GIÁO TRÌNH TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Nguyễn Trung Thành Truyền động điện TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ …… GIÁO TRÌNH TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Giảng viên: Nguyễn Trung Thành Lớp: Số đvht: Học hiện: Nguyễn Trung Thành Truyền động điện CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM, CƠ SỞ ĐỘNG HỌC VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CÁC ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1.1 Cấu trúc, phân loại hệ thống truyền động điện 1.1.1 Khái niệm Để tạo chuyển động cho máy sản xuất (MSX) hay cấu sản xuất (CCSX), người ta cần đến lượng sơ cấp Năng lượng từ sức người (đạp máy tuốt lúa ), sức vật (trâu, bị kéo máy ép mía ), sức gió, nhiệt hay thủy Việc truyền động lực (chuyển động) cho MSX, CCSX hay dây chuyền sản xuất mà dùng lượng sơ cấp điện gọi truyền động điện ( khác với truyền động thủy lực, khí nén, khí ) Việc thực trình biến đổi lượng điện – điều khiển diễn biến q trình theo u cầu dựa vào đặc điểm cộng nghệ MSX (CCSX) hay HTSX cần đến hệ thống truyền động gọi hệ thống truyền động điện Hệ thống truyền động điện bao gồm tập hợp thiết bị như: Thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị bán dẫn phục vụ cho việc biến đổi lượng điện – điều khiển q trình nhờ gia cơng truyền tín hiệu thơng tin 1.1.2 Cấu trúc chung hệ thống truyền động điện - Ta gặp hệ thống truyền động đơn giản thực tế, ví dụ: Người lái xe đạp, xe máy, máy cày, máy sát gạo Như vậy, hệ thống truyền động điện nói chung bao gồm khâu: Hình 1-1: Cấu trúc chung hệ TĐĐ TĐ; BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động điện; MSX: Máy sản xuất; R RT: Bộ điều chỉnh truyền động công nghệ; K KT: Bộ đóng cắt phục vụ truyền động công nghệ; GN: Mạch ghép nối; VH: Người vận hành Nguyễn Trung Thành Truyền động điện * Bộ biến đổi: - Chức năng: Bộ biến đổi ( BBĐ) có chức biến đổi tính chất thông số nguồn điện cho phù hợp với động điện Ví dụ: Biến đổi nguồn xoay chiều - chiều , biến đổi nguồn dòng – nguồn áp, biến đổi trị số điện áp, dòng điện, số pha, tần số - Các BBĐ thường dùng là: BBĐ máy điện (máy phát điện chiều, xoay chiều), BBĐ điện từ ( khuếch đại từ, cuộn kháng bão hòa ), BBĐ bán dẫn ( Các chỉnh lưu, nghịch lưu, xung áp, BBĐ điện áp xoay chiều – xoay chiều, biến tần ) * Động điện: - Chức năng: Động điện dùng để biến đổi điện thành (trạng thái động cơ) thành điện (trạng thái hãm điện) - Các động điện thường dùng để truyền động là: Động KĐB ba pha rơtor lồng sóc, dây quấn; Động điện chiều (Động MCKTĐL, MCKTNT, MCKTSS, MCKTHH, MCKTNCVC) * Khâu truyền lực: - Chức năng: Truyền lực ( truyền chuyển động) từ trục động điện đến cấu sản xuất Trong hành trình thực biến đổi tính chất chuyển động (từ quay sang tịnh tiến hay lắc), thông số chuyển động (tốc độ, mômen, lực ) cho phù hợp với yêu cầu công nghệ máy sản xuất - Các phần tử thường dùng làm khâu truyền lực: Bánh răng, răng, trục vít, xích, đai truyền, tang trống, cấu biên – tay quay, li hợp điện từ * Cơ cấu sản xuất: - Chức năng: Là thiết bị khí, thực thao tác sản xuất (MSX) công nghệ (CCSX) Chẳng hạn: Gia công chi tiết, nâng hạ, dịch chuyển hàng * Khối điều khiển: - Chức năng: Là thiết bị dùng để điều khiển BBĐ, động điện, cấu truyền lực Cụ thể, thực nhiệm vụ sau: Khởi động, hãm dừng, đảo chiều, điều chỉnh tốc độ, ổn định tốc độ, bảo vệ động - Cấu tạo: Khối điều khiển thực chất cấu đo lường, cảm biến dùng để lấy tín hiệu phản hồi ( đồng hồ đo, máy phát tốc, cảm biến từ, cơ, quang ), điều chỉnh tham số công nghệ ( PID, phản hồi trạng thái ), thiết bị điều khiển, đóng, cắt phục vụ cơng nghệ người vận hành: Rơle, công tắc tơ, phần tử bán dẫn, khuếch đại, điều chỉnh, máy tính, VXL, điều khiển theo chương trình: PLC, CPU, CNC, có mạch ghép nối với thiết bị tự động khác Chú ý: 1- Một hệ thống TĐĐ không đầy đủ khâu trên, gồm hai phần chính: + Phần lực: BBĐ + ĐC điện Nguyễn Trung Thành Truyền động điện + Phần điều khiển 2- Hệ thống TĐĐ hệ hở khơng có tín hiệu phản hồi hệ kín có tín hiệu phản hồi Tín hiệu phản hồi tín hiệu trích phần để đưa trở lại đầu vào dạng đại lượng (thường dịng điện điện áp) để điều chỉnh khống chế trình điều khiển cho đại lượng đầu ổn định giá trị mong muốn biến thiên theo quy luật xác định Ví dụ: Ổn định hay điều chỉnh thơng số: Tốc độ, mơmen, dịng 1.1.3 Phân loại hệ thống truyền động điện Có nhiều tiêu chí khác để phân loại hệ thống truyền động điện Chẳng hạn: - Phân loại theo số động sử dụng hệ thống: + Truyền động nhóm: Hệ TĐĐ dùng động điện kéo nhóm gồm nhiều máy (CCSX), truyền động cách dùng động kéo trục chính, sau truyền động dây đai kéo MSX Loại dùng hệ thống thường cồng kềnh (về mặt khí), khơng an tồn, khó tự động hóa, động thường làm việc non tải, kết cấu khí phức tạp + Truyền động đơn: Hệ truyền động điện dùng động điện để kéo MSX Hệ có nhiều ưu điểm hệ kết cấu khí cịn phức tạp, tự động hóa mức cao cịn khó khăn, dùng + Truyền động nhiều động cơ: Mỗi chuyển động riêng biệt máy động đảm nhiệm, kết cấu khí đơn giản, giảm kích thước, trọng lượng hệ thống, hiệu suất cao, dễ tự động hóa phần mức cao, phức tạp mạch điều khiển Hiện nay, phương thức truyền động sử dụng rộng rãi - Phân loại theo đặc điểm chuyển động: + Chuyển động thẳng + Chuyển động quay - Phân loại theo chế độ làm việc (theo tính chất liên tục dịng điện chảy qua mạch phần ứng) + Chế độ làm việc liên tục + Chế độ làm việc gián đoạn + Chế độ làm việc liên tục - Theo chiều quay: + Truyền động có đảo chiều quay + Truyền động khơng đảo chiều quay - Theo loại dòng điện: + Truyền động điện xoay chiều + Truyền động điện chiều - Theo đặc điểm thay đổi thông số điện: Nguyễn Trung Thành Truyền động điện + Truyền động không điều chỉnh: Động nối trực tiếp với lưới, kéo MSX với tốc độ định, thông số điện hệ thay đổi nhiễu bên Chẳng hạn: Bơm, nén khí, quạt gió, máy sx đơn giản… + Truyền động có điều chỉnh: Các thơng số điện hệ thay đổi nhờ thiết bị điều khiển Tùy theo yêu cầu công nghệ MSX mà có: +) Truyền động điện điều chỉnh tốc độ +) Truyền động điện điều chỉnh vị trí, mơ men (lực) Ngồi ra, phân loại hệ thống truyền động điện theo cấu trúc tín hiệu điều khiển: Hệ TĐĐ điều khiển số, ĐK tương tự, ĐK theo chương trình, theo thiết bị biến đổi: Hệ F - Đ, Hệ CL - Đ, , Hệ BT - Đ 1.2 Cơ sở động học hệ thống truyền động điện 1.2.1 Đặc tính động điện * Khái niệm: Đặc tính động điện mối quan hệ tốc độ quay mô men đầu trục động cơ: n = f(M), M = f(n) hay  = f(M), M = f() * Phân loại: Theo tiêu chí thay đổi hay khơng thơng số định mức động cơ, có hai loại đặc tính cơ: - Đặc tính tự nhiên: Là đặc tính xây dựng thơng số động định mức ( Uđm, fđm, đm, Pđm, ) không nối thêm điện trở, điện kháng phụ vào động - Đặc tính nhân tạo: Là đặc tính xây dựng thông số nguồn khác định mức ( U, f,  ) nối thêm điện trở, điện kháng phụ vào động thay đổi mạch nối * Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu đặc tính động giúp ta biết phụ tải thay đổi, tốc độ quay động thay đổi nào? Ở đoạn đặc tính, động có khả làm việc ổn định ngược lại * Thông số đặc trưng: Thông số tiêu đặc trưng quan trọng để đánh giá so sánh đặc tính với nhau, là: Độ cứng ,   M M hoặc:    n - Nếu phân loại dựa theo độ cứng , chia ra: + Đặc tính mềm:   10 : Tốc độ bị thay đổi nhiều với biến thiên nhỏ mơmen + Đặc tính cứng:  10 100 : Tốc độ bị thay đổi với biến thiên lớn mômen + Đặc tính tuyệt đối cứng:   : Đặc tính nằm song song với trục M - Nhận xét: + Khi  cot g  : Chiều biến thiên mômen tốc độ ngược nhau, tốc độ giảm mômen tăng ngược lại Nguyễn Trung Thành Truyền động điện + Khi  cot g  : Mômen tốc độ biến thiên chiều, tốc độ tăng mômen tăng ngược lại Sau đặc tính số loại động thơng dụng: Hình 1-2: Đặc tính số loại động điện 1.2.2 Đặc tính máy sản xuất (MSX) * Khái niệm: Đặc tính MSX mối quan hệ tốc độ quay MSX (c, nc) mơmen (Mc): nc = f(Mc) Mc = f(nc) hay c = f(Mc)  Mc = f(c) * Mục tiêu nghiên cứu: Trong thực tế, động điện MSX có nhiều loại khác Liệu rằng, có phải động điện truyền động cho MSX ngược lại hay không? Không phải vậy, để hệ thống TĐĐ làm việc tốt, nhịp nhàng, có hiệu cần phải đảm bảo phù hợp động truyền động MSX (CCSX) Hay nói cách khác, lựa chọn động truyền động cho MSX, cần phải xét xem chúng có phù hợp với hay không? Xét mặt kinh tế - Kỹ thuật, phù hợp đặc tính động điện đặc tính MSX ( CCSX) Do đó, bên cạnh việc nghiên cứu đặc tính động điện, cần quan tâm đến vế lại đặc tính MSX (CCSX) * Phương trình đặc tính cơ: Chủng loại MSX (CCSX) vơ phong phú Phương trình đặc tính MSX (CCSX) tổng kết dạng công thức kinh nghiệm cho số máy thông dụng thực tế: M c  M co  ( M cdm  M co )( c k )  cdm (1-1) Mc: Mômen cản MSX tốc độ c Mco: Mômen cản MSX tốc độ c = Mcđm: Mômen cản MSX tốc độ c =cđm Nguyễn Trung Thành Truyền động điện k: Số mũ đặc trưng phụ tải; k = -1,0,1,2 Khai triển biểu thức theo số mũ k, ta được: - Khi k = 0: Mc = Mcđm = const: Đặc tính cấu nâng hạ, băng tải, thang máy, cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại ( đường số 1) - Khi k = 1: Mc  c: Rất gặp thực tế, chẳng hạn: Tải máy phát chiều tải trở (đường số 2) Hình1- 3: Đặc tính số loại tải - Khi k = -1: Mc  : Tải máy dây, giấy, cấu quay trục máy cắt c gọt kim loại (đường số 3) - Khi k = 2: Mc c2: Tải máy bơm, quạt gió (đường số 4) * Ngồi ra, cịn số cấu máy có đặc tính kiểu khác như: M c = f(); Mc = f(s) (trong truyền động pittông, robot); Mc = f(,s): (trong truyền động xe điện); Mc = f(t): (trong truyền động máy nghiền) * Phân loại mômen cản tĩnh - Mômen cản tĩnh phân làm hai loại: + Mơmen cản có tính năng: Bao gồm loại mômen trọng lực lực biến dạng vật thể đàn hồi gây như: Mômen cản cấu nâng, hạ tải trọng, kéo, nén lo xo Đặc điểm loại mômen là: Khơng đổi chiều tác dụng, chiều với chuyển động hay hỗ trợ chuyển động tăng dự trữ (tích lũy) (Nâng tải, nén lị xo ) ngược chiều với chuyển động hay cản trở chuyển động giảm (giải phóng) (hạ tải, nhả lị xo ) + Mơmen cản có tính phản kháng: Bao gồm mômen gây lực cắt, lực ma sát, lực biến dạng vật thể không đàn hồi (chuyển động ăn dao máy cắt gọt kim loại ) Đặc điểm loại mômen là: Luôn ngược chiều hay cản trở chuyển động Nguyễn Trung Thành Truyền động điện + Kí hiệu: ( Rad/s) ( Rad/s) Mc Mc Mc Mc M( N.m) Hình 1-4: Tải M( N.m) Hình 1-5: Tải phản kháng - Chú ý: Trong thực tế, có loại mơmen cản có hai tính chất trên, chẳng hạn: Băng tải làm việc mặt phẳng nghiêng Khi đó, tốn khơng địi hỏi độ xác cao, người ta lựa chọn tính chất trội tải để định tải thuộc loại 1.2.3 Trạng thái làm việc truyền động điện Trong hoạt động hệ thống truyền động điện, trình biến đổi lượng điện – mang tính chất đặc trưng yếu tố trung tâm Diễn biến trình kèm theo thay đổi trạng thái làm việc truyền động điện Người ta quy ước sau: - Nếu dòng cơng suất điện P đ có giá trị dương: Năng lượng điện chuyển từ nguồn đến động ngược lại - Nếu dịng cơng suất P = M.>0: M  chiều, truyền từ động MSX ngược lại - Mơmen phụ tải ( mơmen CCSX, MSX) kí hiệu là: Mc Phương trình cân cơng suất hệ truyền động là: Pd P  Pco ( 1-2); P: tổn thất công suất Tùy thuộc vào diễn biến trình biến đổi lượng hệ mà ta có trạng thái làm việc khác động cơ, bao gồm: - Trạng thái động cơ: + Trạng thái động không tải: Pđ>0, Pcơ =  P = Pđ: Phần công suất sử dụng để từ hóa lõi thép + Trạng thái động có tải: P đ>0, Pcơ >  P = Pđ - Pcơ >0: Tổn hao công suất dạng nhiệt tiêu tán động - Trạng thái hãm: + Trạng thái hãm không tải: Pđ = 0, Pcơ <  P = Pco + Trạng thái hãm có tải: Nguyễn Trung Thành Truyền động điện +) Hãm tái sinh: Pđ 0, Pcơ <  P = Pco  Pd : Điện chuyển thành tổn thất công suất tiêu tán mạch phần ứng động Động trở thành máy phát mắc nối tiếp với lưới, tiêu thụ lượng hệ thống làm nóng động +) Hãm động năng: Pđ = 0, Pcơ <  P = Pco : Mạch phần ứng động bị ngắt khỏi lưới, toàn mà hệ tích lũy q trình chuyển động biến thành nhiệt tiêu tán mạch vịng phần ứng khép kín tồn điện trở hãm điện trở phần ứng Các trạng thái làm việc hệ thống truyền động điện mơ hình hóa biểu đồ: Hình 1-6 : Mơ hình hóa trạng thái làm việc hệ thống truyền động điện Trên hệ trục M(), trạng thái làm việc hệ thống truyền động điện biểu diễn góc phần tư sau: Nguyễn Trung Thnh Truyn ng in trục khác mômen hay lực có xét đến tổn thất ma sát truyền lực Th-ờng quy đổi, mômen (hay lực ) cản cảnbộ M F c phận làm việc trục động đảm bảo cân công + suất Điều kiện quy phần đổi: hệ TĐĐTĐ: Hình 1-7 : Các trạng thái làm việc hệ thống truyền động điện hệ tọa độ M() Trạng thái động tương ứng với điểm nằm góc phần tư thứ góc phần tư thứ ba mặt phẳng [M,] hình Trạng thái máy phát tương ứng với điểm nằm góc phần tư thứ hai góc phần tư thứ tư mặt phẳng [M,] Ở trạng thái này, mômen động chống lại chiều chuyển động, nên 10 Nguyễn Trung Thành Truyền động điện CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO HỆ THỐNG T Đ Đ 3.1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 3.1.1 Đặt vấn đề: - Tính chọn truyền động điện bao gồm: + Xác định công suất động truyền động + Chọn động loại truyền động + Tính chọn thiết bị mạch lực như: BBĐ, thiết bị đóng cắt, mạch lọc + Tính chọn mạch điều khiển + Tính chọn thiết bị mạch bảo vệ, đo lường, tín hiệu hóa - Để chọn công suất động cơ: + Chọn công suất động hệ thống không cần điều chỉnh tốc độ ứng với loại phụ tải khác nhau, phụ tải dài hạn, ngắn hạn, ngắn hạn lặp lại + Tính chọn cơng suất động truyền động có điều chỉnh tốc dộ + Kiểm nghiệm công suất động cho: khả tải, khả khởi động, kiểm nghiệm phát nóng … Đảm bảo cho hệ thống làm việc có kinh tế, phù hợp thể qua kích thước, trọng lượng động cơ, tiêu thụ lượng phù hợp - Chọn công suất động vấn đề quan trọng + Nếu chọn động không phù hợp, công suất động lớn, làm tăng giá thành, giảm hiệu suất truyền động giảm hệ số công suất cos  + Ngược lại, chọn động có cơng suất q nhỏ so với u cầu động khơng làm việc bị tải dẫn đến phát nóng nhiệt độ cho phép gây cháy giảm tuổi thọ động - Để chọn động phải: + Biết đồ thị phụ tải: PC(t), QC(t), MC(t) quy đổi theo thời gian + Cần biết đặc điểm phụ tải làm việc chế độ nào: ngắn hạn, dài hạn, ngắn hạn lặp lại Có yêu cầu đảo chiều, điều chỉnh tốc độ hay không, chế độ khởi động nào? 3.1.2 Phát nóng làm nguội động điện 3.1.2.1 Nguyên nhân phát nóng làm nguội động cơ: - Trong trình biến đổi điện thành năng, phần lượng bị tiêu tán bên động Nó biểu diễn dạng tổn thất P (tổn thất tồn phần) - Nếu gọi cơng suất điện mà động tiêu thụ từ lưới Pđ, công suất đưa trục động Pc tổn thất cơng suất tồn phần: P=Pđ-Pc (6-1) - Tổn thất công suất bao gồm ba phần: + Mất mát ma sát: ma sát ổ bi, ma sát rơto khơng khí quay … 101 Nguyễn Trung Thành Truyền động điện + Mất mát sắt từ, phụ thuộc vào chất lõi sắt rôto stato + Mất mát cuộn dây rôto stato (PCu) Mất mát tỷ lệ với bình phương dịng điện chạy cuộn dây, nghĩa phụ thuộc vào phụ tải, gọi mát biến đổi, chiếm tỷ lệ lớn tổng tổn thất - Chính tổn thất (P) sinh nhiệt đốt nóng máy điện Nếu máy điện khơng có trao đổi nhiệt với mơi trường nhiệt độ máy điện tăng đến vô làm cháy máy điện Thực tế trình làm việc, máy điện có tỏa nhiệt mơi trường qua mặt ngồi nên nhiệt độ tăng đến mội giá trị ổn định Lúc nhiệt lượng tỏa môi trường đơn vị thời gian nhiệt lượng sinh động 3.1.2.2 Phương trình cân nhiệt: Đối với vật thể đồng (nhiệt độ đồng điểm) ta có: P.dt = A..dt + C.d (6-2) Trong đó: = (tmđ - tmt) nhiệt sai (độ chênh nhiệt độ máy điện mơi trường, tính theo 0C) tmđ nhiệt độ máy điện (0C) tmt nhiệt độ môi trường (0C) A hệ số toả nhiệt máy điện (Jul/ cal.0C W/0C), phụ thuộc vào tốc độ truyền nhiệt khơng khí làm mát máy điện C nhiệt dung máy điện (Jul/ oC), lượng nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ máy điện lên 10C Phân ly biến số giải phương trình (6-2) với điều kiện đầu (t=0, =bđ) ta được:   ôđ  ( bđ   ôđ ).e  t / Khi bđ =0, nghĩa thời điểm t=0, nhiệt độ động nhiệt độ mơi trường ta có:  t d   ơđ (1  e ) (6-3) ôđ=P/A: nhiệt sai ổn định : số thời gian đốt nóng =C/A Phương trình (2) (3) phương trình biểu diễn đường cong phát nóng động Khi làm việc với nhiệt sai đó, cắt động khỏi nguồn điện động nguội dần Lúc nguyên nhân sinh nhiệt động lượng mát ma sát nhỏ Nếu xem nhiệt độ lượng phát Q=0 (ơđ=0) phương trình (6-2) là:   bđ e  t  (6-4) (6-4) phương trình biểu diễn đường cong nguội lạnh động Chú ý: bđ trình nguội lạnh ơđ q trình phát nóng 102 Nguyễn Trung Thành Truyền động điện Đường cong phát nóng nguội lạnh động hình vẽ 6-1a,b a Đường cong phát nóng b Đường cong nguội lạnh  ôđ bđ  bđ bđ ≠ bđ = ôđ ôđ = t ôđ ≠ t a, b, Hình 6-1 a, đường cong phát nóng b, đường cong nguội lạnh 3.1.3 Phân loại chế độ làm việc truyền động điện Để tiến hành chọn công suất động điện, ta phải phân loại chế độ làm việc Động làm việc ba chế độ: a,Chế độ làm việc dài hạn: Động làm việc có phụ tải thời gian dài Trong khoảng thời gian đó, nhiệt sai động đạt tới trị số ổn định Các động máy quạt gió, bơm nước, máy nén khí… động làm việc chế độ dài hạn Giản đồ phụ tải dòng nhiệt sai động hình vẽ 6-2 ,P ,P P = f1(t) P = f1(t) ôđ ôđ  = f2(t)  = f2(t) t t Hình 6-2 Hình 6-3 b, Chế độ làm việc ngắn hạn: Động làm việc có phụ tải thời gian ngắn, nhiệt sai động chưa đạt đến trị số ổn định phụ tải, thời gian nghỉ động dài, nhiệt sại động đủ để giảm xuống nhiệt sai ban đầu Ví dụ: động đóng mở đập nước, động cấu nâng hạ xà ngang, nêm chặt xà…đều làm việc ngắn hạn Giản đồ phụ tải đường cong nhiệt sai hình vẽ 6-3 c, Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại: 103 Nguyễn Trung Thành Truyền động điện Thời gian làm việc có phụ tải thời gian nghỉ xen kẽ Các khoảng thời gian tương đối ngắn Trong thời gian làm việc (tlv), nhiệt sai động chưa đạt tới trị số ổn định phụ tải Trong thời gian nghỉ, nhiệt sai động giảm chưa trị số cũ lại có phụ tải, nhiệt sai lại tăng lên Quá trình mà lặp lại Các động cầu trục ví dụ điển hình chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại, máy hàn Chế độ đặc trưng hệ số thời gian đóng điện tương đối % Giản đồ phụ tải hình 6-4 t t ,P  %  lv 100%  lv 100% tlv  t ng tck P = f (t) Các trị số tiêu chuẩn % là: 15%; 25%; ôđ 40%; 60%  = f2(t) t tlv tck tng Hình 6-4 3.1.4.Phương pháp chung chọn công suất động Các tiêu chọn động điện: Chọn động điện phải đảm bảo hai mặt: kỹ thuật kinh tế a, Về mặt kỹ thật: - Động chọn phải có cấp điện áp phù hợp với nguồn - Động phải thích ứng với mơi trường làm việc (khơ ráo, ẩm ướt, sẽ, bụi bẩn, nóng lạnh…) - Động chọn phải thỏa mãn điều kiện phát nóng (điều kiện nhất) cho làm việc bình thường tải cho phép, nhiệt độ động không vượt cho phép - Động phải đảm bảo tốc độ yêu cầu, cần điều chỉnh tốc độ khơng? có cấp hay vơ cấp - Phải đảm bảo khởi động tốt theo yêu cầu phụ tải b, Về mặt kinh tế: Động chọn phải làm việc với hiệu suất kinh tế cao, vốn đầu tư ít, chi phí vận hành, bảo quản sửa chữa thấp, sử dụng hết công suất động Các bước chọn công suất động cơ: Động điện muốn kéo cấu sản xuất cần phải sản mơ men M đ có khả khắc phục mô men sau: mô men phụ tải cấu sản xuất M pt, mô men không tải M0 mô men động Mđg nghĩa là: MĐ  Mpt + M0 + Mđg Muốn tìm MĐ cần có điều kiện ban đầu bước tính tốn: a, Điều kiện ban đầu: 104 Nguyễn Trung Thành Truyền động điện - Phải có biểu đồ phụ tải cấu sản xuất: M C=f1(t) PC=f2(t) nhiệt lượng tiêu hao Q=f3(t) hay dòng điện I=f4(t) - Phải có biểu đồ biến thiên tốc độ trình làm MC Mpt việc: n=f5(t) =f6(t) M0 Giả thiết biểu đồ cho hình 6-5 a,b b, Các bước tính tốn: - Trước hết vào biểu đồ phụ tải tĩnh M C=f(t) tính mơ men trung bình theo biểu thức: t a,  =f(t) n M t i i M TB  i 1 n t  i i 1 sau chọn sơ động có Mđm MTB - Tính mơ men động Mđg (xuất q trình q độ, mở máy, hãm, đảo chiều động cơ…) d M đg M Đ  M C J ht J ht tg tkđ tôđ th t b, Mđg Mpt dt Jht: mơ men qn tính hệ thống quy đổi trục động - Vẽ biểu đồ Mđg=f(t) hình 6-5 c - Vẽ biểu đồ phụ tải động hệ thống hình 6-5d MC.đg = Mpt + M0 +Mđg - Dựa vào biểu đồ phụ tải động, kiểm tra khả tải động theo điều kiện: M.Mđm  Mmax Trong đó: Mđm: Mơ men định mức động chọn sơ Mmax: Mô men max biểu đồ phụ tải M: Bội số mô men (hệ số tải) M0 t c, Mđg Mpt M0 t - Kiểm tra lại cơng suất động theo điều kiện phát nóng Nếu kiểm tra khơng thỏa mãn diều kiện Hình 6-5 phát nóng, q tải phải chọn lại động 3.1.6.Các phương pháp kiểm nghiệm công suất động d, 105 Nguyễn Trung Thành Truyền động điện * Để khẳng định chắn việc tính chọn sơ chấp nhận ta cần phải kiểm nghiệm lại việc tính chọn đó: u cầu kiểm nghiệm - Kiểm nghiệm phát nóng t  tcp - Kiểm nghiệm tải mô men : Mđmđc > MCmax - Kiểm nghiệm mô men khởi động : Mkđđc > MCmởmáy * Để kiểm nghiệm cơng suất động cơtheo điều kiện phát nóng, người ta dùng ba phương pháp sau: - Phương pháp nhiệt sai cực đại - Phương pháp tổn thất trung bình - Phương pháp đại lượng đẳng trị Phương pháp tổn thất trung bình PTB Phương pháp tổn thất trung bình xuất phát từ giả thiết: tình làm việc với phụ tải biến đổi, điều kiện tỏa nhiệt không đổi, số thời gian phát nóng  khơng đổi, tổn thất cơng suất trung bình tính cho chu kì làm việc không vượt công suất định mực động Nghĩa nhiệt độ cuộn dây không vượt cho phép Tổn thất công suất trung bình tính cho chu kì làm việc với phụ tải biến đổi xác định: PTB  P1 t  P2 t   Pn t n t1  t   t n Động chọn phải thỏa mãn điều kiện: Pđm  PTB Trong đó: Pđm xác định từ trước: Pđm Pđm   đm  đm Trong thực tế, để xác định PTB ta dựa vào quan hệ Pcơ(t) đường cong (Pcơ) với :Pcơ công suất trục động  = f(Pcơ) vẽ từ lý lịch máyđiện biểu diễn hình 6-6 =f(P) Pcơ Pcơ P1 P2 Mđg  2 1 3 0 Hình 6-6 P3 t1 t2 tck t3 t Tổn hao công suất động phụ tải Pi xác định biểu thức: 106 Nguyễn Trung Thành Pi  Pi Truyền động điện  i ; i i 1,2,3 Pi i công suất trục hiệu suất động thời gian ti, xác định hình 6-6 Tổn thất cơng suất trung bình tính cho chu kì có n đoạn là: n  P t i PTB  i i 1 n t i i 1 Chú ý: Đối với động có quạt gió tự làm mát: n t0: Thời gian nghỉ  P t  t  t  t i PTB i : Hệ số giảm truyền nhiệt nghỉ i 1 k h ( = 0,25 máy không đồng bộ,  = 0,5 máy điện chiều.) : Hệ số giảm truyền nhiệt khởi động hãm tk: thời gian khởi động hãm Kiểm nghiệm điều kiện phát nóng phương pháp dòng điện đẳng trị Iđt Ta biết tổn thất động gồm hai phần.Tổn thất biến đổi tổn thất không đổi Ở phạm vi phụ tải thứ n ta có: Pn =K + Vn = K + b.In2 Từ biểu thức tổn thất trung bình : PTB  P1 t  P2 t   Pn t n t1  t   t n Nếu xem PTB = K + b.Idt2 thì: PTB  K  b.I đt2  (K  b.I12 )t1  (K  b.I 22 )t   (K  b.I n2 )t n t1  t   t n Trong đó: K: Tổn thất khơng đổi V: Tổn thất biến đổi V=b.I2 b: Hệ số Xêm tổn thất không đổi K phụ tải biến đổi ta được: I đt  I12t1  I 22t   I n2t n t1  t   t n Điều kiện kiểm nghiệm: Iđt  Iđmđc Để tính tốn giá trị Iđt ta phải tính q trình q độ Giả thiết ta có kết tính dịng điện i(t) có dạng đường liên tục Dùng phương pháp bậc thang để xác định ii ti (hình 6-7a) 107 Nguyễn Trung Thành Truyền động điện Trường hợp đường cong dịng điện có dạng tăng trưởng lớn ta dùng cơng thức gần (hình 6-7b) I Trong Iđi Ici xác định theo (hình 6-7c) I i  I I ci  I I I I2 I3 I1 t1 t2 t3 t4 I4 Ici Iđi t t1 t2 t3 t4 a, t5 t6 t tc t c, b, Hình 6-7 Phương pháp mơ men đẳng trị Kiểm tra theo điều kiện phát nóng gián tiềp, mơ men suy từ phương pháp dòng điện đẳng trị Khi mơ men tỷ lệ với dịng điện M=C.I (C: hệ số tỷ lệ) Đối với động chiều điều kiện thỏa mãn  động không đổi Đối với động xoay chiều không đồng bộ: M=CM.I2.2.cos2 Ta cần phải có 2=cost cos2= cost n M i2ti Công thức kiểm nghiệm: M đt  Tck i 1  ; M đc M đt 3.3.4 Phương pháp công suất đẳng trị: Ở truyền động tốc độ biến thiên P  M dùng phương pháp (đại lượng) cơng suất đẳng trị để kiểm nghiệm phát nóng Pđc  Pđt n Pđt  Pi 2ti Tck i 1  Thực tế giản đồ phụ tải, tốc độ truyền động có thay đổi lớn q trình khởi động hãm Do cần phải tính tốn hiệu chỉnh P(t) hình 6-7d M, P,  P=f1(t) M=f2(t) =f3(t) t Hình 6-7d, 3.2 Tính chọn công suất động làm việc truyền động không điều chỉnh tốc độ 108 Nguyễn Trung Thành Truyền động điện Để chọn công suất động cơ, ta cần phải biết đồ thị phụ tải M C(t) PC(t) quy đổi trục động giá trị tốc độ yêu cầu Từ biểu đồ phụ tải, chọn sơ công suất động cơ, tra sổ tay tham số, xác định đồ thị phụ tải xác Sau tiến hành kiểm nghiệm động chọn 3.2.1 Chọn công suất động làm việc dài hạn Đối với phụ tải dài hạn, có loại khơng đổi có loại biến đổi hình 6-8 PC, MC PC, MC M2 P0 M3 M2 M1 M1 0 t1 t t2 t3 tck t0 t1 t2 t Hình 6-8 a, Phụ tải dài hạn không đổi: Động cần chọn phải có cơng suất định mức P đm  PC tốc độ định mức phù hợp yêu cầu Thường Pđm = (11,3)PC (PC: cơng suất u cầu) Trong trường hợp việc kiểm nghiệm động đơn giản, không cần kiểm nghiệm tải mô men, cần phải kiểm nghiệm điều kiện khởi động phát nóng b, Phụ tải dài hạn biến đổi Để chọn động phải xuất phát từ đồ thị phụ tải tính giá trị trung bình mô men công suất n M TB   n M i ti i 0 t i 0 i i PTB  n i  Pt i 0 n t i i 0 Động chọn phải có: Mđm = (11,3)MTB; Pđm =(11,3) PTB Điều kiện kiểm nghiệm: Kiểm nghiệm phát nóng, q tải mơ men khởi động 3.2.2 Chọn công suất động làm việc ngắn hạn Chế độ làm việc ngắn hạn sử dụng động dài hạn sử dụng động chuyên dùng cho ngắn hạn Biểu đồ phụ tải hình 6-9 a, Chọn cơng suất động dài hạn làm việc ngắn hạn: 109 Nguyễn Trung Thành Truyền động điện Giả sử động dài hạn có Pđm, Mđm với thời gian ngắn hạn th công suất phụ tải tăng lên: Plv = x.Pđm Mlv = x.Mđm Ta phải chọn th cho phát nóng động đạt giá trị cho phép    Pđm Ađm  K đm  Vđm Ađm (1) Trong đó: Ađm: Hệ số tỏa nhiệt định mức Kđm:Tổn thất định mức không đổi Vđm: Tổn thất định mức biến đổi ,P ’ôđ ơđ Png.h = f1(t) Plv Pđm t Hình 6-9 Giá trị phát nóng ổn định động làm việc với công suất Plv là:  ôđ'  Plv K đm  x Vđm  Ađm Ađm (2) Từ đường cong phát nóng (t) xác định:  max    ôđ' (1  e Đặt    tlv T )  1 K đm M   x  lv Biến đổi ta được: M lv M đm t  Vđm M đm T 1 e lv Trong x suy từ (2) cách chia tử mẫu phân thức cho V đm:  '  ôđ tlv P  .(  x )  ôđ' (1  e T )(  x )   x2   x2  lv    Ađm Ađm / Vđm K đm  Vđm  1  1  .Vđm  x  1 1 e  tlv T   Giá trị Mlv tìm không vượt giá trị cho phép theo điều kiện tải mô men động Pc P1 P2 M lv M đm Ta suy tlv: tlv  2 T M lv  M đm P3 Pđt Nếu phụ tải biến đổi hình 6-10 mơ men đồ thị : M 12t1  M 22t   M n2t n M đt  t1  t   t n t1 t2 t3 t4 P4 t Hình 6-10 Để chọn cơng suất động dài hạn làm việc với tải ngắn hạn ta phải dựa vào P lv giả thiết hệ số tãi để chọn sơ động dài hạn Từ xác định thời gian làm 110 Nguyễn Trung Thành Truyền động điện việc cho phép động vừa chọn Việc tính chọn động lặp lại nhiều lần cho t lv tính tốn  Tlv u cầu b, Chọn động ngắn hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn Động ngắn hạn chế tạo có thời gian làm việc tiêu chuẩn 15, 30, 60, 90 phút Như ta phải chọn: Điều kiện chọn: tlv = tchuẩn công suất động Pđmchọn  Plv Nếu tlv ≠ tchuẩn Mđmchọn  Mlv sơ chọn động có tchuẩn Pđm gần giá trị tlv Plv Sau xác định tổn thất Pđm (với công suất Pđm Plv với Plv) Quy tắc chọn động là: tlv T 1 e Pđm  Plv t  ch 1 e T Đồng thời tiến hành kiểm nghiệm động theo điều kiện tải mô men mô men khởi động điều kiện phát nóng 3.2.3 Chọn cơng suất động cho phụ tải ngắn hạn lặp lại: Biểu đồ phụ tải hình 6-11 ,P Pn  ôđ Pn min 0 tlv tck t0 max t Hình 6-11 Sau thời gian, nhiệt sai động ổn định với hai giá trị min max Tương tự trường hợp tải ngắn hạn, ta chọn động dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại chọn động chuyên dụng ngắn hạn lặp lại a Chọn công suất động dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại: Thường động dài hạn chọn: Pđm  Plv 111 Nguyễn Trung Thành Truyền động điện Hệ số tải nhiệt:   Plv '  ôđ Pđm  max  ' ôđ tlv  ' v  1 e  Từ đường cong phát nóng ta có:   t   max v lv 1 e Trong  số thời gian phát nóng '  t lv t lv   ;  v  0 xác định hình vẽ 6-11 v0 : Hệ số xét đến điều kiện làm mát bị xấu thời gian nghỉ t ( = 0,5 máy chiều; ( = 0,25 máy không đồng bộ) Trước hết dựa vào đồ thị phụ tải suy Plv yêu cầu, tlv, t0 từ chọn sơ cơng suất động để có  0 ta tính ’ suy  Dùng phương pháp tính lặp cho Plv Pđm  b, Chọn công suất động ngắn hạn lặp lại cho phụ tải ngắn hạn lặp lại Động ngắn hạn lặp lại chế tạo chuyên dụng, độ bền khí tốt, quán tính nhỏ, khả tải lớn (từ 2,53,5) Đồng thời chế tạo chuẩn với hệ số thờ gian đóng điện % = 15%, 25%, 40%, 60% Động chọn cần có hai tham số:PđmchọnPlv: %đm chọn phù hợp với % làm việc Trường hợp lv% không phù hợp với % cơng thức: Pđmch Plv đmchọn cần hiệu chỉnh lại công suất định mức theo  lv %  %đmch Chú ý: Trường hợp phụ tải biến đổi hình 6-12 phải dùng cơng thức đại lượng đẳng trị: P P1 P1 P2 P2 n P t i Pđt  i 0 n t i i  đt  t t t i i i0 i 0 t1 t2 t3 t0 P3 P3 t Hình 6-12 Sau phải kiểm tra mơ men q tải, mơ men khởi động phát nóng 3.3 Chọn cơng suất động cho truyền động có điều chỉnh tốc độ 112 Nguyễn Trung Thành Truyền động điện Để tính chọn cơng suất động trường hợp cần phải biết yêu cầu bản: + Đặc tính phụ tải Pyc (); Myc() đồ thị phụ tải PC(t); MC(t); C(t) + Phạm vi điều chỉnh tốc độ max min + Loại động (một chiều hay xoay chiều) dự định chọn + Phương pháp điều chỉnh biến đổi hệ thống truyền động cần định hướng xác định trước Như để tính chọn cơng suất động ta phải biết phụ tải Trong nhiều trường hợp phụ tải khác Ta chia thành hai nhóm: + Nhóm 1: Ở tốc độ điều chỉnh mơ men cản khơng đổi (MC = const) cịn cơng suất cản PC tỷ lệ bậc với tốc độ (hình 6-13)  max Pcmax Pc Mc min Mcp,Pcp Hình 6-13 + Nhóm 2: Ở tốc độ điều chỉnh cơng suất khơng đổi (PC = const) cịn mơ men cản MC tỷ lệ nghịch với tốc độ (hình 6-14) P MC    max Mc Pc min Mmax Mcp,Pcp Hình 6-14 Đối với động điện phương pháp điều chỉnh tốc độ theo tải cho phép chia thành hai nhóm: + Nhóm 1: Điều chỉnh tốc độ với mô men cho phép động không thay đổi tốc độ Thường gọi phương pháp điều chỉnh có mơ men cho phép không đổi, Pcp ỷ lệ bậc với tốc độ  (hình 6-15)  max min Pcp Mcp Mđm Mcp,Pcp Hình 6-15 113 Nguyễn Trung Thành Truyền động điện Các phương pháp thường thực cách thay đổi điện áp điện trở phụ mạch phần ứng động điện chiều kích từ độc lập, thay đổi điện trở phụ mạch rôto số đôi cực động không đồng bộ… + Nhóm 2: Điều chỉnh tốc độ P C = const; M cp  Pcp   max Pcp (hình 6-16) thực cách giảm từ thơng động điện chiều, thay đổi số đôi cực (một số trường hợp động không đồng bộ) Mcp min Pđm Mđm Mcp,Pcp Hình 6-16 3.3.1 Chọn cơng suất động cho truyền động điều chỉnh tốc độ có MC=const * Trường hợp Mcp=const: Động chọn phải có Mđm = MC đm = max (điều chỉnh tốc độ thấp tốc độ Mcp=const) Pđm = Mđm đm = Mc.max = Pcmax(công suất cực đại phụ tải) * Trường hợp Pcp=const: Động chọn phải có: Pđm = Pcmax = Mc.max đm =min (vì điều chỉnh tốc độ lớn tốc độ Pcp=const) M đm  Pđm Pc max   M c max M c D đm min min Cho thấy: Những truyền động yêu cầu Mc=const chọn động theo phương pháp điều chỉnh tốc độ có Pcp=const (khơng phù hợp u cầu phụ tải) làm mô men định mức động tăng lên D lần so với Mc dẫn đến tăng kích thước giá thành động 3.3.2 Chọn công suất động có Pc=const * Trường hợp: Pcp=const (phù hợp với yêu cầu phụ tải) Yêu cầu: Pđm = Pc; M đm  Pđm đm Riêng động chiều kích từ độc lập: P cp=const (thực với tốc độ lớn tốc độ cách giảm từ thông ) Yêu cầu chọn: đm =min; M đm  Pc M c max min 114 Nguyễn Trung Thành Truyền động điện * Trường hợp Mcp=const (không phù hợp yêu cầu phụ tải ) Yêu cầu: Mđm = Mcmax; với M c max  Pc  Mcp=const: Thực với 