Giáo trình Truyền động điện - CĐ Nghề Công Nghiệp Hà Nội

Chia sẻ: Cuahuynhde Cuahuynhde | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:229

Thêm vào BST

Báo xấu

60
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình được trình bày với 11 bài, đi từ lý thuyết cơ sở đến thực hành những kiến thức cơ bản. Đặc biệt trong nội dung giáo trình đã giới thiệu được những nội dung thực hành cơ bản của lĩnh vực truyền động điện, đi từ các truyền động điện hệ hở tới truyền động điện hệ kín. Giới thiệu cơ bản về các bộ biến đổi AC, DC bán dẫn thế hệ mới, kết hợp với các động cơ cho những hệ thống truyền động điện hiện đại.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Truyền động điện - CĐ Nghề Công Nghiệp Hà Nội

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Chủ biên: Bùi Chính Minh Đồng tác giả: Nguyễn Đức Đài GIÁO TRÌNH TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Hà Nội - 2011 1
LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình Truyền động điện được biên soạn nhằm đáp ứng nhu cầu giảng dạy và học tập của Giảng viên, Sinh viên trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội. Nội dung giáo trình được phát triển dựa trên chương trình đào tạo mô đun Truyền động điện, nghề Điện công nghiệp do Tổng cục Dạy nghề ban hành và đưa vào giảng dạy tại trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội năm học 2012 2013. Nội dung giáo trình mang tính lôgic về kiến thức của toàn bộ chương trình đào tạo, đồng thời hướng tới mục tiêu hình thành và phát triển năng lực thực hiện hoạt động nghề nghiệp cho người học. Dạy học tích hợp được lựa chọn trong giáo trình nhằm tạo ra các tình huống liên kết tri thức các môn học, đó là cơ hội phát triển các năng lực của sinh viên. Khi xây dựng các tình huống vận dụng kiến thức người học sẽ phát huy được năng lực tự lực, phát triển tư duy sáng tạo (kiến thức, kỹ năng, và thái độ nghề nghiệp). Giáo trình được trình bày với 11 bài, đi từ lý thuyết cơ sở đến thực hành những kiến thức cơ bản. Đặc biệt trong nội dung giáo trình đã giới thiệu được những nội dung thực hành cơ bản của lĩnh vực truyền động điện, đi từ các truyền động điện hệ hở tới truyền động điện hệ kín. Giới thiệu cơ bản về các bộ biến đổi AC, DC bán dẫn thế hệ mới, kết hợp với các động cơ cho những hệ thống truyền động điện hiện đại. Mặc dù nhóm biên soạn đã cố gắng phát triển giáo trình sao cho phù hợp và hiệu quả nhất với sinh viên cao đẳng nghề Điện công nghiệp, nhưng chắc chắn vẫn còn nhiều thiếu sót. Chúng tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp của bạn đọc và đồng nghiệp để giáo trình hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến xin được gửi về: Trường cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội, 131 Thái Thịnh, Đống Đa, Hà Nội. NHÓM TÁC GIẢ Hà Nội, ngày..... tháng....năm .... Tham gia biên soạn giáo trình 1. Bùi Chính Minh – Chủ biên 2. Nguyễn Đức Đài 2
Tuyên bố bản quyền Tài liệu này là loại giáo trình nội bộ dùng trong nhà trường với mục đích làm tài liệu giảng dạy cho giáo viên và học sinh, sinh viên nên các nguồn thông tin có thể được tham khảo. Tài liệu phải do trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội in ấn và phát hành. Việc sử dụng tài liệu này với mục đích thương mại hoặc khác với mục đích trên đều bị nghiêm cấm và bị coi là vi phạm bản quyền. Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội xin chân thành cảm ơn các thông tin giúp cho nhà trường bảo vệ bản quyền của mình. Địa chỉ liên hệ: Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội. 131 – Thái Thịnh – Đống Đa – Hà Nội Điện thoại: (844) 38532033 Fax: (844) 38533523 Website: www.hnivc.edu.vn 3
MỤC LỤC Nội dung Trang Mục tiêu của mô đun…………………………………………………….. 8 Nội dung của mô đun……………………………………………………. 8 Yêu cầu về đánh giá hoàn thành mô đun……………………………….. 10 BÀI 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN…………………………………………………………………… 10 1. Cấu trúc chung của hệ thống TĐĐ……………………………………. 10 1.1. Định nghĩa hệ TĐĐ……………………………………………… 10 1.2. Phân loại hệ TĐĐ………………………………………………… 11 1.3. Phương trình chuyển động……………………………………… 11 1.4. Mômen cản phản kháng………………………………………… 13 1.5. Mômen cản thế năng…………………………………………… 13 2. Cơ học truyền động điện……………………………………………… 13 2.1. Các khâu cơ khí của truyền động điện, tính toán qui đổi các đại lượng về trục động cơ…………………………………………………… 13 2.2. Đặc tính cơ của máy sản xuất, động cơ………………………… 15 2.3. Các trạng thái làm việc xác lập của hệ truyền động điện……… 18 BÀI 2: CÁC ĐẶC TÍNH VÀ TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN………………………………………………………………... 22 1. Đặc tính của động cơ điện DC, các trạng thái khởi động và hãm……. 22 1.1 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập………... 13 1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp……....... 40 2. Đặc tính của động cơ điện không đồng bộ, các trạng thái khởi động và hãm…………………………………………………………………… 46 2.1 Các đặc tính……………………………………………………… 46 2.2 Ảnh hưởng của các thông số tới đặc tính cơ……………………. 49 2.3 Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ biến trở…………….. 52 2.4 Khởi động và xác định điện trở khởi động……………………… 53 2.5 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm…………………………….. 54 3. Đặc tính của động cơ điện đồng bộ, các trạng thái khởi động và hãm……………………………………………………………………… 57 BÀI 3: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TĐĐ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ CỦA HỆ TĐĐ ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA HỆ TĐĐ…………………………….... 62 1. Điều khiển tốc độ TĐĐ……………………………………………….. 62 1.1 Khái niệm về điều chỉnh tốc độ hệ truyền động điện; tốc độ đặt; chỉ tiêu chất lượng của hệ TĐĐ………………………………………… 62 1.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh sơ đồ mạch…… 65 1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh thông số của động cơ....................................................................................................... 68 1.4. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp nguồn….. 74 1.5. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi thông số nguồn………………………………………………………….. 91 1.6. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng sơ đồ nối tầng (cascade)…………………………………………………………………. 98 2. Ổn định tốc độ làm việc của hệ TĐĐ………………………………… 100 2.1. Khái niệm về ổn định tốc độ; độ chính xác duy trì tốc độ……… 100 4
2.2. Hệ truyền động vòng kín ……………………………………… 101 2.3. Hạn chế dòng điện trong truyền động điện tự động……………. 104 3. Đặc tính động của hệ truyền động điện………………………………. 108 3.1. Đặc tính động của truyền động điện…………………………….. 108 3.2. Quá độ cơ học; quá độ điện cơ trong hệ truyền động điện…….. 110 3.3. Khởi động hệ truyền động điện, thời gian mở máy……………… 113 3.4. Hãm hệ truyền động điện, thời gian hãm; dừng máy chính xác…. 115 BÀI 4: CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN……………………………………………………………………. 118 1. Phương pháp chọn động cơ truyền động cho tải theo nguyên lý phát 118 nhiệt……………………………………………………………………… 1.1 Phương trình phát nóng và nguội lạnh của máy điện……………. 118 1.2 Các chế độ làm việc của động cơ điện trong hệ truyền động điện.. 120 2. Chọn công suất động cơ cho truyền động không điều chỉnh tốc độ… 121 2.1 Chọn công suất động cơ làm việc cho tải dài hạn………………… 121 2.2 Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn……………………… 122 2.3 Chọn công suất động cơ cho phụ tải ngắn hạn lặp lại…………….. 123 3. Tính chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ… 124 4. Kiểm nghiệm công suất động cơ……………………………………. 126 4.1 Kiểm nghiệm phát nóng động cơ bằng phương pháp tổn thất trung bình……………………………………………………………………… 126 4.2 Kiểm nghiệm phát nóng động cơ theo đại lượng dòng điện đẳng trị………………………………………………………………………… 127 BÀI 5: TỰ ĐỘNG KHỐNG CHẾ TĐĐ – MỘT SỐ THIẾT BỊ TRONG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TĐĐ………………………………………… 130 1. Tự động khống chế TĐĐ…………………………………………….. 130 1.1. Khái quát chung về điều khiển tự động truyền động điện…….. 130 1.2. Các nguyên tắc điều khiển tự động truyền động điện…………… 137 2. Một số thiết bị dùng trong điều khiển tự động TĐĐ………………… 165 2.1 Bộ khởi động mềm……………………………………………….. 165 2.2. Bộ biến tần ………………………………………………………. 173 2.3. Bộ điều khiển máy điện servo…………………………………… 186 2.4. Bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều………………………… 192 BÀI 6: THỰC HÀNH NHẬN DẠNG CÁC KHÂU CƠ KHÍ CƠ BẢN CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ TÍNH TOÁN MÔMEN CẢN, LỰC CẢN VỀ TRỤC ĐỘNG CƠ ĐIỆN……………………………………... 203 1. Nhận dạng đông cơ điện và máy phát điện…………………………… 203 2. Nhận dạng các bộ biến đổi………………………………………... 204 3. Nhận dạng các cơ cấu truyền động…………………………………… 204 4. Nhận dạng các máy sản xuất…………………………………………. 208 5. Tính toán, qui đổi các đại lượng cơ khí về trục động cơ……………... 209 BÀI 7: THỰC HÀNH TÌM HIỂU CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI TRẠNG THÁI KHỞI ĐỘNG VÀ HÃM………………………………………………… 210 1. Đặc tính trạng thái khởi động và hãm của động cơ điện DC………… 210 1.1 Đặc tính cơ………………………………………………………... 210 1.2 Khảo sát chế độ khởi động và hãm………………………………. 212 2. Đặc tính trạng thái khởi động và hãm của động cơ điện không đồng 5
bộ………………………………………………………………………… 212 2.1 Đặc tính cơ………………………………………………………... 212 2.2 Khảo sát chế độ khởi động và hãm………………………………. 213 3. Đặc tính trạng thái khởi động và hãm của động cơ điện đồng bộ…… 214 3.1 Đặc tính cơ……………………………………………………….. 214 3.2 Khởi động và hãm……………………………………………….. 214 BÀI 8: THỰC HÀNH ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ……………. 216 1. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ theo sơ đồ mạch……………….. 216 2. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi thông số nguồn……… 216 2.1 Hệ truyền động một chiều……………………………………….. 216 2.2 Hệ truyền động xoay chiều………………………………………. 217 3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi thông số của động cơ………… 217 BÀI 9: THỰC HÀNH ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN………………………………………………… 220 1. Hệ truyền động vòng kín…………………………………………….. 220 2. Hạn chế dòng điện trong truyền động điện tự động…………………. 220 BÀI 10: THỰC HÀNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ…………………... 223 1. Tính chọn công suất động cơ cho truyền động không điều chỉnh tốc độ……………………………………………………………………….. 223 2. Kiêm nghiệm công suất động cơ……………………………………… 223 BÀI 11: THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN BẰNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI………………………………………………………….. 226 1. Hệ truyền động có bộ khởi động mềm – động cơ không đồng bộ…… 226 2. Hệ truyền động Biến tần – động cơ KĐB……………………………. 226 3. Hệ truyền động Servor………………………………………………... 226 4 Hệ truyền động chỉnh lưu có điều khiển động cơ một chiều………. 226 Tài liệu tham khảo……………………………………………………….. 230 6
TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG GIÁO TRÌNH Tên đầy đủ Viết tắt Dòng điện xoay chiều (Anternating Curren) AC Biến áp tự ngẫu BATN Dòng điện một chiều (Direct current) DC Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ĐAXC Động cơ ĐC Động cơ một chiều ĐCMC Động cơ không đồng bộ ĐC KĐB Động cơ đồng bộ ĐC ĐB Hệ truyền động máy phát – động cơ FĐ Hệ thống truyền động điện HTTĐD Quá trình quá độ QTQĐ Truyền động điện TĐĐ Hệ truyền động Thyristor – động cơ một chiều TĐ Hệ truyền động Xung điện áp động cơ XĐAĐ 7
MÔ ĐUN: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Mã số mô đun: MĐ24 Mục tiêu của mô đun: Kiến thức: Trình bày nguyên tắc và phương pháp điều khiển tốc độ của hệ truyền động điện; Đánh giá đặc tính của hệ điều khiển truyền động điện; Tính chọn động cơ điện cho hệ truyền động không điều chỉnh; Phân tích cấu tạo, nguyên lý của một số thiết bị điển hình như: soft stater, inverter, các bộ biến đổi; Lựa chọn các bộ biến đổi phù hợp với yêu cầu hệ truyền động. Kỹ năng: Phân tích, tính chọn, lắp ráp và vận hành được các hệ truyền động điện. Thái độ: Rèn luyện tính tỉ mỉ, cẩn thận, tác phong công nghiệp cho sinh viên. Nội dung của mô đun Thời gian Số Tên các bài trong mô đun Tổng Lý Thực Kiểm TT số thuyết hành tra* 1 Bài 1: Những khái niệm cơ bản về 4 4 hệ Truyền động điện (TĐĐ) 2 Bài 2: Các đặc tính và trạng thái 16 15 1 làm việc của động cơ điện. 3 Bài 3: Điều khiển tốc độ TĐĐỔn 15 15 định tốc độ của hệ TĐĐ Đặc tính động của hệ TĐĐ 4 Bài 4: Chọn công suất động cơ 3 3 cho hệ truyền động điện. 5 Bài 5: Tự động khống chế TĐĐ 33 14 18 1 Một số thiết bị dùng trong điều khiển tự động TĐĐ 6 Bài 6: Thực hành nhận dạng các 6 6 khâu cơ khí cơ bản của hệ truyền động và tính toán mômen cản, lực cản về trục động cơ điện 7 Bài 7: Thực hành tìm hiểu các đặc 22 2 20 tính của động cơ DC và động cơ không đồng bộ với trạng thái khởi động và hãm 8 Bài 8: Thực hành điều chỉnh tốc 16 1 14 1 độ động cơ 8
9 Bài 9: Thực hành ổn định tốc độ 8 1 7 làm việc của hệ truyền động điện 10 Bài 10: Thực hành chọn công 4 1 3 suất động cơ cho truyền động không điều chỉnh tốc độ 11 Bài 11: Thực hành điều khiển 23 2 19 2 động cơ điện bằng các bộ biến đổi Cộng: 150 58 87 5 * Ghi chú: Thời gian kiểm tra được tích hợp giữa lý thuyết với thực hành và được tính bằng giờ thực hành Yêu cầu về đánh giá hoàn thành mô đun: Áp dụng hình thức kiểm tra tích hợp giữa lý thuyết với thực hành. Các nội dung trọng tâm cần kiểm tra là: Lý thuyết: + Các đặc tính của động cơ, các phương pháp điều khiển tốc độ truyền động điện; + Các phương pháp ổn định tốc độ truyền động điện; + Chọn được công suất động cơ phù hợp yêu cầu của tải; + Các đặc tính kỹ thuật của biến tần, khởi động mềm... Thực hành: + Vẽ được đặc tính cơ của động cơ điện bằng thí nghiệm; + Lắp đặt và vận hành các mạch khởi động, điều chỉnh tốc độ, mạch hãm động cơ điện; + Tính chọn công suất động cơ phù hợp với phụ tải; + Nhận dạng các thiết bị điều khiển truyền động; + Khởi động mềm, dừng mềm, hãm động cơ; + Đặt chế độ làm việc, đạt tham số cho biến tần; + Xử lý các lỗi trong các bộ điều khiển truyền động. 9
BÀI 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Mục tiêu: Kiến thức: Trình bày khái niệm, đặc điểm, ý nghĩa của hệ truyền động điện; Giải thích cấu trúc chung và phân loại hệ truyền động điện; Tính toán qui đổi mômen cản, lực cản, mômen quán tính về trục động cơ; Xây dựng phương trình chuyển động của hệ truyền động điện. Kỹ năng: Nhận dạng được các khâu cơ khí cơ bản của hệ truyền động điện; Phân biệt được các trạng thái làm việc của hệ truyền động điện. Thái độ: Rèn luyện tính tỉ mỉ, cẩn thận, lắng nghe, ghi chép đầy đủ. Nội dung A. LÝ THUYẾT 1. Cấu trúc chung của hệ thống TĐĐ 1.1. Định nghĩa hệ TĐĐ * Khái niệm về hệ thống truyền động điện: Hệ thống truyền động điện là tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị từ, thiết bị điện tử phục vụ 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 của một hệ thống truyền động điện Lưới BBĐ Đ TBL M ĐK Lệnh đặt Hình 1.1. Cấu trúc chung của một hệ thống truyền động điện Tuy nhiên trong thực tế không phải hệ thống truyền động điện nào cũng có đầy đủ cấu trúc như hình 1.1 Trong hệ thống truyền động điện gồm có 2 phần: phần điện và phần cơ khí. a. Phần điện + BBĐ: là bộ biến đổi biến điện năng từ lưới công nghiệp có tần số và điện áp cố định thành dạng (điện) cần thiết với những thông số yêu cầu để cấp cho động cơ. Thường là bộ biến đổi máy điện (máy phát 1 chiều, xoay chiều), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bão hoà), bộ biến đổi điện tử (chỉnh lưu thyristor, biến tần transisto). + Đ: là động cơ điện là đối tượng điều khiển của truyền động điện, nó có thể là: 10
o Động cơ điện một chiều: động cơ điện một chiều kích từ độc lập, động cơ điện một chiều kích từ song song, động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp. o Động cơ điện xoay chiều: động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ. Ngoài ra còn có thể sử dụng một số loại động cơ đặc biệt khác. + ĐK: là bộ điều khiển. Gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, ngoài ra còn có các thiết bị điều khiển đóng, cắt phục vụ công nghệ và cho người vận hành. Một số hệ điều khiển tự động có mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác trong dây truyền sản xuất. b. Phần cơ khí + TBL: khâu truyền và biến lực có nhiệm vụ là truyền năng lượng được cấp cho bộ phận làm việc của máy như: hộp số, thanh răng – bánh răng, đai truyền.. + M: máy sản xuất, đó là các bộ phận chuyển động của máy. * Nguyên lý chung Điện năng của lưới điện công nghiệp có tần số và điện áp cố định được bộ biến đổi biến thành dạng nguồn điện phù hợp với các thông số yêu cầu để cấp cho động cơ, động cơ biến điện năng thành cơ năng rồi qua khâu truyền lực TBL năng lượng được cấp cho bộ phận làm việc của máy sản xuất. Để điều khiển máy theo yêu cầu công nghệ người ta sử dụng bộ điều khiển. 1.2. Phân loại hệ TĐĐ Truyền động điện có rất nhiều loại, có thể phân loại chúng bằng nhiều cách khác nhau: a. Phân loại theo loại động cơ sử dụng trong hệ Truyền động một chiều: sử dụng động cơ điện một chiều. Truyền động xoay chiều: có 2 loại + Truyền động đồng bộ: sử dụng động cơ đồng bộ. + Truyền động không đồng bộ: sử dụng động cơ không đồng bộ. Truyền động bước: sử dụng động cơ bước. Truyền động đặc biệt: sử dụng các loại động cơ đặc biệt khác. b. Phân loại dựa vào mức độ tự động hoá Truyền động không điều chỉnh: động cơ chỉ làm việc ở một cấp tốc độ đặt. Truyền động điều chỉnh: động cơ được điều chỉnh và làm việc ở nhiều cấp tốc độ khác nhau. Truyền động bán tự động ứng dụng nguyên tắc điều khiển vòng hở. Truyền động tự động: ứng dụng các phương pháp điều khiển vòng kín. c. Phân loại theo chiều quay của động cơ Hệ truyền động đảo chiều: động cơ làm việc ở cả hai chiều quay. Hệ truyền động không đảo chiều: động cơ chỉ quay được một chiều. 1.3. Phương trình chuyển động 1.3.1. Đặt vấn đề Khi nghiên cứu hệ thống truyền động điện, người ta thường quan tâm đến các thông số sau: + Mômen (lực) gây chuyển động Mđ(M); Fđ(F); + Mômen (lực)cản lại chuyển động MC(FC); + Tốc độ chuyển động ω, v; + Thời gian chuyển động t. Bốn thông số này liên quan với nhau bởi phương trình chuyển động của hệ thống truyền động điện, đó là những phương trình cân bằng lực hoặc cân bằng mômen 11
của toàn hệ. 1.3.2. Phương trình chuyển động tịnh tiến Giả thiết một vật có khối lượng m chuyển động với vận tốc v trong thời gian t mv 2 nó sẽ có động năng: A  2 Và sinh ra một công suất động trong hệ thống: dA dv v 2 dm Pdg   m.v.  (11) dt dt 2 dt Khi xem xét chuyển động này trong hệ thống truyền động điện và gọi Pđ là công suất do động cơ điện sinh ra, PC là công suất cản của máy sản xuất:  Pđg= Pđ PC (12) 2 dv v dm Cân bằng (11) và (12)  Pd  PC  m.v.  dt 2 dt Trong thực tế, đa số các hệ thống truyền động điện có khối lượng m =const dv  Pd  PC  m.v. (13) dt (13) là phương trình chuyển động cơ bản của hệ thống truyền động điện chuyển động tịnh tiến. 1.3.3. Phương trình chuyển động quay Giả thiết một vật có khối lượng m chuyển động quay với vận tốc , vật này 2 có mômen quán tính J, khi đó động năng tích luỹ của vật quay là W  J 2 Công suất động sinh ra: dW d  2 dJ Pdg   J  dt dt 2 dt d  2 dJ Pdg  Pd  PC  J   dt 2 dt Pđ: công suất gây chuyển động của động cơ. Pc: công suất cản của máy sản xuất. Do chuyển động quay có mômen quán tính J = const d  Pd  PC  J  (14) dt Biểu thức (14) là phương trình chuyển động cơ bản của hệ thống truyền động điện chuyển động quay. Khi sử dụng ta thường chuyển (13), (14) (chia cả hai vế cho , v) dv (1  3)  Fd  Fc  m dt d (1  4)  M d  M c  J dt FC: lực cản của cơ cấu chuyển động tịnh tiến; Fđ: lực động cơ; MC: mômen cản của cơ cấu chuyển động quay; Mđ: mômen động cơ; Nhận xét: 12
Dấu của Mđ được xác định: chọn chiều quay của động cơ và gọi đó là chiều quay thuận của động cơ. Nếu Mđ cùng chiều với chiều quay thuận thì trong phương trình trước nó có dấu dương, ngược lại thì có dấu âm. Dấu của MC được xác định: nếu ngược chiều với chiều quay thuận thì trong phương trình chuyển động lấy dấu dương, ngược lại nếu cùng chiều với chiều quay thuận thì lấy dấu âm. Căn cứ vào phương trình chuyển động cơ bản ta đánh giá trạng thái làm việc của hệ thống. 1.4. Mômen cản phản kháng Là mômen cản có chiều tác dụng thay đổi khi chuyển động đảo chiều quay, luôn có xu hướng chống lại chuyển động do động cơ gây ra. Trong thực tế đa số máy sản xuất có mômen cản mang tính chất này, ví dụ như mômen ma sát, mômen của cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại.v.v.. Hình1.2a Biểu diễn mô men Hình 1.2b Biểu diễn mô men cản có tính chất thế năng, Mc cản có tính chất phản kháng, có giá trị không đổi. Mc có giá trị không đổi. 1.5. Mômen cản thế năng Là mômen cản có chiều tác dụng không đổi khi chuyển động đảo chiều quay, lúc có xu hướng chống lại lúc thì hỗ trợ cho chuyển động của trục quay động cơ. Trong thực tế, những bộ phận chuyển động của một số cơ cấu sản xuất trong quá trình làm việc là tịnh tiến và thay đổi độ cao thường có tính chất này. Ví dụ như mômen cản trên trục của hệ thống nâng hạ của cầu trục, cần trục v.v... 2. Cơ học truyền động điện 2.1. Các khâu cơ khí của truyền động điện, tính toán qui đổi các đại lượng về trục động cơ t,  * Cấu trúc Jđ , đ, Mđ Jqt , Mqt điển hình của (2) (3) (1) hệ thống truyền Mt , t , Jt (2) động điện (3) (4) v, F, m (5) G Hình 1.3 Cấu trúc điển hình của hệ thống 13
Trong đó: 1 Động cơ điện; 2 Khớp nối; 3 Hộp biến tốc:  vào =  đ; ra =  t; 4 Tang trống để quấn cáp; 5Tải. Vậy: Phần cơ khí của hệ thống là từ trục động cơ và các bộ phận của máy sản xuất (2,3,4,5); Quá trình truyền năng lượng cơ từ trục động cơ đến bộ phận cuối cùng của máy sản xuất sinh ra tổn hao năng lượng, đặc trưng bằng hiệu suất η; Các bộ phận cơ khí của hệ thống truyền động điện được coi là phần tử cứng tuyệt đối. Do vậy quá trình truyền lực từ bộ phận cơ khí này sang bộ phận cơ khí khác không bị biến dạng; Thay thế toàn bộ các khâu cơ khí bằng mẫu cơ học đơn khối như hình vẽ: + MCqđ: mômen cản qui đổi về trục động cơ. + Jqđ: mômen quán tính qui đổi về trục động cơ. + Mđ,  đ: Mômen quán tính và tốc độ quay Mđ đ MCqđ của động cơ. * Mục đích của việc tính quy đổi: Trong sơ đồ động học trên ta thấy: động cơ, các bánh răng, tang quay có chuyển động quay với các tốc độ khác nhau, có mômen quán tính J khác nhau, có mômen quay khác nhau. Các mômen và các lực tác dụng vào hệ thống cơ tại những điểm đặt khác nhau. Vì vậy muốn tính chọn được công suất của động cơ cần viết phương trình cân bằng lực hay cân bằng mômen của toàn hệ. Khảo sát sự chuyển động, các trạng thái làm việc trên các phần cơ khí của của hệ thì ta phải tính quy đổi tất cả các đại lượng cơ học như mômen, lực, mômen quán tính J, khối quán tính m của các phần tử cơ khí trong toàn hệ về trục động cơ. 2.1.1 Qui đổi mômen cản MC, lực cản FC về trục động cơ Nguyên tắc của tính toán qui đổi là đảm bảo năng lượng của hệ trước và sau khi qui đổi không thay đổi hay công suất không đổi. a. Quy đổi mômen cản MC về trục động cơ Giả thiết tang trống có mômen là Mt, tốc độ góc  t, hộp tốc độ có hiệu suất , tỉ số truyền i, động cơ có tốc độ góc  đ Pt = t.Mt; PC = MC. đ. Theo định luật bảo toàn năng lượng: M . M Mt.t = MC. đ.  M C  t t  t d . i. d Với  i là tỉ số truyền. t Mt MC  với MC: là mômen cản tĩnh của tang quay đã qui đổi về trục động  .i cơ. b. Qui đổi lực cản FC về trục động cơ 14
Giả thiết trọng tải G sinh ra lực FC và vận tốc chuyển động tịnh tiến là v. Tính qui đổi FC về trục động cơ. Điều kiện là giữ công suất của tải trọng không thay đổi: F .v F . Từ: Pt = FC.vt và PC = MC đ.  MC  C t  C d .  v Với t   là bán kính qui đổi. Vậy Mômen cản do tải trọng sinh ra qui đổi về d trục động cơ là: Fc MC    2.1.2 Tính qui đổi tất cả mômen quán tính về trục động cơ Giả sử: động cơ có mômen quán tính Jđ, hộp biến tốc có K bánh răng mỗi bánh răng của nó có mômen quán tính J1, J2, J3.... Jk và mỗi bánh răng quay với tốc độ  1, 2, 3.....k. Tang quay có mômen quán tính Jt, tốc độ góc  t, tải trọng có khối quán tính m, tốc độ chuyển động v. 1 1 Từ W  J t .t2 và Wqd  J qd .d2 2 2 2  J  J qd  J t . t2  2t d i 2.2. Đặc tính cơ của máy sản xuất, động cơ 2.2.1 Đặc tính cơ của máy sản xuất. Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng nhưng phần lớn chúng đều có thể biểu diễn bằng biểu thức tổng quát sau: c x MC = MC0 + (MCđm MC0)( ) cdm Trong đó: MC: mômen cản trên trục của máy sản xuất ứng với tốc độ  C. MC0: mômen cản của máy sản xuất khi không quay ( C = 0). MCđm: mômen cản định mức là mômen trên trục của máy sản xuất ứng với tốc độ góc định mức. x: những số tự nhiên đặc trưng cho từng dạng đặc tính cơ của máy sản xuất x = { 0, 1, 1, +2}  (1) ứng với: x = 0; Mc = const  Mc (1) (2) = Mcđm   c = 0. + Các cơ cấu nâng hạ hàng (3) (tời,cần trục, cần trục). + Truyền động ăn dao của máy đm cắt gọt kim loại. (2) Ứng với: x = 1 Mômen tỷ lệ bậc (4) nhất với tốc độ  c = const > 0. Trog thực tế rất ít gặp. +Là mômen cản trên trục của 0 MC0 Mđm M máy phát điện một chiều kích từ độc lập khi làm việc với phụ tải thuần trở. Hình 1.4 Đặc tính cơ của một số loại máy sản xuất 15
+Mômen cản do ma sát trượt sinh ra. (3) Ứng với: x = 2, MC tỷ lệ bậc hai với tốc độ,  C biến đổi và dương, mômen phụ tải của quạt gió của máy bơm ly tâm. (4) Ứng với x = 1, MC tỷ lệ nghịch với tốc độ, C biến đổi và âm +Mômen của truyền động chính của máy tiện, phay, khoan; +Mômen cản do ma sát nhớt sinh ra. Ngoài ra, một số cơ cấu của máy có đặc tính khác, ví dụ: Mômen phụ thuộc vào góc quay Mc = f() hoặc mômen phụ thuộc vào đường đi Mc = f(s), trong thực tế 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(, s) như các loại xe điện. Mômen phụ thuộc vào thời gian Mc = f(t), ví dụ như máy nghiền đá, quặng. 2.2.2 Đặc tính cơ của động cơ a. Khái niệm Đặc tính cơ của động cơ điện: là quan hệ giữa tốc độ quay trên trục động cơ và mômen trên trục động cơ  = f(M) Hay M = () n = f(M) M =  (n) Đặc tính cơ điện của động cơ: là quan hệ giữa tốc độ quay trên trục động cơ với dòng điện trong mạch động lực (dòng điện này tỷ lệ với phụ tải, khi tải thay đổi thì dòng cũng thay đổi). Nó cho phép ta biết được các giá trị dòng điện trong quá trình làm việc của hệ thống từ đó tính toán được các thiết bị đo lường, bảo vệ. b. Phân loại Đặc tính cơ tĩnh: là biểu thị mối quan hệ  = f(M) ở những điểm làm việc xác d lập (  0 ) của hệ thống truyền động điện. dt Mục đích: + Dùng đánh giá chất lượng tĩnh hệ thống; + Xác định điều kiện đầu (bờ) của quá trình quá độ. Đặc tính cơ động:  = f(M) ở những trạng thái không xác lập của hệ thống truyền động điện. Mục đích: đánh giá chất lượng động của hệ thống. Đặc tính cơ tự nhiên:  = f(M) với điều kiện: + Điện áp nguồn, tần số định mức. (thông số nguồn là định mức) + Sơ đồ đấu dây bình thường. (theo nhà chế tạo động cơ) + Không nối thêm điện trở và điện kháng. (các phần tử phụ bên ngoài) + Điểm làm việc định mức: Mđm,  đm Đặc tính cơ nhân tạo:  = f(M) có được khi thay đổi các thông số của nguồn, hoặc thay đổi các thông số của động cơ, hoặc thay đổi cách đấu dây, hoặc dùng thêm các phần tử phụ. c. Độ cứng đặc tính cơ Để đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ . Nó cho ta biết mức độ thay đổi của tốc độ khi mômen thay đổi. Định nghĩa 16
Độ cứng đặc tính cơ biểu thị mức độ thay đổi tốc độ trong phạm vi phụ tải thay đổi cho phép. dM   độ cứng đặc tính cơ của động d cơ. dMc c  độ cứng đặc tính cơ của d c máy sản xuất.  Vậy khi phụ tải thay đổi trong phạm vi cho phép nếu tốc độ  thay đổi ít thì người ta nói rằng đặc tính cơ đó có độ cứng lớn. 0 Hình 1.5 Xác định độ cứng M Ngược lại thì người ta gọi đặc tính cơ đó của đặc tính cơ bằng đồ thị mềm. Hệ thống truyền động điện trong phạm vi làm việc mong muốn đường đặc tính cơ  lớn (cứng) để tốc độ động cơ ổn định. Cách xác định độ cứng Để xác định độ cứng đặc tính cơ có 2 cách: Cách 1: Bằng đồ thị; Cách 2: Giải tích khi có phương trình đặc tính cơ. Ta đi vào phương pháp cụ thể là xác định độ cứng đặc tính cơ bằng đồ thị: Tại điểm A bất kỳ kẻ tiếp tuyến với điểm đó, tiếp tuyến kéo dài cắt trục tung (trục tốc độ) tạo thành góc  với quy ước chiều dương ngược chiều kim đồng hồ.  Vậy:  = tg d. Đặc tính cơ của một số động cơ a (1) thông dụng o + Đường đặc tính cơ của động (2) cơ đồng bộ là đường thẳng nằm b ngang (1): (4) (3)  = tg =  đặc tính cơ là cứng tuyệt đối (2) là đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, ta thấy  không đổi và 2 >  0  tg2 < 0 M 2 (3) là đường đặc tính của động Hình 1.6 Đặc tính cơ của một số động cơ cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, đặc tính cơ dạng đường cong   3 >  tg3 < 0   = var 2 Đối với động cơ không đồng bộ đặc tính cơ có dạng như hình (4) ta thấy  biến đổi cả về dấu và trị số. Theo dấu của  người ta chia ra thành hai đoạn cơ bản: đoạn ab có  âm gọi là đoạn làm việc, và đoạn bc có  dương gọi là đoạn không làm việc. 2.3. Các trạng thái làm việc xác lập của hệ truyền động điện 17
Trong hệ thống truyền động điện bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện cơ. Chính quá trình biến đổi năng lượng này quyết định trạng thái làm việc của truyền động điện. Ta định nghĩa dòng công suất điện có giá trị dương nếu như có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành công suất cơ Pcơ=M. cấp cho máy sản xuất. Công suất cơ này có giá trị dương nếu như mômen động cơ sinh ra có chiều cùng chiều với tốc độ quay. Ngược lại công suất 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 sinh ra ngược chiều với tốc độ quay. Mômen của máy sản suất được gọi là mômen phụ tải hay mômen cản. Nó được định nghĩa dấu () và dấu (+) ngược lại với dấu mômen của động cơ. Phương trình cân bằng công suất của hệ truyền động là: PĐ= PC + P Trong đó: PĐ: công suất điện, PC: công suất cơ, P: tổn thất công suất. Tuỳ thuộc vào biến đổi năng lượng trong hệ mà ta có trạng thái làm việc của động cơ gồm: trạng thái động cơ và trạng thái hãm. Trạng thái động cơ bao gồm chế độ có tải và không tải; Trạng thái hãm bao gồm trạng thái hãm không tải, hãm tái sinh, hãm ngược, và hãm động năng: + Hãm tái sinh: PĐ < 0; PC 0; PC 0 =0 = PĐ Động cơ không tải P PĐ >0 >0 = PĐ Có tải PC PC P PC =0
PĐ >0
Giả sử hệ thống truyền động điện có đặc tính cơ như hình 1.7. Để xét ổn định tĩnh của hệ thống truyền động điện ta có thể dựa vào đặc tính cơ của động cơ và đặc tính cơ của phụ tải. Trên hình 1.7, A là điểm làm việc xác lập với xlA, giả sử vì một lý do nào đó hệ tăng tốc lên điểm B:  = xlB xlA > 0  Mđg < 0, tương tự như vậy khi giảm tốc  < 0  Mđg > 0, hệ thống truyền động điện ổn định tại A. Một cách gần đúng, khi gia số tốc độ đủ nhỏ có thể coi đặc tính cơ của động cơ và của phụ tải là thẳng, nghĩa là thay các đặc tính cơ bằng các tiếp tuyến của chúng tại điểm xác lập. Các tiếp tuyến này tạo với trục  theo chiều dương các góc .   c= f(Mc) c= f(Mc)  3 1 = f(M) = f(M) 2 4 c= f(Mc) 0 Mc M 0 c M Hình 1.8 Điểm làm việc ổn định và không ổn định Với giả thiết trên ta có: M = .; Mc = . ; Mđg = ( c). M  đg     c  0     c  Vậy để hệ thống làm việc ổn định thì độ cứng của động cơ phải nhỏ hơn độ cứng của máy sản xuất. Trên hình 1.8 ta thấy: Tại 1: c = tg00 = 0   <  c  là điểm làm việc ổn định  = tg < 0 Tại 2: c = tg00 = 0   >  c  là điểm làm việc không ổn định  = tg > 0 Tại 3: c = tgc > 0   < c  là điểm làm việc ổn định  = tg < 0 Tại 4: c = tgc > 0   < c  là điểm làm việc ổn định  = tg > 0 2.3.2 Trạng thái động cơ và trạng thái máy phát a. Trạng thái động cơ Trạng thái mômen của động cơ cùng chiều với tốc độ nghĩa là M. > 0. Ở trạng thái này điện năng từ lưới qua động cơ sẽ biến thành cơ năng đưa ra trục động cơ. Nếu biểu diễn trên hệ tọa độ [M,  ] thì chế độ động cơ được biểu diễn ở góc phần tư thứ I và thứ III. b. Trạng thái máy phát 20