Giáo trình hình thành chế độ ứng dụng điểu khiển tốc độ trong động cơ không đồng bộ p4 ppsx

31
Vì biên độ xung ra là E, một đại lượng cố định, nên bằng cách điều
chỉnh A
r
ta điều chỉnh được điện áp ra trên tải.
a. Điều biến độ rộng xung đơn cực:
Trên hình 2.5 trình bày giản đồ điều biến độ rộng xung đơn cực, một
pha, tải R + L. Sơ đồ hoạt động như sau:

Hình 2.5 Giản đồ điều biến độ rộng xung đơn cực
Transitor T
1
được kích bởi xung điều khiển trong nửa chu kỳ dương
của sóng điều biến u
p
, còn transitor T
4
trong nửa chu kỳ âm của u
r
.
Dòng tải i chậm pha so với điện áp tải u.
Trong khoảng u và i cùng dấu, dòng tải chạy từ nguồn E ra tải qua 2
transitor.
Trong khoảng u và i khác dấu, dòng tải chạy về nguồn E qua 2 điot.

32
Trong khoảng u = 0, dòng tải chạy qua một transitor của nhánh này và
một điot của nhánh khác, tải bị ngắn mạch, dòng điện nguồn i
s
= 0.

Sóng hài trong điện áp tải
Nếu chuyển gốc toạ độ sang O’ , điện áp tải u là một hàm chu kỳ, lẻ.
Khai triển Fourier của nó chỉ chứa các thành phần sóng sin.
Biên độ của sóng hài được tính theo công thức:
U
nm
=
()
π
0
2
E α sinθdθ
π
∫
(2.11)
Khi n = 1, ta có:
U
1m
=
53
24 1
13 5 4 2
π-απ-α
αα π-α
αα α π-απ-α
2E
sinθdθ +sinθdθ +sinθdθ +sinθdθ +sinθdθ
π
⎡⎤
⎢⎥

⎢⎥
⎣⎦
∫∫ ∫ ∫ ∫

=
[]
12 34 5
4E
cosα -cosα +cosα -cosα +cosα
π

U
2m
≈ 0
Khi n = 3, ta có:
U
3m
=
()
()
()
()()
53
1
24
13 5 4 2
3 π-α 3 π-α
3 π-α
3α 3α
3α 3α 3α 3 π -α 3 π-α

2E
sinΩdΩ +sinΩdΩ +sinΩdΩ +sinΩdΩ +sinΩdΩ
π
⎡⎤
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
∫∫ ∫ ∫ ∫

=
[]
12 34 5
4E
cos3α -cos3α +cos3α -cos3α +cos3α
π

Biên độ của các sóng hài có dạng tổng quát như sau:
U
nm
=
()
i-1
1
1
k
4E
-1 cosnα
nπ
∑

trong đó n = 1, 3, 5, …
α
1
là góc chuyển trạng thái, i biến thiên từ 1 đến k.
α
k
là góc trạng thái cuối cùng trước π/2.
Như vậy, đối với điều biến độ rộng xung đơn cực, để da tải không chứa
các sóng hài bậc 3,5 và 7 cần phải có:

33
U
3m
=
()
i-1
k
i
i=1
4E
-1 cos3α =0
3π
∑
,
U
5m
=
()
i-1
k

i
i=1
4E
-1 cosα =0
5π
∑
,
U
7m
=
()
i-1
k
i
i=1
4E
-1 cosα =0
7π
∑

b. Điều biến độ rộng xung lưỡng cực
Trên hình 2.6 trình bày giản đồ điều biến độ rộng xung lưỡng cực với
tải L + R.

Hình 2.6 Giản đồ điều biến độ rộng xung lưỡng cực
Tỉ số điểu biến M > 1. Các transitor được điều khiển từng cặp T
1
, T
3
và

T
2
, T
4
. Nguồn E luôn luôn được nối với tải thông qua hoặc T
1
, T
3
, hoặc T
2
, T
4
,
do đó điện áp tải gồm một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, không có những
khoảng u = 0.
Sóng hài trong điện áp tải

34
Nếu chuyển gốc toạ độ sang O’, dễ thấy rằng điện áp tải có dạng hàm
chu kỳ, lẻ, chỉ chứa các thành phần sin.
Biên độ sóng hài được tính theo công thức (2.11):
U
1m
=
22 2 1
12 2 1
αα π-απ-α
π
0 ααπ-απ-α
2E

sinθdθ -sinθdθ +sinθdθ -sinθdθ +sinθdθ
π
⎡⎤
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
∫∫ ∫ ∫ ∫


[]
12
4E
=1-2cosα +2cosα
π

U
2m
= 0

[]
3m 1 2
4E
U 1 2cos3 2cos3
3
=−α+α
π

Biểu thức tổng quát của biên độ sóng hài của điều biến độ rộng xung
lưỡng cực:
()

k
i1
nm i
i1
4E
U121cos
n
−
=
⎡⎤
=−− α
⎢⎥
π
⎣⎦
∑
khi u bắt đầu bằng một xung dương
()
k
i-1
nm i
i=1
4E
U = -1+ 2 -1 cosα
nπ
⎡⎤
⎢⎥
⎣⎦
∑
khi u bắt đầu bằng một xung âm.
Đối với trường hợp đang xét, muốn loại trừ sóng hài bậc 3 và 5 cần

phải có:
1-2cos 3α
1
+ 2cos 3α
2
= 0
1-2cos 5α
1
+ 2cos 5α
2
= 0
Bằng phương pháp tính gần đúng tìm được α
1
= 23
o
616, α
2
= 33
o
3. Như
vậy, điện áp ra chỉ chứa sóng cơ bản và các sóng hài bậc cao 7, 9, 11… Có
thể xem:

4E
u= sinωt
π

Nghịch lưu điện áp khi làm việc với tải có tính chất dung kháng, điện
áp tăng vọt ở đầu ra của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp (lúc thay đổi cực

35
tính điện áp trên tải) làm xuất hiện dòng điện xung rất lớn (về lý thuyết là vô
cùng). Khi làm việc với tải có tính chất cảm kháng hay động cơ điện xoay
chiều, đặc tính của nghịch lưu độc lập điện áp gần đạt đến đặc tính lý tưởng.
Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp dùng khoá điện tử có khả năng làm
việc v
ới phụ tải dung kháng (dòng điện vượt pha trước điện áp), chẳng hạn ở
động cơ điện một chiều không vành góp. Trong trường hợp này, khi có sự
tăng vọt của dòng điện thì việc chuyển mạch dòng điện giữa các van giới hạn
bởi các thông số của phụ tải và tuỳ theo tốc độ tăng trưởng của dòng điện
trong khoá điện t
ử. Sự làm việc tin cậy này của nghịch lưu độc lập nguồn điện
áp chỉ có thể đạt được trong trường hợp dùng chuyển mạch cưỡng bức.
Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp được đặc trưng đơn trị với sự phụ
thuộc của điện áp đầu ra vào điện áp đầu vào và thực sự không phụ thuộc vào
sự thay đổi của phụ tải và hệ số công suất của nó. Đó là ưu điểm nổi bật của
nghịch lưu độc lập nguồn điện áp khi làm việc với động cơ điện xoay chiều và
làm cho việc sử dụng bộ biến tần khoá điện tử dùng nghịch lưu độc lập nguồn
điện áp tốt hơn trong các hệ th
ống hở điều khiển tốc độ động cơ điện xoay
chiều và khi cung cấp cho nhóm động cơ.
Khi chuyển động cơ được cấp từ bộ biến tần khoá điện tử dùng nghịch
lưu độc lập nguồn điện áp sang chế độ máy phát, chiều dòng điện ở đầu vào
của nghịch lưu độc lập nguồn điệ
n áp thay đổi (nếu đầu ra của bộ chỉnh lưu
ngược được nối với đầu vào của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp), nhưng
không làm thay đổi cực tính của điện áp của khâu dòng điện một chiều. Tuy
nhiên dòng điện qua chỉnh lưu cấp cho nghịch lưu không biến đổi chiều. Do
vậy không thể thực hiện việc truyền năng l
ượng đã có vào mạng, và năng

lượng được tạo ra bởi máy điện xoay chiều sẽ được tích luỹ vào khâu dòng
điện một chiều, trong bộ lọc dùng tụ điện.
Trên cơ sở về lý thuyết biến tần thì ta có sơ đồ cấu trúc của hệ biến tần
động cơ được biểu diễn trên Hình 2.4.

36


Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc tổng quan về hệ biến tần động cơ
Nguyên lý hoạt động của biến tần áp một pha: nguồn điện được cấp từ phía
sơ cấp của máy biến áp có tần số f
1
sau đó qua máy biến áp có điện áp thứ cấp u
2
.
Dòng điện xoay chiều qua bộ chỉnh lưu cầu để tạo ra dòng điện một chiều. Tụ C
có tác dụng lọc nhằm giảm độ đập mạch của điện áp sau khi chỉnh lưu. Sau đó
dòng điện một chiều được đưa qua bộ nghịch lưu, tại đây dòng điện một chiều
được biến thành dòng điện xoay chiều có tần số
f
2
. Tần số f
2
thay đổi phụ thuộc
vào quá trình đóng, mở của các transitor của mạch nghịch lưu. Việc đóng, mở của
các transitor được thực hiện bởi mạch điều khiển. Mạch điều khiển này nhận tín
hiệu từ bộ vi xử lý đã được lập trình theo một thuật toán nhất định.
2.2 Xây dựng luật điều khiển
Việc điều khiển tần số của động cơ được thực hiện nhờ mạch nghịch lưu.
Tần số của dòng điện đưa vào động cơ chính là tần số đóng mở của hai cặp

Transitor trong mạch nghịch lưu. Quá trình đóng mở hai cặp transitor này được
thực hiện nhờ mạch điều khiển. Mạch điều khiển này và mạ
ch lực của bộ biến tần
tạo thành bộ điều chỉnh của hệ ổn định tốc độ động cơ. Việc tổng hợp hệ thống
điều chỉnh sẽ được trình bày ở trong chương 3.



37
CHƯƠNG 3
XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY BẰNG
BIẾN TẦN ÁP MỘT PHA

Khi nói đến hệ thống điều chỉnh tự động, người ta thường quan tâm đến
ba vấn đề: Đối tượng điều khiển, phương pháp điều khiển và thiết bị điều
khiển. Đối tượng điều khiển là động cơ không đồng bộ một pha, phương pháp
điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổ
i tần số nguồn
cung cấp là phương pháp điều khiển. Còn các bộ biến tần và các thiết bị phụ
khác là thiết bị điều khiển.
3.1 Hệ thống điều khiển mạch vòng kín
Hệ thống điều khiển mạch vòng kín được sử dụng rất rộng rãi trong dân
dụng cũng như trong công nghiệp. Trong dân dụng chúng ta gặp các hệ thống
ổn định nhiệt độ bàn là, tủ lạnh… Trong kỹ thuật chúng là những hệ thống ổn
địnhnhiệt độ trong các lò nung, lưu lượng trong các đường ống dẫn, điện áp ra
của máy phát điện…Sơ đồ nguyên lý của hệ thố
ng điều khiển mạch vòng kín
ổn định tốc độ được biểu diễn trên Hình 3.1

Hình 3.1 Mạch vòng ổn định tốc độ

ĐTĐK là đối tượng điều khiển
TBĐK là thiết bị điều khiển
u là tín hiệu đặt đầu vào
y là tín hiệu đầu ra
e là sai lệch
u
đk
là tín hiệu điều khiển

38
Tốc độ làm việc do công nghệ yêu cầu và được gọi là tốc độ đặt, hay
tốc độ mong muốn. Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị
thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ
thực so với tốc độ đặt.
Khi có tín hiệu đầu vào u đặt ở đầu vào thì ở đầu ra sẽ có tín hiệu đầu
ra là y, nhờ có cảm biến đo tốc độ mà tín hiệu đầu ra được phản hồi trở lại và
nhờ có khâu so sánh ta biết được đầu ra có thoả mãn được yêu cầu của đầu
vào không. Khi có sự sai lệch thì khâu so sánh sẽ đưa ra tín hiệu sai lệch và
thiết bị điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển u
đk
để điều khiển đối tượng
điều khiển nhằm đảm bảo tín hiệu đầu ra luôn thoả mãn yêu cầu của đầu vào.
3.2 Cảm biến tốc độ
Một công việc rất quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động là đo
được các thông số của hệ thống. Việc đo này được tiến hành bởi các cảm
biến. Để đo tốc độ động cơ ta dùng cảm biến tốc độ.
Việc đo tốc độ động cơ từ trước cho tới nay có rất nhiều phương pháp
khác nhau và mỗi một phươ
ng pháp có các ưu điểm và nhược khác nhau.
Phương pháp đo tốc độ theo nguyên lý điện từ

Các cảm biến theo nguyên lý này dựa trên định luật Faraday:

d
e=-
dt
φ
(3.1)
Với e là suất điện động xuất hiện khi từ thông thay đổi một lượng dΦ
trong khoảng thời gian dt. Từ thông đi qua một mạch là một hàm số có dạng:
Φ(x) =Φ
o
(x).F(x) (3.2)
Trong đó x là biến số của vị trí thay đổi theo đường thẳng hoặc vị trí
theo góc quay.
Mọi sự thay đổi giữa nguồn từ thông ( phần cảm) và mạch có từ thông
đi qua (phần ứng) sẽ làm suất hiện trong mạch một suất điện động có biên độ

39
tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển. Suất điện động này chứa đựng tín hiệu trong nó
tín hiệu ra của cảm biến.

o
dF(x) dx
e=-
dx dt
φ
(3.3)
Các loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý này đặc trưng là tốc độ
kế một chiều (máy phát tốc), tốc độ kế xoay chiều (máy phát đồng bộ).

Hình 3.1 Tốc độ kế một chiều


Hình 3.2 Máy phát đồng bộ

Phương pháp đo tốc độ theo nguyên lý đếm xung
Các cảm biến theo nguyên lý này có vật trung gian thường dùng là đĩa
được chia thành p phần bằng nhau (chia theo góc ở tâm), mỗi phần mang một dấu
hiệu đặc trưng như lỗ, đường vát, răng, điểm sáng (mặt phản xạ)…

40
Một cảm biến thích hợp đặt đối diện với vật trung gian để ghi nhận một
cách ngắt quãng mỗi khi có một dấu hiệu đi qua và mỗi lần như vậy nó cấp
một tín hiệu xung. Biểu thức của tấn số f của các tín hiệu xung này được viết
dưới dạng:
f = p.N (3.4)
Trong đó f là tần số đo bằng Hz, p là số lượng dấu trên đĩ
a và N là số vòng
quay của đĩa trong một giây.
Việc lựa chọn loại cảm biến thích hợp để ghi nhận tín hiệu liên quan
đến bản chất của vật quay, cấu tạo của vật quay và các dấu hiệu trên nó.
- Cảm biến từ trở biến thiên sử dụng khi vật quay là sắt từ.
- Cảm biến Hall hoặc cảm biến từ điện trở dùng trong trường hợp vật
quay là mộ
t hay nhiều nam châm, hoặc vật quay tạo thành màn chắn từ một
cách tuần hoàn giữa một nam châm bất động và một cảm biến.
- Cảm biến quang cùng một nguồn sáng được dùng khi trên vật trung
gian quay có các lỗ, đường vát hoặc mặt phản xạ.
Trong đề tài này việc chọn lựa cảm biến được dựa vào đặc điểm cấu tạo

của động cơ (quạt) và tín hiệu cần lấy ra. Hơ
n thế nữa việc xử lý tín hiệu ra
của cảm biến được thực hiện bằng vi điều khiển. Vì vậy mà chúng tôi đã lựa
chọn loại cảm biến để đo tốc độ là cảm biến quang.
Cảm biến quang
Cấu tạo và sơ đồ nguyên lý của cảm biến quang được biểu diễn trên
hình 3.4.
- Khối tạo nguồn tạo nguồn nuôi cho toàn mạch gồm có cầu chỉnh lưu
D1 các tụ lọc và IC LM7805 để ổn nguồn 5V
- Ba cặp thu phát hồng ngoại tương ứng với ba vị trí các quạt bố trí trên
hệ thống. Nhiệm vụ của của cặp thu phát này là cảm nhận được vị trí thay đổi
của
điểm sáng.