Bài giảng tổng hợp hệ điện cơ (chương 3)

Đặt vấn đề Hình 3.1: Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của động cơ trong quá trình khởi động hệ thống điều chỉnh tốc độ a/ Quá trình khởi động hệ thống điều chỉnh tốc độ một mạch vòng với

Chương 3:

Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

nhiều mạch vòng 3.1 Hệ điều chỉnh tốc độ với hai mạch vòng phản hồi âm tốc độ và dòng điện

3.1.1 Đặt vấn đề

Trong chương 2 đ chỉ rõ, hệ thống điều chỉnh tốc độ vòng kín ã

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

3.1 Hệ điều chỉnh tốc độ với hai mạch vòng phản hồi âm tốc độ và dòng điện

3.1.1 Đặt vấn đề

Hình 3.1: Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của động cơ trong quá trình khởi

động hệ thống điều chỉnh tốc độ a/ Quá trình khởi động hệ thống điều chỉnh tốc độ một mạch vòng với phản hồi âm dòng điện có ngắt

3.1.2 Cấu trúc hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng tốc độ quay và dòng điện

Hỡnh 3.2: Hệ thống điều tốc hai mạch vũng tốc độ quay và dũng điện:

Rω - Bộ điều chỉnh tốc độ quay; R I - Bộ điều chỉnh dũng điện; FT - Mỏy phỏt tốc;

FX - Mạch phỏt xung điều khiển cỏc tiristor của BĐ; CBD - Cảm biến dũng điện,

u cđ - Điện ỏp chủ đạo (điện ỏp đặt tốc độ); u n (u n =γn) - Điện ỏp phản hồi tốc độ,

3.1.2 Cấu trúc hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng tốc độ quay và dòng điện

Hỡnh 3.3: Sơ đồ nguyờn lý mạch điện hệ thống điều chỉnh

∼

BĐ FX

CK

FT

+ -

+ -

3.1.3 Sơ đồ cấu trúc của hệ ở trạng thái ổn định và đường đặc

Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định của hệ thống điều chỉnh tốc

độ hai mạch vòng âm tốc độ và âm dòng điện

3.1.3 Sơ đồ cấu trúc của hệ ở trạng thái ổn định và đường đặc tính tĩnh

Trên thực tế, khi làm việc bình thường, bộ điều chỉnh dòng

điện không bao giờ đạt tới trạng thái b o hoà Vì vậy, đối với đường ã

đặc tính mà nói, chỉ có hai vùng ứng với hai trường hợp là bộ điều chỉnh tốc độ quay b o hoà và không b o hoà ã ã

3.1.3.1 Bộ điều chỉnh tốc độ quay không b o hoà ã

Lúc này, cả hai bộ điều chỉnh đều không b o hoà, khi ổn định, điện ã

áp chênh lệch đầu vào đều bằng 0 Vì vậy:

3.1.3 Sơ đồ cấu trúc của hệ ở trạng thái ổn định và đường đặc tính tĩnh

3.1.3.2 Bộ điều chỉnh tốc độ quay b o hoà ã

Lúc này, đầu ra của Rω đạt tới giá trị giới hạn biên độ , mạch vòng ngoài của tốc độ quay trở thành mạch hở, sự thay đổi của tốc

độ quay không còn ảnh hưởng đối với hệ thống Hệ thống hai mạch vòng biến thành hệ thống một mạch vòng không có sai lệch tĩnh đối với dòng điện Lúc ổn định:

trong đó: dòng điện lớn nhất Idmax là do người thiết kế chọn, phụ thuộc vào năng lực quá tải cho phép của động cơ và và trị số lớn nhất gia tốc cho phép của hệ thống truyền động điện Đường đặc tính tĩnh lúc này là đoạn A - Idmax trên hình 3.5

3.1.3 Sơ đồ cấu trúc của hệ ở trạng thái ổn định và đường đặc tính tĩnh

3.1.3.2 Bộ điều chỉnh tốc độ quay b o hoà ã

Đường đặc tính thẳng đứng như vậy chỉ phù hợp với tình huống n <

n0, bởi vì nếu n > n0 thì , Rω sẽ ra khỏi trạng thái b o hoà ã

Hình 3.5: Đặc tính tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng

3.1.4 Tính toán các tham số ở trạng thái ổn định

Từ hình 3.4 có thể thấy, hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín ở trạng thái làm việc ổn định, khi hai bộ điều chỉnh đều không b o hoà, giữa các đại lượng có các mối quan hệ sau: ã

β =

3.2 Chất lượng động của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng

* i

U

3.2.2 Phân tích quá trình khởi động

Phần trước đ chỉ ra rằng, mục đích quan trọng của việc điều ã khiển hai mạch vòng kín chính là để nhận được quá trình khởi động gần với lý tưởng (hình 3.1b), vì vậy khi phân tích chất lượng động của

hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng, trước tiên phải hiểu rõ quá trình khởi động của nó Để khảo sát hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng ta giả thiết: khi động cơ đang đứng yên đột ngột đặt vào đầu vào điện áp ucđ=conts để khởi động, quá trình quá độ của dòng điện và tốc độ quay được thể hiện trên hình 3.7 Bởi vì trong quá trình khởi động bộ điều chỉnh R ω trải qua ba giai đoạn: không

b o hoà, b o hoà, thôi b o hoà, trên hình vẽ được đánh dấu bằng các ã ã ã

đường I, II, và III.

3.2.2 Phân tích quá trình khởi động

Giai đoạn đầu, đoạn 0 ữ t1, là giai đoạn điện áp tăng lên Sau khi tác động điện áp đặt ucđ dạng nhảy cấp, thông qua tác động điều khiển của hai bộ điều chỉnh làm cho uđk, Eb (hay Ud), Id đều tăng lên, khi Id > Ic động cơ điện bắt đầu tăng tốc Do quán tính cơ của động cơ, quá trình tăng của tốc độ động cơ không thể đột biến, cho nên chênh lệch điện áp đầu vào ∆ uv = ucđ - un của bộ điều chỉnh tốc độ quay R ω là khá lớn, đầu ra của nó nhanh chóng đạt tới giá trị biên (b o hòa), dòng điện I ã d cũng được cưỡng bức tăng lên nhanh chóng.

Khi Id ≈ Idmax thì , tác dụng của bộ điều chỉnh dòng điện làm cho Id không thể tiếp tục tăng mạnh, chứng tỏ quá trình này đang kết thúc Trong giai đoạn này, Rω từ chưa b o hoà đ nhanh chóng đạt ã ã

đến b o hoà, còn R ã I thường không b o hoà để đảm bảo cho tác dụng ã

điều chỉnh của mạch vòng dòng điện.

giai đoạn này, tốc độ quay đ đạt đến ã

trị số cho trước, đại lượng cho trước

(tín hiệu đặt hay điện áp chủ đạo) và

điện áp phản hồi của bộ điều chỉnh

cân bằng nhau, chênh lệch điện áp

đầu vào bằng 0, nhưng đầu ra do tác

dụng của khâu tích phân vẫn duy trì trị

Hình 3.7: Đồ thị tốc độ quay và dòng điện của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng

3.2.2 Phân tích quá trình khởi động

số biên, cho nên động cơ với dòng điện cực đại vẫn tăng tốc, làm cho tốc độ quay vượt quá giá trị đặt (quá điều chỉnh) Sau khi tốc độ quay vượt quá giá trị đặt, ở đầu ra của Rω xuất hiện chênh lệch điện

áp âm, làm cho nó thoát khỏi trạng thái b o hoà, điện áp đầu ra của ã

nó (cũng là điện áp cho trước của RI) cũng lập tức từ giá trị biên (b o hòa) giảm xuống, dòng điện mạch chính I ã d cũng theo đó mà giảm xuống Nhưng vì Id vẫn lớn hơn dòng điện phụ tải Ic trong một khoảng thời gian nên tốc độ quay vẫn tiếp tục tăng Đến lúc Id = Ic, mô men động cơ M cân bằng mô men cản Mc (M = Mc), thì dn/dt = 0, tốc độ quay n đạt tới giá trị cực đại (tại thời điểm t = t3) Tiếp sau, dư

ới tác dụng của mô men phụ tải, động cơ điện bắt đầu giảm tốc, tư

ơng ứng với nó, xuất hiện một giai đoạn ngắn dòng điện Id nhỏ hơn

Ic cho tới khi ổn định (giả thiết các tham số bộ điều chỉnh đ được ã

* i

u

3.2.2 Phân tích quá trình khởi động

điều chỉnh tốt) Trong giai đoạn điều chỉnh cuối cùng, Rω và RI đều không b o hoà và tác động đồng thời Bởi vì mạch vòng điều chỉnh ã tốc độ quay là vòng ngoài, Rω đóng vai trò chủ đạo, còn tác dụng của RI là đảm bảo sao cho Id nhanh chóng bám lượng đầu ra ui* của

3.2.2 Phân tích quá trình khởi động

Hình 3.8: Đồ thị dòng điện khi khởi

động không tải của hệ thống điều chỉnh

điện đầu ra của bộ chỉnh lưu

bán dẫn tiristor chỉ đi theo một

chiều, do vậy, với hệ thống điều

3.2.3 Tính năng và tác dụng của hai bộ điều chỉnh ở trạng thái

động tốt, bám sát đặc tính yêu cầu Trong quá trình giảm tốc, vì đặc tính dòng điện động cơ không đảo chiều nên khả năng bám kém, bị sai lệch; đối với mạch vòng dòng điện, khi thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có tính năng bám tốt.

3.2.3 Tính năng và tác dụng của hai bộ điều chỉnh ở trạng thái

động

3.2.3.2 Tính năng chống nhiễu trạng thái động

1)Chống nhiễu phụ tải

Từ sơ đồ cấu trúc trạng thái động hình 3.6 có thể thấy, nhiễu phụ tải tác động phía sau mạch vòng dòng điện, chỉ có thể dùng bộ

điều chỉnh tốc độ quay để thực hiện chống nhiễu Vì vậy, lúc đột ngột tăng tải (hoặc giảm tải), tất nhiên sẽ dẫn tới trạng thái giảm (hoặc tăng) tốc độ Để giảm lượng sụt (hoặc lượng tăng) tốc độ ở trạng thái

ổn định, khi thiết kế Rω cần phải yêu cầu hệ thống có chỉ tiêu chất lư ợng chống nhiễu tốt Đối với việc thiết kế RI mà nói, chỉ cần mạch vòng dòng điện có chất lượng bám tốt là được

2)Chống nhiễu điện áp mạng điện (lưới)

Hình 3.9: Tác dụng chống nhiễu trạng thái động của hệ thống điều tốc

T s 1 +

2)Chống nhiễu điện áp mạng điện (lưới)

Do nhiễu của điện áp mạng bị bao bọc bởi mạch vòng dòng

điện, lúc điện áp dao động, có thể thông qua phản hồi dòng điện để

được điều chỉnh kịp thời, không cần phải chờ sau khi có phản hồi tốc

độ tác động hệ thống mới có phản ứng Vì vậy trong hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín, lượng sụt tốc độ ở trạng thái động của hệ thống giảm đi nhiều so với hệ thống một mạch vòng

3.2.3.3 Tác dụng của hai bộ điều chỉnh

Tổng hợp các phân tích trên, tác dụng của bộ điều chỉnh tốc

độ quay và bộ điều chỉnh dòng điện trong hệ thống điều khiển tốc độ hai mạch vòng kín được quy về mấy điểm sau đây:

1) Tác dụng của bộ điều chỉnh tốc độ quay:

(a) Làm cho tốc độ quay n bám nhanh theo sự thay đổi điện áp cho trư

ớc u cđ , không có sai lệch tĩnh,

(b) Có tác dụng chống nhiễu đối với sự thay đổi của phụ tải,

(c) Trị số biên ở đầu ra của nó quyết định dòng điện lớn nhất cho phép.

2) Tác dụng của bộ điều chỉnh dòng điện:

(a) Chống nhiễu kịp thời khi khởi động đối với dao động điện áp mạng, (b) Bảo đảm nhận được dòng điện lớn nhất cho phép khi khởi động,

(c) Trong quá trình điều chỉnh tốc độ quay, làm cho dòng điện bám theo

sự thay đổi điện áp cho trước u cđ ,

(d) Lúc động cơ bị quá tải thậm chí bị kẹt, hạn chế được dòng điện lớn nhất của phần ứng, nhờ đó thực hiện được chức năng bảo vệ an toàn khi khởi động nhanh Nếu sự cố được giải trừ thì hệ thống tự động khôi phục sự làm việc bình thường.

3.2.3 Tính năng và tác dụng của hai bộ điều chỉnh ở trạng thái

động

3.2.3.4 Vấn đề thiết kế bộ điều chỉnh

Cũng giống như hiệu chỉnh trạng thái động hệ thống điều chỉnh tốc

độ một mạch vòng đ trình bày ở trên, bộ điều chỉnh của mỗi mạch vòng ã

điều khiển đều có thể dùng đồ thị Bode với việc dựa vào phương pháp hiệu chỉnh nối tiếp để thiết kế Vấn đề là, hai mạch vòng điều khiển tốc độ quay

và dòng điện đan lồng vào nhau, phải giải quyết như thế nào? Đối với hệ thống điều khiển nhiều mạch vòng như vậy, phương pháp chung là, trước tiên thiết kế mạch vòng trong, sau đó thiết kế mạch vòng ngoài Hay nói cách khác, trước tiên thiết kế xong bộ điều chỉnh mạch vòng trong, sau đó coi toàn bộ mạch vòng trong là một khâu của hệ thống mạch vòng ngoài, rồi lại thiết kế bộ điều chỉnh mạch vòng ngoài, cứ thế từng vòng từng vòng phát triển ra ngoài và hoàn thành thiết kế hoàn chỉnh các bộ điều chỉnh

3.3 Phương pháp thiết kế kỹ thuật bộ điều chỉnh

Nguyên tắc phải tuân theo để xây dựng phương pháp thiết kế ứng dụng là:

(1) Về lý luận, các khái niệm phải rõ ràng, dễ hiểu, (2) Công thức tính đơn giản rõ ràng, dễ nhớ, hết sức tránh rư

3.3 Phương pháp thiết kế kỹ thuật bộ điều chỉnh

3.3.1 Các bước thiết kế kỹ thuật

Bước 1: Chọn kết cấu bộ điều chỉnh, bảo đảm hệ thống ổn

định, đồng thời bảo đảm độ chính xác trạng thái ổn định.

Bước 2: Chọn các tham số bộ điều chỉnh để thoả m n chỉ tiêu ã chất lượng động.

Khi chọn cấu trúc bộ điều chỉnh, chỉ dùng một số ít các hệ thống điển hình, quan hệ giữa tham số và chỉ tiêu chất lượng hệ thống của nó đều có thể xác định trước Lúc tính toán cụ thể các tham số, chỉ cần dựa theo các công thức có sẵn và số liệu trong các bảng là có thể xác định được Như vậy, đ làm cho việc thiết kế được ã quy chuẩn hoá, giảm được khối lượng các tính toán

3.3 Phương pháp thiết kế kỹ thuật bộ điều chỉnh

3.3.2 Các hệ thống điển hình

Nói chung hàm số truyền mạch hở của rất nhiều hệ thống

điều khiển đều có thể dùng công thức sau để biểu diễn :

r

K( s 1)( s 1)W(s)

s (T s 1)(T s 1)

τ + τ +

=

thừa số sr của mẫu số biểu thị hệ thống có r điểm cực trùng gốc tọa

độ, hay nói cách khác, hệ thống có chứa r khâu tích phân Dựa vào r

= 0, 1, 2, các trị số khác nhau, lần lượt đặt tên là hệ thống loại 0, loại I , loại II, Lý thuyết điều khiển tự động đ chứng minh được hệ ã thống loại 0 lúc ổn định có sai số, còn hệ thống loại III trở lên thì rất khó ổn định Vì vậy thông thường, để bảo đảm tính ổn định, và độ chính xác trạng thái ổn định, phần lớn dùng hệ thống loại I và II.

Cấu trúc của hệ thống loại I và II cũng có rất nhiều kiểu, ta chỉ chọn xét một số điển hình trong số đó.

3.3 Phương pháp thiết kế kỹ thuật bộ điều chỉnh

3.3.2 Các hệ thống điển hình

3.3.2.1 Hệ thống điển hình loại I

C(s) -

R(s)

a

Hình 3.10: Hệ thống điển hình loại I a/ sơ đồ cấu trúc mạch vòng kín

b/ đường đặc tính tần số lôgarit mạch vòng hở

L(dB)

-20dB/dec

ω (s -1 ) -40dB/dec

ϕ ( 0 )

ω (s -1 )

0 0 -90 0 -180 0

-135 0 b

K s(Ts 1) +

s(Ts 1)

=

+

3.3 Phương pháp thiết kế kỹ thuật bộ điều chỉnh

hoặc: hay: tg-1ωcT < 450

Độ đự trữ ổn định góc pha ∆ϕ =1800 - 900-tg-1ωcT=900-tg-1ωcT > 450.

c

1 T

ω < ω <cT 1

3.3 Phương pháp thiết kế kỹ thuật bộ điều chỉnh

3.3.2 Các hệ thống điển hình

3.3.2.2 Hệ thống điển hình loại II

Sơ đồ cấu trúc hệ thống mạch vòng kín và đường đặc tính tần số logarit mạch vòng hở của nó thể hiện trên hình 2.11, đoạn trung tần của

đặc tính cắt trục hoành cũng với độ dốc -20dB/dec Do mẫu số có chứa s 2 ,

đặc tính tần số pha tương ứng là -180 0 , phía sau còn có một khâu quán tính (đó là tồn tại tất yếu của hệ thống thực tế), nếu ở tử số không có khâu vi phân tỷ lệ (τs+1), thì không thể nâng được đường đặc tính tần pha lên phía trên đường -180 0 , cũng không còn cách nào bảo đảm hệ thống ổn định Muốn thực hiện được đường đặc tính như trên hình 3.11b, rõ ràng là phải có:

3.3 Phương pháp thiết kế kỹ thuật bộ điều chỉnh

3.3.2 Các hệ thống điển hình

3.3.2.2 Hệ thống điển hình loại II

Hình 3.11: Hệ thống điển hình loại II a/ Sơ đồ cấu trúc mạch vòng kín

b/ Đường đặc tính tần số logarit mạch vòng hở

L(dB)

-20dB/dec

ω (s -1 ) -40dB/dec

ωc 1/T

ϕ ( 0 )

ω (s -1 )

0 0 -90 0 -180 0

b

1/ τ1C(s)

R(s)

1 2

K( s 1)

s (Ts 1)

τ + +

a

3.3 Phương pháp thiết kế kỹ thuật bộ điều chỉnh

3.3.3 Chỉ tiêu chất lượng động của hệ

Yêu cầu công nghệ của máy công tác đối với hệ thống điều khiển

được thể hiện bằng các chỉ tiêu chất lượng trạng thái ổn định và trạng thái

động Chỉ tiêu chất lượng trạng thái động của hệ thống điều khiển tự động bao gồm hai loại chỉ tiêu: tính năng bám và khả năng chống nhiễu.

3.3.3.1 Chỉ tiêu tính năng bám

Dưới tác dụng của tín hiệu cho trước (tín hiệu đặt hay chủ đạo) R(t),

sự thay đổi lượng đầu ra C(t) của hệ thống có thể dùng chỉ tiêu chất lượng bám để mô tả Với phương trình biểu diễn sự thay đổi tín hiệu đầu vào khác nhau, đáp ứng ở đầu ra cũng không giống nhau Thường lấy giá trị đầu ra ban đầu bằng không và tín hiệu đặt đầu vào dạng bước nhảy để làm quá trình bám điển hình, sự thích nghi trạng thái động lúc đó gọi là sự thích nghi bước nhảy Chỉ tiêu chất lượng bám cụ thể gồm các hạng mục sau đây:

3.3.3.1 Chỉ tiêu tính năng bám

(1) Thời gian tăng t r (còn gọi là tốc độ đáp ứng)

(2) Lượng quá điều chỉnh σmax %

(3) Thời gian điều chỉnh t s

C(t)

0

CmaxC(∞)

3.3.3.2 Chỉ tiêu tính năng chống nhiễu

(1) Lượng giảm trạng thái động (ở đầu ra) ∆C max %

(2) Thời gian hồi phục t v

3.3 Phương pháp thiết kế kỹ thuật bộ điều chỉnh

3.3.4 Quan hệ giữa các tham số và chỉ tiêu chất lượng của hệ thống điển hình loại I

Sau khi đ xác định được cấu trúc của hệ thống điển hình (như hệ ã thống loại I và loại II), việc đầu tiên là phải tìm được mối quan hệ giữa tham

số và chỉ tiêu chất lượng của hệ thống, nghĩa là, phải tìm được công thức tính toán tham số và các bảng biểu thể hiện chất lượng của hệ thống để tiện cho việc ứng dụng thiết kế kỹ thuật.

Bây giờ ta h y xem xét hệ thống điển hình loại I, trong hàm số ã truyền mạch vòng hở của nó có hai tham số, là hệ số khuếch đại K và hằng

số thời gian T Trên thực tế, hằng số thời gian T luôn là tham số mà bản thân đối tượng điều khiển có sẵn (đặt ra trước), chỉ còn một tham số là hệ

số khuếch đại K cần được xác định theo hệ thống Vì vậy phải tìm ra quan

hệ giữa chỉ tiêu chất lượng và giá trị K.

3.3.4 Quan hệ giữa các tham số và chỉ tiêu chất lượng của hệ thống điển hình loại I

Từ hình 3.14 có thể thấy, tại điểm ω = 1, giá trị của L(ω) hệ thống

1T

3.3.4 Quan hệ giữa các tham số và chỉ tiêu chất lượng của hệ thống điển hình loại I

Từ hình 3.14 có thể thấy, tại điểm ω = 1, giá trị của L(ω) hệ thống

Bảng 3.1: Sai số trạng thái ở ổn định của hệ thống loại I dưới tác dụng của

các loại tín hiệu khác nhau

3.3.4.1 Quan hệ giữa chỉ tiêu chất lượng bám của hệ thống và tham số K (2) Chỉ tiêu chất lượng bám trạng thái động

2 n

3.3.4.1 Quan hệ giữa chỉ tiêu chất lượng bám của hệ thống và tham số K (2) Chỉ tiêu chất lượng bám trạng thái động

Theo phần trước, v i hệ thống điển hình loại I, KT < 1, nên ớ ξ > 0,5.

Do tính chất của hệ thống bậc 2 ta biết, khi ξ <1, sự thích ứng trạng thái động của hệ thống là đường đặc tính dao động tắt dần (khuyết cản); khi

ξ >1,không dao động (quá cản), khi ξ = 1, là trạng thái tới hạn Do khi ξ >1,

hệ thống phản ứng quá chậm, nên thường thiết kế hệ thống với:

0,5 < ξ < 1

Bảng 3.2: Quan hệ giữa chỉ tiêu chất lượng bám trạng thái động và các tham số của hệ thống điển hình loại I [Quan hệ giữa ξ và K, T theo hệ thức (3.16)]

H×nh 3.15: HÖ thèng ®iÓn h×nh lo¹i I chÞu t¸c dông nhiÔu

C(s)= ∆ C(s) -

tố quan trọng Chỉ tiêu chất lượng chống nhiễu định lượng nào đó chỉ thích hợp với một điểm tác dụng nhiễu nhất định nào đó mà thôi Điều đó làm cho việc phân tích tính chống nhiễu càng phức tạp.

2NK T(Ts 1) C(s)