LUẬN VĂN THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T - Đ

THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

CHƯƠNG II.
BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU TIRISTOR
Các bộ biến đổi điện áp và dòng điện
Trong các ngành cơng 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 sẵn 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 hệ 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 điều 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 được 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 (dịng điện) ra

là 1 chiều là các thiết bị biến nguồn điện xoay chiều 3 pha thành điện áp 1 chiều
điều khiển 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 cịn gọi là chỉnh
lưu nửa sóng; chỉnh lưu hai nửa chu kỳ cịn gọi là chỉnh lưu tồn sóng
- Theo kiểu van sử dụng có: Chỉnh lưu khơng 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.

22


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

-

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 cơng 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

UT1

I1

Ig1
T1

I3

Ig3
T3

U1
U2

N

U

Tải

UL

U

Ig4
I4

Ig32

T4

T2
I2

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

23

Tải điện
cảm


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

U1

U2

Umax

UL

Điện áp trên của tải so với điểm
trung bình
Điện áp dưới của tải so với
điểm trung bình

t

0

α

α

0
0

Các xung mơi trên cực điều
khiển

t
Ux

Uy

Điện áp tải
Vtb
t

0

θ = ωt

t

Dòng điện tải

t

Dòng điện qua các
tirista

0
0
0
Dòng điện
nguồn

t
0

Vmax = Đỉnh điện áp thuận
t

Ux

Vmax = Đỉnh điện áp ngược

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 tồn tiristor. Trước
lúc mồi các tiristor chưa dẫn điện và để có được dịng 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:

24


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

U tb =

1
π

π +α

∫U
α

max

sin θdθ =

2U max
cos α trừ đi hai điện áp rơi trên tiristor.
π

Phương trình trên khơng dùng được nếu dịng điện tải là không liên tục

Cực điều khiển
đèn tiristor 1

Mạch
mới

Catốt
Cực điều khiển
đèn tiristor
Catốt

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

Va

T1 G1

Vb

T2 G2

Vc

T3 G3
Id

R

25

E

L


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

α
Ud

θ

0

Id
θ

Id

0
0

IT

θ

1

IT2

θ

0 IT3

θ

0
Đối với sơ đồ tia 3 pha: Giá trị trung bình điện áp tải:
Ud =

3 6 U2
Cosα
2π

dịng trung bình qua van: Iv = Id/3, số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu :
P = 3; công suất máy biến áp: Sba = 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 anơt chung gồm T2, T4, T6.
+ Nhóm catơt chung gồm T1, T3, T5.
T1 T3 T5
ea
eb
ec

L
R
T4

26

T6

T2


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II
α

U0

0

ea

π/6

α

eb

5π/6

α

α

α

ec

ea

13π/6

9π/6

ωt

α

α

(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 ea > eb > ec điện thế tại các điểm UA > UC >
UB.
+ Với nhóm Ktơt chung thì có điện thế dương cao nhất nên khi có xung điều
khiển với sóc mở α thì T1 sẽ mở ( thơng ).Khi T1 mở thì T3 và T5 bị khố do bị
phân cực ngược.
+ Về nhóm anơt chung T6 có điện thế âm nhất nên khi có xung điều khiển với
góc mở α => T6 sẽ mở => T6 dẫn làm cho T2 và T4 khố vì phân cực ngược.
=> ở khoảng π/6 ÷ π/3 thì T1 và T6 dẫn dịng
Nguồn T1 phụ tải T6 Nguồn
Ở khoảng 3π/6 ÷ 5π/6 thì các sức điện động Ca > Cb >Cc.
-Với nhóm Ktốt chung T1 vẫn có thể dương cao nhất nên vẫn dẫn còn T3 và T5
bị phân cực ngược nên vẫn bị khố.
-Với nhóm Anơt chung T2 có thể Ktơt âm thấp nhất nên khi có xung điều khiển
T2 sẽ dẫn, T4 và T6 do phân cực ngược nên bị khố lại => dịng điện sẽ dẫn từ
nguồn đến tải qua T1 và T2.
Khoảng 5π/6 ÷ 7π/6 lúc này eb > ea > ec
-Với nhóm Ktơt chung T3 có thể Anơt dương cao nhất nên khi có xung điều
khiển thì T3 sẽ bị dẫn. Khi T3 dẫn làm cho T1 đang dẫn bị khố lại .
-Với nhóm anốt chung
T2 vẫn có thể Ktơt âm nhất nên vẫn dẫn dịng, cịn T4
và T6 bị khố lại do phân cực ngược.
Dịng điện phụ tải được dẫn từ nguồn đến tải qua T3 và T2 xét tương tự như
trên trong các khoảng (7π/6 ÷ 9π/6)( 9π/6 ÷ 11π/6)…ta có được bản kết quả tồn
bộ q trình làm việc của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng như sau :
Khoảng

Thyristor
được mở

Các thy dẫn

27

Chiều dòng
điện

Điện áp phụ
tải


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

π/6 ÷3π/6

T1

T1 và T6

A

tải

B

ea - eb

3π/6 ÷ 5π/6

T2

T1 và T6

A

tải

C

e a - ec

5π/6 ÷ 7π/6

T3

T3 và T2

B

tải

C

e b - ec

7π/6 ÷ 9π/6

T4

T3 và T4

B

t ải

A

e b - ea

9π/6 ÷ 11π/6

T5

T5 và T4

C

tải

A

e c - ea

11π/6 ÷13π/6

T6

T6 và T6

C

tải

B

e c - eb

Giá trị các biểu thức :
Giá trị tức thời điện áp trên phụ tải : U0=VP -VN
Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu

n0 =

6
2π

2 E 2 sin θ .dθ =

3 6

π

E 2 cos α = 2,34 E 2 cos α

Hoặc U0 = Ud1-Ud2 trong đó
Ud1 = giá trị trung bình của Ud1 do nhóm Ktốt chung tạo nên
Ud2 = giá trị trung bình của Ud2 do nhóm Anốt chung tạo nên

U dl =

3
2π

2 E 2 sin θ .dθ = −

3 6
E 2 cos α
2π

6
3 6
2 E 2 sin (θ + 2π ).dθ = −
E 2 cos α
2π
2π
Điện áp ngược đặt nên mỗi thyristor có giá trị cực đại là :
Ungượcmax = √6E2 = 2,45E2
+ Xét trường hợp trùng dẫn ta có sơ đồ và dạng điện áp ra trên tải như hình vẽ III
U dl =

T1

T3

T5

ea
eb
ec

L
R

α µ

ea

e
T4b

1

Uo

3

T6

ec
T2

ea

5

eb + e c
2

eb + e c
2

1

ωt
2π

6

28
2

4

6

ec + e a
2


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

HìnhII-4
+ Chỉnh lưu cầu 3 pha khi có hiện tượng dây dẫn.
+ Dây điện áp ngược đặt lên T1.
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.
Lng = 0

ΔU γ =

3ωLng I 0

π

Điện áp trung bình U’0 =

3 6

π

E cos α − Δ U γ

Điện áp ngắn mạch Uc = Ub-Ua =
Dong điện ngắn mạch IC =

6 E 2 sin (θ + α )

6E2
(cos α − cos (θ + α ))
2XC

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:
Ud =

U d1 + U d 2 3 6 U 2
=
Cosα

2
2π

- Dòng điện trung bình qua van Iv = Id/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 cơng suất nhỏ hơn
máy biến áp dùng với sơ đồ 6 pha.

29


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

- Dòng điện trung bình qua van đối với sơ đồ cầu: Id/3 cịn đối với sơ đồ 6
pha là Id/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 Ud
bằng cách thay đổi điện áp điều khiển Udk dùng trong hệ thống truyền động T - Đ
là kinh tế và đảm bảo được độ chính xác, an tồn 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, khơng 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 khơng 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 nhất 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 cơng 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 bảo 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 cịn 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 tuyến 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 Ur vượt trước điện áp A-K của thyristor một góc bằng π/2
(nếu UAK = A sin ωt thì Ur = B cos ωt ).
- Điện áp điều khiển UC là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ
theo hai hướng ( dương và âm ).

30

THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

Ur
UC
Ur
ωt
uc
α
(Ur+uc)
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 Ur. Tổng đại số Ur + UC = 0 ta nhận được một xung ở đầu
ra của khâu so sánh
UC + B cos α = 0
Do đó : α = arc ( −

Uc
B

)

Khi ta lấy B = UCmax
Khi UC = 0
thì α = π/2
UC = UCmax
thì α = π
UC = - UCmax
thì α = 0

Như vậy cho đến khi UC biến thiên từ - UCmax + UCmax
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 (Ur có dạng răng cưa ) đồng bộ với điện áp trên A-K của
thyristor
+ Điện áp điều khiển (UC là điện áp một chiều ) có thể điều chỉnh biên độ.
Uc
Ur
Ur
Ur+Uc

Uc
α

31α

ωt


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

Hình IV – 5 : Đồ thị điện áp theo phương thẳng đứng tuyến tính
Dạng đồ thị điện áp đồng bộ Ur điện áp điều khiển UC được trình bày trên
hình IV – 5 như vậy bằng cách thay đổi giá trị của UC ta có thể điều chỉnh được
góc α

Khi UC = 0 ta có α = 0
Khi Uc < 0 ta có α > 0
U C
Vậy ta có mối quan hệ giữa α và Uc như sau : α = π U
r max

Nếu ta lấy UCmax = Urmax
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.
Uđk = f(iđk) dạng đặc tính được biểu diễn trên hình IV – 7.

Uđk

Giới hạn trên các đặc tính
Giá tri cực đại Uđk cho phép

a

Giá tri cực đại Iđk cho phép

I

II

Iđk

b

Hình IV – 7 : Đặc tính Uđk = f(iđk) 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 :

32


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

+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 t1 ) là thời gian cần thiết để làm cho
J2 chuyển dịch thuận.
(J2 là tiếp giáp giữa hai lớp bán dẫn P2 và n2 của thyristor )
+Giai đoạn dòng tăng trưởng nhanh( ký hiệu là t2 ) hình IV-8

iđ

Iđ
t

tx
0,9 ith

0,1 ith

t
t1

t2
tm

Hình IV – 8 : Đồ thị dòng Iđk (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 tx ≥ tm

33


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

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 :

d idk
≥ 1A / μs
dt
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-u cầu về độ tin cậy.
Mạch điều khiển phải đảm bảo độ tin cậy trong mọi hồn 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 dịng
dị 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
Utự

Ung
ĐF

SS

TX

KĐ

BA

Uđk
RI &Rω

+ ĐF
+ RI & Rω
+ SS

Tạo dao
động

Hình IV- 9: Sơ đồ khối mạch điều khiển.
: Khối đồng pha là khối tạo ra điện áp đồng bộ với điện áp trên
A-K của thyristor
: Khối điều chỉnh Regurlator, việc thay đổi giá trị Uđk sẽ điều
chỉnh được góc α.
: Khối so sánh có nhiệm vụ so sánh tín hiệu Uđk và Utựa

34


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

+ 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 D32,
D33) qua phân áp R43 - R93 được đưa vào cổng (+) của Q6. Cổng (-) của Q6 nhận
tín hiệu một chiều qua phân áp R41 và R11. Kết quả là từ rạng hình Sin ở đầu vào
thì ở đầu ra của Q6 nhận được các xung vuông đồng bộ có chu kỳ là 10ms. Điều
chỉnh chiết áp P11 sao cho phần xung
-15V
dương càng hẹp càng tốt.
R44
D32

R42
+
Q6

0V

-

R43

Uđf

P11

t
0

Uss

Ura
t
0

Hình: Khâu đồng pha.
b. Khâu tạo xung răng cưa.
Q7 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 Q6. Khi đầu ra của Q6 còn ở mức cao thì điốt
D37 ngăn khơng cho tín hiệu từ Q6 tác động lên mạch tích phân. Tụ C19 được nạp
điện từ nguồn +E thông qua điện trở R45 và chiết áp P12. Khi xung âm đồng bộ từ
Q6 tới thì điốt D37 cho phép đi qua và tụ C19 phóng điện qua điện trở R46 có trị số
nhỏ. Do vậy đầu ra của Q7 xuất hiện các xung răng cưa có chu kỳ 10ms.

35


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

+15V

D35

D36

P12
R46

UQ6

R45

D37

C19

Q7

t
0

Ura Q7

t
0
Điốt D35 là đi ốt ổn áp (9V),
D36 có nhiệm vụ ngăn khơng cho bão hoà, chiết áp P12 cho phép điều chỉnh độ
rộng xung răng cưa. Điều chỉnh P12 sao cho T1 = 6,6ms; T2 = 3,4ms.
c. Khâu so sánh.
Các răng cưa ở đầu ra của Q7 được đưa tới đầu vào (-) của Q8 còn đầu vào
(+) của Q8 nhận điện áp một chiều Uđk lấy từ bộ điều chỉnh. Đầu ra của Q8 là các
xung chữ nhật có đặc tính sườn xuống là cố định còn sườn lên là di động. Nghĩa là
khi thay đổi Uđk sẽ thay đỏi được độ rộng của xung chữ nhật tức là thay đổi được
góc mở α.
R

47

-

UQ6

R48
Uđk

t
0

Ura Q7

t
0
Ura Q8
t
0
T2

T1
T

36

+

Q8

U ra


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

Hình : Khâu so sánh
d. Khâu tạo xung.
Q9 là mạch dao động tạo xung cao tần có tần số lớn cỡ 5KHZ dùng
transistor T8. Khi có xung đồng hồ âm đến thì mở cho xung âm qua và khuyếch
đại nó. Các xung chữ nhật từ Q8 trộn với xung đồng hồ từ T8 (xung âm) và kết
hợp với điện áp đồng pha qua điốt D34 và D38 để tạo thành các xung mở luân
phiên cặp Transistor T4 - T5 và T6 -T7. Các cặp T4 - T5, T6 - T7 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. Q trình điều khiển mở cho 2 cặp
Tiristor cịn lại cũng tương tự. Như vậy các xung dương với tần số lớn được đưa
vào để mở T1 hay T2 tăng theo cực tính của điện áp nguồn. Khi đó có dịng từ Ucơ
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.

UQ6
t
0

Ura Q7

t
0
Ura Q8
t

0

Ura t8

Ura

37

t


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

CHƯƠNG III
HỆ TRUYỀN ĐỘNG TỰ ĐỘNG T - Đ
I. MƠ TẢ TỐN 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 mơ hình
mơ tả chính xác đến tối đa đối tượng điều chỉnh. Mơ hình tốn 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 dựng các thuật tốn điều chỉnh hệ thống.
1.2. Mơ tả tốn 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 q trình q độ là nhỏ và do đó có thể coi
chỉnh lưu là mạch điều chỉnh liên tục với sơ đồ thay thế (H3-1)
Rb

RT

Ed
Id

Với Eđ = Edo
Edo = KSd. U~.
với U~: Giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều
Ksd: phụ thuộc sơ đồ mạch chỉnh lưu
Góc α phụ thuộc Uđk: α = f(Uđk)

cosα

UTm

Uđk

0

38
t

α


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

ác định góc α theo giá trị Uđk.
Ta có:

Ki

1 + PTfi

Thơng thường T = 10-2S, đối với lưới điện f = 50HZ.

⎧ ⎛

⎞⎫

U

Vậy Eđ = EdoCos ⎨T ⎜ 1 − dk ⎟⎬
⎜ U ⎟

⎩ ⎝

Tm

⎠⎭

Nhưng do tính chất xung và tính chất bán điều khiển của chỉnh lưu nên thời
điểm thay đổi tín hiệu điều khiển khơng 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 = Tvo được tính từ góc (α ⇒ T)
- Hệ số chỉnh lưu:
KCL =

ΔE d E d
=
ΔU dk U dk

Nhưng do có khoảng thời gian trễ τ nên:
KCL x e-Pτ Uđk = Eđ. Vậy hàm truyền của khâu chỉnh lưu.
WCL(P) =

E d (p)
= K CL . e − P 9 với τ = Tvo
U dk (p)

Khi tần số điện áp xoay chiều đủ lớn có thể dùng biểu gần đúng bởi khai
triển Mc.Laurin.
ePTvo =

1
1
2
1 + PTvo + P 2 Tvo + ...
2!

Và khi này có thể thay thế hàm trễ bằng một khâu quán tính.
Nên: WCL(P) =

K CL
1 + PTvo

Mặt khác khi điều khiển thì tín hiệu điều khiển cũng có thời gian trễ
nênkhâu qn tính của q trình điều khiển: (1 + PTđk).
Từ đó: WCL(P) =

K CL
(1 + PTdk )(1 + PTvo )

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

KCL
(1 + PTđk)(1 + PTvo)

39

Eđ


THIẾT KẾ H TRUYỀ ĐỘNG T
T
HỆ
ỀN
T-Đ
CHƯƠNG II
C
I

Sơ đồ cấu trúc khâu chỉnh lưu điều khiển.
u
đ
M
cơ
ột
ch
ập:
1.3. Mơ tả tốn học động c điện mộ chiều kíc từ độc lậ

Nếu các thơng số của độn cơ là kh
c
ng
hơng đổi th ta có thể viết được các
hì
ể
c
phương trình mơ tả sơ đ thay thế độ cơ điện 1 chiều như (H 3-4)
h
đồ
ư
Iư

Ik

Uư

Uk

Rk ,Lk

E

CKD

h
ó
dịng
Mạch
kích từ có hai biến d

điện tích từ ik và từ thô máy Φ là phụ thu phi tuyế bởi đườ cong từ hố
ơng
uộc
ến
ờng
ừ
ủa
củ lõi sắt.
Uk = Ik . Rk + Lk

dI k
dT
T
⎛

Hay Uk(P = Ik(P) . Rk ⎜ 1 +
P)
⎜

⎝

Lk ⎞
P⎟
Rk ⎟
⎠

Đây là phương tì mơ tả to học của dây quấn k từ.
l
ình
ốn

a
kích
Mạch phần ứng:
h
U - E = IRư + Lư
R

dI k
dT
T
⎛

Hay U(P) - E(P) = I( Rư ⎜ 1 +
)
(P)
⎜

⎝

L− ⎞
P⎟
R− ⎟
⎠

Với T = Lư/Rư là hằng số thời gian đ từ của m
Tư
ư
điện
mạch phần ứng.
I (P) =

1/ R−
{U( - E(p)}
(p)
(1 + PT−

l
rình mơ tả t
tốn học dâ quấn phầ ứng.
ây
ần
Đây là phương tr
Phươ trình chu
ơng
uyển động của hệ thốn
ng.
M - Mc = J

dω
dT

ơmen qn tính của cá chuyển độ quy về trục động c
ác
ộng
cơ.
Với J = Jđ + JM là mơ
Mơmen qn tính động cơ.
n
Jđ: M
JM: M men q tính máy sản xuất.

Mơ
án
y


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

Hay: M(p) - Mc(p) = PJ . ω(p)
ω(p) =

M(p) − Mc(p)
JP

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).
X

E (-)
U

1
R u
(1 + PT

M

I
u

)

X

(-)

1
JP

ω

K
1
Ru
(1 + PTK )

Uk

Mc

φ

Ik

Sơ đồ cấu trúc động cơ điện

Khi Φ = Φđm thì
khối

1/ Rk

khơng thay đổi nên sơ đồ cấu trúc có dạng H3-6.
1 + PTk
Kφđm

U

1
R u
(1 + PT

E (-)

I
u

Kφđm

)

1
JP

M

ω

Mc (-)
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)
TĐH

B

R

41

ĐL

M

M


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

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
Mx: 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 u cầu về cơng nghệ, các chỉ tiêu về kinh
tế. Chất lượng của hệ thống được đánh giá cả trong trạng thái động và tĩnh.
- 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 δmax%; 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 tốn
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 mơmen (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 vịng điều chỉnh dịng điện có bộ điều chỉnh dịng điện RI.
- Mạch vịng điều chỉnh tốc độ có bộ điều chỉnh tốc độ Rω.
Bộ điều chỉnh này có đặc tính khuếch đại có vùng bão hồ. Điện áp đầu ra
của bộ Rω chính là điện áp đặt dịng điện phần ứng động cơ (Uid). Giá trị bão hoà
Uidmax chính là giá trị cực đại của dịng điện phần ứng. Bộ điều chỉnh RI trong
mạch dịng điện có nhiệm vụ duy trì dịng điện phần ứng ln bằng giá trị (Uid)
bất kể hệ thống đang làm việc ổn định hay trong q trình q độ. Như vậy mạch
vịng dịng điện đã tiến bộ biến đổi thành một nguồn dòng điện được điều khiển
bởi tín hiệu đặt (Uiđ). Vì dịng điện là đại lượng biến thiên nhanh nên hệ điều
chỉnh RI ln làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính điều chỉnh.
Như vậy ưu điểm của mạch vịng theo kiểu nối cấp các bộ điều chỉnh là
mỗi giá trị của lượng đặt (Uiđ) được hạn chế bởi đoạn bão hồ 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:

42


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

2.2.1. Đặt vấn đề:
Trong các hệ điều chỉnh tự động nói chung ln 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 của 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 mơđul.
Hàm chuẩn tối ưu mơđun có dạng:
PMC(P) =

1
1 + 2τ6 P + 2τ6 2 P 2

(3-1)

Xét hệ hữu sai có hàm truyền
So(p) =

K1
(1 + T1 P )(1 + T2 P )

Xđ

Với T2 > T1

(3-2)

X

SO(p)

R(p)
(-)

CẤU TRÚC HỆ THỐNG
Hàm truyền của khâu điều chỉnh R(p) được xác định theo biểu thức sau:
R (p) =

FMC (p )
S o (p ) [1 − FMC (p )]

(3-3)

Với FMC(p) là hàm chuẩn tối ưu mơđul có dạng trên (3-1)

1
1

1 + 2 τ6 P + 1 + 2τ6 2 P 2
=
R(p) =
1
S (p). 2 τ6 P (1 + 2 τ6p )
S o (p)[1 −
] o
2 2
1 + 2τ6 P + 1 + 2 τ6 P
Chọn τ6 = min {T1; T2} = T1 và thay So(p) (3-2) vào ta có:
R(p) =

1 + T2 P
2 K 1 T1 P

(3-4)

Với hàm truyền R(p) thì sẽ bù được khoảng thời gian lớn T2.

43


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

Nhân cả từ và mẫu số của biểu thức (2-4) với T2 ta có:
R=

⎛
T2 T2 P + 1

1 ⎞
.
= K R ⎜1+
⎜ T P⎟
⎟
2 T1 K 1 T2 P
⎝
R ⎠

Với KR =

T2
;
2T1 K 1

TR = T 2

Dùng mạch sau để thực hiện hàm truyền khâu R(p) (3-5)
Với KR = R2/R1 là hệ số khuếch đại
TR = R2C2: hằng số thời gian
C2

R2

Uw1

R1

_

R1

U2

+

U1

Tuy nhiên bộ điều
chỉnh PI
có cấu trúc như trên vẫn
có nhược
điểm trong việc điều
chỉnh độc lập 2 tham số KR và TR.
Để khắc phục nhược điểm trên ta dùng bộ PI có cấu trúc như sau:
R2 C2
R C
U1ω
U1

U
U

R1
R
R1
R

_
(

+
(

U
U2
α

R3
R

Với U1w: Tín hiệu đặt
U1: Tín hiệu phản hồi.
U2: Tín hiệu điều khiển
Kết quả ta được:
TR = R2 C2
KR = R2/R1 α
Như vậy ta có thể chỉnh định được hằng số thời gian TR bằng cách thay đổi
R2. Sau đó chỉnh định hệ số khuếch đại bằng việc chỉnh định giá trị α trên chiết áp
R3.
Việc chỉnh định KR không ảnh hưởng đến TR, đồng thời với việc chỉnh α ta
có thể thay đổi KR rất rộng.

44


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

R2/R1 ≤ KR < ∝
1: Phần tỷ lệ (p)

1
: Phần tích phân (I)
T2 P
Như vậy khâu điều chỉnh R(p) là một khâu tỷ lệ tích phân (PI) khi đó hàm
truyền hệ hở:

K1
1 + T2 P
x
2 K 1 T1 P (1 + T1 P )(1 + T2 P )

Fo(p) = R(p) . So(p) =
=

(3-6)

1
2 T1 P (1 + T1 P )

Hàm truyền hệ kín là:
F(p) =

Fo ( p)
1
x
1 + Fo ( p) (1 + 2 T1 P + 2T12 P 2 )

(3-7)

X(t)
4,3o/o

± 2o

X=1(t)

1

o

0,63

0

(t)
2T1

8,4T1

4,7T1

Hình III-10: Đặc tính quá độ của hệ thống
Độ quá điều chỉnh 4,3%
Quá trình quá độ điều chỉnh Tqđ = 8,4 T1
- Do hằng số T1 nhỏ nên có thể coi F(p) ≈

1
và khi đó q trình q
1 + 2T1 P

độ ứng với hàm quán tính F9p) gần đúng là đường nét đứt trên đặc tính H3-10.
Nếu hệ có So(p) =

K
n

P ∏ (1 + Ts P )
s =1

45

(3-8)


THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHƯƠNG II

Thì theo tiêu chuẩn tối ưu môđul sẽ tổng hợp được bộ điều chỉnh R(p) có
dạng là khâu tỷ lệ:

1
2KT' s

R(p) =

(3-9)

n

Trong đó: T’s = ∑ Ts
s =1

Hàm chuẩn tối ưu đối xứng có dạng:
FĐX(p) =

1+ 4 6P
1 + 4 τ 6 P + 8τ 2 6 P 2 + 8τ 3 6 P 3

(3-10)

Xét hệ thống So(p) có dạng vơ sai cấp 1.
K1
PT1 (1 + Ts P )

So(p) =

(3-11)

Trong đó:

Ts là tổng của các thời gian nhỏ
T1 là hằng số thời gian lớn
Dùng hàm chuẩn tối ưu đối xứng để tổng hợp hệ thống nhằm bù được
khoảng thời gian lớn T1 để đáp ứng được yêu cầu về điều khiển của hệ thống.
Hàm truyền của khâu điều chỉnh T(p) được xác định theo biểu thức:
R(p) =

F§X (p )
S o (p ) [1 − F§X (p )]

(3-12)

Thay FĐX(p) từ biểu thứcd (3-10) vào ta có:

1
1 + 4 τ6 P
1 + 4 τ6 P + 8τ 6 P 2 + 8τ3 6 P 3
=
R(p) =
1
S o (p).8τ 2 6 P 2 (1 + τ6 P )
S o (p) [1 −
]
1 + 4τ6 P + 8τ 2 6 P 2 + 8τ 3 6 P 3
2

Chọn τ6 = min {T1; Ts} = Ts và thay So(p) từ biểu thức (3-11) vào ta có:
R(p) =
=

1 + 4 Ts P
T1 (1 + 4 Ts P )
T
= 1 x
2
3Ts P
K 1 8 Ts P
2K 1 Ts
T1

1
x (1 +
)
2 K 1 Ts
4 Ts P

(3-13)

Từ biểu thức (3-13) ta có T(p) ta có T(p) là khâu tỉ lệ tích phân PI
với K2 =

T1
2 K 1 Ts

4Ts = TR .

⎛

R(p) = KR ⎜ 1 +
⎜

⎝

1 ⎞
⎟
TR P ⎟
⎠

(3-14)

46