CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỌNG cơ và các PHƯƠNG PHÁP điều CHỈNH tốc độ ĐỘNG cơ DC

Đó là các quan hệ giữa tốc độ n, momen M, dòng điện phần ứng Iư vàhiệu suất  theo công suất có trên trục P2 : Ta thấy đặc tính cơ cứng và tốc độ rất ít thay đổi khi P2 thay đổi nênđược

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ DC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC

I Giới thiệu về động cơ một chiều

Nhược điểm chủ yếu của máy điện một chiều là có cổ góp làm cho cấu tạophức tạp, đắc tiền , kém tin cậy và nguy hiểm trong môi trường dễ nổ Khi sử dụngđộng cơ một chiều cần phải có nguồn một chiều kèm theo

2 Nguyên lý làm việc

Khi cho điện áp một chiều U vào 2 chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứngcó dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực

Fđt tác động làm cho rô to quay Chiều lực xác định theo qui tắc bàn tay trái

Phương trình điện áp:

U = Eư + Rư Iư Trong đó: Eư làsức phản điện

Iư là dòng điện trong dây quấn phần ứng

Rư là điện trở của dây quấn phần ứng

U là điện áp đưa vào

Sức điện động của động cơ điện một chiều:



n a

PN Fu

60 ' 

Trong đó : p là số đôi cực từ chính

N là số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần cứng

a là số đôi cực nhánh song song của cuộn dây

n là tốc độ quay (vòng / phút)

 là từ thông kích từ dưới một cực từ (wb)

Mômen điện từ của động cơ:



 ..

Momen điện từ là momen quay, cùng chiều với tốc độ quay n

3 Điều chỉnh tốc độ

Ta có phương trình: Eư = U – Rư Iư

Thay trị số Eư = kE  n

Ta có phương trình tốc độ:

Ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ:

 Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng:

Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ sẽ giảm Tổn hao trênphần ứng lớn nên chỉ số sử dụng với động cơ công suất nhỏ

 Thay đổi điện áp U:

Nguồn điện một chiều điều chỉnh được dùng để cung cấp điện áp chođộng cơ Phương pháp này được sử dụng nhiều

 Thay đổi từ thông:



, ,

E

u uK

I R U

n  



,

M

u K

M

M K

K

R R K

U n

M E

P u

E 2

,      Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ Khi điều chỉnh tốc độ ta kết hợp các phương pháp trên với nhau Ví dụ: phương pháp thay đổi từ thông kết hợp với phương pháp thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh rất rộng Đây là ưu điểm lớn của động cơ điện một chiều 4 Đặc tính động cơ điện kích từ song song Đường đặc tính cơ: n = f(M) Ta có : M = KM Iư .



Để thay đổi tốc độ ta thêm điện trở Rp

, , E E K K u u I R U n     M K K R K U n M E u E 2

,



 



M

RP = 0

RP  0 n

Iư

+

-+ A1

A2

+ -F1

F2 Ikt

Kích từ song song

Đường đặc tính cơ

 Đặc tính làm việc:

Đặc tính làm việc được xác định khi điện áp và dòng điện kích từ khôngthay đổi Đó là các quan hệ giữa tốc độ n, momen M, dòng điện phần ứng Iư vàhiệu suất  theo công suất có trên trục P2 :

Ta thấy đặc tính cơ cứng và tốc độ rất ít thay đổi khi P2 thay đổi nênđược dùng trong máy cắt kim loại, máy công cụ Điều chỉnh tốc độ với yêu cầucao sẽ được dùng động cơ kích từ độc lập

5 Đặc tính động cơ điện kích từ độc lập

P2

In

M

Iưn



M





Ưu điểm: khi làm việc máy không bị ảnh hưởng bởi Ikt

Nhược: tốn kinh phí do nguồn kích

6 Đặc tính động cơ điện kích từ nối tiếp

R k M k

U k

Kích từ nối tiếp

-+V

Iư+-

Đặc tính cơ

Phương trình đặc tính có dạng Hyperpon _ đặc tính cơ mềm, dễ thay đổitốc độ hơn kích từ song song Nhưng dễ gây hỏng động cơ khi tăng tốc độ Dođó, không cho phép động cơ kích từ nối tiếp mở máy không tải hoặc tải nhỏ

 Đặc tính làm việc:

Động cơ làm việc với tốc độ n nhỏ hơn ngh

Khi chưa bão hòa momen quay động cơ tỷ lệ với bình phương dòng điện,tốc độ giảm theo tải, động cơ kích từ nối tiếp thích hợp trong chế độ tải nặngnề

7 Đặc tính động cơ điện kích từ hỗn hợp

P2Vùng làm việc

n

IM

ngh

Kích từ hổn hợp

Iư

-+

Các dây quấn kích từ có thể nối thuận (từ trường 2 dây quấn cùng chiều) làmtăng từ thông, hoặc nối ngược (từ trường 2 dây quấn ngược nhau) làm giảm từ thông.

Đặc tính cơ động cơ kích từ hỗn hợp khi nối thuận (đường 1) sẽ là trung bìnhgiữa đặc tính cơ của động cơ kích từ somg song (đường 2) và nối tiếp (đường 3) ở hìnhtrên

Các động cơ làm việc nặng nề, dây quấn kích từ nối tiếp là dây kích từ chính,dây quấn kích từ song song là phụ và nối thuận Dây quấn kích từ song song bảo đảmtốc độ động cơ không tăng quá lớn khi M nhỏ

Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là kích từ phụ và nốingược, có đặc tính rất cứng (đường 4), tốc độ hầu như cố định khi momen thay đổi.Thích hợp với các động cơ yêu cầu tốc độ ít thay đổi

II CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC

Trong công nghiệp đòi hỏi có nhiều cấp tốc độ khác nhau, tùy theo yêu cầucần thiết mà người ta chọn cấp tốc độ này hay cấp tốc độ khác Để có các cấp tốc độkhác nhau, ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền hay thay đổitốc độ của chính động cơ truyền động

423

1n

MĐặc tính cơ

Thông thường để chỉnh tinh tốc độ ta dùng phương pháp thay đổi tốc độ củađộng cơ truyền động, các phương pháp điều chỉnh sau:

1 Điều chỉnh các thông số ở mạch của máy điện

- Điều chỉnh điện trở của mạch phần ứng

- Điều chỉnh kích từ của động cơ

Phương pháp điều chỉnh này có tốc độ cứng, đặc tính cơ giảm nên độ chính xáctrong việc duy trì tốc độ không cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ hẹp, độ tinh điều chỉnhkém Khi điều chỉnh càng sâu thì sai số tốc độ tăng và mement ngắn mạch giảm,nghĩa là độ chính xác duy trì tốc độ và khả năng quá tải kém

Phương pháp này không được khuyến khích thực hiện

2 Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho phần ứng động cơ.

- Hệ thống máy phát- động cơ

- Hệ biến đổi van điều khiển (SCR)-động cơ

- Hệ điều áp van _ từ _ động cơ (khuếch đại từ _ động cơ)

- Hệ điều áp nguồn _ động cơ

Về các chỉ tiêu kỹ thuật và năng lượng thì phương pháp điều áp xung đượcđánh giá tốt

Trước hết nó là phương pháp điều chỉnh triệt để, nghĩa là có thể điều chỉnh tốcđộ trong bất kỳ vùng tải nào, kể cả khi không tải lý tưởng Đặc tính cơ điều chỉnh đảmbảo được sai số tốc độ nhỏ, khả năng quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và tổn hao nănglượng thấp Bởi vì đặc tính cơ của phương pháp tuy mềm hơn đặc tính cơ tự nhiênnhưng cứng hơn khi dùng phương pháp điều chỉnh thông số Mặt khác vì phần tử điềuchỉnh đặc trong mạch điều khiển của bộ biến đổi là mạch có công suất nhỏ, nên độtinh chỉnh cao, thao tác nhẹ nhàng và có khả năng cải thiện thành hệ tự động vòngkín

Nhược điểm: là phải dùng bộ biến đổi phức tạp nên vốn đầu tư cơ bản và vậnhành phí cao Tuy nhiên với các ưu điểm trên, phương pháp này tạo được năngsuất cao, tổn thất năng lượng ít do đó được sử dụng rộng rãi

3 Điều chỉnh sơ đồ

- Sơ đồ phân mạch phần ứng

- Sơ đồ dùng hai động cơ DC liên kết nối cứng với nhau

- Sơ đồ dùng hai động cơ liên kết nối hở với nhau

4 Phương pháp điều rộng xung

Điện áp ra bao gồm những xung có bề rộng thay đổi được và biên độ là hằngsố Yêu cầu là mạch có khả năng đóng ngắt ở tần số cao, có thể đóng ngắt riêng chotừng ngắt khác nhau Các loại mạch này thích hợp cho các mạch động lực dùngtransistor công suất, việc đóng ngắt nhiều lần, nếu ta thay đổi được các độ rộng xungtrong một chu kỳ thì ta có thể hạn chế được sóng hài bậc cao

Với những nhận xét ưu điểm của bốn phương pháp điều chỉnh trên ta nhậnthấy: Để điều chỉnh tốc độ động cơ DC cần có dải điều chỉnh rộng, đòi hỏi chất lượngđiều chỉnh cao, ta chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DC bằng phương phápđiều rộng xung nghĩa là thay đổi được ton và fxung= 1/T = const

III CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Một hệ thống truyền động điện điều chỉnh có thể là tự động nếu có dùng cáckhâu hồi tiếp để lập thành vòng kín hoặc là bán tự động khi chỉ điều khiển vòng hởvà chỉ bằng tay

Chất lượng của hệ được đánh giá nhờ các chỉ tiêu sau đây:

1 Sai số tĩnh tốc độ

Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt Nólà giá trị tương đối của độ sụt tốc ứng với tải định mức so với tốc độ đặt khi không tảilý tưởng

 : Tốc độ không tải lý tưởng ứng với giá trị đặt

Vì đặc tính cơ của hệ thống là đường thẳng nên ta có quan hệ:

M S





%  (1-2)Như vậy sai số tốc độ phụ thuộc vào độ cứng của đặc tính cơ , tốc độ đặt khikhông tải lý tưởng od và phụ tải trên trục động cơ Mc

Sai số  càng nhỏ nghĩa là độ chính xác càng cao thì hệ càng tốt

Nói chung các hệ bán tự động có độ chính xác không cao, đa số phương phápđiều chỉnh thông số có S lớn còn phương pháp điều chỉnh nguồn thì S nhỏ hơn nhiều

cơ Một số máy điện một chiều tốc độ lớn nhất còn bị giới hạn bởi điều kiện chuyểnmạch vì khi tốc độ lớn tia lửa phát sinh trên cổ góp dưới các chổi than sẽ mạnh lên vàcó thể không cho phép Vì vậy thông thường chỉ cho phép

dm qt cMAX

Trong đó: Kqt: Hệ số quá tải do máy gây ra

Hình 1_1

Từ hình trên ta có thể tính được tốc độ nhỏ nhất ứng với moment tải định mức

min = (Kqt.Mđm – Mđm)tg (1-5)Suy ra:

min = Mđm(Kqt - 1).1/

Từ (1-4) và (1-5) ta có:

1

1 )

1 (

* 0

dm MIN

MAX

K M

*

* 0

b u

dm R R

 



Độ cứng tương đối của đặc tính cơ: *

Trường hợp máy sản xuất có yêu cầu cao về độ chính xác duy trì tốc độ thìphải điều chỉnh D được xác định theo sai số tốc độ cho phép (scp) ứng với đường đặctính thấp nhất ta có:

min 0 min

0

min min 0

M S

cp dm MIN

MAX

M S

S M D

).

1 (

2

) (

.

.

R I E

I E P

P

u u



2 2

1

)

(

.

M R K

R M M

P P

*

*

) (

.1





Ngoài tổn hao trong phần ứng còn có tổn thất trong các thiết bị biến đổi Khi đóhiệu suất của toàn hệ thống là:

 = ư +sc

Trong đó:

sc: hiệu suất của thiết bị biến đổi

4 Hệ điều khiển

Hệ điều khiển tốc độ động cơ DC phân thành hai loại:

- Hệ thống hở

- Hệ thống kín

a Hệ thống hở

Hệ thống hở còn gọi là hệ thống bán tự động, nó thực hiện nguyên tắc khốngchế cứng, tức là tín hiệu ra không cần đo lường để hồi tiếp chuyển về đầu vào Mọisự biến đổi của tín hiệu ra không phản ánh vào thiết bị điều khiển

Hình 1_2: Sơ đồ khối của hệ thống hở

 Nguyên lý điều chỉnh

Đối với động cơ DC khi giữ điện áp phần ứng không đổi, ta thay đổi độ rộngxung kích thì tốc độ của động cơ sẽ thay đổi và tránh được những biến động lớn về giatốc và động lực trong hệ

Khối điều khiển Bộ biến đổi Động cơ DC

Bộ ĐảoChiều

Vi+-

Hình1_3: Sơ đồ nguyên lý tổng quát.

Bộ biến đổi đảo chiều có nhiệm vụ thay đổi chiều điện áp đặt lên động cơ

b Hệ thống kín

Hệ thống kín còn gọi là hệ thống điều khiển tự động, nó thực hiện nguyên tắcđiều khiển có phản hồi, tức là tín hiệu ra được đo lường và phản hồi đến đầu vào bộđiều khiển để tạo ra tín hiệu điều khiển và thông qua bộ biến đổi điều chỉnh lại tốcđộ động cơ tương ứng với giá trị tín hiệu đặt

Hình1_4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín

Khi sử dụng hệ thống điều khiển bán tự động thường sai số tốc độ tĩnh tươngđối lớn do đặc tính cơ tự nhiên của động cơ thường gặp đều có độ cứng không đủ lớn.Đặc biệt là khi điều chỉnh dưới tốc độ cơ bản, độ cứng giảm hoặc tốc độ không tải lýtưởng giảm Vì vậy trong thực tế khi điều khiển động cơ người ta thường dùng hệ kínđể giảm sai số tốc độ và mở rộng dải điều chỉnh Vì sai số tĩnh của tốc độ phụ thuộcvào độ cứng của động cơ nên biện pháp chủ yếu dùng để ổn định hóa trong hệ là làmtăng độ cứng đặc tính cơ, muốn vậy thông số điều chỉnh phải thay đổi tự động theogiá trị phụ tải sao cho đủ khả năng bù trừ lượng sụt tốc do tải gây ra Do đó người tasử dụng các vòng hồi tiếp dòng điện, tốc độ truyền động tự động vòng kín

 Nguyên lý điều khiển tự động vòng kín

Trong hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC bằng cách đổi dấu điện áp cungcấp phần ứng động cơ Khi đó tốc độ làm việc của động cơ được điều chỉnh nhờ thay

Khối điều khiển Bộ biến đổi Động cơ DC

Phản hồi

đổi tốc độ không tải lý tưởng n0 Còn độ cứng của đặc tính cơ  được giữ nguyên nhưhình vẽ:

Hình1_5Giả sử các đặc tính của hệ có độ cứng là  và khi điều chỉnh đến tốc độ min thìsai số tĩnh vượt quá giới hạn cho phép

MIN

MIN MIN

5 Khảo sát hệ điều chỉnh tốc độ động cơ DC theo vòng kín

Động cơ DC kích từ độc lập được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, điềukhiển vòng hở không thoả mãn yêu cầu đặt ra về cơ cấu Vì thế hệ thống đòi hỏi yêucầu chính xác cao nghĩa là cần phải thay đổi góc kích trong quá trình biến đổi tải, nêngiải quyết bằng hệ thống điều khiển vòng kín

-Hình 1_6: Sơ đồ điều khiển vòng kín.

Khi moment tải thì tín hiệu đầu vào là:

t = đ + htTín hiệu điều khiển (Uđk) tăng làm thay đổi góc kích và làm tăng điện áp phầnứng do đó làm tăng moment động cơ nên sự thay đổi tốc độ được giảm bớt đáng kể vàcứ như thế trong trạng thái quá độ mà giá trị moment động cơ và M0 cân bằng, haynói cách khác là hệ cứng tăng modul độ cứng đặc tính cơ

Đây là vấn đề chủ yếu trong hệ kín

Nhờ hệ điều khiển vòng kín có đặc điểm làm hệ truyền động có độ chính xáccao, tác dụng nhanh, ảnh hưởng của thành phần nhiễu bị hạn chế, tính được hàmtruyền với ẩn số là Iư

u

u u

u u

u

u u

u

T S

s E s U R s L R

s E s U s

I

1

) ( ) (

1 ) (

) ( ) ( )

T S

s M s M S

J B

s M s M s

1

) ( ) (

1

) ( ) ( )

với : T M J : Hằng số cơ

6 Hàm truyền của động cơ kích từ độc lập

Vkt

+-

-Hình 1_7: Sơ đồ tương đương của động cơ

Phương trình cân bằng điện áp

dt

dI L I R E

u u u

( 1

) ( )

( ) ( ).

( 1

) ( )

(

2 2

2 1

1

s H s G

s G s

U s H s G

s G

1 (

.

) 1 (

1

) 1 (

1 )

(

1

M u

u

M u

u

T s T

s R

B

K

B T s

K T s R

s G

G





2( ) ( (1. ) . )

u

u s T R

K s

u

u K R B s T s T

K s

Ta thấy rằng Tu TM nên:

Vậy (1-27) được viết lại là:

M u

u u

M u

u

T B R K

R s

B R K

K T

s B R K

K s

) ( 1

1

) (

)

1 ( )

(

)

B R T

) (

M

M

K s

K T

s B

K s

I

s

1 ) 1 ( ) (

1 ( s T u s T M  s T M

) 1 (

K

) 1 (

1

M

T s

Hình 1_8: Sơ đồ cấu trúc của hệ kínSử dụng công thức (1-31) ta có:

1

2 1

1 )

(

) ( ) (

) ( ) (

) (

M

M M

M u

u

T s K

K s U

s s

s I s U

s I

M M

) (

(

) (

M

M M

u

u

T s

T s K

s U

s I







Khi phân tích động cơ DC kích từ độc lập có thể phân tích thành hai khối sau:

Hình 1-9: Sơ đồ cấu trúc đơn giản hoá

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẢO CHIỀU QUAY ĐỘNG CƠ DÙNG TRANSISTOR

1 Các phương pháp đảo chiều quay

Để đảo chiều động cơ có thể thiết kế hệ đảo chiều theo ba phương pháp sau:

a Đảo chiều dòng kích từ

1

1

1

) 1 (

M

M M

T s

T s K

K



Phương pháp này dùng một bộ biến đổi đơn trong mạch phần ứng và một bộtiếp điển đảo chiều trong mạch kích từ Phương pháp này đơn giản về mặt thiết bị, giáthành hạ, thuận tiện trong việc vận hành, bảo quản Nhưng do quán tính mạch từ củamạch kích từ lớn nên thời gian đảo chiều của động cơ có thể đến vài giây.

b Đảo chiều dòng phần ứng bằng một bộ biến đổi đơn và một bộ tiếp điểm đảo chiều trong mạch phần ứng

Phương pháp này thời gian đảo chiều nhanh hơn phương pháp trên và sơ đồtương đối đơn giản Nhược điểm của nó là phải dùng các tiếp điểm của mạch độnglực Ta sử dụng quy luật điều khiển bộ biến đổi để đảm bảo đóng cắt tiếp điểm khidòng phần ứng gần bằng không, nhưng khi đó tác động của hệ thống trong các quátrình quá độ phải bắt buộc diễn ra theo trình tự nhất định, do đó làm tác động nhanh

c Đảo chiều cực tính điện áp trên mạch phần ứng dùng bộ biến đổi kép

Phương pháp này tuy phức tạp nhưng tránh được những nhược điểm của haiphương pháp trên Bộ biến đổi kép gồm hai bộ biến đổi đơn, một để tạo điện ápthuận, một tương ứng với điện áp ngược Tương ứng với hai chiều quay của động cơ.Việc bố trí hai bộ biến đổi đơn thành bộ biến đổi kép được thực hiện như sau:

Tùy theo giá trị điện áp Uđk mà xung kích điều khiển cả hai bộ biến đổi thayđổi Như vậy một bộ biến đổi sẽ hoạt động ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ kia sẽ hoạtđộng trong chế độ nghịch lưu

Ta có:

Ud = Ud1 – Ud2

Ud: Điện áp trung bình đặt lên động cơ

Trong bộ biến đổi kép lý tưởng, điện áp ở đấu ra của mỗi bộ biến đổi bằng vớiđiện áp trên tải, còn dòng thì có thể chạy qua tải theo chiều phụ thuộc vào khoá đảochiều quay của động cơ

2 Chế độ làm việc

a Chế độ làm việc xác lập

Khi làm việc trong chế độ xác lập với điện áp điều khiển dương thì vận tốckhông đổi ứng với vận tốc nào đó Lúc đó trong hai bộ biến đổi có một bộ biến đổi