Bài giảng cơ sở truyền động điện chương1 2021

ThS Khương Công Minh Cơ sở truyền động điện LỜI NÓI ĐẦU Để phục vụ kịp thời cho việc học tập giảng dạy sinh viên, học viên giáo viên số khoa kỹ thuật trường Đại học Bách khoa Đà nẵng sinh viên, học viên giáo viên trung tâm, trường Đại học, Cao đẳng, đồng thời làm tài liệu tham khảo cho kỹ sư điện, kỹ sư điện tử ngành có liên quan, chúng tơi biên soạn học phần Cơ sở truyền động điện Học phần gồm chương: Chương 1: Những khái niệm hệ thống truyền động điện Chương 2: Các đặc tính trạng thái làm việc động điện Chương 3: Điều chỉnh tốc độ động điện Chương 4: Một số hệ thống “Bộ biến đổi – Động điện” Chương 5: Quá trình độ truyền động điện Chương 6: Chọn động điện Chương 7: Các mạch bảo vệ hệ thống truyền động điện Do hạn chế thông tin khả nên nội dung học phần Cơ sở truyền động điện chắn số vấn đề cần hoàn thiện Rất mong bạn đồng nghiệp độc giả đóng góp ý kiến Thư góp ý xin gửi cho ThS Khương Công Minh, Email: khuongcongminh@gmail.com Tác giả Trang ThS Khương Công Minh Cơ sở truyền động điện CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU: + Nắm cấu trúc chung hệ thống truyền động điện (HT-TĐĐ) + Nắm đặc tính loại động hệ thống truyền động điện + Phân tích phương pháp điều chỉnh tốc độ động vấn đề điều chỉnh tốc độ hệ thống “bộ biến đổi - động điện” + Phân tích q trình q độ hệ thống truyền động điện + Tính chọn phương án truyền động nắm nguyên tắc để chọn động điện + Phân tích mạch bảo vệ tín hiệu hóa hệ thống truyền động điện 1.2 CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.2.1 Cấu trúc hệ thống truyền động điện: * Định nghĩa hệ thống truyền động điện: + Hệ thống truyền động điện (HT-TĐĐ) 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 công truyền tín hiệu thơng tin để điều khiển q trình biến đổi lượng theo u cầu cơng nghệ * Cấu trúc chung: Cấu trúc HT-TĐĐ 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: động chiều, xoay chiều, 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 công nghệ cho người vận hành Đồng thời số hệ thống TĐĐ khác có mạch ghép nối với thiết bị tự động khác với máy tính điều khiển Trang ThS Khương Công Minh Cơ sở truyền động điện Phần mạch lực BBĐ ĐC MSX Lưới Điện R RT K KT VH GN Phần mạch điều khiển Hình 1-1: Mơ tả cấu trúc chung HT-TĐĐ 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 cơng nghệ; GN: Mạch ghép nối; VH: Người vận hành 1.2.2 Phân loại hệ thống truyền động điện: - 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 yêu cầu công nghệ mà ta có hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ, hệ truyền động điện điều chỉnh mô men, lực kéo, hệ truyền động điện điều chỉnh vị trí Trong hệ hệ truyền động điện nhiều động - Theo cấu trúc tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động điện điều khiển số, hệ truyền động điện điều khiển tương tự, hệ truyền động điện điều khiển theo chương trình - Theo đặc điểm truyền động ta có hệ truyền động điện 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, cịn có hệ truyền động điện khơng đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v Trang ThS Khương Công Minh Cơ sở truyền động điện 1.3 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA MÁY SẢN XUẤT VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1.3.1 Đặc tính máy sản xuất: + Đặc tính máy sản xuất quan hệ tốc độ quay mômen cản máy sản xuất: Mc = f() hay Mc = f(n) + Đặc tính máy sản xuất đa dạng, nhiên phần lớn chúng biếu diễn dạng biểu thức tổng quát: 𝑀𝑐 = 𝑀𝑐𝑜 + (𝑀𝑐đ𝑚 − 𝑀𝑐𝑜 ) ( 𝜔 𝜔đ𝑚 ) 𝑞 (1-1) Mc - mơmen ứng với tốc độ  Trong đó: Mco - mômen ứng với tốc độ  = Mcđm - mômen ứng với tốc độ định mức đm       M'c Mc Mc M M  đm M'c Mđm a) M b) c) Hình 1-2: a) Các dạng đặc tính máy sản xuất: : q = -1; : q = 0; : q = 1; : q = b) Dạng đặc tính máy sản xuất có tính c) Dạng đặc tính máy sản xuất có tính phản kháng + Ta có trường hợp số mũ q ứng với tải: Khi q = -1, mômen tải tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng cấu máy tiện, doa, máy dây, giấy, (đường  hình 1-2) Đặc điểm loại máy tốc độ làm việc thấp mơmen cản (lực cản) lớn Khi q = 0, Mc = Mđm = const, tương ứng cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang máy, băng tải, cấu ăn dao máy cắt gọt, (đường  hình 1-2) Trang ThS Khương Cơng Minh Cơ sở truyền động điện Khi q = 1, mômen tỷ lệ bậc với tốc độ, tương ứng cấu ma sát, máy bào, máy phát chiều tải trở, (đường  hình 1-2) Khi q = 2, mơmen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng cấu máy bơm, quạy gió, máy nén, (đường  hình 1-2) + Ngồi ra, số máy sản xuất có đặc tính khác, như: - Mơmen phụ thuộc vào góc quay Mc = f() mơmne phụ thuộc vào đường Mc = f(s), máy công tác có pittơng, máy trục khơng có cáp cân có đặc tính thuộc loại - Mơmen phụ thuộc vào số vòng quay đường Mc = f(,s) loại xe điện - Mômen phụ thuộc vào thời gian Mc = f(t) máy nghiền đá, nghiền quặng + Trên hình 1-2b biểu diễn đặc tính máy sản xuất có mơmen cản dạng + Trên hình 1-2c biểu diễn đặc tính máy sản xuất có mơmen cản dạng phản kháng 1.3.2 Đặc tính động điện: + Đặc tính động điện quan hệ tốc độ quay mômen động cơ: M = f() M = f(n) + Nhìn chung có loại đặc tính loại động đặc trưng như: động điện chiều kích từ song song hay độc lập (đường), động điện chiều kích từ nối tiếp hay hỗn hợp (đường), động điện xoay chiều không đồng (đường), đồng (đường), hình 1-3      M Hình 1-3: Các đặc tính bốn loại động điện Trang ThS Khương Công Minh Cơ sở truyền động điện * Thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ: + Đặc tính tự nhiên: đặc tính có động nối theo sơ đồ bình thường, khơng sử dụng thêm thiết bị phụ trợ khác thông số nguồn động định mức Như động có đặc tính tự nhiên + Đặc tính nhân tạo hay đặc tính điều chỉnh: đặc tính nhận thay đổi thơng số nguồn, động nối thêm thiết bị phụ trợ vào mạch, sử dụng sơ đồ đặc biệt Mỗi động có nhiều đặ tính nhân tạo 1.3.3 Độ cứng đặc tính cơ: + Đánh giá so sánh đặc tính cơ, người ta đưa khái niệm “độ cứng đặc tính ” độ cứng đặc tính động điện: 𝛽= 𝜕𝑀 (1-2) 𝜕𝜔 ∆𝑀 Nếu đặc tính tuyến tính thì: 𝛽= Hoặc theo hệ đơn vị tương đối: 𝛽∗ = (1-3) ∆𝜔 𝑑𝑀∗ (1-4) 𝑑𝜔∗ Trong đó: M  lượng sai phân mômen tốc độ tương ứng; 𝑀∗ = 𝑀 𝑀đ𝑚 ; 𝜔∗ = 𝜔 𝜔đ𝑚 ; ℎ𝑜ặ𝑐 𝜔∗ = 𝜔 𝜔𝑐𝑏 ; (1-5) Hoặc tính theo đồ thị (hình 1-4): 𝛽= 𝑚𝑀 𝑀𝜔 ∙ 𝑡𝑔𝛾 ; (1-6) Trong đó: + mM tỉ lệ xích trục mơmen + m tỉ lệ xích trục tốc độ +  góc tạo thành tiếp tuyến với trục  điểm xét đặc tính   m XL mM M() M Hình 1- 4: Cách tính độ cứng đặc tính đồ thị Trang ThS Khương Công Minh Cơ sở truyền động điện + Động không đồng có độ cứng đặc tính thay đổi ( > 0,  < 0) + Động đồng có đặc tính tuyệt đối cứng (  ) + Động chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cứng (  40) + Động chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính mềm (  10) Độ cứng đặc tính máy sản xuất: 𝛽𝑐 = 𝜕𝑀𝑐 (1-7) 𝜕𝜔 1.4 CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG TĐĐ + Trong hệ truyền động điện tự động có q trình biến đổi lượng điện thành ngược lại Chính q trình biến đổi định trạng thái làm việc hệ truyền động điện Có thể lập Bảng 1-1: TT Biểu đồ công suất Pđiện (Pđ) Pcơ P = Pđiện - Động không tải = Pđ - Pcơ - Động có tải = Pcơ - Pđ Hãm tái sinh = Pcơ + Pđ Hãm ngược = Pcơ  Hãm động Pđ ≈0 =0 Trạng thái làm việc P Pđ Pc P Pđ Pc P >0 0 0 ; Mc < ;  M G Trạng thái động M > ; Mc < ; M Trạng thái máy phát M < ; Mc > ; M’c() Mc M()  M Mc Hình 1-5: Biểu diễn trạng thái làm việc mặt phẳng [M, ] - Trạng thái động gồm: chế độ có tải chế độ khơng tải Trạng thái động phân bố góc phần tư I, III mặt phẳng (M) - Trạng thái hãm có: Hãm khơng tải, Hãm tái sinh, Hãm ngược Hãm động Trạng thái hãm góc II, IV mặt phẳng (M) - Hãm tái sinh: Pđiện < 0, Pcơ < 0, biến thành điện trả lưới Trang ThS Khương Công Minh Cơ sở truyền động điện - Hãm ngược: Pđiện > 0, Pcơ < 0, điện chuyển thành tổn thất P - Hãm động năng: Pđiện = 0, Pcơ < 0, biến thành công suất tổn thất P Trạng thái động cơ: tương ứng với điểm nằm góc phần tư thứ góc phần tư thứ ba mặt phẳng [M, ], hình 1-3 Trạng thái máy phát: tương ứng với điểm nằm góc phần tư thứ hai góc phần tư thứ tư mặt phẳng [M, ], hình 1-3 trạng thái này, mômen động chống lại chiều chuyển động, nên động có tác dụng hãm, trạng thái máy phát cịn có tên gọi "trạng thái hãm" 1.5 TÍNH ĐỔI CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ HỌC 1.5.1 Mômen lực quy đổi: + Quan niệm tính đổi việc dời điểm đặt từ trục trục khác mômen hay lực có xét đến tổn thất ma sát truyền lực Thường quy đổi mômen cản M c, (hay lực cản Fc) phận làm việc trục động + Điều kiện quy đổi: đảm bảo cân công suất phần HT TĐĐ: - Khi lượng truyền từ động đến máy sản xuất: Ptr = Pc + P (1-9) Trong đó: Ptr cơng suất trục động cơ, Ptr = Mcqđ., (Mcqđ  - mômen cản tĩnh quy đổi tốc độ góc trục động cơ) Pc công suất máy sản xuất, Pc = Mc.lv , (Mc lv - mômen cản tốc độ góc trục làm việc) P tổn thất khâu khí * Nếu tính theo hiệu suất hộp tốc độ chuyển động quay: 𝑃𝑡𝑟 = 𝑃𝑐 𝑖 𝑀𝑐𝑞đ = Rút ra: = 𝑀𝑐 𝜔𝑙𝑣 𝑖 𝑀𝑐 𝜔𝑙𝑣 𝑖 𝜔 = = 𝑀𝑐𝑞đ 𝜔 𝑀𝑐 𝑖 𝑖 Trong đó: i - hiệu suất hộp tốc độ 𝑖= 𝜔 𝜔𝑙𝑣 - gọi tỷ số truyền hộp tốc độ Trang (1-10) (1-11) ThS Khương Công Minh Cơ sở truyền động điện * Nếu chuyển động tịnh tiến lực quy đổi: 𝑀𝑐𝑞đ = 𝐹𝑐 (1-12) .𝜌 Trong đó:  = i.t - hiệu suất truyền lực t - hiệu suất tang trống  = /vlv - gọi tỷ số quy đổi - Khi lượng truyền từ máy sản xuất đến động cơ: Ptr = Pc - P (tự chứng minh) 1.5.2 Quy đổi mơmen qn tính khối lượng qn tính: + Điều kiện quy đổi: bảo tồn động tích luỹ hệ thống: 𝑊 = ∑𝑛1 𝑊𝑖 (1-13) Chuyển động quay: 𝑊=𝐽∙ 𝜔2 (1-14) Chuyển động tịnh tiến: 𝑊=𝑚∙ 𝑣2 (1-15) Nếu sử dụng sơ đồ tính tốn phần dạng đơn khối, áp dụng điều kiện ta có: 𝐽𝑞đ ∙  Trong đó: 𝜔đ2 = 𝐽đ ∙ 𝜔đ2 𝐽𝑞đ = 𝐽đ + ∑𝑛1 𝐽𝑖 𝑖𝑖2 + ∑𝑛1 𝐽𝑖 ∙ 𝜔𝑖2 𝑞 + ∑1 𝑚𝑗 ∙ 𝑣𝑗2 𝑞 𝑚𝑗 𝜌𝑗2 + ∑1 Jqđ - mơmen qn tính quy đổi trục động đ - tốc độ góc trục động Jđ - mơmen qn tính động Ji - mơmen qn tính bánh thứ i mj - khối lượng quán tính tải trọng thứ j ii = /i - tỉ số truyền tốc độ từ trục thứ i  = /vj - tỉ số quy đổi vận tốc tải trọng Trang 10 (1-16) (1-17) ThS Khương Công Minh Cơ sở truyền động điện * Ví dụ: Sơ đồ truyền động cấu nâng, hạ: i, i  M , đ Jđ  t , Jt , Mc , t   G vlv Fc Hình 1-6: Sơ đồ động học cấu nâng hạ:  động điện;  hộp tốc độ;  tang trống quay;  tải trọng 𝐽𝑖 𝐽𝑡 𝑚𝑗 Ta có: 𝐽𝑞đ = 𝐽đ + ∑41 Trong đó: it   - tỉ số truyền tốc độ từ trục tang trống t  𝑖𝑖2 + 𝑖𝑡2 + 𝜌𝑗2 (1-18) v - tỷ số quy đổi vt 1.6 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG TĐĐ + Là quan hệ đại lượng (, n, L, M, ) với thời gian: Dạng tổng quát: ∑𝑛1 ⃗⃗⃗⃗ 𝑀𝑖 = ⃗⃗⃗ ) 𝑑(𝐽𝜔 (1-19) 𝑑𝑡 + Nếu coi mômen động sinh mômen cản ngược chiều nhau, coi mômen quán tính J = const, ta có phương trình dạng số học: 𝑀 − 𝑀𝑐 = 𝐽 𝑑𝜔 (1-20) 𝑑𝑡 Theo hệ đơn vị SI: M(N.m); J(kg.m2); (Rad/s); t(s) + Theo hệ kỹ thuật: M(KG.m); GD(KG.m2); n(vg/ph); t(s): 𝑀 − 𝑀𝑐 = 𝐺𝐷 375 ∙ 𝑑𝑛 𝑑𝑡 Trang 11 (1-21) ThS Khương Công Minh Cơ sở truyền động điện + Theo hệ hỗn hợp: M(N.m); J(kg.m2); n(vg/ph); t(s): 𝐽 𝑀 − 𝑀𝑐 = 9,55 ∙ 𝑑𝑛 (1-22) 𝑑𝑡 Mômen động: 𝑀đ𝑔 = 𝑀 − 𝑀𝑐 = 𝐽 ∙ 𝑑𝜔 𝑑𝑡 (1-23) Từ phương trình (1-17) ta thấy rằng: - Khi Mđg > hay M > Mc , - Khi Mđg < hay M < Mc , 𝑑 𝑑𝑡 𝑑 𝑑𝑡 - Khi Mđg = hay M = Mc , định:  = const > ( > 0)  hệ tăng tốc < ( > 0)  hệ giảm tốc 𝑑 𝑑𝑡 =  hệ làm việc xác lập, hay hệ làm việc ổn * Nếu chọn lấy chiều tốc độ  làm chuẩn thì: M dương (M > 0) M chiều với  M âm (M < 0) M ngược chiều với  Mc dương (Mc > 0) M ngược chiều với  Mc âm (Mc < 0) M chiều với  1.7 ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Như nêu, M = Mc HT-TĐĐ làm việc xác lập Điểm làm việc xác lập giao điểm đặc tính động điện (M) với đặc tính máy sản suất (Mc) Tuy nhiên giao điểm hai đặc tính điểm làm việc xác lập ổn định mà phải có điều kiện ổn định, người ta gọi ổn định tĩnh hay làm việc phù hợp động với tải Để xác định điểm làm việc, dựa vào phương trình động học: 𝐽 𝑑 𝑑𝑡 = [( 𝜕𝑀 ) −( 𝜕𝜔 𝑥 𝜕𝑀𝑐 ) ∙ (𝜔 − 𝜔𝑥 )] 𝜕𝜔 𝑥 (1-24) Người ta xác định điều kiện xác lập ổn định là: ( Hay: 𝜕𝑀 ) −( 𝜕𝜔 𝑥 𝜕𝑀𝑐 𝜕𝜔 ) c = nên  > c  điểm B điểm làm việc xác lập không ổn định 1.8 ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Trong hệ thống TĐĐ có thiết bị điện + cơ, phận có nhiệm vụ chuyển từ động đến phận làm việc máy sản xuất biến thành cơng hửu ích Động điện có phần điện (stato) phần (roto trục) Phần phụ thuộc vào kết cấu, vật liệu loại máy, chúng đa dạng phức tạp, phải đưa dạng điển hình đặc trưng cho loại, phần có dạng tổng quát đặc trưng gọi mẫu học truyền động điện BĐ ĐC Phần điện ĐK TL MSX Phần Hình 1-8: Sơ đồ cấu trúc hệ thống TĐĐ Trang 13 ThS Khương Công Minh Cơ sở truyền động điện Mẫu học (đơn khối) vật thể rắn quay xung quanh trục với tốc độ động cơ, có mơmen qn tính J, chịu tác động mơmen động (M) mơmen cản (Mc), hình 1-9 M  Hình 1-9: Mẫu học J Mc Tính đàn hồi lớn xuất hệ thống có mạch động học dài không chứa phần tử đàn hồi Sự biến dạng phần tử nhỏ số phần tử lớn nên tồn máy trở nên đáng kể Trong trường hợp phần khí hệ khơng thể thay tương đương mẫu học đơn khối mà phải thay mẫu học đa khối, hình 1-10a 1 MĐ MC 2 Mđh J1 Động điện J2 Khâu đàn hồi Máy sản xuất Hình 1-10a: Mẫu học đa khối hệ chuyển động quay Nếu quy đổi mômen mơmen qn tính trục tốc độ (động máy sản xuất) phần lớn trường hợp hệ truyền động có khâu đàn hồi phần thay tương đương mấu học đa khối gồm khâu: khâu gồm rôto phần ứng động với phần tử nối cứng với động hộp tốc độ, trống tời v.v ; khâu khâu đàn hồi khơng qn tính; khâu khâu máy sản xuất; hình 1-10b Trong Mđh mômen đàn hồi Khâu đàn hồi F1 F2 m2 m1 Fđh Fđh Hình 1-10b: chuyển động tịnh tiến có khâu khí đàn hồi Trang 14 ThS Khương Cơng Minh Cơ sở truyền động điện CÂU HỎI ÔN TẬP (Chương 1) Chức nhiệm vụ hệ thống truyền động điện ? Có máy loại máy sản xuất cấu công tác ? Hệ thống truyền động điện gồm phần tử khâu ? Lấy ví dụ minh họa máy sản xuất mà anh (chị) biết ? Mơmen cản hình thành từ đâu ? Đơn vị đo lường ? Cơng thức quy đổi mômen cản từ trục cấu công tác trục động ? Mơmen qn tính ? Đơn vị đo lường ? Cơng thức tính quy đổi mơmen qn tính từ tốc độ i tốc độ trục động  ? Thế mômen cản năng? Đặc điểm thể đồ thị theo tốc độ ? Lấy ví dụ cấu có mômen cản Mômen cản phản kháng ? Lấy ví dụ cấu có mơmen cản phản kháng Định nghĩa đặc tính máy sản xuất Phương trình tổng qt giải tích đại lượng phương trình ? Vẽ đặc tính máy sản xuất: máy tiện; cần trục, máy bào, máy bơm 10 Viết phương trình chuyển động cho hệ truyền động điện có phần dạng mẫu học đơn khối giải thích đại lượng phương trình ? 11 Dùng phương trình chuyển động để phân tích trạng thái làm việc hệ thống truyền động tương ứng với dấu đại lượng M Mc ? 12 Định nghĩa đặc tính động điện ? 13 Định nghĩa độ cứng đặc tính ? Có thể xá định độ cứng đặc tính theo cách ? 14 Phân biệt trạng thái động trạng thái hãm động điện dấu hiệu ? Lấy vị dụ thực tế trạng thái hãm động cấu mà anh (chị) biết ? 15 Chiều dòng lượng động làm việc trạng thái động ? 16 Chiều dòng lượng động làm việc trạng thái máy phát ? 17 Điều kiện ổn định tĩnh ? Phân tích điểm làm việc xác lập ổn định tĩnh tọa độ [M, ] [Mc, ] 18 Mẫu học đơn khối ? Khi dùng mẫu học đơn khối để khảo sát hệ thống truyền động điện ? Trang 15