ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GGIIÁÁOO TTRRÌÌNNHH MMÔÔNN HHỌỌCC TTRRUUYYỀỀNN ĐĐỘỘNNGG ĐĐIIỆỆNN NGHỀ ĐÀO TẠO ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG Lào Cai, năm 2017 1 BÀI MỞ ĐẦU KHÁ[.]
ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN NGHỀ ĐÀO TẠO: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Lào Cai, năm 2017 BÀI MỞ ĐẦU KHÁI QUÁT CHUNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Định nghĩa hệ thống truyền động điện tự động: Hệ truyền động điện tự động (TĐĐ TĐ) tổ hợp thiết bị điện, điện tử, v.v phục vụ cho cho việc biến đổi điện thành cung cấp cho cấu công tác máy sản suất, gia cơng truyền tín hiệu thơng tin để điều khiển q trình biến đổi lượng theo u cầu cơng nghệ Cấu trúc chung: Hình 1-1: Mơ tả 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 Cấu trúc hệ TĐĐ TĐ gồm phần chính: - Phần lực (mạch lực): từ lưới điện nguồn điện cung cấp điện đến biến đổi (BBĐ) động điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX) Các biến đổi như: biến đổi máy điện (máy phát điện chiều, xoay chiều, máy điện khuếch đại), biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà), biến đổi điện tử, bán dẫn (Chỉnh lưu tiristor, điều áp chiều, biến tần transistor, tiristor) Động có loại như: động chiều, xoay chiều, loại động đặc biệt - Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm cấu đo lường, điều chỉnh tham số cơng nghệ, khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ cơng nghệ cho người vận hành Đồng thời số hệ TĐĐ TĐ khác có mạch ghép nối với thiết bị tự động khác với máy tính điều khiển Phân loại hệ thống truyền động điện tự động: - Truyền động điện khơng điều chỉnh: thường có động nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với tốc độ định - Truyền động có điều chỉnh: tuỳ thuộc vào u cầu cơng nghệ mà ta có hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh mô men, lực kéo, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí Trong hệ hệ truyền động điện tự động nhiều động - Theo cấu trúc tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động điện tự động điều khiển số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện tự động điều khiển theo chương trinh - Theo đặc điểm truyền động ta có hệ truyền động điện tự động động điện chiều, động điện xoay chiều, động bước, v.v - Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động không tự động hệ truyền động điện tự động - Ngồi ra, có hệ truyền động điện khơng đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v CHƯƠNG 1: CÁC ĐẶC TÍNH VÀ TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Bài 1- CƠ HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Các đại lượng đặc trưng cho phần tử học 1.2.2.1 Quy đổi mô men cản Mc lực cản Fc trục động + Quan niệm tính đổi việc dời điểm đặt từ trục trục khác mơmen hay lực có xét đến tổn thất ma sát truyền lực Thường quy đổi mômen cản Mc, (hay lực cản Fc) phận làm việc trục động Hình 1-2- Mơ men tang trống (trống tời TT) Mt , qua hộp giảm tốc (Bộ truyền lực TL) có tỷ số truyền i + Giả sử tính tốn thiết kế người ta cho giá trị mô men tang trống (trống tời TT) Mt , qua hộp giảm tốc (Bộ truyền lực TL) có tỷ số truyền i hiệu suất ỗi Mô men tác tác động lên trục động có giá trị Mcqd gọi mô men quy đổi - Điều kiện quy đổi: đảm bảo cân công suất phần hệ TĐĐTĐ: Pdc M cqd M cqd M t t i Mt i i Trong : ựt - tốc độ góc tang trống ự - tốc độ góc quy đổi trục động i d t ựd – tốc độ góc trục động Nếu tải trọng G sinh lực Fc có vận tốc chuyển động v xẽ tác động lên trục động mô men Mcqd Fc V M cqd d i t M cqd Fc V F c i t d Trong đó: ủ = ựd /Vgọi tỷ số quy đổi ỗ = ỗi.ỗt - hiệu suất hệ truyền lực gồm truyền lực tang trống ỗt - hiệu suất tang trống 1.2.2.1 Quy đổi mơ men qn tính trục động Các cặp bánh có moment qn tính J1,J2 Jk, mơ men qn tính Jt, khối lượng qn tính m mơmen qn tính động Jd có ảnh hưởng đến tính chất động học hệ truyền động Nếu xét điểm khảo sát đầu trục động quán tính chung hệ truyền động điểm gọi Jqd (mơ men qn tính quy đổi) lúc phương trình động hệ J qd d2 2 2 J J mV J d d ( J kd J J k k )m t t 2 ( k ) t 2 2 J qd2 J d 2 ik it Trong đó: ik = ự /ựk - tỉ số truyền từ trục thứ i it = ự /ựt - tỉ số truyền từ trục tang trống Jqd - mơmen qn tính quy đổi trục động 1.3 Đặc tính động điện máy sản xuất 1.3.1 Đặc tính động điện Đặc tính động điện quan hệ tốc độ quay moment động Ta có đặc tính tự nhiên động cơ, 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) Trên đặc tính tự nhiên ta làm việc định mức có giá trị Mđm, đm Đặc tính nhân tạo động đặc tính ta thay đổi tham số nguồn thêm điện trở, điện kháng vào động Để đánh giá so sánh đặc tính cơ, người ta đưa khái niệm độ cứng đặc tính tính β= ΔM Δω (1-1) lớn ta có đặc tính cứng, nhỏ đặc tính mềm, đặc tính tuyệt đối cứng Truyền động có đặc tính cứng tốc độ thay đổi moment biến đổi lớn Truyền động có đặc tính mềm tốc độ giảm nhiều moment tăng (xem H.1-3) M Hình 1-3 Độ cứng đặc tính 1- Đặc tính mền 2- Đặc tính cứng 3- Đặc tính tuyệt đối cứng 1.3.2 Đặc tính máy sản xuất Đặc tính máy sản xuất đa dạng Tuy phần lớn biểu diễn dạng biểu thức tổng quát: M C = M C + ( M ® m - M C0 )( ω α ) ω® m (1-2) Trong đó: M∞ – Moment ứng với tốc độ = Mđm – Moment ứng với tốc độ định mức đm MC – Moment ứng với tốc độ Ta có trường hợp: - ỏ = 0, MC = Mđm = const, cấu nâng hạ, băng tải, cấu ăn dao máy cắt gọt thuộc loại (đường 1, H.1-4a) - ỏ = 1, moment tỉ lệ bậc với tốc độ, thực tế gặp, loại lấy ví dụ cho máy phát chiều tải trở (đường 2, H.1-4a) - ỏ = 2, moment tỉ lệ bậc hai với tốc độ, đặc tính máy bơm, quạt gió (đường 3, H.1-4a) - ỏ = -1, moment tỉ lệ nghịch với tốc độ, cấu máy dây, giấy, truyền động quay trục trính máy cắt gọt kim loại có đặc tính thuộc loại (đường 4, H.1-4a) Ngồi số cấu máy có đặc tính khác, ví dụ: - Moment phụ thuộc vào góc quay MC = f() moment phụ thuộc vào đường MC = f(S), thực tế máy cơng tác có pittơng, máy trục khơng có cáp cân có đặc tính thuộc loại - Moment phụ thuộc vào số vòng quay đường MC = f(,S) loại xe điện - Moment cản phụ thuộc vào thời gian MC = f(t), ví dụ máy nghiền đá, quặng Trên H.1-4b c biểu diễn đặc tính moment cản phản kháng moment cản - Moment cản (như cấu nâng hạ tải trọng), có đặc tính MC = const không phụ thuộc vào chiều quay (H.1-4b) - Moment cản phản kháng luôn chống lại chiều quay moment ma sát, moment cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại v.v (hình 1-4c) đm M MC0 M Hình 1-4a Hình 1-4a Mc Mc Mc M M Mc Hình 1-4b Hình 1-4c 1.4 Các trạng thái làm việc hệ truyền động điện Trong hệ truyền động điện, có trình biến đổi lượng điện - Chính q trình biến đổi định trạng thái làm việc truyền động điện Ta định nghĩa: Dịng cơng suất điện Pđiện có giá trị dương có chiều truyền từ nguồn đến động từ động biến đổi công suất điện thành công suất Pcơ = M. cấp cho máy sản xuất Công suất có giá trị dương moment động sinh có chiều với tốc độ quay Ngược lại, cơng suất điện có giá trị âm có chiều từ động nguồn, cơng suất có giá trị âm truyền từ máy sản xuất động moment động sinh ngược chiều với tốc độ quay Moment máy sản xuất gọi moment phụ tải hay moment cản Nó định nghĩa dấu âm dương, ngược lại với dấu moment động Phương trình cân công suất hệ truyền động là: Pđ = PC + P Trong đó: Pđ - cơng suất điện PC - công suất P – tổn hao công suất Tuỳ thuộc vào biến đổi lượng hệ mà ta có trạng thái làm việc động gồm: trạng thái động trạng thái hãm, (xem bảng 1-1) - Trạng thái động bao gồm chế độ có tải khơng tải - Trạng thái hãm gồm hãm không tải, hãm tái sinh, hãm ngược hãm động Hãm tái sinh Pđiện < 0, Pcơ > biến thành điện trả lưới Hãm ngược Pđiện > 0, Pcơ < điện chuyển thành tổn thất P Hãm động Pđiện = 0, P < biến thành công suất tổn thất P Biểu đồ công Pđiện suất Pcơ P Trạng thái làm việc =0 = Pđiện - Động không tải Pc 0 = Pđ - Pc - Có tải Pc =0 n1 mơ men lại giảm MD, lúc loại điện trở phụ thứ 2, động chuyển sang làm việc đường đặc tính số hình 2-3b Mơ men lại tăng lên mô men mở máy Tốc độ tăng lên n3 > n2, mơ men giảm đến MD loại điện trở phụ thứ nhất, động chuyển sang làm việc đường đặc tính tự nhiên, đường số hình 2-3b Mô men lại tăng kim lên bàng Mmm - Tốc độ tiếp tục tăng lên điểm làm việc ổn định điểm A tốc độ động ổn định b/ Mở máy động giải pháp thay đổi điện áp phần ứng.(hình 2-4a) - Ta có: Imm U = R Σ RKT KT điện áp U giảm Imm giảm Ư - Đường đặc tính: Từ công thức: = U R - Σ M KΦ ( KΦ) Bộ biến đổi điện áp = a - b.M Thay đổi U tức thay đổi a cịn khơng đổi b.M hình 2-4a + Khi n = Mmm Uư = U1 Động làm việc đường đặc tính số hình 2-4b + Khi n = n1 (n1 > 0) mô men giảm xuống MD, tức từ (1,11,3)Mđm tăng U = U2 (U2 > U1) Động làm việc đường đặc tính số hình 2-4b, mơ men tăng Mđm + Khi n = n2 (n2 > n1) mô men giảm bàng MD Uư = U3 (U3 > U 2) Động làm việc đường đặc tính số hình 2-4b (U3 = Uđm) 2.1.1.4 Trạng thái hãm động điện 12 n n0 A Mc MD hình 2-4b Mnm M chiều kích từ độc lập song song + Hãm động hệ truyền động điện nhằm mục đích sau: - Dừng hệ truyền động điện - Giữ hệ thống đứng yên hệ chịu lực có xu hướng gây chuyển động - Gìm cho hệ truyền động điện làm việc tốc độ ổn định - Giảm tốc độ hệ truyền động điện Hãm tự Là cách hãm mà động làm việc ổn định ta thực cắt điện cấp vào động cơ, lúc động quay theo qn tính, sau khoảng thời gian n = 0, M = Dùng phanh hãm Cắt điện cấp vào động dùng phanh hãm, hãm trục động để tốc độ giảm mô men giảm Dùng phương pháp hãm động dừng nhanh Hãm tái sinh - Là trạng thái sảy tốc độ quay động lớn tốc độ không tải lý tưởng ứng với đặc tính động làm việc - Khi động làm việc chế độ ĐC nĐC > n0, động tiêu thụ điện sinh năng, hãm tái sinh tốc độ động lớn tốc độ không tải lý tưởng, lúc động trở thành máy phát điện phát điện trả lưới Như động có hai dịng điện ngược chiều nên sinh hai mô men ngược chiều thực hãm động * Đường đặc tính ( hình 2-5) n n0 nđm A M MC hình 2-5 Hãm ngược Hãm ngược trạng thái đổi nối mạch điện động để tạo mô men có chiều ngược lại với chiều quay động có a/ Hãm ngược nhờ đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng 13 Ví dụ: Động truyền động cho cấu nâng hạ - Khi nâng tải (hình 2-6a) động có n = nN, M = MĐ (mô men quay động cơ) nĐ M đ M Rf Ư Tải K hình 2-6a MC mô men cản phụ thuộc vào trọng lượng tải Lúc động làm việc đường đặc tính số hình 2-6c ổn định điểm A, điện trở mạch phần ứng bị loại n Rf Ư K n0 M nđm đ B A n M M D Tải MB MC C hình 2-6b hình 2-6c - Khi hạ tải (hình 2-6b): Nối điện trở phụ vào mạch phần ứng nên Iư giảm dẫn đến MĐ giảm nên MB < MC 14 Ban đầu: n = nA Sau nĐC giảm đến điểm D n = bắt đầu trình hãm tải chiều quay ngược lại ta nói bắt đầu q trình hãm ngược, đường đặc tính hãm ngược đường số đoạn DC hình 2-6c b/ Hãm ngược nhờ đổi nối đảo chiều quay kt kt Rf Rf Ư nT Ư nN K K Hình 2-7a Hình 2-7b * Hãm ngược nhờ đảo chiều quay thực cách đổi chiều dòng điện cấp vào cuộn kích từ, đảo chiều phần ứng Trong thực tế thường dùng hãm ngược cách đảo chiều phần ứng * Xét hình 2-7a: Giả sử động làm việc bình thường chiều quay thuận NT điện trở phụ tải bị loại nhờ tiếp điểm K đóng, động làm việc ổn định đường đặc tính số điểm A * Xét hình 2-7b: Dịng điện phần ứng đổi chiều so với hình 2-a nên sinh mơ men ngược lại với hình 2-7a, chuyển điểm làm việc ổn định A sang A/ (hình 2-7c) khơng có điện trở phụ nối vào mạch phần ứng chuyển sang điểm B có điện trở phụ nối vào mạch phần ứng - Tại A/ có mơ men ngược MA/ - Tại điểm B có mơ men ngược MB MA/ > MB Mặt khác mơ men lớn có dịng lớn, động làm việc ổn định điểm A muốn thực hãm ngược cách đảo chiều dòng điện vào phần ứng nên nối điện trở phụ vào mạch phần ứng nhằm hạn chế dòng điện hãm lớn - Khi đổi chiều dịng điện sinh mơ men ngược Ví dụ mơ men MB ngược chiều với mô men ban đầu, đồng thời sinh tốc độ có chiều ngược với chiều ban đầu kết mô men triệt tiêu giảm dần làm tốc độ giảm theo Cụ thể mô n men giảm đến n0 điểm D A/ B nđm A n = kết (2) (3) (1) thúc M D 15 MC -M/B -M/c hình 2-7c -n0 trình hãm ngược bắt đầu trình khởi động quay ngược, đường đặc tính hãm ngược đoạn BD hình 2-7c Hãm động - Hãm động động điện kích từ độc lập kích từ song song trạng thái mà động hệ truyền động tích luỹ q trình làm việc biến đổi thành điện thông qua động làm việc chế độ máy phát, điện phát tiêu thụ dạng nhiệt điện trở hãm - Để hãm động cần phải giữ kích từ cịn phần ứng cắt điện nối với điện trở hãm Phần ứng quay từ trường phần cảm xuất sức điện động cảm ứng tạo dịng điện hãm mơ men hãm ngược với chiều quay có động a/ Hãm động kích từ độc lập n kt n0 B Iư / B A nđm Ư Rhãm K M MB hình 2-8a MC hình 2-8b - Giả sử động làm việc ổn định đường đặc tính tự nhiên điểm A, muốn thực hãm động kích từ độc lập ta giữ ngun dịng điện cấp cho cn kích từ cắt điện vào phần ứng lúc rô to quay theo quán tính cắt đường sức từ cuộn kích từ sinh ra, sinh sức điện động cảm ứng dây quấn rô to đồng thời tiếp điểm K đóng hình thành dịng điện cảm ứng chạy qua điện trở hãm có chiều ngược với dịng điện Iư nên sinh mơ men có chiều ngược với mơ men ban đầu dịng điện sinh làm mô men tổng giảm dần nên tốc độ giảm, tốc độ n = M = kết thúc trình hãm, điện trở hãm nhỏ mơ men hãm lớn ngược lại cụ thể ta có đường đặc tính hãm số hình 2-8b, có điện trở lớn điện trở hãm đường đặc tính số hình 2-8b Vậy nên chọn đường số hạn chế rung giật mơ men hãm lớn có nhược đểm hãm lâu Nên chọn điện trở hãm cho Ih max ≤ 2,5Iđm 16 b/ Hãm động kích từ tự kích n kt Ikt n0 Iư Iư B Ư Iư / B A nđm Rhãm M K MB hình 2-9a MC hình 2-9b - chế độ động làm việc bình thường động làm việc đường đặc tính tự nhiên ổn định điểm A, giả sử muốn thực hãm động ta thực cắt điện cuộn kích từ phần ứng động cơ, lúc rô to quay theo quán tính nên cắt đường sức từ dư cực từ sinh Sđđ cảm ứng dây quấn rơ to Sđđ cảm ứng kín mạch qua cuộn kích từ điện trở hãm nhờ tiếp điểm K hình thành dịng điện cảm ứng qua cuộn kích từ có chiều chiều với dịng điện IKT nên từ trường cực từ khơng đổi chiều, dòng điện chạy phần ứng ngược chiều với dịng điện Iư tạo mơ men ngược với mơ men ban đầu dịng Iư sinh ra, bắt đầu thực trình hãm ngược, q trình hãm mơ men giảm dần làm tốc độ giảm dần, tốc độ mơ men kết thúc qua trình hãm - Điện trở hãm nhỏ mơ men hãm lớn ngược lại vì: Iư = E R Σ + Rt ® mà Rtđ = Rh Rkt R h + R kt Mhãm =K M.cư.Icư Trong đó: cư từ thơng dịng điện cảm ứng cuộn kích từ sinh Icư dòng điện cảm ứng chạy phần ứng Mà: Icư = I1 + I2 Trong đó: I1 dịng cảm ứng chạy cuộn kích từ I2 dòng cảm ứng chạy điện trở hãm Cụ thể đường đặc tính số có điện trở hãm lớn điện trở hãm đường đặc tính số hình 2-9b 2.1.2.Đặc tính cơ, trạng thái khởi động hãm động chiều kích từ nối tiếp Rf KT Ư 17 hình 2-10a G 2.1.2.1 Phương trình đặc tính cơ: Uư = Eư + Iư.Rư = KΦ + IưRư (1) Trong đó: Uư - điện áp đặt vào mạch phần ứng (V) Eư - sức điện động phần ứng (V) Rư = rư + rcf + rb + rct + Rf + Rkt rư - điện trở cuộn dây phần ứng rcf - điện trở cuộn cực từ phụ rb - điện trở cuộn bù rct - điện trở tiếp xúc chổi điện Rf - điện trở phụ mạch phần ứng () Rkt - điện trở cuộn dây kích từ U R Σ I KΦ KΦ U R Mặt khác = - Σ M KΦ ( KΦ) Từ (1) ta có: = (2) (3) Trong phương trình từ thơng biến đổi phụ thuộc dịng điện mạch kích từ Để đơn giản thành lập phương trình đặc tính ta giả thiết từ thơng phụ thuộc tuyến tính với dịng điện kích từ = CIkt C hệ số tỷ lệ Nếu phản ứng phần ứng bù đủ = CIư Thế vào phương trình (2) ta có = U R A - Σ = - B (4) KCI KC I Trong đặt A1 = Ta có I = R U ;B= KCI KC M (5) KC Thay vào có ω= A1 KC M -B= A2 M - B (6) phương trình đặc tính A2 = A1 KC 2.1.2.2 Đường đặc tính Từ phương trình đặc tính ta đờng đặc tính hình 2-10b 18 M hình 2-10b 2.1.2.3 Khởi động động chiều kích từ nối tiếp - Khi khởi động động chiều kích từ nối tiếp tương tự động chiều kích từ độc lập, dịng khởi động lớn cần phải có biện pháp để giảm dòng khởi động, muốn áp dụng phương pháp khởi động qua cấp điện trở phụ KT Rf1 Rf2 Rf3 Ư hình 2-11a G1 G2 G3 - Khi bắt đầu khởi động ba điện trở phụ nối vào mạch phần ứng: I mm1 = U-E R Σ1 với R1 = Rư + RKT + Rf1 + Rf2 +Rf3 Động làm việc đường đặc tính số hình 2-11b - Khi động đạt đến tốc độ n = n1 loại điện trở phụ Rf1 động chuyển sang làm việc đường đặc tính số hình 2-11b I mm2 = U-E R Σ2 với R2 = Rư + RKT + Rf2 +Rf3 - Khi động đạt đến tốc độ n = n2 (n2 > n1) loại điện trở phụ Rf2 động chuyển sang làm việc đường đặc tính số hình 2-11b I mm3 = U-E R Σ3 với R3 = Rư + RKT +Rf3 - Khi động đạt đến tốc độ n = n3 (n2 > n2) loại điện trở phụ Rf2 động chuyển sang làm việc đường đặc tính tự nhiên tăng tốc độ đến điểm làm việc ổn định điểm A 19 ... điện tự động động điện chiều, động điện xoay chiều, động bước, v.v - Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động khơng tự động hệ truyền động điện tự động - Ngồi ra, có hệ truyền động điện khơng... động điện tự động điều khiển số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện tự động điều khiển theo chương trinh - Theo đặc điểm truyền động ta có hệ truyền động điện. .. CHUNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Định nghĩa hệ thống truyền động điện tự động: Hệ truyền động điện tự động (TĐĐ TĐ) tổ hợp thiết bị điện, điện tử, v.v phục vụ cho cho việc biến đổi điện thành cung