Chng 3: 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 loạt các hệ truyền động có thể thoả mãn yêu cầu đặt ra. Bằng việc phân tích, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật các hệ truyền động này, kết hợp tính khả thi cụ thể mà ta có thể lựa chọn đ-ợc một vài ph-ơng án hoặc một ph-ơng án duy nhất để thiết kế. Lựa chọn ph-ơng án truyền động tức là phải xác định đ-ợc loại động cơ truyền động 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. Từ những phân tích về đặc điểm công nghệ, yêu cầu truyền động của băng tảI và nhiệm vụ thiết kế (dùng động cơ đIện một chiều), để điều chỉnh tốc độ động cơ quay puli chủ động, ta phải điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ, giữ từ thông không đổi. Với ph-ơng án điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng và giữ từ thông động cơ không đổi thì ta có các ph-ơng án truyền động sau: Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (Hệ F- Đ). Hệ thống truyền động chỉnh l-u điều khiển thyristor- động cơ một chiều ( Hệ T-Đ). Hệ thống điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều ( Hệ XA- Đ). 1 . Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (F-Đ) a . Cấu trúc hệ F-Đ Hệ thống máy phát - động cơ (hệ F-Đ hay Ward-Léonard) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát điện này th-ờng do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha ĐK quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi. U kF U đku ~ i KF F ĐK F M Đ U kĐ U đk ~ i KĐ M I Sơ đồ nguyên lý hệ F-Đ Sơ đồ nguyên lý một hệ F-Đ đ-ợc thể hiện trên hình vẽ. Động cơ Đ truyền động quay chi tiết của máy mài M đ-ợc cấp điện từ máy phát F. Động cơ sơ cấp kéo máy phát F với tốc độ không đổi là động cơ điện không đồng bộ ĐK. Khi điều chỉnh dòng điện kích từ máy phát i KF thì điều chỉnh đ-ợc tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ đ-ợc giữ nguyên. b . Đặc điểm của hệ F-Đ Các chỉ tiêu chất l-ợng của hệ truyền động F-Đ về cơ bản t-ơng tự nh- các chỉ tiêu hệ điều chỉnh điện áp dùng bộ biến đổi nói chung. Ưu điểm nổi bật nhất của hệ F-Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn. Do vậy th-ờng sử dụng hệ F-Đ ở các máy khai thác trong công nghiệp mỏ. Nh-ợc điểm quan trọng nhất của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay, trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, hiệu suất thấp (không quá 75%), công suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ d-, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. Với những hệ truyền động điện đòi hỏi dải điều chỉnh rộng hơn và cần điều chỉnh sâu hơn, ổn định tốc độ tốt hơn thì phải thay máy phát F bằng các nguồn áp máy điện khác nh- các máy điện khuếch đại (MKĐ) và có các phản hồi nâng cao chất l-ợng. Các đặc điểm khác Phạm vi điều chỉnh tốc độ đ-ợc nâng lên (cỡ 30:1). Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi điều chỉnh. Việc điều chỉnh tiến hành trên mạch kích từ máy phát nên tổn hao nhỏ. Hệ điều chỉnh đơn giản, có thể thực hiện hãm điện dễ dàng. Vốn đầu t- ban đầu và diện tích lắp đặt lớn. 2.Hệ thống truyền động chỉnh l-u điều khiển - động cơ một chiều Tốc độ động cơ điện một chiều có thể đ-ợc điều chỉnh trong phạm vi rộng và bằng phẳng nhờ hệ chỉnh l-u - động cơ (hay hệ truyền động van một chiều) trong đó các bộ chỉnh l-u là điều khiển đ-ợc. Các van điều khiển có thể là đèn thyraton, đèn thuỷ ngân, thyristor. Hiện nay, do công nghệ chế tạo bán dẫn công suất phát triển nên các thyristor đ-ợc sử dụng rộng rãi để tạo ra các bộ chỉnh l-u có điều khiển bởi những tính chất -u việt: gọn nhẹ, tổn hao ít, quán tính nhỏ, tác động nhanh, công suất khống chế nhỏ Trong hệ thống truyền động chỉnh l-u điều khiển - động cơ một chiều (CL-Đ), bộ biến đổi có sức điện động E đ phụ thuộc giá trị của pha xung điều khiển (góc điều khiển ). Chỉnh l-u có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng kích từ động cơ. Tùy theo yêu cầu cụ thể của truyền động mà có thể dùng các sơ đồ chỉnh l-u thích hợp (chỉnh l-u cầu, chỉnh l-u tia ). Các bộ chỉnh l-u thyristor dùng trong truyền động điện một chiều tạo thành hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ (hệ T-Đ). a . Hệ truyền động thyristor-động cơ (T-Đ) Hệ truyền động T-Đ là hệ truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập, điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng hoặc thay đổi điện áp đặt vào phần kích từ của động cơ thông qua các bộ biến đổi chỉnh l-u dùng thyristor. M Đ U đk ~ i KĐ M ~ U đk Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động T-Đ b . Đặc tính cơ của hệ T-Đ Trong hệ T-Đ, nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ chỉnh l-u thyristor. Dòng điện chỉnh l-u cũng chính là dòng điện phần ứng động cơ. Chế độ làm việc của chỉnh l-u phụ thuộc vào ph-ơng thức điều khiển và các tính chất của tải. Trong truyền động điện, tải của chỉnh l-u th-ờng là cuộn kích từ (L-R) hoặc mạch phần ứng động cơ (L-R-E). Ph-ơng trình đặc tính cơ cho hệ T-Đ ở chế độ dòng điện chỉnh l-u liên tục: 2 cos ( ) do dm dm E R M k k a w = - F F Độ cứng của đặc tính cơ là 2 dm k R b ổ ử F ữ ỗ = ữ ỗ ữ ữ ỗ ố ứ trong đó R là tổng trở toàn mạch phần ứng động cơ (gồm điện trở phần ứng động cơ R - và điện trở các phần tử trong mạch nối tiếp với phần ứng động cơ). Tốc độ không tải lý t-ởng phụ thuộc vào góc điều khiển : cos do o dm E k a w = F . Tuy nhiên, tốc độ không tải lý t-ởng này chỉ là giao điểm của trục tung với đoạn thẳng của đặc tính cơ Đặc tính cơ hệ T-Đ. M 0 kéo dài. Thực tế, do có vùng dòng điện gián đoạn, tốc độ không tải lý t-ởng của đặc tính là lớn hơn. Họ đặc tính cơ của hệ thống trong tr-ờng hợp này nh- trên hình 4-3 khi điều chỉnh ở vùng d-ới tốc độ định mức. Các đặc tính cơ của hệ truyền động T-Đ mềm hơn hệ F-Đ vì có sụt áp do hiện t-ợng chuyển mạch giữa các thyristor. Góc điều khiển càng lớn thì điện áp đặt vào phần ứng động cơ càng nhỏ. Khi đó, đặc tính cơ hạ thấp và ứng với một mômen cản M c , tốc độ động cơ sẽ giảm. Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ: khi phụ tải nhỏ thì các đặc tính cơ có độ dốc lớn (phần nằm trong vùng gạch chéo). Đó là vùng dòng điện gián đoạn. Góc điều khiển càng lớn (khi điều chỉnh sâu) thì vùng dòng điện gián đoạn càng rộng và việc điều chỉnh tốc độ gặp nhiều khó khăn hơn. Trong thực tế tính toán hệ T-Đ, ta chỉ cần xác định biên giới vùng dòng điện gián đoạn, là đ-ờng phân cách giữa hai vùng dòng điện liên tục và gián đoạn. Biên giới giữa vùng dòng điện gián đoạn và liên tục có dạng đ-ờng ellipse với các trục là các trục toạ độ của đặc tính cơ: 2 2 2 2 ( ) ( ) 1 sin sin cos e m m E IL p U U p p p w p p p p + = - Dễ dàng nhận thấy độ rộng của vùng dòng điện gián đoạn sẽ giảm nếu ta tăng giá trị điện cảm L và tăng số pha chỉnh l-u p. Song khi tăng số xung p thì mạch lực chỉnh l-u cũng tăng độ phức tạp và cả mạch điều khiển cũng phức tạp hơn. Còn khi tăng trị số L sẽ dẫn tới làm xấu quá trình qúa độ (tăng thời gian quá độ) và làm tăng trọng l-ợng, kích th-ớc của hệ thống. Biên giới này đ-ợc mô tả bởi đ-ờng cong nét đứt trên hình 4-3. c . Đặc điểm hệ truyền động Thyristor - động cơ Ưu điểm nổi bật nhất của hệ T-Đ là độ tác động nhanh cao, không gây ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao. Điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất l-ợng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống. Hệ thống T-Đ có khả năng điều chỉnh trơn với phạm vi điều chỉnh rộng. Hệ có độ tin cậy cao, quán tính nhỏ, hiệu suất lớn. Nh-ợc điểm chủ yếu của hệ T-Đ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh l-u ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện và ở các truyền động có công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp của nguồn và l-ới xoay chiều. Hệ số công suất cos của hệ nói chung là thấp nhất là khi điều chỉnh sâu. 3 . Hệ thống truyền động điều chỉnh xung áp động cơ một chiều (XA-Đ) Hệ truyền động điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều (XA- Đ) sử dụng bộ điều chỉnh xung áp một chiều, trong đó các bộ khoá điện tử đóng vai trò cơ bản. Bộ điều chỉnh xung điện áp một chiều đ-ợc sử dụng khi có sẵn nguồn một chiều cố định mà cần phải điều chỉnh đ-ợc điện áp ra tải. Các bộ băm xung một chiều hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn với tải một cách chu kỳ theo một số luật khác nhau. Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó là các van bán dẫn. Song do chúng làm việc trong mạch một chiều nên khi dùng loại thyristor thông th-ờng nó không đ-ợc khoá lại một cách tự nhiên ở giai đoạn âm của điện áp nguồn nh- khi làm việc với nguồn xoay chiều. Do đó, buộc phải có một mạch chuyên dụng để khoá thyristor gọi là "mạch khoá c-ỡng bức", gây nhiều khó khăn trong thực tế. Vì vậy, hiện nay ta cố gắng sử dụng các loại van điều khiển cả đóng và ngắt nh- transistor bipolar, MOSFET và IGBT ở những dải công suất mà các van này chịu đ-ợc. Riêng với mạch công suất lớn vẫn phải dùng thyristor. Trong hệ truyền động điện, các bộ điều chỉnh xung áp một chiều chủ yếu áp dụng cho các động cơ điện một chiều có phụ tải dạng kéo (tàu điện, xe điện ). Đ Điều khiển U ng U đk Sơ đồ nguyên lý một hệ truyền động XA-Đ Nguyên tắc của các hệ truyền động XA-Đ là thay đổi tốc độ động cơ qua điện áp đặt vào phần ứng động cơ một chiều. Điện áp này là một điện áp ra của bộ XA tính theo giá trị trung bình : U - = U ng , trong đó: U - là điện áp phần ứng động cơ,U ng là điện áp một chiều cần băm , là hệ số lấp đầy xung: k t tt tt t T t với t t , t k là thời gian thông và khoá của bộ khoá điện tử. Do đó, khi điều chỉnh tốc độ động cơ qua điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, cần thay đổi hệ số của bộ XA. Hệ số này có thể thay đổi bằng 3 ph-ơng pháp: thay đổi t t , T hoặc cả hai. 4. Hệ Truyền Động xoay chiều có điều chỉnh tốc độ. Hệ truyền động này dùng động cơ không đồng bộ 3 pha. Loại động cơ này đ-ợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, chiếm tỉ lệ rất lớn so với động cơ khác. Ngày nay do sự phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử - tin học động cơ không đồng bộ mới khai thác đ-ợc hết các -u điểm của mình. Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động chỉnh l-u - triristo . Không giống nh- động cơ một chiều, động cơ KĐB có cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt. Từ thông động cơ cũng nh- mô men động cơ sinh ra phụ thuộc nhiều vào tham số. Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động diện động cơ không đồng bộ là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh . Trong công nghiệp th-ờng sử dụng bốn hệ điều chỉnh tốc độ : a. Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi Tiristo Nguyên tắc của ph-ơng pháp này là mô men của động cơ KĐB tỷ lệ với bình ph-ơng điện áp stato. Do đó có thể điều chỉnh đ-ợc mô men và tốc độ của động cơ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số b. Điều chỉnh điện trở mạch rô to Ph-ơng pháp này đ-ợc thực hiện theo nguyên tắc điều chỉnh trơn điện trở rô to bằng các van bán dẫn. Ưu điểm của ph-ơng pháp này là dễ tự động hoá việc điều chỉnh. Điện trở trong mạch rô to của động cơ KĐB : R r = R rd + R f Trong đó : R rd : điện trở dây quấn rô to R f : điện trở ngoài mắc thêm vào mạch stato Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rô to thì mô men tới hạn của động cơ không thay đổi và độ tr-ợt tới hạn tỉ lệ bậc nhất với điện trở Mô men i rd 2 r S RI3 M S i : Độ tr-ợt khi điện trở mạch rô to là R rd Nếu giữ cho I r = const thì M = const và không phụ thuộc tốc độ động cơ . Vì thế mà có thể ứng dụng ph-ơng pháp điều chỉnh điện trở mạch rô to cho truyền động có mô men tải không đổi . Ph-ơng pháp điều chỉnh trơn điện trở mạch rô to bằng ph-ơng pháp xung : .R T t R tt t RR 0 d 0 nd d 0e R e là điện trở t-ơng đ-ơng trong mạch rô to đ-ợc tính theo thời gian đóng t d và thời gian ngắt t n của một khoá bán dẫn cho phép một điện trở R 0 vào mạch hay không . c. Ph-ơng pháp điều chỉnh công suất tr-ợt Đối với các hệ truyền động công suất lớn, tổn hao P s là lớn. Vì vậy để diều chỉnh đ-ợc tốc độ vừa tận dụng đ-ợc công suất tr-ợt ng-ời ta dùng các sơ đồ điều chỉnh công suất tr-ợt. . động điện một chiều tạo thành hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ (hệ T-Đ). a . Hệ truyền động thyristor -động cơ (T-Đ) Hệ truyền động T-Đ là hệ truyền động động cơ điện một chiều kích từ. truyền động máy phát - động cơ một chiều (Hệ F- Đ). Hệ thống truyền động chỉnh l-u điều khiển thyristor- động cơ một chiều ( Hệ T-Đ). Hệ thống điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều ( Hệ XA- Đ). 1. chiều ( Hệ XA- Đ). 1 . Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (F-Đ) a . Cấu trúc hệ F-Đ Hệ thống máy phát - động cơ (hệ F-Đ hay Ward-Léonard) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi