Bài giảng Truyền động điện

Chia sẻ: Tuấn Hiệp | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:100

Thêm vào BST

Báo xấu

93
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Truyền động điện cung cấp cho người học những kiến thức như: Những khái niệm cơ bản về hệ thống truyền động điện tự động; Đặc tính cơ của động cơ điện; Các mạch cơ bản của hệ thống điều khiển truyền động điện; Điều chỉnh tốc độ truyền động điện; Tính và chọn hệ truyền động điện.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Truyền động điện

MỤC LỤC Chương 1: Những khái niệm cơ bản về hệ thống truyền động điện tự động .......................................................................................................................... 1 1.1. Cấu trúc và phân loại.............................................................................. 1 1.2. Khái niệm cơ bản ................................................................................... 2 1.3. Đặc tính cơ của máy sản xuất ................................................................ 4 1.4. Các trạng thái làm việc của động cơ điện .............................................. 5 1.5. Quy đổi moment cản, lực cản, moment quán tính và khối quán tính .... 7 1.6. Phương trình động học của hệ truyền động điện .............................. 9 Chương 2: Đặc tính cơ của động cơ điện................................................... 12 2.1. Kh|i niệm chung ................................................................................. 12 2.2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập ......................... 12 2.2.1. Phương trình đặc tính cơ ............................................................. 13 2.2.2. Ảnh hưởng c|c thông số đến dạng đặc tính cơ ......................... 17 2.2.3. Đặc tính cơ trong trạng thái hãm ................................................ 20 2.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp ................ 26 2.3.1 Phương trình đặc tính cơ .............................................................. 26 2.3.2. Ảnh hưởng các thông số đến dạng đặc tính cơ ........................... 28 2.3.3. Đặc tính cơ trong trạng th|i h~m m|y ....................................... 29 2.4. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ............................................ 31 2.4.1. Phương trình đặc tính cơ ............................................................. 31 2.4.2. Ảnh hưởng của các thông số đến dạng đặc tính cơ .................... 36 2.4.3. Các đặc tính cơ khi hãm động cơ ĐK: .......................................... 39 2.4.5. Đảo chiều động cơ ĐK: ................................................................. 47 2.5. Đặc tính cơ động cơ đồng bộ............................................................. 48 Chương 3: Các mạch cơ bản của hệ thống điều khiển truyền động điện ........................................................................................................................ 54 3.1. Maïch ñieàu khieån khôûi ñoäng ñoäng cô AC duøng rôø le .............. 54 3.2. Mạch khóa lẫn động cơ ........................................................................ 59 3.3 Mạch hãm động năng ............................................................................ 60 3.4 Mạch hãm ngược không đảo chiều ....................................................... 61 3.5 Mạch hãm ngược đảo chiều .................................................................. 62 i
3.6 Mạch hãm điện cơ ................................................................................. 62 3.7 Mạch hãm động cơ điện 1 chiều kích từ song song .............................. 63 Chương 4: Điều chỉnh tốc độ truyền động điện ...................................... 64 4.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ....................................... 64 4.1.1. Khái niệm chung ........................................................................... 64 4.1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ ............................................ 65 4.1.3. Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng ................................ 67 4.1.4. Phương pháp điều chỉnh từ thông ............................................... 68 4.1.5. Các hệ truyền động động cơ điện một chiều................................ 70 4.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ AC ............................................................ 77 4.2.1. Khái niệm chung ........................................................................... 77 4.2.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ ............................................ 78 Chương 5: Tính và chọn hệ truyền động điện ......................................... 84 5.1. Vấn đề chung ....................................................................................... 84 5.2. C|c chế độ l{m việc của truyền động điện ........................................ 84 5.3. Chọn công suất động cơ điện ............................................................. 86 5.3.1. Chọn công suất động cơ điện làm việc dài hạn ........................... 86 5.3.2. Chọn công suất động cơ điện làm việc ngắn hạn ........................ 87 5.3.3. Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn lặp lại ..................... 89 5.4. Chọn động cơ điện khi điều chỉnh tốc độ ............................................ 90 5.5. Kiểm nghiệm công suất động cơ điện ............................................... 92 5.5.1. Kiểm nghiệm động cơ bằng phương pháp tổn thất trung bình: 93 5.5.2. Kiểm nghiệm động cơ theo đại lượng dòng điện đẳng trị .......... 95 5.5.3. Kiểm nghiệm động cơ theo đại lượng mô men đẳng trị ............. 97 5.5.4. Kiểm nghiệm động cơ theo đại lượng công suất đẳng trị .......... 97 ii
Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG (TĐĐ TĐ) 1.1. Cấu trúc và phân loại 1.1.1. Cấu trúc của hệ thống truyền động điện tự động: * Định nghĩa hệ thống truyền động điện tự động: + Hệ truyền động điện tự động (TĐĐ TĐ) là một tập hợp các thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử phục vụ cho cho việc biến đổi năng lượng điện – cơ cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó. * Cấu trúc chung: Hình 1.1: Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ TĐ BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động cơ điện; MSX: Máy sản xuất; R và RT: Bộ điều chỉnh truyền động và công nghệ; K và KT: các Bộ đóng cắt phục vụ truyền động và công nghệ; GN: Mạch ghép nối; VH: Người vận hành Cấu trúc của hệ TĐĐ TĐ gồm 2 phần chính: - Phần lực (mạch lực): từ lưới điện hoặc nguồn điện cung cấp điện năng đến bộ biến đổi (BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX). Các bộ biến đổi như: bộ biến đổi máy điện (máy phát điện một chiều, xoay chiều, máy điện khuếch đại), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà), bộ biến đổi điện tử, bán dẫn (Chỉnh lưu tiristor, bộ điều áp một chiều, biến tần transistor, tiristor). Động cơ có các loại như: động cơ một chiều, xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt. - Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ và cho người vận hành. Đồng thời một số hệ TĐĐ TĐ khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác hoặc với máy tính điều khiển. 1
1.1.2. Phân loại hệ thống truyền động điện tự động: a) Theo đặc điểm của động cơ điện Ta có truyền động điện 1 chiếu (dùng động cơ điện 1 chiều), truyền động điện không đồng bộ (dùng động cơ không đồng bộ), truyền động điện đồng bộ (dùng động cơ đồng bộ), truyền động điện bước (dùng động cơ bước)... Truyền động điện 1 chiều được sử dụng cho các máy sản xuất có yêu cầu điều chỉnh tốc độ và mômen. Nó có chất lượng điều chỉnh tốt, tuy nhiên động cơ điện 1 chiều có cấu tạo phức tạp, giá thành cao, hơn nữa nó đòi hỏi cần có nguồn 1 chiều. Do đó nếu không cơ yêu cầu cao về điều chỉnh, người ta thường sử dụng truyền động điện không đồng bộ. Trong những năm gần đây truyền động điện không đồng bộ phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là các hệ có điều khiển tần số. Những hệ này đã đạt được chất lượng điều chỉnh cao, tương đương với hệ 1 chiều. b) Theo tính năng điều chỉnh Ta có truyền động không điều chỉnh (động cơ điện chỉ làm việc ở 1 cấp tốc độ) và truyền động điều chỉnh. Các hệ truyền động không điều chỉnh thường phải kết hợp với 1 hợp tốc độ để thực hiện điều chỉnh bằng cơ khí, do đó kết cấu của phần cơ phức tạp, chất lượng điều chỉnh thấp, giá thành máy sản xuất cao. Các hệ điều chỉnh cho phép điều chỉnh tốc độ và mômen của máy sản xuất bằng cách điều chỉnh từ động cơ điện, do đó kết cấu máy đơn giản, chất lượng điều chỉnh cao và thuận tiện trong thao tác. c) Theo mức độ tự động hóa Ta có hệ truyền động điện không tự động và hệ truyền động điện tự động. Các hệ truyền động không tự động thường đơn giản và được sử dụng bất kỳ ở đâu nếu có thể được. Lúc đó phần điện của hệ có thể chỉ có động cơ điện và các khí cụ bảo vệ, đóng cắt. Các hệ truyền động tự động là các hệ truyền động điều chỉnh vòng kín có mạch phản hồi. Chất lượng điều chỉnh của các hệ này rất cao, có thể đáp ứng bất kỳ yêu cầu nào của quá trình công nghệ của máy sản xuất. d) Phân loại khác Như truyền động không đảo chiều và truyền động đảo chiều, truyền động đơn (dùng 1 động cơ) và truyền động nhiều động cơ, truyền động vạn năng (có dung thiết bị biến đổi bán dẫn). 1.2. Khái niệm cơ bản + Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ: M = f(ω). + Nhìn chung có 4 loại đặc tính cơ của các loại động cơ đặc trưng như: động cơ điện một chiều kích từ song song hay độc lập (đường ), và động cơ điện một 2
chiều kích từ nối tiếp hay hỗn hợp (đường ), động cơ điện xoay chiều không đồng bộ (đường ), đồng bộ (đường ), hình 1.2. Hình 1.2: Các đặc tính cơ của bốn loại động cơ điện * Thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ: + Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính có được khi động cơ nối theo sơ đồ bình thường, không sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác và các thông số nguồn cũng như của động cơ là định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ). Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị Mđm, ωđm, như vậy mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên. + Đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính cơ điều chỉnh: là đặc tính cơ nhận được sự thay đổi một trong các thông số nào đó của nguồn, của động cơ hoặc nối thêm thiết bị phụ trợ vào mạch (điện trở, điện kháng vào động cơ), hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt. Mỗi động cơ có thể có nhiều đặ tính cơ nhân tạo. * Độ cứng đặc tính cơ: + Đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm “độ cứng đặc tính cơ ” và được định nghĩa: M = ; nếu đặc tính cơ tuyến tính thì:  M = ; (1-1)  β lớn, ta có đặc tính cơ cứng, β nhỏ đặc tính cơ mềm, β→∞ đặc tính cơ tuyệt đối cứng. + Động cơ không đồng bộ có độ cứng đặc Hình 1.3: Độ cứng đặc tính cơ tính cơ thay đổi giá trị (β> 0, β< 0). Đường 1: đặc tính cơ mềm; + Động cơ đồng bộ có đặc tính cơ tuyệt Đường 2: đặc tính cơ cứng; đối cứng (β ≈ ∞). Đường 2: đặc tính cơ tuyệt đối cứng + Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ cứng (β ≥40). + Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ mềm (β ≤10). 3
1.3. Đặc tính cơ của máy sản xuất + Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản của máy sản xuất: Mc = f(ω). + Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biếu diễn dưới dạng biểu thức tổng quát: q    M c  M co  ( M ®m  M co )   (1-2)  ®m  Trong đó: Mc - mômen ứng với tốc độ ω. Mco - mômen ứng với tốc độ ω = 0. Mđm - mômen ứng với tốc độ định mức ωđm + Ta có các trường hợp số mũ q ứng với các tải: Khi q = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy tiện, doa, máy cuốn dây, cuốn giấy, ... (đường  hình 1.4). Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làm việc càng thấp thì mômen cản (lực cản) càng lớn. Khi q = 0, Mc = Mđm= const, tương ứng các cơ cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang máy, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt, ... (đường  hình 1.4). Khi q = 1, mômen tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, tương ứng các cơ cấu ma sát, máy bào, máy phát một chiều tải thuần trở, (đường  hình 1.4). Khi q = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạy gió, máy nén, (đường  hình 1.4). + Trên hình 1.4a biểu diễn các đặc tính cơ của máy sản xuất: Hình 1.4: a) Các dạng đặc tính cơ của các máy sản xuất : q=-1; : q=0; : q=1; : q=2. b) Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính thế năng. c) Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính phản kháng. 4
+ Ngoài ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác, như: - Mômen phụ thuộc vào góc quay Mc = f(φ) hoặc mômen phụ thuộc vào đường đi Mc = f(s), các máy công tác có pittông, các máy trục không có cáp cân bằng có đặc tính thuộc loại này. - Mômen phụ thuộc vào số vòng quay và đường đi Mc = f(ω,s) như các loại xe điện. - Mômen phụ thuộc vào thời gian Mc = f(t) như máy nghiền đá, nghiền quặng. Trên hình 1.4b biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng thế năng. Trên hình 1.4c biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng phản kháng. 1.4. Các trạng thái làm việc của động cơ điện + Trong hệ truyền động điện tự động bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại. Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của hệ truyền động điện. Có thể lập Bảng 1-1: Biểu đồ công Trạng thái TT Pđiện Pcơ ΔP suất làm việc Động cơ 1 >0 =0 =Pđiện không tải Động cơ có 2 >0 >0 =Pđ - Pc tải Hãm không 3 =0
Ở trạng thái động cơ: Ta coi dòng công suất điện Pđiện có giá trị dương nếu như nó có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành công suất cơ: Pcơ = M.ω cấp cho máy sản xuất và được tiêu thụ tại cơ cấu công tác của máy. Công suất cơ này có giá trị dương nếu như mômen động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độ quay. Ở trạng thái máy phát: thì ngược lại, khi hệ truyền động làm việc, trong một điều kiện nào đó cơ cấu công tác của máy sản xuất có thể tạo ra cơ năng do động năng hoặc thế năng tích lũy trong hệ đủ lớn, cơ năng đó được truyền về trục động cơ, động cơ tiếp nhận năng lượng này và làm việc như một máy phát điện. Công suất điện có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn, công suất cơ có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động cơ và mômen động cơ sinh ra ngược chiều với tốc độ quay. Mômen của m|y sản xuất được gọi l{ mômen phụ tải hay mômen cản. Nó cũng được định nghĩa dấu }m v{ dương, ngược lại với dấu mômen của động cơ. + Phương trình c}n bằng công suất của hệ TĐĐ TĐ l{: Pđ = Pc+ ∆P (1-3) Trong đó: Pđ l{ công suất điện; Pc l{ công suất cơ; ∆P l{ tổn thất công suất. - Trạng th|i động cơ gồm: chế độ có tải v{ chế độ không tải. Trạng th|i động cơ ph}n bố ở góc phần tư I, III của mặt phẳng ω(M). - Trạng th|i h~m có: H~m không tải, H~m t|i sinh, H~m ngược v{ H~m động năng.Trạng th|i h~m ở góc II, IV của mặt phẳng ω(M). - Hãm tái sinh: Pđiện < 0, Pcơ < 0, cơ năng biến th{nh điện năng trả về lưới. - Hãm ngược: Pđiện > 0 , Pcơ < 0, điện năng v{ cơ năng chuyển th{nh tổn thất ∆P. - H~m động năng: Pđiện = 0, Pcơ < 0, cơ năng biến th{nh công suất tổn thất ∆P. * Các trạng thái làm việc trên mặt phẳng [M, ω]: Trạng thái động cơ: tương ứng với c|c điểm nằm trong góc phần tư thứ nhất v{ góc phần tư thứ ba của mặt phẳng [M, ω], hình 1.5. Trạng thái máy phát: tương ứng với c|c điểm nằm trong góc phần tư thứ hai v{ góc phần tư thứ tư của mặt phẳng [M, ω], hình 1.5. Ở trạng th|i n{y, mômen động cơ chống lại chiều chuyển động, nên động cơ có t|c dụng như bộ h~m, v{ vì vậy trạng th|i m|y ph|t còn có tên gọi l{ "trạng th|i h~m". 6
Hình 1.5: Biểu diễn các trạng thái làm việc trên mặt phẳng [M, ω] 1.5. Quy đổi moment cản, lực cản, moment quán tính và khối quán tính Trên hình 1.6 mô tả cấu trúc cơ học tổng qu|t của truyền động, mỗi cơ cấu của truyền động đều có c|c đại lượng ω, M, v, F v{ mômen qu|n tính J. Để dễ d{ng cho việc nghiên cứu v{ tính to|n, người ta thường quy đổi tất cả c|c đại lượng đó về trục động cơ. Nguyên tắc của tính to|n quy đổi l{ đảm bảo năng lượng của hệ trước v{ sau khi quy đổi. Hình 1.6: Sơ đồ động học của cơ cấu năng hạ hàng (1)Động cơ điện, (2) hộp tốc độ, (3) tang quay, (4) tải trọng 1.5.1. Tính quy đổi mômen Mc và lực cản Fc về trục động cơ 7
+ Quan niệm về sự tính đổi như việc dời điểm đặt từ trục n{y về trục kh|c của mômen hay lực có xét đến tổn thất ma s|t ở trong bộ truyền lực. Thường quy đổi mômen cản Mc, (hay lực cản Fc) của bộ phận l{m việc về trục động cơ. + Điều kiện quy đổi: đảm bảo c}n bằng công suất trong phần cơ của hệ TĐĐTĐ: - Khi năng lượng truyền từ động cơ đến m|y sản xuất: Ptr = Pc+ ∆P (1-4) Trong đó: Ptr l{ công suất trên trục động cơ, Ptr = Mcqđ.ω, (Mcqđ và ω- mômen cản tĩnh quy đổi v{ tốc độ góc trên trục động cơ). Pc l{ công suất của m|y sản xuất, (Mlvvà ωlv - mômen cản v{ tốc độ góc trên trục l{m việc). ∆P l{ tổn thất trong c|c kh}u cơ khí. * Nếu tính theo hiệu suất hộp tốc độ đối với chuyển động quay: Pc = Mlv.ωlv, ta có: P M . Ptr = c  lv lv  M cq® . (1-5) i i M lv .lv M lv Rút ra: M cq®   ; (1-6) i . i .i Trong đó: ηi- hiệu suất của hộp tốc độ.  i= gọi l{ tỷ số truyền của hộp tốc độ. lv * Nếu xét tải trọng G chuyển động tịnh tiến với lực cản Flv, vận tốc vlv: Pc = Flv.vlv, ta có: P F .v Ptr = c  lv lv  M cq® .  i t  i t Flv M cq®  (1-7)  . Trong đó: η= ηi.ηt - hiệu suất bộ truyền lực. ηt- hiệu suất của tang trống. ηi- hiệu suất của hộp tốc độ. Ρ = ω/vlv- gọi l{ tỷ số quy đổi. - Khi năng lượng truyền từ m|y sản xuất đến động cơ: Ptr = Pc- ∆P (tự chứng minh). 1.5.2. Quy đổi mômen quán tính và khối lượng quán tính + Điều kiện quy đổi: bảo to{n động năng tích luỹ trong hệ thống: 8
N W   Wi (1-8) 1 2 Chuyển động quay: W  J . (1-9) 2 v2 Chuyển động tịnh tiến: W  m. (1-10) 2 Các cặp bánh răng có mômen quán tính J1, J2,…Jn, mômen quán tính tang trống Jt, khối lượng quán tính m và mômen quán tính động cơ Jđ đều có ảnh hưởng đến tính chất động học của hệ truyền động. Nếu xét điểm khảo sát là đầu trục động cơ và quán tính chung của hệ truyền động tại điểm này gọi là Jqđ. Lúc đó phương trình động năng của hệ là : §2 §2 n i2 t2 q vi2 J q® .  J§.   Ji .  Jt .   mi . (1-11) 2 2 1 2 2 1 2 n q Ji Jt m  J q®  J §    2   2i (1-12) 1 i 2 1 ii it Trong đó: Jqđ- mômen qu|n tính quy đổi về trục động cơ. ωĐ- tốc độ góc trên trục động cơ. JĐ- mômen qu|n tính của động cơ. Ji- mômen qu|n tính của b|nh răng thứ i. Jt- mômen qu|n tính của tang trống. mj- khối lượng qu|n tính của tải trọng thứ j. ii= ω/ωi- tỉ số truyền tốc độ từ trục thứ i. it= ω/ωt- tỉ số truyền tốc độ tang trống. ρ= ω/vj- tỉ số quy đổi vận tốc của tải trọng. 1.6. Phương trình động học của hệ truyền động điện + L{ quan hệ giữa c|c đại lượng (ω, n, M, ...) với thời gian: n d ( J) Dạng tổng qu|t:  M i  (1-14) 1 dt + Nếu coi mômen do động cơ sinh ra v{ mômen cản ngược chiều nhau, v{ J = const, thì ta có phương trình dưới dạng số học: d M  Mc  J (1-15) dt M: mômen của động cơ. Mc: môn men cản. Theo hệ đơn vị SI: M(N.m); J(kg.m2); ω(Rad/s); t(s). 9
Theo hệ kỹ thuật: M(KG.m); GD(KG.m2); n(vg/ph); t(s): GD 2 dn M  Mc  . (1-16) 375 dt Theo hệ hỗn hợp: M(N.m); J(kg.m2); n(vg/ph); t(s): J 2 dn M  Mc  . (1-17) 9,55 dt Mômen động: d M đg  M  M c  J (1-18) dt Từ phương trình (1-19) ta thấy rằng: d - Khi Mđg> 0 hay M > Mc, thì  0 →hệ tăng tốc. dt d - Khi Mđg< 0 hay M < Mc, thì  0 →hệ giảm tốc. dt - Khi Mđg = 0 hay M = Mc, thì dω/dt = 0 →hệ l{m việc x|c lập, hay hệ l{m việc ổn định: ω = const. * Nếu chọn v{ lấy chiều của tốc độ ω l{m chuẩnthì: M(+) khi M↑↑ω và M(-) khi M↑↓ω. Còn Mc(+) khi Mc↑↓ω; Mc(-) khi Mc↓↓ω. Bài tập chương 1 Bài 1: Cho một vật có khối lượng m = 500kg , g = 9,81m/s2. Tỷ số truyền i = 10, đường kính quán tính Dt = 10KM. Hiệu suất của bộ biến đổi là 0,9. Nếu vật có thể đi lên và có tốc độ tối thiểu = 0,5 m/s thì phải chọn động cơ có M đm và tốc độ là bao nhiêu ? Bài 2: Một vật có m = 500kg, g = 9,81 m/s2 di chuyển với vận tốc bằng 1 m/s, Jt = 500kg/m2, ibt = 100, GD2 = 100kgm2. Hãy quy đổi Moment quán tính của hệ thống về đầu trục động cơ. Bài 3: Cho một động cơ có GD2 = 100kgm2, nđ = 720v/phút, i = 10, một phần tử chuyển động quay có J = 15kgm2, một vật chuyển động thẳng có G = 500Kg với vận tốc 2 m/s. Tính Moment quán tính quy đổi về đầu trục động cơ. Bài 4: Chọn động cơ điện và phân phối tỷ số truyền cho một hệ thống dùng băng tải để chuyển hàng từ nơi này đến nơi khác cho biết : 10
F = 1110kg (lực kéo băng tải), vận tốc băng tải vbt = 0,47m/s. Băng tải làm việc một chiều, tải coi như ổn định. Tính Moment cản trên đầu trục động cơ. Biết rằng nđc = 1400v/phút. 11
Chương 2: ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.1. Khái niệm chung Chương 1 đ~ cho ta thấy, khi đặt hai đường đắc tính cơ M(ω) và Mc(ω) lên cùng một hệ trục tọa độ, ta có thể x|c định được trạng th|i l{m việc của động cơ v{ của hệ (xem hình 1-2 và hình 1-3): trạng th|i x|c lập khi M = Mc ứng với giao điểm của hai đường đặc tính M(ω) và Mc(ω); hoặc trạng th|i qu| độ khi M ≠Mc tại những vùng có ω ≠ ωxl; trạng th|i động cơ thuộc góc phần tưthứ nhất v{ thứ ba; hoặc trạng th|i h~m thuộc góc phần tư thứ hai v{ thứ tư. Khi ph}n tích c|c hệ truyền động, ta thường coi m|y sản xuất đ~ cho trước, nghĩa l{ coi như biết trước đặc tính cơ Mc(ω) của nó. Vậy muốn tìm kiếm một trạng th|i l{m việc với những thông số yêu cầu như tốc độ, mômen, dòng điện động cơ v... ta phải tạo ra những đặc tính cơ của động cơ tương ứng. Muốn vậy, ta phải ta phải nắm vững c|c phương trình đặc tính cơ v{ c|c đặc tính cơ của c|c loại động cơ điện, từ đó hiểu được c|c phương ph|p tạo ra c|c đặc tính cơ nh}n tạo phù hợp với m|y sản xuất đ~ cho v{ điều khiển động cơ sao cho có được c|c trạng th|i l{m việc theo yêu cầu công nghệ. Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên x|c định bởi c|c số liệu định mức của nó. Trong nhiều trường hợp ta coi đặc tính n{y như loạt số liệu cho trước. Mặt kh|c nó có thể có vô số đặc tính cơ nh}n tạo có được do biến đổi một hoặc v{i thông số của nguồn, của mạch điện động cơ, hoặc do thay đổi c|ch nối d}y của mạch, hoặc do dùng thêm thiết bị biến đổi. Do đó bất kỳ thông số n{o có ảnh hưởng đến hình d|ng v{ vị trí của đặc tính cơ, đều được coi l{ thông số điều khiển động cơ, v{ tương ứng l{ một phương ph|p tạo đặc tính cơ nh}n tạo hay đặc tính điều chỉnh. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng thuận M = f(ω) hay dạng ngược ω= f(M). 2.2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập *) Sơ đồ nối dây của ĐMđl và ĐMss: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (ĐMđl): nguồn một chiều cấp cho phần ứng v{ cấp cho kích từ độc lập nhau. Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn v{ điện |p không đổi thì có thể mắc kích từ song song với phần ứng, lúc đó động cơ được gọi l{ động cơ điện một chiều kích từ song song (ĐMss). 12
Hình 2.1: a) Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập. b) Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ song song *). Các thông số cơ bản của ĐMđl: C|c thông số định mức: nđm(vòng/phút); ωđm(Rad/sec); Mđm(N.m hay KG.m); Фđm(Wb); fđm(Hz); Pđm(KW); Uđm(V); Iđm(A); ... C|c thông số tính theo c|c hệ đơn vị kh|c: ω*= ω/ωđm; M*= M/Mđm; I*= I/Iđm; Ф*= Ф/Фđm; R*= R/Rđm; Rcb= Uđm/Iđm,; ω%; M%; I%; ... 2.2.1. Phương trình đặc tính cơ Theo sơ đồ hình 2-1a và hình 2-1b, có thể viết phương trình c}n bằng điện |p của mạch phần ứng như sau: Uư= E + (Rư+ Rưf).Iư (2-1) Trong đó: Uư l{ điện |p phần ứng động cơ, (V) E l{ sức điện động phần ứng động cơ (V). p.N E ..  K .. (2-2) 2 a p.N K l{ hệ số kết cấu của động cơ. 2 a Hoặc: E  K e ..n (2-3) 2 n n Và:    60 9,55 K Vậy: K e   0,105K 9,55 Rư là điện trở mạch phần ứng, Rư= rư+ rctf+ rctb+ rtx, (Ω). Trong đó: rư l{ điện trở cuộn d}y phần ứng của động cơ (Ω). 13
Rctf l{ điện trở cuộn d}y cực từ phụ của động cơ (Ω). Rctb l{ điện trở cuộn d}y cực từ bù của động cơ (Ω). Rctb l{ điện trở tiếp xúc giữa chổi than với cổ góp của động cơ (Ω). Rưf l{ điện trở phụ mạch phần ứng. Iư l{ dòng điện phần ứng. Từ (2-1) và (2-2) ta có: U R  R f   I (2-4) k k Đ}y l{ phương trình đặc tính cơ - điện của động cơ một chiều kích từ độc lập. Mặt kh|c, mômen điện từ của động cơ được x|c định: Mđt= KФIư (2-5) Khi bỏ qua tổn thất ma s|t trong ổ trục, tổn thất cơ, tổn thất thép thì có thể coi: Mcơ ≈ Mđt ≈ M M M Suy ra: I  ®t  (2-6) k k Thay gi| trị Iưvào (2-4), ta có: U R R U R    2 f M    2 M (2-7) k (k ) k (k ) Đ}y l{ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Có thể biểu diễn đặc tính cơ dưới dạng kh|c: Ω = ω0 - ∆ω (2-8) U Trong đó: 0  gọi l{ tốc độ không tải lý tưởng. (2-9) k R  R f R     2 gọi l{ độ sụt tốc độ. (2-10) (k ) 2 (k ) Từ c|c phương trình đặc tính cơ điện (2-4) v{ phương trình đặc tính cơ (2-8) trên, với giả thiết phần ứng được bù đủ v{ Ф= const thì ta có thể vẽ được c|c đặc tính cơ - điện(hình 2-2a) v{ đặc tính cơ(hình 2-2b) l{ những đường thẳng. 14
Hình 2.2: a) Đặc tính cơ = điện động cơ điện một chiều kích từ độc lập b) Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập Đặc tính cơ tự nhiên(TN) l{ đặc tính cơ có c|c tham số định mức v{ không có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ: U R   ®m  ®m 2 M (2-11) k®m (k®m ) Đặc tính cơ nh}n tạo (NT) l{ đặc tính cơ có một trong c|c tham số kh|c định mức hoặc có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ. Khi ω = 0, ta có: U I   I nm (2-12) R  R f U Và: M  .K  I nm .K  M nm (2-13) R  R f Trong đó: Inm- gọi l{ dòng điện (phần ứng) ngắn mạch Mnm- gọi l{ mômen ngắn mạc Từ (2-7) ta x¸c định được độ cứng đặc tính cơ: dM (k®m ) 2   (2-14) d R  R f Đối với đặc tính cơ tự nhiên: (k®m ) 2  tn   (2-15) R 1 Và tn*   (2-16) R* Nếu chưa có gi| trị Rư thì ta có thể x|c định gần đúng dựa v{o giả thiết coi tổn thất trên điệntrở phần ứng do dòng điện định mức g}y ra bằng một nửa tổn thất trong động cơ: 15
U ®m R  0,5.(1  ®m ) , (2-17) I ®m * Ví dụ 2-1: X}y dựng đặc tính cơ tự nhiên v{ nh}n tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập có c|c số liệu sau: Động cơ l{m việc d{i hạn, công suất định mức l{ 6,6KW; điện |p định mức: 220V; tốc độ định mức: 2200vòng/phút; điện trở mạch phần ứng gồm điện trở cuộn d}y phần ứng v{ cực từ phụ: 0,26Ω; điện trở phụ đưa v{o mạch phần ứng: 1,26Ω. * Giải: a) X}y dựng đặc tính cơ tự nhiên: Đặc tính cơ tự nhiên có thể vẽ qua 2 điểm: l{ điểm định mức [Mđm; ωđm] và điểm không tải lý tưởng [M = 0; ω= ω0]. Hoặc điểm không tải lý tưởng [M = 0; ω= ω0] v{ điểm ngắn mạch [Mnm; ω= 0]. Hoặc điểm định mức [Mđm; ωđm] v{ điểm ngắn mạch [Mnm; ω= 0]. Tốc độ góc định mức: n 2200 ®m  ®m   230,3rad / s 9,55 9,55 Mômen (cơ) định mức: P .1000 6,6.1000 M ®m  ®m   28,6 Nm ®m 230,3 Như vậy ta có điểm thứ nhất trên đặc tính cơ tự nhiên cần tìm l{ điểm định mức: [28,6 ; 230,3]. Từ phương trình đặc tính cơ tự nhiên ta tính được: U  I .R 220  35.0, 26 k®m  ®m ®m   0,91Wb ®m 220,3 Tốc độ không tải lý tưởng: U 220 ®m  ®m   241,7 rad / s k®m 0,91 Ta có điểm thứ hai của đặc tính [0; 241,7] và như vậy ta có thể dựng được đường đặc tính cơ tự nhiên như đường  trên hình 2 - 3. Ta có thể tính thêm điểm thứ ba l{ điểm ngắn mạch [Mnm; 0] U 220 M nm  I nm .K  ®m .K  0,91.  770 Nm R 0, 26 Vậy ta có tọa độ điểm thứ ba của đặc tính cơ tự nhiên [770; 0]. Độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên có thể x|c định theo biểu thức (2-15) hoặc x|c định theo số liệu lấy trên đường đặc tính hình 2-3. 16
dM M 0  M ®m 28,6 tn      2,5 Nm.s d  0  ®m 241,7  230,3 b) X}y dựng đặc tính cơ nh}n tạo có Rưf = 0,78Ω: Khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng thì tốc độ không tải lý tưởng không thay đổi, nên ta có thể vẽ đặc tính cơ nh}n tạo (có Rưf = 0,78Ω) qua c|c điểm không tải lý tưởng [0; ω0] v{ điểm tương ứng với tốc độ nh}n tạo [Mđm; ωnt]: Hình 2.3 : Đặc tính cơ tự mhiên và đặc tính cơ nhân tạo Ta tính được gi| trị mômen (cơ) định mức: P .1000 6,6.1000 M ®m  ®m   28,66 Nm ®m 230,3 V{ tính tốc độ góc nh}n tạo: U  I .( R  Rf ) 220  35.(0, 26  1, 26) nt  ®m ®m   183,3rad / s K®m 0,91 Ta có tọa độ điểm tương ứng với tốc độ nh}n tạo [28,66; 183,3] Vậy ta có thể dựng được đường đặc tính cơ nh}n tạo có điện trở phụ trong mạch phần ứng như đường dtrên hình 2 - 3. 2.2.2. Ảnh hưởng các thông số đến dạng đặc tính cơ Từ phương tình đặc tính cơ ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thông động cơ Φ, điện |p phần ứng Uư v{ điện trở phần ứng động cơ. Ta lần lượt xét ảnh hưởng từng tham số đó. a) Ảnh hưởng của điện trở phần ứng Giả thiết Uư = Uđm = const và Φư = Φđm = const. Muốn thay đổi điện trở mạch phân ứng ta nối thêm điện trở phụ Rt vào mạch phần ứng. Trong trường hợp n{y tốc độ không tải lý tưởng: 17
U ®m 0   const K  ®m Độ cứng đặc tính cơ: M ( K  ®m ) 2 =   Var  R  Rf Khi Rưf c{ng lớn, β càng nhỏ, nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên: ( K  ®m ) 2 TN =  R Hình 2.4: Các đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường đặc tính có điện trở phụ. Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tính biến trở có dạng như hình 2.4. Ứng với một phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ dưới tốc độ cơ bản. b) Ảnh hưởng của điện áp phần ứng Giả thiết từ thông Φư = Φđm = const, điện trở phầnn ứng Rư = const. Khi thay đổi điện |p theo hướng giảm so với Uđm, ta có: 18