Chương 4: Hệ thống truyền động đảo chiều

Chư ngư4:
ơ

Hệ thống truyền động đảo chiều
4.1.ưCácưsơưđồưtruyềnưđộngưđảoưchiềuưdùngưhệưthốngưT-Đ
4.1.1.ưĐảoưchiềuưápưdòngưtrongưmạchưphầnưứngưđộngưcơ
Trong hệ thống điều tốc đảo chiều, yêu cầu cơ bản đối với động cơ
điện là có thể thay đổi chiều quay của nó. Nhng muốn thay đổi chiều quay
thì bắt buộc phải thay đổi chiều của mômen điện từ động cơ M đt. Từ công
thức mômen quay động cơ điện một chiều Mđt = KmId có thể thấy, chiều
của Mđt có thể đợc thay đổi bằng hai cách, một là đổi chiều dòng điện mạch
phần ứng của động cơ, trên thực tế là thay đổi cực tính điện áp của mạch
điện phần ứng, hai là đổi chiều từ thông kích từ động cơ, tức là thay đổi
chiều dòng điện kích từ. Tơng ứng với chúng, mạch điện đảo chiều của hệ
thống tiristor - động cơ cũng có hai phơng thức: đảo cách đấu đầu ra bộ
biến đổi (BBĐ) với mạch phần ứng và đảo cách đấu đầu ra BBĐ kích từ với
cuộn dây kích từ động cơ.


Chư ngư4:
ơ

4.1.ưCácưsơưđồưtruyềnưđộngưđảoưchiềuưdùngưhệưthốngưT-Đ
4.1.1.ưĐảoưchiềuưápưdòngưtrongưmạchưphầnưứngưđộngưcơ
4.1.1.1. Mạch điện đảo chiều dòng phần ứng động cơ khi BBĐ sử
dụng một sơ đồ chỉnh lu
+
T


Ud

BĐ

-

N

CK



Đ
CKĐ +

T1 CK

T

Đ

Ud
BĐ

T3

T4

CKĐ +

T2

Hình 4.1: Mạch điện đảo chiều dùng Hình 4.2: Mạch điện đảo chiều dùng bộ
bộ đóng cắt có tiếp điểm T và N
đóng cắt không tiếp điểm bằng tiristor


4.1.1.ưĐảoưchiềuưápưdòngưtrongưmạchưphầnưứngưđộngưcơ
4.1.1.2. Mạch điện đảo chiều dòng phần ứng độngcơ khi sử dụng
BBĐ có đảo dòng
ở những máy công tác yêu cầu
đổi chiều quay thờng xuyên,
đặc biệt là những máy có yêu
cầu thời gian quá trình quá độ

CL1

khi đảo ngắn thì thờng sử dụng
hệ truyền độ T-Đ với bộ biến đổi

Đ

có đảo dòng. BBĐ có đảo dòng
đợc xây dựng từ hai sơ đồ chỉnh

CKĐ

lu điều khiển dùng tiristor mắc
song song ngợc hoặc đấu chéo
(hình 4.3).

Id

CK

CL2

Hình 4.3:
Hệ thống
truyền
động đảo
chiều
động cơ
một chiều
dùng
BBĐ có
đảo dòng
bằng hai
sơ đồ
chỉnh lu
mắc song
song ng
ợc


4.1.2.ưĐảoưchiềuưdòngưkíchưtừưđộngưcơ
Do công suất kích từ chỉ chiếm khoảng 1ữ5% công suất định mức,


rõ ràng là công suất của của các thiết bị đóng cắt hoặc sơ đồ chỉnh tiristor
dùng để đảo chiều dòng và cung cấp cho cuộn dây kích từ nhỏ hơn rất
nhiều khi thực hiện đảo chiều dòng phần ứng, do vậy đối với động cơ công

suất lớn thì dùng phơng án đảo chiều dòng kích từ là tơng đối rẻ tiền. Tuy
nhiên, quá trình đổi chiều dòng kÝch tõ xÈy ra chËm h¬n rÊt nhiỊu so víi đổi
chiều dòng điện mạch phần ứng, ở những động cơ có công suất trung bình,
hằng số thời gian mạch kích từ chiếm khoảng vài giây, nếu cứ cho dòng
điện kích từ tăng giảm tự nhiên, thì việc đổi chiều dòng điện có thể chiếm
mất khoảng 10 giây.
Trong thực tế, việc đảo chiều quay động cơ bằng phơng pháp đảo
chiều từ thông thờng áp dụng cho các hệ thống truyền động điện công suất
trung bình và lớn và ít diễn ra quá trình đảo chiều nh hệ thống truyền động
trục cán của máy cán liên tục.


Chư ngư4:
ơ

4.2.ưHÃmưtáiưsinhưcủaưhệưthốngưtiristorư-ưđộngưcơ
4.2.1.ưChếưđộưchỉnhưlư ưvàưnghịchưlư ưcủaưchỉnhưlư ưcóưđiềuưkhiển
u
u
u
Để có chế độ nghịch lu thì cần có các điều kiện nh sau:

> 900
E < 0
EĐ > Ud








Tõ c¸c biĨu thøc cã thĨ kÕt luận: Để sơ đồ chỉnh lu làm việc ở
chế độ nghịch lu cần có các điều kiện là: góc điều khiển sơ đồ chỉnh
lu phải lớn hơn 900, sức điện động tải (s.đ.đ. ngợc) phải đổi chiều và
có giá trị lớn hơn giá trị tuyệt đối của điện áp chỉnh lu trung b×nh.


4.2.1.ưChếưđộưchỉnhưlư ưvàưnghịchưlư ưcủaưchỉnhưlư ưcóưđiềuưkhiển
u
u
u


4.2.ưHÃmưtáiưsinhưcủaưhệưthốngưtiristorư-ưđộngưcơ
4.2.2.ư HÃmư táiư sinhư củaư độngư cơư điệnư khiư điềuư chỉnhư giảmư tốcư
hoặcưdừng
Có rất nhiều máy công tác trong thực tế yêu cầu tăng giảm tốc
hoặc dừng máy một cách nhanh chóng, biện pháp rẻ tiền nhất chính là
dùng cách hÃm động cơ theo phơng pháp hÃm tái sinh, cho động cơ làm
việc ở trên đờng đặc tính ở góc phần t thứ 2.
HÃm tái sinh khi quay ngợc với tải thế năng và hÃm tái sinh khi
giảm tốc hoặc dừng máy với tải phản kháng khác nhau ở 3 điểm sau:
(1) HÃm tái sinh khi điều chỉnh giảm tốc hoặc dừng máy, động cơ
làm việc ở góc phần t thứ hai, chiều của tốc độ quay vẫn là dơng, mô men
quay đổi chiều thành âm; còn hÃm tái sinh quay ngợc khi động cơ mang tải
có tính chất thế năng thì động cơ làm việc ở góc phần t thứ 4, chiều quay
biến thành âm, chiều mômen động cơ không đổi.

4.2.2.ư HÃmư táiư sinhư củaư độngư cơư điệnư khiư điềuư chỉnhư giảmư tốcư
hoặcưdừng
(2) HÃm tái sinh quay ngợc khi động cơ mang tải có tính chất thế năng là
một trạng thái làm việc ổn định, còn hÃm tái sinh khi điều chỉnh giảm tốc
hoặc dừng máy thờng là một quá trình quá độ, cuối cùng phải trở về góc
phần t thứ nhất mới ổn định đợc, hoặc là cuối cùng phải trở về gốc tọa độ
(động cơ dừng).
(3) HÃm tái sinh quay ngợc khi động cơ mang tải có tính chất thế năng thì
cực tính của s.đ.đ. động cơ thay đổi theo chiều quay của động cơ để duy trì
dòng điện động cơ theo chiều ban đầu; còn hÃm tái sinh khi điều chỉnh
giảm tốc hoặc dừng máy, từ góc độ động cơ mà xem xét, dù phụ tải nào
trong quá trình hÃm giảm tốc s.đ.đ. động cơ đều không thay đổi cực tính,
muốn trả lại điện năng bắt buộc phải tìm cách làm cho dòng điện đổi chiều.


4.2.2.ư HÃmư táiư sinhư củaư độngư cơư điệnư khiư điềuư chỉnhư giảmư tốcư
hoặcưdừng
Rd

Rd

n

+


+
Ud1

CL1

n01

Id

+
EĐ
-

-

+
EĐ

Id



Ud2

-

n02

C

B

- CL2
0

a

A

b

Ic

Id

c

Hình 4.5: Sơ đồ thay thế hệ T-Đ khi sử dụng BBĐ có đảo dòng trong các chế
độ làm việc:
a) Động cơ ở chế độ động cơ, BBĐ ở chế độ chỉnh lu khi Ud1>EĐ
b) Động cơ ở chế độ hÃm tái sinh, BBĐ ở chế độ nghịch lu khi E Đ
c) Đặc tính cơ điện trong quá trình điều chỉnh giảm tốc từ điểm A về ®iÓm B


4.3.ưCácưphư ngưphápưđiềuưkhiểnưBBĐưcóưđảoưdòng
ơ
Các bộ biến đổi có đảo dòng dùng hai sơ đồ chỉnh lu mắc song
song ngợc hoặc đấu chéo trong hệ truyền động T-Đ có đảo chiều có hai ph
ơng pháp điều khiển: điều khiển độc lập (còn gọi là điều khiển riêng) và
điều khiển phối hợp (còn gọi là điều khiển chung).

4.3.1.ưPhư ngưphápưđiềuưkhiểnưđộcưlập
ơ
Là phơng pháp điều khiển mà khi hệ thống làm việc, ở một chế độ,

tại một thời điểm chỉ có các van của một sơ đồ làm việc, các van của sơ đồ
chỉnh lu kia không đợc cấp xung điều khiển và không làm việc. Khi cần đảo
chiều dòng (đảo chiều quay hoặc điều chỉnh giảm tốc), ngời ta tác động
vào mạch điều khiển để ngắt dòng qua các van của sơ đồ đang làm việc,
cắt xung điều khiển các van này và duy trì một khoảng thời gian dòng qua
tất cả các van đều bằng không (để các van vừa khóa khôi phục tính chất
điều ®iỊu khiĨn) råi thùc hiƯn cÊp xung cho c¸c van của sơ đồ cần đa vào
làm việc để đảo chiều dòng động cơ.


4.3.ưCácưphư ngưphápưđiềuưkhiểnưBBĐưcóưđảoưdòng
ơ
4.3.2.ưPhư ngưphápưđiềuưkhiểnưphốiưhợp
ơ
Là phơng pháp điều khiển BBĐ đảo dòng mà khi hệ thống làm việc
thì tất cả các van của cả hai sơ đồ chỉnh lu đều đợc cấp xung điều khiển và
đều có thể dẫn dòng, tuy nhiên để đảm bảo sự làm việc bình thờng của hệ
thống thì quan hệ giữa các góc điều khiển của hai sơ đồ phải tuân theo
những quy luật nhất định (sẽ giới thiệu trong mục 4.4) và cần bổ sung vào
sơ đồ một số phần tử (cuộn kháng hạn chế dòng cân bằng). Nhợc điểm của
sơ đồ là sẽ xuất hiện dòng điện cân bằng, đây thực chất là dòng ngắn
mạch hai pha nguồn và cần có thiết bị hạn chế để tránh gây hỏng van, dẫn
đến tăng kích thớc hệ truyền động và tăng tổn hao công suất. Mặc dù có
các nhợc điểm nh đà nêu nhng hệ thống loại này lại có u điểm là độ tác
động nhanh cao, chất lợng quá trình quá độ tốt hơn nhiều so với hệ dùng ph
ơng pháp điều khiển độc lập nên thờng đợc sử dụng khi có yêu cầu cao về
độ tác động nhanh.


4.3.ưCácưphư ngưphápưđiềuưkhiểnưBBĐưcóưđảoưdòng

ơ
4.3.2.ưPhư ngưphápưđiềuưkhiểnưphốiưhợp
ơ
Phụ thuộc vào quan hệ giữa góc điều khiển của hai sơ đồ chỉnh lu
thuận và ngợc, phơng điều khiển phối hợp đợc chia thành hai:
- Điều khiển phối hợp tuyến tính
- Điều khiển phối hợp phi tuyến


4.4.ưHệưthốngưtruyềnưđộngưđảoưchiềuưđiềuưkhiểnưđộcưlập
4.4.1.ưCấuưtạoưvàưnguyênưlýưlàmưviệcưcủaưhệưthống
CLI


CBD

uv

ucđ
-

ui

ui
R

FXT
-

1RI

un

uđkT

Id

uLGT

-1

uLGN
-

2RI

CK
Đ

LG
ui

CL1

=

CKĐ

uđkN =
CL2

FXN
FT

Hình 4.6: Cấu trúc hệ thống truyền động đảo chiều động cơ một chiềuhai
mạch vòng dùng BBĐ có đảo dòng điều khiển độc lập


4.4.ưHệưthốngưtruyềnưđộngưđảoưchiềuưđiềuưkhiểnưđộcưlập
4.4.2.ư Yêuư cầuư củaư hệư thốngư đảoư chiềuư đốiư vớiư bộư điềuư khiểnư
logicưđảoưchiều
Nhiệm vụ của bộ điều khiển logic LG là đảm bảo chỉ cho phép một
trong hai mạch phát xung làm việc và đảm bảo quá trình chuyển đổi sự làm
việc của hai sơ đồ chỉnh lu khi cần đổi chiều dòng động cơ diễn ra nhanh
nhất nhng an toàn. LG đợc xây dựng từ các phần tử điện tử số, tín hiệu đầu
ra của nó uLGT và uLGN là tín hiệu số lấy "0" và "1" để khống chế mạch phát
xung, khi một tín hiệu có mức logic "0" thì mạch phát xung tơng ứng không
làm việc, khi tín hiệu có mức logic "1" thì mạch phát xung tơng ứng làm việc,
cả hai đều không thể đồng thời là 1 để bảo đảm chắc chắn hai mạch phát
xung không bao giờ đồng thời tạo ra xung điều khiển, còn trong giai đoạn
đảo chiều dòng sẽ có khoảng thời gian cả hai đều có mức 0,


4.4.ưHệưthốngưtruyềnưđộngưđảoưchiềuưđiềuưkhiểnưđộcưlập
4.4.2.ư Yêuư cầuư củaư hệư thốngư đảoư chiềuư đốiư vớiư bộư điềuư khiểnư
logicưđảoưchiều
tơng ứng cả hai mạch phát xung đều không làm việc (cũng cần lu ý: một số
trờng có thể chọn mức logic để cho mạch phát xung làm việc ngợc lại với
qui định trên, tức là mức 0 là cho phép mạch phát xung làm việc, điều này
phụ thuộc vào cấu trúc và hoạt động cụ thể của mạch phát xung, tuy nhiên
phải đảm bảo không đợc để xẩy ra trờng hợp cả hai mạch phát xung đồng

thời làm việc. nhiều so với hệ dùng phơng pháp điều khiển độc lập nên th
ờng đợc sử dụng khi có yêu cầu cao về độ tác động nhanh.

4.4.2.ư Yêuư cầuư củaư hệư thốngư đảoư chiềuư đốiư vớiư bộư điềuư khiểnư
logicưđảoưchiều
Tóm lại yêu cầu đối với mạch logic LG trong hệ truyền động đảo
chiều sử dụng BBĐ có đảo dòng điều khiĨn ®éc lËp:


4.4.2.ư Yêuư cầuư củaư hệư thốngư đảoư chiềuư đốiư vớiư bộư điềuư khiểnư
logicưđảoưchiều
(1) Khi có sự thay đổi cực tính của tín hiệu đặt dòng điện và tín hiệu
thông báo dòng điện về 0 (ui0) thì phát lệch khóa mạch phát xung cho sơ đồ
chỉnh lu làm việc ở giai đoạn trớc, còn mạch phát xung cho sơ đồ chuẩn bị
đợc đa vào làm việc vẫn cha đợc phép làm việc, tức là cả u LGT và uLGN đều
phải bằng không.
(2) Sau khi phát lệnh khóa mạch phát xung của sơ đồ vừa ngừng
làm việc, thực hiện duy trì một khoảng thời gian để đảm bảo các van của sơ
đồ vừa kết thúc làm việc phục hồi tính chất điều khiển; sau thời gian duy trì
này thực hiện phát tín hiều cho phép mạch phát xung của sơ đồ cần đa vào
làm việc để thực hiện việc đổi chiều dòng tải (động cơ).
(3) Dù cho ở bất cứ tình huống nào, tuyệt đối không cho phép cả
hai mạch phát xung đồng thời phát xung, lúc FXT làm việc thì FXN phải
không làm việc và ngợc lại.


4.4.3.ưThiếtưkếưmạchưlogicưkhốngưchếưđảoưchiềuưdòng

Tín hiệu đặt
dòng điện

Khối biến
đổi tín hiệu

Khối xử lý
logic

Tín hiệu báo
dòng điện
bằng 0

Tạo thời
gian trễ

Khóa liên
động

Tín hiệu khống
chế FXT: uLGT
Tín hiệu khống
chế FXN: uLGN

Hình 4.7:Cấu trúc chung của mạch logic đảo chiều LG và các tín hiệu vào ra
của nó
Từ các phân tích trên cho phép xác định đợc tín hiều vào và ra của
mạch LG. Cấu trúc của LG với các tín hiệu vào ra của nó đợc minh họa trên
hình 4.7.
Về cơ bản có thể xem LG gồm bốn bộ phận chính, đó là: Khối biến
đổi tín hiệu, khối xử lý thuật toán logic, tạo thời gian trễ và khóa liên động
các tín hiệu đầu ra của LG.

4.4.3.ưThiếtưkếưmạchưlogicưkhốngưchếưđảoưchiềuưdòngư
4.4.3.1. Khối biến đổi tín hiệu
ur

Rv

uv

OA

ur

Urm1

uv2

+

0

uv1

uv

Rp
Rv0
Urm2

Hình 4.8: sơ đồ mạch chuyển đổi tín hiệu ở đầu vào mạch logic đảo chiều và
dạng tính quan hệ vào - ra

R v0
=
R p + R v0 ;

U = Uv1 – Uv2 = α(Urm1 – Urm2)


4.4.3.ưThiếtưkếưmạchưlogicưkhốngưchếưđảoưchiềuưdòngư
4.4.3.2. Khối xử lý logic
Tín hiệu vào:
Nhận biết cực tính mômen: M > 0, tức là lúc < 0, uM = "1",
M < 0, tøc lµ lóc > 0, uM = "0".
Kiểm tra trạng thái khóa của các van:
khi có dòng điện (các van đang mở),

uz = 0

khi dòng điện bằng không (các van khóa), uz = "1".
Tín hiệu ra :
Khoá mạch phát xung sơ đồ chỉnh lu thuận FXT, uT = "0";
Mở mạch phát xung sơ đồ chỉnh lu thuận FXT, uT = "1";
Khoá mạch phát xung sơ đồ chỉnh lu ngợc FXN, uN = "0";
Mở mạch phát xung sơ đồ chỉnh lu ngợc FXN, uN = 1".


4.4.3.ưThiếtưkếưmạchưlogicưkhốngưchếưđảoưchiềuưdòngư
4.4.3.2. Khối xử lý logic

4.4.3.ưThiếtưkếưmạchưlogicưkhốngưchếưđảoưchiềuưdòngư
4.4.3.2. Khối xử lý logic
Sau khi lợc bỏ các đại lợng trùng lặp trong bảng 4.1 sẽ đợc bảng 4.2

Căn cứ vào bảng giá trị thực, dựa vào điều kiện đóng ngắt phản xung có
thể đa ra đại số logic sau đây:

u T = u N (u M u z + u M u z + u M u z ) = u N u M (u z + u z ) + u M u z  =


= u N (u M + u z ) = u N (u M u z )
Hay:

u T = u N (u M .u z )

Một cách tơng tự có thể xác định đợc uN:

u N = u T (u M .u z )


4.4.3.ưThiếtưkếưmạchưlogicưkhốngưchếưđảoưchiềuưdòngư
4.4.3.3. Mạch điện kéo dài thời gian (tạo thời gian trễ)
Sau khi mạch xử lý logic phát ra các lệch chuyển đổi u N và uN, cần
phải duy trì một khoảng thời gian mới cho phép tín đầu ra của LG là u LGT và
uLGN thay đổi theo uT và uN. Khoảng thời từ lúc có lệnh khóa mạch phát
xung ở đầu khối XLLG đến lúc có lệnh khóa mạch phát xung gọi là thời gian
trễ cắt xung, ký hiệu là tc và thờng chọn bằng 0
(không có trễ); khoảng thời từ lúc có lệnh cho

phép mạch phát xung họat ®éng ë ®Çu ra khèi

uv

XLLG ®Õn lóc cã lƯnh më mạch phát xung gọi là
thời gian trễ phát xung, ký hiệu là tf, đây là
khoảng thời gian rất cần thiết để tránh hiện tợng
ngắn mạch khi đổi chiều dòng.

u c = (U − U c0 )(1 − e

−t / τ

R

ur
C

H×nh 4.9: M¹ch t¹o thêi
gian trƠ dïng m¹ch R-

) + U c0

C


4.4.3.ưThiếtưkếưmạchưlogicưkhốngưchếưđảoưchiềuưdòngư
4.4.3.3. Mạch điện kéo dài thời gian (tạo thời gian trễ)
Nếu giả thiết U1 là giá trị cực tiểu của điện áp ứng với mức logic 1
ở đầu vào của phần tử logic (thực tế giá trị U 1 phụ thuộc vào loại phần tử

logic và giá trị nguồn nuôi một chiều), có thể xác định đợc thời gian trễ t f do
m¹ch R-C t¹o ra (thay uc=U1):
U − U c0
t f = RC ln
U U1
Thờng thì Uc0=0, nên thời gian trễ tf đợc viết lại là:

U
t f = RC ln
U U1

Giá trị C là:

C=

tf

U
R ln
U U1


4.4.3.ưThiếtưkếưmạchưlogicưkhốngưchếưđảoưchiềuưdòngư
4.4.3.4. Mạch điện bảo vệ liên động
Khi làm việc bình thờng, hai lợng đầu ra u LGT và uLGN mạch logic đảo
chiều thờng có giá trị logic ngợc nhau, hoặc cả đều có mức logic 0 (giá trị
tín hiệu khóa các mạch phát xung). Nếu phát sinh sự cố, cả hai đại lợng đó
nếu đồng thời ở trạng thái "1 sẽ xẩy ra hiện tợng cả hai sơ đồ cchinhr lu
đồng thời làm việc, gây ngắn mạch nguồn điện. Để tránh sự cố này xẩy ra,
ở phần cuối bộ điều khiển logic thờng bố trí thêm mạch điện bảo vệ liên

động "1" tăng cờng. Trong nhiều sơ đồ thờng không cần sử dụng mạch này,
vì khối xử lý logic đà thùc hiƯn tèt nhiƯm vơ nµy.

4.4.3.5. Mét vÝ dơ vỊ mạch logic đảo chiều


Tín hiệu báo còn xung lấy
từ đầu ra mạch so sánh
hoặc sửa xung ux1

NOT1
IC3

IC2

IC4

&1

&9

&2

Tín hiệu khống chế
chiều dòng tải

&5
&6
&7

&11

&8

uLGT

&10

&12

NOT2

R1
-

IC1
&3

uM

+

&4

-U

+U

uT

uN

NOT3

uLGN

uz
Khối lấy tín hiệu ui0 và chuyển đổi
thành uz (trong khung nét đứt)
A

Ra

CL1

TO1
R2

B

C

Rb

Rc

CL2

TO2

CL3

TO3

Đầu nối chung của một nhóm van
(Một đầu của điện ¸p chØnh lu)

Tr1

uz

R4
TÝn hiƯu khèng chÕ c¾t
c¸c xung tríc khi đảo
chiều

D1

Tr2

D2
R3

C1

C2

Hình 4.10: Một ví dụ về mạch logic đảo chiều