CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ĐCƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VII.1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN: Các khái niệm bản: - Truyền động điện: (TTĐ) hệ thống (HT) biến đổi điện thành cung cấp cho máy móc công nghiệp, HT cung cấp sức kéo điện (tiếng Anh gọi electric drive) Truyền động điện có nghiã nối trục điện theo sơ đồ sau: Cơ (nguồn) > [Máy phát điện] > Điện > [dây dẫn] > [Đcơ điện] > Cơ (tải) Sơ đồ gặp phương tiện vận tải (tàu biển, xe lửa) máy móc cần nhiều trục quay có phối hợp tốc độ với - Đặc tính cơ, mặt phẳng đặc tính điểm làm việc: Cũng biến đổi (BBĐ) điện tử công suất, BBĐ điện có hai biến trạng thái chính: Momen M tốc độ ω Với thông số hệ thống (hay động cơ), ta có quan hệ M(ω) gọi đặc tính động với tải cụ thể, ta có quan hệ momen cản chuyển động theo tốc độ Mc(ω) gọi đặc tính phụ tải Đặc tính vẽ mặt phảng pha M, ω gọi mặt phẳng đặc tính (tương tự mặt phẳng tải UO,IO điện tử công suất) chia làm phần tư đánh số từ I đến IV Điểm làm việc động điểm (M,ω) đặc tính cơ, cho biết qua hệ hai thông số thời điểm - Phương trình TĐĐ chuyển động: Khi trục nối cứng giả sử ma sát nhớt (ma sát tỉ lệ tốc độ), ta có phương trình chuyển động cho hệ thống có thông số tập trung không đàn hồi ω (phương trình Newton cho chuyển động M c quay): M ωo dw M đ = M − MC = J dt A Mđ gọi momen động chuyển động quay, J momen quán tính toàn HT qui đổi trục động dω /dt gọi gia tốc chuyển động Từ suy trạng thái đcơ: B II I III M IV M > MC: đcơ tăng tốc, M < MC: đcơ giảm tốc M = MC: đcơ không đổi tốc độ hay gọi s có điểm làm việc xác lập Đây giao Hình VII.1.1 Đặc tính động KĐB điểm đặc tính động phụ tải điểm làm việc Điểm làm việc xác lập gọi ổn đònh (tónh) hay cân (bền) có ngoại lực hay nhiễu làm điểm làm việc thay đổi Mđ /Δω < Khi HT có gia tốc chuyển động theo chiều trở điểm làm việc cũ Trang 1/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A Ví dụ: Hình VII.1.1 cho ta đặc tính động không đồng rotor lồng sóc đặc tính phụ tải có trò số không đổi (Momen cản số) Ở tốc độ đồng bộ, momen động A điểm làm việc ổn đònh B điểm làm việc không ổn đònh tónh - Đặc tính số phụ tải thông dụng: Có thể biểu diển đặc tính tải thông dụng dạng MC = k.wn k số, w tốc độ quay, n thông số phụ thuộc vào loại tải: n = 0: Moment tải số, gặp tải dạng ma sát, máy cắt gọt kim loại, nâng vật nặng, máy bơm piston Là loại tải thông dụng tốc độ n = 1: Tải dạng máy phát điện, momen tỉ lệ n ≥ 1: Momen cản tăng nhanh tỉ lệ theo tốc độ Gặp dạng máy bơm ly tâm, loại quạt thông gió Có hai nhóm tải: tải phản kháng momen Hình VII.1.2 Các loại tải: Momen tải cản trở, ngược chiều chuyển động tải (1: năng), (2: phản kháng); Tải máy momen phụ tải không phụ thuộc chiều Ta phát (3) tải quạt gió (4) gặp tải nâng hạ vật nặng Hàm truyền động DC BBĐ: - Hàm truyền động cơ: Khi dòng điện tải liên tục, hàm truyền động DC kích từ độc lập xây dựng từ pt sau U = E + R⋅I + L R L U E dI +ε dt Ce = k φ M = Ce ⋅ I = k φ ⋅ I E = Ce ⋅ ω Hình VII.1.3 Trong đó: U: Điện áp phần ứng động E, I: sức điện động, dòng điện phần ứng động I viết in hoa để giá trò trung bình R: điện trở tương đương sụt áp phần ứng, L: tự cảm mạch điện phần ứng, Tđt = L/R gọi số thời gian điện từ ε: Phản ứng phần ứng động cơ, bỏ qua khảo sát truyền động điện Ce: Hằng số điện từ động chiều, tỉ lệ (hệ số k) vào từ thông φ cuộn kích từ M: momen động cơ, chế độ xác lập momen cản trục ω: tốc độ, tính rad/giây Trong chế độ xác lập, dòng trung bình không đổi, suy ra: Trang 2/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A w= 1 M (U − R ⋅ I ) hay w = (U − R ⋅ I ) = (U − R ) Ce k.φ k.φ k.φ Đây phương trình đặc tính động chiều Nếu dòng tải gián đoạn, ta độ điện từ dòng điện tải xung có dạng không đổi, đạt chế độ tựa xác lập sau thay đổi xung điều khiển: Tđt = Ví dụ: tính thông số động chiều từ số liệu sau: m = 220V, Iđm = 50A, Pđm = 9.1kW, tốc độ đònh mức 1500 vòng/phút Giải: Công suất động tiêu thụ:Pin = 220*50 = 11kWû wđm = (nđm*2π/60 = 157 rad/s Mđm = Pđm/ wđm = 57.93 Nm; Ce = M/I = 1.158; m = wđm*Ce =181.9V => R = (m – m)/Iđm = (220- 181.9)/50 = 0.762 ohm => ΔPR = R.Iđm.Iđm = 1900 W Kiểm tra lại: Pin = Pđm + ΔPR Các tính toán hoàn toàn phù hợp với không với thực tế cho tổn hao khác động tổn hao lõi sắt ma sát, quạt làm mát không Đúng ra, M cung cấp trục động lớn tính toán Pđm Mđm tương ứng công suất, momen sử dụng trục động Do điện trở mạch phần ứng R bé giá trò tính Tính lại: Tổn hao công suất toàn phần: ΔP = Pin - Pđm = 1900 W Giả sử tổn hao điện trở mạch phần ứng ½ tổn hao công suất toàn phần, suy ΔPR = 950 W => R = ΔPR /(Iđm.Iđm) => E =m – R.Iđm => Ce = E/wđm M = Ce.Iđm > Pđm/wđm Với cách tính này, ta tách tổn hao động thành hai phần: tổn hao thay đổi theo dòng điện ΔPR tổn hao không đổi ½ tổn hao công suất cực đại, thể momen cản xem không đổi điện áp đònh mức (ở tốc độ bản), bao gồm ma sat, lực cản gió, tổn hao lõi sắt Tỉ lệ ½ gần thường sử dụng điện trở mạch phần ứng - Hàm truyền BBĐ: Một cách gần đúng, tất BBĐ có dạng khâu trễ ngỏ thay đổi hai lần phát xung điều khiển Hàm truyền BBĐ tuyến tính hóa thành khâu quán tính dạng sau: H ( s ) = K BD e −TBD  K BD + sTBD KBĐ tỉ số trung bình áp VO áp điều khiển K ngỏ vào mạch điều khiểnBBĐ KBĐ xác đònh từ sơ đồ phát xung điều khiển để tạo dạng áp tải tương ứng KBĐ thay đổi theo chế độ tải mạch phát xung Như khảo sát, để có KBĐ không bò ảnh hưởng tải, BBĐ cần làm việc dòng liên tục TBĐ làhằng số thời gian, tính trung bình chu kỳ phát xung điều khiển (thời gian hai xung liên tiếp) Ví dụ: TBĐ BBĐ áp DC chu kỳ T sơ đồ điều rộng xung Khi ngắt điện transistor, có tần số làm việc từ vài kHz đến hàng trăm kHz, ta xem BBĐ khuếch đại không quán tính thời gian trễ TBĐ lúc bé so với quán tính động Trang 3/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A Đặc tính điều chỉnh TĐĐ: Khi điều chỉnh thông số phần điện, đặc tính động thay đổi, quỹ đạo điểm làm việc để động cung cấp momen cực đại mà không hư hỏng (Mcp) gọi làđặc tính điều chỉnh động Đặc tính điều chỉnh hiểu đơn giản momen cho phép Mcp(ω), hay công suất cho phép Pcp(ω) động điều chỉnh tốc độ Đặc tính điều chỉnh giúp ta chọn loại tải để tận dụng khả động ứng phương án điều khiển hay tìm phương án điều khiển thích hợp với loại tải cho trước Các giới hạn động dùng để tính đặc tính điều chỉnh: Áp, dòng, tổn hao động U, I, ΔP không vượt qua giá trò cho phép, lấy trò số đònh mức m, Iđm, ΔPđm điều kiện làm việc động đònh mức Tương tự, dòng kích từ ikt hay từ thông φ không lớn giá trò đònh mức Iktđm, φđm Chỉ số đm tương ứng từ “đònh mức” Ví dụ: Tính đặc tính điều chỉnh động chiều kích từ độc lập: Khi điều khiển áp phần ứng (U < m), từ thông giữ đònh mức, φđm không đổi: => Mcp = K.φđm.Iđm = số Vậy điều khiển áp phần ứng động DC có đặc tính điều chỉnh momen số hay công suất tăng tỉ lệ tốc độ, thích hợp với tải có MC không đổi Khi điều khiển từ thông (φ 0, động làm việc chế độ kéo (drive), chế độ thiết kế Phần tư II IV có momen M ngược chiều tốc độ ω gọi momen hãm, P = M.ω < 0, động chuyển chế độ làm việc thành máy phát: Cơ > điện Vậy chế độ hãm động xuất momen ngược chiều chuyển động hay động biến thành máy phát Nhận xét để hoạt động chế độ hãm, động cần có nguồn năng, Trang 4/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A ví dụ động khác kéo hay hệ thống có lượng tích trữ dạng động hay cần tiêu tán Các chế độ hãm: Quan sát động DC làm việc với nguồn áp, đặc tính đường thẳng phương trình hình VII.1.5 ω hã m tá i sinh wo + độ ng hã m độ ng nă ng II I III IV M hã m ngượ c Hình VII.1.5: Đặc tính động DC kích từ độc lập Io + Io U U _ _ Hãm tái sinh Hãm ngược Khi w > wO (= U/Ce tốc độ không tải lý tưởng), điểm làm việc di chuyển sang phần tư thứ II: ta có chế độ hãm tái sinh (regenerative braking) Khi E = Ce w > U, dòng điện đảo chiều, động biến thành máy phát trả lượng nguồn Khi w < , động đảo chiều quay, điểm làm việc di chuyển sang phần tư thứ IV: ta có chế độ hãm ngược Khi E = Ce w < chiều với áp nguồn làm dòng điện tăng cao ứng với moment hãm lớn Trường hợp xảy ta đóng nguồn theo chiều ngược lại động quay, động hãm nhanh trước khởi động theo chiều ngược lại Tên gọi hãm ngược lực hãm xuất ta yêu cầu động quay ngược chiều Khi U = , động biến thành máy phát, dòng điện I = – E/R đảo chiều làm cho momen M = Ce I < : điểm làm việc di chuyển sang phần tư thứ II, ta có chế độ hãm động (dynamic braking) Khi đó, biến thành điện tiêu tán điện trở mạch Chế độ hãm gọi động thường dùng để hãm dừng động quay, lượng hãm động chuyển động ω M Hình VII.1.6: Quỷ đạo pha hãm dừng dùng điện trở (hãm động năng) Ví dụ: (hình VII.1.6)ø Để dừng nhanh động DC, người ta ngắt nguồn, nối tắt phần ứng R nhỏ Động biến thành máy phát, dòng điện đảo chiều tạo momen hãm động HT tiêu tán mạch phần ứng, phương trình đặc tính động hãm là: R ω=− M Momen hãm giảm nhanh tốc độ không (hình VII.1.4c) ( kφ ) - Ứng dụng chế độ hãm truyền động điện: Động điện làm việc chế độ hãm Trang 5/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A hai trường hợp: * Hãm dừng động quay hay giảm tốc độ: Để dừng hay giảm tốc nhanh động quay tốc độ cao, động phận chuyển động cần tiêu hao Chế độ hãm cho phép biến đổi thành điện tương ứng với momen hãm, tồn trình độ * Hãm động bò kéo ngoại lực, ví dụ hạ tải hay xả cuộn giấy hay tôn Lực hãm động cân lực kéo làm hệ thống chuyển động Khi động làm việc máy phát, biến đổi thành điện b Chế độ hãm tái sinh hệ thống truyền động BBĐ động cơ: Để giúp động làm việc chế + D1 độ hãm, BBĐ cần có khả nghòch lưu S1 (đão chiều dòng điện hay tổng quát io chiều truyền lượng) để chuyển U lượng điện từ tải nguồn Như Uo BBĐ có khả D2 _ S2 này, ví dụ biến đổi sau nghòch lưu: Chỉnh lưu điều khiển pha điều khiển không hoàn toàn (chỉnh lưu Hình VII.1.7a: Điều khiển động chiều dùng SCR + D), BBĐ áp DC sơ đồ phần tư (1 BBĐ áp DC làm việc phần tư quadrant) mặt phẳng tải BBĐ áp DC sơ đồ phần tư cho phép hãm tái sinh động DC dễ dàng làm việc phầøn tư I II: UO > IO đảo chiều (hình VII.1.7a) Chỉ cần giảm trung bình áp UO nhỏ sức điện động E động cơ, dòng tải IO = (UO – E) / R đảo chiều, M < đưa động vào chế độ hãm w w1 A Ví dụ1: (hình VII.1.7b) Điều khiển hãm M dừng xe điện chạy BBĐ hai phần tư Mc nguồn accu Giã sử xe chạy với tốc độ w1 (điểm A) ta muốn dừng Hình VII.1.7b: Quỷ đạo pha hãm hãm tái sinh nhanh Có thể ngắt điện động sử BBĐ hai phần tư cách giảm dần UO dụng thắng khí , động chủ yếu biến thành nhiệt ma sát Nhưng ta giảm dần áp UO BBĐ, dòng điện IO đảo chiều, động biến thành máy phát BBĐ làm việc chế độ tăng áp, nạp lượng trở accu Vì phương pháp gọi hãm tái sinh Nếu BBĐ áp chiều cung cấp chỉnh lưu diod, ta cần có phương tiện tiêu thụ lượng từ tải trả chỉnh lưu diod không chuyển tiếp lượng lưới (xem sơ đồ hãm động biến tần hình VII.1.8) Trong đó, quy trình hãm động DC dùng chỉnh lưu điều khiển pha phức tạp nhiều trình bày mục sau chương Trang 6/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A Đối với biến tần nguồn áp công suất trung bình bé (hình VII.1.8), đầu vào thường chỉnh lưu diod nên BBĐ không trả lượng lưới nghòch lưu nguồn áp lại Chỉnh lưu Diod Hình VII.1.8: Mạch động lực biến tần có khâu trung gian DC nghòch lưu nguồn áp cho phép hãm động Nghòch lưu nguồn áp L C R Q7 A B C có đặc tính thuận nghòch Khi tải nghòch lưu động không đồng làm việc trạng thái hãm, biến thành điện tích trữ tụ lọc C IGBT Q7 điện trở R có nhiệm vụ tiêu thụ lượng để tránh áp mạch điện chiều Việc hãm chuyển động điện tiêu thụ điện (từ biến thành) qua điện trở gọi hãm động (dynamic braking) Ở biến tần công suất lớn, chỉnh lưu đầu vào phải có khả làm việc phần tư thứ hai để trả lượng lưới, ta có hãm tái sinh Các toán TĐĐ: - Điều khiển momen: Momen động cần phải điều khiển để kiểm soát trình tăng, giảm tốc nhiều trường hợp, ta phải điều khiển momen chế độ xác lập Có thể kể: * Vì momen tỉ lệ với dòng điện qua động cơ, việc bảo vệ tải cho động hay biến đổi hạn chế momen không vượt giá trò cho phép làm việc cố hay lam việc bình thường (đặc tính máy xúc) * Một số dạng tải yêu cầu làm việc momen hay lực kéo đặt trước, ví dụ phương tiện vận tải người lái điều khiển tự động theo tốc độ, cấu giấy hay sản phẩm dạng băng cần tốc độ quay thay đổi theo đường kính cuộn - Điều khiển tốc độ: Là toán quen thuộc, tốc độ ảnh hưởng chất lượng suất máy móc Do điều chỉnh ổn đònh tốc độ cho truyền động máy móc công toán TĐĐ - Điều khiển vò trí: số máy móc, ta cần điều khiển vò trí phận công tác ví dụ toạ độ điểm khoan, vò trí bốc dỡ tải cầu trục tự động (không người điều khiển), buồng thang máy Hai toán quan trọng điều khiển vò trí là: * Tác động nhanh: Tối thiểu thởi gian di chuyển Bài toán thường kết hợp với yêu cầu khác hạn chế gia tốc, tốc độ * Dừng xác hạn chế vọt lố: Đây yêu cầu dẫn đến giảm tính tác động nhanh, theo động phải di chuyển dần đến vò trí đích không vọt lố giảm tối thiểu sai số Bài toán điều khiển vò trí thường giải cách chọn sơ đồ điều khiển thích hợp tính toán tín hiệu đặt theo quỹ đạo pha chuyển động tối ưu Quỹ đạo pha chuyển động tối ưu mô tả đơn giản hệ thống cần có đồ thò thích hợp cho tốc độ, gia tốc khởi động, hoạt động giảm tốc trước đến đích Ví dụ: Dùng Simulink để mô trình điều khiển vò trí hiệu chỉnh vòng tối ưu module tín hiệu đầu vào hàm nấc hàm dốc Trang 7/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A Momen, tốc độ, vò trí ba biến trạng thái hệ thống điều khiển vò trí ta sử dụng điều khiển tọa độ Khi đó, ta điều khiển vò trí (vòng cùng) với momen, tốc độ (các vòng trong) giữ giới hạn đònh trước Ta giả sử hệ thống hiệu chỉnh thành vòng tối ưu đối xứng hình VII.1.9 với giá trò bảo hòa ± đơn vò + Sum1 + Sum2 10 Hiệu chỉnh M P1 10 s H3 H2 10s H1 Mux 20 Hiệu chỉnh tốc độ 10 pmult([1 0],[0.5 1])(s) 10 P2 Auto-Scale Graph Gain1 Mux Đặt 5.u(t) + 2.5 Sum3 Hiệu chỉnh vò trí Mô hình hiệu chỉnh vòng tối ưu mo dule, Giả sử đối tượng có tích phân P3 Các khâu bảo hòa +/- đơn vò Hình VII.1.9: Mô hình Simulink hiệu chỉnh vòng tối ưu module Hình VII.1.10a: Kết khảo sát mô hình với tín hiệu đặt hàm nấc Quá trình độ hàm nấc trình bày hình VII.1.10a Ban đầu, sai số vò trí lớn, vòng vò trí bảo hòa: động khởi động lên tốc độ không đổi giá trò giới hạn Quá độ tốc độ có dạng bậc hai tới hạn biết trước Nhận xét momen chưa đạt giá trò giới hạn xuất thay đổi tốc độ Một nhận xét khác hệ thống sai số đầu vào hàm nấc, giống lý thuyết - Điều khiển theo bám (tùy động): Là dạng điều khiển vò trí, vò trí đặt thay đổi theo thời gian động cần phải tác động đủ nhanh để bám theo Tiếp tục ví dụ hình VII.1.9, sử dụng tín hiệu đặt hình tam giác cho hàm nấc, nhận xét hiệu chỉnh module không đạt yêu cầu bám theo hàm dốc (hình VII.1.10b) Như ta biết, để vô sai với hàm dốc cần phải hiệu chỉnh tối ưu đối xứng Có thể dựa vào sơ đồ khối hình VII.1.9 để hiệu chỉnh PI khâu điều khiển vò trí để vòng thành tối ưu đối xứng để kiểm tra Trong thực tế, phần hiệu chỉnh tọa độ, người ta đưa vào phản hồi/hiệu chỉnh song song để cải thiện đặc tính độ dùng mạch analog Khi điều khiển số, thông số Trang 8/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A PID điều chỉnh tự động trình làm việc, thích hợp với trạng thái hệ thống chất lượng động học mong muốn giai đoạn Hình VII.1.10b: Kết khảo sát mô hình với tín hiệu đặt hàm dốc Quá trình khởi động: Động điện tải động: với dòng điện, điện áp tăng theo tốc độ quay Do đóng trực tiếp vào lưới để khởi động, dòng qua động luôn lớn Dòng điện từ đến lần dòng đònh mức, gây sụt áp làm ảnh hưởng tải khác lưới điện Nhất tải động cơ, sụt áp lớn khiến động sụt tốc tăng dòng Vì công suất động lớn hay khu vực yêu cầu chất lượng điện cao, ngøi ta cần có khởi động Khi dòng điện giới hạn giá trò cho phép Khi giảm dòng khởi động, ta cần để ý đến momen khởi động , cần phải lớn momen cản để HT tăng tốc Bộ khởi động có khả điều khiển momen động để hạn chế ứng suất phần tử chuyển động, nhằm tránh hư hỏng, tăng độ bền ví dụ băng tải, thiết bò công nghiệp giấy, in, vải Điều tương đương với việc giới hạn gia tốc chuyển động Trong khởi động chất lượng cao ta đặt trước thời gian khởi động hay tăng tốc (acceleration) tương ứng với dạng đường cong tăng tốc chọn trước, hàm dốc (RAMP) hay chữ S Thời gian khởi động dài gia tốc nhỏ hay momen động, ứng suất nhỏ Tương tự ta chọn thời gian dạng đường cong giảm tốc (deceleration) VII.2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU: Điều khiển động chiều: M LƯỚI Bộ Điều khiển CKT Động Trong công nghiệp, người ta thường L dùng chỉnh lưu điều khiển pha hay BBĐ áp Hình VII.2.1.: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động chiều loại Forward để điều khiển động một chiều chiều Hình III.8.5.a cho ta sơ đồ khối hệ thống điều khiển động chiều dùng biến đổi (bộ điều khiển động hay lái – driver) Cuộn kháng san L mắc nối tiếp động để làm phẳng dòng điện phần ứng Động chiều thường kích từ độc lập hay kích từ nam châm vónh cữu (công suất bé) giữ từ thông φ độc lập với điện áp phần ứng Với hệ thống công suất lớn, động chiều sử dụng loại hổn hợp Khi đó, cuộn dây nối tiếp có nhiệm vụ làm tăng từ thông φ kết momen M động tăng Trang 9/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A tải tăng, làm giảm sụt tốc w Đã từ lâu, động chiều sử dụng hệ truyền động tự động dể điều khiển tốc độ cung cấp momen lớn Công thức cho ta hai vùng điều khiển tốc độ (hình VII.2.2): φ wo - từ thông φ = φđm giảm áp U < m để có tốc độ giá trò U I, M - Giảm φ < φđm giữ áp U = m để có Hình VII.2.2: Sơ đồ khối đặc tính hệ thống điều tốc độ lớn khiển tốc độ động chiều kích tứ độc lập dùng Tốc độ động xác đònh từ biến đổi điều kiện làm việc đònh mức Cách điều khiển thích hợp với đa số tải công nghiệp có momen không đổi theo tốc độ Khi làm việc tốc độ cao (tương ứng với giảm từ thông), momen động giảm phù hợp với chế độ di chuyển không tải hay gia công tinh với momen cản bé Hệ thống chỉnh lưu - động chiều: Trong công nghiệp, ta thường gặp chỉnh lưu điều khiển pha dùng cho điều khiển động chiều Đây BBĐ thích hợp cho điều khiển động chiều công nghiệp công suất lớn lượng điện phân phối dạng xoay chiều SCR rẻ tiền loại linh kiện có điều khiển dòng điện lớn khác Để điều khiển động cơ, dạng sơ đồ cầu thường chọn nối trực tiếp vào lưới điện, điều khiển không hoàn toàn (chỉnh lưu SCR+D) sử dụng công suất trung bình nhỏ đơn giản, rẻ tiền Với tải công suất lớn, chỉnh lưu cầu ba pha dùng SCR thích hợp có dòng điện nguồn đối xứng, nhấp nhô dòng áp tải bé a Hàm truyền chỉnh lưu dạng áp đồng – ảnh hưởng dòng gián đoạn: Áp dụng tính chất chung hàm truyền BBĐ (mục VII.1.2) cho sơ đồ chỉnh lưu, ta có nhận xét sau: - Hằng số thời gian TBĐ chỉnh lưu điều khiển pha T/m (ms) với , m số xung - Hệ số khuếch đại KBĐ = Uo/k thay đổi theo chế độ dòng tải mạch phát xung Khi dòng tải liên tục KBĐ phụ thuộc mạch điều khiển (Xem lại biểu thức trung bình áp ngỏ chỉnh lưu chương III) Dạng áp đồng có ảnh hưởng lớn với KBĐ đặc tính bệ thống khảo sát phần mạch phát xung kích SCR (mục III ), xác đònh quan hệ k góc điều khiển pha α Ảnh hưởng dòng điện gián đoạn: Từ hệ phương trình mô tả động chiều kích từ độc lập , hàm truyền động có hai thời hằng: Tđt mạch phần ứng thời tương ứng với quán tính phần quay Khi hệ thống làm việc dòng gián đoạn, dòng tải xác lập theo xung dòng (so sánh hai hình III.1.2 III.3.3) Suy mạch động lực quán tính điện từ Tđt = Điều ảnh hưởng lớn động học hệ thống sử dụng chỉnh lưu điều khiển pha: hàm truyền hiệu chỉnh HT dòng liên tục gián đoạn khác Khi cần chất Trang 10/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A lượng động học cao, người ta sử dụng hai hiệu chỉnh cho hai trường hợp dòng tải, dùng kiểm tra dòng không để chọn hiệu chỉnh làm việc b Chế độ hãm động chiều làm việc với chỉnh lưu điều khiển pha: (Sự làm việc phần tư mặt phẳng đặc tính hệ thống chỉnh lưu - động chiều) Ta biết chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn làm việc phần tư thứ I (tương ứng với chế độ chỉnh lưu) phần tư thứ IV (chế độ nghòch lưu) mặt phẳng tải U,I Hai chế độ BBĐ tương ứng với chế độ kéo (động cơ) hãm động chiều, Tuy nhiên, động chiều lại làm việc phần tư thứ I II mặt phẳng đặc tính Do ta cần phải đão cực tính phần ứng (hay cuộn kích từ) để có cực tính dòng, áp thích hợp Hình VII.2.3: Hãm đảo chiều động chiều dùng contactor đảo chiều Trong chế độ động cơ, HT làm việc phần tư thứ I (t1): VO, E > Muốn hãm dừng động quay, ta giảm VO cách tăng α, để dòng qua động giảm (t2) Sau khóa xung kích SCR đảo cực tính động để chuẩn bò cho chế độ nghòch lưu Để hạn chế dòng qua BBĐ kích xung trở lại, ta tăng góc α đến giá trò max tương ứng với áp nghòch lưu cực đại giảm dần (t3) Khi trò số tuyệt đối |VO| bắt đầu bé trò số tuyệt đối sức điện động |E| động cơ, dòng điện xuất trở lại (t4) ta có trình hãm Góc kích α giảm dần với biên độ E tốc độ động giảm để trì momen hãm động dừng (t5) Nếu tiếp tục kích SCR giảm góc α, động khởi động quay theo chiều ngược lại (t6), (t7) Trang 11/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A Để dòng điện không cho dòng vượt giá trò cho phép trình hãm, tốc độ giảm góc α phải tương ứng với tốc độ giảm sức điện động tải E I = (Uo – E)/R Vòng điều khiển momen (dòng điện) có khả hạn chế dòng độ Việc đưa góc ĐK pha α giá trò cực đại hãm để tránh dòng khởi động chỉnh lưu gọi kỹ thuật “PHASE BACK”, đảm bảo trung bình áp Uo đóng điện bé (số đại số) sức phản điện E, nên dòng điện lúc không Có thể so sánh kỹ thuật với nguyên lý khởi động mềm biến đổi gặp lại kỹ thuật sơ đồ điều khiển TĐĐ đảo chiều quay Uo c.TĐĐ đảo chiều quay dùng chỉnh lưu điều khiển pha: a Các sơ đồ: Chỉnh lưu điều khiển pha dù cung cấp áp > < dòng cho phép > (làm việc phần tư thứ I IV mặt phẳng tải UO, IO hình VII.2.4) Để đảo chiều dòng điện tải, có hai phương pháp chính: - Sử dụng tiếp điểm đảo chiều (hình VII.2.5a): Hình vẽ có tiếp điểm T đóng, cung cấp chiều dòng tải, T ngắt N đóng dòng tải phép đảo chiều Io + N Tải Lưới _ N Hình VII.2.4 Lưới Tải Lưới T _ Hình VII.2.5 Sơ đồ nguyên lý: (a) Đảo chiều dùng tiếp điểm + T Io Phần tư IV _ + Phần tư I (b) BBĐ đảo chiều KCB - BBĐ đảo chiều: Gồm hai chỉnh lưu cung cấp hai chiều dòng tải, hình A T1 T2 T3 io VII.2.5b sơ đồ nguyên lý hình VII.2.6 B sơ đồ cụ thể với chỉnh lưu ba pha hình C u o1 tia uo Tải b Nguyên lý điều khiển BBĐ đảo T4 T5 T6 chiều: u o2 Để hai BBĐ cung cấp giá trò UO N cho tải, góc điều khiển pha hai BBĐ có quan hệ α1 + α2 = π giả sử dòng tải hình VII.2.6 Bộ chỉnh lưu đão chiều dùng hai chỉnh liên tục Thực vậy: lưu ba pha tia BBĐ cung cấp áp trung bình UO1 với góc α1, BBĐ cung cấp áp UO2 α2 UO =UO1 = Udo.cos α1 = UO2 = -Udo.cos α2 => cos α1 = - cos α2 hay α1 + α2 = π α1 > : BBĐ chỉnh lưu => α2 < : BBĐ nghòch lưu ngược lại Dùø trò trung bình hai BBĐ nhau, giá trò tức thời chúng không làm xuất dòng điện cân (còn gọi tuần hoàn – circulation) chạy qua hai chỉnh lưu chúng làm việc Dòng cân lớn ta phương pháp hạn chế chúng Từ suy cách điều khiển sau: - Điều khiển chung (đồng thời): Hai BBĐ có xung điều khiển có Trang 12/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A có dòng tải, dòng cân hạn chế cuộn kháng KCB qui luật điều khiển thích hợp Có hai cách phối hợp : tuyến tính phi tuyến • Phối hợp tuyến tính: Gọi α1, α2 góc điều khiển pha hai chỉnh lưu Các áp trung bình UO1 = UO2 = UO cho ta α1 = π - α2 Áp cuộn kháng cân ucb = uo1 – uo2 thành phần chiều (trò trung bình 0), • tính tương tự trường hợp chỉnh lưu sáu pha có kháng cân Dòng cân có tác dụng làm dòng qua BBĐ liên tục Phối hợp phi tuyến: Để giảm nhỏ kích thước cuộn kháng cân hạn chế dòng cân giá trò mong muốn, người ta điều khiển cho áp nghòch lưu lớn áp chỉnh lưu: α2 = π + δ - α1 hay α1 + α2 > π w w Nghòch lưu Chỉnh lưu M M Hình VII.2.7: Đăïc tính truyền động đảo chiều điều khiển chung (hay hỗn hợp) điều khiển riêng góc kích SCR cố đònh BBĐ chỉnh lưu kích góc α BBĐ nghòch lưu kích góc π – α Điều khiển chung có lợi mạch điều khiển đơn giản, dòng tải liên tục Bất lợi giá thành tăng có cuộn kháng cân tổn hao công suất cao có dòng cân - Điều khiển riêng: Mỗi lúc cho chỉnh lưu làm việc tương ứng với chiều dòng điện hoạt động hay mong muốn Như dòng cân Với điện áp UO tải, đảo chiều dòng BBĐ chỉnh lưu, lại nghòch lưu ngược lại phá t xung phá t xung điề u khiể n BBĐ α phase back Io Đặ t p Uo Khố i LOGIC phase back chọ n BBĐ phá t xung Ưu điểm quan trọng việc điều khiển điề u khiể n phá t xung riêng mạch động lực rẻ tiền, hiệu suất cao BBĐ π−α điều khiển chung Nhược điểm mạch điều khiển phức tạp đặc tính động kém, cần Hình VII.2.8: Đăïc tính truyền động có thời gian hai BBĐ không làm việc chuyển BBĐ làm việc để tránh trường hợp hai BBĐ dẫn điện Hạt nhân mạch điều khiển chỉnh lưu đảo chiều điều khiển riêng khối LOGIC để chọn hay đònh hướng xung đến hai chỉnh lưu Hai chỉnh lưu dùng chung hay riêng mạch phát xung cần để ý với giá trò áp trung bình UO tải, làm việc chế độ chỉnh lưu có góc điều khiển pha α làm việc chế độ nghòch lưu nhận xung góc π − α Có hai nguyên lý để chọn chỉnh lưu: - Theo tín hiệu đặt ta cần đảo chiều áp ra: chọn làm việc phần tư I hay III - Theo dòng điện tải cần đảo chiều momen, chuyển điểm làm việc từ phần tư Trang 13/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A I sang II Kỹ thuật “phase back “ ứng dụng để tránh dòng cho chỉnh lưu bắt đầu làm việc - Điều khiển hổn hợp: Sơ đồ điều khiển hổn hợp có mạch động lực sơ đồ điều khiển chung điều khiển chung dòng tải bé điều khiển riêng dòng tải lớn Như ta tận dụng tất ưu điểm hai sơ đồ TĐĐ đcơ chiều dùng BBĐ áp chiều: a Giới thiệu chung: BBĐ áp DC dùng để điều khiển động DC trường hợp: - truyền động động chấp hành khai thác ưu điểm sau BBĐ áp DC: tác động nhanh nhờ đóng ngắt tần số cao, sơ đồ làm việc phần tư đơn giản rẻ tiền chỉnh lưu điều khiển pha - Nguồn điện chiều có sẵn trường hợp hệ thống vận tải công cộng nước hay hệ thống vận tải dùng accu Với hai trường hợp, hệ thống sử dụng động không cổ góp tỏ ưu giá thành nghòch lưu giảm nhanh thời gian gần Tuy nhiên, ưu điểm hệ thống BBĐ áp DC điều khiển động làm việc phần tư mặt phẳng đặc tính với chất lượng cao đơn giản, rẻ tiền làm cho phương án đáng ý Việc thiết kế BBĐ áp chiều dùng cho truyền động động chiều có điểm cần lưu ý sau: - Một tổng quát, sơ đồ khối HT không thay đổi so với nguồn hay chỉnh lưu điều khiển pha - Để hạn chế dòng điện, bên cạnh việc sử dụng vòng điều khiển dòng điện, người ta sử dụng mạch lái transistor có hạn dòng (khóa transistor dòng điện vượt giá trò cho phép - xem lại chương 1) Mạch hạn dòng thay vòng dòng điện tải không cần điều khiển momen (như hệ thống điều khiển vò trí cần tác động nhanh hay công suất bé) - Việc chọn sơ đồ động lực điều khiển BBĐ cần đề ý đến yêu cầu hãm động b Các sơ đồ động lực thuật toán điều khiển: + io S R + D U _ L E (a) D1 S1 io U _ + D2 (b) S2 D1 _ D3 io uo U Uo S1 D2 S2 D4 S3 S4 (c ) Hình VII.2.9: BBĐ làm việc phần tư mặt phẳng tải (a), phần tư I II (b), I IV (b1) phần tư (c) Trang 14/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A Có sơ đồ BBĐ áp chiều hình VII.2.9 BBĐ làm việc làm việc phần tư mặt phẳng tải (hình a) cho phép áp, dòng dương sơ đồ đơn giản nhất, chế độ hãm Với BBĐ làm việc làm việc hai phần tư mặt phẳng tải (hình b), dòng điện đão chiều cho phép hãm động động hoạt động phần tư với cầu H (hình c) + S1 U _ D3 io D2 Uo S4 Để dòng điện hai sơ sơ đồ (b) (c) liên tục (b1) nhằm đảm bảo di chuyển nhanh chóng điểm làm việc từ phần tư thứ I qua II, ta cần có đóng ngắt ngược pha hai ngắt điện nối tiếp nhau: S1, S2 hay S3,S4 (điều khiển hoàn toàn) Thật xem sơ đồ (b) Khi S1 đóng, S2 ngắt (và ngược lại), dòng tải đảo chiều mà áp không đổi Ví dụ S1 đóng, áp uo U S2 đóng áp bất chấp chiều dòng điện iO Do sơ đồ (b) làm việc chế độ giảm áp (phần tư I) hay tăng áp (phần tư II) phụ thuộc tương quan trung bình áp UO sức phản điện E động Khi kéo tốc độ cao: UO > E IO > , ta giảm UO Do động phần quay, E không thay đồi tức thời > UO , IO đảo chiều ta có chế độ hãm UO > E trở lại BẢNG TÓM TẮT CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN SƠ ĐỒ CẦU (hình VII.2.9c) Cách điều khiển Phần tư làm việc Đặc điểm S1 = S2 = S4 = S3 phần tư liên tục chất lượng động học tốt nhất, nhấp nhô dòng cao làm tăng tổn hao độâng điều rộng S1, S4 quay I cho quay thuận, ĐK đơn giản, tổn hao, muốn hãm hay thuận, điều rộng S2, S3 III quay ngược đảo chiều cần thay đổi luật điều khiển quay nghòch (hình b1) S1 = S2 cho đk tốc độ, S4 = S3 để chọn chiều quay I, II quay thuận, hãm dừng tốt, đảo chiều cần thay đổi III,IV quay ngược luật điều khiển, tổn hao phần tư liên tục chất lượng động học tốt nhất, nhấp nhô S1 = S2, S4 = S3 dòng thấp sơ đồ phức tạp S1 = S4(wt − π ) ø lệch góc π Sơ đồ (b1) trường hợp sơ đồ (c) ta đóng ngắt S1, S4 (S2, S3 ngắt) để cung cấp dòng dương cho tải đóng ngắt S2, S3 để cung cấp dòng âm Với cách điều khiển này, ta chế độ hãm bổ sung thuật toán Thật vậy, dòng tải đảo chiều ta thay đổi cặp ngắt điện làm việc bở ta giảm UO , IO giảm momen động không Để có lực hãm điện, ta cần chuyển đổi ngắt điện để đảo chiều dòng tải, thuật toán tương tự chỉnh lưu đảo chiều điều khiển riêng: khóa xung S1, S4 -> delay -> đóng xung S2, S3 áp thích hợp tránh dòng Khi hãm dừng, ta nối tắt phần ứng động R nhỏ để hãm động Sự đóng ngắt ngược pha hai ngắt điện nối tiếp (S1, S2 hay S3,S40 có nhược điểm có khả xảy trùng dẫn S1 chưa kòp khóa ta đóng S2 Sự trùng dẫn làm ngắn mạch nguồn, gây hư hỏng ngắt điện dòng Điều loại bỏ bằng cách cho thêm thời gian chết cở microsec ngắt điện làm việc hai khoảng dẫn Trang 15/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A S1, S2 Điều thực mạch phát xung hay mạch trễ khối lái transistor Ví dụ mạch điều khiển BBĐ áp DC công suất bé: Khi dòng qua động < A, ta dùng vi mạch SN754410 hảng Texas Instrument, có vỏ dạng DIP16, có nửa cầu độc lập ghép thành hai cầu Với cổng EX-OR (CD4070 hay MC14070) ta điều khiển cầu tín hiệu: • • • PWM: điều rộng xung EN: cho phép hoạt động có logic cao DIR: Chọn chiều quay Diod phóng điện cần dùng loại phục hồi nhanh, ví dụ FR105 hay FR157 Để tránh tượng trùng dẫn xảy hai transistor nửa cầu chuyển mạch, điện trở nối tiếp nguồn thêm vào Vi mạch SN754410 bảo vệ nhiệt hay dòng số vi mạch điều khiển động khác Các điện trở diod ngỏ vào thực số logic phụ cấm hoạt động EN1 = hay ngỏ vào hở mạch CON1 VCC C1 220u/25v R1 2.2/3W 5V U2A R2 PWM1 U1A 1K D3 R6 EN1 100 CON2 OUT1 R10 DIR1 1K 2 R4 10K D4 R8 10K C2 47u SN754410 D7 6 D11 U1B 14070 CON5 D8 J2 D1 14070 Điều khiển vòng kín động chiều: Với tốc độ, momen động tỉ lệ với điện áp, dòng điện, truyền động điện BBĐ - động chiều hệ thống lý tưởng để thực toán truyền động điện giới thiệu mục VII.1.5: điều khiển momen, tốc độ … Trong công nghiệp người ta thường dùng sơ đồ điều khiển tọa độ (nhiều vòng), tương ứng với đại lượng cần kiểm soát Mục bắt đầu ví dụ sơ đồ điều khiển vòng kín đơn giản, sau giới thiệu số nội dung cụ thể hệ BBĐ - động chiều nguyên lý hệ thống điều khiển tọa độ giới thiệu chương VI a Ví dụ sơ đồ điều khiển vòng kín: Hình VII.2.10 trình bày sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển điều khiển tốc độ động chiều sử dụng chỉnh lưu điều khiển pha, phản hồi âm điện áp, có điều khiển (hạn chế) dòng Trang 16/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A D3 MẠCH ĐỘNG LƯC D4 C1 Phản hồi áp R9 VCC VCC M1 RUN / STOP1 Tạo hàm dốc R12 POT R18 C5 U1B C4 Đến mạch phát xung kích SCR U1C R15 R16 + Phản hồi dòng R11 R13 C3 R17 10 shunt C2 U1A Q5 R8 11 Q4 Ifh Phản hồi dòng - Ufh Phản hồi áp R10 - Ufh R7 - D2 Điều khiển áp - VCC Điều khiển dòng Ifh Hình VII.2.10 mạch đông lực sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển vòng kín động chiều Mạch động lực chỉnh lưu cầu pha hỗn hợp SCR+D Điện trở shunt dùng để phản hồi tín hiệu dòng điện động +Ifh cách lấy sụt áp qua cầu phân áp R7, R9 đưa mạch điều khiển tín hiệu phản hồi áp –Ufh Mạch điều khiển vòng kín bao gồm ba khuếch đại thuật toán (KĐTT) U1A làm nhiệm vụ tạo hàm dốc để điều khiển gia tốc khởi động: Khi công tắc RUN/STOP1 đóng, tụ điện C5 nạp R16 làm áp tăng theo hàm mũ Đây tín hiệu điện áp đặt chỉnh lưu Ở đây, hàm mũ dùng thay cho hàm dốc mạch điện đơn giản U1A mắc theo sơ đồ đệm điện áp, áp ngỏ áp ngỏ vào U1A có tác dụng cách ly, không cho R15 tải tụ C5 U1B điều khiển áp, mạch tích phân tỉ lệ (điều khiển PI) Nó xử lý tín hiệu đặt điện áp dương tín hiệu phản hồi âm áp –Ufh Để tính toán R15, R10 ta để ý chế độ xác lập, mạch cần có ngỏ vào không: −Ufh R15 R15 + R10 = ⇒ = R10 Ufh ( ) Vậy R15 R10 cầu phân áp để có áp ngỏ vào âm KĐTT không R12, C3 đảm bảo chất lượng động học hệ thống, giá trò kết việc tính toán hiệu chỉnh hệ thống tự động hay điều chỉnh trường p điều khiển áp tín hiệu đặt dòng –Iđ có dấu âm U1B mạch khuếch đại đảo U1C mạch điều khiển dòng, hoạt động tương tự mạch điều khiển áp Nó xử lý tín hiệu đặt dòng –Iđ ngõ U1B (qua R17) phản hồi dòng Ifh (qua R8+R11), điều khiển giữ dòng không đổi mạch điều khiển áp bảo hòa, ngỏ không đổi Các mạch lọc dòng, áp C1, R7, R9 R8, C2 cần thiết cho lọc phẳng tín hiệu phản hồi trước đưa mạch điều khiển Nếu ta dùng mạch phát xung kích SCR với đồng cưa độ dốc dương (có - Vcc POT1 góc điều khiển pha α = k = 0), hiệu chỉnh mạch phát xung cần có dời mức cho k = tương ứng ngỏ k1 hiệu chỉnh dòng cực đại: k = - (k1 - Vcc) Khi k1 Ỉ VCC, k Ỉ0 đồng R R 10 k Mạc h ĐKP kích SCR Hình VII.2.11 mạch dời mức Có thể nhận xét sơ đồ vòng kín dùng cho nguồn DC với tải khác nhau, thay Ufh ngỏ cần điều khiển cần Để ý mắc lọc hình T đường phản hồi làm phẳng nhấp nhô dòng, áp tải cách sử dụng khuếch đại đảo dấu dùng Trang 17/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A KĐTT b Các phản hồi thông dụng hệ thống điều khiển động chiều: Như ta biết, hệ thống điều khiển tọa độ yêu cầu phản hồi âm đại lượng cần kiểm soát, momen, tốc độ vò trí mục giới thiệu phương pháp thường sử dụng công nghiệp - Phản hồi momen: Vì momen tỉ lệ với dòng điện phần ứng , đa số trường hợp người ta phản hồi tín hiệu dòng điện cho điều khiển momen Với nguyên lý điều khiển tọa độ (nhiều vòng), dòng điện vòng điều khiển dòng điện hay momen hạn chế đại lượng không vượt giá trò giới hạn xác đònh vòng kế cận: vòng tốc độ Ở động công suất bé hay số mạch điều khiển đơn giản, vòng dòng điện mạch ngắt dùng transistor hình VII.2.12 Khi transistor điện trở thay đổi, làm giảm áp điều khiển K đặt vào mạch kích làm cho áp ngỏ Uo giảm dẫn đến giảm dòng tải tương ứng, cho áp cực BE transistor 0.6 V Biến trở POT cho phép thay đổi tỉ lệ phản hồi dòng, phản tử chỉnh đònh giới hạn dòng mạch Có ba cách lấy tín hiệu dòng điện: dùng điện trở shunt mạch phần ứng, biến dòng đặt phía xoay chiều chỉnh lưu biến dòng chiều dùng cảm biến Hall + Phương án dùng điện trở shunt đơn giản nhất, có bất lợi mạch điều khiển không cách ly điện với mạch động lực khó thực dòng điện lớn lớn + Trong sơ đồ chỉnh lưu cầu, sử dụng biến dòng đặt phía xoay chiều chỉnh lưu ngỏ biến dòng để lấy tín hiệu tỉ lệ với dòng tải (hình VII.2.13) Phương án dễ thực hiện, có độ xác cao cách ly điều khiển – động lực Khối phát xung kích SCR phản hồi dòng R Điện áp Điều khiển BBĐ 300/5 A TI 3 POT TI 1 hình VII.2.12 R 300/5 A Điều Khiển dòng Hình VII.2.13 Sử dụng biến dòng đặt trước chỉnh lưu để đo dòng tải + Với BBĐ áp chiều, sử dụng biến dòng chiều dùng cảm biến Hall hay cảm biến từ trường khác Cảm biến Hall ứng dụng hiệu ứng Hall, tượng điện áp (sức điện động Hall) xuất theo chiều ngang vật liệu có dòng điện phân cực chạy theo chiều dọc đặt từ trường Có thể hình dung sức điện động Hall xuất hạt mang điện bò tác động lực Lorentz nên di chuyển ngang trục Sức điện động cở mV, tỉ lệ với dòng điện phân cực, thành phần cảm ứng từ thẳng góc với mặt phẳng hợp dòng phân cực sức điện động (hình VII.2.13), vật liệu kích thước cảm biến Để thực biến dòng chiều, dòng điện cần đo cho qua cuộn dây để tạo từ trường tác dụng vào cảm biến Hall, từ điện áp đo suy dòng điện kích thích Trang 18/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A - Phản hồi tốc độ: Theo nguyên lý điều khiển tự động, để điều khiển tốc độ, tốt phản hồi tốc độ Có thể dùng máy phát tốc (tacho generator) thiết bò có ngỏ tỉ lệ tuyến tính với tốc độ quay Có ba loại: Dòn g phân cực uo Khuếch đại vi sai Dòng + Máy phát tốc chiều, xoay chiều đo hai loại máy phát điện đặc biệt, có ngỏ điện áp chiều hay xoay chiều tỉ lệ với tốc Hình VII.2.13 Nguyên lý biến dòng độ Ta cần chỉnh lưu lọc phẳng ngỏ chiều máy phát tốc xoay chiều (AC tacho generator) sử dụng điều khiển analog (chương VI) + Máy phát tốc xung (pulse tacho generator, gọi mã hóa góc quay tương đối – incremental rotary encoder) cho chuỗi xung có tần số tỉ lệ với tốc độ quay, chuyển thành điện áp qua biến đổi tần số điện áp, ngày thường dùng độ xác cao giá thành hạ Máy phát tốc xung thích hợp với sơ đồ điều khiển số, có nhiều ngỏ để phục vụ toán điều khiển khác nhau, thông dụng hai ngỏ A B để trích thông tin chiều quay, tốc độ vò trí A B hai chuổi xung lệch ±π/2 phụ thuộc chiều quay (hình VII.2.14) NGHỊCH THUẬN A B CD CU 7 Bộ đếm đảo chiều Hình VII.2.14 Xung AB dạng sóng đếm lên, xuống Chiều quay động xác đònh D flip-flop hình VII.2.15a, vi mạch 4013 D flip-flop kích cạnh lên, làm cho Q = A sớm pha B góc π/2 ngược lại Vò trí trục động xác đònh cách đếm xung, người ta thường dùng đếm lên xuống có đặt trước (preset) họ vi mạch 74193 tác động hai ngỏ vào xung đếm lên CU đếm xuống CD (hình VII.2.15b) Tốc độ đánh giá qua số xung đơn vò thời gian hay qua chu kỳ xung Từ sơ đồ hình VII.2.15, lập trình vi xử lý để thực công việc, thao tác kích cạnh lên thay ngắt Khi không cần xác, ta phản hồi điện áp đặt vào động Với sơ đồ điều khiển giới thiệu, áp đặt vào động giữ ổn đònh, khắc phục sụt áp BBĐ vốn lớn hoạt động vòng hở, trường hợp dòng tải gián đoạn (xem phần đặc tính chỉnh lưu – ) Khi động sụt tốc theo tải, để ý phương trình Trang 19/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A VCC NGHỊCH A 4013 D R2 10k Q Q 12 đếm xuống CD CLK D Hình VII.2.15 (a) Trích thông tin chiều, (b) Tạo xung đếm lên CU, đếm xuống CD từ xung AB phát tốc xung 11 B CU CLK VCC Q đếm lên 10 Q Q R CLK THUẬN S R Q S D R B U1A 4013 A S R1 10k 13 U1B 4013 Bù sụt tốc tải (dòng điện): Sụt tốc theo tải bù lượng phản hồi dương theo dòng điện, cho phép áp đặt vào động tăng lên tải tăng Trong hệ thống rẻ tiền, người ta sử dụng phản hồi âm áp, dương dòng để ổn đònh tốc độ Có thể chứng minh với tỉ lệ thích hợp, sơ đồ tương đương với phản hồi tốc độ, gọi phản hồi cầu tốc độ Tuy nhiên, thực tế sụt tốc theo tải không hàm tuyến tính nên bù hoàn toàn VII.3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC: Nguyên lý hoạt động, phân loại: Động bước thường dùng làm phần tử chấp hành hệ thống tự động, có rotor chuyển động góc xác đònh (gọi bước) cuộn dây cung cấp xung dòng điện, nhờ xung dòng để giữ vò trí xung Nhờ đó, phần tử lý tưởng cho hệ thống điều khiển vò trí với ưu điểm: trực tiếp điều khiển vò trí – không thông qua tốc độ, cần điều khiển vòng hở dùng kỹ thuật số Nhược điểm lớn chế tạo loại công suất bé Có ba loại động bước: Hình VII.3.1 : Động bước loại từ trở (a) Cuộn dây Cuộn dây Cuộn dây 0 0 0 0 0 0 0 0 Cực từ Cuộn dây X Y X Y X Y X Y X 3 thời gian -> luật điều khiển (b) - Động bước loại từ trở (reluctance type) hình VII.3.1, rotor khối sắt từ có di chuyển trước cuộn dây cho từ trở mạch bé tương ứng lực hút (holding torque) lớn cuộn dây tương ứng có dòng điện Phụ thuộc vào thứ tự kích xung cuộn dây ta có di chuyển rotor Với sơ đồ hình VII.3.1a, động có cuộn dây răng, cần xung để rotor ½ vòng hình VII.3.1b - Động bước loại nam châm vónh cửu: có rotor nam châm vónh cửu có lực kéo mạnh kết hợp lực nam châm điện cuộn dây nam châm rotor Hình VII.3.2a trình Trang 20/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A bày cấu tạo động hai cuộn dây có điểm rotor nam châm Dòng điện chảy qua cuộn 1a làm cặp cực từ có cực tính hình vẽ, cực tính đão lại kích vào 1b Như xem động có cuộn dây cực tính hay hai cuộn dây làm Cuộn dây 1a 1000100010001 Cuộn dây 1b 0010001000100 Cuộn dây 2a 0100010001000 (b) Cuộn dây 2b 0001000100010 thời gian -> Hình VII.3.2a: Động bước loại dùng rotor nam châm Cuộn dây 1a 1100110011001 Cuộn dây 1b 0011001100110 Cuộn dây 2a 0110011001100 Cuộn dây 2b 1001100110011 thời gian -> Hình VII.3.3: So sánh momen hai cách điều khiển Hình VII.3.2b: Hai luật điều khiển việc cực tính Sơ đồ xung điều khiển động hình VII.15.b 3.15.c khác chỗ lúc có cuộn dây có điện (single winding two winding) Hình VII.3.3 trình bày momen giữ (holding torque) theo vò trí rotor ứng với hai trường hợp điều khiển động rotor nam châm vónh cửu, gốc tọa độ lấy tâm cuộn dây Momen cực đại trục cực từ rotor cực tính có hoành độ không cực tiểu (âm) ngược cực tính Nhận xét điều khiển với hai cuộn dây có điện cho momen lớn tiêu tán lượng nhiều - Thường gặp loại động bước hỗn hợp với rotor nam châm vónh cửu có hình VII.3.4 Khi với xung, rotor quay góc để có cực có từ trở bé Hình VII.3.4: Động bước hỗn hợp (diện tích đối diện rotor-xtator lớn nhất) Với bố trí xtator rotor thích hợp, ta tăng độ phân giải động lên cao, ví dụ 200 hay 400 bước cho vòng quay - Hình VII.3.5 cho ta sơ đồ nối dây động bước loại pha nối sao, mạch động lực gồm nửa cầu (10 ngắt điện) điều khiển để ngỏ có cực tính theo trình tự cho chiều quay Nguyên tắc ngỏ thay đổi trạng thái theo thứ tự -> -> -> -> (hình VII.17) cho chiều quay ngược lại cho chiều ngược Trang 21/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A Terminal ++++ -+++++ -+ Terminal -+++++ -+++++-Terminal ++ -+++++ -+++ Terminal -+++++ -+++++ -Terminal -+++++ -+++++ time -> Hình VII.3.5: Động bước pha nối b Sơ đồ điều khiển: Hình VII.3.6a VII.3.6b cho ta sơ đồ nguyên lý mạch động lực điều khiển động bước hai loại từ trở nam châm vónh cửu (hay hổn hợp) Tín hiệu điều khiển (control signals) tác động ngắt điện điện tử (switches) – thường transistor (BJT hay FET), đóng ngắt cuộn dây động (motor windings) vào nguồn cấp điện chiều (supply) Hình VII.3.6: (a) Hình VII.3.7: (a) (b) (b) Hình VII.3.7 (a) (b) cho ta hai sơ đồ logic để điều khiển động bước rotor nam châm vónh cửu loại cuộn dây, đóng điện lần hai cuộn dây Xung điều khiển bước (take step) đưa vào chân xung nhòp C (CLK) D flip flop sơ đồ (b) cho phép đảo chiều quay từ tín hiệu chiều (direction) điều khiển cổng EX–OR xung điều khiển bước Cuộn dây động bước xem tải RL bình thường, để có dạng dòng tối ưu: nhanh chóng đạt biên độ lớn (để cho momen quay lớn), sau giảm dòng giá trò bé (hạn chế phát nóng cuộn dây) đủ giữ rotor đứng yên, sơ đồ hình VII.3.8 Trang 22/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A dùng Áp cung cấp tăng lên cao R1 (24V) dùng R3 hạn dòng cho phép xác lập ĐK1 R2 dòng điện lớn qua cuộn dây nhanh chóng với Q1 Q2 đóng Khi rotor động đến vò trí mới: Q1 tắt, nguồn cấp điện cuộn dây Tín hiệu điều khiển 12 V qua D1, đảm bảo dòng điện trì R3 ĐK1 có xung bước 24V Q1 D1 12V Các sơ đồ động lực hình VII.3.7 hay VII.3.8 tạo xung cực tính, thích hợp ĐK2 Dòng qua Q2 R4 với loại cuộn dây (6 đầu ra), với số cuộn dây loại khác (3, pha) hay công suất lớn ta cần ĐK2 R5 xung cực tính Lúc cuộn dây nối với cầu transistor (BBĐ phần tư) hay đầu dây động nối với cầu Hình VII.3.8: Mạch lái cuộn dây cực tính nhiều pha (nghòch lưu nhiều pha) với sơ đồ phát xung với thay đổi Trang 23/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A PHỤ LỤC: TÓM TẮT CÁC PHƯƠNG ÁN TĐĐ CHỈNH LƯU – ĐỘNG CƠ (Theo Ion Boldea) Table 5.1 Phase controlled rectifier circuits Circuit type Power range i1 La ~V1 half wave singlephase ia + eg below 0.5KW Ripple frequency fs Quadrant operation one quadrant - half wave threephase up to 50KW 3fs two quadrant semi-converter single-phase up to 75KW 2fs ~ one quadrant A B C semi-converter three-phase up to 100KW 3fs full converter single-phase up to 75KW 2fs full converter three-phase up to 150KW 6fs D? one quadrant ~ two quadrant A B C two quadrant ~ Dual converter single-phase up to 15KW 2fs Dual converter three phase up to 1500KW 6fs ~ four quadrant A B C A B C four quadrant Trang 24/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A Sơ đồ điều khiển động chấp hành chiều Đây sơ đồ điều khiển vòng kín truyền động chấp hành (servo drive) dùng động chiều Nó gồm có vòng tốc độ (điện áp) dòng điện tương tự hình II.4.8 học thêm số ý tưởng mạch thực tế Trang 25/ chuong DK Dco Mchieu.doc Bài giảng Điện tử công suất II A [...]... lưu sáu pha có kháng cân bằng Dòng cân bằng có tác dụng làm dòng qua các BBĐ luôn liên tục Phối hợp phi tuyến: Để giảm nhỏ kích thước cuộn kháng cân bằng trong khi vẫn hạn chế dòng cân bằng ở giá trò mong muốn, người ta điều khiển cho áp ra nghòch lưu lớn hơn áp ra chỉnh lưu: α2 = π + δ - α1 hay α1 + α2 > π w w Nghòch lưu Chỉnh lưu M M Hình VII.2.7: Đăïc tính cơ truyền động đảo chiều khi điều khiển... Bất lợi là giá thành tăng do có cuộn kháng cân bằng và tổn hao công suất cao do có dòng cân bằng - Điều khiển riêng: Mỗi lúc chỉ cho một bộ chỉnh lưu làm việc tương ứng với chiều dòng điện hoạt động hay mong muốn Như vậy không có dòng cân bằng Với cùng điện áp UO trên tải, khi đảo chiều dòng thì một BBĐ là chỉnh lưu, bộ còn lại là nghòch lưu và ngược lại phá t xung phá t xung điề u khiể n BBĐ 1 α phase ... A PID điều chỉnh tự động trình làm việc, thích hợp với trạng thái hệ thống chất lượng động học mong muốn giai đoạn Hình VII.1.10b: Kết khảo sát mô hình với tín hiệu đặt hàm dốc Quá trình khởi... BBĐ liên tục Phối hợp phi tuyến: Để giảm nhỏ kích thước cuộn kháng cân hạn chế dòng cân giá trò mong muốn, người ta điều khiển cho áp nghòch lưu lớn áp chỉnh lưu: α2 = π + δ - α1 hay α1 + α2 >... - Điều khiển riêng: Mỗi lúc cho chỉnh lưu làm việc tương ứng với chiều dòng điện hoạt động hay mong muốn Như dòng cân Với điện áp UO tải, đảo chiều dòng BBĐ chỉnh lưu, lại nghòch lưu ngược lại