Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế hệ điều khiển CL - Đ Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

1

Thiết kế hệ điều khiển CL - Đ

LỜI MỞ ĐẦU
Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng trong đời sống xã hội. Bất kì ở vị
trí nào, bất cứ làm một công việc gì mỗi chúng ta đều tiếp cận với điều khiển.
Nó là khâu quan trọng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta.
Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhưng
động cơ điện một chiều v
ẫn tồn tại. Trong công nghiệp, động cơ điện một
chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh
tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng. Vì động cơ điện một chiều có đặc tính
làm việc rất tốt trên các mặt điều chỉnh tốc độ (phạm vi điều ch

1.1 Đại cương về động cơ điện một chiều
1. Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều chia thành 2 phần chính:
a. Phần tĩnh ( stato)

Gồm các bộ phận chính sau:
- Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm lõi sắt cực từ và dây
quấn kích từ.
+ Lõi sắt cực từ làm bằng thép kĩ thuật điện dày ( 0,5 –1)mm ép lại và tán
chặt.
+ Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện.
Trong các máy công suất nhỏ, cực từ chính là một nam châm vĩnh cửu.
Trong các máy công suất trung bình và lớn, c
ực từ chính là nam châm điện.
- Cực từ phụ: đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện điều kiện làm
việc của máy điện và đổi chiều
+ Lõi thép cực từ phụ có thể là một khối hoặc có thể được ghép bởi các lá
thép tùy theo chế độ làm việc.
+ Xung quanh cực từ phụ được đặt dây quấn cực từ phụ, dây qu
ấn cực từ
phụ được nối với dây quấn phần ứng.
- Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ
máy.
b. Phần quay ( rôto)

Bao gồm các bộ phận chính sau:
- Lõi thép phần ứng: dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kĩ
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 lên.
Trong máy điện nhỏ, lõi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục.

ngược chiều với
dòng điện I
ư
nên sức điện đông E
ư
còn được gọi là sức phản diện
Phương trình điện áp là:

3. Phân loại động cơ điện một chiều
Cũng như máy phát, động cơ điện được phân loại theo cách kích thích
từ thành các động cơ điện sau:
a. Động cơ điện kích từ độc lập
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ
được cấp
điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho mạch
phần ứng.
b. Động cơ kích từ nối tiếp
Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn
dây phần ứng.
c. Động cơ kích từ hỗn hợp
Động cơ kích từ hỗn h
ợp gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích
từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp trong đó dây quấn kích từ
song song là chủ yếu.
−−−
.
IREU
+=
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT


: điện áp phần ứng ( V )
+ E: sức điện động phần ứng ( V )
+ R
ư
: điện trở của mạch phần ứng (Ω)
+ R
f
: điện trở phụ của mạch phần ứng
+ I
ư
: dòng điện mạch phần ứng.
Sức điện động E
ư
của phần ứng động cơ là tỷ lệ với tốc độ quay của
rôto : E = k.Φ.ω

Trong đó: + k =
a
pN
π
2
hệ số cấu tạo của động cơ
+ Φ: từ thông qua một cực từ (Wb)
+ ω: tốc độ góc của rôto,
55,9
n
=ω
( rad/s)
+ p: số đôi cực từ chính
+ N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

=→
k
M
I
dt
−

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì M
cơ
= M
đt
= M
Từ các phương trình trên ta có: đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức và không mắc
thêm điện trở phụ vào mạch điện trở thì phương trình đặc tính cơ là:
Đặc tính cơ của phương trình này gọi là đặc tính cơ tự nhiên.
Tốc độ ω
o
= U
ư
/k.Φ là tốc độ không tải lý tưởng.
Khi phụ tải tăng dần từ M
c
= 0 đến M
c

động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản
xuất. Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường
căn cứ vào một số chỉ tiêu sau:
()
M
k
RR
k
U
f
2
−
−
.
.
Φ
+
−
Φ
=
ω
()
M
k
R
k
U
2
−−
.

tốc độ đặt và được đánh giá thông qua: Mong muốn: sai số ω
đ
= ω
s% càng nhỏ càng tốt.
- Tính liên tục ( độ trơn của dải điều chỉnh) ω
i + 1
≈ ω
i
: hệ thống điều khiển liên tục
ω
i + 1
≠ ω
i
: hệ thống điều khiển nhảy cấp
Mong muốn γ → 1: hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá
trong suốt dải điều chỉnh.
- Dải điều khiển tốc độ
Dải điều khiển tốc độ ( D) là tỉ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị
nhỏ nhất của tố
c độ làm việc ứng với mômen tải đã cho: Mong muốn D càng lớn càng tốt
- Ngoài ra còn các chỉ tiêu khác như: chỉ tiêu kinh tế, kích thước…

1+
=
min
max
ω
ω
=D
()
M
k
R
k
U
2
−−
.
.
Φ
−
Φ
=
ω
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

8
R
f
= 0
R
f1

Ứng với R
f
= 0 ta có độ cứng tự nhiên β
TN
có giá trị lớn nhất nên đặc tính
cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở
phụ.
Như vậy, khi ta thay đổi R
f
ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính
cơ tự nhiên.
- Đặc điểm của phương pháp
+ Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính
cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
+ Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dướ
i tốc độ
định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).
+ Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng
trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường
dùng ở động cơ điện trong cần trục.
- Đánh giá các chỉ tiêu
+ Tính liên tục: phương pháp này không th
ể điều khiển liên tục được mà
phải điều khiển nhảy cấp.
+ Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải. Tải càng nhỏ thì dải
điều chỉnh D = ω
max
/ ω
min
càng nhỏ. Phương pháp này có thể điều chỉnh

= const . Muốn thay đổi từ thông động cơ ta
thay đổi dòng điện kích từ.
Thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp
biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ.
Bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích
tối đa (Φ = Φ
max
) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào
mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông Φ tức
là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức.
→ Khi giảm Φ thì tốc độ không tải lý tưởng
Φ
=
k
U
dm
o
ω
tăng, còn độ
cứng đặc tính cơ
( )
u
R
k
2
Φ
−=
β
giảm, ta
thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc

o2
ω
0
M
c1
M
c2

Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

10
- Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển
+ Sai số tốc độ lớn: đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự
nhiên.
+ Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy. Có thể điều khiển trơn
trong dải điều chỉnh D = 3 :1
+ Tính liên tục: vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ
nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với Φ ≈ 1
+ Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên
tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với
dòng kích từ = (1 – 10)%I
đm
của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp).
→ Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều
khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển.
∗ Phương pháp 3: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.
- Nguyên lý làm việc
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị
nguồn (máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều
khiển…)

01
ω
M
U
1
U
2
0
M
c

Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

11
+ Chỉ thay đổi tốc độ về phía giảm
+ Rất dễ tự động hóa khi dùng chỉnh lưu có điều khiển.
+ Phương pháp này điều khiển với mômen không đổi vì Φ và I
ư
đều
không đổi.
- Đánh giá chi tiêu điều khiển
+ Sai số tốc độ lớn ( sai số tốc độ bằng sai số tốc độ của đặc tính cơ tự
nhiên)
+ Tính liên tục: điện áp của động cơ được điều khiển bằng bộ biến đổi.
Các bộ biến đổi hiện nay đều có công suất bé nên có thể điều chỉ
nh liên
tục.
+ Dải điều chỉnh có thể đạt được D = 10:1
→ Đây là phương pháp duy nhất có thể điều chỉnh liên tục tốc độ động
cơ trong vùng tốc độ thấp hơn tốc độ định mức đối với động cơ một

∼
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

12
Để điều khiển tốc độ động cơ cần điều khiển điện áp đặt trên hai
đầu động cơ, thông qua sức điện động của máy phát: E = k
MF
.Φ.ω
MF
.
Khi máy phát F được quay với tốc độ ω
MF
cố định, sức điện động
của máy phát E
MF
phụ thuộc vào dòng kích từ I
kMF
theo luật đường cong
từ hóa: E
MF
= k
MF
.ω
MF
.

α.I
kMF

Xét phương trình đặc tính cơ:

I
k
k
.
Φ
=
αω
ω
còn độ cứng
đặc tính cơ:
()
FD
DD
DF
RR
k
−−
2
+
Φ
=
−
β
thì giữ nguyên.
Do đó các đường đặc tính cơ
là một họ đường thẳng song song.
Trong mạch lực của hệ
F - Đ không có phần tử phi
tuyến nào nên hệ có những
đặc tính động rất tốt, rất linh

TS
Đ
N
Đ
C
TS
I
0
ω
o
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

13
Hiệu suất của hệ thấp ( không quá 75%)
Điều chỉnh sâu bị hạn chế
Hiện nay người ta có khuynh hướng thay thế hệ F - Đ bằng hệ thống CL - Đ
∗ Hệ thống CL - Đ một chiều

Hệ thống CL - Đ một chiều dùng bộ biến đổi là một loại nguồn
điều áp một chiều. Khi nối nó vào mạch phần ứng
với động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta sẽ
được hệ thống CL - Đ.
Khác với máy phát điện một chiều, bộ biến
đổi trực tiếp biến dòng xoay chiều thành dòng một
chiều không qua m
ột khâu trung gian cơ học nào.
Hiện nay các Tiristo được dùng phổ biến để
tạo ra các bộ chỉnh lưu có điều khiển bởi các tính chất ưu việt của
chúng: gọn nhẹ, tổn hao ít, tác động nhanh…
- Nguyên lý điều khiển

T ∼

Ư

Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

14
sức điện động của động cơ, năng lượng của cuộn dây xả ra để đảm bảo
anod dương hơn catod không đủ duy trì tính chất liên tục của dòng điện.
Lúc này, dòng điện qua van trở về 0 trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn.
Chế độ biên liên tục

Khi chuyển từ trạng thái dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn,
hệ sẽ phải qua một trạng thái giới hạn, đó là trạng thái biên liên tục.
+ Đặc tính cơ của hệ thống
Chế độ dòng điện liên tục

Phương trình đặc tính cơ:
Thay đổi góc điều khiển α = ( 0 - π),điện áp của chỉnh lưu biến thiên từ
U
do

ω
g
gU
k
oom
dm
cotexp1
cotexpsinsin.cos
1
2
−
+−−
Φ
=

Khi làm việc ở chế độ dòng điện gián
đoạn, đường đặc tính cơ không là đường thẳng,
là đường cong có độ cứng thấp hơn.
Biên giới vùng dòng điện gián đoạn là
đường phân cách giữa vùng dòng điện liên tục
và vùng dòng điện gián đoạn chính là tập hợp
các đường trạng thái biên {M
blt
; ω
blt
} khi thay
M
kk
RR
k

+
−
Φ
=
μμ
α
ω
dme
do
o
k
U
Φ
=
.
cos.
α
ω
0
Biên liên tục

ω
ω
o
1
ω
o
2
I
bl

làm xấu điện áp nguồn.
Khi điều chỉnh sâu hệ số công suất cosγ thấp nhất.
∗ Hệ thống băm áp động cơ

Bộ băm áp một chiều dùng để biến đổi trị số điện
áp, dòng điện một chiều dựa trên nguyên lý đóng ngắt có
chu kì nguồn điện một chiều.
- Nguyên lý điều khiển
Khi khóa K đóng dòng điện tăng làm tăng tốc độ
động cơ và tích lũy năng lượng điện từ cho điện cảm
trong mạch. Trong thời gian khóa c
ắt, năng lượng điện từ đã tích lũy sẽ
phóng qua V
o
để duy trì dòng điện phần ứng.
- Các chế độ làm việc
Chế độ dòng điện liên tục

Khi dòng và điện cảm trong mạch đủ lớn thì nănsg lượng điện từ đủ
duy trì dòng điện cho đến khi bắt đầu chu kì mới. Khi đó dòng phần ứng có
dạng liên tục.
Điện áp một chiều được điều chỉnh bằng bộ băm áp cung cấp cho
phần ứng của động cơ.
Điện áp môt chiều được băm với điệ
n áp trung bình: 11
.UU
T

Phương trình đặc tính cơ

Để điều khiển tốc độ ta điều khiển
hệ số γ tức là điều khiển độ rộng xung điện
áp θ trong chu kì điện áp.
Trong vùng liên tục, đặc tính cơ là
tập hợp các đường thẳng song song với tốc
độ không tải lý tưởng
dm
o
k
U
Φ
=
γ
ω
và độ cứng đặc tính cơ:
()
ba
RR
k
+
Φ
=
¦
2
β

Với dòng điện gián đoạn


ba
.
..
.
.
.
.
2
¦
1
2
¦
Φ
+
−
Φ
=
Φ
+
−
Φ
=
μμ
γ
ω
ω
γ = 0
γ = 1
I, M
ω


b. Đường cong
c. Nguyên lý

+ Để điều khiển được điện áp và dòng điện tải ta điều khiển góc mở α của
Tiristo hay thời điểm mở. Tiristo muốn mở được phải có 2 điều kiện:
điện áp anod dương hơn so với catod và có dòng điện điều khiển.
+ Khi Tiristo T
1
được mở sẽ có dòng điện chạy qua tải và duy trì T
1
ở
trạng thái dẫn tới lúc dòng điện bằng không, lúc đó điện áp đổi dấu và
kích mở T
2
ngay lập tức, T
2
chuyển sang dẫn.

0
α
1
α
2

đập mạch bằng hai lần tần số điện áp xoay chiều.
+ Việc điều khiển các van bán dẫn ở đây tương đối đơn giản.
+ Việc chế tạo biến áp phức tạp hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn.
+
Điện áp ngược của các van bán dẫn phải chịu có trị số lớn nhất trong
các sơ đồ chỉnh lưu:
2
22 UU
nv
=

+ Trong chỉnh lưu một pha nếu tải có dòng điện lớn và điện áp thấp thì sơ
đồ một pha chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính có ưu điểm hơn
cả.
2. Chỉnh lưu cầu một pha
a. Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển có đối xứng - Nguyên lý hoạt động:
Trong 1/2 chu kì điện áp anod của Tiristo T
1
dương (khi đó catod T
2



20
- Nhận xét
Chỉnh lưu cầu một pha có chất lượng điện áp ra hoàn toàn giống như
chỉnh lưu cả chu kì với biến áp trung tính nhưng điện áp ngược phải chịu nhỏ
hơn:

Sơ đồ này được dùng với loại tải làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng
lượng về lưới.
b. Chỉnh lưu cầu mộ
t pha điều khiển không đối xứng
Chỉnh lưu này được thực hiện bằng hai phương pháp khác nhau:

Đường cong:
Hình dạng đường cong điện áp của hai sơ đồ giống nhau và
không có phần âm điện áp

+ Sơ đồ cùng cực tính
Các van bán dẫn được dẫn thông trong một nửa chu kì: các diod
dẫn từ đầu đến cuối bán kì điện áp âm catod còn các Tiristo được dẫn
thông tại thời điểm có xung mở và bị khóa b

α
2
α
3
α
1
π 3π
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

21
Dòng điện chạy qua Tiristo và Diod là bằng nhau nên lựa chọn
van bán dẫn và Diod bán dẫn thì cùng thông số dòng điện.
+ Sơ đồ không cùng cực tính
Khi điện áp lưới đặt vào anod và catod của các van bán dẫn thuận
chiều và có xung điều khiển thì việc dẫn thông các van hoàn toàn giống
như sơ đồ trên. Khi điện áp đổi dấu, năng lượng của cuộn dây được xả
ra qua các diod D
1
, D
2
_ các van này đóng vai trò của diod ngược, do đó
mà các Tiristo sẽ tự động khóa khi điện áp đổi dấu.
Hình dạng đường cong điện áp của sơ đồ cầu một pha không
cùng cực tính trùng với đường cong điện áp của sơ đồ cầu một pha cùng
cực tính và không có phần âm điện áp ( không có trả năng lượng về
lưới)
Dòng điện của Diod và Tiristo không bằng nhau được thể hiện
bằ
ng khoảng dẫn của Diod và Tiristo khi tải điện cảm: I
D

Biến áp ba pha với thứ cấp 3 cuộn dây
đấu Y có trung tính. Các van bán dẫn nối
cùng cực tính, cực tính còn lại nối với 3
pha. Tải được nối từ đầu nối cực tính của
van bán dẫn với dây trung tính.

b. Nguyên lý

Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van: khi anod của van
nào dương hơn thì van đó mới được kích mở, thời điểm hai điện áp của
hai pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn.
Còn các Tiristo chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm
góc mở tự nhiên( như vậy trong chỉnh lưu tia 3 pha, góc mở nhỏ nhất
α = 0 sẽ dịch pha so với điệ
n áp pha một góc là 30
o
)
Chỉnh lưu tia 3 pha được phân biệt bởi hai vùng mở khác nhau:
Khi α < π/6 thì việc mở van bán dẫn không phụ thuộc vào tải
dạng gì. Trong vùng mở điện áp dương các Tiristo dẫn liên tục: có sự
chuyển mạch từ van này sang van kia,
không có sự hoàn trả năng lượng về
lưới. Các đường cong U
d
, I
d
liên tục.
Khi α > π/6 thì Tiristo sẽ được
mở trong khoảng nào tùy thuộc vào
tích chất của tải: nếu tải thuần trở thì


23
t
α
2
A
BC
A
α
1
α
3
α
4
Tải thuần trở
t
A
BCA
Tải điện cảm lớn c. Nhận xét

+ So với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp

L
T6
T4
T2
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT

24 A
B
CA
α
1
α
2
α
3
α
4
α
5
α
6
t
Uf
0
α
7
Tiristo T

đếm
Điều khiển ở nhóm A
α
1
T
1
T
4

α
3
T
3
T
6

α
5
T
5
T
2

Điều khiển ở nhóm K
α
4
T
2
T
3