Giáo trình Truyền động điện (Nghề: Điện công nghiệp - Trình độ CĐ/TC) - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:64

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Truyền động điện gồm các nội dung chính sau: Cơ học truyền động điện; Các đặc tính và trạng thái làm việc của động cơ điện; Truyền động điện dùng động cơ một chiều kích từ độc lập hoặc song song; Truyền động điện dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp; Truyền động điện dùng động cơ không đồng bộ; Chọn công suất động cơ cho hệ truyền động điện. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Truyền động điện (Nghề: Điện công nghiệp - Trình độ CĐ/TC) - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN NGÀNH/ NGHỀ : ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ : Cao đẳng và Trung cấp (Ban hành theo Quyết định số:630/QĐ-CĐN, ngày 5 tháng 4 năm 2022 của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề An Giang) An Giang, Năm ban hành: 2022
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
LỜI MỞ ĐẦU Truyền động điện là một trong các môn học cơ sở kỹ thuật của các chuyên ngành điện công nghiệp, tự động hóa, cơ điện,...Nhằm cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản về các phương pháp điều khiển tốc độ của hệ truyền động điện, tính chọn được động cơ điện cho các hệ truyền động, phân tích được cấu tạo, nguyên lý của một số thiết bị điển hình như: soft stater, inverter, các bộ biến đổi, cũng như lựa chọn được các bộ biến đổi phù hợp với yêu cầu hệ truyền động. Với mục tiêu trên, nội dung môn học được chia thành 6 bài như sau: - Bài 1: Cơ học truyền động điện. - Bài 2: Các đặc tính và trạng thái làm việc của động cơ điện. - Bài 3: Truyền động điện dùng động cơ một chiều kích từ độc lập hoặc song song - Bài 4: Truyền động điện dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp. - Bài 5: Truyền động điện dùng động cơ không đồng bộ. - Bài 6: Chọn công suất động cơ cho hệ truyền động điện. Các bài học trên được sắp xếp theo trình tự phù hợp với nhận thức và phát triển nhận thức của người học nghề. Tuy nhiên để đạt được hiệu quả cao hơn khi đọc giáo trình này, người học cần nắm vững các kiến thức cơ bản của các môn học cơ sở khác, đặc biệt là các môn như: máy điện, mạch điện, điện tử công suất, trang bị điện. Giáo trình cung cấp kiến thức cơ bản làm cơ sở để phát triển nhận thức của người học. Tuy nhiên trong các bài giảng cần tăng cường liên hệ, so sánh với các cơ cấu sản xuất, các hệ thống truyền động trong công nghiệp để người học có cái nhìn tổng thể hơn. Trong quá trình biên soạn, mặc dù đã cố gắng tham khảo nhiều tài liệu và giáo trình khác nhưng tác giả không khỏi tránh được những thiếu sót và hạn chế. Tác giả chân thành mong đợi những nhận xét, đánh giá và góp ý để cuốn giáo trình ngày một hoàn thiện hơn. An Giang, ngày 15 tháng 05 năm 2021 Tác giả biên soạn Lý Đa Tạo 1
MỤC LỤC Đề mục Trang LỜI MỞ ĐẦU 1 MỤC LỤC 2 CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 3 BÀI 1: CƠ HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 8 BÀI 2: CÁC ĐẶC TÍNH VÀ TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 16 BÀI 3: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP HOẶC SONG SONG 29 BÀI 4: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP 40 BÀI 5: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 43 BÀI 6: CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 50 2
CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Mã môn học: MH 19 Thời gian thực hiện môn học: 60 giờ (Lý thuyết: 45 giờ, thực hành, thí nghiệm, thảo luận: 0 giờ, bài tập: 12 giờ, kiểm tra: 3 giờ). I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔN HỌC 1. Vị trí: Môn học này học sau các môn học, mô đun: mạch điện, trang bị điện, máy điện. 2. Tính chất: là môn học cung cấp kiến thức về hệ thống truyền động điện, đọc hiểu và xây dựng được các sơ đồ tự động dùng rờ le, contactor,...của hệ thống truyền động điện. II. MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC 1. Về kiến thức: - Nhận dạng được tổ hợp các thiết bị điện cơ trong hệ truyền động điện. - Trình bày được nguyên tắc và biện pháp điều khiển tốc độ của hệ truyền động điện. - Tính chọn được động cơ điện cho hệ truyền động không điều chỉnh. - Phân tích được cấu tạo, nguyên lý của một số thiết bị điển hình như: soft stater, inverter, các bộ biến đổi. 2. Về kỹ năng: - Kết nối mạch điều khiển tốc độ của các loại động cơ điện một chiều và xoay chiều. - Kết nối mạch điều khiển, vận hành hệ thống truyền động điện. - Tính toán các thông số kỹ thuật trong chọn lựa động cơ điện và bộ điểu khiển 3. Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: - Ứng dụng vận hành, sửa chữa hệ thống truyền động điện trong thực tế công việc. III. NỘI DUNG MÔN HỌC 1. Nội dung tổng quát và phân bố thời gian: Thời gian (giờ) Thực hành, thí TT Tên chương, mục Tổng Lý nghiệm, Kiểm số thuyết thảo tra luận, bài tập 1 Bài 1: Cơ học truyển động điện 4 4 2 Bài 2: Các đặc tính cơ và trạng thái làm việc 8 8 của động cơ điện 3 Bài 3: Truyền động điện dùng động cơ một 12 8 3 1 chiều kích từ độc lập/song song Kiểm tra định kỳ lần 1 1 4 Bài 4: Truyển động điện dùng động cơ một 8 6 2 chiều kích từ nối tiếp 5 Bài 5: Truyền động điện dùng động cơ không 12 8 3 1 đồng bộ Kiểm tra định kỳ lần 2 1 6 Bài 6: Chọn công suất động cơ cho hệ truyển 16 11 4 1 động điện Kiểm tra định kỳ lần 3 1 3
Cộng 60 45 12 3 2. Nội dung chi tiết: Bài 1: Cơ học truyền động điện. Thời gian: 4 giờ A. Mục tiêu: - Nhận dạng được các khâu cơ khí cơ bản của hệ truyền động điện. - Tính toán qui đổi mô men cản, lực cản, mô men quán tính về trục động cơ. - Xây dựng được phương trình chuyển động của hệ truyền động điện. - Phân biệt được các trạng thái làm việc của hệ truyền động điện. B. Nội dung: I. Phụ tải và phần cơ của truyền động điện. II. Các khâu cơ khí của truyền động điện, tính toán qui đổi các khâu cơ khí của truyền động điện. III. Đặc tính cơ của máy sản xuất, động cơ. IV. Các trạng thái làm việc xác lập của hệ truyền động điện. Bài 2: Các đặc tính cơ và trạng thái làm việc của động cơ điện Thời gian: 8 giờ A. Mục tiêu: - Thành lập được phương trình và vẽ được dạng đặc tính cơ, cơ điện của các động cơ điện một chiều (DC), động cơ điện không đồng bộ, động cơ điện đồng bộ. - Lập được bảng so sánh các trạng thái làm việc, phạm vi ứng dụng có thể có của các động cơ dùng trong truyền động điện. B. Nội dung: I. Đặc tính của động cơ điện DC, các trạng thái khởi động và hãm. II. Đặc tính của động cơ điện không đồng bộ, các trạng thái khởi động và hãm. III. Đặc tính của động cơ điện đồng bộ, các trạng thái khởi động và hãm. Bài 3: Truyền động điện dùng động cơ một chiều kích từ độc lập/song song. Thời gian: 12 giờ A. Mục tiêu: - Dựa vào phương trình đặc tính cơ, xây dựng các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập/song song. - Kết nối mạch điều khiển cho ứng dụng thực tế. B. Nội dung: I. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. II. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông. III. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng. IV. Kết nối ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập/song song Kiểm tra định kỳ lần 1 Thời gian: 1 giờ Bài 4: Truyền động điện dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp. Thời gian: 8 giờ A. Mục tiêu: - Dựa vào phương trình đặc tính cơ, xây dựng các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ nối tiếp. 4
- Kết nối mạch điều khiển cho ứng dụng thực tế. B. Nội dung: I. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. II. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng. III. Kết nối ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ nối tiếp. Bài 5: Truyền động điện dùng động cơ không đồng bộ. Thời gian: 12 giờ A. Mục tiêu: - Dựa vào phương trình đặc tính cơ, xây dựng các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ. - Kết nối mạch điều khiển cho ứng dụng thực tế. B. Nội dung: I. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp stator. II. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch rotor. III. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực p. IV. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số. V. Kết nối ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ. Kiểm tra định kỳ lần 2 Thời gian: 1 giờ Bài 6: Chọn công suất động cơ cho hệ truyền động điện. Thời gian: 16 giờ A. Mục tiêu: - Chọn đúng công suất động cơ cho những truyền động không điều chỉnh tốc độ. - Chọn gần đúng công suất động cơ cho những truyền động có đIều chỉnh tốc độ. - Kiểm nghiệm công suất động cơ sau khi đã chọn cho phù hợp với máy sản xuất theo nguyên lý phát nhiệt của máy điện. - Kết nối ứng dụng dùng soft starter và các mạch bảo vệ động cơ. B. Nội dung: I. Phương pháp chọn động cơ truyền động cho tải theo nguyên lý phát nhiệt. II. Chọn công suất động cơ cho truyền động không điều chỉnh tốc độ. III. Chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ. IV. Kiểm nghiệm công suất động cơ. V. Khởi động và dừng mềm dùng soft starter. VI. Các mạch bảo vệ (bảo vệ mất pha, bảo vệ đảo thứ tự pha, bảo vệ quá áp, bảo vệ thấp áp, bảo vệ quá nhiệt). Kiểm tra định kỳ lần 3 Thời gian: 1 giờ IV. ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN MÔN HỌC 1. Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: 2. Các điều kiện khác: - PC, máy chiếu,.. 3. Trang thiết bị, máy móc: - Các mô hình mô phỏng điều khiển hệ thống truyền động điện - Các động cơ điện một chiều, xoay chiều. - Bộ khởi động mềm, biến tần, bộ bảo vệ động cơ,... 4. Học liệu, dụng cụ, nguyên liệu: - Dụng cụ thực hành điện, dây điện, contactor, rờ le, nút nhấn,... 5
V. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ 1. Nội dung: - Về kiến thức: + 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... - Về kỹ năng: + 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. + Xử lý các lỗi trong các bộ điều khiển truyền động. + Kết nối dây và điều khiển được các loại động cơ khác nhau trong mô hình thí nghiệm. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Rèn luyện được tính cẩn thận, chính xác, chủ động trong công việc. 2. Phương pháp: Áp dụng hình thức kiểm tra tự luận. Các nội dụng trọng tâm cần kiểm tra là: - Xây dựng phương trình đặc tính cơ của các loại động cơ. - Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện. - Tính chọn công suất động cơ phù hợp với phụ tải. - Kết nối điều khiển được hệ thống trong mô hình thí nghiệm. VI. HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN MÔN HỌC 1. Phạm vi áp dụng môn hoc: - Chương trình môn học này được sử dụng để giảng dạy cho trình độ Cao đẳng. 2. Hướng dẫn về phương pháp giảng dạy, học tập môn học: - Trước khi giảng dạy, giáo viên cần căn cứ vào nội dung của từng bài học để chuẩn bị đầy đủ các điều kiện cần thiết nhằm đảm bảo chất lượng giảng dạy. - Nên áp dụng phương pháp đàm thoại để Học viên ghi nhớ kỹ hơn. - Khi giải bài tập, làm các bài thực hành... Giáo viên hướng dẫn, thao tác mẫu và sửa sai tại chỗ cho Học viên. - Nên sử dụng các mô hình, học cụ mô phỏng để minh họa các bài tập ứng dụng các hệ truyền động điện, các loại thiết bị điều khiển. 3. Những trọng tâm cần chú ý: - Các đặc tính làm việc, khởi động, hãm của các loại động cơ. - Các phương pháp điều chỉnh, ổn định tốc độ truyền động điện. - Cấu tạo, nguyên lý, nhận dạng các thiết bị điều khiển: biến tần, khởi động mềm, bộ bảo vệ động cơ... - Sửa chữa một số hư hỏng thường gặp. 4. Tài liệu tham khảo: - Truyền động điện, Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Nguyễn Thị Hiền, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2013. - Cơ sở truyền động điện tự động, Bùi Đình Tiếu - Phạm Duy Nhi, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2008. - Cơ sở truyền động điện tự động, Nguyễn Xuân Phú - Nguyễn Công Hiền - Nguyễn Bội Khê, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 1998. 6
- Trang bị điện – điện tử, Vũ Quang Hồi – Nguyễn Văn Chất – Nguyễn Thị Liên Anh, NXB Giáo dục, Hà Nội 2011. - Phân tích tổng hợp hệ thống điều khiển tự động truyền động điện, Trịnh Đình Đề, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 1996. - Các sách báo và tạp chí về điện. 5. Ghi chú và giải thích (nếu có). 7
BÀI 1: CƠ HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Mục tiêu của bài: - Nhận dạng được các khâu cơ khí cơ bản của hệ truyền động điện. - Tính toán qui đổi mô men cản, lực cản, mô men quán tính về trục động cơ. - Xây dựng được phương trình chuyển động của hệ truyền động điện. - Phân biệt được các trạng thái làm việc của hệ truyền động điện. I. Phụ tải và phần cơ của truyền động điện 1. Định nghĩa hệ thống truyền động điện Hệ truyền động điện là tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử,… phục vụ cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công tác trên các máy sản xuất. 2. Phụ tải của truyền động điện Phụ tải hay chính là cơ cấu công tác của hệ truyền động điện. Phụ tải của hệ truyền động điện rất đa dạng. Tính chất của mỗi loại phụ tải khác nhau sẽ tạo nên những hệ truyền động điện khác nhau. Đặc trưng cho phụ tải của hệ truyền động điện là sự hình thành mômen cản tác động lên trục động cơ. Mỗi cơ cấu công tác khác nhau sẽ tạo ra mômen cản khác nhau, ví dụ như: mômen cản thế năng, mômen cản phản kháng,... a. Lực cản và mômen cản Lực cản và mômen cản bao gồm 4 thành phần chính: Fc  F1  F2  F3  F4 và M c  M1  M 2  M 3  M 4 Trong đó: F1, M1 thành phần hữu ích do công tiêu thụ trên bộ phận làm việc sinh ra. F2, M2 thành phần ma sát cơ khí. F3, M3 thành phần ma sát dính do các bộ phận làm việc chuyển động trong chất lỏng tạo ra. F4, M4 thành phần lực cản và mômen cản sinh ra do các chuyển động đặc biệt. b. Phân loại phụ tải của truyền động điện + Mômen cản phụ thuộc vào chiều chuyển động - Mômen phản kháng: là loại mômen mà chiều của nó luôn chống lại chiều chuyển động như mômen ma sát trên trục các máy sản xuất. Qui ước chiều âm của mômen trùng chiều dương của tốc độ. - Mô men cản thế năng: là loại mômen cản do tải trọng sinh ra trong các máy 8
nâng hạ, tời, cần trục. Loại mômen cản này có chiều không phụ thuộc vào chiều chuyển động. + Mômen cản phụ thuộc trị số tốc độ - Mômen cản không phụ thuộc tốc độ. - Mômen cản tỉ lệ bậc nhất với tốc độ. - Mômen cản tỉ lệ bậc hai với tốc độ. - Mômen cản tỉ lệ nghịch với tốc độ. + Mômen cản phụ thuộc vào góc quay + Mômen cản phụ thuộc vào hành trình + Mômen cản phụ thuộc vào thời gian - Phụ tải dài hạn không đổi. - Phụ tải dài hạn biến đổi liên tục. - Phụ tải thay đổi đột biến. - Phụ tải ngắn hạn. - Phụ tải ngắn hạn lặp lại. 3. Phần cơ của truyền động điện Phần cơ của hệ truyền động điện bao gồm các phần tử chuyển động từ rotor động cơ cho đến các cơ cấu công tác. Mỗi phần tử chuyển động được đặc trưng bởi các đại lượng sau: - Lực tác động F (N) - Mômen tác động M (N.m) - Tốc độ góc  (rad/s) - Tốc độ thẳng v (m/s) - Mômen quán tính J (kg.m2) - Khối lượng m (kg) II. Các khâu cơ khí của truyền động điện, tính toán qui đổi các khâu cơ khí của truyền động điện 1. Các khâu cơ khí của truyền động điện Các khâu cơ khí của truyền động điện là những cơ cấu dùng để truyền cơ năng từ động cơ đến các bộ phận công tác của máy. Thông thường có biến đổi tốc độ, lực, hoặc mômen, nhưng đôi khi có biến đổi cả đặc tính và qui luật chuyển động. Có thể chia làm 2 nhóm chính: - Truyền động bằng ma sát: truyền động bánh ma sát (tiếp xúc trực tiếp), truyền động đai (tiếp xúc giáp tiếp). - Truyền động bằng ăn khớp: truyền động bánh răng, truyền động trục vít, bánh vít (tiếp xúc trực tiếp), truyền động xích (tiếp xúc gián tiếp). 2. Tính toán qui đổi các khâu cơ khí của truyền động điện 9
a. Đặt vấn đề Một hệ thống truyền động điện bao gồm nhiều phần tử cơ khí cấu tạo nên, chúng chuyển động với các tốc độ khác nhau tạo thành một sơ đồ động học phức tạp. Các mômen và lực tác động lên hệ thống có các điểm đặt khác nhau. Vì vậy muốn tính chọn được công suất của động cơ hay viết các phương trình cân bằng lực,... ta phải quy đổi các đại lượng này về trục động cơ. b. Mômen và lực qui đổi Quan niệm về sự tính toán qui đổi như việc dời điểm đặt từ trục này vể trục khác của mômen hay lực có xét đến tổn thất ma sát trong bộ truyền lực. Thường qui đổi mômen cản Mc (hay lực cản Fc) của bộ phận làm việc về trục động cơ. Điều kiện qui đổi: đảm bảo cân bằng công suất trong phần cơ hệ truyền động điện. Hình 1.1: Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ Số 1 động cơ điện Số 2 hộp tốc độ Số 3 tang trống quay Số 4 tải trọng + Khi năng lượng truyền từ động cơ đến máy sản xuất: Ptr = Pc +P Trong đó: Ptr công suất trên trục động cơ, Ptr = Mcqđ.đ Mcqđ mômen cản tĩnh qui đổi đ tốc độ góc trên trục động cơ Pc công suất của máy sản xuất, Pc = Mlv.lv Mlv mômen cản trên trục làm việc lv tốc độ góc trên trục làm việc 10
P tổn thất trong các khâu cơ khí * Nếu tính theo hiệu suất hộp tốc độ đối với chuyển động quay: P M . Ptr  c  lv lv  M cqđ .đ i i M lv .lv M lv Rút ra: M cqđ   i .đ i .i i hiệu suất hộp tốc độ đ i gọi là tỉ số truyền của hộp tốc độ lv * Nếu chuyển động tịnh tiến thì lực qui đổi: Flv M cqđ   . Trong đó: =t.i hiệu suất bộ truyền lực t hiệu suất của tang trống đ  gọi là tỉ số qui đổi vlv + Khi năng lượng truyền từ máy sản xuất đến động cơ: Ptr = Pc - P (Tương tự như khi năng lượng truyền từ động cơ đến máy sản xuất) c. Qui đổi mômen quán tính và khối lượng quán tính Điều kiện qui đổi: bảo toàn động năng tích lũy trong hệ thống n W  Wi 1 1 Chuyển động quay: W J . 2 2 1 Chuyển động tịnh tiến: W m.v 2 2 đ2 đ2 n i2 q v 2j Ta có: J qđ  Jđ   Ji  mj 2 2 1 2 1 2 q n Ji mj Suy ra: J qđ  J đ   2   2 1 ii 1 j Trong đó: Jqđ mômen quán tính qui đổi về trục động cơ đ tốc độ góc trên trục động cơ Jđ mômen quán tính của động cơ Ji mômen quán tính của bánh răng thứ i 11
mj khối lượng của tải trọng thứ j đ i tỉ số truyền tốc độ từ trục i đ  tỉ số qui đổi vận tốc của tải trọng vj III. Đặc tính cơ của máy sản xuất, động cơ 1. 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() Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biểu diễn dưới dạng biểu thức tổng quát:   M c  M co  ( M đm  M co )( ) đm Trong đó: Mc mômen ứng với tốc độ  Mco mômen ứng với tốc độ =0 Mđm mômen ứng với tốc độ định mức đm Hình 1.2: Đặc tính cơ của một số máy sản xuất Ta có các trường hợp số mũ  ứng với các tải: + Khi  = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng các cơ cấu hình máy tiện, doa, máy cuốn dây, cuốn giấy,… (đường 4). Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làm việc càng thấp thì mômen cản (lực cản) càng lớn. + Khi  = 0, Mc = Mđm = const, tương ứng các cơ cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang máy, băng tải,… (đường 1). + Khi  = 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 2). 12
+ Khi  = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạt gió, máy nén,… (đường 3). Ngoài ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác như: mômen phụ thuộc vào góc quay, mômen phụ thuộc vào số vòng quay và đường đi, mômen phụ thuộc vào thời gian. 2. Đặc tính cơ của động cơ Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ: M = f() Thường phân biệt 2 loại đặc tính cơ: a. 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. Như vậy mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên. b. Đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính cơ điều chỉnh: là đặc tính cơ nhận được khi có sự thay đổi một trong các thông số nào đó của nguồn, của động cơ hoặc nối thêm thiết bị phụ trợ vào mạch, hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt. Mỗi động cơ có thể có nhiều đặc tính cơ nhân tạo. c. Độ cứng đặc tính cơ: đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái M M niệm “độ cứng đặc tính cơ” và được tính:   , nếu đặc tính cơ tuyến tính thì:     + Động cơ không đồng bộ có độ cứng đặc tính cơ thay đổi giá trị (> 0, < 0). + Động cơ đồng bộ có đặc tính cơ tuyệt đối cứng (  ). + Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ cứng (  40). + Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ mềm (  10). IV. Các trạng thái làm việc xác lập của hệ truyền động 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: TT Biểu đồ công suất Pđiện Pcơ P Trạng thái làm việc 1 0 =0 = Pđ - Động cơ không tải 13
2 0 >0 = Pđ - P c - Động cơ có tải 3 =0
Pc công suất cơ P tổn thất công suất Trạng thái động cơ gồm: chế độ có tải và chế độ không tải. Trạng thái động cơ phân bố ở góc phần tư I, III của mặt phẳng (,M). Trạng thái hãm có: hãm không tải, hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng. Trạng thái hãm ở góc II, IV của mặt phẳng (,M). Hãm tái sinh: Pđiện < 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành điện năng trả về lưới. Hãm ngược: Pđiện > 0 , Pcơ < 0, điện năng và cơ năng chuyển thành tổn thất P. Hãm động năng: Pđiện = 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành công suất tổn thất P. * Các trạng thái làm việc trên mặt phẳng (,M) Trạng thái động cơ: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư I và góc phần tư III của mặt phẳng (,M), (hình 1.3). Trạng thái máy phát: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư II và góc phần tư IV của mặt phẳng (,M), (hình 1.3). Hình 1.3: Trạng thái làm việc của truyền động điện trong góc phần tư đặc tính cơ 15
BÀI 2: CÁC ĐẶC TÍNH VÀ CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Mục tiêu của bài: - Thành lập được phương trình và vẽ được dạng đặc tính cơ điện của các động cơ điện một chiều (DC), động cơ điện không đồng bộ, động cơ điện đồng bộ. - Thành lập phương trình đặc tính cơ, các trạng thái làm việc của các động cơ: một chiều, không đồng bộ, đồng bộ. - Thành lập được bảng so sánh các trạng thái làm việc, phạm vi ứng dụng có thể có của các động cơ dùng trong truyền động điện. I. Đặc tính của động cơ điện DC, các trạng thái khởi động và hãm 1. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập và song song Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song (hình 2.1) Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập (hình 2.2) Hình 2.1: Sơ đồ nối dây của động cơ Hình 2.2: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song kích từ độc lập a. Phương trình đặc tính cơ Theo sơ đồ hình 2-2 ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng: Uư = Eư + Iư.(Rư+Rp) (2-1) Trong đó: Uư điện áp phần ứng (V) Eư sức điện động phần ứng (V) Rư điện trở của mạch phần ứng (  ) 16
Rp điện trở phụ trong mạch phần ứng (  ) Iư dòng điện trong mạch phần ứng (A) Với: Rư = rư + rcf + rb + rct rư điện trở cuộn dây phần ứng rcf điện trở cuộn cực từ phụ rb điện trở cuộn bù rct điện trở tiếp xúc của chổi điện Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức: p.N Eu  . .  K . . (2-2) 2. .a Trong đó: p số đôi cực từ chính N số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng  từ thông kích từ dưới một cục từ (Wb)  tốc độ góc (rad/s) 2 .n n n tốc độ quay (vòng/phút)   60 9,55 pN K : Hệ số cấu tạo của động cơ 2a Từ (2-1) và (2-2) ta có: U u Ru  R p   .I u (2-3) K . K . Biểu thức (2-3) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định: Mđt = K  Iư (2-4) M dt Suy ra: Iư = K Thay giá trị Iư vào (2-3) ta được: U u Ru  Rp   .M dt (2-5) K . ( K . ) 2 Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ Mc bằng mômen điện từ: Mđt = Mc = M. U u Ru  Rp   M (2-6) K ( K)2 Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 17
b. Vẽ đặc tính cơ tự nhiên Vì đặc tính cơ của động cơ là đường thẳng nên khi vẽ ta chỉ cần xác định 2 điểm của đường thẳng. Ta thường chọn: điểm không tải lý tưởng và điểm định mức. * Đặc tính cơ điện tự nhiên: U dm + Điểm thứ nhất: Iư = 0,   0  Kdm + Điểm thứ hai: I = Iđm,  = đm * Đặc tính cơ tự nhiên: + Điểm thứ nhất: M = 0,  = 0 + Điểm thứ hai: M = Mđm,  = đm Hình 2.3: Cách vẽ đặc tính cơ điện tự nhiên (a) và đặc tính cơ tự nhiên (b) của động cơ một chiều kích từ độc lập c. Trạng thái khởi động Nếu khởi động động cơ bằng phương pháp đóng trực tiếp thì dòng khởi động ban đầu rất lớn: I kđ  U đm R  (10  20) I đm . Như vậy, nó có thể đốt nóng động cơ, hoặc làm cho u sự chuyển mạch khó khăn, hoặc sinh ra lực điện động lớn làm phá hủy quá trình cơ học của máy. Để đảm bảo an toàn cho máy, thường chọn: I kđ  I nm  I cp  2,5 I đm Do đó, người ta thường mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắt đầu khởi động, và sau đó loại dần chúng ra để đưa tốc độ động cơ lên xác lập. U đm I kđ'  I nm '   ( 2  2,5) I đm  I cp Ru  R p d. Các trạng thái hãm Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều tốc độ quay. Trong tất cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát. 18