Chương 3: Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều sử dụng nhiều mạch vòng

Chơng 3:
Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
nhiều mạch vòng
3.1. Hệ điều chỉnh tốc độ với hai mạch vòng phản hồi âm
tốc độ và dòng điện
3.1.1. Đặt vấn đề
Trong chơng 2 đ chỉ rõ, hệ thống điều chỉnh tốc độ vòng kín ã
đơn dùng phản hồi âm tốc độ và bộ điều chỉnh PI có thể đảm bảo hệ
thống ở trạng thái ổn định thực hiện không có sai lệch. Đối với hệ
thống có yêu cầu chất lợng động cao, ví dụ yêu cầu khởi động.
phanh h m nhanh, sai lệch tốc độ ở chế độ động nhỏ, thì hệ thống ã
một mạch vòng khó thoả m n yêu cầu. Điều này chủ yếu do trong hệ ã
thống một mạch vòng không thể hoàn toàn khống chế dòng điện và
mô men của quá trình động theo yêu cầu.
3.1. Hệ điều chỉnh tốc độ với hai mạch vòng phản hồi âm
tốc độ và dòng điện
3.1.1. Đặt vấn đề
Hình 3.1: Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của động cơ trong quá trình khởi
động hệ thống điều chỉnh tốc độ
a/ Quá trình khởi động hệ thống điều chỉnh tốc độ một mạch vòng với phản
hồi âm dòng điện có ngắt
b/ Quá trình khởi động tăng tốc lý tởng
I
d
t
n
0
n
I
dmax
I

ng
I
c
I
d
a
I
d
t
n
0
n
I
dmax
I
c
I
d
b
3.1.2. CÊu tróc hÖ thèng ®iÒu chØnh tèc ®é hai m¹ch vßng tèc ®é
quay vµ dßng ®iÖn
Hình 3.2: Hệ thống điều tốc hai mạch vòng tốc độ quay và dòng điện:
R
ω
- Bộ điều chỉnh tốc độ quay; R
I
- Bộ điều chỉnh dòng điện; FT - Máy phát tốc;
FX - Mạch phát xung điều khiển các tiristor của BĐ; CBD - Cảm biến dòng điện,
u
cđ

- Điện áp chủ đạo (điện áp đặt tốc độ); u
n
(u
n
=
γ
n) - Điện áp phản hồi tốc độ,
u
*
i
- Điện áp đặt dòng điện; u
i
(u
i
=
β
I) - Điện áp phản hồi âm dòng điện
U
d
Đ
=
CKĐ
+
-
∼
BĐ
FX
CK
FT
u

cđ
CL1
CBD
R
ω
R
I
-
-
I
n
u
n
u
i
n
∆u
v
3.1.2. CÊu tróc hÖ thèng ®iÒu chØnh tèc ®é hai m¹ch vßng tèc ®é
quay vµ dßng ®iÖn
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch điện hệ thống điều chỉnh
tốc độ hai mạch vòng sử dụng các bộ điều chỉnh PI
: Biểu tượng biểu thị tác dụng giới hạn biên độ
U
d
Đ
=
CKĐ
+
-

∼
BĐ
FX
CK
FT
+
-
R
v02
R
v3
R
pi
OA
2
C
i
CL1
R
v4
CBD
+
+
-
R
v01
R
v1
R
pn

u
cđ
OA
1
C
n
R
v2
-γn
βI
d
u
đk
-
3.1.3. Sơ đồ cấu trúc của hệ ở trạng thái ổn định và đường đặc
tính tĩnh
I
d
Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định của hệ thống điều chỉnh tốc
độ hai mạch vòng âm tốc độ và âm dòng điện
γ
- Hệ số phản hồi tốc độ quay
β
- Hệ số phản hồi dòng điện
u
cđ
K
b
γ
1

C
e
R
d
I
d
-
nu
đk
E
b
E
Đ
-
∆u
vđ
R
d
R
ω
β
-
R
I
3.1.3. Sơ đồ cấu trúc của hệ ở trạng thái ổn định và đờng đặc
tính tĩnh
Trên thực tế, khi làm việc bình thờng, bộ điều chỉnh dòng
điện không bao giờ đạt tới trạng thái b o hoà. Vì vậy, đối với đờng ã
đặc tính mà nói, chỉ có hai vùng ứng với hai trờng hợp là bộ điều
chỉnh tốc độ quay b o hoà và không b o hoà.ã ã

3.1.3.1. Bộ điều chỉnh tốc độ quay không b o hoà ã
Lúc này, cả hai bộ điều chỉnh đều không b o hoà, khi ổn định, điện ã
áp chênh lệch đầu vào đều bằng 0. Vì vậy:
u
cđ
=u
n
= n
và:
Từ quan hệ thứ nhất ta có:
*
i i d
u u I
= =
c
0
u
n n
= =

3.1.3. Sơ đồ cấu trúc của hệ ở trạng thái ổn định và đờng đặc
tính tĩnh
3.1.3.2. Bộ điều chỉnh tốc độ quay b o hoàã
Lúc này, đầu ra của R

đạt tới giá trị giới hạn biên độ , mạch
vòng ngoài của tốc độ quay trở thành mạch hở, sự thay đổi của tốc
độ quay không còn ảnh hởng đối với hệ thống. Hệ thống hai mạch
vòng biến thành hệ thống một mạch vòng không có sai lệch tĩnh đối
với dòng điện. Lúc ổn định:

trong đó: dòng điện lớn nhất I
dmax
là do ngời thiết kế chọn, phụ thuộc
vào năng lực quá tải cho phép của động cơ và và trị số lớn nhất gia
tốc cho phép của hệ thống truyền động điện. Đờng đặc tính tĩnh lúc
này là đoạn A - I
dmax
trên hình 3.5.
*
i max
d d max
U
I I
= =

3.1.3. Sơ đồ cấu trúc của hệ ở trạng thái ổn định và đờng đặc
tính tĩnh
3.1.3.2. Bộ điều chỉnh tốc độ quay b o hoàã
Đờng đặc tính thẳng đứng nh vậy chỉ phù hợp với tình huống n <
n
0
, bởi vì nếu n > n
0
thì , R

sẽ ra khỏi trạng thái b o hoà.ã
Hình 3.5: Đặc tính tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng
0
n
n

0
A
I
dmax
I
d
I
đm
3.1.4. Tính toán các tham số ở trạng thái ổn định
Từ hình 3.4 có thể thấy, hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch
vòng kín ở trạng thái làm việc ổn định, khi hai bộ điều chỉnh đều
không b o hoà, giữa các đại lợng có các mối quan hệ sau:ã
u
cđ
= u
n
= n
*
i i d c
u u I I
= = =
b e d d e c c d
k
b b b
E C n I R C u / I R
u
K K K
+ +
= = =
ở đây E

b
là s.đ.đ. đầu ra BBĐ, với BBĐ là sơ đồ chỉnh lu cũng th
ờng ký hiệu là U
d
Hệ số phản hồi tốc độ quay:
c max
max
u
n
=
Hệ số phản hồi dòng điện:
*
i max
d max
U
I
=
3.2. ChÊt lîng ®éng cña hÖ thèng ®iÒu chØnh tèc ®é hai
m¹ch vßng
3.2.1. M« h×nh to¸n häc tr¹ng th¸i ®éng

I
d
H×nh 3.6: S¬ ®å cÊu tróc tr¹ng th¸i ®éng cña hÖ thèng ®iÒu chØnh tèc ®é hai
m¹ch vßng
U
c®
γ
R
d

T
m
s
I
c
-
n
E
b
E
§
-
β
-
-
U
n
U
i
R
W (s)
ω
I
R
W (s)
b
K
s 1
τ +
d

e
1/ R
T s 1+
e
1
C
*
i
U
3.2. ChÊt lîng ®éng cña hÖ thèng ®iÒu chØnh tèc ®é hai
m¹ch vßng
3.2.1. M« h×nh to¸n häc tr¹ng th¸i ®éng

I
d
U
c®
γ
R
d
T
m
s
I
c
-
n
E
b
E

§
-
β
-
-
U
n
U
i
R
W (s)
ω
I
R
W (s)
b
K
s 1
τ +
d
e
1/ R
T s 1+
e
1
C
*
i
U
3.2.2. Phân tích quá trình khởi động

Phần trớc đ chỉ ra rằng, mục đích quan trọng của việc điều ã
khiển hai mạch vòng kín chính là để nhận đợc quá trình khởi động
gần với lý tởng (hình 3.1b), vì vậy khi phân tích chất lợng động của
hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng, trớc tiên phải hiểu rõ
quá trình khởi động của nó. Để khảo sát hệ thống điều chỉnh tốc độ
hai mạch vòng ta giả thiết: khi động cơ đang đứng yên đột ngột đặt
vào đầu vào điện áp u
cđ
=conts để khởi động, quá trình quá độ của
dòng điện và tốc độ quay đợc thể hiện trên hình 3.7. Bởi vì trong
quá trình khởi động bộ điều chỉnh R

trải qua ba giai đoạn: không
b o hoà, b o hoà, thôi b o hoà, trên hình vẽ đợc đánh dấu bằng các ã ã ã
đờng I, II, và III.
3.2.2. Phân tích quá trình khởi động
Giai đoạn đầu, đoạn 0
ữ
t
1
, là giai đoạn điện áp tăng lên. Sau
khi tác động điện áp đặt u
cđ
dạng nhảy cấp, thông qua tác động điều
khiển của hai bộ điều chỉnh làm cho u
đk
, E
b
(hay U
d

), I
d
đều tăng lên,
khi I
d
> I
c
động cơ điện bắt đầu tăng tốc. Do quán tính cơ của động
cơ, quá trình tăng của tốc độ động cơ không thể đột biến, cho nên
chênh lệch điện áp đầu vào

u
v
= u
cđ
- u
n
của bộ điều chỉnh tốc độ
quay R

là khá lớn, đầu ra của nó nhanh chóng đạt tới giá trị biên
(b o hòa), dòng điện Iã
d
cũng đợc cỡng bức tăng lên nhanh chóng.
Khi I
d


I
dmax

thì , tác dụng của bộ điều chỉnh dòng điện làm
cho I
d
không thể tiếp tục tăng mạnh, chứng tỏ quá trình này đang kết
thúc. Trong giai đoạn này, R

từ cha b o hoà đ nhanh chóng đạt ã ã
đến b o hoà, còn Rã
I
thờng không b o hoà để đảm bảo cho tác dụng ã
điều chỉnh của mạch vòng dòng điện.
3.2.2. Phân tích quá trình khởi động
ở giai đoạn II, từ t
1
đến t
2
, dòng
điện không đổi, tốc độ tăng. mạch
vòng dòng điện.
Giai đoạn III: sau thời điểm t
2
là
giai đoạn điều chỉnh tốc độ quay. ở
giai đoạn này, tốc độ quay đ đạt đến ã
trị số cho trớc, đại lợng cho trớc
(tín hiệu đặt hay điện áp chủ đạo) và
điện áp phản hồi của bộ điều chỉnh
cân bằng nhau, chênh lệch điện áp
đầu vào bằng 0, nhng đầu ra do tác
dụng của khâu tích phân vẫn duy trì trị

Hình 3.7: Đồ thị tốc độ quay và
dòng điện của hệ thống điều
chỉnh tốc độ hai mạch vòng
t
n
0
t
I
d
0
I
dmax
n
*
t
1
t
2
t
3
t
4
I
c
I II III
3.2.2. Phân tích quá trình khởi động
số biên, cho nên động cơ với dòng điện cực đại vẫn tăng tốc, làm
cho tốc độ quay vợt quá giá trị đặt (quá điều chỉnh). Sau khi tốc độ
quay vợt quá giá trị đặt, ở đầu ra của R

xuất hiện chênh lệch điện
áp âm, làm cho nó thoát khỏi trạng thái b o hoà, điện áp đầu ra của ã
nó (cũng là điện áp cho trớc của R
I
) cũng lập tức từ giá trị biên
(b o hòa) giảm xuống, dòng điện mạch chính Iã
d
cũng theo đó mà
giảm xuống. Nhng vì I
d
vẫn lớn hơn dòng điện phụ tải Ic trong một
khoảng thời gian nên tốc độ quay vẫn tiếp tục tăng. Đến lúc I
d
= I
c
,
mô men động cơ M cân bằng mô men cản M
c
(M = M
c
), thì dn/dt = 0,
tốc độ quay n đạt tới giá trị cực đại (tại thời điểm t = t
3
). Tiếp sau, d
ới tác dụng của mô men phụ tải, động cơ điện bắt đầu giảm tốc, t
ơng ứng với nó, xuất hiện một giai đoạn ngắn dòng điện Id nhỏ hơn
Ic cho tới khi ổn định (giả thiết các tham số bộ điều chỉnh đ đợcã
*
i
u

3.2.2. Phân tích quá trình khởi động
điều chỉnh tốt). Trong giai đoạn điều chỉnh cuối cùng, R

và R
I
đều
không b o hoà và tác động đồng thời. Bởi vì mạch vòng điều chỉnh ã
tốc độ quay là vòng ngoài, R

đóng vai trò chủ đạo, còn tác dụng
của R
I
là đảm bảo sao cho Id nhanh chóng bám lợng đầu ra ui* của
R

.
Tóm lại, quá trình khởi động hệ thống điều tốc hai mạch vòng
có 3 đặc điểm:
1/ Điều khiển b o hoà phi tuyếnã
2/ Điều khiển tối u chuẩn thời gian
3/ Quá điều chỉnh tốc độ quay
3.2.2. Phân tích quá trình khởi động
Hình 3.8: Đồ thị dòng điện khi khởi
động không tải của hệ thống điều chỉnh
tốc độ hai mạch vòng
t
I
d
0
n

I
d
n
Cần phải lu ý, dòng
điện đầu ra của bộ chỉnh lu
bán dẫn tiristor chỉ đi theo một
chiều, do vậy, với hệ thống điều
tốc T-Đ không đảo chiều dòng
thì khi dừng dòng điện động cơ
không đảo chiều và động cơ
không làm việc ở trạng thái h mã
(nếu không sử dụng các biện pháp khác). Vì vậy hệ thống điều chỉnh
tốc độ hai mạch vòng tuy có quá trình khởi động rất nhanh, nhng
khi dừng máy, sau khi dòng điện hạ về không thì hệ thống chuyển
sang h m tự do. Nếu muốn dừng nhanh phải dùng h m động năng ã ã
hoặc phanh điện từ.
3.2.3. Tính năng và tác dụng của hai bộ điều chỉnh ở trạng thái
động
Nói chung, hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng có tính
năng trạng thái động khá tốt.
3.2.3.1. Tính năng bám trạng thái động
Nh trên đ phân tích, hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch ã
vòng trong quá trình khởi động và tăng tốc, trong điều kiện bị giới
hạn về năng lực quá tải, đ cho thấy độ tác động nhanh của chế độ ã
động tốt, bám sát đặc tính yêu cầu. Trong quá trình giảm tốc, vì đặc
tính dòng điện động cơ không đảo chiều nên khả năng bám kém, bị
sai lệch; đối với mạch vòng dòng điện, khi thiết kế bộ điều chỉnh cần
phải có tính năng bám tốt.
3.2.3. Tính năng và tác dụng của hai bộ điều chỉnh ở trạng thái
động

3.2.3.2. Tính năng chống nhiễu trạng thái động
1)Chống nhiễu phụ tải
Từ sơ đồ cấu trúc trạng thái động hình 3.6 có thể thấy, nhiễu
phụ tải tác động phía sau mạch vòng dòng điện, chỉ có thể dùng bộ
điều chỉnh tốc độ quay để thực hiện chống nhiễu. Vì vậy, lúc đột ngột
tăng tải (hoặc giảm tải), tất nhiên sẽ dẫn tới trạng thái giảm (hoặc
tăng) tốc độ. Để giảm lợng sụt (hoặc lợng tăng) tốc độ ở trạng thái
ổn định, khi thiết kế R

cần phải yêu cầu hệ thống có chỉ tiêu chất l
ợng chống nhiễu tốt. Đối với việc thiết kế R
I
mà nói, chỉ cần mạch
vòng dòng điện có chất lợng bám tốt là đợc.
2)Chèng nhiÔu ®iÖn ¸p m¹ng ®iÖn (líi)
H×nh 3.9: T¸c dông chèng nhiÔu tr¹ng th¸i ®éng cña hÖ thèng ®iÒu tèc
a/ HÖ thèng mét m¹ch vßng; b/ HÖ thèng hai m¹ch vßng
∆
U
d
- dao ®éng cña ®iÖn ¸p m¹ng ®îc ph¶n ¸nh trªn ®iÖn ¸p chØnh lu
I
d
U
c®
γ
R
T
m
s

I
c
-
n
U
d
E
§
-
β
-
-
U
n
U
i
∆U
d
I
d
U
c®
γ
R
T
m
s
I
c
-

n
U
d
-
1
C
e
-
U
n
-
E
§
∆U
d
a
b
R
W (s)
ω
I
R
W (s)
b
K
s 1
τ +
d
e
1/ R

T s 1+
1
C
e
R
W (s)
ω
I
R
W (s)
b
K
s 1
τ +
d
e
1/ R
T s 1+
2)Chống nhiễu điện áp mạng điện (lới)
Do nhiễu của điện áp mạng bị bao bọc bởi mạch vòng dòng
điện, lúc điện áp dao động, có thể thông qua phản hồi dòng điện để
đợc điều chỉnh kịp thời, không cần phải chờ sau khi có phản hồi tốc
độ tác động hệ thống mới có phản ứng. Vì vậy trong hệ thống điều
chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín, lợng sụt tốc độ ở trạng thái động
của hệ thống giảm đi nhiều so với hệ thống một mạch vòng.
3.2.3.3. Tác dụng của hai bộ điều chỉnh
Tổng hợp các phân tích trên, tác dụng của bộ điều chỉnh tốc
độ quay và bộ điều chỉnh dòng điện trong hệ thống điều khiển tốc độ
hai mạch vòng kín đợc quy về mấy điểm sau đây:
1) Tác dụng của bộ điều chỉnh tốc độ quay:

(a) Làm cho tốc độ quay n bám nhanh theo sự thay đổi điện áp cho tr
ớc u
cđ
, không có sai lệch tĩnh,
(b) Có tác dụng chống nhiễu đối với sự thay đổi của phụ tải,
(c) Trị số biên ở đầu ra của nó quyết định dòng điện lớn nhất cho phép.
2) Tác dụng của bộ điều chỉnh dòng điện:
(a) Chống nhiễu kịp thời khi khởi động đối với dao động điện áp mạng,
(b) Bảo đảm nhận đợc dòng điện lớn nhất cho phép khi khởi động,
(c) Trong quá trình điều chỉnh tốc độ quay, làm cho dòng điện bám theo
sự thay đổi điện áp cho trớc u
cđ
,
(d) Lúc động cơ bị quá tải thậm chí bị kẹt, hạn chế đợc dòng điện lớn
nhất của phần ứng, nhờ đó thực hiện đợc chức năng bảo vệ an toàn khi
khởi động nhanh. Nếu sự cố đợc giải trừ thì hệ thống tự động khôi phục sự
làm việc bình thờng.
3.2.3. Tính năng và tác dụng của hai bộ điều chỉnh ở trạng thái
động
3.2.3.4. Vấn đề thiết kế bộ điều chỉnh
Cũng giống nh hiệu chỉnh trạng thái động hệ thống điều chỉnh tốc
độ một mạch vòng đ trình bày ở trên, bộ điều chỉnh của mỗi mạch vòng ã
điều khiển đều có thể dùng đồ thị Bode với việc dựa vào phơng pháp hiệu
chỉnh nối tiếp để thiết kế. Vấn đề là, hai mạch vòng điều khiển tốc độ quay
và dòng điện đan lồng vào nhau, phải giải quyết nh thế nào? Đối với hệ
thống điều khiển nhiều mạch vòng nh vậy, phơng pháp chung là, trớc
tiên thiết kế mạch vòng trong, sau đó thiết kế mạch vòng ngoài. Hay nói
cách khác, trớc tiên thiết kế xong bộ điều chỉnh mạch vòng trong, sau đó
coi toàn bộ mạch vòng trong là một khâu của hệ thống mạch vòng ngoài,
rồi lại thiết kế bộ điều chỉnh mạch vòng ngoài, cứ thế từng vòng từng vòng

phát triển ra ngoài và hoàn thành thiết kế hoàn chỉnh các bộ điều chỉnh.
3.3. Phơng pháp thiết kế kỹ thuật bộ điều chỉnh
Nguyên tắc phải tuân theo để xây dựng phơng pháp thiết kế
ứng dụng là:
(1) Về lý luận, các khái niệm phải rõ ràng, dễ hiểu,
(2) Công thức tính đơn giản rõ ràng, dễ nhớ, hết sức tránh r
ờm rà,
(3) Không những đa ra công thức tính tham số, mà còn chỉ
rõ xu hớng điều chỉnh,
(4) Ngoài hệ thống tuyến tính, cũng có thể xem xét b o hoà ã
phi tuyến, đồng thời đa ra công thức tính đơn giản,
(5) Có thể thích hợp cho hệ thống điều khiển tốc độ thông
dụng, hệ thống tuỳ động và cả những hệ thống có phản hồi tơng tự.
3.3. Phơng pháp thiết kế kỹ thuật bộ điều chỉnh
3.3.1. Các bớc thiết kế kỹ thuật
Bớc 1: Chọn kết cấu bộ điều chỉnh, bảo đảm hệ thống ổn
định, đồng thời bảo đảm độ chính xác trạng thái ổn định.
Bớc 2: Chọn các tham số bộ điều chỉnh để thoả m n chỉ tiêu ã
chất lợng động.
Khi chọn cấu trúc bộ điều chỉnh, chỉ dùng một số ít các hệ
thống điển hình, quan hệ giữa tham số và chỉ tiêu chất lợng hệ
thống của nó đều có thể xác định trớc. Lúc tính toán cụ thể các
tham số, chỉ cần dựa theo các công thức có sẵn và số liệu trong các
bảng là có thể xác định đợc. Nh vậy, đ làm cho việc thiết kế đợc ã
quy chuẩn hoá, giảm đợc khối lợng các tính toán.