Chương 2: Tổng hợp hệ điều chỉnh tự động điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Chơng 2:
Tổng hợp hệ điều chỉnh tự động
điều khiển tốc độ động cơ một chiều
2.1. Khái niệm chung
Trong hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một
chiều có hai phơng pháp đợc sử dụng chủ yếu là điều
chỉnh điện áp mạch phần ứng (mạch rotor) động cơ và
điều chỉnh từ thông động cơ. Phơng điều chỉnh từ thông
động cơ một chiều chỉ áp dụng cho loại tải có đặc tính mô
men cản tỉ lệ nghịch với tốc độ và phạm vi điều chỉnh
D5:1, và chiếm một tỉ lệ không đáng kể so với phơng
pháp điều chỉnh điện áp mạch phần ứng động cơ.
Chơng 2:
2.2. Các nguồn điện và các hệ truyền động điều chỉnh tốc
độ động cơ một chiều
2.2.1. BBĐ máy điện và hệ thống máy phát - động cơ (hệ F-)
Hình 2.1: Hệ thống điều tốc một chiều dùng
hệ máy phát - động cơ (F-Đ)
+
-
+ (-)
- (+)
U
F Đ
ĐK
+
-
CKF
Bộ
khuếch
đại

FK
CKĐ
+
-
M
n
Trạng thái động
cơ quay thuận
Trạng thái hãm
quay thuận
Trạng thái động
cơ quay ng#ợc
Trạng thái hãm
quay ng#ợc
n
2
n
1
n
3
n
4
n
5
Hình 2.2: Đặc tính cơ hệ
F-Đ
M
c
Ch¬ng 2:
2.2.2. ChØnh lu ®iÒu khiÓn tiristor (BB§ van) vµ hÖ thèng truyÒn

®éng tiristor - ®éng c¬ mét chiÒu (hÖ T-§)
H×nh 2.3: HÖ thèng ®iÒu tèc mét chiÒu dïng hÖ
chØnh l%u tiristor - ®éng c¬ (T-§)
U
d
§
-
=
CK§
+
-
+
∼
CL
FX
CK
Ch¬ng 2:
2.2.2. ChØnh lu ®iÒu khiÓn tiristor (BB§ van) vµ hÖ thèng truyÒn
®éng tiristor - ®éng c¬ mét chiÒu (hÖ T-§)
H×nh 2.4: Ph¹m vi lµm viÖc cña hÖ thèng T-§
a) Lµm viÖc ë mét gãc to¹ ®é; b) Lµm viÖc ë hai gãc to¹ ®é;
b) c) Lµm viÖc ë bèn gãc to¹ ®é
Ch¬ng 2:
2.2.3. BB§ mét chiÒu-mét chiÒu (xung ®iÖn ¸p) vµ hÖ thèng
truyÒn ®éng xung ¸p - ®éng c¬ mét chiÒu (hÖ XA-§)
H×nh 2.5: HÖ thèng ®iÒu tèc mét chiÒu dïng xung ¸p - ®éng c¬ mét
chiÒu (hÖ XA-§)
u
t
§

CK§
+
-
CK
X§K
-
=
+
+
T
M¹ch khãa
-
U
d
D
0
Ch¬ng 2:
2.2.3. BB§ mét chiÒu-mét chiÒu (xung ®iÖn ¸p) vµ hÖ thèng
truyÒn ®éng xung ¸p - ®éng c¬ mét chiÒu (hÖ XA-§)
u
t
t
U
d
0
0 t
1
t
2
t

3
t
4
t
5
t
6
t
7
U
TB
H×nh 2.6: D¹ng ®iÖn ¸p trªn ®éng c¬ cña hÖ thèng ®iÒu tèc
mét chiÒu dïng xung ¸p - ®éng c¬ mét chiÒu (hÖ XA-§)
t
®
T
ck
đ
TB d dđ d
ck
t
U U U t fU
T
= = γ =
Các phơng pháp điều khiển BBĐ xung áp
(1) Giữ chu kỳ xung T
ck
không đổi, chỉ điều chỉnh thời gian mở
t
đ

của tiristor T trong mỗi chu kỳ, tức là điều chỉnh độ rộng xung. Ph#
ơng pháp này đ#ợc gọi là ph#ơng pháp điều chế độ rộng xung
(Pulse Width Modulation), gọi tắt là PWM,
(2) Giữ thời gian mở t
đ
của tiristor T trong mỗi chu kỳ không
đổi, chỉ điều chỉnh chu kỳ xung T
ck
, tức là điều chỉnh tần số xung.
Ph#ơng pháp này đ#ợc gọi là ph#ơng pháp điều chế tần số (Pulse
Frequency Modulation), gọi tắt là PFM.
(3) Điều khiển kiểu hai điểm: Lúc dòng hoặc điện áp phụ tải
nhỏ hơn một trị số tối thiểu nào đó, khống chế mở T; lúc dòng hoặc
điện áp đạt tới môt trị số cực đại nào đó, thực hiện khóa T. Thời gian
mở và khóa đều không xác định.
Ưu điểm của hệ thống PWM so với hệ thống T-Đ:
(1) Do tần số đóng cắt của hệ thống PWM khá cao, nên chỉ
cần điện cảm cuộn dây rotor đã đủ để dòng điện động cơ t#ơng đối
bằng phẳng, cho phép tăng chất l#ợng và phạm vi điều tốc khá rộng,
có thể đạt tới xấp xỉ 10000:1. Do chất l#ợng dòng điện hệ PWM-Đ tốt
hơn hệ thống T-Đ, cùng một giá trị dòng điện trung bình tức là cùng
một giá trị mômen điện từ đầu ra nh# nhau, thì tổn hao và phát nhiệt
của động cơ trong hệ PWM-Đ đều khá nhỏ.
(2) Nhờ tần số đóng cắt cao, nên có thể đạt đ#ợc độ tác động
nhanh cao.
(3) Bởi vì các linh kiện điện tử công suất có thể làm việc ở
trạng thái đóng mở, tổn hao của mạch điện chính khá nhỏ, hiệu suất
của thiết bị t#ơng đối cao.
Chơng 2:
2.2.3. BBĐ một chiều-một chiều (xung điện áp) và hệ thống

truyền động xung áp - động cơ một chiều (hệ XA-Đ)
XĐK
-
=
+
Hình 2.7: Hệ thống điều tốc một chiều dùng chỉnh l%u
đi ốt +xung áp - động cơ một chiều (hệ XA-Đ)

U
d
Đ
CKĐ
+
-
CK
Xung áp
Lọc
CL
Chơng 2:
2.3. Những vấn đề đặc biệt của hệ thống chỉnh lu tiristor -
động cơ (hệ T - Đ)
(1) Mạch t#ơng đ#ơng hệ T-Đ
(2) ảnh h#ởng của trạng thái gián đoạn của dòng điện, và biện
pháp khống chế nó
(3) Tính liên tục và gián đoạn của đồ thị dòng điện
(4) Đặc tính cơ của hệ thống T-Đ.
Chơng 2:
2.3.1. Mạch tơng đơng hệ T-Đ và việc điều chỉnh điện áp đầu
ra BBĐ
d

d d d d d
di
u R i L E
dt
= + +
Hình 2.8: Mạch điện t%
ơng đ%ơng của hệ T-Đ
R
d
L
d
E
Đ
+
-
i
d
u
d
d m do
q
U U sin cos U cos
q

= =

do m
q
U U sin
q

=

Chơng 2:
2.3.1. Mạch tơng đơng hệ T-Đ và việc điều chỉnh điện áp đầu
ra BBĐ
Hình 2.9: Bộ chỉnh l%u liên hợp tạo bởi hai sơ đồ cầu 3 pha
U
d
= 2,34U
2
cos; U
d
= 4,68U
2
cos
Chơng 2:
2.3.2. Sự đập mạch của dòng điện chỉnh lu và các biện pháp
hạn chế
- Tăng số lần đập mạch của điện áp chỉnh lu bằng cách
tăng số pha, sử dụng sơ đồ cầu và sơ đồ liên hợp.
- Tăng điện cảm mạch tải của bộ chỉnh lu bằng cách lắp
bộ điện kháng san bằng trong mạch phần ứng động cơ.
- Sử dụng sơ đồ chỉnh lu có đi ốt không.
Giá trị điện cảm của bộ điện kháng san bằng nói chung
đợc chọn theo điều kiện bảo đảm dòng điện liên tục khi tải nhỏ
và tốc độ thấp, thông thờng cho trớc dòng điện cực tiểu Id
min (đơn vị đo A), sau đó dùng nó để tính lợng điện cảm tổng
cộng L
d

(đơn vị đo mH).
Chơng 2:
2.3.2. Sự đập mạch của dòng điện chỉnh lu và các biện pháp
hạn chế
Giá trị điện cảm tổng cộng L
d
(đơn vị đo mH) cần thiết:
Đối với sơ đồ chỉnh lu cầu một pha điều khiển hoàn toàn:
2
d
dmin
U
L 2,87
I
=
2
d
dmin
U
L 1,46
I
=
2
d
dmin
U
L 0,693
I
=
Đối với sơ đồ chỉnh lu hình tia 3 pha:

Đối với sơ đồ chỉnh lu hình cầu 3 pha:
Ch¬ng 2:
2.3.3. TÝnh liªn tôc vµ gi¸n ®o¹n cña dßng ®iÖn
H×nh 2.10: D¹ng dßng diÖn ®éng c¬ ë chÕ ®é dßng liªn tôc (a)
vµ dßng gi¸n ®o¹n (b)
i
d
ωt
I
d
0
a
i
d
ωt
I
d
0
b
Chơng 2:
2.3.4. Đặc tính cơ của hệ thống tyristo - động cơ điện
Trong chế độ dòng điện liên tục, ph#ơng trình đặc tính cơ
điện của hệ thống T-Đ là:
( )
d d d m d d
e e
1 1 q
n U I R ( U sin cos I R )
C C q

= =

0
M, I
d
n

1

2

3

4

5
n
Hình 2.10: Đặc tính cơ hệ T-Đ ở chế độ dòng tải liên tục

1
<

2
<

3
<

4
<

5
Chơng 2:
2.3.4. Đặc tính cơ của hệ thống tyristo - động cơ điện
Đ#ờng đặc tính cơ điện lúc dòng điện gián đoạn phải dùng hệ
ph#ơng trình sau đây để biểu diễn:
( )
ctg
2
ctg
e
2U cos sin sin e
6 6
n
C 1 e




+ + +
ữ ữ



=

e
2
d
d

d
C n
3 2U
I cos cos
2 R 6 6
2E




= + + +

ữ ữ



M
Vùng dòng
gián đoạn
Vùng dòng liên
tục
n
Đ#ờng phân
cách
Hình 2.11: Đặc tính cơ hệ T-Đ
khi làm việc trong hai góc phần
t% (tải thế năng)
M
c
0

Ch¬ng 2:
2.3.4. §Æc tÝnh c¬ cña hÖ thèng tyristo - ®éng c¬ ®iÖn
Chơng 2:
2.4. Chế độ tĩnh của hệ điều chỉnh tốc độ động cơ một
chiều
2.4.1. Chất lợng của hệ thống hở và những vấn đề tồn tại
2.4.2. Hệ điều tốc có phản hồi âm tốc độ và đặc tính tĩnh của hệ
Hình 2.13: Hệ điều tốc vòng kín có phản hồi âm tốc độ
CKĐ
KĐ BĐ


u
đk
-n
u
cđ
+
-
FT
PR
2.4.2. HÖ ®iÒu tèc cã ph¶n håi ©m tèc ®é vµ ®Æc tÝnh tÜnh
Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định (a) và đặc tính cơ điện (b) của
hệ điều tốc vòng kín có phản hồi âm tốc độ
1) Đặc tính hệ hở; 2) Đặc tính hệ kín; 3) Đặc tính giới hạn (khi
γ
.K
→

∞

)
K
KĐ
u
cđ
K
b
γ
1
C
e
R
d
I
d
-
nu
đk
E
b
E
Đ
(-)
n
0
I
d
I
đm
ba

3
2
1
∆n
K b cđ b cđ b
K b
K .K .K .u K .(R R ).I K.u K .(R R ).I
n
1 .K .K .K 1 .K
− + − +
= =
+ γ + γ
§ § §  d §  d
§ §
b
K .(R R ).I
n
1 .K
+
∆ =
+ γ
§  dm
2.4.3. Hệ điều tốc có phản hồi âm điện áp và đặc tính tĩnh
K
u
k
u
c
-
-U

d
R
1
+
-
R
2

+
-
B
+
U
d
Hỡnh 2.15: H iu tc vũng kớn cú phn hi õm in ỏp
Ph#ơng trình đặc tính cơ điện và sai lệch tốc độ:
( )
b b
0
b b
u .K .K .K R
n R .K .I n n I
1 .K .K 1 .K .K

= + =
ữ
+ +

cđ KĐ Đ
Đ d d

KĐ KĐ
b
b
R
n R .K .I
1 .K .K

= +
ữ
+

Đ đm
KĐ
2.4.3. Hệ điều tốc có phản hồi âm điện áp và đặc tính tĩnh
K
K
u
v
u
k
E
b

R

U
d
n
E

I
d
u
c
(-)
(-) (-)
Hỡnh 2.16: S cu trỳc trng thỏi n nh (a) v c tớnh c in (b) ca
h iu tc vũng kớn cú phn hi õm in ỏp
1) c tớnh t nhiờn; 2) c tớnh h kớn; 3) c tớnh h thng h
K
b
R
b
K

n
0
I
d
I
m
b
1
2
3
n
a
( )
b b
0

b b
u .K .K .K R
n R .K .I n n I
1 .K .K 1 .K .K

= + =
ữ
+ +

cđ KĐ Đ
Đ d d
KĐ KĐ
b
b
R
n R .K .I
1 .K .K

= +
ữ
+

Đ đm
KĐ
2.4.4. Hệ điều tốc có phản hồi dơng dòng điện và đặc tính tĩnh
KĐ
u
đk
u
cđ

+
I
d
Rs
-
-

Đ
BĐ
+
-
+
Hình 2.17: Hệ điều tốc vòng kín có phản hồi d%ơng dòng điện
CKĐ
= 0
n

2

1
I


1
>
2
>0
Cm
>
0

Cho
phộp
0
s
0
R R R
K .K
+ +
=
b u
b KĐ
( )
s
n u .K .K R R R .K .K .K .I
= + +
cđ KĐ b b KĐ b Đ d
( )
s
n R R R .K .K .K .I
= + +
b KĐ b Đ đm
Ph#ơng trình đặc tính:
Sai lệch tốc độ tại tải định mức:
2.4.5. Hệ điều tốc có phản hồi âm điện áp-dơng dòng điện và
đặc tính tĩnh của hệ
Hình 2.18: Hệ điều tốc vòng kín có phản hồi âm điện áp và d%ơng dòng điện
KĐ
u
đk
u

cđ
-U
d
R
1
-
R
2

-
+
BĐ
+
U
d
I
d
R
s
2.4.5. Hệ điều tốc có phản hồi âm điện áp-dơng dòng điện và
đặc tính tĩnh của hệ
K
KĐ
K
b
u
v
u
đk
E

b

R
b
R
#
U
d
K
Đ
n
E
Đ
I
d
u
cđ
(-) (-) (-)

I
d U
d
Hình 2.19: Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định của hệ điều tốc vòng kín có
phản hồi âm điện áp và d%ơng dòng điện
K b b K b K
K b K b
K K K u R R (1 K K ) K K
n K I
1 K K 1 K K
+ +

=
+ +
Đ Đ cđ Đ Đ b
Đ d
Đ Đ
b K b K
K b
R R (1 K K ) K K
n K I
1 K K
+ +
=
+
Đ Đ b
Đ đm
Đ