Chương 4 Điều chỉnh tự động hệ thống truyền động điện một chiều

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  Ukp = RkIkp + Nkpφp Trong

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

4.1 Động cơ điện một chiều

từ độc lập và loại kích từ nối tiếp

như hình vẽ

Uk

Ik

Lk, RkΦ

U I

CKN

N P’

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 ω,

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

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

 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

K K

n K

E Or

n a

pN K

K a

pN E

π

ω φ

ω φ

π

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

I K

R

R K

U

u

uf u

u

φφ

u dt

M K

R

R K

2

)( φ φ

ω = − +

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

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

Động cơ điện kích từ nối tiếp

Ukt

Ikt Rưf

E

Iư+

_

Ckt

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

R

R k

φφ

M k

R

R k

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 φ 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

4.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều

- 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

N

p K

I K

I a

N

p M

π

φ

φ π

2 '

.

2

'

=

=

=

4.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều

.

2

n a

pN K

K a

pN E

π ω

π

ω φ

ω

φ π

=

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: 0,3Ω Điện trở phụ đưa vào phần ứng là 1,5Ω Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên cho động cơ

Giải:

Tốc độ góc định mức:

2500

Ví Dụ

 Từ phương trình đặc tính cơ ta rút ra được

 Tốc độ không tải lý tưởng

ω ω

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) + Nkpφ(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) ± Nnpφ(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)

pT

R p

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 ω

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

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

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

ko

o K

K

M

M B

I I

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:

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 0,3Ω Điện trở phụ đưa vào phần ứng

là 1,5Ω

LG:

ω ω

φ = U − R I = 220 − 30.0,3

3 , 0 /

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

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

) 1

( )

(

) (

3

2 2 1

2

1

+ +

T T pT

K pT

K p

U

p

k

u k

ω

) 1

(

) 1

(

) (

; ) 1

(

) 1

(

; ) 1

(

3

2 2

1

2 2

1

c

u c

u C

c

C u

c K

k B c

o K

k u o

T J B

T J

B T

T

K

JR T

T J B

T

T T

T

T J

B R

K K

T J

B K

R

K R

I K

=

+ Φ

= +

Φ

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

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.ω

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

phụ thuộc vào góc điều khiển α và tốc độ của

động cơ ω: I = f(α,ω)

- Thường trong các bộ chỉnh lưu góc α 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

d J Mc

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

- α = 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(α,w) bằng cách

tuyến tính hóa quanh điểm làm việc

Cu

Uđk

a -

α

∂ +

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.

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:

áp của bộ biến đổi.

u

t b

J T

∆

∆

=

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, Rω 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

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

)(

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

α

∂

∂U d

) 1

)(

1 )(

1 )(

1 )(

1 (

/ )

(

i u

vo đk

f

u i

ci oi

PT PT

PT PT

PT

R K

K p

S

+ +

+ +

+

=

) 1

)(

1 (

/ )

(

p T

p T

R K

K p

S

u s

u i

ci oi

+ +

=

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 σ = Ts và hằng số α có thể lấy α = 2

- ; Tư = R3 C;

p

T R

K K

p

T p

R

s u

i ci

u i

α

.

1 )

C R

T R

K

K

s u

Uđk

4.2.2 … bỏ qua các sức điện động động cơ

- 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

C R

K

K T

R

u

ci

i s

.

' 2

2 =

1 )

1 ( 2

1

1 )

(

)

(

+ +

=

p T p

T K

p U

p I

s s

i id

2 2

2 2

1

1

1

p T p

T

K i + s + s

=

p

T R

K K

p T

s u

i ci

u

2

1 +

) 1

)(

1 ( T T p

K

vo đk

Jp

1

p

T R

K K

p T

s u

i ci

u

2

1 +

) 1

)(

K

vo đk

R pT

c u c

u

c

+ +

) 1

K

c u

c + +

φ

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:

1 (

1 2

) (

)

(

p T T p

T p

T

p

T T

T p

I

p I

c u c

s

u s

T T

T

T C

c

s s

c

c o

2

2 2

1

+ +

(

p

T R

T K K

p T p

T

T p

R

s u

c i cl

c c

u i

+ +

=

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

1 (

)

(

01

+ +

=

p T p

T

p

T R

K

K p

S

s c

c u

i ci

) 1 (

)

p

T R

K

K p

S

s

c u

i ci

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.

K R

K K

u

i

ci =

p T E

u K

p

R

s đk

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)

Uiđ

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

- Khi transistor bão hòa thì RT<<R2

và ta có hàm truyền P

) 2

1 (

2 )

U

p U

)

(

R

R p

U

p U

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:

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

tn

T

i(t) i(t) PD

1

R

R U

∆

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

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

- Tn≈

- Sau đó điện áp U1 có giá trị

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

U1 sẽ là

0

2

2

R

R U

U

m

∆ τ

2

R

R U

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

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

E u

K p

,(

)(

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:

p T

p

T K

p

R

s

u i

2

1

1 )

2 2

2 )

2 (

1

) 1

(

1

Ap T

p A T T

p KF

T

T p

U

p U

s s

u

x s

u id

i

+ +

K

K A

đk

=

1 )

(

) (

≈

p u

p U

iđ i

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

1

E u

1 1

đk đk

i id

x

Ku u

u u

x K u

F =

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

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

- 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

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 Rω 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 Sωđóng vai trò khâu phản hồi tốc độ

Ui

HCD

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 ω và hằng số thời gian (lọc) Tω Thường Tω có giá trị nhỏ, khi đó đặt 2T’s = 2Ts +T ω

p T K

p U

p I

s

iđ 1 2

1

1 )

(

) (

1 +

=

p T K

p U

p I

s

iđ 1 4

1

1 )

(

) (

1 +

=

p s

u

c

T K

R

T K

K p

2

' 2

1

) (

α

ω ω