i
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Lê Thị Ngọc Oanh
Ngày sinh: 07 tháng 12 năm 1986
Học viên lớp cao học K14–TĐH01 – Trường Đại học Kỹ Thuật Công
Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân
thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác.
Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ
những thông tin tham khảo được trích dẫn.
Thái nguyên, tháng 8 năm 2014
Học viên
Lê Thị Ngọc Oanh
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn của
nhà trường, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau đại học, các
giảng viên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Thị Mai
Hương, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn trong
quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Tiến Hưng đã tạo điều
kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể
luận văn còn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ
các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa
ứng dụng trong thực tế.
Xin chân thành cảm ơn!
NGƯỜI THỰC HIỆN
Lê Thị Ngọc Oanh
iii
MỤC LỤC
Trang phụ bìa
LỜI CAM ĐOAN
i
LỜI CẢM ƠN ii
DANH MỤC HÌNH VẼ viii
Mục đích nghiên cứu 3
Nội dung nghiên cứu 3
CHƯƠNG 1 4
CHỌN MẠCH LỰC VÀ TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ CÔNG
SUẤT SỬ DỤNG THYRISTOR ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU.4
1.1 Lựa chọn động cơ truyền động 5
1.1.1 Động cơ không đồng bộ 5
1.1.2 Động cơ đồng bộ 5
1.1.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 5
1.1.4 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 5
1.1.5 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp 6
1.2 Chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 7
1.2.1 Điều chỉnh điện trở phụ mạch phần ứng động cơ 7
Hình 1.2 Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ mạch phần ứng với Rf1 < Rf2 <Rf3 <Rf4. 8
1.2.2 Điều chỉnh bằng phương pháp thay đổi từ thông 8
Hình 1.3 Đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông với 9
Φ2< ΦM1 < Φđm 9
1.2.3 Điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ 9
Hình 1.4 Họ đặc tính cơ uđm < u1 <u2 < u3 < u4 10
1.3 Chọn loại bộ biến đổi 11
1.3.1 Hệ truyền động máy phát – động cơ (F-Đ) 11
iv
1.3.2 Bộ biến đổi chỉnh lưu xung áp một chiều 11
1.3.3 Bộ biến đổi Tiristor -Động cơ 11
Hình 1.6 Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế mạch phần ứng hệ T-Đ 13
Hình 1.7 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL-Đ không đảo chiều 13
1.4 Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu 14
Tổng quan về các hệ thống điện tử công suất sử dụng Thyristors (các sơ đồ chỉnh
lưu AC/ DC) dùng để cung cấp nguồn một chiều cho động cơ DC. Do cầu 3 pha
được sử dụng nhiều nhất nên tác giả sẽ trình bày chính về bộ chỉnh lưu này 14
1.4.1 Chỉnh lưu cầu 3 pha 14
Cấu trúc mạch chỉnh lưu 14
1.4.2 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 15
1.4.2.1 Sơ đồ nguyên lý 15
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu ba pha không ĐK 15
1.4.2.2 Nguyên lý làm việc 15
1.4.2.3 Giản đồ thời gian 17
Hình 1.10 Giản đồ thời gian của mạch chỉnh lưu cầu ba pha không ĐK 17
1.4.2.4 Biểu thức điện áp 17
1.4.3 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 18
1.4.3.1 Sơ đồ nguyên lý 18
Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý của mạch chỉnh lưu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 18
1.4.3.2 Nguyên lý làm việc 18
1.4.3.3 Giản đồ thời gian 20
Hình 1.12 Giản đồ thời gian của mạch chỉnh lưu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 20
1.4.3.4 Biểu thức điện áp 20
Trong Chương 2, tác giả sẽ đi trình bày về đối tượng điều khiển là động cơ điện
một chiều, đặc biệt là mô hình toán của đối tượng nhằm phục vụ cho việc áp
dụng các thuật toán điều khiển để điều khiển đối tượng. Đồng thời tác giả sẽ trình
bày các bộ điều khiển tự chỉnh được dùng trong hệ thống. 23
2.1 Mô hình động cơ một chiều 23
v
Phương trình không gian trạng thái 24
2.2 Bộ điều khiển PID kinh điển 24
2.2.1 Khái niệm 24
Hình 2.1 Mạch vòng điều khiển kinh điển 24
2.2.2 Dạng sai phân 25
2.2.3 Dạng rời rạc 26
2.3 Hàm nhạy và hàm bù nhạy 26
2.4 Các quy luật điều chỉnh 27
Hình 2.2 Mô hình mô phỏng với bộ điều khiển PID kinh điển 28
2.4.1 Quy luật điều chỉnh P 28
Hình 2.3 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 29
2.4.2 Quy luật điều chỉnh PI 29
2.4.3 Quy luật điều chỉnh PD 31
Hình 2.6 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PD 31
2.4.4 Quy luật điều chỉnh PID 31
Hình 2.7 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PID 32
2.5 Quy trình chỉnh định tham số PID 32
2.5.1 Chỉnh định tham số PID theo kinh nghiệm 32
2.5.2 Chỉnh định tham số PID theo phương pháp thực nghiệm 33
2.5.3 Chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols 33
Hình 2.8 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 34
36
Hình 2.9 Lưu đồ tự chỉnh các tham số PID 36
3.1 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh PID động cơ một chiều bằng DSP -
TMS320F28069 39
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 39
3.2 Các luật điều khiển số 39
3.2.1 Luật điều khiển tỷ lệ số 40
vi
Hình 3.2 Khâu tỷ lệ số 40
3.2.2 Luật điều khiển tích phân số 40
3.2.3 Luật điều khiển vi phân số 41
3.2.4 Luật điều khiển PID số 41
Hình 3.5 Cấu trúc luật PID số 41
3.3 Phần mềm CCS v5 42
Hình 3.6 Code Composer Studio v5 42
3.4 Giới thiệu TMS320F28069 42
Hình 3.7 Vi mạch TMS320F28069 – Texas Instruments 43
Hình 3.8 PN/ PFP 80 chân 44
Hình 3.9 Sơ đồ khối Kit TMS320F28069 46
4.1 Mô phỏng 50
4.2 Thực nghiệm 56
4.2.1 Giới thiệu hệ thống 56
Hình 4.5 Hệ thực nghiệm 57
Hình 4.6 Mạch phát hiện điểm không 58
4.2.2 Các khối chính trong hệ thống 58
Hình 4.7 Hệ động cơ – máy phát tốc 58
Hình 4.9 TMS320F28069 board 60
4.3 Kết quả thực nghiệm 60
Hình 4.10 Dạng điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu 60
61
Hình 4.11 Tốc độ động cơ và giá trị đặt 61
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO 64
vii
viii
DANH MỤC HÌNH VẼ
LỜI CẢM ƠN ii
DANH MỤC HÌNH VẼ viii
Mục đích nghiên cứu 3
Nội dung nghiên cứu 3
CHƯƠNG 1 4
CHỌN MẠCH LỰC VÀ TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ CÔNG
SUẤT SỬ DỤNG THYRISTOR ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU.4
1.1 Lựa chọn động cơ truyền động 5
1.1.1 Động cơ không đồng bộ 5
1.1.2 Động cơ đồng bộ 5
1.1.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 5
1.1.4 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 5
1.1.5 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp 6
1.2 Chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 7
1.2.1 Điều chỉnh điện trở phụ mạch phần ứng động cơ 7
Hình 1.2 Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ mạch phần ứng với Rf1 < Rf2 <Rf3 <Rf4. 8
1.2.2 Điều chỉnh bằng phương pháp thay đổi từ thông 8
Hình 1.3 Đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông với 9
Φ2< ΦM1 < Φđm 9
1.2.3 Điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ 9
Hình 1.4 Họ đặc tính cơ uđm < u1 <u2 < u3 < u4 10
1.3 Chọn loại bộ biến đổi 11
1.3.1 Hệ truyền động máy phát – động cơ (F-Đ) 11
1.3.2 Bộ biến đổi chỉnh lưu xung áp một chiều 11
1.3.3 Bộ biến đổi Tiristor -Động cơ 11
Hình 1.6 Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế mạch phần ứng hệ T-Đ 13
ix
Hình 1.7 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL-Đ không đảo chiều 13
1.4 Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu 14
Tổng quan về các hệ thống điện tử công suất sử dụng Thyristors (các sơ đồ chỉnh
lưu AC/ DC) dùng để cung cấp nguồn một chiều cho động cơ DC. Do cầu 3 pha
được sử dụng nhiều nhất nên tác giả sẽ trình bày chính về bộ chỉnh lưu này 14
1.4.1 Chỉnh lưu cầu 3 pha 14
Cấu trúc mạch chỉnh lưu 14
1.4.2 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 15
1.4.2.1 Sơ đồ nguyên lý 15
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu ba pha không ĐK 15
1.4.2.2 Nguyên lý làm việc 15
1.4.2.3 Giản đồ thời gian 17
Hình 1.10 Giản đồ thời gian của mạch chỉnh lưu cầu ba pha không ĐK 17
1.4.2.4 Biểu thức điện áp 17
1.4.3 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 18
1.4.3.1 Sơ đồ nguyên lý 18
Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý của mạch chỉnh lưu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 18
1.4.3.2 Nguyên lý làm việc 18
1.4.3.3 Giản đồ thời gian 20
Hình 1.12 Giản đồ thời gian của mạch chỉnh lưu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 20
1.4.3.4 Biểu thức điện áp 20
Trong Chương 2, tác giả sẽ đi trình bày về đối tượng điều khiển là động cơ điện
một chiều, đặc biệt là mô hình toán của đối tượng nhằm phục vụ cho việc áp
dụng các thuật toán điều khiển để điều khiển đối tượng. Đồng thời tác giả sẽ trình
bày các bộ điều khiển tự chỉnh được dùng trong hệ thống. 23
2.1 Mô hình động cơ một chiều 23
Phương trình không gian trạng thái 24
2.2 Bộ điều khiển PID kinh điển 24
2.2.1 Khái niệm 24
x
Hình 2.1 Mạch vòng điều khiển kinh điển 24
2.2.2 Dạng sai phân 25
2.2.3 Dạng rời rạc 26
2.3 Hàm nhạy và hàm bù nhạy 26
2.4 Các quy luật điều chỉnh 27
Hình 2.2 Mô hình mô phỏng với bộ điều khiển PID kinh điển 28
2.4.1 Quy luật điều chỉnh P 28
Hình 2.3 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 29
2.4.2 Quy luật điều chỉnh PI 29
2.4.3 Quy luật điều chỉnh PD 31
Hình 2.6 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PD 31
2.4.4 Quy luật điều chỉnh PID 31
Hình 2.7 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PID 32
2.5 Quy trình chỉnh định tham số PID 32
2.5.1 Chỉnh định tham số PID theo kinh nghiệm 32
2.5.2 Chỉnh định tham số PID theo phương pháp thực nghiệm 33
2.5.3 Chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols 33
Hình 2.8 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 34
36
Hình 2.9 Lưu đồ tự chỉnh các tham số PID 36
3.1 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh PID động cơ một chiều bằng DSP -
TMS320F28069 39
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 39
3.2 Các luật điều khiển số 39
3.2.1 Luật điều khiển tỷ lệ số 40
Hình 3.2 Khâu tỷ lệ số 40
3.2.2 Luật điều khiển tích phân số 40
3.2.3 Luật điều khiển vi phân số 41
xi
3.2.4 Luật điều khiển PID số 41
Hình 3.5 Cấu trúc luật PID số 41
3.3 Phần mềm CCS v5 42
Hình 3.6 Code Composer Studio v5 42
3.4 Giới thiệu TMS320F28069 42
Hình 3.7 Vi mạch TMS320F28069 – Texas Instruments 43
Hình 3.8 PN/ PFP 80 chân 44
Hình 3.9 Sơ đồ khối Kit TMS320F28069 46
4.1 Mô phỏng 50
4.2 Thực nghiệm 56
4.2.1 Giới thiệu hệ thống 56
Hình 4.5 Hệ thực nghiệm 57
Hình 4.6 Mạch phát hiện điểm không 58
4.2.2 Các khối chính trong hệ thống 58
Hình 4.7 Hệ động cơ – máy phát tốc 58
Hình 4.9 TMS320F28069 board 60
4.3 Kết quả thực nghiệm 60
Hình 4.10 Dạng điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu 60
61
Hình 4.11 Tốc độ động cơ và giá trị đặt 61
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO 64
1
MỞ ĐẦU
Hiện nay động cơ một chiều trong các hệ truyền động vẫn đang được sử
dụng rộng rãi do nó có một số ưu điểm sau đây:
- Momen khởi động lớn.
- Khả năng điều chỉnh tốc độ tương đối đơn giản, kể cả đối với các động cơ
có công suất lớn.
- Dễ đảo chiều quay.
- Dễ ổn định tốc độ.
- Cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển tương đối đơn giản, có thể đạt chất
lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.
Đa số các hệ thống truyền động sử dụng động cơ một chiều đều có yêu cầu
về điều chỉnh tốc độ. Trong thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc
độ động cơ điện một chiều:
- Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ
Bộ biến đổi nằm trong cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc
độ động cơ điện một chiều. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ
hoặc mạch kích từ động cơ.
Các bộ biến đổi, các mạch và các thuật toán điều khiển có thể được thực
hiện bằng kỹ thuật tương tự hoặc kỹ thuật số. Trong đó, việc sử dụng kỹ thuật
tương tự có ưu điểm là khá đơn giản, hiệu quả và đã được phát triển một cách
hoàn thiện. Nhược điểm cơ bản của kỹ thuật này phụ thuộc nhiều vào độ trôi
thông số của các phần tử trong hệ thống làm cho tính ổn định của hệ thống nhiều
khi không được đảm bảo theo thời gian và khó đáp ứng với các điều kiện làm
việc khác nhau.
Các hệ truyền động động cơ một chiều thường sử dụng hai mạch vòng điều
chỉnh. Trong đó mạch vòng ngoài là mạch vòng điều chỉnh tốc độ, bên trong là
mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Mạch vòng dòng điện yêu cầu tốc độ đáp ứng
nhanh hơn rất nhiều so với mạch vòng điều chỉnh tốc độ vốn phụ thuộc rất lớn
vào quán tính cơ của động cơ và của tải. Chính vì vậy mà yêu cầu thiết kế bộ
điều khiển cho mạch vòng dòng điện cũng có yêu cầu khắt khe hơn. Để có được
các thông số tối ưu cho bộ điều khiển của mạch vòng dòng điện thì phải có các
thông số chính xác của động cơ. Sau đó, bộ điều khiển theo kỹ thuật tương tự của
2
mạch vòng dòng điện được điều chỉnh theo các thông số đã tổng hợp được bằng
cách thay đổi giá trị của các biến trở, biến dung hoặc hệ số khuyếch đại của các
bộ khuyếch đại thuật toán. Tuy nhiên, trong quá trình làm việc các thông số của
động cơ có thể bị thay đổi do chúng phụ thuộc và điều kiện làm việc (điện trở
phần ứng của động cơ thay đổi theo nhiệt độ, mô men quán tính thay đổi theo
tải ), bản thân các linh kiện tương tự cũng như các bộ khuyếch đại thuật toán
nói trên cũng bị thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm Do đó, chất lượng của các bộ
điều khiển theo kỹ thuật tương tự rất khó để đảm bảo theo thời gian và các chế độ
làm việc khác nhau.
Kỹ thuật điều khiển số ra đời không những có khả năng khắc phục các
nhược điểm nói trên của các hệ thống điều khiển tương tự mà còn mở ra khả
năng áp dụng dễ dàng các kỹ thuật hiện đại trong việc tổng hợp các bộ điều
khiển, dễ dàng thay đổi các tham số vận hành của thiết bị, có khả năng tương tác
với con người, khả năng ghép nối với máy tính, các thiết bị điều khiển cấp trên
hoặc các thiết bị giao tiếp số khác (ví dụ các bộ điều khiển lô gic lập trình được –
PLC, các bộ đo lường tốc độ số Encoder) Hơn nữa, một hệ thống điều khiển số
còn cho phép loại bỏ một số lượng không nhỏ các mạch điện tương tự có các
chức năng khác nhau chuyển sang thực hiện bằng phần mềm (ví dụ các mạch đo
lường, bảo vệ, hiển thị ) làm cho mạch điều khiển nhỏ gọn và tin cậy hơn.
Ngoài ra, trong thực tế các bộ điều khiển số tốc độ động cơ một chiều ở Việt nam
hầu hết được cung cấp bởi các hãng nổi tiếng, có giá thành cao, đặc biệt là ở dải
công suất lớn, điều kiện bảo hành, bảo trì khá phức tạp. Do vậy, việc nghiên cứu,
phát triển các hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều có thể nâng cao
được khả năng làm chủ công nghệ, nâng cao chất lượng của thiết bị, thuận tiện
cho việc sử dụng, vận hành, sửa chữa và giảm giá thành.
Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu phát triển hệ thống
điều khiển số tốc độ động cơ một chiều"
3
Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu chính của đề tài là phát triển hệ thống điều khiển số tốc độ động
cơ một chiều. Qua đó nghiên cứu về các bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều,
ưu nhược điểm của từng bộ điều khiển.
Mục tiêu cụ thể là:
- Phân tích các hệ điều khiển tốc độ động cơ một chiều.
- Thiết kế hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều bằng cách thiết
kế hệ thống điện tử công suất sử dụng Thyristor điều khiển tốc độ động cơ một
chiều theo phương pháp thay đổi góc pha. Góc mở của các Thyristor được điều
khiển trực tiếp từ vi điều khiển mà không sử dụng các mạch tương tự (phát xung,
răng cưa, so sánh, tạo tín hiệu điều khiển ). Điều khiển hai mạch vòng (dòng
điện, tốc độ) sử dụng các bộ điều khiển PID số, trong đó bộ PID số của mạch
vòng dòng điện là loại tự chỉnh (autotuning), do vậy cần phải có phần nhận dạng
(có phần mềm nhận dạng tự động tham số của động cơ).
- Tiến hành thí nghiệm để phân tích đánh giá chất lượng thực của hệ thống
nhằm tiếp tục phát triển hoàn thiện và hiện thực hóa đề tài.
Nội dung nghiên cứu
Chương 1 Tổng quan về các hệ thống điện tử công suất sử dụng thyristor
điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Chương 2 Mô hình động cơ một chiều và nghiên cứu thiết kế tự chỉnh
Chương 3 Thiết kế hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều
Chương 4 Mô phỏng và thực nghiệm
4
CHƯƠNG 1
CHỌN MẠCH LỰC VÀ TỔNG QUAN VỀ CÁC
HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT SỬ
DỤNG THYRISTOR ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
5
1.1 Lựa chọn động cơ truyền động
1.1.1 Động cơ không đồng bộ
Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ rô to lồng sóc; có kích
thước nhỏ làm việc tin cậy, chắc chắn và dễ sử dụng. Vận hành sửa chữa, làm
việc trực tiếp với lưới điện xoay chiều 3 pha nên không cần trang bị thêm các
thiết bị biến đổi đi kèm.
Nhược điểm : Điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó
khăn. Hệ số cosφ và hiệu suất không cao, dải điều chỉnh hẹp, độ sụt tốc độ lớn
khi điều chỉnh, giá thành cao.
1.1.2 Động cơ đồng bộ
Ưu điểm: Được sử dụng rộng rãi cho các hệ truyền động yêu cầu có công
suất trung bình và lớn, yêu cầu ổn định tốc độ cao, hệ số cosφ và hiệu suất lớn,
vận hành có độ tin cậy cao.
Nhược điểm: Điều chỉnh tốc độ gặp khó khăn, phải sử dụng kèm biến tần,
gây tốn kém về kinh tế, công nghệ truyền thông phức tạp. Đặc biệt trong các hệ
truyền động công suất nhỏ chế tạo rất khó khăn, giá thành cao.
1.1.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Ưu điểm: Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốt
thích hợp cho những truyền động làm việc bình thường có quá tải lớn và yêu cầu
mômen khởi động lớn như máy nâng vận chuyển, máy cán thép …
Nhược điểm: có đặc tính cơ mềm, từ thông phụ thuộc vào dòng điện tải, tiết
diện dây lớn, độ ổn định tốc độ kém thay đổi nhanh khi tải thay đổi. [11]
1.1.4 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Ưu điểm: Dải điều chỉnh rộng, điều chỉnh thuận lợi dễ dàng khi thay đổi 1
trong các thông số vật lý của động cơ, có thể điều chỉnh trơn, điều chỉnh vô cấp,
độ cứng tốt, quá trình khởi động êm, moomen khởi động lớn, thời gian khởi động
nhỏ, từ thông chính không phụ thuộc vào tải
6
Nhược điểm: Khi sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập phải có
bộ biến đổi kèm theo làm tăng chi phí đầu tư, gặp khó khăn trong vận hành,
sửa chữa và bảo dưỡng
1.1.5 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
Ưu điểm: Vì là động cơ gồm 2 cuộn dây kích từ mắc song song và nối
tiếp nên tận dụng được các ưu điểm của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp
và kích từ độc lập.
Nhược điểm: Có cấu tạo phức tạp và giá thành cao nên ít được sử dụng
Kết luận: Từ những phân tích đánh giá ở trên ta thấy động cơ một chiều
kích từ độc lập có nhiều ưu điểm và có khả năng đáp ứng được yêu cầu công
nghệ của tải cần truyền động. Do đó ta chọn động cơ một chiều kích từ độc lập
làm động cơ cho máy sản xuất của đề tài.
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ được cấp điện từ
một nguồn độc lập với nguồn điện cấp cho phần ứng động cơ.
*Sơ đồ nguyên lý
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ mắc vào nguồn
một chiều độc lập (hình vẽ ) (đối nguồn có công suất không đủ lớn) và cũng
có thể cuộn kích từ mắc song song với mạch phần ứng (đối nguồn một chiều
có công suất vô cùng lớn).
Hình 1.1 a) Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập
b) Đặc tính cơ của một động cơ điện một chiều kích từ độc lập
7
* Phương trình đặc tính cơ - Dạng đặc tính cơ
Ta có phương trình đặc tính cơ như sau:
M
)k(
R
K
U
2
φ
−
φ
=ω
∑
Nhận xét:
- Đường đặc tính cơ là đường thẳng và động cơ làm việc ổn định khi tốc độ
không đổi thì mô men điện từ bằng mô men trên trục động cơ, điểm làm việc trên
đặc tính tương ứng giao điểm đặc tính tải với đặc tính cơ tự nhiên.
- Phạm vi điều chỉnh tốc độ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ bền cơ khí
kết cấu cơ của máy, khả năng chuyển mạch cổ góp, độ duy trì tốc độ dặt khi có
sự dao động của phụ tải tĩnh.
- Đặc tính cơ cứng mô men khởi động lớn có thể điều chỉnh được mô men
dùng các phương pháp cưỡng bức như đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần
ứng.
1.2 Chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
Từ phương trình đặc tính cơ:
2
( )
. .
u f
e M
M r r
U
n
Ce C C
+
= −
Φ Φ
Ta thấy có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ [1]
1.2.1 Điều chỉnh điện trở phụ mạch phần ứng động cơ
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào
mạch phần ứng.
Tốc độ không tải lý tưởng:
ω
φ
0
=
U
K
dm
dm
Độ cứng đặc tính cơ:
var
)(
2
=
+
−
=
fu
dm
RR
K
φ
β
8
Khi tăng điện trở phần ứng, đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc
độ không tải lý tưởng. Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở mạch phần ứng như
sau:
Hình 1.2 Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ mạch phần ứng với Rf1 < Rf2 <Rf3 <Rf4
Ưu điểm: Độ cứng đặc tính cơ β giảm đi, dòng điện ngắn mạch và mômen
ngắn mạch cũng giảm
Nhược điểm: Do sử dụng điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng động cơ dẫn
đến tổn thất về năng lượng làm giảm hiệu suất của hệ thống.
1.2.2 Điều chỉnh bằng phương pháp thay đổi từ thông
Tốc độ không tải lý tưởng:
ω
φ
ox
dm
x
U
K
= = var
Độ cứng đặc tính cơ:
var
)(
2
=
−
=
u
x
R
K
φ
β
Đặc tính của động cơ thay đổi như sau:
9
Hình 1.3 Đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông với
Φ2< ΦM1 < Φđm
Ưu điểm:
- Khi giảm từ thông Φ thì độ cứng β giảm nhanh (β tỉ lệ thuận với Φ2)
- Giảm mô men khởi động, ít tổn hao do điều chỉnh, kinh tế
- Khả năng tự động hoá cao.
Nhược điểm :
- Dải điều chỉnh tốc độ khi thay đổi từ thông hẹp .
- Điều chỉnh từ thông không phù hợp với tải Mc = const.Vì vậy ta loại bỏ
phương pháp này.
1.2.3 Điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ
Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như
sau:
Eb – Eư = Iư ( Rb + Rư)
ub b
u
dm dm
E R R
I
K K
ω
ϕ ϕ
−
= −
10
var
K
E
dm
b
x0
=
ϕ
=ω
Độ cứng đặc tính cơ
2
( )
b u
K
const
R R
ϕ
β
= =
+
Hình 1.4 Họ đặc tính cơ uđm < u1 <u2 < u3 < u4
Ưu điểm: Khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áp trên mạch phần
ứng thì dòng điện, mômen sẽ không đổi, tốc độ không tải lý tưởng sẽ thay đổi
nhưng độ cứng của đường đặc tính cơ không thay đổi vì vậy họ đặc tính cơ là
những đường thẳng song song với đường đặc tính cơ tự nhiên. Đây là phương
pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ
vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tưởng.
Nhược điểm: Khi điều chỉnh phải có bộ biến đổi kèm theo làm tăng chi phí
đầu tư cơ bản, gặp khó khăn trong vận hành, sửa chữa và bảo dưỡng
Kết luận
Hệ thống của ta có yêu cầu sai lệnh tĩnh nhỏ, điều chỉnh vô cấp, độ cứng
đặc tính cơ β tốt, khả năng quá tải tốt, Mc = const. Ta thấy phương pháp điều
chỉnh điện áp đặt vào phần ứng là triệt để nhất. Như vậy ta sẽ chọn phương pháp
thay đổi điện áp đặt vào phần ứng cho đề tài thiết kế.
0
m
ω
ω
ο
ω
1
ω
2
ω
3
M
c
U
đm
U
1
U
2
U
3
11
1.3 Chọn loại bộ biến đổi
Bộ biến đổi điện áp có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp
một chiều cấp cho phần ứng của động cơ. Hiện nay người ta thường sử dụng các
bộ biến đổi sau:
- Bộ biến đổi máy điện: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều.
- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu Tiristor.
- Bộ biến đổi xung áp một chiều: Tiristor-Tranzitor.
Ta lần lượt đi phân tích 3 bộ biến đổi trên để chọn bộ biến đổi phù hợp với
yêu cầu đề tài:
1.3.1 Hệ truyền động máy phát – động cơ (F-Đ)
Ưu điểm: nổi bật của hệ F-Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh
hoạt, khả năng qúa tải lớn. Do vậy thường sử dụng hệ truyền động F-Đ ở các
máy khai thác trong hầm mỏ.
Nhược điểm: quan trọng nhất của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay
trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít
nhất gấp 3 lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra các máy phát một chiều có
từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó khăn điều chỉnh sâu tốc
1.3.2 Bộ biến đổi chỉnh lưu xung áp một chiều
Ưu điểm : Hiệu suất cao vì tổn hao trong các van và mạch điều khiển nhỏ,,
mạch điều khiển đơn giản, chất lượng điện áp tốt hơn so với bộ biến đổi liên tục,
kích thước gọn nhẹ, độ cứng đặc tính cơ cao
Nhược điểm: Điện áp xung gây ra tổn thất phụ do thành phần xoay chiều
gây ra, tần số đóng cắt lớn tạo ra nhiễu cho nguồn và thiết bị điều khiển, còn tồn
tại những vùng gián đoạn đặc tính cơ dốc, kém ổn định
1.3.3 Bộ biến đổi Tiristor -Động cơ
Ưu điểm: Tác động nhanh, tổn thất ít, giảm tiếng ồn, kích thước trọng lượng
nhỏ, nền móng không phức tạp, phạm vi điều chỉnh D rộng.
12
Nhược điểm: Khả năng linh hoạt chuyển đổi trạng thái làm việc không cao,
khả năng quá tải về dòng và áp kém, giá thành cao, hệ số công suất thấp
Nhận xét
Qua sự phân tích các bộ biến đổi cấp điện áp cho động cơ ,ta thấy mỗi loại
có những ưu nhược điểm nhất định vì vậy tuỳ thuộc vào tình hình kinh tế, yêu
cầu công nghệ chọn phương án thích hợp. Với yêu cầu thiết kế của đề tài và khi
xét tổng quan xu hướng phát triển khoa học kỹ thuật ngày càng tạo ra các linh
kịên bán dẫn khắc phục được các nhược điểm trên thì em quyết định chọn bộ
biến đổi chỉnh lưu có điều khiển cấp điện áp cho phần ứng của động cơ ( Bộ biến
đổi Tiristor -Động cơ)
Bộ biến đổi Tiristor - Động cơ
Trong hệ truyền động chỉnh lưu điều khiển động cơ một chiều (CL-Đ), bộ
biến đổi là các mạch chỉnh lưu điều khiển có sức điện động E
đ
phụ thuộc vào giá
trị của phát xung điều khiển (góc điều khiển). Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn
chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ
Sơ đồ nguyên lý như sau:
Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hệ Tiirristor - Động cơ
Hệ chỉnh lưu điều khiển -Động cơ một chiều thực hiện điều khiển động cơ
theo nguyên lý thay đổi điện áp phần ứng động cơ trong đó bộ biến đổi là bộ
chỉnh lưu bán dẫn biến đổi trực tiếp điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều
không qua khâu trung gian nào, do đó nó có nhiều ưu điểm: Kết cấu nhẹ, không
E
R
CL
E=U .cos
α
do
u
R
13
đòi hỏi nền móng, không gây ồn, hiệu suất cao, thuận tiện cho việc tự động hoá,
động tác động nhanh, dễ dàng theo dõi .
Xây dựng phương trình đặc tính cơ :
FX
§C
U®k
Hình 1.6 Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế mạch phần ứng hệ T-Đ
. Ta có phương trình :
M
K
RR
K
U
đm
CLu
đm
u
2
)(
φ
φ
ω
+
−=
Mà
0
os
u d
U U c
α
=
thay vào phương trình trên ta được:
M
K
RR
K
U
đm
CLu
đm
do
2
)(
cos.
φ
φ
α
ω
+
−=
Hình 1.7 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL-Đ không đảo chiều
A
ω
M
c
ω
M
0
B
ω
α =
0
1
α
2
α
3
α
= π/2
4
B
A
14
Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy tốc độ không tải
0
ω
phụ thuộc vào góc mở
α
1.4 Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu
Tổng quan về các hệ thống điện tử công suất sử dụng Thyristors (các sơ đồ
chỉnh lưu AC/ DC) dùng để cung cấp nguồn một chiều cho động cơ DC. Do cầu
3 pha được sử dụng nhiều nhất nên tác giả sẽ trình bày chính về bộ chỉnh lưu
này.
1.4.1 Chỉnh lưu cầu 3 pha
Chỉnh lưu cầu 3 pha là loại được sử dụng nhiều nhất trong thực tế vì có
nhiều ưu điểm hơn hẳn so với chỉnh lưu cầu một pha. Nó cho phép đấu thẳng vào
lưới điện 3 pha, độ đập mạch rất nhỏ (5%). Nếu có dùng biến áp thì gây méo lưới
điện ít hơn các loại trên đồng thời công suất máy biến áp cũng chỉ xấp xỉ bằng
công suất tải, công suất mạch chỉnh lưu có thể rất lớn lên tới hàng trăm KW.
Chính vì vậy, trong luận văn này tác giả sẽ tập trung giới thiệu về các bộ chỉnh
lưu cầu 3 pha. [6]
Cấu trúc mạch chỉnh lưu
Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng xoay chiều thành năng
lượng dòng một chiều. Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng
rãi nhất trong thực tế. Sơ đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu trên hình
1.1.
Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc của mạch chỉnh lưu
