Câu hỏi tổng hợp hệ điện cơ

1, Anh Chị hãy nêu khái niệm về hệ điện cơ và phân loại hệ điện cơ Trả lời Hệ điện cơ là các hệ thống dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng và khống chế tự động cơ năng đó Phần cơ bản của hệ điện cơ là hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện (ĐCTĐTĐĐ) Trong đó M là động cơ điện dùng để truyền động cho máy sản xuất MX BĐ là thiết bị biến đổi điện năng, toàn bộ các thiết bị trên được gọi là phần lực

1, Anh Chị hãy nêu khái niệm về hệ điện cơ và phân loại hệ điện cơ.

Trả lời: Hệ điện cơ là các hệ thống dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng và khống chế tự động cơ năng đó

Phần cơ bản của hệ điện cơ là hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện (ĐCTĐTĐĐ)

Trong đó :

 M là động cơ điện dùng để truyền động cho máy sản xuất MX

 BĐ là thiết bị biến đổi điện năng, toàn bộ các thiết bị trên được gọi là phần lực

 Các thiết bị đo lường ĐL

 Bộ điều chỉnh R được gọi là phần điều khiển

 Tín hiệu đầu vào hệ thống THĐ để điều khiển hệ thống được gọi là tín hiệu đặt (chủ đạo)

 NL là các tín hiệu nhiễu (nhiễu loạn) tác động lên hệ

Phân loại:

Phân loại theo động cơ truyền động:

- Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ một chiều

- Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ

- Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ xoay chiều đồng bộ

- Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ bước

…

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

- Hệ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh tương tự (analog)

- Hệ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh số (digital)

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

Phân loại theo cấu trúc hoặc thuật toán điều khiển:

- Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển thích nghi

- Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển mờ

…

Phân loại theo nhiệm vụ chung:

- Hệ ĐCTĐTĐĐ duy trì đại lượng điều chỉnh (đại lượng ra) theo lượng đặt trước không đổi Ví dụ: Hệ duy trì tốc độ, …

- Hệ ĐCTĐTĐĐ tùy động (hệ bám), là hệ điều khiển vị trí yêu cầu điều khiển tự động lượng ra theo lượng đặt biến thiên tùy ý Các hệ này thường gặp ở các các hệ truyền động quay anten, ra đa, cơ cấu ăn dao máy cắt gọn kim loại, …

- Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển chương trình, thực chất cũng là hệ điều khiển vị trí nhưng đại lượng điều chỉnh được điều khiển tự động tuân theo lượng đặt biến thiên theo một chương trình định trước Đại lượng điều chỉnh trong hệ thống này thường là các quỹ đạo chuyển động phức tạp trong không gian, cho nên cấu trúc của nó thường nhiều trục Chương trình điều khiển ở đây được mã hóa ghi vào bìa, băng từ, đĩa từ, … Chúng ta thường gặp các hệ điều khiển chương trình ở các trung tâm gia công cắt gọt kim loại, các dây chuyền sản xuất có robot Hệ điều khiển chương trình có cấu trúc phức tạp nhất và thường được thiết kế ở dạng điều khiển

số (NC Numeric Control) hoặc điều khiển số có sử dụng máy tính (CNC -Computer Numeric Control)

2, Trình bày về bộ biến đổi máy điện và hệ thống máy phát động cơ (Hệ F-Đ) Trả lời:

Động cơ điện xoay chiều ĐK (động cơ không đồng bộ hoặc động cơ đồng bộ) được cung cấp từ hệ thống điện áp xoay chiều ba pha của mạng điện công nghiệp,

ĐK quay và kéo máy phát điện một chiều F thực hiện quá trình biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều, điện áp một chiều trên đầu ra máy phát được dùng để cấp cho động cơ điện một chiều phải điều chỉnh tốc độ Đ Điều chỉnh dòng kích từ iKF của máy phát F là có thể thay đổi điện áp đầu ra U, từ đó điều chỉnh tốc độ quay n của động cơ Đ Hệ thống điều chỉnh tốc độ như vậy gọi tắt là hệ thống F-Đ, trên thế giới thường gọi là hệ thống Ward - Leonard Để cung cấp kích từ cho máy điện một chiều và động cơ điện, thường phải bố trí riêng một máy kích từ FK, có thể lắp đồng trục với tổ máy xoay chiều hoặc có thể dùng riêng một động cơ điện xoay chiều khác để dẫn động

Khi yêu cầu không cao về chất lượng điều khiển tốc độ của hệ thống, thì iKF

có thể được cấp điện trực tiếp bằng nguồn điện kích từ, khi có yêu cầu cao về chất

lượng điều tốc của mạch vòng kín thì thường phải sử dụng bộ khuếch đại để tiến hành điều khiển Bộ khuếch đại của hệ thống F-Đ thường dùng bộ khuếch đại điện

cơ (như máy điện khuếch đại từ trường ngang) và bộ khuếch đại từ; khi cần nâng cao hệ số khuếch đại, có thể bố trí thêm bộ khuếch đại điện tử làm bộ tiền khuếch đại Nếu thay đổi chiều của iKF thì cực tính U của máy phát và chiều quay n của động cơ đều thay đổi theo, vì vậy việc đảo chiều quay của động cơ trong hệ thống F-Đ rất dễ thực hiện Hình 2.2 biểu diễn họ các đường đặc tính cơ của hệ F-Đ ở chế độ làm việc có đảo chiều quay của động cơ Từ hình vẽ có thể thấy rằng, hệ thống F-Đ là hệ thống cho phép động cơ làm việc trong cả 4 góc toạ độ

Đã từng rất phổ biến ở thập kỷ 50, đến nay ở những nơi chưa đổi mới trang thiết bị vẫn còn dùng loại này Do hệ thống này sử dùng BBĐ gồm các thiết bị quay, ít nhất phải bao gồm hai máy điện quay tương đương dung lượng với động

cơ cần điều khiển tốc độ, ngoài ra còn phải dùng một máy phát kích từ, vì vậy thiết

bị nhiều, kích thước lớn, chi phí cao, hiệu suất thấp, phải có nền móng vững chắc, vận hành nhiều tiếng ồn, duy tu bảo dưỡng khá phức tạp Để khắc phục những nhược điểm trên, ở thập kỷ 50, với bộ chỉnh lưu thuỷ ngân (khi công suất lớn) và bóng tiristor (khi công suất nhỏ) đã cho ra đời thiết bị biến điện tĩnh thay thế cho

hệ thống BBĐ kiểu quay, và hình thành cái gọi là hệ thống truyền động ion Đến thập kỷ 60, nó lại nhường chỗ cho bộ chỉnh lưu tiristor vừa rẻ tiền vừa có độ tin cậy cao

3, So sánh ưu nhược điểm của hệ thống đảo chiều điều khiển độc lập và hệ thống đảo chiều điều khiển đảo chiều phối hợp

Trả lời:

chỉnh lưu làm việc nên không xuất hiện dòng cân bằng, nhờ đó không cần dùng các phần tử hạn chế và giảm tổn thất công suất

 Hệ thống đảo chiều điều khiển phối hợp phi tuyến có ưu điểm

là dòng cân bằng sinh

ra bởi chênh lệch thành phần xoay chiều điện áp ra hai sơ

đồ chỉnh lưu nhỏ đến giới hạn nào đó có thể loại bỏ dòng cân bằng

 độ tác động nhanh cao hơn hệ thống áp dụng phương pháp điều khiển độc lập

 Có thể làm việc được tất cả các chế độ hoạt động

thời gian dòng điện bằng không trong giai đoạn đảo chiều dòng nên làm xấu chất

 Khó khăn khi chọn giá trị tín hiệu điều khiển

 Với m giá trị tín hiệu điều khiển, có thể có nhiều giá trị điện áp

lượng quá trình quá

độ

 Hệ thống này khi đổi

chiều dòng do điều

chỉnh giảm tốc hoặc

đảo chiều có thể xuất

hiện xung dòng điện

khá lớn, đó là vì trong

giai đoạn chờ tín hiệu

ra của LG cho phép

mạch phát xung làm

việc, giá trị của phản

hồi dòng điện ui coi

như bằng không, trong

khi đó tín hiệu đặt

dòng điện có giá trị

khá lớn và có tác dụng

quyết định, nên khi

mạch phát xung của sơ

đồ chỉnh lưu cần được

đưa vào làm việc bắt

đầu thực hiện phát

xung thì góc điều

khiển của sơ đồ chỉnh

lưu này rất nhỏ và sơ

đồ làm việc ở chế độ

chỉnh lưu và động cơ

một chiều đặt vào phần ứng động cơ khác nhau, phụ thuộc vào quan hệ giữa điện

áp ra của hai sơ đồ chỉnh lưu và sức điện động động cơ và thường chỉ xuất hiện khi đổi chiều dòng động cơ

hãm ngược với dòng điện tăng lên rất lớn

4, Hãy vẽ sơ đồ hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều máy phát động cơ và hệ Tiristorr – Động cơ So sánh ưu nhược điểm của 2 hệ này

So sánh:

Ưu Hệ thống F-Đ là hệ thống

cho phép động cơ làm việc trong cả 4 góc toạ độ

Dễ dàng đảo chiều quay của động cơ

Độ tin cây cao , giá thành

rẻ, vận hành it tiếng ồn,

độ tin cậy cao

Có thể thực hiện điều chỉnh vô cấp (không có bước nhảy) vì công suất

ở bộ phận điều chỉnh thường rất nhỏ

Nhược Sử dụng ít nhất phải bao

gồm hai máy điện quay tương đương dung lượng với động cơ cần điều khiển tốc độ, ngoài ra

Không cho phép dòng điện chạy ngược chiều nên việc đảo chiều dòng gặp khó khan

Các hệ thống truyền động

còn phải dùng một máy

phát kích từ, vì vậy thiết

bị nhiều, kích thước lớn,

chi phí cao, hiệu suất

thấp, phải có nền móng

vững chắc, vận hành

nhiều tiếng ồn, duy tu

bảo dưỡng khá phức tạp

T-Đ xây dựng từ sơ đồ chỉnh lưu bán điều khiển chỉ cho phép vận hành trong 1 góc phần tư của

hệ toạ độ, các hệ thống truyền động T-Đ xây dựng từ sơ đồ chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn phần có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu, cho phép động cơ làm việc ở trạng thái hãm khi đảo chiều quay, vì thế có thể cho phép làm việc ở 2 góc phần tư của hệ toạ

độ Khi cần phải làm việc được ở cả 4 góc phần tư của hệ toạ độ (hình 2.4c), bắt buộc phải sử dụng BBĐ có đảo dòng dùng hai sơ đồ chỉnh lưu cùng loại điều khiển hoàn toàn mắc kiểu song song ngược hoặc đấu chéo Các tiristor rất nhạy cảm với trị số quá định mức của các đại lượng như

điện áp, dòng điện, tốc

độ biến thiên của điện áp du/dt và dòng điện di/dt

Mô men đập mạch gây bất lợi cho máy sản xuất Các sóng hài bậc cao trong dòng điện lưới ảnh hưởng đến dạng điện áp lưới, gây nhiễu cho các thiết bị khác đồng thời cũng làm cho động cơ phát nhiệt nhiều hơn

5, Trình bày cấu trúc hệ thống điều chỉnh tốc đọ 2 mạch vòng tốc độ quay và dòng điện

Trả lời:

R - Bộ điều chỉnh tốc độ quay

RI - Bộ điều chỉnh dòng điện

FT - Máy phát tốc;

FX - Mạch phát xung điều khiển các tiristor của BĐ

CBD - Cảm biến dòng điện,

ucđ - Điện áp chủ đạo (điện áp đặt tốc độ)

un (un=n) - Điện áp phản hồi tốc độ,

*

i

u - Điện áp đặt dòng điện

ui (ui=I) - Điện áp phản hồi âm dòng điện

Khâu điều chỉnh dòng điện nằm ở trong, gọi là mạch vòng trong, khâu điều chỉnh tốc độ quay ở bên ngoài, gọi là mạch vòng ngoài Như vậy là đã hình thành

hệ thống điều tốc hai mạch vòng tốc độ quay và dòng điện

Để đạt được chất lượng tĩnh và động cao, hai bộ điều chỉnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng thường dùng là bộ điều chỉnh PI

6, Các ưu nhược điểm của hệ thống xung điện áp – động cơ 1 chiều PWM Tại sao chúng ta phải sử dụng hệ điều tốc nhiều mạch vòng

Ưu: (1) Mạch lực (mạch điện chính) đơn giản, sử dụng ít dụng cụ công suất; (2) Tần số đóng cắt cao, dễ duy trì dòng điện liên tục, sóng hài ít, tổn hao và phát nhiệt của động cơ khá nhỏ;

(3) Có khả năng làm việc ở tốc độ thấp, độ chính xác cao, cho phạm vi điều tốc rộng;

(4) Độ tác động nhanh cao, khả năng chống nhiễu trạng thái động tốt;

(5) Tổn hao trên các linh kiện của mạch lực nhỏ nên hiệu suất thiết bị khá cao; (6) Để cấp nguồn cho BBĐ sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển nên có hệ số công suất cao

Nhược:

Vì: hệ thống điều chỉnh tốc độ vòng kín đơn dùng phản hồi âm tốc độ và bộ điều chỉnh PI có thể đảm bảo hệ thống ở trạng thái ổn định không có sai lệch Đối với hệ thống có yêu cầu chất lượng động cao, ví dụ yêu cầu khởi động, hãm giảm tốc nhanh, sai lệch tốc độ ở chế độ động động nhỏ, thì hệ thống một mạch vòng khó thoả mãn yêu cầu Điều này chủ yếu do trong hệ thống một mạch vòng không thể hoàn toàn khống chế dòng điện và mô men của quá trình động theo yêu cầu

7, Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi 1 chiều – một chiều thường sử dụng

Từ các biểu thức trên cho thấy: Muốn điều chỉnh giá trị trung bình điện áp trên tải

có thể thực hiện bằng việc điều chỉnh giá trị tđ, hoặc điều chỉnh Tck, hoặc điều chỉnh đồng thời cả tđ và Tck Phụ thuộc vào đại lượng được điều chỉnh, có ba phương pháp điều khiển sau:

 Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung hay còn gọi là điều chế độ rộng xung

và viết tắt từ tiếng Anh là PWM (Pulse Width Modulation): Giữ nguyên thời gian một chu kỳ đóng cắt Tck = tđ + tc và điều chỉnh thời gian đóng tđ, tức

là điều chỉnh độ rộng xung  BBĐ áp dụng phương pháp điều khiển này thường được gọi là BBĐ PWM

 Phương pháp điều chỉnh tần số xung hay còn gọi là điều chế tần số xung và viết tắt từ tiếng Anh là PFM (Pulse Frequency Modulation): Giữ nguyên thời gian đóng tđ, điều chỉnh thời gian chu kỳ Tck, cũng tức là điều chỉnh tần số đóng cắt f

 Điều khiển kiểu hai điểm: Đây là phương điều khiển giữ cho dòng tải chỉ dạo động trong một giới hạn xác định tùy vào chế độ làm việc cụ thể Khi dòng điện phụ tải nhỏ hơn một giá trị giới hạn dưới nào đó điều khiển đóng

K, dẫn đến dòng điện tải sẽ tăng và khi dòng điện tải đạt tăng đạt tới một giá trị giới hạn trên nào đó, thực hiện cắt K, dòng tải giảm, và khi dòng tải giảm xuống bằng giá trị giá trị giới hạn dưới lại điều khiển đóng lại K, … Thời gian đóng, thời gian cắt và tần số đóng cắt của K thay đổi theo giá trị dòng tải và đặc tính tải

8, Nêu cac phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bọ 3 pha? Phân loại các phương pháp điều tốc theo góc độ chuyển đổi năng lượng

(1) Điều tốc giảm điện áp;

(2) Điều tốc sử dụng bộ ly hợp trượt điện từ;

(3) Điều tốc điện trở nối tiếp mạch rotor động cơ dây quấn động cơ không đồng bộ;

(4) Điều tốc nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây quấn;

(5) Điều tốc thay đổi số đôi cực;

(6) Điều tốc bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn (điều tốc biến tần); Phân loại các phương pháp điều tốc theo góc độ chuyển đổi năng lượng:

1) Hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trượt - toàn bộ công suất trượt chuyển thành nhiệt năng tiêu hao mất Ba phương pháp điều tốc (1), (2), (3) kể trên đều thuộc về loại này Hiệu suất của các hệ thống điều tốc loại này là thấp nhất và chấp nhận tổn thất công suất để đổi lấy việc giảm tốc độ quay (lúc mômen phụ tải không đổi), tốc độ càng xuống thấp thì hiệu suất càng giảm, nhưng cấu trúc của hệ thống này là đơn giản nhất, vì thế nó vẫn được dùng trong một số trường hợp

2) Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh - một bộ phận của công suất trượt bị tiêu hao đi, phần lớn còn lại nhờ có thiết bị chuyển đổi được trả về mạng điện hoặc

chuyển hoá thành cơ năng để dùng vào việc có ích khác, lúc tốc độ quay càng thấp công suất thu hồi cũng càng nhiều, phương pháp điều tốc thứ (4) đã kể trên là thuộc loại này Hiệu suất của hệ thống điều tốc loại này rõ ràng là cao hơn loại thứ (1) nhưng phải thêm thiết bị biến đổi và phải tiêu hao một phần công suất trong nó 3) Hệ thống điều tốc công suất trượt không thay đổi - trong hệ thống này không tránh khỏi tiêu hao công suất trên dây quấn rotor, nhưng sự tiêu hao công suất trượt hầu như không phụ thuộc vào tốc độ cao hay thấp, vì thế hiệu suất khá cao Phương pháp điều tốc thứ (5) và thứ (6) kể trên là thuộc loại này, trong đó phương pháp thay đổi số đôi cực là là phương pháp điều chỉnh có cấp, ít dùng Chỉ

có điều tốc biến tần được ứng dụng rộng rãi nhất, cho phép xây dựng được các hệ thống điều tốc xoay chiều có chất lượng cao, có thể thay thế cho hệ điều tốc động

cơ một chiều và do đó được phát triển mạnh nhất

9, Trình bày sơ đồ nguyên lý và đặc tính tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ động

cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha bằng phương pháp điều chỉnh điện áp cáo cho mạch stator có phản hồi âm tốc độ và bộ điều chỉnh là khâu PI

R là bộ điều chỉnh thường bộ điều chỉnh sẽ sử dụng PI

FX là khối phát xung

FT là máy phát tốc

BĐXC là bộ biến đối xoay chiều hay là bộ chỉnh lưu

ĐK là động cơ xoay chiều không động bộ

udk là điện áp điều khiển

Un là điện áp đầu vào

Đường đặc tính tĩnh trên hình b là đặc tính cơ của hệ thống điều tốc mạch vòng kín ứng với hình nguyên lý Nếu mô men phụ tải là Mc, điểm làm việc là điểm A, khi phụ tải tăng lên dẫn tới tốc độ giảm xuống, thì tác dụng của điều khiển phản hồi có thể nâng cao điện áp mạch stator, động cơ chuyển đến điểm làm việc mới A' trên đường đặc tính cơ ứng với giá trị điện áp stator mới Cũng lý luận như thế, khi phụ tải giảm xuống, cũng có thể tìm được điểm làm việc mới A'' với điện

áp thấp của stator Theo quy luật điều khiển phản hồi, nối các điểm A, A', A'' sẽ được đường đặc tính tĩnh của hệ thống mạch vòng kín Dù cho đường đặc tính cơ mạch vòng hở của động cơ không đồng bộ khác biệt khá nhiều so với đặc tính mạch vòng hở của động cơ một chiều, nhưng đặc tính cơ của hệ thống mạch vòng kín có đoạn rất giống nhau Mặc dù đặc tính cơ động cơ mômen không đồng bộ xoay chiều là rất mềm, nhưng đặc tính cơ tĩnh của hệ thống mạch vòng kín được quyết định bởi hệ số khuếch đại hệ thống lại có độ cứng rất lớn Nếu sử dụng bộ điều chỉnh PI, cũng có thể đạt được vô sai tĩnh Thay đổi tín hiệu cho trước u*n

(ucđ) đường đặc tính tĩnh sẽ di trượt lên xuống thực hiện mục đích điều tốc