BÀI 1 Cơ học truyền động điện

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA ĐIỆN Bài1: CƠ HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 Cấu trúc phân loại hệ thống truyền động điện tự động (TĐĐ) 1.2.1 Cấu trúc hệ thống truyền động điện tự động: * Định nghĩa hệ thống truyền động điện tự động: + Hệ truyền động điện tự động (TĐĐ TĐ) 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 thông tin để điều khiển trình biến đổi lượng theo yêu cầu công nghệ * Cấu trúc chung: Cấu trúc hệ TĐĐ TĐ 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, loại động đặc biệt - Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm cấu đo lường, điều chỉnh tham số công nghệ, khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ cho người vận hành Đồng thời số hệ TĐĐ TĐ khác có mạch ghép nối với thiết bị tự động khác với máy tính điều khiển 1.2.2 Phân loại hệ thống truyền động điện tự động: - Truyền động điện không 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 tự động điều chỉnh mô men, lực kéo, hệ truyền động điện tự TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA ĐIỆN động điều chỉnh vị trí Trong hệ hệ truyền động điện tự động nhiều động - Theo cấu trúc tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động điện tự động điều khiển số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện tự động điều khiển theo chương trình - Theo đặc điểm truyền động ta có hệ truyền động điện tự động động điện chiều, động điện xoay chiều, động bước, v.v - Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động không tự động hệ truyền động điện tự động - Ngoài ra, có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v 1.2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA MÁY SẢN XUẤT VÀ ĐỘNG CƠ 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(ω) + Đặc tính máy sản xuất đa dạng, nhiên phần lớn chúng biếu diễn dạng biểu thức tổng quát: q  ω  M C = M co + ( M dm − M co )  ÷  ωdm  Mc = Mco + (Mđm - Mco) Trong đó: Mc - mômen ứng với tốc độ ω Mco - mômen ứng với tốc độ ω = Mđm - mômen ứng với tốc độ định mức ωđm + Ta có trường hợp số mũ q ứng với tải: Khi q = -1, mômen 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 mômen 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) 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, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng cấu máy bơm, quạy gió, máy nén, (đường hình 1-2) + Trên hình 1-2a biểu diễn đặc tính máy sản xuất: TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA ĐIỆN Ngoài ra, số máy sản xuất có đặc tính khác, như: - Mômen phụ thuộc vào góc quay Mc = f(ϕ) mômne phụ thuộc vào đường Mc = f(s), máy công tác có pittông, máy trục cáp cân có đặc tính thuộc loại - Mômen phụ thuộc vào số vòng quay đường Mc = f(ω,s) Như loại xe điện - Mômen phụ thuộc vào thời gian Mc = f(t) nh− máy nghiền đá, nghiền quặng Trên hình 1-2b biểu diễn đặc tính máy sản xuất có mômen cản dạng Trên hình 1-2c biểu diễn đặc tính máy sản xuất có mômen 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(ω) + Nhìn chung có loại đặc tính loại động đặc trưng như: động điện chiều kích từ song song hay độc lập (đường 1), động điện chiều kích từ nối tiếp hay hỗn hợp (đường 2), động điện xoay chiều không đồng (đường 3), đồng (đường 4), hình 1-3 Thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ: + Đặc tính tự nhiên: đặc tính có động nối theo sơ đồ bình thường, không 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 thông 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 ” định nghĩa: β =∂ω / ∂M; đặc tính tuyến tính thì: β =ω∆ / ∆M; Hoặc theo hệ đơn vị tương đối: d TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA ĐIỆN Trong đó: ∆M ∆ω lượng sai phân mômen tốc độ tương ứng; M* = M/Mđm ; ω* = β= ω/ωđm ; ω* = ω/ωcb Hoặc tính theo đồ thị: mM tgγ mω + Động không đồng có độ cứng đặc tính thay đổi giá trị (β > 0, β < 0) + Động đồng có đặc tính tuyệt đối cứng (β ≈ ∞) + Động chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cứng (β ≥ 40) + Động chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính mềm (β ≤ 10) 1.4 CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA HỆ TĐĐ + Trong hệ truyền động điện tự động có trình biến đổi lượng điện thành ngược lại Chính trình biến đổi định trạng thái làm việc hệ truyền động điện Có thể lập Bảng 1-1: trạng thái động cơ: Ta coi dòng công suất điện P điện có giá trị dương có chiều truyền từ nguồn đến động từ động biến đổi công suất điện thành công suất cơ: Pcơ = M.ω cấp cho máy sản xuất tiêu thụ cấu công tác máy Công suất có giá trị dương mômen động sinh chiều với tốc độ quay trạng thái máy phát: ngược lại, hệ truyền động làm việc, điều kiện cấu công tác máy sản xuất tạo động tích lũy hệ đủ lớn, truyền trục động cơ, động tiếp nhận lượng làm việc máy phát điện Công suất điện có giá trị âm có chiều từ động nguồn, công suất có giá trị âm truyền từ máy sản xuất động mômen động sinh ngược chiều với tốc độ quay Pđ = ∆P + Pđ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA ĐIỆN Mômen máy sản xuất gọi mômen phụ tải hay mômen cản Nó định nghĩa dấu âm dương, ngược lại với dấu mômen động + Phương trình cân công suất hệ TĐĐ TĐ là: Pđ = Pc + ∆P Trong đó: Pđ công suất điện; Pc công suất cơ; ∆P tổn thất công suất - Trạng thái động gồm: chế độ có tải chế độ không tải Trạng thái động phân bố góc phần tư I, III mặt phẳng ω(M) - Trạng thái hãm có: Hãm không tải, Hãm tái sinh, Hãm ngược Hãm động Trạng thái hãm góc II, IV mặt phẳng ω(M) - Hãm tái sinh: Pđiện < 0, Pcơ < 0, biến thành điện trả lưới - Hãm ngược: Pđiện > , Pcơ < 0, điện chuyển thành tổn thất ∆P - Hãm động năng: Pđiện = 0, Pcơ < 0, biến thành công suất tổn thất ∆P * Các trạng thái làm việc mặt phẳng [M, ω]: Trạng thái động cơ: tương ứng với điểm nằm góc phần tư thứ góc phần tư thứ ba mặt phẳng [M, ω], hình - Trạng thái máy phát: tương ứng với điểm nằm góc phần tư thứ hai góc phần tư thứ tư mặt phẳng [M, ω], hình - trạng thái này, mômen động chống lại chiều chuyển động, nên động có tác dụng hãm, trạng thái máy phát có tên gọi "trạng thái hãm" 1.5 TÍNH ĐỔI CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ HỌC: 1.4.1 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 Mc, (hay lực cản Fc) phận làm việc trục động + Điều kiện quy đổi: đảm bảo cân công suất phần hệ TĐĐ - Khi lượng truyền từ động đến máy sản xuất: Ptr = Pc + ∆P Trong đó: Ptr công suất trục động cơ, Ptr = Mcqđ.ω, TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA ĐIỆN (Mcqđ ω - mômen cản tĩnh quy đổi tốc độ góc trục động cơ) Pc công suất máy sản xuất, Pc = Mlv.ωlv , (Mlv ωlv - 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 = Rút ra: M cqd = Trong đó: M lv ωlv M lv = ηi ηi i ηi - hiệu suất hộp tốc độ i= ω gọi tỷ số truyền hộp tốc độ ωi * Nếu chuyển động tịnh tiến lực quy đổi: M cqd = Trong đó: Pc M lv ωlv = = M cqd ω ηi ηi Flv η.ρ η = ηi.ηt - hiệu suất truyền lực ηt - hiệu suất tang trống ρ = ω/vlv - gọi tỷ số quy đổi - Khi lượng truyền từ máy sản xuất đến động cơ: Ptr = Pc - ∆P 1.4.2 Quy đổi mômen quán tính khối lượng quán tính: + Điều kiện quy đổi: bảo toàn động tích luỹ hệ thống: n W = ∑ Wi Chuyển động quay: W = J ω2 Chuyển động tịnh tiến: W = m v2 Nếu sử dụng sơ đồ tính toán phần dạng đơn khối, áp dụng điều kiện ta có: V ω2 q ω2 ω2 n J qd D = J D D + ∑ J i i + ∑ m j j 2 2 1 n ⇒ jqd = J D + ∑ q mj Ji + ∑ 2 Ii ρj Trong đó: Jqđ - mômen quán tính quy đổi trục động ω - tốc độ góc trục động JĐ - mômen quán tính động Ji - mômen quán tính bánh thứ i mj - khối lượng quán tính tải trọng thứ j TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA ĐIỆN ii = ω/ωi - tỉ số truyền tốc độ từ trục thứ i ρ = ω/vj - tỉ số quy đổi vận tốc tải trọng * Ví dụ: Sơ đồ truyền động cấu nâng, hạ : Hình 1- 6: Sơ đồ động học cấu nâng hạ :1- động điện; 2- hộp tốc độ; 3- tang trống quay; 4- tải trọng Ta có: J qd = J D + ∑ Trong đó: it = Ji Jt m j + + ii2 it2 ρ 2j ω tỉ số truyền tốc độ từ trục tang trống ωt 1.5 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA HỆ TĐĐ + Là quan hệ đại lượng (ω, n, L, M, ) với thời gian: ur n uu u r d (Jω Dạng tổng quát: ∑ M i = dt i =1 + Nếu coi mômen động sinh mômen cản ngược chiều nhau, J = const, ta có phương trình dạng số học: M − Mc = J dω dt Theo hệ đơn vị SI: M(N.m); J(kg.m2); ω(Rad/s); t(s) Theo hệ kỹ thuật: M(KG.m); GD(KG.m2); n(vg/ph); t(s): M − M C = Theo hệ hỗn hợp: M(N.m); J(kg.m2); n(vg/ph); t(s): M − MC = Mômen động: M dg = M − M C = J J dn 9,55 dt dω dt Từ phương trình ta thấy rằng: - Khi Mđg > hay M > Mc , dω > → hệ tăng tốc dt GD dn 375 dt TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ - Khi Mđg < hay M < Mc , dω < → hệ giảm tốc dt KHOA ĐIỆN - Khi Mđg = hay M = Mc , dω/dt = → hệ làm việc xác lập, hay hệ làm việc ổn định: ω = const * Nếu chọn lấy chiều tốc độ ω làm chuẩn thì: M(+) M↑↑ω M(-) M↑↓ω Còn Mc(+) Mc↑↓ω; Mc(-) Mc↓↓ω ... chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v 1. 2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA MÁY SẢN XUẤT VÀ ĐỘNG CƠ 1. 3 .1 Đặc tính máy sản xuất: + Đặc tính máy sản xuất quan hệ tốc độ quay mômen... tải, cấu ăn dao máy cắt gọt, (đường hình 1- 2) 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, mômen tỷ lệ bậc hai với... nghiền đá, nghiền quặng Trên hình 1- 2b biểu diễn đặc tính máy sản xuất có mômen cản dạng Trên hình 1- 2c biểu diễn đặc tính máy sản xuất có mômen cản dạng phản kháng 1. 3.2 Đặc tính động điện: + Đặc