Upload
others
View
13
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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
1.6 Phương pháp không gian trạng thái
.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
1.6 Phương pháp không gian trạng thái
.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
1.7.3 Phân tích hệ thống phi tuyến bằng phương pháp
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
1.7.3 Phân tích hệ thống phi tuyến bằng phương pháp
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
1.7.3 Phân tích hệ thống phi tuyến bằng phương pháp
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.
THIẾT BỊ ĐIỀU
KHIỂN VÀ MÁY ĐIỆN
Chương 2: Các phần tử tự động
trong 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. 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 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán
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 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán
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 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán
2.2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán
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 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán
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 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán
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
2.5 Bộ biến đổi số - tương tự D/A
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
2.5 Bộ biến đổi số - tương tự D/A
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)
THIẾT BỊ ĐIỀU
KHIỂN VÀ MÁY ĐIỆN
Chương 3: Các bộ biến đổi
công suất trong truyền
động điện
Trao đổi trực tuyến tại:
http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html
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:
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
3.2 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
3.2 Mạch chỉnh lưu
3.2 Mạch chỉnh lưu
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
3.2 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
3. Quá trình chuyển mạch với La <>0
- 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
3. Quá trình chuyển mạch với La <>0
- 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
6. Các chế độ chỉnh lưu đảo chiều
Giá trị điện áp: UdI = - UdII
Với dòng liên tục ta có UdI = Ud0cos I; UdII = Ud0cos II
Do vậy I + II = 1800
6. Các chế độ chỉnh lưu đảo chiều
- 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:
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
3.3 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
3.3.2 điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha
- 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
3.3.2 điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha
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(
3.3.2 điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha
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:
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
3.4 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)(
3.4.2 Các biểu thức cơ bản
- 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
3.4.2 Các biểu thức cơ bản
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
3.4.2 Các biểu thức cơ bản
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:
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
3.5 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
2.Các đại lượng điện từ trong quá trình chuyển mạch.
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
2.Các đại lượng điện từ trong quá trình chuyển mạch.
+) 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
2.Các đại lượng điện từ trong quá trình chuyển mạch.
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
3.5.3.1 Nghịch lưu điện áp 1 pha.
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
3.5.3.2 Nghịch lưu điện áp 3 pha.
Phương pháp thường dùng nhất là điều khiển góc dẫn
=1800 và =1200
3.5.3.2 Nghịch lưu điện áp 3 pha.
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:
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
3.6 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:
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
3.7 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:
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
3.8 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
3.8.1 Nghịch lưu áp
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
3.8.1 Nghịch lưu áp
- 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
3.8.1 Nghịch lưu áp
đk
p
CLd
L
yd
V
dddVd
VX
UeKU
PC
IIU
IPLRUU
UU
.
)(
21
THIẾT BỊ ĐIỀU
KHIỂN VÀ MÁY ĐIỆN
Chương 4: Điều chỉnh tự
động hệ thống truyền động
điện một chiều
Trao đổi trực tuyến tại:
http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html
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
+_
4.1 Động cơ điện một chiều (Động cơ điện kích từ độc lập )
- 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
4.1 Động cơ điện một chiều (Động cơ điện kích từ độc lập )
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)(
4.1 Động cơ điện một chiều (Động cơ điện kích từ độc lập )
- 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
+_
4.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều
- 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
'
4.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều
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)
4.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều
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
4.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều
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
4.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều
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
4.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều
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
,
,
4.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều
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
4.1.3 Khi điện áp phần ứng không đổi
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
4.1.3 Khi điện áp phần ứng không đổi
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
4.1.4 …trong vùng gián đoạn của dòng điện phần ứng.
- = 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
4.1.4 …trong vùng gián đoạn của dòng điện phần ứng.
- 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
4.1.4 …trong vùng gián đoạn của dòng điện phần ứng.
- 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:
1. Động cơ điện một chiều
2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh
3. Tổng hợp hệ thống truyền động điều chỉnh
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
4.2.2. … bỏ qua các sức điện động động cơ
- 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
4.2.2. … bỏ qua các sức điện động động cơ
- 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
4.2.3. … có tính đến sức điện động động cơ
- 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
4.2.3. … có tính đến sức điện động động cơ
- 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
4.2.5 Bộ điều chỉnh … thích nghi với từng xung dòng.
- 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
4.2.5 Bộ điều chỉnh … thích nghi với từng xung dòng.
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
4.2.5 Bộ điều chỉnh … thích nghi với từng xung dòng.
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
4.2.5 Bộ điều chỉnh … thích nghi với từng xung dòng.
- 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
4.2.5 Bộ điều chỉnh … thích nghi với từng xung dòng.
- 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
4.2.6 Bộ điều chỉnh … có khâu tiền chỉnh phi tuyến.
- 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
4.2.6 Bộ điều chỉnh … có khâu tiền chỉnh phi tuyến.
- 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:
1. Động cơ điện một chiều
2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh
3. Tổng hợp hệ thống truyền động điều chỉnh
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.)(
4.3.1 Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh
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
4.3.1 Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh
tốc độ tỷ lệSơ đồ nguyên lý
_
+_
+
U đ
U
R1
R2
R3
C
Uiđ R4
R2’
Ui
Uđk
4.3.2 Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh
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
4.3.2 Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh
tốc độ tích phân tỷ lệ PI
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
4.3.2 Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh
tốc độ tích phân tỷ lệ PI
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
4.3.4 Hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh 2
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)(
)(
4.3.4 Hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh 2
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
4.3.4 Hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh 2
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
4.3.4 Hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh 2
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
4.3.4 Hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh 2
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
THIẾT BỊ ĐIỀU
KHIỂN VÀ MÁY ĐIỆN
Chương 5: Điều chỉnh tự
động truyền động điện
động cơ không đồng bộ
Trao đổi trực tuyến tại:
http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html
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
5.1.1 Mô tả ĐK trong điều khiển
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
5.1.1 Mô tả ĐK trong điều khiển
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 ;
5.1.5Mô hình ĐK khi bỏ qua quá trình quá độ điện từ
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
5.1.5Mô hình ĐK khi bỏ qua quá trình quá độ điện từ
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
5.2 Các đặc tính của động cơ không đồng bộ
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
5.2 Các đặc tính của động cơ không đồng bộ
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
5.3 Mạch vòng dòng điện stato
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
5.3 Mạch vòng dòng điện stato
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
5.4 Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ
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
5.4 Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ
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
5.6 Điều chỉnh Ptrượt bằng 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
5.6 Điều chỉnh Ptrượt bằng hệ nối tầng …
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
5.6 Điều chỉnh Ptrượt bằng hệ nối tầng …
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
5.6 Điều chỉnh Ptrượt bằng hệ nối tầng …
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:
5.6 Điều chỉnh Ptrượt bằng hệ nối tầng …
Tuyến tính hóa hệ thống nối cấp
5.6 Điều chỉnh Ptrượt bằng hệ nối tầng …
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
5.7.4.Điều chỉnh tần số điện áp động cơ không đồng bộ
- 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 .
5.7.4.Điều chỉnh tần số điện áp động cơ không đồng bộ
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
5.7.4.Điều chỉnh tần số điện áp động cơ không đồng bộ
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
5.7.4.Điều chỉnh tần số điện áp động cơ không đồng bộ
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
5.7.4.Điều chỉnh tần số điện áp động cơ không đồng bộ
Nếu định nghĩa hàm truyền G(p) =
⊗ G(p)1/Jp
Mc M
5.7.4.Điều chỉnh tần số điện áp động cơ không đồng bộ
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
5.7.4.Điều chỉnh tần số điện áp động cơ không đồng bộ
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
5.7.4.Điều chỉnh tần số điện áp động cơ không đồng bộ
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
5.7.4.Điều chỉnh tần số điện áp động cơ không đồng bộ
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:
5.7.4.Điều chỉnh tần số điện áp động cơ không đồng bộ
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
5.7.5. Điều chỉnh trực tiếp Mômen
5.7.5. Điều chỉnh trực tiếp Mômen
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
5.7.5. Điều chỉnh trực tiếp Mômen
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
5.7.5. Điều chỉnh trực tiếp Mômen
5.7.5. Điều chỉnh trực tiếp Mômen
THIẾT BỊ ĐIỀU
KHIỂN VÀ MÁY ĐIỆN
HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU
CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
ĐỒNG BỘ BA PHA(ĐB)
Trao đổi trực tuyến tại:
http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html
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.
6.2.Mô tả toán học động cơ đồng bộ ba pha
- 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)
- +
6.2.Mô tả toán học động cơ đồng bộ ba pha
- 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 .
6.2.Mô tả toán học động cơ đồng bộ ba pha
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
6.5.Điều chỉnh tốc độ ĐB dùng biến tần nguồn áp
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
6.5.Điều chỉnh tốc độ ĐB dùng biến tần nguồn áp
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 .Hệ truyền động ĐB với bộ biến đổi tần
số nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên
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
6.6 .Hệ truyền động ĐB với bộ biến đổi tần
số nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên
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
6.6.1.Qúa trình chuyển mạch
6.6 .Hệ truyền động ĐB với bộ biến đổi tần
số nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên
Phương trình dòng điện và điện áp khi chuyển
mạch: ia = i
ib = - Idic = Id – i
Giải phương trình sau đối với ia :
(*)
6.6.1.Qúa trình chuyển mạch
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
6.6.1.Qúa trình chuyển mạch
). 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
6.6.1.Qúa trình chuyển mạch
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
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 <
6.6.2 .Mô men của động cơ
.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
6.6.3. Giới hạn của chuyển mạch tự nhiên
và vấn đề khởi động
- 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
6.6.3. Giới hạn của chuyển mạch tự nhiên
và vấn đề khởi động
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.
6.6.3. Giới hạn của chuyển mạch tự nhiên
và vấn đề khởi động
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.
6.7. Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ truyền
ĐB dùng biến tần nguồn dòng.
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.
6.7. Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ truyền
ĐB dùng biến tần nguồn dòng.
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)
6.7. Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ truyền
ĐB dùng biến tần nguồn dòng.
6.7.
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:
6.7. Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ truyền
ĐB dùng biến tần nguồn dòng.
6.7. Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ truyền
ĐB dùng biến tần nguồn dòng.
Thì mômen động cơ được tính
Nếu ta giữ φ = const và thì M sẽ tỉ
lệ với Id M = C2Id
6.7. Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ truyền
ĐB dùng biến tần nguồn dòng.
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
6.8.1. điều khiển chỉnh lưu dùng mạch số
M
n Y
00 180
2
180
Hàm truyền gián đoạn của bộ chỉnh lưu :
Trong đó To = 3,33 ms.
6.8.1. điều khiển chỉnh lưu dùng mạch số
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
6.8.2 Điều khiển nghịch lưu dùng mạch số
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.
6.8.2 Điều khiển nghịch lưu dùng mạch số
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
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
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:
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
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
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
Km
Ke
Ud+
_
E
IdM
Mc
_
.
Các hàm truyền cơ bản khi Mc = 0
Wi(p) =km1 =
Trong đó:
Km1 = ; K1 =
K2 =
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
W2(p) = km2. =
W3(p) = =
Trong đó
Tc =T/F
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
uu R
Tu
L
emkku
m2FR
F K
b) Tổng hợp mạch điều chỉnh dòng điện
- Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng diện
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
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 =
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
}
)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
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
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:
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
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 =
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
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
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
Tính toán các tham số:
Đối với mạch vòng dòng điện thay số ta có
Hàm truyền kín bộ điều chỉnh dòng điện:
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
Trong đó
Điều kiện ổn định: |b0 | <1
Giải ta nhận được: 0<KRI<2,47
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
-Đối với mạch vòng tốc độ thay số liệu liên tục
ta có:
-Hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ chọn là PI
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
6.8.3 Tổng hợp hệ điều khiển
THIẾT BỊ ĐIỀU
KHIỂN VÀ MÁY ĐIỆN
Chương 7: Hệ truyền động
nhiều động cơ
Trao đổi trực tuyến tại:
http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html
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:
7.1 Yêu cầu công nghệ đối với nhiều động cơ
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
7.1 Yêu cầu công nghệ đối với nhiều động cơ
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.
7.1 Yêu cầu công nghệ đối với nhiều động cơ
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.
7.1 Yêu cầu công nghệ đối với nhiều động cơ
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
7.2.Đặc tính công nghệ hệ truyền động
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
7.2.Đặc tính công nghệ hệ truyền động
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
7.2.Đặc tính công nghệ hệ truyền động
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
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
7.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng
điều chỉnh từ thông động cơ
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
7.4. nguồn cung cấp riêng từng động cơ
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
7.4. nguồn cung cấp riêng từng động cơ
- 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:
7.5.Điều chỉnh đồng bộ tốc độ và sức căng bằng
điều chỉnh từ thông với nguồn cung cấp chung
- 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
7.5.Điều chỉnh đồng bộ tốc độ và sức căng bằng
điều chỉnh từ thông với nguồn cung cấp chung
- 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
7.5.Điều chỉnh đồng bộ tốc độ và sức căng bằng
điều chỉnh từ thông với nguồn cung cấp chung
- 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
7.5.Điều chỉnh đồng bộ tốc độ và sức căng bằng
điều chỉnh từ thông với nguồn cung cấp chung
- 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
7.5.Điều chỉnh đồng bộ tốc độ và sức căng bằng
điều chỉnh từ thông với nguồn cung cấp chung
- 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
7.6. Điều chỉnh đồng bộ ω và sức căng bằng điều
chỉnh Uư dùng nguồn cung cấp riêng
- 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
7.6. Điều chỉnh đồng bộ ω và sức căng bằng điều
chỉnh Uư dùng nguồn cung cấp riêng
- 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
7.6. Điều chỉnh đồng bộ ω và sức căng bằng điều
chỉnh Uư dùng nguồn cung cấp riêng
- Nếu bỏ qua và và ký hiệu
- Ta có
- Trong đó
- Hàm truyền hệ điều chỉnh tốc độ
- Với
7.6. Điều chỉnh đồng bộ ω và sức căng bằng điều
chỉnh Uư dùng nguồn cung cấp riêng
- 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
7.7. Điều chỉnh sức căng bằng vật liệu thông qua điều
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
7.7. Điều chỉnh sức căng bằng vật liệu thông qua điều
chỉnh mômen
-
FT
UIW
V
RI FX
UƯCKT
FXRE
Đ
7.7. Điều chỉnh sức căng bằng vật liệu thông qua điều
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
THIẾT BỊ ĐIỀU
KHIỂN VÀ MÁY ĐIỆN
CHƢƠNG 8: HỆ THỐNG
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU
CHỈNH VỊ TRÍ
Trao đổi trực tuyến tại:
http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html
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
8.1. Nguyên tắc xây dựng hệ điều chỉnh vị trí
- 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
8.1. Nguyên tắc xây dựng hệ điều chỉnh vị trí
- 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∞
8.1. Nguyên tắc xây dựng hệ điều chỉnh vị trí
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
8.1. Nguyên tắc xây dựng hệ điều chỉnh vị trí
- 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)(
8.2 . Hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính
- 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
8.2 . Hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính
- 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
8.2 . Hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính
- 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
8.4. Các tính chất của hệ điều chỉnh vị trí trong thực tế.
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.
8.4. Các tính chất của hệ điều chỉnh vị trí trong thực tế.
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.
- 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
THIẾT BỊ ĐIỀU
KHIỂN VÀ MÁY ĐIỆN
CHƢƠNG 9: HỆ TRUYỀN
ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU CHỈNH
THÍCH NGHI
Trao đổi trực tuyến tại:
http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html
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
9.1 Các khái niệm chung
- 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
9.1 Các khái niệm chung
- 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
9.1 Các khái niệm chung
- 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
9.3 Nhận dạng các tham số của hệ thống
truyền động điện
- 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
9.3 Nhận dạng các tham số của hệ thống
truyền động điện
- Trong một số trƣờng hợp ta bố trí FM(p) nối tiếp:
- Sai lệch: )(]1)(
)([
)(
1pY
pA
pB
pCeA
9.3 Nhận dạng các tham số của hệ thống
truyền động điện
- 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
THIẾT BỊ ĐIỀU
KHIỂN VÀ MÁY ĐIỆN
CHƢƠNG 10: HỆ TRUYỀN
ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN
CHƢƠNG TRÌNH SỐ
Trao đổi trực tuyến tại:
http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html
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
10.1 Các khái niệm chung
- 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:
10.1 Các khái niệm chung
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
10.1 Các khái niệm chung
- 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
10.1 Các khái niệm chung
- 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
truyền động điện
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
10.3 Chuẩn bị chƣơng trình cho hệ TĐĐĐKCTS
- 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
10.3 Chuẩn bị chƣơng trình cho hệ TĐĐĐKCTS
- 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
10.3 Chuẩn bị chƣơng trình cho hệ TĐĐĐKCTS
- 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