Tự động hóa và điều chỉnh thiết bị điện (chương 5)

EBĐ - điện áp bộ biến đổi;UV - tín hiệu đặt đa vào hệ thống điều khiển; I - dòng điện phần ứng đông cơ; r - điện trở phần ứng đông cơ; rBĐ - điện trở bộ biến đổi; kBĐ - hệ số khuếch đại

Chơng 5: Các bộ điều khiển tác động liên tục.(15 tiết)

5.1 Các chỉ tiêu điều khiển.

Mọi hệ thống tự động điều khiển đều phải đáp ứng các yêu cầu chung

nh đã nêu ở chơng 1 Đối với hệ thống kín còn có thêm hàng loạt yêu cầu cụ thể khác tùy thuộc dây chuyền công nghệ, chế độ làm việc của các máy móc công nghiệp Trong số đó, quan trọng nhất là các yêu cầu về đảm bảo các

đặc tính tĩnh và động của hệ thống Những yêu cầu này đợc quyết định bởi việc lựa chọn sơ đồ cấu trúc và các thông số của hệ thống

Y Y

Y

Y+

=

γ

trong đó : Yi - thông số điều chỉnh ổn định đạt đợc ở cấp thứ i;

Yi+1 - thông số điều chỉnh ổn định đạt đợc ở cấp thứ i+1

Hệ điều chỉnh vô cấp khi

i

1 i Y

Y+

=

γ → 1, là hệ điều chỉnh có thể làm việc với thông số điều chỉnh ổn định trong suốt dải điều chỉnh

Hệ điều chỉnh có cấp, khi nó chỉ làm việc ổn định ở một số giá trị điều chỉnh nhất định nào đó

Dải điều chỉnh là tỷ số giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của thông số

điều chỉnh

1

Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải là sự tơng tích

của đặc tính điều chỉnh với đặc tính tải Đặc tính điều chỉnh cần bám sát yêu cầu của đặc tính tải

Chỉ tiêu kinh tế thể hiện ở vốn đầu t ban đầu, chi phí vân hành hệ thống

và hiệu quả do phơng pháp điều chỉnh đem lại Trong chi phí vân hành thì tổn thất năng lợng khi biến đổi và điều chỉnh đóng vai trò quan trọng, ngoài

ra hệ số công suất cosϕ của hệ thống cũng góp phần ảnh hởng không nhỏ

đến chi phí vân hành

Các chỉ tiêu khác, trong từng trờng hợp cụ thểcó thể dùng những chỉ

tiêu khác để đánh giá chất lợng một hệ thống điều chỉnh, ví dụ: khả năng tự

động hóa, độ linh hoạt khi điều chỉnh Việc đánh giá chung một hệ thống

tự động điều chỉnh là bài toán tối u đa mục tiêu, tùy từng trờng hợp cụ thể có thế chọn ra các u tiên để quyết định lựa chọn các phơng án điều chỉnh

2 Các chỉ tiêu động.

Đặc tính động của các hệ thống kín trong các quá trình khởi động, điều chỉnh các thông số nói lên sự biến thiên các đại lợng điều chỉnh theo thời gian Đặc tính điển hình đợc vẽ định tính dới dạng nh hình ctd

Đờng cong quá độ đai lợng

điều chỉnh hình ctd có đợc là do tín

hiệu điều chỉnh đa tới dới dạng

xung tại thời điểm t = 0 (hàm của

tín hiệu điều chỉnh dạng ∆X.1(t) -

tín hiệu vào bằng 0 khi t<0, bằng

∆X khi t>0) Đánh gía chất lợng

theo đặc tính động theo các chỉ

tiêu: tác động nhanh, quá điều

chỉnh, số lần dao động

Tác động nhanh hay thời gian quá độ của hệ thống đợc tính là khoảng

thời gian tQĐ mà trong khoảng thời gian đó hoàn thành đợc bất đẳng thức:

Y

Y ) t ( y Y

2

Tr 48 Zimin

y

t2a

t KĐ

t max

Y BĐ

Y

Thông thờng chọn a = 0,03 - 0,05, nghĩa là quá độ đợc coi là kết thúc khi ∆y(t) lệch khỏi giá trị xác lập của đại lợng điều chỉnh ∆Y không quá 3-5%

Lợng qúa điều chỉnh là tỷ số giữa biên độ lớn nhất với giá trị xác lập

của đại lợng điều chỉnh

100 Y

Y Y

100 Y

Số lần dao động của đại lợng điều chỉnh trong thời gian quá độ là số

lần đại lợng điều chỉnh đi qua đại lợng xác lập, nó xác định mức độ tắt dần của dao động Thờng số lần dao động nên chọn nhỏ hơn 3 Việc giới hạn số lần dao động nhằm hạn chế khả năng xuất hiện cộng hởng của hệ thống

5.2 Nâng cao ổn định tĩnh của hệ thống.

5.2.1 Sơ đồ khối mạch ổn định tĩnh của hệ thống

Muốn nâng cao độ ổn định tĩnh và động của hệ thống cần có các phản hồi theo sơ đồ khối hình o1

Đối tợng đợc điều khiển từ một bộ điều khiển Tín hiệu điều khiển Xđk

đợc lấy từ tổng đại số tín hiệu đặt Xđặt và tín hiệu phản hồi Xph (Xđk = Xđặt +

Xph) Tìn hiệu phản hồi đợc lấy từ thông số đầu ra Khi có sự thay đổi của thông số đầu ra mà tín hiệu đặt không thay đổi, tín hiệu điều khiển tự động thay đổi theo thông số đầu ra Sự thay đổi này của tín hiệu điều khiển làm tự

động điều chỉnh tín hiệu ra (Y)

Các thông số điều chỉnh của hệ thống thiết bị điện thờng gặp là tốc độ quay, điện áp, dòng điện, moment và công suất động cơ một và xoay chiều hay các thông số khác Dới đây nghiên cứu một số khâu điển hình nhằm giữ

Các bộ điều khiển thờng làm nhiệm vụ biến đổi năng lợng, do đó ta coi các bộ điều khiển này là các bộ biến đổi (BĐ) Các bộ biến đổi có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu, nó đợc đặc trng bằng hệ số khuếch đại KBĐ, hệ số này là một hàm (kBĐ(Uđk)) các biến vào, ra của hệ thống Sự thay đổi này thờng kà một đờng cong phi tuyến, do đó trong nhiều trờng hợp ngời ta hay coi nó không đổi Đặc điểm thứ hai của các bộ biến đổi là nó có điện trở ra, điện trở này gây tổn hao bên trong bộ biến đổi ở chế độ động bộ biến có thể xem nh một khâu không quán tính hay quán tính dao động theo chu kì hay không theo chu kì Các hằng số thời gian của các bộ biến đổi cũng phụ thuộc các biến vào, ra.

Phần tử điển hình của các hệ thống thiết bị điện là động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở chế độ động, khi điều khiển bằng điện áp phần ứng

là một khâu dao động Máy phát tốc là một khâu không trễ, có điện áp ra tỉ

lệ với tốc độ máy phát Các khâu tạo điện áp đặt, điện áp so sánh có công suất đáng kể, điện trở ra nhỏ

Đặc biệt chú ý khi nghiên cứu các khâu điển hình là tìm hiểu các phản hồi đợc sử dụng trên chúng Nghiên cứu vai trò và khả năng của mỗi loại phản hồi giúp ta thành công trong việc lựa chọn các khâu trong mạch tự động

điều khiển Trong mục này nghiên cứu các mạch hồi tiếp nh điện áp, dòng

điện, tốc độ , nhằm tìm hiểu bản chất vật lí của chúng và khả năng ổn định của các thông số

5.2.2 Đặc tính tĩnh của các khâu phản hồi động cơ điện một chiều

1 Khâu phản hồi điện áp

Khâu phản hồi điện áp động cơ điện một chiều (hình đa1) là phản hồi

âm, nó có nhiệm vụ giữ điện áp đông cơ không đổi

Chỉnh lưu

Uđặt Uđk

Phản hồi

1

ω0

EBĐ - điện áp bộ biến đổi;

UV - tín hiệu đặt đa vào hệ thống điều khiển;

I - dòng điện phần ứng đông cơ;

r - điện trở phần ứng đông cơ;

rBĐ - điện trở bộ biến đổi;

kBĐ - hệ số khuếch đại bộ biến đổi, trờng hợp tổng quát là một hàm của

đại lơng vào, ra đợc viết là kBĐ(Uđk);

kU - hệ số của đờng phản hồi

dc

ph U U

r I U

Khi động cơ mang tải điện áp động cơ đợc xác định theo biểu thức 1) giảm xuống, sự giảm của điện áp động cơ làm tăng tín hiệu điều khiển Uđk

(đa-(đa-5) kéo theo tăng điện áp bộ biến đổi (đa-3) trả về trị số đặt

Các bộ biến đổi điều khiển tốc độ đông cơ điện một chiều thờng gặp hiện nay là các bộ chỉnh lu biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều và

bộ băm áp một chiều ở chế độ tĩnh các bộ biến đổi này đợc đặc trng bằng hệ

số kBĐ

Tùy thuộc vào hệ số khuếch đại của bộ biến đổi (kBĐ(Uđk)) và hệ số của

đờng phản hồi kU, mà bộ biến đổi có thể giữ điện áp động cơ không đổi ở một chừng mực nào đó Tuy nhiên, đầu ra của hệ thống là tốc độ động cơ, do

đó ngay cả khi điện áp phần ứng động cơ không thay đổi thì ttốc độ động cơ cũng thay đổi theo tải Nguyên nhân là do sụt áp trên điện trở phần ứng động cơ theo phơng trình đặc tính cơ:

e

Ư e

Ư

C

r I C

( ) e( ( U B Đ) )

Đ B U

Ư

Đ B

Đ B U e

d

Đ B

k k 1 C

k k 1 r r I k k 1 C

U k

+

+ +

− +

d

Đ B 0

k k 1 C

U k

Đ B k

k k 1

k k

Sai số tĩnh của hệ thống hở có thể đợc viết:

( ư B Đ)0

e

dm 0

C

I 100

ω

= ω

C I

100 k

k 1

k k 1 r r C

I

%

Đ B U

Đ B

Ư 0 e dm

Đ B U

Đ B U

Ư

Đ B 0 e

dm k

=

+

+ + ω

=

ω

∆

(đa-10)

Nh vậy, phản hồi âm điện áp của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ

điện một chiều có sai số tĩnh nhỏ hơn sai số tĩnh của của hệ thống hở Tuy nhiên, sai số này vẫn lớn hơn sai số của đặc tính cơ tự nhiên

100 r C

I 100

0 e

dm 0

∆ (đa-11)

Do đó khả năng ổn định tốc độ của hệ thôống này không cao, bởi vì bản chất của hệ thống là ổn định điện áp đầu ra của bộ biến đổi

2 Đặc tính tĩnh của khâu phản hồi dơng dòng điện

ý tởng của việc thiết lập hệ thống có phản hồi dơng dòng điện, xuất phát

từ sự cần thiết bù kích thích dới dạng dòng điện tải Đây là nguyên nhân

6

chính gây nên sai số trong hệ thống phản hồi âm điện áp ở trên Sơ đồ khối của khâu phản hồi dơng dòng điện đợc vẽ trên hình id1a.

Điện áp điều khiển đa tới bộ biến đổi lúc này:

Uđk = UV +kI.I (id-1)

Nếu tải của động cơ tăng lên, dòng điện tĩnh của động cơ cũng tăng, làm tăng số hạng thứ hai của biểu thức (id-1) Sự tăng lên của dòng điện tải làm tăng điện áp điều khiển (Uđk) và nh thế tăng điện áp động cơ để bù sự sụt tốc do tăng dòng điện gây sụt áp trên điện trở phần ứng động cơ và bộ biến

đổi Điện trở để lấy tín hiệu dòng điện (rs) nhiều khi ngời ta lấy ngay điện trở cuộn dây phụ của máy điện

Đặc tính cơ của hệ thống phản hồi dơng dòng điện động cơ điện một chiều đợc xây dựng bằng cách biến đổi các phơng trình (đa-1) ữ (đa-4) và (id-1), thu đợc:

( I B Đ)e

ư

Đ B e

U k

C

r r I

0 e

ư

Đ B dm

ω

+

= ω

Từ (id-3) thấy rằng sai số tĩnh của hệ thống kín khi phản hồi dơng dòng

điện có thể bằng 0 nếu nh đáp ứng điều kiện: kI.kBĐ = 1 Tuy nhiên, do kBĐ là một hàm của Uđk (kBĐ(Uđk)) nên hệ thống có thể xuất hiện những sai số theo tải Nếu nh kI.kBĐ > 1 sai số làm cho đặc tính tĩnh mất ổn định (nh đờng đặc tính 3 trên hình id1b)

Thay đổi các đại lợng kBĐ(Uđk) và điện trở rs làm cho tốc độ động cơ thay đổi Nó còn thay đổi nhiều hơn ở hệ thống phản hồi âm điện áp Điều

7

ω

Hình id1 Sơ đồ khối mạch phản hồi điện áp

Điều khiển

Chỉnh lưu

Uđặt Uđk

Phản hồi

ω0

a)

b)

này có thể đợc giải thích nh sau: cùng với việc tăng dòng điện hệ số kBĐ

giảm, do đó đờng đặc tính cơ có thể bị phi tuyến trong vùng đặc tính làm việc

Hệ thống điều khiển này mặc dù có thể cho sai số tĩnh nhỏ, nhng nó lại

dễ cho đờng đặc tính phi tuyến và đờng đặc tính rơi vào vùng mất ổn định ờng 3 trên hình id1b)

(đ-3 Hệ thống với phản hồi tốc độ

Sơ đồ của khâu phản hồi âm tốc độ đợc vẽ trên hình td1a Nguyên lí hoạt động của phản hồi âm tốc độ là: Khi tải động cơ tăng lên, tốc độ động cơ giảm, điện áp đầu ra máy phát tốc giảm theo, điện áp điều khiển

Uđk = UV - kω.ω (td-1)

tăng lên, làm tăng điện áp động cơ và tăng tốc độ động cơ Bằng cách này bù đợc sụt tốc độ động cơ nhờ việc tăng điện áp bộ biến đổi

Phơng trình đặc tính cơ hệ thống kín đợc xây dựng từ các biểu thức 1) ữ (đa-4) và (td-1), thu đợc:

(đa-( ) C (1 k k)

r r I k k 1 C

U k

e

ư

Đ B e

C

I

%

0 e

dm k

ω

+ ω

= ω

ω0

b)

UFT

Điều khiển

Chỉnh lưu

Uđặt Uđk

Phản hồi

Từ (td-3) thấy rằng sai số tĩnh giảm khi k tăng nếu kω.k → ∞ thì sai số tĩnh ∆ω→0 Nh vậy phản hồi âm tốc độ cho phép ổn định tốt hơn.

4 Chế độ tĩnh của hệ thống với nhiều phản hồi

ở trên đã giới thiệu các khâu hồi tiếp âm điện áp bộ biến đổi, dơng dòng

điện, âm tốc độ động cơ nhằm ổn định tốc độ động cơ Mỗi một khâu phản hồi ấy đều có u và nhợc điểm Trong trờng hợp có hai hay ba khâu phản hồi cùng đợc sử dụng đặc tính cơ tĩnh của động cơ sẽ nh thế nào?

Hình nph1a vẽ sơ đồ khối một hệ thống có cả ba khâu hồi tiếp có thể có

đối với động cơ điện một chiều ở sơ đồ khối này, chỉ vẽ cho đơn giản thôi

Nó có thể có tới mời hai khả năng thể hiện sơ đồ Phản hồi điện áp bộ biến

đổi có thể dơng hoặc âm Do đó trớc đại lợng kU.Uđc trong phơng trình (đa-5)

có thể mang dấu "+" hay "-" Phản hồi dòng điện cũng có thể phản hồi dơng

nh đã giới thiệu ở trên, cũng có thể có phản hồi âm nhằm tăng chất lợng quá trình động hay giới hạn dòng điện khi khởi đông hay quá tải Do đó, dấu ”+” hay dấu "-" đợc đặt trớc kI.I trong biểu thức (id-1) Phản hồi tốc độ thờng gặp chỉ là phản hồi âm nh đã giới thiệu ở trên

Sơ đồ khối trên có thể dùng để chỉ ra hoạt động của hệ thống với tổ hợp năm loại tín hiệu trong hai hay ba loại phản hồi trên Phơng trình tổng quát của hệ thống có nhiều phản hồi:

Uđk = UV± kU.Uđc± kI.I - kω.ω (nph-1)

Lấy ví dụ cho trờng hợp ổn định tốc độ bằng phản hồi âm điện áp và

d-ơng dòng điện, lúc đó điện áp điều khiển đợc viết:

Uđk = UV - kU.Uđc + kI.I (nph-2)

9

UFT

Điều khiển

Chỉnh lưu

UV Uđk

Phản hồi

UphU

ƯBĐ

a)

UphI

Uphω

Hình td1 Sơ đồ khối mạch phản hồi điện áp

ω

I

3 2 1

Khi phản hồi dơng dòng điện yếu (kI nhỏ) và kBĐ = const, r = const, đặc tính cơ của hệ thống cao hơn đặc tính cơ của hệ thống khi chỉ có phản hồi âm

điện áp đờng đặc tính này đợc vẽ trên hình nph1b (đờng số 4) Để so sánh, ở

đây vẽ cả đặc tính cơ hệ hở (đờng số 1), đặc tính cơ chỉ có phản hồi âm điện

áp (đờng số 2), đặc tính cơ tự nhiên (đờng số 3) Phản hồi dòng điện yếu cho

đặc tính cơ có độ cứng cao hơn, bởi vì nó tăng thêm điện áp của bộ biến đổi

do phản hồi dơng dòng điện Phản hồi dòng điện mạnh hơn, đặc tính cơ có

độ cứng cao hơn Tuy nhiên, tăng kI đến một chừng mực nào đó đờng đặc tính cơ rơi vào vùng phi tĩnh (không ổn định tĩnh - đờng đặc tính số 5 trên hình nph1b).

Nếu đặc tính cơ của hệ thống gần tới đặc tính cơ tự nhiên thì kU.Uđc

=UV, lúc đó phản hồi âm điện áp dờng nh bị triệt tiêu Khi tiếp rục tăng phản hồi dòng điện, tín hiệu kU.Uđc trở nên lớn hơn UV (về trị số) lúc đó UV -

kU.Uđc < 0 Phản hồi dơng dòng điện bây giờ chính là thành phần chính của

Uđk, không những thế, nó còn là thành phần bù phần lớn hơn của kU.Uđc so với UV Giới hạn trên của của đờng đặc tính cơ trong trờng hợp này không tồn tại

Trờng hợp ví dụ thứ hai hệ thống có phản hồi âm tốc độ mạnh (kω lớn)

và dơng dòng điện yếu (kI nhỏ) Điện áp điều khiển bây giờ:

Uđk = UV + kI.I - kω.ω

Trên hình nph1c vẽ đặc tính cơ cho hệ thống có phản hồi âm tốc độ và dơng dòng điện So với đặc tính cơ tự nhiên (đờng 1) hệ thống kín cho đặc tính cơ cao hơn Chỉ cần phản hồi âm tốc độ cũng có thể nâng đặc tính cơ lên tới cứng tuyệt đối (đờng song song với trục hoành) Khi có thêm phản hồi d-

ơng dòng điện, nếu hệ số kI đáng kể, đờng đặc tính cơ có thể rơi vào vùng phi tĩnh (đờng 3)

Phơng trình đặc tính cơcủa hệ thống có thể đợc viết dới dạng tổng quát, bằng cách phối hợp giải các phơng trình (đa-1) ữ (đa-4) và (nph-1) tthu đợc:

k k k k 1

k k r k k C

r I k k k k 1

U k

Đ B U

I

ư U e

Đ B U

trong đó: k = kBĐ/Ce; r = r + rBĐ(I)

Sai số tĩnh của hệ thống đợc viết:

(1 k k k k). .100

k k r k k C

r I

%

0

Đ B U

I

ư U e

5.2.3 Đặc tính máy xúc - chế độ tĩnh của hệ thống có ngắt

Các hệ thống có phản hồi đã nêu trên dùng để nâng cao độ cứng đặc tính cơ Việc nâng cao độ cứng đặc tính cơ kéo theo dòng điện ngắn mạch lớn Điều này làm xấu đi đặc tính quá độ động cơ, nghĩa là làm tăng dòng

điện khi khởi động Giảm dòng điện khi khởi động và quá tải có thể đợc thực hiện bằng cách đa thêm khâu phản hồi âm dòng điện có ngắt vào mạch

Chúng ta phân tích hệ thống có phản hồi âm điện áp liên tục và âm dòng điện có ngắt

Phản hồi điện áp và dòng điện có ngắt nghĩa là khi điện áp và dòng điện vợt quá một ngỡng (Ung, Ing) nào đó sẽ có tác động của khâu phản hồi tơng ứng Mục đích của việc ngắt phản hồi là giới hạn dòng điện hay mômen ở giá trị cho pháp nào đó

Trên hình mx1a vẽ sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ một chiều bằng bộ biến đổi Hệ thống có phản hồi điện áp liên tục và phản hồi âm dòng

điện có ngắt tại Ing Điểm ngắt dòng điện đợc tạo bởi điện áp so sánh tại catốt diod Chỉ khi nào điện áp trên điện trở Rs lớn hơn điện áp nền UN, khi đó diod dẫn mới cho tín hiệu phản hồi đa vào mạch (I.Rs > UN) Tại điểm ngắt dòng điện tốc độ động cơ giảm nhanh khi tăng tải Phản hồi âm điện áp làm tăng độ ổn định tốc độ (giảm sai số tĩnh) trong vùng đặc tính I < Ing

11

Điều khiển

Chỉnh lưu

UV Uđk

Phản hồi U

UphU

ƯBĐ

ng

1 2 3

I kđ

Khi dòng điện động cơ nhỏ hơn dòng điện ngắthệ thống chỉ làm việc với phản hồi âm điện áp nh trên hình đa1a

Phơng trình đặc tính cơ của hệ thống phản hồi có ngắt đợc xây dựng từ các phơng trình (đa-1) ữ (đa-4) và các phơng trình sau:

Bằng cách thay thế dần các biến trong các phơng trình (đa-1) ữ (đa-4), (ng-1) ữ (ng-3) thu đợc:

ư I

Đ B U e

Đ B U

ư

Đ B

Đ B U

V

k k 1

I 1 r k k I k

k 1 C

k k 1 r r I k k 1

U k

+

∆

∆

− +

+ +

− +

áp điều khiển Uđk đa vào điều khiển và điện áp đầu ra bộ biến đổi giảm mạnh, do đó tốc độ động cơ giảm nhanh theo sự tăng của dòng điện Biểu thức (ng-4) lúc này có thêm số hạng thứ ba Sự biến thiên các tín hiệu cấu thành điện áp điều khiển định tính đợc vẽ trên hình ng1c Trong vùng dòng

điện tải nhỏ hơn dòng điện ngắt, tín hiệu phản hồi điện áp (kU.Uđc) giảm khi

12

tăng tải, làm cho tín hiệu điều khiển Uđk = UV - kU.Uđc tăng Trong vùng dòng

điện lớn hơn dòng điện ngắt, phản hồi âm dòng điện tác động, tín hiệu điều khiển giảm mạnh khi tăng dòng điện tải

Bài toán xác định hệ số khuếch đại đờng phản hồi dòng điện đợc đặt ra

Hệ số này đợc xác định từ dòng điện khởi động Tại điểm dòng điện khởi

động, động cơ không quay, điện áp của bộ biến đổi cân bằng tổng sụt áp trong bộ biến đổi và trong động cơ Phơng trình (ng-4) có vế phải bằng 0 ta có:

( Đ ng)

ư

Đ B U

ư

Đ B

Đ V I

I I r k

k k 1 r r I U k k

−

+ +

−

ở biểu thức (ng-5), hệ số kBĐ và điện trở rBĐ có thể phụ thuộc Uđk, IKĐ

Đặc tính máy xúc có thể đợc tạo bởi ba đoạn đặc tính, hai khâu phản hồi đều có ngắt Hình ng2 vẽ sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ

điện một chiều có phản hồi âm điện áp và âm dòng điện đều có ngắt

Khi tải trên trục động cơ nhỏ dòng điện động cơ bé, điện áp bộ biến đổi

đủ lớn kéo theo tín hiệu phản hồi kU.Uđc đủ lớn hơn điện áp so sánh UN1 có dòng điện chạy qua diod D1, có phản hồi điện áp đa vào mạch điều khiển Hệ thống lamg việc với phản hồi điện áp để ổn định tốc độ Đặc tính của hệ thống là đoạn 1 trên hình ng2b

Tải của động cơ tăng lên, điện áp động cơ giảm xuống, đến một thời

điểm tín hiệu phản hồi nhỏ hơn điện áp so sánh (kU.Uđc <UN1) Bắt đầu từ

điểm này cắt phản hồi âm điện áp (ngắt phản hồi âm điện áp) Tiếp tục tăng tải cho động cơ, hệ thống làm việc không phản hồi, nh là hệ thống hở Đặc tính của hệ thống là đoạn 2 trên hình ng2b

13

a)

Điều khiển

Chỉnh lưu

UV Uđk

Phản hồi U

UphU

ƯBĐ

Phản hồi I

3

b)

Dòng điện động cơ tăng tới Ing điện áp IRs >UN2 phản hồi âm dòng điện

đợc đa vào mạch Đặc tính của hệ thống là đoạn 3 trên hình ng2b

Đặc tính động của các khâu phản hồi

1 Đặc tính động của khâu phản hồi tốc độ

Sơ đồ khối dới dạng hàm truyền của khâu phản hồi tốc độ động cơ điện một chiều đợc vé trên hình dtd1 Phản hồi đợc lấy từ đại lơng điều chỉnh là tốc độ đa ngợc tới đầu vào

Khi tìm hiểu đực tính tĩnh đã biết rằng tăng độ cứng đặc tính cơ giảm sai số tĩnh cũng đồng thời với việc tăng điện áp đặt UV và giảm hệ số khuếch

đại hệ kín của bộ biến đổi (KBĐK) so với các thông số tơng ứng của hệ thống

hở (UVH, KBĐH) Điều này dẫn tới khả năng quá trình quá độ (ví dụ khi khởi

động) tín hiệu đặt UV.1(t), có thể xảy ra nhanh hơn so với khi không phản hồi Nguyên nhân của gia tốc lớn là do ban đầu khi khởi động Kω.ω =0, ở

đầu vào đa tín hiệu đặt UV > UVH Động cơ tăng tốc làm tăng Kω.ω , tơng ứng làm giảm Uđk Đờng cong dòng điện có dạng dao động tắt dần (nh hình dtd1b chỉ quá độ khi khởi động không tải) Các đờng cong dòng điện i và tốc

độ ω có liên hệ mật thiết với nhau Các điểm cực đại và cực tiểu của đờng cong dòng điện tơng ứng với trị tuyệt đối đạo hàm tốc độ lớn nhất vì

i

M C

ω φ

=

− Dòng điện quá độ bằng 0 khi tốc độ đạt

cực đại hay cực tiểu

14

KBĐ

1TpTT

Kdc

C

2 C

Mô hình toán học của khâu phản hồi tốc độ động cơ điẹn một chiều khi khởi động động cơ không tải đợc viết:

Uđk = UV - Kω.ω; (ktd-1)

EBĐ = KBĐ.Uđk; (ktd-2)

Uđc = EBĐ; (ktd-3)

1 p T p T

T

U K C

2 C

ư

dc dc

+ +

=

Biến đổi các phơng trình (ktd-1) ữ (ktd-) ta có:

1 p T p T

T

U K CK

2 CK

ư

dc K

+ +

dc

Đ B K

K K k 1

K K K

C CK

K K k 1

T T

ω

+

= - hằng số thời gian cơ của hệ thống kín.

Nh vậy, đóng điện cho động cơ theo sơ đồ mạch có phản hồi tốc độ dẫn tới khâu dao động nhng với hệ số khuếch đại KK nhỏ hơn hệ số khuếch đại của hệ thống hở (KBĐ.Kđc), tơng ứng hằng số thời gian cơ cũng giảm xuống (TCK < TC) Hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng (TƯ = LƯ/RƯ) giữ không đổi, do đó hệ thống có thể giảm dao động khi đáp ứng điều kiện 4TƯ≤

TCK

Nếu nh bộ biến đổi là một khâu quán tính với hằng số thời gian TBĐ thì phơng trình (ktd-2) đợc thay thế bằng phơng trình:

1 p T

U K

E

Đ B

dk

Đ B

U K

C

Đ B CK

2

ư

Đ B CK

3 CK

ư

Đ

B

dc K

+ +

=

ω

(ktd-7)

2 Đặc tính động của hệ thống phản hồi tốc độ và dòng điện có ngắt

3 Đặc tính của hệ thống điều khiển phụ thuộc

15

Hệ thống điều khiển phụ thuộc

1 Nguyên lí điều khiển phụ thuộc

Sơ đồ nguyên lí của hệ thống điều khiển phụ thuộcvẽ trên hình pt1 Hệ

thống có mạch vòng trong là điều khiển dòng điện với bộ điều chỉnh dòng

điện HCI là bộ điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI) với cảm biến dòng điện (CBD)

đợc lấy từ điện trở sunt và vòng điều chỉnh ngoài là bộ điều chỉnh tốc độ

(FT)

Bộ điều chỉnh dòng điện HCI có chứa phần tử tích phân, nên ở chế độ

xác lập tín hiệu vào của bộ hiệu chỉnh dòng điện băng 0, nghĩa là phải đáp

ứng điều kiện:

UđkI = UR ω - UphI = UR ω - KI.IƯ (pt-1)

Trong đó tín hiệu ra của bộ hiệu chỉnh tốc độ

Tín hiệu ra của khâu hiệu chỉnh tốc độ:

UR ω = UVI = (UV - Uph ω).KHC ω = (UV - Kω.ω).KHC ω (pt-2)

2 Sơ đồ cấu trúc

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống dới dạng hàm truyền đợc vẽ trên hình pt2a

tiếp nội bên tronglà sức điện động (sđđ) của động cơ.Bộ biến đổi đợc xem

có xét tới quán tính của các mạch điều khiển Các khâu hiệu chỉnh có các

K

Đ B

Đ B

C

Ư dc

K I

Kω

∆ U

∆ U phI

1 W

+

=

R K

C

Ư dc

1 p T

K

Đ B

Đ B

Nếu bỏ qua ảnh hởng của phản hồi sđđ bên trong động cơ, sơ đồ khối của khâu hiệu chỉnh dòng điện đợc vẽ nh hình pt2b.

Hàm truyền đối tợng của khâu hiệu chỉnh dòng điện đợc viết:

( ) T p 1

1 1 p T R

K K ) p ( W

Đ B

ư

ư

Đ B I THCI

= WĐTBI(p).WCBI(p)

dòng điện

Trong hệ thống điều chỉnh phụ thuộc, ở khâu điều chỉnh phụ thuộc ngời

ta bù những khâu quán tính có hằng số thời gian lớn lớn ở hệ thống hở thành khâu tích phân có hằng số tích phân nhỏ [zimin] Ngời ta cũng có thể hiệu chỉnh các thông số của khâu hiệu chỉnh để nó thành một mạch vòng không trễ Điều này có thể hiểu rằng đại lợng điều chỉnh ở đầu ra tức thời thay đổi khi đa một xung tín hiệu (xung tín hiệu có dạng vuông góc) tới đầu vào Tuy nhiên, nếu làm nh vậy đòi hỏi một công suất vô cùng lớn ở đầu vào của khâu hiệu chỉnh Vì vậy, trong các hệ thống thực là không tởng Mặt khác mức độ

bù tuyệt đối nh vậy còn bị ảnh hởng bởi các kích thích có tần số cao nh đánh lửa cổ góp, đập mạch dòng điện áp của các bộ chỉnh lu , chúng đợc lọc bởi quán tính của các phần tử mà khi bù tuyệt đối những kích thích này làm cho

hệ thống làm việc kém linh hoạt

17

Bù những khâu quán tính có hằng số thời gian quá nhỏ thực tế là không làm đợc, do giới hạn của việc sử dụng các khâu hiệu chỉnh tác động nhanh Ngoài ra, ảnh hởng của những khâu này lên đặc tính động của hệ thống là không đáng kể Từ những nguyên nhân trên mà khâu hiệu chỉnh của hệ thống nhiều mạch vòng chỉ bù những khâu có hằng số thời gian lớn và trung bình [zimin].

Do đó, hằng số thời gian không bù là hằng số thời gian của bộ biến đổi

định TTPI = aI.TàHCI = aI.TBĐ (Tà = ∑Ti - tổng hằng số thời gian của các khâu

có quán tính nhỏ không bù)

Quá độ cho phép dao động đại lợng điều chỉnh thờng không quá 5% Theo nguyên tắc tối u môdul [zimin] hệ số a (tỷ số giữa hằng số tích phân

của khâu hiệu chỉnh dòng điện có dạnh tỉ lệ tích phân:

p T

1 T

T p K K T 2

1 p T R ) p ( W p T

1 )

p (

W

TP TP

Ư

Đ B I HCI

Ư

Ư CBI

TPI

phân trong khâu hiệu chỉnh;

Mạch vòng hiệu chỉnh tốc độ bây giờ có thể đợc vẽ nh hình pt2c, trong

đó hàm truyền mạch vòng kín dòng điẹn đã tối u đợc viết:

(2 T p 1)

K

1 )

p

(

W

HCI I

R K K

1 p T 2 1

p T K

R K K p

W

I C

I

Ư C

Đ I

C I

Ư C

Đ '

Đ

I CB

TP

T R K K

K p

W p T

1 p

W

ω ω

ω ω

18

Nh vậy, khâu hiệu chinh tốc độ là khâu tỉ lệ khi hiệu chỉnh khâu này theo tiêu chẩn tối u môdul có aω = 2; aω.THC ω = 4.THCI.

Sơ đồ nguyên lí khâu các khâu hiệu chỉnh vẽ trên hình pt3

Thông số hiệu chỉnh của các khâu này đợc lựa chọn theo các biểu thức (pt-7), (pt-10)

ứng tín hiệu đặt, nó đợc theo các điện trở và tụ điện trên mạch hình pt3

R I

U K

∆

∆

Thông số cần tính cho mạch hiệu chỉnh;

C R

T R K K

R

Ư

TPI S CB

Đ B

Thông số của mạch hiệu chỉnh tốc độ:

ω ω ω

ω = =

TP

C

Ư C

Đ ' I 1

3 HC

T a

T R K K

K R

R

2

3 FT 2

3 '

R

R K R

R K

U K

Từ (pt-15), (pt-16) ta có:

Ư FT C

Đ

I TP

C 2

3

R K K

K T a

T R

R

ω ω

Tỷ lệ

2

3 R

R

đợc xác định từ điều kiện đảm bảo sai số tốc độ ở chế độ tĩnh

∆UV = Kω, ∆ωXL = KFT

1

3 R

R

.∆ωXL Hay

XL FT

V 1

3

K

U R

định theo thông số của các bộ hiệu chỉnh Khi hiệu chỉnh mạch vòng dòng

Quá độ của hệ thống khi tín hiệu vào dạng xung

điều chỉnh khoảng 5%)

Các bộ chỉnh lu có điều khiển hiện nay phổ

biến điều khiển bằng phơng pháp pha xung Hệ số

khuếch đại của bộ biến đổi

K

Đ B

Đ B U

U

giảm, tơng tự các đờng cong hình pt4 hệ

thống điều chỉnh dễ bị dao động hơn Do đó đối với

hệ thống có phạm vi điều chỉnh rộng thông thờng

ngời ta tính toán, hiệu chỉnh theo tiêu chuẩn tối u

tích phân của khâu hiệu chỉnh tự động tăng, hệ số a

tự động giảm làm giảm khả năng dao động của hệ

thống

20

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

1,4

1,2

aI = 2

3 4 2

1,6

à I

hω(t)

Đặc tính động khi thay đổi tải đột ngột

Đối với nhiều máy sản xuất, hệ thống truyền động của chúng đợc thiết

kế cho làm việc ở chế độ ổn định tốc độ ngay cả khi tải thay đổi đột ngột Chất lợng của hệ thống điều khiển đợc đánh giá không chỉ theo các chỉ tiêu tĩnh mà cả quá độ khi thay đổi tín hiệu điều khiển và thay đổi tải đột ngột Hình tdn1 giới thiệu một dạng đờng cong quá độ thay đổi tốc độ điển hình khi tải thay đổi đột ngột

5.3 Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

Các thông số điều chỉnh của hệ thống truyền động điện thờng gặp là tốc độ quay, điện áp, dòng điện, moment và công suất động cơ một và xoay chiều

ổn định hệ thống có thể là ổn định động hay ổn định tĩnh Thờng gặp trong thực tế và có tác động rõ rệt tới các hệ thống là ổn định tĩnh tốc độ quay của động cơ điện một chiều khi có sự thay đổi của tải ở những hệ thống này hiện nay động cơ thờng đợc cấp điện từ các bộ chỉnh lu

ổn định tốc độ động cơ điện xoay chiều đợc dùng là các bộ điều áp xoay chiều và biến tần

Đặc tính cơ bản của các bộ biến đổi là đặc tính không tải, đây là quan

hệ giữa điện áp của bộ biến đổi với điện áp điều khiển UBĐ = f(Uđk) Các đặc tính của các bộ biến đổi thực tế thờng phi tuyến

Độ ổn định tốc độ ở mức độ cao chỉ có thể thực hiện đợc bằng hệ thống kín với một trong các phản hồi âm tốc độ, âm điện áp, dơng dòng điện động cơ Cũng có thể sử dụng đồng thời phản hồi tốc độ và dòng điện hay phản hồi điện áp và dòng điện Sơ đồ các loại phản hồi đợc giới thiệu trên bảng 52.1

Những hệ thống phản hồi đợc dùng nhiều hơn cả trong thực tế là các sơ

đồ 1, 2, 4, 5, 6, và trong bảng 52.1

21

Lựa chọn thông số và tính toán các đặc tính tĩnh của hệ thống tự

∆ωTn = IđmRƯ Kđc, ∆ωH = IđmR Kđc, ∆ωĐ -[rad/s] - độ sụt tốc độ của

động cơ khi tải định mức: trên đờng đặc tính tự nhiên, đờng đặc tính của hệ thống BBĐ-ĐC hở, tốc độ đặt

KBĐ = UBĐ/Uđk - hệ số khuếch đại của bộ biến đổi

u dm dm

dm dc

c

R I U E

U

; R R

R U

U

; s / rad

V

;

2 1

1 dc







 ω

=

γ

Các hệ số phản hồi cứng của mạch phản hồi

kW = Wng/WĐ, kR = Rng/RĐ - hệ số biến đổi điện áp của cuộn dây phản hồi

D = ωmax/ωmin - phạm vi điều chỉnh tốc độ tơng ứng tải MC nào đó

Theo yêu cầu của đặc tính tĩnh cần chọn hệ số khuếch đại của bô biến

đổi và các hệ số hồi tiếp, đáp ứng yêu cầu độ cứng đặc tính của hệ thống Yêu cầu đó là độ sụt tốc độ cho trớc (∆ωĐ) (hoặc dới dạng đơn vị tơng đối (δĐ) theo tốc độ không tải lí tởng của đờng đặc tính yêu cầu tùy thuộc phạm

vi điều chỉnh tốc độ khi thay đổi tải động cơ trong phạm vi cho trớc [từ 0 hay

Imin≈ (0,1ữ0,2)Iđm tới Iđm]

22