tổng quan về các hệ thống truyển động 1 chiều phần 1

Ch¬¬ng I Ch­¬ng 1 tæng quan vÒ c¸c hÖ truyÒn ®éng mét chiÒu Ch​­¬ng I Tæng quan vÒ c¸c hÖ truyÒn ®éng mét chiÒu I §¨c tÝnh c¬ cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu I 1 Kh¸i qu¸t vÒ ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu Hiện na.

Chơng tổng quan hệ truyền động chiều Chơng I Tổng quan hệ truyền động chiều I Đăc tính động điện chiều I.1 Khái quát động điện chiỊu Hiện nay, cơng nghiệp sử dụng điện xoay chiều chủ yếu kết cấu đơn giản, giá thành hạ Tuy nhiên nhược điểm không dùng phương pháp thiết bị đơn giản để điều chỉnh tốc độ phạm vi rộng phẳng tiêu thụ công suất lại lớn làm hệ số cosФ lưới điện thấp Trong ®ộng điện chiều thĨ hiƯn tÝnh u viƯt hẳn Do ú, mỏy điện đại ®ßi hái yêu cầu cao điều chỉnh tốc độ nh cấu nâng hạ, cầu trục, cỏn thộp, hm m, giao thụng tisẽ sử dụng động điện mét chiÒu Động điện chiều gồm: Động điện chiều kích từ động lập kích từ song song Động điện chiều kích từ nối tiếp Động điện chiều kích từ hỗn hợp I.2 Khái niệm đặc tính Đặc tính động điện mối quan hệ tốc độ mômen động cơ: = f(M) Phân loại: * Ta có đặc tính tự nhiên động vận hành chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức, không nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ), đặc tính tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị Mđm, đm * Ta có đặc tính nhân tạo thay đổi tham số nguồn nối thêm điện trở, điện kháng vào động (U Uđm Rp đm) Để đánh giá so sánh đặc tính ta có khái niệm độ cứng đặc tính đợc tính sai lệch M so với = Nguyễn ngọc tân tđh3 k49 M lớp cđ Chơng tổng quan hệ truyền động chiều - Đặc tính tuyệt đối cứng = : Khi mômen thay đổi tốc độ không thay đổi, có động điện xoay chiều đồng - Đặc tính cứng lớn: Khi mômen thay đổi tốc độ thay đổi, có động điện chiều kích từ độc lập - Đặc tính mềm nhỏ: Khi mômen thay ®ỉi th× tèc ®é thay ®ỉi nhiỊu, cã ë ®éng điện chiều kích từ nối tiếp ® êng1 Δω2 ® êng2 ® êng3 Δω1 M H.1.1 Độ cứng đặc tính Trong đó: (1): đặc tính tuyệt đối cứng, (2): đặc tính cứng, (3): đặc tính mềm Với động điện chiều, đặc tính ta dùng đặc tính điện biểu diễn quan hệ tốc độ dòng điện: = f(I) Tốc độ động điện chiều kích từ độc lập hỗn hợp tốc độ không tải lí tởng 0, với động kích từ nối tiếp đm Trị số điện trở bản: R U dm R= I dm I.3 Đặc tính động điện chiều Nguồn điện chiều có công suất vô lớn điện áp không đổi mạch kích từ thờng mắc song Nguyễn ngọc tân tđh3 k49 lớp cđ Chơng tổng quan hệ truyền động chiều song với mạch phần ứng, lúc động gọi động kích từ song song *Sơ đồ nguyªn lÝ: I kt CKT I Rkt I kt I § Rf Hình 1.2 Động chiều kích từ song song Rf § CKT Rkt Ukt Hình 1.3 Động chiều kích từ độc lập Trong sơ đồ : Đ: động Rf , Rkt: điện trở phụ phần ứng động cơ, điện trở kích từ Uư , Ukt: điện áp phần ứng, điện trở kích t Khi nguồn điện chiều có công suất không đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập với nhau, lúc động gọi động kích từ độc lập I.3.1 Phơng trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Khi ngun điện chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch kích từ mạch phần ứng mắc vào hai nguồn điện chiều độc lập với ta có động kích từ độc lập Ngun ngọc tân tđh3 k49 lớp cđ Chơng tổng quan hệ truyền động chiều c tớnh biểu thị mối quan hệ tốc độ quay mômen n = f(M) Theo sơ đồ H.1.2 va H.1.3, cú th vit phng trình cân ®iƯn ¸p nh sau: U = E + (R +Rf)I ( 1.1) Trong đo: +U :điện áp phần ứng, V +E :sức điện động phần ứng, V +R :điện trở phần ứng, +Rf :điện trở mạch phần ứng, +I :dòng điện mạch phần ứng, A Mặt khác, sức điện động phần ứng động đợc xác định theo biÓu thøc sau: E = pN  2a (1.2) Trong đó: +p : số đôi cực từ +N: số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng +a: số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng +: từ thông kích từ dới cực tõ, Wb +ω: tèc ®é gãc, rad/s pN K= 2a :hệ số cấu tạo động (1.1) (1.2) => KΦω = U –I.(R+ Rf) ta suy : Phương trình đặc tính điện: ω = f(I) ω = - I (1.3) Mặt khác, mômen điện từ động đợc xác định bởi: Mđt = K. I Nguyễn ngọc tân tđh3 k49 (1.4) lớp cđ Chơng tổng quan hệ truyền động chiều => I M dt = K Phương trình đặc tính cơ: ω = f(M) ω = - Mđt (1.5) D¹ng đồ thị: Điện áp phần ứng đợc bù đủ, từ thông = const, phơng trình đặc tính (điện) tuyến tính Đồ thị đờng thẳng   0   ®m  ® m Mc Mnm M Ic Hình 1.4 Đặc tính cđa ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu kÝch tõ ®éc lËp I nm I Hình 1.5 Đặc tính điện cđa ®éng điện chiều kích từ độc lập T thị ta thấy : Khi Iư = (M = 0) => ω = ω ( ω0: tốc khụng ti lý tng động ) Khi ω0 = => Iư = Inm, Vµ M = KInm, Inm, Mnm gọi dòng điện ngắn mạch mômen ngắn mạch Phơng trình đặc tính (1.5) đợc viết dạng: = Nguyễn ngọc tân tđh3 k49 (1.6) lớp cđ Chơng tổng quan hệ truyền động chiều ( = Mt :thông số đánh giá độ cứng đặc tính ) M H.1.6 Độ sụt tốc độ ứng với giá trị mômen Nhn xột: - Khi mômen phụ tải tăng từ đến M đm tốc độ động giảm dần từ ω0 ωđm - Ứng dụng: động tàu điện, mỏy mi I.3.2 Phơng trình đặc tính động ®iƯn mét chiỊu kÝch tõ nèi tiÕp Động điện chiều kích từ nối tiếp có kích từ mắc ni tip vi mch phn ng Sơ đồ nguyên lí động chiều kích từ nối tiếp đợc vẽ H1.7 Vì dòng kích từ dòng phần ứng nên từ thông động biến đổi theo dòng điện phần ứng Phơng trình đặc tính (1.5) đợc viết dạng: - Phng trỡnh c tớnh c:  U k k '.M - Phương trình đặc tính điện:  U k k '.I u Trong ®ã : k’ : hƯ sè tØ lƯ Ngun ngäc t©n tđh3 k49 lớp cđ Chơng tổng quan hệ truyền động chiều S nguyờn lý: U CKT § Rf Ikt Hình 1.7 Động chiu kớch t ni tip Nguyễn ngọc tân tđh3 k49 lớp cđ Chơng tổng quan hệ trun ®éng mét chiỊu Dạng đồ thị :    ®m  ®m Mc Ic M Hình 1.8 Đặc tính I Hình 1.9 Đặc tính điện * Nhận xét : - Khi Mc = (Ic = ) tốc độ động vô lớn Do vậy, động khơng thể hoạt động tình trạng khơng tải gây hại cho hệ truyền động động - Từ thông phụ thuộc vào dịng phần ứng, tải tăng khơng ảnh hưởng đến sụt áp lưới điện - Ứng dụng: Ở máy nâng vận chuyển, máy cán… Do động chiều kích từ nối tiếp thích hợp làm việc ti v yờu cu mụmen ln II ảnh hởng điện áp phần ứng động điện chiều Từ phơng trình đặc tính (1.5) = - Mđt (1.5) Ta thÊy cã tham sè ¶nh hëng đến đặc tính cơ: từ thông động , điện áp phần ứng U điện trở phần ứng động II.1 ảnh hởng điện trở phần ứng R Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R f vào mạch phần ứng với cấp điện trở khác Giả thiết: Uư = Uđm = const; Ф = Фđm = const => ω0 = const Độ cứng β = var NguyÔn ngäc tân tđh3 k49 lớp cđ Chơng tổng quan hệ truyền động chiều Rf1 < Rf2 < Rf3 < Rf4 0 Rf1 = 0: Ứng với đường đặc tính tự nhiên Rf1 Rf2 Rf2; Rf3 ; Rf4 : Các cấp điện trở ứng với đường đặc tính nhân tạo Rf3 R4 M®m M Hình 1.10 Đường đặc tính động điện chiều * Nhận xét: Khi Rf lớn, β nhỏ, đặc tính dốc nên tốc độ giảm đồng thời Inm Mnm giảm Do vậy, ta sử dụng phương pháp để hạn chế dòng điện điều chỉnh tốc độ động tốc c bn II.2 ảnh hởng từ thông m < Ф1 < Ф2 Giả thiết : 0 Uư = Uđm = const; Rư = const 2 1  Muèn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động => = var   M®m ® m M Độ cứng β = var Hình 1.11 Đường đặc tính động điện chiều từ thông khác * Nhận xét : Khi giảm từ thơng ω0 tăng dẫn đến β giảm Do đó, đường đặc tính mềm đi.Vậy giảm từ thơng Ф tc ng c tng lờn Nguyễn ngọc tân tđh3 k49 lớp cđ Chơng tổng quan hƯ trun ®éng mét chiỊu Ta nhËn thÊy r»ng thay đổi từ thông: Dòng điện ngắn mạch Inm = var Mômen ngắn mạch Mnm = K.Inm = var II.3 ảnh hởng điện áp phần ứng Um > U1 > U2 > U3 0 1 U®m Giả thiết : Ф = Фđm = const; Rư = const U1 2 U2 3 => ω0 = var U3 M ®m Độ cứng β = const M Hình 1.12 Đường đặc tính động điện chiều điện áp phần ứng khác * Nhận xét : Khi thay đổi điện áp đặt vào phn ng ng c (giảm điện áp phần ứng) ta họ đặc tính song song với đặc tớnh c t nhiờn Khi tăng điện áp phần ứng, động dễ bị cháy Khi gim Uđc < U®c®m Inm, Mnm giảm tốc độ động giảm với phụ tải định (M®c =const) Công suất Pđ tỷ lệ với tốc độ không tải đ giảm U Tốc độ không tải giảm: = K , dm  = Ru M = const ( K ) Do vy, việc giảm điện áp phần ứng c s dng giảm áp cho tốc độ Nguyễn ngọc tân tđh3 k49 10 lớp cđ Chơng tổng quan hệ truyền động chiều III Các phơng pháp điều chỉnh động điện chiều III.1 Phơng pháp chỉnh lu III.1.1 Chỉnh lu bán dẫn Trong hệ truyền động CL- Đ, biến đổi điện mạch chỉnh lu ®iỊu khiĨn cã st ®iƯn ®éng E ® phơ thc vào giá trị pha xung điều khiển Chỉnh lu dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng dòng điện kích thích động Tuỳ theo yêu cầu cụ thể mà dùng sơ đồ chỉnh lu thích hợp Ta có sơ đồ chỉnh lu nh sau: + Sè pha: pha, pha … + Sơ đồ nối: hình tia, hình cầu, đối xứng không đối xứng + Số nhịp: số xung áp đập mạch thời gian chu kì điện áp nguồn + Khoảng điều chỉnh: vị trí đặc tính mặt phẳng toạ độ U d , I d + Chế độ lợng: chỉnh lu, nghịch lu phụ thuộc + Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn Chế độ làm việc chỉnh lu phụ thuộc vào phơng thức điều khiển vào tính chất tải, truyền động điện tải thờng cuộn kích từ (L - R) mạch phần ứng động (L -R- E) Để tìm hiểu hoạt động hệ CL-Đ ta phân tích sơ ®å chØnh lu h×nh tia pha ë chÕ ®é dòng liên tục: Khi dòng điện chỉnh lu id liên tục dựng đợc đồ thị trình dòng điện điện áp Suất điện động chỉnh lu đoạn hình sin nối tiếp nhau, giá trị trung bình suất điện động chỉnh lu ®ỵc tÝnh nh sau:  2 p U  2m Ed = p 2 sin  d = Ed0.cos Nguyễn ngọc tân tđh3 k49 11 lớp cđ Chơng tổng quan hệ truyền động chiều    = e,  =0 – ( p ), Ed0 = p  sin U m p Trong : e:tần số góc điện áp xoay chiều : góc mở van tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên 0: góc điều khiển tính từ thời điểm SĐĐ xoay chiều bắt đầu dơng p: số xung áp đập mạch chu kì điện áp xoay chiều a b c U2a U2b U2c ~ ~ ~ E + Ed § L - R L H.1.13 Sơ đồ nối dây sơ đồ thay chỉnh lu tia pha Phơng trình vi phân mô tả mạch thay (H.1.21) U2m did sin(+0) =E +R.id +L dt , Víi s¬ kiƯn  = 0 th× id = I0 cã nghiƯm sau: id = [RI0+ E –U2m.cos.sin(0- )].e-(-0)cotg [ E –U2m.cos.sin(-)] Trong ®ã:  = arctg Ngun ngäc t©n t®h3 k49  e L R 12 lớp cđ Chơng tổng quan hệ truyền động chiều U U2a t t U 2b t U2c t t U 2a t t t t p i t H1.14.Đặc tính điều chỉnh đồ thị thời gian Nếu góc dẫn van tính đợc thành phần chiều dòng điện chỉnh lu, thành phần sinh mômen quay động cơ: I=  p p       i d d = U m sin sin      E    2 2R  2   Cßn giá trị trung bình dòng điện chỉnh lu đợc tính biểu thức đơn giản Id = E d cos   E R  0 L III.1.2.ChØnh lu tiristo * XÐt chÕ ®é dòng liên tục Dòng điện chỉnh lu Id dòng điện phần ứng động điện Dựa vào sơ đồ thay viết đợc phơng trình đặc tính: = E d cos  Rt X k  I K dm K dm = E d cos  Rt X k  M K dm K Đặc tính có ®é cøng  =  K dm  R X k , tốc độ không tải phụ thuộc vào góc điều khiển Nguyễn ngọc tân tđh3 k49 13 lớp cđ Chơng tổng quan hệ trun ®éng mét chiỊu 0 = E d cos  (*) K dm Thay ®ỉi gãc ®iỊu khiĨn  tõ - , st ®iƯn ®éng chØnh lu biến thiên từ Ed0 -Ed0và ta đợc họ đặc tính song song nằm nửa bên phải mặt phẳng toạ độ, van không cho dòng điện phần ứng đổi chiều Khi tăng gãc ®iỊu khiĨn tõ ®Õn  bé biÕn ®ỉi làm việc chế độ chỉnh lu, động làm việc chế độ chỉnh lu, động làm việc chế độ động E dơng chế độ hÃm ngợc E đổi chiều Khi tăng góc điều khiển từ đến max Ed E đổi dấu Nếu sđđ động lớn giá trị trung bình sđđ biến đổi dòng điện phần ứng chảy theo chiều cũ, động làm việc chế độ hÃm tái sinh, dới tác dụng sđđ động mà van tiristo dẫn dòng thời gian nủa chu kì âm điện áp lới Góc pha dòng điện xoay chiều lớn , biến đổi làm việc chế độ nghịch lu phụ thuộc, biến tải thành điện xoay chiều, tần số lới trả lới điện Dòng điện trung bình mạch phần ứng phơng trình đặc tính tốc độ lµ: I= E Ed R  Xk , = E d cos  R  X k  I K dm K dm Điều kiện làm việc an toàn nghịch lu phụ thuộc là: max = - Thay giá trị vào phơng trình đặc tính tốc độ để ý rằng: Ed X k I mk Nguyễn ngọc tân tđh3 k49 14 lớp cđ Chơng tổng quan hệ truyền động chiều Ta tìm đợc giá trị tốc độ tối đa cho phép hệ CL-Đ làm việc chế ®é nghÞch lu phơ thc:  = E d cos  X k  R  I K dm K dm Khi mômen tải tăng dòng qua van lớn, làm góc chuyển mạch tăng theo, nên để an toàn cần phải tăng góc thông sớm , điều làm giảm sđđ biến đổi làm giảm tốc độ cực đại cho phép Biên liên tục giớ i hạn max H.1.15 Đặc tính hệ chỉnh lu CL-Đ III.2 Phơng pháp xung áp III.2.1 Xung áp mạch đơn Nguyên lí điều chỉnh xung áp (XA - Đ), loại A (bộ băm xung loại A).Trong điện áp dòng điện động uđ , iđ có giá trị dơng Khi khoá S thông, ta có uđ =un; i = in Khi khoá S ngắt, in = 0; uđ = i = id0 Do tác dụng trì dòng điện cảm L Các giá trị trung bình điện áp dòng điện phần ứng Uđ , I va sđđ E động đóng ngắt Nguyễn ngọc tân tđh3 k49 15 lớp cđ Chơng tổng quan hệ truyền động chiều liên tục khóa S, đợc xác định biết luật đóng, ngắt khoá thông số mạch Nếu đóng ngắt khoá S với số không đổi hoạt động mạch tơng tự nh chỉnh lu pha nửa chu kì.quá trình dòng điện điện áp chế độ dòng liên tục : -UĐ + UL + UR + E = U  E di R  i D dt L L Tại thời điểm t = 0+, khoá S bắt đầu thông U Đ = UN , i = Imin, nÕu coi s®® E không đổi chu kì đóng ngắt khoá S nghiệm (*) là: i= UN E  1  e R  t Tu     I e  t Tu < t