ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐO LƯỜNG GV ThS Nguyễn Bê ThS Khương Công Minh KS Lê Tiến Dũng Bộ môn Tự động Đo lường Khoa Điện 9 2005 Bộ môn TĐ ĐL, Khoa Điện 1 Ch−¬.
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG - ĐO LƯỜNG GV: ThS Nguyễn Bê ThS Khương Công Minh KS Lê Tiến Dũng Bộ môn Tự động - Đo lường Khoa Điện - 2005 Chơng Những khái niệm hƯ thèng trun ®éng ®iƯn (2 tiÕt) 1.1 CÊu tróc phân loại hệ thống truyền động điện 1.1.1 Cấu tróc chung cđa hƯ trun ®éng ®iƯn Trun ®éng cho máy, dây chuyền sản xuất mà dùng lợng điện gọi truyền động điện (TĐĐ) Hệ truyền động điện tập hợp thiết bị nh: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị ®iƯn tư, c¬, thđy lùc phơc vơ cho viƯc biÕn đổi điện thành cung cấp cho cấu chấp hành máy sản xuất, đồng thời điều khiển dòng lợng theo yêu cầu công nghệ máy sản xuất Về cấu trúc, hệ thống TĐĐ nói chung bao gồm khâu: Lứơi điện BBĐ Đ TL CCSX ĐK Uph Uđk Hình 1.1 -Cấu trúc hệ thống truyền động điện BBĐ: Bộ biến đổi, dùng để biến đổi loại dòng điện (xoay chiều thành chiều ngợc lại), biến đổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng ngợc lại), biến đổi mức điện áp (hoặc dòng điện), biến đổi số pha, biến đổi tần số Các BBĐ thờng dùng máy phát điện, hệ máy phát - động (hệ F-Đ), chỉnh lu không điều khiển có điều khiển, biến tần Đ: Động điện, dùng để biến đổi điện thành hay thành điện (khi hÃm điện) Các động điện thờng dùng là: động xoay chiều KĐB ba pha rôto dây quấn hay lồng sóc; động điện chiều kích từ song song, nối tiếp hay kích từ nam châm vĩnh cữu; động xoay chiều đồng TL: Khâu truyền lực, dùng để truyền lực từ động điện đến cấu sản xuất dùng để biến đổi dạng chuyển động (quay thành tịnh tiến hay lắc) làm phù hợp tốc độ, mômen, lực Để truyền lực, dùng bánh răng, răng, trục vít, xích, đai truyền, ly hợp ®iƯn tõ Bộ mơn TĐ - ĐL, Khoa Điện CCSX: Cơ cấu sản xuất hay cấu làm việc, thực thao tác sản xuất công nghệ (gia công chi tiết, nâng - hạ tải trọng, dịch chuyển ) ĐK: Khối điều khiển, thiết bị dùng để điều khiển biến đổi BBĐ, động điện Đ, cấu truyền lực Khối điều khiển bao gồm cấu đo lờng, điều chỉnh tham số công nghệ, khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt có tiếp điểm (các rơle, công tắc tơ) hay tiếp điểm (điện tử, bán dẫn) Một số hệ TĐĐ TĐ khác có mạch ghép nối với thiết bị tự ®éng kh¸c nh− m¸y tÝnh ®iỊu khiĨn, c¸c bé vi xử lý, PLC Các thiết bị đo lờng, cảm biến (sensor) dùng để lấy tín hiệu phản hồi loại đồng hồ đo, cảm biến từ, cơ, quang Một hệ thống TĐĐ không thiết phải có đầy đủ khâu nêu Tuy nhiên, hệ thống TĐĐ bao gåm hai phÇn chÝnh: - PhÇn lùc: Bao gåm bé biến đổi động điện - Phần điều khiển Một hệ thống truyền động điện đợc gọi hệ hở phản hồi, đợc gọi hệ kín có phản hồi, nghĩa giá trị đại lợng đầu đợc đa trở lại đầu vào dới dạng tín hiệu để điều chỉnh lại việc điều khiển cho đại lợng đầu đạt giá trị mong muốn 1.1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện Ngời ta phân loại hệ truyền động điện theo nhiều cách khác tùy theo đặc điểm động điện sử dụng hệ, theo mức độ tự động hoá, theo đặc điểm chủng loại thiết bị biến đổi Từ cách phân loại hình thành tên gọi hệ a) Theo đặc điểm động điện: - Truyền ®éng điện mét chiỊu: Dïng ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu Truyền động điện chiều sử dụng cho máy có yêu cầu cao điều chỉnh tốc độ mômen, có chất lợng điều chỉnh tốt Tuy nhiên, động điện chiều có cấu tạo phức tạp giá thành cao, đòi hỏi phải có nguồn chiều, trờng hợp yêu cầu cao điều chỉnh, ngời ta thờng chọn động KĐB để thay - Truyền động điện không đồng bộ: Dùng động điện xoay chiều không đồng Động KĐB ba pha có u điểm có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trùc tiÕp tõ l−íi ®iƯn xoay chiỊu ba pha Tuy nhiên, trớc hệ truyền động động KĐB lại chiếm tỷ lệ nhỏ việc điều chỉnh tốc độ động KĐB có khó khăn động điện chiều Trong năm gần đây, phát triển mạnh mẽ công nghiệp chế tạo thiết bị bán dẫn công suất kỹ thuật điện tử tin học, truyền động không đồng phát triển mạnh mẽ đợc khai thác u điểm mình, đặc biệt hệ có điều khiển tần số Những hệ đà đạt đợc chất lợng ®iỊu chØnh cao, t−¬ng ®−¬ng víi hƯ trun ®éng mét chiều - Truyền động điện đồng bộ: Dùng động điện xoay chiều đồng ba pha Động điện đồng ba pha trớc thờng dùng cho loại truyền động không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn hàng trăm KW đến hàng MW (các máy nén khí, quạt gió, bơm nớc, máy nghiền.v.v ) B mụn T - L, Khoa in Ngày phát triển mạnh mẽ công nghiệp điện tử, động đồng đợc nghiên cứu ứng dụng nhiều công nghiệp, loại giải công suất từ vài trăm W (cho cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, cấu chuyển động tay máy, ngời máy) đến hàng MW (cho truyền động máy cán, kéo tàu tốc độ cao ) b) Theo tính điều chỉnh: - Truyền động không điều chỉnh: Động quay máy sản xuất với tốc độ định - Truyền có điều chỉnh: Trong loại này, tuỳ thuộc yêu cầu công nghệ mà ta có truyền động ®iỊu chØnh tèc ®é, trun ®éng ®iỊu chØnh m«men, lùc kéo truyền động điều chỉnh vị trí c) Theo thiết bị biến đổi: - Hệ máy phát - động (F-Đ): Động điện chiều đợc cấp điện từ máy phát điện chiều (bộ biến đổi máy điện) Thuộc hệ có hệ máy điện khuếch đại - động (MĐKĐ - Đ), hệ có BBĐ máy điện khuếch đại từ trờng ngang - Hệ chỉnh lu - động (CL - Đ): Động chiều đợc cấp điện từ chỉnh lu (BCL) Chỉnh lu không điều khiển (Điôt) hay có điều khiển (Thyristor) d) Một số cách phân loại khác: Ngoài cách phân loại trên, có số cách phân loại khác nh truyền động đảo chiều không đảo chiều, truyền động đơn (nếu dùng động cơ) truyền động nhiều động (nếu dùng nhiều động để phối hợp truyền động cho cấu công tác), truyền động quay truyền động thẳng, 1.2 Đặc tính truyền động điện 1.2.1 Đặc tính cấu sản xuất Đặc tính biểu thị mối quan hệ tốc độ quay mômen quay: = f(M) n = F(M) Trong đó: - Tốc độ gãc (rad/s) n - Tèc ®é quay (vg/ph) M - Mômen (N.m) Đặc tính máy sản xuất quan hệ tốc độ quay mômen cản máy sản xuất: Mc = f() Đặc tính máy sản xuất đa dạng, nhiên phần lớn chúng đợc biếu diễn dới dạng biểu thức tổng quát: ω Mc = Mco + (M®m - Mco) ω dm q (1.1) Trong ®ã: Mc mômen cản cấu SX ứng với tốc độ Mco mômen cản cấu SX ứng với tốc độ = Mđm mômen cản cấu SX ứng với tốc độ ®Þnh møc ω®m Bộ mơn TĐ - ĐL, Khoa Điện ω q = -1 q=1 q=0 1: Đặc tính ứng với q = -1 q=2 đm 2: Đặc tính ứng với q = 3: Đặc tính ứng với q = 4: Đặc tính ứng với q = M Mco M cđm Hình 1.2 - Đặc tính cấu sản xuất ứng với trờng hợp máy sản xuất khác Ta có trờng hợp số mũ q ứng với trờng hợp tải: q Mc P (c«ng suÊt) -1 ~ ω Const Const ~ ~ ~2 ~2 ~3 Loại tải ứng với trờng hợp đặc tính cấu máy quấn dây, giấy, cấu truyền động máy cắt gọt kim loại nh máy tiện Các cấu nâng-hạ, băng tải, máy nâng vận chuyển, truyền động ăn dao máy gia công kim loại Máy phát điện chiều với tải trở Đặc tính máy thủy khí: bơm, quạt, chân vịt tàu thủy 1.2.2 Đặc tính động điện Đặc tính động điện quan hệ tốc độ quay mômen động cơ: =f(M) Đặc tính động điện chia đặc tính tự nhiên đặc tính nhân tạo Dạng đặc tính loại động khác khác đợc phân tích chơng Đặc tính tự nhiên: Đó quan hệ = f(M) động điện thông số nh điện áp, dòng điện động định mức theo thông số đà đợc thiết kế chế tạo mạch điện động không nối thêm điện trở, điện kháng Đặc tính nhân tạo: Đó quan hệ = f(M) động điện thông số điện không định mức mạch điện có nối thêm điện trở, điện kháng có thay đổi mạch nối Ngoài đặc tính cơ, động điện chiều ngời ta sử dụng đặc tính điện Đặc tính điện biểu diễn quan hệ tốc độ dòng điện mạch động cơ: = f(I) hay n = f(I) Bộ môn TĐ - ĐL, Khoa Điện Trong hƯ T§§ bao giê cịng có trình biến đổi lợng điện - Chính trình biến đổi định trạng thái làm việc động điện Ngời ta định nghĩa nh sau: Dòng công suất điện Pđiện có giá trị dơng nh có chiều truyền từ nguồn đến động từ động biến đổi công suất điện thành công suất Pcơ = M. cấp cho máy SX (sau đà có tổn thất P) Công suất Pcơ có giá trị dơng mômen động sinh chiều với tốc độ quay, có giá trị âm truyền từ máy sản xuất động mômen động sinh ngợc chiều tố độ quay Công suất điện Pđiện có giá trị âm có chiều từ động nguồn Tuỳ thuộc vào biến đổi lợng hệ mà ta có trạng thái làm việc động gồm: Trạng thái động trạng thái hÃm Trạng thái hÃm trạng thái động đợc phân bố đặc tính (M) góc phần t nh sau: - góc phần t I, III: Trạng thái động - góc phần t II, IV: Trạng thái hÃm II Trạng thái hÃm I Trạng thái động Mđ Mc Mc Pc = Mđ. < ω M® Pc = M®.ω > M Pc = Mđ. > Mđ Mc III Trạng thái động Pc = Mđ. < Mc Mđ IV Trạng thái hÃm Hình 1.3 - Các trạng thái làm việc động điện 1.2.3 Độ cứng đặc tính Để đánh giá so sánh đặc tính cơ, ngời ta đa khái niệm độ cứng đặc tính đợc tính: B môn TĐ - ĐL, Khoa Điện β= ∆M ∆ω ω β1 ∆ω2 ∆ω1 β2 ∆M M H×nh 1.4 - Độ cứng đặc tính Nếu || bé đặc tính mềm (|| < 10) Nếu || lớn đặc tính cứng (|| = 10 ữ 100) Khi || = đặc tính nằm ngang tuyệt đối cứng Đặc tính có độ cứng lớn tốc độ bị thay đổi mômen thay đổi hình vẽ, đờng đặc tính cứng đờng đặc tính nên với biến động M đặc tính có độ thay đổi tốc độ nhỏ độ thay đổi tốc độ cho đặc tính 1.2.4 Sự phù hợp đặc tính động điện đặc tính cấu sản xuất Trong hệ thống TĐĐ, động điện có nhiệm vụ cung cấp động lực cho cấu sản xuất Các cấu sản xuất loại máy có yêu cầu công nghệ đặc điểm riêng Máy sản xuất lại cã rÊt nhiỊu lo¹i, nhiỊu kiĨu víi kÕt cÊu rÊt khác biệt Động điện vậy, có nhiều loại, nhiều kiểu với tính năng, đặc điểm riêng Với động điện chiều xoay chiều chế độ làm việc tối u thờng chế độ định mức động Để hệ thống TĐĐ làm việc tốt, có hiệu động điện cấu sản xuất phải đảm bảo có phù hợp tơng ứng Việc lựa chọn hệ TĐĐ chọn động điện đáp ứng yêu cầu cấu sản xuất có ý nghĩa lớn không mặt kỹ thuật mà mặt kinh tế Do vậy, thiết kế hệ thống TĐĐ, ngời ta thờng chọn hệ truyền động nh phơng pháp điều chỉnh tốc độ cho đờng đặc tính động gần với đờng đặc tính cấu sản xuất tốt Nếu đảm bảo đợc điều kiện này, động đáp ứng tốt đòi hỏi cấu sản xuất mômen cản thay đổi tổn thất trình điều chỉnh nhỏ B mụn T - L, Khoa in Chơng đặc tính trạng thái làm việc động điện (6 tiết) 2.1 Động điện chiều kích từ độc lập kích từ song song Nh đà biết vật lý, đặt vào từ trờng dây dẫn cho dòng điện chạy qua dây dẫn từ trờng tác dụng từ lực vào dòng điện (chính vào dây dẫn) làm dây dẫn chuyển động Chiều từ lực xác định theo quy tắc bàn tay trái Động điện nói chung động điện chiều nói riêng hoạt động theo nguyên tắc Trên sơ đồ điện, động điện chiều đợc kí hiệu nh hình 2.1 hình 2.2 2.1.1 Phơng trình đặc tính Động điện chiều kích từ độc lập: Cuộn kích từ đợc cấp điện từ nguồn chiều độc lập với nguồn điện cấp cho rôto U1 + + Ikt Iu KT§ Rkt § Ikt KT§ Rkt Rp E Iu Đ Rp E U2 Hình 2.1- Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích từ độc lập Hình 2.2 - Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích từ song song Nếu cuộn kích từ cuộn dây phần ứng đợc cấp điện nguồn điện động loại kích từ song song Trờng hợp nguồn điện có công suất lớn so với công suất động tính chất động tơng tự nh động kích từ độc lập Khi động làm việc, rôto mang cuộn dây phần ứng quay từ trờng cuộn cảm nên cuộn ứng xuất sức điện động cảm ứng có chiều ngợc với điện áp đặt vào phần ứng động Theo sơ đồ nguyên lý hình 2.1 hình 2.2, viết phơng trình cân điện áp mạch phần ứng (rôto) nh sau: U = E + (R + Rp).I (2.1) Trong đó: - U điện áp phần ứng động cơ, (V) - E sức điện động phần ứng động (V) - R điện trở cuộn dây phần ứng - Rp điện trở phụ mạch phần ứng - I dòng điện phần ứng động R = r + rct + rcb + rcp Bộ môn TĐ-ĐL, Khoa Điện (2.2) r− - Điện trở cuộn dây phần ứng rct - Điện trở tiếp xúc chổi than phiến góp rcb - §iƯn trë cn bï rcp - §iƯn trë cn phụ Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc ®é quay cđa r«to: E− = K= p N ⋅ φ ⋅ ω = Kφ ⋅ ω 2πa (2.3) p N hệ số kết cấu động 2a - Từ thông qua cực từ p - Số đôi cực từ N - Số dẫn tác dụng cuộn ứng a - Số mạch nhánh song song cđa cn øng Hc ta cã thĨ viÕt: E− = Keφ.n (2.4) πn n = 60 9, 55 Vµ: ω= VËy: Ke = K/ 9,55 = 0,105K Nhờ lực từ trờng tác dụng vào dây dẫn phần ứng có dòng điện, rôto quay dới tác dụng cđa m«men quay: (2.5) M = K.φ.I− Tõ hƯ phơng trình (2.1) (2.3) ta rút đợc phơng trình đặc tính điện biểu thị mối quan hệ = f(I) động điện chiỊu kÝch tõ ®éc lËp nh− sau: ω= U − R− + R p − I− Kφ Kφ (2.6) Tõ phơng trình (2.5) rút I thay vào phơng trình (2.6) ta đợc phơng trình đặc tính biểu thị mối quan hệ = f(M) động điện mét chiỊu kÝch tõ ®éc lËp nh− sau: ω= U − R− + R p − M Kφ ( Kφ ) (2.7) Có thể biểu diễn đặc tính dới dạng khác: = - B mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện (2.8) Trong ®ã: ω = U gọi tốc độ không tải lý tởng K ∆ω = R− + R p ( Kφ ) M gọi độ sụt tốc độ Phơng trình đặc tính (2.7) có dạng hàm bậc y = B + Ax, nên đờng biểu diễn hệ tọa độ M0 đờng thẳng với độ dốc âm Đờng đặc tính cắt trục tung điểm cã tung ®é: ω = U− Tèc ®é đợc gọi tốc độ không tải lý tởng lực cản Đó K tốc độ lớn động mà đạt đợc chế độ động không xảy trờng hợp MC = = U K. M Hình 2.3 - Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Khi phụ tải tăng dần từ MC = đến MC = Mđm tốc độ động giảm dần từ đến đm Điểm A(Mđm,đm) gọi điểm định mức Rõ ràng đờng đặc tính vẽ đợc từ điểm A Điểm cắt đặc tính với trục hoành 0M có tung độ = có hoành độ suy từ phơng trình (2.7): M = Mnm = Kđm U dm R = Kφ®m.Inm (2.9) ω ωo ω®m A M M đm M nm Hình 2.4 - Đặc tính tự nhiên động điện chiều kích từ độc lËp Bộ môn TĐ-ĐL, Khoa Điện ... động động KĐB lại chiếm tû lƯ rÊt nhá viƯc ®iỊu chØnh tèc ®é động KĐB có khó khăn động điện chiều Trong năm gần đây, phát triển mạnh mẽ công nghiệp chế tạo thiết bị bán dẫn công suất kỹ thuật điện... - Truyền động không điều chỉnh: Động quay máy sản xuất với tốc độ định - Truyền có điều chỉnh: Trong loại này, tuỳ thuộc yêu cầu công nghệ mà ta có truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động... 1.2.1 Đặc tính cấu sản xuất Đặc tính biểu thị mối quan hệ tốc độ quay mômen quay: = f(M) n = F(M) Trong ®ã: ω - Tèc ®é gãc (rad/s) n - Tốc độ quay (vg/ph) M - Mômen (N.m) Đặc tính máy sản xuất quan