

- Để mạch vòng điều chỉnh đạt tiêu chuẩn modul tối ưu ta

phải tổng hợp lại cấu trúc và tham số của bộ điều chỉnh,

cụ thể là:

21)(1(

1

2)(

)(

pTTpTpT

pT

T

T

pI

pI

cucs

u

s

c

đ

TT

T

TT

TC

c

s

sc

co

2

2

21

2

2

2

1)(

pTR

TKK

pTpTTpR

s

u

cicl

ccui


- Trong trường hợp nếu thông số của đối tượng thỏa

mãn điều kiện TC>4Tư, nghĩa là

TưTcp2 + Tcp + 1 = (1 + T1p) (1 + T2p)

Thì có thể dùng hai bộ điều chỉnh PI nối cấp để

thỏa mãn biểu thức bộ điều chỉnh với các hệ thống

có yêu cầu không cao lắm về chất lượng, có thể

dùng một bộ điều chỉnh PI để bù hằng số thời gian

lớn và chấp nhận sai lệch tĩnh của hệ.

4.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện có

tính đến vùng gián đoạn của dòng điện phần ứng

- Trong vùng dòng điện gián đoạn hệ số khuếch đại của bộ

chỉnh lưu Thisistor giảm rất mạnh và có giá trị thay đổi

tùy thuộc vào điện áp điều khiển uđk và sức điện động E.

Trong vùng dòng điện gián đoạn không tồn tại khái niệm

hằng số thời gian điện từ Tư do giữa các xung dòng điện

thì

- Hàm truyền của đối tượng bây giờ là

- Gần đúng khi Tc>> Ts

0dt

diLu

)1)(1(.)(01

pTpT

pT

R

KKpS

sc

c

u

ici

)1(.)(01

pT

pT

R

KKpS

s

c

u

ici

4.2.4 TH … vùng gián đoạn của dòng điện phần ứng

- Đặt

- Vì K phụ thuộc vào uđk và E nên ta viết K(uđk,E). theo tiêu

chuẩn modul tối ưu ta tính được hàm truyền của bộ điều

chỉnh là khâu tích phân:

- Như vậy là trong vùng dòng điện liên tục thì bộ điều chỉnh

nên có cấu trúc kiểu PI còn trong vùng dòng điện gián đoạn

thì bộ điều chỉnh cần có cấu trúc kiểu I để hệ có thể đáp ứng

được tính chất động tốt hơn thì hệ số khuếch đại của bộ

điều chỉnh phải tự động thay đổi.

KR

KK

u

ici

pTEuKpR

sđk

i

1.

)(

1)(

,

4.2.5 Bộ điều chỉnh dòng điện thích nghi với từng

xung dòng.

- Cấu trúc hơn cả bộ điều chỉnh dòng điện kiểu thích nghi là

nhờ vào thông tin từ xenxo về tính liên tục của dòng điện

khi chiếu từ vùng dòng điện liên tục sang vùng dòng điện

gián đoạn mà thay đổi cấu trúc của bộ điều chỉnh PI sang

I và ngược lại. Trong vùng cấu trúc kiều I, bộ điều chỉnh

có hệ số khuếch đại tự động thay đổi tùy thuộc vào tình

trạng gián đoạn của dòng điện

4.2.5 Bộ điều chỉnh … thích nghi với từng xung dòng.

Sơ đồ chức năng bộ điều chỉnh thích nghi

-Khi chuyển mạch CM ở trên thì bộ điều chỉnh gồm nối tiếp khâu tỷ lệ P với khâu tích phân I và ta được bộ điều chỉnh có cấu trúc kiểu I(0). Khi chuyển mạch CM ở vị trí dưới thì bộ điều chỉnh gồm khâu tỷ lệ đạo hàm PD nối tiếp với khâu tích phân I và ta được bộ điều chỉnh kiểu PI(có dòng).

P

PD

IUđk

SS

Si

-

Ui 0

I

U0

CMUiđ


- Khâu so sánh SS đóng vai trò xenxo phát hiện tính liên tục

của dòng điện bằng cách so sánh giá trị dòng điện sau

xenxo Si với giá trị 0 và phát lệch logic u0 điều khiển

chuyển mạch CM.

- Trong sơ đồ nguyên lý, chuyển mạch CM được thực hiện

bằng transitor trường T có điện trở trong thay đổi rất

mạnh trong các trạng thái khóa và bão hòa, giả thiết điện

trở của transitor T là RT = khi nó khóa và R1>>R2. Hàm

truyền PD sẽ là

- Khi transistor bão hòa thì RT<<R2

và ta có hàm truyền P

)2

1(2

)(

)( 12

0

21 CpR

R

R

pU

pU

i

0

11 2

)(

)(

R

R

pU

pU

i


Sơ đồ nguyên lý của chuyển mạch CM.

- Cho rằng tín hiệu vào Ui trong chế độ dòng điện gián đoạn

có dạng xung chữ nhật tương đương U. Đồ thị thời gian

của điện áp U1 đặt vào đầu vào của phần tử tích phân sẽ

như sau:

Uiđ

UiR0

R1

R2 R2

R3

-U1

-+

-+

C2

C1TU0

Uđk


tn

T

i(t)i(t)

PDp P PD P PDt

t

t

U0

U1

t1 t2

0

22

R

RU

0

1

R

RU


- Trong khoảng thời gian t1 khóa T ở trạng thái khóa

(không dẫn). do tác dụng của thành phần đạo hàm mà

khuếch đại A1 bão hòa trong khoảng thời gian tn

- Tn

- Trong đó Um– điện áp bão hòa và

- Sau đó điện áp U1 có giá trị

- Trong khoảng thời gian t2. khóa T dẫn và điện áp

U1 sẽ là

0

22.

R

R

U

U

m

2

12CR

0

21

2.

R

RUU

0

11 .

R

RUU


- Hệ số khuếch đại điều chỉnh trong chế độ dòng điện

gián đoạn giảm xuống khi độ rộng xung dòng t1 tăng

lên, bằng cách đó mà bù được từng phần sự biến thiên

phi tuyến của hệ số khuếch đại của hệ thống (đối

tượng) điều chỉnh.

0t1/T

KR

R1/R0

2R2/R0

Vùng gián đoạn Vùng liên tục

4.2.6 Bộ điều chỉnh dòng điện thích nghi có khâu tiền

chỉnh phi tuyến.

Điều chỉnh thích ghi bằng khâu điều chỉnh

Fx là khối phi tuyến chưa biết cấu trúc

Ri(p) có cấu trúc PI.

Phần S01(p) có hàm truyền:

Ri(p)S01(p)

Fx

Uiđ Ui

pTEuKpS

s

đk1

1),()(01

4.2.6 Bộ điều chỉnh … có khâu tiền chỉnh phi tuyến.

- Bộ điều chỉnh dòng điện được thiết kế cho vùng

dòng điện liên tục

- Theo sơ đồ ta có hàm truyền của mạch vòng dòng

điện

- Trong đó

- Mục tiêu của tổng hợp là bỏ qua thành phần p2 thì:

pT

pT

KpR

s

ui

2

11)(

222)2(1

)1(1

ApTpATT

pKFTT

pU

pU

ssu

xsu

id

i

),( EuK

KA

đk

1)(

)(

pu

pU

iđ

i


- Ta rút ra được

- Trong chế độ dòng điện gián đoạn, khi E = const

thì có thể coi gần đúng Ui=K.U3dk

- Và do đó hệ số khuếch đại vi sai của đối tượng sẽ

là

- Trong đó K là hằng số

- Do đó hàm Fx:

),(

1

EuKF

đk

x

34)( đk

đk

iđk Ku

U

UuK

34

11

đkđkiid

x

Kuuuu

F

4idux uKF


- Trong đó Ku là hằng số ứng với các giá trị khác

nhau của s.đ.đ E

- Để hệ thống hoạt động chính xác, nhất là ở vùng

mà s.đ.đ E thay đổi nhiều, cần bù được ảnh hưởng

của tín hiệu này đến đặc tính của khối phi tuyến

Fx. Lợi thế của hệ thống dùng khâu điều chỉnh phi

tuyến là không cần xenxo chế độ của dòng điện và

chuyển mạch điện tử.

- Để hạn chế được vùng dòng điện gián đoạn thì nên

dùng bộ biến đổi là bộ băm xung với tần số băm

xung đủ cao.

Nội dung chính:




tôc độ

4.3 Tổng hợp hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ

- Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà các đại lượng điều chỉnh được là tốc độ góc của động cơ điện, thường gặp trong thực tế kỹ thuật. Hệ thống điều chỉnh tốc độ được hình thành từ hệ thống điều chỉnh dòng điện. Các hệ thống này có thể là đảo chiều hoặc không đảo chiều. Do các yêu cầu công nghệ mà hệ cần đạt vô sai cấp 1 hoặc vô sai cấp 2. Nhiễu chính của hệ là momen tải Mc

- Tùy theo yêu cầu của của công nghệ mà các bộ điều chỉnh tốc độ R có thể được tổng hợp theo 2 tín hiệu điều khiển hoặc theo hoặc theo nhiễu tải Mc

4.3 Tổng hợp hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ

Sơ đồ khối

- Hệ thống sử dụng bộ biến đổi(BĐ) để đảo chiều

quay. Bộ điều chỉnh Ri và các sensor dòng điện Si

tạo thành 2 mạch vòng điều chỉnh dòng điện.

- HCD là phần tử phi tuyến hạn chế dòng điện trong

quá trình quá độ. Sensor S đóng vai trò khâu phản

hồi tốc độ

R Ri Fx BĐ

Đ

Si

S

Uk Mc

Uđ

-

Ui

HCD

-

UI

4.3.1 Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh

tốc độ tỷ lệ

- Mạch dòng điện, trong phần này sẽ sử dụng biểu thức kết

quả trong đó đã bỏ qua ảnh hưởng của s.đ.đ của động cơ

lấy gần đúng theo

tiêu chuẩn modul tối ưu:

- Hoặc theo tiêu chuẩn

tối ưu đối xứng:

- Đối tượng điều chỉnh có hàm truyền:

- Tính với hệ số truyền K và hằng số thời gian (lọc) T .

Thường T có giá trị nhỏ, khi đó đặt 2T’s = 2Ts +T

pTKpU

pI

siđ 21

1.

1

)(

)(

1

pTKpU

pI

siđ 41

1.

1

)(

)(

1

p

su

ci KTKR

TKKpR

2'2

1.)(


tốc độ tỷ lệ

Trong đó 2 = 2.

- K’ là hệ số truyền của bản thân xenxo tốc độ

- Ki’ là hệ số truyền của sensor dòng điện

- Hàm truyền của mạch vòng điều chỉnh tốc độ là:

1

3

R

RK p

2

1'R

RKK

32

24

''

'..'4

RRK

RRK

R

TK

KK

K

R

TKT i

u

c

p

i

u

cs

1)12(4

11

)(

)(' pTpTKpU

p

ssđ


tốc độ tỷ lệSơ đồ nguyên lý

_

+_

+

U đ

U

R1

R2

R3

C

Uiđ R4

R2’

Ui

Uđk


tốc độ tích phân tỷ lệ PI

- Dùng khi thiết bị công nghệ có yêu cầu vô sai cấp cao.

Khi đó có thể dùng phương pháp tối ưu đối xứng để tổng

hợp bộ điều chỉnh. Với mạch vòng điều chỉnh tốc độ hàm

truyền của bộ điều chỉnh có dạng:

- Và hàm truyền mạch hở là:

- Từ hàm truyền hệ hở có thể tìm hàm truyền của mạch kín

F(p), đồng nhất F(p) với hàm chuẩn tối ưu đối xứng ta sẽ

tìm đc tham số của bộ điều chỉnh

pKT

pTpR

o

o1)(

)12(

1.

1)(

' pTpTKK

KR

pKT

pTpF

sci

u

o

oo



Nếu chọn Ts’ = Ts thì

To = 8Ts

- Để tránh quá độ điều chỉnh khi tổng hợp hệ thống theo phương pháp tối ưu đối xứng thường phải dùng thêm khâu tạo tín hiệu. Khâu này có hàm truyền của khâu lọc thông thấp bậc 1. Hàm truyền mạch kín của hệ thông khi đó là

)8

11(

4

1)(

4.8

)2(8.

''

'

'

2'

pTTKR

TKKpR

TTKK

KR

T

T

TKK

KRK

ssu

ci

s

ci

u

s

s

ci

u



Và tính được sai số tốc độ tương ứng khi có nhiễu

tải dạng hằng số

Khi hệ đã ổn định thì sai lệch tốc độ bằng 0.

1]1)12(4[8

81

)(

)()(

'''

'

pTpTpT

pT

pU

pUpF

sss

s

đ

1]1)12(4[8

)12(8.

4)(

'''

'''

pTpTpT

pTpT

TK

RITp

sss

ss

c

ucs

4.3.3 Hệ thống điều chỉnh tốc độ khi không có mạch

vòng dòng điện

- Khi cả bộ biến đổi và động cơ đều có khả năng quá dòng

lớn và không có yêu cầu cao về điều chỉnh gia tốc hoặc

khi dùng các truyền động công suất nhỏ dùng bộ băm

xung áp có tần số làm việc lớn tới mức không xuất hiện

các vùng dòng điện gián đoạn thì có thể không cần xây

dựng mạch vòng điều chỉnh dòng điện.

- Trong trường hợp Tc > 4Tư thì hàm truyền của đối tượng

sẽ là:

- Khi đó sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh tốc độ là

)1)(1)(1)(1()(

21

2pTpTpTpT

KpS

b

so

4.3.3 Hệ thống điều chỉnh tốc độ khi không có mạch

vòng dòng điện

- Trong hàm truyền thì Ks = Kb. KĐ K

- Giả thiết T2 > T1 và T1, T2 lớn hơn nhiều so với Tb, Tthì theo chuẩn tối ưu modul ta tổng hợp được bộ điều chỉnh kiểu PID có hàm truyền là

RU đ Eđ

Mc

_

cuc

uu

TTPPT

pTK

R

2

2

1

)1()(

cuc

Đ

TTPPT

K21

PT

K

1

b

b

PT

K

1

4.3.3 Hệ thống điều chỉnh tốc độ khi không có

mạch vòng dòng điện

Khi a = 1 thì hàm truyền hệ kín là

TTTapKT

pTpTpR bs

ss

;.2

)1)(1()( 21

1)12(2

1

)(

)(

pTpTpU

pU

ssđ

4.3.4 Hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh 2

thông số

1. Điều chỉnh từ thông

- Trong trường hợp điều chỉnh dòng điện kích từ thì hàm truyền của đối tượng có dạng

- Trong đó Uk là giá trị trung bình điện áp ra của bộ biến đổi

Rk, Tk là thông số dây quấn kích từ

Tv là hằng số thời gian dòng xoáy

Tsk là tổng các hằng số thời gian nhỏ trong mạch kích từ

)1)(1(

1.

1

)(

)(

skkkk

k

pTpTRpU

pI


thông số

Sensor từ thông

- Trong đó Kv là hệ số khuếch đại vi phân tức là độ

nghiêng của đặc tính từ hóa tại điểm làm việc

- Tham khảo sơ đồ trong sách

- Việc tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện

kích từ để điều chỉnh tốc độ gặp nhiều khó khăn

do các thông số mạch kích từ thay đổi mạnh khi

điều chỉnh

constT

T

v

kv

v

k pT

K

pI

p

1)(

)(


thông số

-2. Điều chỉnh sức điện động

- Để giữ đc giá trị sức điện động E = KΦ = hằng

số cần phối hợp điều chỉnh tốc độ và điều chỉnh

từ thông

- Để thực hiện được sensor sức điện động đơn giản

là dùng các mạch đo điện áp và dòng điện phần

ứng: E(p) = Us(p) – Rư(1 + pTư)I(p)

- Khi tốc độ thay đổi, qua sensor tốc độ và khối trị

tuyệt đối N2 sẽ đưa tín hiệu điều chỉnh độ dốc của

phần tuyến tính của khối N1 vì


thông số

- Do đó độ dốc của khối N1 là

- Khối N1 - có thể thực hiện bằng mach khuếch đại

kiểu thông số

- Khối Sok(p) có hàm truyền của mạch kích từ là:

đm

đmKKp

pE

)(

)(

đm1KN

)1)(1(

11)(

skk

v

k

okpTpT

pT

RpS


thông số

EđRik BĐ Sok(p)

S K

Sik

SEE

N1

N2

U

ikUk

_

Uikđ

RE

_ pT

pT

1

21

v

v

pT

K

1


thông số3. Điều chỉnh hai thông số

Trong các hệ thống truyền động đặc biệt cần điều chỉnh cả hai đại lượng điện áp phần ứng và dòng điện kích thích, như các máy phát hãm trong hệ thống điều chỉnh sức căng. Có thể điều chỉnh lần lượt hoặc đồng thời cả điện áp và từ thông.

Cách đơn giản là ghép hai sơ đồ điều chỉnh tốc độ và sức điện động

Trong vùng điều chỉnh dưới tốc độ cơ bản thì giá trị đặt của dòng điệnkích từ là không đổi, tương ứng với ía trị không đổi của từ thông. Khi sức điện động đặt đến giá trị đặt thì qua khâu logic giá trị này được so sánh với giá trị Eđ sai lệch đc điều chỉnh bởi bộ điều chỉnh RE tạo dòng điện Ikt sao cho khi tăng tốc độ thì từ thông giảm. Trong chế độ xác lập ta luôn có:

KΦ = Eđ



Chương 5: Điều chỉnh tự

động truyền động điện

động cơ không đồng bộ

Nội dung chính:

1. Mô tả chung

2. Các đặc tính của động cơ không đồng bộ

3. Mạch vòng dòng điện stato

4. Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ

5. Điều chỉnh điện trở roto động cơ không đồng bộ

6. Điều chỉnh công suất trượt băng hệ nối tầng

điện dưới đồng bộ

7. Điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ

5.1 Mô tả chung

Động cơ không đồng bộ 3 pha (ĐK) được sử

dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất

nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ

rất lớn so với động cơ khác. có kết cấu đơn

giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng

nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều 3

pha.

Tuy nhiên, trước đây các hệ truyền động ĐK

có điều chỉnh tốc độ lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ,

đó là do việc điều chỉnh tốc độ ĐK có khó

khăn hơn động cơ một chiều.

5.1 Mô tả chung

Trong thời gian gần đây, do phát triển công

nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ

thuật điện tử tin học, ĐK mới được khai thác

các ưu điểm của mình. Nó trở thành hệ

truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ

truyền động Thyristor - Động cơ một chiều.

Khác với động cơ một chiều, ĐK được cấu

tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt.

Từ thông động cơ cũng như mômen động

cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số.

Có ĐK roto dây quấn và ĐK roto lồng sóc

5.1 Mô tả chung

Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động

điện ĐK là hệ điều chỉnh nhiều tham số có

tính phi tuyến mạnh. Trong định hướng xây

dựng hệ truyền động ĐK, người ta có xu

hướng tiếp cận với các đặc tính điều chỉnh

của truyền động động cơ 1 chiều.

Phương trình đặc tính cơ của ĐK có dạng:

5.1 Mô tả chung U1 : Điện áp pha nguồn đặt vào dây quấn stato

ωo : Tốc độ đồng bộ R1: đtrở stato R2’ là đtrở rôto, Xnm là điện kháng ngắn mạch Xnm = X1 + X2’ với X1, X2’ là điện kháng stato và roto

s : Hệ số trượt của động cơ.

với f1 là tần số đ.áp nguồn đặt vào stato; p là số đôi cực của ĐK

là tốc độ góc của roto ĐK

- Tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta đi từ pt cân bằng công suất: P12 = Mđt. 0

- Với P12: công suất điện chuyển từ roto sang stato; Mđt là momen điện từ của ĐK

p

f10

2

0

0s

5.1 Mô tả chung

Nếu bỏ qua tổn thất thì Mđt = Mcơ = M

P12= Pcơ + P2 với Pcơ là công suất cơ trên

trục ĐK: Pcơ = M. ; P2 = 3I2’2.R2’ là tổn hao

công suất trong roto với I2’ là dòng Roto quy

đổi về stato

Vậy ta có M. 0 = M.( 0 - ) = M 0.s

Suy ra pt đặc tính cơ điện

Độ trượt tới hạn

M tới hạn

0

'

2

2'

2 /..3 sRIM

22

110

2

1

.(2 nm

f

th

XRR

UM

22

1

'

2

nm

th

XR

Rs

5.1 Mô tả chung

Với động cơ công suất lớn có thể bỏ qua R1

vì nó rất nhỏ so với Xnm và coi a= R1/R2’ =0

Khi đó ta có các gần đúng bỏ qua R1

0

0

n

nns đm

nm

f

th

nm

thth

th

th

X

UM

X

Rs

s

s

s

s

MM

0

2

1

'

2

2

3

;2

5.1 Mô tả chung

Trong công nghiệp thường sử dụng bốn hệ

truyền động điều chỉnh tốc độ ĐK :

- Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ

dùng bộ biến đổi Thyristor.

- Điều chỉnh điện trở Rôto bằng bộ biến

đổi xung Thyristor.

- Điều chỉnh công suất trượt Ps.

- Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho

động cơ bằng các bộ biến đổi tần số

Thyristor hay Tranzistor.

5.1 Mô tả chung

Ví dụ: cho ĐK có Pđm= 500KW; n0= 600V/p;

nđm=588v/p; =2,15; E2đm=1200V; I2đm=450A

tính đặc tính cơ cho đk:

LG:với ĐK công suất lớn ta dùng ct gần đúng

- Độ trượt s=(n0-nđm)/n0=

- Momen định mức

- Momen tới hạn: Mth= Mđm.

- Điện trở định mức

- Điện trở roto: R2’ = sđm. Rđm

- Độ trượt tới hạn:

đmđm

pM

đmđmđm IER 22 3

)1(đmth ss

5.1 Mô tả chung

Pt đặc tính cơ tự nhiên

Momen ngắn mạch

với s=1

s

s

s

sMhoăo

s

s

s

s

MM

th

th

th

th

th

2

;2

*

;2

s

s

s

s

MM

th

th

thnm

5.1.1 Mô tả ĐK trong điều khiển

ĐK là máy điện có nhiều dây quấn trên cả

roto và stato

Pt cân bằng điện áp trên mỗi dây:

Với k là chỉ số tên dây quấn pha

Từ thông móc vòng

Với j là tên dây quấn pha. J=k thì là điện cảm tự

cảm, j≠k thì là điện cảm tương hỗ

K,j = a,b,c; A,B,C: dây quấn stato; roto

Momen điện từ ĐK:

dt

diRU kkkk

jkjk iL .

dtik k

k2

1M


Gọi v là góc lệch trục dây quấn pha roto và

stato thì tốc độ quay roto là = dv/dt

Để tiện ta viết các đại lượng ở dạng vecto

Ls1,Lr1: điện cảm tự cảm cuộn dây

Ms, Mr: hỗ cảmC

B

A

r

C

B

A

r

C

B

A

r

c

b

a

s

c

b

a

s

c

b

a

s

u

u

u

u

i

i

i

i

u

u

u

u

i

i

i

i ;;;;;

vvv

vvv

vvv

vL

LMM

MLM

MML

L

LMM

MLM

MML

L

R

R

R

R

R

R

R

R

m

rrr

rrr

rrr

r

sss

sss

sss

s

r

r

r

r

s

s

s

s

cos)3/2cos()3/2cos(

)3/2cos(cos)3/2cos(

)3/2cos()3/2cos(cos

)(;

;

00

00

00

;

00

00

00

1

1

1

1

1

1


Ta viết lại

Đây là hệ vi phân tuyến tính có hệ số biến

thiên theo thời gian vì góc quay

;

)]([

)(;

)]([

)(

r

s

rr

T

m

mss

r

s

r

s

r

T

m

ms

r

s

i

i

dt

dLRvL

dt

d

vLdt

d

dt

dLR

u

u

i

i

LvL

vLL

U

U

}).(.{)( M rms ivLdv

dti

dttvv )(0

5.1.2 Chuyển vị tuyến tính các phương trình Nhằm mục đích loại trừ các hệ số phụ thuộc góc

quay v

Thường dùng cách chuyển các giá trị tức thời của

đáp(dòng điện)thành các vecto không gian

Vecto không gian của dòng stato

Phép chuyển này có thể thực hiện cho các đại

lượng khác của ĐK

Gọi hệ trục tọa độ mới là (u,v,o) thì vị trí góc của

vận tốc là vk = vok+ k.t

3

2

2 );.(3

2 j

cbas eaiaiaii

)(3

3)2(

2

1}Im{}Re{ cbcbasssss iiiiiiiiii

5.1.2 Chuyển vị tuyến tính các phương trình Vecto không gian của dòng trong hệ tọa độ

là: is = ise-j k các thành phần của vecto này:

(**)

Thay vào pt trước ta đc

(*)

3

2;

)]3

2sin()

3

2sin(sin.[

)]3

2cos()

3

2cos(cos.[

KqKd

viviviKqi

viviviKdi

kckbkasv

kckbkasu

)(.

vvj

rrkeii

svmsvrrv

sumrurru

rvmsvssv

rumsussu

iLiL

iLiL

iLiL

iLiL

..

..

..

..

;)(()]([

)()(

rw

sw

krrkm

kmkss

rw

sw

i

i

jpLRjpL

jpLjpLR

U

U

5.1.2 Chuyển vị tuyến tính các phương trình Momen

M=(3/2)Im{ is . ir }

5.1.3 Mô hình dòng điện Dạng mô hình này đc xác định từ (**) bằng

cách tách hệ ptrình này ra thành các phương

trình chiếu trên các trục u,v

M=(3/2)Lm.(iru – isv – isu.irv)

rv

ru

sv

su

rrrkmmk

rkrrmkm

mmksssk

mkmskss

rv

ru

sv

su

i

i

i

i

pLRLpLL

LpLRLpL

pLLpLRL

LpLLpLR

U

U

U

U

)()(

)()(

5.1.4Mô hình từ thông theo phương trình trạng thái Nếu rút dòng điện từ pt (*) rồi thay vào pt (**)

ta thu được mô hình mới có dạng

Từ 2 phương trình của mô hình trước ta có thể

tính ra d điện stato và roto rồi thay vào chính

nó ta thu đc phương trình trạng thái mới

rw

sw

kr

s

s

s

rw

sw

jp

jp

i

i

R

R

U

U

)(0

0

0

0

)(0

0

0

0

sv

su

rksr

krsr

rssk

rsks

rv

ru

sv

su

u

u

aka

aka

kaa

kaa

p

5.1.4Mô hình từ thông theo phương trình trạng thái Trong đó

eđm: tần số góc định mức của dòng điện

: Hệ số tản từ.

m

r

sM

sr

m

sr

mm

r

mr

s

ms

međr

rr

međs

ss

LMN

NL

LL

L

LL

Lk

L

Lk

L

Lk

SL

Ra

L

Ra

2

3

1;;

;;

2

5.1.5Mô hình ĐK khi bỏ qua quá trình quá độ điện từ

Nếu quá trình quá độ điện từ rất nhỏ so với

quá trình quá độ điện cơ thì có thể bỏ qua quá

trình quá độ điện từ khi khảo sát ĐK

Trong từng trường hợp cụ thể momen là hàm

của ít nhất 2 biến là biến tốc độ ra và 1 biến

vào nào đó gọi là biến y: M = M(y, )

ĐK có đặc tính phi tuyến mạnh nên thường

dùng p2 tuyến tính hóa quanh điểm làm việc

M = MB + M; y = y0 + y

Mc = Mcb+ M; = b + y

Gia số momen: cc

MM

My

y

MM ;


Sơ đồ cấu trúc

Hàm truyền của ĐK

Tm – hằng số tg điện cơ

-BSth

MMth

00

y

y

M

cM

Jp

1

M

pT

K

pY

pF

m

my

p1)(

)(

MM

JT

cm


Kmy là hệ số khuếch đại của ĐK với biến vào y

MM

y

M

Kc

my

5.2 Các đặc tính của động cơ không đồng bộ

Ở chế độ xác lập ta có các phương trình mô

tả quan hệ giữa các thông số:

Trong đó s = e - gọi là tốc độ trượt

Ls = Lm+ Ls ; Lr = Lm+ Lr

s = s e

Một vài thông số:

- Biên độ dòng điện roto:

;r

s

rsrms

mksks

r

s

I

I

LjRLj

LjLjR

U

U

)( sF

LUI m

e

sr


Trong đó

Biên độ từ thông stato:

Biên độ từ thông động cơ

22 )()()(s

sr

e

rsrs

se

rs LRLRLL

RRsF

)(

)(.

22

sF

LR

LUr

s

r

e

sss

)(

)(.

22

sF

LR

LUr

s

r

e

ms

5.2 Các đặc tính của động cơ không đồng bộ Momen điện từ của động cơ

Tổng trở vào của động cơ

Momen điện từ của động cơ thông qua dòng

stato

2

2

2

2

)(

1..

sF

RLUM

s

rm

e

s

r

s

r

s

sr

e

rssrs

đ

jLR

LRLRjLLRR

z

)(

2.)1(

s

sth

sth

s IL

M


Momen điện từ của động cơ thông qua dòng

roto

Trong đó hệ số tản từ

Tốc độ trượt tới hạn

2. rr I

RM

rsm LLL21

rrsth LR

5.3 Mạch vòng dòng điện stato

Việc tổng hợp mạch vòng dòng điện stato gặp

nhiều khó khăn do các thông số của đối tượng

như tổng trở của động cơ, hằng số thời gian

điện từ biến thiên theo tải. Nếu coi khe hở

không khí giữa stato và roto là đều, sự biến

thiên của tải được phản ánh ở điện trở tương

đương trong mạch roto và dây quấn stato đấu

hình sao thì ta có mô hình của ĐK


Mạch lọc và stato có thể được mô tả bởi

hàm truyền

R = Rf + 2Rs

L = Lf + 2Ls

Hàm truyền của độ biến đổi lấy gần đúng là

Ris BĐ

Sis

UiđsLf

Rf 2Rs

2Ls

2Ls

2Rr

s

Us

pLRpSo

1)(1


Trong đó 2b = Tvo = Tn/12

Tn: chu kỳ điện áp nguồn

Tvo thời gian trễ thống kê của bộ biến đổi

Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh

Si(p) = So1(p).So2(p).Sis(p)

pb

KpS b

o.1

)(2

)1)(1(

1)(

TppTKspS

si

oi

5.3 Mạch vòng dòng điện stato Trong trường hợp động cơ roto dây quấn thì

phải đưa các điện trở phụ Rf vào mạch roto

để mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ

Momen điện từ là hàm hợp của tốc độ và

điện áp stato

M = M[ Ir(Us, ) ]

Theo sơ đồ đối tượng của mạch vòng dòng

điện là

MU

U

II

I

MMI

I

MM s

s

rr

r

r

r

)(

11

1

)(

)(

pLRpU

pI

s

r

5.3 Mạch vòng dòng điện stato Trong đó R1 = Rf + 2Rs + (Rr + Rf)2/s

L1 = Lf + 2Ls = 2Lr

T1 = L1/R1

Khi tổng hợp mạch vòng dòng điện roto ta

bỏ qua khâu Áp dụng chuẩn tối ưu

modul ta tổng hợp được cấu trúc và tham số

của bộ điều chỉnh dòng điện cho động cơ

Với T1 = T;

T = L/R

KTo = 2K2Tsi; Tsi = b + Ti

pKT

pTpR

o

is11

)(

rI

5.4 Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ Việc điều chỉnh điện áp stato là không triệt

để do mọi đặc tính điều chỉnh đều đi qua

điểm không tải lý tưởng

Tổn thất công suất trượt của động cơ tăng

lên nếu giảm tốc độ quay của roto :

Pr = Mc (ωo - ω) = Pcơ(s/(1-s))

Nếu đặc tính cơ của phụ tải có dạng

Tức là động cơ có độ trượt định mức nhỏ ,

thì tổn thất khi điều chỉnh sẽ là :

x

o

mđc

x

mđc

mđc MM )()(Mc

5.4 Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ

Giá trị cực đại của tổn thất công suất : Prmax = Mcđm ωo = Pđm

Truyền động không đồng bộ điều chỉnh điện áp stato chỉ thích hợp với các loại tải có moment là hàm tăng của tốc độ.

Cấu trúc một hệ thống điều chỉnh điện áp như hình, trong đó để thiết lập mạch vòng dòng điện có thể lấy phản hồi dòng điện stato hoặcphản hồi dòng điện roto nếu sử dụng động cơ roto dây quấn.

)1()(o

x

o

mđcr MP


Trong trường hợp sử dụng động cơ roto lồng sóc thì phản hồi dòng điện stato được thiết lập , việc tổng hợp mạch vòng dòng điện được tiến hành như ở mục trước đã nêu. Moment động cơ cũng được tính theo dòng điện stato

R Ri BĐU

đ

Uiđ

Uis

Uir

U

Rf

Si

M

SSi


Trong trường hợp động cơ roto dây quấn thì phải đưa các điện trở phụ R t vào mạch roto để mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ

Có thể kết hợp điều chỉnh (có cấp) các điện trở phụ R t .

Moment điện từ tỉ lệ với bình phương dòng điện roto và do có điện trở phụ nên động cơ luôn làm việc ở đoạn dặc tính có độ trượt nhỏ hơn độ trượt tới hạn. Ở vùng đặc tính này khi dòng điện roto tăng lên thì moment cũng tăng và việc điều chỉnh sẽ thuận lợi nếu ta sử dụng phản hồi dòng điện roto.

;)1( 2

sth

th

s IL

M

5.4 Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ Nếu biểu diễn bằng sơ đồ như hvẽ sau

Thì ta được đối tượng của mạch vòng điều

chỉnh dòng điện là

Với ;

Ris BĐ

Sis

Uiđs Lf Rf 2Rs 2Ls 2Ls

2Rr

s

Us

11

1

)(

)(

pLRpI

pU

s

r

s

RRRRR

fr

sf

)(221 rsf LLLL 221

5.5 Điều chỉnh điện trở roto động cơ không

đồng bộ Giá trị điện trở tổng của mạch roto là :R=Rr+Rf

Khi tăng giá trị điện trở tổng R tức là làm tăng độ trượt tới hạn Sth còn momen tới hạn của động cơ không thay đổi.

Nếu coi bộ điều chỉnh xung là khóa lý tưởng thì có thể điều chỉnh trơn giá trị điện trở tương đương của mạch điều chỉnh xung từ Re =0 tới Re = R1 tương đương thời gian dẫn dòng biến thiên từ t1= 0 tới t1 = T Điện trở phụ mắc vào roto có thể được xác định theo điều kiện cân bằng công suất.

Rf = Rc /2

5.5 Điều chỉnh Rr động cơ không đồng bộ Độ trượt khi điều chỉnh roto có thể được xác

định như sau: S = Rsi/Rr

Trong đó : s độ trượt ứng với điện trở

R=Rr+Rf

si độ trượt ứng với điện trở Rr (Rc =0)

Momen đông cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điện

rotoTa có

Với Utm là biên độ điện áp răng cưa tại xung

mở Thiristor phụTf,

22

)1()1(

r

r

io

r

o

I

RR

S

RI

s

RM

5.5 Điều chỉnh Rr động cơ không đồng bộ

Rl là giá trị điện trở mắc ở mạch một chiều,Tvo

=1/2f là hằng số thời gian trung bình,Td là

hằng số tg trung bình mạch roto

R Ri đ

–

F

Ir

- Mc

S

_

PT

K

1s

rI

rI

M

d

r

pT

RI

1

/

Jp

1

tm

pT

UR

1

2/1

PT

K

1

5.5 Điều chỉnh Rr động cơ không đồng bộ

Với

Và bằng phương pháp tổng hợp sơ đồ cấu trúc bỏ

qua sức điện động của động cơ ta sẽ tổng hợp

được bộ điều chỉnh tốc độ và bộ điều chỉnh dòng

điên R và Ri

ekr

kr

RRR

L

2

2L Td

5.6 Điều chỉnh Ptrượt bằng hệ nối tầng điện dưới

đồng bộ Khi điều chỉnh tốc độ bằng hệ nối tầng thì vừa

điều chỉnh được công suất trượt vừa điều chỉnh

được tốc độ của động cơ. Để đơn giản bằng

cách mô tả hệ ta bỏ qua điện trở và điện kháng

trên stato động cơ,bỏ qua sụt áp thuận trên các

van bán dẫn lực và coi động cơ có hai cực và

động cơ có số vòng dây quẩn roto và stato là

như nhau.ở chế độ xác lập ta có :

s

U

U

r

s

5.6 Điều chỉnh Ptrượt bằng hệ nối tầng …

Ta có sơ đồ khối hệ nối tầng


Giải phương trình trên ta tìm được vecto dòng

điện roto :

độ trượt không tải lý tưởng :

So = = =

Trong đó Urd0– Sức điện động chỉnh lưu

không tải mạch roto

Um Biên độ điện áp pha stato

rMer

M

rr

M

r

LLs

RJL

Us

UJL

I


Với Udr0= sEnm.Kcl = sKư.UM.Kcl

Nếu bỏ qua tổn thất trên roto thì công suất điện từ

của động cơ là

Pđt = Pcơ + Ptrượt =

Trong đó khi 0 ≤ Idr ≤ Idrmax

Với

Idrmax có khi ngắn mạch

đầu ra chỉnh lưu

rr

rr

s

UI

s

Rcos2

max

r65,1

1cosdr

dr

I

I

BAeLrrs

Nodr

LRRL

UU

23

23

cosI 0

dr

rrs

dr

RL

U

23

I 0dr


Cosφ được gọi là hệ số công suất của mạch roto

Idr: Dòng một chiều do chênh lệch sđđ chỉnh lưu &

nghịch lưu.

LBA là điện kháng 1 pha của biến áp

Từ thông máy khi bỏ qua Rs và Ls là

ψ = -Um / e

Trong trường hợp chọn trục tọa độ Ox trùng với

trục của vecto từ thông thi moment sẽ là :

Trong đó:

yr

e

m iU

2

3M

rdrrryr cosI3

2 cosI i


Udro – UdNo = Idr(1+pT1)R1

Trong đó

R1 = RL + 2(Rr + RBA)

L1 = LL + 2(LBA + Lro)

Tl = L1/R1

Với LBA RBA là điện kháng tản và điện trở trên

1 pha của máy biến áp

Từ phương trình trên ta thành lập được mô

hình hệ thống nối cấp và tuyến tính hóa nó ta

được sơ đồ:


Tuyến tính hóa hệ thống nối cấp


Nguyên lý điều chỉnh công suất trượt thường

áp dụng cho các truyền động công suất lớn,

ít dừng máy, đảo chiều và khởi động lại. vì

khi đó việc tiết kiệm điện năng có ý nghĩa lớn

hơn.Phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống

không lớn lắm và moment của động cơ bị

giảm tốc độ thấp

5.7. Điều chỉnh động cơ không đồng bộ

Các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay

chiều có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và tính

chất động học chỉ có thể thực hiện được với

các bộ biến tần.

Các hệ này sử dụng động cơ không đồng bộ

roto lồng sóc có kết cấu đơn giản,vững

chắc,giá thành rẻ,có thể làm việc trong mọi môi

trường.

Nhược điểm cơ bản của hệ thống này là mạch

điều khiển rất phức tạp

5.7. Điều chỉnh động cơ không đồng bộ

Có thể chia ra thành các loại bộ biến tần sau:

Biến tần trực tiếp,là biến tần có tần số đầu ra luôn

nhỏ hơn tần số lưới fl : fs = ( 0 0,5 )fl thường

dùng cho truyền động có công suất lớn.

Biến tần gián tiếp nguồn áp, thường dùng cho

truyền động nhiều động cơ.Đối với biến tần nguồn

áp yêu cầu chất lượng điện áp cao thường dung

các biến tần có điều chế xung rộng.

Biến tần nghịch lưu độc lập nguồn dòng,thích hợp

cho truyền độn đảo chiều,công suất động cơ

truyền động lớn.

5-7.1 Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato thì có thể

tính được moment tới hạn như sau :

Điều kiện giữ khả năng quá tải về moment

không đổi là : =>

Dạng đặc tính cơ (gần đúng)

Khi truyền động ổn định thì M = Mc nên:

x

mođ

o )(M Mc mcđ

2/1

msđ

s )( U

U x

mođ

o

5-7.2 . Luật điều chỉnh từ thông không đổi

nếu giữ từ thông máy ψ hoặc từ thông stato ψs

không đổi thì moment sẽ không phụ thuộc vào

tần số và moment tới hạn sẽ không đổi trong toàn

bộ dải điều chỉnh.

Nếu coi Rs= 0 thì:ψs =Us/ o = Usđm/ ođm= const

Tuy nhiên ở vùng làm việc tần số thấp khi mà

sụt áp trên điện trở stato có thể so sánh được

sụt áp trên điện cảm tản mạch stato khi đồng thời

từ thông cũng giảm đi và do đó mômen tới hạn

cũng giảm.

5-7.2 . Luật điều chỉnh từ thông không đổi

Khi đó ta có:

Với Tr =Lr /Rr

Mà LM=(Ns/Nr)M Vậy suy

ra M chỉ còn phụ thuộc vào

biên độ dòng roto

2).(1 sr

M

mrđ

s TL

I

5.7.3. Luật điều chỉnh tần số trượt không đổi

Momen động cơ M =

Tr = Lr /Rr

Khi đó giữ s= const thì M phụ thuộc vào Is2

mà 0 phụ thuộc vào tần số nguồn

Như vậy nếu giữ thì M luôn bằng

Mth của đặc tính.Trong trường hợp này ta gọi

là luật điều chỉnh sao cho động cơ sinh ra M

tối đa ứng với giá trị cho trước của dòng điện

stato.

5.7.4.Điều chỉnh tần số điện áp động cơ không đồng bộ

1.Đặc tính của động cơ khi cấp từ nghị lưu áp

- Khi các khóa bán dẫn được đóng cắt theo trật tự

nhất định thì tạo điện áp xoay chiều 3 pha đặt lên

động cơ ĐK. Điện áp dây của nghịch lưu là các

xung chữa nhật có độ rộng 2 /3 và thỏa mãn điều

kiện phân tích chuỗi điều hòa Fourie.

- trong đó k=1 + 6c ; c = 0, 1 , 2 ,……

Vectơ điện áp ĐK có thể biểu diễn như sau :

; k = 1,2,3…..3/. jk

ds eUU


- Do có 6 lần chuyển mạch trong một chu kỳ của

điện áp và dòng điện nên mặc dù từ thông máy

là hình sin mômen vẫn có đập mạch. tần số

đập mạch của mômen sẽ là :

fm = fs – kfs = 6c.fs

- Mômen toàn phần của động cơ sẽ là :

M = n =6c

- Trong đó là mômen trung bình

- Mmax.n là biên độ mômen đập mạch bậc n,

trong đó mômen bậc 6 (c=1) giá trị lớn hơn cả .


biên độ dao động tốc độ

Biên độ dao động tốc độ phụ thuộc vào giá trị

của mômen quán tính J của hệ và vào biên độ

và tần số của đập mạch mômen

2. Cấu trúc hệ thống điều chỉnh từ thông stato

Là giữ từ thông máy luôn không đổi và bằng

giá trị từ thông định mức,như vậy có thể khai

thác hết công suất mạch từ của ĐK


Dựa vào biểu thức tính toán M và dòng điện có

thể thành lập được sơ đồ khối của hệ thống với:

M =

có thể tuyến tính hóa các phương trình này áp dụng

chuẩn tối ưu để thiết kế các bộ điều chỉnh tuyến tính


3. Khảo sát ổn định của hệ thống biến tần –

động cơ không đồng bộ

a)Biến tần nguồn áp

- Hệ phương trình mô tả ĐK có tính đến tổng trở

của biến tần. (1)

(2)

- Trong đó


Nếu định nghĩa hàm truyền G(p) =

⊗ G(p)1/Jp

Mc M


Sau khi tuyến tính hóa thì tính chất ổn đỉnh của

hệ thống kín có thể đươc đánh giá thông qua

đặc tính tần số của hàm truyền hệ hở

Do hàm G(p) là phức tạp nên việc dựng đặc

tính tần số của nó phải nhờ vào máy tính số


b) Biến tần nguồn dòng

Khi đó G(p) =

4. Điều khiển trường định hướng

Nội dung cơ bản của phương pháp điều chỉnh

trường định hướng dựa trên sơ đồ điều chỉnh

toàn phần dòng điện động cơ


a) Các phương trình cơ bản

- ĐK rôto lồng sóc

- Với δ là góc lệch

Giữa is và ψr

Hay giữa ei và eψ

dδ/dt = ωei – ωeψ = ωsi – ( ω + ωs )

Ở chế độ xác lập dδ/dt = 0

sin.2

3

2

3

2

3

;1

2

sr

r

m

sysx

r

ms

r

r

r

rrsx

r

mr

iL

L

iiL

L

RM

R

LTi

pT

L


b) Các mô hình tính toán chuyển vị.

Trong thiết kế các hệ thống điều chỉnh trường

định hướng thường liên tục sử dụng các khối

chức năng chuyển vị các đại lượng điện từ qua

lại giữa các hệ tọa độ.

Định lý 1: Nếu biên độ từ thông roto là 0 đổi thì

vecto d điện roto sẽ vuông góc với vec tơ từ

thông ψr và ngược lại

Định lý 2: Nếu các thành phần dòng stato và tần

số cho như sau:


Trong đó isx là hằng số isy tỷ lệ cới giá trị đặt của

M thì dòng roto se có các thành phần tương

ứng là:

sy

sxs

se

sysxs

sysxs

iiL

R

iii

iii

..

cos.sin.

sin.cos.

2sin.

2cos.

sy

r

Mr

sy

r

r

iL

Li

iL

Li

5.7.5. Điều chỉnh trực tiếp Mômen

a. Nội dung phương pháp

Điều chỉnh trực tiếp moomen động cơ không đồng bộ là phương pháp rất mới, trong đó việc phối hợp điều khiển bộ biến tần và động cơ không đồng bộ là rất chặt chẽ. Logic chuyển mạch của biến tần dựa trên trạng thái điện từ của động cơ mà không cần đến điều chế độ rộng xung áp của biến tần. Do sử dụng công nghệ bán dẫn tiên tiến và các phần tử tính toán có tốc độ cao mà phương pháp điều chính trực tiếp mômen cho các đáp ứng đầu ra thay đổi rất nhanh

Phần cốt lõi của phương pháp được mô tả trên hình


Kỹ thuật điểu khiển trực tiếp momen như sau:

Logic chuyển mạch của các khóa bán dẫn lực thực hiện việc tăng hay giảm momen còn giá trị tức thời của từ thông stato được điều chỉnh sao cho momen động cơ đạt được giá trị mong muốn. Vecto từ thông stato này lại được điều chỉnh nhờ điện áp cung cấp cho nghịch lưu. Hay nói cách khác là logic chuyển mạch tối ưu xác định cho ta vecto điện áp tối ưu tùy thuộc vào sai lệch momen. Biên độ của vecto từ thông stato cũng được tính đến khi chọn logic chuyển mạch


B) Mô hình động cơ

Mô hình động cơ thành lập theo các phương trình cơ bản đã nêu trong phần mô tả toán học của động cơ không đồng bộ và sử dụng các phân tử có tính toán cao.

Mô hình động cơ tính toán ra các giá trị thực của mômen và từ thông dùng cho việc điều chế, nó cũng tính ra tốc độ quay của của rôto và tần số dòng điện stato để dùng cho mạch vòng điều chỉnh bên ngoài.

Mô hình động cơ còn có chức năng nhận dạng thông số của động cơ, tín hiệu đo lường chỉ gồm dòng điện hai pha của động cơ và giá trị tức thời của điện áp mạch một chiều



HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU

CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

ĐỒNG BỘ BA PHA(ĐB)

Nội dung chính:

6.1. Khái niệm chung

6.2.Mô tả toán học động cơ đồng bộ ba pha

6.3 Động cơ đồng bộ trong chế độ xác lập

6.4 .Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ

ĐB

6.5.Truyền động diều chỉnh tốc độ ĐB dùng

biến tần nguồn áp

6.6 .Hệ truyền động động cơ đồng bộ với bộ

biến đổi tần số nguồn dòng chuyển mạch

tự nhiên

6.1. Khái niệm chung6.1.1 Đặc tính của động cơ đồng bộ(ĐB)

- Khi cấp điện cho đb bằng điện lưới xoay chiều 3 pha

có tần số f1 không đổi thì đb sẽ làm việc với tốc độ

không phụ thuộc vào tải

- 0 = 2 .f1 / p

6.1. Khái niệm chung- Như vậy đặc tính cơ của động cơ là:

- Khi M ≤ Mmax tốc độ động cơ là không đổi bằng tốc

độ đồng bộ. Độ cứng đặc tính cơ(sự biến đổi của

tốc độ do ảnh hưởng biến đổi momen) là vô cùng.

- Tuy nhiên khi M > Mmax thì tốc độ động cơ sẽ bị lệch

khỏi tốc độ đồng bộ.

- Mômen

- U1: điện áp pha của lưới

- E: sức điện động pha stato

- : góc lệch pha giữa U1 và I

- Xs = X + X1: điện kháng pha của stato

sin3

0

1

0 sX

EUpM

6.1. Khái niệm chung- Với X là điện kháng của phần mạch từ

- X1: là điện kháng của cuộn dây 1 pha.

- Khi = /2 ta có biên độ cực đại của M là

- Mm đặc trưng cho khả năng quá dòng của đb

- Khi đó ta viết lại M = Mmaxsin là pt biểu diễn sự phụ

thuộc của momen cào góc lệch giữa U1 và I

- Khi tải tăng góc lệch pha cũng tăng

- Nếu tải tăng quá mức hay > /2 thì M lại giảm

- Đb thường làm việc với trong khoảng 200 – 250

- Hệ số tải của momen tương ứng là

sX

EUM

0

13

5,22đm

m

M

M

6.1. Khái niệm chung6.1.2 Khái niệm chung

- ngày nay hệ truyền động điều chỉnh tốc độ đb

được sử dụng rộng rãi với dải công suất từ vài

trăm W đến hàng MW

- Ở giải công suất lớn và cực lớn thì nó hoàn

toàn chiếm ưu thế. Tuy vậy ở công suất nhỏ và

vừa nó phải cạnh tranh với truyền động động

cơ không đồng bộ và động cơ một chiều

- vì đb mang tính ưu việt của cả động cơ một

chiều và đk nên được chú ý nghiên cứu ứng

dụng thay thế

6.1.2 Khái niệm chung- Nguyên lí điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ

xuất phát từ biểu thức

- Trong đó:

fs: tần số nguồn cung cấp;

Pp: số đôi cực.

Ta sẽ nghiên cứu cấu trúc điều khiển và tổng

hợp hệ truyền động.


- Giả thiết mạch từ động cơ chưa bão hòa các

cuộn dây stato là pha đối xứng các tham số

của đb không thay đổi, thì tất cả quá trình điện

từ cơ của động cơ được biểu diễn trên hệ trục

tọa độ d,q (stato) và D,Q (rôto)

- Đối với mạch stato:

(6-2)

- Đối với mạch từ : (6-3)

- +


- Đối với mạch cuộn dây khởi động :

(6-4)

- Phương trình mômen động cơ:.M = ψdia - ψaid

- Phương trình động học:……….M = Jd /dt + Mc

Phương trình từ thông: (6-7)

- Trong đó

iL .


Ld, Lq, Lkt, LD, LQlà điện cảm mô tả toàn phần

theo các trục

LdD, Ldk, Lkd, LDd, LqQ, LQq, Lq, LDk:là hỗ cảm

giữa các trục

6.3. Động cơ đồng bộ trong chế độ xác lập

Từ hệ phương trình mô tả toán học (6-2) đến

(6-7) , thay toán tử đạo hàm d/dt=0, đồng thời

gần đúng , bỏ qua điện trở stato( Rs = 0), ta

nhận được các phương trình chế độ xác lập:

6.3. Động cơ đồng bộ trong chế độ xác lập

- Thành phần dòng phản kháng:

- trong đó θ là góc lệch giữa điện áp và sức điện

động , còn gọi là phụ tải.

φ là góc lệch pha giữa dòng điện & điện áp.

Ψ là góc lệch pha giữa dòng điện và sức điện

động (đối với máy cực ẩn Xd =Xq).

6.3. Động cơ đồng bộ trong chế độ xác

lập Từ biểu thức cho thấy khi thay đổi dòng kích

từ (thay đổi giá trị sức điện động ),dòng phản

kháng I1m sẽ thay đổi.

Khi thiếu kích từ I1m > 0 và φ >0 động cơ vận

hành có tính chất tải cảm kháng

Khi quá kích từ I1m < 0 và góc φ < 0 động cơ

vận hành có tính chất tải dung kháng lúc đó

dòng điện sẽ nhanh pha so với điện áp & sức

điện động

6.4 .Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc

độ động cơ đồng bộ

Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ ĐB rất phong phú, có cấu trúc và đặc tính điều chỉnh khác nhau tùy thuộc vào công suất ,tải & phạm vi điều chỉnh.

Trong thực tế, ĐB được chế tạo ở các dải công suất :

Rất nhỏ : vài trăm W đến vài trăm Kw

Nhỏ : vài Kw đến 50 Kw

Vừa : 50kw đến 500Kw

Lớn : lớn hơn 500 Kw

Ở dải công suất rất nhỏ, ĐB có cấu tạo mạch

kích từ là nam châm vĩnh cửu, thường dùng

cho cơ cấu truyền động có vùng điều chỉnh

rộng, độ chính xác cao, có tải

Mc = const, ở trường hợp này bộ biến đổi được

dùng là biến tần tranzito, nguồn áp biến điệu bề

rộng xung.

Ở dải công suất nhỏ và vừa, ĐB dùng cho phụ

tải yêu cầu vùng điều chỉnhkhông rộng lắm ,lúc

đó bộ biến đổi được dùng là biến tần tiristo ,

nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên .

6.4 .Phân loại hệ truyền động đc tốc độ ĐB

Ở dải công suất vừa và lớn, ĐB thường dùng

cho các máy bơm, nén khí, máy nghiền và kéo

tàu …với vùng điều chỉnh cỡ 10:1 trong các

trường hơp này bộ biến đổi được dùng có hai

loại: biến tần tiristo nguồn dòng chuyển mạch

tự nhiên và biến tần trực tiếp tiristo

(cycloconvertor).

Trong phạm vi chương này, chúng ta sẽ nghiên

cứu kỹ hai loai truyền động động cơ đồng bộ :

dùng biến tần nguồn áp và biến tần nguồn

dòng chuyển mạch tự nhiên

6.4 .Phân loại hệ truyền động đc tốc độ ĐB

Mạch nguyên lý

Biến tần có 6 van (V1 – V6) (là tranzito công suất hoặc tiristo GTO) và 6 diot ngược (D1 –D6)

6.5.Truyền động điều chỉnh tốc độ ĐB dùng biến tần

nguồn áp

Trong trường hợp góc dẫn các van là 1800, thì

điện áp dây sẽ là 1200

Tùy thuộc vào tính chất tải của động cơ (cảm hay

dung kháng ) mà biến tần sẽ làm việc với chuyển

mạch cưỡng bức hay chuyển mạch tự nhiên.

trường hợp động cơ mang tính chất tải cảm (thiếu

kích từ φ > 0): chuyển mạch cưỡng bức

Khi ĐB quá kích từ dòng vượt trước điện áp φ < 0,

các van thực hiện chuyển mạch tự nhiên. Tuy vậy

để thực hiện chuyển mach tự nhiên, góc lêch pha

φ ≥ - ωtq (tq là tg phục hồi đặc tính khóa của van).

6.5.Điều chỉnh tốc độ ĐB dùng biến tần nguồn áp

Mô men động cơ, trong trường hợp này được

tính bằng biểu thức quen thuộc:

M: Momen trung bình

p : số đôi cực

Xđ:điện kháng dọc trục: Xđ = .Lđ

E: sức điện động ĐB; E = CΦ(i).

U1: tp điều hòa bậc 1 điện áp: U1 = KoUo

Khi điều chỉnh tốc độ ĐB ta có 2 trường hợp


sin..

31UE

X

pM

đ

a) Điện áp U0= const

Tỷ số E/Xd = const khi giữ kích từ không đổi.

Như vậy mô men động cơ được tính bằng

công thức: M = K.sinФ/

b)Điện áp U0 được điều chỉnh sao cho tỷ số

U0/ = const và kích từ không đổi .

Trong trường hợp này , mô men động cơ chỉ

phụ thuộc vào góc θ mà không phụ thuộc vào

. đặc tính cơ của hệ truyền động khi điều

chỉnh U / = const


6.6 .Hệ truyền động ĐB với bộ biến đổi tần

số nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên

Mạch nguyên lý:

Mạch nguyên lý bao gồm:

- Chỉnh lưu Tirsisto (CL),

- Cuộn cảm lọc (Ld)

- Nghịch lưu tiristo (NL).Để đảm bảo NL làm

việc trong chế đọ chuyển mạch tự nhiên , động

cơ phải ở chế độ quá kích từ φ < 0.Lúc đó NL

thực chất là chỉnh lưu làm việc trong chế độ

nghịch lưu bị động với điện áp động cơ, vì vậy

trong mạch nghịch lưu không có các phần tử

chuyển mạch.



6.6.1.Qúa trình chuyển mạch

- Mạch nghịch lưu NL có hai nhóm van: Nhóm anot

chung (T1-T3-T5) và nhóm catot chung (T4-T6-

T2).Góc dẫn mỗi van điện 1200, thứ tự dẫn các van

theo từng cặp ( T1-T2 ,T2 –T3, T3-T4, T4-T5, T5-T6,

T6-T1). Trong một chu kì điện áp của động cơ 6 lần

chuyển mạch

- Xét quá trình chuyển mach từ T5 sang T1. Trước

chuyển mạch cặp tiristo T5 –T6 đang dẫn dòng Id lúc

đó ia= 0 ; ib = Id (6-14)

ic = Id ; Um= Uc -Ub



Cuối quá trình dẫn T5 –T6 cho xung mở T1 ,

điện áp UCa > 0, Ua < 0 nên T1 mở , lúc đó tạo

thành mạch vòng ngắn mạch : T1 – pha a – pha

c –T5 –T1. Dòng điện i của mạch vòng cùng

chiều với dòng qua T1 và ngược chiều với

dòng qua T5 (do UcA > 0). Dòng qua T1 có trị số

tăng dần đến Id , dòng qua T5 giảm dần về 0,

như vậy dòng qua T5 sẽ chuyển sang T1; đồng

thời T5 cũng bị điện áp ngược (Uc > 0) đặt lên,

nên nó bị khóa


Phương trình dòng điện và điện áp khi chuyển

mạch: ia = i

ib = - Idic = Id – i

Giải phương trình sau đối với ia :

(*)


dt

di

dt

di

dt

diLU

dt

diLU

ca

cc

aa

) -t (sin U U2 mcAdt

diL a

Với đk đầu ia=0 thì giải (*) ta được

Khi ωt = γ; ia= Id; ic= 0 ta có

Điều này cho thấy góc trùng dẫn γ là hàm của Um , β , Id , và ω . Điện cảm chuyển mạch L được tính gần đúng bằng


). cos - ) -t ( cos ( L2

U = i m

a

dImU

2Lcos cos -) -( cos

2 L2

qd XX

Điện áp khi chuyển mạch:

Góc lệch pha giữa dòng và áp điều hòa bậc 1 :

φ1 = β – 0.5 γ

β: là góc dẫn


bca

cm U- 2

U+ U = U

M của động cơ sinh ra do tác dụng của từ

trường Фr và từ trường phần ứng Фs .Do trong

một chu kỳ nghich lưu chuyển mạch 6 lần , từ

trường phần ứng Фs sẽ quay tròn qua 6 điểm

cố định , kế tiếp nhau lần lượt theo thứ tự dẫn

của các cặp tiristo

M động cơ trong một khoảng dẫn tiristo được

tính bằng :

M = K Ф Фr Фs sin β1

β1 là góc lệc giữa Фr và Фs ; K là hệ số tỉ lệ

6.6.2 .Mô men của động cơ

β1 = - ωt + ψ +2. /3 0 < ωt < /3

φ là góc lệch giữa is và sức điện động E .

Gía trị trung bình của M được tính :

Như vậy mô men trung bình của động cơ sẽ

thay đổi theo góc ψ

- Mtb > 0 khi 0 < ψ < /2

- Mtb = 0 khi ψ = /2

- Mtb < 0 khi /2 < ψ <


.cos ..K 3

M srtb

Chuyển mạc tự nhiên của mạch nghịch lưu là

chuyển mạch theo điện áp tải. Nhờ điện áp

của mạch vòng chuyển mạch để mở và khóa

các tiristo. ĐB ở tốc độ thấp việc chuyển mạch

tự nhiên khó khăn hơn, đến một giá trị nào đó

thì chuyển mạch tự nhiên sẽ không thực hiện

được, đó là giới hạn của chuyển mạch tự

nhiên

6.6.3. Giới hạn của chuyển mạch tự nhiên

và vấn đề khởi động

Giới hạn chuyển mạch tự nhiên ở khoảng 5-10% tốc độ định mức động cơ. Điều này dẫn đến vấn đề khởi động động cơ từ tốc độ 0 đến khoảng ( 5 – 10% ) tốc độ định mức .

Tùy theo loại phụ tải, cấu tạo của động cơ và công suất động cơ ta có các biện pháp khởi động thích hợp.

a. Khởi động dùng chuyển mạch cưỡng bức

- Làm việc của nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức giống như trong chuyển động điều khiển tần số động cơ không đồng bộ



- Biện pháp khởi động này dùng cho mọi loại động cơ, ở các dải công suất khac nhau.

b. Khởi động dùng phương pháp dòng gián đoạn.

- Phương pháp này dựa vào tín hiệu đồng hồ (vị trí roto), ta xác định được điểm chuyển mạch. Tại thời điểm góc đó góc mở chỉnh lưu CL được tăng α1>900, dòng Id giảm về 0, lúc này cho ta xung mở tiristo nghịch lưu để tiến hành chuyển mạch. Mặc dù lúc đó điện áp thấp nhưng dòng Id đã về 0, nên chuyển mạch đã thực hiện được



Phương pháp khởi động này thường thực hiện

ở công suất lớn

c. Khởi độg bằng phương pháp khởi động

không đồng bộ.

- Phương pháp này giống như khởi động động

cơ đồng bộ ta thường gặp. Nhưng nó chỉ ứng

dụng với động cơ có cuộn dây khởi động hoặc

roto có lồng sóc khởi động và động cơ vận

hành với lưới điện áp xoay chiều.



Đối với truyền động động cơ đồng bộ dùng

bộ biến đổi dòng điện chuyển mạch tự nhiên,

mômen động cơ phụ thuộc vào ba đại lượng

Ta thấy:

- Iđ quyết định giá trị từ thông phần ứng Φs ;

- Ikt dòng kích từ quyết định giá trị từ thông Φr ;

- Góc lệch β, góc lệch Ψ

Là các giá trị quyết định gtrị của M

6.6.4. Quy luật điều khiển.

.cos ..K 3

M srtb

Trường hợp đơn giản nhất ta có quy luật điều

khiển từ thông cực từ không đổi và góc lệch φ

không đổi:

- Từ thông roto Φr ~E/ω, nếu giữ dòng kích từ

không đổi ta có quan hệ E/ω=const

và Φr =const.

- Góc lệch giữa dòng điện và sức điện động Ψ

được giữ nguyên không đổi. Như vậy ta có

M=CId Trong đó C = const

6.6.4. Quy luật điều khiển.

Trong phần này sẽ giới thiệu những mẫu thông dụng trong thực tế ở dải công suất trung bình và lớn

Sơ đồ nguyên lý gồm các khâu:

- Mạch lực gồm có bộ chỉnh lưu tiristo CL I cuộn cảm lọc một chiều Ld, nghịch lưu tiristo NL II, mạch kích từ dùng chỉnh lưu tiristo CL II.

- Mạch điều khiển gồm ba phần:

- Mạch điều khiển chỉnh lưu có hai mạch vòng điều chỉnh: tốc độ Rω và dòng điện Ri.

6.7. Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ truyền

ĐB dùng biến tần nguồn dòng.

Mạch điều khiển kích từ có một mạch vòng

điều khiển kích từ đảm bảo giữ dòng kích từ

không đổi.

Mạch điều khiển nghịch lưu có ba phần chính:

mạch tạo tín hiệu đồng pha, mạch dịch pha tạo

góc vượt trước Ψ và mạch phân phối xung,

Khuếch đại xung.



Mômen dộng cơ có thể viết dưới dạng:

Nếu đảm bảo điều kiện Ikt= hằng số, thì tỷ số

E/ sẽ là hằng số. Đồng thời với việc đặt

trước góc ψ = const, ta có : M = CIs =CIId

Như vậy mômen trung bình của động cơ đồng

bộ sẽ được điều khiển tương tự như mômen

động cơ một chiều.



cos I E

K. p

=M s

Vấn đề Khởi động hệ truyền động: ở đây sử

dụng phương pháp khởi động không đồng bộ,

nối trực tiếp với lưới để tốc độ đạt đến (10 -15

%) tốc độ định mức sau đó đưa bộ biến đổi tần

số vào làm việc đảm bảo điều kiện chuyển

mạch tự nhiên

Đầu tiên k đóng ở vị trí 1, khi khởi động đến 10

-15% ωđm, K chuyển sang vị trí 2 (Hvẽ)



Truyền động thực hiện hãm tái sinh: lúc đó bộ

chỉnh lưu CLI có góc điều khiển αI > 900 điện

áp chỉnh lưu Ud < 0, bộ nghịch lưu NLII có góc

điều khiển αII =1800 –β < 900 lúc đó sẽ có

UNL > 0.

Nếu thực hiện cơ cấu đo và mạch kích từ như

hình sau:



Thì mômen động cơ được tính

Nếu ta giữ φ = const và thì M sẽ tỉ

lệ với Id M = C2Id



Hệ truyền động ĐB cấp từ nguồn dòng chuyển

sang mạch tự nhiên, điều dùng vi xử lý số

Phần mạch lực gồm: chỉnh lưu thyristor nguồn

dòng; nghịch lưu thyristor chuyển mạch tự

nhiên; Động cơ đồng bộ và nguồn chỉnh lưu

cấp cho cuộn kích từ.

Phần mạch điều khiển gồm: điều khiển

nghịch lưu; điều khiển chỉnh lưu; các bộ điều

chỉnh tốc độ, dòng điện, kích từ và điều khiển

góc vượt trước Ψ được thực hiện bởi vi xử lý

8 bit.

6.8. hệ truyền động ĐB điều khiển số.

Cấu trúc mạch phát xung nhiều kênh 6.8.1. điều khiển chỉnh lưu dùng mạch số

Mỗi xung đặt vào RS- trigơ tạo ra xung điều khiển bộ đếm từ đầu cổng AND. Người ta ghi trước mã YM vào bộ đếm do đó khi bắt đầu đếm thì dung lượng bộ đếm giảm, đầu ra của nó so sánh với mã điều khiển Yđk do vi xử lý phát ra ( đầu ra bộ điều chỉnh dòng điện) khi dung lượng bộ đếm bằng mã Yđk bộ so sánh cho ra một xung tạo xung điều khiển

Việc chọn mã YM liên quan tới độ chính xác điều khiển δα. góc điều khiển α thay đổi α=0–1800 khi chọn dung lượng bộ đếm là n bit thì ta có:

6.8.1. điều khiển chỉnh lưu dùng mạch số

Thông thường ta chọn δα = 0,25 thí dụ ta

dùng bộ đếm 8 bit thì δα = 0,70 chu kỳ gián

đoạn T= = 41,7 μs

Để đảm bảo giới hạn góc điều khiển chỉnh lưu

trong chế độ hàm ta phải hạn chế mà Yđkmax và

đảm bảo α= /2, thì ud =0 ta chọn

Yđk| α= /2 = 0,5YM .

Chọn quy luật điều khiển ud= KcL α


M

n Y

00 180

2

180

Hàm truyền gián đoạn của bộ chỉnh lưu :

Trong đó To = 3,33 ms.


Điều khiển nghịch lưu có 2 nhiệm vụ :tạo tín hiệu đồng pha và tạo góc vượt trước ψ. Mạch tạo tín hiệu đồng pha để tạo các xung trùng với pha sức điện động động cơ, tín hiệu này phụ thuộc vào vị trí rôto được lấy từ cơ cấu đo.

Để tạo tín hiệu điều khiển nghịch lưu ta có sơ đồ cấu trúc hvẽ. Gồm:mạch đo và sửa xung, mạch dịch pha, mạch phân phối xung và khuếch đại xung. Mạch dịch pha được nối với cổng của máy tính để đặt góc ψ (cổng 3) còn mạch logic và phân phối xung nối với máy tính để tiếp nhận tín hiệu điều khiển khởi động đảo chiều v.v. ( cổng 1 và cổng 2).

6.8.2 Điều khiển nghịch lưu dùng mạch số


. Mạch đo và sửa xung

6.8.2 Điều khiển nghịch lưu dùng mạch sốMạch dịch pha

Mạch dịch pha: tạo nên tín hiệu điều khiển

tiristo nghịch lưu với góc lệch ψ giữa E và I

Mạch dịch pha với dung lượng bộ đếm dặt

trước trong 6 bit b1- b6 các tín hiệu sức điện

động động cơ được đưa vào và đếm đầy so

với lượng đặt trước này thì sẽ phát xung Fa,

FB, Fc điều khiển tiristo các pha vượt trước so

với tín hiệu đồng pha.


a) Mô tả toán học ĐB và bộ biến tần nguồn

dòng

Để đơn giản hóa ta giả thiết :

- Mạch từ động cơ chưa bão hòa

- Dòng điện kích từ không đổi

- Sức điện động động cơ là hình sin

- Việc đóng cắt tiristo nghịch lưu là lý tưởng

- Góc lệch φ (E,I) không đổi.

Với giả thiết đó ta có sơ đồ quy đổi ĐB

6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển

với các pt:

Trong đó


L Ld

RưUư

E

Id

du

d

ud

dud

uu

iR + dt

diLu

iR + dt

diL + E = u

F

uuuu RRLLuu

R;L

Ld, Rd – điện cảm, điện trở cuộn kháng lọc một

chiều;

Lư, Rư – điện cảm, điện trở động cơ quy đổi từ

động cơ sang mạch một chiều, Lư = 2L=S, Rư =

2RS;

E – sức điện động động cơ đã quy đổi sang

mạch một chiều:

Phương trình mômen trung bình động cơ:


dt

dJ + F +M = M c

Mc – mômen phụ tải;

F – hệ số ma sát;

J – mômen quán tính;

M – mômen trung bình của động cơ được

tính.

Từ các phương trình ta thiết lập sơ đồ cấu

trúc động cơ



Km

Ke

Ud+

_

E

IdM

Mc

_

.

Các hàm truyền cơ bản khi Mc = 0

Wi(p) =km1 =

Trong đó:

Km1 = ; K1 =

K2 =


W2(p) = km2. =

W3(p) = =

Trong đó

Tc =T/F


uu R

Tu

L

emkku

m2FR

F K

b) Tổng hợp mạch điều chỉnh dòng điện

- Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng diện


e-tp e-tp

W2(p)

TIIdn

TI

To

Id

Xác định hàm điều chỉnh DI(z)

Ta chọn DI(z) = α(z) /ε1(z) =kR + ki

= kd

Trong đó :

Kd = kRi + kiTi ; Zd =


}

)1

1(

)1)(1(kkz{k (z)G

2

2

22

11m2clI

pk

pk

kp

pTe o

Top

c) Tổng hợp mạch điều chỉnh tốc độ

Sơ đồ


D (z) FKI(p) W3(p)

W (p)

W εT Idn Id

_

T

W3(p) = .

D (z)- hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ;

W (z)- hàm truyền bộ đo tốc độ;

FKI- hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện;

Hàm truyền đo tốc độ gần đúng lấy bằng k ,

mạch đo tốc độ là khâu biến đổi xung thành số

Chọn chu kì đếm với tần số 50Hz, T = 20ms.

Hàm truyền mạch đo tốc độ:


N = Tn .f = Tbc. z/(2 )

z = 256, T =20ms

Vậy = = 0,616 rad/s/1 đơn vị

Thời gian xử lý và lấy mẫu của mạch vòng tốc

độ lớn hơn rất nhiều so với mạch vòng dòng

điện vì vậy mạch vòng kín dòng điện chỉ cần

lấy là khâu khuyếch đại

Hàm truyền mạch vòng tốc độ:

Fs =


Dùng tiêu chuẩn môdun hóa tối ưu hàm truyền

biến vị tra bảng 1-7( trang53) ta có hàm truyền

bộ điều chỉnh tốc độ.

VD: Tổng hợp hệ số có tham số

-Động cơ và hệ biến đổi:

P =10kW, Udm = 220V, Idm = 26,39 A

Pp = 2, Ikt = 2,7A, , nd = 1500vg/ph

Rư2 = 0,4Ω, Lư = 0,076, F = 0,614, J = 1,136


Tính toán các tham số:

Đối với mạch vòng dòng điện thay số ta có

Hàm truyền kín bộ điều chỉnh dòng điện:


Trong đó

Điều kiện ổn định: |b0 | <1

Giải ta nhận được: 0<KRI<2,47


-Đối với mạch vòng tốc độ thay số liệu liên tục

ta có:

-Hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ chọn là PI




Chương 7: Hệ truyền động

nhiều động cơ

Nội dung chính:1. Yêu cầu công nghệ đối với nhiều động cơ .

2. Đặc tính công nghệ hệ truyền động nhiều động cơ ổn định và đồng bộ tốc độ

3. Điều chỉnh đồng bộ tốc độ hệ truyền động nhiều động cơ và nguồn cấp chung cho truyền động

4. Điều chỉnh đồng bộ tốc độ hệ truyền động nhiều động cơ với nguồn cung cấp riêng từng động cơ

5. Điều chỉnh đồng bộ tốc độ và sức căng bằng điều chỉnh từ thông với nguồn cung cấp chung

6. Điều chỉnh đồng bộ tốc độ và sức căng bằng điều chỉnh điện áp phần ứng dùng nguồn cung cấp riêng

7. Điều chỉnh sức căng bằng vật liệu thông qua điều chỉnh mômen

7.1 Yêu cầu công nghệ đối với nhiều động cơ

- Truyền động nhiều động cơ thường được sử

dụng trong dây truyền sản xuất liên tục, trong

đó vật liệu đồng thời chạy qua nhiều phần

truyền động của thiết bị công nghệ, mỗi một

truyền động cần phải làm việc với tốc độ thích

hợp hoặc tốc độ không đổi gắn với yêu cầu

chung của cả hệ.

- Đặc tính của truyền động nhiều động cơ cho

các dây truyền công nghệ sản xuất liên tục gồm

các yêu cầu cơ bản:


1. Yêu cầu đồng bộ hóa tốc độ: Tất cả truyền động thành phần đều phải giữ tỉ lệ không đổi trong cả chế độ tĩnh và chế độ động

2. Đối với dây chuyền sản xuất các vật liệu thay đổi, hoặc bề dày vật liệu thay đổi dẫn đến yêu cầu thay đổi tốc độ làm việc thường tỉ lệ này thay đổi không lớn, vùng điều chỉnh tốc độ 0 (2 : 1 đến 6:1)

3. Hệ truyền động phải đảm bảo có độ chính xác do một số dây chuyền yêu cầu chất lượng sản phẩm cao như độ động đều vật liệu cao sai số ít


4. Một số vật liệu đươc sản xuất trong dây

chuyền liên tục có yêu cầu về chủng loai, tính

chất đặt ra yêu cầu phải giữ sức căng không

đổi. Vì vậy yêu cầu hệ truyền động phải điều

chỉnh cả tốc độ và cả lực kéo.

- Đối với hệ đồng bộ hóa tốc độ viêc điều chỉnh

hệ phụ thuộc vào loại liên kết cơ giữa các

động cơ thành phần:

a) Các động cơ liên kết cơ cứng qua hộp giảm

tốc độ yêu cầu đặc tính cơ của từng động cơ

phải tuyệt đối cứng.


b) Băng vật liệu dẫn lực việc đồng bộ có thể dùng đặc tính cơ các truyền động thành phần mềm.

c) Băng vật liệu 0 dẫn lực truyền động chính trong hệ sẽ điều chỉnh tốc độ và phát tín hiệu đặt tốc độ cho tất cả các truyền động động cơ còn lại, các truyền động này có nhiệm vụ điều chỉnh giữ mômen không đổi.

d) Nếu như không đo được trực tiếp lực kéo người ta phải tạo mạch vòng nhân tạo trong dây chuyền bằng tín hiệu tỉ lệ với chiều dài, mạch vòng có thể hiệu chỉnh tốc độ của từng động cơ trong hệ thống truyền động.


e) Phương pháp đồng bộ bám: tức là điều chỉnh

tất cả các truyền động có tỷ lệ tốc độ không

đổi theo chiều chuyển động của vật liệu dùng

cho vật liệu mỏng dễ đứt

f) Đối với truyền động có cuộn cuốn cuộn nhả

yêu cầu tốc độ truyền động phải thay đổi phụ

thuộc vào đường kính các cuộn vật liệu

7.2.Đặc tính công nghệ hệ truyền động

nhiều động cơ ổn định và đồng bộ tốc độ1. Máy cán liên tục:

(7.1)

Trong đó :

Fi - Tiết diện tấm kim loại;

Vi - Tốc độ đầu vào ở trục cán thứ i

Tốc độ chuyển động của kim loại được xác định:

Trong đó:

Wi ,di - Tốc độ góc và đường kính trục cán

Si - Hệ số trượt theo tốc độ.

1 1 2 2 i i... n nF =F =.....=F =F

1 ii i

d = (1+s )

2


nhiều động cơ ổn định và đồng bộ tốc độTốc độ đầu ra trục cán thứ i được tính:

- Nếu cán tiết diện nhỏ,yêu cầu lực kéo tấm thép

không đổi thì

i+1i+1

i i+1 1

(1 ) =

d (1 )

i i

i

d s

s

1

1

1 i

i

ra i

F

F

)1(2

)1(2

111

1

iii

ira

iii

ira

sd

v

sd

v


nhiều động cơ ổn định và đồng bộ tốc độ

- Hệ truyền động cơ cho máy cán liên tục yêu cầu

ổn định tốc độ với tỉ lệ giữa tất cả trục cán

2. Máy xeo giấy

- Công nghệ làm giấy yêu cầu hệ truyền động

nhiều động cơ.Phần thứ nhất là các trục

truyền động nối với băng lọc và các băng

dạ.Các chuyển động băng lọc và băng dạ

được tiên hành theo một vòng kín

i+1i+1

i i+1 1

(1 ) =

d (1 )

i i

i

d s

s


nhiều động cơ ổn định và đồng bộ tốc độ- Phần thứ hai từ công đoạn sấy,cán ép và cuộn cuốn

chỉ có liên hệ với nhau bởi băng giấy.Để đảm bảo

chất lượng giấy,máy xeo giấy có yêu cầu truyền

động rất phức tạp nó bao gồm cỡ hàng chục truyền

động,đảm bảo chuyển động băng giấy chạy liên tục

từ dạng bột lỏng thành các cuộn giấy,không được

đứt quãng và có bề dầy phải đồng đều

- Yêu cầu hệ truyền động nhiều động cơ không những

đảm bảo ổn định tốc độ theo tỉ lệ mà còn phải đảm

bảo sức căng băng giấy phải không đổi,tốc độ cuộn

cuốn phải thay đổi sao cho tốc độ dài không đổi và

sức căng theo yêu cầu.

7.3. Điều chỉnh đồng bộ tốc độ hệ truyền động

nhiều đc và nguồn cấp chung cho truyền động7.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh từ

thông động cơ

- Theo nguyên tắc điều chỉnh từ thông và phần ứng động cơ chung một nguồn cấp.Khi điện áp phần ứng các động cơ không đổi và giống nhau,ta có:

- Khi có sai lệch tốc độ tăng lên hay giảm xuống làm cho bộ cảm biến chiều dài thay đổi đưa đến mạch điều chỉnh làm thay đổi kích từ động cơ sao cho .Hàm truyền bộ điều chỉnh này là khâu tích phân

1

2

1

2

kT

kT

I

I

7.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng

điều chỉnh từ thông động cơ



- Khi có sai lệch tốc độ tăng lên hay giảm xuống

làm cho bộ cảm biến chiều dài thay đổi đưa

đến mạch điều chỉnh làm thay đổi kích từ động

cơ sao cho 1= 2. Hàm truyền bộ điều chỉnh

này là khâu tích phân:

- Hàm truyền hệ hở

( ) 1( )

( )

L LRL

p

U p KF p

p p p

0 . ( )(1 )(1 )(1 )

RL

u c K

KF p F p

p pT pT pT



Tín hiệu điều khiển kích từ:

Hàm truyền điều chỉnh:

1 2

11 . ( )DK

KU U U U K

p

1 2;U

K

11

1( )

( )( )

dk

Kp

U p KK

p p

7.3.2. Điều chỉnh tốc độ đồng bộ bằng

điều chỉnh bù điện áp phần ứng

Về nguyên tắc lấy tín hiệu sai lệch tốc độ

tương tự như phương pháp trước,

Phương pháp này không điều chỉnh kích từ

động cơ mà bù thêm điện áp phần ứng bằng

bộ điều chỉnh xung áp tiristo.

Phương án này phức tạp hơn nhưng hệ tác

động nhanh hơn

7.4. nguồn cung cấp riêng từng động cơ

- Phương pháp dùng nguồn cung cấp điện áp phần

ứng chung có ưu điểm đơn giản, nhưng đối với

dây chuyền công nghệ có sản phẩm thay đổi như

vật liệu hay bề dày,như vậy tốc độ đầu vào và

đầu ra một trục có sự khác biệt,cho nên cần có

sự chỉnh định riêng và phương án dùng nguồn

cấp riêng cho từng truyền động thích hợp hơn.

7.3. Điều chỉnh đồng bộ tốc độ hệ truyền động

nhiều đc và nguồn cấp chung cho truyền động


Để đảm bảo đồng bộ tốc độ:

Vvào i = Vra i+1

Từ sơ đồ cấu trúc ta có hàm truyền hệ hở:

: hằng số thời gian thay thế trong mạch

vòng kín tốc độ.

:hằng số thời gian tích phân

: tham số bộ điều chỉnh (PD) độ dài

20 2 2

1( ) (1 )

1L L

N p

KF p K p

p p N p

N

p

,L LK


- Chọn =

- Kí hiệu

- Như vậy hàm truyền hệ hở là:

L N

2 10

K KK

p

2

0 0 2

1( )

(1 )

n

N N

pF p K

p p p

7.5.Điều chỉnh đồng bộ tốc độ và sức căng bằng

điều chỉnh từ thông với nguồn cung cấp chung

-Một trong những phương án là:



- Phần ứng các động cơ một chiều kích từ độc

lập được cấp chung bởi một nguồn một chiều.

Lượng đặt tốc độ ωw sẽ đặt chung cho toàn bộ

cả dây chuyền.Việc điều chỉnh tốc độ từng

truyền động bố trí mạch vòng điều chỉnh từ

thông(kích từ) và mạch vòng điều chỉnh tốc độ

- Ta bố trí thêm mạch bù dòng điện phần ứng để

đảm bảo lực kéo :

dm

dm

.M

b bK M



- Giả thiết Tc >> Tư ta có cấu trúc của hệ:

- Hàm truyền

mạch phần ứng

*

u *( )

(1 )(1 )

c

u c

pTF p

pT pT



- Trong đó

- Vì hằng số thời gian mạch kích từ TK lớn nên ta

bố trí hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ là PID:

- Hàm truyền hở của hệ bù:

*

2( )

cc

TT

K

*(1 )(1 )( ) . .c k u

R R

u c

pT pT TF p k

PT T

* *

*

(1 )(1 )( ) . .

(1 )(1 )(1 )

c u c kbo R

u c k c Tu

PT T T p pTF p K

pT pT pT t F



- Hàm truyền hở của mạch vòng tốc độ:

- Trong đó:

*

0

. .1

( ) .1

uc R

cb

u Tu

TT K

TF p

T p

00

u

c

( )

(1 )T

KF p

TpK p

1K *

c

u

T

T

*. .uR k

c

TK K

T

* .k kK K K

0R

c

KK

T



- Khi lực căng đồng đều =0 và k=1 ta có hàm

truyền:

0 ( )(1 )u

KF p

p T p

7.6. Điều chỉnh đồng bộ ω và sức căng bằng điều

chỉnh Uư dùng nguồn cung cấp riêng

Phương án trên đơn giản.Nhưng rất khó chỉnh

định khi dây chuyền công nghệ thay đổi yêu cầu

sản phẩm,các động cơ truyền động và các

tham số của nó phải tương đối đồng đều,hệ dễ

bị dao động nếu có sai lệch lớn vì rơi vào vùng

phi tuyến,việc đảm bảo sức căng chỉ ở phạm vi

và độ chính xác nhất định.

Do vậy nếu hệ có yêu cầu điều chỉnh ở vùng

rộng và sức căng phải đảm bảo giữ không đổi

và độ chính xác cao.Ta dùng phương pháp điều

chỉnh điện áp phần ứng



- Mạch bố trí ba mạch vòng diều chỉnh:điều chỉnh

dòng điện,điều chỉnh tốc độ và điều chỉnh sức

căng.

- Thực hiện đặt tốc độ không tải cho chung tất cả

các chuyển động thành phần. Để đảm bảo đặc

tính cơ mềm giống như động cơ một chiều kích

từ nối tiếp ta đưa thêm mạch bù. Đảm bảo sức

căng không đổi ta bố trí cơ cấu đo sức căng



- Sơ đồ cấu trúc bố trí hàm truyền bộ điều chỉnh

dòng điện là PI

- Hàm truyền hở của mạch vòng dòng điện

- Trong đó



- Nếu bỏ qua và và ký hiệu

- Ta có

- Trong đó

- Hàm truyền hệ điều chỉnh tốc độ

- Với



- Hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ

-

7.7. Điều chỉnh sức căng bằng vật liệu thông qua điều

chỉnh mômen- Trong hệ truyền động đồng bộ tốc độ và giữ

sức căng không đổi,đặc biệt quan trong là

truyền động cuộn bằng vật liệu. Để đảm bảo

sức căng không đổi người ta dùng điều chỉnh

mômen. Còn tốc độ quay đông cơ thay đổi ứng

với đường kính cuộn cuốn.

- Hệ truyền động này còn gọi là hệ điều chỉnh

mômen. Các đại lượng khác như dòng điện

phần ứng, tốc độ quay động cơ và từ thông

động cơ v.v…trong mạch điều chỉnh mômen

được coi là đại lượng điều chỉnh liên quan


chỉnh mômen

- Thí dụ hệ điều chỉnh mômen như điều chỉnh lực

căng tấm thép của máy cán nguội hoặc ở trong

công nghiệp xeo giấy, dệt cũng yêu cầu điều

chỉnh mômen.Ở máy cán nguội yêu cầu phải

giữ cho lực căng tấm thép,mà tốc độ động cơ

lại phụ thuộc vào tốc độ V của tấm thép và

đường kính d của cuộn cuốn hoặc cuộn nhả

- Khi yêu cầu lực căng tấm thép T không đổi,mà

tốc độ của tấm thép cũng yêu cầu không đổi thì

ta cần điều chỉnh công suất không đổi


chỉnh mômen

-

FT

UIW

V

RI FX

UƯCKT

FXRE

Đ


chỉnh mômen

- Công suất được tính gần đúng là Po=E.Iu- Ta có phương trình đối với lực căng tấm thép

là

- Các thành phần mômen của hệ truyền động

yêu cầu động cơ phải có:

- Md=M - Mc - Mms

- Mms:là mômen ma sát của cuộn cuốn



CHƢƠNG 8: HỆ THỐNG

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU

CHỈNH VỊ TRÍ

Nội dung chính:

1. 8.1. Nguyên tắc xây dựng hệ điều chỉnh vị trí.

2. 8.2 . Hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính

3. 8.3. Điều chỉnh vị trí tối ƣu theo thời gian.

4. 8.4. Các tính chất của hệ điều chỉnh vị trí

trong thực tế.

5. 8.5. Điều chỉnh vị trí tối ƣu với mạch vòng

điều chỉnh gia tốc không đổi.

6. 8.6 Hệ điều khiển vị trí làm việc trong chế độ

bám

7. 8.7 sai lệch hệ thống khi có nhiễu phụ tải

8.1. Nguyên tắc xây dựng hệ điều chỉnh vị trí

- Hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí

đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhƣ

cơ cấu truyền động cho tay máy, ngƣời máy, cơ

cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, quay anten,

kính viễn vọng v.v…

- Tuỳ thuộc vào cơ cấu mà công suất truyền

động nằm trong dải rộng từ vài chục W đến

hang vài trăm kW.

- Trong hệ điều chỉnh vị trí đại lƣợng điều khiển

(lƣợng đặt φ) có ý nghĩa quan trọng quyết định

cấu trúc điều khiển hệ


- Thông thƣờng việc điều khiển φlà một hàm của

thời gian, có thể là một hàm nhảy cấp, hàm

tuyến tính hoặc tuyến tính từng đoạn theo thời

gian, hàm parabol và ham điều hoà

- Để xây dựng hệ điều khiển ngƣời ta dựa trên

quy luật tối ƣu tác động nhanh truyền động điện

bằng việc nghiên cứu quỹ đạo pha chuyển

động.

- Xét trƣờng hợp lƣợng điều khiển này là hàm

nhảy cấp ta có


- giản đồ ω(t), ε(t), φ(t)

và quỹ đạo pha tối ƣu

trên hình vẽ dƣới

-

t

φt

K đường cong chuyển

υω

εφt

t

t

t

t

t

ωx

φ

Δφ Δφ∞


Đối với giản đồ ω(t), ε(t) và φ(t) ta có:

- 0 < t < T/2 thì ω(t) = εmaxt

- φ(t) = εmaxt2/2

- T/2 < t <T thì ω(t) = εmax (T-t)

- φ(t) = εmax (Tt- - )

- Từ trên tính đƣợc : T = 2

ωmax│t=T/2 = εmax.T/2 =

thời điểm hãm t = T/2; ω = ωmaxφK là độ dài dịch chuyển .

2

2t

4

2T

max

k

mk


- Cấu trúc điều khiển biến trạng thái

điều

khiển

Rυ Rω Rε BĐ

8.2 . Hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính

- Hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính mà ta nghiên cứu

có bộ điều chỉnh vị trí Rφ là tuyến tính: giả sử

các mạch vòng trong đã đƣợc tổng hợp theo

phƣơng pháp môdun tối ƣu dạng chuẩn, hàm

truyền kín của mạch vòng tốc độ là:

- Hàm truyền của sensor vị trí là khâu tích phân

22R221

(p)Fpp

K

ppFs

1)(


- Ta có cấu trúc của hệ nhƣ sau:

- Bộ điều chỉnh vị trí ở đây đƣợc tính chọn theo

điều kiện với gia tốc hãm cực đại εhmax đối với

quãng đƣờng hãm cực đại Δφhmax sao cho thời

gian hãm không vƣợt quá thời gian tmax

Rω

υω +ω

υ

p

1

22221 pp

k


- Tại thời điểm hãm, tƣơng ứng với điều kiện là tín hiệu sai lệch tốc độ Δω ở đầu vào bộ điều chỉnh tốc độ bằng không. Ta có biểu thức gần đúng là Δφh.FR.φ = ωh

- Ở đây Δφh, ωh là tín hiệu về quãng đƣờng và tốc độ tại điểm bắt đầu hãm. Vì vậy quãng đƣờng hãm cực đại là

εhmax: gia tốc hãm cực đại;

Cφ : hệ số đo lƣờng vị trí:

max

max2

max2

1

h

C

1C


- Hàm truyền bộ điều chỉnh vị trí

- Điều chỉnh vị trí tuyến tính thƣờng hay dùng

trong truyền động máy nâng, thang máy, các

máy khai thác mỏ…

RR K

CCF

2

max

max

max2

max 22

8.3. Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian.

- Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu điều

khiển vị trí tối ƣu theo thời gian với thiết bị

tƣơng tự

- Nhiệm vụ của hệ là phải đảm bảo thời gian

ngắn nhất khi chuyển trạng thái đầu sang trạng

thái ổn định khác.

- Khi ta lập cấu trúc nhiều mạch vòng và tổng

hợp theo phƣơng pháp môdun đối xứng sao

cho hàm truyền của đối tƣợng điều chỉnh là hai

khâu tích phân

8.3. Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian.

- Phƣơng trình đối với tốc độ và vị trí là

ω = Cεmaxt; φ = Cεmaxt2 + φ0

- φ0 là vị trí ban đầu.

- Sơ đồ khối điều chỉnh vị trí tối ƣu theo thời gian

-υ

JJ

M2

υw υ

PJ

1

J

C

8.4. Các tính chất của hệ điều chỉnh vị trí trong thực tế.

- Nhiễu loạn Mc sẽ ảnh hƣởng đáng kể đến đặc

tính động của hệ

1. Nếu nhƣ ta đặt Md > Mdt thì mômen hãm sẽ

lớn hơn thực tế cần có. Truyền động sẽ hãm

tại thời điểm muộn hơn rất nhiều và mômen

điện từ nhỏ. Cho nên tốt hơn ta chọn Md < Mdt

tức là hệ đƣợc điều chỉnh với mômen hãm

nhỏ hơn thực tế cần có.

- Khi Md < Mdt sẽ gây hiện tƣợng giật phần cơ

truyền động. Và thời gian hãm sẽ lớn hơn tg

hãm tối ƣu


2. Khi hãm với mômen điện từ cực đại có thể

làm cho bộ điều chỉnh bão hoà khi sai lệch tốc

độ ∆ω = ωw - ω nhỏ. Điều này sẽ làm cho đặc

tính quá độ của hệ ở thời điểm kết thúc quá

trình bị dao động . Để dập dao động này phải

chỉnh định hệ số khuyếch đại của hệ điều

chỉnh tốc độ và dòng điện

3. Có sự sai lệch giữa hệ thực tế với lý thuyết là

ở phần hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh vị

trí.


4. Ngoài ra trong điều chỉnh vị trí cần phải

nghiên cứu cả ảnh hƣởng phần cơ truyền

động. Thực tế tồn tại mômen ma sát khô.

Thành phần gây quán tính chận trễ quá trình

động, đặc biệt chú ý ở cuối quá trình động,

đặc biệt chú ý ở cuối quá trình hãm phải đảm

bảo │Mđt│ < Mms thì không gây dao động.

8.5. Điều chỉnh vị trí tối ưu với mạch vòng điều chỉnh gia

tốc không đổi.

- Trong các phần trên chúng ta có yêu cầu là

phải giữ gia tốc không đổi; điều này sẽ không

thực hiện đƣợc nếu nhƣ ảnh hƣởng của

mômen phụ tải lớn tác động lên quá trình quá

độ không đƣợc bù

- Do vậy ngƣời ta thƣờng dung thêm mạch vòng

điều chỉnh hia tốc để giữ gia tốc không đổi (hình

vẽ)

- Sau khi tổng hợp mạch vòng dòng điện ta có

thể gần đúng thay nó bằng khâu quan tính bậc

1 có hằng số thời gian là τ.

8.5. Điều chỉnh vị trí tối ưu với mạch vòng điều chỉnh gia

tốc không đổi.

- Hàm truyền của đối tƣợng điều chỉnh mạch

vòng gia tốc là:

)1)(1(

1)(

fI

I

I

sp

KKJ

K

U

UpF

8.5. Điều chỉnh vị trí tối ưu với mạch vòng điều

chỉnh gia tốc không đổi.

- Áp dụng tiêu chuẩn tối ƣu môdul ta có

- Trong đó τσ = τI + τf ω;

S

RR

KpP

KpF

2

1)(

IS KKJ

KK

8.6 Hệ truyền động ĐKVT làm việc trong chế độ bám

- Yêu cầu hệ truyền động điều khiển vị trí làm

việc trong chế độ bám là đảm bảo cơ cấu dịch

chuyển bám theo đại lƣợng điều khiển với sai

lệch cho phép

- Sai lệch vị trí Δφ quyết định tới độ chính xác

của hệ thống

- Hai yếu tố chính ảnh hƣởng tới độ chính xác

- Quan hệ giữa lƣợng điều khiển φW và cấu trúc

của hệ

- Ảnh hƣởng nhiễu loạn lên đại lƣợng Δφ

8.6.1 Xét độ chính xác của hệ theo lượng điều khiển

- Lƣợng đk φW thƣờng là hàm biến đổi theo thời

gian có tốc độ hoặc gia tốc không đổi hoặc là

hàm điều hòa

- Nếu bộ điều chỉnh vị trí tổng hợp theo hàm

chuẩn modul đối xứng có hàm truyền dạng PI

thì hệ có đặc tính vô sai cấp 2

- Muốn nâng cao độ chính xác của hệ có thể

thực hiện bằng cách tăng hệ số phẩm chất

hoặc tăng cấp vô sai của hệ. Điều này làm giảm

độ dự trữ ổn định của hệ. Khắc phục điều đó

bằng cách dùng phƣơng pháp điều khiển bù

8.6.2 Nâng cao độ chính xác dùng điều khiển bù

theo lượng điều khiển

- Cấu trúc:

- Trong đó Wb là khâu bù. Với W(p) là hàm truyền

hệ thống hở ta có W’(p) = W(p) / W’’(p)

- Hàm truyền của khâu bù

- Điều kiện để thực hiện hàm bù là cần có mạch

vòng đòng điện tác động nhanh

W’(p) W’’(p)

Wb(p)

_

+

+

ppK

TpW

R

cb 2)(

8.6.2 Nâng cao độ chính xác dùng điều khiển bù

theo lượng điều khiển- Mạch vòng dòng điện đƣợc tổng hợp theo tiêu

chuẩn modul tối ƣu có dạng

- Bộ điều chỉnh tốc độ và vị trí đƣợc tổng hợp theo tiêu chuẩn modul đối xứng. Hàm truyền hở của mạch vòng điều chỉnh tốc độ là:

- Hàm truyền kín là:

- Hàm bù hợp lý là Wb(p) = τ1p

122

1)(

22

ppWKI

)122(4

1)(

22

pp

pW

1)122(4

1)(

22

pp

pWk

8.6.2 Nâng cao độ chính xác dùng điều khiển bù theo

lượng điều khiển

- Hàm truyền đối với sai lệch đƣợc tính là

1]1)122(4[8

)1(832646422

1

223343

ppp

pppp

8.7 Sai lệch của hệ thống truyền động bám khi có

tác động của nhiễu phụ tải

- Trong các phần trƣớc ta đã nghiên cứu hệ

truyền động với nhiễu tải Mc= 0;

- Nếu hệ có bố trí 3 mạch vòng điều chỉnh dòng

điện, tốc độ và vị trí và Mc≠ 0 thì hàm truyền

theo nhiễu loạn có dạng

- Trong đó Wω(p): là hàm truyền của mạch vòng

tốc độ

- Wo(p): Hàm truyền hở của hệ

]1][1[

1

)()(

2

popoc WWpTM

8.7 Sai lệch của hệ thống truyền động bám khi có tác

động của nhiễu phụ tải

Hàm truyền hở của hệ là vô sai cấp 2 khi bộ

điều chỉnh của hệ đƣợc tổng hợp theo tiêu

chuẩn modul đối xứng.

Khi tác động của nhiễu loạn giảm thì sẽ nâng

cao độ tác động nhanh của hệ. Nhƣng độ tác

động nhanh này bị hạn chế bởi giá trị của các

hằng số thời gian nhỏ

]1)122(4[128

116

1

22

11

22

1

1)(

ppppW po

8.7 Sai lệch của hệ thống truyền động bám khi có tác

động của nhiễu phụ tải

Thực tế sự biến động của phụ tải là không xác

định trƣớc. Vì vậy biện pháp ngƣời ta thƣờng

sử dụng để khắc phục ảnh hƣởng của nhiễu

loạn phụ tải là dùng cấu trúc bất biến với

nhiễu loạn và phụ tải



CHƢƠNG 9: HỆ TRUYỀN

ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU CHỈNH

THÍCH NGHI

Nội dung chính:

1. Các khái niệm chung

2. Cấu trúc mạch điều chỉnh thích nghi

3. Nhận dạng các tham số của hệ thống truyền

động điện

4. Hệ truyền động điện một chiều với mạch vòng

điều chỉnh tốc độ thích nghi

9.1 Các khái niệm chung

- Khái niệm về hệ điều chỉnh thích nghi: Là hệ

điều chỉnh tự động truyền động điện mà trong

quá trình làm việc thƣờng bị thay đổi cấu trúc

và tham số.

- Ví dụ: Điện trở của máy điện bị thay đổi theo

nhiệt độ, bộ biến đổi điện tử công suất bị thay

đổi do sự thay đổi của phụ tải hay tốc độ làm

việc


- Phân loại: Theo mục đích ta có các loại sau:

a) Hệ truyền động điện điều chỉnh thích nghi tối

ƣu theo tiêu chuẩn tối ƣu định trƣớc

b) Hệ truyền động điện điều chỉnh thích nghi bất

biến đảm bảo các đặc tính động theo yêu cầu

mà không phụ thuộc nhiễu tải

c) Hệ truyền động điện điều chỉnh thích nghi tự

chỉnh


- Phân loại: Theo phƣơng pháp nhận dạng có

các loại sau:

a) Hệ điều khiển với mạch thích nghi kiểu hở:

Tham số bộ điều chỉnh đƣợc chỉnh định trực

tiếp dựa trên việc đo tham số của hệ.

b) Hệ điều khiển với mạch thích nghi kiểu kín:

mạch nhận dạng sẽ so sánh yêu cầu và thực

tế để điều khiển

c) Hệ tự tìm kiếm: sẽ tự phát hiện ảnh hƣởng

của sự thay đổi tính chất bộ điều chỉnh lên

đặc tính của hệ


- Phân loại: Theo tiêu chuẩn thích nghi

a) Hệ điều khiển bảm bảo giữ một vài đại lƣợng

không thay đổi hoặc thay đổi theo quy luật đặt

trƣớc

b) Hệ điều khiển với tiêu chuẩn cực trị. Hệ này

thƣờng là mạch thích nghi kiểu kín

9.2 Cấu trúc mạch điều chỉnh thích nghi

- Điều chỉnh thích nghi với mạch nhận dạng kiểu

hở:

- Mạch đo trực/gián tiếp các tham số biến đổi của

đối tƣợng điều chỉnh Fs. Thiết lập sẵn một số

thuật toán để tính tham số mạch điều chỉnh Rp.

F(Rp) Fs(Sp)

DC

F(Rp)

Đo

Fs(Sp)

Rp(Sp)

W+

_

X

9.2 Cấu trúc mạch điều chỉnh thích nghi

- Điều chỉnh thích nghi bất biến:

- Hàm truyền của hệ:

- Khi đảm bảo điều kiện |FK(jω) FS(jω)|=1 thì

những thay đổi tham số của đối tƣợng hệ

không bị ảnh hƣởng.

FR FS

FK

W+ x

_

+

+

)()(1

)()()()()(

pFpF

pFpFpFpFpF

SR

SKSR

9.3 Nhận dạng các tham số của hệ thống

truyền động điện

- Nhận dạng tham số nhờ mô hình cố định:

- Ta có eA=[W(p)FM(p)-FS(p)y(p)]

- Trong trƣờng hợp FM(p) chỉ dùng để nhận dạng

mô hình đối tƣợng FS(p) thì qua việc đánh giá

sai lệch eA sẽ hiệu chỉnh tham số mô hình

FR(p) FS(p)

FM(p)

W+ x

_

y

+

_

Tính

toánTham số Si

eA



- Trƣờng hợp đơn giản ta thiết lập mô hình FM(p)

song2

- Sai lệch:

- Kết quả của tính toán đƣợc thể hiện thông qua

các tham số mi dựa vào đó ta đi hiệu chỉnh mô

hình FM(p) sao cho eA = 0.

FS(p)

FM(p)

y

+

_

Tính toán

mi

eA

)()]()([ pYpFpFe SMA



- Trong một số trƣờng hợp ta bố trí FM(p) nối tiếp:

- Sai lệch: )(]1)(

)([

)(

1pY

pA

pB

pCeA



- Sai lệch giữa các tín hiệu đầu ra của mô hình

và thực tế eA của mạch nhận dạng trong bộ

điều chỉnh thích nghi có hình vẽ sau sẽ bằng

không khi A(p) = B(p)

- Ngày nay mạch nhận dạng trong hệ truyền

động điện điều chỉnh thích nghi là các thiết bọ

quan sát theo phƣơng pháp không gian trạng

thái.

- Yêu cầu đối với thiết bị quan sát là phải có độ

tác động nhanh sao cho eA là nhỏ nhất

A(p) = B(p)

- Tuy nhiên trong thực tế luôn tồn tại sai lệch giữa thiết bbij quan sát và hệ vì việc mô tả toán học của hệ không hoàn toàn chính xác. Ngoài ra hệ còn bị một số nhiễu loạn mà không đƣợc đƣa vào thiết bị quan sát.

- Chính thiết bị quan sát cũng tồn tại nhiễu và sai số.

9.3 Nhận dạng các tham số của hệ

thống truyền động điện

- Tham khảo mô hình

9.4 Hệ truyền động điện một chiều với mạch

vòng điều chỉnh tốc độ thích nghi



CHƢƠNG 10: HỆ TRUYỀN

ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN

CHƢƠNG TRÌNH SỐ

Nội dung chính:

1. Các khái niệm chung

2. Mã ISO 7 bit

3. Chuẩn bị chƣơng trình cho hệ TĐĐĐKCTS

4. Bộ nội suy

5. Cấu trúc của hệ truyền động điện tự động

trong hệ truyền động điện điều khiển chƣơng

trình.

6. Hệ thống truyền động điện điều khiển chƣơng

trình số điều khiển vị trí


- Hệ truyền động điện điều khiển chƣơng trình

số là hệ điều khiển vị trí nhƣng đại lƣợng điều

khiển tuân theo chƣơng trình đặt trƣớc trong

bộ nhớ.

- Ví dụ các máy gia công kim loại tự động, các

dây truyền sản xuất có robot tham gia, các máy

CNC…

- Để đảm bảo quy luật thực hiện các chuyển

động có quỹ đạo phức tạp này thì nó phải thực

hiện qua các bƣớc sau:


Thông tin về kích thước công nghệ

Chuẩn bị số liệu cho lập trình

Chương trình điều khiển

Thiết bị tính toán điều khiển

Hệ truyền động điện tự động


- Bƣớc lấy thông tin về kích thƣớc và công nghệ

trong việc chuẩn bị chƣơng trình có nhiệm vụ

là chọn hệ trục tọa độ cho các thành phần

chuyển động và mô tả các thành phần chuyển

động trên các hệ trục tọa độ đó.

- Từ đó tính toán ra các số liệu về lực hay

momen cần thiết để tác động lên các thành

phần chuyển động

- Sau khi có chƣơng trình điều khiển thì thiết bị

tính toán sẽ dựa vào đó để tính lƣợng điều

khiển cho hệ truyền động


- Cấu trúc của thiết bị tính toán điều khiển có thể

chia làm 2 nhóm là:

- CNC (Computer Numerical Control)

- NC (Numerical Control)

10.2 Mã ISO 7 bit

- Đƣợc mô tả bằng các ký hiệu

- Mỗi ký hiệu thể hiện là một thành phần của

lệnh công nghệ

- Dùng để mô tả các bƣớc trong chƣơng trình

gia công

- Ngƣời lập trình sẽ dựa vào các bƣớc mô tả

này để viết chƣơng trình điều khiển cho hệ


10.3 Chuẩn bị chƣơng trình cho hệ TĐĐĐKCTS

- Khi chuẩn bị chƣơng trình điều khiển cho hệ

truyền động điện điều khiển chƣơng trình số ta

phải làm những công việc sau:

- Chọn hệ tọa độ

- Khai báo các kích thƣớc chi tiết trên theo hệ

tọa độ

- Tìm quỹ đạo chuyển động

- Viết quỹ đạo chuyển động

- Xác định các gia số tọa độ

- Viết chƣơng trình dạng text cho băng từ


- VD1: Khai báo kích thƣớc cho các điểm sau

- Cho bán kính R = 15cm

- Góc α = 45o

- Lƣu ý: các tọa

Độ khi mô tả đều phải

Lấy theo đơn vị mm

BA

x

y

0

αα2


- VD2: Tìm quỹ đạo chuyển động: mô tả bằng

các gia số:

- Tính các gia số của điểm B so với điểm A

trong ví dụ trên

- VD3: Viết các lệnh công nghệ để chuyển hệ

từ điểm A tới điểm B trong vd1

- VD4: Giải thích ý nghĩa các lệnh công nghệ

sau:N002 510 F0000 LF

- N007 X + 001000 Y – 0020000 LF?

- N001 X + 0012500, Y + 009500, I +

0010000, J – 0010000 LF


- Chuẩn bị chƣơng trình điều khiển nhờ máy

tính(Tham khảo thêm)

10.4 Bộ nội suy

- Bộ nội suy trong hệ truyền động điện điều

khiển chƣơng trình số thực hiện chức năng

tính toán từng tọa độ của chuyển động và tạo

tín hiệu điều khiển.

- Có 2 bộ nội suy chính là bộ nội suy tuyến tính

và phi tuyến

- Một bộ nội suy tuyến tính thực hiện đƣợc việc

tính toán đƣợc tọa độ của các chuyển động

thẳng và các chuyển động theo cung tròn.

10.5 Cấu trúc của hệ truyền động điện tự

động trong hệ truyền động điện điều

khiển chƣơng trình.

10.6 Hệ thống truyền động điện điều

khiển chƣơng trình số điều khiển vị

trí.

Review

thiẾt bỊ ĐiỀu khiỂn vÀ mÁy ĐiỆn - mientayvn.commientayvn.com/dien...

Documents