Thiết kế hệ truyền động tự
động

THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ

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.

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.
- 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.
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ

23
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 s
ố 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 hơ
n.
- 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.

T
3
I
g1

I
g3

I
g32

I
g4

I
1
I
3
I
2
I
4

U
T1

UU
U
1



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

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

25
α
π
θθ
π

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

= 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
.
I
T
1

U
d
θ

α

θ

θ

θ

θ

0

0

0

0

0

THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ


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

> 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

a
α
5π/6
9π/6
13π/6
0

U
0
ωt

THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ

28
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

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

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


ac
ee +

2
cb
ee +

µ
α
ω
t

2π
2
cb
ee +

e
a
e
b
e
c
e
a
Th4 Th1 Th4
Th1
Th6 Th3
Th6
αα

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

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.
- Dòng điện trung bình qua van đối với s
ơ 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.
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ

30
Kết luận: Dùng sơ đồ cầu 3 pha để điều khiển thay đổi giá trị điện áp ra U
d


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 ).

U
r

u

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

αα
U
r

Ur+U
c

U
c

U
rTHIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ

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 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 :
+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 I
II
b
a
U
đk
I
đk
Giới hạn trên các đặc tính
Giá tri cực đại U

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

đ
t

t
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ

34
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.


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

35U
đf
U
ra
U
ss
t

t


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


D
32
R
42
R
43
R
44
-15V

Q
6
+

-

P
11
+15V
Q7
D36
R46
D35
D37
P12
R45
C19
U
ra Q7

= 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.
-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

+
-
R
48
R
47
Q
8
U

cao đưa vào mở Tiristor. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ

38
U
đk
U
Tm
T

t

α

0

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


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
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨

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.

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

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

Đây
l
Phươ

Với J = Jđ
Jđ:
M
JM: M
HỆ TRUYỀ
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

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

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
CKDđiều khiển.
ột chiều kíc
hông đổi th
1 chiều như

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

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


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

đm
U
E (-)
I
M
c
(-)
M

ω

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

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

). 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:

2.2.1. Đặt vấn đề:
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ

43
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 của các xen xơ, hằng số
thời gian của mạch điều
khiển Tiristor v.v...

> 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+

Xđ
)]p(F1[)p(S
)p(F
MCo
MC
−
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ

44
R =
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=
+
PT
1
1K
PT
1PT
.
KT2
T
R
R

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

không ảnh hưởng đến T
R
, đồng thời với việc chỉnh α ta
có thể thay đổi K
R
rất rộng.
R
2
/R
1
≤ K
R
< ∝
U
2
R
1
R
1
R
2
C
2
U
w1
U
1
+

_

+
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ

45
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)
=

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