CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN T-Đ
Giới thiệu Tiristor
Tiristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra 3 lớp tiếp
giáp p-n J1 ,J2 ,J3. Tiristo có 3 cực anot A, catot K, cực điều khiển G như hình dưới
1.1
Hình 1.1 Cấu tạo và ký hiệu của Tiristor.
• Nguyên lý làm việc của Tiristor:
Tiristor chỉ cho phép dòng chạy qua một chiều, từ anot đến catot và cản trở
dòng chạy theo chiều ngược lại. Tiristor dẫn dòng ngoài điều kiện phải có điện áp
UAK> 0 còn phải thêm một số điều kiện khác nữa. Do đó tiristor được coi là phần tử
bán dẫn có điều khiển để phân biệt với một số phần tử bán dẫn khác không điều
khiển như Điot.
Mở Tiristor:
Khi được phân cực thuận, UAK>0, tiristor có thể mở bằng hai cách:
- Thứ nhất, có thể tăng điện áp anot – catot cho đến khi đạt giá trị điện áp thuận
lớn nhất. Khi đó điện trở tương đương trong mạch anot – catot sẽ giảm đột ngột và
dòng qua tiristor hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phương pháp này không áp
dụng ngoài thực tế do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào
cũng tăng được điện áp đến giá trị U th,max . Và lại sẽ xảy ra trường hợp tiristor sẽ tự
mở dưới tác dụng của các xung áp tại một thời điểm ngẫu nhiên không xác định
được.
- Thứ hai, phương pháp được áp dụng trong thực tế , là đưa một xung dòng điện
có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catot. Xung dòng điện điều khiển sẽ
chuyển trạng thái của tiristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp
anot – catot nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anot – catot lớn hơn giá trị nhất định, gọi là
dòng duy trì (Idt) thì tiristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không
cần đến sự tồn tại của xung điều khiển nữa. Điều này nghĩa là có thể điều khiển các
tiristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch
điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà tiristor là một phần
tử đóng cắt và khống chế dòng điện.
ngược lại, giảm
α
α
thì điện áp trung bình sẽ giảm,
thì điện áp trung bình sẽ tăng. Giá trị lớn nhất của điện áp trung
α
bình ra tải là Ud0, ứng với góc =0.
Dòng điện trung bình qua tải:
I=
Ud
Zd
Z d = X L2 + R 2
với
Trường hợp trong mạch tải có thêm suất điện động phản kháng:
I=
Ud − E
Zd
1.2 Giới thiệu động cơ một chiều
Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là một loại
phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông.
+ Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ
máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong
máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm
vỏ máy.
+ Các bộ phận khác:
- Náp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây
quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp
máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm
bằng gang.
- Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi
than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặy lên cổ
góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi
than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều
chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.
1.2.1.2. Phần quay
Bao gồm những bộ phận chính sau :
+ Lõi sắt: Là phần ứng dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ
thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn
hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép
lại thì dặt dây quấn vào.
Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió
để khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục.
3
Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ,
giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc
gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.
Rf
ĐC
I
CKTD
RKT
IKT
UKT
_
+
4
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập
R + Rf
U
ω= u − u
KΦ ( KΦ ) 2
Ta có phương trình đặc tính cơ:
Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy Có ba thông số ảnh hưởng đến đặc tính
cơ đó là:
- Từ thông động cơ (Φ).
- Điện áp phần ứng (Uư).
họ đặc tính biến trở có dạng như hình 1.4. Ứng với một phụ tải M c nào đó, nếu Rf
càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen
ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn
chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.
5
Hình 1.3: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập
khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng
1.2.2.3 Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:
Giả thiết : Φ = Φdm = const
Rư = const
Khi thay đổi điện áp phần ứng : Uư
β
khi từ thông giảm thì
tăng, còn
sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với
tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông.
ω0 x
Hình1.5:Đặc tính cơ điện (a)và đặc tính cơ (b)khi thay đổi từ thông
Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:
I nm =
U dm
= Const
RU
Dòng điện ngắn mạch:
Mô men ngắn mạch: Mnm = KΦxInm = var
Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông được biểu diễn
trên hình 1.6.
Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì
khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên (Hình 1.5 b)
1.3 Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều
1.3.1 Khái niệm chung về hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều
Là 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.
1.3.2.1 Hoạt động của hệ thống
Giả sử ban đầu hệ thống đã được đóng vào lưới với điện áp thích hợp, lúc
này động cơ vẫn chưa làm việc. Khi ta đặt vào hệ thống một điện áp đặt U đ ứng
với một tốc độ nào đó của động cơ. Thông qua khâu TH & KH và mạch FX sẽ suất
hiện các xung đưa tới các chân điều khiển của các van của bộ biến đổi, nếu lúc này
nhóm van nào đó đang được đặt điện áp thuận, van sẽ mở với góc mở α. Đầu ra
của BBĐ có điện áp Ud đặt nên phần ứng động cơ→động cơ quay với tốc độ ứng
với Uđ ban đầu.
Trong quá trình làm việc, nếu vì một nguyên nhân nào đó làm cho tốc độ
động cơ giảm thì qua biểu thức : UĐK = Uđ - ϒn.
khi n giảm →UĐK tăng →α giảm →Ud tăng → n tăng về điểm làm việc yêu cầu.
Khi n tăng quá mức cho phép thì quá trình diễn ra ngược lại. Đây là nguyên lý ổn
định tốc độ.
* Đặc tính cơ của hệ thống truyền động:
Chế độ dòng điện liên tục:
Dòng điện chỉnh lưu Id chính là dòng phần ứng.
Dựa vào sơ đồ thay thế (hình 2.2) viết được sơ đồ đặc tính.
E do . cos α R + X K
−
I
K .φ dm
K .φ dm
E . cos α R + X K
n = do
−
M
K .φ dm
( K .φ dm ) 2
π
≤ α ≤ α max
+ Khi 2
: Bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc,
biến cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều cùng tần số lưới và trả về lưới
điện. Động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh khi tải có tính thế năng.
Dòng điện trung bình của mạch phần ứng:
I=
E − Ed
R+ XK
Phương trình đặc tính:
ω=
E do . cos β R + X K
+
.I
Kφ dm
Kφ dm
- Chế độ dòng điện gián đoạn:
Trong thực tế tính toán hệ T - Đ chỉ cần xác định biên giới vùng dòng
điện gián đoạn, là đường phân cách giữa vùng dòng điện liên tục và dòng điện gián
đoạn. Trạng thái biên liên tục là trạng thái mà góc dẫn λ = 2π /p và góc chuyển
mạch µ = 0 .
Đường biên liên tục gần là đường elip.
Để giảm độ lớn của trục nhỏ elip, tăng số pha của chỉnh lưu. Tuy nhiên
khi tăng số pha chỉnh lưu sơ đồ sẽ phức tạp.
-
11
-
Trong đó :
- Rω : Bộ đièu chỉnh tốc độ quay.
- Ri : Bộ điều chỉnh dòng điện.
- Uđ : Điện áp chủ đạo.
- Uω : Điện áp phản hồi tốc độ
- Ui : Điện áp phản hồi âm dòng điện.
- Ki : Hệ số phản hồi âm dòng điện.
- Kω : Hệ số phản hồi âm tốc độ.
2.2. Xác định các tham số của sơ đồ cấu trúc hệ truyền động.
P =14Kw
n = 0.9
U=400V
nđm= 955(vòng/phút)
+ Iđm = = = 38.88(A)
+ Rư=0,5(1-n). =0,5(1-0,9).= 0,514(Ω)
+ ωđm == = 100(Rad/s)
+ Kđm = = = 3.8
+ J = = 6.18kg.m2
12
B(p) - hàm truyền của bộ biến đổi, có dạng như sau:
Với:
- hệ số chỉnh lưu
- hằng số chuyển mạch chỉnh lưu
- hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lưu
A(p) - hàm truyền của động cơ không tính đến suất điện động phần ứng
Với:
- hằng số thời gian phần ứng.
- hàm truyền của khâu phản hồi dòng điện, có dạng như sau:
Với:
- hằng số thời gian của sensor dòng điện
=0.04
- hệ số phản hồi mạch vòng dòng điện
Ta chuyển đổi mạch phản hồi dòng điện về mạch phản hồi đơn vị, ta có sơ
đồ tương đương như sau:
U
B(p)
A(p)
-
-
Hệ số biến đổi dòng điện:
15
-
Hình 3-3 Sơ đồ máy biến dòng.
Ta sử dụng mạch biến dòng, đo dòng trực tiếp từ nguồn 3 pha đưa qua
bộ chỉnh lưu điốt có lọc để lấy phản hồi dòng điện về cho động cơ.
-
Hệ số chỉnh lưu
-
- điện áp điều khiển đưa vào mạch chỉnh lưu (chọn )
=0,0015+0,003=0.0045 (s)
Hàm truyền
- Thiết kế mạch điều chỉnh dòng điện
Vậy mạch điều chỉnh dòng của ta sẽ bộ điều chỉnh PI
Hình 3-4. Sơ đồ bộ điều chỉnh PI
Mặt khác:
16
trục
động cơ
Với: J - Mômen quan tính của động cơ
-
Áp dụng hàm chuẩn tối ưu đối xứng (vì tính đến nên tổng hợp theo
tiêu chuẩn tối ưu đối xứng để sai số của hệ thống được giảm thiểu):
-
Hàm truyền hệ kín của sơ đồ trên
-
Áp dụng hàm chuẩn tối ưu đối xứng (sử dụng cách biến đổi sơ đồ giống
như ở phần thiết kế mạch vòng dòng điện) ta có:
-
Thay các hàm truyền tương ứng vào
Vậy:
18
Mặt khác, ta có thể bỏ qua thành phần vì là vô cùng bé và các
hằng số thời gian và rất nhỏ nên đặt , ta có hàm truyền gần đúng như
sau:
Vì là tổng các hằng số thời gian vô cùng nhỏ nên ta chọn , ta có:
Vậy hàm truyền của mạch vòng kín sẽ là
4.2. Tính toán thông số bộ điều chỉnh
20
(Wb)
CHƯƠNG V: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC CỦA HỆ
5.1. Mô phỏng trên Matlab Simulink
21
A.Lúc không tải
1.Mạch vòng điều chỉnh dòng điện.
+Mc=Mt=0
+thời gian đạt tới trạng thái ổn định:4.2s
+sai lệch tĩnh:1%
Nhận xét:
Hệ thống đạt trạng thái ổn định khá nhah.
2.Mạch vòng tốc độ.
+Mc=Mt=0
+Độ quá điều chỉnh 85%
+thời gian đạt tới trạng thái ổn định:3.5s
+thời gian đạt tới tín hiệu đặt:0.857s
+sai lệch tĩnh:1%
22
B.Lúc có tải
B. Trường hợp có tải
24
1.Mạch vòng dòng điện.
+Iư=38.8A;
Nhận xét: dòng điện tăng lên giá trị định mức
2.Mạch vòng tốc độ.
+Mc=Mt=147.4
+khi có tải tốc độ giảm nhưng nhanh chóng ổn định lai tốc độ định mức
+sai lệch tĩnh:1%
25
Copyright: Tài liệu đại học ©