Giáo trình Tổng hợp điều khiển hệ điện cơ: Phần 2 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Chia sẻ: Dương Hàn Thiên Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:118

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 2 của giáo trình "Tổng hợp điều khiển hệ điện cơ" tiếp tục cung cấp cho học viên những nội dung về: hệ thống truyền động tiristor - Động cơ (T-Đ); hệ thống truyền động động cơ một chiều sử dụng bộ biến đổi một chiều - một chiều (xung điện áp); các loại hình cơ bản của hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ - hệ thống điều tốc điều chỉnh điện áp;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Tổng hợp điều khiển hệ điện cơ: Phần 2 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

CHƯƠNG 4. HỆ THỐNG TRUYỀN Đ NG ĐẢO CHIỀU 4.1. Các sơ đồ truyền động đảo chiều dùng hệ thống T - Đ 4.1.1. Đảo chiều áp dòng trong mạch phần ứng động cơ Trong hệ thống điều tốc đảo chiều, yêu cầu cơ bản đối với động cơ điện là có thể thay đổi chiều quay của nó. Nhưng muốn thay đổi chiều quay thì bắt buộc phải thay đổi chiều của mômen điện từ động cơ Mđt. Từ công thức mômen quay động cơ điện một chiều Mđt = KmId có thể thấy, chiều của Mđt có thể được thay đổi bằng hai cách, một là đổi chiều dòng điện mạch phần ứng của động cơ, trên thực tế là thay đổi cực tính điện áp của mạch điện phần ứng, hai là đổi chiều từ thông kích từ động cơ, tức là thay đổi chiều dòng điện kích từ. Tương ứng với chúng, mạch điện đảo chiều của hệ thống tiristor - động cơ cũng có hai phương thức: đảo cách đấu đầu ra bộ biến đổi (BBĐ) với mạch phần ứng và đảo cách đấu đầu ra BBĐ kích từ với cuộn dây kích từ động cơ. 4.1.1.1. Mạch điện đảo chiều dòng phần ứng động cơ khi BBĐ sử dụng một sơ đồ chỉnh lưu Mạch điện đảo chiều dòng phần ứng có rất nhiều kiểu loại, và được chọn theo yêu cầu khác nhau của các loại máy công tác. Đối với các máy công tác thường làm việc ở trạng thái quay một chiều thỉnh thoảng mới có yêu cầu đổi chiều quay (chẳng hạn như đầu máy xe điện ngầm) có thể dùng hệ thống tiristor - động cơ thông dụng. Loại mạch điện này chỉ dùng một sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển bằng tiristor để cấp điện cho phần ứng động cơ, việc đổi chiều dòng qua động cơ sử dụng 136
các phần tử đóng cắt có tiếp điểm (công tắc tơ) hoặc sử dụng các van bán dẫn có điều khiển để thay các phần tử có tiếp điểm. Sơ đồ sử dụng phần tử có tiếp điểm để đảo cực tính điện áp và đảo chiều dòng phần ứng động cơ được biểu diễn trên hình 4.1. - Ưu điểm: Việc thực hiện đảo chiều dòng, áp đơn giản; rẻ tiền. - Nhược điểm: Công tắc tơ phải đóng cắt thường xuyên thì gây ra tiếng ồn khá lớn; tuổi thọ thấp; thời gian tác động riêng của khí cụ đóng cắt khá lớn, có thể đạt tới 0,8s. Mạch điện này chỉ được dùng ở những máy công tác không thường xuyên đảo chiều quay. Sơ đồ sử dụng bộ đóng cắt dạng không tiếp điểm bằng dụng cụ bán dẫn tiristor, như trên hình 4.2. Sơ đồ này sẽ tránh được nhược điểm của việc sử dụng bộ đóng cắt có tiếp điểm. Khi các tiristor T1 và T2 mở, tương đương như T đóng (hình 4.1), động cơ quay theo chiều thuận, còn khi T3 và T4 mở, tương đương như N đóng (hình 4.1), động cơ quay theo chiều ngược. - Ưu điểm: Mạch điện đơn giản, làm việc với độ tin cậy khá cao, quán tính nhỏ. - Nhược điểm: Số dụng cụ bán dẫn nhiều và thường bị hạn chế về dòng điện; giá thành đắt. Mạch điện này chỉ được dùng trong một số thiết bị truyền động đảo chiều công suất không lớn lắm. 4.1.1.2. Mạch điện đảo chiều dòng phần ứng động cơ khi sử dụng BBĐ có đảo dòng Hình 4.3. Hệ thống truyền động đảo chiều động cơ một chiều dùng BBĐ có đảo dòng bằng hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược 137
Ở những máy công tác yêu cầu đổi chiều quay thường xuyên, đặc biệt là những máy có yêu cầu thời gian quá trình quá độ khi đảo chiều ngắn thì thường sử dụng hệ truyền độ T - Đ với bộ biến đổi có đảo dòng. BBĐ có đảo dòng được xây dựng từ hai sơ đồ chỉnh lưu điều khiển dùng tiristor mắc song song ngược hoặc đấu chéo (hình 4.3). Khi động cơ được cấp dòng từ sơ đồ chỉnh lưu thứ nhất (CL1) (còn được gọi là sơ đồ thuận), thì dòng phần ứng động cơ có giá trị dương (thuận), còn dòng động cơ sẽ đổi chiều (ngược) nếu nó được cấp điện từ sơ đồ chỉnh lưu thứ hai (CL2) hay còn gọi là sơ đồ ngược. Với tải có tính chất phản kháng thì chiều quay của động cơ phụ thuộc vào chiều dòng điện trong động cơ. Việc dòng điện động cơ được cấp từ sơ đồ chỉnh lưu nào, sơ đồ không cấp dòng cho động cơ ở trạng thái gì, phụ thuộc vào chế độ làm việc cụ thể và phương pháp điều khiển bộ BBĐ. 4.1.2. Đảo chiều dòng kích từ động cơ Muốn đảo chiều quay của động cơ khi không đảo chiều dòng áp phần ứng có thể thực hiện bằng cách đảo chiều từ thông động cơ. Trong trường hợp này, mạch phần ứng của động cơ chỉ cần dùng một sơ đồ chỉnh lưu tiristor để cấp điện và điều chỉnh tốc độ, còn cuộn dây kích từ được cung cấp từ nguồn một sơ đồ chỉnh lưu (có thể điều khiển hoặc không) qua hệ thống các tiếp điểm đảo chiều hoặc có thể cung cấp cho cuộn kích từ động cơ từ BBĐ có đảo dòng bằng tiristor khi có thêm yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi từ thông. Các sơ đồ mạch điện để đảo chiều dòng kích từ tương tự như sơ đồ đảo chiều dòng phần ứng động cơ (hình 4.1; 4.2;4.3). Do công suất kích từ chỉ chiếm khoảng 15% công suất định mức, rõ ràng là công suất của của các thiết bị đóng cắt hoặc sơ đồ chỉnh tiristor dùng để đảo chiều dòng và cung cấp cho cuộn dây kích từ nhỏ hơn rất nhiều khi thực hiện đảo chiều dòng phần ứng, do vậy đối với động cơ công suất lớn thì dùng phương án đảo chiều dòng kích từ là tương đối rẻ tiền. Tuy nhiên, quá trình đổi chiều dòng kích từ xẩy ra chậm hơn rất nhiều so với đổi chiều dòng điện mạch phần ứng, ở những động cơ có công suất trung bình, hằng số thời gian mạch kích từ chiếm khoảng vài giây, nếu cứ cho dòng điện kích từ tăng giảm tự nhiên, thì việc đổi chiều dòng điện có thể chiếm mất khoảng 10 giây. 138
Trong thực tế, việc đảo chiều quay động cơ bằng phương pháp đảo chiều từ thông thường áp dụng cho các hệ thống truyền động điện công suất trung bình và lớn và ít diễn ra quá trình đảo chiều như hệ thống truyền động trục cán của máy cán liên tục. 4.2. Hãm tái sinh của hệ thống tiristor - động cơ 4.2.1. Chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu của chỉnh lưu có điều khiển 4.2.1.1. Chế độ chỉnh lưu của chỉnh lưu có điều khiển Là chế độ làm việc mà sơ đồ chỉnh lưu thực hiện biến đổi năng lượng điện xoay chiều của lưới điện thành năng lượng điện một chiều để cấp cho tải một chiều, như vậy tải một chiều tiêu thụ công suất tác dụng. Nếu giả thiết bỏ qua ảnh hưởng của thành phần xoay chiều trong đường cong dòng điện và điện áp chỉnh lưu, và kí hiệu: giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu ở đầu ra sơ đồ chỉnh lưu là Ud, giá trị trung bình dòng điện chỉnh lưu là Id (trong trường hợp hệ điều tốc T-Đ thì Id cũng là thành phần một chiều dòng phần ứng động cơ), Pd là công suất tác dụng tải tiêu thụ (công suất điện mà động cơ tiêu thụ), như vậy, khi sơ đồ chỉnh lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì Pd = Ud.Id>0. 4.2.1.2. Chế độ nghịch lưu của chỉnh lưu có điều khiển Khi sơ đồ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu, quá trình biến đổi năng lượng diễn ra theo chiều ngược lại, sơ đồ chỉnh lưu thực hiện việc biến đổi năng lượng điện một chiều phía tải thành năng lượng điện xoay chiều và chuyển một phần năng lượng vào lưới điện xoay chiều. Điều này có nghĩa là khi sơ đồ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu thì công suất trên tải sẽ có giá trị âm, tức là Pd = Ud.Id
Từ các biểu thức có thể kết luận: Để sơ đồ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu cần có các điều kiện là: góc điều khiển sơ đồ chỉnh lưu phải lớn hơn 900, sức điện động tải (s.đ.đ. ngược) phải đổi chiều và có giá trị lớn hơn giá trị tuyệt đối của điện áp chỉnh lưu trung bình. Chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu của sơ đồ chỉnh lưu trong hệ thống truyền động điện T-Đ cho cơ cấu nâng hạ (cầu trục, cần trục, máy xúc,...) được minh họa như trên hình 4.4. Có thể thấy rằng, muốn thay đổi tốc độ hạ ta điều chỉnh giá trị góc điều khiển α, giá trị α càng tăng thì tốc độ hạ sẽ càng tăng, tuy nhiên cũng cần phải chú ý điều kiện góc điều khiển cực đại cho phép để tránh lật nghịch lưu. Chế độ nghịch lưu của sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển dùng tiristor còn được gọi là nghịch lưu phụ thuộc. 4.2.2. Hãm tái sinh của động cơ điện khi điều chỉnh giảm tốc hoặc dừng Có rất nhiều máy công tác trong thực tế yêu cầu tăng giảm tốc hoặc dừng máy một cách nhanh chóng, biện pháp rẻ tiền nhất chính là dùng cách hãm động cơ 140
theo phương pháp hãm tái sinh, cho động cơ làm việc ở trên đường đặc tính ở góc phần tư thứ 2. Hãm tái sinh khi quay ngược với tải thế năng và hãm tái sinh khi giảm tốc hoặc dừng máy với tải phản kháng khác nhau ở 3 điểm sau: (1). Hãm tái sinh khi điều chỉnh giảm tốc hoặc dừng máy, động cơ làm việc ở góc phần tư thứ hai, chiều của tốc độ quay vẫn là dương, mô men quay đổi chiều thành âm; còn hãm tái sinh quay ngược khi động cơ mang tải có tính chất thế năng thì động cơ làm việc ở góc phần tư thứ 4, chiều quay biến thành âm, chiều mômen động cơ không đổi. (2). Hãm tái sinh quay ngược khi động cơ mang tải có tính chất thế năng là một trạng thái làm việc ổn định, còn hãm tái sinh khi điều chỉnh giảm tốc hoặc dừng máy thường là một quá trình quá độ, cuối cùng phải trở về góc phần tư thứ nhất mới ổn định được, hoặc là cuối cùng phải trở về gốc tọa độ (động cơ dừng). (3). Hãm tái sinh quay ngược khi động cơ mang tải có tính chất thế năng thì cực tính của s.đ.đ. động cơ thay đổi theo chiều quay của động cơ để duy trì dòng điện động cơ theo chiều ban đầu; còn hãm tái sinh khi điều chỉnh giảm tốc hoặc dừng máy, từ góc độ động cơ mà xem xét, dù phụ tải nào trong quá trình hãm giảm tốc s.đ.đ. động cơ đều không thay đổi cực tính, muốn trả lại điện năng bắt buộc phải tìm cách làm cho dòng điện đổi chiều. 141
Trong phần trước đã chỉ ra rằng, sơ đồ chỉnh lưu có hai chế độ làm việc là chỉnh lưu và nghịch lưu, muốn thông qua sơ đồ chỉnh lưu trả lại năng lượng cho lưới điện, cần phải cho nó làm việc ở chế độ nghịch lưu. Như phân tích ở trên, một điểm quan trọng then chốt là động cơ điện hãm tái sinh khi điều chỉnh giảm tốc hoặc dừng máy yêu cầu dòng điện động cơ đổi chiều. Nhưng với hệ thống T-Đ chỉ được sử dụng một sơ đồ chỉnh lứu cấp điện cho động cơ thì không thể đảo chiều dòng, vì thế dùng một sơ đồ chỉnh lưu không thể thực hiện hãm tái sinh khi điều chỉnh giảm tốc hoặc dừng máy. Yêu cầu đảo chiều dòng điện dẫn đến việc cần thiết phải sử dụng BBĐ có đảo dòng bằng hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược hoặc đấu chéo. Dòng điện đi qua sơ đồ chỉnh lưu thuận không thể đảo chiều sang ngược, nhưng có thể dùng chế độ nghịch lưu của sơ đồ chỉnh lưu ngược để đảo chiều dòng và thực hiện hãm tái sinh khi điều chỉnh giảm tốc hoặc dừng. Hình 4.5 biểu diễn sơ đồ thay thế hệ thống truyền động điện trong các chế độ làm việc khác nhau của động cơ khi điều chỉnh giảm tốc từ điểm A về B với giả thiết dòng tải là Ic. Hình 4.5c biểu diễn sự thay đổi điểm làm việc của động cơ, đoạn đặc tính C-n02 là đoạn đặc tính động cơ làm việc trong chế độ hãm tái sinh (ứng với sơ đồ thay thế hình 4.5b). 4.3. Các phương pháp điều khiển BBĐ có đảo dòng Các bộ biến đổi có đảo dòng dùng hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược hoặc đấu chéo trong hệ truyền động T-Đ có đảo chiều có hai phương pháp điều khiển: điều khiển độc lập (còn gọi là điều khiển riêng) và điều khiển phối hợp (còn gọi là điều khiển chung). 4.3.1. Phương pháp điều khiển độc lập Là phương pháp điều khiển mà khi hệ thống làm việc, ở một chế độ, tại một thời điểm chỉ có các van của một sơ đồ làm việc, các van của sơ đồ chỉnh lưu kia không được cấp xung điều khiển và không làm việc. Khi cần đảo chiều dòng (đảo chiều quay hoặc điều chỉnh giảm tốc), người ta tác động vào mạch điều khiển để ngắt dòng qua các van của sơ đồ đang làm việc, cắt xung điều khiển các van này và 142
duy trì một khoảng thời gian dòng qua tất cả các van đều bằng không (để các van vừa khóa khôi phục tính chất điều điều khiển) rồi thực hiện cấp xung cho các van của sơ đồ cần đưa vào làm việc để đảo chiều dòng động cơ. Phương pháp điều khiển này có ưu điểm cơ bản là từng sơ đồ chỉnh lưu của BBĐ làm việc độc lập nên không xuất hiện dòng điện khép từ một pha nguồn qua một van của một sơ đồ, tiếp theo vòng qua một van của sơ đồ khác rồi đi về một pha nguồn khác, dòng điện này được gọi là dòng cân bằng hay dòng tuần hoàn. Tuy nhiên hệ cũng có nhược điểm là xuất hiện khoảng thời gian ngừng dòng khi đảo chiều dòng làm xấu chất lượng quá trình quá độ của hệ khi điều chỉnh tốc độ hoặc đảo chiều. 4.3.2. Phương pháp điều khiển phối hợp Là phương pháp điều khiển BBĐ đảo dòng mà khi hệ thống làm việc thì tất cả các van của cả hai sơ đồ chỉnh lưu đều được cấp xung điều khiển và đều có thể dẫn dòng, tuy nhiên để đảm bảo sự làm việc bình thường của hệ thống thì quan hệ giữa các góc điều khiển của hai sơ đồ phải tuân theo những quy luật nhất định (sẽ giới thiệu trong mục 4.4) và cần bổ sung vào sơ đồ một số phần tử (cuộn kháng hạn chế dòng cân bằng). Nhược điểm của sơ đồ là sẽ xuất hiện dòng điện cân bằng, đây thực chất là dòng ngắn mạch hai pha nguồn và cần có thiết bị hạn chế để tránh gây hỏng van, dẫn đến tăng kích thước hệ truyền động và tăng tổn hao công suất. Mặc dù có các nhược điểm như đã nêu nhưng hệ thống loại này lại có ưu điểm là độ tác động nhanh cao, chất lượng quá trình quá độ tốt hơn nhiều so với hệ dùng phương pháp điều khiển độc lập nên thường được sử dụng khi có yêu cầu cao về độ tác động nhanh. Phụ thuộc vào quan hệ giữa góc điều khiển của hai sơ đồ chỉnh lưu thuận và ngược, phương điều khiển phối hợp được chia thành hai: - Điều khiển phối hợp tuyến tính; - Điều khiển phối hợp phi tuyến. 143
4.4. Hệ thống truyền động đảo chiều điều khiển độc lập 4.4.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống Hệ thống điều tốc đảo chiều hai vòng điều khiển độc lập là hệ thống đảo chiều được dùng phổ biến trong sản xuất hiện nay, sơ đồ nguyên lý của nó như trên hình 4.6. Mạch lực (mạch điện chính) sử dụng hai sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển bằng tiristor mắc song song ngược, vì không có dòng cân bằng nên không phải dùng thiết bị hạn chế (điện kháng cân bằng), nhưng để tăng tính liên tục của dòng điện, cần phải sử dụng cuộn kháng san phẳng CK. Mạch điều khiển dùng hệ thống hai mạch vòng kín tốc độ quay và dòng điện, chỉ có mạch vòng dòng điện cài đặt riêng hai bộ điều chỉnh dòng điện (nhiều trường hợp chỉ cần một bộ điều chỉnh dòng chung), 1RI dùng để điều khiển mạch phát xung cho sơ đồ chỉnh lưu thuận FXT, 2RI dùng để điều khiển mạch phát xung cho sơ đồ chỉnh lưu ngược FXN, tín hiệu đặt dòng điện của 1RI đi qua bộ đổi dấu trở thành tín hiệu đặt dòng điện của 2RI, như vậy có thể làm cho cực tính của tín hiệu phản hồi dòng điện ui lúc đổi chiều quay thuận ngược đều không phải thay đổi, từ đó có thể sử dụng khâu lấy tín hiệu dòng điện không cần đảo cực tính, như bộ máy biến dòng CBD và sơ đồ chỉnh lưu CL1 được biểu diễn trên hình 4.6. Do mạch lực không có các phần tử hạn chế dòng cân bằng, nên nếu xuât hiện dòng cân bằng sẽ tạo thành sự cố ngắn mạch nghiêm trọng, cho nên độ tin cậy khi làm việc rất cao, mặt khác phải giảm đến mức nhỏ nhất thời gian ngừng dòng khi đảo chiều dòng động cơ nên trong hệ thống thiết kế thêm mạch logic đảo chiều LG, đây là bộ phận quan trọng trong hệ thống này, đòi hỏi phải làm việc tin cậy. LG căn cứ vào trạng thái làm việc của hệ thống, chỉ huy hệ thống tự động cho phép FXT phát ra xung điều khiển cho các van của CL1 và cấm FXN phát xung cho CL2 hoặc ngược lại. Trong bất cứ trường hợp nào cũng tuyệt đối không được cho các van của hai sơ đồ chỉnh lưu đồng thời mở, phải đảm bảo chắc chắn mạch lực không có khả năng xuất hiện dòng cân bằng. 144
4.4.2. Yêu cầu của hệ thống đảo chiều đối với bộ điều khiển logic đảo chiều Nhiệm vụ của bộ điều khiển logic LG là đảm bảo chỉ cho phép một trong hai mạch phát xung làm việc và đảm bảo quá trình chuyển đổi sự làm việc của hai sơ đồ chỉnh lưu khi cần đổi chiều dòng động cơ diễn ra nhanh nhất nhưng an toàn. LG được xây dựng từ các phần tử điện tử số, tín hiệu đầu ra của nó u LGT và uLGN là tín hiệu số lấy "0" và "1" để khống chế mạch phát xung, khi một tín hiệu có mức logic "0" thì mạch phát xung tương ứng không làm việc, khi tín hiệu có mức logic "1" thì mạch phát xung tương ứng làm việc, cả hai đều không thể đồng thời là “1” để bảo đảm chắc chắn hai mạch phát xung không bao giờ đồng thời tạo ra xung điều khiển, còn trong giai đoạn đảo chiều dòng sẽ có khoảng thời gian cả hai đều có mức “0”, tương ứng cả hai mạch phát xung đều không làm việc (cũng cần lưu ý: một số trường có thể chọn mức logic để cho mạch phát xung làm việc ngược lại với qui định trên, tức là mức “0” là cho phép mạch phát xung làm việc, điều này phụ thuộc vào cấu trúc và hoạt động cụ thể của mạch phát xung, tuy nhiên phải đảm bảo không được để xẩy ra trường hợp cả hai mạch phát xung đồng thời làm việc. Tóm lại, đối với mạch logic LG trong hệ truyền động đảo chiều sử dụng BBĐ có đảo dòng điều khiển độc lập phải đảm bảo các yêu cầu sau: (1) Khi có sự thay đổi cực tính của tín hiệu đặt dòng điện và tín hiệu thông báo dòng điện về 0 (ui0) thì phát lệch khóa mạch phát xung cho sơ đồ chỉnh lưu làm 145
việc ở giai đoạn trước, còn mạch phát xung cho sơ đồ chuẩn bị được đưa vào làm việc vẫn chưa được phép làm việc, tức là cả uLGT và uLGN đều phải bằng không. (2) Sau khi phát lệnh khóa mạch phát xung của sơ đồ vừa ngừng làm việc, thực hiện duy trì một khoảng thời gian để đảm bảo các van của sơ đồ vừa kết thúc làm việc phục hồi tính chất điều khiển; sau thời gian duy trì này thực hiện phát tín hiệu cho phép mạch phát xung của sơ đồ cần đưa vào làm việc để thực hiện việc đổi chiều dòng tải (động cơ). (3) Dù cho ở bất cứ tình huống nào, tuyệt đối không cho phép cả hai mạch phát xung đồng thời phát xung, lúc FXT làm việc thì FXN phải không làm việc và ngược lại. 4.4.3. Thiết kế mạch logic khống chế đảo chiều dòng Từ các phân tích trên cho phép xác định được tín hiều vào và ra của mạch LG. Cấu trúc của LG với các tín hiệu vào ra của nó được minh họa trên hình 4.7. Về cơ bản có thể xem LG gồm bốn bộ phận chính, đó là: Khối biến đổi tín hiệu, khối xử lý thuật toán logic, tạo thời gian trễ và khóa liên động các tín hiệu đầu ra của LG. 4.4.3.1. Khối biến đổi tín hiệu Nhiệm vụ của khối biến đổi tín là chuyển các đại lượng biến đổi liên tục như tín hiệu đặt dòng điện , tín hiệu báo trạng thái khóa của các van trong bộ biến đổi BBĐ ui0 trong hệ thống điều khiển thành tín hiệu logic với hai mức “0” và “1” phù hợp với các phần tử logic trong sơ đồ. Mạch điện của khối này thường dùng bộ khuếch đại thuật toán có phản hồi dương hoặc không có phản hồi với đặc tính yêu 146
cầu là dạng đặc tính rơ le, sơ đồ nguyên lý, cấu trúc và đặc tính rơ le của nó được vẽ trên hình 4.8 Hoạt động của sơ đồ: khi điện áp đầu vào u v 0, khi đó điện áp trên đầu vào không đảo (so với mát) chính là điện áp phản hồi dương và có giá trị αUrm1. Với α là hệ số phản hồi và được xác định: (4.2) Tăng dần điện áp vào, khi uv đạt đến giá trị uv1 = αUrm1 thì điện áp giữa đầu vào không đảo và đảo sẽ bằng không và có xu hướng chuyển sang âm nếu uv có xu hướng tăng, dẫn đến đầu ra chuyển sang âm bão hòa và bằng Urm2. Còn khi uv > uv1 và ur = Urm2
tín hiệu logic ở đầu ra khối biến đổi tín hiệu tương ứng với tín hiệu vào u i0 là tín hiệu cho phép chuyển đổi sự làm việc của mạch phát xung, kí hiệu là uz. 4.4.3.2. Khối xử lý logic Nhiệm vụ của khối xử lí logic là dựa vào sự xuất hiện các mức logic 1 và 0 của các tín hiệu uM và uz để quyết định thời điểm phát tín hiệu khóa mạch phát xung của sơ đồ đang làm việc và cho tín hiệu đưa mạch phát xung của sơ đồ khác vào làm việc. Mức logic để quyết định thay dổi trạng thái đầu ra phụ thuộc vào từng sơ đồ cụ thể, giá trị tín hiệu cho phép hay không cho phép ở đầu ra khối xử lý tín hiệu logic cũng tùy thuộc vào sơ đồ mạch phát xung cụ thể. Gọi tín hiệu đầu ra khối xử lý logic khống chế các mạch phát xung thuận và ngược là uT và uN và giả thiết mức logic ứng với trường hợp cho phép là 1, còn trường hợp không cho phép (khóa) là 0, có thể mô tả các tín hiệu như sau: - Tín hiệu vào: Nhận biết cực tính mômen: M > 0, tức là lúc < 0, uM = "1", M < 0, tức là lúc > 0, uM = "0". - Kiểm tra trạng thái khóa của các van: + Khi có dòng điện (các van đang mở), uz = “0” + Khi dòng điện bằng không (các van khóa), uz = "1". - Tín hiệu ra: + Khoá mạch phát xung sơ đồ chỉnh lưu thuận FXT, uT = "0"; + Mở mạch phát xung sơ đồ chỉnh lưu thuận FXT, uT = "1"; + Khoá mạch phát xung sơ đồ chỉnh lu ngược FXN, uN = "0"; + Mở mạch phát xung sơ đồ chỉnh lưu ngược FXN, uN = “1". 148
Dựa vào trạng thái làm việc của động cơ trong hệ thống truyền động đảo chiều ra được quan hệ logic giữa các đại lượng mạch logic đảo chiều như trong bảng 4.1. Sau khi lược bỏ các đại lượng trùng lặp trong bảng 4.1 sẽ được bảng 4.2 Căn cứ vào bảng giá trị thực, dựa vào điều kiện đóng ngắt phản xung có thể đưa ra đại số logic sau đây: u T  u N (u M u z  u M u z  u M u z )  u N  u M (u z  u z )  u M u z    u N (u M  u z )  u N (u M u z ) Hay: u T  u N (u M .u z ) (4.4) Một cách tương tự có thể xác định được uN: u N  u T (u M .u z ) (4.5) 4.4.3.3. Mạch điện kéo dài thời gian (tạo thời gian trễ) 149
Sau khi mạch xử lý logic phát ra các lệch chuyển đổi uN và uN, cần phải duy trì một khoảng thời gian mới cho phép tín đầu ra của LG là uLGT và uLGN thay đổi theo uT và uN. Khoảng thời từ lúc có lệnh khóa mạch phát xung ở đầu khối XLLG đến lúc có lệnh khóa mạch phát xung gọi là thời gian trễ cắt xung, ký hiệu là tc và thường chọn bằng 0 (không có trễ); khoảng thời từ lúc có lệnh cho phép mạch phát xung họat động ở đầu ra khối XLLG đến lúc có lệnh mở mạch phát xung gọi là thời gian trễ phát xung, ký hiệu là tf, đây là khoảng thời gian rất cần thiết để tránh hiện tượng ngắn mạch khi đổi chiều dòng. u c  (U  U c0 )(1  e  t /  )  U c0 (4.6) Nếu giả thiết U1 là giá trị cực tiểu của điện áp ứng với mức logic “1” ở đầu vào của phần tử logic (thực tế giá trị U1 phụ thuộc vào loại phần tử logic và giá trị nguồn nuôi một chiều), có thể xác định được thời gian trễ tf do mạch R-C tạo ra (thay uc=U1): U  U c0 (4.7) t f  RC ln U  U1 Thường thì Uc0 = 0, nên thời gian trễ tf được viết lại là: U t f  RC ln U  U1 (4.8) tf Giá trị C là: C (4.9) U R ln U  U1 4.4.3.4. Mạch điện bảo vệ liên động Khi làm việc bình thường, hai lượng đầu ra uLGT và uLGN mạch logic đảo chiều thường có giá trị logic ngược nhau, hoặc cả đều có mức logic “0” (giá trị tín hiệu khóa các mạch phát xung). Nếu phát sinh sự cố, cả hai đại lượng đó nếu đồng thời ở trạng thái "1“ sẽ xẩy ra hiện tượng cả hai sơ đồ chỉnh lưu đồng thời làm việc, gây ngắn mạch nguồn điện. Để tránh sự cố này xẩy ra, ở phần cuối bộ điều khiển logic thường bố trí thêm mạch điện bảo vệ liên động "1" tăng cường. Trong nhiều 150
sơ đồ thường không cần sử dụng mạch này, vì khối xử lý logic đã thực hiện tốt nhiệm vụ này. 4.4.4. Ưu nhược điểm của hệ thống truyền động đảo chiều điều khiển độc lập Hệ thống truyền động đảo chiều điều khiển độc lập sử dụng mạch logic để điều khiển quá trình đổi chiều dòng có một số ưu nhược điểm sau: - Ưu điểm: Do luôn chỉ có một sơ đồ chỉnh lưu làm việc nên không xuất hiện dòng cân bằng, nhờ đó không cần dùng các phần tử hạn chế và giảm tổn thất công suất. - Nhược điểm: Do xuất hiện khoảng thời gian dòng điện bằng không trong giai đoạn đảo chiều dòng nên làm xấu chất lượng quá trình quá độ. Hệ thống này khi đổi chiều dòng do điều chỉnh giảm tốc hoặc đảo chiều có thể xuất hiện xung dòng điện khá lớn, đó là do trong giai đoạn chờ tín hiệu ra của LG cho phép mạch phát xung làm việc, giá trị của phản hồi dòng điện ui coi như bằng không, trong khi đó tín hiệu đặt dòng điện có giá trị khá lớn và có tác dụng quyết định. 4.5. Hệ thống truyền động đảo chiều điều khiển phối hợp tuyến tính Như đã giới thiệu ở phần trước, khi điều khiển phối hợp có đảo dòng người ta cấp xung điều khiển cho các tiristor của cả hai sơ đồ chỉnh lưu, điều này làm xuất hiện dòng điện cân bằng, nếu không có thiết bị hạn chế phù hợp sẽ phá hỏng các van do quá dòng. Vấn đề đặt ra là lựa chọn qui luật phối hợp góc điều khiển của hai 151
sơ đồ chỉnh lưu như thế nào để thuận lợi cho việc lựa chọn thiết bị hạn chế và giảm đến mức thấp nhất tổn hao công suất. Muốn xác định qui luật phối hợp góc điều khiển của hai sơ đồ chỉnh lưu, ta xét sơ đồ thay thế phần mạch lực của hệ với việc đưa thêm vào các phần tử hạn chế dòng cân bằng. Để đơn giản tạm thời thực hiện phân tích hệ thống trong đó các sơ đồ chỉnh lưu là loại sơ đồ hình tia như hình 4.11. Trong hình 4.11 đã giả thiết bỏ qua tổng trở các pha nguồn xoay chiều và nội trở của các van khi mở và xem rằng các sơ đồ chỉnh lưu đều làm việc ở chế độ dòng liên tục; ud1, ud2 tương ứng là điện áp chỉnh lưu tức thời của sơ đồ chỉnh lưu thuận và ngược; EĐ là sức điện động ngược của động cơ; Zd là tổng trở mạch phần ứng, gồm Ld và Rd; Zcb1 và Zcb2 là tổng trở các phần tử hạn chế dòng cân bằng; V1 và V2 đặc trưng cho các van của sơ đồ thuận và ngược đang mở, mục tiêu của việc đưa các van vào sơ đồ thay thế là để chỉ chiều dòng điện có thể chạy trong mạch; các điểm M và N là các điểm giả tưởng để xét khả năng xuất hiện dòng cân bằng trong hệ thống. Hình 4.11b, phân tích điện áp chỉnh lưu tức thời của các sơ đồ chỉnh lưu thành hai thành phần: thành phần một chiều Ud và thành phần xoay chiều ud~ với chỉ số tương ứng, điện áp chỉnh lưu tức thời sơ đồ thuận bằng: ud1 = Ud1 + ud1~, còn sơ đồ ngược: ud2 = Ud2 + ud2~. Dựa vào nguyên lý xếp chồng để phân tích, ta xét riêng rẽ đối với từng thành phần tác dụng, trước tiên xét đối với thành phần một chiều tác dụng như hình 4.12. 152
Theo nguyên lý chung, trong mạch điện một chiều chỉ có điện trở mới có tác dụng hạn chế dòng điện. Vì vậy, từ hình 4.12 cho thấy đối với thành phần một chiều có thể thấy rằng, nếu xuất hiện chênh lệch thành phần một chiều giữa điểm M và điểm N, điểm M dương hơn điểm N, sẽ xuất hiện dòng cân bằng, khi đó sẽ làm tăng tổn hao công suất trong hệ thống và ảnh hưởng rất lớn đến độ cứng đặc tính cơ của động cơ, đây là điều không mong muốn. Như vậy cần tìm quan hệ giữa góc điều khiển của hai sơ đồ chỉnh lưu để loại trừ sự chênh lệch thành phần một chiều điện áp ra của hai sơ đồ hoặc có thể tạo ra chênh lệch ngược lại (N dương hơn M) thì sẽ không xuất hiện thành phần dòng cân bằng gây nên bởi chênh lệch thành phần điện áp một chiều của hai sơ đồ chỉnh lưu, điều này sẽ cho phép không sử dụng điện trở thuần để hạn chế dòng cân bằng, bởi vì nếu có chênh lệch thành phần xoay chiều gây nên dòng cân bằng thì có thể sử dụng điện cảm hạn chế, mà điện cảm không gây tổn hao công suất và không ảnh hưởng đến độ cứng đặc tính cơ. Khi chọn U MN = 0, ta có phương pháp điều khiển phối hợp tuyến tính; khi chọn UMN < 0, ta có phương pháp điều khiển phối hợp phi tuyến. Ở đây, ta chỉ nghiên cứu hệ thống truyền động đảo chiều điều khiển phối hợp tuyến tính. 4.5.1. Quy luật phối hợp góc điều khiển hai sơ đồ chỉnh lưu khi điều khiển phối hợp tuyến tính Như đã phân tích ở trên, khi điều khiển phối hợp tuyến tính, ta có UMN = 0, tức là: Ud1 + Ud2 = 0, hay Ud1 = - Ud2 Với giả thiết các sơ đồ ở chế độ dòng liên tục thì: Ud1 = Ud0.cos1 và Ud2 = Ud0.cos2, với Ud0 là điện áp chỉnh lưu trung bình của một sơ đồ khi góc điều khiển bằng không. Từ đây ta có: 1 + 2 = 1800 hay 1 = 1800 - 2 Biểu thức trên là quy luật về góc điều khiển của hệ thống truyền động đảo chiều điều khiển phối hợp tuyến tính. 4.5.2. Các chế độ làm việc của hệ thống khi điều khiển phối hợp tuyến tính 153
Để phân tích các chế độ làm việc của BBĐ và động cơ điện trong hệ thống truyền động điện ứng với trường hợp này ta dựa vào sơ đồ thay thế đối với thành phần một chiều, như trên hình 4.13 ta sẽ xét các trường hợp cụ thể sau: 4.5.2.1. Khi α1 < 900 và α2 > 900, Ud1 = - Ud2>0 a) Trường hợp EĐ > 0 và EĐ < Ud1 = - Ud2 Sơ đồ thay thế trường hợp này được minh họa trên hình 4.13a, do Ud1> EĐ nên V1 có điện áp thuận chiều, dòng tải sẽ khép vòng từ sơ đồ thuận qua động cơ. Khi đó sơ đồ thuận làm việc ở chế độ chỉnh lưu, sơ đồ ngược không có dòng qua tải (nhưng các van vẫn có thể mở và dẫn dòng vì có dòng cân bằng sinh ra bởi chênh lệch thành phần xoay chiều điện áp ra của hai sơ đồ) và góc điều khiển nằm trong vùng chế độ nghịch lưu nên còn được gọi là ở chế độ nghịch lưu đợi hay chờ nghịch lưu. Tổng thể, BBĐ thực hiện biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều cấp cho động cơ nên BBĐ làm việc ở chế độ chỉnh lưu theo chiều thuận, còn động cơ nhận điện năng từ BBĐ và biến thành cơ năng cấp cho máy sản xuất nên động cơ làm việc ở chế độ động cơ theo chiều quay thuận (EĐ > 0 n > 0). b) Trường hợp EĐ > 0 và EĐ > Ud1 = - Ud2 154
Sơ đồ thay thế trường hợp này được minh họa trên hình 4.13b, do Ud1< EĐ nên V1 bị đặt điện áp ngược và dòng tải không qua sơ đồ thuận, sơ đồ thuận ở chế độ chờ chỉnh lưu. Do | | | |, nên với cực tính của EĐ và Ud2 như trên sơ đồ hình 4.13b thì V2 có điện áp tác động thuận chiều, tức là dòng động cơ sẽ khép qua sơ đồ ngược. Sơ đồ ngược làm việc ở chế độ nghịch lưu, còn động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh quay thuận. c) Trường hợp EĐ < 0 Sơ đồ thay thế trường hợp này được minh họa trên hình 4,13c, do Ud1> EĐ nên V1 có điện áp thuận chiều, dòng tải khép qua sơ đồ thuận và động cơ. Sơ đồ thuận làm việc ở chế độ chỉnh lưu, sơ đồ ngược không có dòng tải qua nên sơ đồ ngược ở chế độ chờ nghịch lưu. Sức điện động của động cơ đổi chiều, cùng chiều với dòng điện, nên động cơ làm việc ở chế độ hãm ngược. 4.5.2.2. Khi α1 > 900 và α2 < 900, Ud1 = - Ud2 0, V2 có điện áp thuận, EĐ sẽ tạo ra dòng điện qua sơ đồ ngược, động cơ làm việc ở chế độ hãm động năng khi quay thuận. c) Nếu EĐ < 0, V1 có điện áp thuận, EĐ sẽ tạo ra dòng điện qua sơ đồ thuận, động cơ làm việc ở chế độ hãm động năng khi quay ngược. 4.5.1.3. Kết luận Từ các phận tích ở trên có thể thấy: - Hệ thống truyền động điện đảo chiều dùng BBĐ có đảo dòng cung cấp cho cuộn dây phần ứng động cơ điện một chiều và sử dụng phương pháp điều khiển 155