225952

Đ ồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU . Xét phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng động cơ điện một chiều: U = E + R ư .I ( I – 1 ) Trong đó: U – điện áp phần ứng động cơ (V); E – sức điện động phần ứng động cơ (V); R ư – điện trở của mạch phần ứng (Ω ). Sức điện động của mạch phần ứng động cơ được xác định như sau: E = a.2 N.p π .φ.ω = K.φ.ω ( I – 2 ) Trong đó: K = a.2 N.p π là hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ; a - số mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng; p – là số đôi cực từ chính; N – tổng số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng; φ - từ thông kích từ; ω - tốc độ góc ( rad/s ). ω = 60 n.2 π = 55,9 n Từ ( I – 1 ) và ( I – 2 ) suy ra : ö ö K. I. R .K U φ − φ =ω ( I – 3 ) Phương trình ( I – 3 ) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định theo công thức : ööñt I KI a.2 N.p M φ=φ π = ( I – 4) Từ phương trình ( I –3 ) và ( I – 4) ta được : Đ ồ án tốt nghiệp ñt ö M. ).K( R .K U 2 φ − φ =ω (I – 5) Nếu bỏ qua các tổn thất ma sát trong các ổ trục, tổn thất trong thép, tổn thất trong dây quấn động cơ thì ta có : M cơ = M đt Để đơn giản ta kí hiệu : M cơ = M đt = M , lúc đó ta có : M. ).K( R .K U 2 φ − φ =ω ö ( I - 6) Phương trình ( I-6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều. Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ, ta nhận thấy tốc độ phụ thuộc vào 3 thông số là : R, φ, U. Do vậy có 3 phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều như sau : - Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng của động cơ. - Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông φ. - Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng. I. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng. Giả thiết U = U đm = const. Muốn thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng, bằng cách mắc thêm một điện trở phụ R f vào mạch phần ứng và thay đổi giá trị điện trở R f thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi theo. Vậy phương trình đặc tính cơ lúc này sẽ là : M. ).K( RR .K U 2 f ñm ö ñm φ + − φ =ω Ta thấy rằng khi thay đổi giá trị điện trở R f thì tốc độ sẽ thay đổi theo. - Xét đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi mắc R f vào mạch điện phần ứng như sau : ω 1 = ω đm ω 2 ω 3 (2) R >0 ( 1 ) R ư = R TN ω o Đ ồ án tốt nghiệp Ta có : ωΔ−ω= φ − φ =ω o 2 M ).K( R .K U ö Trong đó : ω o – là tốc độ không tải, ω o = const; ωΔ - là độ sụt tốc độ. - Theo đường đặc tính ta có : M ).K( R 2 1 ñm ö φ =ωΔ M ).K( RR 2 1f 2 ñm ö φ + =ωΔ M ).K( RR 2 2f 3 ñm ö φ + =ωΔ Ta giả thiết U, φ, I ư , là những hằng số. Do vậy nên mômen M cũng là hằng số. Mặt khác, vì R ư < R f1 < R f2 nên ta có : 321 ∆ω∆ω∆ω << - Độ cứng của đặc tính cơ : Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên : ö ñm R ).K(M d dM 2 TN φ = ωΔ Δ ≈ ω =β ö ñm R ).K( 2 TN1 φ =β=β 1f 2 2 RR ).K( + φ =β ö ñm 2f 2 3 RR ).K( + φ =β ö ñm Vậy 321 βββ >> . Ä Nhận xét : Đ ồ án tốt nghiệp - Nếu ở cùng một giá trị mômen cản M C thì độ sụt tốc độ sẽ càng lớn nếu điện trở của mạch phần ứng càng lớn và làm cho tốc độ động cơ bị suy giảm, đồng thời làm cho độ cứng của đặc tính cơ càng giảm, tức là đặc tính cơ càng dốc. Dựa vào đặc tính cơ ta thấy, tốc độ làm việc ω 2 , ω 3 ở các đường đặc tính điều chỉnh (2) và (3) nhỏ hơn tốc độ ω đm trên đường đặc tính tự nhiên. Vậy tốc độ truyền động chỉ được điều chỉnh về phía dưới, tức là tốc độ điều chỉnh nhỏ hơn tốc độ định mức. - Hiệu suất của phương pháp này thấp. Ta có : ñieän cô P P =η Mặt khác ta có : ñmcñmcô1 .ωMP = 2cñmcô2 .ωMP = 3cñmcô3 .ωMP = Theo giả thiết ở trên, ta có U, I ư , φ, M c là những hằng số và là những đại lượng định mức. Nên ta có: cons t.IUPPP ñmñmñieän3ñieän2ñieän1 ==== Suy ra 321 ηηη >> , vậy khi điều chỉnh tốc độ theo phương pháp này sẽ không kinh tế, do có tổn hao trên các điện trở phụ nên làm cho hiệu suất của thiết bị giảm. Vì vậy nên phương pháp này trong thực tế ít sử dụng. II. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây kích từ. Giả thiết U = U đm = const và R ư = const. Muốn thay đổi từ thông thì ta phải thay đổi dòng điện kích từ I kt . Ta có phương trình đặc tính cơ như sau: ωΔ−ω= φ − φ =ω o 2 M ).K( R .K U ö Trong đó : ω o – là tốc độ không tải, ω o = var ; ωΔ - là độ sụt tốc độ, ωΔ = var. - Ta có đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi từ thông mạch kích từ như sau: ω 02 ω 01 (2) ω 02 ω 01 ω đm ω ω Đ ồ án tốt nghiệp Đường (1) là đường ứng với khi φ 1 = φ đm ; Đường (2) là đường ứng với khi φ 2 < φ 1 = φ đm . Theo đường đặc tính cơ ta có : 1 ñm ñm ñm φ = φ =ω=ω .K U .K U 01TN0 2 02 .K U φ =ω ñm - Độ cứng của đăc tính cơ: var R ).K(M d dM 2 = φ = ωΔ Δ ≈ ω =β ö Do cấu trúc của máy điện nhất định nên cuộn dây kích từ chỉ chịu được dòng kích từ định mức, do vậy thực tế chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh giảm từ thông ( φ <φ đm ). Khi ta cho giảm từ thông thì lúc đó tốc độ không tải sẽ tăng lên. Ä Nhận xét: - Đặc tính điều chỉnh theo từ thông φ có độ cứng càng giảm xuống nếu như ta càng giảm từ thông, tức là đặc tính cơ càng dốc. Nghĩa là tốc độ thì sẽ tăng vọt còn mômen thì giảm nhanh, làm cho hệ số quá tải giảm. Vì vậy làm cho động cơ làm việc kém ổn định. - Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm từ thông không phù h ợp với những tải có mômen cản là hằng số ( M C = const ). Vì M C = K M . φ.I = const . Do vậy khi φ giảm thì làm cho I tăng lên gây phát nóng động cơ. - Giải điều chỉnh của phương pháp này cũng bị hạn chế bởi tốc độ cao nhất của động cơ, khi tốc độ cao quá thì có thể làm hỏng phần quay của động cơ do lực li tâm lớn. III. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng . Đ ồ án tốt nghiệp Giả thiết φ = φ đm = const, khi ta thay đổi giá trị điện áp phần ứng thì ta có tốc độ không tải lí tưởng cũng thay đổi theo. Do cấu trúc cuộn dây phần ứng chỉ chịu được điện áp U đm nên thực tế chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh giảm điện áp phần ứng. Tốc độ không tải và độ sụt tốc : var .K U i oi = φ =ω ñm ; constM ).K( R 2 = φ =ωΔ ñm ö . - Đặc tính cơ : - Độ cứng đặc tính cơ : const R ).K( 2 = φ =β ö ñm Khi giảm điện áp phần ứng động cơ thì ta được một họ đặc tính cơ song song và nằm về phía dưới đặc tính cơ tự nhiên. Và khi giảm điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ giảm xuống tương ứng với một phụ tải nhất định. Ä Nhận xét: - Các đặc tính cơ nhân tạo có độ dốc không đổi ( tức là β = const ), nên tốc độ điều chỉnh được ổn định tương đối. - Phương pháp này có thể điều chỉnh được vô cấp tốc độ. - Dải điều chỉnh tốc độ của phương pháp này rất lớn. - Phương pháp này có thể tự động hóa mạch điều khiển và mạch động l ực và có thể làm việc ở cả 4 góc phần tư của đồ thị đặc tính cơ. - Hiệu suất của phương pháp này tương đối cao và giống nhau ở các đường đặc tính do không có tổn hao trên điện trở. IV. Kết luận chọn phương pháp điều khiển : Trong ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ nói trên thì ta nhận thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm điện áp phần ứng là hiệu quả hơn cả vì những ưu điểm nói trên. Vậy ta chọn phương pháp giảm điện áp phần ứng động cơ để điều chỉnh tốc độ động cơ. V. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. U đm U 1 U 2 U 3 ω ω o ω o1 ω o2 ω o3 M Đ ồ án tốt nghiệp 1. Nguyên lý điều chỉnh : Để điều chỉnh điện áp phần ứng ta dùng một bộ biến đổi điều chỉnh được điện áp đầu vào cấp cho mạch phần ứng động cơ. Bộ biến đổi BBĐ dùng để biến đổi điện xoay chiều của lưới thành điện một chiều và điều chỉnh điện áp ra của nó theo yêu cầu. Hiệ n nay thường dùng ba loại bộ biến đổi sau đây : - Bộ biến đổi máy phát điện một chiều. - Bộ biến đổi xung áp một chiều. - Bộ chỉnh lưu bán dẫn. Tương ứng với việc sử dụng bộ biến đổi, ta có các hệ truyền động như sau : - Hệ truyền động máy phát – động cơ ( hệ F – Đ ). - Hệ truyền động xung áp – động c ơ điện một chiều ( hệ XA – Đ ). - Hệ truyền động chỉnh lưu Tiristor – động cơ ( hệ T – Đ ). Từ sơ đồ nguyên lí nói trên, ta có sơ đồ khối như sau : Ta có phương trình cân bằng điện áp như sau : E = U bđ – ( R bđ + R ư )I ư Suy ra : M ).K( )RR( .K U 2 b ñm ñbñ ñm bñ φ + − φ =ω Trong đó : φ =ω .K U bñ o là tốc độ không tải lí tưởng; ∅ ∅ ~ ∅ ∅ ∅ KT BBĐ I R bđ R ư U bđ E Đ ồ án tốt nghiệp ω.K.E ñm φ= là sức điện động dây quấn phần ứng động cơ. U bđ = K a .U đk với : K a - hệ số khuếch đại của bộ nguồn. U đk – điện áp điều khiển. Vậy : )U(f .K U.K a o ñk ñm ñk = φ =ω 2. Hệ truyền động máy phát – động cơ ( MF – ĐC ). - Sơ đồ nguyên lí : Giả thiết tốc độ của máy phát MF là ω F = const, sức điện động của máy phát E F = f( I kt ) theo qui luật đường cong từ hóa. Nếu coi mạch từ của máy phát không bão hòa thì đặc tính E F = f( I kt ) có dạng đường thẳng. Ta có : ktfffffff I .K KE αω=ωΦ= Trong đó : a.2 N.p K f π = - là hệ số cấu trúc của máy điện một chiều; f Φ - là từ thông kích từ máy phát; α - là hệ số góc của đường đặc tính từ hóa máy phát ( ở đọan tuyến tính); ktf f ktf f IdI d Δ ΔΦ ≈ Φ =α Vì dây quấn kích thích của máy phát được cấp bởi nguồn áp U ktf nên lúc này ta có : ∅ — ∅ + KTĐC R f KTF ĐCSC ~ ∅ ∅ ∅ ∅ ∅ F Đ Đ ồ án tốt nghiệp ktf ktf kt R U I = suy ra : I ktf ≡ U ktf Sức điện động của máy phát trong trường hợp này sẽ tỉ lệ với điện áp kích thích bởi hệ số tỉ lệ K u , vì vậy ta có thể viết : E f = K u .U ktf Mà điện áp của bộ biến đổi U bđ chính là E f nên ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ như sau : M ).K( )RR( .K U.K 2 ktfu ññ öföñ ññ Φ + − Φ =ω - Tốc độ không tải lí tưởng của động cơ : )U(f .K U.K ktf ktfu o = Φ =ω ññ (1) - Độ cứng của đặc tính cơ : öñöf ññ RR )K( 2 DF + Φ =β − = const (2) Từ (1) và (2) chứng tỏ rằng khi thay đổi dòng kích từ từ máy phát thì tốc độ không tải của động cơ sẽ thay đổi còn độ cứng của đặc tính cơ thì giữ nguyên. Vì vậy đặc tính cơ điều chỉnh sẽ là họ đường thẳng song song như sau : + Góc phần tư thứ (I) và (III), tốc độ quay ω và mômen quay M của động cơ quay cùng chiều nhau. Đây là chế độ động cơ, nói lên rằng năng lượng được vận chuyển thuận chiều từ nguồn → máy phát → động cơ → tải. + Góc phần tư (II) và (IV), tốc độ quay ω và mômen quay M của động cơ quay ngược chiều nhau. Đây được gọi là chế độ hãm tái sinh của động cơ, nói lên rằng năng lượng được vận chuyển theo chiều từ tải → động cơ → máy phát → nguồn, lúc này máy phát và động cơ đổi chức năng cho nhau . U ktf = 0 (III) (IV) (I) (II) o ω M Đ ồ án tốt nghiệp Hãm tái sinh trong hệ F – Đ được khai thác triệt để khi giảm tốc độ, hãm để đảo chiều quay và hãm khi làm việc ổn định với tải có tính thế năng. Ä Nhận xét : Hệ truyền động F – Đ có đặc tính động rất tốt và linh hoạt khi chuyển đổi trạng thái làm việc, khả năng quá tải lớn. Tuy nhiên, hệ F – Đ dùng nhiều máy điện quay, trong đó sẽ có ít nhất là 2 máy điện một chiều, vì vậy nên sẽ gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy phát lớn ít nhất gấp 3 lần công suất động cơ, cho nên hiệu suất của hệ truy ền động này không cao. Ngồi ra, do máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trễ nên khó điều chỉnh tốc độ theo ý muốn. 3. Hệ truyền động xung áp – động cơ ( XA – ĐC ). Bộ biến đổi xung áp là một nguồn điện áp dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. - Sơ đồ nguyên lí và giản đồ xung áp : Để cải thiện dạng sóng của dòng điện phần ứng, ta thêm vào mạch một van đệm V 0 . Có thể sử dụng Tiristor hoặc Trănzitor công suất để thay thế cho khóa K trong mạch trên. Khi đóng cắt khóa K, trên phần ứng động cơ sẽ có điện áp biến đổi theo dạng xung vuông. Khi ở trạng thái dòng liên tục thì giá trị trung bình của điện áp ra sẽ là: ∫ γ=== 1 t 0 CK 1 CK d U.U T t Udt T 1 U Trong đó : t 1 – thời gian khóa ở trạng thái đóng ; + ∅ V o - ∅ KTĐC • K ∅ ∅ ĐC U T CK t 2 t 1 t U d