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 Động cơ điện một chiều đƣợc phân loại theo kích từ thành những loại sau: Kích từ độc lập
Máy điện một chiều có công suất lớn nhất khoảng 5-10 MW, tuy nhiên 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 Việc tăng điện áp lên mức cao hơn nữa là không khả thi do giới hạn điện áp của các phiến góp chỉ đạt 35V.
1.1.2 Ƣu điểm của động cơ điện một chiều
Hệ thống điện xoay chiều có nhiều ưu điểm vượt trội như đơn giản trong cấu tạo, công suất lớn và dễ vận hành, dẫn đến việc sử dụng rộng rãi của máy phát và động cơ điện xoay chiều 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, như máy cán thép hay đầu máy điện Mặc dù giá thành cao hơn do sử dụng nhiều kim loại màu và cấu tạo phức tạp hơn, động cơ điện một chiều vẫn không thể thiếu trong sản xuất hiện đại nhờ vào khả năng điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Đặc biệt, động cơ điện một chiều có thể hoạt động hiệu quả mà không cần các thiết bị biến đổi đắt tiền, đồng thời có cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản nhưng vẫn đạt chất lượng cao.
Hiện nay, hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ đạt khoảng 75% - 85%, trong khi động cơ công suất trung bình và lớn có hiệu suất từ 85% - 94% Động cơ điện một chiều có công suất lớn nhất lên tới 100.000 kW và điện áp dao động từ vài trăm đến 1000V Hướng phát triển hiện tại tập trung vào việc cải tiến vật liệu và nâng cao hiệu quả kinh tế của động cơ, đồng thời chế tạo các máy công suất lớn hơn Tuy nhiên, do kiến thức còn hạn chế, bài viết này chỉ tập trung vào thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ có 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 vẫn được ứng dụng phổ biến.
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 được chia thành hai phần: phần cảm (kích từ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng) Khác với máy điện đồng bộ, trong máy điện một chiều, phần cảm luôn nằm ở phần tĩnh, trong khi phần ứng ở rôto Hình 1.2 minh họa cấu tạo của động cơ điện một chiều với các bộ phận chính.
Stato máy điện một chiều là phần cảm, nơi tạo ra từ thông chính của máy Stato gồm các chi tiết sau:
Máy điện một chiều bao gồm nhiều thành phần quan trọng 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 cùng nhau tạo nên cấu trúc và chức năng của máy, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Hình 1.2.1 Cấu tạo các cực của máy điện một chiều a)Cực chính, b)Cực phụ a) b)
Cực chính trong hình 1.2.1a bao gồm lõi cực 2 làm từ các lá thép điện kỹ thuật, và mặt cực 4 giúp từ thông dễ dàng qua khe khí Cuộn dây kích từ 3, được đặt trên lõi cực, cách điện với thân cực nhờ khuôn cuộn dây cách điện Cuộn dây này được làm bằng 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 các lớp, cách nhau bằng rãnh làm mát.
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 của cực phụ cũng 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.
Thân máy được chế tạo từ gang hoặc thép, với cực chính và cực phụ được gắn chắc chắn vào thân máy Tùy thuộc vào công suất của máy, có thể có hoặc không có hộp ổ bi bên trong Đối với máy có công suất lớn, hộp ổ bi thường được thiết kế rời khỏi thân máy Thân máy cũng được kết nối với chân máy, và trên vỏ máy có bảng định mức hiển thị các thông số kỹ thuật quan trọng.
Công suất định mức P đm
Tốc độ định mức n đm Điện áp định mức U đm
Dòng điện định mức I đm
Dòng kích từ định mức I ktđm
Rô to của máy điện một chiều chủ yếu là phần ứng, thường được thiết kế dưới dạng hình trống với các răng ghép từ lá thép điện kỹ thuật Đối với các máy có công suất lớn, người ta còn tích hợp các rãnh làm mát theo bán kính, với các lá thép được ghép thành từng tệp và cách nhau bằng các rãnh làm mát.
Cuộn dây rôto là một cuộn dây khép kín với các cạnh nối với phiến góp, được cách điện với nhau và với trục để tạo thành cổ góp Phiến góp, làm từ đồng, mang lại khả năng dẫn điện tốt cùng với độ bền cơ học và khả năng chống mài mòn.
F Thiết bị chổi Để đƣa dòng điện ra ngoài phải dùng thiết bị chổi gồm: chổi than đƣợc làm bằng than granit vừa đảm bảo độ dẫn điện tốt vừa có khả năng chống mài
Hình 1.2.2.Kích thước ngang của cổ góp
1-Phiến góp,2-Ép vỏ ,3-cách điện, 4- phiến cách điện,5-ống cổ góp,6-chổi
2 mòn, bộ giữ chổi đƣợc làm bằng kim loại gắn vào stato, có lò so tạo áp lực chổi và các thiết bị phụ khác.
PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ
Khi kết nối máy điện một chiều đã kích từ vào lưới điện, dòng điện sẽ chạy qua cuộn phần ứng, tạo ra từ trường và lực tác động Chiều của lực được xác định theo quy tắc bàn tay trái, dẫn đến việc tạo ra mômen điện từ, làm cho rôto quay với tốc độ n Trong cuộn dây, sẽ xuất hiện suất điện động cảm ứng E ư = Ce n, và trong chế độ quá độ, khi tốc độ n và dòng I ư thay đổi, ta có phương trình liên quan.
Hình 1.2.3 mô tả thiết bị chổi bao gồm các thành phần như thanh giữ chổi, ốc vít, dây dẫn, cách điện, giữ chổi, chổi, lò xo, đòn gánh, dây dẫn điện ra và ốc giữ chổi Những bộ phận này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và độ bền của thiết bị chổi.
U - - - Ở chế độ ổn định (n = const, I ƣ = const) ta có:
ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.4.1 Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập và song song Đặc tính cơ là mối quan hệ hàm giữa tốc độ và mômen điện từ n = f(M) khi Ikt = const
Dòng kích từ đƣợc xác định bằng:
I U kt kt kt và = K 1 i kt e t e C
I C n U - Rút I ƣ thay vào ta đƣợc:
Hình 1.4.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song: a)Sơ đồ, b)Đặc tính cơ
Do I kt = const nên = const ta được phương trình: n = n0 – BM
C e n 0 U gọi là tốc độ không tải, còn 2 m e t
Về mặt toán học, đường thẳng (hình 1.4.1b) thể hiện đặc tính của máy điện, nhưng các hiện tượng vật lý cũng ảnh hưởng đến tính chất này Khi tải tăng, phản ứng phần ứng làm giảm từ thông chính, dẫn đến sự biến dạng trong đặc tính cơ Nếu động cơ có điện trở điều chỉnh trong mạch phần ứng, giá trị của hằng số sẽ được xác định như sau:
1.4.2 Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp Đó là mối quan hệ n = f(M) với U = U đm , R đc = const Sơ đồ động cơ kích từ nói tiếp biểu diễn trên hình 1.4.2
Hình 1.4.2 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: a)Sơ đồ, b)Đặc tính cơ
Trong máy kích từ nối tiếp I kt = Iƣ
Ta xét 2 trường hợp: a Khi 0 < Iư < Iđm – máy chưa bão hoà, trong trường hợp này ta có = KIư Vậy M = C m KIƣIƣ = CmIƣ 2 do đó:
Thay vào biểu thức (14.6) ta có: n = C KC M
Trong phạm vi dòng tải nhỏ hơn hoặc bằng dòng định mức, đặc tính của động cơ có dạng hyperbol Khi dòng điện Iư lớn hơn dòng định mức Iđm, máy bão hòa và đặc tính cơ không còn trùng với đường hyperbol nữa Sự thay đổi tốc độ bình thường đối với động cơ nối tiếp được xác định theo biểu thức: n đm = dm dm n n n' 100%.
Trong đó n’-tốc độ quay của động cơ khi tải thay đổi từ định mức tới 25%
Động cơ kích từ nối tiếp không có tốc độ không tải, do đó khi tải giảm quá mức, tốc độ động cơ sẽ tăng đột ngột Vì lý do này, không nên để động cơ nối tiếp hoạt động ở chế độ không tải và thực tế là không cho phép động cơ nối tiếp chạy bằng dây cu-roa.
1.4.3 Đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp Động cơ gồm 2 cuộn kích từ: cuộn nối tiếp và cuộn song song Đặc tính cơ của động cơ này giống nhƣ đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp hoặc song song phục thuộc vào cuộn kích từ nào giữ vai trò quyết định Ở động cơ nối thuận, stđ của 2 cuộn dây cùng chiều nhƣng giữ vai trò chủ yếu là cuộn song song So sánh đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp với nối tiếp ta thấy ở động cơ kích từ hỗn hợp có tốc độ không tải (kho không tải từ thông nối tiếp bằng không nhƣng từ thông kích từ song song khác khác không nên có tốc độ không tải) khi dòng tải tăng lên, từ thông cuộn nối tiếp tác động, đặc tính cơ mang tính chất động cơ nối tiếp Trên hình 14.4b biểu diễn đặc tính n=f(I) của động cơ kích từ song song (đường 1), của động cơ kích từ nối tiếp (đường 2), của động cơ kích từ hỗn hợp nối thuận (đường 3) và đặc tính của động cơ kích từ nối tiếp nối ngược (đường 4) để chúng ta dễ so sánh Còn hình 14.4c là đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp
Hình 1.4.3 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: a)Sơ đồ, b,c) Đặc tính cơ n0 b )
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU & MỘT SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU TIÊU BIỂU
KHÁI NIỆM CHUNG
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn phương pháp phù hợp cho từng hệ thống cụ thể.
Động cơ điện một chiều nổi bật với khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt và đơn giản hơn so với các loại động cơ khác Cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển của nó không chỉ đơn giản mà còn mang lại chất lượng điều chỉnh cao trong một dải tốc độ rộng.
Có hai phương pháp chính để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều: điều chỉnh điện áp cung cấp cho phần ứng động cơ và điều chỉnh điện áp cung cấp cho mạch kích từ của động cơ.
Cấu trúc phần lực trong hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều luôn cần có bộ biến đổi, cung cấp 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 nhƣ:
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 điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều được chia thành hai loại: điều khiển theo mạch kín (hệ truyền động điều chỉnh tự động) và điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển “hở”) Mặc dù hệ điều chỉnh tự động có cấu trúc phức tạp, nhưng nó mang lại chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động mạch 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, truyền động có thể hoạt động ở một góc phần tư, hai góc phần tư hoặc bốn góc phần tư.
CÁC PHƯƠNG PHÁP CỤ THỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 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 chỉnh 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 lƣợng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk 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 Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:
Hình 2.2.1.1 Sơ đồ và sơ đồ thay thế ở chế độ xỏc lập
Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi, độ cứng đặc tính cơ cũng không thay đổi Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào điện áp điều khiển U đk của hệ thống, cho thấy phương pháp điều chỉnh này là triệt để Tốc độ lớn nhất của hệ thống bị giới hạn bởi đặc tính cơ bản ứng với điện áp phần ứng định mức, trong khi tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị ảnh hưởng bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động Khi mômen tải đạt định mức, các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ sẽ là: đm max o max.
Hình 2.2.1.2 Xác định phạm vi điều chỉnh Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là:
KM là hệ số quá tải về mô men, và các đặc tính cơ của chúng được thể hiện qua các đường thẳng song song Theo định nghĩa về độ cứng, ta có thể diễn đạt đặc tính cơ một cách rõ ràng.
1 1 m in m in M dm dm nm M K
Với cơ cấu máy cụ thể, các giá trị 0max, Mđm, KM là xác định, cho thấy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào độ cứng Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng thiết bị nguồn điều chỉnh, điện trở tổng mạch phần ứng sẽ gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ, từ đó cho phép tính toán sơ bộ.
Tải có đặc tính mômen không đổi chỉ cho phép phạm vi điều chỉnh tốc độ cứng tối đa là 10 Đối với các máy yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc, việc sử dụng các hệ thống “hở” không đáp ứng được yêu cầu.
Trong hệ truyền động một chiều với 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 giữ nguyên trong toàn dải, dẫn đến độ sụt tốc tương đối đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất Nếu sai số tốc độ tại đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá giá trị cho phép, hệ truyền động sẽ duy trì sai số nhỏ hơn mức cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh Sai số tương đối của tốc độ tại đặc tính cơ thấp nhất được xác định bởi công thức: m in m in m in m in o o s o cp o dm s s M.
Để đảm bảo sai số không vượt quá giá trị cho phép trong tính toán độ cứng đặc tính cơ, cần xác định các giá trị M đm, 0min và s cp Việc này thường yêu cầu xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòng kín.
Trong quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng, từ thông kích từ được giữ ổn định, dẫn đến mômen tải cho phép của hệ thống không thay đổi.
Phạm vi điều chỉnh tốc độ và momen nằm trong hình chữ nhật được giới hạn bởi các đường thẳng = đm, M = Mđm và các trục tọa độ Tổn hao năng lượng chủ yếu xảy ra trong mạch phần ứng, trong khi các tổn hao không đổi trong hệ có thể được bỏ qua.
Nếu đặt R ƣ + Rƣđ = R thì hiệu suất biến đổi năng lƣợng 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 = ( * ) 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 Đồng thời, cần lưu ý rằng việc nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ thống.
2.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Khi M và U giữ nguyên, việc thay đổi dòng kích từ dẫn đến sự gia tăng của n Cụ thể, khi từ thông giảm, dòng điện ở rôto sẽ tăng lên, nhưng tử số trong biểu thức (14.9) không thay đổi nhiều do mức giảm điện áp ở Rt chỉ chiếm một phần nhỏ so với điện áp U.
Khi từ thông giảm, tốc độ động cơ sẽ tăng; tuy nhiên, nếu tiếp tục giảm dòng kích từ, sẽ đến lúc tốc độ không thể tăng thêm do mômen điện từ cũng giảm Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông chỉ hiệu quả trong giai đoạn tốc độ còn tăng khi từ thông giảm Đặc điểm của phương pháp này là cho phép điều chỉnh tốc độ từ tốc độ định mức với phạm vi rộng, tổn hao điều chỉnh nhỏ, dễ thực hiện và mang lại tính kinh tế.
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.
Lưu ý rằng không nên giảm dòng kích từ xuống giá trị không, vì điều này sẽ khiến máy chỉ còn từ dư, dẫn đến tốc độ tăng quá lớn và gây nguy hiểm cho các cấu trúc cơ khí của động cơ Thường thì, bộ điện trở điều chỉnh được thiết kế để đảm bảo rằng mạch từ luôn được giữ kín.
Hình 2.2.2 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi từ thông
2.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ R f trên mạch phần ứng
Khi ký hiệu n = M(R t + Rđc) với M là hằng số, việc thay đổi Rđc sẽ dẫn đến sự thay đổi của n (độ giảm tốc độ), tức là có thể điều chỉnh tốc độ động cơ Hình 2.2.3 minh họa đặc tính cơ của phương pháp điều chỉnh tốc độ thông qua việc thay đổi điện trở rôto.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở mạch phần ứng có những ƣu khuyết điểm sau:
Dễ thực hiện, vốn đầu tư ít, điều chỉnh tương đối láng
MỘT SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU TIÊU BIỂU
2.3.1 Hệ truyền động Máy phát – Động cơ (F - Đ). Để tăng phạm vi điều chỉnh tốc độ, người ta dùng hệ thống máy phát động cơ điện một chiều ( hình 3.1 )
Trong hệ thống này, cả máy phát và động cơ đều sử dụng máy điện một chiều với kích từ độc lập Để điều chỉnh tốc độ, có thể áp dụng các phương pháp như thay đổi điện áp nguồn nạp, điều chỉnh điện trở mạch rôto động cơ và thay đổi từ thông kích từ Hệ thống này cung cấp phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, cho phép điều chỉnh cả hai chiều tăng và giảm, với độ điều chỉnh rất mượt mà.
Hình 2.3.1 Hệ trống truyền động điện máy phát-động cơ a) Sơ đồ, b)Đặc tính cơ khi thay đổi tốc độ
Việc sử dụng máy điện một chiều trong hệ thống truyền động đã dẫn đến chi phí đầu tư cao, do đó chỉ áp dụng ở những nơi thực sự cần thiết 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, mang lại tính chất 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 Van tiristor – Động cơ(T – Đ)
Hình 2.3.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ T – Đ
Bộ biến đổi van Tiristor là nguồn điện áp một chiều, có khả năng chuyển đổi dòng xoay chiều thành dòng một cách trực tiếp Việc điều chỉnh điện áp đầu ra được thực hiện thông qua việc điều chỉnh góc mở α của van, giúp tối ưu hóa điện áp chỉnh lưu.
Điện áp không tải ở đầu ra (Ud0) có dạng sóng đập mạch với tần số n trong một chu kỳ 2π của điện áp sơ cấp trong máy biến áp lực Hệ thống biến đổi van bao gồm các thành phần chính 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 Tiristor – 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, không gây ồn, và dễ dàng tự động hóa nhờ vào các van bán dẫn với hệ số khuếch đại lớn Những đặc điểm này tạo điều kiện thuận lợi cho việc 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.
Các van bán dẫn có tính phi tuyến, dẫn đến điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao Tuy nhiên, khả năng linh hoạt và chuyển trạng thái làm việc của chúng không cao, cùng với khả năng quá tải về dòng và áp kém Chất lượng điện áp ra không đạt yêu cầu, gây ra tổn thất phụ và làm xấu hiện tượng chuyển mạch trên cổ góp.
Khắc phục: Thiết kế truyền động van cố gắng làm ngắn vùng gián đoạn bằng cách nối kháng lọc, tăng số lần đập mạch, nối van đệm
2.3.3 Hệ truyền động Xung áp – Động cơ (XA - Đ)
2.3.3.1 Nguyên lý bộ băm xung một chiều
Bộ băm điện áp một chiều chuyển đổi nguồn điện một chiều U s thành điện áp tải U ra, cũng là điện áp một chiều nhưng có khả năng điều chỉnh linh hoạt.
Ura là điện áp ra của một dãy xung vuông lý tưởng với độ rộng t1 và độ nghỉ t2, được tính bằng giá trị trung bình của điện áp xung: Ura = γ Us (γ=t1/T) Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là điều chỉnh hệ số γ thông qua việc đóng mở các van bán dẫn công suất theo chu kỳ, nhằm thay đổi giá trị điện áp trung bình trên tải.
2.3.3.2 Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra
Có 3 phương pháp điều chỉnh điện áp ra: a) Phương pháp thay đổi độ rộng xung:
Hình 2.3.3 sơ đồ khối và đồ thị điện áp ra
BBĐ điện áp một chiều
Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
T t 1 là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ
Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của U ra là rộng (0 < 1) b) Phương pháp xung - tần:
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1=const Khi đó:
Vậy Ura=US khi t 1 f 1 và Ura=0 khi f=0 c) Phương pháp xung - thời gian:
Phương pháp thay đổi độ rộng xung và tần số theo nguyên tắc giữ I min được áp dụng trong thực tế Biến đổi độ rộng xung được ưa chuộng hơn do tính đơn giản và không yêu cầu thiết bị biến tần kèm theo.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI
LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ
Hệ logic mờ được áp dụng khi hiểu biết về đối tượng còn hạn chế hoặc không có Việc xây dựng hệ logic mờ dựa trên kinh nghiệm điều khiển hệ thống mang lại nhiều lợi ích Một trong những ưu điểm nổi bật của bộ điều khiển mờ là thiết kế và cài đặt dễ dàng.
3.1.1 Khái quát về logic mờ - Fuzzy Logic Điều khiển mờ là ngành kỹ thuật do nhà toán học người Mỹ Zahde định hướng phát triển vào thập niên 60 của thế kỷ trước Khi đó Zahde chỉ đưa ra lý thuyết tập mờ nhằm thay thế, đơn giản hóa các khái niệm đầy tính lý thuyết của xác suất, của quá trình ngẫu nhiên
Ngày nay, lý thuyết điều khiển đang phát triển mạnh mẽ và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Các phương pháp điều khiển truyền thống yêu cầu hiểu biết sâu sắc về bản chất của đối tượng thông qua mô hình toán học, thường là các phương trình phức tạp và phi tuyến Tuy nhiên, đối tượng điều khiển thường nằm trong môi trường nhiễu, khiến việc xác định đặc tính trở nên khó khăn Những đối tượng phức tạp này thường vượt quá khả năng giải quyết của các phương pháp truyền thống, buộc con người phải can thiệp và thiết kế hệ thống điều khiển bằng tay Khả năng điều khiển của con người cho thấy các quá trình này đã được mô phỏng trong tư duy của kỹ sư thiết kế Do đó, mối quan hệ trong các quá trình điều khiển không chỉ được biểu thị bằng mô hình toán học mà còn bằng mô hình ngôn ngữ với thông tin không chính xác và mơ hồ, tạo nền tảng cho sự phát triển của lý thuyết mờ hiện đại.
Trong nhiều bài toán điều khiển, khi đối tượng không thể mô tả bằng mô hình toán học hoặc mô hình quá phức tạp, điều khiển mờ trở nên ưu việt Ngay cả trong các bài toán thành công theo nguyên tắc kinh điển, việc áp dụng điều khiển mờ cũng giúp cải thiện tính đơn giản và gọn nhẹ của hệ thống.
Một số ưu điểm của phương pháp điều khiển mờ:
Dựa vào các thông tin quan sát từ các đối tượng điều khiển mà không cần phải hiểu bản chất, chúng ta có thể mô hình hóa toán học các đối tượng này, khác với lý thuyết điều khiển truyền thống.
Miền ứng dụng rộng lớn, đa dạng
Việc giảm khối lượng công việc thiết kế nhờ không cần sử dụng mô hình đối tượng giúp giảm thiểu tính toán, tiết kiệm thời gian thiết kế và hạ giá thành sản phẩm Ứng dụng này có tính linh hoạt cao, dễ dàng điều chỉnh phần lập trình, và được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống.
Trong hầu hết các trường hợp, bộ điều khiển mờ làm việc ổn định, bền vững và có chất lƣợng điều khiển tốt
3.1.2 Một số khái niệm về tập mờ - Bộ điều khiển mờ
3.1.2.1 Tập mờ - Các khái niệm xoay quanh tập mờ
Tập mờ A xác định trên tập kinh điển X (tập nền) là một tập hợp mà mỗi phần tử của nó là các cặp giá trị (x,
A x là hàm liên thuộc (hoặc hàm phụ thuộc) của tập mờ A
Tập kinh điển X đƣợc gọi là tập nền (hay vũ trụ) của tập mờ A
Độ cao của tập mờ Độ cao của một tập mờ A (định nghĩa trên tập nền X) là giá trị h= Sup
(x) chỉ giá trị nhỏ nhất trong tất cả các giá trị chặn trên của x X
Nếu h=1, tức là một tập mờ với ít nhất một phần tử có độ phụ thuộc bằng
1 đƣợc gọi là tập mờ chính tắc
Ngƣợc lại, nếu h