Chng 8: Tổng hợp hệ thống I. Luật điều chỉnh và cấu trúc điều chỉnh. Có nhiều ph-ơng pháp điều khiển đảm bảo cho động cơ KĐB, khi điều chỉnh tần số và điện áp, có khả năng quá tải cao hoặc giữ cho mômen tới hạn không đổi. Một trong những ph-ơng pháp đó là luật điều chỉnh giữ cho từ thông động cơ không đổi trong khi điều chỉnh tần số và điện áp. 1. Luật giữ từ thông không đổi Thực tế ph-ơng pháp điều chỉnh tần số động cơ (đồng thời cũng phải điều chỉnh biên độ điện áp Stato đặt vào động cơ) thông qua từ thông động cơ có thể dùng mạch vòng điều chỉnh trực tiếp từ thông, hoặc cũng có thể dùng điều khiển gián tiếp thông qua các đại l-ợng khác nh- tần số f 1 , điện áp U 1 , dòng điện I 1 và tần số tr-ợt f 2 . Mạch điều chỉnh từ thông trực tiếp nhờ các bộ đo l-ờng gắn vào stato động cơ có nhiều nh-ợc điểm nên thực tế th-ờng sử dụng các ph-ơng pháp gián tiếp. Đối với hệ biến tần nguồn dòng thì tốt nhất là áp dụng ph-ơng pháp điều khiển tần số dòng điện. Bản chất của ph-ơng pháp này là thông qua việc điều chỉnh quan hệ giữa tần số tr-ợt f 2 và dòng điện stato I 1 để giữ cho từ thông của máy điện không đổi. Từ kết quả thu đ-ợc từ lý thuyết ta có đ-ợc quan hệ giữa dòng stato và từ thông rôto: 2 sr m rdm s ).T(1 L I trong đó: T r =L r /R r . Biểu thức trên có nghĩa là nếu muốn giữ từ thông không đổi r = r dm =const, thì dòng điện stato phải đ-ợc điều chỉnh theo độ tr-ợt. -u điểm của ph-ơng pháp này là: đơn giản, dễ thực hiện. Đảm bảo cho dòng điện stato (I 1 ), dòng điện roto (I 2 ), mômen tới hạn (M th ), hệ số tr-ợt tới hạn (s th ) và từ thông động cơ đều không phụ thuộc vào tần số đặc tính tĩnh của động cơ sẽ chuyển dịch song song với nhau và không thay đổi hình dạng khi điều chỉnh tần số. Điều khiển giữ cho r = r dm sẽ tận dụng đ-ợc công suất mạch từ là tối đa. Hơn nữa, khi giữ biên độ từ thông roto không đổi thì vector từ thông roto và vector dòng điện roto luôn vuông góc với nhau trong không gian và do đó mômen điện từ của động cơ hoàn toàn tỷ lệ với biên độ dòng roto. Điều này giống nh- quan hệ giữa mômen và dòng điện phần ứng trong động cơ một chiều kích thích động lập khi từ thông kích từ là định mức. Nh-ợc điểm của ph-ơng pháp này là: Nêu giữ từ thông không đổi mà phụ tải động cơ giảm tăng tổn hao trong động cơ. ở vùng tần số thấp, khi mà sụt áp trên điện trở stato có thể so sánh đ-ợc với sụt áp trên điện cảm tản mạch stato thì từ thông sẽ giảm và do đó mômen tới hạn sẽ giảm. 2. Xây dựng nguyên lý cấu trúc điểu chỉnh. Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều chỉnh giữ từ thông roto không đổi nh- sau: Sơ đồ cấu trúc điều khiển gồm hai kênh điều khiển: + Kênh điều khiển biên độ bao gồm hai mạch vòng điều chỉnh: mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển tốc độ R là tín hiệu đặt của mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Tín hiệu ra của bộ điều chỉnh dòng điện là tín hiệu điều khiển biên độ a dòng I d . + Kênh điều khiển tần số thực hiện quan hệ: m21 fff Trongđó f m : tần số quay r f 2 : tần số tr-ợt (dấu + : ở chế độ động cơ; dấu -: ở chế độ máy phát). Tín hiệu tỉ lệ với dòng điện lấy ra từ đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ R đ-ợc đ-a qua khâu đạo hàm phi tuyến 2 ffI d và qua bộ chuyển đổi A/D ta đ-ợc f 2 . Trong tr-ờng hợp tổng quát đại l-ợng cần điều chỉnh là: +Biên độ dòng điện stato I 1 : 2 1 2 11 yx III ; trong đó I 1x =const, và I 1y tỉ lệ với dòng roto (I 2 ) và do đó tỷ lệ với mômen quay. + Góc pha của vector dòng điện tổng stato với vector từ thông roto: x y I I arctg 1 1 Trong tr-ờng hợp dùng bộ biến tần nguồn dòng thì đại l-ợng điều khiển là dòng điện trong mạch một chiều I d . Để đơn giản trong việc tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng điện R i và tốc độ R ta giả thiết rằng: Kênh điều chỉnh tần số do phần cứng đảm nhiệm sẽ đ-ợc đề cập đến ở ch-ơng 6. Vì vậy ta sẽ tiến hành tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện R i và bộ điều chỉnh tốc độ R theo kênh 1. D R R I a CL NL f 1 A D D A F t +fm f 2 I dw U w U I d Căn cứ vào biểu thức tính toán mômen và dòng điện ta có thể thành lập đ-ợc sơ đồ cấu trúc của hệ thống: )(FT1 L I si 2 s 2 r m rdm S 2 SsMM 2 r 2 s 2 ss r 2 m I).(F.K T1 I. R L 2 3 M a. Cấu trúc khai triển của mạch vòng dòng điện stato Sơ đồ cấu trúc tổng quát mạch vòng điều chỉnh dòng điện nh- sau: Để đơn giản, nếu coi rằng khe hở không khí giữa stato và roto là đều, sự biến thiên của tải đ-ợc phản ánh ở trên điện trở t-ơng đ-ơng trong mạch roto và dây quấn stato nối hình sao thì căn cứ vào sơ đồ thay thế của động cơ KĐB ta có mô hình nh- sau: Trong đó : I d R i CL+ĐK Phụ tải NL+ĐC KĐB I d U đk L d ,R d I rđ U d U đk CL+ĐK R i L d R d 2L 1t 2R 1 2L 2t 2R 2 /s I d I đo + L d , R d : điện cảm, điện trở cuộn kháng lọc (của mạch một chiều trung gian). + L 1t , R 1 : điện cảm tản, điện trở 1 pha stato. + L 2t , R 2 : điện cảm tản, điện trở 1 pha roto quy đổi về stato. + s : hệ số tr-ợt. + CL + ĐK: là khối chỉnh l-u và điều khiển. Ta có hàm truyển đạt của bộ chỉnh l-u: cl CL dk d DKCL Tp K U U W .1 Ư với: K CL là hệ số khuyếch đại của bộ chỉnh l-u T CL = 2 vo T là hằng số thời gian của bộ chỉnh l-u. Việc tổng hợp chính xác mạch vòng dòng điện rất phức tạp, vì thành phần điện trở của vòng dòng điện phụ thuộc vào hệ số tr-ợt s. Do vậy, một cách gần đúng ta bỏ qua các thành phần điện trở điện kháng quy đổi từ roto về stato. Ta đặt: td d LLL RRR 1 1 2 2 Ta có: d d r U. pT1 R/1 pLR U I trong đó R L T => Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển mạch vòng dòng điện. U ud U uđk U ir U iđ + pT1 R/1 - U iđo U id i R CL CL pT1 K K i b. Cấu trúc khai triển của mạch vòng điều chỉnh tốc độ + Mômen điện từ ở chế độ tĩnh có dạng 2 22 2 2 2 ).(. 1 .' 2 3 ssMM rs ssm IFK T I R L pM trong đó s : tốc độ tr-ợt của động cơ; T r =L 2t /R 2 : hằng số thời gian mạch roto Từ đó ta có sơ đồ cấu trúc dạng khai triển mạch vòng tốc độ nh- sau: Từ sơ đồ ta nhận thấy có hai khâu phi tuyến: + Khâu tính độ lớn dòng điện đặt stato (F i ). + Khâu tính mômen điện từ. Vì vậy để dễ dàng trong việc tổng hợp các bộ điều chỉnh, ta tiến hành tuyến tính hoá hệ thống và sau đó áp dụng các chuẩn tối -u để thiết kế các bộ điều chỉnh tuyến tính. Hàm F i ( s ) có thể thay bằng khâu khuếch đại đơn giản: sdm sdm Fisi I KF )( Tuyến tính hoá biểu thức tính mômen động cơ (tại điểm làm việc định mức): s s s s I I MM M        t¹i (M ®m , w s®m , I 1®m ) ta cã: B T1 I2 R Lm 2 3 I M A )T1( T1 I R Lm 2 3M 2 r 2 sdm sdmsdm r 2 s 22 r 2 sdm 2 r 2 sdm 2 sdm r 2 s             * S¬ ®å cÊu tróc d¹ng khai triÓn c¸c m¹ch vßng dßng ®iÖn vµ tèc ®é sau khi ®· tuyÕn tÝnh ho¸ (bá qua hÖ sè thêi gian ®iÖn tõ) I S 2 + - M C I S - U  U i® I d  S U  ® R i R         pT1pT1 R/K CL CL  32 F M X X r 2 m R L 2 3 Jp 1    pT1 K K d0 F i (  ) - - + - + +  I S I d M C   S U  ®t  K d0 R I R       pT1pT1 R/K CL ICL  32 B K Fi A   pT1 K Jp 1 . (I 1 ), dòng điện roto (I 2 ), mômen tới hạn (M th ), hệ số tr-ợt tới hạn (s th ) và từ thông động cơ đều không phụ thuộc vào tần số đặc tính tĩnh của động cơ sẽ chuyển dịch song song với nhau. không đổi Thực tế ph-ơng pháp điều chỉnh tần số động cơ (đồng thời cũng phải điều chỉnh biên độ điện áp Stato đặt vào động cơ) thông qua từ thông động cơ có thể dùng mạch vòng điều chỉnh trực tiếp. do đó mômen điện từ của động cơ hoàn toàn tỷ lệ với biên độ dòng roto. Điều này giống nh- quan hệ giữa mômen và dòng điện phần ứng trong động cơ một chiều kích thích động lập khi từ thông kích