TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Khái niệm chung
1.1.1 Khái niệm Động cơ điện một chiều là loại máy điện biến điện năng dòng một chiều thành cơ năng Ở động cơ một chiều từ trường là từ trường không đổi Để tạo ra từ trường không đổi người ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện được cung cấp dòng điện một chiều Ở máy điện một chiều từ trường là từ trường không đổi Để tạo ra từ trường không đổi người ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện được cung cấp dòng điện một chiều
Có hai loại máy điện một chiều: loại có cổ góp, loại không có cổ góp
Động cơ điện một chiều được phân loại theo kích từ thành những loại sau:
Máy điện một chiều có công suất lớn nhất khoảng 5-10 MW, nhưng hiện tượng tia lửa ở cổ góp đã hạn chế khả năng tăng công suất Điện áp của máy một chiều thường dao động từ 120V đến 1000V, với các mức phổ biến là 240V, 400V và 500V Tuy nhiên, không thể nâng cao điện áp vượt quá giới hạn 35V của các phiến góp.
1.1.2 Ưu điểm của động cơ điện một chiều
Hệ thống điện xoay chiều có nhiều ưu điểm nổi bật như khả năng sản xuất và truyền tải hiệu quả, với cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ dàng vận hành Chính vì vậy, máy phát và động cơ điện xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, động cơ điện một chiều vẫn giữ vai trò quan trọng trong ngành giao thông vận tải và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng, như trong máy cán thép.
Máy điện một chiều, mặc dù có giá thành cao hơn so với động cơ không đồng bộ do sử dụng nhiều kim loại màu và cấu tạo phức tạp, vẫn đóng vai trò quan trọng trong sản xuất hiện đại Ưu điểm nổi bật của động cơ điện một chiều là khả năng hoạt động linh hoạt như động cơ hoặc máy phát điện trong nhiều điều kiện khác nhau Đặc biệt, nó cho phép điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải một cách chính xác, điều mà động cơ không đồng bộ khó có thể thực hiện mà không cần thiết bị biến đổi tốn kém Hơn nữa, cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển của động cơ điện một chiều đơn giản hơn nhưng vẫn đảm bảo chất lượng cao.
Hiện nay, hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ đạt khoảng 75% đến 85%, trong khi động cơ công suất trung bình và lớn có hiệu suất từ 85% đến 94% Công suất tối đa của động cơ điện một chiều có thể lên tới 100.000 kW với điện áp từ vài trăm đến 1000V Hướng phát triển hiện tại tập trung vào cải tiến vật liệu và nâng cao hiệu quả kinh tế của động cơ, đồng thời chế tạo các máy có công suất lớn hơn Tuy nhiên, với kiến thức hạn chế, bài viết này chỉ đề cập đến thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ có khả năng đảo chiều cho động cơ một chiều kích từ độc lập Phương pháp được lựa chọn là bộ băm xung, mặc dù chưa phải là phương pháp kinh tế nhất, nhưng được sử dụng rộng rãi nhờ vào các tính năng và đặc điểm của nó.
Cấu tạo động cơ điện một chiều
Máy điện một chiều bao gồm hai phần chính: phần đứng im (stato) và phần quay (rô to) Chức năng của máy điện một chiều được chia thành phần cảm (kích từ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng) Điểm khác biệt so với máy điện đồng bộ là phần cảm luôn nằm ở phần tĩnh, trong khi phần ứng nằm ở rôto Hình 1.2 minh họa cấu tạo của động cơ điện một chiều với các bộ phận chính.
Máy điện một chiều bao gồm các thành phần chính như thép, cực chính với cuộn kích từ, cực phụ với cuộn dây, hộp ổ bi, lõi thép, cuộn phần ứng, thiết bị chổi, cổ góp, trục và nắp hộp đấu dây Những bộ phận này phối hợp chặt chẽ để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu của máy.
Stato máy điện một chiều là phần cảm, nơi tạo ra từ thông chính của máy Stato gồm các chi tiết sau:
Hình 1.2.1 Cấu tạo các cực của máy điện một chiều a)Cực chính, b)Cực phụ
Hình 1.2.1a minh họa một cực chính với lõi cực 2 được chế tạo từ các lá thép điện kỹ thuật ghép lại, trong khi mặt cực 4 giúp từ thông dễ dàng đi qua khe khí Cuộn dây kích từ 3 được đặt trên lõi cực và cách điện với thân cực nhờ một khuôn cuộn dây cách điện Cuộn dây này, làm từ dây đồng có tiết diện tròn, được tẩm sơn cách điện để chống thấm nước và nâng cao độ dẫn nhiệt Để đảm bảo tản nhiệt hiệu quả, cuộn dây được chia thành nhiều lớp và có rãnh làm mát ở giữa.
Bộ phận sinh ra từ trường trong máy điện gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ Lõi sắt được làm từ các lá thép kỹ thuật điện hoặc thép cacbon dày từ 0.5 đến 1 mm, được ép chặt lại Đối với máy điện nhỏ, có thể sử dụng thép khối Cực từ được gắn chắc chắn vào vỏ máy bằng bulông Dây quấn kích từ được làm từ dây đồng bọc cách điện, mỗi cuộn dây được bọc cách điện kỹ lưỡng và tẩm sơn cách điện trước khi lắp đặt Các cuộn dây kích từ này được đặt trên các cực từ và nối tiếp với nhau.
Cực phụ nằm giữa các cực chính, thường có số cực phụ bằng số cực chính Lõi thép của cực phụ thường được làm từ bột thép ghép lại, và trong các máy có tải thay đổi, lõi thép này cũng có thể được ghép bằng các lá thép Cuộn dây 3 được đặt trên lõi thép 2, với khe khí ở cực phụ lớn hơn khe khí ở cực chính Cực phụ được đặt giữa các cực từ chính nhằm cải thiện việc đổi chiều Lõi thép của cực từ phụ có dây quấn cấu tạo giống như dây quấn của cực từ chính, và được gắn vào vỏ máy bằng các bulông.
Thân máy được chế tạo từ gang hoặc thép, với cực chính và cực phụ gắn liền Tùy thuộc vào công suất, máy có thể có hoặc không có hộp ổ bi; đối với máy công suất lớn, hộp ổ bi thường tách rời Thân máy được kết nối với chân máy, và vỏ máy có bảng định mức hiển thị các thông số quan trọng Nhãn máy thường ghi rõ các đại lượng cần thiết.
Công suất định mức P đm ( KW hay W ) Điện áp định mức U đm ( V )
Tốc độ định mức n đm ( Vòng/phút )
Dòng điện định mức I đm ( A )
Dòng kích từ định mức I ktđm ( A )
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ, và các số liệu về điều kiện sử dụng
Rôto của máy điện một chiều chủ yếu là phần ứng, hiện nay thường sử dụng loại rôto hình trống có răng, được ghép từ các lá thép điện kỹ thuật Đối với các máy có công suất lớn, người ta thiết kế thêm các rãnh làm mát theo bán kính, với các lá thép được ghép thành từng tệp và cách nhau bởi các rãnh làm mát.
Lõi sắt phần ứng là bộ phận quan trọng dùng để dẫn từ, thường được chế tạo từ tấm thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0.5 mm, được phủ lớp cách điện mỏng ở cả hai mặt để giảm thiểu hao tổn do dòng điện xoáy Các lá thép này được dập hình dạng rãnh, giúp dễ dàng đặt dây quấn vào sau khi ép lại.
Dây quấn phần ứng là bộ phận tạo ra sức điện động và cho phép dòng điện lưu thông Thông thường, dây quấn được làm từ dây đồng có lớp cách điện, với dây có tiết diện tròn được sử dụng cho máy điện nhỏ, trong khi máy điện vừa và lớn thường sử dụng dây có tiết diện hình chữ nhật Dây quấn được cách điện với rãnh của lõi thép để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động.
Cuộn dây rôto là một cuộn dây khép kín với các cạnh nối vào phiến góp, tạo thành một cổ góp cách điện với trục Phiến góp, được làm bằng đồng, không chỉ đảm bảo độ dẫn điện tốt mà còn có độ bền cơ học cao và khả năng chống mài mòn.
Thân máy của thiết bị được chế tạo từ gang hoặc thép, với cực chính và cực phụ được gắn chắc chắn Tùy thuộc vào công suất, thân máy có thể chứa hộp ổ bi, trong đó máy có công suất lớn sẽ có hộp ổ bi tách rời Thân máy cũng được kết nối với chân máy và có bảng định mức gắn trên vỏ Cánh quạt được sử dụng để làm nguội máy, trong khi trục máy là nơi đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi.
Trục máy thường làm bằng thép các bon tốt
Cổ góp là thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, cấu tạo từ nhiều phiến đồng cách điện bằng lớp mica dày từ 0.4 đến 1.2 mm, tạo thành hình trụ tròn Hai đầu trụ được giữ chặt bởi hai vành ốp hình chữ V, với lớp cách điện mica giữa vành ốp và trụ tròn Đuôi của vành góp được thiết kế cao hơn một chút để thuận tiện cho việc hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp.
F Thiết bị chổi Để đưa dòng điện ra ngoài phải dùng thiết bị chổi gồm: chổi than được làm bằng than granit vừa đảm bảo độ dẫn điện tốt vừa có khả năng chống mài mòn, bộ giữ chổi được làm bằng kim loại gắn vào stato, có lò so tạo áp lực chổi và các thiết bị phụ khác
Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý chỉnh lưu s.đ.đ xoay chiều thành s.đ.đ một chiều Cụ thể, máy điện đồng bộ này có hai đầu vòng dây nối với phiến góp, nơi có chổi điện luôn tiếp xúc Khi rôto quay, chổi điện duy trì liên lạc với phiến góp, từ đó chỉnh lưu s.đ.đ xoay chiều trong vòng dây thành dòng điện một chiều thông qua hệ thống vành góp và chổi điện.
Khi một máy điện một chiều đã kích từ được kết nối vào lưới điện, dòng điện trong cuộn phần ứng sẽ tương tác với từ trường, tạo ra lực và mômen điện từ làm cho rôto quay với tốc độ n Trong cuộn dây, sđđ cảm ứng Eư sẽ xuất hiện theo công thức Eư = C e ϕn Trong chế độ quá độ, khi tốc độ n và dòng Iư thay đổi, ta có thể sử dụng phương trình phù hợp để mô tả quá trình này.
Hình 14.1 Giải thích nguyên lý động cơ điện một chiều
𝑑𝑡 = 𝑖 ư 𝑅 𝑡 Ở chế độ ổn định (𝑛 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡, 𝐼 ư = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡) ta có:
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU & MỘT SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU TIÊU BIỂU
Giới thiệu
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều rất quan trọng, giúp lựa chọn phương pháp phù hợp cho từng hệ thống riêng biệt.
Động cơ điện một chiều nổi bật về khả năng điều chỉnh tốc độ so với các loại động cơ khác Nó không chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà còn có cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản hơn Hơn nữa, động cơ này đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải tốc độ rộng.
Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều:
Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ
Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kich từ động cơ
Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều luôn cần có bộ biến đổi, cung cấp năng lượng cho mạch phần ứng hoặc mạch kích từ của động cơ Hiện nay, trong ngành công nghiệp, có bốn loại bộ biến đổi chính được sử dụng.
- Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo một máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại (KĐM)
- Bộ biến đổi điện từ: Khuyếch đại từ (KĐT)
- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu tiristo (CLT)
- Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA)
Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như:
Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ)
Hệ truyền động máy điện khuyếch đại - động cơ (MĐkĐ-Đ)
Hệ truyền động khuyếch đại từ - động cơ (KĐT-Đ)
Hệ truyền động chỉnh lưu tiristo - động cơ (T-Đ)
Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA-Đ)
Hệ truyền động một chiều có hai loại điều khiển: theo mạch kín (hệ điều chỉnh tự động) và theo mạch hở (hệ điều khiển “hở”) Hệ điều chỉnh tự động có cấu trúc phức tạp, nhưng mang lại chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ điều động “hở”.
Các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều được phân loại thành hai loại: truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay Tùy thuộc vào phương pháp hãm và đảo chiều, các hệ truyền động này có thể hoạt động ở một góc phần tư, hai góc phần tư hoặc bốn góc phần tư.
Các yêu cầu của điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Ta rút ra được các phương pháp điều chỉnh tốc độ :
Thay đổi điện áp nguồn nạp
Thay đổi điện trở mạch rôto
2.2.1 Điều khiển tốc độ bằng thay đổi điện áp Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển… Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động E b điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiểnU đk Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong
R b và điện cảm L b khác không
Hình 2.2.1.1 Sơ đồ và sơ đồ thay thế ở chế độ xỏc lập Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:
Hình 2.2.1.2 Xác định phạm vi điều chỉnh
Do từ thông của động cơ được giữ ổn định, độ cứng đặc tính cơ cũng duy trì không đổi Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U đk của hệ thống, cho thấy rằng phương pháp điều chỉnh này là triệt để.
Để xác định giải điều chỉnh tốc độ, cần lưu ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị giới hạn bởi đặc tính cơ bản, tương ứng với điện áp phần ứng và từ thông ở mức định mức Tốc độ nhỏ nhất trong dải điều chỉnh phụ thuộc vào yêu cầu về sai số tốc độ và mô men khởi động Khi mô men tải đạt định mức, các giá trị tốc độ lớn nhất và nhỏ nhất được xác định Để đáp ứng khả năng quá tải, đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh cần có mô men ngắn mạch.
Hệ số quá tải về mômen K m là yếu tố quan trọng trong việc xác định độ cứng của các đặc tính cơ Các đường đặc tính cơ song song cho phép chúng ta áp dụng định nghĩa về độ cứng một cách chính xác.
Với cơ cấu máy cụ thể, các giá trị ω 0max, M đm và K m là xác định, cho thấy rằng phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào độ cứng β Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng thiết bị nguồn điều chỉnh, điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ, từ đó cho phép tính toán sơ bộ các thông số liên quan.
Tải có đặc tính mômen không đổi giới hạn giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cứng tối đa ở mức 10 Đối với những máy yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác trong việc duy trì tốc độ làm việc, việc sử dụng các hệ thống “hở” như vậy là không đủ đáp ứng.
Trong hệ truyền động một chiều kích từ độc lập, đặc tính cơ tĩnh được coi là tuyến tính trong phạm vi phụ tải cho phép Khi điều chỉnh điện áp phần ứng, độ cứng cơ học trong toàn dải điều chỉnh là đồng nhất, dẫn đến độ sụt tốc tương đối đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất Nếu tại đặc tính cơ thấp nhất mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị cho phép, hệ truyền động sẽ hoạt động với sai số nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh.
Với các giá trị U đm, ω 0min và S cp đã xác định, có thể tính toán độ cứng tối thiểu của đặc tính cơ mà sai số không vượt quá giới hạn cho phép Để thực hiện điều này, hầu hết các trường hợp yêu cầu xây dựng các hệ truyền động điện dạng vòng kín.
Trong quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng, từ thông kích từ được duy trì ổn định, dẫn đến mômen tải cho phép của hệ thống cũng sẽ không thay đổi.
Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen được xác định bởi hình chữ nhật giới hạn bởi các đường thẳng ω = ω đm và M = M đm cùng với các trục tọa độ Tổn hao năng lượng chủ yếu xảy ra trong mạch phần ứng, khi bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ thống.
Nếu đặt R ư + R ưđ = R thì hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ sẽ là:
Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mômen do động cơ sinh ra đúng bằng mômen tải trờn trục:
M ∗ = M c ∗ và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là M c = (ω ∗ ) x thì:
Hình 2.2.1.3 thể hiện mối quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ làm việc trong các đặc tính tải khác nhau Việc điều chỉnh tốc độ thông qua thay đổi điện áp phần ứng là phù hợp khi mômen tải giữ hằng số trong toàn bộ dải điều chỉnh Ngoài ra, không nên thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng, vì điều này sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ thống.
Hình 2.2.1.3 Quan hệ giữa hiệu suất động và tốc độ với các loại tải khác nhau
2.2.2 Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi từ thông ϕ
Khi M, U = const, và ϕ thay đổi, n sẽ tăng lên Giảm từ thông sẽ làm tăng dòng điện ở rôto, nhưng không ảnh hưởng nhiều đến tử số trong biểu thức (14.9) vì sự giảm điện áp ở R t chỉ chiếm một phần nhỏ so với điện áp U Do đó, khi từ thông giảm, tốc độ sẽ tăng Tuy nhiên, nếu tiếp tục giảm dòng kích từ, sẽ đến lúc tốc độ không thể tăng thêm nữa do mômen điện từ của động cơ cũng giảm Phương pháp này chỉ áp dụng trong trường hợp từ thông giảm mà tốc độ vẫn còn tăng Hình 2.2.2 minh họa đặc tính cơ khi ϕ thay đổi.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng tăng tốc độ từ mức định mức, phạm vi điều chỉnh rộng, tổn hao trong quá trình điều chỉnh thấp, dễ thực hiện và tiết kiệm chi phí.
Nhược điểm: Không điều chỉnh được tốc độ ở dưới tốc độ định mức
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ có nhiều ưu điểm và thường được kết hợp với các phương pháp khác để mở rộng phạm vi điều chỉnh.
Hình 2.2.2 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi từ thông
Lưu ý rằng không nên giảm dòng kích từ xuống giá trị không, vì điều này sẽ khiến máy chỉ còn dòng dư, làm tăng tốc độ quá lớn và gây nguy hiểm cho các cấu trúc cơ khí của động cơ Thông thường, bộ điện trở điều chỉnh được thiết kế để đảm bảo rằng mạch từ luôn kín.
2.2.3 Điều khiển tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ 𝐑 𝐟 trên mạch phần ứng
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều
Tương ứng với việc sử dụng bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động điện như: + Hệ truyền động điện máy phát - động cơ (F-D)
+ Hệ truyền động điện chỉnh lưu Thyristor - động cơ(T-D)
+ Hệ truyền động xung áp - động cơ
Hệ điều khiển có hai loại cấu trúc mạch:
+ Điều khiển theo mạch hở (hệ truyền động điều khiển hở)
+ Điều khiển theo mạch kín (hệ truyền động điều khiển tự động)
2.3.1 Hệ truyền động Máy phát – Động cơ (F - Đ)
Hệ F - Đ là một trong những phương án điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua việc điều chỉnh điện áp phần ứng
Hệ truyền động máy phát động cơ sử dụng bộ biến đổi là máy phát điện một chiều với kích từ độc lập Máy phát này thường được điều khiển bởi động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha, hoạt động với tốc độ không đổi.
Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động F-Đ Đặc điểm của hệ truyền động F- Đ :
+ Tốc độ động cơ Đ có thể đựơc điều chỉnh từ 2 phía:
Phía kích thích máy phát F
Phía kích thích động cơ Đ
+ Hệ F – Đ có đặc tính cơ điền đầy đủ trong 4 góc phần tư:
- Góc phần tư thứ nhất và ba làm việc trong chế độ động cơ
- Góc phần tư thứ hai và bốn làm việc trong chế độ hãm
Phương trình đặc tính cơ:
Hình 3.0 Đặc tính cơ của hệ F- Đ
+ Chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt
+ Phạm vi điều chỉnh rộng ( D = 10 ÷1 )
+ Khả năng quá tải lớn
Do đó hệ truyền động F-Đ thường được dùng trong các máy khai thác công nghiệp mỏ
+ Dùng nhiều máy phát điện quay nên hiệu suất thấp (η < 75%)
+ Máy phát điện một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ
+ Công suất lắp đặt máy phát lớn hơn công suất động cơ, diện tích lắp đặt lớn…
Do những nhược điểm của hệ F – Đ, có xu hướng chuyển sang sử dụng hệ điều áp với bộ biến đổi van - động lực Để mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ, hệ thống máy phát động cơ điện một chiều được áp dụng.
Hình 3.1 Hệ trống truyền động điện máy phát-động cơ a) Sơ đồ, b)Đặc tính cơ khi thay đổi tốc độ.
Trong hệ thống này cả máy phát và động cơ đều là máy điện một chiều kích từ độc lập
Để điều chỉnh tốc độ trong hệ thống máy phát-động cơ, có thể áp dụng các phương pháp như điều chỉnh điện áp nguồn nạp, thay đổi điện trở mạch rôto và điều chỉnh từ thông kích từ động cơ Hệ thống này cho phép phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, có khả năng tăng và giảm tốc độ một cách linh hoạt và mượt mà.
Việc sử dụng nhiều máy điện một chiều dẫn đến chi phí đầu tư cho hệ thống khá cao, do đó hệ thống truyền động điện máy phát động cơ chỉ được áp dụng ở những nơi thật sự cần thiết theo tiêu chí chất lượng Hiện nay, máy phát điện một chiều đã được thay thế bằng bộ chỉnh lưu, tạo ra hệ thống van-động cơ Hệ thống này được cấp điện từ nguồn xoay chiều, có đặc điểm tương tự như máy phát động cơ nhưng với chi phí thấp hơn và độ tin cậy cao hơn.
2.3.2 Hệ truyền động Thysistor – Động cơ(T – Đ)
Hệ truyền động T - Đ cho phép điều chỉnh thời điểm áp dụng xung điện áp lên cực điều khiển, từ đó điều chỉnh điện áp chỉnh lưu một cách hiệu quả.
* Cấu tạo hệ T - Đ bao gồm :
+ Máy biến áp ( MBA ): Chức năng biến điện áp xoay chiều về điện áp phù hợp
+ Thysistor: Là phần từ biến đổi:
- Thysistor mở khi : V A > V K và có xung điều khiển
- Thysistor khoá khi: V A < V K và dòng thysistor giảm về 0
+ Cuộn cảm LK: Có tác dụng san bằng điện áp làm việc
+ Động cơ điện một chiều
Xét trong chế độ dòng gián đoạn:
Khi giá trị cuộn cảm LK không đủ lớn, năng lượng trong cuộn cảm sẽ không đủ để duy trì dòng điện, dẫn đến hiện tượng dòng gián đoạn.
_33_ Đặc điểm của hệ CL – Đ ở chế độ này là dòng điện không ổn định, momen sinh ra không đều, động cơ có tốc độ không được ổn định
Để tối ưu hóa hệ thống CL – Đ trong chế độ dòng gián đoạn, cần áp dụng các phương pháp tự động điều chỉnh đặc biệt Thực tế, việc tăng L d thường được thực hiện để duy trì dòng điện liên tục.
Xét trong chế độ dòng liên tục:
Chỉnh lưu điều khiển có góc mở van α nhất định từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên, cho phép tác động mở từng van vào các thời điểm khác nhau để điều chỉnh dòng i d Việc lựa chọn góc α đảm bảo dòng i d luôn liên tục, giúp duy trì dòng qua động cơ.
Việc chọn thời điểm mở van ta ảnh hưởng đến suất điện động chỉnh lưu E d, từ đó điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ U ư.
Từ sơ đồ thay thế ta có :
Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý của hệ T – Đ
Khi xảy ra hiện tượng trùng dẫn giữa hai ván, sẽ dẫn đến ngắn mạch ở phía thứ cấp của máy biến áp Để ngăn ngừa cháy nổ do ngắn mạch, cần lắp đặt máy biến áp có N N % từ 5 đến 10%.
- Đặc tính cơ của hệ T – Đ
Hình 2.13 Sơ đồ thay thế chỉnh lưu thysistor - động cơ và đặc tính cơ của động cơ
+ Phương trình đặc tính cơ:
Khi thay đổi góc điều khiển α:
- Trong khoảng α =[0 ÷Π /2] thì bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu
Nếu E > 0 , động cơ làm việc ở chế độ động cơ
Nếu E < 0 động cơ làm việc ở chế độ hãm ngược
- Trong khoảng α= [ Π /2 ÷α max ] thì tải có tính chất thế năng Để quay ngược động cơ, lúc này E d và E đổi dấu Nên dòng điện I u vẫn chạy theo chiều cũ,
Động cơ hoạt động ở chế độ hãm tái sinh, trong đó bộ biến đổi hoạt động theo chế độ nghịch, chuyển đổi cơ năng từ tải thành điện năng xoay chiều để trả về lưới điện.
- Ưu nhược điểm của hệ T- Đ
+ Độ tác động nhanh cao
+ Dễ tự động hoá, van có hệ số khuếch đại công suất lớn nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và đặc tính động của hệ thông
+ Điều khiển góc mở van α có thể điều chỉnh tốc độ nhanh
+ công suất điều khiển nhỏ, giá thành rẻ hơn so với các hệ truyền động khác
- Van bán dẫn có dòng phi tuyến, thời gian quá độ sẽ lớn
- Điện áp chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện và ở xấu dạng điện áp của nguồn hoặc lưới
Bộ biến đổi chỉnh lưu điều khiển trong hệ truyền động T – Đ là lựa chọn tối ưu cho động cơ trong mô hình thực tế, nhờ vào khả năng điều chỉnh tốc độ chính xác, êm ái và gọn nhẹ, đồng thời phù hợp với công suất nhỏ và yêu cầu chi phí thấp.
Hình 2.3.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ T – Đ
Bộ biến đổi Thyristor là nguồn điện áp một chiều, có khả năng chuyển đổi trực tiếp dòng xoay chiều thành dòng một chiều Việc điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ biến đổi được thực hiện thông qua việc điều chỉnh góc mở α của van, từ đó tạo ra điện áp chỉnh lưu hiệu quả.
Điện áp không tải ở đầu ra (U d0) có dạng đập mạch với tần số đập mạch n trong chu kỳ 2π của điện áp sơ cấp máy biến áp lực Một bộ biến đổi van bao gồm các thành phần như máy biến áp lực, tổ van, kháng lọc, thiết bị bảo vệ và thiết bị điều khiển.
Sơ đồ thay thế có dạng sau:
Hình 3.2.2: Sơ đồ thay thế chỉnh lưu Thysistor – Động cơ một chiều
Khi van dẫn ta có phương trình:
Hệ (T-Đ) có nhiều ưu điểm nổi bật như tác động nhanh, tổn thất năng lượng thấp, kích thước và trọng lượng nhỏ gọn, không gây tiếng ồn và dễ dàng tự động hóa Các van bán dẫn với hệ số khuếch đại lớn giúp thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng, từ đó nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và động của hệ thống.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CỔ ĐIỂN
Mở đầu
Động cơ DC được ưa chuộng trong nhiều ngành công nghiệp hơn so với động cơ AC nhờ vào đặc tính tốc độ vượt trội Có nhiều phương pháp để điều khiển tốc độ của động cơ DC, giúp tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.
1 Điều khiển điện áp phần ứng
Bộ điều khiển được tối ưu hóa cho các hệ thống vòng kín nhằm nâng cao hiệu suất Các loại bộ điều khiển như P-I, I-P và PID được phát triển thông qua phương pháp điều chỉnh Ziegler-Nichols Sự khác biệt chính giữa bộ điều khiển P-I và I-P đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện kết quả điều khiển.
P là độ lợi tỷ lệ trong hệ thống điều khiển P-I, nằm trong đường dẫn nguồn cấp dữ liệu chuyển tiếp, trong khi trong bộ điều khiển I-P, độ lợi tỷ lệ nằm trong phản hồi con đường.
Bộ điều khiển PID là một giải pháp phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp nhờ hiệu suất vượt trội so với bộ điều khiển P-I và I-P Có nhiều phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID, trong đó phương pháp Ziegler-Nichols được biết đến là một trong những kỹ thuật cơ bản và dễ áp dụng.
Bộ điều khiển logic mờ (FLC) bao gồm cơ sở quy tắc, quá trình làm mờ và các chức năng làm mờ FLC nhận hai đầu vào là lỗi và lỗi phái sinh, cùng với một đầu ra Chúng ta có thể điều chỉnh số lượng quy tắc và chức năng thành viên theo nhu cầu cụ thể Một nhược điểm lớn của bộ điều khiển P-I là hiện tượng vọt lố, điều này không mong muốn trong việc điều khiển tốc độ của động cơ DC Mặc dù bộ điều khiển I-P giúp giảm thiểu độ vọt lố, nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn Do đó, bộ điều khiển PID được áp dụng để khắc phục vấn đề này, mặc dù thời gian phản hồi của nó có thể cao hơn.
Bộ điều khiển mờ loại bỏ hiện tượng vọt lố hoàn toàn và thời gian lắng ít hơn rất nhiều khi so sánh với bộ điều khiển PID.
Mô hình toán học của động cơ
Khi áp dụng điện áp lên dây quấn kích từ, dòng điện sẽ xuất hiện trong dây quấn này và tạo ra từ thông Ф trong mạch từ của máy Tiếp theo, khi đặt điện áp U ư lên mạch phần ứng, dòng điện I ư sẽ chạy qua dây quấn phần ứng Sự tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ sẽ tạo ra mômen điện từ Đây là các phương trình cơ bản của động cơ một chiều.
- Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:
- Sức điện động phần ứng Eư được tính theo biểu thức:
- Mômen điện từ của động cơ được xác định:
- Phương trình cân bằng mô men của động cơ:
Chúng tôi coi một động cơ DC được kích thích riêng biệt là được hiển thị trong hình dưới đây
Hình 1: Động cơ DC được kích thích riêng biệt
Từ (hình 1) bằng cách áp dụng KVL, chúng ta có thể nhận được phương trình vòng phần ứng như:
_48_ Ở đây: V = điện áp áp dụng
Chúng ta có, Đây: K b = hằng số emf θ = dịch chuyển góc w= tốc độ góc
Từ phương trình (1) và (2), chúng ta nhận được: Đối với hoạt động bình thường, phương trình mô-men xoắn được cho bởi:
Chúng ta có, T = K t I và thay thế T L = 0 trong bằng (4)
Các phép biến đổi Laplace cho bằng (3) và (5) cho:
Từ hàm (6) và (7), chúng ta có thể nhận được hàm truyền của Động cơ DC như:
Hình 2: Sơ đồ khối của động cơ DC
(Bảng 1): thông số của động cơ DC
Tham số Giá trị Điện trở phần ứng (R) 0.6Ω Điện cảm phần ứng (L) 0.012H
Emf hằng số (K b ) 0.55(volt/(rad/sec))
Mômen quán tính (J) 0.0465 (kg-m^2/rad)
Hệ số ma sát (B) 0.004 (N-m/(rad/sec))
Thiết kế bộ điều khiển
Bộ điều khiển tích phân tỷ lệ bao gồm hai thành phần chính là độ lợi tỷ lệ và độ lợi tích phân, giúp cải thiện phản ứng tức thời và ổn định hệ thống Việc giảm sai số trạng thái ổn định là một yếu tố quan trọng trong quá trình này Thông qua phương pháp Ziegler-Nichols, chúng ta có thể xác định giá trị của độ lợi tỷ lệ và độ lợi tích phân một cách chính xác.
Hình 3: Sơ đồ khối của bộ điều khiển P-I
Bộ điều khiển được định nghĩa là: Đây:
Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân (I-P) là phiên bản nâng cao của bộ điều khiển tích phân tỷ lệ (P-I), trong đó phần tích phân được tích hợp vào đường truyền tiếp và phần tỷ lệ nằm trong đường phản hồi Một nhược điểm của bộ điều khiển P-I là hiện tượng vượt quá đỉnh cao, và để khắc phục vấn đề này, việc sử dụng bộ điều khiển I-P sẽ giúp giảm thiểu độ vọt lố đỉnh một cách đáng kể.
Hình 4: Sơ đồ khối của bộ điều khiển I-P
Bộ điều khiển PID là thiết bị chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng thời gian thực, nhờ vào những lợi thế vượt trội so với các bộ điều khiển P-I và I-P.
Bộ điều khiển này đưa vào nguồn cấp dữ liệu đường dẫn của hệ thống vòng kín như trong hình dưới đây
Hình 5: sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID đươc định nghĩa là: Đây:
𝑇 𝑖 = thời gian hành động tích hợp
𝑇 𝑑 = thời gian hành động phái sinh
3.3.4 PHƯƠNG PHÁP CHĂM SÓC ZIEGLER-NICHOLS:
Việc điều chỉnh bộ điều khiển là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất của hệ thống Có nhiều phương pháp thiết kế bộ điều khiển, trong đó phương pháp đơn giản và hiệu quả nhất được coi là lựa chọn tối ưu.
Bằng cách thiết lập T i = ∞ và T d = 0 cùng với tỷ lệ chỉ tăng kiểm soát, giá trị mức tăng được nâng từ 0 đến giá trị quan trọng (𝐾 𝑐𝑟) mà đầu ra thể hiện dao động mà không làm hỏng hệ thống Ở giá trị này, cần lưu ý rằng chu kỳ dao động (P cr) đã giảm.
(Bảng 2): giá trị độ lợi bộ điều khiển
3.3.5 BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY: Điều khiển logic mờ là một thuật toán điều khiển dựa trên chiến lược kiểm soát ngôn ngữ, được đúc kết từ chuyên gia kiến thức thành một chiến lược điều khiển tự động Một khối sơ đồ cho một hệ thống điều khiển mờ được cho trong hình dưới đây
Hình 6: sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
Có hai loại lỗi trong hệ thống: lỗi tốc độ đầu vào và thay đổi trong lỗi tốc độ, dẫn đến một đầu ra Hệ thống này bao gồm bảy chức năng thành viên cho đầu vào và bảy chức năng thành viên cho đầu ra.
Hình 7: biến lỗi tốc độ
Hình 8: thay đổi trong biến lỗi tốc độ
Có 49 luật mờ trong hệ thống này Chúng được xác định như:
(Bảng 3): quy tắc mờ Đây:
PM = phương tiện tích cực
(Hình 10): Mô hình liên kết mô phỏng của bộ điều khiển logic mờ