Nghiên cứu điện tử công suất trong hệ thống truyền động điện

với mỗi thông số của mạch và các giá trị Un, E tương ứng tá có thể tìm được tđgh từ biểu thức (2- 35). Do yêu cầu đóng ngắt với tần số cao, cỡ vài ba trăm chu kỳ trong một giây (200 - 300 Hz) nên khoá S thường là khoá bán dẫn. Hình (2.17) mô tả một phương án đóng, ngắt khoá này. Thysistor Tc làm khoá S trong sơ đồ, Tysistor Tf làm nhiệm vụ ngắt Tc, cuộn cảm L, van V0 dùng để nạp điện cho tụ C có cực tính như trên hình trong thời gian Tc thông. Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý của khoá điều khiển S trong hệ điều chỉnh xung áp mạch đơn 2.2.2. Đặc tính cơ Để xây dựng đặc tính cơ cần tìm giá trị trung bình của điện áp và dòng điện của động cơ (2-36) Trong chế độ dòng điện liên tục vì tx=T nên: (2-37) (2-38) Giống như trong hệ CL-Đ, trong hệ thống ĐX-Đ khi tx<T thì xảy ra chế độ dòng điện gián đoạn, trong chế độ này do mômen điện từ gián đoạn mà đặc tính cơ trở nên rất mềm. Để xác định biên giới giữa vùng dòng điện gián đoạn và vùng dòng điện liên tục ta giả thiết rằng đồ thị dòng điện phần ứng ở chế độ này gồm hai đoạn thẳng, do đó dòng điện trung bình là: (2-39) Hình 2.18: Đặc tính điều chỉnh và đặc tính cơ Vì đặc tính biên liên tục thuộc vùng dòng điện liên tục, tức là phương trình đặc tính (2-37) vẫn thoả m•n, thay (2-37 vào (2-38) được: (2-40) ` Sử dụng (2-37) và (2-39) xác định được biên giới liên tục, chính là đường có dạng nửa elip vẽ bằng nét đứt trên hình 2.18b giá trị cực tiểu của Iblt=0 tại và tại . Các giá trị khác của Iblt phụ thuộc vào và UN và giá trị cực đại. tại giá trị tới hạn của : Hình 2.19. Đồ thị dòng áp ở biên gián đoạn 2.2.3 Điều chỉnh xung áp đảo chiều Hình 2.20 : Bộ điều chỉnh xung áp loại B. Để hệ truyền động có thể làm việc ở chế độ h•m tái sinh, cóp thể dùng sơ đồ điều khiển xung áp loại B (hình 2.20), trong đó dòng điện phần ứng có thể đảo dấu, song sđđ động cơ chỉ có chiều dương. Khi khoá S1 và van D1 vận hành, dòng điện phần ứng luôn luôn dương, công suất điện từ của động cơ là Pđt=I.E<0, máy điện làm việc ở chế độ động cơ, quá trình dòng điện và điện áp được mô tả như ở các phần 2.2.1, 2.2.2. Để đảo chiều dòng điện ta đưa khoá S2 và van D2 vào vận hành còn khoá S1 thì bị ngắt. Nếu E>0 thì sẽ có dòng điện chảy ngược lại chiều ban đầu do trong mạch chỉ có nguồn duy nhất là sđđ E, công suất điện từ của động cơ Pđt=I.E>0 , công suát này được tích vào điện cảm L. Khi S2 ngắt, trên điện cảm L sinh ra sđđ tự cảm , cùng chiều với sđđ quay E, tổng hai sđđ này trở nên lớn hơn điện áp nguồn UN làm van D2 dẫn dòng ngược về nguồn và trả lại nguồn phần năng lượng tích luỹ trong điện cảm L trước đó. Nếu các tín hiệu điều khiển các khoá như trên hình 2.20b, sao cho giá trị trung bình của dòng điện phần ứng là dương thì máy điện làm việc ở chế độ động cơ trong góc I ơơ của mặt phẳng toạ độ . Một đặc điển của bộ băm xung loại B là do dòng điện phần ứng có phần âm nên giá trị trung bình của nó có thể nhỏ bất kì, thậm chí bằng không và truyền động không có dòng điện gián đoạn. Dòng điện phần ứng của ĐX-Đ loại B bao gồm bốn loại ứng với góc dẫn của bốn phần tử bán dẫn S1, D1, S2, D2. Từ các phương trình (2-22) và (2-25) với các điều kiện đầu tương ứng có thể tìm lại được các giá trị Imax. Imin giống như các biểu thức 2.27 và 2.28. Nếu Imax>0 và Imin0 và ở góc phần tư thứ hai nếu dòng trung bình I<0. Khi điều chỉnh sao cho Imax<0 và do đó dòng trung bình của phần ứng I<0 thì hệ thống sẽ làm việc ở góc phần tư thứ II, khoá S1 và và D1 không dẫn dòng. Quá trình dòng và áp được mô tả trên hình 2.20c. Đặc tính cơ của động cơ trong hệ thống ĐX-Đ loại B là các đường thẳng liên tục, chạy song song nhau từ góc thứ I sang góc thứ II của mặt phẳng . Truyền động đảo chiều được thực hiện bởi bộ điều chỉnh xung loại B kép, sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ như hình 2.21 Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý truyền động đảo chiều điều chỉnh xung áp loại B kép. Chương III : truyền động điện xoay chiều. 3.1. Truyền động điện động cơ không đồng bộ. Động cơ không đồng bộ ba pha (KĐB) được sử dụng rộng r•i trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ rất lớn so với động cơ khác. Sở dĩ như vậy là do động cơ KĐB có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha. Tuy nhiên trước đây các hệ truyền động động cơ KĐB có điều chỉnh tốc độ lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ, đó là do việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB có khó khăn hơn động cơ một chiều. Trong thời gian gần đây, do phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, động cơ KĐB mới được khai thác các ưu điểm của mình. Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với truyền động thyristor - động cơ một chiều. Khác với động cơ một chiều, động cơ KĐB được cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt. Từ thông động cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số. Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ KĐB là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh. Trong định hướng xây dựng hệ truyền động điện động cơ KĐB, người ta có xu hướng tiếp cận với các đặc tính điều chỉnh của truyền động động cơ điện một chiều. Trong công nghiệp thường sử dụng bốn hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB thông qua các phần tử điện tử công suất: a) Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi thyristor; b) Điều chỉnh điện trở rôto bằng bộ biến đổi xung thyristor. c) Điều chỉnh công suất trượt Ps; d) Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ bằng các bộ biến đổi tần số tiristo hay tranzito. 3.1.1. Điều chỉnh điện áp động cơ. Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như: quạt gió, bơm ly tâm. Có thể dùng máy biến áp tự ngẫu, điện kháng hoặc bộ biến đổi bán dẫn làm điện áp xoay chiều, trong đó vì lý do kỹ thuật và kinh tế mà bộ điều áp kiểu van bán dẫn là phổ biến hơn cả. Mômen của động cơ ĐKB có thể được tính theo dòng điện rôto (3-1) Nếu giữ dòng điện rôto là không đổi: Ir=const thì mômen và độ trượt có quan hệ sau: M.s=const. Vùng điều chỉnh tốc độ và mômen khi điều chỉnh điện áp bị giới hạn bởi các trục toạ độ và đường cong : độ rộng của vùng này tuỳ thuộc vào giá trị điện trở phụ Rf. Do cách nối các van bán dẫn nên để có dòng chạy qua động cơ thì tại một thời điểm phải có ít nhất hai van ở hai pha khác nhau cùng dẫn điện. Động cơ không đồng bộ có thể coi là phụ tải ba pha gồm điện trở và điện cảm nối tiếp nhau, trong đó điện trở rôto biến thiên theo tốc độ quay R=R(s) và điện cảm phụ thuộc vào vị trí tương đối giữa dây quấn rôto và dây quấn stato, do đó góc pha giữa dòng điện và điện áp cũng biến thiên theo tốc độ quay . Do tính chất tự nhiên của mạch điện có điện cảm nên nếu trong khoảng thời gian mà đặt xung điều khiển vào các van bán dẫn thì các van này sẽ dẫn dòng từ thời điểm trở đi và do đó dòng điện và điện áp động cơ không phụ thuộc vào góc điều khiển (hình 3.2a). Như vậy chỉ có thể điều chỉnh được điện áp khi góc điều khiển . Hình 3.2: Ví dụ về trạng thái dẫn của các van bán dẫn. Khi góc điều khiển thì tuỳ thuộc vào giá trị tức thời của các điện áp dây mà có lúc có ba van ở ba pha khác nhau dẫn dòng (hình 3.1a), điểm a' nối vào a, b' vào b và c' vào c, điện áp tức thời trên tải chính là điện áp pha ua'=Ua. ở những đoạn chỉ có hai van dẫn dòng (hình 3.1b), điểm a' nối vào a, b' vào b và c' hở mạch, điện áp trên tải sẽ là một nửa điện áp dây tương ứng: u'a=1/2uab. Hình 3.3: Đồ thị điện áp pha khi điều chỉnh góc mở van. Khi góc điều khiển vượt quá giá trị giới hạn nào đó: thì không tồn tại chế độ dẫn dòng ở cả ba pha mà chỉ có chế độ dẫn dòng hai pha (hình 3.2b) và (hình3.3c) ở đoạn các van dẫn dòng thì điện áp tải bằng nửa điện áp dây tương ứng: ua=1/2uab. Đồ thị điện áp trên tải trong các chế độ trên được miêu tả trên hình 3.3. 3.1.2. Điều chỉnh điện trở mạch rôto Như đ• phân tích ở đặc tính cơ, có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rôto, trong mục này khảo sát việc thực hiện điều chỉnh trơn điện trở mạch rôto bằng các van bán dẫn, ưu thế của phương pháp này là dễ tự động hoá vviệc điều chỉnh. Điện trở trên mạch rôto động cơ không đồng bộ: Rr=Rrd+Rf trong đó Rrd - điện trở dây quấn rôto. Rf - điện trở ngoài mắc thêm vào mạch rôto. Khi điều chỉnh giá trị điện trở rôto thì mômen tới hạn của động cơ không thay đổi và độ trượt tới hạn thì tỷ lệ bậc nhất với điện trở. Nếu coi đoạn đặc tính làm việc của ĐKB, tức là đoạn có độ trượt từ s=0 đến s=sth, là thẳng khi điều chỉnh điện trở ta có thể viết: , M=const (3-2) trong đó s - độ trượt khi điện trở mạch rôto là Rr, si - độ trượt khi điện trở mạch rôto là Rrd Thay (3-2) vào (3-1) được biểu thức tính mômen: (3-3) Nếu giữ dòng điện rôto không đổi thì mômen cũng không đổi và không phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Vì thế mà có thể ứng dụng phương pháp điều chỉnh điện trở mạch rôto cho truyền động có mômen tải không đổi. Trên hình 3.4a) trình bày sơ đồ nguyên lý của điều chỉnh trơn điện trở mạch rôto bằng phương pháp xung. Điện áp Ur được chỉnh lưu bởi cầu điôt CL, qua điện kháng lọc L được cấp vào mạch điều chỉnh gồm điện trở R0 nối song song với khoá bán dẫn T1. Khoá T1ơ sẽ được đóng, ngắt một cách chu kỳ để điều chỉnh giá trị trung bình của điện trở toàn mạch. Hình 3.4: Điều chỉnh xung trở rôto. a)Sơ đồ nguyên lý; b) Phương pháp điều chỉnh; c,d) Các đặc tính Hoạt động của khoá bán dẫn tương tự như trong mạch điều chỉnh xung áp một chiều. Khi khoá T1 đóng, điện trở R0 bị loại ra khỏi mạch, dòng điện rôto tăng lên, khi khoá T1 ngắt điện trở R0 lại được đưa vào mạch , dòng điện rôto giảm. Với tần số đóng ngắt nhất định, nhờ có điện cảm L mà dòng điện rôto coi như không đổi và ta có một giá trị điện trở tương đương Re trong mạch. Thời gian ngắt (xem hình 3.4b), nếu điều chỉnh trơn tỷ số giữa thời gian đóng tđ và thời gian ngắt tn ta điều chỉnh trơn được giá trị điện trở trong mạch rôto. (3-4) 3.1.3. Điều chỉnh công suất trượt: Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ ĐKB bằng cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt được tiêu tán trên điện trở mạch rôto. ở các hệ thống truyền động điện công suất lớn, tổn hao này là đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt, gọi tắt là các sơ đồ nối tầng. Có nhiều phương pháp xây dựng hệ nối tầng, dưới đây trình bày phương pháp nối tầng điện dùng tiristo (hình 3.5 a). Hình 3.5: Hệ thống nối tầng van điện. a) Sơ đồ nguyên lý; b) Giản đồ năng lượng; c) Đồ thị dòng và áp khi fr = fs/3; d) Đặc tính cơ của hệ nối tầng công suất Pđm = 1000kW. Theo cách tính tổn thất khi điều chỉnh thì (3-5) Giản đồ năng lượng khi bỏ qua tổn hao ở rôto được biểu diễn trên hình 3.5b, trong đó Pbđ là công suất được trả về lưới điện, Pbđ là hao tổn trong mạch biến đổi công suất trượt thành công suất điện có cùng tần số điện áp lưới. Sức điện động rôto ur được chỉnh lưu thành điện áp một chiều qua điện kháng lọc L cấp cho nghịch lưu phụ thuộc NL. Điện áp xoay chiều của nghịch lưu (uA, uB, uC) có biên độ và tần số không đổi do được xác định bởi điện áp và tần số của lưới điện. Nghịch lưu làm việc với góc điều khiển thay đổi từ đến khoảng , phần còn lại dành cho góc chuyển mạch và góc hồi phục tính chất khoá của các van. Độ lớn dòng điện rôto hoàn toàn phụ thuộc vào mômen tải của động cơ mà không phụ thuộc vào góc điều khiển nghịch lưu. Cụm mạch chỉnh lưu - nghịch lưu phụ thuộc chỉ làm thay đổi được góc pha của dòng điện ở phía xoay chiều của nghịch lưu khi điều chỉnh góc mở . Quá trình dòng điện và điện áp của bộ biến đổi được mô tả trên hình 3.5c cho trường hợp độ trượt . Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu là như nhau Sai lệch về giá trị tức thời giữa điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu chính là điện áp trên điện kháng lọc L. Để đơn giản trong cách viết, giả thiết bỏ qua điện trở và kháng tản của mạch stato và coi động cơ có số vòng dây stato và rôto như nhau, thì giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu khi là (3-6) trong đó U1m - biên độ điện áp lưới, - tốc độ không tải lý tưởng, - tốc độ từ trường quay stato. Khi có tải thì điện áp này giảm xuống do sụt áp chuyển mạch giữa các van trong cầu chỉnh lưu và sụt áp do điện trở dây quấn stato. (3-7) trong đó là tần số trượt của rôto, dòng điện chỉnh lưu trung bình sẽ là hàm số của tốc độ quay: (3-8) Độ trượt gọi là độ trượt cơ bản của hệ thống khi không tải, độ trượt là do tải gây ra: ; (3-9) Điện áp stato có dạng , nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato thì từ thông có biên độ tỷ lệ điện áp stato: (3-10) và mômen của động cơ tỷ lệ với thành phần dọc trục của dòng điện rôto động cơ (về khái niệm này cần tham khảo phần chuyển vị tọa độ các phương trình mô tả động cơ không đồng bộ ba pha). (3-11) Giá trị trung bình của dòng điện được tính như sau: , (3-12) trong đó Cuối cùng phương trình xác định mômen của hệ thống nối tầng van điện sẽ là: (3-13) Trên hình 3.5d) có dựng các đặc tính cơ của hệ nối tầng van cho từng góc điều khiển của nghịch lưu. Do điện cảm lọc L trong mạch một chiều có giá trị hữu hạn nên dòng điện có thể bị gián đoạn khi mômen tải nhỏ, đặc tính cơ ở đoạn này có độ dốc lớn. Mặt khác do sụt áp gây ra bởi điệnn trở stato, điện trở mạch một chiều, điện trở và điện kháng tản của máy biến áp cũng như sụt áp do chuyển mạch của nghịchlưu và chỉnh lưu nên các đặc tính cơ điều chỉnh có độ cứng và mômen tới hạn nhỏ hơn độ cứng và mômen tới hạn của đặc tính cơ tự nhiên. 3.1.4. Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ không đồng bộ. a) Điều chỉnh tần số - điện áp. Hinh 3.6: Sơ đồ nguyên lý biến tần nguồn áp. Sơ đồ nguyên lý mạch lực của một bộ biến tần nguồn áp trên hình 3.6 bao gồm bốn khối chức năng chính: nguồn điện một chiều NMC, mạch lọc F, nghịch lưu độc lập nguồn áp NL và động cơ KĐB. Nguồn một chiều và mạch lọc tạo ra điện áp một chiều có giá trị điều chỉnh được, nghịch lưu gồm 6 khoá bán dẫn S1, ..., S6 và cần 6 van không điều khiển D1, ..., D6. Các khoá nghịch lưu được đóng cắt theo thứ tự nhất định (xem hình 3.7a) tạo thành điện áp xoay chiều ba pha đặt lên động cơ chấp hành, góc dẫn của các khoá là 180ơ0, thời điểm các khoá S1, S3, S5, và S2, S4, S6 bắt đầu dẫn lệch nhau 1200, do đó điện áp ra của nghịch lưu cũng lệch nhau về thời gian là 1200. Điện áp dây của nghịch lưu có dạng xung chữ nhật với độ rộng là 1200 và thoả m•n điều kiện phân tích thành chuỗi điều hoà (3-14) ; C=0, ± 1, ± 2, ... Thành phần điều hoà cơ bản của (3-14) có biên độ (3-15) và có giá trị hiệu dụng là: (3-16) Giá trị hiệu dụng của chuỗi (3-14): (3-17) Biên độ tầng sóng hài bậc k: (3-18) Đồ thị áp pha của động cơ có dạng bậc thang, tại thời điểm các khoá chuyển mạch thì điện áp pha có đột biến nhảy cấp, giá trị từng cấp được xác định như trên hình3.7b. Dòng điện của động cơ là nghiệm của phương trình vi phân mô tả động cơ được giải ở từng đoạn, khi điện áp pha không đổi. Dòng điện có dạng xoay chiều không điều hoà - xem hình 3.7. Hình 3.7: Nguyên lý tạo điện áp xoay chiều ba pha: a - Trật tự đóng ngắt khoá S, b - Đồ thị điện áp dây và pha, c - Sơ đồ nối tải vào nguồn. Các khoá S là các khoá bán dẫn, ở các truyền động công suất nhỏ thường dùng các tranzito, ở các truyền động công suất lớn thường dùng các van tiristo, khi này việc khoá (ngắt) các van được thực hiện bằng các mạch đặc biệt như dùng tụ điện và các thiristo phụ v.v... Thời gian gần đây sử dụng các van tiristo đặc biệt là các van khoá được bằng xung điều khiển (GTO). Hình 3.8: Các phương pháp điều chỉnh điện áp trong nghịch lưu tần số - điện áp. a) Điều chỉnh biên độ; b) Điều chỉnh độ rộng một xung; c) Điều chỉnh độ rộng bằng điều chế một cực tính; d) Điếu chế độ rộng xung hai cực tính. Giá trị điện áp động cơ được điều chỉnh hoặc bởi điều chỉnh biên độ điện áp một chiều - bằng chỉnh lưu điều khiển hoặc bằng bộ băm xung áp (hình 3.8a) Điện áp cũng có thể điều chỉnh bằng điều chỉnh thời gian đóng của các khoá S (hình 3.8a) hoặc là bằng điều chế độ rộng các xung áp bằng chính nghịch lưu (Hình 3.8 c,d). Phương pháp sau được sử dụng rộng r•i nhất là ở các truyền động công suất nhỏ, do có ưu điểm nổi bật là vừa điều chỉnh được điện áp, vừa làm "sin hoá" điện áp đặt vào động cơ. Với số lượng các xung có độ rộng thích hợp, phương pháp điều chế độ rộng xung có thể làm triệt tiêu các sóng hài bậc cao. b) Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện: Biến tần nguồn dòng có ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản mà vẫn thực hiện h•m tái sinh động cơ. Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn dòng điện, tức là dòng điện không phụ thuộc vào tải mà chỉ tuỳ thuộc vào tín hiệu điều khiển. Để tạo nguồn dòng điện một chiều thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặc băm xung áp một chiều có bộ điều chỉnh dòng điện có cấu trúc tỷ lệ tích phân (PI), mạch lọc là điện kháng tuyến tính có trị số điện cảm đủ lớn. Do có nguồn dòng điện một chiều nên việc chuyển mạch các van bán dẫn có thể thực hiện bằng điện áp trên các tụ chuyển mạch. Sơ đồ nguyên lý mạch lực một bộ biến tấn nguồn dòng được mô tả trên hình 3.9a. Hình 3.9 : Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu dòng điện và đồ thị dòng điện động cơ. Thứ tự đóng ngắt các van T1 - T6 và dòng điện các pha của động cơ được mô tả trên hình 3.9b. Trong khoảng thời gian các van T1 và T6 dẫn thì dòng điện các pha , các tụ chuyển mạch được nạp điện và có cực tính như trên sơ đồ nguyên lý. Khi bắt đầu đặt xung mở lên tiristo T2 thì T2 dẫn và nối cực dương của tụ điện C62 lên catốt của T6 làm cho T6 khoá. Do tải có tính chất điện cảm mà dòng ib không tắt ngay, dòng này khép mạch qua D6 - tụ C62 song song với mạch nối tiếp C46 - C42 - T2, nạp cho tụ C62, điện áp trên C62 tăng tuyến tính cho đến khi xuất hiện dòng điện iC qua pha C của tải, bắt đầu sự chuyển dòng của D6 cho D2, cũng là sự chuyển dòng từ pha b sang pha c. Kết thúc quá trình chuyển mạch khi và , tụ điện C62 được phân cực ngược lại, chuẩn bị cho lần chuyển mạch sau. Do mạch stato nối hình sao nếu dòng điện các pha là các xung chữ nhật có độ rộng là và chiều cao đúng bằng Id. 3.2. Truyền động điện động cơ đồng bộ. 3.2.1. Khái quát chung Động cơ đồng bộ ba pha, trước đây thường dùng cho loại truyền động không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn hàng trăm kW đến hàng MW (các máy nén khí, quạt gió, bơm nước, máy nghiền...). Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, động cơ đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại giải công suất từ vài trăm W (cho cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, cơ cấu chuyển động của tay máy, người máy), đến hàng MW (cho các truyền động kéo tầu tốc độ cao TGV, máy cán...). Tốc độ quay của động cơ được tính bằng biểu thức : , (3-19) Trong đó: fs: là tần số nguồn cung cấp. p: là số đôi cực của động cơ. Từ công thức (3-19) ta thấy điều chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ. Do vậy cấu trúc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bao giờ cũng có bộ biến đổi tần số. Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển cũng như các đặc tính và các quá trình điện từ trong hệ truyền động bộ biến đổi tần số-động cơ đồng bộ (BBĐ-ĐB). 3.2.2. Sự tương đồng giữa truyền động động cơ đồng bộ và động cơ một chiều. Hình 3.10: Mạch nguyên lý của truyền động động cơ đồng bộ. Sơ đồ nguyên lý của truyền động động cơ đồng bộ được trình bày trên hình3.10, gồm bộ biến đổi tần số cấp cho mạch stato (phần ứng) động cơ. Việc điều khiển các van của biến tần được thực hiện bằng các tín hiệu từ đầu đo vị trí rôto, các tín hiệu này sẽ quyết định mở khoá các van theo thứ tự sao cho động cơ làm việc ổn định. Đồng thời do các tín hiệu đo vị trí rôto có tần số bằng tần số quay của dộng cơ, cho nên tần số chuyển mạch của các van biến tần có giá trị tương tự. Từ nguyên lý trên ta thấy rằng: hợp bộ biến tần - Mạch đo vị trí rôto đóng vai trò như vành góp - chổi than của động cơ một chiều, nó có chức năng giống nhau như: - Biến đổi chiều dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều nhiều pha có tần số thay đổi cho phần ứng động cơ. - Tần số chuyển mạch của mạch biến đổi thích ứng với tốc độ quay của động cơ. Sự tương đương giữa máy một chiều và truyền động dộng cơ đồng bộ còn ở phần nguyên tắc cấu tạo tách biệt giữa phần cảm và phần ứng. Mômen của động cơ đều đựơc xác định từ hàm của hai đại lượng độc lập là từ thông kích từ động cơ và dòng điện phần ứng cho nên ta có thể điều khiển riêng rẽ hai đại lượng đó để điều khiển mômen và tốc độ động cơ theo quy luật mong muốn. Cho nên có thể xây dựng hệ truyền động động cơ đồng bộ có đặc tính tương tự như truyền động động cơ một chiều. Chính có sự tương đồng như vậy nên người ta thường gọi truyền động động cơ đồng bộ là truyền động động cơ van. 3.2.3. Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ. Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ rất phong phú, có cấu trúc và đặc tính điều chỉnh khác nhau tuỳ thuộc vào công suất, tải và phạm vi điều chỉnh. Trong thực tế, động cơ đồng bộ được chế tạo ở các dải công suất: - Rất nhỏ : vài trăm W đến vài kW. - Nhỏ : vài kW đến 50 kW. - Vừa : 50kW đến 500kW. - Lớn : lớn hơn 500kW. ở dải công suất rất nhỏ, động cơ đồng bộ có cấu tạo mach kích từ là nam châm vĩnh cửu, thường dùng cho cơ cấu truyền động có vùng điều chỉnh rộng, độ cnhính xác cao, có tải Mc= const, ở trong trường hợp này bộ biến đổi được dùng là biến tần tranzito, nguồn áp biến điệu bề rộng xung. ở dải công suất rát nhỏ, động cơ đồng bộ cho phụ tải yêu cầu vùng điều chỉnh không rộng lắm, lúc đó bộ biến đổi được dùng là biến tần thyristor, nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên. ở dải công suất vừa và lớn, động cơ đồng bộ thường dùng cho các máy bơm, nén khí , máy nghiền và kéo tàu...Với vùng điều chỉnh cỡ10:1 trong các trường hợp này bộ biến đổi được dùng có hai loại: biến tần thyristor nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên và biến tần trực tiếp thyristor. Trong phạm vi chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu kỹ hai loại truyền động động cơ đồng bộ: dùng biến tần nguồn áp và biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên. 3.2.4. Truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ dùng biến tần nguồn áp. Hình 3.11 : Mạch lực của truyền động động cơ đồng bộ dùng biến tần nguồn áp. Mạch nguyên lý của truyền động được trình bày trên hình 3.11, trong đó biến tần có 6 van (là tranzitor công suất hoặc tiristo GTO) và 6 diode ngược . Trong trường hợp góc dẫn các van công suất là 1800, điện áp dây sẽ là 1200. Tuỳ thuộc vào tính chất tải của động cơ (cảm kháng hay dung kháng) mà biến tần sẽ làm việc với chuyển mạch cưỡng bức hay chuyển mạch tự nhiên. Hình 3.12: Đồ thị dòng và áp. a) ứng với góc , b) ứng với góc Trên hình 3.12a đồ thị dòng điện, điện áp và khoảng dẫn dòng của van và diode ứng với trường hợp động cơ mang tính chất tải cảm (thiếu kích từ ). Khi động cơ quá kích từ dòng điện vượt trước điện áp , các van thực hiện chuyển mạch tự nhiên (hình 3.12b). Tuy vậy để thực hiện chuyển mạch tự nhiên, góc lệch pha (tq thời gian phụ hồi đặc tính khoá của van). Mômen động cơ, trong trường hợp này được tính bằng biểu thức: (3-20) Trong đó: M- Mômen trung bình p - số đôi cực của động cơ Xđ- điện kháng trục dọc E- sđđ động cơ U1- thành phần điều hoà bậc 1 điện áp, U1=K0.U0 - góc lệch pha giữa sđđ E và điện áp U1. Khi điều chỉnh tốc độ động cơ ta có hai trường hợp: a) Điện áp U0=const. Tỷ số khi giữ kích từ không đổi. Như vậy mômen động cơ được tính bằng: . Nó chỉ phụ thuộc vào tốc độ và góc lệch pha có dạng trên hình 3.13 tương tự như động cơ một chiều kích từ nối tiếp. Hình 3.13: Đặc tính của động cơ U0 =const và kích từ không đổi. b) Điện áp U0 được điều chỉnh sao cho tỷ số và kích từ không đổi. Trong trường hợp này, mômen động cơ chỉ phụ thuộc vào góc , đặc tính của động cơ được trình bày trên hình 3.14. Cấu trúc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ được mô tả trên hình 3.15 (của h•ng YASKAWA-1991). Với động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu công suất đến 6kW dùng để trang bị cho cơ cấu tay máy, người máy và các cơ cấu ăn dao, máy cắt gọt kim loại. Truyền động Servopack (mẫu CACRSRO3BB đến SR44BB) dùng biến tần tranzitor PWM (biến điệu bề rộng xung). Mạch điều khiển bố trí hai mạch vòng điều chỉnh, điều chỉnh tốc độ và điều chỉnh dòng điện RI. Điều khiển PWM, thứ tự đóng và cắt các tranzitor cũng như mạch điều chỉnh vị trí và các tín hiệu bảo vệ sự cố... được thực hiện bởi vi xử lý. Cơ cấu đo vị trí và tốc độ động cơ PG được gắn thành một khối với động cơ, cơ cấu mạch đo cho ta các tín hiệu: Tốc độ, vị trí rôto, chiều quay và góc quay phục vụ cho điều chỉnh vị trí và điều chỉnh tốc độ động cơ. Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý truyền động động cơ đồng bộ dùng biến tần Tranzitor PWM. 3.2.5. Hệ truyền động động cơ đồng bộ với bộ biến đổi tần số nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên. Mạch lực của hệ truyền động được trình bày trên hình 3.16 bao gồm: Chỉnh lưu thyristor (CL), cuộn cảm lọc (Ld) và nghịch lưu thyristor (NL): để đảm bảo NL làm việc được trong chế độ chuyển mạch tự nhiên, động cơ phải ở chế độ quá kích từ. Lúc đó NL thực chất là chỉnh lưu làm việc trong chế độ nghịch lưu bị động với điện áp động cơ, vì vậy trong mạch nghịch lưu không có các phần tử chuyển mạch. Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý mạch lực hệ truyền động BBĐ- động cơ đồng bộ dùng biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên. a) Quá trình chuyển mạch Hình 3.17: a) Nguyên lý làm việc của nghịch lưu; b) Thứ tự dẫn các tiristo. Trên hình 3.17 mô tả nguyên lý làm việc của nghịch lưu NL có hai nhóm van: Nhóm anốt chung (T1 - T3 - T5) nhóm catốt chung (T4 - T6 - T2). Góc dẫn mỗi van 1200 điện, thứ tự dẫn các van theo từng cặp (T1 - T2; T2 - T3; T3 - T4; T4 - T5; T5 - T6; T6 - T1). Trong một chu kỳ điện áp của động cơ có 6 lần chuyển mạch. Do dòng điện vượt trước điện áp, nên khi chuyển mạch: Đối với thyristor được mở điện áp có chiều thuận ((+) anốt; (-) catốt); thyristor bị khoá có điện áp có chiều ngược ((+) catốt; (-) anốt). Vì vậy cần phải có tín hiệu đồng bộ với sđđ hoặc điện áp động cơ. Từ đó mạch phát xung sẽ phát xung mở sớm một góc so với điện áp của động cơ. Việc tạo tín hiệu đồng bộ có thể dùng mạch đo vị trí rôto hoặc đo trực tiếp điện áp động cơ. Trên hình 3.18, khảo sát quá trình chuyển mạch từ T5 sang T1. Tại thời điểm trước chuyển mạch cặp thyristor T5 - T6 đang dẫn dòng Id, lúc đó: Hình 3.18 : Quá trình chuyển mạch từ T5 sang T6 (3-21) Cuối quá trình dẫn T5 - T6 , cho xung mở T1 điện áp UCA > 0, Ua 0). Dòng qua T1 thuận lợi hơn nên có trị số tăng dần đến Id, dòng qua T5 khó khăn hơn nên giảm dần 0, như vậy dòng qua T5 sẽ chuyển sang T1 ; đồng thời T5 bị điện áp ngược (Uc>0) đặt lên, nên nó bị khoá. Góc được gọi làgóc mở thyristor (xem Hình 6 - 13) : , trong đó là góc trùng dẫn, là góc phục hồi đăc tính khoá, được tính (tq là thời gian khoá Thyristor). Nếu góc không đủ lớn, T5 không kịp khoá dẫn đến lật chế độ nghịch lưu. Phương trình dòng điện và điện áp khi chuyển mạch : (3-22) Giải phương trình đối với ia : (3-23) với điều kiện đầu ia=0 ; Giải (3-23) nhận được : (3-24) Khi : ta có : (3-25) Điều này cho thấy góc trùng dẫn là hàm của Um, , Id và . Điện cảm chuyển mạch L được tính gần đúng bằng: (3-26) Điện áp khi chuyển mạch : (3-27) Điện áp và dòng điện khi chuyển mạch được vẽ trên hình 3.19. Hình 3.19: Đồ thị dòng điện và điện áp khi chuyển mạch. Góc lệch pha giữa dòng và điện áp điều hoà bậc 1 (3-28) b) Mômen của động cơ Hình 3.20: Từ thông phần ứng ứng với các cặp tiristo dẫn và từ thông cực từ . Mômen động cơ sinh ra do tác dụng của từ trường cực từ và từ trường phần ứng . Do trong một chu kỳ nghịch lưu chuyển mạch 6 lần, từ trường phần ứng sẽ quay tròn qua 6 điểm cố định, kế tiếp nhau lần lượt theo thứ tự dẫn của các cặp thyristor dẫn(xem hình 3.20). Từ trường cực từ quay tròn với tốc độ của rôto. Mômen động cơ trong một khoảng dẫn thyristor được tính : (3-29) trong đó : 1 là góc lệch giữa và ; K là hệ số tỷ lệ ; 0< < (3-30) là góc giữa dòng điện stato và sức điện động E. Giá trị trung bình của momen được tính: (3-31) (3-32) Như vậy mômen trung bình của động cơ sẽ thay đổi theo góc ( xem hình 3.21) Mtb>0 khi Mtb <0 khi Mtb=0 khi Hình 3.21 : Mômen trung bình của động cơ với góc . c) Giới hạn của chuyển mạch tự nhiên và vấn đề khởi động Như phần a) ta đ• tìm hiểu thực chất chuyển mạch tự nhiên của nghịch lưu là chuyển mạch theo điện áp tải. Nhờ điện áp của mạch vòng chuyển mạch để mở và khoá Thyristor. Khi ở tốc độ thấp, điện áp động cơ nhỏ, điện trở mạch stato lúc này có thể so sánh với điện cảm, nên gây sụt áp lớn. Do vậy ở tốc độ thấp việc chuyển mạch tự nhiên khó khăn hơn, đến giá trị náo đó thì chuyển mạch tự nhiên sẽ không thực hiện được, đó là giới hạn của chuyển mạch tự nhiên ở khoảng tốc độ tốc độ định mức động cơ. Điều này dẫn đến vấn đề khởi động động cơ từ tốc độ 0 đến( ) tốc độ định mức. Tuỳ theo loại phụ tải, cấu tạo của động cơ và công suất động cơ, ta có các biện pháp khởi động thích hợp. *) Khởi động dùng chuyển mạch cưỡng bức Làm việc của nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức giống như trong truyền động điều khiển tần số động cơ không đồng bộ (xem hình 3.22). Biện pháp khởi động này dùng cho mọi loại động cơ, ở các giả công suất khác nhau. Hình 3.22 : Sơ đồ nguyên lý khởi động dùng chuyển mạch cưỡng bức. *) Khởi động dùng phương pháp dòng điện gián đoạn. Nội dung của phương pháp này là : Dựa vào tín hiệu đồng bộ (vị trí rôto), ta xác định được điểm chuyển mạch. Tại thời điểm đó góc mở chỉnh lưu CL được tăng , dòng Id giảm về giá trị 0, lúc này ta cho xung mở thyristor nghịch lưu để tiến hành chuyển mạch. Mặc dù lúc đó điện áp thấp nhưng dòng Id đ• giảm về 0, nên chuyển mạch đ• thực hiện đựơc(xem hình 3.23), phương pháp khởi động này thường thực hiện ở công suất lớn, tải nhẹ. Hình 3.23 : Sơ đồ nguyên lý khởi động bằng phương pháp dòng gián đoạn và đồ thị điện áp, dòng mạch CL. 3.2.6. Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ truyền động động cơ đồng bộ dùng biến tần nguồn dòng. Cấu trúc hệ truyền động động cơ đồng bộ - biến tần nguồn dòng rất đa dạng. Trong phần này sẽ giới thiệu những mẫu thông dụng trong thực tế ở giải công suất trung bình và lớn. Trên hình 3.24 trình bày sơ đồ nguyên lý hệ truyền động. Nó gồm các khâu : Hình 3.24: Cấu trúc hệ truyền động động cơ đồng bộ biến đổi tần số dòng điện chuyển mạch tự nhiên Mạch lực gồm có bộ chỉnh lưu tisisto CL I cuộn cảm lọc 1 chiều Ld, nghịch lưu tisitor NL II, mạch kích từ dùng chỉnh lưu tisitor CL II. Mạch điều khiển gồm 3 phần: a) Mạch điều khiển chỉnh lưu có hai mạch vòng điều chỉnh: tốc độ và dòng điện . b) Mạch điều khiển kích từ có một mạch vòng điều chỉnh kích từ đảm bảo giữ dòng kích từ không đổi. c) Mạch điều khiển nghịch lưu có ba phần chính: Mạch tạo tín hiệu đồng pha, mạch dịch pha tạo góc vượt trước và mạch phân phối xung, khuếch đại xung. Mạch tạo tín hiệu đồng pha ở đây dùng cơ cấu đo vị trí rôto (xem hình 3.26) được cấu tạo bởi đĩa gắn cứng vào trục rôto và bốn đầu đo optron (cấu tạo đĩa đo hình 3.25 ứng với động cơ có ). Ba đầu đo O1, O2, O3 sẽ đo vị trí rôto cho ta ba tín hiệu PA, PB, PC đồng pha với EA, EB, EC. Đầu đo O4 đo tốc độ đồng cơ SP. Số xung ra ứng với số nhịp trong chu kỳ sức điện động là 128 xung. - Từ bốn tín hiệu PA, PB, PC và SP đưa vào mạch dịch pha, mạch này có cấu tạo đơn giản là mạch đếm chương trình 6 bít, bằng việc đặt trước dung lượng bộ đếm ban đầu b0, b1, b2, b3, b4, b5 tương ứng với góc vượt trước . Hình 3.25: a) Đĩa đo vị trí rôto; b) Cấu tạo đầu đo; c) Tín hiệu đo. - Mạch phân phối xung và khuếch đại xung có cấu tạo tương tự như mạch điều khiển nghịch lưu trong điều khiển tần số động cơ không đồng bộ. Cấu trúc mạch điều khiển nghịch lưu được trình bày trên hình 3.26. Mômen động cơ có thể viết dưới dạng: (3-33) Nếu đảm bảo điều kiện Ikt=hằng số, thì tỷ số sẽ là hằng số. Đồng thời với việc đặt trước góc , ta có: (3-34) Như vậy mômen trung bình của động cơ đồng bộ sẽ được điều khiển tượng tự như mômen động cơ một chiều. Khởi động hệ truyền động: ở đây sử dụng phương pháp khởi động không đồng bộ, nối trực tiếp với lưới để tốc độ đạt đến (10-15%) tốc độ định mức sau đó đưa bộ biến đổi tần số vào làm việc đảm bảo điều kiện chuyển mạch tự nhiên (xem hình 3.24) Hình 3.26: Mạch nguyên lý điều khiển nghịch lưu (Đầu tiên k đóng ở vị trí 1, khi khởi động đến 10-15% , K chuyển sang vị trí 2). Truyền động thực hiện h•m tái sinh: lúc đó bộ chỉnh lưu CLI có góc điều khiển điện áp chỉnh lưu , bộ nghịch lưu NLII có góc điều khiển lúc đó sẽ có . Trong một số trường hợp mạch đo vị trí rôto không thích hợp với cấu trúc về cơ hoặc môi trường làm việc, người ta thay thế bằng việc đo điện áp stato của động cơ (cách ly mạch lực bằng biến áp hay các phần tử optron). Lúc đó tín hiệu đồng pha không phải là sức điện động mà là điện áp stato Ua, Ub, Uc và góc lệch pha cần điều khiển là góc . Ví dụ thì ở chế độ động cơ, , trong chế độ h•m tái sinh Chương iv truyền động động cơ bước Động cơ bước là loại động cơ chấp hành trong đó vị trí roto tỷ lệ với số xung đưa vào dây quấn stato. Về cấu tạo cả stato và roto có dạng răng- r•nh. Stato thường có nhiều dây quấn. Khi phối hợp dòng điện trong các dây quấn stato có thể được chiều quay mong muốn. Một số loại động cơ bước có răng roto bằng nam châm vĩnh cửu, tuy nhiên đa số động cơ bước có roto không được kích từ. Nguyên lý làm việc của động cơ bước dựa trên tính chất vật lí là roto luôn nằm ở vị trí có từ trường cực đại (từ kháng nhỏ nhất), nghĩa là vị trí răng roto. Ngoài làm việc như cơ cấu chấp hành có góc quay phụ thuộc vào số lượng xung đưa tới, động cơ bước còn hoạt động ở chế độ quay với tốc độ cao khi tần số xung trong dây quấn stato cao. Khi kết thúc chuyển động động cơ luôn dừng ở vị trí mong muốn, không có sai số góc tích luỹ. Sai số góc chỉ do độ chính xác cấu trúc răng stato và roto. Sai số này vào khoảng 5% của một bước/góc và không có tích luỹ. 4.1. Các kiểu động cơ bước 4.1.1. Động cơ bước từ kháng biến thiên một khối Hình 4.1: Tiết diện động cơ bước một khối. Tiết diện động cơ bước từ kháng biến thiên một khối được cho trên hình 4.1. Roto có thể quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều tuỳ theo tuần tự dòng điện vào dây quấn Stato là ABCA và ACBA. Bước góc quay của Roto được tính bằng: ở đây N là số pha của Stato, p là số cực của Stato. Động cơ một khối có bước góc rộng hơn các loại khác bởi vì giới hạn khoảng cách của các dây quấn. Góc của bước động cơ rộng hơn động cơ rôto nhiều khối hoặc lai. Mỗi dây quấn kích từ tạo nên dặc tính mômen theo góc như ở hình 4.2. vị trí cân bằng của rôto được ký hiệu là X và Y, khi đó momen bằng 0, vị trí X là vị trí răng cân bằng ổn định vì đặc tính mômen theo góc quay dM/d < 0. còn vị trí Y là điểm cân bằng răng không ổn định. Cả hai vị trí phụ thuộc vào mức kích thích, cho biết rôto sẽ di chuyển đến đâu khi mang tải.điều này có nghĩa là mức kích thích cũng ảnh hưởng tới vị trí duy trì chính xác của roto. Hình 4.2: Đặc tính M ( ) Cũng có thể kích thích rôto theo thứ tự AB – BC – CA hoặc AB – CA – BC để tiến hoặc lùi cũng có thể kích thích theo thứ tự AB - B - BC - C - CA - A – AB để tiến và AB – A – AC – C – CB - B –AB để lùi. Trong sơ đồ này kích thước bước được chia đôi. Tạo nên hai mức momen khác nhau đối với các vị trí răng thay đổi. Tuy nhiên kích thước bước giảm và mỗi bước bị suy giảm nhiều hơn là nhược điểm của loại này. 4.1.2. Động cơ bước từ kháng biến thiên nhiều khối. Trong loại động cơ bước từ kháng biến thiên nhiều khối, dây quấn stato được bố trí thành nhiều khối dọc theo trục. Tiết diện mỗi khối có cùng số cực ở roto và stato. Thường mỗi khối stato được đặt lệch 1/N bước cực. ví dụ N=6, p=32, bước của động cơ là: 4.1.3. Động cơ bước lai. Động cơ bước lai có nam châm vĩnh cửu kẹp giữa hai tiết diện rôto và stato như hình 4.3. Cả hai có các răng hướng kính. Stato có hai dây quấn pha, mỗi dây quấn tạo nên cực tính cực từ thay đổi theo tiết diện stato. Các dây quấn stato được kích thích bằng dòng điện hai cực tính khác với dòng điện một cực tính trong hai loại động cơ trên. Từ trường do dây quấn stato tạo nên khép mạch qua stato và rôto và cắt qua khe hở không khí (hình 4.3), tuy nhiên không qua nam châm vĩnh cửu rôto. Nam châm rôto làm cho rôto nằm ở vị trí có từ kháng nhỏ nhất và giữ cho rôto ở vị trí này khi dây quấn stato không có điện. Từ thông nam châm rôto phân bố qua cực 3 và 7 trong tiết diện X và 1 và 5 trong tiết diện Y trên hình 4.4. Hình 4.4: mặt cắt của động cơ lai a) Mặt cắt X; b) Mặt cắt Y Khi dây quấn A và B(nét đậm và nét mờ) có điện với cực tính dương và âm, từ thông tổng cũng phân bố qua cùng các cực này, như vậy rôto tạo nên momen lớn hơn. Động cơ có thể quay bước tiến hoặc lùi khi thứ tự dây quấn có điện là: - - hoặc - - - trong đó nét gạch chỉ cực tính trong các pha A và B. Góc bước của động cơ bước lai là: ở đây p là số cực của rôto. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có cực tính nam châm vĩnh cửu thay đổi trên bề mặt rôto bằng thép (hình 4.6). Stato gồm có hai dây quấn ngược cực tính khi có điệnnhư trường hợp động cơ lai. 4.2. Cơ chế tạo nên momen quay Đối với động cơ bước từ kháng thay đổi, giả thiết dòng điện kích từ trong dây quấn không đổi, mômen tạo nên do biến thiân của năng lượng từ trường theo góc quay: Lưu ý chiều dòng điện không ảnh hưởng tới chiều của mômen ( vì M tỷ lệ với i2). Khi các cực rôto và stato hoàn toàn thẳng hàng như vị trí trên hình 4.7a, điện cảm L ít thay đổi theo , khi đó mômen bằng 0 ứng với điểm X trên hinh 4.3. Khi các cực rôto và stato không thanửg hàng như trên hình 4.7b, điện cảm L biến thiên nhiều, dL/d qua vị trí cực đại tạo nên mômen cực đại Mmax sau đó L giảm khi tăng lên và tạo nên mômen âm. Nếu động cơ bước làm việc trong vùng đặc tính từ tuyến tính thì L là hằng số ở vị trí góc đ• cho, mômen trên một đơn vị thể tích sẽ nhỏ, vì thế động cơ bước thường làm việc trong vùng b•o hoà, khi đó đặc tính M ( ) có dạng phức tạp. Hình 4.7: Vị trí răng rôto và stato a) Trùng khớp b) Không trùng . 4.3. Đáp ứng mômen - tốc độ. Khi rôto ở vị trí răng trùng và các dòng điện pha thay đổi tới giá trị mới, vị trí răng của rôto quay thuận và tới vị trí răng mới. Mômen quay của rôto chịu ảnh hưởng của đặc tính M ( ) và của tải. Giả thiết đặc tính M ( ) hình sin, sai lệch bước được tính theo công thức: ở đây ML là mômen tải, Mmax lf mômen cực đại. Tuy nhiên sai lệch không tích luỹ. Nếu dòng điện pha chuyển mạch liên tiếp thì rôto sẽ qua nhiều bước như ở hình 4.8. Tần số chuyển mạch mà rôto có thể chuyển động được phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Thời gian tăng trưởng và suy giảm của dòng điện dây quấn xác định theo các thông số điện của dây quấn, vào kiểu truyền động sử dụng, vào quán tính, ma sát và các hệ số tải của động cơ. Hình 4.8. Đáp ứng mômen theo góc quay a) Đáp ứng đơn ; b) Đáp ứng nhiều bước Các tín hiệu rới rạc về bước của động cơ theo chiều thuận và ngược được chuyển đổi thành tín hiệu chuyển mạch dòng điện cung cấp cho mạch điều khiển xung. Bộ chuuyển đổi thực hiện theo lôgíc đơn giản và được gắn liền với mạch tích hợp điều khiển động cơ bước. Trong nhiều ứng dụng, động cơ bước hoạt động ở xa tốc độ lớn nhất và có thể khởi động hoặc dừng từ đó. Tính năng của động cơ bước thường được cho theo đặc tính cơ M ( ). Đặc tính này cho biết khoảng mômen cực đại động cơ có thể hoạt động với bước liên tục ở một tốc độ cho trước (Hình 4.9) . Hình 4.9. Đặc tính cơ của động cơ bước ở tốc độ thấp, mômen quay gần bằng giá trị trung bình của dạng sóng M ( ) ở nủa chu kỳ dương. ở tốc độ cao do thời gian tăng trưởng và suy giảm dòng điện hữu hạn cùng với sức phản điện của dây quấn làm giảm mômen quay khi tốc độ tăng lên. Để hoạt động ở tốc độ cao, tôc độ bước được chia tăng dần và giảm dần từ tốc độ này sang tốc độ khác, động cơ không có khả năng bám theo điều khiển và sẽ mất đồng bộ với các xung bước hoặc kích từ dây quấn. Động cơ bước cũng chịu cộng hưởng cơ học và sẽ mất bước khi tộc độ chuyển mạch rơi vào dải nào đó. Việc lựa chọn cẩn thận tốc độ bước sẽ khắc phục được vấn đề này. Có thể sử dụng một giải pháp cản dịu khi ttốc độ bước cần được biến thiên liên tục như trong trường hợp máy công cụ chép hình. 4.4. Mạch điều khiển động cơ bước. Có hai cách điều khiển động cơ bước: Điều khiển đơn cực, thích hợp với động cơ bước từ kháng biến thiên khi đo momen được xác định theo mức dòng điện mà không phụ thuộc vào cực tính của nó. Đối với động cơ bước lai và động cơ bước nam châm vĩnh cửu, chiều dòng điện rất quan trọng, khi đó mạch điều khiển hai cực sẽ thích hợp hơn. 4.4.1. Mạch điều khiển đơn cực. Dạng đơn giản nhất của mạch điều khiển đơn cực, với mỗi dây quấn được cho trên hình 4.10. Hình 4.10. Mạch điều khiển đơn cực a) Mạch cơ bản; b) Mạch điều khiển PWM hạn chế dòng và điôt Zêner; c) Mạch điều khiển ngắt tái sinh Transistor MOSFET được thông để đưa điện vào dây quấn. dòng điện bị hạn chế bằng điện trở dây quấn hoặc bằng trễ hoặc điều khiển dòng điện PWM. Diode thoát cho phép khép mạch dòng điện khi transistor bị khoá. Mạch 4.10a là mạch cơ sở. Mạch điều khiển tốt hơn là mạch ở hình 4.10b có thêm diode zener trong mạch diode thoát D4. Điều biến độ rộng xung PWM cho phép nguồn chiều cao hơn từ 5-10 lần điện áp khi hạn chế bằng điện trở, do đó giảm thời gian tăng trưởng dòng điện khi thông 5-10 lần. Diode Zener cho phép thời gian suy giảm nhanh hơn khi transistor khoá do tiêu tán năng lượng tích luỹ trong dây quấn khi Transistor khoá nhanh hơn. Sơ đồ ở hình 4.10c cho phép năng lượng tích luỹ trong dây quấn khi Transistor bị khoá trả về nguồn nhiều hơn năng lượng tiêu tán trong dây quấn hoặc trong mạch diode thoát. 4.4.2. Mạch điều khiển hai cực tính. Hình 4.11. Mạch điều khiển hai cực tính Mạch điều khiển hai cực tính cho phép các dây quấn động cơ dẫn điện theo hai chiều. Trên hình 4.11 có 4 Transistor làm thành mạch cầu dùng cho một dây quấn. Mạch có thể tạo nên thời gian tăng trưởng và suy giảm cần thiết của dây quấn bằng cách lựa chọn điện áp nguồn Vdc, điều biến PWM và hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh dòng điện thích hợp. Một số động cơ lai và động cơ nam châm vĩnh cửu có 4 dây quấn, mỗi pha hai, do đó có thể mắc nối tiếp hoặc song song , phụ thuộc vào đặc tính cơ đòi hỏi. chương v: truyền động servo. 5.1. Điều khiển động cơ điện. Chúng ta đ• biết nhiều Vũ các loại động cơ điện thông thường ngư: động cơ điện một chiều có cổ góp, động cơ điện xoay chiều đồng bộ và không đồng bộ, các động cơ dùng trong điều khiển tự dộng cần có những tính chất đặc biệt như: Dụ diều khiển, quán tính nhỏ, có thể làm việc ở tốc độ thấp hoặc trong trạng thái tĩnh… Tuy có sự khác nhau Vũ kết cấu và nguyên lý làm việc, động cơ điện một chiều và động cơ servo có thể được mô hình hoá giống nhau thông qua biến phức s, sự cân bằng điện của phần ứng được mo tả bởi phương trình: Trong đó: Va, Ra, La, và ia: Lần lượt là điện áp, điện trở, điện kháng và dòng điện phần ứng. Vg: Là sức điện động của phần ứng tỷ Lử với vận tốc góc của rôto. Hệ số kv thể hiện quan Hử giữa vận tóc góc của rôto với sức điện động. Nó phụ thuộc kết cấu của động cơ và tính chất điện từ của phần cảm Tương tự phương trình cân bằng cơ học của động cơ có dạng: Trong đó: Cm và Cr là moomen chủ động và mômen phản lực, Im và Fm là momen quán tính Vũ Hử số cản nhớt trên trục động cơ, Hử số tỷ Lử kt biểu diễn quan Hử giữa momen của động cơ và dòng điện phần ứng, trong Hử đơn Vỵ SI, giá trị của nó coi bằng kv. Đối với bộ phận khuyếch đại công suất, quan Hử giữa điện áp vào Vc và điện áp phần ứng Va chính là hàm truyền. Trong đó: Gv: Hệ số điện áp Tv : Hằng số thời gian, giá trị của Tv nhỏ so với các hằng số khác của một Hử thống nào đó nên có thể bỏ qua. Ví dụ trong Hử thống điều khiển rôbot, nếu dùng bộ biến tần nằm trong khoảng (10 – 100)kHz thì giá trị của Tv nằm trong khoảng (10- 5 – 10- 4)s. Từ sơ đồ khối của động cơ servo với khuyếch đại công suất được thể hiện trong hình Vù 5.1: Hình 5.1: Sơ đồ khối động cơ servo với khuyếch đại công suất. Trong sơ đồ trên, bên cạnh các khối thể hiện các quan Hử nói trên còn có các yếu tố sau: - Dòng phản hồi dòng điện phần ứng thông qua bộ biến đổi ki giữa cuộn dây phần ứng và khuyếch đại công suất. - Khối hiệu chỉnh dòng điện Ci(s) có các đặc tính phi tuyến ở trạng thái b•o hoà. Vòng phản hồi được dùng với hai mục đích: - Điện áp đóng vai trò điện áp chuẩn. Nừu chọn Ci(s) thích hợp thì độ trễ giữa Ia và Vc giảm - Mặt khác tính phi tuyến ở trạng thái b•o hoà cho phép hạn chế sự tăng của , nó có tác dụng như bộ hạn chế dòng điện, bảo Vử khối khuyếch đại công suất. Từ sơ đồ trên, bằng cách chọn Ci(s), có thể nhận được Hử điều khiển vận tốc hoặc Hử điều khiển mômen. Nừu kơi =0, và nếu Hử số cản nhớt rất nhỏ so với Hử số h•m điện năng, nghĩa là(Fm<<kvkt/Ra), đồng thời đặt K = Ci(0)Gv và giả thiết Gv=0 thì dẫn đến trạng thái điều khiển vận tốc. Nừu 0 và chịn hàm truyền dòng điện rất lớn (Kki >> Ra). Sù dẫn đến trạng thái điều khiển mômen: Vì K thường có giá trị lớn nên momen hầu như không phụ thuộc vào vận tốc góc . Với các điều khiển trên, ta có sơ đồ điều khiển vạn tốc và sơ đồ điều khiển mômen như trong hình 5.2: Hình 5.2: a) Sơ đồ điều khiển vận tốc. B) Sơ đồ điều khiển mômen . Từ các sơ đồ trên, ta có mối quan Hử giữa các lượng vào (điện áp điều khiển Vc, momen phần ứng Cr) với đại lượng ra là vận tốc góc . - Đối với điều khiển vận tốc: . - Đối với điều khiển momen: . 5.2. Truyền động servo. Truyền động servo (chấp hành) là hệ truyền động có đáp ứng thời gian ngắn hơn hệ truyền động thông thường. Ví dụ truyền động cơ cấu tay máy, đĩa cứng máy tính... đòi hỏi cơ cấu chấp hành phải tác động nhanh khi có tín hiệu điều khiển. Do sự hoàn thiện của vật liệu chất lượng cao, của mạch điều khiển điện tử công suất, truyền động chấp hành được ứng dụng rộng r•i trong kỹ thuật tự động hoá với công suất khoảng vài KW. Các yêu cầu kỹ thuật quan trọng của truyền động servo là: - Tỷ số mômen quay trên mômen quán tính cao, nghĩa là hằng số thời gian diện cơ nhỏ; - Mômen quay trên đơn vị thể tích lớn; - Điện cảm dây quấn động cơ (hằng số thời gian điện từ) nhỏ; - Mômen ổn định ở tốc độ thấp; - Tản nhiệt tốt; - Cảm biến vị trí và tốc độ ghép nối trực tiếp, có độ phân giải cao; Tỷ số mômen quay trên mômen quán tính cao cho phép động cơ dễ dàng tăng tốc và giảm tốc. Điều này đạt được khi quán tính của rôto nhỏ và hằng số thời gian điện từ nhỏ, do đó rôto có dạng đĩa, rôto rỗng. Nói chung hằng số thời gian điện từ 5 lần trở lên, khi đó mạch điều chỉnh tốc độ và điều chỉnh dòng điện hoạt động riêng rẽ không ảnh hưởng lẫn nhau. Động cơ servo thường làm việc ở chế độ đóng-mở liên tục, do đó dòng điện thường vượt quá dòng điện định mức từ 2-3 lần cần phải được tản nhiệt tốt. 5.3. Giới thiệu về board thí nghiệm điều khiển động cơ một chiều bằng phương pháp điều khiển servo Với BOARD điều khiển SERVO tựa như một hệ thống điều khiển mà nó có thể sử dụng cả điều khiển tương tự (PID BOARD)và điều khiển số. SERVO BOARD bao gồm động cơ điện một chiều, nó được mắc với một dụng cụ đo điện thế thông qua hệ thống bánh răng. Đồng hồ điện thế được sử dụng cho vùng tín hiệu tương tự.Để bảo vệ đồng hồ điện thế, nó đựoc tách ra thông qua một bộ khuếch đại. Giá trị thực tế đựoc đảo ngược ở đầu ra. Động cơ của SERVO BOARDcó thể điều khiển số trong cả hai chiều quay bởi đầu vào TTL và những mạch hồi tiếp logíc. Sự điều khiển số của SERVO BOARD có thể làm như sau: Mạch điện của bộ khuếch đại chuẩn sử dụng với tín hiệu vào từ-10V…+10V cho phù hợp với động cơ chạy điện áp 12V. Nó cũng có một bộ m• hoá số.Đây là một đĩa m• hoá gồm có hai r•nh m• hoá với độ phân giải khác nhau với dữ liệu thu được cần tốc độ xử lý cao hơn về góc quay và hướng quay. Cảm biến phản chiếu được sử dụngđể làm dụng cụ đo tốc độ và hướng quay(Encoder gia tăng).Tín hiêụ đầu ra được lấy qua trigger Schmitt. Cảm biến phản chiếu có thể được đặt ở 2 vị trí để có thể kiểm tra độ phân giải khác nhau. Đặt thêm một cảm biến chúng ta có thể lấy được dữ liệu của chiều quay. Đầu ra của tín hiệu lệch pha nhau 90ơơ0 Nếu đĩa m• hoá quay sang bên phải thì cảm biến bên trái luôn luôn có tín hiệu trước cảm biến bên phải (U1 có trước U2 ). Nếu đĩa quay sang bên trái quá trình diễn ra sẽ ngược lại với trường hợp trên (U2 có trước U1 ). *) Điều khiển chiều quay động cơ bằng trasistor Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý điều khiển chiều quay động cơ Nguyên lý làm việc : Khi muốn động cơ quay thuận đặt điện áp vào A khi đó UA = 5V, UB = 0V, T1 T3 dẫn (do Vc > VB > VE), T2 T4 khoá Dòng điện đi từ dương nguồn qua T1 - động cơ -T3 trở về âm nguồn động cơ làm việc theo chiều quay thuận Khi đặt điện áp vào B, UB = 5V, UA= 0V khi đó T2 T4 dẫn (do Vc > VB > VE ) T1 T3 khoá động cơ quay theo chiều ngược lại. LờI KếT Qua việc nghiên cứu đề tài tham khảo tài liệu cộng kiến thức đ• học, cùng với sự giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Đoàn Văn Điện cùng giúp đỡ của bạn bè cùng với sự lỗ lực của bản thân đến nay đề tài của chúng em đ• hoàn được thành. Trong quá trình hoàn thành đề tài chúng em còn nhiều sai sót, chúng em mong các thầy cô giáo và bạn bè trong ngành đóng góp ý kiến cho chúng em để những đề tài về sau tốt hơn. Với thời gian có hạn nên một số phần chúng em chưa được hoàn chỉnh, chúng mong các bạn khoá sau sẽ phát huy khả năng và vốn kiến thức của mình để làm tốt hơn. Trong quá trình hoàn thành đề tài, chúng em đ• trình bày một cách ngắn gọn, dễ hiểu và có hệ thống giúp cho bạn được thuận lợi cho quá trình nghiên cứu và ứng dụng. Chúng em rất mong thầy cô giáo và bạn bè đóng góp ý kiến để chúng em hoàn thành tốt hơn những phần được giao sau. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Đoàn Văn Điện Giảng Viên khoa Điện - Điện Tử đ• giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này! Hưng Yên, Ngày… tháng …năm 2007! Tài liệu tham khảo 1.Điện tử công suất( tập hai) của: Lê Văn Doanh( chủ biên ) Nguyễn Thế Công Trần Văn Thịnh 2.Truyền động điện của: Bùi Quốc Khánh Nguyễn Văn Liễn Nguyễn Thi Hiền 3. kỹ thuật rotbot