Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều sử dụng BBĐ DC DC

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 3 CHƯƠNG 1 MÔ TẢ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 4 1.1. Giới thiệu chung 4 1.2 sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ một chiều 5 1.3 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 5 1.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 5 1.3.2 Đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 7 1.3.3 Mô tả toán học của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 8 1.4. Bộ biến đổi xung áp động cơ DCDC 10 1.5 Máy phát tốc 13 1.6. Bộ điều chỉnh PI 14 1.7. Cấu trúc hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng tốc độ quay và dòng điện. 15 PHẦN NÓI THÊM 17 1. Máy biến áp 17 2. Bộ chỉnh lưu cấp nguồn cho động cơ điện một chiều 17 3. Nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu. 19 4. Vấn đề điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha. 20 5. Nhận xét. 21 CHƯƠNG 2 . ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN BẰNG BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP 25 2.1. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. 25 2.1.1. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng 25 2.1.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây kích từ. 26 2.1.3. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng. 27 2.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ khi sử dụng thiết bị điểu chỉnh xung áp 28 Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG THEO PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU MOODUN KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU ĐỐI XỨNG 31 3.1 Các phương pháp điều khiển 33 3.1.1. Phương pháp tối ưu modun 33 3.1.2. Phương pháp tối ưu đối xứng 35 3.2. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho hệ truyền động quay động cơ. 36 3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện. 37 3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ. 39 CHƯƠNG 4. KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG 42 4.1. Kiểm tra, đánh giá chất lượng của trạng thái tĩnh 42 4.2. Tiêu chuẩn ổn định đại số 43 4.3. Kiểm tra, đánh giá chất lượng động của hệ thống bằng phần mềm Matlab Simulink. 44 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49   LỜI MỞ ĐẦU Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển và tự động hóa là đồ án quan trọng trong chươg trình đào tạo của ngành điều khiển và tự động hóa. Đây là đồ án cần vận dụng và tổng hợp các kiến thức của các học phần đã được học để giải quyết thiết kế tổng hợp một hệ thống điều khiển tự động hóa trong thực tế. Sau một thời gian học tập các học phần cơ sở nay em được giao đề tài: “thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều sử dụng BBĐ DCDC” để thực hiện. Sau thời gian thực hiện đến nay đề tài đã hoàn thành và nội dung gồm có 4 chương: Chương 1: Mô tả cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ một chiều Chương 2: Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng bộ biến đổi xung áp Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống theo phương pháp tối ưu moodun kết hợp phương pháp tối ưu đối xứng Chương 4: Kiểm tra, đánh giá chất lượng và hiệu chỉnh hệ thống hoàn thành đề tài này bản thân em đã hết sức nổ lực và cố gắng nhưng có thể còn nhiều thiếu sót, kính mong thầy cô giáo hướng dẫn chỉ bảo để đồ án được hoàn thiện hơn.

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Vinh, ngày tháng năm 2015 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Vinh, ngày tháng năm 2015

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 MÔ TẢ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.2 sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ một chiều 5

1.3 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 5

1.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 5

1.3.2 Đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 7

1.3.3 Mô tả toán học của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 8

1.4 Bộ biến đổi xung áp động cơ DC-DC 10

1.5 Máy phát tốc 13

1.6 Bộ điều chỉnh PI 14

1.7 Cấu trúc hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng tốc độ quay và dòng điện 15

PHẦN NÓI THÊM 17

1 Máy biến áp 17

2 Bộ chỉnh lưu cấp nguồn cho động cơ điện một chiều 17

3 Nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu 19

4 Vấn đề điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha 20

5 Nhận xét 21

CHƯƠNG 2 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN BẰNG BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP 25

2.1 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 25

2.1.1 Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng 25

2.1.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây kích từ 26

2.1.3 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng 27

2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ khi sử dụng thiết bị điểu chỉnh xung áp 28

Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG THEO PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU MOODUN KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU ĐỐI XỨNG .31 3.1 Các phương pháp điều khiển 33

3.1.1 Phương pháp tối ưu modun 33

3.1.2 Phương pháp tối ưu đối xứng 35

3.2 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho hệ truyền động quay động cơ 36

3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ 39

CHƯƠNG 4 KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG 42

4.1 Kiểm tra, đánh giá chất lượng của trạng thái tĩnh 424.2 Tiêu chuẩn ổn định đại số 434.3 Kiểm tra, đánh giá chất lượng động của hệ thống bằng phần mềm MatlabSimulink 44

KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

LỜI MỞ ĐẦU

Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển và tự động hóa là đồ án quan trọng trongchươg trình đào tạo của ngành điều khiển và tự động hóa Đây là đồ án cần vậndụng và tổng hợp các kiến thức của các học phần đã được học để giải quyết thiết kếtổng hợp một hệ thống điều khiển tự động hóa trong thực tế Sau một thời gian học

tập các học phần cơ sở nay em được giao đề tài: “thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều sử dụng BBĐ DC-DC” để thực hiện Sau thời gian thực hiện

đến nay đề tài đã hoàn thành và nội dung gồm có 4 chương:

Chương 1: Mô tả cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ một chiều

Chương 2: Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng bộ biến đổi xung áp

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống theo phương pháp tối ưumoodun kết hợp phương pháp tối ưu đối xứng

Chương 4: Kiểm tra, đánh giá chất lượng và hiệu chỉnh hệ thống

hoàn thành đề tài này bản thân em đã hết sức nổ lực và cố gắng nhưng cóthể còn nhiều thiếu sót, kính mong thầy cô giáo hướng dẫn chỉ bảo để đồ án đượchoàn thiện hơn

xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1

MÔ TẢ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Giới thiệu chung

Điều khiển tốc độ là một phần yêu cầu cần thiết tất yếu của các máy sảnxuất Ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo từngcông việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau để tối ưu hóaquá trình sản xuất Muốn có được các tốc đọ khác nhau trên máy ta có thể thay đổicấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của chính động cơtruyền động ở đây em chỉ khảo sát theo phương pháp thay đổi tốc độ động cơtruyền động

Tốc độ làm việc của động cơ do người điều khiển quy định được gọi là tốc

độ đặt Trong quá trình làm việc, tốc độ động cơ có thể bị thay đổi vì tốc độ củađộng cơ phụ thuộc rất nhiều vào các thông số nguồn, mạch và tải nên khi các thông

số thay đổi thì ốc độ của động cơ sẽ bị thay đổi theo Tình trạng đó gây ra sai số vềtốc độ và có thể không cho phép Để khắc phục người ta dùng những phương pháp

ổn định tốc độ

Để ổn định tốc độ còn ảnh hưởng quan trọng đến giải điều chỉnh (phạm viđiều chỉnh tốc độ) và khả năng quá tải của động cơ Độ ổn định càng cao thì giảiđiều chỉnh càng có khả năng mở rộng và mô men quá tải càng lớn

Có rất nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ như:

+ Điều chỉnh tham số

+ Điều chỉnh điện áp nguồn

+ Điều chỉnh cấu trúc sơ đồ

Ở đây em chỉ đề cập đến các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều

1.2 sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ một chiều

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ một chiều

Hệ thống điều khiển động cơ một chiều ở hình 1.1gồm có các khâu sau:

+ Bộ điều khiển tốc độ (speed controller)

+ Bộ giới hạn tốc độ (limiter)

+ Bộ điều chỉnh dòng (current controller)

+ Bộ biến đổi xung áp động cơ

+ Động cơ một chiều kích từ độc lập

+ Máy phát tốc

1.3 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

a Cấu tạo

Cấu tạo của động cơ gồn stator, rotor và hệ thống chổi than – vành góp.Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quânkích thích) gồm các bối dây đặt trong rãnh của của lõi sắt.Số lượng cực từ chính từchính phụ thuộc tốc độ quay Đối với động cơ công suất nhỏ người ta có thể kích từbằng nam châm vĩnh cửu

Rotor (còn được gọi phần ứng) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại córãnh để đặt các phần tử của dây quấn phần ứng Điện áp một chiều được đưa vàophần ứng qua hệ thống chổi than – vành góp Kết cấu của giá đỡ chổi than có khảnăng điều chỉnh áp lực tiếp xúc và tự động duy trì áp lực tùy theo độ mòn của chổithan

BBĐ AC - DC

Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều vào cuộndây phần ứng và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng Số lượng chổi thanbằng số lượng cực từ (một nửa có cực tính dương và một nửa có cực tính âm).

b Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dâyquấn kích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông

ɸ Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng

sẽ có một dòng điện i chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và các từthông kich thích tạo thành momen điện từ.giá trị của momen điện từ được tính nhưsau:

Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng vàmạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau Lúc này động cơ được gọi làđộng cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Ta có: Phương trình cân bằng điện áp:

ω0 ωđm

ω0 ωđm

N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

: từ thông kích từ dưới một cực từ

: tốc độ góc

1.3.2 Đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Từ hệ 2 phương trình (2.1) và (2.2) ta có thể rút ra phương trình đặc tính cơđiện biểu thị mối quan hệ ω = f(I) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập nhưsau:

ω = K Ф U ư - R ư+R f

k ϕ Iư (2.3)Mặt khác, mômen điện từ của động cơ được xác định:

từ phương trình đặc tính cơ điện (2.3) và phương trình đặc tính cơ (2.4) và

=const thì đặc tính của động cơ có dạng như sau:

Hình 1.3 a) Đặc tính cơ – điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

b) Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi thay đổi điện áp phần ứng (giảm áp) thì momen mở máy, dòng điện khởiđộng của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định.

Do đó phương pháp này hay được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chếdòng điện khi khởi động

Hình 1.4 Đặc tính của động cơ khi điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng

1.3.3 Mô tả toán học của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình 1.5 Mạch điện tương đương của động cơ điện một chiều KTĐL

Hình 1.5 biểu diễn mạch điện tương đương của động cơ điện một chiều kích

từ độc lập với từ thông không đổi và bằng định mức, trong đó điện trở Rd và điệncảm Ld bao gồm điện trở và điện cảm trong của bộ chỉnh lưu và điện trở bộ điệnkháng san bằng, điện trở và điện cảm cuộn dây phần ứng động cơ Từ hình 1.5 cóthể viết được các phương trình vi phân sau với giả thiết dòng điện liên tục:

2 c

E Đ=K e Φ.n là sức điện động động cơ.

chính là mômen cơ trên trục động cơ

Mc là tổng mômen cản quy đổi về trục động cơ, bao gồm cả mômen cảnkhông tải và mômen phụ tải, đơn vị N.m

GD2 là mômen quán tính của hệ thống truyền động điện quy về trục động cơ,đơn vị Nm2

d e

K / 1

m

2 e m

1 s T s T T

K / 1m

2 e m

e





Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc trạng thái độngđộng cơ điện một chiều KTĐL

Từ 1.6c có thể thấy động cơ điện một chiều có hai đại lượng đầu vào, một làđiện áp chỉnh lưu không tải lý tưởng Ud, còn đại lượng kia là dòng điện phụ tải Ic.Đại lượng đầu là lượng khống chế đầu vào, còn đại lượng kia là lượng nhiễu phụtải Nếu không cần thiết thể hiện dòng điện Id vào sơ đồ cấu trúc, thì có thể dịchđiểm tổng hợp của lượng nhiễu Ic về phía trước, đồng thời tiến hành tính toánchuyển đổi tương đương, sẽ được hình 1.6a Ở chế độ không tải lý tưởng Ic = 0, thì

sơ đồ cấu trúc đơn giản hoá thành sơ đồ hình 1.6b

Hình 1.7: Đơn giản hoá sơ đồ cấu trúc trạng thái động của động cơ điện một chiều

1.4 Bộ biến đổi xung áp động cơ DC-DC

Bộ biến đổi xung áp là bộ nguồn điện áp dùng để điều chỉnh tốc độ động cơmột chiều, phần chủ yếu của nó là bộ nguồn áp và bộ khối điều khiển.

a

Sơ đồ nguyên lý Đồ thị của bộ biến đổi xung áp

Sơ đồ nguyên lý và điện áp của hệ xung áp-động cơ

Để cải thiện dòng điện phần ứng, người ta mắc thêm van đệm D0 Giả thiếtvan đệm D0 là van lý tưởng, nghĩa là van sụt áp thuận ∆ U =0 và dòng điện ngược

Ing = 0, khối k có thể là Tiristor hoặc Transisistor Đối với động cơ công suất lớn thìphải dùng Tiristor

Khi đóng, cắt khối k trên phần ứng động cơ sẽ có điện áp biến đổi theo dạngxung vuông

Khi ở trạng thái dòng liên tục, giá trị trung bình của điện áp đặt lên phần ứngcủa động cơ là :

Như vậy, có thể coi bộ biến đổi xung áp đẳng trị với nguồn liên tục, có điện

áp ra Ud = var bằng cách thay đổi độ rộng của xung áp γU Vì thời gian một chu kỳđóng cắt khối k rất nhỏ so với hằng số thời gian cơ học của hệ truyền động nên ta

có thề coi tốc độ và sức điện động phần ứng động cơ là không đổi trong khoảngthời gian T

Đặc tính điều chỉnh của hệ xung áp ĐC:

ω= γU U

K ɸ đ m−

R ư+R b đ

K ɸ đ m I (1) ω= γU U

K ɸ đ m−

R ư+R b đ

(K ɸ đ m)2 M (2)

Khi thay đổiγU ta được họ đường thẳng song song có độ cứng β= const và tốc

độ không tải lý tưởng ω0 thay đổi theo γU Nếu nguồn vô cùng lớn ta có thể bỏ qua

Rbđ, khi đó độ cứng của đặc tính cơ của hệ có độ cứng là:

β=β TN=(K ɸ đ m)2

R ư =const

Tốc độ không tải lý tưởng ω0 phụ thuộc vào γU chỉ là giá trị giả định.Nó có thểtồn tại nếu như dòng trong hệ là liên tục kể cả khi giá trị dòng tiến đến 0.Vì vậy,biểu thức (1) và (2) chỉ đúng với trạng thái dòng liên tục

Khi dòng điện đủ nhỏ thì hệ sẽ chuyển trạng thía từ dòng liên tục sang trạngthái dòng gián đoạn Khi đó các phương trình đặc tính điều chỉnh nói trên khôngcòn đúng nữa mà lúc này đặc tính của hệ là những đường cong rất dốc

Đặc tính cơ hệ Nhận xét:

+ Tất cả đặc tính điều chỉnh của hệ XA-ĐC khi dòng điện gián đoạn đều có

chung một giá trị không tải lý tưởng, chỉ ngoại trừ trường hợp γU=0.

+ Bộ nguồn xung áp cần ít van dẫn nên vốn đâù tư ít Hệ đơn giản chắc chắn.+ Độ cứng của đặc tính cơ lớn

+ Điện áp dạng xung nên gây ra tổn thất phụ khá lớn trong động cơ.Khi làmviệc ở trạng thía dòng điện gián đoạn thì đặc tính làm việc kém ổn đinh và tổn thấtnăng lượng nhiêu

Xác định góc mở cực tiểu và góc mở cực đại:

Chọn góc mở cực tiều ∝min =100 Với góc mở ∝min là góc mở dự trữ có thể bùđược sự suy giảm điện áp lưới

+ Khi góc mở nhỏ nhất ∝=∝min thì điện áp trên tải là lớn nhất:

Udmax =Udo.cos∝min =Udđm ;

Và Udmax tương ứng với tốc độ động cơ là lớn nhất: n= nmax = nđm.

+ Khi góc mở lớn nhất ∝ = ∝max thì điện áp trên tải là nhỏ nhất:

Udmin = Udo.cos∝max ;

Và Udmin tương ứng với tốc độ động cơ lớn nhất: n = nmin

ωmax = ¿ nm min – Mđm) 1

|β|=

M đ m

|β| .(K M−1)Trong đó: Mn min =Mc max =KM.Mđm

Giả sử cho động cơ là việc với monen cản lớn nhất và bằng 2 lần momen định mức

từ thông không đổi trong toàn vùng điều chỉnh tốc độ Vì vậy phải hạn chế tổn thấtmạch từ bằng việc sử dụng vật liệu từ có từ trễ hẹp và sử dụng lá thép kĩ thuật điệnmỏng (hạn chế tổn thất dòng điện xoay) Để loại bỏ sóng điều hòa tần số cao sửdụng bộ lọc lắp ở đầu máy phát tốc

U FT(s) n(s) =γU

Nhược điểm của máy phát tốc một chiều là độ chính xác phụ thuộc vào phụtải Mặt khác nhiệt độ cuộn dây thay đổi ảnh hưởng tới điện trở phần ứng máyphát làm điện áp ra của máy phát thay đổi (do điện áp rơi ở mạch phần ứng thayđổi) Điện áp đầu ra của máy phát còn bị thay đổi do điện trở của chổi than ảnhhưởng của phản ứng phần ứng tới hệ số tỷ lệ (nhất là khi ở vùng tốc độ cao)

= R u Kω

K i K ɸ T c .4 T

' s

Hàm truyền mạch kín của hệ thống:

Ud Đ

=

CKĐ +

ui

n

* i

Căn cứ vào các biểu thức đã nêu trên ta có thể tính được hàm truyền với tínhiệu nhiễu loạn là dòng điện tải:

Và cũng tính được sai số tốc độ tương ứng khi nhiễu tải có dạng hằng số:

Kết quả là, mạch vòng điều chỉnh tốc độ là vô sai cấp hai đối với tín hiệuđiều khiển và là vô sai cấp một đối với tín hiệu nhiễu Như vậy khi đã ổn định thìsai lệch tốc độ sẽ bằng không,

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

Hình 1.8.Hệ thống điều tốc hai mạch vòng tốc độ quay và dòng điện.

Trong đó:

Rn là bộ điều chỉnh tốc độ quay

Ri là bộ điều chỉnh dòng điện

FT là máy phát tốc

FX là mạch phát xung điều khiển các tiristor của bộ chỉnh lưu.

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

Để thực hiện hai loại phản hồi âm là tốc độ quay và dòng điện gây tác dụngriêng rẽ, trong hệ thống đã bố trí hai bộ điều chỉnh, một dùng cho tốc độ quay vàmột dùng cho dòng điện, mà giữa chúng dùng cách ghép nối tiếp Điều đó có nghĩa

là, lấy đầu ra của bộ điều chỉnh tốc độ quay để làm đầu vào của bộ điều chỉnh dòngđiện, sau đó dùng đầu ra của bộ điều chỉnh dòng điện để khống chế mạch phát xungcủa bộ chỉnh lưu điều khiển dùng tiristor

Trên quan điểm cấu trúc vòng kín, 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 vòngngoài Như vậy là đã hình thành hệ thống điều tốc hai mạch vòng tốc độ quay vàdòng điện

PHẦN NÓI THÊM

1 Máy biến áp

Máy biến áp làm hai nhiệm vụ chính:

Chuyển từ điện áp ắc quy chuẩn của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2thích hợp với yêu cầu của tải Tùy theo tải mà máy biến áp có thể tăng áp hoặcgiảm áp

Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van.Thông thường số pha lớn nhất của lưới là 3 pha, song mạch van có thể cần số pha

2 Bộ chỉnh lưu cấp nguồn cho động cơ điện một chiều

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành nănglượng dòng điện một chiều

Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế Trong hệ thống điều tốc công suất lớn thường sử dụng mạch điện chỉnh lưu liênhợp tạo bởi hai sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha, nguồn điện xoay chiều của 2 nhóm cầu

do 2 bộ cuộn dây thứ cấp của máy biến áp chỉnh lưu cung cấp, một bộ nối thànhkiểu , còn bộ kia nối thành kiểu , làm cho góc pha điện áp đầu ra lệch nhau 300,tổng cộng tạo thành mạch điện chỉnh lưu có q =12, nhờ vậy làm giảm sự đập mạchcủa dòng điện đầu ra

Sơ đồ cấp điện cho hai bộ chỉnh lưu qua máy biến áp chuyên dùng.

a Đặc điểm của sơ đồ chỉnh lưu cầu.

Số van chỉnh lưu bằng hai lần số pha của điện áp nguồn cung cấp, trong đó

có m van có katôt nối chung (các van 1, 3, 5) tạo thành cực dương của điện áp

nguồn,m van có anôt chung ( 2, 4, 6) tạo thành cực âm của điện áp chỉnh lưu Mỗipha của điện áp nguồn nối với 2 van, 1 ở nhóm anôt chung, 1 ở nhóm katôt chung.

Trong các van trong cùng một nhóm khi chưa có van nào dẫn, có thể cónhiều van cùng có điện áp anôt dương hơn điện áp anôt, tuy nhiên sẽ chỉ có mộtvan được dẫn khi đó việc xác định van nào sẽ dẫn tuân theo hai quy tắc quan trọngsau đây không chỉ đối với sơ đồ cầu ba pha mà dùng chung cho các sơ đồ của mạchchỉnh lưu khi cần xác định van dẫn

- Trong các van có catôt chung, van nào có anôt dương nhất van đó sẽ dẫn

- Trong các van có anôt chung, van nào có catôt âm nhất van đó sẽ dẫn

Vì đây là sơ đồ cầu ba pha điều khiển hoàn toàn nên các van này chỉ xácđịnh điều kiện có thể vào làm việc của các van còn nếu van hoạt động thì phải phụthuộc vào tín hiệu điều khiển của van nữa

Sơ đồ nguyên lý hệ thống chỉnh lưu cầu ba pha và sơ đồ thay thế.

b Giản đồ điện áp.

Đồ thị điện áp chỉnh lưu cầu ba pha.

3 Nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu.

Để điều khiển điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều ta thay đổi thời điểmđưa xung điều khiển đến các cực điều khiển của các van, làm thay đổi khoảng dẫndòng của van làm điện áp trung bình của chỉnh lưu thay đổi

Đặc điểm của các sơ đồ hình tia là ngoài các thời gian chuyển mạch các vanứng với γU (là khoảng thời gian khi một van nào đó đang ngừng làm việc và vantiếp sau đang bắt đầu làm việc)dòng điện phụ tải id bằng dòng điện trong van đang

mở Do đó dòng điện trong mạch phụ tải được xác định bởi sức điện động pha làmviệc của máy biến áp, còn độ sụt áp trong bộ biến đổi thì được xác định bởi độ sụt

áp trên pha đó Ở sơ đồ cầu, bên ngoài chu kỳ chuyển mạch vẩn có hai van làmviệc đồng thời.Dòng điện phụ tải chảy liên tiếp qua hai van và hai pha của máybiến áp dưới tác dụng của hiệu số sức điện động của các van tương ứng, nghĩa làdưới tác dụng của sức điện động dây Sau một chu kỳ biến thiên của điện áp xoaychiều cả sáu van của bộ biến đổi đều tham gia làm việc

Trị số trung bình của sức điện động chỉnh lưu Ed ở trạng thái dòng điện liêntục được xác định:Ed = Eđmcos Với Eđm là trị số cực đại của sức điện động chỉnhlưu ứng với trường hợp  = 0

Trị số cực đại của sức điện động chỉnh lưu là:Eđm1 =1,17E2f(với sơ đồ 3 phahình tia).Eđm2 =2,34E2f (với sơ đồ 3 pha hình cầu)

Trong đóE2f là trị số hiệu dụng của sức điện động pha thứ cấp máy biến áp Dòng điện chỉnh lưu trên tải một chiều: Do điện áp chỉnh lưu lặp đi lặplại2m (hoặc m) lần trong một chu kỳ của điện áp nguồn nên ở chế độ xác lập thìdòng qua tải cũng lặp đi lặp lại như vậy (tuỳ thuộc sơ đồ chỉnh lưu là tia hay cầu, sốpha chẵn hay lẻ) Như vậy chỉ cần biết dòng và áp trên tải trong khoảng thời gian là1/m chu kỳ hay là tương đương góc độ điện 2m/q (q = 2m hoặc q = m) Để xácđịnh dòng và áp trên tải ta dựa vào sơ đồ thay thế của chỉnh lưu trong một khoảngthời gian làm việc của một van

Sơ đồ thay thế của chỉnh lưu trong khoảng thời gian làm việc của van

Trong đó:

u: tổng đại số điện áp nguồn xoay chiều tác động trong mạch vòng nối vớicác van đang dẫn dòng trong sơ đồ ở thời gian đang xét.Nếu là sơ đồ tia thì chỉ có 1van mở, u = uf.Nếu là sơ đồ cầu thì có 2 van ở 2 pha khác nhau cùng làm việc, u =

ud.Nếu chọn mốc thời gian xét t = 0 là thời điểm bắt đầu mở một van trong sơ đồthì: u=U m sin (ωt+ψ ) ; U

m là biên độ điện áp nguồn (pha hoặc dây) ;  là góc phađầu

T đặc trưng cho van đang dẫn dòng, sơ đồ cầu là 2 van nối tiếp nhau, bỏ quasụt áp trên van

Chế độ giới hạn giữa 2 chế độ nêu trên được gọi là chế độ dòng biên liên tục

4 Vấn đề điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha.

Trong chỉnh lưu cầu ba pha, tại thời điểm bất kỳ thì dòng phải chạy qua ítnhất là hai van, một thuộc nhóm catôt chung , một thuộc nhóm anôt chung Vì vậy,nếu điều khiển các Tiristor bằng các xung ngắn thì sơ đồ sẽ không khởi động đượchoặc không làm việc được trong chế độ dòng gián đoạn Trong thực tế vấn đề nàyđược giải quyết bằng một trong hai cách sau đây:

Điều khiển bằng hệ thống xung kép: Theo cách này mỗi Tiristor khi nhận

được tín hiệu điều khiển mở thì xung điều khiển đó cũng được lặp lại ở Tiristor đãvào làm việc ngay trước đó Như vậy mỗi Tiristor sẽ nhận được hai xung điềukhiển, mỗi xung cách nhau 60⁰

Điều khiển bằng xung rộng: Theo cách này mỗi Tiristor sẽ nhận được tín

hiệu điều khiển có độ rộng bằng π - α, nghĩa là trong suốt thời gian mà van có thể

Thời điểm thay đổi giá trị uđk

t

uđk uđk1

uđk2

phải dẫn dòng Tuy nhiên việc truyền các xung có độ rộng lớn qua các biến ápxung đòi hỏi công suất mạch khuếch đại xung lớn và kích thước của biến áp xungcồng kềnh

Cách giải quyết là băm xung có độ rộng lớn thành một xung chùm có độrộng nhỏ hơn bằng cách trộn xung rộng với xung có tần số cao , cỡ 8 ÷10 Hz, ứng

với chu kì xung cỡ 100 ÷ 125µs Cách này gọi là điều khiển bằng xung chùm , rất

phổ biến trong thực tế,

5 Nhận xét.

Chỉnh lưu cầu ba pha là sơ đồ quan trọng nhất trong các sơ đồ chỉnh lưu vì

nó có ứng dụng thực tế rộng rãi Lý do là vì sơ đồ này có chất lượng điện áp ra tốt ,dòng đầu vào có dạng đối xứng , khai thác tốt công suất huy động từ lưới hay từmáy biến áp Sơ đồ cũng thường được dùng để nối trực tiếp với lưới điện ba pha

mà không cần dùng đến máy biến áp

Thực ra sơ đồ cầu ba pha chính là một dạng mắc nối tiếp của hai sơ đồ hìnhtia ba pha vậy nên cách mắc này cho ta lợi thế về điện áp trên van, còn muốn lợi thế

về dòng thì ta mắc song song hai sơ đồ hình tia ba pha hay còn gọi là chỉnh lưu sáupha có cuộn kháng cân bằng

Nhược điểm của sơ đồ này là sụt áp trên van gấp đôi sơ đồ hình tia vì luôn

có hai van dẫn để đưa dòng qua tải, nên sẽ phù hợp với cấp điện áp ra tải dưới 10V

Mô tả toán học bộ chỉnh lưu

Khi nghiên cứu sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu người ta thấy rằng: Khi tatác động đến tín hiệu điều khiển để điều chỉnh điện áp đầu ra thì thông thường tínhiệu ra thay đổi chậm hơn tín hiệu vào một thời gian  nào đó (xem hình 3.5)

GVHD: Trần Duy Trinh 21

khiển thay đổi

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG KHOA ĐIỆN

Hình 3.5 Đồ thị minh họa sự chậm trễ của sự thay đổi góc điều khiển so với sự thay

đổi u đk

Từ đồ thị ta thấy rõ rằng: Sau khi ta thay đổi giá trị tín hiệu điều khiển ở đầuvào khâu so sánh (giả thiết là nghiên cứu với trường hợp điều khiển bộ chỉnh lưutheo nguyên tắc pha đứng) được một khoảng thời gian bằng  hay qui ra góc độđiện bằng  thì hệ thống mới bắt đầu phát xung với giá trị góc điều khiển mới(2) Điều này có nghĩa rằng tín hiệu đầu ra (điện áp chỉnh lưu trung bình Ud) thayđổi chậm hơn tín hiệu vào (điện áp điều khiển mạch phát xung uđk) một thời gianbằng  Dùng hàm số bậc thang đơn vị để biểu thị sự chậm sau thì quan hệ đầu vàođầu ra của thiết bị chỉnh lưu có điều khiển dùng tiristor có dạng:

Ud = Kbuđk.1(t-) = EbVới Eb là sức điện động đầu ra bộ biến đổi, nó cũng bằng điện áp chỉnh lưutrung bình khi không tải lý tưởng

Theo định lý dịch chuyển của phép biến đổi Laplace, thì hàm số truyền là:

s d

Bảng 3.1 Thời gian trễ trung bình  của các mạch điện chỉnh lưu (f =50 Hz)

Loại sơ đồ chỉnh lưu Thời gian trễ

Bởi vì trong biểu thức (3.5) có chứa hàm số mũ e s, nó làm cho hệ thốngkhông phải là hệ thống pha cực tiểu, việc phân tích và thiết kế khá phức tạp Đểđơn giản hoá, trước tiên phải khai triển e sthành chuỗi Taylo, và biểu thức (3.5) trởthành:

đk

U (s)   s 1 (3.6)

Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của nó như trên hình 3.6

Hình 3.6.Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của bộ chỉnh lưu có điều khiển tiristor

Từ biểu thức khai triển Taylocó thể thấy, chỉ cần >>1 có thể biến biểu thức(3.5) thành biểu thức (3.6) Nhưng bản thân s là mộtlượng biến phức, điều kiện gầnđúng này vẫn không rõ ràng

Theo nguyên lý điều khiển tự động, chuyển tham số s của công thức hàm sốtruyền thành j Vì thế:

2 2

3 3

1

1 2

1 6

13

 

 Đây chính là điều kiện gần đúng khi coi bộ chỉnh lưu

có điều khiển dùng tiristor là khâu quán tính bậc nhất