Thiết kế hệ truyền động tự động

Thiết kế hệ truyền động tự động





THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

22
CHƯƠNG II.
BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU TIRISTOR
Các bộ biến đổi điện áp và dòng điện
Trong các ngành công nghiệp thiết bị máy móc sử dụng năng lượng điện dưới
những dạng khác nhau. Trong khuôn khổ bản đồ án này chỉ chình bày các kỹ thuật
biến đổi các dạng điện năng. Biến năng lượng điện xoay chiều công nghiệp hay
của máy phát điện xoay chiều sẵ
n có thành những năng lượng điện một chiều
muốn có bằng phương pháp chỉnh lưu.
Dạng biến đổi này được dùng rộng rãi nhất trong các dạng biến đổi năng lượng
điện

Ngoài ra trong thực tế người ta còn sử dụng các quá trình biến đổi năng lượng
điện khác như.
- Kỹ thuật nghịch lưu.
- Kỹ thuật biến tần.
Trong các h
ệ truyển động 1 chiều. Nguồn cung cấp thường là các bộ biến
đồi (BBĐ) chỉnh lưu điều khiển. Việc chọn được BBĐ phù hợp với yêu cầu của
công nghệ và tối ưu về kinh tế là một việc quan trọng. Vì vậy trong chương này ta
sẽ phân tích về chỉnh lưu Tiristor để chọn lựa được sơ đồ phù hợp và thiết kế
mạch đi
ều khiển nó.
I./ KHÁI NIỆM CHUNG
.
Bộ chỉnh lưu liên hệ nguồn xoay chiều với tải một chiều, nghĩa là đổi điện áp
xoay chiều của nguồn thành điện áp một chiều trên phụ tải.
Điện áp một chiều trên tải không được lý tưởng như điện áp của ắc quy mà có
chứa các thành phần xoay chiều cùng với một chiều.
Đầu ra của các sơ đồ chỉnh lưu đượ
c cọi là một chiều nhưng thực sự là điện áp
đập mạch. Trị số điện áp một chiều, hiệu áp suất ảnh hưởng của chúng do nguồn
xoay chiều rất khác nhau.
Bộ biến đổi Tiristor với chuyển mạch tự nhiên và có điện áp (dòng điện) ra
là 1 chiều là các thiết bị biến nguồn điện xoay chiều 3 pha thành điện áp 1 chiều
điều khiể
n được.
Hoạt động của mạch do nguồn điện xoay chiều quyết định vì nhờ đó mà có
thể thực hiện được chuyển mạch dòng điện giữa các phần tử lực.
Việc phân loại chỉnh lưu phụ thuộc nhiều yếu tố:
Các bộ chỉnh lưu được chia làm hai loại: chỉnh lưu nửa chu kỳ còn gọi là chỉnh
lưu nửa sóng; chỉ

nh lưu hai nửa chu kỳ còn gọi là chỉnh lưu toàn sóng
- Theo kiểu van sử dụng có: Chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều
khiển, chỉnh lưu bán điều khiển.
- Theo sơ đồ đấu có: Sơ đồ hình tia là khi chỉ có một nhóm van đấu chung
(Anốt) Katốt; Sơ đồ hình cầu là khi dùng kết hợp cả hai nhóm trên.
- Theo số pha nguồn có: Sơ đồ 1 pha, sơ đồ 3 pha, sơ
đồ 6 pha,... m pha.
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

23
- Như vậy sơ đồ cầu sẽ có số van bằng 2 lần số van của sơ đồ hình tia khi có
cùng số pha nguồn.
Dạng được áp dụng ra tải sẽ được xác định nhờ luật mở van đối với các
nhóm anốt (Katốt) chung. Đối với chỉnh lưu điều khiển vì dùng van Tiristor cho
nên phải căn cứ vào góc mở X và tính chất của tải. Nhìn chung dạng điện áp ra tải
là nhấp nhô không bằng phẳng. Độ đập mạch sẽ nhỏ đi khi số lần đập mạch tăng.
Nếu gọi số lần đập mạch trong một chu kỳ điện áp nguồn là P và số pha của
nguồn cấp là m ta có nhận xét:
- Sơ đồ tia có: P = m.
- Sơ đồ cầu có: P = 2m.
- Dùng sơ đồ cầu 2 pha có P = m vì điện áp tổng cộng 2 pha là hình sin
cùng tần số.
Như vậy để
nhận được dạng điện áp ra tải có tốc độ đập mạch thấp thì sơ
đồ chỉnh lưu 3 pha là tốt hơn.
- Sử dụng điện áp 3fa rất thuận tiện vì có công suất ra tải lớn.
- Dạng điện áp và dùng điện ra tải ít đập mạch, do đó vấn đề lọc sẽ đơn giản, rẻ
tiền
Tuy nhiên mỗi sơ

đồ đều có các ưu nhược điểm riêng. Để chọn được sơ đồ
chỉnh lưu thích hợp ta xem xét từng loại sơ đồ chỉnh lưu.
II./ CÁC BỘ CHỈNH LƯU DÙNG TRONG HỆ T - Đ.

1. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ














Hình II – 1: Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ





Tải
T
1
T
4

T
2
T
3
I
g1

I
g3

I
g32

I
g4

I
1
I
3
I
2
I
4

U
T1

UU
U

1

U
2

N

Tải điện
cảm

U
L
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

24

Hình 1I-1: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển và các dạng sóng


Bộ chỉnh lưu điều khiển biểu diễn trên hình II-4 dùng toàn tiristor. Trước
lúc mồi các tiristor chưa dẫn điện và để có được dòng điện trên tải cần mở đồng
thời tiristor I1 và T2, tương tự sẽ mở
đồng thời tiristor T3 và T4 ở nửa chu kỳ sau.
Phải dùng một mạch mồi đồng thời cho tiristor T1 và T2. Máy biến áp xung có
hai đầu ra cách ly, vì catốt của các tiristor có điện thế khác nhau trong mạch công
suất. Điện áp tải cũng giống như điện áp mô tả ở bộ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ, trị
số trung bình là:



U
1
U

2
U
y
U
x
U
L
α
α
U
max
Điện áp trên của tải so với điểm
trung bình

Điện áp dưới của tải so với
điểm trung bình

Các xung môi trên cực điều
khiển

Điện áp tải
V
tb
θ = ωt
Dòng điện tải

Dòng điện qua các
tirista

Dòng điện

nguồn

V
max
= Đỉnh điện áp thuận
U
x
0
V
max
= Đỉnh điện áp ngược
0
0
0
0
0
0
0
t
t
t
t
t
t
t
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

25
α

π
θθ
π
απ
α
cos
2
sin
1
max
max
U
dUU
tb
==
∫
+
trừ đi hai điện áp rơi trên tiristor.
Phương trình trên không dùng được nếu dòng điện tải là không liên tục








Hình 11-2: Sơ đồ nối đầu ra của mạch điều khiển
2- Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha.

Mạch
mới
Cực điều khiển
đèn tiristor 1
Catốt
Cực điều khiển
đèn tiristor
Catốt
R E L
V
a
T
1
G
1

V
b
T
2
G
2

V
c
T
3
G
3

I
d
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

26
Đối với sơ đồ tia 3 pha: Giá trị trung bình điện áp tải:
U
d
=
α
π
Cos
2
U63

2

dòng trung bình qua van: I
v
= I
d
/3, số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu :
P = 3; công suất máy biến áp: S
ba
= 1,34Pd.
2-Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha :

Ở mạch này người thiết kế sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển được
mắc theo sơ đồ cầu 3 pha đối xứng được biểu diễn ở (hình III-3) bao gồm 6
thyristor được chia thành 2 nhóm.
+ Nhóm anôt chung gồm T
2
, T
4,
T
6
.
+ Nhóm catôt chung gồm T
1
, T
3
, T
5
.

T1 T3 T5
T4 T6 T2
e
a

e
b

e
c


L
R
I
d

I
d

I
T3

I
T2

I
T
1

U
d
θ

α

θ

θ

θ

θ

0

0

0

0

0

THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

27











(Hình II-3)
: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha và dạng điện áp ra trên tải
Nguyên lý làm việc của sơ đồ cầu như sau :

Ở khoảng π/6 ; π/3 các sức điện động e
a
> e
b
> e
c
điện thế tại các điểm U
A
> U
C

>
U
B
.
+ Với nhóm Ktôt chung thì có điện thế dương cao nhất nên khi có xung điều
khiển với sóc mở α thì T
1
sẽ mở ( thông ).Khi T
1
mở thì T
3
và T
5
bị khoá do bị
phân cực ngược.
+ Về nhóm anôt chung T
6
có điện thế âm nhất nên khi có xung điều khiển với
góc mở α => T
6
sẽ mở => T
6
dẫn làm cho T
2
và T
4
khoá vì phân cực ngược.
=> ở khoảng π/6 ÷ π/3 thì T
1
và T

6
dẫn dòng
Nguồn Æ T
1
Æ phụ tải Æ T
6
Æ Nguồn
Ở khoảng 3π/6 ÷ 5π/6 thì các sức điện động Ca > Cb >Cc.
-Với nhóm Ktốt chung T
1
vẫn có thể dương cao nhất nên vẫn dẫn còn T
3
và T
5

bị phân cực ngược nên vẫn bị khoá.
-Với nhóm Anôt chung T
2
có thể Ktôt âm thấp nhất nên khi có xung điều khiển
T
2
sẽ dẫn, T
4
và T
6
do phân cực ngược nên bị khoá lại => dòng điện sẽ dẫn từ
nguồn đến tải qua T
1
và T
2

.
Khoảng 5π/6 ÷ 7π/6 lúc này e
b
> e
a
> e
c

-Với nhóm Ktôt chung T
3
có thể Anôt dương cao nhất nên khi có xung điều
khiển thì T
3
sẽ bị dẫn. Khi T
3
dẫn làm cho T
1
đang dẫn bị khoá lại .
-Với nhóm anốt chung Æ T
2
vẫn có thể Ktôt âm nhất nên vẫn dẫn dòng, còn T
4
và T
6
bị khoá lại do phân cực ngược.
Dòng điện phụ tải được dẫn từ nguồn đến tải qua T
3
và T
2
xét tương tự như

trên trong các khoảng (7π/6 ÷ 9π/6)( 9π/6 ÷ 11π/6)…ta có được bản kết quả toàn
bộ quá trình làm việc của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng như sau :

Khoảng Thyristor
được mở
Các thy dẫn Chiều dòng
điện
Điện áp phụ
tải
e
a

α
π/6
α
α
α
α
α
e
b
e
c
e
a
α
5π/6
9π/6
13π/6
0

U
0
ωt

THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

28
π/6 ÷3π/6
T
1
T
1
và T
6
A Æ tải Æ B e
a
- e
b
3π/6 ÷ 5π/6
T
2
T
1
và T
6
A Æ tải Æ C e
a
- e

c
5π/6 ÷ 7π/6
T
3
T
3
và T
2
B Æ tải Æ C e
b
- e
c
7π/6 ÷ 9π/6
T
4
T
3
và T
4
B Æt ải Æ A e
b
- e
a
9π/6 ÷ 11π/6
T
5
T
5
và T
4

C Æ tải Æ A e
c
- e
a
11π/6 ÷13π/6
T
6
T
6
và T
6
C Æ tải Æ B e
c
- e
b

Giá trị các biểu thức :
Giá trị tức thời điện áp trên phụ tải : U
0
=V
P
-V
N

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu



Hoặc U
0

= U
d1
-U
d2
trong đó
U
d1
= giá trị trung bình của U
d1
do nhóm Ktốt chung tạo nên
U
d2
= giá trị trung bình của U
d2
do nhóm Anốt chung tạo nên
α
π
θθ
π
cos
2
63
.sin2
2
3
22
EdEU
dl
−==

()
α
π
θπθ
π
cos
2
63
.2sin2
2
6
22
EdEU
dl
−=+=

Điện áp ngược đặt nên mỗi thyristor có giá trị cực đại là :
U
ngượcmax
=
√6E
2
= 2,45E
2

+ Xét trường hợp trùng dẫn ta có sơ đồ và dạng điện áp ra trên tải như hình vẽ III

T1 T3 T5
T4 T6 T2
e
a

e
b

e
c

L
R
1

U
o
3 5 1
6

2

4
6
2
ac
ee +

2
cb
ee +

µ
α
ω
t

2π
2
cb
ee +

e
a
e
b
e
c
e
a
Th4 Th1 Th4

αα
π
θθ
π
cos34,2cos
63
.sin2
2
6
2220
EEdEn ===

THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

29









HìnhII-4

+ Chỉnh lưu cầu 3 pha khi có hiện tượng dây dẫn.
+ Dây điện áp ngược đặt lên T
1

.
Trong thời gian xẩy ra hiện tượng trùng dẫn điện áp trên phụ tải bị giảm nên điện
áp chỉnh lưu trung bình nhỏ hơn so với trường hợp cảm kháng nguồn bằng không.
L
ng
= 0
π
ω
γ
0
3 IL
U
ng
=Δ

Điện áp trung bình U’
0
=
γ
α
π
UE Δ−cos
63

Điện áp ngắn mạch U
c
= U
b
-U
a

=
( )
αθ
+sin6
2
E

Dong điện ngắn mạch I
C
=
()()
αθα
+− coscos
2
6
2
C
X
E

4. Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha dùng cuộn kháng cân bằng.

Đối với sơ đồ 6 pha dùng cuộn kháng cân bằng:
- Điện áp chỉnh lưu trên tải:
U
d
=
=
+
2

UU
2d1d
α
π
Cos
2
U63
2

- Dòng điện trung bình qua van I
v
= I
d
/6.
- Số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu P = 6.
- Công suất máy biến áp: P = 1,26Pd.
Nhận xét:
Đối với cả 2 sơ đồ đều có số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu như nhau.
Song công suất máy biến áp dùng với sơ đồ chỉnh lưu cần có công suất nhỏ hơn
máy biến áp dùng với sơ đồ 6 pha.
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

30
- Dòng điện trung bình qua van đối với sơ đồ cầu: I
d
/3 còn đối với sơ đồ 6
pha là I
d
/6. Do đó khi làm việc khả năng quá tải dùng đối với van của sơ đồ 6 pha

là cao hơn. Nên không đảm bảo khi làm việc.
Kết luận: Dùng sơ đồ cầu 3 pha để điều khiển thay đổi giá trị điện áp ra U
d

bằng cách thay đổi điện áp điều khiển U
dk
dùng trong hệ thống truyền động T - Đ
là kinh tế và đảm bảo được độ chính xác, an toàn khi làm việc.
III. MẠCH ĐIỀU KHIỂN MỞ TIRISTOR.

Mạch diều khiển là phần mạch quan trọng nhất của chỉnh lưu điều khiển tại
đó các xung mở van được phát ra theo một trật tự đã định. Quy lưuật hoạt động
của mạch điều khiển được xác định bởi loại chỉnh lưu (đảo chiều, không dảo
chiều,...) và bởi các đặc tính phụ tải.
Thường có 02 phương pháp xung mở Tiristor:
- Phương pháp đồng bộ với lưới.
- Phương pháp không đồng bộ với lưới.
Trong đó phương pháp không đồng bộ thường chỉ được dùng trong mạch
phản hồi kín. Các xung điều khiển có thể được phát tiếng cho từng pha ta được hệ
thống nhiều kênh. Hoặc các xung phát ra bằng cách làm trễ một xung cơ bản duy
nhất ta có hệ thống một kênh.
Trong thực tế truyền động điện hay dùng nh
ất là các hệ thống nhiều kênh
đồng bộ. Trong đó việc đồng bộ được thực hiện nhờ việc đồng bộ hoá điện áp tựa
với điện áp lưới. Điện áp tựa thường có dạng răng cưa quét ngược hoặc hình sin.
1 - Chức năng hệ thống điều khiển.

Chức năng của hệ thống điều khiển là tạo ra các xung đủ để mở các
Tiristor. Muốn vậy các xung phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Các xung phát ra phải có công suất đủ lớn.

- Các xung phát ra phải có đủ độ rộng và hình dáng phù hợp.
- Các xung phải được đưa đến cực điều khiển của các van theo một trình tự
nhất định và các xung phải có độ dốc sờn trước để đảm b
ảo mở thanh chính xác.
Và một đặc điểm hết sức quan trọng là có thể thay đổi được thời điểm đưa xung
đến để mở các Tiristor hay còn gọi là thay đổi góc α.
Trong việc điều khiển thiết bị chỉnh lưu thì việc tạo thời điểm cho xung mở
thyristor là một khâu quan trọng. Thyristor thường được mở theo hai nguyên tắc.
+Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyế
n tính
+Nguyên tắc thẳnh đứng ARCCOS
A-Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng (ARCCOS)

Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp
- Điện áp đồng bộ U
r
vượt trước điện áp A-K của thyristor một góc bằng π/2
(nếu U
AK
= A sin ωt thì U
r
= B cos ωt ).
- Điện áp điều khiển U
C
là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ
theo hai hướng ( dương và âm ).

THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

31











Hình IV – 4
: Đồ thị điện áp theo phương pháp điều khiển ARCCOS
Trên hình IV- 4 ta thấy đường nét đứt là điện áp A-K của thyristor. Từ điện
áp này người ta tạo ra U
r
. Tổng đại số U
r
+ U
C
= 0 ta nhận được một xung ở đầu
ra của khâu so sánh
U
C
+ B cos α = 0

Do đó : α = arc ( )

Khi ta lấy B = U

Cmax
Khi U
C
= 0 thì α = π/2
U
C
= U
Cmax
thì α = π
U
C
= - U
Cmax
thì

α = 0
Như vậy cho đến khi U
C
biến thiên từ - U
Cmax
Æ + U
Cmax

thì α - biến thiên từ 0 đến π.
+ Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS được sử dụng trong các thiết bị
chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao.
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
theo nguyên tắc này người ta dùng 2 điện áp.
+ Điện áp đồng bộ (U
r

có dạng răng cưa ) đồng bộ với điện áp trên A-K của
thyristor
+ Điện áp điều khiển (U
C
là điện áp một chiều ) có thể điều chỉnh biên độ.






B
U
c
−
α
U
r

(U
r
+u
c
)
u
c

ω
t

Ur
U
C

ωt
U
c
αα
U
r

Ur+U
c

U
c

U
r


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

32




Hình IV – 5

: Đồ thị điện áp theo phương thẳng đứng tuyến tính
Dạng đồ thị điện áp đồng bộ U
r
điện áp điều khiển U
C
được trình bày trên
hình IV – 5 như vậy bằng cách thay đổi giá trị của U
C
ta có thể điều chỉnh được
góc α
Khi U
C
= 0 ta có α = 0
Khi Uc < 0 ta có α > 0
Vậy ta có mối quan hệ giữa α và Uc như sau : α = π
Nếu ta lấy U
Cmax
= Ur
max

2 – Các yêu cầu cơ bản của hệ thống điều khiển

Các yêu cầu cơ bản của hệ thống điều khiển các bộ biến đổi phụ thuộc vào
dạng các phần tử, các chế độ hoạt động của chúng và đặc tính của tải. Vì vậy các
yêu cầu chính của một hệ thống điều khiển sẽ là :
A-Yêu cầu về độ lớn xung điều khiển

Mỗi thyristor đều có một đặc tính đầu vào là điện áp cực điều khiển và dòng điện
chạy qua các cực điều khiển.
U

đk
= f(i
đk
) dạng đặc tính được biểu diễn trên hình IV – 7.













Hình IV – 7
: Đặc tính U
đk
= f(i
đk
) của thyristor
Do các sai lệch về các thông số chế tạo và điều kiện làm việc ngay cả các
thyristor cùng loại cũng có đặc tính đầu vào khác nhau. Với mỗi loại thyristor các
đặc tính này dao động giữa hai đặc tính quan hệ a và b ( Hình IV – 7 ) yêu cầu về
độ lớn điện áp và dòng điện điều khiển sẽ là :


I

II
b
a
U
đk
I
đk
Giới hạn trên các đặc tính
Giá tri cực đại U
đk
cho phép
Giá tri cực đại I
đk
cho phép
maxr
C
U
U
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

33
+Giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép của nhà sản xuất.
+Giá trị nhỏ nhất phải đảm bảo mở được thyristor trong mọi điều kiện làm việc
+Tổn hao phảo nhỏ hơm giá trị cho phép
Thường độ lớn của U = 10 ÷ 20 V và I = 20 ÷ 200 mA
B-Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển.

Thời gian mở của thyristor chia thành hai giai đoạn :
+Giai đoạn dòng tăng trưởng chậm ( ký hiệu t

1
) là thời gian cần thiết để làm cho
J
2
chuyển dịch thuận.
(J
2
là tiếp giáp giữa hai lớp bán dẫn P
2
và n
2
của thyristor )
+Giai đoạn dòng tăng trưởng nhanh( ký hiệu là t
2
) hình IV-8

Hình IV – 8
: Đồ thị dòng I
đk
(a) và dòng qua thyristor (b)
Trên đồ thị trên ta nhận thấy độ rộng xung điều khiển phải lớn hơn hoặc bằng
thời gian mở của thyristor t
x
≥ t
m

t
1
t
2
t
m
0,1 i
th
0,9 i
th
t
x
I
đ
i
đ

t

t
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

34
C-Yêu cầu về độ dốc của xung điều khiển
Độ dốc của xung điều khiển càng cao thì việc mở thyristor càng tốt, đặc biệt mà
trong khi mạch có nhiều thyristor nối song song và nối tiếp.
Thông thường độ dốc xung điều khiển là :

sA
d
d
t
idk
μ
/1≥

D-Yêu cầu bảo đảm đối xứng trong các kênh điều khiển

Nếu không đảm bảo sự đối xứng của các xung điều khiển các thyristor của bộ
biến đổi nhiều pha sẽ gây ra sự không cân bằng gái trị trung bình dùng qua
thyristor đó.
E-Yêu cầu về độ tin cậy.

Mạch điều khiển phải đảm bảo độ tin cậy trong mọi hoàn cảnh như khi nhiệt độ
thay đổi, tín hiệu nhiễu tăng …Do vậy :
+ Điện trở ra của kênh điều khiển phải nhỏ để thyristor không tự mở khi có dòng

dò tăng.
+ Xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điều kiện nguồn.
+ Cần khử
được nhiễu cảm ứng ( ở các khâu so sánh, biến áp xung ) để tránh mở
nhầm.
Hệ thống điều khiển phải tác động nhanh và trong nhiều trường hợp phải đạt tới
tốc độ một phầm trăm giây ( 10
-6
s ).
F-Yêu cầu về lắp ráp và vận hành

+ Thiết bị dễ dàng thay thế, dễ lắp ráp và điều chỉnh.
+ Dễ lắp lẫn và mọi khối có khả năng làm việc độc lập
Nguyên tắc này được sử dụng rộng rãi trong thực tế.
3- Sơ đồ khối của mạch điều khiển thyristor.

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển được trình bày trên hình sau







Hình IV- 9
: Sơ đồ khối mạch điều khiển.
+ ĐF : Khối đồng pha là khối tạo ra điện áp đồng bộ với điện áp trên
A-K của thyristor
+ RI & Rω : Khối điều chỉnh Regurlator, việc thay đổi giá trị U
đk

sẽ điều
chỉnh được góc α.
+ SS : Khối so sánh có nhiệm vụ so sánh tín hiệu U
đk
và U
tựa

BA
KĐ
TX
ĐF
SS
RI &Rω
Tạo dao
động
U
ng
U
tự
U
đk
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

35


U
đf
U

ra
U
ss
t

t

0

0

+ TX : Tạo xung điều khiển
+ Dao động : Tạo xung cao tần đưa vào khối TX ( đa hài )
+ KĐ : Khối khuyếch đại xung tạo ra xung có chất lượng theo yêu cầu.
+ BAX : Khối biến áp xung
Xuất phát từ các yêu cầu đối với hệ thống điều khiển ta chọn nguyên tắc(phương
pháp) điều khiển thẳng đứng.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các khâu.

a. Khâu đồng pha.
Tín hiệu tự biến áp đồng pha qua khâu chỉnh lưu nửa chu kỳ (các điốt D
32
,
D
33
) qua phân áp R
43
- R
93
được đưa vào cổng (+) của Q

6
. Cổng (-) của Q
6
nhận
tín hiệu một chiều qua phân áp R
41
và R
11
. Kết quả là từ rạng hình Sin ở đầu vào
thì ở đầu ra của Q
6
nhận được các xung vuông đồng bộ có chu kỳ là 10ms. Điều
chỉnh chiết áp P
11
sao cho phần xung
dương càng hẹp càng tốt.













Hình: Khâu đồng pha.

b. Khâu tạo xung răng cưa.
Q
7
là mạch tính phân. Các đầu vào của nó nhận điện áp + E(+15V) và các
xung đồng bộ xuất phát từ đầu ra của Q
6
. Khi đầu ra của Q
6
còn ở mức cao thì điốt
D
37
ngăn không cho tín hiệu từ Q
6
tác động lên mạch tích phân. Tụ C
19
được nạp
điện từ nguồn +E thông qua điện trở R
45
và chiết áp P
12
. Khi xung âm đồng bộ từ
Q
6
tới thì điốt D
37
cho phép đi qua và tụ C
19
phóng điện qua điện trở R
46

có trị số
nhỏ. Do vậy đầu ra của Q
7
xuất hiện các xung răng cưa có chu kỳ 10ms.




0V

D
32
R
42
R
43
R
44
-15V

Q
6
+

-

P
11
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

36










Điốt D
35
là đi ốt ổn áp (9V),
D
36
có nhiệm vụ ngăn không cho bão hoà, chiết áp P
12
cho phép điều chỉnh độ
rộng xung răng cưa. Điều chỉnh P
12
sao cho T
1
= 6,6ms; T
2
= 3,4ms.
c. Khâu so sánh.
Các răng cưa ở đầu ra của Q
7

được đưa tới đầu vào (-) của Q
8
còn đầu vào
(+) của Q
8
nhận điện áp một chiều U
đk
lấy từ bộ điều chỉnh. Đầu ra của Q
8
là các
xung chữ nhật có đặc tính sườn xuống là cố định còn sườn lên là di động. Nghĩa là
khi thay đổi U
đk
sẽ thay đỏi được độ rộng của xung chữ nhật tức là thay đổi được
góc mở α.

+15V
Q7
D36
R46
D35
D37
P12
R45
C19
U
ra Q7
t

U
Q6
t

0

0


+
-
R
48
R
47
Q
8

U
đk
U
ra
U
ra Q7
t

U
Q6
t

0

0

T
1
T
2
T

U
ra Q8
0
t
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

37

Hình : Khâu so sánh

d. Khâu tạo xung.
Q
9
là mạch dao động tạo xung cao tần có tần số lớn cỡ 5KHZ dùng
transistor T
8
. Khi có xung đồng hồ âm đến thì mở cho xung âm qua và khuyếch
đại nó. Các xung chữ nhật từ Q
8
trộn với xung đồng hồ từ T
8
(xung âm) và kết
hợp với điện áp đồng pha qua điốt D
34
và D
38
để tạo thành các xung mở luân
phiên cặp Transistor T
4
- T
5
và T
6
-T
7
. Các cặp T
4

- T
5
, T
6
- T
7
là các cặp
Transistor ghép Darlington mà tải của nó là (BAX) để khuyếch đại các xung điều
khiển đủ để mở các Tiristor cùng 1 pha. Quá trình điều khiển mở cho 2 cặp
Tiristor còn lại cũng tương tự. Như vậy các xung dương với tần số lớn được đưa
vào để mở T
1
hay T
2
tăng theo cực tính của điện áp nguồn. Khi đó có dòng từ U
cơ
sở
qua sơ cấp biến áp xung và cảm ứng sang thứ cấp tạo ra tín hiệu xung với tần số
cao đưa vào mở Tiristor.

U
ra Q7
t

U
Q6
t

0

0

U
ra Q8
0
t

U
ra
U
ra t8
t


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

38
U
đk
U
Tm
t

α

0

CHƯƠNG III
HỆ TRUYỀN ĐỘNG TỰ ĐỘNG T - Đ
I. MÔ TẢ TOÁN HỌC CÁC PHẦN TỬ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T - Đ:

1.1. Đặt vấn đề:
Để xây dựng và thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động cần có mộ mô hình
mô tả chính xác đến tối đa đối tượng điều chỉnh. Mô hình toán học thu được cần
phải thể hiện được rõ ràng các đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh. Nhằm
tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây d
ựng các thuật toán điều chỉnh hệ thống.
1.2. Mô tả toán học chỉnh lưu điều khiển:
Trong truyền động điện đa số các trường hợp chỉnh lưu được điều khiển
bằng tín hiệu biến thiên chậm. Trong trường hợp này ảnh hưởng của tính chất
xung và tính chất bán điều khiển đến quá trình quá độ là nhỏ và do đó có thể coi
chỉnh l
ưu là mạch điều chỉnh liên tục với sơ đồ thay thế (H3-1)







cosα
Với E
đ
= E

do

E
do
= K
Sd
. U~.
với U
~
: Giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều
Ksd: phụ thuộc sơ đồ mạch chỉnh lưu
Góc α phụ thuộc U
đk
: α = f(U
đk
)






R
b
R
T
I
d
E
d

THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

39




ác định góc α theo giá trị U
đk
.
Ta có:
fi
i
PT1
K
+

Thông thường T = 10
-2
S, đối với lưới điện f = 50HZ.
Vậy E
đ
= E
do
Cos
⎭
⎬
⎫
⎩

⎨
⎧
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
Tm
dk
U
U
1T

Nhưng do tính chất xung và tính chất bán điều khiển của chỉnh lưu nên thời
điểm thay đổi tín hiệu điều khiển không trùng với thời điểm thay đổi góc α. Độ
dài khoảng thời gian trễ này có đặc tính ngẫu nhiên. Theo kinh nghiệm chọn
khoảng thời gian trễ τ = 1/2mf = T
vo
được tính từ góc (α ⇒ T)
- Hệ số chỉnh lưu:
K
CL
=
dk
d
dk

d
U
E
U
E
=
Δ
Δ

Nhưng do có khoảng thời gian trễ τ nên:
K
CL
x e
-Pτ
U
đk
= E
đ
. Vậy hàm truyền của khâu chỉnh lưu.
W
CL
(P) =
9P
CL
dk
d
e.K
)p(U
)p(E
−

=
với τ = T
vo

Khi tần số điện áp xoay chiều đủ lớn có thể dùng biểu gần đúng bởi khai
triển Mc.Laurin.
e
PTvo
=
...TP
!2
1
PTvo1
1
2
vo
2
+++

Và khi này có thể thay thế hàm trễ bằng một khâu quán tính.
Nên: W
CL
(P) =
vo
CL
PT1
K
+

Mặt khác khi điều khiển thì tín hiệu điều khiển cũng có thời gian trễ

nênkhâu quán tính của quá trình điều khiển: (1 + PT
đk
).
Từ đó: W
CL
(P) =
)PT1)(PT1(
K
vodk
CL
++

Đây là biểu thức mô tả khâu chỉnh lưu có điều khiển.

K
CL

(1 + PT
đk
)(1 + PT
vo
)
E
đ
U
đk
T
C

p
đ
c
ủ
THIẾT KẾ H
CHƯƠNG II


1.3.
M
Nếu c
hương trình







Mạc
h
iện tích từ
ủa lõi sắt.
Đây
l
Mạch
Với T

Đây
l

Phươ

Với J = Jđ
Jđ:
M
JM: M
HỆ TRUYỀ
I
Sơ đồ cấu
Mô tả toán
các thông
h mô tả sơ đ
h
i
k
và từ thô
U
k
= I
k
. R
Hay U
k
(P
là phương tì
h phần ứng:
U - E = I
R
Hay U(P)
Tư = Lư/Rư

I (P) =
1(
1
là phương tr
ơng trình chu
M - Mc =
+ JM là mô
Mômen quán
Mô men quá
U
ư
I
ư
ỀN ĐỘNG T
u trúc khâu
học động c
số của độn
đồ thay thế
ông máy Φ
R
k
+ L
k

dT
dI
k
P) = I
k
(P) . R

ình mô tả to

R
ư
+ L
ư

dT
dI
k
) - E(P) = I(
ư là hằng số
−
−
PT1
R/1
+
{U(
rình mô tả t
uyển động
= J
dT
dω

ômen quán
n tính động
án tính máy
E

T-Đ

chỉnh lưu đ
cơ điện mộ
ng cơ là kh
độ cơ điện
Φ là phụ thu
T
k

R
k

⎜
⎜
⎝
⎛
+
R
L
1
k
k
oán học của
T
k

(P) R
ư

⎜
⎜

⎝
⎛
+1
thời gian đ
(p) - E(p)}
toán học dâ
của hệ thốn
tính của cá
cơ.
y sản xuất.
R
k
,L
k
CKD


điều khiển.
ột chiều kíc
hông đổi th
1 chiều như
uộc phi tuyế
⎟
⎟
⎠
⎞
P

a dây quấn k
⎟

⎟
⎠
⎞
P
R
L
−
−

điện từ của m
ây quấn phầ
ng.
ác chuyển độ
U
k
I
k

ch từ độc lậ
hì ta có thể
ư (H 3-4)
kích từ c
ó
ến bởi đườ
kích từ.
mạch phần
ần ứng.
ộng quy về

ập:

ể viết được
ó hai biến d
ờng cong từ
ứng.
trục động
c
c các
dòng
ừ hoá
cơ.
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

41
Hay: M(p) - M
c
(p) = PJ . ω(p)
ω(p) =
JP
)p(Mc)p(M
−

Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc động cơ điện một
chiều kích từ độc lập (H 3-5).

Sơ đồ cấu trúc động cơ điện
Khi Φ = Φđm thì
khối
k
k
PT1
R/1
+
không thay đổi nên sơ đồ cấu trúc có dạng H3-6.








Hình III-6: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều
II. XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG T - Đ:

2.1. Cấu trúc chung của hệ truyền động T - Đ:
Mục tiêu cơ bản của hệ điều chỉnh tự động truyền động điện là phải đảm
bảo giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào tác động
của các đại lượng nhiễu lên hệ điều chỉnh. Hệ thống điều chỉnh tự
động truyền
động T - Đ được xây dựng dựa trên cấu trúc sau: (H3-7)

ω

X
K
X
JP
1

()
u
PT+1
R
1
u
()
K
PT+1
R
1
u

U
U
k
M
c

M

I
I
k
E (-)
φ

(-)
()
u
PT+1
R
1
u
Kφ
đm
JP
1
Kφ
đm
U
E (-)
I
M
c
(-)
M

ω

R
B
M
M
ĐL
TĐH
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

42




Hình III-7: Cấu trúc chung của hệ T-Đ

Trong đó:
M: Động cơ truyền động quay máy sản xuất.
ĐL: Thiết bị đo lường
M
x
: Máy sản xuất
R: Thiết bị điều chỉnh
BĐ: Bộ biến đổi Tiristor.
Khi thiết kế một hệ truyền động tự động cần phải đảm bảo là hệ đó thực
hiện được các yêu cầu đặt ra. Đó là các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu về kinh
tế. Chất lượng của hệ thống được đánh giá cả trong trạng thái động và tĩ
nh.

- Trong trạng thái tĩnh thì yêu cầu quan trọng nhất đối với hệ thống là phải
đảm bảo được độ chính xác điều chỉnh.
- Trong trạng thái động thì phải đảm bảo được các yêu cầu về độ ổn định
và các chỉ tiêu về chất lượng động là: Độ quá điều chỉnh δ
max%
; tốc độ điều chỉnh,
thời gian điều chỉnh Tqđ; số lần dao động.
Ở các hệ điều chỉnh tự động truyền động điện thì cấu trúc của mạch điều
khiển, luật điều khiển và tham số của các bộ điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến
chất lượng của hệ
thống. Do đó khi thiết kế hệ thống ta phải thực hiện các bài toán
tổng hợp để tìm ra cấu trúc hệ điều khiển hợp lý nhất nhằm nâng cao chất lượng
của hệ thống đáp ứng được yêu cầu của hệ thống. Với đối tượng điều chỉnh của hệ
được chọn là động cơ điện 1 chiều thì đại lượng ra chính là mômen (dòng
điện) và
tốc độ. Đây là hai đại lượng độc lập tuyến tính với nhau nên khi điều chỉnh ta
phân thành hai mạch vòng điều chỉnh nối cấp với nhau:
- Mạch vòng điều chỉnh dòng điện có bộ điều chỉnh dòng điện RI.
- Mạch vòng điều chỉnh tốc độ có bộ điều chỉnh tốc độ Rω.
Bộ đi
ều chỉnh này có đặc tính khuếch đại có vùng bão hoà. Điện áp đầu ra
của bộ Rω chính là điện áp đặt dòng điện phần ứng động cơ (U
id
). Giá trị bão hoà
U
idmax
chính là giá trị cực đại của dòng điện phần ứng. Bộ điều chỉnh RI trong
mạch dòng điện có nhiệm vụ duy trì dòng điện phần ứng luôn bằng giá trị (U
id
)

bất kể hệ thống đang làm việc ổn định hay trong quá trình quá độ. Như vậy mạch
vòng dòng điện đã tiến bộ biến đổi thành một nguồn dòng điện được điều khiển
bởi tín hiệu đặt (U
iđ
). Vì dòng điện là đại lượng biến thiên nhanh nên hệ điều
chỉnh RI luôn làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính điều chỉnh.
Như vậy ưu điểm của mạch vòng theo kiểu nối cấp các bộ điều chỉnh là
mỗi giá trị của lượng đặt (U
iđ
) được hạn chế bởi đoạn bão hoà của đặc tính của bộ
điều chỉnh Rω. Và các giá trị hạn chế này có thể được thay đổi hoặc giữ nguyên.
2.2. Tổng hợp hệ thống:

THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

43
2.2.1. Đặt vấn đề:
Trong các hệ điều chỉnh tự động nói chung luôn tồn tại các phần tử có chứa
các hằng số thời gian lớn như hằng số thời gian điện cơ, hằng số thời gian điện từ,
hằng số thời gian của dây quấn kích từ v.v... và một phần chứa các hằng số thời
gian nhỏ như hằng số thời gian c
ủa các xen xơ, hằng số thời gian của mạch điều
khiển Tiristor v.v...
Nên việc tổng hợp các bộ điều chỉnh được thực hiện theo từng mạch vòng
để sao cho bù được các khâu có hằng số thời gian lớn để qua đó giảm được cấp
cho mạch hở nhằm giảm sai lệch điều chỉnh và cải thiện chất lượng điều chỉnh của
hệ thống là một việc rất quan trọng. Trong hệ thống truyền động điện điều chỉnh
thường sử dụng các phương pháp hàm chuẩn tối ưu để tổng hợp thông số các bộ
điều chỉnh cho các mạch vòng.

2.2.2. Các phương pháp tổng hợp dùng hàm chuẩn tối ưu
:
a. Phương pháp tổng hợp dùng hàm tối ưu môđul.
Hàm chuẩn tối ưu môđun có dạng:
P
MC
(P) =
22
P62P621
1
τ+τ+
(3-1)
Xét hệ hữu sai có hàm truyền
S
o
(p) =
)PT1)(PT1(
K
21
1
++
Với T
2
> T
1
(3-2)

CẤU TRÚC HỆ THỐNG
Hàm truyền của khâu điều chỉnh R(p) được xác định theo biểu thức sau:
R (p) = (3-3)
Với F
MC
(p) là hàm chuẩn tối ưu môđul có dạng trên (3-1)
R(p) =
)p621(P62).p(S
1
]
P621P621
1
1[)p(S
P621P621
1
o
22
o
22
τ+τ
=
τ++τ+
−
τ++τ+

Chọn τ6 = min {T
1
; T
2

} = T
1
và thay S
o
(p) (3-2) vào ta có:
R(p) =
PTK2
PT1
11
2
+
(3-4)
Với hàm truyền R(p) thì sẽ bù được khoảng thời gian lớn T2.
R(
p)
S
O
(p)
(-)
X
Xđ
)]p(F1[)p(S
)p(F
MCo
MC
−
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

44

Nhân cả từ và mẫu số của biểu thức (2-4) với T
2
ta có:
R =
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=
+
PT
1
1K
PT
1PT
.
KT2
T
R
R
2
2
11
2

Với K

R
=
11
2
KT2
T
; T
R
= T
2

Dùng mạch sau để thực hiện hàm truyền khâu R(p) (3-5)
Với K
R
= R
2
/R
1
là hệ số khuếch đại
T
R
= R
2
C
2
: hằng số thời gian

Tuy nhiên bộ điều
chỉnh PI có cấu trúc như trên vẫn
có nhược điểm trong việc điều
chỉnh độc lập 2 tham số K
R
và T
R
.
Để khắc phục nhược điểm trên ta dùng bộ PI có cấu trúc như sau:









Với U
1
w: Tín hiệu đặt
U
1
: Tín hiệu phản hồi.
U
2
: Tín hiệu điều khiển
Kết quả ta được: T

R
= R
2
C
2

K
R
= R
2
/R
1
α
Như vậy ta có thể chỉnh định được hằng số thời gian T
R
bằng cách thay đổi
R
2
. Sau đó chỉnh định hệ số khuếch đại bằng việc chỉnh định giá trị α trên chiết áp
R
3
.
Việc chỉnh định K
R
không ảnh hưởng đến T
R
, đồng thời với việc chỉnh α ta
có thể thay đổi K
R
rất rộng.

U
2
R
1
R
1
R
2
C
2
U
w1
U
1
+

_

R
R
R C
U
U
U
(
(

R
U
1

ω

U
1
R
1
R
1
C
2
R
2
U
2
R
3
α
_
+
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

45
R
2
/R
1
≤ K
R
< ∝

1: Phần tỷ lệ (p)

PT
1
2
: Phần tích phân (I)
Như vậy khâu điều chỉnh R(p) là một khâu tỷ lệ tích phân (PI) khi đó hàm
truyền hệ hở:
F
o
(p) = R(p) . S
o
(p) =
)PT1)(PT1(
K
x
PTK2
PT1
21
1
11
2
++
+
(3-6)
=
)PT1(PT2
1
11
+

Hàm truyền hệ kín là:
F(p) =
)221(
1
)(1
)(
22
11
PTPT
x
pF
pF
o
o
++
+
(3-7)

Hình III-10: Đặc tính quá độ của hệ thống

Độ quá điều chỉnh 4,3%
Quá trình quá độ điều chỉnh T
qđ
= 8,4 T
1
- Do hằng số T
1
nhỏ nên có thể coi F(p) ≈
PT21
1
1
+
và khi đó quá trình quá
độ ứng với hàm quán tính F9p) gần đúng là đường nét đứt trên đặc tính H3-10.
Nếu hệ có S
o
(p) =
∏
+
=
n
1s
s
)PT1(P
K
(3-8)

X(t)
X=1(t)
4,3
o
/
o
o
o
2±
0

2T
1
4,7T
1
8,4T
1
(t)

1

0,63