Chng 4: Chọn ph-ơng án truyền động Chọn ph-ơng án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả tính chọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một ph-ơng án khả thi đáp ứng đ-ợc cả yêu cầu về đặc tính kỹ thuật và kinh tế với công nghệ đặt ra. Lựa chọn ph-ơng án truyền động tức là phải xác định đ-ợc loại động cơ truyền động là một chiều hay xoay chiều, ph-ơng pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải, sơ đồ nối bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động. Để giải quyết vấn đề trên, tr-ớc hết ta đi phân tích các đặc tính kinh tế kỹ thuật của các ph-ơng pháp điều chỉnh động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha. I. Khảo sát các ph-ơng án truyền động 1. Hệ điều chỉnh điện áp động cơ. a. Nguyên lý: Theo lý thuyết máy điện, ta có quan hệ giữa mô-men và điện áp đặt vào Stato động cơ nh- sau: sX s R R RU M mn f . ' ' 3 2 . 2 2 11 2 2 1 Nh- vậy, ở một tần số nhất định, mô-men của động cơ KĐB tỷ lệ với bình ph-ơng điện áp đặt vào phần cảm (stato). Do đó, ta có thể điều chỉnh tốc độ đ/c KĐB bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số. Để thực hiện đ-ợc điều này ng-ời ta dùng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC). Thực tế, hầu hết các động cơ KĐB có tốc độ tr-ợt tới hạn (ứng với đặc tính cơ tự nhiên) nhỏ, khi dùng điều chỉnh tốc độ sẽ bị hạn chế vì dải điều chỉnh hẹp. Ngoài ra, khi giảm áp, mô-men động cơ còn bị giảm nhanh theo bình ph-ơng điện áp. Vì lý do này mà ph-ơng pháp này ít đ-ợc dùng cho động cơ KĐB roto lồng sóc mà th-ờng kết hợp với việc điều chỉnh mạch roto đối với động cơ KĐB roto dây quấn nhằm mở rộng dải điều chỉnh. b. Đánh giá về phạm vi ứng dụng: + Vì việc giảm điện áp đặt vào stato động cơ, trong khi giữ f=const không làm thay đổi tốc độ không tải lý t-ởng, nên khi tăng điện trở phụ ở roto, tốc độ động cơ giảm, độ tr-ợt tới hạn tăng lên kéo theo tăng tổn hao công suất tr-ợt của động cơ: sPMP dtcs .)( 1 + Cùng với lý do trên, do phạm vi điều chỉnh phụ thuộc vào giá trị điện trở phụ đ-a vào mạch roto nên yêu cầu đối với hệ cần phạm vi điều chỉnh rộng sẽ mâu thuẫn với việc giảm tổn thất điều chỉnh đối với tất cả các hệ truyền động. Tốc độ động cơ càng thấp (s càng lớn), nhất là trong tr-ờng hợp điều chỉnh sâu tốc độ, thì tổn hao công suất tr-ợt càng lớn. Do có nhiều hạn chế nh- trên nên vấn đề điều chỉnh điện áp stato để điều khiển tốc độ động cơ chỉ đ-ợc ứng dụng hạn hẹp. Hiện nay, nó th-ờng ứng dụng làm bộ khởi động mềm (softstartor) với mục đích thay thế các bộ khởi động có cấp dùng rơ-le, công-tắc-tơ cho các động cơ công suất lớn và rất lớn so với l-ới tiêu thụ chung. Trong phạm vi này nó cho phép tạo ra các đ-ờng đặc tính khởi động êm, tránh việc gây sụt áp l-ới, làm ảnh h-ởng đến các tải khác khi các động cơ công suất lớn khởi động. Trong ứng dụng vào điểu chỉnh nó chỉ phù hợp với hệ truyền động với các phụ tải có mô-men là hàm tăng theo tốc độ (nh- quạt gió, bơm ly tâm). Lý thuyết chứng minh là đối với hệ truyền động có mô-men tải không đổi (M c =const) thì tổn thất sẽ rất lớn khi điều chỉnh. Vì vậy, việc xem xét ph-ơng án truyền động dùng ph-ơng pháp điều chỉnh điện áp stato đối với hệ truyền động nâng-hạ cần trục là không có ý nghĩa; điều đó có nghĩa là ph-ơng án dùng điều chỉnh điện áp bị loại bỏ trong đồ án này. 2. Hệ điều chỉnh công suất tr-ợt động cơ. a. Nguyên lý điều chỉnh: Theo kết quả nghiên cứu máy điện không đồng bộ thì công suất điện lấy ra từ mạch roto, đ-ợc gọi là công suất tr-ợt, tỷ lệ với độ tr-ợt s. Theo cách tính tổn thất khi điều chỉnh thì công suất này bằng: sPsMMP dtccs ).( 11 dt s P P s Nh- vậy theo biểu thức trên thì nếu ta bảo đảm giữ công suất đ-a và mạch stato là không đổi, thì công suất điện từ P đt cũng không đổi. Khi đó bằng cách nào đó ta thay đổi đ-ợc tổn hao công suất trong mạch roto thì ta sẽ thay đổi đ-ợc độ tr-ợt s; tức là ta điều chỉnh đ-ợc tốc độ động cơ. Đây chính là tinh thần của việc điều chỉnh công suất tr-ợt. Trong thực tế việc thay đổi P s có nhiều cách, đơn giản nhất là sử dụng điện trở phụ đ-a và mạch roto làm tăng tổn thất. Việc này đối với các hệ thống truyền động công suất nhỏ thì không có vấn đề gì, nh-ng với hệ truyền động công suất lớn thì các tổn hao là đáng kể. Vì vậy để tận dụng công suất tr-ợt ng-ời ta dùng các sơ đồ nối tầng nhằm đ-a công suất tr-ợt trở lại l-ới hoặc biến thành cơ năng hữu ích quay trục động cơ nào đó, khi đó ta có hệ truyền động nối cấp đồng bộ. D-ới đây xin giới thiệu một sơ đồ nguyên lý của một hệ nối cấp: Trong sơ đồ này thì sức điện động roto đ-ợc chỉnh l-u thành điện áp một chiều qua bộ chỉnh l-u cầu diode và qua điện kháng lọc cho nguồn dòng cấp cho bộ nghịch l-u phụ thuộc.Nghịch l-u làm việc với góc điều khiển từ 90 o đến khoảng 140 o , điều chỉnh góc điều khiển trong khoảng này ta sẽ điều chỉnh đ-ợc sức điện động chỉnh l-u trong mạch roto; tức là điều chỉnh đ-ợc tốc độ không tải lý t-ởng của động cơ. Đặc tính cơ điều chỉnh của hệ nối tầng van điện đ-ợc dựng qua việc thay đổi góc điều khiển của nghịch l-u đ-ợc dựng nh- hình vẽ; trong đó do ảnh h-ởng của điện trở stato, điện trở mạch một chiều và điện kháng tản của máy biến áp (MBA) cũng nh- sụt áp do chuyển mạch của nghịch l-u và chỉnh l-u nên các đặc tính có độ cứng và mô-men tới hạn nhỏ hơn độ cứng và mô-men tới hạn của đặc tính tự nhiên. b. Đánh giá và phạm vi ứng dụng: + Nh- đã phân tích ở trên việc sử dụng sơ đồ nối cấp chỉ có ý nghĩa trong hệ truyền động với công suất lớn (th-ờng cỡ trên 500kW), vì khi đó công suất tr-ợt đ-a về mới là đáng kể và việc đầu t- cho các bộ biến đổi mới thoả đáng, không lãng phí. + Việc tái sử dụng công suất tr-ợt rõ ràng làm tăng hiệu suất của hệ thống lên; việc điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh l-ợng công suất đ-a về có thể đạt đ-ợc những chỉ tiêu điều chỉnh tốt nh- êm,dải điều chỉnh khá rộng; tuy có hạn chế là mô-men tới hạn có suy giảm so với tự nhiên, mô-men của động cơ bị giảm khi tốc độ thấp. + Một vấn đề nữa là đối với các hệ thống công suất lớn vấn đề quan trọng là khởi động động cơ, th-ờng dùng điện trở phụ kiểu chất lỏng để khởi động động cơ đến vùng tốc độ làm việc sau đó mới chuyển sang chế độ điều chỉnh công suất tr-ợt. Vì vậy mà việc sử dụng hệ thống này chỉ phù hợp với các hệ truyền động có số lần khởi động, dừng máy và đảo chiều ít hoặc tốt nhất là không có đảo chiều. ĐC MBA CL điot NL phụ thuộc H3.2: Sơ đồ nguyên l ý nối tầng van Từ những đánh giá trên, đối chiếu với đặc điểm của hệ truyền động nâng hạ cần trục nêu ở ch-ơng đầu cùng với kết quả tính công suất động cơ ở ch-ơng hai ta loại bỏ việc sử dụng ph-ơng án này cho hệ truyền động của ta. Cụ thể là có hai lý do cơ bản sau: + Hệ truyền động của ta làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, có đảo chiêu quay + Công suất động cơ tính ra thuộc loại không lớn nên vấn đề đầu t- cả hệ nối tầng là không hiệu quả về mặt kinh tế. 3. Hệ điều chỉnh xung điện trở rôto. a. Nguyên lý điều chỉnh: Tr-ớc hết cần phải nói rằng việc điều chỉnh điện trở roto chỉ áp dụng đ-ợc với động cơ roto dây quấn chứ không sử dụng đ-ợc cho động cơ roto lồng sóc. Nh- đã biết, với động cơ roto dây quấn, ta có thể thay đổi đ-ợc độ cứng của đ-ờng đặc tính cơ bằng cách đ-a điện trở phụ vào mạch roto động cơ. Thực chất của ph-ơng pháp này là điều chỉnh công suất tr-ợt; công suất tr-ợt ở đây đ-ợc lấy bớt ra và đ-ợc biến thành tổn hao nhiệt năng vô ích trên điện trở. + Vì độ tr-ợt tới hạn tỷ lệ bậc nhất với điện trở roto nên: rdfth th R R RR R s s 2 2 2 0 Nếu coi đoạn đặc tính làm việc của động cơ, tức là đoạn có độ tr-ợt từ s=0 s th , là tuyến tính thì khi điều chỉ điện trở roto ta có thể viết: 2 0 2 00 . R R ss R R s s s s rd rdth th trong đó: s 0 _ là độ tr-ợt tới hạn khi điện trở roto là R 2 (tức điện trở tự nhiên ở mạch roto); còn s _ là độ tr-ợt khi điện trở roto là R rd =R 2 +R f . Theo biểu thức mô-men thì: 01 2 2 2 . 2 1 2 2 1 . .3 ]) ' .[( ' .3 s RI X s R R s R U M rd mn f Nh- vậy, khi thay đổi điện trở roto, nếu giữ dòng roto I 2 không đổi thì mo-men không đổi và không phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Vì vậy, ph-ơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở roto rất thích hợp với hệ truyền động có mô- men tải không đổi (x=0). Thực tế, việc thay đổi điện trở roto dùng cấp điện trở ngày nay ít dùng, vì vừa có hiệu suất thấp, độ tr-ơn điều chỉnh kém, đặc tính điều chỉ lại dốc. Vì thế điều chỉnh xung điện trở roto dùng van bán dẫn với các mạch vòng điều chỉnh sẽ tạo đ-ợc đặc tính điều chỉnh cứng và đủ rộng; mặt khác lại dễ tự động hoá việc điều chỉnh. Nguyên lý cơ bản của bộ điều chỉnh xung điện trở roto nh- sau: R td t M H3.2: Sơ đồ nguyên lý, hoạt động và các đặc tính điều chỉnh bằng ph-ơng pháp xung điện trở roto. Hoạt động đóng cắt của khoá bán dẫn S t-ơng tự nh- mạch điều chỉnh xung áp một chiều: + Khi S đóng: R 0 bị loại ra khỏi mạch phần ứng, dòng roto tăng lên. + Khi S ngắt: R 0 đ-ợc đ-a vào mạch, dòng roto lại giảm. Với tần số đóng cắt nhất định, nhờ điện cảm L mà dòng roto coi nh- không đổi và ta có một giá trị điện trở t-ơng đ-ơng R td trong mạch. 000 R T t R tt t RR ck d ngd d td Điện trở t-ơng đ-ơng R td trong mạch một chiều đ-ợc tính quy đổi về mạch xoay chiều ba pha ở roto theo nguyên tắc bảo toàn công suất. Kết quả tính quy đổi đ-ợc: 2 2 1 0 R RR tdf Nh- vậy, điều chỉnh chu kỳ đóng ngắt của S ta thay đổi đ-ợc và từ đó thay đổi đ-ợc R f . Cho =0 1, ta dựng đ-ợc họ các đặc tính cơ t-ơng ứng quét gần nh- mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính tự nhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ R f =R 0 /2. b. Đánh giá và phạm vi ứng dụng: Có thể nói việc sử dụng ph-ơng pháp xung điện trở roto trong điều chỉnh truyền động, về mặt lý thuyết, là một ph-ơng pháp đơn giản nhất, dễ thực hiện và vận hành; mạch điều chỉnh cũng rất đơn giản là gồm hai mạch vòng điều chỉnh (tốc độ và dòng điện). + Ph-ơng pháp này nh- đã phân tích ở trên cũng rất phù hợp với phụ tải có mô-men không đổi nh- cơ cấu nâng-hạ cần trục. Cụ thể là nó cho phép điều chỉnh để động cơ có mô-men khởi động lớn khi nâng bằng cách thêm một cách hợp lý điện trở và mạch roto trong giai đoạn khởi động; cho phép điều chỉnh trơn và dải điều chỉnh rộng nếu ta tăng điện trở R 0 kết hợp với việc dùng một tụ bổ trợ cho việc mở rộng phạm vi điều chỉnh. Mặt khác, việc điều chỉnh đ-ợc tiến hành ở mạch roto nên không gây ảnh h-ởng đến công suất động cơ tiêu thụ đ-a vào stato; tức là không gây ảnh h-ởng đến l-ới điện và tải khác khi động cơ khởi động nh- ở ph-ơng pháp điều chỉnh điện áp stato. + Tuy vậy, nh- đã đề cập ở trên, thực chất của ph-ơng pháp cũng dựa vào việc điều chỉnh công suất tr-ợt nên tổn hao trong khi điều chỉnh không thể tránh khỏi. So với ph-ơng pháp nối cấp nó có cấu trúc đơn giản hơn, ít vốn đầu t- hơn, nh-ng lại có tổn thất khi điều chỉnh lớn hơn lại bị tiêu hao vô ích nên nó chỉ sử dụng cho các động cơ có công suất nhỏ và trung bình (d-ới 100kW). Phân tích -u và nh-ợc điểm của ph-ơng án dùng điều chỉnh xung điện trở roto cho hệ truyền động cơ cấu nâng hạ cần trục ta thấy rằng đây là một ph-ơng án khả thi, ta sẽ xem xét khả năng sử dụng khi so sánh với ph-ơng pháp biến tần sẽ đ-ợc trình bày d-ới đây. . 4: Chọn ph-ơng án truyền động Chọn ph-ơng án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả tính chọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một ph-ơng án khả thi đáp ứng đ-ợc cả yêu cầu. với đặc điểm của hệ truyền động nâng hạ cần trục nêu ở ch-ơng đầu cùng với kết quả tính công suất động cơ ở ch-ơng hai ta loại bỏ việc sử dụng ph-ơng án này cho hệ truyền động của ta. Cụ thể. đổi nh- cơ cấu nâng- hạ cần trục. Cụ thể là nó cho phép điều chỉnh để động cơ có mô-men khởi động lớn khi nâng bằng cách thêm một cách hợp lý điện trở và mạch roto trong giai đoạn khởi động;