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.
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 khơng 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 cơng 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 dịng 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 i KF
có thể được cấp điện trực tiếp bằng nguồn điện kích từ, khi có u cầu cao về chất
lượng điều tốc của mạch vịng 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, ngồi ra cịn 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 cơng 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:
Ưu

Nhược

Độc lập
Phối hợp
• Ln chỉ có một sơ đồ • Hệ thống đảo chiều
chỉnh lưu làm việc nên
điều khiển phối hợp
khơng xuất hiện dịng
phi tuyến có ưu điểm
cân bằng, nhờ đó
là dịng cân bằng sinh
khơng cần dùng các
ra bởi chênh lệch
phần tử hạn chế và
thành phần xoay
giảm tổn thất công

chiều điện áp ra hai sơ
suất.
đồ chỉnh lưu nhỏ đến
giới hạn nào đó có thể
loại bỏ dịng 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
• Do xuất hiện khoảng
• Khó khăn khi chọn giá
thời gian dịng điện
trị tín hiệu điều khiển
bằng khơng trong giai • Với m giá trị tín hiệu
đoạn đảo chiều dịng
điều khiển, có thể có
nên làm xấu chất
nhiều giá trị điện áp
lượng quá trình quá
một chiều đặt vào
độ.
phần ứng động cơ
• Hệ thống này khi đổi
khác nhau, phụ thuộc
chiều dòng do điều
vào quan hệ giữa điện
chỉnh giảm tốc hoặc

áp ra của hai sơ đồ
đảo chiều có thể xuất
chỉnh lưu và sức điện
hiện xung dòng điện
động động cơ và
khá lớn, đó là vì trong
thường chỉ xuất hiện
giai đoạn chờ tín hiệu
khi đổi chiều dịng
ra của LG cho phép
động cơ


mạch phát xung làm
việc, giá trị của phản
hồi dòng điện ui coi
như bằng khơng, trong
khi đó tín hiệu đặt
dịng 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

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

Nhược

Hệ F-Đ
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.
Sử dụng ít nhất phải bao
gồm hai máy điện quay
tương đương dung lượng
với động cơ cần điều
khiển tốc độ, ngồi ra
cịn 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

Hệ T-Đ
Độ tin cây cao , giá thành
rẻ, vận hành it tiếng ồn,
độ tin cậy cao
Có thể thực hiện điều
chỉnh vơ cấp (khơng có
bước nhảy) vì cơng suất
ở bộ phận điều chỉnh
thường rất nhỏ
Khơng cho phép dịng
điện chạy ngược chiều
nên việc đảo chiều dịng
gặp khó khan
Các hệ thống truyền động
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


vững chắc, vận hành
nhiều tiếng ồn, duy tu
bảo dưỡng khá phức tạp

truyền động T-Đ xây
dựng từ sơ đồ chỉnh lưu
điều khiển hồn tồn

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 dịng 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 dịng 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:


Rω - 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=γn) - Điện áp phản hồi tốc độ,
u*i

- Điện áp đặt dòng điện

ui (ui=βI) - 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 ngồi, gọi là mạch vịng ngồi. 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 cơng suất;
(2) Tần số đóng cắt cao, dễ duy trì dịng 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 khơng điều
khiển nên có hệ số cơng suất cao.
Nhược:
Vì: hệ thống điều chỉnh tốc độ vịng 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 vịng khó thoả mãn yêu cầu. Điều này chủ yếu do trong hệ thống một
mạch vịng khơng thể hồn tồn khống chế dịng điện và mơ men của q
trình động theo u 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 γ. 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 dịng 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, dịng 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 cơng suất trượt - tồn bộ cơng 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 mơmen phụ tải khơng
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 cịn 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 cơng 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 khơng 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 đơi 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 ngun 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

Rω 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
vịng kín ứng với hình ngun lý. Nếu mô men phụ tải là M c, 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 vịng kín. Dù cho đường đặc tính cơ
mạch vịng hở của động cơ không đồng bộ khác biệt khá nhiều so với đặc tính
mạch vịng hở của động cơ một chiều, nhưng đặc tính cơ của hệ thống mạch vịng
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 vịng 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 vơ 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.
10, Hãy trình bày sơ đồ cấu của hệ ở trạng thái ổn định và đặc tính tĩnh của hệ 2
mạch vịng

Hê thống có hai trạng thái: bão hồ (đầu ra đạt tới giá trị biên), và khơng bão
hồ (đầu ra không đạt tới giá trị biên). Lúc bộ điều chỉnh bão hoà, đầu ra là hằng
số, sự biến đổi của lượng đầu vào không ảnh hưởng tới đầu ra, trừ khi tín hiệu đầu
vào biến đổi ngược chiều làm cho bộ điều chỉnh mất bão hồ, nói cách khác, bộ

điều chỉnh bão hoà tạm thời bị tách khỏi mối liên hệ giữa đầu vào và đầu ra, tương
đương với việc làm cho khâu điều chỉnh tách ra thành vòng hở. Lúc bộ điều chỉnh


khơng bão hồ PI làm cho chênh áp đầu vào ∆uv ở trạng thái ổn định bao giờ cũng
bằng không (∆uv =0).
Trên thực tế, khi làm việc bình thường, bộ điều chỉnh dịng điện khơng bao
giờ đạt tới trạng thái bão hồ. Vì vậy, đối với đường đặc tính mà nói, chỉ có hai
vùng ứng với hai trường hợp là bộ điều chỉnh tốc độ quay bão hồ và khơng bão
hoà.