Bài giảng Truyền động điện

C Ấ U TRÚC VÀ PHÂN LO Ạ I

Caỏu truực cuỷa heọ truy ền động điện

Hệ truyền động điện là một hệ thống bao gồm các thiết bị điện và cơ khí, có chức năng chuyển đổi điện năng thành cơ năng để cung cấp cho các cơ cấu làm việc trên máy sản xuất Hệ thống này cũng cho phép điều khiển dòng năng lượng theo yêu cầu công nghệ của máy, đảm bảo hiệu suất và linh hoạt trong quá trình sản xuất.

- Chức năng của hệ truyền động điện:

Biến đổi điện năng thành cơ năng và ngược lại là quá trình quan trọng trong các hệ thống tự động hóa Việc điều khiển quá trình biến đổi năng lượng giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của thiết bị Đồng thời, kiểm soát chuyển động của cơ cấu chấp hành và quá trình co ngót cũng đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo sự chính xác và hiệu quả trong hoạt động của hệ thống.

+ Điều khiển các thông số năng lượng như công suất, momen, tốc độ, vị trí

Giáo Trình Truyền Động Điện Trang 2

Các hệ thống truyền động điện ngày càng phổ biến trong các thiết bị và dây chuyền sản xuất công nghiệp, cũng như trong lĩnh vực giao thông vận tải và các thiết bị dân dụng.

- Hệ truyền động điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thay đổi được

Hiện nay, khoảng 75-80% các hệ truyền động điện sử dụng tốc độ không đổi, chỉ thực hiện khởi động và hãm Trong khi đó, 20-25% còn lại là các hệ thống cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ, giúp phối hợp hiệu quả giữa đặc tính động cơ và yêu cầu của tải.

Hệ truyền động điện hiện nay ngày càng phổ biến và trở thành công cụ thiết yếu trong quá trình tự động hóa sản xuất Sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn và điện tử công suất lớn, cùng với công nghệ vi xử lý, đã đóng góp lớn vào xu hướng này.

1.1.1.2 Hệ truyền động của các máy sản xuất

Xét sơ đồ truyền động của 3 loại máy sau: a) Truyền động của máy bơm

Hình 1.1: Truyền động của máy bơm nước

Giáo trình Truyền Động Điện đề cập đến các khái niệm cơ bản như động cơ điện, biến đổi điện năng thành cơ năng, và các thành phần quan trọng như cơ cấu công tác (cánh bơm) Nó cũng giải thích về mômen quay (M) và tốc độ quay (ω), cùng với mômen cản (MC hoặc MCT) tác động lên trục động cơ, ngược chiều với tốc độ quay ω.

- Khi M = M C : hệ sẽ chuyển động ổn định với tốc độ không đổi ω = const. b) Truyền động mâm cặp máy tiện

Hình 1.2 mô tả hệ thống truyền động của mâm cặp máy tiện, bao gồm mâm cặp (MC) và phôi (PH) Cơ cấu công tác CT sử dụng các cặp bánh răng để truyền lực, đảm bảo hoạt động hiệu quả cho quá trình gia công.

Hình 1.3: Truyền động của cần trục

- Cơ cấu công tác CT: gồm trống tời TT, dây cáp C và tải trọng G

- Khi nâng tải trọng: động cơ tạo mômen quay M cùng chiều với ω, MC ngược chiều với ω.

Khi hạ tải trọng, lực trọng trường và thế năng làm trống tời quay, tạo ra chuyển động cho hệ thống Lúc này, động cơ hoạt động như một máy phát điện, chuyển đổi cơ năng thành điện năng Mômen động cơ sinh ra M ngược chiều quay của trục, khiến động cơ trở thành một bộ phanh hãm hiệu quả.

1.1.1.3 Caỏu truực chung cuỷa heọ truyền động điện

Hình 1.4: Cấu trúc của hệ truyền động điện

- Thông thường là lưới điện xoay chiều 3 pha công nghiệp, tần số 50Hz, với điện áp chuẩn 220 V, 380V

- Trong một số trường hợp nguồn điện là một chiều (pin, ắcpui )

- Có chức năng biến đổi dạng năng lượng điện Các thiết bị này được sử dụng trong các hệ truyền động điều khiển tốc độ, momen

- Các dạng bộ biến đổi công suất: Bộ chỉnh lưu, Bộ biến tần, Bộ biến đổi điện áp xoay chiều v.v

Động cơ là thành phần chính trong hệ truyền động, có chức năng chuyển đổi điện năng thành cơ năng và ngược lại Các loại động cơ phổ biến bao gồm: động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ, động cơ servo và động cơ bước, với đặc điểm chuyển động quay.

 Thiết bị truyền lực TL:

Dây cu-roa, khớp nối và bánh răng là những thiết bị quan trọng trong việc truyền chuyển động và cơ năng từ động cơ đến các cơ cấu chấp hành Chúng không chỉ giúp biến đổi dạng chuyển động mà còn thích ứng linh hoạt về tốc độ, mômen và lực, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho hệ thống.

 Thieỏt bũ ủieàu khieồn ĐK:

Là tổ hợp các thiết bị có nhiệm vụ quan trọng điều khiển quá trình biến đổi năng lượng, quá trình công nghệ Thành phần gồm:

- Thiết bị bảo vệ khỏi sự cố, thiết bị điều khiển đóng, cắt, đảo chiều phục vụ công nghệ và cho người vận hành

Vi xử lý và vi điều khiển là những thành phần quan trọng trong máy tính và thiết bị điều chỉnh, giúp nhận tín hiệu từ thiết bị hồi tiếp Chúng thực hiện các thuật toán điều khiển để điều chỉnh hệ truyền động một cách hiệu quả.

- Thiết bị tạo tín hiệu hồi tiếp: các cơ cấu đo lường, sensor dòng điện, điện áp, sensor tốc độ, máy phát tốc, encoder

 Cơ cấu công tác CT:

Thực hiện quá trình công nghệ: máy cắt, máy bào, máy bơm, máy nén khí, máy nghiền giấy, cầu trục, thang máy, băng truyền, máy may, quạt v.v

Phân loại các hệ truy ền động điệ n

a) Theo đặc điểm động cơ

- Truyền động dùng động cơ một chiều

- Truyền động dùng động cơ không đồng bộ

- Truyền động dùng động cơ đồng bộ

- Truyền động dùng động cơ bước b) Theo tớnh naờng ủieàu chổnh

- Truyền động không điều chỉnh

- Truyền động có điều chỉnh

Giáo Trình Truyền Động Điện Trang 7 c) Theo mức độ tự động

- Hệ truyền động không tựđộng

- Hệ truyền động tự động d) Một số cách phân loại khác

- Truyền động đảo chiều và không đảo chiều

- Truyền động đơn và truyền động nhiều động cơ

- Truyền động theo thông số điều khiển: tốc độ, momen v.v

PH ẦN CƠ CỦ A H Ệ TRUY ỀN ĐỘNG ĐIỆ N

Các đại lượng đặc trưng cho các phần tử cơ học

Bảng 1.1: Các đại lượng đặc trưng cho các phần tử cơ học

S ơ đồ tính toán phần cơ

Trong các trường hợp phức tạp, việc sử dụng sơ đồ tính toán phần cơ dạng khối giúp thuận tiện cho khảo sát và tính toán Chúng ta thường chọn tốc độ của một trục, thường là tốc độ động cơ ω, và quy đổi các đại lượng như mômen, mômen quán tính, và lực về tốc độ động cơ.

Hình 1.5: Sơ đồ tính toán phần cơ

M: mômen quay của động cơ

M C : mômen cản qui đổi về trục động cơ

Jt: mômen quán tính của hệ

1.2.2.1 Qui đổi mơmen cản về trục động cơ

Qui đổi mơmen Mi tác động vào phần tử thứ i làm việc ở tốc độ ωi về tốc độ

- Phần tử chuyển động quay: i thứ truùc đến cô động truùc từ lực truyeàn bộ cuûa suaát hieọu

: i thứ truùc đến cô động từ truyeàn soá tổ

- Phần tử chuyển động thẳng: với tốc độ Vi và lực tác động Fi

Tổng quát: mơmen cản tổng qui đổi về trục động cơ

1.2.2.2 Qui đổi mơmen quán tính về trục động cơ

Qui đổi mơmen quán tính Ji của phần tử thứ i làm việc ở tốc độ ωi về tốc độ 

- Phần tử chuyển động quay:

- Phần tử chuyển động thẳng với tốc độ Vi: với m: là khối lượng

Tổng mơmen quán tính tổng qui đổi về trục động cơ

Xác định mơmen cản và mơmen quán tính của tải trọng cùng với dây cáp quy đổi về trục động cơ là bước quan trọng trong thiết kế hệ thống truyền lực Bộ truyền lực sử dụng cặp bánh răng với tỷ số truyền i = 6, trong khi trọng lượng của vật nâng là G = 12 kN và trọng lượng dây cáp Gc chiếm 10% trọng lượng vật nâng.

G, tốc độ nâng v = 10 m/s Hiệu suất cặp bánh răng  r = 0,95, hiệu suất của trống tời  t = 0,93, đường kính trống tời Dt = 0,6 m

- Tổng trọng lượng: Gt = G + Gc = 12 +1,2 = 13,2 (KN) = 13200 (N)

- Momen cản do Gt gây ra:

- Momen cản của tải trọng và dây cáp quy đổi về trục động cơ:

- Khối lượng tải trọng và dây cáp tính theo Kg:

- Momen quán tính của tải trọng và dây cáp quy đổi về trục động cơ:

Phân loại mơmen cản

a) Phân loại mơmen cản theo chiều tác dụng (so với chiều tốc độ)

 Có chiều không phụ thuộc tốc độ

 Có khả năng trao đổi thuận nghịch với động cơ điện

Ví dụ: máy nâng hạ, cần trục

Hình 1.6: Đồ thị mômen cản thếnăng

 Luôn ngược chiều với tốc độ

 Cơ cấu công tác chỉ tiêu thụ năng lượng

Ví dụ: mơmen do lực ma sát

Hình 1.7: Đồ thị mômen cản phản kháng b) Phân loại theo hàm số phụ thuộc giữa mơmen cản và tốc độ của máy sản xuất

M co : momen cản lúc ban đầu

M ủm,  đm : momen và tốc độ gĩc ở định mức  : vận tốc ở trạng thái bất kỳ q co c M M

Hình 1.8: Đặc tính cơ của máy sản xuất

Bảng 1.2: Các loại máy sản xuất c) Phân loại mơmen cản theo thời gian tác động

Hình 1.9: Đồ thị phụ tải

(b) Ngắn hạn (c) Ngắn hạn lặp lại

PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘ NG C Ủ A H Ệ TRUY ỀN ĐỘNG ĐIỆ N

Đặc tính cơ của động cơ điện

Đặc tính cơ là đường biểu diễn mối quan hệ giữa mômen và tốc độ:  = f(M)

Hình 1.10: Đặc tính cơ của các động cơ điện 1- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

2- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

3- Động cơ không đồng bộ 4- Động cơ đồng bộ

Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ là đặc tính đạt được khi động cơ hoạt động theo sơ đồ bình thường mà không cần thiết bị phụ trợ Các thông số nguồn và động cơ đều ở mức định mức, do đó mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên duy nhất.

Đặc tính cơ nhân tạo, hay còn gọi là đặc tính cơ điều chỉnh, là đặc tính cơ nhận được khi thay đổi một trong các thông số của nguồn hoặc động cơ.

Giáo trình Truyền động điện đề cập đến việc kết nối thiết bị phụ trợ vào mạch hoặc áp dụng các sơ đồ đặc biệt Mỗi động cơ đều sở hữu nhiều đặc tính cơ học khác nhau.

Độ cứng đặc tính cơ

Để đánh giá mức độ phụ thuộc giữa tốc độ và mơmen động cơ, thơng thường sử dụng đại lượng “độ cứng đặc tính cơ”:

Trong đó: + dM và dω là lượng biến thiên rất nhỏ của mômen và tốc độ tương ứng + ΔM và Δω là lượng sai phân của mômen và tốc độtương ứng

Hình 1.11: Các dạng độ cứng đặc tính cơ

| | càng lớn thì đặc tính càng cứng

| | càng nhỏthì đặc tính càng mềm

Các trạng thái làm việc của động cơ

Điểm làm việc xác lập của động cơ là giao điểm của 2 đường đặc tính cơ: đặc tính cơ của tải MC() và đặc tính cơ của động cơ M()

Hình 1.12: Điểm làm việc ở trạng thái xác lập

Hệ truyền động có thể làm việc ở 2 chế độ: chế độ động cơ và chế độ hãm a) Chế độ động cơ

Hình 1.13: Sơ đồ chế độ động cơ b) Chế độ hãm

- Hãm tái sinh: tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ lý tưởng, động cơ nhận cơ năng chuyển thành điện năng trả về lưới

Hình 1.14: Sơ đồ chếđộ hãm tái sinh

- Hãm động năng: toàn bộ cơ năng động cơ nhận được đều chuyển thành tổn thất P dưới dạng nhiệt

Hình 1.15: Sơ đồ chếđộ hãm động năng

- Hãm ngược: động cơ đồng thời nhận điện năng từ lưới và cơ năng từ tải đều chuyển thành tổn thất P dưới dạng nhiệt

Hình 1.16: Sơ đồ chế độhãm ngược

Hình 1.17: Biểu diễn các trạng thái làm việc trên mặt phẳng [M,ω]

ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỘNG TĨNH CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Ổn định tĩnh là khả năng của hệ truyền động trong việc trở về trạng thái làm việc ổn định sau khi có sự thay đổi về vận tốc, momen hoặc trạng thái.

Hình 1.18: Mô tả chế độổn định và không ổn định tĩnh

- Hệ truyền động được coi là ổn định tĩnh khi thõa mãn điều kiện:

Ví dụ: Xét độ ổn định tĩnh của các điểm làm việc sau:

Hình 1.19: Điểm làm việc động cơ không đồng bộ tương ứng với các loại tải Λ Λ Λ Λ

1 Nêu chức năng và nhiệm vụ của hệ thống truyền động điện?

2 Hệ thống truyền động điện gồm các phần tử và các khâu nào? Lấy ví dụ minh họa

3 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?

4 Mômen quán tính là gì? Đơn vị đo lường của nó? Công thức tính quy đổi mômen quán tính về tốc độ của trục động cơ?

Mômen cản thế năng là lực cản tác động lên một cơ cấu khi nó di chuyển, phản ánh khả năng sinh công của hệ thống Đặc điểm của mômen này thường được thể hiện qua đồ thị tốc độ, cho thấy mối quan hệ giữa tốc độ và lực cản Ví dụ, trong một cơ cấu như máy khuấy, mômen cản thế năng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định và hiệu suất hoạt động của thiết bị.

6 Thế nào là mômen cản phản kháng? Lấy ví dụ một cơ cấu có mômen cản phản kháng

7 Định nghĩa đặc tính cơ của máy sản xuất Phương trình tổng quát của nó và giải tích các đại lượng trong phương trình?

8 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?

9 Định nghĩa đặc tính cơ của động cơ điện?

10.Định nghĩa độ cứng đặc tính cơ?

11.Điều kiện ổn định tĩnh là gì? Phân tích một điểm làm việc xác lập ổn định tĩnh trên tọa độ [M, ω] và [Mc, ω].

Để xác định mơmen cản và mơmen quán tính của tải trọng quy đổi về trục động cơ, ta cần xem xét bộ truyền lực gồm cặp bánh răng với tỷ số truyền i = 7 và trọng lượng vật nâng G = 15 kN Hiệu suất của cặp bánh răng là ηr = 0,93, trong khi hiệu suất của trống tời là ηt = 0,9 Đường kính trống tời được xác định là Dt = 0,8 m.

Để xác định mơmen cản và mơmen quán tính của tải trọng và dây cáp quy đổi về trục động cơ, cần xem xét bộ truyền lực gồm 2 cặp bánh răng với tỷ số truyền i1 = 3 và i2 = 5 Trọng lượng vật nâng G là 18 kN, trong khi trọng lượng dây cáp Gc chiếm 10% của G Hiệu suất của 2 cặp bánh răng lần lượt là ɳ1 = 0,93 và ɳ2 = 0,92, cùng với hiệu suất của trống tời là ηt = 0,95 Đường kính trống tời được xác định là Dt = 0,7 m.

ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆ N 2.1 KHÁI NIỆM CHUNG

ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP (KÍCH TỪ SONG SONG)

2.2.2 Phương trình đặc tính cơ

- Phương trình cân bằng điện áp:

 U ư : điện áp đặt vào phần ứng

Điện trở phần ứng (Rư) bao gồm nhiều thành phần quan trọng như điện trở cuộn dây phần ứng, điện trở cực từ phụ, điện trở dây quấn bù (nếu có), và điện trở tiếp xúc của chổi than trên cổ góp.

 R fư : điện trở phụ trong mạch phần ứng

 E : sức điện động phần ứng

Sức điện động phần ứng: E = K. 

Hình 2.1: Động cơ một chiều kích từ độc lập

Hình 2.2: Động cơ một chiều kích từ song song

K: hệ số tỷ lệ phụ thuộc cấu tạo của động cơ

 : từ thông suy ra: Phương trình đặc tính cơ điện

Mơmen điện từ: M = K..I ử suy ra: Phương trình đặc tính cơ

- Khi  = const   = f(I ư) và  = f(M) tuyến tính

- Khi I ư=0; M=0  : tốc độ không tải lý tưởng

- Khi  = 0: : dòng ngắn mạch và : mơmen ngắn mạch

Hình 2.3: Đặc tính cơ điện Hình 2.4: Đặc tính cơ

Tốc độ không tải lý tưởng: Độ sụt tốc: Độ cứng đặc tính cơ:

2.2.3 Đặc tính cơ tự nhiên Đặc tính cơ tự nhiên sẽ tương ứng với trường hợp: R fử = 0; U ử = U ủm;  =  ủm Suy ra:

Từ các số liệu động cơ: P ủm, n ủm, U ủm, I ủm,  ủm, R ử

Ta có thể vẽ đường đặc tính cơ tự nhiên qua 2 điểm: o Điểm không tải [0;

0] o Điểm định mức [M ủm; đm] hoặc điểm ngắn mạch [M nm,0] hoặc [I nm,0]

  ử ủm ủm ử ủm ủm ử ủm ử ủm ủm

Nếu chưa biết trước R ư thì có thể xác định giá trị gần đúng theo hiệu suất định mức:

2.2.4 Các đặc tính cơ nhân tạo

Từ phương trình: ủm ủm ử ủm ủm ủm đm với

M  P hoặc M đm  K  đm I đm (momen điện từ) ử ủm

Hình 2.5: Đặc tính cơ tự nhiên

 Khi thay đổi R fử, U ư,   tạo ra các đặc tính nhân tạo a) Đặc tính nhân tạo biến trơ û:

- Tốc độ không tải lý tưởng:

- Độ cứng đặc tính cơ:

 Như vậy càng tăng R fư thì đặc tính nhân tạo càng mềm và thấp hơn đặc tính tự nhiên và đều đi qua điểm không tải lý tưởng [0,

0] b) Đặc tính nhân tạo khi thay đổi điện áp phần ứng U ử :

- Tốc độ không tải lý tưởng: ω0: tỉ lệ thuận với điện áp và đều nhỏ hơn 

Hình 2.6: Họ đặc tính nhân tạo biến trở

- Họ các đặc tuyến song song nhau

- Độ cứng đặc tính cơ không đổi

Khi giảm điện áp phần ứng, momen ngắn mạch và dòng ngắn mạch đều giảm, giúp điều chỉnh tốc độ động cơ hiệu quả và giảm dòng khởi động Phương pháp này mang lại đặc tính nhân tạo khi thay đổi thông số.

- Khi đú: R fử =0; U ử = U ủm = const

- Tốc độ không tải lý tưởng tỉ lệ nghịch với từ thông: ử ử ủm I

Hình 2.7: Họ đặc tính nhân tạo khi thay đổi điện áp phần ứng

- Độ cứng đặc tính cơ nhân tạo tỉ lệ với bình phương từ thông:

Do không thể tăng dòng kích từ vượt quá giá trị định mức, chỉ có thể tạo ra các giá trị từ thông nhỏ hơn giá trị định mức Vì vậy, đặc tính nhân tạo cơ điện luôn cao hơn so với đặc tính tự nhiên.

 Trạng thái động cơ: mơmen động cơ sinh ra hỗ trợ việc quay, hay chiều của mơmen động cơ cùng chiều với tốc độ quay

- Động cơ làm việc ở các góc 1/4 thứ I (>0; M và I>0) và góc 1/4 thứ III (U ư, ta có: dòng phần ứng đổi chiều so với trạng thái động cơ, mơmen động cơ đổi chiều và ngược chiều với , động cơ biến thành bộ hãm

Hình 2.10: Chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Trong trạng thái này, năng lượng cơ học trên trục động cơ được chuyển đổi thành điện năng, cung cấp trở lại cho nguồn điện Do đó, động cơ hoạt động như một máy phát điện song song với nguồn U.

- Phương trình đặc tính cơ:

Hãm tái sinh có thể xảy ra ở các thiết bị như cần trục và máy nâng khi tải trọng thay đổi, hoặc trong các hệ truyền động điều chỉnh khi nguồn điện bị giảm, dẫn đến sự giảm đột ngột tốc độ không tải lý tưởng.

0 trong khi tốc độ  chưa kịp giảm b) Hãm ngược

Hãm ngược xảy ra khi động cơ quay ngược chiều với tốc độ không tải lý tưởng, do ảnh hưởng của thế năng hoặc động năng tích lũy trong cơ cấu công tác.

- Có 2 trường hợp xảy ra hãm ngược: ử ử ủm I

Hình 2.11: Hãm tái sinh động cơ điện một chiều kích từ độc lập

 Theâm R fư đủ lớn vào mạch phần ứng động cơ

 Đảo ngược cực tính điện áp mạch phần ứng động cơ (hay đổi chiều quay tốc độ không tải lý tưởng)

Hình 2.12: Hãm ngược động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi theâm R fử

Trong trạng thái hãm ngược, điện áp nguồn cùng chiều với sức điện động E, dẫn đến dòng điện I ư có thể tăng cao Để kiểm soát dòng điện này, thường người ta sẽ kết nối thêm điện trở phụ R h có giá trị lớn vào mạch phần ứng.

- Hãm động năng xảy ra khi tốc động không tải lý tưởng 

Khi động cơ hoạt động, nếu cắt phần ứng ra khỏi nguồn điện và kết nối với một điện trở R h, cần duy trì dòng điện kích từ để đảm bảo tạo ra từ thông.

- Động năng tích luỹ trong hệ cơ học được biến thành điện năng và tiêu tán trên điện trở R h dưới dạng nhiệt

Hình 2.13: Hãm ngược động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi đảo ngược cực tính điện áp

Chọn R h sao cho dòng hãm ban đầu đảm bảo I hI cp = (22,5)I ủm Hãm động năng thường được sử dụng để dừng máy và trong thiết bị nâng cẩu, nó cũng giúp hạ tải trọng với tốc độ thấp Đặc biệt, sơ đồ hãm động năng tự kích cho phép hãm dừng ngay cả khi mất điện, vì vậy nó được coi là biện pháp hãm dừng an toàn.

ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP VÀ KÍCH TỪ HỖN HỢP

2.3.1 Phương trình và dạng đặc tính cơ

- Sơ đồ mạch điện tương đương

Hình 2.14: Hãm động năng động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Nếu bỏ qua hiện tượng bão hoà từ và phản ứng phần ứng thì:

 = f(I kt ) = f(I) = c.I kt = c.I (c: heọ soỏ tổ leọ)

- Suy ra phương trình đặc tính cơ điện: với A

Như vậy đặc tính cơ điện có dạng hypebol và rất mềm Nó có 2 đường tiệm cận:

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ nối tiếp

Giáo Trình Truyền Động Điện Trang 39 o Khi I  0;    : tiệm cận trục tung o Khi  -B; I   : tiệm cận trục hoành

- Phương trình đặc tính cơ: với

2.3.2 Đặc tính vạn năng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp

Quan hệ phi tuyến giữa  và I khiến việc xây dựng phương trình và biểu diễn các đặc tính cơ trở nên khó khăn Do đó, các nhà chế tạo thường cung cấp các đường cong thực nghiệm  * = f(I * ) và M * = f(I * ) mà không có điện trở phụ, được gọi là đặc tính vạn năng của động cơ.

Hình 2.17: Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Hình 2.16: Đặc tính cơ điện động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Trong đó: I * =I / I ủm;  * = /  ủm; M * = M / M ủm

- Với động cơ có các giá trị định mức cho trước ta có thể dựng được đặc tính cơ tự nhiên từ đường đặc tính cơ vạn năng

- Thông thường ta chọn năm điểm trên đường đặc tính vạn năng để vẽ

2.3.3 Các đặc tính nhân tạo của động cơ một chiều kích từ nối tiếp

- Đặc tính nhân tạo biến trở được xác định từ đặc tính tự nhiên (R f=0)

1 nào đó, theo đặc tính cơ tự nhiên ta được 

Hình 2.18: Các đặc tính vạn năng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp

- Làm tương tự như vậy với các giá trị I

3, , ta có  nt2,  nt3 và cuối cùng vẽ được đặc tính cơ nhân tạo ứng khi có điện trở phụ R f

2.3.4 Các trạng thái hãm của động cơ một chiều kích từ nối tiếp

0   nên động cơ một chiều kích từ nối tiếp không có hãm tái sinh

Hình 2.19: Từ đặc tính cơ tự nhiên vẽ đặc tính cơ nhân tạo

Giáo Trình Truyền Động Điện Trang 42 a) Hãm ngược

Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ ngược chiều với tốc độ không tải lý tưởng (

- Đưa thêm điện trở phụ R f đủ lớn vào mạch động cơ khi tải thế năng

- Đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ đang quay

Hình 2.20: Hãm ngược động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp khi thêm điện trở phụ

Hình 2.21: Hãm ngược động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp khi đảo cực tính điện áp

Giáo Trình Truyền Động Điện Trang 43 b) Hãm động năng

Khi cắt phần ứng của động cơ đang quay ra khỏi nguồn và kết nối với điện trở R h, đồng thời vẫn duy trì dòng kích từ theo chiều cũ, hiện tượng đặc biệt sẽ xảy ra.

1- Đặc tính cơ tự nhiên

2- Hãm có kích từ độc lập

Khi hãm động năng kích từ độc lập thì chú ý nối thêm điện trở phụ R f vào mạch kích từ để giữ từ thông không đổi

 Nhận xét về động cơ một chiều kích từ nối tiếp

Động cơ kích từ nối tiếp có cấu tạo với cuộn kích từ có tiết diện lớn, cho phép chịu dòng điện lớn, điều này giúp cho việc chế tạo trở nên dễ dàng hơn và giảm thiểu khả năng hư hỏng so với động cơ kích từ song song (độc lập).

- Có khả năng quá tải lớn về momen Khi có cùng hệ số quá dòng k

I thì momen động cơ kích từ nối tiếp lớn hơn mơmen của động cơ kích từ độc lập

Hình 2.22: Hãm động năng động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Mơmen của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điện mà không bị ảnh hưởng bởi sụt áp trên đường dây tải điện Ngược lại, trong động cơ kích từ song song, từ thông sẽ giảm khi điện áp giảm, dẫn đến việc từ thông cũng giảm theo.

Động cơ có khả năng tự điều chỉnh tốc độ khi tải trọng thay đổi, giúp duy trì công suất ổn định gần như không đổi nhờ vào đặc tính cơ học dạng hyperbol.

Động cơ một chiều kích từ nối tiếp là lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống truyền động trong máy vận chuyển và nâng bốc, đặc biệt là những máy thường xuyên phải chịu tải lớn như máy cán thép.

2.3.5 Đặc điểm, đặc tính cơ và trạng thái hãm của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp

s = 0,750,85  đm và không phụ thuộc dòng phần ứng

n phụ thuộc dòng phần ứng Khi M c=M ủm;I ử = I ủm

Hình 2.23: Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

Động cơ này sở hữu hai cuộn kích từ, mang lại đặc tính cơ phi tuyến tương tự như động cơ kích từ nối tiếp, đồng thời có điểm không tải lý tưởng.

0] như động cơ kích từ độc lập

 Các trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng tương tự như động cơ một chiều kích từ độc lập.

ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Hình 2.24: Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp Hình 2.25: Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp

Hình 2.26: Sơ đồ nối dây và ký hiệu bản vẽ của động cơ không đồng bộ

- Ở đặc tính cơ điện động cơ khơng đồng bộ, đại lượng tốc độ  được biểu thị thông qua đại lượng "hệ số trượt s"

Có thể tính gần đúng, hệ số biến đổi sức điện động:

Hình 2.27: Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ

2nm.f : sức điện động pha rotor khi hở mạch và rotor đứng yên

Biểu thị đặc tính cơ theo I

- Khi không tải lý tưởng: s = 0 thì

- Khi ngắn mạch: s = 1 thì: Đồ thị đặc tính cơ điện:

Hình 2.28 minh họa đặc tính cơ điện theo dòng rôto của động cơ không đồng bộ, trong khi Hình 2.29 thể hiện đặc tính cơ điện theo dòng stato của cùng loại động cơ.

- Theo đồ thị tương đương 1 pha, ta có: thay : ta được :

 đây là phương trình " đặc tính cơ" Đồ thị đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Giáo Trình Truyền Động Điện Trang 49 Độ trượt tới hạn:

Bieồu dieón M theo M th và s th:

1  0, ta có: gọi là phương trình Klauss

M M th th th th th  

Hình 2.30: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Khi chỉ tính toán trong vùng làm việc với phụ tải M nhỏ hơn hoặc bằng M ủm, ta có thể coi s rất nhỏ so với s th, dẫn đến việc bỏ qua thành phần s/s th Do đó, quá trình này cho phép chúng ta tuyến tính hóa trong vùng có s nhỏ.

Từ đường đặc tính cơ, ta thấy: o Đoạn thứ nhất, từ 

Trong quá trình hoạt động của động cơ, đoạn công tác từ 0 đến điểm tới hạn (s = s th) có hệ số  < 0, cho thấy động cơ chỉ hoạt động ổn định trong khoảng này Ngược lại, đoạn thứ hai từ điểm tới hạn đến điểm ngắn mạch (s = 1) có hệ số  > 0, chỉ tồn tại trong giai đoạn khởi động hoặc quá độ.

2.4.3 Dựng đặc tính cơ tự nhiên

- Từ số liệu động cơ như P ủm, n đm, hệ số momen cực đại (momen tới hạn)

- Từ phương trình Klauss, ta có thể xác định được độ trượt tới hạn gần đúng bằng :

- Như vậy đã xác định được 3 điểm trên "đoạn công tác" của đặc tính cơ tự nhiên, đó là : o Không tải (0, 

0) o Định mức (M ủm,  ủm) o Tới hạn (M th, s th)

- Thay s th và M th vào phương trình Klauss, ta thu được phương trình đặc tính cô s s

 2 ủm ủm ủm ủm ủm ủm ủm ủm ủm 9,55 P M M

Nếu tuyến tính hóa đoạn đặc tính công tác qua điểm không tải lý tưởng và điểm định mức, đặc tính cơ tự nhiên có thể được biểu thị bằng phương trình.

- Như vậy, gần đúng ta có độ cứng đặc tính cơ trong đoạn công tác : và

2.4.4 Các đặc tính cơ nhân tạo

2  tạo ra các đặc tính nhân tạo

2 ít hiệu quả  không dùng a) Họ đặc tính thay đổi R

2 (họ đặc tính biến trở)

- Khi thay đổi R f mạch rơto thì: và

M ủm ủm ủm ủm hoặc 

Người ta ứng dụng đặc tính này để khởi động và điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ roto dây quấn, đồng thời thay đổi điện áp stato.

0 = const; s th=const còn M th giảm bình phương lần so với điện áp M thU 2

Hình 2.31: Sơ đồ nối dây và họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện trở mạch rôto của động cơ không đồng bộ

Hình 2.32: Họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện áp stato của động cơ không đồng bộ

Người ta ứng dụng các đặc tính chủ yếu của họ để khởi động và điều chỉnh tốc độ trong một số trường hợp Đặc biệt, họ có khả năng thay đổi điện trở và điện kháng stato, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng điện.

0 = const; s th và M th đều giảm

Thực tế thường gặp các họ đặc tính này khi khởi động các động cơ rotor lồng sóc d) Họ đặc tính thay đổi số đôi cực: 

Hình 2.33: Sơ đồ nối dây và họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện trở hoặc điện kháng mạch stato của động cơ không đồng bộ

Hình 2.34: Đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi số đôi cực từ (p 2 =2p 1 ) với nguyên tắc giữ M th =const của động cơ không đồng bộ

Người ta ứng dụng đặc tính này để điều khiển tốc độ động cơ e) Họ đặc tính thay đổi tần số

- Vì vậy, khi thay đổi f bắt buộc phải thay đổi điện áp U

1: o Khi ff đm: thay đổi theo qui luật U 2 /f = const để công suất không đổi

Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số được ứng dụng nhiều trong các hệ truyền động tự động hiện đại dùng động cơ khơng đồng bộ taêng

Hình 2.35: Họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi tần số của động cơ không đồng bộ

2.4.5 Các trạng thái hãm a) Hãm tái sinh

- Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng: >

0 Có thể gặp trong 2 trường hợp: o Hạ tải ở các máy nâng hạ: cẩu tháp, cần trục… o Giảm tần số dòng stator một cách đột ngột b) Hãm ngược

- Thêm điện trở phụ đủ lớn vào mạch rơto R

2f (chổ duứng cho rụto daõy quaán)

Hình 2.36: Hãm tái sinh khi hạ tải ở máy nâng hạ Hình 2.37: Hãm tái sinh khi điều chỉnh giảm tần số dòng điện stato

- Đổi thứ tự pha điện áp stato

Phương pháp hãm ngược được áp dụng cho cả rơto lồng sóc và rơto dây quấn Đối với rơto dây quấn, việc thêm điện trở vào mạch rơto không chỉ giúp hạn chế dòng điện mà còn tăng momen hãm hiệu quả.

Hình 2.38: Hãm ngược khi hạ tải bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch rôto

Giáo Trình Truyền Động Điện Trang 57 c) Hãm động năng

Hãm động năng xảy ra khi rơto quay, bằng cách ngắt cuộn stato khỏi nguồn xoay chiều và kết nối với nguồn điện một chiều Đường 1 và 2 có cùng điện trở Rf nhưng khác nhau về dòng Imc, trong khi đường 2 và 3 có cùng dòng Imc nhưng khác biệt về điện trở Rf.

Hình 2.39: Hãm ngược bằng cách đảo thứ tự pha điện áp stato

Hình 2.40: Hãm động năng động cơ không đồng bộ

1 Có thể biểu diễn phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập bằng mấy dạng? Hãy viết các dạng phương trình đó? Giải thích các đại lượng trong phương trình và cách xác định các đại lượng đó?

2 Nêu cách vẽ dạng đặc tính cơ và đặc tính cơ nhân tạo động cơ một chiều kích từ độc lập?

3 Động cơ một chiều kích từ độc lập có mấy phương pháp hãm? Điều kiện để xảy ra các trạng thái hãm đó? Sơ đồ nối dây động cơ khi thực hiện các trạng thái hãm? Ứng dụng thực tế của các trạng thái hãm đó? Giải thích quan hệ về chiều tác dụng của các đại lượng điện và chiều truyền năng lượng trong hệ ở các trạng thái hãm?

4 Nêu cách vẽ dạng đặc tính cơ điện và đặc tính cơ nhân tạo động cơ một chiều kích từ nối tiếp?

5 Động cơ một chiều kích từ độc lập có mấy phương pháp hãm? Điều kiện để xảy ra các trạng thái hãm đó? Sơ đồ nối dây động cơ khi thực hiện các trạng thái hãm? Ứng dụng thực tế của các trạng thái hãm đó? Giải thích quan hệ về chiều tác dụng của các đại lượng điện và chiều truyền năng lượng trong hệ ở các trạng thái hãm?

6 Nêu cách vẽ dạng đặc tính cơ điện và đặc tính cơ nhân tạo động cơ không đồng bộ?

7 Thông số nào ảnh hưởng đến đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ? Dạng các họ đặc tính cơ nhân tạo và ứng dụng thực tế?

8 Động cơ không đồng bộ có mấy phương pháp hãm? Điều kiện để xảy ra các trạng thái hãm đó? Sơ đồ nối dây động cơ khi thực hiện các trạng thái hãm? ứng dụng thực tế của các trạng thái hãm đó? Giải thích quan hệ về chiều tác

Giáo Trình Truyền Động Điện Trang 59 dụng của các đại lượng điện và chiều truyền năng lượng trong hệ ở các trạng thái hãm?

9 Cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập có: P đm = 15 KW, U đm = 220V,

I đm = 65A, n đm 50 vòng/phút, R ư = 0,22  a Vẽ đường đặc tính cơ tự nhiên? b Vẽ đường đặc tính cơ nhân tạo khi thêm R fư = 2 ? c Vẽ đường đặc tính cơ nhân tạo khi U = 200 V?

10 Cho động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có: P đm KW, U đm "0V,

I đm EA, n đm 50 vòng/phút, Rư= 0,2 , và đường đặc tính vạn năng a Vẽ đường đặc tính cơ tự nhiên? b Vẽ đường đặc tính cơ nhân tạo khi thêm Rf ư = 3 ?

11 Cho động cơ không đồng bộ 3 pha rô to dây quấn với số liệu như sau:

Để vẽ đặc tính cơ tự nhiên của động cơ với công suất P đm = 850 kW, tốc độ định mức n0 = 1500 vòng/phút và tốc độ hoạt động n đm = 1250 vòng/phút, ta cần xác định các thông số như điện trở R2 = 0,02  và hệ số λ = 2,15 Bên cạnh đó, khi thêm điện trở phụ Rf = 0,175  vào mạch dây quấn rôto, ta sẽ vẽ đặc tính cơ nhân tạo để phân tích ảnh hưởng của điện trở này đến hoạt động của động cơ.

ĐIỀ U CH Ỉ NH T ỐC ĐỘ TRONG H Ệ TH Ố NG TRUY ỀN ĐỘNG ĐIỆ N 3.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Các định nghĩa

a) Thông số đầu ra: hay còn gọi là thông số được điều chỉnh là momen (M) và tốc độ () của động cơ

M và  là hai trục chính của mặt phẳng trạng thái [M, ], do đó, việc điều chỉnh chúng được gọi là "điều chỉnh tọa độ" Các thông số đầu vào, hay còn gọi là thông số điều chỉnh, đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

- Đ/v động cơ DC: R ư (hoặc Rf ư),  (ukt, ikt) và U ư

- Đ/v động cơ KĐB : R2 (hoặc Rf2), R1, x1, U1 và f

- Đ/v động cơ đồng bộ: f c) Phần tử điều khiển: là các thiết bị hoặc dụng cụ làm thay đổi các thông số đầu vào

Mục đích điều chỉnh các thông số đầu ra động cơ

Tùy theo yêu cầu công nghệ:

- Đặt giá trị làm việc và duy trì mức đặt ω 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: thay đổi tốc độ theo quy luật hình bên

- Hạn chế thông số ở một mức độ cho phép Ví dụ hạn chế dòng điện khi khởi động

- Tạo ra một quy luật chuyển động cho cơ cấu công tác (trục động cơ) theo quy luật cho trước ởđầu vào với một độchính xác nào đó.

Điều chỉnh không tự động và điều chỉnh tự động

a) Điều chỉnh không tự động: tọa độ động cơ là việc thay đổi thông sốđầu ra bằng cách tác động lên thông sốđầu 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 hoạt động, các nhiễu tác động vào hệ thống, nhưng thông số đầu vào vẫn giữ ổn định, dẫn đến điểm làm việc của động cơ chỉ di chuyển trên đường đặc tính cơ, tạo thành hệ "điều chỉnh vòng hở" Để thực hiện điều chỉnh tự động, tọa độ động cơ sẽ được điều chỉnh thông qua sự thay đổi liên tục của thông số đầu vào dựa trên mức độ sai lệch của thông số đầu ra so với giá trị định trước, nhằm khắc phục những sai lệch này.

Hình 3.1: Quy luật thay đổi tốc độ theo thời gian

Khi nhiễu tác động đến thông số đầu ra, thông số đầu vào sẽ thay đổi, dẫn đến việc động cơ có đặc tính cơ khác Điều này khiến điểm làm việc của động cơ dịch chuyển từ đường đặc tính cơ này sang đường khác, đồng thời tạo ra một đường đặc tính cơ mới cho hệ điều chỉnh tự động.

Đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động thể hiện qua quỹ tích điểm làm việc của động cơ, diễn ra trên nhiều đường đặc tính cơ của hệ điều chỉnh vòng hở.

- Việc thay đổi tự động thông số đầu vào được thực hiện nhờ mạch phản hồi Vì vậy hệnày còn được gọi là hệ “điều chỉnh vòng kín”

- Hệ điều chỉnh tự động tuy phức tạp nhưng đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng cao.

Nhiễu các thông số đầu ra

Nhiều yếu tố gây nhiễu ảnh hưởng đến các thông số đầu ra như điện áp nguồn, tần số lưới điện và nhiệt độ môi trường Trong đó, khi điều chỉnh tốc độ, thông số chính được điều chỉnh là ω, và các nguồn nhiễu chủ yếu bao gồm mômen cản (tải) M_c và dòng điện tải I_c.

o Khi điều chỉnh momen hoặc dòng điện, thông số được điều chỉnh là M hoặc I, thì nhiễu chủ yếu là tốc độω

- Sự ảnh hưởng qua lại giữa M và  được thể hiện bằng đường đặc tính cơ và phương trình của nó.

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

- Điều khiển động cơ điện chính là điều chỉnh các tọa độ của nó [M,]

Việc điều chỉnh tọa độ thực chất là làm biến dạng các đặc tính cơ, dẫn đến việc tạo ra các đặc tính cơ nhân tạo Do đó, các phương pháp điều khiển động cơ cũng chính là các phương pháp tạo ra những đặc tính nhân tạo này.

3.2.1 Điều khiển bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng

- Phương trình đặc tính cơ điện:

- Phương trình đặc tính cơ: trong đó:

R ưt = R ư + R fư : điện trở tổng của mạch phần ứng

: độ cứng đặc tính cơ nhân tạo biến trở

Việc thay đổi R fư có thể điều chỉnh tốc độ, dòng điện và mômen khởi động của động cơ Tuy nhiên, phương pháp này gặp phải nhiều nhược điểm do phần tử điều khiển R fư nằm trong mạch lực và có độ cứng đặc tính cơ thấp.

Ví dụ : dùng 3 cấp điện trở khởi động như hình vẽ ử ủm ử ửt ủm ửt ủm ủm I

Hình 3.2: Điều khiển động cơ một chiều kích từ song song bằng phương pháp dùng điện trở phụ mạch phần ứng

Bắt đầu khởi động: Rưt3 = R ư + Rf1 + Rf2 + Rf3 đảm bảo dòng khởi động ban đầu:

3.2.2 Điều khiển bằng điện áp đặt vào phần ứng

Khi Ф = Фđm và Rf = 0, việc điều chỉnh Uư cho phép kiểm soát tốc độ, mô men và dòng điện, giúp khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ một cách hiệu quả Bộ biến đổi (BĐ) hoặc bộ chỉnh lưu đóng vai trò quan trọng trong quá trình này, trong khi sức điện động tương đương từ đầu ra của bộ biến đổi được ký hiệu là Eb và điện trở trong bộ biến đổi là Rb.

Hình 3.3: Khởi động bằng điện trở để giảm dòng điện khởi động

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế hệ điều khiển động cơ một chiều bằng điện áp phần ứng

3.2.3 Điều khiển bằng từ thoâng kích thích

Khi thay đổi từ thông, tốc độ động cơ sẽ giảm theo tỉ lệ nghịch trong khi dòng điện mơ máy giữ nguyên Do đó, phương pháp điều khiển này chỉ phù hợp để điều chỉnh tốc độ động cơ.

Hình 3.5: Các đặc tính cơ điều chỉnh khi điều khiển động cơ một chiều bằng điện áp phần ứng

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ một chiều kích từ song song và kích từ độc lập

0 = U đm /K : tỉ lệ nghịch với từ thông

 Ф = (K) 2 /R ư : tỉ lệ với bình phương từ thông,  càng giảm,  Ф càng giảm và độ sụt tốc  càng lớn.

- Khi giảm , tốc độ tăng nhưng Inm= const, nên chỉ ứng dụng thay đổi tốc độ

- Thực tế phương pháp này chỉ tồn tại trong khoảng 0

Tiêu đề	Bài Giảng Truyền Động Điện
Trường học	Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điện – Điện Tử
Thể loại	Giáo Trình
Năm xuất bản	2016
Thành phố	Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	3,58 MB