Luận văn Nghiên cứu điều khiển chuyển động vị trí để ứng dụng điều khiển cánh hướng van trong hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện

hay đổi lớn ở đầu ra của quạt. Tương tự ở vị trí cánh hướng gần như mở hoàn toàn thì một sự thay đổi lớn góc mở củ cánh hướng sẽ chỉ gây ra ảnh hưởng nhỏ đến đầu ra của quạt. Trong trường hợp lý tưởng đặc tính của cánh hướng là tuyến tính. Độ mở phần trăm của cánh hướng tỉ lệ với lưu ượng gió qua van. Gió 28 Khi hệ gồm nhiều van cánh hướng, các cánh hướng được điều chỉnh có cùng hướng quay và cùng độ mở. Đặc tính quan hệ giữa lưu lượng và độ mở van cánh hướng tuyến tính hơn so với trường hợp sử dụng một van cánh hướng đơn. Để điều khiển lưu lượng khói gió đặc tính mong muốn của quan hệ giữa lưu lượng khói gió và tín hiệu điều khiển là tuyến tính. Một phương pháp đơn giản là sử dụng cơ cấu điều khiển cánh hướng của van dựa vào khớp nối và góc quay gọi là hệ thống liên kết góc quay. Góc quay của cánh hướng van khi đó phụ thuộc góc quay và kích thước của liên kết khớp nối của cơ cấu. Quan hệ giữa lưu lượng khói gió và tín hiệu điều khiển góc mở cánh hướng có thể là tuyến tính bằng cách thiết kế cơ cấu điều khiển và tín hiệu điều khiển góc mở là tuyến tính. Với cách này đặc tính phi tuyến của lưu lượng qua van cộng với đặc tính phi tuyến của vị trí cơ cấu điều khiển làm cho đặc tính điều khiển của hệ là phi tuyến, góc quay của cánh hướng tỉ lệ thuận với độ lớn tín hiệu điều khiển. % Lưu lượng khối gió 100% 50% Van cánh hướng đơn 0 0 50% 100% Độ mở cánh hướng %Lưu lượng khối gió 100% 50% 0 50% 100 Hệ nhiều van cánh hướng Độ mở cánh hướng 29 Trở lực chắn của van khi % sụt áp suất trung bình Trở lực chắn của van khi % sụt áp suất là lớn Trở lực chắn của van khi % sụt áp suất là nhỏ Hình 1.13. Đặc tính lưu lượng – độ mở van cánh hướng  Kết luận: Quá trình điều khiển van còn phụ thuộc lực cản (áp lực) trong bình hệ thống. Để khảo sát đơn giản, trong quá trình làm việc ta giả thiết bỏ qua lực cản (áp lực) trong bình.  Động cơ và cơ cấu chuyển đổi - Hệ truyền động của động cơ phải ổn định tốc độ và thỏa mãn yêu cầu truyền động cho van. Có như vậy mới đảm bảo mạch vòng vị trí là ổn định. - Cơ cấu chuyển đổi: từ tốc độ góc chuyển đổi sang tốc độ dài. Trong hệ thống này dùng bánh vít (trục vít) thông qua một hộp chuyển đổi tốc độ.  Phản hồi vị trí cánh hướng f(x) Phản hồi vị trí cánh hướng là một sensor đo vị trí. Một số loại sensor thông dụng dùng để xác định vị trí như sensor điện thế kế điện trở, sensor điện cảm, sensor điện dung, sensor quang, sensor dùng sóng đàn hồi  Sensor điện thế kế điện trở: Loại sensor này có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn và không đòi hỏi mạch điện đặc biệt để xử lý tín hiệu. Tuy nhiên với các điện thế kế điện trở có con chạy cơ học có sự cọ xát gây ồn và mòn, số lần sử dụng thấp và chịu ảnh hưởng lớn của môi trường khi có bụi và ẩm. Điện thế kế điện trở gồm điện thế kế dùng con chạy cơ học và điện thế kế không dùng con chạy cơ học.  Sensor điện cảm: Sensor điện cảm là nhóm các sensor làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo. Sensor điện cảm được chia ra: cảm biến điện cảm và hỗ cảm  Sensor điện dung: được chia làm hai loại: sensor tụ điện đơn và sensor tụ kép vi sai  Sensor quang: các sensor đo vị trí và dịch chuyển theo phương pháp quang học gồm nguồn phát ánh sáng kết hợp với một đầu thu quang 30 (thường là tế bào quuang điện). Tùy theo cách bố trí đầu thu quang, nguồn phát và thước đo (hoặc đối tượng đo), các sensor được chia ra: sensor quang phản xạ và sensor quang soi thấu.  Bộ điều khiển vị trí Nhiệm vụ của bộ điều khiển: trong mạch vòng phản hồi vị trí, khi ta chọn bộ điều khiển thích hợp mạch vòng sẽ được ổn định.  Khối so sánh tín hiệu đặt *U và tín hiệu phản hồi f(x) Tín hiệu đặt: Với một lượng đặt *U nhất định thì sẽ có một độ mở cánh hướng van nhất định, tức là lượng khí vào điều khiển đi qua van là nhất định. Tín hiệu phản hồi f(x): Phản hồi vị trí cánh hướng là một sensor vị trí để đo độ mở của cánh hướng van, đưa về so sánh với tín hiệu đặt *U để đưa vào bộ điều khiển tạo ra một mạch vòng vị trí. 1.3.1.2. Phân tích và chọn hệ truyền động Như trên đã đề cập, hệ truyền động của động cơ phải ổn định tốc độ và thỏa mãn yêu cầu truyền động cho van, cụ thể là:  Các yêu cầu truyền động cho van: - Công suất không lớn lắm xấp xỉ 0,5 ÷ 1 kW - Điều chỉnh vô cấp - Tác động nhanh nhạy - Chất lượng cao - Truyền động đảo chiều được  Các hệ truyền động Với các yêu cầu truyền động trên ta đưa ra các hệ thống truyền động sau: a) Hệ truyền động động cơ điện một chiều Gồm hai hệ thống sau: - Hệ truyền động T-Đ - Hệ truyền động xung điện áp động cơ điện 1 chiều ( PWM-Đ) Hai hệ này đều thỏa mãn các yêu cầu trên nhưng hệ thống T – Đ thường 31 là công suất lớn, mạch điều khiển phức tạp hơn so với hệ xung điện áp động cơ một chiều. Như vậy, nếu dùng hệ truyền động động cơ điện một chiều thì hệ xung điện áp động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm hơn, cụ thể là: sơ đồ mạch đơn giản, dễ điều khiển, giá thành hợp lý, công suất từ nhỏ đến lớn. b) Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều: Với hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ta có hai hệ truyền động sau: - Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha rôto ngắn mạch - Hệ truyền động biến tần động cơ điện đồng bộ - kích từ vĩnh cửu (Hệ truyền động biến tần động cơ điện ĐB - KTVC) Đây là hai hệ điều khiển mới có nhiều ưu điểm và nó hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu truyền động này, nhưng hệ thống truyền động biến tần động cơ điện ĐB – KTVC làn việc an toàn, chắc chắn, có công suất thích hợp (nhỏ và vừa) để truyền động cho hệ truyền động van. Đồng thời, đây là một hệ thống mới đang được nghiên cứu và ứng dụng. Qua việc phân tích bốn hệ truyền động trên, trong luận văn này sẽ chọn hệ truyền động biến tần động cơ điện ĐB – KTVC để truyền động cho điều khiển độ mở cánh hướng van trong nhà máy nhiệt điện. Kết luận: Thông qua nội dung trình bày trong chương 1 cho ta thấy tổng quan về điều khiển vị trí, khả năng ứng dụng của nó trong điều khiển máy sản xuất. Đồng thời cho thấy việc ứng dụng của nó trong điều khiển độ mở cánh hướng van trong nhà máy nhiệt điện. Cũng từ đó đưa ra được sơ đồ điều khiển ứng dụng của nó (Hình 1.11. Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van) và phân tích hệ thống truyền động là hệ truyền động biến tần động cơ điện ĐB – KTVC. Tiếp theo luận văn sẽ trình bày các bước tính toán và khảo sát hệ điều khiển chuyển động van cánh hướng trong trong hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện. 32 CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN VÀ KHẢO SÁT HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ỨNG DỤNG CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ MỞ CÁNH HƯỚNG VAN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 2.1. Sơ đồ điều khiển chuyển động vị trí Từ sơ đồ hình 1.8 ứng dụng để điều khiển chuyển động van cánh hướng được xác định cụ thể như sau: * U Điều khiển cánh hướng   - U khớp nối F W Phản hồi vị trí cánh hướng Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển van cánh hướng  Nguyên lý làm việc: Với một tín hiệu đặt *U nhất định, tín hiệu này sẽ được so sánh với tín hiệu về. Sai số của tín hiệu này *U - U được đưa vào bộ điều khiển R , đưa đến điều khiển hệ truyền động làm cho tốc độ động cơ sẽ thay đổi tăng hoặc giảm, thông qua khớp nối làm cánh hướng van đóng hoặc mở về vị trí ổn định. 2.2. Hệ thống truyền động biến tần động cơ điện ĐB – KTVC 2.2.1. Động cơ điện ĐB – KTVC 2.2.1.1. Nguyên lý làm việc Động cơ điện ĐB - KTVC làm việc dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của cuộn stator và từ trường của nam châm vĩnh cửu đặt trên rotor tạo nên. Khi số đôi cực của từ trường stator và rotor như nhau, vận tốc quay của các từ trường bằng nhau (chế độ đồng bộ) thì xuất hiện lực kéo điện từ giữa các cực tù của stator và rotor và hình thành momen điện từ. Động cơ khởi động dưới tác dụng của moment không đồng bộ hình thành do sự tương tác giữa từ trường rotor và dòng điện trong dây quấn stator. Khi đạt tới vận tốc gần đồng bộ, nhờ tác dụng từ trường quay stator và cực từ nam châm vĩnh cửu, rotor R Hệ truyền động biến tần động cơ điện ĐB – KTVC 33 được kéo vào đồng bộ. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, khởi động không đông bộ có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ phản kháng và động cơ đồng bộ từ trễ. Chỉ số năng lượng (cosφ, η) cao hơn, trọng lượng và kích thước của máy bé hơn khi có cùng công suất, khả năng quá tải và ổn định tần số quay lớn hơn. 2.2.1.2. Biểu diễn động cơ điện ĐB - KTVC trên tọa độ vectơ không gian * Xây dựng vector không gian Đông cơ xoay chiều ba pha – Dù là động cơ đồng bộ hay động cơ không đồng bộ – đều có ba cuộn dây stator vớidòng điện ba pha, bố trí không gian như hình vẽ: Pha U Pha V Pha W isu isv isw Rotor Stator Hình 2.3 Mô hình đơn giản của ĐCĐB ba pha Ta không cần quan tâm đến việc động cơ có được đấu theo hình sao hay tam giác, ba dòng điện isu, isv và isw là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ. Khi chạy động cơ bằng biến tần, đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần. Ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình: isu(t)+isv(t) + isw(t) = 0 (2.1) trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau đây: isu(t)= is|cos(wst) (2.2a) isv(t)=is|cos(wst + 120 0 ) (2.2b) isw(t)= is|cos(wst + 0240 ) (2.2c) 34 Một cách lý tưởng thì ba cuộn dây của ĐCXCBP đặt lệch nhau một góc 120 0 trên mặt cắt ngang. Nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập một hệ trục tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn dây u của động cơ, ta có thể dựng vector không gian sau đây:      0 120 240w 2 ( ) 3 j j j j s su sv s si t i t e i t e i t e i e         (2.3) Theo công thức (2.3), vector i-s(t) là vector có m dU udul không đổi quay trên mặt phẳng phức (cơ học) với tốc độ ωs và tạo với trục thực (đi qua trục cuộn dây pha u) một góc γ = ωs(t) (fs là tần số mạch Stator). Việc xây dựng vector  si t được mô tả như sau: Im v u is(t) Re w Hình 2.4. Thiết lập các vector không gian từ các đại lượng pha Qua hình 2.4 ta thấy rằng các dòng điện pha chính là hình chiếu của vector mới thu được lên trục cuộn dây pha đó. Đối với các đại lượng khác của động cơ điện áp Stator, dòng Rotor, từ thông Stator hoặc Rotor ta đều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng như đối với dòng điện kể trên. Ta đặt tên cho trục thực của mặt phẳng nói trên là α và trục ảo là β. Ta hãy quan sát hình chiếu của vector dòng ở trên xuống hai trục đó. Hình chiếu hai trục đó được đặt tên là isα và isβ. 35 j Cuộn dây pha V isw 120 o isβ 120 o isS Cuộn dây pha U isU = is,,,,, isV 0120 Cuộn dây pha W Hình 2.5 Biểu diễn dòng điện Stator dưới dạng vector không gian với các phần tử isα và isβ. Thuộc hệ tọa độ Stator cố định Hai dòng điện kể trên là hai dòng hình sin. Ta có thể hình dung ra một động cơ điện tương ứng với hai cuộn dây cố định α và β thay thế cho ba cuộn dây u,v,w. Trên cơ sở công thức (2.1) kèm theo điều kiện điểm trung tính của 3 cuộn dây Stator không nối đất, ta chỉ cần đo 2 trong 3 dòng điện Stator là ta đã có đầy đủ thông tin về vector is(t) với các thành phần trong công thức (2.2). Công thức (2.2) chỉ dùng khi trục cuộn dây pha u được chọn làm trục quy chiếu chuẩn như trong hình 2.5. Điều này có ý nghĩa trong toàn bộ quá trình xây dựng hệ thống điều khiển điều chỉnh sau này: isα = isu isβ = 1 ( isu + 2isv) (2.4) 3 Tương tự đối với vector dòng Stator các vector điện áp Stator, dòng Rotor, từ thông Stator và Rotor đều được biểu diễn bởi các phần tử thuộc hệ tọa độ Stator: 36 * * * j is = isα + j.isβ us = usα + j.usβ ir = irα + j.irβ (2.5) ψr = ψrα + j.ψrβ ψs = ψsα + j.ψsβ * Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian. Mục đích của ta ở đây là đưa cách quan sát các đại lượng vector trên hệ tọa độ Stator cố định về quan sát trên hệ tọa độ quay đồng bộ với từ thông Stator Xét hệ tọa độ tổng quát xy và hình dung có một hệ tọa độ khác x*y* có chung điểm gốc nằm lệch đi một góc  * so với hệ xy. Quan sát một góc V bất kỳ ta thu được: Trên hệ xy: Vxy = c + jy (2.6) Trên hệ x*y*: V* = x* + jy* (2.7) jy * jy V x* x * d dt y* * x x Hình 2.6: Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V Từ hình 2.6, ta có: x * = x cos * + ysin * (2.8a) y * = x sin * + ycos * (2.8b) Thay (2.8a) và (2.8b) vào (2.6) và (2.7) ta được: V * = (x cos * + y sin * ) + j(x sin * + y cos * ) (2.9a) = (x +jy) (cos * - j sin * * ) = V xy e (2.9b) 37 Một cách tổng quát ta thu được từ (2.9a) và (2.9b) công thức chuyển hệ tọa độ sau đây: Vxy = V* *je   V * = V xy *je  (2.10) Hai hệ tọa độ xy và x*y* được coi là cố định hay góc lệch pha * giữa chúng là không đổi. Tuy nhiên trong thực tế * có thể là một góc biến thiên với tốc độ góc  * = * /d dt . Trong trường hợp đó hệ tọa độ x*y* là hệ tọa độ quay tròn với tốc độ góc  * xung quanh điểm gốc của hệ tọa độ xy. Bây giờ giả sử ta quan sát động cơ xoay chiều ba pha đang quay với tốc độ góc  = /d dt , trong đó  là góc tạo bởi trục Rotor và trục chuẩn (đi qua trục cuộn dây pha u). Ta mô tả vector dòng Stator is và vector từ thông Rotor  r với modul và góc pha ngẫu nhiên. Vector từ thông quay với tốc độ góc  s = 2 fs = /sd dt . Trong đó fs là tần số mạch điện Stator. Ta thấy ở hình dưới đây sự chênh lệch giữa  và s sẽ tạo nên dòng Ro- tor với tần số fs, dòng đó cũng được biểu diễn dưới dạng vector ri quay với tốc độ góc  s = 2 fs . Hình 2.7: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ từ thông Rotor, còn gọi là hệ tọa độ dq 38 p s s s U ψ L i ψ sd Mô hình của máy điện đồng bộ - kích thích vĩnh cửu (MĐĐB-KTVC) cũng được xây dựng xuất phát từ giả thiết coi máy điện có kết cấu tròn đối xứng. Các đại lượng xoay chiều ba pha đã được biểu diễn dưới dạng vector và chuyển sang hệ tọa độ từ thông dq, đồng thời cũng là hệ tọa độ cố định trên Rotor. Vì vậy có thể xuất phát từ sơ đồ thay thế một pha ở hình 2.8 dưới đây: Lsdq Rs f s j p Hình 2.8: Sơ đồ thay thế của MĐĐB-KTVC Từ sơ đồ thay thế ta viết được các phương trình sau: - Phương trình điện áp Stator t f f fd s s s s s d U R i i dt     (2.11) - Phương trình từ thông f f f s s s p (2.12) Viết lại dưới dạng thành phần và sau vài lần biến đổi ta có hệ phương trình: di sd dt 1 T sd i sd L sq L sd i sq 1 L sd u sd ( di sd dt Lsd i L sq 1 T sq i sq 1 L sd u sq L sq 39 Với phương trình từ thông: ψ sd ψ sd L sd i sd ψ p L sq i sq (2.14) Trong đó: + Lsd điện cảm Stator đo ở vị tr í đỉnh cực + Lsq điện cảm Stator đo ở vị tr í ngang cực + p từ thông cực (vĩnh cửu) + Tsd = Lsd R s hằng số thời gian Stator tại vị trí đỉnh cực (trục d) + Tsd = Lsd R s hằng số thời gian Stator tại vị trí đỉnh cực (trục q) Phương trình momen của MĐĐB-KTVC có dạng sau đây: Mm = 3 2 zP( sdisq -  sqisd) = 3 2 zp[  sdisq + isdisq (Lsd - Lsq)] (2.15) Khi chúng ta chọn động cơ ĐB_KTVC nếu là cực ẩn thì có Lsd ≈ Lsq vậy mô men của động cơ còn lại là: 3 . 2 m p sd sdM Z i (2.16) 2.2.1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện ĐB – KTVC a) Cấu trúc điều khiển dưới tốc độ định mức Cấu trúc điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ cưc ẩn là điều khiển véc tơ trên hệ tọa độ d-q, trong đó trục d trùng với trục nam châm. Do vậy điều khiển véc tơ động cơ đồng bộ tương tự như điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ, định hướng theo trường rô to. Để điều khiển momen tương tự như động cơ một chiều, ta có chọn điều khiển dòng Isd = 0.Mặt khác động cơ đồng bộ có khe hở không khí tương đối lớn, do đó điện cảm stato là nhỏ và thành phần từ thông phản ứng phần ứng là nhỏ nên .a s sL I  nên có thể bỏ qua. 40 Mô men của động cơ lúc này được tính M= 3 3 2 2 p s qs p k sp i p i  Hình 2.9. Đồ thị véc tơ động cơ đồng bộ b) Chế độ giảm từ thông của động cơ đồng bộ cực ẩn kích từ nam châm vĩnh cửu Tốc độ của động cơ đồng bộ có thể được điều khiển cả bên ngoài vùng tốc độ cơ bản bằng cách giảm từ thông kích thích. Đối với động cơ kích từ bằng nam châm điện, để giảm từ thông, đơn giản chỉ cần giảm dòng điện kích từ tương ứng. Đối với động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, thì cần phải tạo ra một thành phần của từ thông phản ứng phần ứng aq theo hướng khử từ của nam châm vĩnh cửu. Hình 2.10. Đồ thị vectơ của SPM với điều khiển giảm từ thông dòng stato không đổi 41 Khi này điện áp đã đạt đến giá trị cực đại (bão hòa) và bởi vì SU = SS nên từ thông stato phải giảm, sao cho dòng điện stato có diên độ không đổi. Điều này có nghĩa là phải bơm vào dây quấn stato một dòng điện khử từ (- dsi ). Để ý rằng với từ thông nam châm vĩnh cửu k là hằng thì tốc độ tăng lên sức điện động E tăng lên, máy điện làm việc ở chế độ quá kích thích và có hệ số công suất âm (cos < 0). Xét đồ thị véc tơ hình 2.10,trong đó vùng điều khiển moomen hằng giống như đồ thị véc tơ hình 2.9 (các điểm a,b,A), với maxpsi = si . Bây giờ ta cho si quay ngược chiều kim đồng hồ, dọc theo quỹ đạo a - a', sao cho si = 22 qsds ii  thì với độ lớn của a không đổi, đầu mút véc tơ s chuyển động theo cung tròn A - A' và biên độ s giảm do: s = ( s - sds Li ) + j( sqs Li ) suy ra từ lý luận các đại lượng véc tơ của máy điện quay: M=  dsqsqsds p ii p   2 3 Tại các điểm A', a', b' ta có qsi = 0 và momen điện từ triệt tiêu tại tốc độ 1 , hệ số công suất lúc này cos =0. 42 M,U, ,i sU sI s M 0 đm  Hình 2.11. Đặc tính momen khi giảm từ thông dòng điện stato không đổi 2.2.2. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển biến tần động cơ ĐB_KTVC Trong sơ đồ điều khiển vector động cơ ĐB_KTVC các đại lượng điều khiển được thực hiện trong tọa độ d và q. Sau đó được biến đổi thành các đại lượng điện 3 pha để điều khiển biến tần cung cấp cho động cơ. Với động cơ ĐB_KTVC sau khi chuyển đổi trục d và q thì thành phần id trên trục d sẽ bằng không. Từ công thức tính momen (2.16) và cách đặt vấn đề điều khiển vector của hệ thống này chúng ta có thể xây dựng sơ đồ truyền động điều khiển vec tor biến tần động cơ ĐB_KTVC như hình vẽ sau: 43 Hình 2.12. Sơ đồ điều khiển vectơ trong truyền động động cơ ĐB_KTVC Ghi chú: Trong sơ đồ này có Ri1 và Ri2 : hai bộ điều chỉnh dòng điện trong 2 mạch vòng phản hồi id và id . Mạch vòng phản hồi âm tốc độ (phản hồi âm tần số với bộ điều chỉnh Rω) Lượng đặt tần số: ω* Lượng ra của Rω là lượng đầu vào của bộ điều chỉnh dòng điện Ri2 của thành phần dòng điện qi . Nguyên lý làm việc Trong sơ đồ này thành phần di = 0 và thành phần này tương ứng để tạo ra từ thông rotor nhưng vì động cơ được dùng là động cơ ĐB_KTVC cho nên thành phần từ thông  không đổi và không có dòng cho nên ta không xét. Coi như mạch vòng đã được ổn định. Vậy với lượng đặt ω* thì ta có(với một tần số đặt là f xác định) khi tốc độ thay đổi thì đầu vào của Rω = k(ω* - ω) thay đổi dẫn tới đầu vào của Ri2 sẽ thay đổi làm cho Uq thay đổi. Như vậy chúng ta thấy với hệ thống thiết kế như trên khi tốc độ động cơ thay đổi dẫn tới tần số biến tần và momen động cơ sẽ 44 thay đổi làm cho hệ thống vừa ổn định được tần số và momen. 2.3. Tổng hợp hệ thống Từ sơ đồ hình 2.11 ta tiến hành xây dựng sơ đồ cấu trúc để tổng hợp hệ thống. Sơ đồ cấu trúc của hệ tự động ổn định tần số được thể hiện như hình vẽ: Hình 2.12.Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ đồng bộ Qua sự phân tích trên ta thấy quá trình biến đổi từ thông là không đổi, cho nên động cơ đồng bộ giống như động cơ một chiều kích từ độc lập, do đó ta chỉ cần khảo sát mạch thay đổi với hai tham số momen và tần số. Trong đó: ( )iR p : Bộ điều khiển dòng điện trong mạch vòng dòng điện di và qi ( )R p : Bộ điều chỉnh tốc độ u k : Hệ số khuếch đại của biến tần 1 W ( )p : Hàm truyền phần điện từ của động cơ được xác định theo công thức 1 1 W ( ) .(1 )n n p R T p   45 W ( )L p : Khâu lấy tín hiệu dòng điện trong mạch vòng dòng điện di là 1 W ( ) (1 ) L L p T p   W ( )FT p : Máy phát tốc Từ nguyên lý làm việc của hệ điều khiển vector biến tần ta thấy phần d i = 0. Roto nam châm vĩnh cửu từ thông là hằng số.Vậy từ sơ đồ trên ta có sơ đồ khối của hệ điều khiển ổn định tần số như hình vẽ: Hình 2.13.Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ ĐB_KTVC Từ sơ đồ cấu trúc trên ta lần lượt tổng hợp các mạch vòng dòng điện, tốc độ và mạch vòng vị trí của hệ thống. 2.3.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện Trong mạch vòng điều khiển dòng điện, tín hiệu tE thực chất là tín hiệu phản hồi phi tuyến. Nhưng có thể coi nó như một tác động của nhiễu theo một quy luật xác định để thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện có khả năng lọai trừ được ảnh hưởng của tín hiệu tE đến dòng điện của động cơ. Từ sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện, ta xác định được hàm truyền của mạch vòng dòng điện kín, trong đó W ( )i p được tổng hợp như sau: 46 1 1 . ( ).W ( ) W ( ) 1 . ( ).W ( ).W ( ) u i i u i L k R p p p k R p p p   (2.17) Theo tiêu chuẩn modul tối ưu ta có 0 1 1 W . 2 ( 1) Tu P P     (2.18) Trong đó:  là hằng số thời gian của bộ điều chỉnh Hình 2.14.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện Từ sơ đồ cấu trúc hình 2.14 ta có hàm số truyền hệ hở của hệ kín mạch vòng dòng điện: 0 1W ( ). .W ( ).W ( )Tu i u LR p K p p Ta có hàm truyền bộ điều chỉnh dòng điện: 0 1 1 1 W 2 ( 1) (1 )(1 ) ( ) 1 1.W ( ).W ( ) 2 (1 ) . . .(1 ) 1 Tpu n n L i u L u u n n L p p R T p T p R p k p p K p p k R T p T p                  Ta chọn L iT T   khi đó hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng gần đúng như sau: 1 1 (1 )(1 ) (1 ) ( ) 2 (1 ) 2 n n L n n i i p u u i R T p T p R T p k R p k K p p K T p p           (2.19) Trongđó: 1 . 2 . n n p u i R T k k T  ; 1 2 . n i u i R k k T  47 Như vậy bộ điều chỉnh dòng điện ( )iR p có dạng là một khâu PI (tỷ lệ - tích phân) 2.3.2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ Hình 2.15.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ Trong sơ đồ cấu trúc này ta thấy thành phần 1di không tham gia vào trực tiếp.Nó chỉ đóng vai trò là dòng điện để tạo ra từ thông trong động cơ và do đó nó chỉ ảnh hưởng đến hệ số mk . mk : Hệ số khuếch đại của động cơ W ( )c p : Hàm số truyền khâu điện cơ của động cơ J: Momen quán tính đã quy đổi về trục động cơ W 1 F F F K T P   : Hàm số truyền của khâu lấy tín hiệu phản hồi tốc độ Theo hình 2.15 ta có hàm truyền của mạch vòng phản hồi tốc độ: ( ).W ( ). W ( ) 1 ( ).W ( ). .W ( ) m i m i F k R p p Jp p k R p p p Jp      (2.20) Với W ( )i p là hàm truyền hệ kín của mạch vòng điều chỉnh dòng điện được xác định như sau: Ta thay (2.19) vào (2.17) ta có (1 ) 1 . . 2 (1 ) 1 1 W ( ) (1 ) 1 1 1 2 (1 ) 1 2 1 . . . 2 (1 ) 1 n n u u i n n L i n n i L i u u i n n L R T p k k T p R T p T p p R T p T p T p T p k k T p R T p T p              (2.21) 48 Hình 2.16. Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ 1 W ( ) W ( ). . 2 1 (2 1) m m m DT i i i k k k p p Jp T p Jp J T p p      (2.22) Đặt mk k  ; 2 iT T  ; T = J W ( ) (1 ) DT k p Tp T p     (2.23) Dùng tiêu chuẩn mo dul tối ưu 0 1 1 W . 2 ( 1) Tu P P     Theo hình 2.16 ta có hàm số truyền hệ hở của hệ kín mạch vòng phản hồi tốc độ 0W ( ) ( ).W ( ).W ( )Tu DT Fp R p p p Suy ra  0 1 1 ( ) 12 ( 1)W ( ) 1 ( ) . W ( ).W ( ) 2 ( 1) . 2 . . (1 ) 1 FTu FDT F F S F Tp T T pp pp T R p k kp p p p k k k T Tp T p T p                        (2.24) Trong đó : . Fk k k ; S FT T T    Vậy hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ )( pR là một khâu P (tỷ lệ) Dùng phương pháp modul đối xứng, hàm chuẩn htoe phương pháp modul đối xứng có dạng: 49 1 141 8 1 )( 220       p p p PW DX    Suy ra hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ theo phương pháp modul đối xứng là: pT pT TK T ppkk pTTTpp pT k pTTp k p p p pWpW W PR S S SF F F FFDT DX             4 14 .2)1(8 ]1)[()14( )1()1( 1 141 8 1 )()( )( 22 22 0               (2.25) Như vậy, hàm truyền )( pR có dạng là một khâu PI (tỷ lệ - tích phân) 2.3.3. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ ổn định tốc độ biến tần động cơ điện ĐB_KTVC Sau khi tổng hợ