Trong chế độ xác lập của động cơ điện một chiều, khi đặt dây quấn kích từ của động cơ điện áp Uk nào đó thì quấn kích từ sẽ có dòng điện Ik và do đó, với mạch từ của máy sẽ có từ thông. Tiếp đó, đặt một giá trị U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo ra momen điện từ có giá trị. Với sự xuất hiện của số đôi cực của động cơ và số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ thì số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng có hệ số kết cấu của máy. Do momen điện từ kéo cho phần ứng quay nên các dây quấn quét trong từ thông và trong các dây quấn cảm ứng suất điện động với động cơ một chiều.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN ************* Chuyên đề: Ổn định tốc độ động điện chiều Lớp: Trang thiết bị điện - K58 Giáo viên: An Hoài Thu Anh Thành viên nhóm: – Nguyễn Đương Tiến – Đặng Văn Ánh – Vương Văn Sơn – Nguyễn Khánh Duy – Nguyễn Đức Toàn HÀ NỘI - 2020 LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển không ngừng nên khoa học kỹ thuật tạo thành tựu to lớn, ngành tự động hóa góp phần khơng nhỏ vào thành cơng Một để quan trọng dây truyền tự động hoá sản xuất đại việc điều chỉnh tốc độ động Từ trước đến nay, động chiều loại động sử dụng rộng rãi kể hệ thống yêu cầu cao Chuyên đề là: “Ổn định tốc độ động điện chiều” Nội dung chia làm chương: Chương Tống quan hệ truyền động điện chiều 1.1 1.2 1.3 Tổng quan động điện chiều 1.1.1 Cấu tạo, phân loại động điện chiều - Cấu tạo động điện chiều - Phần loại, ưu nhược điểm động điện chiều 1.1.2 Đặc tính động điện chiều - Nguyên lý làm việc động điện chiều - Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Các phương pháp điều khiển tốc độ động điện chiều 1.2.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng 1.2.2 Phương pháp thay đổi từ thông 𝜙 1.2.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Giới thiệu số hệ truyền động điện chiều 1.3.1 Hệ truyền động máy phát - động (F - Đ) 1.3.2 Hệ truyền động xung áp - động (XA - Đ) 1.3.3 Hệ truyền động chỉnh lưu tiristo - động (T - Đ) Chương Ổn định tốc độ động điện chiều 3 5 9 10 12 14 14 17 19 24 2.1 Mô hình tốn động điện chiều 24 2.2 Bộ điều khiển dòng điện sử dụng PI 26 2.3 Thiết kế điều khiển tốc độ 28 2.4 Mô Matlab Simulink 28 TBD – K58 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Cấu tạo, phần loại động điện chiều a Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều phân thành hai phần chính: Phần tĩnh phần động - Phần tĩnh hay stato hay cịn gọi phần kích từ động cơ, phận sinh từ trường gồm có: +) Mạch từ dây kích từ lồng ngồi mạch từ (nêu động kích từ nam châm điện), mạch từ làm sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấn kích thích hay cịn gọi dây quấn kích từ làm dây điện từ, cuộn dây điện từ mắc nối tiếp với +) Cực từ chính: Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại tán chặt Trong động điện nhỏ dùng thép khối Cực từ gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulơng Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối, tâm sơn cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với +) Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khỗi thân cực từ phụ có đặt dây quân mà cấu tạo giống dây quân cực từ Cực từ phụ gắn vào vỏ máy nhờ bulông +) Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liên cực từ, đông thời làm vỏ máy Trong động điện nhỏ vừa thường dùng thép dày uốn hàn lại, máy điện lớn thường dùng thép đúc Có động điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy +) Các phận khác: Nắp máy: Đề bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ vừa nắp máy cịn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp nắp máy thường làm gang Cơ cấu chối than: Để đưa dịng điện từ phần quay ngồi Cơ cấu chỗi than bao gồm có chối than đặt hộp chổi than nhờ lị xo tì chặt lên cổ góp Hộp chỗi than cỗ định giá chối than cách điện với giá Giá chối than quay đề điều chỉnh vị trí chối than cho chỗ, sau điều chỉnh xong dùng vít cố định lại - Phần quay hay rơto: Bao gồm phận sau TBD – K58 +) Phần sinh sức điện động gồm có: Mạch từ làm vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với Trên mạch từ có rãnh đề lồng dây quấn phần ứng Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiêu bối dây nối với theo qui luật định Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây đâu dây bối dây nối với phiến đồng gọi phiến góp, phiến góp ghép cách điện với cách điện với trục gọi cổ góp hay vành góp Tỳ cỗ góp cặp trổi than làm than graphit ghép sát vào thành cổ góp nhờ lị xo +) Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dịng điện xốy gây nên Trên thép có dập hình dạng rãnh đê sau ép lại đặt dây quấn vào Trong động trung bình trở lên người ta cịn dập lỗ thơng gió đề ép lại thành lõi sắt tạo lỗ thơng gió dọc trục Trong động điện lớn lõi sắt thường chia thành đoạn nhỏ, đoạn có đề khe hở gọi khe hở thơng gió Khi máy làm việc gió thổi qua khe hở làm nguội dây quần lõi sắt Trong động điện chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng ép trực tiếp vào trục Trong động điện lớn, trục lõi sắt có đặt giá rơto Dùng giá rơto tiết kiệm thép kỹ thuật điện giảm nhẹ trọng lượng rôto +) Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần phát sinh suất điện động có dịng điện chạy qua, dây quần phần ứng thường làm dây đơng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có cơng suất vài Kw thường dùng dây có tiết điện trịn Trong máy điện vừa lớn thường dùng dây tiết điện chữ nhật, dây quấn cách điện cần thận với rãnh lõi thép Đề tránh quay bị văng lực li tâm, miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt đai chặt dây quấn Nêm làm tre, gỗ hay bakelit +) Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đơng có mạ cách điện với lớp mica dày từ 0,4 đến 12mm hợp thành hình trục trịn Hai đầu trục trịn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp trụ tròn cách điện mica Đi vành góp có cao lên để hàn đầu dây phần tử dây quần phiên góp dễ dàng b Phần loại, ưu nhược điểm động điện chiều - Phần loại động điện chiều Khi xem xét động điện chiều máy phát điện chiều người ta phần loại theo cách kích thích từ động Theo ta có loại động điện chiều thường sử dụng: TBD – K58 +) Động điện chiều kích từ độc lập: Phần ứng phần kích từ cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ +) Động điện chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ mặc song song với phần ứng +) Động điện chiều kích từ nỗi tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tếp với phần ứng +) Động điện chiều kích từ hỗn hợp: gồm có cuộn dây kích từ, cuộn mắc song song với phần ứng cuộn mắc nỗi tiếp với phần ứng - Ưu nhược điểm động điện chiều Do tính ưu việt hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyện tải máy phát động điện xoay chiều có cấu tạo đơn giản công suất lớn, dễ vận hành mà máy điện (động điện) xoay chiều ngày sử dụng rộng rãi phô biến Tuy nhiên động điện chiều giữ vị trí định công nghiệp giao thông vận tải, nói chung thiết bị cần điêu khiến tốc độ quay liên tục phạm vi rộng (như máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Mặc dù so với động không đông đề chế tạo động điện chiều cỡ giá thành đắt sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản góp phức tạp Nhưng ưu điểm mà máy điện chiều thiểu nên sản xuất đại +) Ưu điểm động điện chiều dùng làm động điện hay máy phát điện điều kiện làm việc khác Song ưu điểm lớn động điện chiều điều chỉnh tốc độ khả tải Nếu thân động không đồng đáp ứng đáp ứng phí thiết bị biến đổi kèm (như biến tân ) đắt tiền động điện chiều khơng điều chỉnh rộng xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng cao +) Nhược điểm chủ yêu động điện chiều có hệ thống cổ góp – chổi than nên vận hành tin cậy khơng an tồn mơi trường rung chấn, dễ cháy nổ 1.1.2 Đặc tính động điện chiều a Nguyên lý làm việc động điện chiều Khi cho điện áp chiều vào, dây quấn phần ứng có điện Các dẫn có dịng điện nằm từ trường chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều lực xác định quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay nửa vịng, vị trí dẫn đổi chỗ cho Do có phiếu góp chiều dòng điện giữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi Khi quay, dẫn cắt từ trường cảm ứng với suất điện động Eư chiều suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải, động chiều sđđ Eư ngược TBD – K58 chiều dòng điện Iư nên Eư gọi sức phản điện động Khi ta có phương trình: U = Eư + Rư.Iư b Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Khi nguồn chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch điện kích từ mặc vào hai nguồn độc lập Lúc động gọi động điện Sơ đồ nối dây động Diện chiều kích từ độc lập chiều kích từ độc lập[2] Ta có phương trình cân điện áp mạch phần ứng sau: Uư = Eư + (Rư + Rf)Iư Trong đó: Uư: Điện áp phần ứng (V) Eư: Sức điện động phần ứng (V) Rư: Điện trở mạch phần ứng (Ω) Iư: Dòng điện mạch phần ứng (A) Với: Rư = rư + rcf + rb + rcf TBD – K58 rư: Điện trở cuộn dây phần ứng rcf: Điện trở cuộn dây cực tử phụ rcf: Điện trở tiếp xúc cuộn bù Sức điện động Eư phần ứng động xác định theo biểu thức: 𝐸= 𝑃𝑁 𝜙𝜔 = 𝐾𝜙𝜔 2𝜋𝑎 Trong đó: P: Số đơi cực từ N: Số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng a: Số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng 𝜙: Từ thơng kích từ cực từ 𝜔: Tốc độ góc (rad/s) 𝑃𝑁 𝐾 = 2𝜋𝑎: Hệ số cấu tạo động Ta có: 𝜔= 𝑅𝑢 + 𝑅𝑓 𝑈 − 𝐼 𝐾𝜙 𝐾𝜙 Biều thức phương trình đặc tính điện động Mặt khác, mômen điện từ Mđt động xác định Mđt = K𝜙Iư Với 𝐼 = 𝜔= 𝑀đ𝑡 𝐾𝜙 ta có: 𝑅𝑢 + 𝑅𝑓 𝑈 − 𝑀 𝐾𝜙 (𝐾𝜙)2 đ𝑡 Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép mơmen trục động mômen điện từ, ta ký hiệu M Nghĩa là: Mđt = Mcơ = M 𝜔= 𝑈𝑢 𝑅𝑢 + 𝑅𝑓 − 𝑀 𝐾𝜙 (𝐾𝜙)2 Đây phương tình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Giả thiết phần ứng bù đủ, từ thông 𝜙 = const, phương trình đặc tính điện (1.3) phương trinh đặc tính (1.6) tuyến tính Đơ thị chúng biêu diễn hình 1.2 đường thẳng TBD – K58 𝑈 Theo đồ thị, Iư = M = ta có: 𝜔 = 𝐾𝜙 = 𝜔0 𝜔0 gọi tốc độ không tải lý tưởng động điện chiều kích từ độc lập Đặc tính điện đặc tính động điện chiều Khi 𝜔 = ta có: 𝐼=𝑅 𝑈 𝑢 +𝑅𝑓 = 𝐼𝑛𝑚 M = K𝜙Inm = Mnm Inm Mnm gọi dòng điện ngắn mạch mơmen ngắn mạch Ngồi phương trình đặc tính (1.3) (1.6) viết dạng: 𝜔= 𝜔= 𝑈 𝑅 − 𝐼 = 𝜔0 − 𝛥𝜔 𝐾𝜙 𝐾𝜙 𝑈 𝐾𝜙 − 𝑅 (𝐾𝜙)2 𝑀 = 𝜔0 − 𝛥𝜔 Trong đó: R =Rư +Rf 𝑈 𝜔0 = 𝐾𝜙 𝑅 𝑅 𝛥𝜔 = 𝐾𝜙 𝐼 = (𝐾𝜙)2 𝑀 𝛥𝜔 gọi độ sút tốc độ ứng với giá trị M Từ phương trình đặc tính ta thấy có tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thơng động 𝜙 điện áp phần ứng Uư, điện trở phần ứng động TBD – K58 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU - Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng - Phương pháp thay đổi từ thông 𝜙 - Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 1.2.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng - Dây phương pháp thường dùng đề điều khiển tốc độ động điện chiều +) Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp người ta giữ U = Uđm, 𝜙 = 𝜙đ𝑚 nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng[3] Độ cứng đường đặc tính cơ: 𝛥𝑀 (𝐾𝜙)2 𝛽= − 𝛥𝜔 𝑅𝑢 + 𝑅𝑓 +) Ta thấy điện trở lớn β nhỏ nghĩa đặc tính dốc mêm Đặc tính động thay đổi điện trở phụ Ứng với Rf = ta có độ cứng tự nhiên 𝛽𝑇𝑁 có giá trị lớn nên đặc tính tự nhiên có độ cứng lớn tất đường đặc tính có điện trở phụ Như vậy, ta thay đổi Rf ta họ đặc tính thấp đặc tính tự nhiên - Đặc điểm phương pháp: TBD – K58 +) Điện trở mạch phần ứng tăng độ dốc đặc tính lớn, đặc tính mềm, độ ổn định tốc độ sai số tốc độ cảng lớn +) Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ phía giảm) +) Chỉ áp dụng cho động điện có cơng suất nhỏ, tổn hao lượng điện trở phụ làm giảm hiệu suất động thực tế thường dùng động điện cần trục +) Đánh giá tiêu: Phương pháp điêu khiến liên tục mà phải điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào số mômen tải, tải cảng nhỏ thi dải điều chỉnh D = 𝜔𝑚𝑎𝑥 / 𝜔𝑚𝑖𝑛 cảng nhỏ Phương pháp điều chỉnh dải D = 3:1 +) Giá thành đầu tư ban đầu rẻ không kinh tế tổn hao điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển đơn giản 1.2.2 Phương pháp thay đổi từ thông 𝝓 - Nguyên lý điều khiển: Giả thiết U = Uđm, Rư = const Muốn thay đổi từ thơng động ta thay đổi dịng điện kích từ, thay đổi dịng điện mạch kích từ cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Bình thường động làm việc chế độ định mức với kích thích tối đa (𝜙 = 𝜙𝑚𝑎𝑥 ) mà phương pháp cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên điều chỉnh theo hướng giảm từ thông 𝜙 tức điều chỉnh tốc độ vùng 𝑈đ𝑚 tốc độ định mức Nên giảm 𝜙 tốc độ khơng tải lý tưởng 𝜔0 = 𝐾𝜙 tăng, cịn độ cứng đặc tính 𝜔0 = − (𝐾𝜙)2 𝑅𝑢 giảm, ta thu họ đặc tính nằm đặc tính tự nhiên[3] Đặc tính động giảm từ thơng TBD – K58 10 Các biêu thức nói lên lượng vận chuyển thuận chiều từ nguồn → máy phát → động → tải +) Vùng hãm tái sinh năm góc phần tư thứ II thứ IV, lúc | 𝜔 | > |𝜔0 | nên |E| > |EF|, E, EF mắc ngược nhau, dòng điện phần ứng lại chạy ngược từ động mày phát làm cho mômen quay ngược chiếu tốc độ quay Công suất điện từ máy phát, công suất điện từ công suất học động là: PF = EF.l0 Pcơ = M 𝜔