TổNG QUAN Về TRUYềN ĐộNG ĐIệN MộT CHIềU 3 1.1 CấU TRúC Và PHÂN LOạI TRUYềN ĐộNG ĐIệN
Cấu trúc chung của hệ truyền động điện
Truyền động điện (TĐĐ) là hệ thống sử dụng năng lượng điện để vận hành máy móc và dây chuyền sản xuất Hệ truyền động điện bao gồm các thiết bị như điện, điện từ, điện tử, cơ khí và thủy lực, nhằm biến đổi điện năng thành cơ năng cho các cơ cấu chấp hành Đồng thời, hệ thống này còn có khả năng điều khiển dòng năng lượng theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất.
Về cấu trúc, một hệ thống TĐĐ nói chung bao gồm các khâu:
Hình 1-1.Cấu trúc hệ thống truyền động điện
Bộ biến đổi (BBĐ) là thiết bị quan trọng dùng để chuyển đổi dòng điện từ dạng xoay chiều sang một chiều hoặc ngược lại, cũng như thay đổi loại nguồn điện, mức điện áp, số pha và tần số Các loại BBĐ phổ biến bao gồm máy phát điện, hệ thống máy phát - động cơ (hệ F-Đ), cùng với các chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển, cũng như các bộ biến tần.
Động cơ điện là thiết bị chuyển đổi điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại khi hãm điện Các loại động cơ điện phổ biến bao gồm: động cơ xoay chiều KĐB ba pha với rôto dây quấn hoặc lồng sóc, động cơ điện một chiều với các kiểu kích từ song song, nối tiếp hoặc bằng nam châm vĩnh cửu, và động cơ xoay chiều đồng bộ.
Khâu truyền lực là bộ phận quan trọng trong hệ thống cơ khí, có chức năng truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu sản xuất, đồng thời biến đổi dạng chuyển động như từ quay sang tịnh tiến hoặc lắc Ngoài ra, khâu này còn điều chỉnh tốc độ, mômen và lực Để thực hiện việc truyền lực hiệu quả, có thể sử dụng các thiết bị như bánh răng, thanh răng, trục vít, xích, đai truyền cùng với các bộ ly hợp cơ hoặc điện từ.
CCSX là cấu trúc sản xuất, thực hiện các thao tác như gia công chi tiết, nâng hạ tải trọng và dịch chuyển Khối điều khiển (ĐK) bao gồm các thiết bị điều khiển bộ biến đổi BBĐ, động cơ điện và cơ cấu truyền lực, với các thành phần như cơ cấu đo lường, bộ điều chỉnh tham số, và các thiết bị điều khiển có hoặc không có tiếp điểm Một số hệ thống TĐĐ có thể kết nối với thiết bị tự động khác như máy tính điều khiển, vi xử lý và PLC Các thiết bị đo lường và cảm biến được sử dụng để thu thập tín hiệu phản hồi, như đồng hồ đo và cảm biến từ, cơ, quang Mặc dù không cần có đầy đủ các khâu, mọi hệ thống TĐĐ đều bao gồm hai phần chính.
- Phần lực: Bao gồm bộ biến đổi và động cơ điện
Hệ thống truyền động điện được phân loại thành hai loại: hệ hở và hệ kín Hệ hở không có phản hồi, trong khi hệ kín có phản hồi, tức là giá trị đầu ra được đưa trở lại đầu vào dưới dạng tín hiệu để điều chỉnh quá trình điều khiển, nhằm đạt được giá trị đầu ra mong muốn.
Phân loại hệ thống truyền động điện
a Theo đặc điểm của động cơ điện:
Truyền động điện một chiều sử dụng động cơ điện một chiều, được ưa chuộng cho các máy móc yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và mômen nhờ vào chất lượng điều chỉnh tốt Tuy nhiên, động cơ này có cấu tạo phức tạp và giá thành cao, đồng thời cần có bộ nguồn một chiều Do đó, trong những trường hợp không yêu cầu cao về điều chỉnh, động cơ không đồng bộ (KĐB) thường được lựa chọn thay thế.
Truyền động điện không đồng bộ sử dụng động cơ điện xoay chiều không đồng bộ, đặc biệt là động cơ KĐB ba pha với kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và vận hành an toàn Mặc dù trước đây, tỷ lệ sử dụng động cơ KĐB thấp do khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ so với động cơ điện một chiều, nhưng sự phát triển của công nghiệp chế tạo thiết bị bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của truyền động không đồng bộ Hiện nay, các hệ thống điều khiển tần số đã cải thiện chất lượng điều chỉnh, giúp chúng đạt hiệu suất tương đương với hệ truyền động một chiều.
Truyền động điện đồng bộ sử dụng động cơ điện xoay chiều ba pha, thường được áp dụng cho các hệ thống không yêu cầu điều chỉnh tốc độ Những động cơ này có công suất lớn, từ hàng trăm KW đến hàng MW, và thường được sử dụng trong các thiết bị như máy nén khí, quạt gió, bơm nước, và máy nghiền.
Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp điện tử, động cơ đồng bộ đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp Các động cơ này có công suất đa dạng, từ vài trăm W cho các thiết bị như máy cắt gọt kim loại và robot, đến hàng MW cho các hệ thống truyền động trong máy cán và tàu kéo tốc độ cao.
6 b Theo tính năng điều chỉnh:
- Truyền động không điều chỉnh: Động cơ chỉ quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định
Truyền có điều chỉnh bao gồm các loại như truyền động điều chỉnh tốc độ, mômen, lực kéo và vị trí, tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ Các thiết bị biến đổi này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và linh hoạt của hệ thống truyền động.
Hệ máy phát - động cơ (F-Đ) bao gồm động cơ điện một chiều được cung cấp điện từ máy phát điện một chiều, thường gọi là bộ biến đổi máy điện Trong hệ này, có sự hiện diện của hệ máy điện khuếch đại động cơ (MĐKĐ - Đ), đặc trưng bởi bộ biến đổi điện (BBĐ) là máy điện khuếch đại từ trường ngang.
Hệ chỉnh lưu - động cơ (CL - Đ) là hệ thống trong đó động cơ một chiều nhận điện năng từ bộ chỉnh lưu (BCL) Bộ chỉnh lưu có thể là không điều khiển, sử dụng điôt, hoặc có điều khiển, sử dụng thyristor.
cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiÒu
Những phần chính của động cơ điện một chiều gồm: vỏ, trục, ổ bi, phần cảm (stato), phần ứng (rôto), cổ góp và chổi điện
Hình 1-2 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều
7 a Phần tĩnh: là Stato và luôn luôn là phần cảm Phần cảm là phần nhận năng lượng điện một chiều để tạo ra từ trường kích từ trong máy
Trên hình vẽ 1.2 cắt ngang máy điện 1 chiều, xét về phần cảm ta có:
Vỏ máy là bộ phận quan trọng, được làm từ thép đúc, có chức năng dẫn từ và gá lắp các cực từ, đồng thời bảo vệ máy khỏi các tác động bên ngoài.
Cực từ chính bao gồm hai phần: thân cực và mặt cực, trong đó thân cực được làm bằng thép đúc và mặt cực bằng thép lá KTĐ Nhiệm vụ của cực từ chính là quấn dây kích từ để tạo ra từ trường cảm ứng, hay còn gọi là từ trường kích từ Dây kích từ Wkt được quấn trên cực từ chính để thực hiện chức năng này.
Cực từ phụ là thành phần được làm bằng thép đúc, có mặt cực với khe khí rộng hơn so với cực từ chính Trên bề mặt của cực từ phụ, dây kích từ phụ Wp được quấn để tăng cường hiệu suất hoạt động.
Nó tạo ra từ trường phụ
- Dây quấn: Là mạch điện dùng để dẫn điện, nó được làm bằng dây đồng bọc cách điện, hoặc dây êmay Dây quấn gồm các loại sau:
Dây quấn kích từ song song, hay còn gọi là dây quấn kích từ độc lập, có nội trở lớn do số vòng dây nhiều và thiết diện dây nhỏ Wss có khả năng đấu nối song song hoặc độc lập với phần ứng (rôto).
Dây quấn kích từ nối tiếp (4) Wnt có nội trở rất nhỏ do W nhỏ và S lớn, được kết nối tiếp với phần ứng thông qua chổi than và cổ góp điện, trong đó dòng điện qua Wnt tương đương với dòng điện qua rôto.
Tuỳ theo quan điểm phát nhiệt hay quan điểm cách điện mà Wss hay Wnt được quấn gần hoặc xa lõi thép Stato hơn
Dây quấn phụ Wp tương tự như Wnt, nhưng được quấn trên thân cực từ phụ Tín hiệu dòng qua dây quấn phụ Wp giống như tín hiệu dòng qua cuộn nối tiếp.
Hình 1-3 Stato và rôto động cơ điện 1 chiều
Phần tĩnh của máy bao gồm hai nắp máy ở hai đầu để đỡ rôto, với hai vòng bi ở hai đầu trục Trên thân máy có trụ đấu dây, đế máy, giá chổi than, chổi than, biển máy và móc vận chuyển Phần quay là rôto, luôn là phần ứng, tạo ra sức điện động xoay chiều, và phần ứng bao gồm các thành phần quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả của máy.
Lõi thép của rôto (7) là mạch từ, được chế tạo từ các lá thép KTĐ có độ dày từ 0,35 đến 0,5 mm, ghép lại tương tự như lõi thép của rôto dị bộ dây quấn ba pha Ngoài ra, chu vi mặt ngoài của rôto được thiết kế với các rãnh đều đặn để lắp đặt dây.
Dây quấn (8) là mạch điện của rôto, được làm từ dây đồng bọc cách điện hoặc dây êmay Kiểu quấn này được rải đều trên chu vi mặt ngoài của rôto, và cấu tạo chi tiết của dây quấn sẽ được tìm hiểu ở chương sau.
Trục rôto (9) được chế tạo từ thép hợp kim với độ bền cơ khí vượt trội, giúp nâng đỡ rôto và cho phép quay tự do nhờ vào hai vòng bi ở hai đầu.
- Ngoài ra phần quay còn có cổ góp, cánh quạt làm mát c Cổ góp và chổi than:
Là bộ phận để chỉnh lưu hay nghịch lưu dòng điện rô to Đây có thể coi như bộ chỉnh lưu hay nghịch lưu cơ khí
Cổ góp, hay còn gọi là vành góp hoặc vành đổi chiều, được cấu tạo từ nhiều phiến góp bằng đồng, với các phiến này được cách điện với nhau Các đầu dây của mô bin dây được kết nối đến các phiến góp để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Chổi than là thiết bị quan trọng giúp đưa dòng điện vào hoặc ra khỏi rôto, được cấu tạo từ than granit với độ bền cơ học cao, khả năng chống mài mòn tốt và độ dẫn điện hiệu quả.
Chổi than là bộ phận quan trọng trong hệ thống điện cao, được giữ trong hộp chổi than Hộp chổi than được đặt trên giá đỡ và được cố định bằng ống vít, đồng thời cả giá chổi than, hộp chổi than và chổi than đều được cách điện với vỏ máy Giá chổi than có thể điều chỉnh vị trí nhờ vào các ốc vít, và để tăng cường tiếp xúc cũng như giữ chặt chổi, có các lò xo tỳ Các lò xo này có thể điều chỉnh được độ căng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tốt nhất.
Chổi than tiếp xúc với bề mặt cổ góp có thể tạo ra tia lửa điện, dẫn đến nguy cơ hình thành vành lửa xung quanh cổ góp Hiện tượng này không chỉ làm hỏng chổi than và cổ góp mà còn gây tổn hao năng lượng, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và gây nhiễu cho các thiết bị điện tử Do đó, việc bảo vệ và bảo dưỡng định kỳ động cơ là rất cần thiết trong các ứng dụng công nghiệp.
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 chiều
Khi áp dụng điện áp một chiều vào phần cảm (Stato), từ trường xuất hiện, và khi điện áp một chiều được đặt vào phần ứng, dòng điện i ư chạy qua dây quấn phần ứng (Roto) Lực tác động F lên thanh dẫn phần ứng được xác định theo quy tắc bàn tay trái, với F = BLI Lực này tạo ra mômen quay, khiến rô to quay Để minh họa nguyên lý hoạt động, ta xem xét máy điện có rô to là khung dây và Stato là nam châm điện hai cực Bắc – Nam (N-S).
Hình 1-4 Nguyên lý làm việc động cơ điện 1 chiều
đặc tính và các trạng tháI làm việc của động cơ điện một chiều
1.3.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ song song a Phương trình đặc tính cơ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Cuộn kích từ được cấp điện từ nguồn một chiều độc lập với nguồn điện cấp cho rôto
Hình 1-5 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập và song song
Nếu cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng được cấp điện từ cùng một nguồn, động cơ sẽ hoạt động theo kiểu kích từ song song Trong trường hợp này, nếu nguồn điện có
11 công suất rất lớn so với công suất động cơ thì tính chất động cơ sẽ tương tự như động cơ kích từ độc lập
Khi động cơ hoạt động, rôto với cuộn dây phần ứng quay trong từ trường của cuộn cảm, tạo ra sức điện động cảm ứng ngược chiều với điện áp đặt vào phần ứng Dựa trên sơ đồ nguyên lý ở hình 1.6, ta có thể thiết lập phương trình cân bằng điện áp cho mạch phần ứng (rôto).
Uư = Eư + (Rư + Rp).Iư (1-1) Trong đó:
- U ư là điện áp phần ứng động cơ, (V)
- E ư là sức điện động phần ứng động cơ (V)
- I ư là dòng điện phần ứng động cơ
- Rp là điện trở phụ mạch phần ứng
- Rư là điện trở cuộn dây phần ứng
Điện trở tổng của cuộn dây phần ứng (R ư) được tính bằng tổng của các điện trở: điện trở cuộn dây phần ứng (r ư), điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp (rct), điện trở cuộn bù (rcb) và điện trở cuộn phụ (rcp) Công thức tính toán là: R ư = r ư + rct + rcb + rcp.
Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của rôto
2 là hệ số kết cấu của động cơ
- Từ thông qua mỗi cực từ p - Số đôi cực từ chính
N - Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng a - Số mạch nhánh song song của cuộn ứng
Hoặc ta có thể viết:
Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng khi có dòng điện, rôto quay dưới tác dụng của mômen quay:
Từ hệ 2 phương trình (1.1) và (1.3), có thể xác định phương trình đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ góc ω và dòng điện I, được biểu diễn dưới dạng ω = f(I).
Từ phương trình (1.5), ta rút ra Iư và thay vào phương trình (1.6), dẫn đến phương trình đặc tính cơ cho thấy mối quan hệ giữa ω và M của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, được biểu thị dưới dạng ω = f(M).
Có thể biểu diễn đặc tính cơ dưới dạng khác: ω = ω 0 - Δω (1-8)
0 gọi là tốc độ không tải lý tưởng
- gọi là độ sụt tốc độ
Phương trình đặc tính cơ (1.7) có dạng hàm bậc nhất y = B + Ax, dẫn đến việc đường biểu diễn trên hệ tọa độ M0ω tạo thành một đường thẳng với độ dốc âm Đường đặc tính cơ này cắt trục tung 0ω tại một điểm có tung độ nhất định.
0 Tốc độ ω0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng khi không có lực cản nào cả Đó là tốc
13 độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ở chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra trường hợp M C = 0
Hình 1-6 Đặc tính cơ của động cơ 1 chiều kích từ độc lập
Khi phụ tải tăng từ MC = 0 đến MC = Mđm, tốc độ động cơ giảm từ ω0 đến ωđm, với điểm A (Mđm, ωđm) được gọi là điểm định mức Đường đặc tính cơ có thể được xác định từ hai điểm ω0 và A Điểm cắt của đường đặc tính cơ với trục hoành 0M có tung độ ω = 0 và hoành độ được suy ra từ phương trình (1.7): nm dm dm dm nm K I.
Hình 1-7 Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ 1 chiều kích từ độc lập
Mômen Mnm và Inm được gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch, đại diện cho giá trị mômen và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điện đầy đủ với tốc độ bằng 0 Tình huống này xảy ra khi khởi động động cơ hoặc khi động cơ bị dừng lại do kẹt hoặc tải quá lớn Dòng điện Inm trong trường hợp này thường có giá trị lớn.
Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tượng tồn tại kéo dài
14 b Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ
Phương trình đặc tính cơ bậc nhất ω = f(M) chỉ ra rằng đường đặc tính phụ thuộc vào các hệ số của phương trình, bao gồm các thông số điện như U và R p Chúng ta sẽ lần lượt phân tích ảnh hưởng của từng thông số này.
Trường hợp thay đổi điện áp phần ứng
Vì điện áp phần ứng không thể vượt quá giá trị định mức nên ta chỉ có thể thay đổi về phía giảm
Uư biến đổi; Rp = const; = const
Trong phương trình đặc tính cơ, ta thấy độ dốc (hay độ cứng) đặc tính cơ không thay đổi: const
(1-10) Tốc độ không tải lý tưởng ω0 thay đổi tỷ lệ thuận với điện áp:
Khi thay đổi điện áp phần ứng, ta thu được một tập hợp các đường đặc tính cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên, nhưng có giá trị thấp hơn so với đường đặc tính cơ tự nhiên.
Hình 1-8 Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ 1 chiều kích từ độc lập khi giảm điện áp phần ứng
Trường hợp thay đổi điện trở mạch phần ứng
Vì điện trở tổng của mạch phần ứng: RưΣ = Rư + Rưf nên điện trở mạch phần ứng chỉ có thể thay đổi về phía tăng R ưf
Uư = const ; Rưf = var; = const
Hình 1-9 Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ 1 chiều kích từ độc lập khi tăng điện trở phụ phần ứng
Trường hợp này, tốc độ không tải giữ nguyên: const K
(1-11) Còn độ dốc (hay độ cứng) của đặc tính cơ thay đổi tỷ lệ thuận theo R ưΣ
(1-12) Như vậy, khi tăng điện trở R ưf trong mạch phần ứng, ta được một họ các đường đặc tính cơ nhân tạo cùng đi qua điểm (0, ω 0 )
Trường hợp thay đổi từ thông kích từ
Để thay đổi từ thông trong động cơ, cần điều chỉnh dòng điện kích từ thông qua biến trở R kt được kết nối trong mạch kích từ Việc này chỉ có thể thực hiện bằng cách tăng điện trở của mạch kích từ.
Rkt chỉ nên giảm so với từ thông định mức, dẫn đến sự thay đổi cả về tốc độ không tải lưỡng và độ dốc của đặc tính cơ.
Khi giảm từ thông kích từ, tốc độ không tải lý tưởng ω0 sẽ tăng lên, trong khi độ cứng đặc tính cơ lại giảm mạnh Hình (1-9) minh họa các đặc tính cơ nhân tạo thu được từ quá trình này.
Hình 1-10 minh họa đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông kích từ Quá trình mở máy, hay khởi động, động cơ điện một chiều này là một yếu tố quan trọng cần được xem xét.
khái niệm chung
Động cơ điện một chiều vượt trội hơn các loại động cơ khác về khả năng điều chỉnh tốc độ Nó không chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ một cách dễ dàng mà còn có cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản Bên cạnh đó, động cơ này đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải tốc độ rộng.
Thực tế, có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều:
- Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ,
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ
Cấu trúc phần lực trong hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều luôn cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cung cấp năng lượng cho mạch phần ứng hoặc mạch kích từ của động cơ Hiện nay, trong ngành công nghiệp, có bốn loại biến đổi chính được sử dụng.
- Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại ( KĐM )
- Bộ biến đổi điện từ: Khuyếch đại từ ( KĐT ),
- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu Thyristor ( CLT ),
- Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito ( BBĐXA )
Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như:
- Hệ truyền động máy phát - động cơ ( F - D ),
- Hệ truyền động máy điện khuyếch đại - động cơ ( MĐKĐ - Đ ),
- Hệ truyền động khuyếch đại từ - động cơ ( KĐT - Đ ),
- Hệ truyền động chỉnh lưu Thyristor - động cơ ( T - Đ ),
- Hệ truyền động xung áp - động cơ ( XA - Đ ).
Trong hệ thống điều khiển động cơ một chiều, có hai loại cấu trúc: điều khiển mạch kín (hệ truyền động điều chỉnh tự động) và điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển “hở”) Hệ điều chỉnh tự động có cấu trúc phức tạp, nhưng mang lại chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động “hở”.
Các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều được phân loại thành hai loại chính: truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay Ngoài ra, tùy thuộc vào các phương pháp hãm và đảo chiều, có thể phân chia thành các loại truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư.
ph-ơng pháp điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ
Để điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ một chiều, cần sử dụng các thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập và các bộ chỉnh lưu điều khiển Những thiết bị này có nhiệm vụ biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành điện một chiều với sức điện động Eb, được điều chỉnh qua tín hiệu điều khiển Uđk Do nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ, các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không Trong chế độ xác lập, có thể thiết lập phương trình đặc tính của hệ thống.
Hình 2-1 Sơ đồ và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập
Với từ thông của động cơ không đổi, độ cứng đặc tính cơ cũng giữ nguyên, trong khi tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, cho thấy phương pháp điều chỉnh này là triệt để Tốc độ lớn nhất của hệ thống bị giới hạn bởi đặc tính cơ bản ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng duy trì ở giá trị định mức Ngược lại, tốc độ nhỏ nhất trong dải điều chỉnh bị hạn chế bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động Khi mômen tải đạt định mức, các giá trị tốc độ lớn nhất và nhỏ nhất lần lượt là ω max và ω o max Mβ § m.
( 2 – 2 ) ω min ω o min Mβ § m Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là:
Hệ số K M thể hiện mức độ quá tải về mômen Do các đặc tính cơ có đường thẳng song song, ta có thể định nghĩa độ cứng trong các đặc tính cơ một cách rõ ràng.
M nm min dm dm M min
Với một cơ cấu máy cụ thể, các giá trị 0max, M đm, K M là xác định, do đó phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào độ cứng Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng thiết bị nguồn điều chỉnh, điện trở tổng mạch phần ứng sẽ gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng của động cơ.
Do đó, có thể tính sơ bộ được:
Tải có đặc tính mô men không đổi, do đó, giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cứng không được vượt quá 10 Đối với các máy yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác trong việc duy trì tốc độ làm việc, cần sử dụng các hệ thống phù hợp.
“hở” như trên là không thoả mãn được
Trong phạm vi phụ tải cho phép, đặc tính cơ tĩnh của hệ truyền động một chiều kích từ độc lập có thể coi là tuyến tính Khi điều chỉnh điện áp phần ứng, độ cứng cơ học trong toàn dải là đồng nhất, dẫn đến độ sụt tốc tương đối đạt giá trị tối đa tại đặc tính thấp nhất Điều này có nghĩa là nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh xảy ra sai số tốc độ tối đa, nó sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.
Hình 2-2 Xác định phạm vi điều chỉnh
Nếu sai số không vượt quá giá trị cho phép, hệ truyền động sẽ hoạt động với sai số luôn nhỏ hơn mức cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất được xác định bởi công thức: min o min o min min s o cp min o dm s.
Để đảm bảo sai số không vượt quá giới hạn cho phép, cần tính toán giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ dựa trên các giá trị M đm, 0min, và s cp đã xác định Trong hầu hết các trường hợp, việc xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòng kín là cần thiết để thực hiện điều này.
Trong quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng, từ thông kích từ được duy trì ổn định, dẫn đến mômen tải cho phép của hệ thống không thay đổi.
Mc.cp = K đm I đm = M đm
Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen được xác định bởi hình chữ nhật tạo bởi các đường thẳng = đm, M = Mđm và các trục tọa độ Tổn hao năng lượng chủ yếu xảy ra trong mạch phần ứng, trong khi các tổn hao không đổi trong hệ có thể được bỏ qua.
Nếu đặt Rư + Rưđ = R thì hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ sẽ là:
Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mômen do động cơ sinh ra đúng bằng mômen tải trên trục: M * = Mc
* và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là
Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là phương pháp hiệu quả khi mômen tải giữ hằng số trong toàn bộ dải điều chỉnh Tuy nhiên, việc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng không được khuyến khích, vì điều này sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ thống.
ph-ơng pháp điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ
Điều chỉnh từ thông kích thích của dòng điện một chiều ảnh hưởng trực tiếp đến mômen điện từ của động cơ, được biểu diễn bằng công thức M = K I Ư Sự điều chỉnh này cũng tác động đến sức điện động quay của động cơ, tạo ra hiệu suất hoạt động tối ưu.
Eư = K Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến:
Trong đó r k - điện trở dây quấn kích thích, rb - điện trở của nguồn điện áp kích thích, k – số vòng dây của dây quấn kích thích
I max Đặc tính cơ bản
Hình 2- 3 Sơ đồ thay thế: a) Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông động cơ, (b) Quan hệ (i ht ), c)Giảm điện áp, d) Giảm từ thông a) b) o TN U ®m o1
Trong chế độ xác lập ta có quan hệ: k b k k r r i e ; = f(ik)
Khi điều chỉnh động cơ, điện áp phần ứng thường được giữ nguyên ở giá trị định mức, tạo ra đặc tính cơ bản với điện áp này Tốc độ tối đa trong dải điều chỉnh từ thông bị giới hạn bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay, điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng xấu đi, dẫn đến việc cần giảm dòng điện phần ứng cho phép Hệ quả là mômen cho phép trên trục động cơ giảm nhanh chóng Ngay cả khi dòng điện phần ứng không thay đổi, độ cứng của đặc tính cơ cũng giảm nhanh khi từ thông kích thích bị giảm.
Việc điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua việc giảm từ thông có thể coi là tuyến tính khi từ thông định mức nằm ở ranh giới giữa vùng tuyến tính và vùng bão hòa của đặc tính từ hóa Điều này cho thấy rằng hệ số điều chỉnh C phụ thuộc vào các thông số cấu trúc của máy điện.
hệ truyền động máy phát - động cơ một chiều (f-đ)
Hệ thống máy phát - động cơ (F - Đ) là một dạng truyền động điện, trong đó bộ biến đổi điện được thực hiện bởi máy phát điện một chiều với kích từ độc lập Máy phát này thường được điều khiển bởi động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha, với tốc độ quay của máy phát được giữ cố định.
Tính chất của máy phát điện được xác định bởi hai yếu tố chính: đặc tính từ hóa, thể hiện mối quan hệ giữa sức điện động của máy phát và dòng điện kích từ, cùng với đặc tính tải, phản ánh sự phụ thuộc của điện áp trên hai cực máy phát vào dòng điện.
Các đặc tính của 31 điện tải thường phi tuyến do ảnh hưởng của lõi sắt và phản ứng của dòng điện phần ứng Tuy nhiên, trong các tính toán gần đúng, có thể áp dụng phương pháp tuyến tính hóa để đơn giản hóa các đặc tính này.
E F = K F F F = K F F C i KF , (2-7) Trong đó K F : là hệ số kết cấu của máy phát,
C = F / iKF là hệ số góc của đặc tính từ hoá
Nếu dây quấn kích thích của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng
Sức điện động của máy phát điện một chiều kích từ độc lập tỷ lệ thuận với điện áp kích thích thông qua hệ số hằng KF, cho phép coi máy phát này như một bộ khuyếch đại tuyến tính gần đúng.
Nếu đặt R = RưF + RưĐ thì có thể viết được phương trình các đặc tính của hệ F - Đ như sau:
Việc điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát cho phép kiểm soát tốc độ không tải của hệ thống, trong khi độ cứng của đặc tính cơ vẫn được giữ nguyên Ngoài ra, việc điều chỉnh kích từ của động cơ cũng giúp mở rộng dải điều chỉnh tốc độ.
2.4.2 Các chế độ làm việc của hệ F – Đ
Hệ F - Đ không chứa các phần tử phi tuyến, mang lại đặc tính động tuyệt vời và khả năng linh hoạt cao trong việc chuyển đổi giữa các trạng thái làm việc.
Động cơ chấp hành Đ, theo sơ đồ cơ bản (hình 2 – 5), có khả năng hoạt động trong chế độ điều chỉnh hai chiều, cho phép kích thích máy phát F và động cơ Đ Việc đảo chiều quay được thực hiện bằng cách thay đổi dòng kích thích của máy phát Hệ thống cũng có khả năng hãm động năng khi dòng kích thích máy phát bằng không, hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc đảo chiều dòng kích thích, và thực hiện hãm ngược ở giai đoạn cuối của quá trình hãm tái sinh khi đổi chiều hoặc làm việc ổn định với mômen tải có tính chất thế năng.
Động cơ có đặc tính cơ điện trong cả bốn góc phần tư của mặt phẳng tọa độ [ , M] Ở góc phần tư I và III, tốc độ quay và mômen quay của động cơ luôn cùng chiều, trong khi sức điện động của máy phát và động cơ lại có chiều ngược nhau Công suất điện từ của máy phát và động cơ được xác định theo công thức E F E , c.
Hình 2-4 Sơ đồ nguyên lý máy phát động cơ
Các biểu thức này nói lên rằng năng lượng được vận chuyển thuận chiều từ nguồn máy phát động cơ tải
Vùng hãm tái sinh nằm ở góc phần tư II và IV, nơi mà E và EF có sự xung đối Dù E và EF có xung đối, nhưng phần ứng vẫn chảy ngược từ động cơ về máy phát, dẫn đến mômen quay ngược chiều với tốc độ quay Công suất điện từ của máy phát, công suất điện từ và công suất cơ học của động cơ có mối liên hệ chặt chẽ với nhau.
Hình 2-5 Đặc tính cơ hệ F-D a) Trong chế độ động cơ; b) Trong chế độ hãm tái sinh
Dòng điện đổi chiều khiến các bất đẳng thức (2 - 11) trở nên ngược lại với các bất đẳng thức (2 - 10), dẫn đến việc năng lượng được chuyển vận từ tải động cơ máy phát nguồn, trong đó máy phát F và động cơ Đ có thể đổi chức năng cho nhau Hệ thống hãm tái sinh trong F - Đ được tận dụng tối đa khi giảm tốc độ, khi hãm để đảo chiều quay, và khi hoạt động ổn định với tải có tính chất thế năng.
Vùng hãm ngược của động cơ trong hệ F - Đ được xác định bởi đặc tính hãm động năng và trục mômen Sức điện động E của động cơ có thể cùng chiều với sđđ của máy phát khi rôto bị kéo quay ngược bởi ngoại lực của tải thế năng, hoặc khi sđđ của máy phát đảo dấu Công suất của hệ thống có thể được tính theo biểu thức cụ thể.
Hình 2 -6 Đặc tính cơ hệ F-Đ trong chế độ hãm ng-ợc
Hai nguồn sđđ E và EF cùng chiều cung cấp năng lượng cho điện trở mạch phần ứng, tạo ra nhiệt năng tiêu tán Để mô tả các trạng thái làm việc của hệ F - Đ, ta xem xét ví dụ về phụ tải có mômen ma sát, khi chiều chuyển động đảo dấu thì mômen cũng đảo dấu Trong quá trình này, ta bỏ qua quá trình quá độ điện từ Giả thiết hệ làm việc tại điểm A với MA = MC và EF = EFA Khi lệnh hãm đảo chiều được thực hiện, EF giảm nhanh, điểm làm việc chuyển sang điểm B Nếu giữ tốc độ giảm EF phù hợp với quán tính của hệ, mômen điện từ của động cơ sẽ giữ hằng số, dẫn đến tốc độ giảm tuyến tính theo thời gian Tại điểm C, quá trình hãm tái sinh kết thúc với năng lượng tái sinh được tạo ra.
M t dt c o t t ts Đoạn CD là đoạn hãm ngược vì E F đã đổi dấu mà E = K chưa đổi dấu Tại D tốc độ động cơ bằng không nhưng do vẫn tồn tại mômen hãm nên động cơ được khởi động ngược lại Đoạn DA của quá trình động cơ có tốc độ và mômen cùng chiều, trong đó ở đoạn EA mômen động cơ giảm dần, tốc độ biến thiên theo luật hàm mũ
Hình 2-7 Chuyển đổi trạng thái của hệ thống
Hệ F - Đ có các chỉ tiêu chất lượng tương tự như hệ điều áp dụng bộ biến đổi, với ưu điểm nổi bật là khả năng chuyển đổi trạng thái làm việc linh hoạt và khả năng quá tải lớn, thường được sử dụng trong các máy khai thác công nghiệp mỏ Tuy nhiên, nhược điểm chính của hệ F - Đ là việc sử dụng nhiều máy điện quay, bao gồm ít nhất hai máy điện một chiều, dẫn đến tiếng ồn lớn và công suất lắp đặt ít nhất gấp ba lần công suất động cơ chấp hành Thêm vào đó, do các máy phát một chiều có từ dư và đặc tính từ hoá có độ trễ, việc điều chỉnh sâu tốc độ trở nên khó khăn.
hệ thống chỉnh l-u - động cơ một chiều
2.5.1 Chỉnh lưu bán dẫn làm việc với động cơ điện
Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển động cơ một chiều (CL-Đ), bộ biến đổi điện gồm các mạch chỉnh lưu điều khiển với sđđ Ed phụ thuộc vào pha xung điều khiển (góc điều khiển) Chỉnh lưu được sử dụng để điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích của động cơ Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống truyền động, có thể áp dụng các sơ đồ chỉnh lưu phù hợp, và chúng có thể được phân biệt dựa trên một số dấu hiệu nhất định.
- Số pha: 1 pha, 3 pha, 6 pha v.v…,
- Sơ đồ nối: hình tia, hình cầu, đối xứng và không đối xứng,
- Số nhịp: số xung áp đập mạch trong thời gian một chu kỳ điện áp nguồn,
- Khoảng điều chỉnh: là vị trí của đặc tính ngoài trên mặt phẳng toạ độ [ U d ,I d ],
- Chế độ năng lượng: chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc,
- Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn
Chế độ làm việc của chỉnh lưu được xác định bởi phương thức điều khiển và các đặc tính của tải Trong truyền động điện, tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích từ (L - R) hoặc mạch phần ứng động cơ (L - R - E).
- Các bộ chỉnh lưu đảo chiều dùng cho động cơ 1 chiều cần quay theo cả
2 chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc điều chỉnh
Tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng điều chỉnh, có thể áp dụng các sơ đồ khác nhau Trong đồ án này, chúng tôi đã chọn sử dụng sơ đồ cầu một pha đối xứng cho bộ biến đổi.
Tại thời điểm t = 0 vì chưa có xung G 1,2 ( ) nên không có van nào mở cả Khi t= Có xung G 1, 2 Các van V 1 , V 2 mở U d = U 2 ; i 2 = i V1 iV2 = id
Tại t= tải thuần trở dòng giảm về 0, điện áp giảm về 0 (Ud=0)
Khi t= điện áp đổi chiều nên van V1, V2 khoá, vì chưa có xung
G 3,4 nên các van V 3 , V 4 vẫn chưa mở Đến thời điểm t = 2 lúc này mới đưa xung G3,4 do đó các van V3, V4 mở : Ud = U2, i2 = iV3 = iV4 = id
Điện áp và dòng điện trên tải là một chiều, và bằng cách điều chỉnh thời gian mở van, chúng ta có thể thay đổi giá trị trung bình trên tải, từ đó ảnh hưởng đến điện áp dây.
Công suất tác dụng : P U 1 I 1 cos
Công suất của máy biến áp: S = 1,23 Pd
38 Đồ thị điện áp và dòng điện ứng với góc: 120 0
2.5.2 Khảo sát đồ thị điện áp và dòng điện tại đầu ra của bộ chỉnh lưu với góc mở khác nhau và với tải động cơ
Hình 2 -9 Đồ thị điện áp và dòng điện sau chỉnh l-u cầu 1 pha tải R
Dựa trên sơ đồ mạch điện và các đồ thị trên máy hiện sóng, bài viết này thuyết minh về đồ thị dòng điện và điện áp tại đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển Nội dung sẽ tập trung vào sự hoạt động của bộ chỉnh lưu khi động cơ được điều khiển và không có tải phản hồi, nhằm cung cấp cái nhìn rõ ràng về quá trình chỉnh lưu và ảnh hưởng của nó đến dòng điện và điện áp đầu ra.
Hình 2-11 Đặc tính tải dòng gián đoạn
Điện áp tại đầu chỉnh lưu luôn dương, điều này được thể hiện qua sơ đồ Khi các van V1 và V2 mở, dòng điện sẽ đi qua động cơ một chiều đã được cấp kích từ, giúp động cơ khởi động và tăng dần tốc độ.
U = E + I ư R ư Đến thời điểm t = điện áp đổi chiều các van V 1 , V 2 khoá và V 3 , V 4 chưa mở lúc này I = 0 Nhưng động cơ đang quay lúc này động cơ ở chế độ máy phát:
Do đó điện áp luôn dương
Thay đổi góc mở từ 180 0 về giá trị nhỏ hơn 90 0 ta thấy tốc độ động cơ tăng dần
Ch-ơng 3 Thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một chiều có ổn định tốc độ
tổng hợp hệ thống truyền động điện một chiều
Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu một chiều cho động cơ điện một chiều yêu cầu chọn lựa các thông số cơ bản, trong đó điện áp định mức (Uưđm) là 0V và công suất định mức (Pđm) là 2,2KV.
Việc tổng hợp hệ thống gồm có hai nhiệm vụ xác định cấu trúc và xác định tham số của bộ biến đổi
Trong các hệ truyền động điện hiện đại, các mạch vòng điều chỉnh được kết nối theo cấp và hoạt động độc lập tương đối Việc phân chia chức năng giữa ổn định tốc độ và hạn chế dòng điện được thực hiện thông qua dạng phi tuyến của phương pháp điều chỉnh.
Sơ đồ đơn giản nhất bao gồm hai vòng điều chỉnh: vòng điều chỉnh dòng điện với bộ điều chỉnh dòng điện RI và vòng điều chỉnh tốc độ với bộ điều chỉnh tốc độ R Bộ điều chỉnh R có đặc tính khuếch đại và vùng bão hòa Điện áp đầu ra của R là điện áp đặt dòng điện phần ứng Uiđ, với giá trị bão hòa u iđmax đạt cực đại của dòng điện phần ứng Bộ điều chỉnh dòng điện RI có nhiệm vụ duy trì dòng điện phần ứng bằng giá trị đặt U iđ, bất kể hệ thống ổn định hay trong quá trình quá độ Mạch vòng điện được điều khiển bởi tín hiệu Uiđ, và do dòng điện biến thiên nhanh, sai lệch i luôn nhỏ, khiến bộ điều chỉnh RI hoạt động trong vùng tuyến tính của đặc tính điều chỉnh.
Khi khởi động động cơ, quá trình thay đổi tốc độ sẽ gặp phải sự thay đổi đột ngột của U đ, trong khi U chưa kịp thay đổi do quán tính cơ học Điều này dẫn đến sai lệch đầu vào lớn, với giá trị bằng U đ - U Kết quả là, điểm làm việc của R sẽ nằm sâu trong vùng bão hòa của đặc tính điều chỉnh.
R sẽ là Uiđ = Uiđmax = hằng số, mạch vòng tốc độ bị “ngắt” khỏi sơ đồ Nhờ hoạt động của mạch vòng dòng điện, dòng điện phần ứng duy trì ở giá trị I = I đmax tương ứng với tín hiệu vào của mạch vòng là U iđmax Điểm bắt đầu khởi động là điểm A trên hình 3 - 1, c, và động cơ bắt đầu được tăng tốc độ với gia tốc dt d (K đm Iđmax - Mc)/ J.
Hình 3 -1 Điều chỉnh dòng điện trong các hệ nhiều vòng: a) Sơ đồ khối; b) Đặc tính điều chỉnh của bộ điều chỉnh tốc độ; c) Đặc tính cơ
Mặc dù tốc độ động cơ tăng dần, dòng điện phần ứng vẫn duy trì ở giá trị I = Iđmax cho đến khi bộ điều chỉnh tốc độ R ra khỏi vùng bão hoà Đoạn đặc tính cơ khi khởi động là đoạn BC, với độ cứng bằng không và dòng điện không đổi Tại điểm làm việc B, tốc độ động cơ đạt giá trị B, lúc này R bắt đầu ra khỏi vùng bão hoà và vào vùng tuyến tính của đặc tính Mạch vòng tốc độ cùng với mạch vòng dòng điện bắt đầu điều chỉnh, tạo ra đoạn đặc tính BC với độ chính xác cao Quá trình quá độ khi hãm, điều chỉnh tốc độ và khi quá tải lớn cũng diễn ra tương tự.
Về cấu trúc hệ thống, ta chấp nhận cấu trúc hệ điều khiển phân cấp với các bộ điều khiển RI, R theo luật PI số
Giá trị các tham số của bộ điều khiển RI và R có thể được xác định thông qua các phương pháp nghiên cứu thông thường, bao gồm phương pháp môđun tối ưu và phương pháp môđun đối xứng.
Ta đã biết: bộ điều khiển PI có hai tham số cần xác định Các tham số này sau khi tổng hợp cần đảm bảo:
2) Sai số tĩnh bằng không
3) Thời gian quá độ đạt yêu cầu đề ra
4) Độ quá điều chỉnh nằm trong giới hạn cho phép
5) Số lần dao động nhỏ hơn giá trị cho phép
Các tham số của bộ điều khiển PI không chỉ phụ thuộc vào các đặc tính của hệ thống mà còn bị ảnh hưởng bởi thời gian lượng tử T Để thực hiện nghiên cứu tổng quát, chúng ta sử dụng máy tính để tìm kiếm một loạt nghiệm tương ứng với nhiều giá trị khác nhau của T.
Và sau đó ta chọn các giá trị tốt nhất
3.1.2 Lập mô tả toán học của các khâu và phần tử có trong sơ đồ a Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khi áp dụng điện áp u k vào dây quấn kích từ, sẽ xuất hiện dòng điện i k trong dây quấn này, tạo ra từ thông trong mạch từ của máy Tiếp theo, khi đặt điện áp U lên mạch phần ứng, dòng điện I sẽ chạy qua dây quấn phần ứng Sự tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ sẽ tạo ra mômen điện từ, được tính theo công thức cụ thể.
Trong đó p’ - số đôi cực của động cơ;
N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ; a - số thanh song song của dây quấn phần ứng; k = pN/2 a - hệ số kết cấu của máy
Mômen điện từ tạo ra lực kéo cho phần ứng quay quanh trục, khi các dây quấn phần ứng di chuyển qua từ thông, sẽ sinh ra sức điện động (s.đ.đ) trong các dây quấn này.
E p ω ω π trong đó - tốc độ góc của rôto
Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng: k
U - ω trong đó R ư - điện trở mạch phần ứng của động cơ
Họ đặc tính cơ M( ) của động cơ một chiều khi từ thông không đổi (hình 3 - 2)
45 b Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khi dòng điện kích từ động cơ điện một chiều không đổi hoặc khi sử dụng nam châm vĩnh cửu, từ thông kích từ sẽ giữ hằng số K = const Các phương trình cơ bản của động cơ đã được tuyến tính hóa và có thể được biểu diễn dưới dạng ảnh Laplace với điều kiện ban đầu bằng 0.
Uư(p) = Rư.Iư(p) + Lư.p.Iư(p) + K (p) M(p) +Mc(p) = J.p (p)
Sơ đồ cấu trúc động cơ với từ thông không đổi được minh họa trong hình 3-3 Bằng phương pháp đại số, sơ đồ cấu trúc đã được rút gọn, như thể hiện trong hình 3-4.
Kđ = 1/ K - hệ số khuếch đại động cơ;
Tc = hằng số thời gian cơ học
Hình 3-3 Sơ đồ cấu trúc từ thông không đổi Hình 3-2 Đặc tính cơ động cơ điện một chiều
3.1.3 Tổng hợp mạch vòng dòng điện a Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện
Mạch vòng điều chỉnh dòng điện là một phần thiết yếu trong các hệ thống truyền động tự động và các hệ chấp hành Nó có nhiệm vụ chính là xác định mô men kéo của động cơ trong cả hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều, đồng thời còn thực hiện các chức năng bảo vệ và điều chỉnh gia tốc.
Hình 3-4 Các sơ đồ cấu trúc thu gọn: a) Theo tốc độ; b) Theo dòng điện
47 b Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động và mômen cản M c động cơ
Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện bao gồm các thành phần chính như bộ điều chỉnh dòng điện (R i), bộ biến đổi một chiều (BĐ) và xenxơ dòng điện (Si), như thể hiện trong hình 3 - 5.
Xenxơ dòng điện có thể thực hiện bằng các biến dòng ở mạch xoay chiều hoặc bằng điện trở sun hoặc các mạch dòng điện cách ly trong một chiều
Hàm truyền của mạch vòng dòng điện:
Hàm truyền của bộ biến đổi Thyristor:
) p ( U § B § B k § α d trong đó TBĐ - hằng số thời gian của bộ biến đổi Thyristor
T ư - hằng số thời gian của phần ứng
Ti - hằng số thời gian của xenxơ dòng điện
Trong hệ thống truyền động điện, khi hằng số thời gian cơ học lớn hơn hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng, sức điện động của động cơ có thể được coi là không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện, tức là E có thể được xem là bằng 0.
Hình 3-5 Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện
Hàm truyền của mạch dòng điện (hàm truyền của đối tượng điều chỉnh) là như sau:
thiết kế mạch lực
3.2.1 Lựa chọn sơ đồ thiết kế
Khi chọn van, cần xem xét các yếu tố cơ bản như điện áp ngược cực đại và dòng điện định mức của van Dựa trên sơ đồ thiết kế cầu một pha cùng với các thông số của động cơ, ta có thể xác định điện áp ngược của van.
Hình 3-12 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ
Hình 3-13 Sơ đồ mạch lùc
Với U 2 = U d / k ư = 266,67 thay vào (3-1) ta có:
+ Ud, U2, Ulv - điện áp phần ứng động cơ điện, điện áp nguồn xoay chiều, điện áp ngược của van
Khi lựa chọn van điện, cần chú ý đến các hệ số điện áp ngược (knv, kư) và điện áp phần ứng của động cơ điện Để đảm bảo hiệu suất hoạt động, điện áp ngược của van phải lớn hơn điện áp làm việc, cụ thể là điện áp ngược cực đại, với kdtU là hệ số dự trữ cần xem xét.
Unv = kdtU Ulv = 1,8 377 = 678,6 (V) (3 - 3) Dòng điện làm việc của van là:
Ilv = Ihd = khd Id = 10/ 2 = 7.1 (A) (3 - 4) Trong đó:
Dòng điện hiệu dụng của van và dòng điện tải được xác định bởi hệ số khd Để thyristor hoạt động an toàn mà không bị chọc thủng nhiệt, cần thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lý với cánh tỏa nhiệt đầy đủ diện tích và không sử dụng quạt đối lưu không khí Dựa trên điều kiện tỏa nhiệt đã chọn, tiến hành tính toán thông số dòng điện định mức của van cần thiết.
Để chọn van thyristor phù hợp, cần xác định dòng điện định mức (Iđmv) bằng công thức Iđmv = ki Ilv = 4 7,1 = 28,4 (A) Sau khi tính toán, tra bảng thông số để tìm van có điện áp ngược tối đa (Unv) và dòng điện định mức (Iđmv) lớn hơn gần nhất với giá trị đã tính.
Thyristor HT40/08OJ4 có các thông số định mức quan trọng: dòng điện định mức là 40 A, điện áp ngược cực đại đạt 800 V, và độ sụt áp trên van tối đa là 1,65 V.
Dòng điện dò cực đại : Ir = 6 (mA) Điện áp điều khiển : U đk = 3 (V)
Dòng điện điều khiển : I đk = 100 (mA) Đỉnh xung dòng điện : Ipik = 900 (A)
Tốc độ biến thiên điện áp : dU/ dt = 200 V/s
Thời gian chuyển mạch : tcm = 150 s
Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : Tmax = 125 o C
3.2.3 Thiết kế cuộn kháng san bằng l D
Cuộn kháng lọc L D được kết nối vào mạch phần ứng của động cơ nhằm giảm dòng điện gián đoạn và xung dòng một chiều, đồng thời cải thiện điều kiện chuyển mạch cho động cơ điện.
Id = 10 A f = 50 Hz Vậy giá trị mong muốn của điện cảm lọc được tính theo công thức:
R ư : là tổng trở của mạch phần ứng mdt : số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong chu kỳ Với sơ đồ cầu 1 pha điều khiển thì mđm = 2
W1 : tần số góc của điện áp xoay chiều k sb : hệ số san bằng
0 k k k dmr dmv sb kđmv : hệ số đập mạch vào (kđmv = 0,667 ) kđmr : hệ số đập mạch ra ( kđmr = 0,07 )
Hình 3-14 Kích th-ớc lõi thép của cuộn lọc một chiều
Xác định kích thước lõi thép
Tiết diện lõi thép : Sth = a b = 6,5 8 = 52 (cm 2 )
Diện tích cửa sổ : S cs = h c = 19,5 6 = 117 (cm 2 ) Độ dài trung bình của đường sức :
Lth = 2( a + h + c ) = 2 (6.5 + 19,5 + 6) = 64 (cm) Độ dài trung bình dây quấn : ldq = 2( a + b ) + c = 2 (6,5 + 8) + 3,14 6 = 47,84 (cm) Thể tích lõi thép :
Tính điện trở dây quấn ở nhiệt độ 20 o C đảm bảo độ sụt áp cho phép
U : Sụt áp một chiều tối đa trên cuộn kháng
Tmt : Nhiệt độ môi trường nơi đặt cuộn kháng, lấy Tmt = 40 0 C
T : Chênh lệch nhiệt độ cho phép giữa điện cảm và môi trường
Số vòng dây dẫn cuộn cảm
Tính mật độ từ trường
Với chỉnh lưu cầu một pha điều khiển thì tần số đập mạch là: fđm = 2 50 = 100 (Hz) th dm
U~ : Là hệ số tụt áp xoay chiều tối đa cho phép trên cuộn kháng
Tính hệ số M theo B và H
Vì B = 0,00418 (T) nên ta tính M theo công thức:
Tính trị số điện cảm thực nhận được l H
Tính tiết diện và đường kính dây quấn
0 Đường kính dây quấn : d = 1,13 5,6 = 2,675 (mm)
Xác định khe hở tối ưu
Ikh = 1,6 10 -3 W Id = 1,6 10 -3 622 10 = 9,952 (mm) Tấm đệm có độ dầy là:
Chọn lõi cuộn dây có độ dày 6,5 mm nên độ cao sử dụng của cuộn dây là: hsd = h - 2 C Với C là chiều dày khung bìa cuộn dây, chọn C = 6,5 (mm)
Số vòng dây trong một lớp:
60 n = W/ W’ = 622 : 68 9,14 9 (lớp) Nếu lấy khoảng cách giữa hai lớp dây quấn dành cho cách điện là cd = 1 (mm) thì độ dầy của cuộn dây là: lcd = n ( d + cd) = 10 ( 0,2675 + 0,1) = 3,675 (cm)
Bề dầy cửa sổ c = 4 (cm) nên ta thấy cuộn dây nằm lọt trong cửa sổ
Kiểm tra sự chênh lệch nhiệt độ
+) Tổng diện tích bề mặt của cả cuộn dây:
5 = 0,83 10 -3 +) Độ chênh lệch nhiệt độ: t S
Theo tính toán, điện cảm lớn hơn 20% so với giá trị cần thiết cho phép giảm số vòng dây xuống còn 9 lớp Với cửa sổ rộng, khoảng cách giữa các lớp dây quấn có thể tăng lên, giúp cải thiện khả năng làm mát cho từng lớp nhờ vào không gian thoáng hơn, từ đó giảm nhiệt độ.
Khi đó số vòng dây sẽ là :
3.2.4 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực
61 a Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ ( hình 3 - 3)
Khi dòng điện chạy qua van bán dẫn, sẽ xảy ra sụt áp dẫn đến tổn hao công suất p Tổn hao này tạo ra nhiệt, làm nóng van bán dẫn.
Van bán dẫn chỉ hoạt động hiệu quả trong khoảng nhiệt độ cho phép Tcp; nếu vượt quá mức này, chúng sẽ bị hư hỏng Để đảm bảo van bán dẫn hoạt động an toàn và không bị quá nhiệt, cần phải lựa chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý.
+Tính toán cánh tản nhiệt
+ Tổn thất công suất trên 1 Tiristo: p = U Ilv = 2,2 7,1 = 15,62 (w)
+ Diện tích bề mặt toả nhiệt:
Trong đó: p - tổn hao công suất (w)
- độ chênh lệch so với môi trường
Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 40 0 C Nhiệt độ làm việc cho phép của Tiristo
T cp = 125 0 C Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt T lv = 80 0 c = Tlv - Tmt = 40 0 c
Km hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ Chọn Km = 8 [ w/m 2 0 C ] Vậy: s m = 0,2294 (m 2 )
Chọn loại cánh toả nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh a x b = 10 x
Tổng diện tích toả nhiệt của cánh S = 12 2 10 10 = 2400 (cm 2 )
Bảo vệ quá dòng điện cho van
Aptomat là thiết bị quan trọng trong việc đóng cắt mạch động lực, có khả năng tự động ngắt mạch khi xảy ra tình trạng quá tải hoặc ngắn mạch Nó cũng giúp bảo vệ các mạch tiristo, mạch đầu ra của độ biến đổi và mạch thứ cấp của máy biến áp trong chế độ nghịch lưu.
Hình 3-15 Mạch lực có các thiết bị bảo vệ §
Có 2 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện Chỉnh định dòng ngắn mạch
Chọn cầu giao có dòng định mức:
Cầu dao được sử dụng để tạo ra khe hở an toàn trong quá trình sửa chữa hệ thống truyền động, đồng thời giúp bảo vệ các Tiristo khỏi hiện tượng ngắn mạch Ngoài ra, cầu dao cũng có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu thông qua việc sử dụng dây chảy tác động nhanh.
Nhóm 1cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 1 cc:
Nhóm 2 cc : dòng điện định mức dây chảy nhóm 2cc :
Nhóm 3 cc : dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc :
Vậy chọn cầu nhẩy nhóm: 1cc loại 11 A
Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ quá điện áp trong quá trình đóng cắt Tiristo được thực hiện bằng cách mắc một mạch R - C song song với Tiristo Khi chuyển mạch xảy ra, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn sẽ phóng ra, tạo ra dòng điện ngược, giúp bảo vệ hệ thống khỏi những hư hỏng do quá điện áp.
Khi dòng điện ngược biến thiên nhanh chóng trong khoảng thời gian ngắn, nó tạo ra sức điện động cảm ứng lớn trong các điện cảm, gây ra quá điện áp giữa Anod và catod của Tiristo Để ngăn chặn quá điện áp, việc mắc mạch R-C song song với Tiristo tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch.
Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, chúng ta sử dụng mạch R - C (như hình 3 – 6), giúp đỉnh xung gần như hoàn toàn nằm lại trên điện trở của đường dây.
Trị số RC được chọn theo tài liệu [4] : R2 = 12,5 ; C2 = 4 F
3.2.5 Tính chọn sơ đồ cho mạch kích từ động cơ
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có phần động cơ và phần kích từ được kết nối với hai nguồn độc lập Để cấp nguồn một chiều cho cuộn kích từ, cần sử dụng một bộ chỉnh lưu để biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều.