Chương1: Những khái niệm và chỉ tiêu cơ bản của hệ điện cơ

Khoa Điện - Bộ môn TĐH
Tr ờng Đại học KTCN
Thái Nguyên
Bài giảng môn học
Tổng hợp hệ điện cơ 1
Giới thiệu môn học
Ch ng I: Những khái niệm và chỉ tiêu cơ bản của hệ điện cơ
Ch ng II: Tổng hợp hệ điều chỉnh tự động điều khiển tốc độ
động cơ một chiều
Ch ng III: Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều sử
dụng nhiều mạch vòng
Ch ng IV: Hệ thống truyền động đảo chiều
Ch ng V: Hệ thống truyền động động cơ một chiều sử dụng
BBĐ một chiều - một chiều (Xung điện áp)
Ch ng VI: Hệ thống tùy động
Giới thiệu môn học
Ch ng VII: Các loại hình cơ bản của hệ điều tốc động cơ không
đồng bộ hệ thống điều tốc điều chỉnh điện áp
Ch ng VIII: Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
bằng ph ơng pháp thay đổi tần số
Ch ng IX: Hệ thống điều tốc nối cấp động cơ không đồng bộ
rotor dây quấn
Ch ng X: Hệ thống điều tốc biến tần động cơ đồng bộ
- Sách, giáo trình chính :
Giáo trình Tổng hợp hệ điện cơ do bộ môn Tự động hoá - Khoa
Điện biên soạn
- Sách tham khảo:
[1]. Trần Thọ, Võ Quang Lạp (biên khảo); Cơ sở điều khiển tự động truyền
động điện; NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội,2004
[2]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, D ơng Văn Nghi; Điều

chỉnh tự động truyền động điện; NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2002.
[3]. Bùi Đình Tiếu; Cơ sở truyền động điện tự động; NXB Khoa học và kỹ thuật,
Hà Nội, 1984.
[4]. Võ Quang Lạp, Trần Xuân Minh; Giáo trình Kỹ thuật biến đổi; Tr ờng đại
học kỹ thuật công nghiệp, Thái Nguyên, 1998.
[5]. Cyril W. Lander; Power Electronics; 1993.
[6]. . . , . . , . . , . . ;
; ,
, 1974.
Ch ơng 1:
Những khái niệm và chỉ tiêu cơ bản của hệ điện cơ
1.1. Khái niệm chung về hệ điện cơ
1.1.1. Khái niệm chung
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).
Mục tiêu cơ bản của hệ ĐCTĐTĐĐ là phải đảm bảo
giá trị yêu cầu của các đại l ợng điều chỉnh mà không phụ
thuộc tác động của các đại l ợng nhiễu lên hệ điều chỉnh.
Ch ¬ng 1:
HÖ thèng §CT§T§§ cã cÊu tróc chung ® îc tr×nh bµy trªn
h×nh 1.1.
B§
M
M
X
R
§L
-

H×nh 1.1: CÊu tróc chung cña hÖ §CT§T§§
NL (NhiÔu lo¹n)
TH§
Ch ơng 1:
1.1.2. Phân loại hệ điện cơ
Việc phân loại hệ thống điều chỉnh tự động truyền
động điện th ờng có nhiều cách, tuỳ vào mục đích.
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 b ớc

Ch ơng 1:
1.1.2. Phân loại hệ điện cơ
Phân loại theo bộ điều chỉnh và tín hiệu vào bộ điều
chỉnh:
- Hệ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh t ơng tự (analog)
- Hệ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh số (digital)
- Hệ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh lai t ơng 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
Ch ơng 1:
1.1.2. Phân loại hệ điện cơ
Phân loại theo nhiệm vụ chung:
- Hệ ĐCTĐTĐĐ duy trì đại l ợng điều chỉnh (đại l ợng
ra) theo l ợng đặt tr ớc không 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 l ợng ra theo l ợng đặt biến
thiên tùy ý. Các hệ này th ờng gặp ở các các hệ truyền
động quay anten, ra đa, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim
loại,
Ch ơng 1:
1.1.2. Phân loại hệ điện cơ
Phân loại theo nhiệm vụ chung:
- Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển ch ơng trình, thực chất
cũng là hệ điều khiển vị trí nh ng đại l ợng điều chỉnh đ ợc
điều khiển tự động tuân theo l ợng đặt biến thiên theo một
ch ơng trình định tr ớc. Đại l ợng điều chỉnh trong hệ thống
này th ờng là các quỹ đạo chuyển động phức tạp trong
không gian, cho nên cấu trúc của nó th ờng nhiều trục. Ch
ơng trình điều khiển ở đây đ ợc mã hóa ghi vào bìa, băng
từ, đĩa từ,
Ch ơng 1:
1.1.2. Phân loại hệ điện cơ
Phân loại theo nhiệm vụ chung:
Chúng ta th ờng gặp các hệ điều khiển ch ơng trình ở các
trung tâm gia công cắt gọt kim loại, các dây chuyền sản
xuất có robot. Hệ điều khiển ch ơng trình có cấu trúc phức
tạp nhất và th ờng đ ợc thiết kế ở dạng điều khiển số (NC)
hoặc điều khiển số có sử dụng máy tính (CNC - Computer
Numeric Control).
Ch ơng 1:
1.2. Các bài toán tổng hợp hệ thống
1/ Bài toán tổng hợp chức năng: thực hiện trong tr
ờng hợp đã biết cấu trúc và tham số của mạch điều khiển,

ta cần phải xác định luật điều khiển đầu vào để hệ đảm
bảo chất l ợng.
2/ Bài toán tổng hợp tham số: thực hiện khi đã biết
cấu trúc và l ợng tác động đầu vào của hệ, ta cần xác định
các tham số của các bộ điều khiển.
3/ Bài toán tổng hợp cấu trúc - tham số: thực hiện
khi đã biết qui luật biến thiên của l ợng đầu vào và ra của
hệ, ta cần xác định cấu trúc của hệ và đặc tính, tham số
các bộ điều khiển.
Ch ơng 1:
1.3. Các chỉ tiêu cơ bản
1.3.1. Các chỉ tiêu chung
Để đánh giá các hệ điều chỉnh tự động truyền động
điện ng ời ta th ờng dựa vào một số chỉ tiêu chung nh sau:
1. Đặc tính phụ tải
2. Phạm vi điều chỉnh tốc độ
3. Độ trơn (độ bằng phẳng) điều chỉnh
4. Sai lệch tĩnh
max
min
n
D
n
=
i 1
i
n
n
+
=

oi i
t
0i
n n
s
n

=
0i i
t
oi
n n
s % 100%
n

=
Ch ơng 1:
1.3. Các chỉ tiêu cơ bản
1.3.2. Độ chính xác của hệ thống ĐCTĐTĐĐ trong chế độ
xác lập và tựa xác lập
1.3.2.1. Các hệ số sai lệch
F
0
(s) T
M

N
1
N
2

N
n
R(s)
(-)
E(s) C(s)
Hình 1.2: Sơ đồ khối (a) và đặc tính quá độ (b)
R(t), e(t), C(t)
C(t
)
R(t)
e(t)
t
a b
Ch ơng 1:
1.3.2.1. Các hệ số sai lệch
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
i i
C s F s .R s F s .N s = +

- F(s) là hàm truyền kín của hệ theo THĐ và đ ợc xác định
theo biểu thức sau:
( )
( )
( )
0
0
F s
F s
1 F s
=

+
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
( )
1 1 1
n n
i
0 1 i
i
1 1
0 N 1 1 N i N
n
0 N n 1 N
dR t d R t
e t R t C t C .R t C . C .
dt dt
dN t d N t
+C .N t C C
dt dt
+
dN t
+C .N t C .
d
= = + + + +
+ + + +
+
( )

( )
n
i
n
i N
d N t
C
t dt
+ t
+ + +

Ch ơng 1:
1.3.2.1. Các hệ số sai lệch
C
i
, C
i
N
j
với i =1
ữ


, j = 1
ữ
n là các hằng số,

(t) là thặng d .
Khi giả thiết bỏ qua tác động của các tín hiệu nhiễu và
thặng d , sai lệch của hệ đ ợc biểu diễn gọn lại:

( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
i
0 1 i
dR t d R t
e t R t C t C .R t C . C .
dt dt
= = + + + +
Các hằng số C
0
, C
1
, , C
i
, đ ợc gọi là các hệ số sai lệch.
C
0
: Hệ số sai lệch vị trí.
C
1
: Hệ số sai lệch tốc độ.
C
2
: Hệ số sai lệch gia tốc.
Một hệ có tất cả các hệ số sai lệch đều bằng không thì đ
ợc gọi là hệ chính xác tuyệt đối.
Ch ơng 1:
1.3.2.2. Các biểu thức xác định các hệ số sai lệch
a/ Xác định các hệ số C
i

theo hàm truyền sai lệch:
Hàm truyền sai lệch theo tín hiệu vào:
F
0
(s)
R(s)
(-)
E(s) C(s)
Hình 1.3
( )
( )
( )
e
E s
F s
R s
=
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( )
( )
0
0
F s
E s R s C s R s R s .
1 F s
= =
+
( )
( )
( ) ( )

0
e
0 0
F s
1
F s 1
1 F s 1 F s
= =
+ +

( )
2 i
e 0 1 2 i
F s C C s C s C .s = + + + + +

Ch ơng 1:
1.3.2.2. Các biểu thức xác định các hệ số sai lệch
a/ Xác định các hệ số C
i
theo hàm truyền sai lệch:
Kt hp (1.5) vi (1.8), rỳt ra:
( )
( )
( ) ( )
( )
0 e
s 0
1 e 0
s 0
2 e 0 1

2
s 0
i 1
j
i e j
i
s 0
j 0
C lim F s
1
C lim F s C
s
1
C lim F s C C s
s

1
C lim F s C s
s





=

=

=









= +










=

(1.9)
Ch ơng 1:
1.3.2.2. Các biểu thức xác định các hệ số sai lệch
b/ Xác định các hệ số Ci theo hàm truyền hệ thống kín
Ta có thể xác định hàm truyền sai lệc của hệ theo hàm
truyền hệ kín:
(1.10)
Dựa vào (1.9) và (1.10) nếu F(s) có dạng:

(1.11)
Kết hợp các biểu thức (1.9), (1.10) với (1.11) ta rút ra:

( )
( ) ( )
( )
( )
e
R s C s
F s 1 F s
R s

= =
( ) ( )
1 2 m
0 1 2 m
1 2 n
1 2 n
b b .s b s b s

F s m n
1 a .s a s a s
+ + + +
=
+ + + +
Ch ơng 1:
Kết hợp các biểu thức (1.9), (1.10) với (1.11) ta rút ra:

(1.12)
Chú ý: a
i
= 0

i > n, còn b
i
= 0

i > m.
Khi một hệ có với hàm truyền kín dạng (1.11) có m = n
và b
0
= 1, b
1
= a
1
, b
2
= a
2
, và b

m
= a
m
thì hệ sẽ có tất cả các
hệ số sai lệch đều bằng không, tức hệ chính xác tuyệt đối.
( )
( )
0 0
1 1 0 1 1
2 2 0 2 1 1 2
3 3 0 3 1 2 2 1 3
i 1
i i z i z i
z 0
C 1 b
C a C a b
C a C a C a b
C a C a C a C a b

C a C .a b


=
=


=


= +

= + +





=

ữ




Ch ơng 1:
1.3.3. Các tiêu chuẩn sai lệch
1. Tiêu chuẩn tích phân bình ph ơng sai lệch (ISE)
Theo tiêu chuẩn này, chất l ợng của hệ đ ợc đánh giá bởi tích phân
sau:


min (1.14)
( ) ( )
T
2 2
0 0
I e t dt e t dt

=

2. Tiêu chuẩn tích phân tích thời gian với giá trị tuyệt đối của sai
lệch (ITAE)
Theo tiêu chuẩn này, chất l ợng của hệ đ ợc đánh giá bởi tích phân
sau:phân sau:


min (1.16)
( ) ( )
T
0 0
I t e t dt t e t dt

= =

2. Tiêu chuẩn tích phân tích thời gian với bình ph ơng sai lệch (ITSE)
Theo tiêu chuẩn này, chất l ợng của hệ đ ợc đánh giá bởi tích phân
sau:


min (1.18)
( ) ( )
T
2 2
0 0
I te t dt te t dt

=