CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ĐCƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU III.1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN: Các khái niệm bản: - TTĐ hệ thống (HT) biến đổi điện -> cung cấp cho máy móc công nghiệp (cung cấp sức kéo điện – electric drive) Truyền động điện (electric drive) 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 - Các phần tư mặt phẳng tải điểm làm việc: Cũng biến đổi (BBĐ) ĐTCS, BBĐ điện có hai biến trạng thái chính: Momen M tốc độ tạo nên mặt phảng pha M, chia làm phần tư đánh số từ I đến IV Điểm làm việc đcơ điểm (M, mặt phẳng Với thông số động cơ, ta có quan hệ M( gọi đặc tính động với tải cụ thể, ta có quan hệ momen cản chuyển động theo tốc độ Mc( gọi đặc tính phụ tải - Phương trình TĐĐ chuyển động: Khi trục nối cứng giả sử ma sát nhớt (tỉ lệ tốc độ), ta có phương trình chuyển động (pt Newton cho chuyển động quay) cho hệ thống có thông số tập trung không đàn hồi: dw M đ M MC J Mđ gọi momen động chuyển động quay, J dt momen quán tính toàn HT qui đổi trục động d /dt gọi gia tốc chuyển động Từ suy trạng thái Đcơ: M > MC: đcơ tăng tốc, M < MC: đcơ giảm tốc M = MC: đcơ không đổi tốc độ hay gọi có điểm làm việc xác lập Đây giao điểm đặc tính động phụ tải Điểm làm việc xác lập gọi ổn định (tónh) hay cân (bền) có ngoại lực hay nhiễu làm điểm làm việc thay đổi Mđ / < Khi HT có gia tốc theo chiều trở điểm làm việc cũ M c M o A B II I M III IV Ví dụ: Hình 3.1 cho ta đặc tính động không đồng rotor lồng sóc đặc tính phụ tải có trị số không đổi s (Momen cản số) Ở tốc độ đồng bộ, Hình 3.1 Đặc tính động KĐB momen động A điểm làm việc ổn điểm làm việc định B điểm làm việc không ổn định tónh Trang 1/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suất II A Đặc tính điều chỉnh TĐĐ: Khi điều chỉnh thông số điện, đặc tính động thay đổi, quỹ đạo điểm làm việc để động cung cấp momen max mà không hư hỏng (Mcp) gọi làđặc tính điều chỉnh động Đặc tính điều chỉnh thường thể dạng momen cho phép Mcp( công suất cho phép Pcp( hay tốc độ thay đổi 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 cơ: Áp U < m ; dòng I < Iđm ; Dòng kích từ ikt < Iktđm hay từ thông < đm (đcơ chiều) Chỉ số đm tương ứng từ “định mức” Ví dụ: Đặc tính điều chỉnh động chiều kích từ độc lập: (hình 3.2) Khi điều khiển áp phần ứng (U < m), từ thông giữ định mức, đm không đổi: => Mcp = K đm.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 Hình 3.2: Đặc tính điều chỉnh động không đổi chiều kích từ độc lập Công < đm), áp phần ứng giữ không đổi, m suất cho phép Pcp = m Iđm = số, tương ứng với công suất động không đổi hay momen giảm tỉ lệ nghịch với tăng tốc độ giảm từ thông Do giảm từ thông động chiều thích hợp cho truyền động máy tiện tiện tinh, có lượng ăn dao nhỏ, cần tốc độ quay lớn để đảm bảo độ bóng suất Giảm từ thông dùng cho chuyển động không tải tốc độ cao Khi điều khiển áp từ thông ( 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 R L U E E R I Ce Ce I dI dt k M E L k I Ce Hình 3.3a Trong đó: U: Điện áp phần ứng động E, I: sức điện động, dòng điện phần ứng động I viết in hoa để giá trị Trang 2/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suất II A 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 : 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 từ cuộn kích M: momen động cơ, chế độ xác lập momen cản trục : tốc độ, tính rad/giây Trong chế độ xác lập, dòng trung bình không đổi, suy ra: w U R I Đây phương trình đặc tính đcơ DC Ce 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 = - 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 định 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 bị 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 tín hiệu điều khiển ngắt điện Khi ngắt điện transistor, ta xem BBĐ khuếch đại tác động tức thời tần số đóng ngắt transistor cao Chế độ hãm TĐĐ: a Khái niệm chế độ hãm: Hai trục tọa độ chia mặt phẳng đặc tính làm phần tương ứng với hai chế độ việc động cơ: Phần tư I III có momen M chiều tốc độ chế độ động cơ: Điện > , P = M > 0, máy điện làm việc điệnPhần tư II IV có momen M ngược chiều tốc độ , P = M < 0, máy điện làm việc chế độ máy phát: Cơ > điện Chế độ gọi làchế độ hãm momen động chống lại chuyển động Các chế độ hãm: Quan sát động DC làm việc với nguồn áp, đặc tính đường thẳng phương trình hình 3.3a Trang 3/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suất II A hã m taù i sinh I I III IV A _ M hã m ngượ c Hình 3.3b: Đặc tính động DC kích từ độc lập V + I + V _ II + + độ ng hã m độ ng nă ng A wo _ _ 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 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 Động không đồng có trình hãm tng tự ta quan sát đặc tính hình 3.1 Trường hợp động làm việc tốc độ lớn tốc độ đồng , M IO đảo chiều Chỉ cần giảm trung bình áp VO nhõ sức điện động E động cơ, dòng tải IO = (VO – E) / R đảo chiều, M < đưa động vào chế độ hãm + D1 S1 Io V _ D2 S2 E>0 V o - Hình 3.4.a:HT truyền động dùng động DC BBĐ áp DC, sơ đồ làm việc phần tư Hình 3.4.b: Quỷ đạo pha hãm dừng BBĐ hai phần tư (hãm tái sinh) cách giảm dần VO Ví dụ1: (hình 3.4b) Điều khiển hãm dừng xe điện chạy BBĐ hai phần tư nguồn accu (hình 3.4.a) Giã sử xe chạy với tốc độ w1 (điểm A) ta muốn dừng nhanh Có thể ngắt điện động sử dụng thắng khí , động chủ yếu biến thành nhiệt masát Nhưng ta giảm dần áp VO BBĐ, dòng điện IO đảo chiều, động biến thành máy phát BBĐ làm việc chế độ tăng áp, nạp lượng trở accu Vì phươngpháp gọi hãm tái sinh M Hình 3.4.c: Quỷ đạo pha hãm dừng dùng điện trở (hãm động năng) Ví dụ2: (hình 3.4b)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 R là: M , Momen hãm giảm nhanh tốc độ không (hình 3.4c) k Trong đó, quy trình hãm động DC dùng chỉnh lưu điều khiển pha phức tạp nhiều trình bày mục sau chương Chỉnh lưu Diod Nghịch lưu nguồn áp L C R Q7 A B C Đối với biến tần nguồn áp công suất trung bình bé (hình 3.5), đầu vào thường chỉnh lưu diod Hình 3.5: Mạch động lực biến tần có khâu trung gian DC nghịch lưu nguồn áp nên BBĐ không trả Trang 5/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suất II A lượng lưới nghịch lưu nguồn áp lại có đặc tính thuận nghịch Khi tải nghịch 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 dùng SCR với khả làm việc phần tư thứ hai, lượng trả lưới: hãm tái sinh Các toán TĐĐ: - Điều khiển momen: Ngoài toán điều khiển momen trình tăng, giảm tốc, nhiều trường hợp cần phải điều khiển momen chế độ xác lập Có thể kể: * Yêu cầu bảo vệ tải (cơ điện) momen làm việc tỉ lệ với dòng điện qua động cố hay lam việc bình thường (đặc tính máy xúc) bảo vệ dòng BBĐ * 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 cuộn giấy, sản phẩm dạng băng cần tốc độ 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 định tốc độ cho truyền động máy móc công toán TĐĐ - Điều khiển vị trí: số máy móc, ta cần điều khiển vị trí phận công tác ví dụ toạ độ điểm khoan, vị trí bốc dỡ tải cầu trục tự động (không người điều khiển), buồng thang máy Hai toán quan trọng điều khiển vị 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 vị trí đích không vọt lố giảm tối thiểu sai số Bài toán điều khiển vị 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 thị 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 vị trí hiệu chỉnh vòng tối ưu module tín hiệu đầu vào hàm nấc hàm dốc Trang 6/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suất II A + Sum1 10 Hiệu chỉnh M + Sum2 10 pmult([1 0],[0.5 1])(s) P1 s H3 H2 10s H1 Mux 20 Hiệu chỉnh tốc độ 10 10 P2 Auto-Scale Graph Gain1 Mux + Đặt 5.u(t) Sum3 2.5 Hiệu chỉnh vị trí Mô hình hiệu chỉnh vòng tối ưu mo dule, Giả sử đối tượng có tích phân P3 Các khâu bảo hòa +/- đơn vị Hình 3.6: Mô hình Simulink hiệu chỉnh vòng tối ưu module Momen, tốc độ, vị trí ba biến trạng thái truyền động điện ta sử dụng điều khiển tọa độ Khi đó, ta điều khiển vị trí (vòng cùng) với momen, tốc độ (các vòng trong) giữ giới hạn định trước Dùng Simulink mô HT kết hiệu chỉnh vòng thành tối ưu module trình bày hình 3.6 Trong ví dụ này, hiệu Hình 3.7a: Kết khảo sát mô hình với tín hiệu đặt hàm nấc chỉnh P dùng hàm truyền đối tượng có tích phân, giả sử không phù hợp động thực không làm thay đổi ý nghóa phương pháp Từ đồ thị, tốc độ số, vị trí tăng tuyến tính theo thời gian, momen động gần không động momen cản Quá độ tốc độ có dạng đường cong bậc hai tới hạn Hình 3.7b: Kết khảo sát mô hình với tín hiệu đặt hàm dốc - Điều khiển theo bám (tùy động): Là dạng điều khiển vị trí, vị trí đặt thay đổi Trang 7/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suất II A theo thời gian động cần phải tác động đủ nhanh để bám theo Hình 3.7 cho thấy hiệu chỉnh thành tối ưu module không đạt yêu cầu bám theo hàm dốc Như ta biết, để vô sai với hàm dốc cần phải hiệu chỉnh tối ưu đối xứng Ta dựa vào sơ đồ khối hình 3.6 để hiệu chỉnh tối ưu đối xứng cho khâu vị trí 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 PID điều chỉnh tự động trình làm việc, thích hợp với trạng thái hệ thống chất lượng động học mong muốn giai đoạn Quá trình khởi động: Động điện tải động: với dòng điện, sụt áp qua 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 định 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 trị 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 bị 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) III.2 TĐĐ ĐCƠ DC DÙNG CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN PHA: Sơ đồ khối: Để điều khiển tốc độ động DC từ lưới công nghiệp, chỉnh lưu dùng để cung cấp áp phần ứng dòng kích từ trình bày hình - Trong HT TĐĐ động DC dùng BBĐ, gười ta thường dùng động kích từ độc lập hay hỗn hợp, dùng động nối tiếp khó điều chỉnh: tốc độ tăng cao không tải CL SCR Lưới ĐC CL Diod hay SCR Mạch kích Đồng - Ở công suất nhỏ đến trung bình k không đảo chiều, chỉnh lưu điều khiển Phản hồi Hiệu không hoàn toàn (SCR + Diod) chỉnh dùng kinh tế đơn giản Ở công suất Đặt tốc độ trung bình lớn hay cần làm việc chế Bộ điều khiển độ hãm, chỉnh lưu điều khiển toàn phần sử dụng BBĐ đảo chiều xét đến cần đảo chiều động hay trả lượng lưới thường xuyên - Chỉnh lưu điều khiển pha dùng cho mạch kích từ cần hoạt động tốc độ cao Trang 8/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suất II A tốc độ bản, ta biết từ ví dụ mục III.1.2, từ thông giảm áp tăng đến giá trị định mức Sơ đồ điều khiển HT chỉnh lưu - Đcơ: Khối phát xung kích SCR phản hồi dòng R 300/5 A Điện áp Điều khiển BBĐ 300/5 A TI 1 hình 3.8a TI POT Điều Khiển dòng R 4 Hình 3.8b Với toán điều khiển momen tốc độ, sơ đồ điều khiển tọa độ cho nguồn DC chương dùng lại cho HT điều khiển tốc độ động DC để ý momen tỉ lệ với dòng điện động tốc độ đại lượng cần điều khiển phản hồi vòng thay cho điện áp Ở động công suất bé hay số mạch điều khiển đơn giản, vòng dòng điện mạch ngắt dùng BJT hình 3.8a Khi transistor điện trở thay đổi, làm giảm áp điều khiển K dến mạch kích giảm áp giảm dòng tương ứng với vị trí biến trở POT, cho áp cực BE BJT 0.6 V Tín hiệu dòng lấy qua shunt + mạch khuếch đại cách ly (ở HT chất lượng cao) hay dùng biến dòng trước chỉnh lưu dòng lưới thành phần DC (hình 3.8b) Do tải trung tính, cần hai biến dòng đủ cho hệ thống pha Để điều khiển tốc độ, tốt phản hồi tốc độ Có thể dùng máy phát tốc loại máy phát điện đặc biệt, có ngỏ tỉ lệ tuyến tính với tốc độ quay Có ba loại: Máy phát tốc DC, AC ( tacho generator) có ngỏ điện áp xung (pulse tacho generator) cho chuỗi xung có tần số tỉ lệ tuyến tính với tốc độ quay Ta cần chỉnh lưu lọc phẳng cho ngỏ AC tacho generator biến đổi tần số điện áp cho phát tốc xung (còn đïc gọi mã hóa góc quay tương đối – incremental rotary encoder) sử dụng điều khiển analog trình bày chương Khi không cần xác, ta phản hồi điện áp ngỏ biến đổi để giữ ổn định áp bù sụt tốc tải (dòng điện) thay đổi Người ta gọi nguyên tắc phản hồi âm áp, dương dòng để ý đến dấu phản hồi Có thể CM (lý thuyết) với tỉ lệ thích hợp, phản hồi cho ta phản hồi tốc độ, gọi phản hồi cầu tốc độ (xem lại hình II.4.8) Bài tập: Tìm hệ số đương phản hồi âm tốc độ để phản hồi âm điện áp c phản hồi dương dòng I tương Hướng dẫn: Đồng hai vế biểu thức áp phản hồi Ufh = – c + I hệ số tỉ lệ – , với Hàm truyền chỉnh lưu dạng áp đồng – ảnh hưởng dòng gián đoạn: Áp dụng tính chất chung hàm truyền BBĐ (mục II.1 5) cho sơ dồ chỉnh lưu, ta có nhận sét sau: - Hằng số thời gian TBĐ chỉnh lưu điều khiển pha 20/m (ms) tần số lưới Trang 9/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suất II A 50 Hz, m số xung - Hệ số khuếch đại KBĐ thay đổi theo chế độ dòng tải mạch phát xung Khi dòng tải liên tục (L tải đủ lớn hay chỉnh lưu đảo chiều điều khiển chung) KBĐ phụ thuộc mạch điều khiển Biểu thức cho trung bình áp ngỏ ra: Vo = Vdo.cos điều khiển hoàn toàn hay Vo Vdo (1 cos ) điều khiển không hoàn toàn Vdo trung bình áp chỉnh lưu diod Quan hệ áp điều khiển k xác định từ sơ đồ phát xung Có thể chứng minh dễ dàng dùng phát xung theo nguyên lý so sánh đồng cosin , KBĐ số Thật vậy, cos (U dk / U db max ) suy K BD Vo / U dk Vdo / U db max - Ảnh hưởng dòng gián đoạn: Như ta biết, mạch động lực quán tính điện từ dòng gián đoạn 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 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 Hãm động DC: ( Sự làm việc phần tư mặt phẳng đặc tính HT chỉnh lưu động DC) 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 ứng với chế độ nghịch lưu Trong chế độ động cơ, HT làm việc phần tư thứ I: VO, E > Muốn hãm dừng động quay, ta giảm VO cách tăng , để dòng qua động giảm (t2) Sau khóa xung kích SCR đảo cực Hình 3.9: Hãm đảo chiều động chiều dùng tính động để chuẩn bị cho chế độ contactor đảo chiều nghịch lưu Để hạn chế dòng qua BBĐ kích xung trở lại, ta tăng góc đến giá trị max tương ứng với áp nghịch lưu cực đại giảm dần (t3) Khi trị số tuyệt đối |VO| bắt đầu bé trị số tuyệt đối sức điện động |E| động cơ, dòng điện xuất trở lại (t4) ta có Trang 10/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suất II A trình hãm Góc kích giảm dần với biên độ E tốc độ động giảm để trì momen hãm động dừng (t5) Việc đưa góc ĐK pha giá trị max hãm để tránh dòng gọi kỹ thuật “PHASE BACK”, đảm bảo trung bình áp đóng điện bé (số đại số) sức phản điện, nên dòng điện qua mạch nối sức phản điện vào BBĐ không Để dòng điện không cho dòng vượt giá trị cho phép trình hãm, tốc độ giảm góc phải tương ứng với tốc độ giảm sức điện động tải E I = (VO – E)/R Vòng điều khiển momen (dòng điện có khả hạn chế dòng độ Ta gặp lại kỹ thuật sơ đồ điều khiển TĐĐ đảo chiều quay 5.TĐĐ đảo chiều quay: 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 VO, IO) hình 3.10a Để đảo chiều dòng điện tải, có hai sơ đồ chính: - Sử dụng tiếp điểm đảo chiều (hình 3.10 b c): Hình vẽ có tiếp điểm T đóng, cung cấp chiều dòng tải, T ngắt N đóng dòng tải phép đảo chiều V o Phần tư I Io Phần tư IV Hình 3.10a + N Tải Lưới _ N Lưới Tải Lưới _ T Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý: (a) Đảo chiều dùng tiếp điểm + T _ + Io (b) BBĐ đảo chiều KCB - BBĐ đảo chiều: Gồm hai chỉnh A T1 T2 T3 lưu cung cấp hai chiều dòng tải, hình 3.10.(c) i B o sơ đồ nguyên lý hình 3.10.(d) sơ đồ C v cụ thể với chỉnh lưu hình tia o1 b Nguyên lý điều khiển BBĐ đảo T4 T5 T6 v Tải chiều: o v Để hai BBĐ cung cấp giá trị VO o2 cho tải, góc đk pha hai BBĐ có N quan hệ sau giả sử dòng tải liên hình 3.10.d tục: BBĐ cung cấp áp trung bình VO1 với góc , BBĐ cung cấp áp VO2 = - cos hay + = VO =VO1 = Vdo.cos = VO2 = -Vdo.cos => cos BBĐ chỉnh lưu => BBĐ nghịch lưu Dùø trị trung bình hai BBĐ nhau, giá trị 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 tổng trở hạn chế chúng Người ta có cách điều khiển sau: - Điều khiển riêng: Mỗi lúc cho chỉnh lưu làm việc tương ứng với chiều dòng Trang 11/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suất II A điện hoạt động hay mong muốn Như dòng cân Với điện áp VO tải, đảo chiều dòng BBĐ chỉnh lưu, lại nghịch lưu ngược lại Nghịch lưu Điều khiển chung hay hổn hợp Chỉnh lưu Điều khiển riêng Hình 3.11a: Đăïc tính truyền động đảo chiều điều khiển chung riêng Ưu điểm quan trọng việc điều khiển riêng mạch động lực rẻ tiền, hiệu suất cao điều khiển chung Nhược điểm mạch điều khiển phức tạp đặc tính động kém, cần có thời gian hai BBĐ không làm việc chuyển BBĐ làm việc để tránh trường hợp hai BBĐ dẫn điện - Điều khiển chung (đồng thời): Hai BBĐ có xung điều khiển có 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 1, góc điều khiển pha hai chỉnh lưu Các áp trung bình VO1 = VO2 = VO cho ta - 2, tương tự = khảo sát điều khiển riêng Áp cuộn kháng cân vcb = vo1 – vo2 thành phần chiều (trị trung Hình 3.11b Hãm đảo chiều động dùng BBĐ đảo bình 0) chiều điều khiển chung tính tương tự kháng cân chỉnh lưu sáu pha có kháng cân Dòng Trang 12/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suất II A 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 trị mong muốn, người ta điều khiển cho áp nghịch lưu lớn áp chỉnh lưu: + - hay + > 2= Điều khiển chung có lợi mạch điều khiển đơn giản, dòng tải liên tục Bất lợi tăng giá thành tổn hao công suất cao có dòng cân Hình 3.11b cho ta trình độ BBĐ đảo chiều điều khiển chung hãm đảo chiều động chiều Để ý hai BBĐ có dòng điện (tối thiểu dòng cân bằng), độ xảy cách liên tục - 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 c Mạch điều khiển chỉnh lưu đảo chiều điều khiển riêng: Ta biết chỉnh lưu kép điều khiển riêng, lúc có chỉnh lưu làm việc Do hạt nhân mạch điều khiển chỉnh lưu đảo chiều điều khiển riêng chọn hay định hướng xung đến hai chỉnh lưu Hai chỉnh lưu dùng chung hay riêng mạch phát xung cần để ý với giá trị áp trung bình VO tải, làm việc chế độ chỉnh lưu có góc điều khiển pha làm việc chế độ nghịch lưu nhận xung góc 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 sang II I Kỹ thuật “phase back “ ứng dụng để tránh dòng cho chỉnh lưu bắt đầu làm việc Ví dụ cho trường hợp chọn chỉnh lưu theo tín hiệu đặt: Khi bắt đầu kích chỉnh lưu 1, để có áp dương, ta bắt đầu cho góc điều khiển pha giá trị max giảm lần đến giá trị làm việc Tương tự, giả sử chỉnh lưu làm việc với VO > (chế độ chỉnh lưu) Khi sức phản điện tải tăng dần, trung bình áp chỉnh lưu không đổi, dòng tải IO = (VO – E)/R giảm lần đến zero Khi đảm bảo dòng qua chỉnh lưu không, kích chỉnh lưu từ góc max giảm dần đến giá trị làm việc – Vo < tương ứng với chế độ nghịch lưu Phản hồi điện áp giúp cho ta tìm đến điểm làm việc phản hồi âm dòng hạn chế khả dòng xảy Để đảm bảo dòng qua chỉnh lưu thật không trước kích chỉnh lưu lại, cần delay bán kỳ trước kích SCR trở lại để tránh khả ngắn mạch hai chỉnh lưu III.3 TĐĐ ĐCƠ DC DÙNG BBĐ ÁP DC: Giới thiệu chung: Như ta biết, BBĐ áp DC dùng để điều khiển động DC trường hợp: - Sử dụng truyền động động chấp hành khai thác ưu điểm sau BBĐ áp DC: tác động nhanh nhờ sử dụng tần số điều rộng xung lớn (với ngắt điện transistor), Trang 13/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suất II A sơ đồ làm việc phần tư đơn giản rẻ tiền chỉnh lưu điều khiển pha Khi dùng cho công suất lớn (vài trăm kW), ưu điểm không ngắt điện thyristor làm việc tần số thấp yêu cầu mạch tắt phức tạp Ngày nay, truyền động DC cho động chấp hành dần bị thay HT truyền động dùng động AC với chất lượng ngày cao - Nguồn điện chiều có sẵn trường hợp hệ thống vận tải công cộng nước hay hệ thống dùng accu Ngay trường hợp này, hệ thống sử dụng động AC tỏ ưu giá thành nghịch lưu công suất lớn giảm nhanh Việc thiết kế BBĐ 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 tích hợp vào mạch lái phận hạn dòng tức thời, khóa transistor dòng điện vượt giá trị cho phép (xem lại chương 1) Mạch hạn dòng thay vòng dòng điện tải không cần hạn chế momen (như hệ thống điều khiển vị trí cần tác động nhanh hay công suất bé) - Việc chọn sơ đồ động lực điều khiển cần đề ý đến khả hãm BBĐ Các sơ đồ động lực thuật toán điều khiển: S1 i o R + V + D2 L E _ S1 io V _ (a) + D1 D2 S2 Vo D1 S3 io Vo V _ D3 S1 D2 D4 S2 (b) S4 (c) Hình 3.12: BBĐ làm việc phần tư mặt phẳng tải (a), phần tư I II (b), I IV (b1) (c) Để dòng điện hai sơ sơ đồ (b) (c) liên tục, 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 V Thật xem sơ đồ (b) Khi S1 đóng, S2 ngắt vàngược lại: dòng tải đảo chiều mà áp không đổi Ví dụ S1 đóng, áp V S2 _ đóng áp bất chấp chiều dòng điện iO Do sơ đồ (b) làm việc chế độ giảm áp (phần tư I) phần tư D3 S1 io D2 Vo S4 (b1) hay tăng áp (phần tư II) phụ thuộc tương quan trung bình áp VO sức phản điện E động Khi kéo tốc độ cao: VO > E IO > , ta giảm VO Do động phần quay, E không thay đồi tức thời > VO : IO đảo chiều ta có chế độ hãm VO > E trở lại Trang 14/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suất II A BẢNG TÓM TẮT CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN SƠ ĐỒ CẦU (hình 3.12c) Cách điều khiển Phần tư làm việc Đặc điểm S1 S2 phần tư liên tục chất lượng động học tốt nhất, lưu ý trùng dẫn, nhấp nhô dòng cao làm tăng tổn hao S4 S3 điều rộng S1, S4 quay I cho quay thuận, muốn hãm hay đảo chiều cần thay đổi thuận, điều rộng S2, S3 III quay ngược luật đk, đk đơn giản, tổn hao, không quay nghịch thể trùng dẫn 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 đk, tổn hao, lưu ý trùng dẫn phần tư liên tục chất lượng động học tốt nhất, nhấp nhô S1 S2, S4 S3 dòng thấp sơ đồ phức tạp nhất, lưu ý S1 S4(wt ) ø lệch trùng dẫn góc Sơ đồ (b1) trường hợp sơ đồ (c) ta đóng ngắt S1, S4 (S2, S3 ngắt) để cung cấp dòng > cho tải đóng ngắt S2, S3 để cung cấp dòng < 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 đó, ta giảm VO , IO giảm vàmomen động không, HT giảm tốc nhờ momen cản tải 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 việc 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,S4) BBĐ áp DC có nhược điểm có khả xảy trùng dẫn hai ngắt điện nối tiếp: S1 chưa khóa ta đóng S2, làm ngắn mạch nguồn Điều loại bỏ khoảng thời gian nhỏ (vài microsec) ngắt điện làm việc hai khoảng dẫn S1, S2, thực chủ động mạch phát xung hay mạch trễ khối lái transistor Ví dụ mạch điều khiển BBĐ áp DC công suất bé ( < 5A, < 36 V) Sau số sơ đồ ĐƠN GIẢN, mạch cải thiện đóng ngắt, dùng công suất bé, tần số thấp - 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 Trang 15/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suất II A CON1 VCC C1 220u/25v R1 2.2/3W 5V U2A U1A R2 1K PWM D1 14070 CON2 OUT1 2 R4 10K EN J2 R10 R8 10K 1K DIR SN754410 D7 6 D11 U1B 14070 C2 47u 4 D4 - MosFET keânh n IRF540 (IDmax = 33 A) bổ phụ IRF9540 (kênh p) lái trực tiếp optron ta không yêu cầu đặc tính đóng ngắt tốt sơ đồ sau: VCC VCC V OPTO1 OPTO3 (từ 12 đế n 24V) 3k3 12V 330 - + 1k A M? 1k 1k Q2 OPTO4 3k3 12V 4 3k3 330 1k Q4 OPTO2 Q3 Q1 12V 4 3k3 12V D21 D20 Q10 CHẠ Y (Thuậ n) Q11 Q12 HÃ M (độ ng nă ng) CHẠ Y (Nghịch) Hình 3.13: Một số sơ đồ cầu với mạch lái đơn giản VCC V hay cao thay đổi điện trở hạn dòng LED đầu vào optron Các diod ổn áp 12V dùng để bảo vệ áp cho cổng MosFET áp phân cực lớn 20 V Transistor hãm động Q11 cho phép thực việc hãm động vô hiệu hóa transistor chạy thuận Q10 nghịch Q11, cấp điện cho OPTO1 OPTO3 phân cực cho Q1 Q3 dẫn điện, nối ngắn mạch động Lưu ý dòng ngắn mạch tức thời tăng đến giá trị lớn, làm hỏng MosFET Tín hiệu CHẠY thuận nghịch đảo CHẠY nghịch để điều khiển phần tư Khi cần có biện pháp đề phòng trùng dẫn MosFET mắc nối tiếp Ngoài ra, Trang 16/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suất II A để tránh khả tác động nhằm, cần có liên động ba tín hiệu điều khiển để tránh ngắn mạch nguồn (như sơ đồ điều khiển động nhỏ dùng vi mạch SN754410) III.4 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 định (gọi bước) cuộn dây cung cấp xung dòng điện, nhờ xung dòng để giữ vị trí xung Nhờ đó, phần tử lý tưởng cho hệ thống điều khiển vị trí với ưu điểm: trực tiếp điều khiển vị 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: - Động bước loại từ trở (reluctance type) hình 3.14, 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 Cuộn dây Cuộn dây Cuộn dây Cực từ Cuộn dây X Y X Y X Y X Y X 3 thời gian -> Hình 3.14: (a) 0 0 0 0 0 0 0 0 (b) xung cuộn dây ta có di chuyển rotor Với sơ đồ hình 3.14.a, động có cuộn dây răng, cần xung để rotor ½ vòng hình 3.14.b - 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 3.15.a trình 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 việc cực tính Sơ đồ xung điều khiển động hình 3.15.b 3.15.c khác chỗ lúc có cuộn dây có điện (single winding two winding) Hình 3.16 trình bày (a) Cuộn dây 1a 1000100010001 Cuộn dây 1b 0010001000100 Cuộn dây 2a 0100010001000 Cuộn dây 2b 0001000100010 thời gian -> Hình 3.15: Cuộn dây 1a 1100110011001 Cuộn dây 1b 0011001100110 Cuộn dây 2a 0110011001100 Trang 17/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suất II A (b) Cuộn dây 2b 1001100110011 thời gian -> Hình 3.15.c: Hình 3.16: momen giữ (holding torque) theo vị trí rotor ứng với hai trường hợp điều khiển động rotor nam châm vónh cửu Trục tung ứng với trục 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 để tăng độ phân giải (số bước vòng) Terminal ++++ -+++++ -+ Terminal -+++++ -+++++-Terminal ++ -+++++ -+++ Terminal -+++++ -+++++ -Terminal -+++++ -+++++ time -> Hình 3.17: Động bước pha nối - Hình 3.17 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 3.17) cho chiều quay ngược lại cho chiều ngược b Sơ đồ điều khiển: Hình 3.18: Trang 18/ chuong 3.doc (a) (b) Dàn Điện tử công suất II A Hình 3.19: (a) (b) Hình 3.18.a 3.18.b cho ta sơ đồ R1 nguyên lý mạch động lực điều khiển động ĐK1 R2 bước hai loại từ trở nam châm vónh cửu (hay hổn hợp) Tín hiệu điều khiển (control signals) tác động ngắt điện điện tử Tín hiệu điều khiển (switches) – thường transistor (BJT hay R3 ĐK1 FET), đóng ngắt cuộn dây động (motor windings) vào nguồn cấp điện chiều (supply) ĐK2 Hình 3.19 (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 nhịp C (CLK) D R4 ĐK2 Q2 24V Q1 D1 12V Dòng qua cuộn dây R5 Hình 3.20: Mạch lái cuộn dây cực tính 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 trị bé (hạn chế phát nóng cuộn dây) đủ giữ rotor đứng yên, sơ đồ hình 3.20 dùng Áp cung cấp tăng lên cao (24V) dùng R3 hạn dòng cho phép xác lập dòng điện lớn qua cuộn dây nhanh chóng với Q1 Q2 đóng Khi rotor động đến vị trí mới: Q1 tắt, nguồn cấp điện cuộn dây 12 V qua D1, đảm bảo dòng điện trì có xung bước Các sơ đồ động lực tạo xung cực tính, thích hợp với loại cuộn dây (6 đầu ra), với số loại khác (3, pha) hay công suất lớn ta cần xung cực tính Lúc cuộn dây nối với cầu transistor (BBĐ phần tư) hay đầu dây động nối với cầu nhiều pha (nghịch lưu nhiều pha) với sơ đồ phát xung với thay đổi Trang 19/ chuong 3.doc Dàn Điện tử công suaát II A ... đảo chiều động chiều Để ý hai BBĐ có dòng điện (tối thiểu dòng cân bằng), độ xảy cách liên tục - Điều khiển hổn hợp: Sơ đồ điều khiển hổn hợp có mạch động lực sơ đồ điều khiển chung điều khiển. .. 300/5 A Điện áp Điều khiển BBĐ 300/5 A TI 1 hình 3.8a TI POT Điều Khiển dòng R 4 Hình 3.8b Với toán điều khiển momen tốc độ, sơ đồ điều khiển tọa độ cho nguồn DC chương dùng lại cho HT điều khiển. .. liên động ba tín hiệu điều khiển để tránh ngắn mạch nguồn (như sơ đồ điều khiển động nhỏ dùng vi mạch SN754410) III.4 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC: Nguyên lý hoạt động, phân loại: Động bước thường dùng