Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập

Tài liệu tham khảo ngành tin học Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.1. khái quát chung: Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trọng một phạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị đơn giản hơn và rẻ tiền hơn các thiết bị điều khiển của động cơ ba pha.Vì một số ưu điểm như vậy cho nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp, trong giao thông vận tải…. 2.1. Phương trình đặc tính cơ: Để điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì ta phải phân tích, tìm các mối quan hệ giữa tốc độ với các thông số khác của động cơ để từ đó đưa ra phương pháp điều khiển. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì dòng kích từ độc lập với dòng phần ứng. Vì được nuôi bởi hai nguồn một chiều độc lập với nhau. EuIuUuRfIktUktRktCkt Hình 1. Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập Theo hình 1 ta viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng Uư =Eư + ( Rư + Rf)Iư (1) Trong đó: Uư : Điện áp đặt lên phần ứng động cơ (V). Eư : Sức điện động phần ứng (V) Rư : Điện trở của mạch phần ứng (Ω) Rf : Điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω) Iư : Dòng điện mạch phần ứng (Α) Với Rư = rư + rcf +rb + rct Trong đó : rư điện trở cuộn dây phần ứng (Ω) rcf : Điện trở cuộn cực từ phụ (Ω) rb : Điện trở cuộn bù ( Ω) rct : Điện trở tiép xúc chổi điện (Ω) •Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thưc sau Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 2 Eư =aPNπ2φω = κφω (2) trong đó : p : Số đôi cực từ chính N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng φ : Từ thông kích từ dưới mỗi cực từ (wb) ω : Tốc độ góc (rad/s) k = aPNπ2 : Hệ số cấu tạo của động cơ Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/ phút) thì Eư =ekφn ( 3) ω =602 nπ=55,9n vì vậy Eư =aPN60nφ với ke =aPN60 : Hệ số sức điện động của động cơ ke =55,9k ≈ 0,105 k Thay (1) vào (2) và biến đổi ta được ω =uUKφ-()+ufKRRφIư(4) Biểu thức (4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.Mặt khác, mômen điện từ Mđt =ukIφ (5) Nếu bỏ qua tổn thất trong các ổ trục, tổn thất tự quạt mát và tổn thất trong thép thì mômen cơ trên trục của động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M, tức là Mđt = Mcơ =M Vậy phương trình đặc tính cơ của động cơ là ω =ukUφ-2)(φkRRfu+M (6) Biểu thức (6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Nếu không xét đến ảnh hưởng của phản ứng phần ứng ngang trục làm giảm từ thông φ của động cơ tức là xem φ=const thì quan hệ ω=f(M,I) là tuyến tính. Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 3 ω0ωdmωΔIMdmdm,IMnmnm ,IM ,0ω Hình 2 đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Từ đồ thị ta có : khi Iư = 0 hoặc M =0 ta có ω=φkU =ω0 (7) ω0 : được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ , khi ω=ω0 ta có Iư = RRfuU+=Inm (8) Và M =kφInm =Mnm (9) Inm, Mnm : được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch. Mặt khác phương thình đặc tính (4) và (6) cũng có thể viết dưới dạng ω = φkUu-φkRIư =ω0 - ωΔ (10) ω =φKUu-)(2φkRM = ω0 - ωΔ (11) vì Iư =φKM ta suy ra từ (5) trong đó R = Rư + Rf , ω0 =φKUu Δω=φKR Iư =)(2φkRM (12) Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 4 Δω : được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M (hay I) , 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 (φ=φdm) Trong đó ω*=0ωω , I* =dmII,M∗ =dmMM, R* =RcbR ( Rcb =Uđm/ Iđm được gọi là điện trở cơ bản ) Từ (4) và (6) ta viết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối ω*=1- R*I* (13) ω∗ = 1- R*M∗ (14) • Độ cứng của đặc tính cơ : β=ωddM =Rknm∑)2(φ(15) • Công suất (năng lượng điện) Từ phương trình lý tưởng : IU =(Eư +IRư)I (16) Ta có Pđiện =Pđt +ΔΡ Trong đó Pđt =IEư công suất điện từ ΔP =I2Rư tổn hao công suất cơ trên điện trở phần ứng Thực tế Pđiện =Pđt + ΔPư + ΔP0 (17) Với ΔP0 tổn hao ma sát do sự quay Từ biểu thức (4) hoặc (6) ta thấy ωlà một hàm phụ thuộc R, φ, U : 〈ω=f(R,Φ,U)® do đó để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba phương pháp điều khiển sau : - Điều khiển điện trở phụ phần ứng - Điều khiển từ thông kích từ - Điều khiển điện áp phần ứng Sau đây ta xem xét từng phương pháp điều khiển một 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 2.1 Phương pháp điều khiển bằng điện trở phụ phần ứng (Rf): •Nguyên lý điều chỉnh: Nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng Ta đã phân tích ở trên nên ta có ω= f〈 Rf , φkt , U ®, giả thiết rằng : Nếu giữ φ=φđm=const ; U= Uđm = const; Rư =const thì ω=f(Rf) Muốn thay đổi được giá trị Rf của mạch phần ứng bằng cách nối tiếp một điện trở phụ (Rf) thay đổi được giá trị vào mạch phần ứng. Lúc này ta có : R = Rư + Rf Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 5 Từ phương trình đặc tính cơ : ω=φdmdmKU- )(2φKRRdmfu+M Từ phương trình trên ta thấy : khi tăng giá trị của Rf thì tốc độ của động cơ giảm, khi giảm giá trị của Rf thì tốc độ của động cơ tăng . Lúc này ta có tốc độ không tải lý tưởng: ω0 =φdmdmKU = const (18) Còn độ cứng của đặc tính cơ : β = RRKfudm+)2(φ = var (19) Như vậy khi thay đổi Rf cho ta một họ đặc tính như sau: ω0ωMdmMdm20=RfRf 1Rf 2Rf 30M Hình 1-3 : Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở những điện trở phụ khác nhau • Nhận xét: Nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời Inm và Mnm cũng giảm. Phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện động cơ khi khởi động. - Ưu điểm : Đơn giản , dễ thực hiện - Nhược điểm : + Độ cứng đặc tính cơ thấp + Tổn thất năng lượng trên điện trở lớn + Phạm vi điều chỉnh hẹp 2.2. Phương pháp điều chỉnh bằng từ thông kích từ: • Nguyên lý điều chỉnh: Điều chỉnh từ thông kích từ của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men điện từ của động cơ M = kφIư và sức điện động quay của động cơ Eư=kφω Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 6 IktUktEUICkt Hình 1-4 :Sơ đồ nối dây điều chỉnh kích từ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Từ biểu thức (4) và (6) ta thấy ω= f(U, φkt , Rf ), nếu giữ U=Uđm=const và điện trở phần ứng Rư = const (Rf =0 ) lúc này ω= f(φkt). Để thay đổi được tốc độ ω ta cần thay đổi φkt , mà từ thông kích từ do dòng kích từ sinh ra. Vậy để điều chỉnh φkt ta mắc thêm biến trở Rv vào mạch kích từ, khi điều chỉnh φkt ta phải tuân theo điều kiện sau. Không thể tăng dòng kích từ Ikt lớn hơn dòng định mức của cuộn dây kích từ vì nó phá hỏng cuộn kích từ và khi φkt = φđm đã bảo hồ rồi, nếu muốn tăng Ikt thì φkt cũng không tăng đáng kể nên ta điều chỉnh bằng cách giảm φkt . • Trong trường hợp này ta có: - Tốc độ không tải lý tưởng ω0 = φxdmKU = var - Độ cứng của đặc tính cơ β =RuXK2)(φ = var Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì ωx tăng, còn β sẽ giảm. Ta có đồ thị đặc tính cơ với ωx tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 7 ωIωω0ω1ω2φdmφ1φ2ΙnmΙdm0ω2ω1ω0φ2φ1φdm0ΜdmΜ2nmΜ1nmΜnmΜ Hình 1-5 : Đặc tính cơ và cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông. Từ đồ thị ta nhận thấy khi từ thông thay đổi vơi φđm > φ1 >φ2 ta có: - Dòng điện ngắn mạch : Inm =RUudm =const - Mô men ngắn mạch : Mnm =kφxInm =var (Mnm > Mnm1 >Mnm2) Từ đồ thị đặc tính ta thấy ω0 <ω1 <ω2 . Vậy phương pháp điều chỉnh từ thông là phương pháp điều chỉnh trên tốc độ cơ bản. • Các chỉ tiêu chất lượng khi giảm từ thông φkt - Tốc độ không tải lý tưởng ωx =φxdmKU tăng - Độ cứng đặc tính cơ β =RuxK2)(φ giảm - Dải điều chỉnh không rộng D = maxminωω = 1:2 + Tốc độ nhỏ nhất bị chặn bởi đặc tính tự nhiên (φ=φđm) + Tốc độ lớn nhất ωmax bị giới hạn bởi độ bền cơ khí và điều kiện chuyển mạch của động cơ - Ưu điểm : Công suất mạch điều chỉnh nhỏ, tổn thâùt năng lượng nhỏ - Cũng có thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 1:5 thậm chí đến 1:8 nhưng phải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt, do đó cấu tạo và cộng nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên. 2.3. Phương pháp điều khiển động cơ điện mợt chiều kích từ độc lập bằng thay đổi điện áp phần ứng: Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 8 Từ phương trình đặc tính cơ (6) ω =φKUu - )(2φkRRfu+M Giả thiết φ = φđm =const; Rư =const,(Rf =0), M = const. Lúc này ω = f(Uư) Khi thay đổi điện áp phần ứng ta có: - Tốc độ không tải lý tưởng ω0 =φKUu = var - Độ cứng của đặc tính cơ β = Rku)(2φ = const Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng cho ta một họ các đặc tính sau. ωω0ω1ω2ω3ωi0IM ,IMdmdm,TNUdmU1U2U3Ui Với Uđm >U1>U2>U3>……….>Ui Hình 1-6 : Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điện áp phần ứng thay đổi Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính tự nhiên. • Nhận xét : - Ưu điểm : + không gây ồn + không gây tổn hao phụ trong động cơ + dải điều chỉnh rộng D ≈10 : 1 +độ cứng đặc tính cơ không đổi trong tồn dải điều chỉnh + dễ tự động hố - Nhược điểm : + phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 9 + điều khiển phức tạp • Kết luận : Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật như hiện nay thì phương pháp này càng được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong các lĩnh vực khác. 2.4. Nuyên lý điều chỉnh: • Đặc tính điều chỉnh : Để điều chỉnh điện áp phần ứng, ta phải sử dụng một bộ biến đổi, điều chỉnh được điện áp đầu ra cấp cho mach phần ứng của động cơ. UUdkCktvar=Ura+−BBÑ∼E Hình 1-7 : Sơ đồ ngyên lý điều chỉnh động cơ Bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện thành một chiều và điều chỉnh được giá trị điện áp đầu ra theo yêu cầu. Điện trở trong của bộ biến đổi Rbđ phụ thuộc vào loại thiết bị, vì thông thường công suất của bộ bến đổi và động cơ xấp xỉ bằng nhau nên Rbđ cũng có giá trị đáng kể so với Rư của động cơ. Từ sơ đồ nguyên lý ta có sơ đồ thay thế EbdEuRbdRudU Hình 1-8 : Sơ đồ thay thế nguyên lý điều chỉnh động cơ Từ sơ đồ thay thế ta có phương trình cân bằng điện áp. Eư = Ubđ – (Rbđ + Rư )Iư (20) Sức điện động của động cơ Eư = kφđmω (21) Từ biểu thức (20) và (21) ta có kφđmω = Ubđ – ( Rbđ + Rư )Iư (22) Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 10 Từ phương trình (22) ta có phương trình đặc tính cơ điện. ω = φdmbdKU - φdmubdKRR+Iư (23) Phương trình đặc tính cơ ω = φdmbdKU- )(2φdmKRRubd+M (24) Với M =kφđmIư Trong đó φđm là từ thông định mức của động cơ, φđm = const. Tốc độ không tải lý tưởng ω0 = φdmbdU Độ cứng của đặc tính cơ β = RRkubddm+)(2φ Ta thấy tốc độ không tải lý tưởng không phụ thuộc vào M, I mà phụ thuộc vào Ubđ . Ubđ = kaUđk Trong đó : ka là hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi Uđk là điện áp điều khiển Từ đó suy ra : ω0 = φdmdkaKUk = f(Uđk) Từ phương trình (23) và (24) ta có đồ thị đặc tính được biểu diễn như sau. ωUdk 2Udk 1Udk 3Udk 4ω01ω02ω03ω040M,IÑTTN Hình 1-9 : Đồ thị đặc tính cơ điện khi Ubđ thay đổi [...]... ω0 - M dm β - Điều khiển phước tạp, vốn đầu tư lớn nhưng nó là phương pháp tốt hơn so với hai phương pháp trên • Kết luận : Sau khi phân tích ba phương pháp điều khiển nêu trên thì phương pháp điều khiển bằng thay đổi điện áp phần ứng là tốt hơn cả Cho nên em chọn phương pháp làm phương pháp nguyên cứu cho đề tài của em 3 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP BẰNG THAY... điện một chiều kích từ độc lập khi đảo chiều quay 4.4.2 Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu đảo chiều quay: Các bộ chỉnh lưu đảo chiều quay là các bộ chỉnh lưu dùng cho các động cơ điện một chiều có đảo chiều quay vì hệ truyền động T – Đ đảo chiều có yêu cầu an tồn cao và có lôgíc điều khiển chặt chẽ Như đã phân tích ở trên, trong thực tế đảo chiều quay của động cơ chỉ được dùng phương pháp đổi chiều dòng điện... mạch động lực là chỉnh lưu tia ba pha mắc song song ngược cực tính và đảo chiều quay động cơ dùng phương pháp điều khiển chung làm sơ đồ nghiên cứu cho đề tài mà em thiết kế Sơ đồ dược mô tả như sau: B A T4 a b C c T 1 T5 T2 T6 T3 CK cb2 Ñ CK cb1 Hình 1-21: Sơ đồ nguyên lý điều khiển đảo chiều quay động cơ một chiều kích từ độc lập II Tính chọn các thông số cơ bản của mạch lực: 1 Tính chọn van động. .. điện kích từ Đổi chiều quay của động cơ điện lúc đang quay về nguyên tắc cũng có thể thực hiện được bằng cả hai phương pháp trên, tuy nhiên trên thực tế chỉ được dùng phương pháp đổi chiều dòng điện phần ứng Iư , còn phương pháp đổi chiều quay động cơ bằng cách đổi chiều dòng kích từ không được sử dụng vì cuộn kích từ có nhiều vòng dây do đó hệ số tự cảm Lt rất lớn và việc thay đổi chiều dòng điện kích. .. loại bộ biến đổi sau: + Bộ biến đổi máy phát điện một chiều + Bộ biến đổi xung áp một chiều + Bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển - Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi đó ta có các hệ truyền động sau: + Hệ máy phát – động cơ ( F – Đ ) + Hệ điều chỉnh xung áp – động cơ ( XA – Đ ) + Hệ chỉnh lưu Tiristo – động cơ ( T – Đ ) 3.1 Hệ thống máy phát - động cơ ( F – Đ ): - Sơ đồ nguyên lý: U∼ + F ÑCSC KT... của động cơ chấp hành , với đề tài của em cho công suất động cơ là 6 kw thì công suất lắp đặ ≥18 kw Khó điều chỉnh tốc độ sâu vì máy phát một chiều có từ dư và dặc tính từ hố có từ trễ Mặt khác hệ thống cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích đặt ( không kinh tế), hiệu suất của hệ thống thấp η= P P ra vao = P P +P dc codc mf + Pdckdb = 0,3 Vốn đầu tư ban đầu cao 3.2 Hệ truyền động điều chỉnh xung áp – động. .. kích từ dẫn đến sự xuất hiện sức điện động tự cảm rất cao, gây quá điện áp đánh thủng cách điện của dây quấn kích thích Ngồi ra, dùng phương pháp đảo chiều từ thông thì khi từ thông qua trị số không có thể làm tốc dộ tăng quá, không tốt Ta có đặc tính cơ của động cơ khi đảo chiều quay : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 21 Đồ án tốt nghiệp ω ω ω0 M 0 -ω0 ω Hình1-19 : Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều. .. thiết bị điều khiển hợp lý thì em chọn sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha cho đề tài nghiên cứu của em 4.4 CHỈNH LƯU ĐẢO CHIỀU QUAY 4.4.1 Khái quát chung: Chiều quay của động cơ điện một chiều phụ thuộc vào chiều của mô men, để thay đổi chiều của mô men ta có thể dùng hai phương pháp sau - Đổi chiều quay bằng cách đổi chiều dòng điện trong phần ứng - Đổi chiều quay bằng cách đổi chiều từ thông, cụ thể là chiều. .. điện áp ra Ud = var bằng cách thay đổi độ rộng của xung áp γ Vì thời gian một chu kỳ đóng cắt khố k rất nhỏ so vơi hằng số thời gian cơ học của hệ truyền động nên ta có thể coi tốc độ và sức điện động phần ứng động cơ là không đổi trong khoảng thời gian T • Đặc tính của hệ điều chỉnh xung áp – động cơ - Đặc tính cơ điện : ω= γU Kφ dm R +R u Kφ bd I dm - Đặc tính cơ : ω= γU Kφ dm R +R ( Kφ dm) u bd 2... tính cơ của hệ F – Đ ứng với Ukf thay đổi Thông thường Rưf ≈ Rưđ nên β = 1 βtn 2 - Nếu cho máy phát kích từ thuận Ukt>0 thì đặc tính ở nửa trục ω>0 - Nếu cho máy phát kích từ nghịch Ukf . QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.1. khái quát chung: Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên. chỉnh bằng từ thông kích từ: • Nguyên lý điều chỉnh: Điều chỉnh từ thông kích từ của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men điện từ của động cơ M = kφIư