phân tích một số hệ truyền động điện một chiều ứng dụng trong công nghiệp đi sâu nghiên cứu xác định vùng điều chỉnh hệ số p,i,d của các bộ điều khiển

Lời mở đầu
Trong xu thế hội nhập hiện nay, đất n-ớc ta ngày càng tiếp nhận và học
hỏi nhiều công nghệ mới từ các quốc gia trên thế giới. Ngành công nghiệp nặng
nói chung hay ngành điện công nghiệp nói riêng cũng đ-ợc thừa kế những thành
tựu khoa học mà thế giới đem lại, không những vậy nó không ngừng phát triển
và ngày càng hiện đại, tiên tiến hơn. Trên thực tế, chúng ta gặp rất nhiều những
dây truyền, những công nghệ với kĩ thuật cao để phục vụ cho s¶n xuÊt cho con
ng-êi. Mentor II - bé chØnh l-u điều khiển số có rất nhiều tính năng -u việt đÃ
đ-ợc đ-a vào ứng dụng trong thực tế từ rất lâu. Nó không chỉ có mặt trên khắp
thế giới mà ở Việt Nam cũng đà đ-ợc ứng dụng trong các hệ truyền động điện
một chiều.
Đ-ợc sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Tiến sĩ Hoàng Xuân Bình và các
thầy cô giáo trong khoa, em đà nhận đ-ợc đề tài : phân tích một số hệ truyền
động điện một chiều ứng dụng trong công nghiệp. Đi sâu nghiên cứu xác
định vùng điều chỉnh hệ số P,I,D của các bộ điều khiển. Đồ án này bao gồm
3 ch-ơng :
Ch-ơng 1 : Tổng quan về các dạng hệ truyền động điện một chiều
Ch-ơng 2 : Bộ chỉnh l-u điều khiển số Mentor II - M75
Ch-ơng 3 : Ph-ơng pháp xác định các hệ số P,I,D của các bộ điều
khiển
Do tầm hiểu biết còn hạn chế về kinh nghịêm, đồ án của em chắc chắn
không tránh khỏi thiếu xót . Em rất mong nhận đ-ợc các ý kiến góp ý của các
thầy cô giáo và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn !

1


Ch-ơng 1
TổNG QUAN Về CáC DạNG Hệ TRUYềN động điện
một chiều

1.1. Hệ truyền động máy phát - động cơ một chiều (F D)[1]
1.1.1. Khái niệm
Hệ F D là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi là máy phát một chiều kích từ
độc lập. Máy phát này do động cơ sơ cấp không đồng bộ 3 pha điều khiển quay
và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi.
Tính chất của máy phát đ-ợc xác định bởi hai đặc tính :
Đặc tính từ hoá: là sự phụ thuộc giữa sức điện động máy phát vào
dòng điện kích từ máy phát
Đặc tính tải: là sự phụ thuộc giữa điện áp của 2 cực máy phát vào
dòng điện tải.
Các đặc tính này nói chung đều phi tuyến do tính chất của lõi sắt và các phản
ứng phần ứng của dòng điện phần ứng.
~

Uđk
UKĐ

F

ikđ
iKF



Uđk
u

UKF

~

Hình1.1 : Hệ thống máy phát động c¬

2


Ph-ơng trình đặc tính cơ của hệ F - D nh- sau :

K .
U
K

KF

K .
U
K

KF

RI

F

K
R

F

0

KF

E

2

K

U ,U

Víi

(1-1)

M
KD

K

U

K

F

R

R

(1-2)

.M

F

.

F

R

uf

(1-3)
KD

.

F

K

F

.

F

(1-4)

.C.i KF

(1-5)

uD

lµ hƯ sè kÕt cấu của máy phát

F

là hệ số góc của đặc tính từ hoá

F

C

i

(1-6)

KF

Từ biểu thức ta thấy: khi điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát thì
điều chỉnh đ-ợc tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ thì giữ
nguyên. Có thể điều chỉnh kích từ của động cơ để có dải điều chỉnh tốc độ rộng
hơn.
1.1.2. Các chế độ làm việc của hệ F D
Hệ F - D có các đặc tính cơ điền đầy cả bốn góc phần t- của mặt phẳng

toạ độ [, M] .
Khi đặc tính cơ của hệ làm trong góc phần t- thứ I và thứ III: tốc độ quay
và mômen quay của động cơ luôn cùng chiều nhau, sức điện động máy phát và
động cơ có chiều xung đối nhau và

E

F

E ,

c

. Năng l-ợng đ-ợc vận

chuyển từ nguồn đến máy phát, đến động cơ, đến tải. Lúc đó công suất điện từ
của máy phát và động cơ là

P
P

F

E

D

E.I

P

co

M.

F

.I

(1-7)

0

(1-8)

0

(1-9)

0

3



iKFđm , iKĐmin
EF

E
iKFđm , iKĐ đm

M
M

M

iKFđm , iKĐ đm
EF

E

iKFđm , iKĐmin

Hình 1.2 : Đặc tính cơ của hệ F - D ở chế độ động cơ
Khi đặc tính cơ của hệ nằm trong góc phần t- thứ II và thứ IV:
do

0

nên dẫn đến E

E

F

, dòng phần ứng chảy ng-ợc từ động cơ về máy

phát làm cho mômen và tốc độ quay ng-ợc chiều nhau. Năng l-ợng đ-ợc vận
chuyển từ tải về động cơ qua máy phát về l-ới. Hệ làm việc trong trạng thái hÃm
tái sinh. Công suất của máy phát và động cơ là

P
P

F

E

D

E.I

P

M.

co

F

.I

(1-10)

0

(1-11)

0

(1-12)

0

4



iKFđm , iKĐ đm

EF

E

iKFđm , iKĐmin

M
M


EF

iKFđm , iKĐ đm

E
M
iKFđm , iKĐmin
Hình 1.3 : Đặc tính cơ của hệ F - D ở chế độ hÃm tái sinh

Vùng hÃm ng-ợc của động cơ trong hệ F - D đ-ợc mô tả nh- sau: Sức điện động
của động cơ E cùng chiều với sức điện động của máy phát EF do rôto bị kéo quay

ng-ợc bởi ngoại lực của tải thế năng hoặc do sức điện động máy phát đảo dấu

P

F

E

P
P

D

E.I

co

M.

F

.I

(1-13)

0

(1-14)

0

(1-15)

0

EF và E cùng chiều nhau và cùng cung cấp cho điện trở mạch phần ứng
tạo nhiệt năng tiêu tán trên điện trë nµy.

5


OA

B

A
E

A

C
MC
D

- MC

D

O
C

E

A
OA

A

B

Hình 1.4 : Đặc tính cơ của hệ F - D ở chế độ hÃm ng-ợc
Giả sử hệ đang làm việc tại điểm A với MA = MC và = A thực hiện hÃm đảo
chiều. Do quán tính nên tốc độ động cơ không thể thay đổi đột ngột đ-ợc mà
không đổi và chuyển làm việc sang điểm B. Từ B tốc độ động cơ giảm dần đến
điểm C thì kết thúc quá trình hÃm tái sinh kết thúc. Đoạn CD là đoạn hÃm ng-ợc
vì EF đà đổi dấu mà E ch-a đổi dấu. Đến D tốc độ động cơ bằng 0 nh-ng do sự
tồn tại của mômen hÃm động cơ tăng tốc quay theo chiều ng-ợc lại đến điểm A
thì làm việc ổn định.
1.1.3. Đặc điểm của hệ F - D
Ưu điểm :

- Sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt
- Khả năng quá tải lớn
- HÃm tái sinh trả năng l-ợng về l-ới

Nh-ợc điểm: - Dùng nhiều máy điện quay, ít nhất là hai máy điện một chiều
- Gây ồn lớn
- Công suất lắp đặt máy gấp nhiều lần công suất
động cơ chấp hành ( ít nhất 3 lần )

1.2. hệ thống truyền động chỉnh l-u - Động cơ một chiều [1]
1.2.1. Chỉnh l-u bán dẫn làm việc với động cơ một chiều
6


Hệ truyền động chỉnh l-u - động cơ một chiều có bộ biến đổi là các mạch chỉnh
l-u điều khiển có sức điện động phụ thuộc vào giá trị của gãc ®iỊu khiĨn. ChØnh
l-u cã thĨ cung cÊp ngn ®iỊu chỉnh điện áp phần ứng, dòng điện kích từ động
cơ.
Tuỳ theo yêu cầu cụ thể của truyền động mà ta có thể dùng sơ đồ thích hợp và
phân loại theo:
- Sè pha: 1 pha, 3 pha, 6 pha …
- S¬ đồ nối: hình tia, hình cầu, đối xứng và không đối xứng;
- Số xung nhịp: số xung áp đập mạch trong thời gian một chu kỳ điện áp
nguồn.
- Chế độ năng l-ợng : chỉnh l-u, nghịch l-u phụ thuộc;
- Tính chất dòng tải : liên tục, gián đoạn.
Tìm hiểu hoạt động của hệ CL - Đ ta xét một sơ ®å chØnh l-u tia ba pha
víi c¸c kÝ hiƯu cã ý nghĩa đ-ợc giải thích bên d-ới :
E sức ®iƯn ®éng quay cđa ®éng c¬,

u ,u ,u
21

22

23

- søc ®iƯn ®éng thø cÊp m¸y biÕn ¸p ngn,

L, Lx - ®iƯn cảm mạch một chiều và điện cảm tản của dây cuốn thứ cấp
máy biến áp,
R - điện trở mạch một chiều (gồm cả điện trở dây cuốn thứ cấp máy biến
áp đà quy đổi).
(1-16)

L

L L

R

R R R

u

k

ba

u

(1-17)

k
2

L

ba

L L
2

1

W2
W1

(1-18)
2

R

ba

R R
2

1

W2
W1

(1-19)

7


a

b

c
U2a

U2b

U2c
E
L

+
T1

T2

T3
R

T1

T2

T3

R

Id

Hình 1.5 : Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế chỉnh l-u tia 3 pha
1.2.1.1. Chế độ dòng điện liên tục
Giá trị trung bình của sức điện động chỉnh l-u đ-ợc tính nh- sau :

E

2
p

p
2

d

U

2m

sin .d

E

d0

. cos

(1-20)

Trong đó
e

0

E
e

(1-21)

.t

2

p
d0

(1-22)

p

(1-23)

. sin .U 2 m
p

- tần số góc của điện áp xoay chiỊu
- gãc ®iỊu khiĨn tÝnh tõ thêi ®iĨm chun mạch tự nhiên

0

p

- góc điều khiển tính từ thời điểm điện áp bắt đầu d-ơng
- số xung áp đập mạch trong một chu kỳ điện áp xoay chiều
Ph-ơng trình vi phân mô tả :

U
Khi

2m

. sin(
0

thì

0

i

d

)

I

0

E

R id

L did
dt

(1-24)

, ph-ơng trình vi ph©n cã nghiƯm :
8


i

d

I

U

RI0 E

m

2m

cos . sin

. exp

0

0

. cot g

E

U

2m

cos . sin

(1-25)
Víi

arctg

NÕu gäi

e

.L

R

lµ góc dẫn của van thì có thể tính đ-ợc thành phần dòng

chỉnh l-u một chiều và đây cũng chính là thành phần sinh ra mômen quay của
động cơ :
I

p
2

i

d

.d

0

p
2 R

U

2m

. sin . sin
2

0

2

2

(1-26)

.E

Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh l-u đ-ợc tính bởi biểu thức đơn
giản :

I

E
d

d0

R

. cos

E
0

(1-27)

.L

U
U2b

U2a
T1

U2c

T2

U2a
T3

T1

E
O



Hình 1.6 : Giản đồ điện áp chỉnh l-u

9


iT1
O


iT2
O



iT3
O

id

O
Hình 1.7: Giản đồ dòng điện chỉnh l-u



1.2.1.2. Hiện t-ợng chuyển mạch
Khi phát xung nhằm để mở một van thì điện áp anốt của pha đó phải d-ơng hơn
điện áp của pha đang dẫn dòng. Do đó dòng điện của van đang dẫn sẽ giảm dần
về không còn dòng điện của van kế tiếp se tăng dần lên. Quá trình này xảy ra từ
từ vì trong mạch có điện cảm, cùng tại một thời điểm cả hai van đều dẫn dòng và
chuyển dòng cho nhau. Hiện t-ợng này gọi là hiện t-ợng chuyển mạch giữa các
van.
U
U2a

T1

U2b

T2

U2c

T3

O

U

U

2a

2b

2

id

iT3

iT1

iT2

iT3

O

Hình 1.8 : Giản đồ điện áp và dòng điện chỉnh điện
khi có hiện t-ợng chun m¹ch

10

Trong quá trình chuyển mạch vì cả hai van đều dẫn nên sức điện động chỉnh l-u
bằng trung bình cộng của điện áp hai pha. Ph-ơng trình cân bằng điện áp cho
các pha lúc chuyển mạch là :

U

i i i
1

2

d

và coi

L

U
Ta có

2a

2b

L

di

di

dt

dt

1

di U
2

dt

2

di

E

dt

di
k

2

dt

d

(1-28)

E

1

k

d

(1-29)

thì

U
2U

2b

U

2a

2m

sin

L

k

p

(1-30)

. sin

k

Thời điểm bắt đầu xảy ra chuyển mạch là tại

, giải (1-30) ta đ-ợc biểu thức

dòng điện qua van :

i I
2

Trong đó

I

cos

mk

U

sin

2m

mk
e

Quá trình chuyển mạch kết thúc khi
đ-ợc góc chuyển mạch

(1-31)

cos

p

. Lk

i

0, i2

1

i

tại

d

thì ta có thể tính

:

I
I

arccos cos

d

(1-32)

mk

Giá trị trung bình của sụt áp do chuyển mạch ®-ỵc tÝnh nh- sau :

U

p Lk .
k

e

2

.I d

X .I
k

d

(1-33)

1.2.1.3. ChÕ độ dòng điện gián đoạn
Hiện t-ợng gián đoạn dòng điện chỉnh l-u xảy ra do năng l-ợng điện từ tích luỹ
trong mạch khi dòng điện tăng không đủ duy trì tính chất liên tục của dòng điện
khi nó giảm. Góc dẫn của van trở nên nhỏ hơn 2 p với (p=3), dòng điện qua van
trở về không ttr-ớc khi van kế tiếp bắt đầu dẫn. Trong khoảng dẫn của van thì
sức điện động chỉnh l-u bằng nguồn :

e U
d

2

,

0

11

0


Khi dòng điện bằng không, sức điện động chỉnh l-u bằng sức điện động của
động cơ :

e

d

2

E,

p

0

Có thể viết đ-ợc biểu thức tính dòng điện chỉnh l-u nếu đặt I0 = 0

i

I

d

m

cos . sin

cos . sin

. exp

0

0

cot g

(1-34)

E

Trong đó
U

T1

U2a

U
T2

U2b

,

I

U
m

R

2m

U2c

2m

T3

U2a

T1

E
O



0

i

id

0

Hình 1.9 : Chế độ dòng điện gián đoạn
Trong tr-ờng hợp bỏ qua điện trở R trong mạch phần ứng thì ph-ơng trình
mô tả là:

U

2m

sin

E

L did
dt

(1-35)

Nghiệm tổng quát của nó là :

i

U

2m

d
e

.L

cos

E
e

12

L

C

(1-36)

Với C là hằng số tích phân và khi

0

thì

i

0 ta có nghiệm riêng cho

d

tr-ờng hợp dòng điện gián đoạn :

i

U

2m

d
e

cos

.L

cos

0

E
.L
e

(1-37)

0

Dòng điện id bắt đầu xuất hiện tại = 0 và tăng đến giá trị cực đại tại điểm mà ở
đó L did

U

dt

2a

E

Nếu đặt

U

0 và giảm đến giá trị bằng 0 t¹i θ = α0 + λ

E

;

*

I

U

m

2m

.L
e

2m

;

i
I

*

i

d

d

ta cã thĨ viÕt đ-ợc biểu thức tính dòng

m

điện chỉnh l-u ở hệ đơn vị t-ơng đối với dạng thu gọn hơn :
*

i

cos

d

0

cos

(1-38)

0

Đặt = α0 + λ vµ id*= 0 thay vµo (1-38) ta tìm đ-ợc góc dẫn ở dạng hàm ẩn
cos

0

cos

0

(1-39)

Trong tr-ờng hợp giữ nguyên góc điều khiển 0 = const nh-ng tăng dần sức điện
động E của động cơ () thì góc dẫn sẽ giảm dần và khi
E = U2m.sin0 thì = 0 tức là không có dòng chảy trong mạch. Lúc này mômen
động cơ cũng sẽ bằng không, động cơ bị giảm tốc độ và do đó E giảm, dòng điện
lại xuất hiện trong mạch nh-ng với tốc độ thấp hơn. Vì thế, ở chế độ dòng điện
gián đoạn đặc tính cơ rất dốc. Giá trị trung bình của dòng điện ở chế độ gián
đoạn viết trong hệ đơn vị t-ơng đối đ-ợc tính nh- sau :

I

*
d

p
2

0

*

i

d

p
2

d

2

cos

0

cos

0

sin

0

sin

0

(1-40)

0

Trong tr-ờng hợp ng-ợc lại khi giữ 0 = const và giảm dần E, góc dẫn sẽ dẫn
dài ra và khi =

2
p

thì dòng điện trong mạch trở nên liên tục, giá trị đó của sức

điện động E ( t-ơng ứng =
đ-ợc nó nếu đặt =

E

U

) ứng với trạng thái biên liên tục và có thể tìm

2m

2
vào (1-39) vµ (1-40)
p

13


cos
blt

I

p
2

*
blt

Mặt khác vì

2

cos

p

0

2

p

0

p

sin

p

cos

0

2
p

0

sin

0

p

(1-41)

. cos

2
. sin
p

0

(1-42)

nên

p

I
I

2

cos

0

p

*
blt

U
blt

sin

2m

.L
e

cos

p

p

sin

p

p

(1-43)

. sin

cos

(1-44)

sin

p

Để tìm đ-ờng biên giới giữa vùng dòng liên tục và vùng dòng điện gián đoạn ta
tính cos từ (1-41) và tính sin từ (1-43) vì cos2 + sin2 = 1 nên
2

2

I*
blt

blt

p

sin

p
p

sin

p

1

cos

(1-45)

p

Đây là đ-ờng elip với các trục là trục toạ độ của các đặc tính cơ. Thay
E
blt

*

U

2m

, I blt

I.

e

L

U

ta thấy độ rộng vùng dòng điện gián đoạn sẽ giảm
2m

nếu ta tăng gía trị điện cảm L và tăng số pha chỉnh l-u p .

14



1,0
0,8

0
6

0,6

3

0,4
0,2

I

2

0

I

m

-0,2
-0,4

2

3

5

6

-0,6
-0,8
-1,0

0,02 0,04

0,08

0,10

I I
dm

0,14
m

Hình 1.10 : Đặc tính tốc độ ở hệ đơn vị t-ơng đối
f
của động cơ khi nối với chỉnh l-u ba pha hình tia

I

*

1.2.1.4. Chế độ nghịch l-u phụ thuộc
Nếu trong sơ đồ hình 1.9 ta tăng góc mở của các van đến giá trị gần bằng và
đảo chiều sức điện động E bằng cách dùng ngoại lực bắt rôto động cơ quay
ng-ợc chiều hoặc đảo chiều dòng kích từ động cơ thì dòng điện chỉnh l-u vÉn
theo chiỊu cị nh-ng søc ®iƯn ®éng chØnh l-u ®· đảo dấu do các van trong thời
gian điện áp anôt âm. Công suất điện từ của động cơ và chỉnh l-u lµ:
E. I d

0

(1-46)

P E .I

0

(1-47)

P

dt

d

d

d

ChØnh l-u trë thµnh thiÕt bị nhận điện năng do động cơ phát ra và biến điện năng
một chiều này thành điện năng xoay chiều trả về l-ới. Sau khi đà kết thúc quá
trình chuyển dòng cho van T2, van T1 chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái
khoá, quá trình này phải kết thúc tr-ớc thời điểm chuyển mạch tự nhiên, là thời
điểm U2a bắt đầu d-ơng hơn U2b. Ta gọi thời gian của quá trình này là thời gian
15


khoá . Nh- vậy điều kiện an toàn để bộ biến đổi có thể làm việc ở chế độ
nghịch l-u phụ thuộc là :
max

(1-48)

max

Nếu gọi là góc thông sớm, ta có

với là góc thông chậm hay góc

mở thì điều kiện an toàn (1-48) là :
min

(1-49)

max

U
U2b

U2a

U2c

U2a

O



E
+

id
i

0
Hình 1.11 : Chế độ nghịch l-u phụ thuộc
trong mạch chỉnh l-u tia ba pha



Nếu điều kiện này không đ-ợc bảo đảm thì nghịch l-u sẽ rơi vào trạng thái sự
cố, van cần khoá sẽ dẫn tiếp, không thực hiện đ-ợc chuyển mạch giữa các van và

dòng chỉnh l-u, điện áp không kiểm soát ®-ỵc.

16


U
U2b

U2a

U2c

U2a

O



E
+

=min

i

0

id

i2

i3

i3

i1



Hình 1.12 : Trạng thái lật nghịch l-u khi 1.2.2. Đặc tính cơ của hệ truyền động chỉnh l-u tiristo - động cơ một chiều
1.2.2.1. Chế độ dòng liên tục
Id chính là dòng điện phần ứng động cơ. Ta có sơ đồ thay thế nh- sau:
I
Xk

Rt

Ed

E

Hình 1.13 : Sơ đồ thay thế CL- D
Ph-ơng trình đặc tính cơ của hệ :

E . cos
K
d0

dm

E . cos
K

R .X
K
t

t

dm

Độ cứng của đặc tính c¬ :
17

.I

dm

R .X
K dm

d0

k

k

2

.M


K dm
R X
t

2

k

Tốc độ không tải lý t-ởng :

E . cos
K
d0

0

(1-50)

dm

Khi góc điều khiển biến thiên trong vùng 0

2

bộ biến đổi làm việc ở

chế độ chỉnh l-u, động cơ có thể làm việc ở chế độ động cơ nếu sức điện động E
còn d-ơng và ở chế độ hÃm ng-ợc nếu sức điện động E âm.
Khi góc điều khiển biến thiên trong vùng

2

max

và tải có tính chất

thế năng để quay ng-ợc chiều động cơ thì cả Ed và E đều ®ỉi dÊu. NÕu søc ®iƯn
®éng cđa ®éng c¬ lín h¬n giá trị trung bình của sức điện động của bộ biến đổi
thì dòng điện phần ứng vẫn chảy theo chiều cũ, động cơ làm việc ở chế độ hÃm
tái sinh, các tiristo sẽ dẫn dòng trong thời gian nửa chu kì âm của điện áp l-ới.
Góc điều khiển lớn hơn

2

, bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch l-u phụ thuộc,

biến cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều cùng tần số l-ới, trả về l-ới.
Dòng điện trung bình của mạch phần ứng và ph-ơng trình đặc tính cơ là:
R

E
X

E

. cos

E

I

d0

K

d

(1-51)

k

dm

X

R
K

k

.I

(1-52)

dm

Góc chuyển mạch đ-ợc tính nh- sau :
arccos cos

I
I

d

mk

Điều kiện làm việc an toàn của nghịch l-u phụ thuéc lµ :
max

min

18

(1-53)



Biên liên tục
=00
Chỉnh l-u
M,I
O
=900
HÃm tái sinh

=1500

Nghịch l-u phụ thuộc

Hình 1.14 : Đặc tính cơ của hệ CL - D
Tốc độ tối đa cho phép hệ CL - Đ làm việc ở chế độ nghịch l-u phụ thuộc:

E
max

d0

X

. cos

K

k

K

dm

R

(1-54)

.I

dm

1.2.2.2. Chế độ dòng điện gián đoạn
Đặc tính dòng điện gián đoạn là các đoạn cong nét liền rất dốc và sát trục tung.
Hệ thống không làm việc ổn định ở vùng dòng điện gián đoạn nếu không áp
dụng các ph-ơng pháp tự động điều chỉnh đặc biệt.
Trạng thái biên liên tục là trạng thái mà góc dẫn = 2 p và góc chuyển mạch
= 0. Biên liên tục này đ-ợc xác định bởi ph-ơng trình (1-45).
2

2

I*
blt

blt

p

sin

p
p

sin

1.2.2.3. Ưu nh-ợc điểm của hÖ T - D
19

p

1

cos

p


- Ưu điểm : - Tác động nhanh, không gây ồn.
- Dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch
đại công suất cao.
- Nh-ợc điểm : - Do c¸c van b¸n dÉn cã tÝnh phi tuyÕn nên
dạng điện áp ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ
trong máy điện
- Trong các truyền động có công suất lớn còn
làm xấu dạng điện áp nguồn và l-ới xoay chiều.
- Hệ số công suất của hệ nói chung là thấp.

1.3. Hệ thống truyền động xung áp - Động cơ một chiều [1]
1.3.1. Điều chỉnh xung áp mạch đơn
Trong sơ đồ điều chỉnh xung áp - động cơ, điện áp và dòng diện của động cơ uĐ,
iĐ có giá trị d-ơng. Các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện phần ứng U Đ,
I và sức điện động của động cơ E khi đóng và khi ngắt liên tục khoá S sẽ xác
định đ-ợc nếu biết luật đóng cắt của khoá S.
iN

S

iđk

i

R

L

UN

UL

iĐ0

UR

UĐ

E

D0

Hình 1.15 : Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung áp - động
cơ
Nguyên lý hoạt động :
+ Khi khoá S mở : uĐ = uN và i = i N
+ Khi khoá S đóng : iN = 0; uĐ = 0 và i = iD0 ( do tác dụng duy trì dòng
của điện cảm L)
Ph-ơng trình cân bằng điện áp :

U

D

U

U

L

20

R

E

0

(1-55)


di
dt

U

R
i
L

E

D

(1-56)

L

1.3.1.1. Chế độ dòng điện liên tục
Tại thời điểm t = 0+ khoá S bắt đầu thông : UĐ = UN , i = Imin .
NÕu coi søc ®iƯn ®éng E không đổi trong một chu kỳ đóng ngắt cảu khoá S ta có
nghiệm của (1-56) là :

U

i

E

N

R

t

e

1

t

I e

TU

min

(1-57)

TU

T- = L/R - hằng số thời gian của mạch phần ứng với 0 t

t

d

Tại t = tđ khoá S bắt đầu ngắt : UĐ = 0

I

i

U

E

N

max

e

1

R

td

I e

TU

min

td

TU

(1-58)

Van D0 dẫn nên ph-ơng trình cân bằng điện áp :
di

L

dt

Ri

'

(1-59)

E

Với t = t - t®
+ Khi t’ = 0+ : i = Imax , nghiệm của ph-ơng trình (1-59) là
E
1
R

i

Với

t

d

t

e

t

'

I e

TU

max

t

'

TU

(1-60)

T

+ Khi t = T - tđ tức là tại t = T : i = Imin
i

I

T

E
1
R

min

e

td

T

I e

TU

max

td

TU

(1-61)

Ta tính đ-ợc các giá trị Imax và Imin là :

I

U
max

e

1
N

R

.

e

1
td

I

U
min

R

e
N

.

e

td
T

TU
E
R

TU

(1-62)

TU 1

T

TU

1

E
R

(1-63)

Khi S thông liên tục tđ = T thì dòng điện phần ứng sẽ không đổi vµ b»ng:
21


I

I

max

I

U
min

E

N

(1-64)

R

iđk

O
Imax

tđ

T

t

tđ

T

t

tđ

i

T

t

Imin
O
UĐ
UN
O

Hình 1.16 : Giản đồ điện áp và dòng điện khi bộ biến đổi làm việc ở
chế độ dòng điện liên tục.
1.3.1.2. Chế độ dòng điện gián đoạn
Khi thời gian mở của khoá S giảm đến một giá trị tới hạn nào đó

t t
d

dgh

thì dòng

điện Imin = 0, hệ thống sẽ làm việc ở trạng thái biên giới chuyển từ chế độ dòng
liên tục sang chế độ dòng điện gián đoạn.
Từ (1-63) ta có :

e

E

U

t dgh

. T

T

e

N

T

1

TU

(1-65)

TU 1

Hoặc ở dạng thu gọn :
m

e
e

.

1

(1-66)

1

Trong đó
m

E

U

t

,

d

T

N

,

T

T

u

Tại trạng thái biên liên tục và trong vùng dòng điện gián đoạn do
Imin = 0, với 0

t t
d

dgh

ta cã :
22


U

I

E

N

max

R

td

e

1

(1-67)

TU

Từ (1-60) và (1-67) :
E
1
R

i

e

t

'

U

TU

N

E

1

R

e

td

t

'

(1-68)

T U .e T U

Trạng thái biên giới là trạng thái tx = T .Dòng điện này sẽ bằng không tại thời
điểm t = tx , hoặc t = tx - tđ , thay các điều kiện này vào (1-65) ta tính đ-ợc tđgh
khi biết thông số của mạch và các giá trị UN , E:

t T

u

x

. ln

td

e

TU 1

U

N

E

1

R

e

td

(1-69)

TU

Do yêu cầu đóng ngắt với tần số cao nên khoá S th-ờng là khoá bán dẫn. Khoá S
đ-ợc điều khiển đóng ngắt theo sơ đồ sau:
TC

-

+
C

TF

+

Tải

V0

D0

L

Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý điều khiển đóng
cắt khoá S
1.3.1.3. Đặc tính cơ của hệ
Để xây dựng đ-ợc đặc tính cơ ta cần tìm giá trị trung bình của điện áp và dòng
điện của động cơ:

U

D

1
T

T

u
0

D

dt

1
T

td

T

U

N

dt

Edt
tx

0

1
T

U .t
N

d

t

t

d

.E

(1-70)

Trong chế độ dòng điện liªn tơc tx = T nªn:

U

t
D

d

T

.U N

23

.U N

(1-71)


.U N

R

K

K

u

(1-72)

I

Khi tx < T thì xảy ra chế độ dòng điện gián đoạn nên mômen điện từ gián đoạn
cho nên đặc tính cơ trở nên rất mềm.

I

blt

1
.
2 I max

1
2R

U

N

E 1

e

t dgh

T Uu

1
.
2R

1

U

N

K .

blt

(1-73)

Vì chế độ biên liên tục phụ thuộc vào dòng điện liên tục nên :

I

U
blt

N

2

.

1

(1-74)

1

Biên liên tục là nửa hình elip bằng nét đứt. Giá trị cực tiểu của Iblt = 0 tại = 0
và tại = max ( = 1)


UĐ

=1

UN


O

1

I,M
O
=0

Hình 1.18 : Đặc tính điều chỉnh và đặc tính cơ
1.3.2. Điều chỉnh xung áp đảo chiều
Để hệ truyền động có thể làm việc ở chế độ hÃm tái sinh, ng-ời ta dùng sơ đồ
điều chỉnh xung áp đảo chiều. Trong đó dòng điện phần ứng có thể đảo dấu

nh-ng sức điện động vẫn có chiỊu d-¬ng.

24


iD2

UN
+
S1

iS1

D2
L

S2

iS2

L

D1

R
E

iD1

Hình 1.19 : Bộ điều chỉnh xung áp đảo chiều

1.3.2.1. Nguyên lý hoạt động
Khi khoá S1 và van D1 vận hành : I- > 0 , Pđt =I.E < 0, máy điện làm việc ở chế
độ động cơ.
Khi khoá S2 và van D2 vận hành : E > 0, Pđt = I.E > 0, công suất này tích
vào điện cảm L. Ngắt S2 trên cuộn cảm L sinh ra sức ®iƯn ®éng tù c¶m
ΔUL > 0 cïng chiỊu víi søc ®iƯn ®éng quay E. Tỉng hai søc ®iƯn ®éng nµy lớn
hơn điện áp nguồn UN làm van D2 dẫn, dòng điện trở lại về nguồn và trả lại
nguồn phần năng l-ợng tích luỹ trong điện cảm L. Máy điện làm việc ở chế độ
hÃm tái sinh.

25