Đề cương môn học truyền động điện

+ Khảo sát được quá trình quá độ của HT-TĐĐTĐ với các thông số của hệ hoặc của phụ tải. + Tính chọn các phương án truyền động và nắm được nguyên tắc cơ bản để chọn công suất động cơ điện. + Trình bày được các nguyên tắc cơ bản điều khiển tự động HT-TĐĐTĐ. + Phân tích và đánh giá được các mạch điều khiển tự động điển hình của các máy hoặc hệ thống đã có sẵn. + Trình bày được nguyên tắc làm việc của phần tử điều khiển logic. + Tổng hợp được một số mạch điều khiển logic. + Thiết kế được các mạch điều khiển tự động của các máy hoặc hệ thống theo yêu cầu công nghệ. Chương 1 KHÁI NIỆM, CƠ SỞ ĐỘNG HỌC VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA HT TĐĐ 1.1 CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG (TĐĐ TĐ) 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 tổ hợp các thiết bị điện, điện tử, v.v. phục vụ cho cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công tác trên các máy sản suất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ. * 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. Phân loại hệ thống truyền động điện tự động: - Truyền động điện không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định. - Truyền động có điều chỉnh: tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh mô men, lực kéo, và hệ truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí. Trong hệ này có thể là hệ truyền động điện tự động nhiều động cơ. - Theo cấu trúc và tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động điện tự động điều khiển số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện tự động điều khiển theo chương trình ... - Theo đặc điểm truyền động ta có hệ truyền động điện tự động động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều, động cơ bước, v.v. - Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động không tự động và hệ truyền động điện tự động. - Ngoài ra, còn có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v. 1.2 CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CƠ BẢN CỦA HT TĐĐ. 1.2.1 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(w) + Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biếu diễn dưới dạng biểu thức tổng quát: Trong đó: Mc - mômen ứng với tốc độ w Mco - mômen ứng với tốc độ w= 0. Mđm - mômen ứng với tốc độ định mức w đm a) b) c) Hình 1.2: a) Đặc tính cơ của một số MSX. b) Dạng đặc tính cơ của một số MSX có tính thế năng. c) Dạng đặc tính cơ của một số MSX có tính phản kháng. + Ta có các trường hợp số mũ a ứng với các tải: - Khi a = -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 a = 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, ... (hình 1-2. đường 1) - Khi a = 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). - Khi q = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạy gió, máy nén, (đường 3) + Ngoài ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác, như: - Mômen phụ thuộc vào góc quay Mc = f(j);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(w,s) như các loại xe điện. - Mômen phụ thuộc vào thời gian Mc = f(t) như máy nghiền đá, nghiền quặng. Trên hình 1-2b biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng thế năng. Trên hình 1-2c biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng phản kháng. 1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện: Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ: M = f(w) * 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. 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, 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 tính: nếu đặc tính cơ tuyến tính thì: Hoặc theo hệ đơn vị tương đối: là lượng sai phân của mômen DM và Dw. Hình 1.3: Độ cứng đặc tính cơ. + Động cơ không đồng bộ có độ cứng đặc tính cơ thay b đổi giá trị (b> 0, b< 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 (b ³ 40). + Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ mềm (b £ 10). 1.2.3 TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA HỆ TĐĐ TĐ. + 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 D P Trạng thái làm việc 1 0 = 0 = Pđiện - Động cơ không tải 2 0 > 0 = Pđ - Pc - Động cơ có tải 3 = 0 < 0 =½Pcơ ½ - Hãm không tải 4 < 0 < 0 =½Pc - Pđ½ - Hãm tái sinh 5 > 0 > 0 =½Pc + Pđ½ - Hãm ngược 6 = 0 = 0 = ½Pcơ ½ - Hãm động năng 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. w 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 máy sản xuất được gọi là mômen phụ tải hay mômen cản. Nó cũng được định nghĩa dấu âm và dương, ngược lại với dấu mômen của động cơ. + Phương trình cân bằng công suất của hệ TĐĐ TĐ là: Pđ = Pc + DPđ Trong đó: Pđ là công suất điện; Pc là công suất cơ; DP là 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 w (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 w(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 DP. - Hãm động năng: Pđiện = 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành công suất tổn thất DP. * Các trạng thái làm việc trên mặt phẳng [M, w ]: Trạng thái động cơ: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư thứ nhất và góc phần tư thứ ba của mặt phẳng [M, w] hình 1. 4. Trạng thái máy phát: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư thứ hai và góc phần tư thứ tư của mặt phẳng [M, w ], hình 1. 4. Hình 1.4: Trạng thái làm việc của truyền động điện trong góc phần tư đặc tính cơ. 1.2.4 TÍNH ĐỔI CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ HỌC 1.2.4.1 Mômen và lực quy đổi. + Quan niệm về sự tính đổi như việc dời điểm đặt từ trục này về trục khác của mômen hay lực có xét đến tổn thất ma sát ở trong bộ truyền lực. Thường quy đổi mômen cản Mc, (hay lực cản Fc) của bộ phận làm việc về trục động cơ. + Điều kiện quy đổi: đảm bảo cân bằng công suất trong phần cơ của hệ TĐĐ TĐ: - Khi năng lượng truyền từ động cơ đến máy sản xuất: Ptr = Pc +DP (1-5) Trong đó: Ptr là công suất trên trục động cơ, Ptr = Mcqđ.wđ (Mcqđ và wđ -mômen cản tĩnh quy đổi và tốc độ góc trên trục động cơ). Pc là công suất của máy sản xuất, Pc = Mlv. wlv (Mlv và wlv - mômen cản và tốc độ góc trên trục làm việc). DP là tổn thất trong các khâu cơ khí. * Nếu tính theo hiệu suất hộp tốc độ đối với chuyển động quay: Rút ra: hi - hiệu suất của hộp tốc độ. Trong đó: gọi là tỷ số truyền của hộp tốc độ. * Nếu chuyển động tịnh tiến thì lực quy đổi: Trong đó: h = ht. hi hiệu suất bộ truyền lực. ht hiệu suất của tang trống r= gọi là tỷ số quy đổi - Khi năng lượng truyền từ máy sản xuất đến động cơ: Ptr = Pc -DP (tự chứng minh). 1.2.4.2 Quy đổi mômen quán tính và khối lượng quán tính: + Điều kiện quy đổi: bảo toàn động năng tích luỹ trong hệ thống: Chuyển động quay: Chuyển động tịnh tiến: Nếu sử dụng sơ đồ tính toán phần cơ dạng đơn khối, và áp dụng các điều kiện trên ta có: Trong đó: Jqđ - mômen quán tính quy đổi về trục động cơ. wđ - tốc độ góc trên trục động cơ. Jđ - mômen quán tính của động cơ. Jk - mômen quán tính của bánh răng thứ k. mj - khối lượng quán tính của tải trọng thứ j. i=wk/wđ - tỉ số truyền tốc độ từ trục. r= w/v - tỉ số quy đổi vận tốc của tải trọng. 1.2.5 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA HỆ TĐĐ TĐ + Là quan hệ giữa các đại lượng (w, n, L, M, ...) với thời gian: Dạng tổng quát: + Nếu coi mômen do động cơ sinh ra và mômen cản ngược chiều nhau, và J = const, thì ta có phương trình dưới dạng số học: w (Rad/s); Theo hệ đơn vị SI: M(N.m); J(kg.m2); t(s). Theo hệ kỹ thuật: M(KG.m); GD(KG.m2); n(vg/ph); t(s): M−Mc = Theo hệ hỗn hợp: M(N.m); J(kg.m2); n(vg/ph); t(s): M−Mc = Mômen động: Mđg = M−Mc = J (1...) Từ phương trình (1-..) ta thấy rằng: - Khi Mđg > 0 hay M > Mc , thì: > 0 ® hệ tăng tốc - Khi Mđg < 0 hay M < Mc , thì: < 0 ® hệ giảm tốc. - Khi Mđg = 0 hay M = Mc , thì: = 0 ® hệ làm việc xác lập, hay hệ làm việc ổn định: w = const. * Nếu chọn và lấy chiều của tốc độ w làm chuẩn thì: M(+) khi M .w¯¯ và M(-) khi Mw­­ ; Còn Mc(+) khi Mcw¯­ ; Mc(-) khi Mc w¯­. Hình 9: Minh họa điểm làm việc ổn định. 1.2.6 ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ TĐĐ TĐ Như phần trước đã nêu, điểm làm việc ổn định là giao của hai đặc tính cơ của cơ của động cơ và của cơ cấu sản xuất: M(w) và Mc(w). Tuy nhiên, không phải bất kỳ điểm làm việc nào như vậy của động cơ với các loại tải cũng là các điểm làm việc ổn định, mà đó mới chỉ là điều kiện cần, điều kiện đủ là điểm giao nhau đó phải thỏa mãn điều kiện ổn định, người ta gọi là ổn định tĩnh hay là sự làm việc phù hợp giữa động cơ với tải. Để xác định điều kiện đó, ta dựa vào phương trình động học tại giao điểm: Suy ra, điều kiện để ổn định là: (1-22) Hay: (1- 23) Hình 10: Minh họa cách xét điểm làm việc ổn định. Vậy, điều kiện cần và đủ để hệ thống truyền động điện làm việc ổn định tại một điểm là: Tại điểm đó phải thỏa mãn đồng thời hai điều kiện: Điều kiện 1: MĐ – Mc = 0 Điều kiện 2: bĐ - bc < 0 Ví dụ: Xét xem điểm A có phải là điểm làm việc ổn định không? Theo hình vẽ trên, dễ nhận thấy: - Điểm A thỏa mãn điều kiện cần: Tại A: Xét điều kiện đủ: Þ Vậy: - Kết luận: Điểm A không thỏa mãn điều kiện đủ, A không phải là điểm làm việc ổn định. Câu hỏi ôn tập 1. Chức năng và nhiệm vụ của hệ thống truyền động điện là gì ? 2. Có máy loại máy sản xuất và cơ cấu công tác ? 3. Hệ thống truyền động điện gồm các phần tử và các khâu nào ? Lấy ví dụ minh họa ở một máy sản xuất mà các anh (chị) đã biết ? 4. Mômen cản hình thành từ đâu? Đơn vị đo lường của nó ? Công thức quy đổi mômen cản từ trục của cơ cấu công tác về trục động cơ ? 5. Mômen quán tính là gì ? Đơn vị đo lường của nó ? Công thức tính quy đổi mômen quán tính từ tốc độ wi nào đó về tốc độ của trục động cơ w? 6. Thế nào là mômen cản thế năng? Đặc điểm của nó thể hiện trên đồ thị theo tốc độ ? Lấy ví dụ một cơ cấu có mômen cản thế năng. 7. Thế nào là mômen cản phản kháng? Lấy ví dụ một cơ cấu có mômen cản phản kháng. 8. Định nghĩa đặc tính cơ của máy sản xuất. Phương trình tổng quát của nó và giải tích các đại lượng trong phương trình ? 9. Hãy vẽ đặc tính cơ của các máy sản xuất sau: máy tiện; cần trục, máy bào, máy bơm. 10. Viết phương trình chuyển động cho hệ truyền động điện có phần cơ dạng mẫu cơ học đơn khối và giải thích các đại lượng trong phương trình ? 11. Dùng phương trình chuyển động để phân tích các trạng thái làm việc của hệ thống truyền động tương ứng với dấu của các đại lượng M và Mc ? 12. Định nghĩa đặc tính cơ của động cơ điện ? 13. Định nghĩa độ cứng đặc tính cơ ? Có thể xá định độ cứng đặc tính cơ theo những cách nào ? 14. Phân biệt các trạng thái động cơ và các trạng thái hãm của động cơ điện bằng những dấu hiệu nào? Lấy ví dụ thực tế về trạng thái hãm của động cơ trên một cơ cấu mà anh (chị) đã biết ? 15. Chiều của dòng năng lượng sẽ như thế nào khi động cơ làm việc ở trạng thái động cơ ? 16. Chiều của dòng năng lượng sẽ như thế nào khi động cơ làm việc ở trạng thái máy phát ? 17. Điều kiện ổn định tĩnh là gì ? Phân tích một điểm làm việc xác lập ổn định tĩnh trên tọa độ [M.w] và [Mc, w]? Chương 2 CÁC ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN *Khái niệm chung. * Đặc tính cơ của động cơ điện: Quan hệ giữa tốc độ và mômen cơ ở đầu trúc động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ điện: w = f(M) hay n = f(M) hoặc ngược lại. * Đặc tính cơ của máy sản xuất: Đặc tính cơ của MSX là mối quan hệ giữa tốc độ quay của MSX (wc, nc) và mômen của nó (Mc): nc = f(Mc) (Mc = f(nc) hay wc = f(Mc) (Mc = f(wc). * Đặc tính cơ điện: Quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch phần ứng động cơ: w = f(I) hay n = f(I) hoặc ngược lại. Đơn vị tính: w(Rad/s); n(vòng/phút); M, Mc(N.m). Quy đổi: hay . * Biểu diễn các đại lượng trong hệ đơn vị tương đối: Cách biểu diễn các đại lượng như trên được gọi là biểu diễn các đại lượng trong hệ đơn vị tuyệt đối (hệ đơn vị có tên, các đại lượng đều có thứ nguyên). Trong nhiều trường hợp, cách biểu diễn này tỏ ra không thuận tiện. Người ta chuyển sang cách biểu diễn các đại lượng trong hệ đơn vị tương đối ( hệ đơn vị không tên, các đại lượng không có thứ nguyên), nhằm đơn giản hóa việc tính toán, dễ dàng so sánh các đại lượng với nhau, dễ nhận biết khả năng làm việc của động cơ với phụ tải đang tác động lên đầu trục động cơ, đánh giá được các chế độ làm việc của truyền động điện. Một đại lượng trong hệ đơn vị tương đối được kí hiệu là x* = (24) Trong đó: x: Trị số của đại lượng đó, xcb: Trị số cơ bản của đại lượng đó. Các đại lượng cơ bản thường được chọn là: Uđm, Iđm, wđm, Mđm, Fđm, Rcb,...... Do đó: Trong đó: wcb = wđm : Đối với động cơ một chiều kích từ nối tiếp. wcb = w0: Đối với động cơ một chiều kích từ song song hoặc độc lập. wcb = w1 = wđb: Đối với động cơ KĐB, ĐCĐB. Rcb = : Đối với động cơ điện một chiều. R2cb = Z2cb: Đối với động cơ điện không đồng bộ; Khi rotor đấu sao: R2cbY =.(25) Khi rotor đấu tam giác: R2cbD = .(26) 2.1 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc sông song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song (hình 2.1) Hình 2.1: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song. Hình 2.2: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập 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) 2.1.1 Phương trình đặc tính cơ - ảnh hưởng của các tham số. 1. Phương trình đặc tính cơ: Theo sơ đồ hình 2-1 và 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, () RP : Điện trở phụ trong mạch phần ứng, () Iư : Dòng điện mạch phần ứng. 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: (2-2) Trong đó: : Số đôi cực từ chính, : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng, : 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, : Hệ số cấu tạo của động cơ. Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc quay (vòng/phút) thì: (2-3) Và: Vì vậy: Eư = Do đó: = - Hệ số sức điện động của động cơ. Hay: . Từ (2-1) và (2-2) ta có : (2-4) Biểu thức (2-4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định: Mđt = KIư (2-5) Suy ra: Iư = Thay giá trị Iư vào (2-4) ta được: = - (2-6) Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ M bằng mômen điện từ: Mđt = Mcơ = M. (2-7) Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc. Giả thiết phần ứng được bù đủ, , thì phương trình đặc tính cơ điện (2-4) và phương trình đặc tính cơ (2-7) là tuyến tính. Chúng được biểu diễn là những đường thẳng: a) b) Hình 2.3: a) Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. b) Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập. +) Ta thấy, khi không tải, lý tưởng coi Iư = 0 hoặc M = 0 thì: (2-8) : Tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. +) Còn khi ngắn mạch động cơ, tức động cơ được cấp nguồn phần ứng mà rôto không quay, đây là trạng thái bắt đầu khởi động hoặc mất từ thông động cơ hay cơ cấu máy sản xuất bị kẹt, ta có: (2-9) Và (2-10) là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch. Mặt khác phương trình đặc tính (2-4) và (2-7) có thể được biểu diễn: (2-11) (2-12) Trong đó: , : Độ sụt tốc độ ứng với mỗi giá trị của M. Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối, với điều kiện từ thông là định mức Trong đó: , , , . ( là điện trở cơ bản ). Từ (2-4) và (2-7), ta biết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối: (2-13) (2-14) 2. Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ. Từ phương trình đặc tính cơ (2-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: - Từ thông động cơ . - Điện áp phần ứng Uư - Điện trở phần ứng động cơ Rư. Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số: a. Ảnh hưởng của điện trở phần ứng và họ đặc tính biến trở: Giả thiết: . Trong thực tế vận hành, người ta có thể nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng vì những mục đích khác nhau, ví dụ để giảm dòng điện phần ứng, để điều chỉnh tốc độ, mô men động cơ... Khi đó nhận thấy: (2-15) Độ cứng của đặc tính cơ thay đổi giá trị: (2-16) Khi càng lớn, trị số càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. ứng với ta có đặc tính cơ tự nhiên: (2-17) có giá trị lớn nhất đối với một động cơ. Như vậy khi thay đổi điện trở phụ ta được một họ đường đặc tính biến trở có dạng như hình vẽ. ứng với mỗi phụ tải Mc nào đó, nếu điện trở phụ càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản. H×nh 2.4: §Æc tÝnh c¬ khi thay ®æi ®iÖn trë phô b. Ảnh hưởng của điện áp phần ứng và họ đặc tính giảm áp: Giả thiết: , . Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm. ta có: Tốc độ không tải thay đổi: Độ cứng đặc tính cơ: Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên như hình vẽ. Hình 2.5: Các đặc tinh của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm áp đặt vào phần ứng động cơ Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động c. Ảnh hưởng của từ thông: Giả thiết: Uu= Uđm = const, Rư = const. Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ động cơ. Trong trường hợp này : Tốc độ không tải: Độ cứng đặc tính cơ: Do cấu tạo của động cơ điện, thục tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì tăng còn sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. Hình 2.6: Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông: Dòng điện ngắn mạch: Mômen ngắn mạch: Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi giảm từ thông được biểu diễn trên hình a. Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên như hình b. 2.1.2 Vẽ các đặc tính cơ 1. Cách 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 (xem hình 2.7a) Điểm thứ nhất: (Iư = 0, ) - Điểm thứ hai: Hình 2.7 : 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 Đặc tính cơ tự nhiên (xem hình 2.7b). - Điểm thứ nhất: () Xác định Như ở đặc tính cơ điện. - Điểm thứ hai: () Trong đó: 2. Cách vẽ đặc tính nhân tạo. Đặc tính biến trở: Các đặc tính biến trở đều đi qua điểm không tải lý tưởng , vì vậy khi vẽ các đặc tính này chỉ cần xác định điểm thứ hai. Thường chọn là điểm ứng với tải định mức: - Đối với đặc tính cơ điện: ứng với Iđm - Đối với đặc tính cơ : ứng với Mđm Từ phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên (3-6) ta có: Và phương trình đặc tính biến trở tính được: Lập tỉ số và sau khi biến đổi ta được: (3-18) Từ các số liệu đã biết trên ta vẽ được các đặc tính biến trở như hình vẽ sau: Hình 2.8: Cách vẽ đặc tính biến trở của động cơ điện một chiều kích từ độc lập a. Đặc tính cơ điện ; b. Đặc tính cơ. Thông thường giá trị điện trở phần ứng không ghi trên nhãn máy. Do vậy lúc đó ta có thể tính gần đúng giá trị điện trở phần ứng. Một phương pháp tính gần đúng là dụa vào giá trị hiệu suất định mức đã biết và tính được tổn thất của máy điện ở chế độ định mức. Coi gần đúng phần tổn thất do điện trở phần ứng gây ra bằng một nửa tổn thất. Như vậy ta tính gần đúng giá trị trên điện trở phần ứng là: (3-19) 3. Cách vẽ đặc tính giảm từ thông. Như phần trên đã nêu khi giảm từ thông, đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ không đồng nhất với nhau, do vậy ta chỉ cần xét riêng từng loại đặc tính. Đặc tính cơ điện: Khi giảm từ thông tốc độ không tải động cơ tăng tỷ lệ với độ suy giảm của từ thông,còn dòng điện ngắn mạch giữ không đổi .Vì vậy khi vẽ đặc tính cơ điện ta chỉ cần xác định hai điểm: Điểm không tải lý tưởng ứng với giá trị suy giảm từ thông và điểm còn lại là dòng ngắn mạch. - Gọi độ suy giảm từ thông là , ta có là giá trị tốc độ không tải khi giảm từ thông. - Dòng điện ngắn mạch được tính: (3-20) Cách vẽ đặc tính cơ điện giảm từ thông được chỉ trên hình 2.9a. a) b) Hình 2.9: Cách vẽ đặc tính khi giảm từ thông a.Đặc tính cơ điện ; b.Đặc tính cơ Đặc tính cơ: Cách vẽ đặc tính cơ giảm từ thông cũng tương tự như đặc tính cơ điện nhưng thay vào giá trị dòng điện ngắn mạch Inm không đổi ở đặc tính cơ điện bằng già trị mômen ngắn mạch thay đổi.(hình vẽ 2.9b) (2-21) 2.1.3 Tính toán điện trở khởi động. (Tham khảo TL trang 32 ) 2.1.4 Đặc tính cơ trong 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. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng. a. Hãm tái sinh (hãm trả năng lượng về lưới): Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng. Khi hãm tái sinh Eư > Uư , động cơ làm việc như một máy phát địên song song với lưới. So với chế độ động cơ dòng điện và mômen cản đã đổi chiều và được xác định theo biểu thức: (2-38) Trị số hãm lớn dần lên cho đến khi cân bắng với mômen phụ tải của cơ cấu sản xuất thì hệ thống làm việc ổn định với tốc độ Đường đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ hai và thứ tư của mặt phẳng toạ độ. Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất được đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E - U)I. Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích. Hình 2.10: Đặc tính cơ hãm tái sinh của động cơ kích từ độc lập. b.Hãm ngược: Trạng thái hãm ngược của dộng cơ xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do mômen thế năng quay ngược chiều với mômen điện từ của động cơ. Mômen sinh ra bởi động cơ, khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất. Có hai trường hợp hãm ngược: Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng: Giả sử động cơ đang làm việc nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm a. Ta đưa một điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở. Tại điểm b, mômen do động cơ sinh ra nhỏ hơn mômen cản nên động cơ giảm tốc độ nhưng tải vẫn theo chiều nâng lên. Đến điểm c tốc độ bằng 0 nhưng vì mômen động cơ nhỏ hơn mômen tải nên dưới tác động của tải trọng, động cơ quay theo chiều ngược lại. Tải trọng được hạ xuống với tốc độ tăng dần. Đến điểm d, mômen động cơ cân bằng với mômen cản nên hệ ổn định với tốc độ hạ không đổi, cd là đoạn đặc tính hãm ngược. Khi hamư ngược, vì tốc độ đổi chiều, s.đ.đ đổi dấu nên: (2-40) (2-41) Như vậy ở đặc tính hãm ngược s.đ.đ tác dụng cùng chiều với điện áp lưới. Động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện biến điện năng nhận từ lưới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng đốt nóng điện trở tổng của mạch phần ứng vì vậy tổn thất năng lượng lớn. Đảo chiều điện áp phần ứng: a) b) Hình 2.12: Hãm ngựơc bằng pp đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ. a.Sơ đồ đấu dây, b. Đặc tinh cơ Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm a trên đặc tính tự nhiên với tải Mc, ta đổi chiều điện áp phần ứng và đưa thêm vào điện trở phụ Rf trong mạch. Động cơ chuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở tại b mômen đã đổi chiều chống lại chiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc. Tại c tốc độ bằng không, nếu ta cắt phần ứng khỏi điện áp nguồnthì động cơ sẽ dừng lại, còn nếu vẫn giữ nguyên điện áp nguồn đặt vào động cơ và tại điểm c mômen động cơ lớn hơn mômen cản thì động cơ sẽ quay ngược lại và làm việc ổn định tại điểm d. Đoạn bc trên hình vẽ là đặc tính hãm ngược. Dòng điện hãm được tính: (2-42) (2-43) Biểu thức (2-42) biểu thị dòng điện Ih có chiều ngược với chiều làm việc ban đầu và dòng điện hãm này có thể khá lớn; do đó điện trở phụ đưa vào phải có giá trị đủ lớn hạn chế dòng điện hãm ban đầu Ihđ trong phạm vi cho phép: và phương trình đặc tính cơ có dạng: (2-44) c. Hãm động năng Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động cơ đă tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt. Hãm động năng kích từ độc lập: Khi động cơ đang quay muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều, và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích từ vẫn nối với nguồn như cũ. Mạch điện động cơ khi hãm động năng được trình bày như hình vẽ. a) b) Hinh 2.13: Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập của động cơ DC kích từ độc lập a. Sơ đồ điện khi hãm, b. Đặc tính cơ hãm Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị nên: (2-45) và dòng điện hãm ban đầu: (2-46) Biểu thức (2-46) và (2-47) chứng tỏ dòng hãm Ihd và Mhd ngược chiều với tốc độ ban đầu của động cơ khi hãm động năng Uư = 0 nên ta có các phương trình đặc tính sau: (2-47) (2-48) Đây là các phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập.Ta nhận thấy rằng: Khi thì độ cứng của đặc tính cơ hãm phụ thuộc vào Rh. Khi Rhcàng nhỏ, đặc tính cơ càng cứng, mômen hãm càng lớn, hãm càng nhanh. Tuy nhiên cần chọn Rh sao cho dòng hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép: . Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng với mômen cản Mc là phản kháng thì động cơ sẽ dừng hẳn, đặc tính hãm động năng là đoạn b1o hoặc b2o. Với mômen cản là thế năng thì dướ tác động của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại đến làm việc ổn định tại điểm M = Mc. Đoạn b1c1 hoặc b2c2 cũng là đặc tính hãm động năng. Khi hãm động năng kích từ độc lập, năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng của động cơ tích luỹ được nên công suất tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ. Phương trình cân bằng công suất khi hãm động năng: Eư Ih = ( Rư + Rh)I...hất của quá trình năng lượng, ưu nhược điểm của phương pháp hãm động năng đối với dạng tải truyền động này. 11. Từ điểm làm việc khi nâng tải trọng G = 2,5T trên đặc tính biến trở với điện trở mạch phần ứng Rf = 5 Rư , người ta giữ nguyên điện trở phụ và đảo chiều cực tính nguồn phần ứng. Các trạng thái làm việc tiếp theo của truyền động điện là gì? Tính giá trị dòng điện, mô men tại các điểm bắt đầu chuyển trạng thái và điểm làm việc ổn định cuối cùng . 12. Khi cần cải thiện điều kiện khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ của hệ thống truyền động điện, người ta sử dụng bộ biến đổi điện áp phần ứng ( giả thiết bỏ qua điện trở trong của bộ biến ) , nếu hệ thống truyền động có hệ số quá tải về mô men KM = 1,3 và tải trọng G = 2,5T thì điện áp đặt vào phần ứng thấp nhất cho phép sẽ bằng bao nhiêu V? Tính toán và vẽ các đường đặc tính cơ ứng với 3 cấp điện áp cách đều để mô tả quá trình tăng tốc độ đến điểm làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên. 13. Khi nâng tải trọng G = 1,5T, người ta giảm từ thông động cơ với hệ số suy giảm x = Fđm /F = 1,2 ( giữ Uư = Uđm ) để tăng tốc độ truyền động. Hãy tính tốc độ động cơ khi đó và kiểm tra điều kiện quá tải về mô men của hệ thống ( KM ≥ 1,3 ? ); Vẽ đồ thị đặc tính cơ và đưa ra nhận xét. 14. Cũng với tải trọng G = 1,5T, người ta muốn giảm từ thông động cơ để nâng tải với tốc độ bằng 1,5 lần tốc độ khi từ thông là định mức, hãy tính hệ số suy giảm từ thông khi đó và kiểm tra điều kiện quá tải về mô men. Bài 2: Khảo sát hệ Truyền động điện động cơ một chiều cơ cấu nâng của cầu trục (Mô tả như hình vẽ). ht i, hi v Số liệu cho trước: Tải trọng định mức Gđm= 2,5 T Vận tốc nâng tải trọng v = 0,5 m/s khi tốc độ động cơ đạt định mức. kính tang trống: 0,4 m Tỷ số truyền của hộp số: i = 40:1 Hiệu suất của bộ truyền và tang trống: hi = 0,8; ht = 0,87. Cơ cấu nâng được truyền động bởi động cơ một chiều kích từ độc lập. Giả thiết bỏ qua tổn thất về mô men trong động cơ điện ( coi Mđt = Mcơ = M ) Yêu cầu: 1. Xác định công suất cản đặt về trục động cơ; tốc độ động cơ, mô men cản đặt về trục động cơ ở trường hợp tải trọng Gđm 2. Giả thiết hiệu suất định mức của động cơ là hđm = 0,85 và bỏ qua tổn thất về mô men trong động cơ, Hãy lựa chọn sơ bộ một động cơ có các thông số kỹ thuật cơ bản: Pđm; Uđm; nđm; Mđm 3. Tính toán các thông số và vẽ đặc tính cơ điện tự nhiên w(Iư), đặc tính cơ tự nhiên w(M), tính độ cứng đặc tính cơ của động cơ đã chọn được từ mục 2. 4. Xác định tải trọng Gmax mà động cơ có thể nâng được trong điều kiện tự nhiên cho phép: Iư = 2 Iđm, xác định tốc độ làm việc, công suất và mô men mà động cơ phải cung cấp khi đó. Thể hiện trên đồ thị đặc tính cơ. 5. Khi khởi động, để tránh sụt áp lưới điện và hạn chế dòng điện khởi động, người ta đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng. Hãy tính giá trị điện trở phụ này theo yêu cầu In m = 2,5Iđm. Vẽ mạch phần ứng lúc này. Xác định Mô men khởi động tương ứng. 6. Vẫn với tải Gđm , hãy xác định tốc độ làm việc ổn định của động cơ khi vẫn chưa cắt điện trở phụ (như đã tính được từ mục 5) ra khỏi mạch phần ứng. Biểu diễn điểm làm việc này trên đồ thị đặc tính cơ. 7. Tính giá trị điện trở phụ đưa vào mạch phần ứng để động cơ có thể tạm treo tải trọng Gđm trên không. 8. Tính điện trở phụ mạch phần ứng để hạ tải trọng Gđm trong tình trạng hãm ngược không đảo cực tính điện áp cung cấp với tốc độ động cơ bằng ½ giá trị tốc độ định mức. Tính dòng điện hãm lúc này. Vẽ đặc tính cơ điện, đặc tính cơ tương ứng. 9. Xác định vận tốc nâng tải trọng v[ m/s] ứng với tải G = 2,0T khi động cơ làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên và trên đặc tính cơ biến trở với điện trở phụ mạch phần ứng Rf = 5 Rư 10. Với tải trọng định mức, người ta muốn hạ tải bằng phương pháp hãm tái sinh, hãy tính tốc độ ổn định khi hãm ( bỏ qua giai đoạn hãm ngược khi đảo cực tính điện áp nguồn cung cấp). Vẽ đoạn đặc tính khi hãm tái sinh. Phân tích bản chất của quá trình năng lượng của phương pháp hãm tái sinh đối với dạng tải truyền động này. 11. Từ điểm làm việc khi nâng tải định mức ( Gđm ), người ta thực hiện hạ tải bằng phương pháp hãm động năng theo hai phương thức: kích từ độc lập hoặc tự kích từ và với yêu cầu dòng điện hãm ban đầu: Ih bđ = 2 Iđm . Hãy tính Mô men hãm, điện trở hãm tương ứng; xác định tốc độ hạ tải trọng ổn định, dòng điện hãm ứng với tốc độ đó. Vẽ các sơ đồ đấu dây động cơ và mạch kích từ cho từng phương thức hãm. Phân tích bản chất của quá trình năng lượng, ưu nhược điểm của phương pháp hãm động năng đối với dạng tải truyền động này. 12. Từ điểm làm việc khi nâng tải trọng G = 2,5T trên đặc tính biến trở với điện trở mạch phần ứng Rf = 5 Rư , người ta giữ nguyên điện trở phụ và đảo chiều cực tính nguồn phần ứng. Các trạng thái làm việc tiếp theo của truyền động điện là gì? Tính giá trị dòng điện, mô men tại các điểm bắt đầu chuyển trạng thái và điểm làm việc ổn định cuối cùng. 13. Khi cần cải thiện điều kiện khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ của hệ thống truyền động điện, người ta sử dụng bộ biến đổi điện áp phần ứng ( giả thiết điện trở trong của bộ biến đổi Rb xấp xỉ bằng Rư ) , nếu hệ thống truyền động có hệ số quá tải về mô men KM = 1,3 và tải trọng G = 2,5T thì điện áp đặt vào phần ứng thấp nhất cho phép sẽ bằng bao nhiêu V? Tính toán và vẽ các đường đặc tính cơ ứng với 3 cấp điện áp cách đều để mô tả quá trình tăng tốc độ đến điểm làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên. 14. Khi nâng tải trọng G = 1,5T, người ta giảm từ thông động cơ với hệ số suy giảm x = Fđm /F = 1,2 ( giữ Uư = Uđm ) để tăng tốc độ truyền động. Hãy tính tốc độ động cơ khi đó và kiểm tra điều kiện quá tải về mô men của hệ thống ( KM ≥ 1,3 ? ); Vẽ đồ thị đặc tính cơ, tính độ cứng đặc tính cơ và đưa ra nhận xét. 15. Cũng với tải trọng G = 1,5T, người ta muốn giảm từ thông động cơ để nâng tải với tốc độ bằng 1,5 lần tốc độ khi từ thông là định mức, hãy tính hệ số suy giảm từ thông khi đó và kiểm tra điều kiện quá tải về mô men. Bài 3: Khảo sát hệ Truyền động điện một chiều cơ cấu nâng của cầu trục được mô tả trên hình vẽ. Số liệu cho trước: ht i, hi v Cơ cấu nâng được truyền động bởi động cơ một chiều kích từ độc lập, có các thông số: Pđm = 12 kW, Uđm= 440V, hđm = 0,85, nđm= 1200 min-1 ; Điện áp kích từ Uktđm = 220V và được giữ không đổi. Giả thiết bỏ qua tổn thất về mô men trong động cơ điện ( coi Mđt = Mcơ = M ) - Hệ thống cần hệ số quá tải về mô men KM = 1,3 Đường kính tang trống: 0,4 m Tỷ số truyền của hộp số: i = 30:1 Hiệu suất của bộ truyền và tang trống: hi = 0,8; ht = 0,87. Cơ cấu nâng được cải tạo cấu trúc dây cáp lấy tải như hình vẽ. Yêu cầu: 1. Xác định khối lượng tải trọng G phù hợp với trạng thái làm việc định mức ( về công suất, mô men, dòng điện, tốc độ) của động cơ ( sau này gọi là tải định mức Gđm) 2. Tính, vẽ và biểu diễn điểm làm việc định mức trên các đặc tính n(Iư) và n(M), tính độ cứng đặc tính cơ. 3. Xác định vận tốc v[m/s] nâng tải Gđm. 4. Xác định tải trọng Gmax mà động cơ có thể nâng được trong chế độ làm việc tự nhiên và dòng điện cho phép: Iư = 2 Iđm, xác định tốc độ làm việc, công suất và mô men mà động cơ phải cung cấp khi đó. Thể hiện trên đồ thị đặc tính cơ. 5. Khi khởi động, để tránh sụt áp lưới điện và hạn chế dòng điện khởi động, người ta đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng. Hãy tính giá trị điện trở phụ này theo yêu cầu Inm = 2,5Iđm. Vẽ mạch phần ứng lúc này. Xác định Mô men khởi động tương ứng. 6. Vẫn với tải Gđm , hãy xác định tốc độ làm việc ổn định của động cơ khi vẫn chưa cắt điện trở phụ (như đã tính được từ mục 5) ra khỏi mạch phần ứng. Biểu diễn điểm làm việc này trên đồ thị đặc tính cơ. 7. Tính giá trị điện trở phụ đưa vào mạch phần ứng để động cơ có thể tạm treo tải trọng Gđm trên không. 8. Tính điện trở phụ mạch phần ứng để hạ tải trọng Gđm trong tình trạng hãm ngược không đảo cực tính điện áp cung cấp với tốc độ động cơ bằng ½ giá trị tốc độ định mức. Tính dòng điện hãm lúc này. Vẽ đặc tính cơ điện, đặc tính cơ tương ứng. 9. Xác định vận tốc nâng tải trọng v[ m/s] ứng với tải G = 2,0T khi động cơ làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên và trên đặc tính cơ biến trở với điện trở phụ mạch phần ứng Rf = 5 Rư 10. Với tải trọng định mức, người ta muốn hạ tải bằng phương pháp hãm tái sinh, hãy tính tốc độ ổn định khi hãm ( bỏ qua giai đoạn hãm ngược khi đảo cực tính điện áp nguồn cung cấp). Vẽ đoạn đặc tính khi hãm tái sinh. Phân tích bản chất của quá trình năng lượng của phương pháp hãm tái sinh đối với dạng tải truyền động này. 11. Từ điểm làm việc khi nâng tải định mức ( Gđm ), người ta thực hiện hạ tải bằng phương pháp hãm động năng theo hai phương thức: kích từ độc lập hoặc tự kích từ và với yêu cầu dòng điện hãm ban đầu: Ih bđ = 2 Iđm . Hãy tính Mô men hãm, điện trở hãm tương ứng; xác định tốc độ hạ tải trọng ổn định, dòng điện hãm ứng với tốc độ đó. Vẽ các sơ đồ đấu dây động cơ và mạch kích từ cho từng phương thức hãm. Phân tích bản chất của quá trình năng lượng, ưu nhược điểm của phương pháp hãm động năng đối với dạng tải truyền động này. 12. Từ điểm làm việc khi nâng tải trọng G = 2,5T trên đặc tính biến trở với điện trở mạch phần ứng Rf = 5 Rư , người ta giữ nguyên điện trở phụ và đảo chiều cực tính nguồn phần ứng. Các trạng thái làm việc tiếp theo của truyền động điện là gì? Tính giá trị dòng điện, mô men tại các điểm bắt đầu chuyển trạng thái và điểm làm việc ổn định cuối cùng. 13. Khi cần cải thiện điều kiện khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ của hệ thống truyền động điện, người ta sử dụng bộ biến đổi điện áp phần ứng ( giả thiết điện trở trong của bộ biến đổi Rb xấp xỉ bằng Rư ) , nếu hệ thống truyền động có hệ số quá tải về mô men KM = 1,3 và tải trọng G = 2,5T thì điện áp đặt vào phần ứng thấp nhất cho phép sẽ bằng bao nhiêu V? Tính toán và vẽ các đường đặc tính cơ ứng với 3 cấp điện áp cách đều để mô tả quá trình tăng tốc độ đến điểm làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên. 14. Khi nâng tải trọng G = 1,5T, người ta giảm từ thông động cơ với hệ số suy giảm x = Fđm /F = 1,2 ( giữ Uư = Uđm ) để tăng tốc độ truyền động. Hãy tính tốc độ động cơ khi đó và kiểm tra điều kiện quá tải về mô men của hệ thống ( KM ≥ 1,3 ? ); Vẽ đồ thị đặc tính cơ và đưa ra nhận xét. 15. Cũng với tải trọng G = 1,5T, người ta muốn giảm từ thông động cơ để nâng tải với tốc độ bằng 1,5 lần tốc độ khi từ thông là định mức, hãy tính hệ số suy giảm từ thông khi đó và kiểm tra điều kiện quá tải về mô men. Bài 4: i, hi Khảo sát truyền động điện trục chính máy tiện Số liệu cho trước: - Giả thiết trục chính một máy tiện được truyền động bởi động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc có các số liệu: Pđm = 4kW; Điện áp : Y – 380V; Tần số: fđm = 50Hz hđm = 0,8; Hệ số công suất cosjđm = 0,79; Tốc độ định mức nđm = 1390 [1/min]; Bội số mô men mở máy: KM = Mmm/Mđm = 2,4; Hệ số quá tải về mô men: l = Mmax/Mđm = 2,6 - Dải tốc độ trục chính máy tiện từ 44 – 1980 min-1; hiệu suất trung bình bộ truyền lực hi = 0,85 Tình trạng khởi động: gần như không tải ( khắc phục ma sát ) Yêu cầu: 1. Tính dòng điện tiêu thụ của động cơ ở chế độ làm việc định mức 2. Tính số đôi cực và tốc độ đồng bộ của động cơ ( giả thiết trên đoạn đặc tính làm việc hệ số trượt nằm trong khoảng 0,02 £ s ≥ 0,06) . 3. Tính các giá trị môn men : Mđm; Mmm; Mmax = Mth; độ trượt tới hạn sth ( giả thiết bỏ qua R1) 4. Sử dụng tối đa các số liệu để vẽ đặc tính cơ tự nhiên gần đúng của động cơ ( giả thiết bỏ qua R1) 5. Tính tỷ số truyền của bộ truyền lực tương ứng dải tốc độ đã cho. 6. Xác định Mô men, công suất cắt ở tốc độ thấp nhất ( 44 min-1) và ở tốc độ cao nhất ( 1980 min-1) của trục chính mà động cơ có thể cung cấp trong trạng thái làm việc ổn định. 7. Nếu đường kính phôi d [mm] = 60 thì lực cắt tối đa cho phép ở tốc độ thấp nhất và cao nhất sẽ bằng bao nhiêu ( trong điều kiện làm việc ổn định)? Tương ứng mô men, công suất cắt bằng bao nhiêu? (Kiến thức liên quan để biết: lực cắt trong quan hệ Fc = kc. q , trong đó: Fc là lực cắt [N]; kc là lực cắt riêng [ N/mm2]; q là tiết diện cắt [ mm2]) 8. Nếu điện áp pha của lưới suy giảm còn 80% Ufđm , hãy xác định lại các số liệu như mục 7. 9. Để áp dụng biến tần vào máy tiện, người ta có thể không dùng phần tăng tốc của hộp số mà thay vào đó phần tốc độ của trục chính cao hơn tốc độ cơ bản ( tương ứng với tốc độ định mức của động cơ) được thực hiện bằng bộ biến tần với f1 > fđm , điện áp nguồn giữ nguyên định mức. Hãy tính tần số để trục chính có tốc độ 1980 min-1 ( giả thiết trên đoạn đặc tính làm việc hệ số trượt nằm trong khoảng 0,02 £ s ≥ 0,06) . Tính mô men tới hạn tương ứng và kiểm tra lại khả năng cung cấp mô men, công suất của động cơ đáp ứng mô men, công suất cắt như đã tính được ở mục 7 ( giữ nguyên hiệu suất bộ truyền lực) 10. Để rút ngắn thời gian dừng máy, người ta có thể áp dụng phương pháp hãm ngược. Giả sử điểm làm việc trước khi hãm là định mức, hãy vẽ đặc tính cơ mô tả quá trình tiến tới hãm dừng và vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điện động cơ với chức năng thực hiện hãm ngược. Chương 3. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TRUYỀN ĐỘNG Các định nghĩa: Hệ thống truyền động điện không chỉ làm nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng, mà còn điều khiển quá trình làm việc của cơ cấu công tác theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất. Yêu cầu công nghệ có thể được đảm bảo nếu hệ có khả năng đặt trước các thông số gia công cho tứng công đoạn, duy trì các thông số đó với một độ chính xác nào đó (như tốc độ, mômen, gia tốc, ví trí của cơ cấu công tác ), cưỡng bức thay đổi các giá trị đó theo ý muốn, hạn chế giá trị của chúng theo mức cho phép của quá trình công nghệ hoặc theo khả năng về độ bền, độ quá tải của máy. Các thông số gia công nói trên có liên quan đến mômen M và tốc độ ự của động cơ điện, có các mối quan hệ được định nghĩa: a) Các thông số đầu ra hay còn gọi là thông số được điều chỉnh: Đó là mômen (M), tốc độ (w) của động cơ, Do M và w là 2 trục của mặt phẳng tọa độ đặc tính cơ [M, w], nên việc điều chỉnh chúng thường gọi là “điều chỉnh tọa độ”. b) Các thông số đầu vào hay còn gọi là thông số điều chỉnh: + Đối với động cơ điện một chiều, thông số đầu vào là điện trở phần ứng Rư (hoặc Rưf), từ thông F (hoặc điện áp kích từ Ukt; dòng điện kích từ Ikt) và điện áp phần ứng Uư. + Đối với động cơ điện không đồng bộ, thông số đầu vào là điện trở mạch rôto R2 (hoặc R2f), điện trở mạch stato R1, điện kháng stato X1, điện áp stato U1 và tần số của dòng điện stato f1. + Đối với động cơ điện đồng bộ, thông số đầu vào là tần số của dòng điện stato f1. c) Các phần tử điều khiển: Là các thiết bị hoặc dụng cụ làm thay đổi các thông số đầu vào. Chú ý, người ta thường gọi việc điều chỉnh các thông số đầu ra là “điều khiển động cơ điện”. Mục đích điều chỉnh các thông số đầu ra của động cơ: Tùy theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất, việc điều chỉnh M, ự nhằm thực hiện các mục đích sau: + Đặt giá trị làm việc và duy trì mức đạt đó, ví dụ duy trì tốc độ làm việc khi phụ tải thay đổi ngẫu nhiên. + Thay đổi thông số theo quy luật yêu cầu, ví dụ trong thời gian khởi động và tăng tốc động cơ thang máy từ 0 lên đến tốc độ ổn định, mômen lúc đầu phải tăng tuyến tuyến tính theo thời gian, sau đó giữ không đổi, và cuối cùng giảm tuyến tính cho đến khi M = Mc. + Hạn chế thông số ở một mức độ cho phép, ví dụ hạn chế dòng điện khởi động Ikđ ≤ Icp. + Tạo ra một quy luật chuyển động cho cơ cấu công tác (tức cho trục động cơ) theo quy luật cho trước ở đầu vào với một độ chính xác nào đó. Điều chỉnh không tự động và điều chỉnh tự động: a) Điều chỉnh không tự động: Là việc thay đổi thông số đầu ra bằng cách tác động lên thông số đầu vào một cách rời rạc. Mỗi lần tác động ta có một giá trị không đổi của thông số đầu vào và tương ứng ta được một đường đặc tính cơ (nhân tạo). Khi động cơ làm việc, các nhiễu loạn (như phụ tải thay đổi, điện áp nguồn dao động, ) sẽ tác động vào hệ, nhưng thông số đầu vào vẫn giữ không đổi nên điểm làm việc của động cơ chỉ di chuyển trên một đường đặc tính cơ. Người ta gọi dạng điều chỉnh này là “điều chỉnh bằng tay” hay “điều chỉnh không tự động” hoặc “điều chỉnh vòng hở”. Phương pháp điều chỉnh này đơn giản nên vẫn được dùng trong các hệ truyền động điện hiện đại, tuy nhiên nó không đảm bảo được các yêu cầu cao về chế độ công nghệ. b) Điều chỉnh tự động: Được thực hiện nhờ sự thay đổi liên tục của thông số đầu vào theo mức độ sai lệch của thông số đầu ra so với giá trị định trước, nhằm khắc phục độ sai lệch đó. Như vậy khi có tác động của nhiễu làm ảnh hưởng đến thống số đầu ra, thì thông số đầu vào sẽ thay đổi và động cơ sẽ có một đường đặc tính cơ khác, điểm làm việc của động cơ sẽ dịch chuyển từ đường đặc tính nhân tạo này sang đặc tính nhân đạo khác và vạch ra một đường đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động. Vì vậy có thể định nghĩa: “đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động là quỹ tích của các điểm làm việc của động cơ trên vô số các đặc tính cơ của hệ điều chỉnh vòng hở”. Hay còn gọi là “quỹ đạo pha trên tọa độ đặc tính cơ”. Việc thay đổi tự động thông số đầu vào được thực hiện nhờ mạch phản hồi, mạch này lấy tín hiệu từ thông số đầu ra hoặc một thông số nào đó liên quan đến đầu ra, đưa trở lại gây tác động lên thông số đầu vào, tạo thành một hệ có liên hệ kín giữa đầu ra và đầu vào. Vì vậy người ta gọi hệ này là hệ “điều chỉnh vòng kín”. Hệ điều chỉnh tự động tuy phức tạp nhưng đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng cao. c) Nhiễu của các thông số đầu ra: Đối với các hệ truyền động và động cơ điện, có hai thông số đầu ra chủ yếu là mômen và tốc độ. Có nhiều loại nhiễu gây tác động lên các thông số này như điện áp nguồn, tần số lưới điện, nhiệt độ môI trường, hệ số tự cảm của cuộn dây, nhưng ta quan tâm đến các tác động nhiễu loạn chủ yếu. Khi điều chỉnh tốc độ, thông số được điều chỉnh là w, thông số điều chỉnh là một trong các thông số tạo ra đặc tính nhân tạo, còn chủ yếu là phụ tải biểu thị bằng mômen cản Mc, hoặc dòng tải Ic. Ngược lại, khi điều chỉnh mômen hoặc dòng điện, thông số được điều chỉnh là M hoặc I, thì nhiễu loạn chủ yếu lại là tốc độ w. Sự ảnh hưởng qua lại giữa hai đại lượng M và w được thể hiện bằng đường đặc tính cơ và phương trình của nó. CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG: Chỉ tiêu chất lượng động (chế độ quá độ): * Độ quá điều chỉnh smax (smax £ 40% hoặc có thể nhỏ hơn). * Thời gian quá độ Tqđ (Tqđ càng nhỏ càng tốt). * số lần dao động n ( n = 2¸3 là tốt). Chỉ tiêu chất lượng tĩnh (chế độ xác lập): Sai số tĩnh tốc độ s% : Là đại lượng đặc trưng cho sự chính xác duy trì tốc độ đặt wđ: w tốc độ làm việc thực của động cơ. wđ tốc độ đặt của động cơ. Dw độ sụt tốc độ khi mômen tải thay đổi Mc = 0 → Mđm. Sai số này càng nhỏ, điều chỉnh càng chính xác, và lí tưởng ta có hệ điều chỉnh tuyệt đối chính xác khi s% = 0. Thực tế người ta phải thiết kế các hệ truyền động diều chỉnh có độ chính xác đáp ứng yêu cầu công nghệ của máy sản xuất, như truyền động chính của máy cắt gọt kim loại yêu cầu s% ≤ 10%, tryuền động ăn dao: s% ≤ 5%, Phạm vi điều chỉnh tốc độ D: D càng lớn càng tốt. Tuy nhiên giá trị wmax bị hạn chế bởi độ bền cơ học của động cơ, bởi điều kiện chuyển mạch. Tốc độ wmin bị chặn bởi yêu cầu về mômen khởi động, về khả năng quá tải và về sai số tốc độ làm việc cho phép. Độ trơn điều chỉnh tốc độ J: Là sự chênh lệch giữa 2 cấp tốc độ liền nhau: Trong đó: wi - là tốc độ ổn định đạt được ở cấp i. wi+1- là tốc độ ổn định đạt được ở cấp kế tiếp (i+1). Hệ số g càng nhỏ càng tốt lý tưởng là g®1: đó là hệ điều chỉnh vô cấp. Còn hệ điều chỉnh có cấp nếu: g.¹1 Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải: Với các động cơ thì chế độ làm việc tối ưu thường là chế độ định mức của động cơ. Để sử dụng tốt động cơ khi điều chỉnh tốc độ cần lưu ý đến các chỉ tiêu như: dòng điện động cơ không vượt quá dòng định mức của nó, đảm bảo khả năng quá tải về mômen (trong khoảng thời gian ngắn), đảm bảo yêu cầu về ổn định tĩnh khi có nhiễu v.v... trong toàn giải điều chỉnh. Vì vậy khi thiết kế hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ, người ta thường chọn hệ truyền động cũng như phương pháp điều chỉnh, sao cho đặc tính điều chỉnh của hệ bám sát yêu cầu đặc tính của tải. Nếu đảm bảo được điều kiện này thì tổn thất trong quá trình điều chỉnh sẽ nhỏ nhất. Chỉ tiêu kinh tế: Nhiều trường hợp, chỉ tiêu kinh tế là chỉ tiêu quyết định sự lựa chọn phương án truyền động. Hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ cần đạt có vốn đầu tư thấp, giá thành hạ, chi phí vận hành, bảo quản, sửa chữa ít, đặc biệt là tổn thất năng lượng khi điều chỉnh và vận hành nhỏ. Năng suất của máy sản xuất do hệ điều chỉnh mang lại. Việc tính toán cụ thể các chỉ tiêu liên quan nêu trên sẽ cho thấy hiệu quả kinh tế, thời gian hoàn vốn và lợi ích nhờ việc sử dụng hệ điều chỉnh đã chọn. Thường người ta căn cứ các chỉ tiêu kỹ thuật để đề xuất vài phương án điều chỉnh, sau đó tính toán kinh tế để so sánh hiệu quả và quyết định chọn hệ thống hoặc phương pháp điều chỉnh thông số đầu ra của động cơ. CHƯƠNG 4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG THAY ĐỔI THÔNG SỐ 4.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMĐL bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của động cơ: Muốn thay đổi Uư thì phải có bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra, thường dùng các bộ biến đổi (hình 4.1): a) b) Hình 4.1: a) Sơ đồ khối. b) Sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập. Các bộ biến đổi có thể là: Bộ biến đổi máy điện: dùng máy phát điện một chiều (F), máy điện khuếch đại (MĐKĐ); Bộ biến đổi từ: khuếch đại từ (KĐT) một pha, ba pha; Bộ biến đổi điện tử - bán dẫn: các bộ chỉnh lưu (CL) dùng tiristor, các bộ băm điện áp (BĐA) dùng tiristor, transistor, Đặc tính của hệ thống: Eư = Eb - (Rb + Rưđ)Iư. Xác định dải điều chỉnh: w0max, Mđm, KM là xác định nên D phụ thuộc tuyến tính vào b. Sơ bộ ta có: £ 10 Ta thấy khi điều chỉnh Uư thì b = const do đó độ sụt tốc độ sẽ lớn nhất ở đặc tính thấp nhất. Như vậy nếu đảm bảo sai số tốc độ tại đặc tính thấp nhất kh ông vượt quá giá trị cho phép thì HTĐ luôn làm việc đạt yêu cầu: Sai số tương đối: Mđm, w0min, scp, là xác định nên xác định giá trị tối thiểu b® s £scp. Ví dụ : Cho ĐMđl có các thông số: Pđm = 29KW; Uđm = 220V; Iđm = 151A; nđm = 1000vg/ph; Rư = 0,07W; và hệ số quá tảI Kqt = 2. Hãy xác định tốc độ cực tiểu và dải điều chỉnh theo khả năng quá tải yêu cầu ? Giải: Điện trở định mức của động cơ: Rđm = Uđm / Iđm = 220V / 151A = 1,45W Giá trị tương đương của điện trở phần ứng: Rư* = Rư / Rđm = 0,07W /1,45W = 0,048 Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên: btn* = 1/Rư* = 20,8 Độ cứng đặc tính cơ thấp nhất: bmin* = Kqt = 2 Giá trị tương đối của tốc độ cực đại (tức tốc độ định mức của động cơ) sẽ là: nmax*=ωmax= Tốc độ không tải lý tưởng: n0= Giá trị tương đối của tốc độ cực tiểu: nmin*=ωmin= Vậy tốc độ quay cực tiểu của động cơ là: nmin=nmin*.n0=0,5.1050vg/ph=525vg/ph Từ giá trị của tốc độ cực đại và tốc độ cực tiểu, ta rút ra phạm vi điều chỉnh tốc độ: D= Từ biểu thức thay b*min = Kqt = 2; b*tn = 20,8; ta cũng được kết quả D = 1,9. Qua ví dụ trên ta thấy phạm vi điều chỉnh như vậy là rất hep. Tuy nhiên, nếu xét theo yêu cầu về sai số tốc độ cho phép thì dảI điều chỉnh còn hẹp hơn nữa hoặc thậm chí còn không thể điều chỉnh được tốc độ. Thực vậy, ta biết: s% = Dw* = Ru* wmin = w0 - Dwcp ; và w*min = 1 - s% = 1 - R*ư Nếu s%cp = 10% thì D = 1,05 ≈ 1, nghĩa là hầu như không thể điều chỉnh được. 4.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi từ thông kích từ của động cơ: Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát ta thấy rằng khi thay đổi f thì w0 và Dw đều thay đổi, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh dốc dần (độ cứng b càng nhỏ) và cao hơn đặc tính cơ tự nhiên khi f càng giảm, với tải như nhau thì tốc độ càng cao khi từ thông f giảm Như vậy: fđm> f1 > f2 >... thì wđm < w1 < w2 <..., nhưng nếu giảm f quá nhỏ thì có thể làm cho tốc độ động cơ lớn quá giới hạn cho phép, hoặc làm cho điều kiện chuyển mạch bị xấu đi do dòng phần ứng tăng cao, hoặc để đảm bảo chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho mômen cho phép trên trục động cơ giảm nhanh, dẫn đến động cơ bị quá tải. a) b) Hình 4.2: a) Sơ đồ thay thế. b) Đặc tính điều chỉnh khi từ thông thay đổi. Mạch kích từ của động cơ là phi tuyến nên hệ điều chỉnh từ thông là phi tuyến: ở chế độ xác lập: ; F = f(iK) 4.3 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng: Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát: Ta thấy rằng khi thay đổi Rf thì w0 = const còn Dw thay đổi, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh có cùng w0 và dốc dần khi Rf càng lớn, với tải như nhau thì tốc độ càng thấp. Như vậy: 0 w1 > w2 > ... , nhưng nếu ta tăng Rf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm cho M £ Mc và như thế động cơ sẽ không quay được và động cơ làm việc ở chế độ ngắn mạch, w = 0. Từ lúc này, ta có thay đổi Rf thì tốc độ vẫn bằng không, nghĩa là không điều chỉnh tốc độ động cơ được nữa, do đó phương pháp điều chỉnh này là phương pháp điều chỉnh không triệt để. 4.4 Hệ Máy phát - Động cơ một chiều (F-Đ): 4.4.1 CÊu tróc hÖ F - § vµ c¸c ®Æc tÝnh c¬ b¶n. Trước đây, hệ thống Máy phát - Động cơ một chiều là một hệ truyền động điện điều chỉnh tốt nhất. Điều chỉnh tốc động động cơ rất linh hoạt và thuận tiện. Tuy nhiên hệ thống dùng nhiều máy điện quay nên cồng kềnh, khi làm việc gây ồn, rung, nên đòi hỏi phải có nền móng vững chắc. Sơ đồ nguyên lý như hình 4.3. Hình 4-3: Điều chỉnh tốc độ động cơ ĐMđl dùng máy phát. Coi mạch từ máy phát chưa bảo hoà, nên ta có: EF = KF. fF. wF = KF. wF. C.iF (4-1) Trong đó: KF - hệ số kết cấu của máy phát, C = DfF/D iKF - hệ số góc của đặc tính từ hoá Nếu dây quấn được cấp bởi nguồn áp lý tưởng thì: iKF = UKF/rKF Có thể coi gần đúng MF DC kích từ độc lập là bộ KĐ tuyến tính với: EF = KF.UKF Nếu đặt: R = RưĐ + RưF Phương trình đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ dùng máy phát: Đặc tính từ hoá, đặc tính tải HT F - Đ. (Trang 104) 4.4.2 Chế độ làm việc của hệ F - Đ. a) Góc phần tư I, III: chế độ động cơ. Hình 4.4: Đặc tính cơ hệ F - Đ trong chế độ động cơ. Công suất điện từ của MF và ĐC: PF = EF.I > o PĐ = E.I < o Pcơ = M.w > o Các biểu thức này nói lên rằng năng lượng được vận chuyển thuận chiều từ nguồn máy phát động cơ tải. b) Chế độ hãm tái sinh: Góc phần tư II, IV. Hình 4.5: Đặc tính cơ hệ F - Đ trong chế độ hãm tái sinh. Lúc này do nên >, mặc dù E, EF mắc xung đối nhưng dòng phần ứng lại chảy ngược lại từ động cơ về máy phát làm cho mômen quay ngược chiều tốc độ quay. Công suất điện từ của máy phát, công suất điện từ và công suất cơ học của động cơ là: PF = EF.I < o PĐ = E.I > o Pcơ = M.w > o Chỉ do dòng điện đổi chiều mà năng lượng được vận chuyển theo chiều từ tải động cơ máy phát nguồn, máy phát F và động cơ Đ đổi chức năng cho nhau. Hãm tái sinh trong hệ F - Đ được khai thác triệt để khi giảm tốc độ, khi hãm để đảm đảo chiều quay và khi làm việc ổn định với tải có tính chất thế năng. c) Chế độ hãm ngược: Hình 4.6: Đặc tính cơ hệ F - Đ trong chế độ hãm ngược. Vùng hãm ngược của động cơ trong hệ F - Đ đựơc giới hạn bởi đặc tính hãm động năng và trục mômen. Sức điện động E của động cơ trở nên cùng chiều Sđđ máy phát hoặc rôto bị kéo quay ngược bởi ngoaị lực của tải thế năng, hoặc do chính sđđ máy phát đảo dấu. Biểu thức tính công suất sẽ là: PF = EF.I > o PĐ = E.I > o Pcơ = M.w < o Hai nguồn sđđ E và EF cùng chiều và cùng cấp cho điện trở mạch phần ứng tạo nhiệt năng tiêu tán trên đó. d) Đặc điểm hệ F - Đ. Đặc điểm của hệ F - Đ là điều chỉnh tốc độ rất linh hoạt, động cơ có thể tự động chuyển đổi qua các chế độ làm việc khi thay đổi tốc độ hoặc đảo chiều tốc độ. Ví dụ động cơ đang làm việc tại điểm A, khi đảo chiều kích từ máy phát F (Mc = const) thỡ động cơ sẽ chuyển dần từ chế độ động cơ thuận (A) sang hóm tỏi sinh, hóm ngược, khởi động ngược và sẽ làm việc xác lập ở điểm B (chế độ hóm tỏi sinh). Khi điều chỉnh EF thỡ sẽ thay đổi được tốc độ động cơ w £ wcb; khi đảo chiều iktF thỡ đảo chiều được EF và như vậy đảo chiều được w. Nếu kết hợp điều chỉnh và đảo chiều từ thông của động cơ thỡ sẽ điều chỉnh và đảo chiều được tốc độ của động cơ w ³ wcb. Như vậy, kết hợp điều chỉnh iktF và iktĐ thỡ sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ w ³ wcb và w £ wcb (cả 2 vùng tốc độ). Nhược điểm của hệ: Sử dụng nhiều máy điện quay nên hiệu suất thấp (không quá 75%), cồng kềnh, tốn diện tích lắp đặt, gây ồn lớn. Công suất đặt máy lớn. Vốn đầu tư ban đầu cao. Khó điều chỉnh sâu tốc độ do MF có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ. 4.5 Hệ Chỉnh lưu - Động cơ một chiều. * Khi ta dùng các bộ chỉnh lưu có điều khiển - hay là các bộ chỉnh lưu dùng thyristor để làm bộ nguồn một chiều cung cấp cho phần ứng (hoặc IKT) động cơ điện một chiều, ta cũn gọi là hệ T - Đ. * Tuỳ theo yêu cầu TĐ mà dùng các sơ đồ CL: - Số pha: 1; 3; 6;.. - Sơ đồ nối: tia, cầu, đối xứng, không đối xứng. - Số nhịp: số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp nguồn (p). - Khoảng điều chỉnh: vị trí đặc tính ngoài trên mặt phẳng [Ud,Id]. - Chế độ năng lượng: CL, nghịch lưu phụ thuộc. - Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn. 4.5.1 Xét hệ T - Đ không đảo chiều: phân tích một sơ đồ CL hình tia 3 pha. Sơ đồ nguyên lý: a) b) H×nh 4.7: a) S¬ ®å nèi d©y. b) S¬ ®å thay thÕ. Chế độ dòng liên tục: Ed = Ed0.cosa Hình 4.8: Đồ thị thời gian chế độ dòng liên tục Do chỉnh lưu hình tia 3 pha nên p = 3: Nên: Đặc tính điều chỉnh: Hình 4.9: Đặc tính điều chỉnh Giá trị trung bình dòng CL: Dòng CL chính là dòng phần ứng động cơ nên từ sơ đồ thay thế: Hình 4.10: Sơ đồ thay thế Ta có: Độ cứng đặc tính cơ: Tốc độ không tải giả tưởng: . H×nh 4.11: §Æc tÝnh c¬ cña hÖ T - §. Chế độ dòng dòng gián đoạn: Ở vùng dòng điện gián đoạn, hệ sẽ có thêm một lượng sụt áp nên đường đặc tính điều chỉnh dốc hơn tốc độ không tải lý tưởng thực w0 sẽ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng giả tưởng w’0 Vùng dòng điện gián đoạn bị giới hạn bởi một nửa đường elip với trục tung. Vùng này HT làm việc không ổn định. Thực tế tính toán hệ T - Đ chỉ cần tính biên giới hạn, là khi: l = 2p/p; m = 0 bởi phương trình: Với: 4.6 Các hệ TĐ điều chỉnh xung áp - động cơ ĐC. 4.6.1 Điều chỉnh xung áp đơn (Loại A: t...Mở, hãm, đảo chiều quay động cơ v.v): Jht: Mômen quán tính của hệ thống đã quy đổi về đầu trục động cơ. - Vẽ biểu đồ Mđg = f(t) như hình vẽ. - Vẽ biểu đồ phụ tải động của hệ thống như hình vẽ: Mcđg= Mpt+ Mo + Mđg - Dựa vào biểu đồ phụ tải động, kiểm tra khả năng quá tải của động cơ theo điều kiện: lM . Mđm ³ Mmax Trong đó: Mđm: Mô men định mức của động cơ đã chọn sơ đồ. Mmax: Mô men max trên biểu đồ phụ tải. lM: Bội số mômen (hệ số quá tải). - Kiểm tra lại suất động cơ theo điều kiện phát nóng. Nếu kiểm tra không thoả mãn => Chọn lại động cơ. 4.2. Chọn công suất động cơ cho những truyền động không điều chỉnh tốc độ. Để chọn công suất động cơ, ta cần phải biết đồ thị phụ tải Mc(t) và Pc(t) đã quy đổi về trục động cơ và giá trị tốc độ yêu cầu. Từ đồ thị phụ tải, chọn sơ bộ công suất động cơ, tra sổ tay các tham số, từ đó, xây dựng đồ thị phụ tải chính xác. Sau đó, tiến hành kiểm nghiệm động cơ đã chọn. 4.2. Chọn động cơ làm việc dài hạn. Đối với phụ tải dài hạn, có loại không đổi, có loại biến đổi. * Phụ tải dài hạn không đổi: Động cơ cần chọn phải có công suất định mức lớn hơn công suất yêu cầu: Pđm ≥ Pc và tốc độ định mức phù hợp với yêu cầu. Thường thì chọn Pđm = (1 ¸ 1,3)Pc. Trong trường hợp này, việc kiểm nghiệm động cơ đơn giản, không cần kiểm nghiệm quá tải về mômen, nhưng cần phải kiểm nghiệm điều kiện khởi động và phát nóng. * Phụ tải dài hạn biến đổi: Để chọn được động cơ phải xuất phát từ đồ thị phụ tải, tính ra giá trị trung bình của mômen hoặc công suất: ; Động cơ chọn phải có: Mđm = (1 ¸ 1,3).Mtb Pđm = (1 ¸ 1,3).Ptb Điều kiện kiểm nghiệm: Kiểm nghiệm về phát nóng, khởi động, quá tải về mômen. 4.2.2. Chọn công suất động cơ cho phụ tải ngắn hạn lặp lại. Biểu đồ phụ tải như hình vẽ: Sau 1 thời gian, nhiệt sai động cơ sẽ ổn định biến thiên trong khoảng tmin, tmax. Tương tự như trường hợp phụ tải ngắn hạn, ta có thể chọn động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại hoặc chọn động cơ chuyên dùng ngắn hạn lặp lại. * Chọn công suất động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại. Thường động cơ dài hạn được chọn: Pđm £ Plv Hệ số quá tải về nhiệt: d = Từ đường cong phát nóng, ta có d = Trong đó: n: Hằng số thời gian phát nóng ; b: Hệ số xét đến điều kiện làm mát bị xấu đi trong thời gian nghỉ t0. (b = 0,5: Động cơ một chiều, b = 0,25: Động cơ KĐB). Dựa vào đồ thị phụ tải, xác định Plv yêu cầu, tlv, to từ đó chọn sơ bộ công suất động cơ để có n và no rồi tính e’ và suy ra d. Dùng phương pháp tính lặp sao cho: * Chọn công suất động cơ ngắn hạn lặp lại cho phụ tải ngắn hạn lặp lại. Động cơ ngắn hạn lặp lại được chế tạo chuyên dùng, độ bền cơ khí tốt, quán tính nhỏ, khả năng quá tải lớn (từ 2,5®3,5), đồng thời chế tạo chuẩn với e% = 15%; 25%; 40%; 60%. Động cơ được chọn cần thỏa mãn hai điều kiện: + Pđm chọn ≥Plv. + e%đm chọn phù hợp với e%lv. Trường hợp chưa phù hợp thì hiệu chỉnh lại Pđm theo công thức: Pđmchọn ≥Plv. Chú ý: Trường hợp phụ tải biến đổi thì phải dùng công thức các đại lượng đẳng trị: Pđt = ; Sau đó kiểm tra quá tải về mômen, mômen khởi động và phát nóng. 4.3. Chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ. Để tính chọn công suất động cơ trong trường hợp này, cần phải biết các yêu cầu cơ bản: + Đặc tính phụ tải: Pyêu cầu (w); Myêu cầu(w); đồ thị phụ tải: Pc(t); Mc(t); w(t). + Phạm vi điều chỉnh tốc độ: wmax, wmin + Loại động cơ (một chiều hoặc xoay chiều) dự định chọn. + Phương pháp điều chỉnh và BBĐ trong hệ thống truyền động đó cần định hướng trước. Như vậy, để tính chọn công suất động cơ ta phải biết phụ tải. Trong nhiều trường hợp, phụ tải rất khác nhau. Ta có thể chia thành hai nhóm. + Nhóm 1: ở mọi tốc độ, điều chỉnh Mc = const, công suất cản tỉ lệ bậc 1 với tốc độ. + Nhóm 2: ở mọi tốc độ, điều chỉnh công suất không đổi (Pc = const), còn Mc tỉ lệ nghịch với tốc độ: Đối với động cơ điện, các phương pháp điều chỉnh tốc độ theo tải cho phép được chia hai nhóm: + Nhóm 1: Điều chỉnh tốc độ với mômen cho phép của động cơ không biến đổi ở mọi tốc độ, thường gọi là các phương pháp điều chỉnh tốc độ cơ mômen cho phép không đổi, Rp tỉ lệ bậc nhất với w. Các phương pháp này thường được thực hiện bằng cách thay đổi điện áp hoặc Rp mạch phần ứng của động cơ điện một chiều KTĐL, thay đổi Rp mạch rôtor hoặc số đôi cực ở ĐCKĐB. + Nhóm 2: Điều chỉnh tốc độ với Pcp = const; , thực hiện bằng cách giảm f(ĐCMC) hoặc thay đổi số đôi cực (1 số trường hợp ĐCKĐB). * Chọn công suất động cơ cho truyền động điều chỉnh tốc độ có: Mc = const * Trường hợp: Mcp = const Động cơ chọn phải có: Mđm = Mc wđm = wmax (điều chỉnh tốc độ thấp hơn tốc độ cơ bản) Pđm = Mđm.wđm = Mcwmax = Pcmax. * Trường hợp: Pcp = const Động cơ chọn phải có: Pđm = Pcmax =Mcwmax wđm = wmin (điều chỉnh ở n>ncb do Pcp = const) Mđm = Cho thấy: Những truyền động yêu cầu Mc = const, nếu chọn động cơ theo phương pháp điều chỉnh tốc độ có: Pcp = const (không phù hợp yêu cầu của tải) => Mđm = D.Mc => Tăng kích thước, giá thành động cơ. * Chọn công suất động cơ có Pc = const. - Pcp = const: Phù hợp với yêu cầu phụ tải. Yêu cầu: Pđm = Pc Mđm = Riêng ĐCMCKTĐL: Pcp = const (thực nghiệm với n>ccb bằng cách ¯f) Yêu cầu chọn: wđm = wmin Mđm = * Mcp = const (không phù hợp với yêu cầu tải) Yêu cầu chọn: Mđm = Mcmax Với Mcp = const => thực hiện với w < wcb thì phải chọn: wđm = wmax Pđm = Mđm. wđm = Pc. 4.3. Các phương pháp kiểm nghiệm công suất động cơ. Để khẳng định chắc chắn việc tính chọn sơ bộ công suất động cơ là chấp nhận được, ta cần phải kiểm nghiệm lại việc tính chọn đó. Yêu cầu kiểm nghiệm: - Kiểm nghiệm phát nóng: DP £ DPcp - Kiểm nghiệm quá tải về mômen: lM.Mđm đông cơ > Mcmax - Kiểm nghiệm mômen khởi động: Mkđ đông cơ ≥ Mc mở máy * Để kiểm nghiệm công suất động cơ theo điều kiện phát nóng, người ta dùng 3 phương pháp sau: - Phương pháp nhiệt sai cực đại - Phương pháp tổn thất trung bình: DPtb - Phương pháp các đại lượng đẳng trị * Phương pháp tổn thất trung bình: DPtb Phương pháp tổn thất trung bình được xuất phát từ giả thiết. Trong quá trình làm việc với phụ tải biến đổi, điều kiện toả nhiệt không đổi, hằng số thời gian phát nóng q không đổi, tổn thất công suất trung bình trong một chu kỳ làm việc không đượt vượt quá tổn thất công suất định mức của động cơ. nghĩa là nhiệt độ trong các cuộn dây không được vượt quá nhiệt độ cho phép. Tổn thất công suất trung bình tính cho một chu kỳ làm việc với phụ tải biến đổi được xét: Động cơ chọn phải thoả mãn điều kiện: DPđm ≥ DPtb Trong đó: DPđm được xác định từ trước: Trong thực tế, để xác định DPtb, ta dựa vào quan hệ Pcơ(t) và đường cong h(Pcơ): Pcơ : Công suất ra ở đầu trục động cơ h = f(Pcơ): Vẽ được từ lý lịch máy điện và được biểu diễn như hình vẽ. Tổn hao công suất của động cơ khi phụ tải là Pi được xác định. ; i = 1, 2, 3 Pi. hi: Công suất trên trục và hiệu suất của động cơ trong thời gian ti, xác định như hình vẽ. - Tổn thất công suất trung bình, tính cho chu kỳ có n đoạn là: Chú ý: Với quạt gió tự làm mát, Trong đó: to : Là thời gian nghỉ b: Hệ số, a: hệ số giảm truyền nhiệt khi khởi động và hãm (a = 0,75: ĐCMC; a = 0,5: ĐCXC) tk: Thời gian khởi động và hãm * Kiểm nghiệm điều kiện phát nóng bằng phương pháp dòng điện đẳng trị: Iđt Ta đã biết: Tổn thất trong động cơ gồm 2 phần: Tổn thất biến đổi và tổn thất không đổi, trong đoạn phụ tải thứ n ta có: DPn = K + Vn = K + b.I2n Từ biểu thức tổn thất trung bình: Nếu xem: DPtb = K + b.I2đt thì: DPtb = K + b.I2đt = Trong đó: K: tổn thất không đổi V: Tổn thất biến đổi: V = b.I2 B: Hệ số Xem tổn thất không đổi K khi phụ tải biến đổi là như nhau, ta được: Iđt = Điều kiện kiểm nghiệm: Iđt £ Iđm động cơ Để tính toán giá trị của Iđt, ta giải tích quá trình quá độ. Giả thiết ta có kết quả tình dòng điện i(t) dạng đường liên tục, dùng phương pháp bậc thang xác định ii; ti. Trường hợp đường cong dòng điện có dạng tăng trưởng lớn, ta dùng công thức gần đúng: Trong đó: Iđi và Ici xác định theo hình C. * Phương pháp mômen đẳng trị: Kiểm tra theo điều kiện phát nóng gián tiếp, mômem được suy ra từ phương pháp dòng đẳng trị. Khi mômen tỉ lệ với dòng điện: M = C.I (C: Hệ số tỉ lệ) Đối với động cơ 1 chiều: Động cơ này được thoả mãn khi fđộng cơ không đổi Đối với động cơ xoay chiều KĐB: M = CM.I2.f2.cosj2 Ta cần phải có f2 = const và cosj2 = const Công thức kiểm nghiệm: Mđt = Mđm động cơ ≥ Mđt *Phương pháp công suất đẳng trị Ở truyền động tốc độ ít thay đổi thì P ~ M -> có thể dùng công suất đẳng trị để kiểm nghiệm phát nóng: Pđđộng cơ ≥ Pđt Pđt = Thực tế ở giữa đồ thị phụ tải, tốc độ truyền động sẽ có thay đổi lớn, trong quá trình khởi động và hãm. Do đó cần phải tính toán , hiệu chỉnh P(t). (Dùng ở TĐ tốc độ ít thay đổi M ~ P). ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP PHẦN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN I. PHẦN LÝ THUYẾT: 1. Cấu trúc, phân loại hệ thống truyền động điện. 2. Các cơ sở động học cơ bản của hệ thống truyền động điện. ( Đặc tính cơ của động cơ điện, đặc tính cơ của máy sản xuất, các trạng thái làm việc của truyền động điện, quy đổi các đại lượng cơ học về đầu trục động cơ, phương trình động học, điều kiện ổn định tĩnh của truyền động điện). 3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ( Phương trình đặc tính cơ, ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ, cách vẽ đặc tính cơ, tính toán điện trở khởi động, đặc tính cơ trong các trạng thái hãm). 4. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích song song khi rẽ mạch phần ứng ( Sơ đồ nguyên lý, đặc tính cơ, các nhận xét). 5. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp ( Phương trình đặc tính cơ và cách vẽ, tính toán điện trở khởi động, đặc tính cơ trong các trạng thái hãm). 5. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ( Phương trình đặc tính cơ, ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ, khởi động và xác định điện trở khởi động, đặc tính cơ trong các trạng thái hãm). 6. Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ ( Các đặc tính của động cơ đồng bộ, khởi động và hãm động cơ đồng bộ). 7. Vấn đề điều chỉnh tốc độ và các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống truyền động điện. 8. Các nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ( điều chỉnh điện áp phần ứng, điều chỉnh từ thông động cơ). 9. Hệ F - Đ ( Sơ đồ cấu trúc, sơ đồ thay thế, phương trình đặc tính cơ, các chế độ làm việc của hệ F - Đ, các nhận xét). 10. Hệ CL - Đ ( Sơ đồ nguyên lý, sơ đồ thay thế, phương trình đặc tính cơ, hệ CL - Đ đảo chiều, các trạng thái làm việc, các nhận xét). 11. Hệ XA - Đ ( Nguyên lý chung, giản đồ thời gian, phương trình đặc tính cơ, hệ XA - Đ đơn, XA - Đ đảo chiều, các nhận xét). 12. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp điều chỉnh điện áp. 13. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp điều chỉnh điện trở mạch rotor. 14. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp điều chỉnh công suất trượt. 15. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp điều chỉnh tần số nguồn. 16. Ý nghĩa của việc tính chọn công suất động cơ, các bước tính chọn công suất động cơ, ví dụ minh họa. 17. Phương trình cân bằng nhiệt, phát nóng và làm nguội động cơ điện, phân loại các chế độ làm việc của truyền động điện dựa theo điều kiện phát nóng. 18. Chọn công suất động cơ cho những truyền động không điều chỉnh tốc độ ở các chế độ làm việc. 19. Chọn công suất động cơ cho các truyền động có điều chỉnh tốc độ. II - PHẦN BÀI TẬP: Bài 1: 1. Nêu điều kiện ổn định tĩnh của truyền động điện. 2. Xét xem các điểm A, B có phải là điểm làm việc ổn định không? Bài 2: Một động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các thông số định mức là: Pđm = 10kW; Uđm = 110V; Iđm =100A; nđm = 500v/p. 1. Xác định độ cứng của đường đặc tính cơ tự nhiên. 2. Vẽ đặc tính cơ tự nhiên. 3. Vẽ đặc tính cơ nhân tạo với Rf = 1,84W, tải mang tính phản kháng, Mc = Mđm. 4. Vẽ đặc tính cơ khi kết hợp đảo chiều Uư và thêm Rp = 2(W) vào mạch phần ứng, Mc = 1,5Mđm. 5. Vẽ đặc tính cơ khi giảm F = 85%Fđm, Mc = 0,8Mđm. Bài 3: Cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các thông số như sau: Pđm = 75Kw, Uđm = 440V, Iđm = 194A, nđm =1000 v/p, Rư = 0,072W. 1. Xác định tốc độ làm việc của động cơ và trạng thái làm việc tương ứng khi mômen cản tác dụng lên đầu trục động cơ lần lượt là: - Mc = 0,8Mđm, tải mang tính thế năng. - Mc = 0,8Mđm, tải mang tính phản kháng. - Mc = 1.2Mnm, tải mang tính phản kháng. - Mc = 1.2Mnm, tải mang tính thế năng. 2. Xác định giá trị lớn nhất của mômen cản trên để động cơ có thể khởi động được theo chiều thuận trên đặc tính cơ có điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng Rp = 2W. 3. Hãy xác định tốc độ làm việc của động cơ khi thêm Rp = 2(W) vào mạch phần ứng, Mc = Mđm. Tính hiệu suất làm việc của động cơ khi đó. 4. Khi động cơ đang làm việc ổn định trên đường đặc tính cơ tự nhiên với Mc = 0,9Mđm thì đột ngột điện áp giảm xuống còn 200V. Hãy tính tốc độ làm việc ổn định của động cơ lúc ban đầu và sau khi giảm áp, vẽ đặc tính cơ và phân tích diễn biến của quá trình khi chuyển từ tốc độ ban đầu đến tốc độ sau. Xác định dòng điện chạy qua phần ứng động cơ tại thời điểm điện áp phần ứng vừa thay đổi ( Ihbđ). 5. Xác định tốc độ làm việc của động cơ khi giảm từ thông còn 2/3Fđm, tải định mức. 6. Tính mômen tổn thất khi động cơ làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên với tải định mức. Bài 4: Cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các thông số định mức: Pđm = 20,5Kw, Uđm = 440V, Iđm = 55A, nđm = 1000v/p. 1. Động cơ khởi động với Mc = 0.9Mđm. Dòng điện lớn nhất trong quá trình khởi động I1 = 110A. Hãy xác định số cấp điện trở khởi động và giá trị điện trở khởi động của từng cấp. 2. Xác định số cấp điện trở khởi động và giá trị điện trở khởi động ở mỗi cấp sao cho mômen khởi động ban đầu: M1 = 2Mđm và mômen chuyển M2 không vượt quá 1,2Mđm; Mc = Mđm. 3. Xác định giá trị điện trở phụ ở mỗi cấp khi yêu cầu mở máy bình thường, số cấp điện trở khởi động m = 3; Mc = Mđm. 4. Xác định giá trị điện trở khởi động ở mỗi cấp bằng phương pháp giải tích khi yêu cầu mở máy cưỡng bức, khởi động qua hai cấp điện trở phụ; Mc = Mđm. 5. Tính các giá trị điện trở mở máy của động cơ trên bằng phương pháp đồ thị biết động cơ mở máy qua ba cấp điện trở phụ, Mc = 0,7Mđm. Kiểm nghiệm bằng phương pháp giải tích. Bài 5: Cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các thông số sau: Pđm = 1,5Kw, Uđm = 220V, Iđm = 8,31A, nđm = 1500v/p. 1. Hãm động năng kích từ độc lập động cơ trên, xác định giá trị Rh sao cho tốc độ hãm ổn định là: nôđ = -1500v/p, Mc = Mđm, bắt đầu hãm tại điểm A(Mđm, nđm). Vẽ đặc tính cơ minh họa. 2. Hãm động cơ trên bằng phương pháp hãm ngược (đảo chiều Uư và thêm Rp đủ lớn), xác định giá trị Rh nhỏ nhất cần mắc vào mạch phần ứng sao cho động cơ sẽ dừng sau khi giảm tốc. Tính giá trị của mômen hãm ban đầu Mhbđ khi đó? Vẽ đặc tính cơ minh họa. Biết Mc = Mđm, bắt đầu hãm tại điểm A(Mđm, nđm). 3. Động cơ đang làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên với Mc = 20Nm. Xác định trị số điện trở phụ cần thêm vào mạch phần ứng để động cơ đổi chiều quay sang tốc độ n = -1000v/p. Vẽ đặc tính cơ minh họa quá trình đảo chiều quay trên. Bài 6: Một động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các thông số định mức là: Pđm = 10kW; Uđm = 110V; Iđm =100A; nđm = 500v/p. Động cơ được trang bị cho một cơ cấu nâng và đang làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên với phụ tải Mc = 0,8Mđm. Hãy xác định giá trị điện trở phụ cần nối vào mạch phần ứng để động cơ hạ tải với tốc độ bằng tốc độ nâng. Bài 7: Một động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các thông số định mức là: Pđm = 4,2kW; Uđm = 220V; Iđm =20A; nđm = 500v/p được trang bị cho một cơ cấu nâng. Khi động cơ đang nâng tải trên đường đặc tính cơ tự nhiên, người ta đọc được giá trị dòng điện chạy trong mạch phần ứng là 20A. Để dừng tải lại người ta sử dụng phương pháp hãm động năng kích từ độc lập. 1. Xác định giới hạn giá trị điện trở hãm dùng để nối kín mạch phần ứng sao cho dòng điện hãm ban đầu nằm trong phạm vi cho phép. (2Iđm £ Ihbđ£ 2,5Iđm). 2. Xác định giá trị điện trở hãm dùng để nối kín mạch phần ứng để cho động cơ hạ tải trong trạng thái hãm động năng với tốc độ hãm bằng1/2 tốc độ nâng. Bài 8: Vẽ đường đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp. Biết: Rp1 = 1(W), Rp2 = 3(W). Các tham số định mức của động cơ: Pđm =16Kw, Uđm = 440V, Iđm = 44A, nđm = 630v/p, Rkt = 0,5Rư. (động cơ có đường đặc tính vạn năng như hình vẽ SGK Truyền động điện – Bùi Quốc Khánh chủ biên). Bài 9: Một động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp đang làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên ở trạng thái động cơ. Người ta đo được dòng điện chạy qua động cơ bằng 20A. Để hãm dừng nhanh động cơ, người ta áp dụng biện pháp đảo ngược cực tính điện áp phần ứng và nối thêm Rp. Hãy xác định giới hạn giá trị Rp để dòng điện hãm ban đầu Ihbđ £2,5Iđm. Các thông số định mức của động cơ: Pđm = 4kW; Uđm = 220V; Iđm = 20A; nđm = 500v/p; Rkt = 0.5Rư. Bài 10: Cho động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có: Pđm = 7kW; Uđm = 220V; Iđm = 37,5A; nđm = 1180v/p; Rkt = 0.96W. Tính giá trị điện trở phụ mắc nối tiếp vào mạch phần ứng sao cho nĐC = 800v/p, tải Mc = 60Nm. Bài 11: Vẽ đường đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo của động cơ không đồng bộ rotor dây quấn kiểu AK – 1148 với Rp1 = 0,029(W), Rp2 = 0,053(W), các tham số định mức của động cơ là: Pđm = 60kw, nđm= 720v/p, Mth/Mđm= 2,2, E2 = 175V, I2đm= 216A. Bài 12: Chọn các cấp điện trở mở máy cho động cơ không đồng bộ rotor dây quấn có các tham số: Pđm = 1,7Kw; nđm= 905v/p; Mth/Mđm= lM =2; E2 = 57V; I2đm= 20,2A; Động cơ mở máy qua ba cấp điện trở phụ, Mc = Mđm. Bài 13: Một động cơ không đồng bộ ba pha có các tham số sau: Pđm = 7,5Kw; nđm= 945v/p; Mth/Mđm= lM =2,5; fđm = 50Hz; 2p = 6; Uđm = 380V. Tính mômen khởi động trực tiếp của động cơ. Xác định tốc độ làm việc của động cơ khi làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên với mômen phụ tải đặt lên trục động cơ Mc = 1,2Mđm. Bài 14: Một động cơ điện KĐB ba pha rotor dây quấn, đang làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên với Mc = 23,7N.m. Các số liệu của động cơ như sau: Pđm = 2,2kW; nđm = 885v/p; lM = 2,3; 2p = 6; Iđm = 12,8A; Uđm = 220V; E2 = 135V. Xác định tốc độ làm việc của động cơ khi thêm vào Rotor điện trở bằng 1,5W. Tính điện trở phụ cần thiết thêm vào mạch rotor để động cơ làm việc ổn định với tốc độ n = -300v/p. Bài 15: Cho một động cơ không đồng bộ có các tham số sau: Pđm = 7,5kW; nđm = 905v/p; lM = 2,3; 2p = 6; Istđm = 19,3A; IkđTN = 4,4 Istđm; MkđTN = 3Mđm; cosjnm = 0,74; Uđm = 220V; E2 = 135V. Để cho tải trọng của một pa lăng khỏi bị giật mạnh, khi khởi động người ta nối stator động cơ qua một điện trở khởi động. Hãy tính giá trị điện trở phụ mắc vào mạch stator, giả thiết khi đó Mkđ = 0,5Mđm. Bài 16: Một động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn có r2 = 0,0278W; nđm = 970v/p; hiệu suất định mức hđm = 0,885; fđm = 50Hz; n0 = 1000v/p. Để thay đổi tốc độ động cơ, người ta mắc thêm Rp vào mạch rotor. Tính giá trị Rp để tốc độ động cơ đạt được là 800v/p. Biết rằng mômen cản không phụ thuộc vào tốc độ. Bài 17: Tính điện trở trong mạch một chiều để hãm động năng động cơ không đồng bộ ba pha có các số liệu như sau: Pđm = 11kW; nđm = 685v/p; Istđm = 28,8A; Uđm = 380V. Dòng ba pha không tải Ist0 = 19,4A; rst = 0,43Ω. Nguồn xoay chiều của động cơ là một bộ biến tần 25Hz. Lưới một chiều để cung cấp dòng điện cho hãm động năng có điện áp 220V. Yêu cầu hãm nhanh. Bài 18: Cho động cơ điện một chiều kích thích độc lập có các thông số sau: Pđm = 8kw; Uđm = 220V; hđm =0,85; nđm = 1440v/p. Yêu cầu thiết kế hệ thống TĐĐ theo nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng sao cho: D = 20:1, Scp = 3%, tải MC = Mđm. 1. Nếu sử dụng hệ hở CL - Đ, để thỏa mãn D thì sai lệch tĩnh lớn nhất của hệ hở Shmax bằng bao nhiêu? Tính giá trị độ cứng của đặc tính cơ khi đó. 2. Để đảm bảo Scp = 3% thì giá trị độ cứng tối thiểu của đặc tính cơ của hệ kín khi đó là bao nhiêu? Bài 19: Một động cơ kích từ độc lập có các tham số như sau: Pđm = 29Kw; Uđm = 440V; Iđm = 76A; nđm = 1000v/p. Hãy xác định mômen điện từ của động cơ khi làm việc với phụ tải dài hạn Ic = Iđm và tốc độ quay của động cơ là 1,5nđm. Bài 20: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập được cung cấp điện từ chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển có điện áp nguồn xoay chiều U = 240V; f = 50Hz có Eư = 150V; Rư = 6W; góc mở α = 80°; tỷ số ; Utb = 169V. Tính mô men trung bình và tốc độ quay của động cơ khi đó. Bài 21: Một động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc có bốn cực, U = 220V; f = 50Hz. Dùng bộ nghịch lưu để cấp điện cho động cơ, thây đổi tốc độ động cơ bằng điều chỉnh tần số. Hãy tính tốc độ động cơ và lượng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu với tần số f lần lượt là: 30Hz; 40Hz; 50Hz; 60Hz. Bài 22: Một bộ nghịch lưu cung cấp cho một động cơ không đồng bộ ba pha ở tần số 52Hz, với thành phần cơ bản của điện áp pha là 208V. 1. Xác định tốc độ động cơ khi hệ số trượt s = 0,04. 2. Khi bộ nghịch lưu chuyển sang f = 48Hz, U = 192V thì tốc độ động cơ là bao nhiêu. Bài 23: Các tham số định mức của một động cơ KĐB ba pha rôtor dây quấn kiểu AK – 1148 là: Pđm = 60kw, nđm= 720v/p, Mth/Mđm= 2,2, E2 = 175V, I2đm= 216A. Thêm điện trở phụ mắc vào mạch rôtor để điều chỉnh tốc độ quay của ĐCKĐB ba pha bằng phương pháp xung trở rotor, biết: . 1. Hãy tính giá trị điện trở phụ tương ứng mắc vào mạch xoay chiều. 2. Hãy xác định các giá trị Mth và sth khi đó. Bài 24: Máy công tác làm việc ngắn hạn lặp lại có đồ thị có đồ thị phụ tải như hình vẽ. Động cơ truyền động có e%đm = 25%, Pđm = 14kw, Mmax/Mđm = 2, nđm= 950v/p. Hãy kiểm tra điều kiện phát nóng và quá tải của động cơ trên. ( chú ý: , trong đó: là tổng các khoảng thời gian làm việc của tải trong một chu kì, là tổng các khoảng thời gian nghỉ của tải trong một chu kì) Bài 25: Hãy tính chọn công suất của động cơ nâng trong cầu trục có biểu đồ mô men phụ tải tĩnh như hình vẽ, giả thiết rằng không có tổn hao trong các khâu truyền lực, nđm= 720v/p. ( chú ý: , trong đó: là tổng các khoảng thời gian làm việc của tải trong một chu kì, là tổng các khoảng thời gian nghỉ của tải trong một chu kì) Bài 26: Xác định công suất động cơ quạt gió có năng suất 15m3/s với tổng áp lực 1960N/m2. Trục động cơ nối cứng với trục quạt gió, không qua khâu truyền lực. Tốc độ quạt gió nq = 960v/p và hiệu suất của nó là hq = 0,6. ( Công suất trên trục động cơ quạt gió được xác định: Trong đó: Q: Lưu lượng gió (năng suất quạt) (m3/s). H: Tổng áp lực (N/m2). hq: Hiệu suất quạt gió. htr: Hiệu suất khâu truyền lực.) Bài 27: (Công suất trên trục động cơ bơm nước được xác định: Trong đó: g: Tỷ trọng chất lỏng ( N/m3). Q: Lưu lượng của bơm (m3/s). H: Chiều cao cột nước bơm, bằng tổng chiều cao cột nước hút và chiều cao cột nước đẩy (m). DH: Độ giảm cột nước trong ống dẫn chính (m). hb: Hiệu suất bơm. htr: Hiệu suất khâu truyền lực). MỤC TIÊU MÔN HỌC.................................................................................................................................. 1 Ch­¬ng 1: Kh¸i niÖm, C¬ së ®éng häc vµ c¸c §Æc tÝnh cña hT T®® ........1 1.1 Cấu trúc và phân loại hệ thống truyền động điện tự động (TĐĐ TĐ)..................................1 1.2 C¬ së ®éng häc c¬ b¶n cña HT T§§...........................................................................2 1.2.1 Đặc tính cơ của máy sản xuất..................................................................................2 1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện..................................................................................3 1.2.3 Trạng thái làm việc của hệ TĐĐ TĐ.........................................................................4 1.2.4 Tính đổi các đại lượng cơ học .................................................................................6 1.2.4.1 Mômen và lực quy đổi...........................................................................................6 1.2.4.2 Quy đổi mômen quán tính và khối lượng quán tính..............................................7 1.2.5 Phương trình động học của hệ TĐĐ TĐ..................................................................8 1.2.6 Điều kiện ổn định tĩnh của hệ TĐĐ TĐ.....................................................................9 Ch­¬ng 2:C¸c ®Æc tÝnh ®éng c¬ ®iÖn.................................................................11 2.1 §Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp............................................11 2.1.1 Ph­¬ng tr×nh ®Æc tÝnh c¬ - ¶nh h­ëng cña c¸c tham sè.........................................11 2.1.2 VÏ c¸c ®Æc tÝnh c¬ .................................................................................................16 2.1.3 TÝnh to¸n ®iÖn trë khëi ®éng. (Tham khảo TL trang 32 )........................................18 2.1.4 §Æc tÝnh c¬ trong c¸c tr¹ng th¸i h·m......................................................................18 2.2. §Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ nèi tiÕp...........................................23 2.2.1. Ph­¬ng tr×nh ®Æc tÝnh c¬........................................................................................23 2.2.2 C¸ch vÏ ®Æc tÝnh c¬................................................................................................25 2.2.3 Khởi động và xác định điện trở khởi động. (Tham khảo TL trang 52 )...................26 2.2.4 Tr¹ng th¸i h·m cña ®éng c¬ kÝch tõ nèi tiÕp...........................................................26 2.3 §Æc tÝnh c¬ ®éng c¬ K§B..........................................................................................29 2.3.1 Ph­¬ng tr×nh ®Æc tÝnh c¬.........................................................................................29 2.3.2 Ảnh h­ëng cña c¸c th«ng sè dÕn ®Æc tÝnh c¬.........................................................33 2.3.3 C¸ch vÏ ®Æc tÝnh c¬. (Tham khảo GT trang 70).....................................................35 2.3.4 Khëi ®éng vµ c¸ch x¸c ®Þnh ®iÖn trë khëi ®éng......................................................35 2.3.5 ĐÆc tÝnh c¬ trong c¸c tr¹ng th¸i h·m......................................................................37 2.3.5.1 H·m t¸i sinh........................................................................................................37 2.3.5.2 H·m ng­îc.........................................................................................................38 2.3.5.3 H·m ®éng n¨ng...................................................................................................41 Ch­¬ng 3: ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TRUYỀN ĐỘNG......................................................48 Các định nghĩa................................................................................................................48 Điều chỉnh không tự động và điều chỉnh tự động............................................................49 Các chỉ tiêu chất lượng...................................................................................................50 Chương 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐC MỘT CHIỀU BẰNG THAY ĐỔI THÔNG SỐ...................................................................................................52 4.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMĐL bằng cách thay đổi Uư của động cơ...........52 4.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi từ thông KT của ĐC......54 4.3 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Rp mạch phần ứng........54 4.4 Hệ Máy phát - Động cơ một chiều (F-Đ)...................................................................55 4.4.1 CÊu tróc hÖ F - § vµ c¸c ®Æc tÝnh c¬ b¶n...............................................................55 4.4.2 ChÕ ®é lµm viÖc cña hÖ F - §.................................................................................56 4.5 Hệ Chỉnh lưu - Động cơ một chiều............................................................................59 4.5.1 Xét hệ T - Đ không đảo chiều: ph©n tÝch mét s¬ ®å CL h×nh tia 3 pha...................59 4.6 C¸c hÖ T§ ®iÒu chØnh xung ¸p - ®éng c¬ §C............................................................62 4.6.1 §iÒu chØnh xung ¸p ®¬n (Lo¹i A: t¶i R, L, E)..........................................................62 4.6.2 §Æc tÝnh c¬..............................................................................................................63 4.7 æn ®Þnh tèc ®é lµm viÖc cña T§§ mét chiÒu.............................................................64 4.7.1 §iÒu chØnh Eb theo dßng t¶i....................................................................................64 4.7.2 §iÒu chØnh Eb theo ®iÖn ¸p phÇn øng.....................................................................66 4.7.3 §iÒu chØnh Eb theo tèc ®é.......................................................................................67 Ch­¬ng 5: Ph­¬ng ph¸p ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ kh«ng ®ång bé...69 5.1 §iÒu chØnh ®iÖn ¸p ®éng c¬.......................................................................................69 5.2 §iÒu chØnh ®iÖn trë m¹ch rotor b»ng bé biÕn ®æi xung thysistor................................77 5.3 §iÒu chØnh c«ng suÊt tr­ît PS ..................................................................................80 5.4 § iÒu chØnh tÇn sè cña nguån cÊp cho ®éng c¬ kh«ng ®ång bé................................83 5.4.1 §iÒu chØnh tÇn sè - ®iÖn ¸p.....................................................................................83 Ch­¬ng 6: chän c«ng suÊt ®éng c¬..................................................................90 6.1 Nh÷ng vÊn ®Ò chung (Gi¸o tr×nh Tr 241)...................................................................90 6.2 Chän P§C cho truyÒn ®éng kh«ng ®iÒu chØnh tèc ®é..................................................90 6.2.1 §éng c¬ LV dµi h¹n................................................................................................90 6.2.2 §éng c¬ LV ng¾n h¹n.............................................................................................90 6.2.3 Chän §C cho phô t¶i ng¾n h¹n lÆp l¹i...................................................................91