Đề cương bài giảng Tổng hợp điều khiển hệ thống điện cơ

Biên soạn: Đỗ Công Thắng 1Khoa Điện-Điện tử 2013 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ Biên soạn: Đỗ Công Thắng Biên soạn: Đỗ Công Thắng 2Khoa Điện-Điện tử 2013 MỤC LỤC CHƯƠNG I: NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN KHI XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VÀ TỔNG HỢP HỆ TĐĐ .............. 4 1.1 Khái niệm và phân loại ................................................................................. 4 1.1.1 Khái niệm: ............................................................................................. 4 1.1.2. Phân loại: .............................................................................................. 4 1.2 Những vấn đề chung khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện. .. 5 1.3 Độ chính xác của hệ điều chỉnh tự động truyền động điện trong chế độ xác lập và tựa xác lập. .................................................................................................... 6 1.3.1 Các hệ số sai lệch. .................................................................................. 6 1.3.2 Tiêu chuẩn sai lệch. ................................................................................ 8 1.3.3 Bù sai lệch tĩnh ở hệ hữu sai. ............................................................... 14 1.3.4 Bù sai lệch tĩnh, sai lệch tốc độ và sai lệch gia tốc ở hệ vô sai cấp 1. ... 15 1.4 Tổng hợp các mạch vòng điều khiển nối cấp dùng phương pháp hàm chuẩn môdun tối ưu. ................................................................................................... 16 1.4.1 Khái niệm. ........................................................................................... 16 1.4.2 Áp dụng tiêu chuẩn môdun tối ưu. ....................................................... 17 1.4.3 Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. .................................................... 22 1.4.4 Tổng hợp các bộ điều chỉnh theo nhiễu loạn. ....................................... 25 CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ................................................................................................................. 27 2.1. Động cơ điện một chiều ............................................................................. 27 2.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều.......................................... 27 2.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều. ......................................... 30 2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện. ................................................................. 35 2.2.1 Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện. ....................................... 35 2.2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động động cơ. .... 37 2.2.3 Tổng hợp mạch vòng dòng điện có tính đến sức điện động động cơ. .... 39 2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện có tính đến vùng gián đoạn của dòng điện phần ứng ................................................................................ 40 2.3 Tổng hợp hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ. .................................... 41 2.3.1 Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ P. ............. 43 2.3.2. Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI. ..................................................................................................................... 46 2.3.3 Hệ thống điều chỉnh tốc độ khi không có mạch vòng dòng điện. .......... 47 2.3.4 Hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh hai thông số. ............................ 49 Biên soạn: Đỗ Công Thắng 3Khoa Điện-Điện tử 2013 CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ............................................................................................ 53 3.1 Mô tả động cơ không đồng bộ .................................................................... 53 2. Phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ: .................................................. 57 3. Hệ phương trình cơ bản của động cơ trong không gian vectơ: ...................... 59 3.1. Phương trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định : .......................... 61 3.2. Phương trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq: ............ 64 3.2 Mạch vòng dòng điện. .............................................................................. 67 3.3 Điều chỉnh tốc độ thông qua việc điều chỉnh điện áp. ................................. 70 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý. .................................................................................. 70 2.3.2 Điều chỉnh điện áp động cơ lồng sóc. ................................................... 71 2.3.3 Điều chỉnh điện áp động cơ rôto dây quấn. ........................................... 71 3.4 Điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện trở rôto. ......................................... 74 3.4.1 Sơ đồ nguyền lý. .................................................................................. 74 3.4.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh. ...................................................... 75 3.4.3 Xây dựng các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ. ................................. 76 3.5 Điều chỉnh tốc độ thông qua việc điều chỉnh công suất trượt. ..................... 76 3.5.1 Sơ đồ nguyền lý. .................................................................................. 76 2.5.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh. ...................................................... 77 2.5.3 Xây dựng các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ. ................................. 81 3.6 Điều chỉnh tốc độ thông qua việc điều chỉnh tần số nguồn cấp. .................. 81 3.6.1 Luật điều khiển giữ khả năng quá tải không đổi. .................................. 81 3.6.2 Luật điều chỉnh từ thông không đổi. ..................................................... 82 3.6.3 Điều chỉnh tần số điện áp ..................................................................... 84 Phần bài tập chương ............................................................................................. 99 Biên soạn: Đỗ Công Thắng 4Khoa Điện-Điện tử 2013 CHƯƠNG I: NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN KHI XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VÀ TỔNG HỢP HỆ TĐĐ 1.1 Khái niệm và phân loại 1.1.1 Khái niệm: Hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện là hệ thống điều chỉnh tự động đảm bảo các giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào tác động của các nhiễu liên hệ điều chỉnh. Cấu trúc chung của hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện : Hình 1.1. Hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện - Động cơ truyền động M quay máy sản xuất Mx và thiết bị biến đổi năng lượng BĐ - Các thiết bị đo lường - Bộ điều chỉnh R - Tín hiệu điều khiển hệ thống(tín hiệu đặt ) THĐ - Các tín hiệu nhiễu loạn tác động lên hệ thống. 1.1.2. Phân loại: Việc phân loại hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện tùy thuộc vào mục đích. Nếu như quan tâm tới động cơ truyền động thì ta có truyền động động cơ một chiều, truyền động động cơ xoay chiều Nếu quan tâm tới tín hiệu điều chỉnh tương tự và số. Mặt khác nếu quan tâm tới cấu trúc hoặc thuật điều khiển ta có truyền động điều chỉnh thích nghi, Truyền động điều chỉnh vectơ Khi xét nhiệm vụ chung của hệ thống chúng ta có thể phân thành ba loại như sau: - Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì theo lượng đặt trước không đổi. Ví dụ như duy trì tốc độ không đổi, mômen không đổi hoặc công suất không đổi Biên soạn: Đỗ Công Thắng 5Khoa Điện-Điện tử 2013 - Hệ điều chỉnh tùy động (hệ bám) là hệ điều chỉnh vị trí trong đó cần điều khiển truyền động theo lượng đặt trươc biến thiên tùy ý như truyền động quay anten, rada, các cơ cấu ăn dao của máy cắt gọt kim loại - Hệ điều chỉnh trương trình : Thực chất là hệ điều chỉnh vị trí nhưng đại lượng điều khiển lại tuân theo chương trình đặt trước. Thông thường đại lượng điều khiển ở đây là các quỹ đạo truyền động trong không gian phức tạp cho nên cấu trúc của nó thường gồm nhiều trục. Chương trình điều khiển ở đây được mã hóa ghi vào bìa, băng từ, đĩa từ Chúng ta thường gặp hệ truyền động điều khiển ở các trung tâm gia công cắt gọt kim loại, các dây truyền sản xuất có robot. Hệ điều khiển chương trình có cấu trúc phức tạp nhất. Thông thường nó cần thỏa mãn yêu cầu của cả hai hệ truyền động trên và dùng điều khiển số có máy tính điện tử CNC ( compurter numeric controller) 1.2 Những vấn đề chung khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện. Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần phảI đảm bảo hệ thực hiện được tất cả các yêu cầu đặt ra, đó là các yêu cầu về công nghệ về chỉ tiêu chất lượng và các yêu cầu về kinh tế. Chất lượng của hệ được thể hiện trong trạng thái động và tĩnh. Trong trạng tháI tĩnh yêu cầu quan trọng là độ chính xác điều chỉnh. Đối với trạng thái động có các yêu cầu vể ổn định và các chỉ tiêu về chất lượng động là độ quá điều chỉnh, tốc độ điều chỉnh , thời gian điều chỉnh và số lần dao động. ở các hệ điều chỉnh tự động truyền động điện, cấu trúc mạch điều khiển, luật điều khiển và tham số của các bộ điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ. Vì vậy khi thết kế ta phải thực hiện các bài toán về phân tích và tổng hợp hệ để tìm ra lời giải hợp lý, sao cho đáp ứng được yêu cầu kinh tế và kỹ thuật đề ra. Đối với bài toán tổng hợp hệ, người ta thường đưa ra ba loại : tổng hợp chức năng, tổng hợp tham số và tổng hợp cấu trúc tham số 1. Bài toán tổng hợp chức năng thực hiện trong trường hợp đã biết cấu trúc và tham số của mạch điều khiển ta phải xác định luật điều khiển đầu vào sao cho hệ đảm bảo chất lượng. 2. Bài toán tổng hợp tham số thực hiện khi đã biết cấu trúc hệ và lượng tác động đầu vào của hệ ta cần xác định tham số các hệ điều khiển. 3. Bài toán tổng hợp cấu trúc tham số thực hiện khi đã biết quy lật biến thiên của lượng đầu vào và ra của từng phần tử trong hệ thống, ta cần xác định cấu trúc của hệ và tham số các bộ điều chỉnh. Để thực hiện ba bài toán tổng hợp hệ, ta có thể dùng các phương pháp phân bố nghiệm và phương pháp hàm chuẩn modul tố ưu. Đối với hệ có cấu trúc phức tạp người ta thường dùng phương pháp không gian trạng thái hoặc tổng hợp hệ với máy tính số với ngôn ngữ chuyên dụng. ở hệ điều chỉnh số, có đặc thù riêngvề mô tả toán học, tuy vậy các Biên soạn: Đỗ Công Thắng 6Khoa Điện-Điện tử 2013 phương pháp tổng hợp về cơ bản cũng dựa trên các phương pháp tổng hợp hệ liên tục. Riêng đối với hệ phi tuyến cần có phương pháp nghiên cứu riêng. 1.3 Độ chính xác của hệ điều chỉnh tự động truyền động điện trong chế độ xác lập và tựa xác lập. Bất cứ một hệ thống tự động điều chỉnh nào cóng đòi hỏi đại lượng điều chỉnh phải bám theo chính xác tín hiệu điều khiển trong chế độ xác lập, tựa xác lập và quá độ. Độ ổn định và độ chính xác điều chỉnh là hai chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng bậc nhất của một hệ truyền động. độ chính xác được đánh giá trên cơ sở phân tích các sai lệch điều chỉnh, các sai lệch này phụ thuộc tất nhiều yếu tố. Sự biến thiên của tín hiệu đặt gây các sai lệch không tránh được trong quá trình quá độ và cũng có thể gây sai lệch trong chế độ xác lập. Các khiếm khuyết của phần trong hệ thống như ma sát tĩnh, khe hở, sự trôi, điểm không cũng như sự già hóa v.v.. thường gây các sai lệch trong chế độ xác lập. Trên cơ sở phân tích các sai lệch điều chỉnh ta có thể chọn được các bộ điều chỉnh, các mạch bù thích hợp để nâng cao độ chính xác của hệ thống. 1.3.1 Các hệ số sai lệch. Xét một hẹ thống tự động điều chỉnh có cấu trúc tố giản như hình 1, trong đó: F0(P) - Hàm truyền mạch hở TM - Thết bị công nghệ R, r(t) - Tín hiệu điều khiển C, c(t) - Tín hiệu ra e = R - C - Sai lệch điều chỉnh Ni - Các nhiễu loạn C(p) = F(P) . R(P) +   n i PiPi NF 1 )()( . (1.1) F (P) = )(0 )(0 1 P P F F  (1.2) Fi(P) - Hàm truyền đối với các nhiễu loạn. F0(P) TM ER _ NkN1 C . . . . R(t) C(t) e(t) t Hình 1.2 . a) Sơ đồ khối ; b) Đặc tính quá độ. Các thành phần tín hiệu đầu ra c(t) phụ thuộc vào đặc tính của mạch vòng điều chỉnh và còn phụ thuộc vào tín hiều điều chỉnh r(t) và các nhiễu loạn Ni(t) và phụ thuộc cả vào các đạo hàm của chúng. Chúng là nghiệm của các phương trình vi phân không thuần nhất. Biên soạn: Đỗ Công Thắng 7Khoa Điện-Điện tử 2013 Thành phần nghiệm riêng của c(t) theo r(t) sẽ chép lại r(t) với độ chính xác nào đó. Thành phần của c(t) theo nhiễu loạn Ni(t) phải càng nhỏ càng tốt. Xét loạt tín hiệu điều khiển r(t) và các nhiễu loạn Ni(t) thỏa mãn điều kiện Mc.Laurin thì sai lệch điều chỉnh e(t)=r(t)-c(t) có thể viết ở dạng chuỗi hàm: 1 1 1 2 1 2 2 2 1 1 1 1 1 1 2 2 2 1 2 2 r( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ... ( ) ( ) ( ) ( ) ... ..... ( ) ( ) ( ) ( ) ... ( ) k k k k i o i i i on N N iN i i k k k oN k N N iN i d t d r t d r t e t C r t C C C dt dt dt dN t d N t d N t C N t C C C dt dt dt dN t d N t d N t C N t C C C t dt dt dt                   Như vậy nếu biết trước tín hiệu r(t) và các nhiêuc Ni(t) và bỏ qua thặng dư ( )t thì ta có thể tìm được sai lệch e(t) nếu tính toán được các hệ số Ci. Các hằng số Ci là các hệ số sai lệch. Trong kĩ thuật ta thường đặt tên như sau: Co: hệ số sai lệch vị trí; C1: hệ số sai lệch tốc độ; C2: hệ số sai lệch gia tốc; Một hệ thống chính xác tuyệt đối là hệ có mọi hệ số sai lệch đều bằng không. Ta có thể viết hàm truyền của hệ thống đối với sai lệch là: ( ) 1 ( ) ( ) ( ) 1 ( ) ( ) e o E p M p F p R p F p N p     Nếu chia M(p) cho N(p) thì ta được Fe(p)=Co+C1p+C2p2+...+ Cipi ( ) ( ) ( ) 1 ( ) ( ) e R p C p F p F p R p     Giả sử 2 0 1 2 2 1 2 ... ( ) , m n 1 ... m m n n b b p b p b p F p a p a p a p           Từ đó suy các hệ số sai lệch: C0=   0 lim ( )e p F p  =1-b0 C1= 0 0 1 lim [ ( ) ]e p F p C p       = 1 1 0 1a a C b   2 0 120 1 lim ( )e p C F p C C p p         = 2 1 1 0 2 2a C a C a b   .......................... 1 1 0 0 0 1 1 lim ( ) i i k i e k i i i y i yip k y C F p C p a C a b C a p                       Biên soạn: Đỗ Công Thắng 8Khoa Điện-Điện tử 2013 Nếu hệ có b0=1 và a1=b1,...ai=bi,...am=bm thì tất cả các hệ số sai lệch đều bằng không. 1.3.2 Tiêu chuẩn sai lệch. Trong tính toán thực tế các hệ thống tự động điều chỉnh, thường định ra các chỉ tiêu chất lượng nhất định đối với sai lệch để đánh giá một hệ thống là tốt hoặc là xấu. Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) Theo tiêu chuẩn ISE, chất lượng của hệ thống được đánh giá bởi tích phân sau đây:   0 2 )( dtte . (1.3) Trong đó có thể thay thế cận trên không xác định bằng thời gian hữu hạn T đủ lớn sao cho ở t > T thì e(t) đủ nhỏ đến mức có thể bỏ qua. Hệ thống tối ưu là hệ thống làm cho tích phân này cực tiểu. Có thể áp dụng tiêu chuẩn ISE này cho loại tín hiệu vào đã xác định (thí dụ loại nhảy cấp đơn vị) hoặc cho loại tín hiệu vào phương pháp thực nghiệm để tính tích phân (1.3). Hình 1.3 mô tả một ví dụ về tích phân ISE, trong trường hợp cận trên của tích phân là hưu hạn (T) thì giá trị của tích phân ISE từ 0 đến T là tổng diện tích giới hạn giữa trục hoành và đồ thị e2(t). Tiêu chuẩn ISE đánh giá các sai lệch lớn rất nặng và đánh giá sai lệch nhỏ rất nhẹ. Trong một số trường hợp không nên dùng tiêu chuẩn này, thí dụ hệ bậc hai. Một hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn ISE làm cho các sai lệch lớn ban đầu giảm rất nhanh, do đó có tốc độ đáp ứng phải rất nhanh và kết quả là hệ ổn định kém ổn định. Tiêu chuẩn ISE thường áp dụng để thiết kế các hệ thống có yêu cầu cức tiểu hóa tiêu thụ năng lượng. Biên soạn: Đỗ Công Thắng 9Khoa Điện-Điện tử 2013  T dtte 0 2 )(  dtte )( 2 )(2 te )(te )(tC )(tR t t t t T Hình 1.3. Mô tả quá trình tích phân ISE. Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyết đối của sai lệch (ITAE) Theo tiêu chuẩn ITAE, hệ thống tự động điều chỉnh là tối ưu nếu nó làm cực tiểu tích phân sau đây:   0 )(. dttet (1.4) Tiêu chuẩn ITAE đánh giá nhẹ các sai lệch lớn ban đầu cón các sai lệch sau, xuất hiện trong cả quá trình thì bị đánh giá rất nặng. Hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn này sẽ cho đáp ứng quá độ điều chỉnh nhỏ và có khả năng làm suy giảm nhanh các dao động trong quá trình điều chỉnh. Việc tính toán bằng giải tích tích phân (1.4) rất khó khăn, tuy nhiên có thể đo lường thực nghiệm một cách dễ dàng. Ngoài ra trong tính toán thiết kế còn hay dùng tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE):   0 2 )(. dttet (1.5) Tiêu chuẩn này có các kết luận giống như đối với tiêu chuẩn ITAE nói ở trên. thí dụ: áp dụng tiêu chuẩn ITAE cho hệ thống bậc n: Biên soạn: Đỗ Công Thắng 10Khoa Điện-Điện tử 2013 nn nn n apapap a pR pC     1 1 1 ...)( )( (1.6) Có thể thấy rõ ràng rằng đáp ứng của hệ thống này có sai lệch trong chế độ xác lập là bằng không (C0 = 0). Bằng đo lường thực nghiệm có thể tính toán được các hệ số của hàm truyền sao cho cực tiểu hóa được tích phân:   0 )(. dttet . (1.7) Kết quả tính toán được liết kê trong bảng 1 và hình 2 cho trường hơp tín hiệu điều khiển đầu vào R(t) là hàm nhảy cấp đơn vị: tn )(tR )(tC Hình 1.4. Đáp ứng nhảy cấp đơn vị của hệ thống thiết kế theo tiêu chuẩn ITAE (các hàm whiteley). Biên soạn: Đỗ Công Thắng 11Khoa Điện-Điện tử 2013 n nn nn nn n a apapap a pF      , ... )( 1 1 1 n np  1 22 4,1 nn pp   2 3223 1,275,1 nnn pp   3 432234 7,24,31,2 nnnn pppp   4 5433245 4,35,558,2 nnnnn ppppp   5 6524334256 95,345,76,86,625,3 nnnnnn pppppp   6 Bảng 1. Dạng tối ưu của hàm truyền mạch kín dựa trên tiêu chuẩn ITAE Xét một số hệ điển hình: 1.Hệ thống hữu sai - hệ bậc không Hàm truyền của hệ điêu chỉnh có dạng        n k k m i i pT pTK pF 1 1 0 )1( )1(. )( (1.8) Nếu giả thiết hệ thống có phản hồi đơn vị thì có thể thành lập hàm truyền hệ thống kín như sau: )(1 )( )( )( )( 0 0 pF pF pR pC pF          m i i n k k m i i pTKpT pTK 11 1 )1(.)1( )1(. (1.9) ...1 ... 1 2 21 2 21    papa pbpb K K Hệ số sai lệch vị trí: KK K C     1 1 1 10 (1.10) Một cách tự nhiên là khi tăng hệ số khuếch đại tổng thì sai lệch tĩnh giảm khi tín hiệu điều khiển là hằng số. Nếu tín hiệu điều khiển biến đổi theo thời gian thì sai lệch sẽ tăng theo thời gian. Biên soạn: Đỗ Công Thắng 12Khoa Điện-Điện tử 2013 kt t R )( kCktCte 10)(  consttR )( )(tC )(tC R K e . 1 1   Hình 1.5. Phản ứng của hệ hữu sai với các tín hiệu vào khác nhau. 2. Hệ thống vô sai cấp một - hệ bậc một: Nếu hàm truyền của hệ thống hở có dạng )...1)(1( )...1)(1( )( 21 ' 2 ' 1 0 pTpTp TpTK pF v    (1.11) Tương ứng có hàm truyền của hệ thống kín: )...1)(1()...1)(1( )...1)(1( )( 21 ' 2 ' 1 ' 2 ' 1 pTpTppTpTK pTpTK pF v v    (1.12)      ...) 1 (1 ...)(1 2 2 ' 2 2 ' papT K pbpT i v i Hệ số sai lệch vị trí C0 = 1 - 1 = 0. Sai lệch của hệ thống không phu thuộc vào độ lớn của tín hiệu điều khiển mà phụ thuộc vào các đạo hàm của nó. Ví dụ hệ số sai lệch tốc độ là: vK baC 1 111  . Biên soạn: Đỗ Công Thắng 13Khoa Điện-Điện tử 2013 t tt )(tR )(tR )(tR )(tC )(tC )(tC const )( tR tktR 1)(  0e tk K k e V 22 2 210)( tktktR  VK k e  Hình 1.6. Phản ứng của hệ thống vô sai cấp 1 với các tín hiệu vào khác nhau. 3. Hệ thống vô sai cấp hai - hệ bậc hai Xét hệ hở có hàm truyền: )...1)(1( )...1)(1( )( 21 2 ' 2 ' 1 0 pTpTp pTpTK pF a    (1.13) Hàm truyền hệ thống kín tương ứng với phản hồi đơn vị :       ...) 1 ()(1 ...)()(1 )( 3 3 2'' 3 3 2'' papT K pT pbpTTpT pF i a i iii (1.14) Các hệ số sai lệch: C0 = a0 - b0 = 0 C1 = a1 - b1 = 0 C2 = a2 - b2 = aK 1 Khi hệ thống ổn định thì sai lệch chỉ phụ thuôc vào các đạo hàm từ cấp hai trở lên của tín hiệu vào. Hệ thốn vô sai cấp hai thường dùng trong các thiết bị tùy động. Biên soạn: Đỗ Công Thắng 14Khoa Điện-Điện tử 2013 )(tR )(tR 2. 2 . 0 )( 1 tktktR  )(tC )(tC t t 0e aK k e 2 tktR .)(  Hình 1.7. Phản ứng của hệ thống vô sai cấp hai với các tín hiệu vào khác nhau. 1.3.3 Bù sai lệch tĩnh ở hệ hữu sai. Xét thí dụ như hình vẽ: )(tR )(tR 2. 2 . 0 )( 1 tktktR  )(tC )(tC t t 0e aK k e 2 tktR .)(  Hình 1.8. Bù sai lệch hữu sai     ... 11 1 .... 1 . 11 2''''' 2''' )(                         PTTKKTT KK K PTKKT KK K PTT KK K PT KK K KK K F jiZji Z iZI Z ji Z i ZZ P K (1.15) Hệ số sai lệch tĩnh(sai lệch vị trí) sẽ bằng không nếu: ZKK K 1 =1  KZ = 1- K 1 (1.16) Biên soạn: Đỗ Công Thắng 15Khoa Điện-Điện tử 2013 Như thấy từ biểu thức tính KZ hệ có hai thành phần phản hồi: phản hồi âm với hệ số bằng 1 và phản hồi dương với hệ số băng 1/K. Chính thành phần phản hồi dương này đã bù được sai lệch tĩnh. Tín hiệu đầu vào hệ thống là: e(t) = R(t) - KZ C(t) Khi R(t) = K1 = const, thì trong chế độ xác lập ta có C(t) = K1 và sai lệch e = K1/K. Khác với trong hệ vô sai cấp 1, ở đây sai lệch tĩnh lại phụ thuộc vào biên độ tín hiệu điều khiển và trong một số trường hợp vụ thể, khi biên độ tín hiệu K1 lớn có thể làm bão hòa một phần tử nào đó trong hệ thống F0(P). Ngoài ra cũng có thể chọn các thông số của hệ trên sao cho hệ số sai lệch tốc độ C1 cũng triệt tiêu. Xuất phát từ điều kiện b1 = a1, ta rút ra:    '2' iii TKKTTK (1.17) 1.3.4 Bù sai lệch tĩnh, sai lệch tốc độ và sai lệch gia tốc ở hệ vô sai cấp 1. Xét hệ thống vô sai cấp 1, nối tiếp với hệ là một khâu,tạm thời gọi là khâu điều chỉnh có hàm truyền đạt ' 1 ( ) 1 a a a T p F p T p    (1.18) như hình dưới: R E ' 1 1 a a T p T p         ' 1 1 2 1 ... 1 1 ... vK T p p T p T p    TM Nn Nn F0(P) ' 1 1 T p Tp   FZ(P) Fa(P) . - Hình 1.9 Bù sai lệch ở hệ vô sai cấp 1 Trong mạch phản hồi có hàm truyền của sensor: ' 1 ( ) 1 z T p F p Tp    (1.20) Giả thiết là hệ ổn định, hàm truyền của hệ là 2 1 2 2 1 2 1 ...( ) ( ) ( ) 1 ... b p b pC p F p R p a p a p         (1.21) Trong đó Biên soạn: Đỗ Công Thắng 16Khoa Điện-Điện tử 2013 ' ' 1 i ab T T T   ' ' ' ' ' ' 2 ..i j i a i ab T T T T T T TT      ' ' '1 1 i a v a T T T K     ' ' ' ' ' ' '2 1 ( ) . .i j i a a i i a v a T T T T T T T T T T T K           Hệ thống thoả mãn điều kiện vô sai cấp 1 : C0= 0. Để đảm bảo hệ số sai lệch tốc độ C1= 0 thì phải thoả mãn điều kiện b1 = a1, nghĩa là thông số của hệ phải thoả mãn: ' 1 v T T K   (1.22) Để hệ đạt hệ số sai lệch gia tốc C2 = 0 thì ngoài các điều kiện trên hệ còn cần thoả mãn b2 = a2, thí dụ với hệ có T’ = 0 thì: ' ' 1 i a i a v T T T T K      (1.23) điều này có nghĩa là để C1 = 0 và C2 = 0 thì ngoài điều kiện trên hàm truyền của khâu phản hồi (sensor) phải là: 1 ( ) 1 1 Z v F p p K   (1.24) Các phương pháp bù sai lệch tỏ ra khá đơn giản trong việc tính toán, song trong một vài trường hợp cụ thể có thể gặp khó khăn trong giải pháp kỹ thuật. 1.4 Tổng hợp các mạch vòng điều khiển nối cấp dùng phương pháp hàm chuẩn môdun tối ưu. 1.4.1 Khái niệm. Khi tổng hợp các hệ truyền động nhiều thông số thường phân hệ thành cấu trúc nhiều vòng có các bộ điều chỉnh nối theo cấp. Xét một hệ thống có cấu trúc chung như hình dưới Hệ truyền động có các bộ điều chỉnh nối theo cấp Trong đó có n thông số X, n bộ điều chỉnh R(p) của n đôI tượng (hệ thống) S(p) , trên đó tác động n nhiễu loạn chính p1,pn. Từ sơ đồ thấy rằng tín hiệu ra của bộ điều chỉnh Ri chính là tín hiệu điều khiển của mạch vòng điều chỉnh cấp i-1, các đại lượng (thông số) bằng số các đại lượng điều chỉnh. Giả thiết các mạch điều chỉnh của mỗi đại lượng có chứa một phần có các hằng số thời gian lớn như hằng số thời gian điện cơ, hằng số thời gian của cuộn dây kích từvà một phần có chứa các hằng số thời gian nhỏ như hằng số thời gian của sonser, của mạch điều khiển thyistor Trong trường hợp đối tượng có dạng: Biên soạn: Đỗ Công Thắng 17Khoa Điện-Điện tử 2013 1 0 ' 1 1 (1 ). ( ) (1 ). (1 ) d m T P j j v u i k s k s K T p e S p p T p T p            (1.25) Trong đó Td là hằng số thời gian của khâu trễ, mặt khác trong hàm truyền có thể chứa khâu bậc 2. Việc tổng hợp các bộ điều chỉnh sẽ được tiến hành sao cho bù được các khâu có hằng số thời gian tương đối lớn Tk , bằng cách đó ta giảm cấp cho mạch hở, các khâu có hằng số thời gian tương đối nhỏ Ts’ sẽ không được bù. Trong kỹ thuật truyền động có thể bỏ qua các hằng số thời gian nhỏ hơn một mini giây,các hằng số thời gian cỡ vài chục ms có thể coi là nhỏ(T’s), các hằng số thời gian cỡ 0,1s có thể coi là lớn(Tk). Ưu thế của cấu trúc nối cấp các bộ điều chỉnh là ở chỗ mỗi giá trị của lượng đặt XđI được hạn chế bởi đoạn bão hoà của đặc tính của bộ điều chỉnh Ri+1, giá trị hạn chế này có thể là hằng số hoặc là thay đổi được. Mỗi mạch điều chỉnh có một bộ điều chỉnh và hệ thống được điều chỉnh bao gồm đối tượng điều chỉnh S0 và mạch vòng phụ, thí dụ:                       1 01 1 1 01 02 02 1 0 0 1 . . 1 . .i i i R p S p F p R p S p F p S p F p F p S p F p     (1.26) Việc tổng hợp bộ điều chỉnh được thực hiện theo từng mạch vòng, từ mạch vòng đầu tiên đến mạch vòng thứ n. Trong hệ thống truyền động điện điều chỉnh, thường sử dụng các phương pháp hàm chuẩn tối ưu để tổng hợp thông số các bộ điều chỉnh cho các mạch vòng. 1.4.2 Áp dụng tiêu chuẩn mô đun tối ưu. Đối với một hệ thống kín. Khi tần số tiến đến vô hạn thì Modul của đặc tính tần số – biên độ phải tiến đến 0. Vì thế đối với dải tần thấp nhất, hàm truyền phải đạt được điều kiện:   1F j  (1.27) Biên soạn: Đỗ Công Thắng 18Khoa Điện-Điện tử 2013  )( jF 7,4 4,8 %2 Hình 1.10 a) Đặc tính tần số ; b) Đặc tính quá độ Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn Modul tối ưu là hàm có dạng:   2 2 1 1 2 2 MCF p p p      (1.28) Tiêu chuẩn Modul tối ưu hiệu chỉnh lại đặc tính tần số chỉ ở vùng tần số thấp và trung bình và không đảm bảo trước sự ổn định của hệ thống. Do đó, sau khi ứng dụng tiêu chuẩn Modul tối ưu cần phải kiểm tra sự ổn định của hệ. Để áp dụng tiêu chuẩn này ta tìm hàm truyền hệ kín F(p), sau đó ta gán nó đúng bằng hàm truyền của tiêu chuẩn FMC(p):          0 0 (p) 1 MC R p S p F F p R p S p    (1.29) Từ đó suy ra hàm truyền của bộ điều chỉnh là: R(p) S0 (p) - Xđ X Biên soạn: Đỗ Công Thắng 19Khoa Điện-Điện tử 2013        0 1 MC MC F p R p S p F p           0 1 2 1 R p S p p p     (1.30) Từ đó, tùy theo hằng số thời gian của đối tượng mà ta lựa chọn  sao cho thỏa mãn điều kiện là khử được khâu có hằng số thời gian lớn. Thường chọn  =Tmin( là hằng số thời gian nhỏ nhất trên tử số của biểu thức (1.30) a. Trường hợp hệ hữu sai có hàm truyền       1 0 1 21 . 1 K S p T p T p    Trong đó T2 > T1 (1.31) Cách 1: Để hệ kín có hàm truyền    MCF p F p thì:          0 01 MC R p S p F p R p S p   (1.32)               0 0 1 1 2 1 MC MC F p R p S p F p R p S p p p          1 2(1 )(1 )( ) 2 (1 ) T p T p R p K p p       (1.33) dX )( pR )(0 pS Hình 1.11 Cấu trúc hệ điều khiển vòng kín Khi tổng hợp cần bù các khâu có hằng số thời gian lớn nên ta chọn 1 2 1{ , }Min T T T   . Khi đó bộ điều chỉnh là:   1 2 2 2 1 1 1 1 1 (1 )(1 ) 1 1 ( ) 2 (1 ) 2 2 2 p IK T T p T p T p T R p KT p T p KT p KT KT p              Như vậy, với cách này ta tìm ra đồng thời cả cấu trúc lẫn tham số cho bộ điều chỉnh. Cách 2: Với cách này ta áp đặt bộ điều khiển có cấu trúc biết trước là PI, cần tìm tham số Kp, TI của bộ điều khiển. Biên soạn: Đỗ Công Thắng 20Khoa Điện-Điện tử 2013   0 1 Tp R p KT p   (1.34) Thì ta chỉ bù được hằng thời gian lớn: 1+ Tp = 1+T2p. Hàm truyền hệ hở bây giờ sẽ là:       10 0 0 1 1 . 1 K F p R p S p KT p T p    (1.35) Hàm truyền hệ kín:   1 20 0 10 1 1 1 1 1 (1 ) 1 K F p KT KT TKT p T p K p p K K       (1.34) Để ( ) ( )MCF p F p thì 0 1 1 2 2 1 1 2 1 ( ) 1 2 2 KT T K F p T p T p     (1.35) Có nghĩa là nếu hệ có cấu trúc như hình vẽ dưới đây : 0 1 Tp KT p    1 21 1 K T p T p  Hình1.12 Cấu trúc hệ thống điều chỉnh vòng kín Thì theo tiêu chuẩn Modul tối ưu và nếu bộ điều chỉnh có cấu trúc PI thì hàm truyền của nó có dạng pTK pT pR 11 2 2 1 )(   (1.36) Quá trình quá độ của hệ sẽ có các thông số đặc trưng như hình sau: Biên soạn: Đỗ Công Thắng 21Khoa Điện-Điện tử 2013 %2 Hình 1.13 Đặc tính quá độ của hệ thống b ) Trường hợp hệ có hàm truyền 0 ' 1 ( ) (1 ) u s s K S p T p    (1.37) Thay giá trị Kz đã tính ở trên ta được: ' i iT T  (1.38) Trong đó Ts’ là các hằng số thời gian nhỏ, như vậy ta tìm được bộ điều chỉnh có cơ cấu tích phân: pKT pR s2 1 )(  (1.39) Trong đó :    u s ss TT 1 ' (1.40) c) Trong trường hợp hàm truyền của hệ có dạng     u s s k k pTpT K pS 1 ' 2 1 0 )1(.)1( )( (1.41) Tức là hàm truyền có dạng là tích của hàm truyền của hai trường hợp trên thì ta có hệ điều chỉnh PID. pTK pT pR s k k 2 1 . )1( )( 2 1     (1.42) Biên soạn: Đỗ Công Thắng 22Khoa Điện-Điện tử 2013 d) Nếu     u s s pTp K pS 1 ' 0 )1(. )( (1.43) Thì ta có bộ điều chỉnh kiểu tỷ lệ: sKT pR 2 1 )(  (1.44) e) Nếu     u s s pTTpp K pS 1 ' 0 )1().1.( )( (1.45) Thì ta có bộ điều chỉnh kiểu PD: sKT Tp pR 2 1 )(   (1.46) Như vậy là tùy vào hàm S0(p) của hệ hở mà bằng các bộ điều chỉnh R(p) ta tìm được hệ có hàm truyền dạng 22221 1 )( pp pFMC     (1.47) Trong các trường hợp trên, giá trị hằng số T là nhỏ, nên gần đúng có thể coi hệ kết quả có hàm truyền dạng quán tính: pTpp pF   21 1 211 1 )( 22     (1.48) Và quá trình quá độ ứng với hàm quán tính gần đúng này là đường nét đứt trên hình thể hiện đường đặc tính qua độ của hệ thống. 1.4.3 Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. Tiêu chuẩn tối ưu đối xứng thường áp dụng để tổng hợp các bộ điều chỉnh trong mạch có yêu cầu vô sai cấp cao, nó cũng được áp dụng có hiệu quả để tổng hợp các bộ điều chỉnh theo quan điểm nhiễu loạn. Hàm chuẩn tối ưu đối xứng có dạng: 3322 8841 41 )( ppp p pFDX        (1.49) Và đặc tính quá độ như đường 1 hình 1.5: Biên soạn: Đỗ Công Thắng 23Khoa Điện-Điện tử 2013 1 2 %4,43 %1,8 1 0 1,3 8,7 3,13 5,16 t %2 Hình 1.14 Đặc tính quá độ của hàm tối ưu đối xứng Giả thiết đối tượng có hàm truyền đối tượng có dạng vô sai cấp 1 là: 1 0 1 ( ) (1 )s K S p pT pT   (1.50) Cách thứ nhất          0 01 DX R p S p F p R p S p   (1.32)               0 2 2 0 1 1 4 8 1 MC DX F p R p S p F p p R p S p p p               1 2 2 1 (1 )(1 4 ) ( ) 8 (1 ) spT T p pR p K p p           Trong đó Ts có thể là tổng của hằng số thời gian nhỏ. Để bù được khấu có hằng số thời gian lớn ta chọn sT  thì được bộ điều chỉnh là 1 1 1 2 2 2 2 1 1 1 1 1 (1 )(1 4 ) (1 4 ) 1 ( ) 8 (1 ) 8 2 8 P I s s s s s s s s K T pT T p T p T T p T R p T K p T p T K p T K T K p T                    Như vậy, cấu trúc bộ điều khiển đã được tìm là bộ PI và Kp và TI là tham số của bộ điều chỉnh. Khi đó hàm truyền hệ kín là: Biên soạn: Đỗ Công Thắng 24Khoa Điện-Điện tử 2013 1 )1( )( 0 3 10 3 10 01    PKTPTKTPTTKT pTK pF s (1.51) Cách thứ hai: Giả sử bộ điều chỉnh có cấu trúc PI cần xác định tham số bộ điều chỉnh. Hàm truyền của toàn hệ hở là )1( . 1 )().()( 1 1 0 0 00 spTpT K pKT pT pSpRpF    Khi đó hàm truyền hệ kín là: 1 )1( )( 0 3 10 3 10 01    PKTPTKTPTTKT pTK pF s Áp dụng điều kiện của tiêu chuẩn tối ưu môđun ta tìm được các phương trình hệ số của phương trình đặc tính: 2 1 0 22 0a a a  , ,02 20 2 2  aaa suy ra : 02)( 101 2 01  TKTKTK 002)( 1 2 01 2 10  sTKTKTKTKT Giải hệ phương trình ta tìm được : s s TT T TK K 4; 2 0 1 1  (1.52) Hàm truyền của hệ sẽ là: 3322 8841 41 )( PTPTpT T pF sss s    (1.53) Là hàm truyền dạng tối ưu đối xứng với sT . Trong trường hợp hàm truyền của đối tượng có chứa khâu quán tính bậc hai với hằng số thời gian lớn T2: )1)(1( )( 21 1 0 pTpTpT K pS s  . (1.54) Áp dụng cách tìm bộ điều chỉnh R(p) với hàm chuẩn là tối ưu đối xứng ta tìm được bộ điều chỉnh có dạng PID. Tương tự như vậy nếu đối tượng có dạng vô sai cấp 2 thì dễ dàng tìm được bộ điều chỉnh là khâu tỷ lệ. Trong trường hợp đối tượng là hệ hữu sai có khâu quán tính lớn T1>>Ts thì có thể làm gần đúng để đưa về dạng (2.2) )1()1)(1( )( 1 1 1 1 0 pTpT K pTpT K pS ss     (1.55) Làm được như vậy mà không phạm sai số nhiều là vì ở vùng tần số trung bình thì Biên soạn: Đỗ Công Thắng 25Khoa Điện-Điện tử 2013 pTpT 11 1 1 1   (1.56) Thấy rằng ở tử số của hàm chuẩn tối ưu đối xứng có thành phần đạo hàm, chính vì thế mà độ quá điều chỉnh của đặc tính quá độ lớn (43,4%). Vì vậy thường thêm một khâu quán tính với hằng số thời gian là 4Ts - đặc tính quá độ có dạng 2 của đặc tính quá độ của hàm tối ưu đối xứng với độ quá điều chỉnh là 8,1% pTS41 1  )( pR )(0 pS dX X Hình 1.15 Sơ đồ giảm độ quá điều chỉnh của bộ điều chỉnh Hàm truyền của toàn hệ điều chỉnh sẽ là: 3322 8841 1 )( )( )( PTPTpTpX pX pF sssd   (1.57) 1.4.4 Tổng hợp các bộ điều chỉnh theo nhiễu loạn. Trong các hệ truyền động điện, nhiều khi yêu cầu tổng hợp các bộ điều chỉnh theo nhiễu hơn là các tín hiệu điều khiển. Để dẫn ra thủ tục tổng hợp, ta xét ví dụ như hình dưới: pKT pT 0 01 )1)(1( 1 1 pTT K s dR )( pR )(0 pSN Hình 1.16. Mạch vòng điều chỉnh kho có nhiễu N Trong đó N(p) là nhiễu loạn. Như ở phần trước, khi T1>>Ts có thể coi hệ thống hở S0(p) gần đúng như là hệ vô sai cấp 1 và bộ điều chỉnh sẽ là PI và theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng có: pTK pTT pR s s 2 1 1 8 )41( )(   (1.58) Hàm truyền của hệ theo nhiễu loạn là Biên soạn: Đỗ Công Thắng 26Khoa Điện-Điện tử 2013   0 0 0 0 ( ) ( ) ( ). ( ) 1 ( ) 1 ( ). ( ) ( ) 1 ( ). ( ) ( ) X p S p R p S p N p R p S p R p R p S p R p         (1.59) 3322 11 2 1 1 88)1() 8 1(41 8 . pTpT T T p T T T pT T K ss ss s s   Nếu như tổng hợp mạch theo tiêu chuẩn môđun tối ưu thì pKT PT pR s 1 1 2 1 )(   1 2 2 3 31 1 1 ( ) 2 ( ) 1 2 (1 ) (1 )2 2 2 s s s s s s X p K T p T TN p T p T P TT P T T        (1.60) Trên hình 1.7a ,vẽ quá trình quá độ của lượng ra khi có nhiễu tác động, bộ điều chỉnh tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. Trên hình 1.7b, là các quá trình quá độ của lượng ra khi nhiễu tác động, bộ điều chỉnh được tổng hợp theo tiêu chuẩn môđun tối ưu. Có thể rút ra kết luận rằng đối với tỷ số T1/Ts lớn thì trong mạch đã xét nên tổng hợp bộ điều chỉnh theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng vì nó thỏa mãn suy giảm độ quá điều chỉnh nhanh hơn 1 )( K tX  t sT 1 )( K tX  t sT t sT t sT Hình 1.17 Quá trình phản ứng của mạch theo nhiễu khi tổng hợp bộ điều chỉnh theo tiêu chuẩn : a) Tối ưu đối xứng; b) Môđun tối ưu Biên soạn: Đỗ Công Thắng 27Khoa Điện-Điện tử 2013 CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 2.1. Động cơ điện một chiều Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều từ vài W đến hàng ngàn MW. Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện một chiều như trên hình 1.1. Uk ik I CKN CF U CB kk LR ,  CM E 0  (Rad/s) M (N.m) M CKĐ P a Lư Rư N Hình 2.1: Giản đồ thay thế của động cơ Hình2.2: Đặc tính động cơ điện 1 chiều điện một chiều Trong đó: CKĐ: dây quấn kích từ độc lập. CKN: dây quấn kích từ nối tiếp. CF: dây quấn kích từ phụ. CB: dây quấn bù CB. Uk: điện áp kích thích. U, I: điện áp, dòng điện phần ứng I. N, P, a, Lư, Rư: số thanh dẫn dưới một cực từ, số đôi cực, số đôi mạch nhánh song song, hệ số tự cảm và điện trở phần ứng.  , M, MC: tốc độ góc, mômen điện từ và mômen cản của động cơ. Hai cuộn bù CB và cực từ phụ CF có tác dụng là triệt tiêu phản ứng phần ứng. Mômen tải MC là mômen do cơ cấu làm việc truyền vệ trục động cơ, mômen tải là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền điện tự động. Động cơ có hai trạng thái làm việc là chế độ quá độ và chế độ xác lập. 2.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều (các thông số của động cơ là hằng số) Khi nguồn một chiều có công suất hữu hạn thì mạch kích từ mắc độc lập với mạch phần ứng. Do đó, ta sẽ có sơ đồ nối dây của động cơ như sau: Biên soạn: Đỗ Công Thắng 28Khoa Điện-Điện tử 2013 Hình 2.3 Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập Trong đó: Uư: điện áp phần ứng (V). Iư: dòng điện phần ứng (A). Eư: sức điện động phần ứng (V). CKT: cuộn kích từ. Rư: điện trở phần ứng ( ). Với Rư = rư + rct + rcf + rb rư: điện trở trong phần ứng ( ). rct: điện trở tiếp xúc của chổi than ( ). rcf: điện trở cuộn cực từ phụ ( ). rb: điện trở cuộn bù ( ). Rf: điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng ( ). Ukt: điện áp kích từ (V). Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông. Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau: UMdt IkI a Np M .... .2 .   (2.1) Trong đó: p: số đôi cực của động cơ. N : số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ. a : số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng. a pN k 2  : hệ số kết cấu của máy.  : từ thông kích từ dưới một cực từ (Wb). Biên soạn: Đỗ Công Thắng 29Khoa Điện-Điện tử 2013 Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động (sđđ):   .... 2  Mu k a pN E (2.2) Trong đó: -  : tốc độ góc của roto (rad/s). Trong chế độ xác lập, ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng: Uư = Eư + Iư.Rư  UMU RIkU ... U      . . M UUU k IRU  (2.3) Trong đó: Rư là điện trở mạch phần ứng của động cơ. Vậy phương trình đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều:     . . . M UU M U k IR k U  Thế (2 - 1) vào phương trình đặc tính cơ điện ta được phương trình đặc tính cơ: 2).( . .     M dtU M U k MR k U  Giả thiết từ thông là hằng số: const , Mđt = Mc Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy hàm tốc độ phụ thuộc vào mômen M: )(Mf Ta có:   0 với   . 0 M U k U  ; 2).( .   M dtU k MR  Trong đó: - 0 gọi là tốc độ không tải lý tưởng khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức như thiết kế (ghi trên nhãn động cơ). -  : độ sụt tốc độ theo tải. Vậy )(Mf có dạng đường thẳng y = a – b.x Ta có họ đặc tính cơ của động cơ một chiều khi từ thông không đổi như hình 2.2. Từ đường đặc tính cơ ta có độ cứng tự nhiên: U dmM TN R k 2).(    khá lớn, vì vậy đường đặc tính cơ khá cứng.  đường đặc tính cơ có thể làm việc với hầu hết các loại tải. Biên soạn: Đỗ Công Thắng 30Khoa Điện-Điện tử 2013 2.1.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều. 1. Mô tả chung Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì ta có thể viết được các phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 2.1 như sau: - Ở mạch kích từ, dòng điện kích từ ik và từ thông máy Ф là phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:  uk(t) = ik(t).Rk + Nk. dt d Biến đổi Laplace ta có: Uk(p) = Ik(p).Rk + Nk.P. ( )p ( 2.4) Trong đó: Nk: số vòng dây cuộn kích từ. Rk: điện trở cuộn dây kích từ. - Ở mạch phần ứng: Uư(t) = Rư.i(t) + Lư. dt di dt d N N  . + e(t). Với: NN là số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp. Biến đổi Laplace ta có: Uư(P) = I(P).Rư + Lư.P.I(P)  NN.P. )(P + E(P) (2.5) Hoặc dạng dòng điện I(p) =  )()(..)(. .1 /1 pEpPNpU Tp R N u u    Trong đó: Lư: điện cảm mạch phần ứng. Tư=Lư/Rư: hằng số thời gian điện từ. Phương trình động học của truyền động điện: mĐ(t) - mC(t) = j dt d  MĐ(p) - MC(p) = J.P. (p) ( 2.6 ) 4 2GD J  Trong đó: - J là mômen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ (Kg.m2). - G: khối lượng quán tính (Kg). - D: đường kính quán tính quay (m). Từ phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc dựa vào mô tả toán học của động cơ điện một chiều Biên soạn: Đỗ Công Thắng 31Khoa Điện-Điện tử 2013 k k k k U U U N C U (p) = I (p).R + N .P. (p) U (p) = I(p).R + L .P.I(p) N .P. (p) + E(p) M(p) - M (p) = J.p. (p)         Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều * Tuyến tính hoá đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều Như ta đã biết, trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc của động cơ điện một chiều như máy tiện, cơ cấu nâng hạ. Trong khi đó ở sơ đồ cấu trúc trên là phi tuyến mạnh. Vì vậy, sơ đồ đỡ phức tạp hơn ta sẽ tiến hành tuyến tính hoá đặc tính phi tuyến. Ta thấy sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh, trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc . - Từ hoá đặc tính phi tuyến. Trước hết chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hoá đặc tính từ hoá và đặc tính mômen tải như hình vẽ sau: Biên soạn: Đỗ Công Thắng 32Khoa Điện-Điện tử 2013 Độ dốc của đặc tính từ hoá và đặc tính cơ mômen tải tương ứng là ( trường hợp bỏ qua hiện tượng từ trễ ) : 00 , kIk k I k     bcbM cMB  ,   Tại điểm làm việc xác lập có: điện áp phần ứng U0, dòng điện phần ứng I0 tốc độ quay ωB, điện áp kích từ Uk0, từ thông Ф0, dòng điện kích từ Ik0 và mômen tải MCB. Biến thiên nhỏ các đại lượng trên tương ứng là:ΔU(p), ΔI(p), Δω(p), ΔUk(p), ΔIk(p), ΔФ(p), ΔMc(p). Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập ( NN = 0) thì có thể viết các phương trình sau : - Mạch kích từ:    )()()()()()( 000 pIpIPLpIpIRpUpU kkkkkkkk  (2.7) - Mạch phần ứng :       )()(.)()()()()()()( 0000 ppppKpIIPLpIpIRpUpU Buu   (2.8) Phương trình chuyển động cơ học:       )()()(.)( 00 pJPpMMpIIpK BcB   (2.9) Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên ta có thể viết được các phương trình của gia số: Từ (1.7)    )()()()()()( 000 pIpIPLpIpIRpUpU kkkkkkkk   )(.)(.)( pIPLpIRpU kkkkk  Mà k k k R L T    kkkk PTpIRpU  1)()( (2.10) K IKo iK Hình 2.4 Tuyến tính hóa đặc tính từ hóa MC B MC B Hình 2.5 Tuyến tính hóa đặc tính tải Biên soạn: Đỗ Công Thắng 33Khoa Điện-Điện tử 2013 Từ (1.8)       )()(.)()()()()()()( 0000 ppppKpIIPLpIpIRpUpU Buu     )()()(.)(.)( 0 pKpKpIPLpIRpU Buu   Mà U U U R L T      uuB PTpIRpKpKpU  1)()()()( 0  (2.11) Từ (1.9) ta có: )()()( 00 pJPMpIKpKI c  (2.12) Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc đã tuyến tính hoá của động cơ điện một chiều               )()()( 1)()()()( 1)()( 00 0 pJPMpIKpKI PTpIRpKpKpU PTpIRpU c uuB kkkk   u U Tp R .1 /1  0 .K JP 1 0.K 0.IK BK. kK k k Tp R .1 /1  KI  CM MIU  KU Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá 2. Trường hợp khi từ thông kích từ không đổi KФ = const = CU Giả thiết: động cơ một chiều kích từ độc lập, nam châm vĩnh cửu, kích từ song song. Khi dòng điện kích từ của động cơ không đổi thì từ thông kích từ là hằng số. Ở mạch phần ứng ta có: Uư(P) = I(P).Rư(1+ Tư.P) + E(P) (2.13)  PT R EUpI U U PP .1 /1 ).()(   M(p) - MC(p) = J.p. (p) (2.14) )(..)( pkpE  Biên soạn: Đỗ Công Thắng 34Khoa Điện-Điện tử 2013 ( ) . . ( )M p k I p Từ đó ta thiết lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ khi từ thông không đổi. U U Tp R .1 /1  k k  JP 1 Hình 2.7a Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi Ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn theo tốc độ và dòng điện như sau: Bằng phương pháp đại số ta có thể thu gọn sơ đồ cấu trúc trên như sau: - Theo dòng điện I(p): 1... ).(.).( )( 2    PTPTT KpM R T PpU pI CCU DC U C (2.15) - Theo tốc độ ω(p) :   1 1)( 1 )()( 2 2 2      PTPTT Cu R PTpM PTPTT K pUp ccu u uc Ccu d (2.16) Ta có sơ đồ theo dòng và theo tốc độ : W3(p ) W4(p ) I(p) U(p) X(p) K(p) Mc(p ) Z(p) ω(p) W1(p ) W2(p ) Y(p) Biên soạn: Đỗ Công Thắng 35Khoa Điện-Điện tử 2013 Hình 2.7b Sơ đồ cấu trúc thu gọn theo tốc độ Hình 2.7c Sơ đồ cấu trúc thu gọn theo dòng điện Trong đó Kđ= 1 K là hệ số khuếch đại động cơ; 2( ) u c R J T K  là hằng số thời gian cơ học 2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện. 2.2.1 Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như trong các hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là trực tiếp (hoặc gián tiếp) xác định mômen kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc v.v I(p ) Idg U(p ) It Mc(p) ω(p ) (-) U(p) Mc(p) Biên soạn: Đỗ Công Thắng 36Khoa Điện-Điện tử 2013 Một khái niệm đơn giản nhất để điều chỉnh dòng điện có cấu trúc như hình 2.8a dùng bộ điều chỉnh tốc độ hoặc điện áp R có dạng bộ khuếch đại tổng và mạch phản hồi dòng điện phi tuyến P . Khi tín hiệu dòng điện chưa đủ để khâu phi tuyến ra khỏi vùng kém nhạy thì bộ điều chỉnh làm việc như bộ điều chỉnh tốc độ (hay điện áp) mà không có sự tham gia của mạch phản hồi dòng điện. Khi dòng điện đủ lớn, khâu P sẽ làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính và phát huy tác dụng hạn chế dòng của bộ điều chỉnh R . Khái niệm thứ hai được mô tả trên hình 2.8b . Có hai mạch vòng với hai bộ điều chỉnh riêng biệt 21, RR trong đó 2R là bộ điều chỉnh dòng điện với giá tri đặt dI . Cấu trúc kiểu này cho phép điếu chỉnh độc lập trong mạch vòng. a) 2R 1R cM dI I b)  c) Hình 2.8. Các cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện Khái niệm điều chỉnh dòng điện được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền động điện tự động như trên hình 2.8c, trong đó 1R là bộ điều chỉnh dòng điện, R là bộ điều chỉnh tốc độ. Mỗi mạch vòng có bộ điều chỉnh riêng được tổng hợp từ đối tượng riêng và theo tiêu chuẩn riêng. Biên soạn: Đỗ Công Thắng 37Khoa Điện-Điện tử 2013 2.2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động động cơ. Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh dòng điện như ở hình 2.9a, trong đó F là mạch lọc tín hiệu, iR là bộ điều chỉnh dòng điện, BD là bộ biến đổi một chiều, iS là xenxơ dòng điện. Xenxơ dòng điện có thể thực hiện bằng các biến dòng ở mạch xoay chiều hoặc bằng điện trở sun hoặc các mạch do cách ly trong mạch một chiều . )1)(1( 1 vodk PTPT    dU iU )( pUid F fPT1 1 u u PT R 1 /1 i i PT K 1 iS )( pI a) )1)(1)(1)(1( / vodkuf ucl pTpTpTpT Rk  )( pUid i i pT K 1 i i pT K 1 1 )( pI b) )1)(1)(1)(1)(1( /. vodkuif uicl pTpTpTpTpT Rkk  )( pUid i i K pT 1 )( pI W )( pU c) Hình 2.9. Sơ đồ khối của mạchvòng điều chỉnh dòng điện iuvodkf TTTTT ,,,, - các hằng số thời gian của mạch lọc, mạch điều khiển chỉnh lưu, sự chuyển mạch của chỉnh lưu, phần ứng và xenxơ dòng điện; uR - điện trở mạch phần ứng ;    dcl U k - hệ số khuếch đại của chỉnh lưu. Biên soạn: Đỗ Công Thắng 38Khoa Điện-Điện tử 2013 Trong trường hợp hệ thống truyền động điện có hằng số thời gian cơ học rất lớn hơn hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng thì ta có thể coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh mạch vòng dòng điện (tức là coi 0E hoặc 0E ). Từ sơ đồ ban đầu ta hoán chuyển vị trí giữa bộ iR và bộ F , s.đ.đ 0E thì ta bỏ bộ cộng sau đó chuyển đổi tín hiệu từ trước ra sau khối iS ta được sơ đồ cuối cùng. ở bộ W do hằng số iT nhỏ nên bỏ qua vậy Ki W 1  , do iK iK 1 > 0 và coi đây chỉ là bộ khuếch đại. Hàm truyền của mạch dòng điện (hàm truyền của đối tượng điều chỉnh) là như sau: )1)(1)(1)(1)(1( /. )( iuvodkf uicl oi PTPTPTPTPT RKK pS   (2.17) Trong đó các hằng số thời gian ivodkf TTTT ,,, rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ uT .Đặt ivodkfs TTTTT  thì có thể viết lại (2.17) ở dạng gần đúng sau: )1)(1( /. )( pTpT RKK pS us uicl oi   , (2.18) trong đó sT << uT Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu mô đun ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu PI : paT R KK pT pR s u icl u i . 1 )(   , (2.19) trong đó đã chọn sTT  và hằng số a có thể lấy 2a CRT R KK s u icl 12. .  ; CRTu 3 ; , 2 1 ii K R R K  trong đó ,iK là hệ số truyền của bản thân xenxơ dòng điện . Từ đó có thể tính được CR KK TR u cli s . 2 , 2   _ 1R 2R 3R C kC dkU idU iU Hình 2.9d Bộ điều chỉnh PI có lọc Biên soạn: Đỗ Công Thắng 39Khoa Điện-Điện tử 2013 Để tạo lọc F , thường mắc thêm tụ kC song song với điện trở 3R sao cho fk TCR 3 và uk TCCR  )(3 . Cuối cùng hàm truyền của mạch vòng sẽ là : 1)1(2 1 . 1 )( )(   pTpTKpU pI ssiid , (2.20) 22221 1 . 1 pTpTK ssi   Quá trình quá độ điều chỉnh sẽ kết thúc sau thời gian sqd TT .4,8 và độ quá điều chỉnh là 4,3%. Thực ra nếu tính đến tác dụng của sức điện động động cơ thì do tính chất cản dịu của nó mà trong nhiều trường hợp không xảy ra quá điều chỉnh dòng điện. 2.2.3 Tổng hợp mạch vòng dòng điện có tính đến sức điện động động cơ. Bổ sung vào vòng sức điện động vào sơ đồ hình vẽ 2.9a ta được sơ đồ hình 2.10a và sau khi thực hiện vài phép biến đổi đơn giản ta được sơ đồ hình 2.10b ,trong đó )(pId là thành phần dòng điện động và cI là thành phần dòng điện tĩnh của động cơ. Khi không tải : cM = 0 ta có hàm truyền của mạch vòng điều chỉnh như sau: )1)(1( 1 . 2)( )( 2pTTpTpT pT T T pI pI cucs u s c d    (2.21) Thấy rằng mạch vòng điều chỉnh là hưu sai, với hệ số sai lệch tĩnh bằng: sc s sc c o TT T TT T C 2 2 2     Nếu hằng số thời gian điện cơ cT càng lớn thì hệ số sai lệch tĩnh càng nhỏ. Để mạch vòng điều chỉnh đạt tiêu chuẩn mô đun tối ưu thì ta phải tổng hợp lại cấu trúc và tham số của bộ điều chỉnh, cụ thể là : 2 2 2. .. 1. )( pT R TKK pTpTT pR s u cicl ccu i   (2.22) )1)(1( pTpT K vodk cl pTR KK pT s u icl u 2 . 1 cM iU idU pTf1 1 pT R u u 1 /1 iK dkU tR K K Jp 1  E Biên soạn: Đỗ Công Thắng 40Khoa Điện-Điện tử 2013 a) )1)(1( pTpT K vodk cl pTR KK pT s u icl u 2 . 1 cM iU idU pT f1 1 21 / pTTpT RpT cuc uc  iK dkU tR 21 /1 pTTpT K cuc   b) Hình 2-10. Mạch điều chỉnh dòng điện có tính đến s.đ.đ động cơ Trong trường hợp nếu thông số của đối tượng thoả mãn điều kiện cT > uT4 , nghĩa là )1)(1(1 21 2 pTpTpTpTT ccu  thì có thể dùng hai bộ điều chỉnh PI nối cấp để thoả mãn biểu thức (2.22); với các hệ thống có yêu cầu cao lắm về chất lượng có thể dùng bộ điều chỉnh PI để bù hằng số thời gian lớn và chấp nhận sai lệch tĩnh của hệ. 2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện có tính đến vùng gián đoạn của dòng điện phần ứng Đặc tính và hàm truyền động cơ điện một chiều thay đổi rất mạnh khi chuyển từ vùng dòng điện liên tục sang vùng dòng điện gián đoạn, điều này làm phức tạp cho công việc tổng hợp các bộ điều chỉnh của hệ. Giải pháp thông thường là sử dụng các bộ điều chỉnh thích nghi, có khả năng thay đổi được cấu trúc và thông số, giúp cho hệ đạt được các đặc tính điều chỉnh tốt hơn. Xét sơ đồ cấu trúc cơ bản của mạch như trên hình 2.8a.Trong vùng dòng điện gián đoạn hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu Thiristor giảm rất mạnh có giá trị thay đổi tuỳ thuộc vào điện áp điều khiển dku và sức điện động E .Trong vùng dòng điện gián đoạn không tồn tại khái niệm hằng số thời gian điện từ uT , do giữa các xung dòng điện thì 0 dt di Lu . Hàm truyền của đối tượng bây giờ là: )1)(1( . . )(01   pTpT pT R KK pS sc c u icl (2.23) Trong đa số các trường hợp ta đều có cT >> sT nên có thể làm gần đúng : pTR KK pS su icl   1 1 . . )(01 (2.24) Biên soạn: Đỗ Công Thắng 41Khoa Điện-Điện tử 2013 Đặt K R KK u icl  . - hệ số khuếch đại của đối tượng, vì K phụ thuộc vào uđk và E nên ta viết ),( EuK dk .Theo tiêu chuẩn mô đun tối ưu ta tính được hàm truyền bộ điều khiển là khâu tích phân: pTEuK pR sdk i 2 1 . ),( 1 )(  ,đó là bộ điều chỉnh tích phân có hệ số khuếch đại thay đổi. I dk U2 1 E 0  E 1E 2 E , 1E Hình 2.10c Họ đặc tính điều chỉnh dòng điện trong vùng liên tục (1) và gián đoạn (2) Trên hình 2.10c ta dẫn ra một họ đặc tính ở vùng dòng điện liên tục và ở vùng dòng điện gián đoạn với các thông số là sđđ quay của động cơ, từ đó có thể dẫn ra được quan hệ hàm số ),( EufK dk .Đây họ đặc tính của các giá trị trung bình nên có thể dễ dàng đo lường và dựng chúng trên đồ thị. Như vậy là trong vùng dòng điện liên tục thì nên có cấu trúc kiểu PI còn trong vùng dòng điện gián đoạn thì bộ điều chỉnh cần có cấu trúc dạng I và để hệ có thể đáp ứng được tính chất động động tốt hơn thì hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh phải tự động thay đổi. 2.3 Tổng hợp hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ. Hệ thống truyền động tốc độ là hệ thống mà đại lượng được điều chỉnh là tốc độ góc của động cơ điện, các hệ này rất thường gặp trong thực tế kỹ thuật. Hệ thống điều chỉnh tốc độ được hình thành từ hệ thống điều chỉnh dòng điện. Các hệ thống này có thể là đảo chiều hoặc không đảo chiều. Do các yêu cầu công nghệ mà hệ cần đạt hệ vô sai cấp 1 hoặc vô sai cấp hai. Nhiễu chính của hệ là mômen tải Mc. Biên soạn: Đỗ Công Thắng 42Khoa Điện-Điện tử 2013 R S dU  U Hình 2.11 hệ truyền động T – Đ đảo chiều. Tùy theo yêu cầu công nghệ mà các bộ điều chỉnh tốc độ R có thể được tổng hợp theo hai tín hiệu điều khiển hoặc theo nhiễu tải Mc. Trong trường hợp chung hệ thống phải có đặc tính điều chỉnh tốt cả từ phía tín hiệu điều khiển lẫn từ phía tín hiệu nhiễu. Để đảo chiều động cơ có hai cách: - Đảo chiều bằng cách đảo chiều dòng kích từ Ikt. - Đảo chiều bằng cách dùng hai bộ biến đổi van mắc song song ngược. Ta sử dụng cách thứ hai là dùng hai bộ BĐ1 và BĐ2 mắc song song ngược Kết cấu cơ bản của một hệ thống truyền động đảo chiều như trên hình trên. Trong đó: - BĐ1 và BĐ2: hai bộ biến đổi để đảo chiều. - FX1 và FX2 : máy phát xung để phát xung điều khiển hai bộ biến đổi BĐ1 và BĐ2. - HCD: khâu hạn chế dòng trong quá trình quá độ - Ri1 và Ri2: bộ điều chỉnh dòng điện. - Si1 và Si2: xenxơ dòng. - S : xenxơ tốc độ. - Uωđ: tín hiệu đặt (V). Sơ đồ khối chức năng được trình bày trên hình 2.12 sau: Biên soạn: Đỗ Công Thắng 43Khoa Điện-Điện tử 2013 R dU S U  Hình 2.12 : Sơ đồ khối Trên hình 2.11 thể hiện hệ truyền động T – Đ đảo chiều. Mạch điều khiển bao gồm tín hiệu đặt Uωđ , bộ điều chỉnh tốc độ R , bộ hạn chế dòng HCD, bộ điều chỉnh dòng Ri1 và Ri2 và các xenxơ dòng Si1 và Si2, xenxơ tốc độ S . Mạch động lực gồm các bộ biến đổi BĐ1 và BĐ2, động cơ điện một chiều và bộ phát xung. Từ sơ đồ hệ truyền động ta có sơ đồ khối chức năng tổng quát của mạch điện như trên. Khi có tín hiệu đặt Uωđ đặt vào mạch điều khiển, tín hiệu vào sẽ đi qua bộ điều chỉnh tốc độ R . Mà ở đây ta điều chỉnh tốc độ từ việc điều chỉnh dòng điện. Vì vậy, dòng điện sẽ đi qua bộ hạn chế dòng HCD. Nếu giá trị dòng điện vào mạch điều khiển quá lớn (lớn hơn dòng điện làm việc cho phép của thiết bị), khi đó bộ hạn chế dòng sẽ làm việc, tức là làm giảm dòng điện để cấp cho mạch điều khiển. Hai bộ điều chỉnh dòng điện và xenxơ dòng sẽ tạo thành hai mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Giả sử, động cơ quay theo chiều thuận, dòng điện sẽ đi qua bộ điều chỉnh dòng Ri1, bộ phát cung FX1 sẽ làm nhiệm vụ phát ra xung điều khiển cho Thyristo ở bộ biến đổi BD1. Điện áp ra ở BD1 sẽ cung cấp tới động cơ. Xenxơ dòng Si1 sẽ làm nhiệm vụ phản hồi lại tín hiệu dòng điện và so sánh với tín hiệu vào. Nếu giá trị dòng lớn, nó sẽ phản hồi lại bộ điều chỉnh dòng để điều chỉnh cho phù hợp. Tốc độ ở đầu ra của động cơ sẽ được đưa qua Xenxơ tốc độ S đóng vai trò là khâu phản hồi tốc độ. Tốc độ được lấy từ động cơ sẽ được đưa phản hồi về bộ cộng để điều chỉnh cho phù hợp. Ngược lại nếu động cơ quay theo chiều quay ngược thì mạch vòng dòng điện thứ hai sẽ hoạt động tương tự. 2.3.1 Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ P. ( Khi áp dụng tiêu chuẩn mô đun tối ưu) Để thiết kế được bộ điều chỉnh tốc độ, trước hết ta phải thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện Ri trước (thiết kế Ri không kể đến sức điện động E). Biên soạn: Đỗ Công Thắng 44Khoa Điện-Điện tử 2013 Ở chương trước đã tổng hợp được mạch dòng điện, trong phần này sẽ sử dụng kết quả đó bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động của động cơ: ).1.(..21 1 . 1 )( )( pTpTKpU pI ssiid   (2.25) Khi đó sơ đồ hình 2.12 có thể biến đổi thành: R dU S U )(p U U TP R .1 /1  K JP 1 Hình 2.13 Để thuận tiện trong quá trình tính toán tiếp theo, ta có thể thay (2.25) bởi biểu thức gần đúng hàm truyền của mạch vòng dòng điện: )..21( 1 . 1 )( )( pTKpU pI siid   (2.26) Qua một số bước biến đổi ta được sơ đồ tương đương sau: R dU pT K S i .21 /1  ./1 K PTK R C U ..   Tp K .1  U S Hình 2.14 * Xét trường hợp không có Momen cản Mc Chuyển về phản hồi (-1) ta được R 1.2 1 . 1 PTK Sii dU    Tp K .1   K Tp.1 PTK R C u . )..21.(... . W ' PTPTKK KR SCI U DTDK     Biên soạn: Đỗ Công Thắng 45Khoa Điện-Điện tử 2013 Đối tượng điều khiển có dạng là khâu tích phân quán tính bậc một: )1( )(   TPPT K PW i h  )..21.( 1 .. . ..W 'h PTPTKK KR WWW SCI U TBDTDKTBDK     Sử dụng phương pháp Môdul tối ưu ta xác định được: Ti = 2.KT = 2K. 2 ' sT = 4K ' sT  )( .4 1 .. . W 'TB pRK TTKK KR P SCI U     Theo tiêu chuẩn tối ưu Môđun, có thể xác định được hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ là khâu tỷ lệ: ' 2 ' ..2 1 . . .. )( p su ci K aTKR TKK pR     (2.27) Hàm truyền của mạch vòng điều chỉnh tốc độ là: 1)1.2(.4 1 . 1 )( )( '   pTpTKpU p ssvd   (2.28) * Xét với Mc ≠ 0 Sau đây ta kiểm ta ảnh hưởng của nhiều phụ tải đến độ quá điều chỉnh và độ chính xác tĩnh của hệ thống vừa nêu. Theo sơ đồ khối hình 2.12, ta tính được:            )( )( 1 . )(. . .)()( )( pI pI pTK pIR pTK RpIpI p CC Cu C uc   (2.29) Mặt khác   )()(.)()( 0 pIpFpIpI C  Do đó: )(1 )( )( )( 0 0 pF pF pI pI C   Trong đó F0(p) là hàm truyền mạch vòng của hệ điều chỉnh tốc độ. Khi Ic = 1t thì: 1)1.2.(.4 1.2 . .. ...4 )(1 1 . ... . )( '' '' 0      pTpT pT TK RIT pFpTK IR p ss s C uCs C Cu   (2.30) Từ biểu thức (2.30) ta thấy rằng độ sụt tốc độ tĩnh  ./. KRI uC trong hệ thống hở sẽ được giảm đi '.4/ SC TT lần trong hệ kín. Trên hình 2.15 mô tả quá trình thay đổi dòng điện và tốc độ khi có đột biến nhiễu tải. Mạch vòng tốc độ này là vô sai cấp một đối với tín hiệu điều khiển và hữu sai đối với tín hiệu nhiễu. Giá trị của sai lệch tĩnh phụ thuộc vào các thông số trong biểu thức (2.30): C C uS t I TK RT . . ..4     (2.31) Biên soạn: Đỗ Công Thắng 46Khoa Điện-Điện tử 2013 Hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh tốc độ Kp có thể thay đổi thông qua tham số a2 theo (2.27). Hình 2.15: Quá trình dòng điện và tốc độ khi có nhiễu tải. 2.3.2. Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI.(Khi áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng) Trong nhiều thiết bị công nghệ thường có yêu cầu hệ thống điều chỉnh vô sai cấp cao, khi này có thể sử dụng phương pháp tối ưu đối xứng để tổng hợp các bộ điều chỉnh. Với mạch vòng điều chỉnh tốc độ hàm truyền của bộ điều chỉnh có dạng: pTK pT pR 0 0 . 1 )(   (2.32) Và hàm truyền mạch hở sẽ là: )1.2.( 1 . .. . . . 1 )( ' 0 0 0    pTpTKK KR pTK pT pF SCi u   (2.33) Từ (2.33) có thể tìm được hàm truyền mạch kín F(p), đồng nhất F(p) với hàm chuẩn tối ưu đối xứng ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh. Nếu chọn SS TT  ' thì: '0 .8 STT  ' '' 2' 4. .. . .8 )2.(8 . .. . S Ci u S S Ci u T TKK KR T T TKK KR K    ) .8 1 1.( 4 1 . . .. )( '' pTTKR TKK pR SSu Ci     (2.34) thấy rằng thành phần tỷ lệ của bộ điều chỉnh (2.34) đúng bằng hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại (2.28). Biên soạn: Đỗ Công Thắng 47Khoa Điện-Điện tử 2013 Khi tổng hợp hệ thống theo phương pháp tối ưu đối xứng thường phải dùng thêm khâu tạo tín hiệu đặt để tránh quá điều chỉnh. Khâu tạo tín hiệu đặt này thường có hàm truyền của khâu lọc thông bậc thấp nhất, có hằng thời gian lọc phụ thuộc vào gia tốc cho phép của hệ thống. Tất nhiên khâu toạ tín hiệu đặt này phải đặt bên ngoài mạch vòng điều chỉnh tốc độ. Hàm truyền mạch kín của hệ thống:   11).21(.4.8 .81 )( )( )( ''' '    pTpTpT pT pU pU pF SSS S d   (2.35) Căn cứ vào các biểu thức đã nêu trên ta có tính được hàm truyền đối với tín hiệu nhiễu loạn là dòng điện tải:   11).21(.4.8 .81 )( )( )( ''' '       pTpTpT pT pI pI pF SSS S C i (2.36) Và cũng tính được sai số tốc độ tương ứng khi nhiễu tải có dạng hằng số:     11).21(.4.8 ).21(.8 . . ..4 . )(. )()( )( ''' '''      pTpTpT pTpT TK IRT R pTK pIpI p SSS SS C CuS u C C   (2.37) Kết quả là, mạch vòng điều chỉnh tốc độ là vô sai cấp hai đối với tín hiệu điều khiển (2.35) và là vô sai cấp một đối với tín hiệu nhiễu (2.37). Như vậy khi đã ổn định thì sai lệch tốc độ sẽ bằng 0. 2.3.3 Hệ thống điều chỉnh tốc độ khi không có mạch vòng dòng điện. Khi cả bộ biến đổi và động cơ đều có khả năng quá dòng lớn lại không có yêu cầu cao về điều chỉnh gia tốc, hoặc khi sử dụng các truyền động công suất nhỏ dùng bộ băm xung có tần số làm việc lớn đến mức không xuất hiện vùng dòng điện gián đoạn thì có thể không cần xây dựng mạch vòng điều chỉnh dòng điện. R b b Tp K .1  CUC D TTpTp K ...1 2   Tp K .1  CUC U U TTpTp TP K R ...1 ).1( )( 2 2    dU dE  CM Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc hệ thống tốc độ Trong trường hợp Tc > 4Tư chuyển về phản hồi (-1) ta có sơ đồ tương đương: Biên soạn: Đỗ Công Thắng 48Khoa Điện-Điện tử 2013 R b b Tp K .1  CUC D TTpTp K ...1 2 dU dE    Tp K .1   K Tp.1 Khi đó hàm truyền của đối tượng sẽ là: ).1).(.1).(.1).(.1( .. )()( 21 0 TpTpTpTp KKK pSpW b Db DT     (2.38)  Hàm truyền của đối tượng là khâu quán tính bậc 4 Giả thiết rằng T2 > T1 và T1, T2 lớn hơn nhiều so với bT , T . Đặt Ts = Tω + Tb và K = Kb . KD . Kω (2.38)  ).1).(.1).(.1( )()( 21 0 TpTpTp K pSpW S DT    Hàm truyền của đối tượng là khâu quán tính bậc 3. TB S TBDTh W TpTpTp K WpWpW . ).1).(.1).(.1( ).()( 21   (2.39) Ta phải thiết kế bộ WTB sao cho 1.2.2 1 )(W 22K   TPPT p (2.40) Sử dụng phương pháp Môdul tối ưu ta sẽ thiết kế được WTB sử dụng bộ PID với: PT PTPTT PT PT KPK PT KW i nVn V n PD i PPID 1. ) 1 1.( 1 2   (2.41) thoả mãn yêu cầu. Với PTK TpTp aPTK TpTp W SS PID ...2 ).1).(.1( ....2 ).1).(.1( 2121    (với a = 1) (2.42) Ta có sơ đồ khối dU    K Tp.1 )1(.2 1 ...2 ).1).(.1( . ).1).(.1).(.1( ).()( 21 21 PTPTPTK TpTp TpTpTp K WpWpW SSSS TBDTh      1)1(.2 1 )1(.2 1 1 )1(.2 1 )(1 )( )(         PTPT PTPT PTPT pW pW pW SS SS SS h h K Biên soạn: Đỗ Công Thắng 49Khoa Điện-Điện tử 2013    KPTPTK pW pU p pW SS k d HT 1 . 1)1(.2 11 ).( )( )( )(   (2.43) Kết luận: Hệ thống đạt vô sai cấp một đối với tín hiệu điều khiển. Nếu hệ thống có hằng số thời gian cơ học TC nhỏ thì tương ứng nên giảm hệ số khuếch đại của mạch vòng điều chỉnh, nghĩa là nên chọn hằng số a > 1. 2.3.4 Hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh hai thông số. 1 .Điều chỉnh từ thông. Trong trường hợp điều chỉnh dòng điện kích từ thì hàm truyền của đối tượng có dạng sau đây: ).1).(.1( .1 . 1 )( )( skk v kk k TpTp Tp RpU pI    (2.44) Trong đó: - Uk: giá trị trung bình của điện áp ra của bộ biến đổi. - Rk,Tk: thông số dây quấn kích từ. - Tv: hằng số thời gian dòng xoáy. - Tsk: tổng các hằng số thời gian nhỏ trong mạch kích từ. Các hằng số thời gian Tk,Tv phụ thuộc vào điểm làm việc trên đặc tính từ hoá, do đó chúng là phi tuyến, tuy nhiên tỷ số giữa chúng là không thay đổi. Trong các trường hợp điều chỉnh từ thông thì cần có xenxơ từ thông: v v k Tp K pI p .1)( )(    (2.45) Trong đó Kv là hệ số khuếch đại vi phân, tức là độ nghiêng của đặc tính từ hoá tại điểm làm việc. S R dU  Hình 2.17: sơ đồ khối điều chỉnh dòng điện kích từ Biên soạn: Đỗ Công Thắng 50Khoa Điện-Điện tử 2013 Việc tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện kích từ để điều chỉnh tốc độ động cơ gặp nhiều khó khăn do các thông số của mạch kích từ thay đổi rất mạnh khi điều chỉnh. Điều chỉnh dòng điện kích từ đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống truyền động công suất không đổi hoặc khi cần điều khiển đồng bộ tốc độ nhiều động cơ trên một dây chuyền công nghệ. 2. Điều chỉnh sức điện động. Việc điều chỉnh sức điện động E của động cơ được đặt ra trong các hệ thống liên quan đến điều chỉnh sức căng trong các hệ thống trục quấn, trục tháo ở các dây chuyền trong công nghiệp giấy, dệt... Để giữ được giá trị sức điện động là các hằng số cần phải phối hợp điều chỉnh tốc độ và từ thông. Bởi vì sức điện động là hàm của hai biến ( ..KE  ) nên chắc chắn trong hệ thống điều chỉnh phải chứa các khâu chức năng phi tuyến. Để thực hiện xenxơ sức điện động thì đơn giản hơn cả là dùng các mạch đo điện áp và dòng điện phần ứng: E(p) = Us(p) – Rư.(1 + p.Tư).I(p) (2.46) Khi tốc độ thay đổi, qua xenxơ tốc độ và khối trị tuyệt đối N2 sẽ đưa tín hiệu điều chỉnh độ dốc của phần tuyến tính của khối N1. Bởi vì: dm dmKK p pE     ... )( )(  (2.47) Do đó độ dốc của khối N1 sẽ phải là:  dm NK 1 ikR ikS S K ES U  pT pT . .1 1 2 v v Tp K .1  Biên soạn: Đỗ Công Thắng 51Khoa Điện-Điện tử 2013 Hình 2.18: hệ thống điều chỉnh sức điện động Khối N1 có thể được thực hiện bằng mạch khuếch đại kiểu thông số. Trên hình vẽ trên khối Sok(p) có hàm truyền của mạch kích từ: ).1).(.1( .1 . 1 )( skk v k ok TpTp Tp R pS    (2.48) 3. Điều chỉnh hai thông số. Trong các hệ truyền động đặc biệt, cần điều chỉnh cả hai đại lượng điện áp phần ứng và dòng điện kích thích, thí dụ như trong các máy phát hãm trong hệ thống điều chỉnh sức căng. Có thể điều chỉnh lần lượt hoặc đồng thời cả điện áp và từ thông. Cần chú ý rằng khi điều chỉnh từ thông thì mômen cho phép của động cơ cũng bị giảm. Một trong các phương án xây dựng cấu trúc hệ thống điều chỉnh hai thông số là ghép nối đồng thời hai sơ đồ điều chỉnh tốc độ và sức điện động, như trên hình vẽ sau đây, trong đó khối N1 có độ dốc không đổi. R u U Tp R .1 /1  Jp 1 S iS v v Tp K .1 K ES dU U   Hình 2.19 Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh hai thông số bằng hai bộ biến đổi BĐ1 và BĐ2 Đầu vào của bộ điều chỉnh sức điện động RE là các giá trị định mức của tín hiệu đặt Eđ. Trong vùng điều chỉnh dưới tốc độ cơ bản thì giá trị đặt của dòng điện kích từ Ikđ là không đổi, tương ứng với giá trị không đổi của từ thông. Khi sức điện động đạt đến giá trị đặt thì qua khâu lôgic LOG giá trị này được so sánh với giá trị Eđ, sai lệch được xử lý với bộ điều chỉnh RE tạo dòng điện Ikđ sao cho khi tăng tốc độ thì từ thông giảm. Trong chế độ xác lập ta luôn có: dEK .. Do tính chất phi tuyến của mạch từ mà khi tổng hợp các bộ điều chỉnh cần dẫn ra được sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá xung quanh điểm làm việc và khảo sát các biến thiên của các đại lượng: Biên soạn: Đỗ Công Thắng 52Khoa Điện-Điện tử 2013   .... 00 IKIKM   .... 00 KKE Coi rằng R được tính toán sao cho tác động nhanh hơn RE vài lần. Nếu như vậy thì có thể tính toán độc lập mạch vòng tốc độ mà không cần quan tâm đến ảnh hưởng của biến thiên từ thông  và tính toán bộ điều chỉnh RE mà không cần quan tâm đến ảnh hưởng của biến thiên tốc độ  . Biên soạn: Đỗ Công Thắng 53Khoa Điện-Điện tử 2013 CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3.1 Mô tả động cơ không đồng bộ 1. Mô tả chung nhất dưới dạng ma trận véc tơ: Giả thiết Động cơ KĐB là đối xứng, mạch từ là tuyến tính, và khe hở không khí là đều. Khi đó mỗi một dây quấn pha ( trong số 6 dây) sẽ có phương trình điện áp như sau: k k kkk e dt dU IRU  . (3.1) Trong đó chỉ số k là chỉ số dây quấn pha: Từ thông móc vòng trong mỗi dây quấn  k kjkk iL . (3.2) Trong đó j cũng là chỉ số dây quấn pha: - Khi j = k ta có điện cảm tự cảm. - Khi kj  ta có điện cảm hỗ cảm. Nếu lấy các chữ thông thường ( a,b,c ) chỉ dây quấn pha Stator, chữ in hoa ( A,B,C) chỉ dây quấn pha Rôto thì: k = a,b,c, A,B,C j = a,b,c, A,B,C +, Mômen tức thời của 1 pha của động cơ KĐB bằng:  k k ef dt dP M  . 2 (3.3) Gọi góc quay của rôtor là m ,  là tốc độ quay của rôto ta có: dt d m  Và  dtPmm  . ' 0 với 2 ' PP  Đặt : L: Điện cảm chính của dây quấn pha động cơ KĐB L : Là điện cảm tản Ns: Là số vòng dây quấn Stator Nr: Là số vòng dây quấn rôtor + Khi đó ta sẽ viết được biểu thức từ thông của các dây quấn pha cho cả 6 cuộn dây. Pha A: Công thức: iL N N m S R ).cos.(   (3.4) Biên soạn: Đỗ Công Thắng 54Khoa Điện-Điện tử 2013 (3.5) bm s r cm s r am s r C s r B s r Ar s r ccAbbAaaACCABBAAAA cAbAaACABAAAA iL N N iL N N iL N N iL N N iL N N iLL N N iLiLiLiLiLiL . 3 2 cos... 3 4 cos.. .cos........ ...... 2 2 2 2 2 2                                                (3.6) m A a B b  C c Hình3.1.Mô tả dây quấn ĐC không đồng bộ Theo giả thiết các dây quấn của động cơ là đối xứng và khe hở giữa stator và rôto là đều thì: Ra = Rb = Rc = Rs ; RA = RB = RC = Rr Cm S r Bm S r Am S r cbaS CaCBaBAaAbabaaa CaBaAacaabaaa iL N N iL N N iL N N iLiLiLL iLiLiLiLiL .) 3 4 .cos(.. .) 3 2 cos(..).cos..(. 2 1 . 2 1 ).( .....                       Biên soạn: Đỗ Công Thắng 55Khoa Điện-Điện tử 2013 Laa = Lbb = Lcc = Ls1 ; LAA = LBB = LCC = Lr1 Lab = Lbc = Lca = - Ms ; LAB = LAC = LBC = - Mr Trong đó: - Ls1, Lr1 là điện cảm tự cảm của từng dây quấn stator và rôto. - Ms, Mr là hỗ cảm giữa các dây quấn stator, giữa các dây quấn roto với nhau. Hỗ cảm giữa dây quấn stator và dây quấn rôtor là phụ thuộc vào góc lệch không gian giữa 2 dây quấn này. Hỗ cảm giữa 2 dây quấn cùng pha ở stator và rôtor sẽ đạt cực đại khi mà trục 2 dây bằng nhau. Pha B : Am S r Cm S r Bm S r cabSb iL N N iL N N iL N N iLiLiLL .) 3 4 cos(...) 3 2 cos(.. ).cos..(. 2 1 . 2 1 ).(                     (3.7) cm s r am s r bm s r C s r A s r Br s r B iL N N iL N N iL N N iL N N iL N N iLL N N . 3 2 cos... 3 4 cos.. .cos........ 2 2 2 2 2 2                                             (3.8) Pha C: Bm S r Am S r Cm S r abcSc iL N N iL N N iL N N iLiLiLL .) 3 4 cos(...) 3 2 cos(.. ).cos..(. 2 1 . 2 1 ).(                     (3.9) am s r bm s r cm s r A s r B s r Cr s r C iL N N iL N N iL N N iL N N iL N N iLL N N . 3 2 cos... 3 4 cos.. .cos........ 2 2 2 2 2 2                                             (3.10) Nếu ta đặt kí hiệu các ma trận có các thông số như sau: 1 L L L L ss s  Hệ số tản từ stator 1 . 2 2  L L N NL r s rr r  Hệ số tản từ rôtor Biên soạn: Đỗ Công Thắng 56Khoa Điện-Điện tử 2013 Từ các phương trình từ thông của 6 cuộn dây cho ĐCKĐB 3 pha roto dây quấn ta có ma trận vectơ sau:                     s s s s LL    1 2 1 2 1 2 1 1 2 1 2 1 2 1 1 . ;                     r r r s r r L N N L    1 2 1 2 1 2 1 1 2 1 2 1 2 1 1 .. 2 2            100 010 001 .sS RR ;            100 010 001 .rr RR Và:                                                           mmm mmm mmm s r L N N M              cos 3 4 cos 3 2 cos 3 2 coscos 3 4 cos 3 4 cos 3 2 coscos .. Lúc đó phương trình điện áp của động cơ được viết như sau: s t rrsrsss r rrr s sss iMiLiMiL dt d iRU dt d iRU ..;.. .;.     (3.11) Với Mt là ma trận chuyển vị của M                                             rc rb ra r rc rb ra r sc sb sa s sc sb sa s i i i i U U U U i i i i U U U U ;;; Hoặc viết dưới dạng phương trình ma trận ta có: Biên soạn: Đỗ Công Thắng 57Khoa Điện-Điện tử 2013                             r s rrm mss r s i i dt d LR dt d M dt d M dt d LR U U . .. ..   ;   rse iM d d iPM m m ..'.    (3.12) 2. Phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ: Trong máy điện ba pha thường dùng cách chuyển các giá trị tức thời của điện áp thành các véc tơ không gian. Lấy một mặt phẳng cắt môtơ theo hướng vuông góc với trục và biểu diễn từ không gian thành mặt phẳng. Chọn trục thực của mặt phẳng phức trùng với trục pha a. Hình 3.2.Tương quan giữa hệ toạ độ  và toạ độ ba pha a,b,c Ba véc tơ dòng điện stator ia, ib, ic tổng hợp lại và đại diện bởi một véc tơ quay tròn is . Véc tơ không gian của dòng điện stator: )( 3 2 i 2s cba iaaii  ; 3 2 j ea  (3.13) Muốn biết is cần biết các hình chiếu của nó lên các trục toạ độ: is,is.  ss jii si ; )2( 3 1 }Re{is cbas iiii  (3.14) )( 3 3 }Im{is cbs iii  is +1() +j() is a.ib a2 .ic Ia is is Biên soạn: Đỗ Công Thắng 58Khoa Điện-Điện tử 2013 Ta có mô tả: Hình 3.3.Cuộn dây 3 pha nhìn trên  Theo cách thức trên có thể chuyển vị từ 6 phương trình (3 rôto, 3 stato) thành nghiên cứu 4 phương trình. Phép biến đổi từ 3 pha (a,b,c) thành 2 pha (, ) được gọi là phép biến đổi thuận. Còn phép biến đổi từ 2 pha thành 3 pha được gọi là phép biến đổi ngược. Đơn giản hơn, khi chiếu is lên một hệ trục xy bất kỳ quay với tốc độ k: k =0 + kt Hình 3.4.Chuyển sang hệ toạ độ quay bất kỳ Nếu k=0, 0=0 :đó là phép biến đổi với hệ trục ,  (biến đổi tĩnh) Nếu k=1, 0 tự chọn bất kỳ (để đơn giản một phương trình cho x trùng r để ry=0): phép biến đổi d,q. Nếu k= 1 -  =r : hệ toạ độ cố định , đối với rôto (ít dùng). is a.ib a2 .ic Ia x y k k u u Biên soạn: Đỗ Công Thắng 59Khoa Điện-Điện tử 2013 Các hệ toạ độ được mô tả như sau: Hình 3.5.Các đại lượng is , r của động cơ trên các hệ toạ độ Các phương trình chuyển đổi hệ toạ độ: a,b,c  : )( 3 1 bas as iii ii     (3.15)   d,q: isd = iscos + issin isq = iscos - issin (3.16)   a,b,c: ).3( 2 1 ).3( 2 1    ssc ssb sa iii iii ii    (3.17) d,q  : is = isdcos - isqsin is = isdsin + isqcos (3.18) 3. Hệ phương trình cơ bản của động cơ trong không gian vectơ: Để dễ theo dõi ta ký hiệu : Chỉ số trên s: xét trong hệ toạ độ stato (toạ độ ,) pha C  S d q  is is isq isd pha B pha A hướng trục rôto r is Biên soạn: Đỗ Công Thắng 60Khoa Điện-Điện tử 2013 f: trong toạ độ trường (field) từ thông rôto (toạ độ dq) r: toạ độ gắn với trục rôto. Chỉ số dưới s: đại lượng mạch stato r: đại lượng mạch rôto Phương trình mômen : ).(. 2 3 ).(. 2 3 rrsrM ipipm   (3.19) Phương trình chuyển động : dt d p J mm cM   (3.20) Phương trình điện áp cho ba cuộn dây stato : dt t dtiRtu dt t dtiRtu dt t dtiRtu sc scssc sb sbssb sa sassa )( )(.)( )( )(.)( )( )(.)(       (3.21) Tương tự như vectơ dòng điện ta có vectơ điện áp: us(t)= 2/3.[usa(t) + usb(t).ej120 + usc(t).ej240] Sử dụng khái niệm vectơ tổng ta nhận được phương trình vectơ: dt diRu s ss ss s s   . (3.22) Trong đó uss, iss, ss là các vectơ điện áp, dòng điện, từ thông stato. Khi quan sát ở hệ toạ độ ,: Đối với mạch rôto ta cũng có được phương trình như trên, chỉ khác là do cấu tạo các lồng sóc là ngắn mạch nên ur=0 (quan sát trên toạ độ gắn với trục rôto) Từ thông stato và rôto được tính như sau: dt diR r rr rr   .0 (3.23) s = isLs+irLm r = isLm+irLr Trong đó: Ls : điện cảm stato Ls = Ls+ Lm (Lós : điện cảm tiêu tán phía stato) Lr : điện cảm rôto Lr = Lr+ Lm (Lór : điện cảm tiêu tán phía rôto) Lm : hỗ cảm giữa rôto và stato Biên soạn: Đỗ Công Thắng 61Khoa Điện-Điện tử 2013 (Phương trình từ thông không cần đến chỉ số hệ toạ độ vì các cuộn dây stato và rôto có cấu tạo đối xứng nên điện cảm không đổi trong mọi hệ toạ độ). 3.1. Phương trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định : Phương trình điện áp stato giữ nguyên, còn phương trình điện áp rôto có thay đổi do rôto quay với tốc độ  so với stato nên có thể nói hệ toạ độ  quay tương đối với rôto tốc độ - r s rm s s s r m s rs s s s s s r s rs rr s ss ss s s LiLi LiLi j dt diR dt diRu ________ ________ ____ ____ __ ____ ____ .0 .         (3.24)(2-6) Tìm cách loại bỏ s và ir: ta rút từ phương trình thứ 3 và 4 trong hệ (3.22) được: )( )( 1 m s s s r r m s s s s s m s s s r r s r Li L L Li Li L i       (3.25) Đặt =1-Lm2/(LsLr)(hệ số tản từ), Ts=Ls/Rs , Tr=Lr/Rr và thay lại phương trình 1 và 2 trong hệ (3.24) : dt d j TT L i dt d L L dt id LiRu s r r s r r ms s s r r m s s s s ss s s     ) 1 (0 .   (3.26) Biến đổi (3.26) sang dạng từng phần tử của vectơ :                                 r r rs r mr rr r s r mr s s r mr r m s rs s s s r m r mr s rs s T i T L dt d T i T L dt d u LLTL i TTdt di u LLLT i TTdt di 1 1 111 ) 11 ( 111 ) 11 (                 (3.27) Biên soạn: Đỗ Công Thắng 62Khoa Điện-Điện tử 2013 Thay irs từ phương trình thứ 2 của (3.23) vào phương trình mômen (3.19): )(.. 2 3 ) 1 )(.(. 2 3 ).(. 2 3 s s s r r m r m s s s r s r s r s rM i L L p L Lipipm   (3.28) Thay các vectơ trong (3.28) bằng các phần tử tương ứng ta được : )ii( L L .p.m srsr r m M   2 3 (3.29) Từ hệ phương trình (3.27) và phương trình (3.29) ta có công thức mô tả động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ , trong đó thay T theo công thức: rs TTT      111                       rrsmrr rrsmrr s s r rm r m s s s r m r mr s TiLpT TiLpT u LTLL i T p u LLLT i T p             )1( )1( 111 ) 1 ( 111 ) 1 ( (3.30) Từ (3.30) ta lập được mô hình điện cơ của động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ  như sau: Hình 3.6 Mô hình động cơ trên hệ trục toạ độ  1- LmTr T 1+pT 1 Ls Pc pJ 1- LmTr T 1+pT 1 Ls 1- Lm Tr 3pcLm 2Lr us us is is - - - r r mM MC Lm Lm  1 1+pTr 1 1+pTr Biên soạn: Đỗ Công Thắng 63Khoa Điện-Điện tử 2013 Đầu vào của mô hình là đại lượng điện áp. Do vậy mô hình chỉ đúng với biến tần nguồn áp. Còn khi sử dụng biến tần nguồn dòng (cho công suất truyền động rất lớn) thì phải biến đổi mô hình thành đầu vào là dòng stato is, is Hệ phương trình (3.27) khi viết lại dưới dạng ma trận: s s sss s uBxA dt dx  (3.31) Trong đó: xs: ma trận trạng thái, xsT =[is, is, r, r] uss: ma trận đầu vào, ussT =[us, us] As: ma trận hệ thống Bs: ma trận đầu vào As=         ss ss AA AA 2221 1211 , với các phần tử như sau: .J T 1 T 1 - T 1 A T L T L 0 0 T L A T 1 L 1 T 1 - T 1 L 1 LT 1 L -1 - L -1 LT 1 A T 1 0 0 T 1 T 1 0 0 T 1 A r r rs 22 r m r m r m s 21 rm r r m mrm mmrs 12 s 11                                                                                           I I JI I . . )..( σ σ σ σ ω σ σ ω σ σ σ σ . 1 1 σσ σ σ 0 0 ; .I 0 0 khitrong ; B B B s 2 s 1s                              0 01 1 1 21 s s s ss B L L L B    Lập mô hình của động cơ theo các ma trận : từ (12) : ss sss s uBxA dt dx  ta có: Biên soạn: Đỗ Công Thắng 64Khoa Điện-Điện tử 2013 Hình 3.7a.Mô hình động cơ dạng ma trận Hình 3.7b. Mô tả chi tiết bằng các phần tử ma trận 3.2. Phương trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq: Tương tự như trên, khi chiếu trên hệ toạ độ này thì các phương trình từ thông vẫn không đổi, chỉ có các phương trình điện áp thay đổi như sau: - Toạ độ từ thông rôto quay tốc độ s so với stato. - Hệ toạ độ chuyển động vượt trước so với rôto một tốc độ góc r = s -. Từ đó ta thu được hệ phương trình : r f rm f s f r m f rs f s f r f rr f rf rr f rs f rf ss f s LiLi LiLi j dt d iR j dt d iRu ________ ________ ____ ____ __ ____ ___ ____ 0           (3.32) Uss(t) Bs  As11  As22 As12 As21 drs dt Iss(t) dIss dt rs(t) Bs  As xs(t) Uss(t) dxs(t) dt Biên soạn: Đỗ Công Thắng 65Khoa Điện-Điện tử 2013 Tìm cách loại bỏ ifr và fs : từ (3.32) có )( )( 1 ____________ ________ m f s f r r m s f s f s m f s f r r f r Li L L Li Li L i     (3.33) Thế trở lại phương trình thứ 3 và 4 của (3.32) ta được phương trình: rq r rdrsq r mrq rqrrd r sd r mrd sq s rq rm rd m sq rs sds sq sd s rq m rd rm sqssd rs sd T i T L dt d T i T L dt d u LTLL i TT i dt di u LLTL ii TTdt di                           1 1 111 ) 11 ( 111 ) 11 (                 (3.34) Biến đổi tiếp hệ (3.34) với điều kiện chọn trục d trùng với vectơ r , tức là rq = 0: rd sq r m r sdmrdr sq s rd m sdssq sd s rq m rd rm sqssd i T L iLpT u LL iip T u LLTL iip T                             )1( 11 ) 1 ( 111 ) 1 ( (3.35) Thay T theo công thức: rs TTT      111 Tương tự như trên toạ độ  ta cũng có phương trình mômen cho toạ độ dq: )(.. 2 3 f s f r r m cM i L L pm   Thay đại lượng vectơ bằng các phần tử của nó : isf = isd+jisq và sf = sd+jrq ta có: sqrd r m cM i L L pm .. 2 3  (3.36) Biên soạn: Đỗ Công Thắng 66Khoa Điện-Điện tử 2013 Từ (3.35) và (3.36) ta vẽ được sơ đồ toán học của động cơ trên hệ toạ độ từ thông rôto dq: Hình 3.8.Mô hình động cơ trên hệ trục toạ độ quay dq Sau này, khi đi sâu vào bài toán điều khiển ta sẽ sử dụng mô hình quay dq. Mô hình động cơ biểu diễn dưới dạng ma trận: hệ phương trình (3.34) sau khi tách r = s -  có thể viết lại dưới dạng mô hình trạng thái phi tuyến như sau: s ff s fff f xNuBxA dt xd  (3.37) Trong đó: xf = [isd, isq, rd, rq] T; ufs = [usd, usq] T                              rr m rr m rmm mrm f TT L TT L TLLT LTLT A 1 0 1 0 111 0 11 0 1               ;                    00 00 1 0 0 1 s s f L L B   ;                0100 1000 0001 0010 N Hình minh hoạ cho mô hình (2-19) cho thấy đầu vào stato động cơ gồm thành phần vectơ điện áp us và tần số nguồn s. Như vậy so với mô hình trên hệ toạ độ tĩnh thì mô hình trên hệ toạ độ quay cần thêm tốc độ quay của hệ tọa độ đó. Điều đó có thể hiểu được vì vectơ us trên dq chỉ gồm hai thành phần một chiều usd, usq , còn trên toạ độ tĩnh thì tần số s đã chứa trong hai thành phần xoay chiều us us. 1 p Lm Tr T 1+pT 1 Ls Lm 1+pTr Pc pJ T 1+pT 1 Ls 1- Lm Tr Lm 3pcLm 2Lr usd usq isd isq - rd MM MC e-j s : us us -  s r  s Biên soạn: Đỗ Công Thắng 67Khoa Điện-Điện tử 2013 Hình 3.9.Mô hình ĐCKĐB trên toạ độ dq theo dạng vectơ 3.2 Mạch vòng dòng điện. 1. Khái niệm chung: Khái niệm: Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ chấp hành thì mạch vòng dòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là trực tiếp (hoặc gián tiếp). Xác định mô men kéo của động cơ, ngoài ra có chức năng bảo vệ điều chỉnh gia tốc. Cấu trúc đơn giản nhất để điều chỉnh dòng điện là: diU iR )( iU BE cI 1PT K i i 1 DK T P BD BD PT K 1 )( Hình 3.10 Mạch vòng dòng điện Khái niệm 2: Khái niệm này được mô tả theo hình vẽ sau: Bf N Af  s ufs(t) xf(t) Biên soạn: Đỗ Công Thắng 68Khoa Điện-Điện tử 2013 1dU 01S 1R 1R I 01S 02S cM )( 2dU Hình 3.11. Cấu trúc theo kiểu này cho phép điều chỉnh độc lập từng mạch vòng với hai bộ điều chỉnh riêng biệt R1 & R2 trong đó bộ điều chỉnh R2 là bộ điều chỉnh dòng điện với giá trị đặt Iđ. Trong truyền động điện khái niệm điều chỉnh dòng điện được sử dụng rộng rãi và được thể hiện trên hình vẽ: Hình 3.12. Trong đó: RI – Bộ điều chỉnh dòng điện. Rw – Bộ điều chỉnh tốc độ. Mỗi mạch vòng có bộ điều chỉnh riêng được tổng hợp từ đối tượng riêng và theo tiêu chuẩn riêng. 2. Mạch vòng dòng điện động cơ: Việc tổng hợp chính xác mạch vòng dòng điện stato gặp nhiều khó khăn do thông số với đối tượng như tổng trở động cơ , hằng số thời gian điện từ biến thiên mạnh theo tải . Nếu coi rằng khe hở không khí giữa stato và roto là đều sự biến thiên mạnh của tải được phản ánh ở điện trở tương đương trong mạch roto và dây quấn stato nối hình sao thì căn cứ sơ đồ thay thế của động cơ ta có mô hình mạch vòng dòng điện động cơ trong đó chứa cả các thông số mạch lọc. Uđ (-) Uph Rw w Mc R I S01 S02 Biên soạn: Đỗ Công Thắng 69Khoa Điện-Điện tử 2013 s Rr2 Lr2Ls2 isdU isS isR fL fR 2Rs BBD - Hình 3.13. Sơ đồ thay thế mạch vòng điều chỉnh dòng điện động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc Mạch lọc và mạch stato có thể được mô tả bởi hàm truyền. pLR pS   1 )(01 (3.38) Trong đó: 2Rs + Rf = R s2L Lf L  Bộ biến đổi có hàm truyền gần đúng: pb k pS b .1 )(02   (3.39) Trong đó: nvo TTb 12 1 2  Tn : chu kỳ điện áp nguồn. Tro: thời gian trễ thống kê của bộ biến đổi. Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh: )().().()( 0201 pSpSpSpS isi  (3.40) )1)(1( 1 )( TppT KpS si soi   (3.41) Trong đó: R L T ; Tsi = b + Ti R KKb 1 Ks  áp dụng các tiêu chuẩn tối ưu ta có thể tổng hợp được cấu trúc và tham số của bộ điều chỉnh dòng điện động cơ: Biên soạn: Đỗ Công Thắng 70Khoa Điện-Điện tử 2013 PKT PT pRis 0 11)(   (3.42) T1 = T ; KT0 =2K2Tsi. 3.3 Điều chỉnh tốc độ thông qua việc điều chỉnh điện áp. 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý. Hình 3.14. Sơ đồ điều chỉnh điện áp Với tần số và tốc độ động cơ không đổi thì mụmen tỷ lệ với bỡnh phương điện áp stato . Việc điều chỉnh điện áp stato là không triệt để do mọi đặc tính điều chỉnh đều đi qua điểm không tải lý tưởng , tổn thất công suất trượt của động cơ tăng lờn nếu giảm tốc độ quay của roto : )( 0   cr MP = Pcơ s s 1 (3.43) Nếu đặc tính cơ của phụ tải có dạng : Mc = Mcđm x cdm )(   ( 3.44) Tức là động cơ có độ trượt định mức nhỏ, thì tổn thất khi điều chỉnh sẽ là :  rP Mcđm )1.()( 00     x (3.45) Giá trị cực đại của tổn thất công suất :  maxrP Mcđm. 0  Pđm Biên soạn: Đỗ Công Thắng 71Khoa Điện-Điện tử 2013 )1.()( 00max        x r r P P (3.46) Truyền động động cơ không đồng bộ điều chỉnh điện áp stato chỉ thích hợp nhất với các loại tải có mômen là hàm tăng của tốc độ . Cấu trúc một hệ thống điều chỉnh điện áp như trên, trong đó để thiết lập mạch vòng dòng điện có thể lấy phản hồi dòng điện stato, hoặc phản hồi dòng điện roto nếu sử dụng động cơ roto dây quấn . 2.3.2 Điều chỉnh điện áp động cơ lồng sóc. Trong trường hợp sử dụng động cơ roto lồng sóc thì phản hồi dòng điện stato được thiết lập, việc tổng hợp mạch vòng dòng điện được tiến hành như mục trước đó. Mômen động cơ cũng được tính theo dòng điện stato : ),( )1( 2       ss sth sth s IfI L M     (3.47) Nếu chọn một điểm làm việc nào đó có các thông số : rOSOCOSOSO IIMU ,,,, Hình 3.15.Sơ đồ điều chỉnh điện áp stato động cơ lồng sóc Thì có thể dùng mô hình tuyến tính hoá động cơ khi bỏ qua quá trình quá độ điện từ:          M I I M M s s (3.48) Sơ đồ cấu trúc để tổng hợp bộ điều chỉnh như trên. 2.3.3 Điều chỉnh điện áp động cơ rôto dây quấn. Trong trường hợp động cơ rotor dây quấn thì thì cần phải đưa các điện trở phụ Rf vào mạch roto để mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ, giá trị tối thiểu của các điện trở phụ Biên soạn: Đỗ Công Thắng 72Khoa Điện-Điện tử 2013 này được tính toán theo yêu cầu cụ thể về mômen khởi động, về phạm vi điều chỉnh tốc độ. Trong trường hợp cần thiết có thể kết hợp điều chỉnh (có cấp) các điện trở phụ Rf . Mômen điện từ tỷ lệ với bình phương dòng điện roto và do có điện trở phụ nên động cơ luôn làm việc ở đoạn đặc tính có độ trượt nhỏ hơn độ trượt tới hạn . Ở vùng đặc tính này khi dòng điện roto tăng lên thì mômen cũng tăng và việc điều chỉnh sẽ thuận lợi nếu ta sử dụng phản hồi dòng điện roto. Từ các biểu thức : M = 2r s r I R  ; )( s M e s r F LU I   Ta có thể viết mômen điện từ là hàm hợp của tốc độ và điện áp stato : M = M [ Ir ( us ,  ) (3.49)          M I I M M r r                 M u u II I M s s rr r )( (3.50) Hình 3.16 Sơ đồ điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ roto dây quấn Đối tượng của mạch vòng dòng điện là : 11 1 )( )( pLRpU pI s r   (3.51) Trong đó : R1 = Rf + 2Rs + s rR fr )(2  ; L1 = Lf + 2L s = 2L r ; T1 = L1 / R1 Biên soạn: Đỗ Công Thắng 73Khoa Điện-Điện tử 2013 Khi tổng hợp mạch vòng dòng điện roto có thể bỏ qua khâu   rI giới hạn bởi hai gạch chéo Việc xây dựng đặc tính tĩnh thường được tiến hành bằng phương pháp đồ thị do tính chất phi tuyến của hệ . Coi mạch phát xung răng cưa có các quan hệ tuyến tính     tm dktm U UU Trong đó Utm - biên độ củ điện áp răng cưa Udk - điện áp điều khiển  - góc thông chậm Ở chế độ xác lập thì điện áp điều khiển được xác định bởi hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh , điện áp đặt , tốc độ và tốc độ quay Udk = KR ( U d -  . ) ( 3.52) Trong đó  là hệ số phản hồi tốc độ Hình 3.17 Xây dựng đặc tính tĩnh bằng phương pháp đồ thị Thay các giá trị vào phương trình tính  ta được : ] )( 1[ tm da U UK      Đặt hai đồ thị )( và đặc tính cơ hệ mở M ( ) cạnh nhau và thực hiện các bước dựng hình theo mũi tên chỉ ta được đặc tính tĩnh của hệ kín ứng với mỗi giá trị của tốc độ đặt dU . Biên soạn: Đỗ Công Thắng 74Khoa Điện-Điện tử 2013 3.4 Điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện trở rôto. 3.4.1 Sơ đồ nguyền lý. Điều chỉnh điện trở mạch roto là điều chỉnh thông số mạch điện roto , giá trị điện trở tổng của mạch roto là : R = Rr + Rf . Khi tăng giá trị điện trở tổng R tức là làm tăng độ trượt tới hạn Sth còn mômen tới hạn của động cơ không thay đổi Điện áp roto ( điện áp trượt ) ur được chỉnh lưu bởi cầu điôt CL , qua điện cảm lọc và cấp song song cho điện trở phụ R1 và bộ điều chỉnh xung BĐX . Khi điều chỉnh tương quan giữa thời gian dẫn t2 và thời gian khoá t1 , hoặc điều chỉnh tần số đóng cắt của BĐX , ta có thể điều chỉnh trơn được giá trị của điện trở tương đương Re . Theo mô tả trên thì tần số đóng cắt được xác định là : Ttt f 11 21    (3.53) Điện trở tương đương của mach BĐX là : 1 1 1 21 1 1 .R T t R tt t RRe    Nếu coi BĐX là khoá lí tưởng thì có thể điều chỉnh trơn các giá trị điện trở tương đương từ Re = 0 đến Re = R1 , tương đươngtương đương thời gian dẫn dòng biến thiên từ t1 = 0 đến t1 = T . Điện trở phụ mắc vào roto có thể xác định được theo điều kiện cân bằng công suất : Rf = 2 1 Re ( 3.54 ) Hình 3.18.Điều chỉnh điện trở roto Biên soạn: Đỗ Công Thắng 75Khoa Điện-Điện tử 2013 Độ trượt khi điều chỉnh điện trở roto có thể xác định như sau : i r s R R s  ( 3.54 ) trong đó s - độ trượt ứng với điện trở R = Rr + Rf si - độ trượt ứng với điện trở Rr (Re = 0 ) Thay thế độ trượt ở ( 3-49 ) ta được : M = is rr S IR  2 ( 3.55) Điều này có nghĩa là mômen động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điện roto mà không phụ thuộc vào tốc độ góc của động cơ . Hình 3.19. Việc khảo sát động học và tổng hợp các bộ điều chỉnh được thực hiện từ mô hình toán học của hệ thống , có các đặc tính phi tuyến và có các phần tử xung ( BĐX ) Nếu tần số đóng cắt của BĐX đủ lớn thì có thể coi dòng điện trong mạch một chiều là không đổi và có thể bỏ qua ảnh hưởng của điện cảm L đến động học của động cơ 3.4.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh. Từ ( 4-4) có thể tính được các giá trị đạo hàm riêng của mômen tại điểm làm việc xác lập đang xét ( M , R , Ir ) : rI M R R M M       ( 3.56) s s rr s s rr r I R R II R R I I                  ( 3.57) Biên soạn: Đỗ Công Thắng 76Khoa Điện-Điện tử 2013 Hình 3.20.Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh roto Ta có Utm là biên độ của điện áp răng cưa tại xung mở thiristor phụ Tf , R1 là giá trị điện trở mắc ở mạch một chiều, Tvo = f2 1 là hằng số thời gian trung bình Td là hằng số thời gian trung bình của mạch roto Td = ekr kr RRR LL   2 2  ( 3.58) 3.4.3 Xây dựng các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ. 3.5 Điều chỉnh tốc độ thông qua việc điều chỉnh công suất trượt. Để điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua việc điều chỉnh công suất trượt ta sử dụng hệ nối tầng điện dưới đồng bộ. Khi điều chỉnh tốc độ bằng hệ nối tầng thì vừa điều chỉnh được công suất trượt vừa điều chỉnh được tốc độ của động cơ. 3.5.1 Sơ đồ nguyền lý. Biên soạn: Đỗ Công Thắng 77Khoa Điện-Điện tử 2013 Hình 3.21. Sơ đồ hệ nối tầng dưới đồng bộ Sơ đồ nguyên lý hệ nối tầng dưới đồng bộ bao gồm: - Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn ĐK. - Bộ điều chỉnh điện áp bao gồm bô chỉnh lưu điện áp rotor thành điện áp một chiều, đưa vào cuộn kháng lọc L, điện áp một chiều sau khi được qua cuộn lọc được đưa vào bộ nghịch lưu. - Bộ điều chỉnh dòng điện - Bộ điều chỉnh tốc độ 2.5.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh. Nguyên lý điều chỉnh Ta thấy nếu qua điện trở và điện kháng tản stator động cơ, bỏ qua sụt áp thuận trên các van bán dẫn lực và coi động cơ có hai cực và có số vòng dây quấn rotor và stator là như nhau. Vì vậy ở chế độ xác lập ta có: (3.59) Giải phương trình trên ta được vector dòng điện rotor của động cơ: (3.60) ở chế độ không tải lý tưởng, khi dòng điện rotor bằng 0 tương ứng ta có độ trượt không tải: R dUU                           r s rMe r Me MeMe r s i i LLj s R Lj LjLj s U U . )( . .    rMe r M s r M r LL s R JL U s U JL I .. )(    Biên soạn: Đỗ Công Thắng 78Khoa Điện-Điện tử 2013 (3.61) Trong đó: Udro là sđđ chỉnh lưu không tải mạch rotor Um là biên độ điện áp sator Ta thấy tốc độ trượt không tải s0 tỷ lệ với điện áp (sức điện động) chỉnh lưu của mạch rotor. Vì vậy điều chỉnh tốc độ trượt là điều chỉnh sức điện động chỉnh lưu của mạch rotor. Hay điều chỉnh ( Udro ); và giá trị của Udro được điều chỉnh bằng góc mở sớm của nghịch lưu phụ thuộc. Ta có công suất động điện của động cơ nếu bỏ qua tổn thất mạch rotor: (3.62) Với: là công suất cơ đưa ra trục động cơ là công suất trượt trả về lưới qua bộ nghịch l